Frequently Asked Questions about TFM

Otázka: Co je technika úplné fokusace (TFM) a jak souvisí s technikou FMC?

Odpověď: Technika úplné fokusace (TFM) je založena na stejném přístupu k řízení a fokusaci jako tradiční technika phased array (PAUT), pouze s tím rozdílem, že u této techniky se fokusace používá všude v oblasti zájmu („TFM zóně“), nejen v pevně dané hloubce. I když lze techniku TFM realizovat fyzickým průchodem fokusovaných akustických svazků ve všech polohách v celé oblasti zájmu, doba potřebná k provedení takového cyklu pořízení dat je v podstatě neúměrně dlouhá.

Vzhledem k tomu, že akustické vlny používané při nedestruktivním zkoušení jsou lineární, může být fyzická superpozice akustických vln vytvářejících konkrétní svazek při vyslání a příjmu (tvarování svazku) replikována součtem provedeným po pořízení dat. K provedení umělého tvarování TFM svazku, které odpovídá skutečnému tvarování svazku, je nutné pořídit všechny elementární A-skeny z vysílacích a přijímacích apertur sondy. K vypočítání všech fokusovaných svazků je úplná datová sada elementárních A-skenů nezbytná. Ke shromáždění této datové sady se používá technika snímání úplné matice (FMC).

Otázka: Jak technika TFM funguje?

Odpověď: Nejdříve uživatel zadá parametry, které vymezují TFM zónu, což je cílová oblast kontroly neboli oblast zájmu (ROI). TFM zóna se rozdělí do mřížky, přičemž velikost jednotlivých pozic (neboli pixelů) v této mřížce určí uživatel (rozlišení mřížky). Aby FMC data byla srozumitelná, zadá algoritmus TFM hlavní proměnné, jako je režim akustického šíření a rozlišení, kterými data rozdělí do souborů vln. Například TT-T soubor vln je soubor, ve kterém se vyslaná příčná vlna, než dospěje k jednotlivým pixelům v oblasti zájmu, odrazí od vnitřního povrchu a poté se šíří jako příčná vlna rovnou dráhou od každého jednotlivého pixelu k přijímacímu prvku.

Nastavení parametrů TFM zóny

Otázka: Co je technika FMC a jak funguje?

Odpověď: Pořízením akustických dat technikou snímání úplné matice (FMC) se získá FMC datová sada. FMC datová sada přestavuje soubor všech kombinací A-skenů elementárního příjmu získaných na základě vyslání z každého prvku sondy phased array nebo uspořádání sond. Strategie zahrnuje vyslání z každého prvku sondy v postupném sledu, přičemž ostatní prvky přijímají vracející se akustické svazky.

Podívejte se na video, ve kterém uvidíte průběh při použití technik FMC a TFM

Otázka: Proč ke zpracování datové sady FMC používat techniku TFM?
NEBO (naopak)
Otázka: Proč k vytvoření TFM zobrazení používat strategii FMC?

K tvarování svazku z FMC datových sad lze použít jakoukoli metodu tvarování svazku. K umělé emulaci typických dat pořízených technikou phased array (PA) byste mohli použít nezpracovaná FMC data (elementární A-skeny). Avšak při PA strategii tvarování svazku je svazek fokusován pouze do konkrétní hloubky dílu, zatímco technikou TFM lze získat reprezentaci akustické amplitudy po celé oblasti zájmu („TFM zóna“), přičemž fokusace je prováděná na každou pozici pixelu v této oblasti. Potenciál získat plně fokusovanou oblast zájmu je hlavní motivací zpracování FMC dat technikou TFM.

A obráceně, k získání TFM snímků rychlostí, která je z pohledu nedestruktivního zkoušení přijatelná, je nezbytné použít pro pořízení dat techniku FMC. Pro výpočet TFM snímku je nezbytná celá sada elementárních A-skenů pro danou aperturu. Ta samá sada FMC dat může být použita jako zdroj pro několik TFM snímků reprezentujících různé soubory vln.

Otázka: Mohu mít v defektoskopech řady OmniScan X3 přístup k neupravené, nezpracované FMC datové sadě (datová sada snímání úplné matice)?

Odpověď: K datu zveřejnění tohoto příspěvku zní odpověď ne. Nicméně zůstaňte v kontaktu, protože pro řadu OmniScan X3 soustavně vyvíjíme nová řešení!

Otázka: Který režim akustického šíření bych měl použít pro zobrazení svislého reflektoru?

Odpověď: Některé režimy (neboli soubory vln) vykazují při zkoušení svislých reflektorů lepší výsledky. Doporučujeme začít s režimem self-tandem se souborem vln TTT-TT nebo TT-T. Nicméně háček se skrývá v tom, že jeden soubor vln poskytuje obvykle pouze částečné zobrazení svislého reflektoru. Další soubory vln, například TL-T, mohou v takovém zobrazení pomoci doplnit mezery, které nebyly zaplněny prvním zvoleným režimem, a soubory vln pulse-echo (impulz-odraz), například T-T a TT-TT, mohou být užitečné pro detekci ech zachycených v rozích a na difrakčních vrcholcích.

Způsobem, jak můžete napomoci zajištění správného zobrazení a detekce, je využití funkce AIM (Mapa akustického vlivu) defektoskopu OmniScan™ X3 spolu s experimentálním ověřením, jejichž pomocí lze plně charakterizovat jednotlivé režimy šíření a porozumět důvodům pro a proti jejich použití. Mějte na paměti, že použití režimů self-tandem může být náročné, protože k získání očekávaných výsledků se musí přesně vyhodnotit tloušťka zkoušeného materiálu a rychlost šíření v tomto materiálu.

Více informací o mapě akustického vlivu se dozvíte v bílé knize: „TFM Acoustic Influence Map“ (Mapa akustického vlivu techniky TFM).

Otázka: Mohu používat skener HydroFORM™ s technikou TFM?

Odpověď: Odpověď je bohužel ne, s výjimkou skutečně specifických oblastí použití, kde vodní sloupec zůstává stálý. Skener HydroFORM zatím není možné s technikou úplné fokusace používat. Z důvodu rozdílné rychlosti šíření zvuku ve vodě a ve zkoušeném materiálu odpovídá i velmi malé změně vodního sloupce relativně velká odchylka dráhy ultrazvukové vlny v materiálu. Například změna vodního sloupce o 0,5 mm v konečném důsledku odpovídá v uhlíkové oceli rozdílu dráhy o velikosti 2 mm, což má negativní dopady na možnosti fokusace techniky TFM. Nicméně zůstaňte v kontaktu, protože soustavně vyvíjíme nová řešení.

Otázka: Jaké jsou výhody funkce TFM obálky u přístrojů řady OmniScan X3?

Odpověď: Očividnou výhodou použití TFM obálky je vyřazení oscilací amplitudy, jejichž původ spočívá v tom, že jako základní datová sada je použit A-sken s přirozeně oscilující akustickou vlnou. Bez těchto oscilací je průběh amplitudy plynulejší a určení velikosti je snazší.

A také obraz TFM obálky lze získat vyšší rychlostí pořizování dat než standardní oscilující průběh TFM, přičemž zůstává zachována stejná hodnota věrnosti amplitudy (AF). V příkladech níže jsou zobrazeny vady způsobené vysokoteplotní vodíkovou korozí (HTHA) při vypnuté funkci obálky (nahoře) a při zapnuté funkci obálky (dole). Je-li funkce TFM obálky zapnutá, může být rozlišení mřížky hrubší, věrnost amplitudy však stále zůstává nižší než 2 dB (standardní tolerance) a rychlost pořizování dat se zvýší. Srovnáním těchto dvou obrázků je vidět, že echa vad jsou při zapnuté funkci obálky snadněji detekovatelná. Obraz TFM obálky je mnohem odolnější vůči oscilacím, a proto může napomoci snadnější interpretaci a určení velikosti vad na základě amplitudy.

Více o TFM obálce se dozvíte v bílé knize „Use of the Total Focusing Method with the Envelope Feature“ (Použití metody úplné fokusace s funkcí obálky).

Standardní TFM obraz HTHA vad při rozlišení mřížky 0,07 mm, AF 1,7 dB a rychlosti pořizování dat 10,6 Hz

Obraz s TFM obálkou HTHA vad při rozlišení mřížky 0,15 mm, AF 1,9 dB a rychlosti pořizování dat 19,5 Hz

Otázka: Proč je technika TFM schopna při použití téhož přístroje a téže sondy využít aktivní apertury, které obsahují dvojnásobný počet prvků PA?

Odpověď: To je možné proto, že TFM zobrazení je vytvořeno pomocí FMC dat. Soubor FMC dat uložený v defektoskopu řady OmniScan X3 lze, když je to zapotřebí, rozdělit na dvě části, například když používáte sondu phased array se 128 prvky s 64kanálovým modelem defektoskopu OmniScan X3 64.

Jak to funguje: Nejdříve přístroj generuje impulz jedním prvkem a přijímá vracející se ultrazvuk první polovinou prvků. Poté je tentýž prvek aktivován znovu a vracející se signál přijímá druhá polovina prvků. Tato dvojitá sekvence vyslání se opakuje pro každý prvek-měnič sondy, přičemž data ze všech prvků jsou shromážděna velmi rychle.

Abychom porovnali techniku TFM s PA, použijme znovu příklad defektoskopu OmniScan X3 64 se sondou se 128 prvky. Při použití režimu pořizování dat PA jste schopni najednou k vyslání/příjmu použít 64 prvků sondy. PA zpracování signálu je omezeno počtem kanálů defektoskopu, což je v tomto případě 64. Protože TFM zpracování je založeno na použití FMC dat, která lze pořídit pomocí všech 128 prvků sondy, tento přístup efektivně zdvojnásobuje aktivní aperturu ve srovnání s přístupem PA.

Otázka: Proč v plánu skenu vidím v režimu TFM barevnou mapu svazku, ale v režimu phased array (PAUT) nikoli?

Odpověď: V době vydání tohoto příspěvku je funkce AIM (mapa akustického vlivu) dostupná pouze v režimu TFM. Nicméně zůstaňte v kontaktu, protože soustavně vyvíjíme nová řešení!

Otázka: Proč bych měl chtít snížit rozlišení mřížky?

Odpověď: I když velmi vysoký počet pixelů (velké rozlišení mřížky) by mohlo zlepšit TFM obraz, zátěž spočívající ve zpracování tak velkého objemu dat vede ke snížení výsledné rychlosti pořizování dat. Proto musí uživatelé vždy najít optimální hodnotu, která poskytne dostatečně dobrou detekci a možnosti charakterizace, aniž by to však bylo na úkor produktivity. Defektoskopy řady OmniScan X3 jsou vybaveny měřením některých užitečných hodnot, které poskytují náhled na rozlišení mřížky jako funkce vlnové délky středové frekvence sondy ve vzorku, a to jak pro příčnou vlnu (T vlna), tak i podélnou vlnu (L vlna). Další měřená hodnota udává teoretickou hodnotu věrnosti amplitudy (AF) jako funkce zvoleného akustického režimu a rozlišení mřížky. Tento údaj je velmi užitečný, protože některé nové předpisy a normy týkající se FMC/TFM vyžadují, aby operátor určil rozlišení mřížky potřebné k získání AF úrovně 2 dB nebo nižší. Operátoři se tak mohou vyhnout nepohodlnému experimentálnímu určování hodnoty AF.

Otázka: Jaký je rozdíl mezi režimy šíření impulz-echo, self-tandem a pitch-catch?

Odpověď: Impulz-echo je jakýkoli režim šíření, při kterém vyslaný a přijatý svazek procházejí ve zkoušeném díle přesně stejnou dráhou. Režimů impulz-echo lze dosáhnout přímou dráhou (bez kroku) nebo dráhou s několika kroky. Jsou definovány módem akustické vlny, podélným nebo příčným (L nebo T), každého úseku dráhy šíření: L-L, T-T, LL-LL, TT-TT atd.

Dráhy šíření režimu self-tandem se neshodují úplně přesně, ale vysílací a přijímací měniče se nacházejí na téže sondě phased array. V té nejjednodušší formě, jeden úsek dráhy šíření, ať dráhy vysílaného impulzu nebo dráhy přijímaného impulzu, odkročí na spodní části zkoušeného dílu a druhá dráha šíření, resp. dráha přijímaného nebo vysílaného impulzu, je přímá. Zóna detekce se objeví na průsečíku obou drah. Stejně jako režimy impulz-echo, jsou i režimy self-tandem (neboli soubory vln) definovány módem šíření akustické vlny v jednotlivých úsecích dráhy šíření: TT-T, TL-T atd. Režimy šíření self-tandem zahrnují také soubory vln s více kroky, např. TTT-TT.

Typické dráhy šíření v režimu impulz-echo (tři obrázky vlevo) a dráha šíření v režimu self-tandem (obrázek vpravo)

Režim „pitch-catch“ je definován stejným způsobem jako režim self-tandem, pouze s tím rozdílem, že vysílací a přijímací prvky se nacházejí na dvou různých sondách phased array.

Režimy šíření impulz-echo a self-tandem nejsou pro techniku úplné fokusace nikterak specifické: stejně jako technikou úplné fokusace je lze získat klasickou technikou phased array.

V režimu impulz-echo techniky úplné fokusace změny tloušťky dílu ovlivňují pouze polohu signálů od zadní stěny a indikace spojené s ID. Na rozdíl od TFM režimů impulz-echo jsou TFM režimy self-tandem vysoce citlivé na změny tloušťky dílu, a to z důvodu malého překrytí ohniska vysílaného a přijímaného signálu. I při malé změně tloušťky odpovídající hodnotě 5 % může dojít k tomu, že indikace TFM režimu self-tandem se budou nacházet „mimo ohnisko“, proto je důležité precizní změření skutečné tloušťky dílu.

Otázka: Mohu při provádění kontroly v režimu TFM používat klín?

Odpověď: Samozřejmě! Stejně jako u techniky PAUT můžete i sondu s TFM použít s klínem i bez klínu.

Otázka: Odkud v režimu TFM pochází A-sken?

Odpověď: A-sken prezentovaný vedle „konečného pohledu“ TFM pochází z rekonstruovaného TFM obrazu, ne z FMC datové sady elementárního A-skenu. TFM A-sken reprezentuje matici amplitud pixelů, které jsou vybrány/zobrazeny. To je důvod, proč se A-sken v TFM označuje jako syntetický neboli umělý A-sken namísto součtového A-skenu, jako je tomu v případě PAUT.

Otázka: Je TFM lepší technikou zkoušení ultrazvukem než phased array (PAUT)?

Odpověď: Zda je technika úplné fokusace lepší než technika PAUT záleží na konkrétní oblasti použití a vlastní preferenci. Jsou jablka lepší než pomeranče? Každý, kdo preferuje jeden z těchto druhů ovoce před druhým, může argumentovat tím, že do jablečného závinu se lépe hodí jablka nebo že z pomerančů je lepší pomerančový džus. Principiální rozdíly technik PAUT a TFM jsou uvedeny níže:

• Fokusace: Klasická technika PAUT vytváří svazky fokusované v jedné hloubce. Technika TFM je vymyšlena tak, že fokusovat je možné kamkoli. Nicméně technika TFM je založena na stejných zákonitostech akustiky, na kterých stojí použití techniky PAUT: jak pro PAUT, tak i pro TFM platí ty samé fyzikální zákony, které také tím samým způsobem determinují tvarování svazku. Jedním z často přehlížených faktů, zejména v případě TFM, je to, že tato metoda funguje pouze v oblasti blízkého pole. V oblasti fokusace PAUT by výkonnost techniky TFM a PAUT měla být v podstatě podobná. Všimněte si, že technika PAUT poskytuje navíc určitou flexibilitu, protože ji lze používat nefokusovanou (pro účely prověřování) nebo fokusovanou (pro přesné určení velikosti).
• Detekce: Jak TFM, tak PAUT jsou schopny poskytovat ekvivalentní výkonnost nebo může jedna technika poskytovat lepší výkonnost než druhá a naopak, v závislosti na konkrétní oblasti použití. Schopnost techniky TFM fokusovat kamkoli může pomoci vyřešit menší indikace, jako jsou vměstky a poréznost, bez nutnosti upravovat nastavení ohniska podle polohy detekované vady. Různé TFM režimy a soubory vln vykazují různé vzorce citlivosti. A nakonec, technika TFM je také velmi citlivá na orientaci vady – protože se, konec konců, jedná o ultrazvukovou techniku. Provádění TFM kontrol bez znalosti vlivu jednotlivých výše zmíněných proměnných může vést ke špatné výkonnosti detekce. Nejlepším způsobem, jak zajistit dobrou detekci, je vytvořit simulovanou mapu citlivosti (například pomocí funkce AIM defektoskopu OmniScan X3) a výsledky simulace podepřít ověřujícími zkouškami. Pro techniku PAUT platí, že její možnosti jsou velmi dobře známé, protože tato technika se v oblasti nedestruktivního zkoušení používá již desetiletí. PAUT je uznávána jako technika, která nabízí excelentní detekci a určení velikosti různých typů trhlin a studených spojů, avšak u malých indikací, např. izolovaných pórů, je obecně přijímána jako méně účinná technika. Výše uvedené tvrzení je „obecně pravdivé“, ale jen proto, že většina kontrol technikou PAUT je prováděna počátečně bez fokusace (pro screeningové účely). Při použití techniky PAUT v režimu fokusace a v kombinaci s vhodnou, kvalitní sondou a klínem lze získat stejně dobré výsledky jako technikou TFM. To však platí pouze pro oblast, do které je svazek fokusován.
• Rychlost: Protože při pořizování dat technikou FMC jsou impulzy typicky vysílány jednotlivými prvky postupně a technika PAUT využívá omezený počet svazků (parametry fokusace), je technika PAUT obecně rychlejší. Navíc technika TFM vyžaduje intenzivní zpracování dat v reálném čase, což rychlost pořizování dále zpomaluje – to je něco, co u přístrojů používajících techniku PAUT není zapotřebí. Všeobecně vzato, technikou PAUT lze dosáhnout mnohem rychlejšího pořízení dat než technikou TFM, avšak s fokusací pouze do jediné hloubky. Mějte na paměti, že použitím TFM obálky lze rychlost pořizování dat oproti standardní technice TFM zlepšit, přičemž hodnota věrnosti amplitudy zůstane na přijatelné úrovni.
• Plán skenování a simulátory: Defektoskop OmniScan X3 je vybaven užitečným simulačním nástrojem nazvaným AIM, což je zkratka vytvořená z plného názvu – Acoustic Influence Map (Mapa akustického vlivu). Ta ukazuje, jaké pokrytí nabízí jednotlivé soubory vln, a tím vám pomáhá s výběrem, jaká FMC data uložit. Obě techniky, TFM i PAUT, zajišťují náležité pokrytí svým vlastním způsobem. Proto je důležité oběma technikám porozumět, abyste použitím dané techniky získali spolehlivé výsledky (viz „Školení“ níže).
• Školení: Obě techniky, TFM i PAUT, vyžadují k efektivnímu používání náležité vyškolení. Doporučený rozsah a doba školení jsou pro obě techniky téměř stejné. Mylné názory typu „každý je schopen nastavit krabičku s TFM“ nebo „u techniky PAUT můžete svazek směrovat v každém úhlu“ přispívají k tomu, že lidé mají o těchto technologiích špatné představy. To může vést k falešným zjištěním. A jediným způsobem, jak těmto situacím zabránit, je náležité školení.
• Historické použití a prověření v terénu: Technika PAUT je pro nedestruktivní zkoušení úspěšně používána již více než dvacet let a jsou dobře známé oblasti jejího použití, její možnosti i omezení. Naproti tomu TFM je relativně nová technika nabízející širokou škálu možností, které v průmyslu teprve najdou své plné využití.
• Nastavení na místě: Obě techniky, TFM i PAUT, umožňují uživateli provádět změny nastavení na místě.
• Kalibrace: Jak TFM, tak i PAUT vyžadují správnou kalibraci citlivosti, aby jimi bylo možné detekovat vady po celém cíleném rozmezí (nebo zóně).