Fakulta elektrotechnická. defektoskopie

Transkript

1 České vysoké učení technické v Praze Fakulta elektrotechnická DIPLOMOVÁ PRÁCE Zvyšování citlivosti ultrazvukové EMAT defektoskopie Praha, 15. ledna 2007 Autor: Michal Kubínyi

2 Prohlášení Prohlašuji, že jsem celou svou diplomovou práci vypracoval samostatněpodvedením Doc. Ing. Radislav Šmíd PhD. Uvedl jsem všechny literární prameny a publikace, ze kterých jsem čerpal v přiloženém seznamu. V Praze dne 15. ledna 2007 podpis i

3 Poděkování Děkuji především vedoucímu diplomové práce panu Doc. Ing. Radislavu Šmídovi PhD. Pomáhal mi s technickými nejasnostmi v rámci celého výzkumu. Doporučil mi vhodnou formu postupu, zápisu a prezentace výsledků. Od počátku zvolil vhodnýčasový plán postupu, který zaručil optimální směřování celé práce. Dále bych chtěl poděkovat panu Ing. Václavu Matzovi, který mivýrazným způsobem pomáhal ve sběrudat, pochopení systému EMAT a atributů měřeného signálu. Jednu z hlavních zásluh realizovat výzkum na systému EMAT má pan Ing. Stanislav Štarman, který svými znalostmi, trpělivostí a technickým zázemím sestrojil a dal k dispozici potřebný měřící systém i s požadovanými vzorky na testování. Dále bych chtěl poděkovat svému nejbližšímu okolízapodporupři studiu. ii

4 Anotace Diplomová práce se zabývá ultrazvukovouemat defektoskopií a metodami filtrace měřeného signálu. Nejdříve budou popsány principy měření pomocí EMAT. Následně jsou rozebrány metody zpracování získaných signálů. Vhodné metody jsou naprogramovány a vyzkoušeny na naměřených signálech. Výsledky použitých filtrací jsou porovnány a zhodnoceny. Veškeré simulace probíhají v prostředí Matlab. Annotation The thesis concerns ultra-sound EMAT NDE (Nondestruction Evaluation) and methods of filtration of acquired signal. First of all are described principles of EMAT materiology. Subsequently are analyzed ways of acquired signal processing. Appropriate methods are tested and proved on measured data. Various filtration methods results are compared and evaluated. All simulations are implemented in Matlab software environment. iii

5 iv

6 v

7 Obsah Seznam obrázků Seznam tabulek viii x 1 Úvod Cíle práce Nedestruktivní testování materiálů Destruktivní testování materiálů Ultrazvuk EMAT Magnetostrikce Lorentzova síla EMAT založený nalorentzověsíle EMATproferomagnetika Hybridní systémy Další bezkontaktní ultrazvukové systémy Výhody použití EMATvNDE Vazební médium Rychlost posuvu nad zkoumaným materiálem Efektivita nasazenísystému Rozlišovací schopnosti Omezení systémuemat Současný stavnapolivýzkumu a vývoje Přehled metod potlačování rušivých signálů Lineární filtrace Nelineární filtrace Výzkum na univerzitách University of Warwick, Coventry, VB University of Manchester, VB Northwestern University, Evaston, USA FukuokaInstituteofTechnology,Fukuoka,Japan Soukromé společnosti Tuboscope Pipeline Services InnerspecTechnologies,Inc vi

8 3 Digitální zpracování signálů Snímané signály Synchronní průměrování Číslicové filtry FIR IIR Wienerovafiltrace Vlnkové transformace Implementace filtračních metod Nástroje k získání signálů Měřící systémemat Testovací přípravek Výpočet parametru srovnání filtračníchmetod Aplikace softwarových metod zpracování signálů Filtrace průměrováním Filtrace číslicovýmifiltry Filtrace pomocí Wienerovafiltru Filtrace pomocí vlnkovétransformace Syntetický signálemat Porovnání metod Závěr 58 Literatura 62 A Nákres zkoumaného přípravku B Obsah přiloženého CD I III vii

9 Seznam obrázků 1.1 První ultrazvukový defektoskop Druhy ultrazvukovýchvln Systém založený nadeskových vlnách Technologické srovnání piezoelektrického a EMAT systému Magnetostrikce Lorentzova síla SchémaEMAT Magnetostrikce x Lorentzova síla System EMAT založený na magnetostrikční principu Schéma hybridního systémuemat Průběh excitovaného proudu cívkou Výsledkyskovovoudeskou Měření bezvad Měření svadami Naměřený signál na bezvadnéčásti přípravku Měření,4mmvada Filtrace průměrováním,4mmvada Výkonová spektrální hustota signálu nad uměle vytvořenou vadou o průměru 4mm Detail výkonové spektrální hustoty signálu nad vadou o průměru 4 mm FiltraceFIRfiltrem,4mmvada Odhad Wienerova filtru z měření nad uměle vytvořenou vadou o průměru 4mm Výsledek Wienerovy filtrace signálu naměřeného nad uměle vytvořenou vadu o průměru4mm Grafický popis rozkladu signálu při vlnkovétransformaci Využití diskrétní vlnkovétransformace Typy prahování Výsledek filtrace s pomocí stacionární vlnkové transformace vlnkové transformace Systém pro měření signálů naprincipuemat SondaEMAT Schéma systémuemat viii

10 4.4 Přípravek na testování schopnostíemat Syntetický signálemat Výkonová spektrální hustota syntetického signáluemat Výsledek filtrace pomocí metody, která vykázala nejvyššísnre A.1 Nákres přípravku... II ix

11 Seznam tabulek 1.1 Klíčové událostivndt Parametry generátoruemat Zvýšení odstupu signál od šumu, filtrace synchronním průměrováním Zvýšení odstupu signál od šumu, filtrace IIR filtrem pásmová propust Zvýšení odstupu signál od šumu, filtrace FIR filtrem pásmová propust Zvýšení odstupu signál od šumu, filtrace odhadem Wienerova filtru ze standardní odchylky od skupinového zpoždění Zvýšení odstupu signál od šumu, filtrace odhadem Wienerova filtru z entropie skupinového zpoždění Zvýšení odstupu signál od šumu, filtrace stacionární vlnkovou transformací Zvýšení odstupu signál od šumu, filtrace stacionární vlnkovou transformací, nevychýlený odhad šumu Zvýšení odstupu signál od šumu, filtrace stacionární vlnkovou transformací, adaptivní odhadprahu Výsledky filtrace syntetického signálu Srovnání výsledků metod filtrace signáluemat x

12 Kapitola 1 Úvod 1.1 Cíle práce Cílem této diplomové práce je provést rozbor a porovnání stávajících i nových metod použitelných pro zvyšování citlivosti nedestruktivního testování materiálů metodou EMAT (ultrazvukovétestovánísvyužitím elektromagnetickoakustických měničů) pomocí číslicového zpracování signálů. Prvním dílčím cílem je provést rozbor literatury, uvést základní fyzikální principy metody EMAT, popsat vlastnosti typických signálů získaných metodou EMAT, přinést přehled o podobných projektech a probíhajících výzkumech ve světě. Hlavním cílem je implementovat a porovnat vybrané metody pro filtraci signálů při EMAT testování v simulovaných a reálných podmínkách. Vybrané metody by měly být implementovány ve formě toolboxu (knihovny) pro programové prostředí Matlab. 1.2 Nedestruktivní testování materiálů Datovat do historie počátky bezkontaktního testování lze jen těžko. Autor v literatuře [21] s mírnou nadsázkou uvádí, že teoreticky první podobné testování bylo zaznamenáno, když měl Bůh po stvoření nebe a země konstatovat,že je to dobré-to měl být první vizuální test. Kořeny nedestruktivního testování, tak jak ho známe dnes, by se daly vyhledat ve starověku, kdy se kvalita meče odhadovala podle zvuku při nárazu. Stejnou akustickou metodu používali po staletí kováři a zvonaři. Ve třicátých a na počátku čtyřicátých let minulého století došlo k pokroku v této oblasti kvůli vysoké aktivitězadruhésvětové války. Dr. Loyd Firestone vyvinul v této době ve Spojených Státech reflectoscope pro nedestruktivní testování, který je na obr Široké uplatnění našel tento přístroj při testování leteckých křídel. Vývoj v oblasti nedestruktivního testování jepřímo spojen se zvyšujícím se zájmem o bezpečnost, vývojem nových materiálů a celkovou snahou o větší spolehlivost výrobků. Změny, které proběhly s vývojem v letectví, nukleární energetice a zkoumání vesmíru, 1

13 KAPITOLA 1. ÚVOD 2 Obrázek 1.1: První ultrazvukový defektoskop (podle [21]) velkou měrou přispěly k pokroku, který se udál v tomto oboru. Bez defektoskopie by nebyla zajištěna bezporuchovost, spolehlivost a bezpečnost v letectví a dalších oborech lidské činnosti. Obecně se nedestruktivní defektoskopie zabývá testováním struktury kovových i nekovových materiálů a vnitřních nebo povrchových vad objektů bez zásahu do jejich celistvosti. Cílem defektoskopie není jen vyřazení vadných výrobků, ale také ujištění, že dobré výrobky jsou dle technických podmínek provozuschopné. Například v leteckém průmyslu lze přejít od konstrukce s bezpečným životem Safe Life (nepřipouští se únavová trhlina za provozu a po vyčerpání životnosti se součástka odstaví zprovozui když není porušena), ke konstrukci bezpečné po poruše Fail Safe (připouští za provozu únavovou trhlinu, avšak během periodických prohlídek nesmí překročit kritickou délku). Tímto dochází k úspoře nákladů na provoz. Existuje řada defektoskopických metod, ale není žádná metoda, která by byla jednoznačně použitelná k pokrytí všech požadavků za všech okolností. Při volbě defektoskopické metody je nutné vycházet z řady faktorů (mechanické a dle použité metody také elektromagnetické vlastnosti testovaného materiálu, rozměry objektu, okolní prostředí, umístění objektu z hlediska přístupnosti aj.). [3]. Základní defektoskopické metody jsou Vizuální metodyodražené světlo od objektu se vyhodnocuje okem nebo světlo citlivými detektory. Výhodou jsou materiálově neomezené možnosti využití, rychlé vyhodnocení nežádoucích změn (vady materiálu, tvarové odchylky a odchylky rozměrů). Mezi nevýhody patří pouze vyhodnocení povrchových defektů, protože je nutný přístup a osvětlení objektu. Kapilární metody Kapalina obsahující viditelné nebo fluorescenční barvivo je nanášena na povrch objektu a následně se zviditelní necelistvosti na základě ka-

14 KAPITOLA 1. ÚVOD 3 Tabulka 1.1: Klíčové události v NDT 1831 První pozorování elektromagnetické indukce, Michael Farraday 1879 Vířivé proudy využité k detekování rozdílu vodivosti, magnetické permeability a teploty, E. Hughes 1928 Využití vazby elektrické indukce a detekce magnetického pole na inspekci železničních tratí, Dr. Elmer Sperry a H. C. Drake 1929 První pokusy s generováním ultrazvukových vln, S. Y. Sokolov 1942 První ultrazvukový detektor využívající pulzů a ech od vad,d.o. Sproule 1944 Vyvinuta metoda ultrazvukového testování, Dr. Floyd Firestone 1955 Vyvinuty první ultrazvukovépřístroje schopné testovat v zobrazení B a C scan, Donald C. Erdman pilárního působení. Výhodou je použitelnost prakticky na všechny čisté, nesavé materiály bez povrchového pokrytí. Výhodou této metody je citlivost na velmi malé necelistvosti. K nevýhodám patří vyhodnocování pouze malých povrchových otevřených necelistvostí a rychlost metody do 30 minut. Magnetické metodyobjekt je zmagnetizován a je vyhodnocováno magnetické rozptylové pole bud zviditelněním necelistvosti prostřednictvím malých feromagnetických částic nanesených na povrch nebo elektrickými senzory magnetického pole. Výhodou metody je citlivost na malé necelistvosti a v porovnání s kapilární metodou se jedná o relativně rychlou metodu. Mezi nevýhody patří omezení na povrchové a těsně podpovrchové defekty, lze použít pouze na feromagnetické materiály, citlivost je závislá na orientaci magnetického pole vůči necelistvosti, objekt musí být přístupný, jeho povrch nesmí být hrubý, je nutná předcházející příprava objektu a demagnetizace po testu. Elektromagnetická defektoskopie vířivými proudy Tato metoda je založená na vyhodnocení výsledného magnetického toku budící cívky a na toku vybuzených vířivých proudů v testovaném objektu. Hustota vířivých proudů se mění vlivem necelistvosti v materiálu. Výhodou je rychlost a citlivost vyhodnocení. Nevýhodou je použitelnost pouze pro elektricky vodivé materiály, omezení frekvenčně závislou hloubkou vniku elektromagnetického pole, povrch objektu musí být hladký a přístupný pro umístění sondy. Ultrazvukové metodyvysokofrekvenční akustické pulsy ze sondy prostupují objektem a odrážejí se zpět na strukturním rozhraní. Výhodou je velká citlivost na necelistvosti uvnitř objektu, lze testovat většinu materiálů, výsledky testu jsou k dispozici okamžitě a je také nutná minimální příprava objektu. K nevýhodám patří nezbytnost hladkého povrchu proumístění sondy,při kontaktních metodách je nutné vazební prostředí mezi sondou a objektem, citlivost závisí na orientaci akustického paprsku vůči orientaci necelistvosti.

15 KAPITOLA 1. ÚVOD 4 Akustická emisevznikajícíarozšiřující se necelistvosti v materiálu nebo unikající kapalina z potrubí a nádob generuje elastické vlny, které se na povrchu objektu snímají piezoelektrickými senzory. Výhodou je možnost monitorovánívelké plochy z hlediska rozrušování struktury a predikce závažných defektů. Výčet nevýhod začíná nutností kontaktusenzoru nebozvukovodu ksenzoru spovrchemtělesa, je zapotřebí umístit současně více senzorů a vyhodnocení je možné až po zpracování změřených signálů. Defektoskopie prozařováním Zkoušky prozařováním jsou založeny na vyhodnocování závislosti absorpce (koeficient záření) rentgenového nebo gama záření v důsledku přítomnosti případných povrchových nebo vnitřních necelistvostí v testovaném materiálu. Mezi výhody lzepočítat použitelnost pro většinu materiálů včetně kompozitů nezávisle na jejich tvaru a povrchu. Nevýhodou je omezení tloušt ky dle hustoty materiálu, kritická vzájemná orientace rovinné necelistvosti a paprsku záření, nebezpečné radiační prostředí a nemožnost lokalizace hloubky vady. Infračervená defektoskopie Změna struktury a rozměru tělesa, u něhož dochází kvývinu nebo absorpcitepla,se projevízměnou jeho povrchové teploty. K vyhodnocení teploty se používají pyrometry a termovize. Z výhod lze jmenovat použitelnost pro většinu materiálůvčetněkompozitů, citlivost na velmi malézměny teploty, aplikace jek pro malé tak velké plochy povrchu tělesa a možnost průběžného záznamu signálu. Nevýhodou je neefektivnost metody pro trhliny v tenkém materiálu. Výhody moderního nedestruktivního testování materiálů jsou: Součástka není po testování pozměněna a může být opětovně použita. Může být testována jak jednotlivá součástka tak velké množství materiálu. Hmota může být testována jak na povrchové tak vnitřní vady. Součástky mohou být testovány jak při údržbě takizaprovozu. Zařízení pro testování většinou existují i v přenosné podobě. 1.3 Destruktivní testování materiálů Alternativou k nedestruktivnímu je destruktivní testování materiálů. Tyto testy poskytují informace, které se interpretují zpravidla jednodušeji než informace nedestruktivního testování. Zkouší se zejména mechanické vlastnosti daného výrobku. Jedná se o různé způsoby krátkodobého či dlouhodobého zatížení materiálu, tahem, tlakem, zkrutem, vibracemi, teplotou. Tím se simulují extrémní stavy a jejich kombinace, kterými musí daná součástka či celý systém během své životnosti projít.

16 KAPITOLA 1. ÚVOD 5 Omezení destruktivního testování materiálůjsou: Data odpovídají pouze vzorku, který byltestován Většinu vzorků nelze po testování použít Mnoho testů vyžaduje velké anákladné vybavení v laboratorních podmínkách 1.4 Ultrazvuk Ultrazvuk, stejně jako zvuk a hluk, je mechanické kmitáníčástic kolem rovnovážnépolohy šířící se v pružném prostředí ve frekvenčním rozsahu nad 20 khz. Pro defektoskopické účely se běžně pracuje ve frekvenčním rozsahu od 100 khz do 50 MHz. Dle směru kmitání částic vůči směru šíření vlny dělíme ultrazvukové vlny na 1. podélné (longitudinální) 2. příčné (transverzální) 3. povrchové (Rayleighovy) 4. deskové (Lambovyvlny) K dispozici pro tuto práci byl systém v konfiguraci dovolující generovat první dva typy ultrazvukových vln. Grafické znázornění těchto dvou typů kmitání je na obr Systémy založené nastejném principu jako zkoumaný systém dokážípři změněné konfiguraci generovat i čtvrtý typ vlnění. Uspořádání takového systému je na obr Rychlost šíření ultrazvukové vlny pro daný materiál a typ vlnění získáme podle B p v = (1.1) ρ kde B p = ΔP (1.2) ΔV/V kde v je rychlost zvuku v daném prostředích (m/s), B p je modul objemové pružnosti (N m 2 ), ρ je hustota (kg m 3 ), P je tlak (N m 2 ), V je objem (m 3 ). Pro ocel, hliník a podobné materiály je rychlost šíření podélné vlny v rozsahu m/s. U vlny příčné jsou tyto hodnoty zhruba m/s. [2] Schopnost ultrazvuku detekovat a lokalizovat i velmi malé oblasti vyplněné plynem vyplývá zčinitele odrazu R na rozhraní plynu a tuhé látky, který seblíží1. R = p A1 p A = 1 m 1+m (1.3)

17 KAPITOLA 1. ÚVOD 6 Obrázek 1.2: Druhy ultrazvukových vln indukovaný v materiálu s využitím zkoumaného ultrazvukového defektoskopu. Podélné apříčné vlnění (podle [29]) kde R je činitel odrazu (-), p A je amplituda tlaku dopadající vlny(pa),p A1 je amplituda tlaku odražené vlny(pa),m je poměr akustických odporů obou prostředí (-). m = v 1ρ 1 (1.4) v 2 ρ 2 kde v 1,v 2 jsou rychlosti zvuku v daných prostředích (m/s), ρ 1,ρ 2 jsou hustoty materiálu (kg m 3 ). Prochází-li ultrazvuková vlna prostředím, dochází k jejímu útlumu. [2] Pro pokles amplitudy akustického tlaku je útlum definován vztahem p Ax = p A0 e αx (1.5) kde p Ax je amplituda akustického tlaku (Pa), α je činitel útlumu (db), p A0 je počáteční hodnota amplitudy akustického tlaku (Pa). Pro strukturu nehomogenních pevných látek je útlum dán součtem α = α p + α r (1.6) kde α p je útlum pohlcováním, způsobený vnitřním třením a elastickou hysterezísnáslednou přeměnou v tepelnou energii, α r je útlum rozptylem, způsobeným odrazem, lomem a ohybem vlny.

18 KAPITOLA 1. ÚVOD 7 Obrázek 1.3: Systém založený na deskových vlnách (podle [30]). Je zde použit systém, ve kterém je oddělená vysílací a snímací sonda. Vlivem útlumu se snižuje rozlišovací schopnost ultrazvukové defektoskopie. Na vyšších frekvencích (ocel od 2MHz) je činitel útlumu dán převážně rozptylem, přičemž záleží na střední velikosti nehomogenit. Na nižších frekvencích je vliv útlumu rozptylem mnohem menší než pohlcováním. [2]. Důsledky vypsaných vztahů jsou Pro maximální odraz ultrazvukové vlny je nutný odraz na hraně dvou prostředí s co možná nejvyšším rozdílem v hustotě a rychlosti šíření vlnění. Pokles amplitudy akustického tlaku má exponenciální závislost Útlum ultrazvukové vlny je frekvenčně závislý Rozlišovací schopnost je závislá navlnovédélce ultrazvuku 1.5 EMAT EMAT je zkratka elektromagneticko-akustický měnič (Electro-Magnetic Acoustic Transducers). Je to tedy systém, který kombinuje elektromagnetické a zvukové vlnění. Jedná se o metodu nedestruktivního bezkontaktního testování materiálu, která je známa už několik desítek let. Podobně jako klasická ultrazvuková defektoskopie využívající piezoelektrických jevů je postavená na vyhodnocování odrazu nebo změn průchodu ultrazvukových vln. Liší se však metodou vytváření ultrazvukových vln. [2] Rozdíly těchto metod testování jsou naznačeny na obr Myšlenka systému EMAT spočívá ve svázání ultrazvuku a magnetického pole přes vířivé proudy a Lorentzovy síly. Zvuková vlna tedy vzniká z krátce působící síly v materiálu, která vybudí oscilace.

19 KAPITOLA 1. ÚVOD 8 Obrázek 1.4: Technologické srovnání Piezoelektrického a EMAT ultrazvukového systému (podle [22]). EMAT lze použít na elektricky vodivé materiály na základě Lorentzovy síly. Po aplikaci na feromagnetický materiál je generovaný ultrazvuk posílen od magnetostrikce. Při testování magnetických materiálů je však nutno zajistit neměnnou vzdálenost mezi měničem a objektem, nebot i nepatrná změna vzdálenosti (změna magnetického odporu) způsobí změnu hodnoty stejnosměrného pole. [3] Magnetostrikce Magnetostrikce je vlastnost feromagnetických materiálů, která způsobuje změnu tvaru objektu za působení magnetického pole. Magnetostrikční materiály dokáží měnit magnetickou energii v kinetickou. Vnitřní struktura je rozdělena do domén, které tvoří oblasti s jedním typem magnetické polarizace. Aplikací magnetického pole se mění hranice mezi doménami, celé domény rotují a to způsobuje změnu rozměrů materiálu viz obr Lorentzova síla Síla působící na elektrický náboj závisí nejen na jeho poloze, ale i na rychlosti jeho pohybu. Každý bod prostoru je charakterizovan dvěma vektorovými veličinami, jež určují sílu působící na náboj. První je elektrická síla, která určuje silovou složku nezávislou na pohybu náboje. Popisujeme ji intenzitou elektrického pole E. Druhou je silová složka závislá na rychlosti náboje, kterou nazýváme magnetická síla. Tato magnetická síla má podivný směrový charakter.v každém bodě prostoru závisí směr i velikost této síly na směru pohybu částice: směr této síly je v každém okamžiku kolmý na směr rychlosti. V libovolném bodě jesíla kolmá napevnýsměr v prostoru viz obr. 1.6 a směr elektrického

20 KAPITOLA 1. ÚVOD 9 Obrázek 1.5: Magnetostrikce - změna tvaru materiálu při působení vnějšího magnetického pole pohybem domén. ([31]) proudu. Velikost této síly je úměrná složce rychlosti kolmé na tento význačný směr. Všechny tyto vlastnosti lze vystihnout definicí vektoru indukce B magnetického pole, který určuje zmíněný směr v prostoru i konstantu úměrnosti. Pomocí tohoto vektoru je magnetická síla vyjádřena jako q v B. Celkovou elektromagnetickou sílu působící na náboj pak můžeme popsat rovnicí 1.7. F = q(e + v B) (1.7) kde F je celková elektromagnetická síla - Lorentzova síla (N), E je intenzita elektrického pole (V m 1 ), B je magnetická indukce (T), q je elektrický náboj (C), v je rychlost pohybující se nabité částice (m s 1 ) EMAT založený na Lorentzově síle Cívka na obr. 1.7 je napájena z vysokofrekvenčního generátoru, který vytváří krátké pulsy s požadovanou frekvencí ultrazvukové vlny.cívka ve svém okolí indukuje magnetické poleb d. Elektromagnetické polecívky popsané rovnicí 1.8 proniká do elektricky vodivého materiálu podle rovnice 1.9, kde magnetická složka pole indukuje elektrický tok ve vodivém materiálu - vířivé proudy. Průnik pole do materiálu popisuje nelineární závislost. Hloubka, kdy poklesne amplituda vířivých proudů na 37% hodnoty při povrchu se označují jako hloubka vniku δ ajepopsaná Hloubka vniku elektromagnetického pole musí být menšínež vlnová délka ultrazvukové vlny. Nad cívkou je umístěn bud silný permanentní magnet nebo elektromagnet a ten ve svém okolígenerujepolepopsané B s.stejnosměrné magnetické pole ve vzorku interaguje s vířivými proudy podle vztahu V tomto případě tato interakce generuje ultrazvukové vlnyvmateriálu. Elektrický proud procházející cívkou indukuje ve svém okolí magnetické polepopsané Ampérovým zákonem H = J + D (1.8) t

21 KAPITOLA 1. ÚVOD 10 Obrázek 1.6: Grafické znázornění vztahu 1.11 pro Lorentzovu sílu. Složka síly působící na pohybující se náboj je závislá na rychlosti v a na směru magnetické indukce B. Lorentzova síla je kolmá na v anab. Úhel ϑ je úhel mezi vektorem rychlosti v a magnetickou indukcí B anemusíbýt 90. kde je operátor rotace, H je intenzita magnetického pole (A m 1 ), J je proudová hustota v (A m 2 ), D t je hustota Maxwellova proudu (C/m 2 ). Pro šíření elektromagnetického vlnění dopadajícího na rovinnou plochu neohraničeného vodivého tělesa ve směru x pro vektor intenzity magnetického pole platí 2 H = 1 2 H x (1.9) t 2 σμ x 2 kde σ je vodivost materiálu (S m 1 ), μ je permeabilita prostředí (kg m s 2 A 2 ). Hloubka vniku elektromagnetického pole do materiálu je δ = 2 σμω (1.10) kde δ je hloubka vniku (m), σ je vodivost materiálu (S m 1 ), μ je permeabilita prostředí (kg m s 2 A 2 ), ω je kruhová frekvence elektromagnetického vlnění rad s 1. U systému EMAT můžeme předpokládat ve vzorku nulové elektrické pole a tak se nám vztah zjednoduší na F = q v B s (1.11) kde F je Lorentzova síla (N), q v = J je hustota vířivých proudů (A m 2 ), B s je indukce od permanentního magnetu nebo elektromagnetu (T). EMAT lze využít jak pro generování ultrazvukových vln, tak k její transformaci zpět na elektrický signál, nebot výše popsaný jev je vratný. Když se elastická ultrazvuková

22 KAPITOLA 1. ÚVOD 11 Obrázek 1.7: Schéma EMAT vlna odrazí od zadní stěny objektu nebo defektu v objektu, dochází ve stejnosměrném magnetickém poli v materiálu ke generování vířivých proudů a tím ke vzniku elektromagnetického střídavého pole. Magnetická složka pole je měřena cívkou EMAT pro feromagnetika Ve vodivých a nemagnetických materiálech (měd, hliník atd.) je aktérem pouze Lorenzova síla. V ferromagnetických materiálech (ocel, nikl atd.) dovoluje příspěvek od magnetostrikce vyšší amplitudu a lepší poměr SNR.[18] Rovnice 1.12 popisuje aditivní složku, kterou přináší feromagnetický materiál oproti předchozímu případu Zvýšením magnetické indukce se zvyšuje efektivita generování ultrazvuku. B = μ(h + M) (1.12) kde B je magnetická indukce (T), H je intenzita magnetického pole (A m 1 ), M je vektor magnetizace (A m 1 ). Magnetostrikční metoda je více robustní než Lorentzova, protože dovoluje magnety oddělit od cívky EMAT viz obr EMAT který využívá pouze Lorentzovu sílu musímít magnet nad cívkou. Vazba mezi blízko umístěným magnetem a cívkou snižuje efektivitu generování vířivých proudů v zkoumaném materiálu. [19] Hybridní systémy Kombinaci pulzního laseru a EMAT nazýváme hybridním systémem viz. obr Sondy EMAT jsou řádově lepšími detektory ultrazvuku v vodivém materiálu než generátory. Úspěch průmyslových systémů je silně omezen relativně nízkou efektivitou s jakou EMAT generuje ultrazvuk v materiálu v porovnání s piezoelektrickými měniči. Jednou z možností jak zvýšit efektivitu generování ultrazvuku a zároveň zachovat bezkontaktní

23 KAPITOLA 1. ÚVOD 12 Obrázek 1.8: Graficky rozdíl v silách při použití pouze magnetostrikce kontra Lorentzova síla (podle [32]) charakter celého systému jsou tzv. hybridní systémy. Krátký laserový pulz, v řádu ns je vedený optickým vláknem. Vysoce energetický výboj laseru je využit ke generování ultrazvukové vlny o velké amplitudě a frekvenci až desítky MHz. Laser slouží ke generování ultrazvukové vlny a sonda EMAT je využita k zachycení echa od vady nebo konce materiálu. Je možné vybudit všechny typy ultrazvukových vln a zároveň můžeme jednoduše ovládat směr ultrazvukových pulsů.[9, 16] Hlavní nevýhodou hybridního systému laser EMAT je, že ultrazvukový signál zachycený EMAT bývá komplikovanější než u systému založeném na Lorentzově síle. Mohou se mísit různé typy ultrazvukových vln. Citlivost systému EMAT na různé módy vlnění a násobné odrazy každého módu může ve výsledku způsobit, že signál od vady bude maskován v jiném silném echu. Typů vad,které se mohou vyskytnout, je více. Nejen u tohoto typu systému EMAT nastává problém v nalezení vady i v její identifikaci. Slabý měřený signál poté vyžaduje opakované prověření vadného vzorku, pokud je žádána i identifikace typu vady. [9] Výkon laseru je omezen termoelasticitou materiálu. Při dosažení mezní úrovně výkonu laseru dochází k nevratným změnám ve struktuře zkoumaného materiálu. Hlavní nevýhody hybridního systému Komplikovanější stavba snižuje mobilitu celého zařízení Vyšší nároky na softwarové zpracování vzhledem k možným komplikovanějším měřeným signálům Vyšší složitost konstrukce oproti EMAT založeném pouze na Lorentzověsíle zvyšuje cenu Omezení výkonu laseru kvůli mezi termoelasticity materiálu Tyto důvody jsou důsledkem toho, že se hybridní systémy touto dobou ještě nerozšířily apoužívají sepředně při výzkumu.

24 KAPITOLA 1. ÚVOD 13 Obrázek 1.9: System EMAT založený na magnetostrikční principu. Výsledkem je zesílené působení v místech stejného směru působení magnetického pole od cívky a magnetu, delšíšipka. V místech kde působí pole cívky proti poli magnetu dochází k zeslabení výsledné intenzity magnetického pole H, krátká šipka. (podle [19]) Další bezkontaktní ultrazvukové systémy Tyto další ultrazvukové systémy opět využívají pulzní laserové generátory. Jako v předchozím případě jedním pulzem lze generovat podélné, příčné a povrchové vlnění. Frekvence je řízena pomocí masky(shadow-mask) mezi generátorem a testovaným objektem. Signál lze vést pomocí optických vláken. K detekci se využívá optický inteferometr nebo holografickýsystém. Podmínkou je, aby testovaný objekt odrážel světlo nebo měl optickýodražeč umístěný na povrchu. Jedná se o metodu, kdy se porovnávají snímky objektu před a po zatížení. Tato metoda našla široké uplatnění v leteckém průmyslu. Touto metodou se hledá koroze, praskliny, kontrolují se lopatky turbín. [17, 19, 27] 1.6 Výhody použití EMAT v NDE Vazební médium Elektromagnetická interakce mezi sondou a materiálem dovoluje měřit bez mechanického kontaktu a převodník může být umístěn v malé vzdálenosti. Ke zlepšení citlivosti o cca 20 db dochází v případě, kdy je povrch feromagnetického materiálu pokryt tlustou vrstvou oxidu. Ačkoliv je tím zvýšen elektrický odpor pro vířivé proudy, docházíkezměněpoměru mezi intenzitou magnetického pole od cívky a vektoru magnetizace. V takovém případě můžeme sondu ještě oddálit. [18]

25 KAPITOLA 1. ÚVOD 14 Obrázek 1.10: Schéma hybridního systému EMAT (podle [33]). Z výzkumu a praktických experimentů podle [11] vyplývá, že zdvih a vzdálenost mezi sondou a zkoumaným materiálem zásadně ovlivňuje amplitudu, ale i frekvenční charakteristiku. V této práci zkoumali systém, který byl vybaven pouze cívkou bez permanentního magnetu. Za těchto podmínek byl vybaven systém pulzním generátorem, který vyžaduje stovky ampér. Typicky byla použita hodnota 850 A. Průběh vybuzeného proudu cívkou je zobrazen na obr Se stoupajícím zdvihem se prodlužuje doba, po kterou jsou indukovány vířivé proudy a tím se zároveň prodlužuje doba přítomnosti Lorentzovy síly. Tento fakt dovoluje generovat ultrazvuk o nižší frekvenci. Nižší frekvence znamená nižší útlum ultrazvuku, ale na druhou stranu také nižší rozlišovací schopnost na malé vady. Mezera mezi měničem a objektem nemusí být nutně vzduchová. Může být například vyplněna ochranným povlakem objektu, olejem apod Rychlost posuvu nad zkoumaným materiálem Zkoumání materiálu v reálném čase, za provozu je jednou z největších výhod EMAT. Aktuálně firma Innerspec Technologies Inc. dosahuje rychlostí posuvu při testování svarů 1 m/s, ale v některých aplikacích bylo dosaženo rychlosti posuvu zkoumaného materiálu až 2,6 m/s. [22].

26 KAPITOLA 1. ÚVOD 15 Obrázek 1.11: Průběh excitovaného proudu cívkou nad zkoumaným materiálem z hliníku. Bylo využito pulsního generátoru a samotné cívky bez permanentního magnetu. (podle [11]) Efektivita nasazení systému Na příkladu lze uvést důvody pro rozvoj EMAT. Nedestruktivní testování svarů je oblast, kde mohou být výrazně sníženy náklady snížením úkonů potřebných k otestování objektu. V případě použití klasické ultrazvukové defektoskopie [2] jsou největší náklady spojeny s obráběním povrchu svaru kvůli dosažení dostatečné detekční schopnosti této metody testování. Tato procedura u systémů EMAT odpadá. Další snížení nákladů by bylo dosaženo, pokud by nebylo nutné odstavovat celé zařízení a bylo by možné testovat ho za provozních teplot, které bývají často vysoké. [9] Opět se jedná o výhodu bezkontaktního systému EMAT pro jeho další využití. Systémy EMAT byly už použity k vyšetřování vnitřní poréznosti uhlík-uhlík kompozitů (carbon-carbon composites), testování pěnou proložených kompozitů (foam-sandwich composites), hodnocení slepení v solárních panelech (face-sheet bonding in solar-cell suppport panels) a podobné aplikace, kde bylo nutné rychlé a efektivní testování. V případě nevodivého materiálu je nutné přiložit k povrchu elektricky vodivou destičku. [23] Rozlišovací schopnosti První komerční systémy nasadila firma Tuboscope Pipeline Services v druhé polovině devadesátých let minulého století.[19] Nejvyšší citlivosti se dosahuje u ostrých prasklin s obvodovou orientací. Další detekovatelné defekty jsou například zúženiny, koroze a speciálně díry.

27 KAPITOLA 1. ÚVOD Omezení systému EMAT 1. EMAT pracuje pouze na elektricky vodivých materiálech. 2. Vzhledem k slabému měřenému signálu je jeho detekční schopnost horší, zatím se využívá pro speciální aplikace a není možné jím nahradit klasickou ultrazvukovou defektoskopii. 3. Při generování silného statického pole pomocí silného permanentního magnetu dochází k přitahování sondy k materiálu nezanedbatelnou silou. To lze vyřešit použitím elektromagnetu.

28 Kapitola 2 Současný stav na poli výzkumu a vývoje 2.1 Přehled metod potlačování rušivých signálů Pro potlačování šumu se obvykle používají korelační, kompenzační a spektrální metody. 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. Pro filtraci signálů,u kterých dochází ke změnám kmitočtu užitečných nebo rušivých složek v čase, jsou vhodné filtry adaptivní. Důležitým hlediskem je také požadavek na zpracování signálů v reálném čase, který omezuje výběr metod, v opačném případě lze použít například metody nekauzální filtrace, kterédíky menším omezením dosahují lepších výsledků. Jinou úspěšnou metodou je potlačování šumu pomocí vlnkové transformace. V ultrazvukové defektoskopii se používá pro zvyšování citlivosti a rozlišovací schopnosti. [3] Lineární filtrace Číslicová filtrace FIR a IIR filtry Jedná se o lineární filtry a tak zde platí princip, že pokud se měřený signál skládá ze součtu užitečného signálu a šumu v časové doméně, platí to stejné i pro výkonové spektrální hustoty v frekvenční doméně. Při konstrukci je nutné ve většině případů volit mezi vyšším zpožděním výstupního signálu a konstantním skupinový zpožděním nebo menším zpožděním a nelineární fázovou charakteristikou Je nutná vstupní informace pro nastavení frekvenčních složek, které mají nést užitečný signál. Jedná se o frekvenčně selektivní filtraci, kde se v propustném pásmu nerozlišuje mezi signálem a šumem. Pouze se předpokládá, že šum v tomto pásmu má nižší energii než užitečný signál. 17

29 KAPITOLA 2. SOUČASNÝ STAVNAPOLIVÝZKUMU A VÝVOJE 18 Tento typ filtrace je vhodný použít na naměřená data obsahující silný úzkopásmový signál a aditivní širokopásmový šum. Existuje metoda umožňující eliminovat fázové zkreslení většiny IIR filtrů. Fázové zkreslení způsobené první filtrací je kompenzováno přesně opačným zkreslením při aplikaci identického filtru ale v opačném směru toku času. Výstupní posloupnost má tedy nulové fázové zkreslení a filtrace odpovídá dvojnásobnému řádu filtru. Filtr je nekauzální a pro výpočet je nutné mít k dispozici celý záznam vzorků. Adaptivní číslicová filtrace Adaptivní filtry mění své parametry podle určitého kritéria v průběhu filtrace. Používají se v aplikacích, kdy nejsou předem známy konkrétní charakteristiky signálů nebo dochází v průběhu činnosti filtru k jejich změnám, na které musí filtr adekvátně reagovat. Jedna z lineárních adaptivních filtrací je Wienerova filtrace, která realizuje odhad stacionárního signálu ve stacionárním šumovém pozadí s minimální střední kvadratickou odchylkou v kmitočtové oblasti. Řídící blok, který vyhodnocuje zvolené kritérium a iterativně nastavuje v každém kroku hodnoty koeficientů filtru. Pro odhadování modulované harmonické složky se používá Vold-Kalmanova filtrace. Vhodnou volbou modelu soustavy (procesu) lze Kalmánův filtr přizpůsobit konkrétní aplikaci. V principu se jedná o nástroj, jenž nejčastěji nalézá využití k integraci dat z několika zdrojů informací tak, aby se zajistil lepšíodhadstavuči stavů systému, než by bylo možné dosáhnout za pomoci libovolného z dostupných zdrojů. Cílem Vold-Kalmanovy filtrace je extrakce harmonické složky o proměnné a známé frekvenci, která je obvykle úměrná například otáčkám stroje, ze signálu, který obsahuje ostatní harmonické složky s různě proměnnými frekvencemi a šumem. Předností filtru jevelká odolnost proti záznějům a produktům blízkým nebo křížících se signálů v časově-frekvenční rovině. Synchronní průměrování Synchronní průměrování umožňuje v signálu potlačit složky, které nejsou synchronní s užitečným signálem. Pro použití je nezbytné mít k dispozici synchronizační signál. Výsledný signál je složen z průměrných hodnot signálu na konkrétní časové pozici vůči synchronizaci. Teoreticky je zlepšení odstupu signál-šum úměrné druhé odmocnině počtu záznamů, ze kterých se provádí průměrování.[3] Metoda synchronního průměrování je prakticky omezena časovou nestabilitou odvozování synchronizačního signálu od užitečné složky, reálným počtem průměrů.

30 KAPITOLA 2. SOUČASNÝ STAVNAPOLIVÝZKUMU A VÝVOJE 19 Synchronní průměrování selhává, když je rušivá složka synchronní se složkou užitečnou, užitečná složka signálu není přítomna v každém záznamu, užitečná složka signálu se v průběhu měření pomalu mění a nebo když má synchronizační signál příliš velkou časovou nestabilitu. Jednou z modifikací je exponenciální průměrování, kdy jsou starší signály vyhodnoceny s menší vahou. Princip synchronního průměrování lze použít i ve frekvenční oblasti, kde je označováno jako vektorové. Princip spočívá v průměrování komplexních spekter záznamů odebraných synchronně Nelineární filtrace Medianový filtr Slouží k potlačování krátkých skupin impulzů s amplitudou odlišnou od okolního signálu. Delší skokové změny zůstanou zachovány. Jsou velice odolné proti vychýleným hodnotám, vzhledem k charakteru použití medianu, který je necitlivý na krátké a vysoké změny v amplitudě signálu. Návrh a analýza je díky neplatnosti superpozice (měřený signál je součtem šumu a neznámého signálu) komplikovanější než u lineárních filtrů. Pro rozbor a chování se používají statistické popisy. Při filtraci signálu jsou vzorky v okolí vyšetřovaného vzorku seřazeny podle velikosti a jejich median tedy hodnota uprostřed seřazené posloupnosti, představuje výstupní hodnotu filtru. Pseudomedianový filtr Určuje váženýprůměr maxima vybraných minimálních hodnot a minima vybraných maximálních hodnot. Není nutné seřezovat hodnoty využitím vhodně vybraných skupin vzorků. Váhové medianové filtry Pomocíceločíselných kladných vahumožňují respektovat různou významnostvzorků vstupní posloupnosti. Podle hodnoty váhy se zopakuje příslušný vzorek v posloupnosti ze které se medianem určuje výstup filtru. Při znalosti statistických vlastností signálu, které budou navíc neproměnné, lze navrhnout z pohledu určitého vybraného kritéria optimální filtr. Pokud jsou vlastnosti časově proměnné lze použít modifikaci v podobě adaptivní medianového filtru.

31 KAPITOLA 2. SOUČASNÝ STAVNAPOLIVÝZKUMU A VÝVOJE 20 Myriádové filtry Vzávislosti na vhodně zvoleném parametru se charakter filtru blíží bud klasickému průměrovači (výpočet střední hodnoty), který je efektivní pro normálně rozdělené šumy. Druhý protipól funkce filtru je když se blíží výpočtu modu (modus je hodnota, která se v daném statistickém souboru vyskytuje nejčastěji). Myriádové filtry mohou být optimálním filtrem pro potlačování signálů s α-stabilním rozdělením. Vyhlazování (smoothing) Jednou z nekauzálních metod je vyhlazování, které používá pro určení výsledku jeho historii i budoucnost. Obecné polynomiální vyhlazování, které využívá proklad časového průběhu signálu vhodným polynomem. Výsledek určují jako hodnotu polynomu pro zvolenou hodnotu nezávislé proměnné-času. Kvalita filtrace závisí na navržení optimálního polynomu pro naměřený průběh. Potlačování šumu pomocí vlnkové transformace Potlačování šumu pomocí vlnkové transformace je založeno na předpokladu, že užitečný signál díky svému úzkopásmovému charakteru bude při dekompozici reprezentován na rozdíl od šumu pomocí několika koeficientů s velkou hodnotou. Naopak širokopásmový šum bude vyjádřen množstvím koeficientů s malou hodnotou. Při transformaci je nutné vybrat optimální vlnku, která představuje svým tvarem vhodnou aproximaci měřeného užitečného signálu. Koeficienty se prahují a jsou podrobeny zpětné vlnkové transformaci, aby byl získán vyfiltrovaný signál. Výsledek tedy závisí nejen na výběru vhodné vlnky ale i způsobu prahování koeficientů. Fázově citlivá detekce (lock-in zesilovač) Principem fázově citlivé detekce je násobení vstupního signálu referenčním signálem a určování střední hodnoty tohoto součinu pomocí filtru typu dolní propust. V technické diagnostice se používá tam fázově citlivá detekce, kde je amplitudová modulace. Stejnosměrná složka signálu vzniklého násobením referenčního signálu s jakoukoli složkou vstupního signálu, která má kmitočet odlišný (tj. rušení a šumy) od kmitočtu referenčního signálu, je nulová. Naopak stejnosměrná složka výsledku násobení referenčního signálu a měřeného modulovaného signálu (který má stejný kmitočet jako referenční) je nenulová a je úměrná amplitudě měřeného signálu. Dolní propusti tedy poskytují na svém výstupu stejnosměrnou složku úměrnou amplitudě měřeného signálu.

32 KAPITOLA 2. SOUČASNÝ STAVNAPOLIVÝZKUMU A VÝVOJE Výzkum na univerzitách University of Warwick, Coventry, VB Katedra fyziky, S. Dixon Zabývají se výzkumem EMATu s využitím příčného vlnění a klasických piezoelektrických snímačů. V roce 2004 úspěšně využili EMAT k zkoumání jak hliníkových tak železných přípravků pomocí Lambových vln. V roce 2006 zveřejnili výsledky svého zkoumání v oblasti zvyšování účinnosti generování ultrazvuku pomocí systému EMAT. [10] Na obr. 2.1 je dobře znázorněn přínos železného plechu, který odděluje cívky a permanentní magnet v sondě EMAT. Obrázek 2.1: Výsledky umístění kovové desky s různým μ r EMAT a permanentní magnet.(čerpáno z [10]) mezi cívky Z výsledků práce vyplývá, že je třeba použít materiál s co nejmenší elektrickou vodivostí a největší permeabilitou. Přítomnost plechu snižuje ztráty vzniklé generováním ultrazvukových vln v permanentním magnetu. Ve smyslu tohoto je nutné snížit elektrickou vodivost materiálu mezi cívkou a magnetem. Vyšší permeabilita dovoluje koncentrovat magnetický tok ve směru ke zkoumanému materiálu a tím zvyšuje efektivitu generace ultrazvuku v materiálu. [10] University of Manchester, VB Chemical Engineering and Analytical Science, Professor Richard Dewhurst

33 KAPITOLA 2. SOUČASNÝ STAVNAPOLIVÝZKUMU A VÝVOJE 22 Jejich výzkum se zabývá hybridními systémy EMAT, touto metodou zkoumají roztoky a biologické tkáně. V roce 2004 sestavili a odzkoušeli hybridní systém EMAT s využitím Rayleighových vln. V roce 2005 podle [12] navrhli a sestrojili systém EMAT se sondou o průměru 1 cm. Za pomoci Michelsonova interferometru tento systém zkalibrovali tak, aby mohli detekovat poruchy v materiálu v řádu pikometrů. V této práci bylo velice názorně ukázáno, jak dobrý je EMAT jako bezkontaktní detektor pro ultrazvuk. Na jedné straně zkoumaného předmětu bylo s pomocí laseru nebo klasického piezoelektrického měniče generováno ultrazvukové vlnění. Na druhé straně 20 mm hliníkového vzorku byl umístěn EMAT se speciálním nízkošumovým předzesilovačem od firmy Analog Devices ve vzdálenosti 0,1 mm Northwestern University, Evaston, USA Center for quality engineering, Profesor Sridhar Krishnaswamy Jejich práce využívá hybridních systémů EMAT a zkoumají změny struktury v materiálech. Už v roce 1997 odzkoušeli hybridní systém, který používal Lambovy vlny Fukuoka Institute of Technology, Fukuoka, Japan Faculty of Engineering, Department od Intelligent Mechanical Engineering, Riichi Murayama V roce 2002 vytvořili prototyp EMATu, který byl schopen generovat Lambovy vlny a to pomocí klasického měniče, bez použití laseru a dokázali generovat tyto vlny v rozpětí frekvencí 300 khz až 2,5 MHz. Tento systém předpokládá sestavení EMAT - EMAT, jedná se o jednu sondu generující ultrazvuk v materiálu a druhou, která slouží jako detektor. Využití této technologie nalezli v bezkontaktním měření zatížení. [15] Pomocí výše popsaného systému byli schopni měřit rozdíl v rychlostí šíření ultrazvukových vln v materiálu při změně jehozatížení. K vyhodnocení využili vzájemnou korelační funkci signálu měřeného ještě před zatížením a signálu naměřeného po zatížení. 2.3 Soukromé společnosti Tuboscope Pipeline Services Společnost Tuboscope se už přes 35 let zabývá inspekcí potrubí. Vyvíjí jak hardware k EMAT tak ucelené balíkysoftwaru prozpracování naměřenýchdat.odzáří 2002financují výzkum s cílem vyvinout komerčně použitelný systém na základu EMAT. Jelikož se

34 KAPITOLA 2. SOUČASNÝ STAVNAPOLIVÝZKUMU A VÝVOJE 23 zabývají testováním potrubí, výsledky výzkumu směřují k efektivnímu testování potrubí pomocí diagnostického systému založeného na principech EMAT Innerspec Technologies, Inc. Dle informací které prezentuje firma na svých webových stránkách má už 15 let zkušeností s vývojem a prodejem průmyslových inspekčních systémů založených na principu EMAT. Produkují systémy zkoumající toky v materiálech, měření tloušt ky a vzdálenosti a materiálové vlastnosti (jako je tvrdost a zrnitost). K testování využívají klasických piezoelektrických měničů.

35 Kapitola 3 Digitální zpracování signálů 3.1 Snímané signály Existují různé způsoby,jakzobrazitnaměřené signály. V ultrazvukové defektoskopii často používaný je A-scan. Na vodorovné ose zobrazovaného průběhu je čas, který lze přes rychlost šíření ultrazvukového vlnění (kapitola 1.4) přepočítat na hloubku v materiálu až do příchodu koncového echa. Na svislé ose se vynáší amplituda měřeného signálu v daném časovém okamžiku. Z této amplitudy lze za určitých podmínek odvodit velikost vady. Další možností je B-scan, který má na osách souřadnice pevně svázané se zkoumaným objektem a velikost amplitudy odraženého signálu v konkrétním místě je odlišena barevně. V případě zkoumaného systému EMAT může být objekt odrážející ultrazvukové vlnění identifikován dvěma cestami jev v normálním A-scan odpovídající odražené vlně od vady chybějící signál v A-scan porovnaný s jiným A-scan Na následujících obrázcích jsou ideální průběhy tak, jak bychom je mohli vidět pokud by nedocházelo ke ztrátám a vnějšímu rušení. Signálybylyzískány na systému EMAT - EMAT, který mázvlášt sondu budící asnímací. Toto uspořádání názorněji dokumentuje dění při měření. Různé ultrazvukové módy mohou vzniknout odrazem od čela, konce materiálu nebo vady v objemu či v povrchové vrstvě. Vlny, které seněkolikrát odrazily jsou silně potlačeny díky delšídráze a ztrátám při odrazech, ale i tak mohou být stále dostatečně silné, aby zastínily vlny od defektu. Jsou situace, kdy vzhledem k různé rychlostíšíření jednotlivých módů vlnění dochází kpřekrývání či rozmazání příchozích ech. Často můžeme mezi příchodem druhé podélné adruhépříčné vlny identifikovat kombinaci podélnéhoapříčného vlnění. [16] Dalšíanalýzy ukázaly, že existují stíny od delších vad. Pokud se vyskytuje vada za jinou v cestě obvodověpostupujících vln, je odraz utlumen. [19] 24

36 KAPITOLA 3. DIGITÁLNÍ ZPRACOVÁNÍ SIGNÁLŮ 25 Obrázek 3.1: Měření na přípravku, který neobsahuje vady (podle [19]). Na osách jsou vyneseny amplitudy a časy příchodu měřených signálů, které odpovídají hloubceodrazu. 3.2 Synchronní průměrování Synchronní průměrování co do implementace patří mezi jednodušší metody v porovnání s ostatními zde implementovanými metodami digitálního zpracování. Na obrázcích obr. 3.4 a obr. 3.5 jsou prezentovány možnosti tohoto typu filtrace signálu. Průměrování zpomaluje rychlost testování. Zpomalení závisí na množství odměrů, které se průměrují. Matematicky lze tento postup vyjádřit následovně. M n=1 p = x n (3.1) M kde p je výsledný signál získaný jakoprůměr z M naměřených průběhů, x n je jeden naměřený průběh ze systému. Záznam z obr. 3.4 odpovídá jednomu odměru a nebylo na něj použito průměrování ani jiná digitální filtrace. Zkoumáme vadu o průměru 4 mm což odpovídá jedné desetině tloušt ky měrky. Technický výkres měrky je zde A.1. Náznak echa od vady můžeme nalézt mezi 15 a 20 mm hloubky. Tento náznak se však neobjevuje na všech měřeních. Jednoznačně lze pouze identifikovat koncové echo v hloubce 40 mm. Po průměrování z 64 vzorků na obr. 3.5 bylo jasně identifikováno vadové echomezi15 a 20 mm hloubky. Při použití průměrování došlo ve všech měřeních na systému EMAT kzvýšení odstupu signál-šum o 4,9 db. Teoreticky je podle [3] možnédosáhnout při průměrování z64odměrů zvýšení odstupu signá-šum o 18 db. Z obr. 3.5 bylo odstraněno počáteční echo, které znemožňuje v daném případě měřit vadu do 10 mm pod povrchem. Na obrázku můžeme dobře identifikovat sled ech-vadové echo-echoodjiného módu vlnění a nakonec echo od zadní stěny.

37 KAPITOLA 3. DIGITÁLNÍ ZPRACOVÁNÍ SIGNÁLŮ 26 Obrázek 3.2: Měření na přípravku s vadou (podle [19]). Celý průběh vycházízpředchozího ideálního záznamu. Pouze nám přibylo jedno významné echo, které nese informaci o pozici a velikosti neznámé vady v materiálu. 3.3 Číslicové filtry Číslicové filtry patřímezimetodyzpracování signálu ve frekvenční oblasti. Číslicové filtry se dělí na FIR (finite impulse response konečná impulsní odezva) a IIR (infinite impulse response nekonečná impulsní odezva). Podle struktury dělíme filtry na rekurzivní (FIR,IIR) a nerekurzivní(fir), podle toho, zda obsahujíči neobsahují zpětnou vazbu. Číslicové FIR a IIR filtry lze sestavit pomocí třízákladních bloků: součtového členu, členu násobícího konstantou a jednotkového zpoždění FIR Přenos FIR filtru se obvykle popisuje pomocí z-transformace [3, 1]. Z-transformace vychází z Laplaceovy transformace a její matematický aparát zjednodušuje řešení lineárních diferenčních rovnic a umožňuje popisovat dynamické děje diskretizovaných procesů. H(z) je diskrétní přenos FIR filtru a je popsán vztahem (3.2). H(z) =b 0 + b 1 z b M z M = M b n z n (3.2) kde operátor z označuje jednotkové zpoždění, b jsou koeficienty filtru, M je řád filtru a popisuje na kolika předchozích hodnotách vstupu závisí aktuální hodnota výstupu. n=0