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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)
Thin rods of ceramics
Piezzo composite
polymer
Fabricación de palpadores tecnología
piezo-composite
Los palpadores PA están basados en la tecnología de piezo-
composite, 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.
Time
Single Trigger
Pulse
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
inc
ref
h1
Wedge (vw)
x1
Párametros de la suela
• Velocidad en suela (vw)
• Angulo de la suela ()
• Altura del primer elemento (H)
• Offset del primer elemento (x1)
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.
Crystal Wedge
Material
Received signal Delay
Location
A B C
A B C
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.
S
Generación del haz sonoro
Generación del haz sonoro con un palpador Phased Array
• 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.
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:
• Ángulo de divergencia:
• Diámetro del haz a una profundidad Z:
Focalización del haz de ultrasonidos
4
2AN
A
5.0sin
A
zd
Focalización del haz de ultrasonidos
Haz Focalizado:
• Coecifiente de focalización (K) definido por:
Donde: F: Distancia de focalización
N: Campo cercano
• Diámetro del haz (dst )el plano de angulación a la
distancia de focalización:
N
FK
A
Fdst
Focalización del haz de ultrasonidos
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
Palpador lineal, pitch 1mm, Frecuencia 5MHz
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
Elemento
Impulso de emisión
Focalización del haz de ultrasonidos
Focalización Dinámica
Mechanical Displacement
c = velocity in material
FOCUS DEPTH (PULSER)
DYNAMIC FOCUSING (RECEIVER)
Beam
dis
pla
cem
en
t
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:
• El rango de angulación puede modificarse utilizando suelas
anguladas.
est
5.0sin
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.
Elementos
Activos
A-Scan
Scan lineal
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
Main
lobe
Array
lobe n=8
p=9
n=12
p=6
n=16
p=4.
5
n=20
p=3.
6
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 (E-
2491-06). 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.
¿Alguna Pregunta?
