Метод полного фокусирования (TFM) был введен в стандарт ASME в 2019 году. Сегодня он используется многими клиентами для различных приложений, таких как контроль сварных швов, высокотемпературная водородная коррозия (HTHA) и водородное растрескивание (HIC). Для этих приложений операторы ожидают уровня производительности и чувствительности, совместимого с их требованиями к контролю с точки зрения доступности активов и размеров дефектов. Таким образом, важно обеспечить технику, отвечающую этим требованиям.
TFM — это метод реконструкции, который фокусирует ультразвуковую энергию в каждом пикселе интересующей области (ROI). Он обеспечивает оптимальное пространственное разрешение и повышенную чувствительность для обнаружения мелких признаков. TFM очень похож на оптические микроскопы или телескопы: чем больше диаметр объектива или его апертура, тем больше разрешение. TFM работает по тому же принципу, где пространственное разрешение метода увеличивается с большей апертурой, т. е. с большим количеством элементов.
Большинство портативных систем с фазированными решетками, доступных на рынке, рассчитывают TFM из элементарного полного матричного захвата (FMC), процесса сбора данных, для которого каждый элемент в решетке (N элементов) последовательно используется в качестве источника, а все элементы используются в качестве приемника. Приемники для каждого передаваемого импульса. Результат процесса получения FMC обычно представляется в виде таблицы N x N с двумя осями, где одна ось обозначает шаблон передачи, а другая обозначает шаблон приема. Процесс FMC объясняется в следующем видео.
Скорость сканирования часто называют недостатком FMC/TFM, поскольку системам необходимо запускать все элементы по отдельности, чтобы записать весь FMC. Архитектура системы оказывает большое влияние на производительность. Большинство систем с архитектурой 32:128 могут записывать акустическую информацию только по 32 каналам, одновременно заставляя их запускать все элементы дважды для записи полной 64-элементной TFM. Это приводит к падению скорости сканирования в 2 раза, что затрудняет контроль в полевых условиях. По этой причине M2M Gekko®— с самого начала — предлагает архитектуру, позволяющую записывать данные на 64 элементах одновременно, обеспечивая оптимальную скорость сканирования для заданной конфигурации массива. Благодаря своему опыту работы с TFM, Eddyfi Technologies обеспечила несколько улучшений скорости за счет обновлений программного обеспечения, чтобы сделать его самым быстрым TFM в портативной системе ультразвукового контроля с фазированной решеткой (PAUT).
Один из способов повысить скорость сканирования — уменьшить количество возбуждений. Уменьшение количества элементов массива не является идеальным, поскольку это уменьшит общую апертуру и, следовательно, эффективность метода TFM. Eddyfi Technologies внедрила новый метод сбора данных для TFM, называемый Plane Wave Imaging (PWI). Эта техника пришла из медицинского мира, где она была тщательно протестирована.
Захват состоит в одновременном включении всех элементов массива под несколькими углами, подобно секторному сканированию, при этом все элементы получают по отдельности. Затем TFM выполняется так же, как и раньше, обеспечивая повышенную производительность при сохранении оптимального пространственного разрешения, которое мы знаем с TFM.
В следующем видео объясняется принцип PWI.
В конце процесса сбора данных PWI результирующая матрица содержит M × N элементарных A-сканов по сравнению с N x N для FMC, где M — количество углов, а N — количество элементов. Конечно, идея здесь состоит в том, чтобы угол M был как можно меньше, чтобы повысить производительность, сохраняя при этом изображение с достаточным разрешением и чувствительностью.
На следующем изображении показано, как PWI настраивается на Gekko. В этом примере мы рассматриваем V-образный сварной шов диаметром 25 мм (1 дюйм). Мы использовали преобразователь 64L5-G3 с призмой SW55. Мы установили шесть углов между 42 и 82 градусами, чтобы покрыть сварной шов непосредственно и при контроле однократно отраженным лучом. Площадь TFM, рассчитанная для режима TT, также была рассчитана и расположена так, чтобы полностью покрыть сварной шов и зону термического влияния (HAZ). Это приводит к площади TFM 44 x 51 мм (1,7 x 2 дюйма). Количество пикселей определяется с помощью мастера Amplitude Fidelity, описанного здесь , чтобы учесть уменьшение амплитуды менее чем на 2 дБ.
Можно видеть, что PWI очень похож на секторное сканирование для PAUT. Пользователь определяет минимальный, максимальный углы и шаг угла. Малые углы используются для контроля фаски и основного сварного шва после отражения от задней стенки, а большие углы используются для проверки корня сварного шва. Люди, знакомые с инспекцией PAUT, могут сразу же использовать PWI, и им не нужно беспокоиться о том, где сосредоточить энергию, поскольку TFM будет фокусироваться повсюду в интересующей области.
Чтобы оценить эффективность PWI, мы сравнили его с FMC/TFM для контроля упомянутого выше сварного шва. Мы использовали один и тот же размер TFM с одинаковым количеством пикселей для обоих случаев. Для PWI количество углов ограничено шестью, что является значительным снижением по сравнению с 64 возбуждениями, необходимыми для сбора данных FMC/TFM, и, конечно же, мы использовали полные 64 элемента массива для обоих случаев. Все этапы калибровки были выполнены для обеих методик в соответствии со стандартами:
- Проверка элементов и компенсация чувствительности
- Калибровка задержки призмы
- Расчет TFM/PWI
- Точность амплитуды
- Калибровка ВРЧ (TCG)
Получение точек данных через каждый 1 мм (0,04 дюйма) с помощью энкодера приводит к скорости сканирования 135 мм (5,31 дюйма) в секунду для PWI, что является значительным улучшением по сравнению с обычным FMC/TFM со скоростью 16 мм (0,63 дюйма) в секунду. Gekko оснащен быстрым режимом FMC/TFM, который может дополнительно повысить скорость до 55 мм (2,17 дюйма) в секунду в этой конфигурации. Мы можем видеть значительное улучшение производительности, обеспечиваемое PWI:
- Обычный FMC/TFM: 16 мм/с
- Быстрый FMC/TFM: 55 мм/с
- PWI/TFM: 135 мм/с
На данный момент стоит отметить, что система 32:128, которая не записывает данные по всем 64 элементам одновременно, будет иметь скорость 8 мм (0,21 дюйма) в секунду для той же конфигурации.
В следующем видео показано получение данных с использованием PWI.
Мы сравнили качество изображений, полученных с помощью обоих методов TFM. Верхнее изображение показывает результаты, полученные с помощью FMC/TFM, а нижнее – с PWI/TFM. Мы видим, что результаты идентичны: обнаружены все три дефекта (трещина в корне, трещина нижней части и трещина по поверхности сплавления). Отсутствующие кадры на C-скане данных FMC/TFM являются результатом трудностей с перемещением преобразователя с постоянной скоростью 16 мм (0,63 дюйма) в секунду.
PWI предлагает то же пространственное разрешение, что и TFM, но значительно повышает производительность.
Еще одним преимуществом PWI является потенциальное увеличение чувствительности. При выполнении FMC/TFM мы запускаем каждый элемент по отдельности. Хотя в процессе реконструкции используются полные 64 элемента, возбуждения только одного элемента может быть недостаточно при проверке толстых конструкций и/или шумных материалов. В случае PWI мы запускаем все элементы одновременно, посылая больше энергии в деталь. Общий уровень энергии, а значит, и чувствительность, зависит от количества углов, используемых в процессе PWI/TFM.
Здесь мы сравниваем FMC/TFM с PWI/TFM для контроля HTHA. Использовался образец, содержащий микротрещины по поверхности внутреннего диаметра (ВД); микрофотография этой поверхности показана на следующих рисунках. Микрофотография была сделана вдоль задней стенки образца. Настройки, использованные для сравнения, приведены в следующей таблице вместе с изображениями TFM, полученными для FMC (вверху) и PWI (внизу) соответственно. Мы использовали датчик 64L10-G2 (шаг 0,3 мм/0,01 дюйма) с TFM, который содержит 92 тыс. пикселей.
Опять же, мы можем видеть, что изображения TFM, полученные при сборе данных FMC и PWI, аналогичны, за исключением усиления, используемого для PWI, которое примерно на 20 дБ меньше, что обеспечивает лучшее отношение сигнал-шум (SNR). Сильный сигнал вдоль задней стенки (нижний левый угол на изображении PWI) связан с видимым на микрофотографии HTHA. Для этого конкретного положения FMC/TFM приводит к некоторым дифракционным картинам, которые перекрывают показания, что затрудняет просмотр HTHA. Мы также можем начать видеть микротрещины, распространяющиеся внутри толщины материала на изображении PWI. Улучшенная чувствительность позволяет обнаруживать более мелкие показания. Производительность также повышается для этой конфигурации, поскольку мы использовали примерно в 2-3 раза меньше возбуждений.
PWI обеспечивает то же пространственное разрешение, что и FMC/TFM, но с большей производительностью и чувствительностью. Оператор может отрегулировать количество углов, чтобы выбрать наилучший компромисс между скоростью сканирования и соотношением сигнал-шум для большей гибкости в своем контроле
Есть еще одно преимущество использования PWI: возможность сохранить элементарные А-сканы, которые составляют матрицу, используемую для реконструкции TFM. Некоторые системы предлагают запись данных FMC и расчет TFM с постобработкой. Преимущество записи элементарных А-сканов заключается в возможности пересчета TFM в любом режиме, изменении размера и перемещении интересующей области TFM. Однако этот процесс страдает от нескольких проблем:
- Запись полных элементарных данных значительно замедляет контроль, так как десятки МБ должны пройти на жесткий диск системы через различные порты.
- Системы, которые не могут отображать TFM в режиме реального времени, не могут предоставить информацию о качестве записанных данных. Инспекторам, возможно, придется снова записывать данные после расчета TFM на внешнем ПК.
- Другим недостатком является количество сохраняемых данных. Например, контроль упомянутого ранее V-образного сварного шва на трубе диаметром 508 мм (20 дюймов) с точками данных через каждые 1 мм (0,04 дюйма) приведет к получению файлов данных, близких к 50 ГБ, что нереально в полевых условиях.
Уменьшая количество возбуждений, PWI резко уменьшает объем данных, если нужно записать M x N элементарных сигналов. Для трубы диаметром 508 мм (20 дюймов) и шести углов, упомянутых ранее, объем данных уменьшится в 10 раз. Несмотря на то, что он остается большим, он становится более управляемым. Данные могут быть обработаны с помощью CIVA Analysis; мы также предоставляем бесплатную библиотеку для клиентов, использующих собственное программное обеспечение
PWI доступен с Gekko, работающим с Capture™ 3.1 и выше, а также с программным обеспечением для сбора данных M2M Panther™ , Acquire™. Оба решения предназначены для инспекций в процессе эксплуатации и производства — оба с их требованиями к производительности и чувствительности. Новая технология PWI легко доступна на Panther и совсем недавно стала доступна на Gekko, предоставляя средства для достижения оптимальной производительности и требований к контролю чувствительности.
