超声检测的一般介绍

Mnoho lidí dobře zná zdravotnické použití ultrazvukového zobrazování, při kterém se využívají vysokofrekvenční akustické vlny k vytváření velmi detailních průřezových obrazů vnitřních orgánů. Lékařské sonografy se běžně vyrábějí se speciálními sondami s více měniči, známými jako sondy phased array, a jsou vybaveny potřebným hardwarem i softwarem. Použití ultrazvukové technologie phased array však není omezeno jen na oblast lékařské diagnostiky. Systémy využívající technologii phased array se používají také v průmyslových závodech, a to k získávání a vizualizaci informací nové úrovně v rámci běžných nedestruktivních ultrazvukových zkoušek. Mezi takové zkoušky patří například kontrola svarů, zkoušení lepených spojů, profilace tloušťky a detekce trhlin za provozu. Čtěte dál a zjistěte, jaký je rozdíl mezi kontrolami prováděnými pomocí NDT technologie phased array a tradičním ultrazvukovým zkoušením.

1. Co je ultrazvuková technologie phased array?

Konvenční ultrazvukové sondy pro nedestruktivní zkoušení (NDT) běžně obsahují buď jeden aktivní měnič, který generuje a přijímá vysokofrekvenční akustické vlny, nebo dva spárované měniče, přičemž jeden pracuje jako vysílač a druhý jako přijímač. Sondy phased array jsou naopak tvořeny sestavou sondy, která obsahuje malé samostatné měniče v libovolném počtu od 16 až do 256, u nichž lze vysílání impulzu generovat nezávisle. Tyto měniče mohou být uspořádány do matrice tvaru pruhu (lineární pole), prstencové matrice (prstencové pole), kruhové matrice (kruhové pole) nebo i do složitějšího tvaru.

Stejně jako v případě konvenčních sond mohou být i sondy typu phased array konstruovány pro použití v přímém kontaktu, jako součást sestavy pro úhlový svazek s použitím klínu nebo pro imerzní použití s akustickou vazbou zajišťovanou dráhou ve vodě. Frekvence těchto sond obvykle leží v rozmezí od 2 MHz do 10 MHz. Součástí systému phased array je také sofistikovaný přístroj na bázi počítače, který pohání sondu s větším počtem měničů, přijímá a digitalizuje vracející se signály (signály ech) a umí tyto informace vracejících se signálů vynášet do grafu v různých standardních formátech. Na rozdíl od konvenčních defektoskopů umožňují systémy phased array rozmítat zvukový svazek prostřednictvím škály úhlů odrazu nebo podél lineární dráhy či dynamicky fokusovat do mnoha různých hloubek. To jsou důvody, proč systémy phased array mohou jak zvýšit flexibilitu, tak i rozšířit možnosti uspořádání kontrol.

Typické sestavy sond phased array

Typická konstrukce s větším počtem měničů

2. Jak systémy phased array  fungují?

V tom nejzákladnějším smyslu vnímání systém phased array využívá princip fázování známý z vlnové fyziky. Systém mění čas mezi výstupem v řadě vysílaných ultrazvukových impulzů takovým způsobem, že jednotlivé vlnoplochy generované jednotlivými měniči v rámci pole měničů (array) se vzájemně skládají tak, aby se jejich energie vzájemně sčítaly nebo rušily předvídatelnými způsoby, které řídí a tvarují zvukový svazek.

Toho je dosaženo tím, že jednotlivé měniče sondy generují impulz v mírně rozdílných časech. Často měniče generují impulz ve skupinách po 4 až 32 měničích s cílem zlepšit efektivní citlivost zvýšením hodnoty apertury, čímž se omezí nežádoucí rozptyl svazku a je možné dosáhnout lepší fokusace. Software označovaný jako kalkulátor ohniskových nastavení (fokusačních zákonů) stanoví konkrétní doby zpoždění pro generování jednotlivých skupin měničů za účelem vytvoření požadovaného tvaru svazku, a to s uvážením charakteristik sondy a klínu a také geometrie a akustických vlastností zkoušeného materiálu. Naprogramovanou posloupností generace impulzů zvolenou operačním softwarem přístroje je pak do zkoušeného materiálu vyslán příslušný počet jednotlivých vlnoploch. Tyto vlnoplochy se konstruktivním a destruktivním způsobem skládají do jedné primární vlnoplochy, která postupuje zkoušeným materiálem a odráží se od trhlin, nespojitostí, koncových stěn a dalších rozhraní materiálů jako jakákoli jiná konvenční ultrazvuková vlna. Svazek lze dynamicky řídit do různých úhlů, různých ohniskových vzdáleností a velikostí ohniskových bodů takovým způsobem, že sestava jedné sondy dokáže vyšetřit zkoušený materiál ze všech možných pohledů. K řízení svazku dochází velmi rychle, takže skenování z většího počtu úhlů nebo pomocí různých hloubek ohniska lze provést ve zlomku sekundy.

Vracející se odražené signály (echa) jsou přijímány různými měniči nebo skupinami měničů, podle potřeby jsou posunuty v čase, aby bylo kompenzováno měnící se zpoždění klínu, a následně jsou sečteny. Na rozdíl od konvenční jednoměničové sondy, která efektivním způsobem slučuje účinky všech složek svazku dopadajících na povrch sondy, sonda phased array dokáže prostorově rozřadit vracející se vlnoplochu podle doby příchodu a amplitudy na jednotlivé měniče. Při zpracování signálů softwarem přístroje představuje každé vracející se ohniskové nastavení odraz konkrétní úhlové složky svazku, konkrétní bod na lineární dráze a/nebo odraz z konkrétní hloubky ohniska. Informace o signálech ech lze pak zobrazit v několika různých formátech.

Příklad úhlového svazku generovaného plochou sondou prostřednictvím proměnného zpoždění

Příklad fokusovaného svazku lineárního skenu

3. Jak tyto obrazy vypadají?

U většiny typických použití v oblasti detekce vad a měření tloušťky se data zkoušení ultrazvukem zakládají na informacích o čase a amplitudě, které jsou odvozeny ze zpracovaných dat časového průběhu RF signálů. Tyto časové průběhy signálů a z nich získané informace jsou obvykle znázorněny formou jednoho nebo několika ze čtyř formátů: A–skenu, B–skenu, C–skenu nebo S–skenu. V následující části jsou uvedeny některé příklady prezentace obrazu jak u konvenčních defektoskopů, tak i u systémů phased array.

4. Zobrazení ve formátu A-skenu

A–sken je jednoduše znázornění časového průběhu RF signálu, které zobrazuje čas a amplitudu ultrazvukového signálu. Tuto formu zobrazení často poskytují konvenční ultrazvukové defektoskopy, časový průběh signálu bývá touto formou zobrazován na tloušťkoměrech. Časový průběh signálu zobrazený formou A–skenu představuje odrazy z jedné polohy zvukového svazku ve zkoušeném díle. A–sken defektoskopu zobrazený níže znázorňuje echa ze dvou bočních vývrtů v ocelové referenční měrce. Sloupcový zvukový svazek z běžné jednoměničové kontaktní sondy zachycuje dva ze tří otvorů a vytváří dva rozlišené odrazy v různých časech, které jsou přímo úměrné hloubce příslušného otvoru.

Zobecněný profil svazku	Obrázek A–skenu přímého svazku

Jednoměničové úhlové sondy použité společně s konvenčním defektoskopem generují svazek, který se šíří podél jedné úhlové dráhy. I když v důsledku šíření svazku dochází k tomu, že se průměr svazku se vzdáleností zvětšuje, plocha pokrytí nebo zorné pole úhlového svazku konvenční sondy jsou stále omezeny na jednu úhlovou dráhu. V příkladu níže je klín s úhlem 45 stupňů v jedné pevné poloze schopen detekovat dva boční vývrty ve zkušební měrce, protože se nacházejí v dráze šíření svazku, ale třetí vývrt není možné detekovat bez posunutí sondy dopředu.

Zobecněný profil svazku	Obrázek A–skenu šikmého svazku

Systém phased array zobrazuje podobný časový průběh signálu A–skenu, nicméně ve většině případů je zobrazení ve formě A–skenu doplněno zobrazeními ve formě B–skenu, C–skenu nebo S–skenu, jak je zobrazeno níže. Tyto standardní formáty zobrazení pomáhají operátorovi při vizualizaci typu a polohy vady ve zkoušeném dílu.

5. Zobrazení ve formátu B-skenu

B–sken je zobrazení znázorňující průřezový profil na jednom svislém řezu zkoušeného dílu a znázorňuje hloubku umístění reflektorů s ohledem na jejich lineární polohu. Zobrazování ve formě B–skenu vyžaduje, aby zvukovým svazkem bylo provedeno skenování podél zvolené osy zkoušeného dílu, buď mechanicky nebo elektronicky, a současně probíhalo ukládání příslušných dat. V případě uvedeném níže B-sken ukazuje dva hluboké reflektory a jeden mělčí reflektor, což odpovídá pozicím bočních vývrtů ve zkušební měrce. Při použití konvenčního defektoskopu je nutné sondou pohybovat bočně po zkoušeném dílu.

Zobecněný profil svazku	Typický obraz B–skenu ukazující relativní hloubku otvorů

Systém phased array naopak využívá elektronické skenování po délce lineární sondy phased array k tomu, aby způsobem obdobným výše popsanému vytvořil profil příčného průřezu, aniž by však bylo potřeba sondou pohybovat.

Obraz elektronického lineárního skenu (B–sken) zobrazujícího relativní polohu a hloubku otvorů po délce lineárního pole

6. Zobrazení ve formátu C-skenu

C–sken je dvourozměrné zobrazení dat formou půdorysného neboli rovinného pohledu na zkoušený díl. Jeho grafická perspektiva se podobá rentgenovému zobrazení, kde barva znázorňuje nastavenou bránou omezenou amplitudu signálu v každém bodě zkoušeného mapovaného dílu s ohledem na polohu x–y. U konvenčních přístrojů je nutné jednoměničovou sondu posouvat po zkoušeném dílu v rastru vzoru skenování x–y. U systémů phased array se sonda obvykle fyzicky pohybuje podél jedné osy a svazek zároveň elektronicky skenuje podél druhé osy. Tam, kde je zapotřebí zachovat precizní geometrickou shodu obrazu skenu s dílem, se běžně používají enkodéry, i když v mnoha případech může užitečné informace poskytnout i nekódovaný ruční sken.

Dále uvedené obrázky představují C–skeny referenční měrky pořízené konvenčním imerzním skenovacím systémem s fokusovanou imerzní sondou a pomocí přenosného systému phased array s použitím enkódovaného ručního skeneru a sondy s lineárním uspořádáním měničů (linear array). I když grafické rozlišení není úplně rovnocenné, jsou zde ještě další záležitosti, které je třeba vzít v úvahu. Systém phased array je na rozdíl od konvenčního systému přenosný a náklady na něj jsou přibližně třetinové. Navíc se zobrazení pomocí technologie phased array získá za několik málo sekund, zatímco pořízení běžného skenu imerzní technikou trvá několik minut.

Zobecněný profil svazku a směr pohybu	Obraz konvenčního C–skenu, na kterém se ukazuje poloha otvorů

Zobecněný profil svazku a směr pohybu	Obraz C–skenu získaný technologií phased array, na kterém se ukazuje poloha otvorů

7. Zobrazení ve formátu S-skenu

Zobrazení ve formátu S–skenu neboli sektorového skenu je dvojrozměrný průřezový pohled odvozený z řady A–skenů, které byly vyneseny do grafu s ohledem na časové zpoždění a úhel lomu. Vodorovná osa odpovídá šířce zkoušeného dílu a svislá osa jeho hloubce. Toto je nejběžnější formát lékařských sonogramů a také obrazů technologie phased array používané v průmyslu. Zvukový svazek se šíří v řadě úhlů tak, aby vznikl přibližně kónicky tvarovaný průřezový obraz. Je třeba poznamenat, že v tomto příkladu je sonda phased array díky rozmítání svazku schopna zmapovat všechny tři otvory z jedné polohy sondy.

Vlevo A–sken jedné úhlové komponenty, vpravo složený sektorový sken. Označení kurzoru „49 stupňů“ identifikuje úhlové umístění zobrazeného A–skenu.

Kde se systémy phased array používají?

Ultrazvukové systémy využívající technologii phased array lze potenciálně využít pro téměř jakoukoliv zkoušku, pro kterou jsou tradičně používány konvenční ultrazvukové defektoskopy. Mezi nejdůležitější oblasti použití patří kontrola svarů a detekce trhlin. Tyto zkoušky se provádějí v mnoha různých odvětvích, včetně letectví a kosmonautiky, energetiky, těžby a zpracování ropy a zemního plynu, používají je dodavatelé kovových sochorů a trubek, používají se při výrobě a údržbě potrubí, konstrukčních kovů a obecně ve výrobě. Technika phased array je také velmi efektivním pomocníkem při profilaci zbytkové tloušťky stěny v aplikacích mapování koroze.

Přínos techniky phased array ve srovnání s konvenčními ultrazvukovými zkouškami spočívá ve schopnosti využít větší počet měničů pro směrování, fokusaci a skenování svazku pomocí sestavy jedné sondy. Řízení svazku, běžně označované jako sektorové skenování, lze použít pro mapování součástí ve vhodných úhlech. To může značně zjednodušit kontrolu součástí se složitou geometrií. Malý půdorys sondy a schopnost měnit úhel svazku, aniž by bylo zapotřebí pohybovat sondou, také pomáhají při kontrole součástí za podmínek omezeného přístupu pro mechanické skenování. Sektorové skenování se typicky využívá pro kontrolu svarů. Schopnost prověřit svar jednou sondou z mnoha úhlů výrazně zvyšuje pravděpodobnost detekce existující anomálie. Elektronická fokusace umožňuje optimalizovat tvar a velikost svazku v místě předpokládané vady a pravděpodobnost detekce tak ještě dále optimalizovat. Možnost fokusace svazku do většího počtu hloubek také zlepšuje schopnost stanovení velikosti kritických vad prováděných pro objemové kontroly. Fokusací lze významně zlepšit odstup signálu od šumu v obtížných oblastech použití a díky elektronickému skenování přes mnoho skupin měničů lze snímky C–skenů vytvářet velmi rychle.

Další informace o technologii phased array a přístrojích pracujících na základě této technologii získáte u spol. Evident. Kontaktujte nás ohledně podrobnějších informací.