Účinky použití dlouhých kabelů při ultrazvukovém testování jednoměničovými snímači

Kabel snímače je nedílnou součástí každého systému pro ultrazvukovou defektoskopii nebo měření tloušťky, ale obvykle mu obsluha nevěnuje větší pozornost, než aby se ujistila, že není přetržený, roztřepený nebo jinak vadný. Většina ultrazvukových zkoušek se provádí v konvenčním frekvenčním rozsahu od 500 kHz do 20 MHz s kabely snímačů, jejichž délka nepřesahuje přibližně 2 metry nebo 6 stop. Pokud jsou však nutné vyšší testovací frekvence nebo delší kabely, je důležité si uvědomit možné účinky rostoucí délky kabelu a podle potřeby se jim přizpůsobit.

Tato poznámka k oblasti použití pojednává o použití velmi dlouhých kabelů se snímači při testovacích frekvencích přibližně 20 MHz a nižších. Zvláštními aspekty kabelů u snímačů s velmi vysokou frekvencí (50 MHz a vyšší) se zabývá bílá kniha Aplikační úvahy při specifikaci vysokofrekvenčních ultrazvukových snímačů.

Faktory, které je třeba zvážit s rostoucí délkou kabelu

Je třeba vzít v úvahu čtyři faktory: odrazy kabelu, útlum kabelu, zpoždění kabelu a zachycení šumu na kabelu. Všechny tyto faktory nabývají na důležitosti s rostoucí délkou kabelu, zejména u kabelů delších než přibližně 20 metrů nebo 65 stop.

Odraz kabelu

V každém ultrazvukovém systému se budicí nebo spouštěcí impulz šíří od generátoru impulzů přístroje ke snímači rychlostí, která se u běžného koaxiálního kabelu blíží rychlosti světla. Když tento budicí impulz dosáhne snímače, velká část elektrické energie se přemění na zvukové vlny. Část elektrické energie se však odráží zpět do generátoru impulzů. Když generátoru impulzů dosáhne, část této energie se odrazí zpět směrem ke snímači (množství energie odražené na obou koncích kabelu souvisí především se shodou nebo neshodou elektrické impedance). Když tento odražený impulz opět dorazí ke snímači, působí jako druhý, menší budicí impulz, který následuje po původním impulzu o časový interval rovnající se době průchodu elektrického kabelem tam a zpět.

V běžných testovacích sestavách s krátkými kabely dorazí tento odražený impulz velmi rychle po počátečním budicím impulzu a nemá významný vliv na výkon snímače. Jakmile se však doba průchodu elektrického proudu kabelem přiblíží rezonanční periodě snímače (1/frekvence), prodlouží odražený impulz délku budicího impulzu a přebudí snímač. Tento dodatečný překmit někdy výrazně omezuje rozlišení u povrchu. V případě snímačů s předsádkou odražený impulz rovněž přebíjí echo rozhraní předsádky, což opět snižuje rozlišení u povrchu. U velmi dlouhých kabelů bude pozorován druhý budicí impulz a také duplicitní koncová echa oddělená časovým intervalem rovnajícím se elektrické délce kabelu.

V některých situacích lze negativním účinkům odrazů kabelu zabránit přechodem z jednoměničových snímačů na dvouměničové. Protože dvouměničové snímače používají oddělené měniče vysílače a přijímače a tyto sestavy obvykle sledují pouze první příchozí echo od cíle, nepředstavují zvýšený budicí impulz a překmit echa obvykle žádný problém (i když problémy s útlumem, zpožděním a zachycením šumu mohou přetrvávat).

V některých případech lze odrazy kabelu snížit nastavením tlumení přístroje na 50 ohmů a připojením 50ohmového zakončovacího členu na konec kabelu se snímačem. To však může mít nežádoucí vliv na tvar echa a v žádném případě není možné dokonale sladit elektrickou impedanci s generátorem impulzů, protože všechny běžné NDT snímače mají složitý profil elektrické impedance.

Útlum kabelu

Elektrický odpor u dlouhých kabelů způsobuje ztráty signálu, které rostou s délkou. Z tohoto důvodu by se v defektoskopických sestavách, kde je důležité přesné sledování amplitudy echa, měla citlivost přístroje vždy kalibrovat podle kabelu, který se používá ke skutečnému testování. Ztráty v kabelu jsou obvykle natolik malé, že je lze kompenzovat jednoduchou úpravou zesílení přístroje. V extrémních případech lze doporučit použití předzesilovače na konci kabelu se snímačem.

Zpoždění kabelu

Doba průchodu elektrického proudu kabelem snímače je součástí měření celkové vzdálenosti nebo tloušťky při použití kontaktních a dvouměničových snímačů (nikoli však při měření tloušťky v režimu echo-echo). Dlouhé kabely mohou značně prodloužit dobu měření a způsobit chyby, pokud nejsou vynulovány. Proto by se v jakékoli konfiguraci, kde je měření tloušťky nebo vzdálenosti založeno na časování prvního koncového echa od zkušebního kusu, měla kalibrace nuly přístroje vždy provádět s kabelem, který se používá ke skutečnému testování. Tento problém je obvykle snadno řešitelný, pokud je dodržen správný postup kalibrace.

Zachycení šumu na kabelu

Zachycení VF šumu z okolí dlouhými kabely je méně časté než tři výše uvedené faktory a může představovat problém v situacích, kdy se kombinují velmi dlouhé kabely, vysoké zesílení a prostředí s elektrickým šumem, jako například v blízkosti motorů nebo svářeček. V takových případech může šum na kabelu potenciálně zakrýt sledovaná echa. Možná řešení zahrnují použití dvojitě stíněných koaxiálních kabelů, vzdálených předzesilovačů na konci kabelu se snímačem a low-pass filtru na přijímači pro odfiltrování vysokofrekvenčních složek šumu.

Účinky kabelů při ultrazvukovém testování – příklad

Následující řada průběhů ukazuje účinky rostoucí délky kabelu na jednoduché sestavě defektoskopu, která používá 10MHz širokopásmový kontaktní snímač k měření tloušťky 10 mm silného ocelového referenčního bloku. Délka kabelu se zvyšuje od 1 metru (přibližně 3 stopy) do 60 metrů (200 stop) v šesti krocích. Tyto průběhy mají ukázat zobecněný příklad účinků dlouhého kabelu. Konkrétní výsledky se budou lišit podle toho, jak se bude měnit frekvence snímače a šířka pásma. Při vyšších frekvencích budou účinky výraznější, zatímco při nižších frekvencích budou méně výrazné.