Władysław Michnowski - Badania Nieniszczące

Władysław Michnowski - Badania Nieniszczące

Dobór parametrów kamery w badaniach
wideo-ultradźwiękowych
VUD
Władysław Michnowski
Zakład Badań Materiałów ULTRA Wrocław [email protected]
Jarosław Mierzwa
Instytut Cybernetyki Technicznej Politechniki Wrocławskiej [email protected]
Streszczenie.
W artykule omówiono kompleksowo zagadnienia związane z użyciem skanerów w badaniach
ultradźwiękowych. Podano przykłady znanych skanerów, zastosowania oraz możliwości ich
użycia w istniejących unormowanych systemach badań. Przedstawiono nową metodę
przeprowadzania badań ultradźwiękowych tj. wideo ultradźwiękową. Metoda ta bazuje na
skanerze z wykorzystaniem kamery do lokalizacji położenia głowicy na badanym elemencie.
Umożliwia to rejestrację i prezentację wyników badań ultradźwiękach w przestrzeni
trójwymiarowej oraz zobrazowań w wybranych przez operatora przekrojach. Pokazywane
obrazy mogą służyć do lokalizacji wad, odczytywania ich wymiarów, a także oceny
badanych elementów według wybranych kryteriów. Pokazany działający prototyp
defektoskopu VUD posłużył do zebrania doświadczeń pozwalających na sformułowanie
wymogów dotyczących doboru kamer, tj. ich cech konstrukcyjnych oraz parametrów w
oparciu o podstawowy parametr rozdzielczości badań.
1. Wstęp
Stosowane w badaniach ultradźwiękowych SKANERY to forma przejściowa pomiędzy
mniej lub bardziej prymitywnymi formami badań, a przyszłościowymi badaniami z użyciem
TOMOGRAFÓW. Od wielu lat obserwuje się rozwój konstrukcji skanerów na ogół o
wyspecjalizowanych zastosowaniach, ale także o zastosowaniach dość ogólnych. Skanery
pozwalają na:
• zautomatyzowaną rejestrację wyników badań ultradźwiękowych,
• ich archiwizację na nośnikach cyfrowych,
• zobrazowania płaskie lub przestrzenne tj. sonogramy – mapy wad,
• w wysokim stopniu zautomatyzowaną ocenę elementów badanych na podstawie
przyjętej normy, procedur itd.,
• wysoką powtarzalność wyników badań,
• zapisy sonogramów, które podają rozkłady i wielkości wykrytych wad w przekrojach
nośnych konstrukcji, co stwarza nowe, dotąd mało wykorzystane możliwości, a
mianowicie pozwala w uzasadnionych przypadkach na odejście od obecnie
powszechnie stosowanych, dość przypadkowych, arbitralnych kryteriów jakości. W
zamian sonogramy mogą być wykorzystane i powiązane z mechanizmami zniszczenia
VUD str. 2
takimi jak mechanika pękania i teoria sprężystości, co pozwoliłoby na prognozowanie
trwałości konstrukcji, a jest to czynnik istotny w eksploatacji.
Istniejące konstrukcje skanerów można ze względu na sposób prowadzenia głowic podzielić
na zmechanizowane i ręczne. Te pierwsze, o większej wydajności, zwykle o
wyspecjalizowanym zastosowaniu np. do spoin rurociągów, są drogie, a nawet bardzo drogie.
Skanery o zastosowaniach prawie uniwersalnych, z prowadzeniem ręcznym głowic, są
względnie tanie, są one mniej popularne w Europie ale szybko stają się popularne w
Ameryce. Do najnowszych amerykańskich należą rozwiązania oparte o umieszczenie głowicy
(lub głowic) w mechanizmie myszy komputerowej. Jest to rozwiązanie tanie i bardzo łatwe w
użyciu, natomiast o dość małej dokładności wskazań położenia głowicy ze względu na
występującą histerezę związaną z przetworzeniem ruchów myszo-głowicy na jej współrzędne
położenia, co ujawnia się szczególnie przy stosowaniu ruchów zwrotnych.
Zastrzeżenia do skanerów nie są w stanie przysłonić ich istotnych zalet w zastosowaniach, a
są to: ułatwienie badań, znaczne przyspieszenie badań i większa wiarygodność uzyskanych
wyników w badaniach ultradźwiękowych.
2. Przykładowe skanery ultradźwiękowe.
2.1 ANDSCAN –Krautkramer
Obok i poniżej zamieszczono skopiowany z internetu
rysunek i opis skanera ANDSCAN, który był obszernie
ANDSCAN. Portable NDT Scanning System
ANDSCAN® is a portable scanning, data analysis and
documentation system for generation of inspection images of
critical areas such as aircraft fuselage panels, pipeline welds and
carbon-fiber composite structures.
demonstrowany na poprzednim Seminarium w
Zakopanym w marcu 2003. Jest on zbudowany w oparciu
o układ pantografu (rys.1), który ręczne prowadzenie
Rys.1 Skaner ANDSCAN-widoczny głowicy przekształca w jej chwilowe współrzędne
pantograf do prowadzenia głowicy położenia na powierzchni badanej. Wartości tych
współrzędnych
skojarzone
z
wskazaniami
ultradźwiękowymi są zapamiętywane, następnie przekształcane w komputerze na sonogramy
przestrzenne z możliwością dowolnych przekrojów płaskich badanego elementu oraz zmiany
skali zobrazowań.
2.2. Skaner w defektoskopach CUD
Działanie opracowanego w 1987r. skanera polega na zastosowaniu fal powierzchniowych do
identyfikacji położenia głowicy badawczej.
Skaner ten, po licznych modyfikacjach, jest
do dziś standardowym wyposażeniem
defektoskopów
CUD.
Szczególną
przydatność znalazł on w badaniach spoin.
Skaner pozwala na wydruki sonogramów - to
jest map usytuowania i wielkości wad. W
skanerze do rejestracji miejsca położenia
głowicy badawczej 2 wykorzystano fale
powierzchniowe. Głowica odniesienia 1Rys. 2 Zasada pracy skanera w CUD
VUD str. 3
nadajnik fali powierzchniowej, wysyła wiązkę fal powierzchniowych wzdłuż wybranej osi,
którą w głowicy badawczej odbiera drugi przetwornik, a czas przebiegu tej fali jest miarą
odległości głowic wzdłuż tej wybranej osi. Oprogramowanie defektoskopu umożliwia
rejestrację wad. Ponieważ jest
ono
wymienne może być
opracowane dla dowolnej
normy.
Biblioteka
tych
programów jest już dość liczna
i stale rośnie. Przykładowo są
to normy: PN -89/M-69777,
EN1712 i EN1714, i np
wytyczne Petrobras (Brazylia).
Zarejestrowane wyniki badań
defektoskopem
CUD9900
można wyświetlać za pomocą
programu komputerowego w
postaci
mapy
wskazań
przedstawionej
na
rysunku
3.
Rys. 3 Sonogram spoiny zbadanej skanerem CUD
Zarejestrowane wskazania od wad umieszczone są w miejscu występowania ich
największych amplitud w przekroju spoiny oraz wzdłuż osi na rzeczywistej odległości.
Amplitudy wskazań od wad zaznaczone są poprzez kolorowe słupki, których wysokość jest
proporcjonalna do amplitudy wskazania, a kolory oznaczają przedziały amplitud. Program
umożliwia automatyczną ocenę spoiny wg euronormy EN1712. Odcinki spoiny z wadami,
które nie spełniają kryteriów podanych w normie zaznaczone są czerwoną łamaną linią.
Ponieważ norma w niektórych przypadkach zaleca wykonanie więcej niż jednego badania
spoiny (np. użycie drugiej głowicy lub badanie z dwóch stron), dlatego na rysunku widać dwa
przekroje spoiny. Na pierwszym umieszczono wskazania od badania cząstkowego, na drugim
wynik zbiorczy badania. Program umożliwia także drukowanie raportu wg zaleceń normy
wraz z wynikami cząstkowymi i wynikiem zbiorczym. Oprogramowanie umożliwia badanie i
ocenę spoiny dla poziomu badania A i B wg normy EN1712 i EN 1714. Możliwości skanera
były demonstrowane na poprzednim Seminarium w Zakopanym w marcu 2003.
3. Skanery w istniejących unormowanych systemach badań ultradźwiękowych
Zalety skanerów i ich ogólna charakterystyka podana we wstępie (pkt.1) byłaby niepełna bez
omówienia ich przydatności w istniejących unormowanych systemach badań
ultradźwiękowych tzn. w jakim stosunku formalnym jest stosowanie skanerów w
unormowanych badaniach ultradźwiękowych. Jest to temat być może wymagający
obszernego opracowania wykraczającego poza łamy tego artykułu, ale można tu podać kilka
znanych oczywistości.
A. Chyba w żadnej normie na badania przedmiotowe, a także badania spoin, nie
przewidziano zastosowania skanera. Natomiast bywa, że same normy lub związane
procedury przewidują żmudne i pracochłonne sposoby dokumentowania wyników badań.
Dolegliwość tę w znacznym stopniu likwidowałoby zastosowanie skanera. Brak
unormowania w tym zakresie jest związany z nienadążaniem procesów normalizacji za
rozwojem techniki, szczególnie obecnie, w dobie rozwiązań cyfrowych. Opóźnienia
euronorm w zakresie badań ultradźwiękowych można szacować na kilkanaście lat, jeśli
weźmie się pod uwagę, że często ich wskazania są zaadresowane do ograniczonych
możliwości sprzętu analogowego.
VUD str. 4
B. W Polsce, a także w większości krajów UE stosowanie norm jest dobrowolne, (Wyciąg z
Ustawy z dnia 12 września 2002 o normalizacji (Dz.U. nr 169, poz. 1386) Art.5 pkt.3: „Stosowanie
Polskich Norm jest dobrowolne”. Natomiast Art.4 mówiący o zasadach normalizacji w pkt 8. mówi że
normy mają „Wykorzystać sprawdzone osiągnięcia nauki i techniki”)
C. Jednak już samo ustanowienie normy, a szczególnie o takim autorytecie jak normy
europejskiej EN w zasadzie wymusza jej stosowanie i to niezależnie od jej jakości i
wyklucza jakąkolwiek dobrowolność. Stosowanie norm jest bowiem warunkiem prawie
każdego kontraktu, a także jest formą promocji usług badawczych i oferowanych
wyrobów.
Mówiąc w skrócie: można nie stosować norm, bo nie narusza to prawa, ale jest sprzeczne
z rozsądkiem handlowym.
D. Konkluzje z powyższych uwag tworzą zapętlenie sprzeczności w wyborze poprawnej
drogi postępowania, a mianowicie:
• rezygnacja ze stosowania skanerów jest równocześnie rezygnacją z oferowanego
postępu i związanych z tym zalet wymienionych we wstępie (pkt.1), ale stosowanie
skanerów nie jest unormowane,
• natomiast stosowanie procedur nie unormowanych może być sprzeczne z rozsądkiem
handlowym.
E. Oferowane są dwa sposoby postępowania dla unikania zapętlonych sprzeczności :
• większość producentów skanerów szczególnie skanerów wyspecjalizowanych np. do
badań spoin rurociągów, oferowane skanery zaopatruje w specjalnie opracowane
sposoby badań i kryteria oceny badanych elementów,
• zakład Ultra oferuje wymienne specjalne programy – procedury do defektoskopów
CUD, które realizują badanie i ocenę elementów zgodnie z wybraną normą np. PNEN 1712 i PN-EN 1714 lub innymi. Rozwiązanie to cieszy się dużym powodzeniem,
a także uznaniem odbiorców zachodnich, którzy zetknęli się z nim u niektórych
polskich producentów, że w kilku przypadkach już zakontraktowane badania
radiograficzne pozwolono zastąpić w 100% badaniami ultradźwiękowymi, a
radiogramy zastąpić sonogramami. Oczywiście wiąże się to że znaczną obniżką
kosztów, przyśpieszeniem realizacji itd. Łatwość przekonania do użycia skanera jest
związana z wymienionymi cechami w pkt.1, ale także z prostą demonstracją
powtarzalności poprzez dwu lub kilkukrotne powtórzenie badania tego samego
odcinka, a także uwiarygodnienie na wzorcach wskazań wad ekwiwalentnych w
metodach DGS lub DAC.
4. Badania wideo ultradźwiękowe VUD
Zalety skanerów i ich powodzenie marketingowe zachęcają do kontynuowania nowych
konstrukcji. Nowym rozwiązaniem rokującym istotny postęp w badaniach ultradźwiękowych
są badania wideo ultradźwiękowe VUD oparte na skanerze optycznym. Rokowania i
oczekiwania związane z tym rozwiązaniem wyprzedzają faktyczny stan badań
ultradźwiękowych w chwili obecnej i są porównywalne z oczekiwaniami stawianymi
TOMOGRAFOM.
4.1. Zasada działania video-skanera w defektoskopie VUD-001 – Przykłady badań
Kamera na statywie umieszczona nad badaną powierzchnią obserwuje wybrany zasięg
badanej powierzchni. Dla kontroli powierzchnię wybranego zasięgu widoczną na ekranie
można porównywać z powierzchnią rzeczywistą. Po powierzchni badanej przesuwa się
ręcznie głowicę ultradźwiękową np. 2x4L012 (normalna podwójna) z wbudowanym
świecącym elementem – diodą świecącą zwaną w skrócie LEDem (widoczna płyta na rys.5 i
rys.7).
VUD str. 5
LED ten służy do kontroli położenia głowicy we współrzędnych YZ na powierzchni badanej.
Przyjęte współrzędne są zgodne z podanym schematem na rys.4.
elementy jednostkowe
Rys.4 Element płaski we współrzędnych X,Y,Z
i wymiarach: l(z) s(y) g(x)
Element walcowy we współrzędnych
biegunowych: R(γ,z)
Rejestrowane są automatycznie chwilowe
współrzędne położenia głowicy, a także
odpowiadające im odległości ech od nieciągłości; dodatkowo notowana jest wartość
amplitudy echa i może być ona przekształcana na wielkość wady ekwiwalentnej.
Zastosowanie głowicy skośnej np. w badaniach spoin, wymaga umieszczenia dwóch LEDów
w głowicy, które określają kierunek osi wiązki, a ściślej rzut tego kierunku na płaszczyznę
ZY.
Przyjęty schemat zapisu objętości badanego przedmiotu dzieli go na jednostkowe elementy
zapisywane jako zmienne X, Y, Z, oraz A –amplituda. Dla rur jednostkowe elementy
wygodniej jest zapisywać we współrzędnych walcowych. R, γ, Z, A.
Rys.5 Zdjęcie defektoskopu VUD 001 (prototyp)
VUD str. 6
Rys.6 Podstawowe zespoły defektoskopu VUD 001
Kursor z komputera który potwierdza położenie głowicy
Głowica ze świecącym ledem
Ślad ruchu głowicy
Dość dowolne ruchy głowicą
Płyta spawana
Rys.7 Badanie płyty defektoskopem VUD
VUD str. 7
Rys.8 Płyta z plexi z wadami sztucznymi
Kursor zakończenia
badania
Rys.9 Sonogram płyty plexi z rys.8. Kolorami zaznaczono głębokość wad, kolor zielony to ślad
po głowicy, kolor biały to miejsca nie zbadane – fragment badań
VUD str. 8
Rys.10 Rozdzielczość – przykład za małej rozdzielczości kamery
o ZOOM’ie optycznym ok. x 3
Bez powiększenia
Powiększenie ok. x 3
Rys.11 Rozdzielczość – przykład wystarczającej rozdzielczości kamery o ZOOM’ie optycznym
ponad x 10
VUD str. 9
4.2 Wniosek z badań defektoskopu VUD001
Dość przypadkowo przyjęte cechy użytkowe i parametry wyposażenia optycznego w budowie
defektoskopu VUD001 w wyniku przeprowadzonych badań okazały się niewystarczające i
postanowiono je odrzucić. Jednak badania pozwoliły na sformułowanie wymogów do
budowy następnego modelu VUD002 (pkt. 5).
5 Cechy użytkowe, podstawowe jednostki i ich parametry w budowie defektoskopu VUD
A. Pożądany układ optyczny powinien zapewnić podwójną ekspozycję, tj. na wstępie z dużą
rozdzielczością zdjęcie badanej powierzchni i możliwość jego zapisu w pamięci, a
następnie powinien podawać do pamięci współrzędne położeń chwilowych głowicy w
czasie rzeczywistym. Układ ten powinien mieć co najmniej:
• Rozdzielczość przetwornika optycznego 5 MPix (mega piksli),
• ZOOM optyczny x10 w pełni zautomatyzowany,
• Pełne sterowanie nastawami z komputera, tj. nastawianie zoom’a, uruchamianie i
zatrzymanie,
• Prędkości transmisji do komputera na poziomie interfejsu FireWire lub USB2.0
B. Układ o cechach jak wyżej pozwoliłby uzyskać następujące parametry badania:
• Przy założeniu, że współczynnik rozdzielczości przy rejestracji położeń głowicy PM
wynosi 0.5 (piksel/mm) zasięg badania wyniósłby ponad 1m x 1m przy jakości zdjęcia
podobnej do tego przedstawionego na rys.10, a dziesięciokrotny zoom pozwoliłby na
swobodny dobór odległości kamery od powierzchni badanej w zakresie np. 1 do 10 m
przy typowej ogniskowej w zakresie 38-380 mm,
• podany wyżej przykład wymagałby szacunkowo zajęcia pamięci do ok. 10 Mb przy
zapisie zdjęcia w formacie jpg, z uwzględnieniem spakowanego zapisu wyników
badań i niezbyt dużej wadliwości badanego elementu. Elementy prostokątne (spoiny)
wymagałyby znacznie mniej pamięci,
• Podane wyżej przykładowe parametry mogą być dość dowolnie dobierane przez
operatora, który może je ustawić na większym poziomie dokładności kosztem
przedłużenia czasu badania lub na odwrót.
C. Podstawowy parametr PM=0.5 (piksel/mm), a także zniekształcenia wynikające z optyki
geometrycznej np. perspektywa nie prostopadłego ustawienia kamery, powierzchnie
walcowe itd. pozwalają odczytać i kompensować ustawione na powierzchni badanej
markery w znanych odległościach. Na przykład, jeśli na powierzchni badanej ustawimy
cztery markery w kwadracie o boku B, to jeśli układ optyczny widzi na skutek
zniekształceń ten kwadrat jako trapez, to program obsługi łatwo dokona kompensacji
jednocześnie przyjmując wartość B jako podstawę parametru PM.
6.Literatura
[1] W.Michnowski –Instrukcja obsługi defektoskopu CUD9900, ZBM ULTRA,
Wrocław 2000
[2] W.Michnowski, J.Mierzwa- Badania videoultradźwiękowe VUD, defektoskop VUD-001,
Materiały 32 KKBN w: Zeszyty Problemowe, Badania Nieniszczące, Warszawa 2003
[3] W.Michnowski, J.Mierzwa-Procedures of ultrasnonic testing based on digital technics,
proceedings of 15WCNDT, Rzym 2000