České vysoké učení technické v Praze Fakulta elektrotechnická. Disertační práce

Transkript

1 České vysoké učení technické v Praze Fakulta elektrotechnická Disertační práce Srpen, 29 Ing. Stanislav Štarman

2 České vysoké učení technické v Praze Fakulta elektrotechnická Katedra měření Zvýšení citlivosti ultrazvukové EMAT defektoskopie Disertační práce Ing. Stanislav Štarman Praha, srpen, 29 Doktorský studijní program: Elektrotechnika a informatika Studijní obor: Měřicí technika Školitel: doc. Ing. Marcel Kreidl, CSc. Školitel specialista: doc. Ing. Radislav Šmíd, Ph.D. 2

3 Poděkování Děkuji kolektivu katedry měření, která mi umožnila v rámci externího studia realizovat vědeckou práci jako sepětí vývoje a výroby se současnými vědeckými poznatky. Nešlo jen o cenné rady, ale při psaní společných článků na zahraniční konference k výuce odborného stylu, metodologie, terminologie a využívání MATLAB. Děkuji mému školiteli Doc. Ing. Marcelu Kreidlovi, CSc, za trpělivost, metodologické odborné vedení a pomoc při vymezení rozsahu této disertační práce. Děkuji Doc. Ing. Radislavu Šmídovi, Ph.D. za konzultace při výběru použitých metod a stanovení kritérií hodnocení, které v oboru EMAT není dostatečně zmapováno a u některých metod vůbec klasifikováno. Další poděkování si zaslouží Ing. Václav Matz, Ph.D. z jehož práce byly některé metody zpracování signálu aplikované v klasické metodě ultrazvuku inspirací pro specifickou metodu zpracování EMAT. 3

4 Seznam použitých značek veličin a symbolů A A A c A cx A cy A f A ky A v A x B B c l d D D c E F F(f) f res f s f vz G g(n) H(f) h(m) H ω I i I EMAT K k K celk K x L M N n n(t) N n ef o P R velikost aktivní plochy matice o rozměrech i j vektor aproximačních koeficientů maximální amplituda vadového echa před filtrací maximální amplituda vadového echa po filtraci průměr kruhové vady [mm] maximální amplituda koncového echa po filtraci poměr amplitud vadového a počátečního echa rozdílový faktor vektor indukce magnetického pole indukce statického magnetického pole rychlost šíření tloušťka vzorku [mm] průměr cívky [mm] vektor detailních koeficientů vektor elektrické intenzity Lorentzova síla přenosová funkce použité ultrazvukové sondy rezonanční frekvence frekvence sondy vzorkovací frekvence vzdálenost mezi cívkou EMAT sondy a povrchem testovaného materiálu impulsní odezva horní propusti přenosová funkce impulzní odezva přenosová funkce střídavý proud pořadové číslo zaznamenaného signálu elektrický proud procházející emitující cívkou Boltzmanova konstanta filtrační konstanta počet zrn v materiálu účinnost filtrace poměr A ky /n ef konstanta šířka pásma počet závitů cívky EMAT číslo vzorku signálu elektronický šum (resp. N 2 ) počet diskrétních hodnot efektivní hodnota šumu průměrná velikost zrna výkon počet úrovní rozkladu signálu 4

5 q elektrický náboj r index nabývající hodnoty od N do +N R R EMAT SNRE T T T p T v U EMAT U NOISE v V W x X(f) x(nt v ) x(t) x avg Z Z IS α α s α r λ ν el σ el υ el χ ψ ω ω odpor jednoho závitu cívky impedance cívky zvýšení odstupu signálu od šumu teplota pozice ultrazvukového echa hodnota prahové úrovně vzorkovací perioda napětí indukované v EMAT cívce amplituda šumu na vstupu zesilovače rychlost šíření ultrazvukových vln objem částice délka jednoho závitu cívky vzdálenost od zrna Fourierův obraz signálu x(t) označuje jednotlivé vzorky analyzovaného signálu užitečný signál průměrovaný signál komplexní impedance akustická impedance testovaného vzorku materiálová konstanta koeficient útlumu v materiálu součinitel rozptylu vlnová délka ultrazvukové vlny koeficient špičatosti směrodatná odchylka koeficient šikmosti Poissonova konstanta mateční vlnka frekvence normovaná frekvence hustota materiálu ρ φ ( f ) fáze signálu µ permeabilita 5

6 Obsah Seznam použitých značek, veličin a symbolů. Úvod Úvod do teorie EMAT ultrazvukové defektoskopie Princip EMAT sondy Napětí indukované v EMAT sondě Základní výhody a nevýhody EMAT defektoskopie EMAT sondy Typy ultrazvukových vln generovaných pomocí EMAT sond Uspořádání EMAT sond Zdroje šumu v EMAT defektoskopických systémech Současný stav EMAT ultrazvukové defektoskopie Cíle disertační práce Konstrukce a parametry EMAT systému Konstrukce EMAT sond Generátory pulzů (tzv. pulzery) Vysílací pulzy použité při měření Porovnání navržených EMAT sond DUAL EMAT sonda Požadavky na cívky DUAL EMAT sondy Blokové schéma zapojení DUAL EMAT sondy Předzesilovače EMAT EMAT předzesilovač požadavky a parametry Amplitudová frekvenční charakteristika DUAL EMAT sondy Vyzařovací charakteristika EMAT sondy Měření vyzařovací charakteristiky EMAT sondy Amplitudové charakteristiky v příčném (horizontálním) řezu DUAL EMAT sondy Amplitudové charakteristiky ve vertikálním řezu DUAL EMAT sondy Měření DAC křivek sondy Dual EMAT Simulace elektrického a magnetického pole cívky a magnetu sondy EMAT Závěr Analýza šumu a simulace EMAT signálu Náhradní šumový model EMAT sondy Zdroje šumu u předzesilovače Analýza šumu zaznamenaného DUAL EMAT sondou Analýza elektronického šumu EMAT zařízení Analýza strukturního šumu zaznamenaného EMAT sondou Statistická analýza šumu v zaznamenaném signálu Závěr Simulace signálu EMAT Fyzikální rozbor strukturního šumu Generování signálu z EMAT sondy Metody zvýšení citlivosti ultrazvukové EMAT defektoskopie Využití metody průměrování Potlačení šumu u simulovaného signálu Ověření algoritmu na zaznamenaných signálech Shrnutí dosažených výsledků Aplikace nekauzálních FIR a IIR filtrů Návrh filtrů dle frekvenční charakteristiky EMAT sondy Ověření algoritmů na zaznamenaných signálech

7 Shrnutí dosažených výsledků Využití vlnkové transformace pro redukci šumu v signálu EMAT Odvození vhodné prahovací úrovně Diskrétní vlnková transformace a vlnkové pakety Potlačení šumu u simulovaného signálu sondy EMAT Ověření algoritmu na zaznamenaných signálech Shrnutí dosažených výsledků Použití Wienerovy filtrace pro redukci šumu v signálu EMAT Aplikace směrodatné odchylky skupinového zpoždění Ověření algoritmu na zaznamenaných signálech Shrnutí dosažených výsledků Návrh metod pro potlačení šumu při dvoucívkovém uspořádání EMAT Aplikace metody slepé separace signálu na ultrazvukové signály zaznamenané DUAL EMAT sondou Shrnutí dosažených výsledků Využití vzájemné korelace signálu Shrnutí dosažených výsledků Závěr PŘÍLOHA I Měrky PŘÍLOHA II DEFECTOBOOK DIO Literatura. 2 Seznam publikací.. 5 7

8 . Úvod Ultrazvuková diagnostika [, 2] obecně je v současné době velice perspektivní odvětví diagnostiky, které umožňuje včasným odhalením podpovrchových a vnitřních vad předejít škodám nebo poškozením zařízení, které mohou dále způsobit nedozírné následky. Ultrazvuková defektoskopie [3, 4] je původně kontaktní metoda, u níž je ultrazvuková sonda v bezprostředním kontaktu s povrchem testovaného objektu. Hlavní nevýhodou kontaktní ultrazvukové defektoskopie je, že povrch testovaného objektu musí být očištěn a pro kontaktní měření musí být použita vhodná vazební kapalina. V případech, kdy nelze použít kontaktní měření, je nutné využít vhodné metody bezkontaktního testování struktury materiálů. Jednou z těchto metod, které také slouží pro detekci a lokalizaci podpovrchových vad, využívá elektromagnetická-akustická sonda EMAT (Electromagnetic-acoustic Transducer) [5]. Oproti standardním bezkontaktním metodám metoda s EMAT sondou pracuje bez akustické vazby mezi sondou a materiálem. Jelikož pro vznik ultrazvukových vln musí z principu EMAT v testovaném prostředí protékat vířivé proudy, je EMAT ultrazvuková defektoskopie použitelná pouze pro elektricky vodivé materiály. Princip EMAT sond je uveden v kap. 2. Rozšíření klasické ultrazvukové defektoskopie o měření ultrazvukových signálů v bezkontaktním režimu umožňuje využít EMAT sondy v řadě důležitých průmyslových aplikací. Zásadní nevýhodou EMAT defektoskopie je relativně vysoká úroveň šumu. Šum ve změřeném signálu je zapříčiněn šířením (průchodem a odrazem) generovaných ultrazvukových vln v testovaném materiálu a také vlastnostmi elektronických obvodů a EMAT sond, které jsou použity pro záznam a zpracování těchto signálů. Předložená disertační práce se zabývá návrhem a zlepšením metod pro potlačení šumu zaznamenaných ultrazvukových EMAT signálů. Tato disertační práce je obecně rozdělena do tří hlavních částí. V první části disertační práce je v druhé kapitole uveden základní princip ultrazvukové EMAT defektoskopie. Popsány jsou především teoretické rozbory popisující princip generování ultrazvukových vln v testovaných materiálech pomocí EMAT sond. Uvedeny jsou také základní charakteristiky uspořádání cívek tak, aby byly generovány požadované typy vln. V kapitole třetí je uveden současný stav výzkumu v oblasti EMAT ultrazvukové defektoskopie včetně souvisejících dostupných publikací. Ve čtvrté kapitole jsou stanoveny cíle disertační práce. Druhou část tvoří vlastní disertační práce (kapitoly 5 9). V kapitole páté je vyhodnocena vyzařovací charakteristika EMAT sondy. V kapitole šesté je popsána analýza zaznamenaného signálu EMAT sondou z hlediska šumových vlastností. Je zde proveden rozbor šumu zaznamenaného EMAT sondou. Na základě analýzy šumu obsaženého v ultrazvukovém signálu jsou v kapitole sedmé generovány simulované signály, které jsou v této disertační práci použity pro ověření navržených metod potlačení šumu. V kapitole osmé jsou aplikovány navržené metody zpracování signálu, pomocí nichž je dosaženo účinného potlačení šumu a tím zviditelnění vadového echa. Obecně lze vyslovit myšlenku, že signály zaznamenané EMAT sondou obsahují vyšší amplitudy rušivých složek signálu (šumu) než signály zaznamenané piezoelektrickou ultrazvukovou sondou. Proto je výběr vhodné metody pro potlačení šumu relativně složitý. První z těchto metod je metoda synchronního průměrování. Další metodou je použití nekauzálních FIR a IIR filtrů, které jsou navržené podle amplitudové frekvenční charakteristiky použité EMAT sondy. Další metodou, v dnešní době velice populární, je diskrétní vlnková transformace. Aplikací vlnkové transformace a vhodným návrhem potlačení koeficientů zastupujících šum lze získat 8

9 odfiltrovaný signál, u kterého jsou zvýrazněny užitečné složky signálu. Jelikož ultrazvuková EMAT defektoskopie je v začátcích vývoje, byla v rámci této disertační práce navržena a realizována vlastní DUAL EMAT sonda obsahující dvě cívky. Uvedeným uspořádáním lze podstatně zvýšit citlivost při ultrazvukové EMAT defektoskopii. Pro separaci šumu v signálech zaznamenaných EMAT sondou se dvěma cívkami je aplikována metoda slepé separace signálu a metoda vzájemné korelace. Ověřování všech algoritmů probíhalo jednak na simulovaném signálu, jednak na reálném signálu změřeném na kovových materiálech. V rámci této disertační práce byl vyvinut ultrazvukový defektoskop DIO, který umožňuje testování materiálů jednak kontaktní klasickou ultrazvukovou sondou a jednak bezkontaktní EMAT sondou. Tato disertační práce byla vytvářena v rámci praktických aplikací s ověřováním v průmyslových aplikacích. V závěru v kapitole deváté je uvedeno shrnutí, vyhodnocení splnění cílů disertační práce, a doporučení pro další výzkum a přínos pro technickou praxi. 9

10 2. Úvod do teorie EMAT ultrazvukové defektoskopie 2.. Princip EMAT sondy EMAT sonda [5] se skládá z vodiče nebo plošné cívky (případně více cívek) a permanentního magnetu (případně více magnetů) umístěného nad testovaným objektem (obr. ). V některých případech lze místo permanentního magnetu použít elektromagnet [4, 5]. Obr. 2.: Uspořádání EMAT sondy Střídavý proud I procházející vhodně navrženou cívkou, která je orientována kolmo k povrchu vodivého materiálu, vyvolá střídavé magnetické pole, které je zastoupeno vektorem magnetické indukce B. Střídavé magnetické pole indukuje ve vodivém materiálu vířivé proudy, které vytvářejí střídavý magnetický tok, který má opačný směr proti počátečnímu proudu protékajícímu cívkou. Hloubka vniku elektromagnetického pole daná frekvencí proudu a parametry materiálu musí být menší než vlnová délka λ ultrazvukové vlny. Výsledkem interakce vířivých proudů a stacionárního magnetického pole permanentního magnetu je tzv. Lorenzova síla F. Tato síla způsobí deformaci vodivého materiálu, jejímž důsledkem je akustická vlna šířící se požadovaným směrem v testovaném materiálu. Ultrazvukové vlny [5], které se dále šíří materiálem, se odrážejí od struktury testovaného materiálu. Odražené ultrazvukové vlny způsobují změnu kmitání krystalické mřížky, což se projeví změnou velikosti detekovaného elektrického pole v EMAT sondě. Ultrazvukové vlny jsou tedy transformovány na elektrický ultrazvukový signál. Odražené ultrazvukové vlny jsou v sejmutém elektrickém signálu zastoupeny obálkou ultrazvukového signálu tzv. ultrazvukovými echy. Vektor síly F se snaží rotovat cívkou ve statickém magnetickém poli. Pokud jsou cívka a testovaný vzorek materiálu upevněny a změny pole se střídají v rozsahu frekvencí od několika stovek khz do desítek MHz, dochází k posunu atomů v krystalické mřížce. V případě cívky použité v EMAT sondě, je možné uvažovat pouze první Maxwellovu rovnici ve tvaru dφ dt E B d l = µ I + µ ε, () kde B je vektor magnetické indukce, I je střídavý proud procházející cívkou, µ je permaebilita, ε je permitivita, Φ je generovaný magnetický tok a t je čas. Lorentzovu sílu je možné vyjádřit vztahem: F = q ( E + v B ), (2)

11 kde q je elektrický náboj, v je vektor rychlosti pohybujícího se náboje a E je vektor intenzity elektrického pole. Pokud uvažujeme, že vektor elektrické intenzity E má nulovou velikost, může být Lorentzova síla přepsána do tvaru: F = q ( v B ). (3) Vektor Lorentzovy síly F je kolmý k vektorům rychlosti v a magnetické indukce B. Orientace vektoru Lorentzovy síly F je zobrazena na obr Orientace magnetického pole určuje typ generovaných ultrazvukových vln [6]. Obr. 2.2: Orientace vektoru Lorentzovy síly, magnetické indukce a rychlosti Součin q v udává vektor hustoty J vířivých proudů v testovaném elektricky vodivém materiálu, takže platí pro Lorenzovu sílu Vliv směru vektoru B na směr síly F je znázorněn na obr F = J B (4) Obr. 2.3: a) Generování příčné vlny, b) generování podélné vlny Pokud je krystalická mřížka testovaného materiálu svázaná s proudem protékajícím cívkou ve smyslu magnetického pole jako elastického systému, zapříčiní vibrace mřížky vlastní oscilace na frekvenci, která je dána typem ultrazvukových vln generovaných v testovaném materiálu. V testovaném vzorku o tloušťce d, kde se šíří ultrazvukové vlny s vlnovou délkou λ rychlostí c je rezonanční frekvence dána vztahem c c f res = =. (4) λ 2d Rychlost šíření ultrazvukových vln c závisí na typu vlny, modulu elasticity G a hustotě materiálu ρ a lze ji vyjádřit dle vztahu G c =. (5) ρ Napětí ε vyvolané při pohybu krystalické mřížky je [5] ( t) ε = ε + iω LBξ,, (6)

12 kde ε je počáteční napětí, ω je úhlová rezonanční frekvence, L je konstanta, B je magnetické indukce a ξ je posun krystalické mřížky testovaného materiálu, který lze popsat vztahem ξ ( z, t) = e jωt ωnz ( cos nπ ) cos S (7) n= 2 2 ( ω ωn + iωγ ) Rezonance nastává ve chvíli, kdy jmenovatel je roven nule a platí: ω = ω n ω = n 2π f 2.2. Napětí indukované v EMAT sondě Pro napětí indukované v sondě platí dle (9) [46] n res. (8) G α 2 2 D U EMAT = I EMAT N B Ae, (9) Z kde U EMAT je napětí indukované v cívkách EMAT sondy, I EMAT je proud protékající emitující cívkou; N je počet závitů cívky na jednotku délky; B je velikost magnetické indukce statického magnetického pole; A je aktivní plocha cívky; α je konstanta závislá na uspořádání cívky; G je vzdálenost mezi cívkou a povrchem testovaného materiálu; D je průměr cívky a Z LS je akustická impedance testovaného vzorku. U NOISE LS = 4KTMR, () kde U NOISE je úroveň šumu na vstupu zesilovače; K je Boltzmanova konstanta; T je teplota; M je šířka pásma zesilovače a R EMAT je impedance cívky. EMAT EMAT ( ) 2 R = R NW, () kde R EMAT impedance cívky; R odpor závitu cívky, W šířka jednoho závitu cívky, NW je odpor dalších závitů cívky stejné geometrie. Výkon P generovaný průchodem proudu I EMAT cívkou může být vyjádřen [5] jako P = I R. (2) 2 EMAT EMAT G α 2 D V P EMAT B Ae 2 VNOISE W Z LS 4KT β R Z první aproximace vzorce (3) vyplývá následující: = (3) Odstup signálu od šumu roste úměrně kvadrátu magnetické indukce nebo úměrně s kvadrátem magnetické indukce a admitance cívky nebo proporcionálně impedanci cívky Základní výhody a nevýhody EMAT defektoskopie Principiální výhody EMAT sond: Hlavní výhodou EMAT sond v oblasti nedestruktivního testování je, že EMAT sonda nemusí být v bezprostředním kontaktu s testovaným materiálem (sonda nemusí být přiložena k povrchu materiálu) a při testování není nutné používat žádnou vazební tekutinu. Typická vzdálenost EMAT sondy od povrchu testovaného materiálu je 2

13 přibližně od několika desítek mm do desetin mm. Mezera mezi EMAT sondou a povrchem testovaného materiálu zabraňuje opotřebení povrchu EMAT sondy. Sondy EMAT mohou být použity pro testování materiálů při vysokých teplotách, protože není nutný přímý kontakt použité EMAT sondy s testovaným povrchem. EMAT sonda může být během testování materiálů při vysokých teplotách efektivně chlazena a nedochází k odpařování vazební tekutiny (jako v případě použití piezoelektrické sondy). Dle uspořádání geometrie cívek mohou být pomocí EMAT sondy generovány následující druhy vlnění: Horizontálně polarizované příčné vlny. Horizontálně polarizované podélné vlny. Rayleighovy vlny. Lambovy vlny. Deskové vlny. Principiální nevýhody EMAT sond: Hlavní nevýhodou EMAT sond je použití těchto sond pouze pro materiály, které jsou vodivé. Signály generované EMAT sondou jsou relativně slabé a při detekci podpovrchových vad není možné vady bezpečně detekovat. Tato disertační práce je především zaměřena na návrh metod zpracování signálu a vhodné uspořádání EMAT sond, aby byla zvýšena rozlišitelnost detekce vad. EMAT sonda s permanentním magnetem je k testovanému (vodivému, kovovému) materiálu přitahována relativně velkou silou. Permanentní magnet může být nahrazen elektromagnetem EMAT sondy Typy ultrazvukových vln generovaných pomocí EMAT sond Typy vln Podélné Příčné Povrchové Rayleighovy vlny Deskové Lambovy vlny Deskové Loveovy vlny Stoneley Sezawa Směr kmitání částic - Rovnoběžně se směrem šíření - Kolmo ke směru šíření - Eliptická trajektorie - Kolmo k povrchu - Rovnoběžně s rovnou plochou, kolmo ke směru šíření - Podél rozhraní - Asymetrická vlna Uspořádání EMAT sond Tečná polarizace Obr. 2.4: Polarizace vln u EMAT sond Normálová polarizace 3

14 EMAT konfigurace I Spirálová cívka pro radiálně polarizované příčné vlny, které se šíří ve směru normály k povrchu. EMAT konfigurace II Čtvercová cívka pro lineárně polarizované příčné vlny šířící se ve směru normály k povrchu. Obr. 2.5: Typy uspořádání cívek v EMAT sondách EMAT konfigurace III Symetrická cívka pro podélné vlny šířící se ve směru normály k povrchu. Příčné vlny Příčné vlny mají orientaci polarizace v závislosti na typu generování vlny. Na následujícím obr. 2.6 je uveden příklad horizontálně polarizované příčné vlny šířící se podél povrchu testovaného materiálu. Obr. 2.6: Příčná vlna Uspořádání EMAT sondy pro generování příčných vln Obr. 2.7: Uspořádání závitů EMAT cívky Spirálová cívka EMAT sondy generuje radiálně polarizované příčné vlny šířící se kolmo k povrchu. 4

15 Obr. 2.8: Uspořádání závitů EMAT cívky při příčných vlnách Uspořádání EMAT sondy pro generování podélných vln Obr. 2.9: Uspořádání závitů EMAT cívky při podélných vlnách Magnetické pole orientované paralelně k povrchu testovaného materiálu generuje podélně polarizované vlny šířící se kolmo k povrchu. Uspořádání EMAT sondy s cívkou ve tvaru meandru Obr. 2.: Uspořádání závitů EMAT cívky při podélných vlnách Uspořádání cívky pod určitým úhlem umožňuje generování vln v různých módech (podélné vlny, příčné vlny, Rayleighovy vlny, Lambovy vlny a deskové vlny). Uspořádání EMAT sondy s periodickým magnetickým polem Obr. 2.: Princip generování vln periodickým magnetickým polem Periodické magnetické pole umožňuje generování šikmo nebo povrchově se šířící horizontálně polarizované příčné nebo deskové pole. 5

16 Uspořádání EMAT sondy pro generování Lambových vln Obr. 2.2: Princip generování Lambových vln Uspořádání cívky v EMAT sondě pro generování Lambových vln [7] princip je podobný generování podélným vlnám ve vzorku testovaného materiálu dochází ke kompresi a dekompresi. Vlny charakterizují charakter symetrického a asymetrického módu vlnění. Obr. 2.3: Vlny Langovy (deskové) 2.5. Zdroje šumu v EMAT defektoskopických systémech Signály zaznamenané pomocí EMAT sondy obsahují echa vzniklá odrazem od struktury testovaného materiálu a elektronický (nekoherentní) šum elektrických a elektronických měřicích obvodů. Odrazy od struktury lze považovat za stochastický jev závislý především na orientaci a velikosti zrn obsažených v testovaném materiálu. Všechny tyto strukturní odrazy se v odborné literatuře nazývají strukturním šumem. V následujících podkapitolách je provedena analýza šumu zaznamenaného na vzorku z hliníku. 6

17 3. Současný stav EMAT ultrazvukové defektoskopie Ultrazvuková defektoskopie [, 2, 3], jako kontaktní metoda, je především určena pro měření tloušťky materiálu, detekci a lokalizaci vad v testovaných materiálech. V případě EMAT ultrazvukové defektoskopie [6, 7], jako bezkontaktní metody, je principů šíření ultrazvukových vln využito prozatím pro měření tloušťky a ojediněle detekci povrchových vad v testovaných kovových materiálech. Obecným srovnáním [2] využití metod klasické ultrazvukové defektoskopie a EMAT ultrazvukové defektoskopie vyplývá, že EMAT ultrazvuková defektoskopie doposud nemá konkrétní praktické uplatnění v případě detekce podpovrchových vad [9] v testovaných materiálech. Tento fakt je zapříčiněn tím, že signály zaznamenané EMAT sondou obsahují relativně větší efektivní úroveň šumu a tím je detekce podpovrchových vad nejednoznačnou záležitostí. Využití EMAT ultrazvukové defektoskopie pro detekci podpovrchových vad doposud nebylo detailně prozkoumáno a ověřeno. V oblasti EMAT ultrazvukové defektoskopie bylo analýzou současného stavu dané problematiky zjištěno, že oblast EMAT ultrazvukové defektoskopie je relativně novou záležitostí s počátky sahajícími do 8. let 2. století. Z rozboru dostupné odborné literatury a technických publikací bylo zjištěno, že hlavní část výzkumu a vývoje byla věnována především návrhu nových EMAT sond [] s vhodným uspořádáním cívek tak, aby byly generovány požadované módy ultrazvukových vln. Pokud budou vhodné módy ultrazvukových vln generovány, je pak možné detailněji prostudovat využití EMAT sond pro detekci vad. Studiem návrhu optimálních parametrů EMAT sond [] bylo dosaženo účinného generování a snímání signálu s co největší rozlišitelností. Návrhem optimálních parametrů EMAT sond s teoretickým rozborem šíření ultrazvukových vln v kovových materiálech při vyvolání Lorentzovy síly se publikace [] podrobně zabývá. V dalších publikacích [2] a [3] je uveden popis návrhu a realizace EMAT sondy, která umožňuje generovat Lambovy a Rayleighovy vlny. Centrální frekvence sondy je v publikaci [2] navržena na hodnotu 2 khz. Ověření citlivosti navržené sondy pomocí zviditelnění koncového echa byla srovnávána na různých typech materiálů. Největší účinnosti bylo dosaženo na vzorku z hliníku díky rezistivitě použitého materiálu. V případě detekce vad v testovaném materiálu nebylo dosaženo dobrých výsledků. Publikace [3] a [4] popisují různé návrhy EMAT sond pouze pro generování Lambových vln. V publikaci [3] je uveden návrh EMAT sondy s cívkou ve tvaru meandru pro generování Lambovy vlny s proměnnou vlnovou délkou odpovídající frekvenci EMAT sondy v rozsahu 3 khz až 2,5 MHz. Navržená EMAT sonda byla použita při ověření měření různých tlouštěk kovových tenkostěnných plátů. Popis generování Lambových vln v tenkostěnných (,5 2 mm) materiálech pomocí EMAT sondy je naznačen v [4]. Vznik Lambovy vlny je dokazován pomocí Michelsonova interferometru. Lambovy vlny jsou generovány EMAT sondou ve frekvenčním rozsahu 3 MHz. Další publikace [5] studuje využití Rayleighových vln pro detekce povrchových vad. V publikaci [5] jsou také uvedeny možnosti vylepšení signálu návrhem vhodného předzesilovače pro zesílení zaznamenaného elektrického signálu. Popis teoretického modelu pro návrh EMAT sond s uspořádáním cívek v lineárním tvaru a ve tvaru spirály je prezentován v [6]. Zde navržené cívky jsou vhodné pro generování Rayleighových vln. Studováno je především využití Rayleighových vln pro detekci podpovrchových vad umístěný v těsně pod povrchem testovaného materiálu. Generováním jiných módů ultrazvukových vln se zabývá [7]. V článku [7] je naznačen popis použití EMAT sond pro generování horizontálně polarizovaných příčných vln, které nemohou být generovány u klasických piezoelektrických měničů. Publikace popisuje především uspořádání EMAT cívky pro generování těchto vln. Vytvořená EMAT sonda má 7

18 pracovní frekvenci 8 khz. Popsáno je dále použití těchto sond pro testování neferitických materiálů a rozměry generovaného ultrazvukového svazku v těchto materiálech. Obecně články popisují nejvhodnější konstrukční uspořádání cívky ve tvaru spirály. Jisté úvahy pro detekci podpovrchových a povrchových vad využitím EMAT sond jsou uvedeny v [8]. Publikace popisuje odpovídající analytický model pro výpočet indukovaných vířivých proudů a Lorentzovy síly v kovových materiálech, které jsou generovány spirálovou cívkou. Zde bylo dosaženo detekování vad odpovídající 3 mm náhradní vady. Další skupinou odborných publikací jsou články obsahující komplexní systémy určené pro testování materiálů v průmyslových aplikacích. Článek [9] obsahuje kompletní popis systému určeného pro měření tloušťky potrubí a zásobníků. Zde je uvedeno srovnání s piezoelektrickou sondou, která je díky nutnému kontaktu s testovacím povrchem pro tuto aplikaci nevhodná. V další publikaci [2] je prezentován systém pro detekci vad u mostových nosných konstrukcí. Publikace [2] popisuje využití EMAT sondy pro měření tloušťky kovových tenkostěnných materiálů. Pro měření tloušťky je použita EMAT sonda s uspořádáním cívky tak, aby byly generovány příčné a kombinace podélně - příčných vln. Díky této kombinaci je pak možno dosáhnout lepších výsledků při měření tloušťky. Posledním okruhem odborných publikací jsou články zaměřené na popis EMAT sond a jejich využití při měření tloušťky kovových materiálů. U těchto článků je již diskutována schopnost detekce, rozlišitelnost a vhodnost frekvenčního rozsahu navržené EMAT sondy, ale návrhy vhodných algoritmů pro zvýšení citlivosti EMAT defektoskopie chybí. Článek [22] uvádí popis použití EMAT sondy při měření tloušťky starých kovových potrubí. EMAT sonda s centrální frekvencí 4MHz a měřením tloušťky od 2 mm do 4 mm stěny trubky umožňuje efektivně měřit tloušťku materiálu s přesností na 2 µm. Popis vytvoření celkového systému obsahující EMAT sondy (a potřebné generátory) pro testování tloušťky ocelových listových plátů je uveden v [23]. V publikaci je detailně popsáno generování vířivých proudů a Lorentzovy síly. Celkový systém byl nejprve navržen, zhodnocen a následně zkonstruován a uveden do provozu. Použití EMAT sondy pro generování nízkofrekvenční povrchové Reyleighovy vlny je diskutováno v [24]. Pomocí navržené sondy byly detekovány povrchové vady na železničních kolejích při vysokých rychlostech posunu sondy. Detekovány byly povrchové vady o velikosti od 4 mm do 5 mm. Centrální frekvence sondy byla přibližně 3 khz. Další publikací popisující použití EMAT sond na zásobnících teplé vody a na potrubí s teplou vodou o průměru 2 mm a 2 mm je [25]. Navržené sondy mají centrální kmitočet kolem 5 khz. V práci je také popsán systém pro zesílení zaznamenaného signálu z EMAT sondy. Testované potrubí má délku 2 m, tloušťku stěny,8 mm a průměr 6 mm. Detekce vady je v hloubkách minimálně mm. Další využití EMAT ultrazvukové defektoskopie je při testování svarů [26]. Zde jsou diskutovány různé vlivy při generování různých módů vln na úspěšnost detekce špatných svarů. V publikacích [27 3] jsou uvedeny možnosti využití EMAT sond při testování struktury materiálů při různých mechanických zátěžích. Detekce změn struktury je většinou ověřována pomocí Michelsonova interferometru a výsledky jsou srovnávány s použitou EMAT sondou. Z uvedeného stručného přehledu publikací je patrné, že současný výzkum v oblasti EMAT ultrazvukové defektoskopie je především zaměřen na vývoj EMAT sond. V případě detekce podpovrchových vad jsou výsledky limitovány konstrukčním uspořádáním EMAT sond. Aplikace a implementace algoritmů potlačení šumu s cílem zvýšit citlivost není prozatím uvažována. Žádná publikace tedy nepopisuje návrh vhodných metod zpracování signálu pro zvýšení citlivosti při detekci podpovrchových vad v testovaných materiálech. Jak již bylo uvedeno, signál zaznamenaný EMAT sondou obsahuje relativně velkou efektivní úroveň šumu (oproti 8

19 signálu zaznamenanému ultrazvukovou sondou), která je způsobena několika zdroji. Tento šum, resp. nižší odstup signál/šum, může zapříčinit snížení citlivosti a rozlišitelnosti EMAT ultrazvukové defektoskopie a v krajním případě může zapříčinit nejednoznačnost určení vad v testovaném materiálu. V těchto případech je důležité použít účinných pokročilých metod zpracování signálu určených pro redukci šumu s cílem co nejvíce zviditelnit vadové echo. Pro potlačení šumu v ultrazvukovém signálu zaznamenaného piezoelektrickou ultrazvukovou sondou se obvykle používají korelační, kompenzační a spektrální metody [3 34]. Metody pro potlačování šumu a rušivých složek využívají nejčastěji toho, že užitečný signál zabírá relativně úzké kmitočtové pásmo oproti širokopásmovému šumu nebo že kmitočtové složky rušení se nalézají na jiných frekvencích než užitečný signál. Závěr Z uvedeného přehledu současného stavu EMAT ultrazvukové defektoskopie je patrné, že vývoj EMAT sond a elektronického příslušenství (generátory, zesilovače aj.) je stále neukončen. V současné době není k dispozici EMAT defektoskopický systém umožňující detekovat vadové echo vzniklé odrazem od vady rozměrů kolem mm. Pro tuto citlivost EMAT systému je nutné navrhnout nové konstrukce EMAT sond a účinné algoritmy pro potlačení šumu. Pokud bude dosaženo detekce vady odpovídající náhradní vadě o průměru mm, bude mít tento výsledek kladný dopad pro použití EMAT ultrazvukových systémů v průmyslových aplikacích. 9

20 4. Cíle disertační práce Současné ultrazvukové systémy využívající EMAT sondy jsou především určeny pro měření tloušťky testovaných materiálů (kovové pláty, kovové trubky, nádoby apod.). Signály zaznamenané EMAT sondami jsou charakteristické malým odstupem signálu od šumu. Jelikož testování EMAT sondami je, díky bezkontaktnímu principu a tedy bez použití vazební tekutiny, v průmyslových aplikacích velice vyžadováno, je vhodné se zaměřit na metody potlačení šumu, které by odstup signálu od šumu dostatečně zvýšily. Pokud bude použita vhodná metoda potlačení šumu, bude možné systémy EMAT použít i pro detekci podpovrchových vad v kovových materiálech. Hlavním cílem disertační práce je zvýšení citlivosti a rozlišovací schopnosti ultrazvukového EMAT systému při detekci vad v elektricky vodivých materiálech. Pro úspěšné dosažení hlavního cíle byly v disertační práci stanoveny tyto dílčí cíle: Nalezení optimálního uspořádání EMAT sondy a EMAT systému pro dosažení velké hodnoty citlivosti tj. schopnosti detekovat minimální vady v elektricky vodivých materiálech. Analýza zaznamenaných signálů a simulace signálů generovaných EMAT sondou. Návrh metod a algoritmů zpracování signálu vhodných pro potlačení šumu. Ověření navržených algoritmů na simulovaném signálu a na zaznamenaných signálech. 2

21 5. Konstrukce a parametry EMAT systému Pro zlepšení citlivosti v ultrazvukové EMAT defektoskopii je podstatná konstrukce EMAT sondy [5, ], nízkošumová elektronika a pokročilé metody zpracování signálu. V práci navržený EMAT systém je zde popisován z hlediska optimalizace funkčních bloků pro získání nejlepšího odstupu signálu od šumu, ale s využitím takových prvků, které neslouží jen pro výzkumné účely, ale je možné je vyrábět a používat v průmyslu. Proto zde není uvažována možnost kryogenní techniky pro chlazení sondy a zesilovačů, u pulzerů nejsou použity extrémně výkonné pulzery s výkonem 4,2 MW, které byly pro další výzkum rovněž vyvinuty. Pomocí nich bude dále možné vytvořit pulzní pole EMAT o magnetické indukci až 65 T. Příklad uspořádání EMAT systému je na obr. 5.. Obecně se systém EMAT sestává z následujících komponent: EMAT sonda. EMAT předzesilovač a separátor pulzů. Generátor pulzer. Obvody zpracování signálu. Počítač a program pro ovládání systému. Zesilovač a separátor 2 DIO2-EMAT-2 Permanentní magnet Zesilovač a separátor DIO2-EMAT- Cívka 2 Cívka Počítač PC Program DIO2 Měřený vzorek Obr. 5.: DUAL-EMAT systém V následujících kapitolách budou jednotlivě popsány základní charakteristiky uvedeného EMAT systému. 5.. Konstrukce EMAT sond EMAT sonda je jednou z hlavních komponent EMAT systému. Pro generování a záznam ultrazvukových signálů byly realizovány 4 typy EMAT sond. Konstrukční uspořádání navržených sond s označením EP-, EA-, EP-2, EA-2 je zobrazeno na obr. 5.2 a obr EP- EMAT sonda s permanentním magnetem a jednou cívkou. EA- EMAT sonda s permanentním magnetem, magnetizační cívkou a jednou cívkou. EP-2 DUAL EMAT sonda s permanentním magnetem a dvěma cívkami. 2

22 EA-2 DUAL EMAT sonda s permanentním magnetem, magnetizační cívkou a dvěma cívkami. Konektory Předzesilovač Tělo sondy Magnet S J Cívka Testovaný materiál a) b) Obr. 5.2: EMAT sondy: a) EP- EMAT sonda, b) EA- EMAT sonda Konektory Předzesilovač Tělo sondy Magnet Magnetizační cívka S J Cívky Testovaný materiál a) b) Obr. 5.3: EMAT sondy: a) EP-2 DUAL EMAT sonda, b) EA2 - DUAL EMAT sonda Pro uvedené sondy je použitá spirálová vícevrstvá cívka dle obr. 5.4 Obr. 5.4 Spirálová cívka 22

23 V současné době se EMAT sondy vyrábějí buď s permanentním magnetem nebo s elektromagnetem. Elektromagnet je schopen vytvořit vyšší intenzitu magnetického pole, ale nevýhodou je velká spotřeba energie a při trvalém provozu nutnost chlazení. Při přerušovaném provozu elektromagnetu magnetické indukční čáry protínají cívku a indukují do ní rušivý signál. V disertační práci navržený princip DUAL EMAT sondy využívá pro vysílání a snímání ultrazvukové vlny stacionární pole permanentního magnetu posilované superpozicí pulzního pole využitím magnetizační cívky. Aby nedocházelo k saturaci dynamické hysterezní křivky je magnetizační cívka je bez feromagnetického jádra. Tab. 5. Konstrukční údaje navržených EMAT sond EP- EA- EP-2 EA-2 Rozměry těla sondy 32 mm 45 mm (šířka výška) Velikost magnetu 2 mm 4 mm (šířka výška) Materiál magnetu Nd-Fe-B Počet závitů 2 2 magnetizační cívky Magnetizační cívka 2 2 počet závitů Vertikální rozměr 4 mm 4 mm magnetizační cívky Vzdálenost cívky 2 mm od magnetu Počet závitů cívky Počet závitů 6 6 cívky 2 horizontální,6 mm vzdálenost cívky Vzdálenost cívky,5 mm od magnetu Materiál cívky Měď, Cu, µ =, [µh/m] Průměr vodiče cívky,4 mm Uspořádání sondy tj. typ cívky a orientace magnetizačního pole určuje mód generovaných ultrazvukových vln. V případě této sondy se spirálovou cívkou a kolmou orientací magnetizačního pole k povrchu vzniká příčná cirkulární vlna, která se šíří kolmo k povrchu materiálu Generátory pulzů (tzv. pulzery) Generátory pulzů pro EMAT sondy se od klasických generátorů pro piezokeramické sondy liší. Klasické generátory s impulzním průběhem (spike pulse) předávají do sondy konstantní náboj. Generátory pulzů s obdélníkovým průběhem (tone burst signal) mají nastavitelnou šířku pulzu a amplitudu. V práci navržený generátor burst pulzů má tyto vlastnosti: Nastavitelná amplituda kladného pulzu. Nastavitelná amplituda záporného pulzu. Nastavitelný čas sepnutí spínačů. Nastavitelný čas rozepnutí spínačů. 23

24 Nastavitelný počet pulzů burst režim. Princip buzení spočívá nejen ve spínání proudu, kdy energie cívky stoupá po dobu sepnutí spínače, ale také využití režimu rozepnutí, kdy se přelévá zpět do pulzeru. Tím je možné v režimu burst sondu ladit a také zvýšit účinnost využití energie pulzeru. Na generátor jsou kladeny extrémní požadavky na odrušení výstupních pulzů, jinak se rušení ze spínaných zdrojů přenáší do cívky EMAT na vstup a zcela znehodnocuje měření. Blokové schéma generátoru EMAT systému je zobrazeno na obr. 5.5 Sekce generátoru je možné řadit paralelně pro zvýšení budicího proudu. Obr. 5.5 Blokové schéma EMAT pulzerů Pomocí programového vybavení k EMAT systému je možné měnit následující parametry pulzů: amplituda pulzu, šířka pulzu, frekvence a počet pulzů. Burst pulzer musí mít dostatečnou zásobu energie pro pokrytí periody dávky pulzů. Pulzer se skládá ze samostatných sekcí s výkonovými koncovými budiči pro napětí kladné i záporné polarity pro špičkové napětí V. Budiče jsou galvanicky izolovány a napájeny. Vlastní pulzy jsou řízeny pomocí programovatelných obvodů typu FPGA. Pulzer se používá u jednocívkové sondy EMAT jeden. U dvoucívkové sondy je použit druhý pulzer. Parametry pulzeru pro generování budicích pulzů Napětí ± 5 V Doba trvání náběžné hrany 6 ns Proud 3 A 6 A Výstupní výkon 27 kw 5 kw Počet výstupních pulzů 2 U aktivního buzení s magnetizační cívkou je používán třetí pulzer pro vybuzení magnetického pulzu synchronně s vysílacím pulzem. Generátor posiluje magnetizační pole permanentního magnetu při vysílacím pulzu. Při použití burst sekvence je tento budicí pulz jeden pro sekvenci burst. 24

25 Parametry pulzeru pro generování magnetizačních pulzů: Napětí 3 V Doba trvání náběžné prahy 5 ns Proud 3 A 2 A Výstupní pulzní výkon 9 kw 36 kw Počet vstupních pulzů Obr. 5.6: Průběh signálu z generátoru magnetizační cívky označen zeleně, z generátoru cívky EMAT označen žlutě Generátor magnetizačních pulzů (obr. 5.6) budí nízkoindukční magnetizační cívky zelený záznam v obr Tyto generátory mají nezávisle nastavitelné zpoždění a délku pulzů. Generátor buzení je pro možnost odečtení náběžných hran nastaven s nulovým zpožděním. Druhý generátor budí cívku EMAT signálem 5 MHz. Při příjmu ultrazvukové vlny je využíváno pouze stacionární pole Vysílací pulzy použité při měření Jelikož v rámci této disertační práce jsou zkoumány vhodnosti použití ultrazvukových sond pro účinnou detekci podpovrchových vad v testovaných materiálech je v této kapitole popsáno generování vysílacích pulzů pro konstruované EMAT sondy. Pro výzkumné účely byly ultrazvukovým generátorem generovány různé vysílací pulzy. Vysílací pulzy jsou zobrazeny na obr. 5.7a 5.a. U každého vysílacího pulzu je zobrazeno odpovídající frekvenční spektrum 5.7b 5.b. Všechny vysílací pulzy byly generovány jako obdélníkový signál se základní frekvencí 5 MHz. Indukovaný proud má však díky postupnému nárůstu proudu a nastavení period spínání spíše sinusový charakter s přítomností vyšších harmonických. Jednotlivé elektrické vysílací signály se liší počtem period sinusové funkce. Z hlediska přenosu elektrické energie je nejvhodnější využití ultrazvukového vysílacího elektrického signálu zobrazeného na obr. 5.7a, který obsahuje čtyři periody sinusového signálu. Na obr. 5.7b je zobrazeno frekvenční spektrum vysílacího pulzu, které obsahuje největší amplitudu u základní frekvence 5 MHz. Použití burst signálu umožňuje použít selektivní analogové filtrace před dalším zpracováním signálu. Při jednom vysílacím pulzu by byla energie prošlá filtrem velmi nízká. Burst signál umožňuje soustředit energii do dávky vysílacích impulzů a použít účinnější metody separace signálu. 25

26 a) F(f) f [ MHz ] Obr. 5.7: a) Ultrazvukový burst signál, b) frekvenční spektrum b) F(f) a) f [ MHz ] Obr. 5.8: a) Ultrazvukový burst signál, b) frekvenční spektrum b) - -2 F(f) a) f [ MHz ] Obr. 5.9: a) Ultrazvukový burst signál, b) frekvenční spektrum Pro měření tloušťky materiálu je vhodný signál dle obr. 5.. Pro dosažení minimální měřené tloušťky je nutné, aby vysílací pulzy byly co nejkratší. b) 26

27 F(f) f [ MHz ] a) b) Obr. 5.: a) Ultrazvukový burst signál, b) frekvenční spektrum 5.3. Porovnání navržených EMAT sond Tab. 5.2 Elektrické a magnetické parametry navržených EMAT sond (výpočty šumových napětí v kap. 6. a 6.2) Typ sondy EP- EA- EP-2 EA-2 Indukce pole magnetu,23 T,23 T,23 T,23 T [T] Při vzdálenosti 2 mm od měřeného materiálu Indukce pole T,625 T T,625 T magnetizační cívky [T] při proudu 2 [A] Indukce pole T,25 T T,25 T magnetizační cívky [T] při proudu 4 [A] Výsledná indukce mag.,23 T,855 T,23 T,855 T pole při vysílání EMAT 2 [A] Výsledná indukce mag.,23 T 2,48 T,23 T 2,48 T pole při vysílání EMAT 4 [A] Indukce mag. pole při,23 T,23 T příjmu EMAT Šumové napětí sondy 335 nv/ Hz 335 nv/ Hz přepočítané na výstup jeden zesilovač jeden zesilovač zesilovače vztažené k Re (Z) jedné cívky Šumové napětí sondy přepočítané na výstup zesilovače vztažené k Re (Z) na vstupu zesilovačů (po sumaci napětí z obou kanálů u DUAL EMAT) 236 nv/ Hz dva paralelní zesilovače 67,5 nv/ Hz 2 dva paralelní zesilovače 27

28 Z rovnice (3) vyplývá, že poměr napětí/šum u metod EMAT závisí na B 2. (Pokud je pomocné pole superponováno po dobu generování EMAT pulzu i při příjmu po dobu vzorkování, pokud je superponováno pouze při generování pulsu, je zvýšení úměrné B). Tab. 5.3 Srovnání navržených sond s klasickou konstrukcí EMAT sond Hodnocení Klasický EA- EP-2 EA-2 EMAT Relativní zlepšení / 4,6/ /,5 4,6/,5 U EMAT /U NOISE (s použitím dvou paralelních zesilovačů) Relativní zlepšení citlivosti EMAT 4,6 2 8,2 Zvýšení indukce pole permanentního magnetu není možné, magnety s indukcí větší než,4,6 T neexistují. Zvýšení indukce magnetického pole pomocnou cívkou s výhodou využívá kvadratické závislosti magnetického pole na napětí EMAT (3). Výhody pomocné magnetizační cívky Pole dostupných permanentních magnetů se pohybují v rozsahu,2,6 T. Pomocí klasické sondy EMAT využívající permanentních magnetů nelze zvýšit citlivost při optimální cívce EMAT. Magnet musí být z důvodu principu a používání sondy 3 mm nad měřeným materiálem. Při využití superpozice pole permanentního magnetu s magnetizační cívkou (vzduchovou, neboť u feromagnetik dochází k nasycení hysterezní smyčky) souhlasně orientovanou s orientací pole permanentního magnetu je možné dosáhnout vyšší citlivosti EMAT s využitím kvadratické závislosti magnetického pole. Výhodou je že magnetizační cívka je namáhána výkonově pouze krátkou dobu a při buzení není spotřebovávána energie jako u klasických EMAT sond s elektromagnetem. Výhodou je, že indukci pole je možné zvýšit paralelním řazením pulzerů a chlazením magnetizační cívky. Výhody konstrukce duální cívky Snížení šumu: v tabulce tab. 5.2 je uveden přínos využití paralelních zesilovačů. U duální sondy je 67,5 nv/ Hz oproti 236 nv/ Hz sondy EMAT s jednou cívkou a dvěma paralelními zesilovači. Výhodou je pořízení dvou signálů synchronně, což umožňuje lépe eliminovat synchronní složky elektronických rušení v signálu a možnost sumace obou signálů. Výhodou duální cívky je snížení počtu průměrovaných signálů na polovinu oproti jednocívkovému uspořádání. Výhodou je využití dvou synchronních signálů pro korelaci a slepou separaci. Citlivost DUAL EMAT sondy lze dále zvýšit využitím magnetizační cívky jak při generování ultrazvukové vlny, tak při dopadu odražené vlny na sondu (tab. 5.4). 28

29 Tab. 5.4 Relativní zvýšení citlivosti DUAL EMAT sondy Relativní Relativní zvýšení U EMAT zvýšení U EMAT Indukce mag. přídavné mag. přídavné mag. pole [T] pole při vysílání pole při vysílání i příjmu,23 2,35,53,885 4,6 2,2 2,48 Porovnání vertikální citlivosti uvedených sond (měřeno na stupňové měrce) je na obr [%] EA2 8 EP2 6 EA EP Vzdálenost od odražeče [mm] Obr. 5.: Porovnání vertikální citlivosti sond Na základě srovnání výše uvedených navržených EMAT sond je v další části disertační práce aplikována pouze sonda EA-2 DUAL EMAT s magnetizační cívkou a navržený DUAL EMAT systém, který efektivnějším způsobem než klasické EMAT systémy umožňuje pomocí zpracování signálu snižovat šum a potlačovat průmyslová rušení DUAL EMAT sonda Požadavky na cívky DUAL EMAT sondy Konstrukční návrh DUAL EMAT sondy s označením EMAT-D7 naznačuje uspořádání snímacích cívek (viz obr. 5.3). Dle obr. 5.3 jsou nakresleny cívky nad sebou. Jejich skutečné uspořádání je předmětem autorské ochrany (skutečné uspořádání DUAL EMAT sondy je v patentovém řízení). Obě cívky musí mít stejné elektrické parametry (impedanci, kapacitu, indukčnost, vodivost). Cívky musí být stejně daleko od měřeného materiálu. Cívky musí mít malou hodnotu vzájemné kapacity. 29

30 Blokové schéma zapojení DUAL EMAT sondy Blokové schéma je na obr Vysílací pulzy jsou odděleny od předzesilovače pomocí separátoru. Obr. 5.2: Elektronické blokové schéma DUAL EMAT systému s magnetizační cívkou 5.5. Předzesilovače EMAT EMAT sondy jsou většinou pasivní cívky bez předzesilovače. Integrovaný zesilovač v sondě nese sebou velké problémy s napájením. Přivedením napájení vznikají další indukční a kapacitní vazební smyčky, které zapříčiní indukci rušivých elektrických signálů. Použít přístrojové operační zesilovače, které potlačují souhlasnou složku signálu, nelze, neboť neexistují se srovnatelným šumem jako nízkošumové zesilovače. Typický šum použitého nízkošumového zesilovače pro EMAT je,75 nv/ Hz při vstupní impedanci 5 Ω. V této práci je využívána pro zkoušení materiálu impulzová odrazová metoda, která je náročná na nezbytné oddělení vysílacích pulzů a přijímaného signálu EMAT předzesilovač požadavky a parametry EMAT předzesilovač a separátor pulzů musí splňovat tyto požadavky: Nízký šum,6 nv / Hz zajistitelný paralelním řazením operačních zesilovačů. Frekvenční pásmo: 5 khz MHz. Odolnost proti saturaci. 3

31 Odolnost výstupu zesilovače proti kmitání při induktivně kapacitní zátěži koaxiálních kabelů. Délka kabelu výstup musí pracovat s kabelem pro ruční měření,5 m v průmyslovém využití do 5 m. Zesílení A = 6 db (při nižším zesílení se projevuje aditivní rušivá složka). Odolnost proti přepětí V zajišťuje separátor pulzů s amplitudovými omezovači Odolnost proti rušivému napětí souhlasného signálu zajišťuje implementace předzesilovače přímo do sondy. Odolnost proti vnějším magnetickým polím zajišťuje stínící pouzdro a montáž vícevrstvého spoje, kde kritické cesty jsou vedeny uvnitř stínících vrstev. Napájení předzesilovače Pro napájení je využito pulzů EMAT se sofistikovanou kaskádní filtrací. Napájecí zdroje klasického provedení se neosvědčily, neosvědčilo se ani napájení z akumulátorů v blízkosti předzesilovače, ani napájení po stejném kabelu stejnosměrným napětím s frekvenčním oddělením signálové cesty Amplitudová frekvenční charakteristika DUAL EMAT sondy Amplitudová frekvenční charakteristika DUAL EMAT sondy závisí na: Indukčnosti cívky. Kapacitě cívky a přívodních vodičů. Typu měřeného materiálu především povrchové vodivosti. Vzdálenosti cívky EMAT od povrchu měřeného materiálu. Z hlediska konstrukce sondy na použitých materiálech uvnitř sondy uvnitř jsou neferomagnetické materiály. U feromagnetických materiálů je závislost složitější, v této práci jsou použity pouze vodivé neferomagnetické materiály. Pokud je DUAL EMAT sonda umístěna ve vzduchu, má cívka vyšší indukčnost. Při přiložení sondy na měřený materiál poklesne indukčnost a stoupne frekvence, při které dosahuje frekvenční charakteristika maxima, přičemž vliv feromagnetických vlastností se vzhledem k frekvenci neuplatňuje. Obr. 5.3: Frekvenční charakteristika navržené EMAT sondy měřené pomocí generátoru a osciloskopu na jedné ze dvou cívek (Fe: ČSN EN 2223 ocel třídy ) 3

32 Obr. 5.4: Blokové schéma měření frekvenční charakteristiky Frekvenční charakteristika samotné sondy (obr. 5.3, obr. 5.4) je důležitá pro stanovení náhradního modelu EMAT a pro zpracování signálů. Při praktickém měření není možné dosáhnout lepších parametrů sondy při vyšší frekvenci z těchto důvodů: Měřený materiál má frekvenční závislost útlumu vhledem ke struktuře, takže při 2 MHz buzení sonda dává podstatně menší signál. Indukované vířivé proudy mají menší hloubku vniku při vyšší frekvenci a intenzita pole v povrchové vrstvě je nižší. Pokles amplitudy na rezonanční frekvenci v závislosti na vzdálenosti od měřeného materiálu je % u Al vzorku, 2 % u feromagnetického vzorku. Prakticky nelze využít selektivity křivky sondy, neboť indukované proudy jsou širokopásmové, hloubka vniku klesá s frekvencí. Sonda EMAT s pracovní frekvencí 5 MHz, nemá maximální amplitudu na 5 MHz jako u klasických UZ sond buzení je 5 MHz ale sonda musí přenášet alespoň 3 harmonické, jinak dojde k vysokému poklesu signálu. Obr. 5.5: Frekvenční charakteristika EMAT sondy (měřicí řetězec) je měřena pomocí generátoru a snímána pomocí vlastního zařízení EMAT (Fe: ČSN EN 2223 ocel třídy ) Frekvenční charakteristika (obr. 5.5) měřena systémem EMAT (dle schématu na obr. 5.4, osciloskop P je nahrazen předzesilovačem EMAT) je důležitá pro zpracování signálu. Pro pokles 6 db je možno ji považovat do 2 MHz za konstantní. Frekvenční charakteristika celého měřicího řetězce je změřena odečtením hodnot přímo na displeji přístroje EMAT v db. 32

33 5.6. Vyzařovací charakteristika EMAT sondy Vyzařovací charakteristika EMAT sondy závisí na rozložení magnetického pole na povrchu měřeného materiálu, magnetické pole je homogenní s poklesem indukce pole u krajů magnetu. Dále závisí na průměru vysílací cívky, vysílací frekvenci i na průměru spirálové cívky (obr. 5.4), která indukuje vířivé proudy v měřeném materiálu Měření vyzařovací charakteristiky EMAT sondy V současné literatuře prozatím nebyla nalezena odborná publikace ani technická zpráva zobrazující reálnou vyzařovací charakteristiku EMAT sondy. Pro sondy EMAT vyvinuté v rámci disertační práce byly změřeny vyzařovací charakteristiky (obr. 5.7, obr. 5.8). Pro měření vyzařovací charakteristiky byla použita EMAT sonda s buzením burst 4 MHz a 5 MHz. Tyto vyrobené EMAT sondy byly přiloženy na povrch materiálu z hliníku o tloušťce 2 mm, 4 mm, 65 mm, 5 mm, 24 mm a 4 mm. U všech vzorků materiálů (válcového tvaru) byly vytvořeny ze spodní části vývrty o průměru 2 mm, 3 mm, 4 mm a 5 mm s plochým dnem. Vyzařovací charakteristiky jsou zobrazeny na následujících obrázcích. Pro stanovení citlivosti jsou však zobrazeny relativní amplitudové charakteristiky v příčném řezu. Měření bylo realizováno dle obr Y Al vzorek s umělými vadami X EMAT sonda a) b) Obr. 5.6: Princip měření vyzařovací charakteristiky DUAL EMAT sondy, a) blokové schéma, b) posuvný skener 33

34 Obr. 5.7: DUAL EMAT 4MHz, materiál 2 mm, dno 2 mm, 5 5 mm Obr. 5.8: DUAL EMAT 4MHz, materiál 2 mm, dno 5 mm, 2 2 mm Obr. 5.9: Paleta zobrazení amplitud C-scanu má přiřazeny barvy lineární amplitudě v několika pásmech Ze zobrazených vyzařovacích charakteristik je možné konstatovat důležitý poznatek. V případě měření plochého dna vývrtu je možné pozorovat, že maxima zaznamenaných koncových ech nejsou dosaženy ve středu plochého dna vývrtu, ale po obvodu vývrtu. Ovšem takto navržená sonda umožňuje detekci vad o průměru 2 mm Amplitudové charakteristiky v příčném (horizontálním) řezu DUAL EMAT sondy Amplitudové charakteristiky jsou vykresleny z přístroje CSCAN dat (obr. 5.6), kde jsou uloženy tzv. A-scany s amplitudou v každém bodě plošného zobrazení. Pro stabilní výsledek jsou údaje zprůměrovány. Relativní hodnota amplitudy je v lineárních jednotkách odečtena na displeji přístroje. Při měření dle obr. 5.2a bylo nastaveno zesílení a úroveň relativní amplitudy na displeji byla nastavena na hodnotu % jako referenční úroveň relativní amplitudy pro další měření na měrkách (obr 5.2b až obr. 5.24). 34

35 Zesílení [%] Zesílení [%] Vzdálenost [mm] Vzdálenost [mm] a) b) Obr. 5.2: Příčný řez citlivosti sondy DUAL EMAT na materiálu AL tloušťky 2 mm: a) pro vadu 5 mm, b) pro vadu 2 mm Z příčných řezů je patrné, že při vadě 2 mm oproti vadě 5 mm je pokles citlivosti nižší a s menším kolísáním než u vady 5 mm Amplitudové charakteristiky ve vertikálním řezu DUAL EMAT sondy Protože při praktickém měření je problematické exaktně zajistit stejnou polohu sondy nad měřeným materiálem, musí být tato závislost kvalifikována, jaký vliv má na citlivost sondy. Zesílení [%] Zesílení [%] Vzdálenost [mm] Úhel náklonu [ ] a) b) Obr. 5.2: Závislost citlivosti na poloze sondy od měřeného materiálu: a) vliv vzdálenosti od povrchu, b) vliv úhlu náklonu sondy k vertikále Na stupňové měrce je měřena citlivost DUAL EMAT sondy v závislosti na vzdálenosti (obr. 5.2a). Vzdálenost od měřeného povrchu hliníku měrky je v mm. Měření je provedeno pro obě cívky DUAL EMAT sondy. Na stupňové měrce (Příloha I obr. P) je dále měřena citlivost DUAL EMAT sondy v závislosti na úhlu sondy, který svírá styčná plocha vůči povrchu materiálu (obr. 5.2b). Úhel náklonu sondy od měřeného povrchu hliníku měrky je ve stupních. Relativní amplituda je v lineárních jednotkách na displeji přístroje. Měření je provedeno pro obě cívky DUAL EMAT sondy Měření DAC křivek sondy Dual EMAT Na stupňové měrce (Příloha P) je měřena citlivost duální sondy v závislosti na hloubce. DAC (Distance Amplitude Correction curve) udává amplitudy odražené ultrazvukové vlny z různé hloubky reflektoru tj. rozhraní, na kterém dochází ke změně akustické impedance, ve stále stejném v materiálu. Vodorovná osa je hloubka v mm, svislá osa je amplituda 35

36 v lineárních jednotkách. Křivky jsou měřeny při různých frekvencích sondy. Sonda není nijak laděna, je měněna vysílací sekvence burst pulzu a při příjmu je zařazen příslušný pásmový filtr. Měření bylo provedeno při frekvencích MHz, 2 MHz, 3 MHz, 4 MHz, 5 MHz, 7 MHz (obr až obr. 5.24). Pro dosažení stabilních odečtů amplitudy je nastaveno průměrování 64. Se změnou frekvence se mění poloha blízkého pole vyzařovací charakteristiky sondy. Blízké pole je oscilující. reference [%] 5 4 Cívka 3 Cívka [mm] Zesílení [%] Vzdálenost [mm] a) b) Obr. 5.22: Měření křivky citlivosti DAC na stupňové měrce: a) frekvence sondy 3 MHz, b) frekvence sondy 2 MHz Zesílení [%] [%] Vzdálenost [mm] [mm] reference Cívka Cívka2 Zesílení [%] [%] [mm] Vzdálenost [mm] reference Cívka Cívka2 reference [%] 5 4 Cívka 3 Cívka [mm] a) b) Obr. 5.23: Měření křivky citlivosti DAC na stupňové měrce: a) frekvence sondy 5 MHz, b) frekvence sondy 4 MHz Zesílení [%] Vzdálenost [mm] Zesílení [%] [%] [mm] Vzdálenost [mm] reference Cívka Cívka2 5 5 [mm] a) b) Obr. 5.24: Měření křivky citlivosti DAC na stupňové měrce: a) frekvence sondy MHz, b) frekvence sondy 7 MHz Zesílení [%] [%] Vzdálenost [mm] reference Cívka Cívka2 36

37 Obr. 5.25: Sestrojení křivky citlivosti DAC na přístroji, kterým byly křivky měřeny 5.. Simulace elektrického a magnetického pole cívky a magnetu sondy EMAT Simulace hustoty vířivých proudů a hustoty magnetického toku (obr až obr. 5.3) byla provedena pro sondu DUAL EMAT s průměrem cívky 8 mm metodou konečných prvků programem FEMLAB (aplikace metody konečných prvků v prostředí MATLAB). Počet závitů a vzdálenost odpovídá použité sondě. Protože magnetický tok uprostřed sondy má nižší hodnotu, dá se předpokládat, že vyzařovací charakteristika bude mít prstencový charakter. Simulace jsou zobrazeny pro jednu polovinu sondy se středem na levé straně. Podle svislé osy je sonda cylindrická, zobrazení je kolmý řez. Simulace vychází z Maxwell-Ampérova zákona pro nestacionární pole [3]. t Pro harmonický signál e ( ) E = σ H J v B, B = µ µ H + B, r r ( r ) e ( µ µ H B ) σ ( H J ) v ( µ µ H B ) = r r r e ( σ jωε ) ( σ jω ) E = + H v B J P D = ε E + P e ( ( r r )) ( ) ( ) ( ) jω µ µ H B σ jωε H σ v µ µ H B J jωp r + r = (4) (5) 37

38 Parametry simulace: Vizualizace elektrického pole pomocí FEMLAB cívka 2 mm nad materiálem, průměr cívky 9 mm, 6 závitů axiální zobrazení (souměrné kolem osy r zobrazena pouze polovina) rozměry materiálu: 2 mm mm tloušťka materiálu: mm testovaný materiál: Al zobrazení hustoty magnetického toku a indukovaných vířivých proudů. Vizualizace magnetického pole pomocí FEMLAB magnet 3 mm nad materiálem, průměr magnetu mm axiální zobrazení (souměrné kolem osy r zobrazena pouze polovina) rozměry materiálu: 2 mm mm tloušťka materiálu: mm testovaný materiál: Fe zobrazení hustoty magnetického toku. Obr. 5.26: Simulace elektrického pole 38