Nelineární ultrazvuková spektroskopie (NEWS)

Zkušební vzorek s únavovou trhlinou

NEWS je zkratka z anglického Non-linear Elastic Wave Spectroscopy (nelineární ultrazvuková spektroskopie). Jde o aktivní ultrazvukovou screeningovou metodu nedestruktivního testování (NDT), která umí diagnostikovat různé materiály ve velkých objemech najednou v řádu sekund.

 

Výstupem jsou indikace poškození materiálu v měřené zóně – čím hustší síť senzorů, tím přesnější lokalizace defektu. Defekty mohou být jak povrchové tak podpovrchové.

Metoda se používá v kombinaci s dalšími verifikačními NDT metodami pro dohledání defektu a jeho klasifikaci a umí zefektivnit diagnostiku po stránce časové náročnosti až o 6x, což má příznivý dopad i na finanční náročnost NEWS diagnostik v kombinaci se sekundárními NDT.

Základními aspekty NEWS diagnostiky jsou:

  • Je citlivá na defekty s ostrým rozhraním a způsobujících lokální makroskopicky projevující se změnu modulu pružnosti (trhliny, vměstky atp. otvor je geometrická změna tvaru, se kterou si metoda umí poradit
  • Je nezávislá na zručnosti operátora – po umístění snímačů je provedena v prvním kroku diagnostika kvality přenosu signálu (trvající v řádu ms) a posléze samotná diagnostika v řádu sekund plně automaticky – z tohoto vyplývá vhodnost metody pro uplatnění v automatizaci kontroly kvality
  • Diagnostikou celého objemu je vhodná pro selekci dobrých polotovarů v sériové výrobě – indikované vady je třeba verifikovat sekundární NDT metodou (např. Phased Array)
  • Vizualizace výsledků diagnostiky NEWSTělesa větších rozměrů je možné rozdělit do zón a určit tak zóny v přítomností indikace na defekt (skenování) – přibližná lokalizace defektu
  • Lze použít i při jistém zvýšeném akustickém pozadí (s vhodnými vlastnostmi)
  • Na rozdíl od klasických puls-echo ultrazvukových metod (včetně PA) není NEWS diagnostika tolik citlivá na orientaci defektu vůči snímači a vysílači
  • Na rozdíl od konvenčních ultrazvuků (UT) a phased array (PA) „nezávisí“ velikost detekovatelného defektu na vlnové délce (resp. zkušení frekvenci – pohybujeme se v řádu desítek a stovek kHz), ale spíše na velikosti objemu, který diagnostikujeme najednou => díky tomu umíme diagnostikovat materiály, jako jsou austenity, chrom-molybdeny, manganové slitiny, betony, kompozity, a jiné, které vyžadují v klasické NDT problematice speciální přístup

Společností Bohemian Technology Group s.r.o. je vyvíjeno a vyráběno několik modifikací měřící aparatury, kterou lze nastavením uzpůsobit jak pro periodická měření a servisní nahodilé diagnostiky, tak ji i integrovat skrze otevřené rozhraní do automatizovaných NDT linek.

Základní princip metod NEWS

Metody NEWS nejsou jedním postupem NDT, ale spíše obecným principem, z něhož je vyvinutých několik metod NDT diagnostik zkoušených těles a konstrukcí a každá má svá specifika, pro něž se hodí více pro tu či onu aplikaci.

Představte si klasickou tahovou zkoušku a sledujme graf aplikovaného napětí a odečtěme příslušnou deformaci tomu odpovídající. U klasických materiálů jako jsou kovy a keramiky očekáváme jistou část této závislosti lineární. Tak to pro diagnostikovaný materiál platí v nepoškozeném stavu. Vytvořme však na trhacím tělese malou trhlinku, pouhým okem nepostřehnutelnou a sledujte chování vzorku při tahové zkoušce. Naměřená závislost deformace již nevykazuje tak zřejmý lineární charakter.

Schéma nelineárního chování materiálů

Stejným způsobem se vyšetřuje i materiál. Místo zatěžovacího napětí se používá několik velikostí amplitudy ultrazvukového buzení a sleduje se odezva chování materiálu v daném místě. S přesnější principy měřicích metod se zákazníci seznamují během školení na naše produkty, a to velice názorným způsobem přímo při měření s reálnými tělesy. Pochopení celého principu se tak stává otázkou několika málo minut.

Tento postup lze přenést i na přirozeně nelineární a anizotropní materiály typu kompozitů, betonů a dřeva. Jen namísto lineární závislosti se před měřením kalibruje obecná výchozí křivka nelinearity pro vzorek bezvadných těles. NEWS je metodu komparativní, což je její silnou výhodou, že nenutí uživatele dopodrobna znát chování zkoumaných materiálů.

Základní metody měření (neklademe si za cíl vytvořit k anglickým názvům český překlad, neboť by to bylo někdy matoucí při hledání relevantních odkazů, literatury a referencí):

  • Scalling Subtration Method (SSM)
  • Pulse Inversion (PI)
  • Non-linear Wave Modulation Spectroscopy (NWMS)
  • Excitation Symmetry Analysis Method (ESAM)

A jedna posilující metoda zpracování signálu (aplikovatelná na SSM, PI, ESAM):

  • Non-Linear Time Reversal Analysis (NLTRA)

Pro měření NEWS se naše produkty v základu dodávají se softwarem implementujícím metodu SSM, neboť ta pokrývá 80 % diagnostických aplikací pro svou robustnost, jednoduchost a zároveň snadnou modifikovatelnost pro automatizaci.

Na závěr zbývá zmínit, že metody NEWS lze rozdělit do dvou pomyslným kategorií, které nemají mezi sebou ostrou hranici, a to:

  • Metody vysílající krátké oddělené pulzy (hodí se na přesnější zónovou lokalizace defektů) mezi snímačem a vysílačem
  • Metody pseudorezonanční – těleso se mezi snímačem a vysílačem a ještě s velkou částí okolí uvedena do rozkmitaného stavu, lze tak diagnostikovat větší objemy najednou, a to třeba i mimo přibližnou dráhu zvukových tras mezi snímačem a vysílačem (diagnostika trubek ve vyzdívkách atp. => tj. diagnostika z jedné strany tělesa)

NEWS je screeningová diagnostika

(doporučujeme sekundární NDT pro verifikaci a klasifikaci defektu)

Elektrárenská turbína na páru

Při NDT diagnostice NEWS je možné aplikovat několik filozofií, které sledují podobné cíle, ale každá může být výhodnější pro různé aplikace. Nejprve je třeba zdůraznit, že na finální dohledání defektu je potřeba svěřit jiným NDT metodám (ultrazvuky, vířivé proudy atp.), NEWS nám ulehčí práci a předvybere nám rychle z velkého objemu jen malou část, kde sekundární verifikační metody umí defekty dohledat a klasifikovat (určit hloubku, velikost apod.)

Diagnostika s lokalizací defektů (velká tělesa)

S pomocí diagnostického vybavení BOTEG se na těleso umístí síť senzorů a postupně se provede diagnostika, kdy se všechny snímače vystřídají v roli vysílače a okolní poslouchají odezvu. Princip vyhodnocení je komparativní – porovnáváme nalezené nelineární chování v jednotlivých zónách na tělese.

Postup verifikace je takový, že se setřídí indikované nelinearity od nejhorší a sekundární NDT dohledává do okamžiku, dokud jsou nacházeny nepřípustné vady (hranice nastavení přípustnosti a nepřípustnosti vady, popřípadě kalibrace velikosti vady je typickou Bayesovou úlohou a nikdy není ostrá).

Modelové těleso na obrázku (parovodní turbína při odstávce) lze s pomocí diagnostiky NEWS včetně umisťování sond a přípravy měření udělat cca do 1/6 času konvenčních NDT UT a PA a řádově tak zefektivnit po stránce časové náročnosti a financí NDT diagnostiky.

Diagnostika sériových polotovarů

NEWS lze modifikovat na automatizovanou kontrolu kvality sériových polotovarů. Není třeba mít obavy z potřeby 100 % NDT kontroly mnohokusových produkcí.

Postup je takový, že se prvními několika vyrobenými kusy systém NEWS nakalibruje a tyto diagnostikované kusy se dají nakonec nebo náhodně mezi následně diagnostikované polotovary/výrobky. S vysokou kadencí je pak sledováno odchýlení nelineárních parametrů od stanovené limity a nebo intervalu hodnot.

Permanentní nebo periodický monitoring kritického místa

Velice silnou se NEWS stávají při kontinuálním nebo periodickém monitoringu kritických míst konstrukcí. Systém se nastaví pro sledování vývoje nelineárních parametrů v čase.