-1-
Zkoušení velkých výkovků a digitální ultrazvukové přístroje
Ultrazvuková kontrola
Ing. Jaroslav Smejkal, Testima, spol. s r.o. zpracováno dle materiálů GE IT Krautkramer Zkoušení výkovků není jednoduchou aplikací. Na jedné straně velký kalibrační rozsah, na straně druhé požadavek vysoké zkušební citlivosti v celém rozsahu (např. detekce vývrtu o průměru 0,5 mm ve vzdálenosti 1.000 mm). Při takto zvednuté zkušební citlivosti se samozřejmě zvedá také šum (jednak elektronický, jednak od mikrostruktury). Jakákoliv indikace vady však musí mít patřičný odstup od šumu (minimálně 6 dB). A přibývají dlaší těžkosti. Bludná echa – opakovací frekvence Vzhledem k mikrostruktuře výkovků se při nevhodném zvolení opakovací frekvence (příliš vysoké) můžeme setkat s tzv. bludnými echy – zjednodušeně řečeno další ultrazvukový puls je generován dříve, než jsou utlumena násobná echa pulsu předešlého, tzn. při vygenerování nového pulsu a zobrazení prvního, druhého, atd. koncového echa, doznívají na obrazovce n-tá
násobná koncová echa pulsu předešlého, která je možné snadno zaměnit za echa vadová. Pomůže snížení opakovací frekvence. Interval mezi pulsy se roztáhne a násobná echa se včas utlumí. Pokud je opakovací frekvence snížena na stále nedostatečnou hodnotu, bludná echa se přemístí a je možné je odlišit.
-2-
Většinou se pro zkoušení výkovků na větších kalibračních rozsazích požaduje minimální opakovací frekvence alespoň 20 Hz. Obrazovka Analogové obrazovky jsou dodnes považovány za jakýsi „etalon“ mezi obrazovkami ultrazvukových přístrojů. První digitální přístroje s LCD displeji měly často problémy s rychlou odezvou zobrazení. Navíc analogová obrazovka měla díky svému principu další přednosti –odlišná rychlost elektronového paprsku v základní lince a v echu znamenala odlišný jas echa a šumu, elektronový paprsek zanechával na obrazovce po kratičký okamžik stopu zobrazení (tedy určitá obrazová paměť – persistence), v každém cyklu opakovací
frekvence je zobrazení v reálném čase a v reálném průběhu (tvaru). Tyto vlastnosti není jednoduché dostihnout pomocí digitální technologie. Dlouho tomu bránily displeje přístrojů. Jas LCD displeje má dvě hodnoty, které jsou dány pro celou plochu zapnutým nebo vypnutým podsvětlením displeje. Podobně je tomu také u oblíbených elektroluminiscenčních dislejů. Práce s jasem je umožněna až u aktivních TFT displejů, kde lze řídit jas každého jednotlivého bodu. Tímto způsobem se může digitálně napodobit jedna z vlastností analogové obrazovky – odlišný jas echa a základní linky. Obrazová paměť je zajištěna rovněž digitálně, zobrazení nemizí z displeje ihned, ale se zpožděním. Je zvolena barva A-zobrazení. V momentě změny A-zobrazení se u staršího signálu mění původní barva a na obrazovce je vidět nové A-zobrazení a zároveň původní signál ve změněné barvě. Původní signál po chvíli mizí… Efekt není jednoduché popsat, musí se vidět.
-3-
Digitální zpracování signálu Bylo popsáno, že analogový signál je zobrazen v reálném čase a hlavně v reálném tvaru. Při zobrazení na digitálním přístroji je nutné signál nejdříve zdigitalizovat. Signál ve svém původním vysokofrekvenčním tvaru (obrázek 3a) je rozdělen dle vzorkovací frekvence f na x
částí. Interval (perioda vzorkování) je τ = 1/ f (obrázek 3b). Dle digitálního rozlišení je dále rozdělena amplituda signálu (obrázek 3c) a výsledkem je obrázek 3d s poměrně hrubým tvarem signálu. Pro vyhlazení signálu (přesnější odečítání jak dráhy ultrazvuku – TOF, tak amplitudy) je nutné zvýšit vzorkovací frekvenci a digitální rozlišení. Ovšem A/ D převodníky splňující tyto požadavky jsou jednak velmi drahé, jednak mají příliš velké nároky na odběr proudu (vylučují provoz na baterie). Existují jednodušší metody. Multi-fázová digitalizace při manuálním zkoušení Předpokladem pro tuto metodu jsou velmi malé změny tvaru ultrazvukového signálu mezi jednotlivými vysílacími pulsy. Toto platí při nastavené co možná nejvyšší opakovací frekvenci (třeba 1.000 Hz) a vzorovací frekvenci co možná nejnižší. V takovém případě se
perioda běžného vzorkování τ rozdělí na n stejných dílů. Měření amplitudy začne v prvním bodě, v dalším vysílacím cyklu se měří aplituda v bodě posunutém o τ/ n, při dalším vysílacím cyklu se pokračuje v bodě posunutém od počátku o 2τ/ n, atd. Výsledná virtuální vzorkovací frekvence je tedy n/ τ. Ovšem celý tvar signálu je složen až po n vysílacích cyklech. Single-fázová digitalizace - dovzorkování signálu V případě tzv. dovzorkování signálu je amplituda signálu měřena také s frekvencí vzorkování 1/ τ, ale ve stále stejných bodech a zbývající body s virtuální periodou τ/ n jsou interpolovány výkonným mikroprocesorem a vloženy mezi měřené body.
-4-
Výsledkem je tvar signálu srovnatelný s předchozí multi-fázovou digitalizací, ale kompletní tvar signálu je znám v každém vysílacím cyklu. Obrovské výhody přináší tato metoda při zkoušení velkých výkovků, kdy použitá nízká opakovací frekvence by v případě multi-fázové digitalizace způsobila další ztráty rychlosti zobrazení. Inteligentní redukce dat Digitální ultrazvukový přístroj musí zpracovávat velmi rychle obrovské množství dat. Ale na druhou stranu existující obrazovky mají určitou maximální zobrazovací frekvenci, dnes obvykle 60 Hz. Tzn. že zpracovaná data nemohou být zobrazena všechna, dochází k redukci dat. Toto může způsobit vážné ztráty zobrazení, např. vadové echo nemusí být zobrazeno s maximální amplitudou. Tento problém dokáže odstranit tzv. inteligentní redukce dat, kdy jsou jednotlivé pulsy (echa) interně porovnávány a zobrazeno je vždy maximální echo. Monitor vždy reaguje na příchozí signál před redukcí dat, tzn. pracuje se signálem v reálném čase. Funkce inteligentní redukce dat je nazývána „Smart View“. Frekvence zobrazení = 60 Hz Opakovací frekvence = 240 Hz
-5-
Přístroje pro zkoušení výkovků Jeden z historicky vůbec nejrozšířenějších a dodnes úspěšně používaných přístrojů pro kontrolu výkovků je Krautkramer USIP 11. Disponuje dostatečným ultrazvukovým výkonem, opakovací frekvencí nastavitelnou od nízkých hodnot (25 Hz) a rychlou a jasnou obrazovkou se zobrazením v reálném čase (vlastnost analogových obrazovek, jak bylo zmíněno v úvodu). Tento přístroj pocházející z roku 1972 dlouho nenacházel rovnocenný digitální ekvivalent. Až Krautkramer USN 60 s TFT barevným displejem, dovzorkováním signálu (single-fázová digitalizace) a s inteligentní redukcí dat (Smart View) zachovává potřebnou dynamiku zkoušení a kvalitu zobrazení a zároveň přináší i do této oblasti novou kvalitu digitální techniky: zmrazení A-zobrazení, srovnání A-zobrazení, ukládání kalibrací a výsledků, atd.
www.testima.cz
[email protected]
TESTIMA, spol. s r.o., Křovinovo nám. 8, 193 00 Praha 9 Tel.:281 922 523 * Tel. servis: 281 922 522 * Fax: 281 921 531
PROVÁDÍME KALIBRACE A SERVIS ULTRAZVUKOVÝCH PŘÍSTROJŮ
