Phased Array Zásadní změna v ultrazvukové kontrole Ultrazvuková kontrola Zdeněk Porkert, Testima spol. s r. o. Peter Speier, AGFA NDT Krautkrämer Ultrasonic Systems Firma Krautkrämer je již desítky let vedoucí firmou v oblasti ultrazvukové kontroly. Celá řada dalších firem se dnes snaží využít koncepce, se kterými přišla firma Krautkrämer jako první na trh. Mezi největší převratné kroky zavedené firmou Krautkrämer patří systém vyhodnocení podle AVG a v poslední době systém ovládání číslicových ultrazvukových přístrojů. Nyní firma Krautkrämer již standardně používá tzv. systém Phased Array. Jedná se o speciální skupinové měniče, pomocí kterých je vytvořena virtuální sonda. Samotné označení v češtině je problematické, protože nemáme zatím pro tato pole (sondy) ustálený výraz. Proto se v tomto článku budeme držet původního anglického označení, stejně, jako to dělají Němci, případně označení skupinové měniče. Český výraz fázová pole není zcela vystihující. Jedná o koncepci zatím u nás málo známou a přitom zcela mění pohled na ultrazvukovou kontrolu. Umožňuje zhotovovat sondy, kde je možné elektronicky volit velikost měniče, řídit pohyb svazku, jeho úhel a ohnisko (tvar svazku). Prvním důsledkem bylo výrazné omezení mechaniky při automatizované ultrazvukové kontrole. Firmou Krautkrämer byla tato metoda natolik rozvinuta, že dnes již běžně vyrábí automatizované linky s využitím těchto skupinových měničů. V současné době konstruovat klasická vícekanálová zařízení např. pro kontrolu železničních kol, kolejnic, tyčí a trubek menších průměrů je neefektivní a zastaralé. Především je nutné si uvědomit, že metoda Phased Array není nová. Jejímu širšímu rozvinutí však bránila cenová dostupnost elektroniky, schopné napájet desítky měničových elementů. Proto se tato metoda dosud používala prakticky pouze pro kontrolu jaderných elektráren, kde nebylo možné použít techniku jinou. Základní koncepce skupinového měniče (Phased Array) Phased Array je skupinový měnič - sonda s řadou jednotlivých měničových elementů v jednom pouzdře. Těchto elementů je obvykle 128 a každý element je řízen vlastním vysílačem a přijímačem. Základem pro měniče jsou kompozitní materiály. Pro vytvoření ultrazvukového svazku, obvyklého standardní sondě je současně napájeno cca 8-16 elementů Základem pro zajištění dále uvedených možností je fázové řízení jednotlivých elementů skupinového měniče. Pomocí fázově řízených jednotlivých elementů je možné: - optimalizace velkosti měniče - naklápění svazku - fokusace svazku - pohyb sondy Optimalizace velkosti měniče Velikost měniče je optimalizována aktivováním příslušného počtu elementů současně. Obvykle je aktivován počet 8 až 16 elementů. Celý skupinový měnič má obvykle délku 100 mm. Je- li aktivováno současně 13 elementů, má sonda velikost cca 10 mm. Phased Array - 1 -
Naklápění svazku V případě, že je převeden vysílací impuls na jednotlivé elementy postupně z jednoho kraje, vytvoří vlnu, která má určitý úhel. Nastavením fáze mezi jednotlivými elementy je možné elektronicky podle potřeby nastavit úhel sondy. Fokusace svazku Změna délky blízkého pole, fokusace, je zajištěna tak, že do všech elementů pole není přiveden vysílací impuls současně, ale krajní elementy příslušné skupiny jsou aktivovány s fázovým předstihem. Nastavením fáze, posunu času, mezi aktivací krajních elementů vůči elementům vnitřním se nastavuje ohnisko. Tzn. je možné nejenom nastavit sondu přesně podle zkoušené úlohy, ale je možné jednou sondou zkontrolovat např. podpovrchové vady na vrchním, a při druhém kroku na zadním povrchu. Toto doposud bylo možné zajistit pouze výměnou sondy, nebo více kanály. Pohyb sondy Pohyb, podobný běžné sondě je možné zajistit způsobem, že je postupně aktivována vždy jiná skupina jednotlivých elementů. Např. skupina elementů 1-8, potom 2-9, 3-10, atd. Pohyb je obvykle možné zajistit v délce 100 mm. V případě, že je potřeba delší pohyb, řadí se skupinové měniče za sebe. Např. při kontrole tyčí menších průměrů se celý obvod zajistí čtyřmi těmito Phased Array sondami. Výhoda je jasná, není potřeba mechanika zajišťující pohyb sondy. Beispiel: Linearscan Aktive Elemente A-Bild Elemente Prinzip. Schallfeld US-Fehler Phased Array - 2 -
V praxi se samozřejmě jedná o kombinaci všech výše uvedených možností řízení skupinového měniče Praktická konstrukce Skupinové měniče jsou zhotoveny rozřezáním základního kompozitního měniče na jednotlivé elementy. Umožňuje vytváření zakřivených měničů, což je důležité zvlášť při automatizované kontrole tyčí, nebo trubek. Původní měnič Lineárně rozřezaný měnič Cirkulárně rozřezaný měnič Elektronika Jak již bylo sděleno v úvodu, každý element musí mít vlastní vysílač a přijímač. Jedna karta Krautkrämer pro napájení tohoto pole obsahuje 32 vysílačů a přijímačů. Pro napájení jednoho Phased Array se 128 elementy je proto potřeba čtyřech karet. Je samozřejmé, že nastavování elektroniky při takovém velkém počtu kanálů musí probíhat zcela automaticky. Součástí systému musí být dokonalý software, protože nastavování sond Phased Array - 3 -
musí být zajištěno způsobem přístupným pro obsluhu. Nenastavuje samozřejmě napájení jednotlivých elementů, ale přímo rychlost sondy, úhel, svazek... Příklady použití Jak již bylo řečeno v úvodu, výroba klasických vícekanálových zařízení v podobě např. pro kontrolu na železnici v současné dnes již nemá smysl. Při kontrole tyčí odpadají drahé rotační hlavy, tyče se pohybují pouze v axiálním směru. Příklad kontroly železničních kol: Kompletní kontrolu zajišťují pouze tři skupinové měniče. Phased Array - 4 -
Příklad kontroly tyčí: Kontrolu zajišťují čtyři skupinové měniče Závěr Přestože současné využití těchto skupinových měničů je především v automatizované kontrole, kde dnes již běžně nahrazuje zastaralé vícekanálové systémy, bude jejich rozvoj v budoucnu rychlý i v oblasti ruční kontroly. Možnost nastavovat elektricky parametry sondy je obrovská přednost. Technika Phased Array sleduje celkový trend nahrazování mechaniky elektronikou. www.testima.cz info@testima.cz TESTIMA, spol. s r.o., Křovinovo nám. 8, 193 00 Praha 9 Tel.:281 922 523 * Tel. servis: 281 922 522 * Fax: 281 921 531 PROVÁDÍME KALIBRACE A SERVIS ULTRAZVUKOVÝCH PŘÍSTROJŮ Phased Array - 5 -