Dobór parametrów kamery w badaniach wideo-ultradźwiękowych VUD Władysław Michnowski Zakład Badań Materiałów ULTRA Wrocław ultrasonic@home.pl Jarosław Mierzwa Instytut Cybernetyki Technicznej Politechniki Wrocławskiej mierzwa@ict.pwr.wroc.pl 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 Rys. 2 Zasada pracy skanera w CUD 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 pantograf do prowadzenia głowicy głowicy przekształca w jej chwilowe współrzędne 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 1-
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 Rys. 3 Sonogram spoiny zbadanej skanerem CUD przedstawionej na rysunku 3. 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. PN- to cieszy się dużym powodzeniem, EN 1712 i PN-EN 1714 lub innymi. Rozwiązanie 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 Element walcowy we współrzędnych i wymiarach: l (z) s (y) g (x) 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 badania zakończenia 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