Efeitos de cabos longos nos testes ultrassônicos com transdutores de um elemento

Um cabo transdutor é parte integrante de qualquer sistema ultrassônico de detecção de falhas e medição de espessura, mas geralmente não recebe muita atenção do operador, além da confirmação de que não está rompido, gasto ou com outro defeito. A maioria dos testes ultrassônicos é realizada no intervalo de frequência de 500 KHz a 20 Mhz, com cabos transdutores que não ultrapassam cerca de 2 metros (6 pés) de comprimento. No entanto, em aplicações que envolvem testes mais frequentes ou cabos mais longos, é importante conhecer os possíveis efeitos do aumento do comprimento do cabo e fazer os ajustes necessários.

Esta nota de aplicação discute o uso de cabos muito longos com transdutores em frequências de teste menores ou iguais a aproximadamente 20 MHz. Os problemas de cabo especial relacionados com transdutores de frequência muito alta (50 MHz e maiores) são discutidos no livro branco, Application Considerations in Specifying High-Frequency Ultrasonic Transducers.

Fatores a serem considerados à medida que o comprimento do cabo aumenta

Há quatro fatores que precisam ser considerados no cabo: reflexões, atenuação, atraso e captação de ruído. Todos eles se tornam cada vez mais importantes à medida que o comprimento do cabo aumenta, especialmente quando ele ultrapassa 20 metros ou 65 pés.

Reflexão do cabo

Em qualquer sistema ultrassônico, um pulso de excitação ou "principal" se desloca do pulsador do instrumento ao transdutor em uma velocidade que, em um cabo coaxial comum, se aproxima da velocidade da luz. Quando esse pulso de excitação chega ao transdutor, a maior parte da energia elétrica é convertida em ondas sonoras. No entanto, parte dessa energia é refletida de volta ao pulsador. Quando chega ao pulsador, uma parte dessa energia é refletida de volta ao transdutor (a quantidade de energia refletida em cada extremidade do cabo está relacionada principalmente à correspondência ou disparidade da impedância elétrica). Quando esse pulso refletido chega novamente ao transdutor, ele age como um segundo pulso de excitação menor que segue o pulso original por um intervalo de tempo igual ao tempo de trânsito elétrico de ida e volta no cabo.

Em configurações normais de teste com cabos curtos, esse pulso refletido chega muito rapidamente após o pulso de excitação inicial e não tem efeito significativo no desempenho do transdutor. No entanto, à medida que o tempo de trânsito elétrico através do cabo se aproxima do período ressonante do transdutor (1/frequência), o pulso refletido aumenta o comprimento do pulso de excitação e reaciona o transdutor. Essa ressonância adicional limita a resolução próxima à superfície, às vezes, de forma significativa. Em caso de transdutores de linha de atraso, o pulso refletido também aciona o eco da interface da linha de atraso novamente, reduzindo a resolução próxima à superfície. Com cabos muito longos, um segundo pulso de excitação será observado, além de ecos duplicados da parede traseira separados por um intervalo de tempo igual ao comprimento elétrico do cabo.

Em algumas aplicações, os efeitos negativos das reflexões do cabo podem ser evitados com a troca dos transdutores de um elemento para transdutores de elementos duplos. Como os duplos usam elementos transmissor e receptor separados e as configurações duplas normalmente observam apenas o primeiro eco recebido de um alvo, um aumento no pulso de excitação e na ressonância do eco não é geralmente um problema (embora a atenuação, o atraso e a captação de ruídos ainda possam ser).

Em alguns casos, as reflexões do cabo podem ser reduzidas com a configuração do abafamento do instrumento para 50 ohm e a colocação de um terminador de 50 ohm na extremidade do transdutor do cabo. No entanto, isso pode ter efeitos indesejáveis na forma do eco e, em todos os casos, devido ao perfil de impedância elétrica complexa de todos os transdutores NDT comuns, é impossível corresponder perfeitamente à impedância elétrica de um pulsador.

Atenuação do cabo

A resistência elétrica em cabos longos causa perda de sinal que aumenta com o comprimento. Por esse motivo, em configurações de detecção de defeitos em que o rastreamento preciso da amplitude do eco seja importante, a sensibilidade do instrumento deve ser sempre calibrada com o cabo real usado no teste. Perdas de cabo são geralmente pequenas o suficiente para serem compensadas com um simples ajuste do ganho do instrumento. Em casos extremos, pode ser recomendado o uso de um pré-amplificador na extremidade do transdutor do cabo.

Atraso do cabo

O tempo de trânsito elétrico pelo cabo do transdutor é parte da medição distância total ou de espessura ao uso de transdutores de contato ou elemento duplo (embora não seja ao medir a espessura em um modo eco a eco). Cabos longos podem aumentar significativamente o tempo de medição e criar erros se não forem zerados. Por esse motivo, se alguma configuração em que a medição de espessura ou de distância é baseada no tempo do primeiro eco da parede traseira a partir da peça de teste, a calibração zero do instrumento deve sempre ser realizada com o cabo real usado para o teste. Geralmente, esse é um problema simples de resolver, desde que o procedimento correto de calibração seja seguido.

Captação de ruído pelo cabo

Menos comum do que as três condições listadas acima, a captação de ruído de frequência de rádio do ambiente por cabos longos pode ser um problema em aplicações que combinam cabos longos, ganho alto e ambientes com ruídos elétricos, como perto de motores ou soldadores. Nesses casos, o ruído do cabo pode confundir os ecos de interesse. Algumas soluções possíveis são usar cabos coaxiais de blindagem dupla, pré-amplificadores remotos na extremidade do transdutor do cabo e filtros passa-baixa no receptor para eliminar os componentes de maior frequência do ruído.

Efeitos do cabo em testes ultrassônicos: um exemplo

A série de formas de onda a seguir mostra os efeitos do aumento do comprimento do cabo em uma configuração simples de detector de falha que usa um transdutor de contato de banda larga de 10 MHz para medir a espessura de um bloco de referência de aço com 10 mm de espessura. O comprimento do cabo aumenta de 1 metro (aproximadamente 3 pés) para 60 metros (200 pés) em seis etapas. Essas formas de onda servem para mostrar um exemplo generalizado dos efeitos de cabos longos. Os resultados específicos mudam com alterações na frequência do transdutor e de largura de banda. Em frequências maiores, os efeitos serão mais pronunciados, enquanto que, em frequências menores, eles serão menores.