1. ¿Cómo funciona una cámara de ultrasonido para la detección de fugas?

Una cámara de ultrasonido localiza ondas sonoras de alta frecuencia que se generan en los puntos de fuga debido a la salida de aire comprimido, de gases técnicos o a la entrada de aire ambiente en aplicaciones de vacío. Una matriz de micrófonos realiza el cálculo, a partir de las señales de los micrófonos, de la dirección de la fuente de sonido y superpone el resultado en forma de mapa de calor en color sobre una imagen de vídeo.

El procedimiento funciona de forma pasiva: la cámara no necesita ningún gas de prueba, como el helio o el gas formier, sino que capta la energía acústica generada por las turbulencias en el punto de fuga. De este modo, es posible localizar fugas durante el funcionamiento sin necesidad de desconectar amplias zonas de la instalación, desmontarlas o tratarlas con spray detector de fugas.

La ventaja técnica radica en la combinación de la localización acústica y la identificación visual. Los usuarios no solo ven que hay ultrasonidos, sino que reconocen en la imagen de la cámara en qué componente, válvula, manguera, conexión o tramo de tubería se genera la presión acústica. Esto reduce el tiempo de búsqueda, evita interpretaciones erróneas y facilita la documentación de las fugas detectadas.

Ejemplo: localización de una fuente de ultrasonidos en el techo de una nave de difícil acceso. El punto caliente marca la fuente acústica en la imagen de la cámara.

En la detección de fugas industrial, la distinción entre sonido audible y ultrasonidos es fundamental. La mayoría de los ruidos de producción se sitúan en el rango audible de baja frecuencia. Las fugas en las tuberías de aire comprimido y de gas generan, en los pequeños orificios de fuga, turbulencias de banda ancha con componentes acústicos de alta frecuencia. Las fugas grandes suelen generar además sonido audible; sin embargo, en entornos de producción, este suele quedar enmascarado por el ruido de las máquinas.

Los ultrasonidos generados por una fuga no se deben al gas en sí, sino a las turbulencias que se producen al salir el gas. La diferencia de presión, la geometría de la fuga y la forma de la abertura de salida determinan la intensidad acústica y el espectro de frecuencias de las ondas ultrasónicas generadas.

Las frecuencias más altas ofrecen una mejor resolución espacial debido a su menor longitud de onda. Sin embargo, a medida que aumenta la frecuencia, también aumenta la atenuación atmosférica, lo que reduce el alcance de detección alcanzable.

Por lo tanto, la elección de la frecuencia de medición supone un equilibrio entre resolución, alcance y supresión de interferencias. En muchas aplicaciones industriales, un rango de frecuencias en torno a los 40 kHz ha demostrado ser adecuado. No obstante, en entornos con interferencias, otra ventana de frecuencia puede ofrecer mejores resultados.

Ampliación: Detección de fugas a pesar de las fuentes de interferencias y la FFT

Para CS INSTRUMENTS, el aire comprimido es la principal aplicación de la detección de fugas por ultrasonidos. El motivo es la relación directa que existe entre las fugas, el consumo, la carga del compresor y los costes energéticos. Cualquier fuga imprevista aumenta la demanda por parte de los usuarios. Si se elimina la fuga, se necesitará generar, secar y tratar menos aire.

Detectar las fugas es el primer paso. La demostración del ahorro real mediante una medición del consumo antes y después de la reparación lo convierte en una medida de eficiencia fiable. La cámara de ultrasonido, el LD 500, el Leak Reporter, la medición del flujo y la monitorización se complementan entre sí en las tareas de localización, documentación, priorización y validación.

El mapa acústico se genera mediante la técnica de formación de haces. La matriz de micrófonos capta las señales ultrasónicas entrantes en posiciones definidas. A partir de las diferencias de tiempo de llegada y de fase, el sistema realiza el cálculo de la posición probable de la fuente de sonido. Para cada píxel se determina un valor de presión acústica y se superpone a la imagen de la cámara en forma de mapa de calor.

El mapa de calor no es una fotografía de la fuga, sino una visualización de la fuente de sonido calculada. Al superponerlo sobre la imagen de la cámara, el punto caliente puede asignarse de forma inequívoca al componente causante.

Ampliación: el beamformingexplicado de forma sencilla

El alcance de detección de una cámara de ultrasonido no viene determinado por un valor fijo. Depende fundamentalmente del tamaño de la fuga, la presión del sistema, el rango de frecuencias, las interferencias ambientales, el ángulo de visión y la atenuación atmosférica. Las fugas grandes pueden detectarse desde una distancia considerablemente mayor que las microfugas.

Desde el punto de vista acústico, no se detecta el tipo de gas en sí, sino el ultrasonido generado por la fuga de gas. La posibilidad de detectar una fuga depende, sobre todo, de la diferencia de presión, la geometría de la fuga, el caudal, la distancia de medición y las condiciones ambientales. El tipo de gas, por el contrario, es relevante principalmente para la evaluación económica, de seguridad y de calidad de la fuga.

Muchos ruidos de producción se encuentran en el rango del sonido audible. No obstante, algunos componentes de las instalaciones también pueden generar señales ultrasónicas, como, por ejemplo, los sistemas de sincronización neumáticos, los sistemas de transporte, las prensas, los puntos de fricción, las boquillas de purga, las descargas parciales eléctricas u otras fugas. Mediante el análisis FFT y la selección de una ventana de frecuencia adecuada, es posible identificar estas fuentes de interferencia y suprimirlas de forma selectiva.

Las reflexiones se producen en superficies reflectantes del sonido, como el cristal, el plexiglás, el hormigón, la chapa o los revestimientos lisos de las máquinas. Por lo tanto, un punto caliente en una pared, un suelo u otra superficie también puede estar causado por un eco. El paso más importante de la comprobación es cambiar el ángulo de visión: una fuente de sonido real permanece localizada en el componente causante, mientras que una reflexión se desplaza o desaparece.

Ampliación:  Detección de fugas a pesar de las fuentes de interferencia y la FFT