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INTRODUCCIÓN A LA TÉCNICA PHASED ARRAY Y SU APLICACIÓN A LA INSPECCIÓN DE SOLDADURAS

PHASED ARRAY ¿Qué es el Phased Array? • La tecnología Phased Array es la habilidad de modificar electrónicamente las características acústicas de un palpador. • Las modificaciones del palpador se generan mediante desfases en el tiempo en las señales emitidos (Pulso) y las señales recibidas (Eco) de los elementos individuales de un palpador Array.

• Cualquier aplicación de detección y dimensionamiento realizada mediante ultrasonidos convencionales puede realizarse mediante la técnica Phased Array

¿Porqué Phased Array? Permite una exploración electrónica a gran velocidad y sin partes móviles. • Reduce el tiempo de inspección • Mejora la calidad de la inspección al permitir el control mediante software de las características del haz sonoro. • Inspección con múltiples ángulos con un solo palpador. • Diversas configuraciones P/E, T/R, TOFD, TANDEM • Mayor flexibilidad en la inspección de piezas de geometría compleja • Optimización de la focalización • Optimización del ángulo

¿Cómo trabaja un Phased Array ?

• Palpadores • Electrónica (control del palpador, adquisición de datos • Generación del haz sonoro

Diseño de palpadores Phased Array

Un array lineal (1D) es básicamente un palpador convencional de una determinada longitud cortado en muchos elementos que pueden ser excitados individualmente.

Palpadores Phased Array

Parámetros del palpador Array • Frecuencia (f)

• Número de elementos (n) • Apertura total en la dirección activa (A) • Elevación apertura mecánica en la dirección pasiva (H) • Anchura del elemento (e) • Distancia entre dos elementos consecutivos, Pitch (p)

Fabricación de palpadores tecnología piezo-composite Thin rods of ceramics

polymer Piezzo composite

Los palpadores PA están basados en la tecnología de piezocomposite, la relación señal/ruido que se obtiene de este tipo de palpadores es 10-30 dB mayor que los palpadores obtenidos con la tecnología piezo-cerámica. Los palpadores piezo-composite se fabrican utilizando finas obleas de cerámica dentro de un polímero.

Palpadores Phased Array

Diversos diseños de palpadores Phased Array lineales.

• El palpador PA puede focalizarse mecánicamente en el eje pasivo. • La tecnología PA permite cualquier geometría del palpapador.

Parámetros de diseño de palpadores Phased Array • Los palpadores Phased Array contienen una serie de elementos individuales, cada uno con su propio conector, circuito de retardo, y convertidos A/D • Estos elementos están aislados acústicamente entre sí

• Los elementos son excitados en grupos con unos retardos de tiempo precalculados para cada uno de ellos. Single Trigger Pulse Time

Palpadores Phased Array • Los elementos se ordenan como un array con una geometría conocida • Estos arrays se fabrican utilizando diversos diseños y cada uno de ellos se construye específicamente para la aplicación • Los diseños típicos son:

• Lineal • Matricial • Circular • Sectorial-Anular

Palpadores Phased Array Otros tipos de palpadores Phased Array

Palpadores Phased Array Otros tipos de palpadores Phased Array

Daisy Array

Daisy Probe Data

Párametros de la suela • Velocidad en suela (vw) Wedge (vw)

• Angulo de la suela () • Altura del primer elemento (H)

inc

• Offset del primer elemento (x1) 

x1

h1

ref

FUNDAMENTOS DE LA GENERACIÓN DEL HAZ SONORO MEDIANTE LA TÉCNICA PHASED ARRAY

Generación del haz sonoro Generación del haz sonoro con un palpador convencional

Angulación del haz sonoro con un palpador convencional • El haz sonoro se genera según el principio de Huygens • La suela introduce los retardos apropiados de forma mecánica tanto durante la emisión para generar el haz angular como en la recepción donde sólo las ondas en fase crean una interferencia constructiva que detecta el cristal.

Delay

Received signal Crystal A

Wedge B

C

Material A

B

C

Location

S

• Angulación utilizando un palpador convencional • El haz sonoro se genera en la zapata mediante el principio de Huyghens • La suela angulada introduce los retardos en la recepción de la señal, por lo que sólo las señales en fase formarán una interferencia constructiva en el cristal piezo-eléctrico.

Generación del haz sonoro Generación del haz sonoro con un palpador Phased Array

Angulación del haz sonoro utilizando un palpador Phased Array • Haz sonoro generado mediante el principio de Huygens. • Los retardos apropiados se introducen electrónicamente durante la emisión mediante una ley focal que genera un desfase de tiempos en la excitación de cada uno de los elementos del palpador.

Generación del haz sonoro Generación del haz sonoro con un palpador Phased Array

 S

• En la parte de recepción se introducen los retardos apropiados electrónicamente. • Sólo las señales en fase generarán una señal de amplitud significativa después de la etapa de sumatoria.

Vista global del procesado de señal en Phased Array

Por razones económicas, los pulsers normalmente están multiplexados, la nomenclatura de la instrumentación es como 32/128 refiriendose a un equipo con 32 pulsers multiplexados en un total de 128 canales de ultrasonidos.

EXPLORACIÓN PHASED ARRAY

Focalización del haz de ultrasonidos • Es la capacidad de concentrar la energía acústica en un punto de focalización. • Focalización a varias profundidades con un solo palpador. • Leyes de focalización simétricas.

Focalización del haz de ultrasonidos Haz no focalizado: • Campo cercano y ángulo de divergencia natural del haz acústico. Se determinan mediante la apertura total y la longitud de onda. • Campo cercano:

A2 N 4

• Ángulo de divergencia:

sin   0.5 

 A

• Diámetro del haz a una profundidad Z:

d

z A

Focalización del haz de ultrasonidos Haz Focalizado: • Coecifiente de focalización (K) definido por:

F K N

Donde: F: Distancia de focalización

N: Campo cercano

• Diámetro del haz (dst )el plano de angulación a la distancia de focalización:

F d st    A

Focalización del haz de ultrasonidos

Palpador lineal, pitch 1mm, Frecuencia 5MHz

Number of elements

10

16

32

Aperture (mm)

10

16

32

N Fresnel distance (mm)

84

216

865

Focusing depth (mm)

84

84

84

K

0.99

0.39

0.10

d (at focusing depth mm)

2.49

1.55

0.78

Focalización del haz de ultrasonidos Focusing 10 elements Aperture 10 x 10mm

Focusing 16 elements Aperture 16 x 10mm

Focusing 32elements Aperture 32 x 10mm

Focalización del haz de ultrasonidos

Focalización Impulso de emisión

Elemento

Focalización Dinámica

Mechanical Displacement

Beam displacement

FOCUS DEPTH (PULSER)

DYNAMIC FOCUSING (RECEIVER)

c = velocity in material

La focalización dinámica es una excelente forma de inspeccionar componentes de de gran espesor en un solo pulso. El haz es refocalizado electrónicamente en la recepción.

Focalización Dinámica

Angulación del haz de ultrasonidos • Es la capacidad de modificar el ángulo refractado del haz de ultrasonidos generado mediante un palpador Array. • Permite realizar inspecciones con múltiples ángulos utilizando un solo palpador. • Aplica leyes focales asimétricas.

Angulación del haz de ultrasonidos

Scan Sectorial

• • •

El Scan sectorial es la capacidad de completar un scan de un sector de volumen sin necesidad de mover el palpador. Util para la inspección de geometrías complejas. Combina las ventajas de los palpadores de haz ancho y múltiples palpadores focalizados en un sólo palpador array.

1

2......

N

Angulación del haz de ultrasonidos • La capacidad de angulación está relacionada con la anchura del cada elemento individual del palpador Phased Array • La angulación máxima (-6 dB), viene dado por:

sin  st  0.5 

 e

• El rango de angulación puede modificarse utilizando suelas anguladas.

Generación de un haz angular

Angulación

Elemento

Tipos de Exploración Scan Lineal •

•

•

Es la capacidad de mover el haz sonoro a lo largo de un eje sin movimientos mecánicos. El movimiento del haz se realiza mediante la multiplexación del grupo de elementos activos. El scan lineal está limitado por: – Numero de elementos del array – Numero de canales del sistema. Scan lineal A-Scan Elementos Activos

Sumario de tipos de exploración

• En la exploración lineal, el los arays se multiplexan utilizando la misma ley focal. • En las exploraciones sectoriales se utilizan los mismos elementos pero cambia la ley focal. • En la focalización dinámica sólo cambia la ley focal en la recepción.

Selección del palpador Phased Array

• Frecuencia

• Anchura del elemento (e) • Número de elementos (n) • Pitch (p) (Separación entre centros de elementos)

Frecuencia del elemento (f) • Primera aproximación:

• La misma frecuencia que se utilizaría para la misma aplicación utilizando palpadores convencionales. • Se selecciona apertura equivalente al diámetro de palpador convencional que se utilizaría para la misma aplicación. • En la práctica, para mayores frecuencias y mayores aperturas obtendremos mejor relación señal / ruido. • Los mayores problemas de fabricación ocurren a las mayores frecuencias >15MHz.

Tamaño del elemento (e) • El tamaño del elemento es un punto clave. Cuando (e) decrece: •

Aumenta la capacidad de angulación

•

El número de elementos se incrementa rápidamente.

• Se complica la fabricación el tamaño mínimo de 0.15 a 0.2 mm

Número de elementos

El número de elementos es un compromiso entre: • Cobertura de volumen deseada y sensibilidad

• Capacidad de focalización. • Capacidad de angulación. • Capacidad del equipo. • Coste.

Número de elementos 1 Element

2 Elements

4 Elements

8 Elements

Pitch / Apertura • Número de elementos activos en el mismo disparo. • Maxima apertura A(max) = Pitch x 16 • Para unmayor rango de angulación utilizar palppadores con pitc pequeños. • Para una buena sensibilidad, campo cercano grande, y buen coecifiente de focalización, La apertura debe ser grande. • El objetivo es alcanzar el mejor compromiso entre la Apertura y el Pitch.

Lóbulos laterales del haz del array • En el haz del sonido de un palpador array aparece un lóbulo principal y otros secundarios separados del primero un determinado ángulo. • Los lóbulos secundarios del array reducen el rango efectivo de angulación.

Lóbulos laterales del haz del array • Si el tamaño del elemento (e)  λ aparecerán los

lóbulos laterales. • Si e < λ/2, no aparecerán lóbulos laterales. • Si λ/2 < e < λ la aparición de lóbulos laterales dependerá de la angulación.

Lóbulos laterales del haz del array n=8 p=9

n=12 p=6

n=16 p=4. 5

n=20 p=3. 6

Array lobe

Main lobe

Influence of pitch p (for A = fixed) – If p reduces, and n increases – then lobe distance increases – and lobe amplitude decreases

Lóbulos laterales del haz del array Aperturas equivalentes

6 Elements (Pitch 1mm)

12 Elements (Pitch 0.4mm) 4 Elements (Pitch 1mm)

8 Elements (Pitch 0.4mm)

Aplicación Phased Array a la inspección de Soldaduras.

Phased Array Inspección con barrido sectorial

• Cubrimos todo el volumen de la soldadura explorando entre un ángulo mínimo y uno máximo. • Se inspecciona toda la soldadura de una sola pasada paralela a la soldadura.

• Se quedan registrados todos los datos para su posterior evaluación • Palpador pequeño sólo se necesitan 16 cristales. • Minimiza el tiempo de inspección

Phased Array Inspección con barrido Lineal

• Cubrimos todo el volumen de la soldadura realizando el movimiento perpendicular a la soldadura electrónicamente. • Se inspecciona toda la soldadura de una sola pasada paralela a la soldadura. (con un solo ángulo) • Se quedan registrados todos los datos para su posterior evaluación • Palpador grande mínimo 64 cristales.

• Minimiza el tiempo de inspección

Phased Array Inspección con diversos barridos (multigrupo)

• Se hacen todos los barridos al mismo tiempo y con el mismo palpador. • Palpador grande al menos 64 cristales. • Se cubre todo el volumen de la soldadura con varios ángulos al mismo tiempo • Ahorra tiempo de inspección

ESTADO ACTUAL DE LA NORMATIVA INSPECCIÓN CON PHASED ARRAY • ASME • Code cases para barrido sectorial manual (S-scans) (2557) y barrido lineal E-scans (2558) publicado en 2007. CC2541 para haces simples publicado en 2006. • Code cases para inspección con registro de datos para barridos lineales y sectoriales aprobado bajo votación. Se espera que los Codes Cases se publiquen en 2008. • Existe un borrador para un apedice mandatorio para Phased Array, se espera que se apruebe para el 2008 • Phased Array ha sido aprobado mediante una demostración especifica de su funcionamiento, P.e. Artículo 14 y el Code Case 2235-9. Disponible procedimiento. • ASME B31.3 para proceso de tuberías publicado CC181 sobre tuberías, equivalente a CC2235; sin espesor mínimo.

ESTADO ACTUAL DE LA NORMATIVA INSPECCIÓN CON PHASED ARRAY • ASTM • Recomendadión práctica para la configuración de Phased Array publicado (E2491-06). Esto requiere ACG (angle correction Gain) y TCG (Time correction Gain) para calibración. • API • Las pruebas recientes utilizando API QUTE fueron muy satisfactorias; El comité API debería aprobar los resultados en cualquier día. No se requieren cambios al procedimiento UT2 de API para el OmniScan: • OTROS CODIGOS • Existe una pequeña actividad en la normativa Phased Array in diversos países, P.e. ISO, EN, Jápón, UK, Russia; algunos procedimientos en Japón y requerimientos de certificación en UK. La intención es introducir los códigos de USA en otras organizaciones cuando sea posible. Por el momento parece que el OmniScan cumplirá la EN 1712.

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