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Ciencia & Tecnología

Turbinas de generación eléctrica serían monitoreadas a bajo costo

Con un sistema que permite obtener señales acústicas en máquinas rotativas presentes en estas turbinas, se pretende mejorar el proceso de detección de fallas, aunque la señal se encuentre contaminada con altos niveles de ruido externos.

Manizales, 03 de junio de 2020Agencia de Noticias UN-

Juan Diego Mejía Henao, magíster en Automatización Industrial de la UNAL Sede Manizales. Fotos: Juan Diego Mejía - UNAL Sede Manizales.

Algunas fuentes acústicas en una máquina rotativa son los ventiladores, motores eléctricos, rodamientos y engranajes.

Transductores de ultrasonido de bajo costo desarrollados para la investigación.

Soportes diseñados para inclinar los transductores de ultrasonido a un ángulo de 45o.

Banco de pruebas de generación hidroeléctrica con sistema de transductores de ultrasonido y sistema de medición de caudal.

Este sistema de monitoreo no invasivo, desarrollado por Juan Diego Mejía Henao, magíster en Automatización Industrial de la Universidad Nacional de Colombia (UNAL) Sede Manizales, permite detectar cualquier falla que presenten las turbomáquinas, sin necesidad de desarmarlas.

Los sistemas de adquisición de señales acústicas se emplean en la producción de energía hidroeléctrica para regular la frecuencia de la onda eléctrica generada, la cual debe ser constante, de 60 Hz.

Al respecto, el magíster explica que “cuando la turbina tiende a detenerse por el incremento de la potencia requerida por los usuarios, se debe usar un mayor caudal de energía para mantener el valor de frecuencia. Este proceso de control requiere de una medida continua para mejorar la caracterización del sistema de generación”.

Por lo general, estos dispositivos de medición son costosos (alrededor de 5.500 dólares) y no se pueden usar de forma permanente, por lo que estas mediciones solo se realizan en casos de urgencia, ante el mal rendimiento de generación.

Esta investigación presenta un nuevo sistema por ultrasonido basado en transductores (dispositivo que tiene la misión de recibir energía) de bajo costo, que reduce el valor de adquisición final de los aparatos. “El sistema se probó en tres tuberías con tres valores de caudal distintos, en los cuales se demostró la efectividad”.

Pulsos de ultrasonido

Para el desarrollo del artefacto se utilizaron transductores de ultrasonido, que son cristales piezoeléctricos encargados de medir presión, aceleración, tensión o fuerza, de bajo costo y con frecuencia de 1 MHz. Estos cristales pueden transmitir pulsos de ultrasonido a partir de una señal eléctrica, o generar pulsos eléctricos a partir de cambios de presión ultrasónica.

Los transductores son planos y se instalan de forma perpendicular a la tubería. Como el ultrasonido se amortigua bastante en el aire, estos se deben acoplar de tal forma que no quede aire entre ellos y el tubo donde se van a poner. La manera más común de acoplar los transductores es empleando materiales líquidos o viscosos como grasa, glicerina y gel de ultrasonido, explica el investigador.

El ángulo de incidencia de estos sensores es de 90° respecto a la superficie de la tubería. Este ángulo no es el adecuado para la medición, por lo que se diseñó un soporte para cada sensor que diera el grado de inclinación correcto para la aplicación.

El ángulo de incidencia de los transductores al usar estos soportes es de 45°, el espacio libre entre los transductores y la tubería se llenó con gel de ultrasonido, el cual permite el paso de las señales acústicas con facilidad y atenúa mucho menos que el aluminio con el que están hechos los soportes.

Este diseño presenta diferentes ventajas, ya que su fabricación es de bajo costo y se produce en la región; además permite reemplazar fácilmente el transductor –en caso de algún daño– o el soporte por otro diseñado para tuberías de diferente diámetro; también evita la fuga del material acoplante al ajustarse finamente al tubo de medida.

El sistema desarrollado por el magíster presenta dos componentes de amplificación y filtrado: el “amplificador de bajo ruido” y el de “ganancia programable”. También está equipado con micrófonos de medición pequeños, encargados de adquirir, en especial, el sonido que se encuentra al frente del sensor.

Los micrófonos son dispositivos que generan un voltaje análogo a los cambios de presión a los que son sometidos, y según su fabricación tienen diferente respuesta en frecuencia, sensibilidad y directividad.

El micrófono utilizado es direccional, tiene una sensibilidad de 50 mV/Pa (milivoltio por pascal), un rango espectral desde los 20 Hz hasta los 20 kHz, soporta temperaturas de -10 hasta los 50 oC, un nivel máximo de presión sonora cercano a los 130 y una potencia de ruido de 35 dB.

Por su movimiento, las máquinas rotativas forman vibraciones que a su vez generan cambios de presión que se traducen en sonido o ruido. “Todo el sonido de la máquina, en general, se puede adquirir y procesar para extraer la información sobre el estado en que se encuentran los componentes y así realizar tareas de monitoreo de condición en forma no destructiva ni invasiva”, explica el magíster.

(Por: fin/LGH/MLA/LOF
)
N.° 526

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