Tofd time of flight diffraction tiempo de vuelo de la onda difractada
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TOFD Time of Flight Diffraction ¨Tiempo de Vuelo de la Onda Difractada¨. By: Nick Bublitz Traduccion: Carlos Correia. La onda incide en el defecto. En cada punto de la superficie del defecto se genera una nueva onda esferica. Diffraccion. Basada en el principio de Huygens. Ondas.

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TOFD Time of Flight Diffraction ¨Tiempo de Vuelo de la Onda Difractada¨

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Presentation Transcript


Tofd time of flight diffraction tiempo de vuelo de la onda difractada

TOFDTime of Flight Diffraction¨Tiempo de Vuelo de la Onda Difractada¨

By: Nick Bublitz

Traduccion: Carlos Correia


Diffraccion

La onda incide en el defecto.

En cada punto de la superficie del defecto se genera una nueva onda esferica

Diffraccion

Basada en el principio de Huygens


Ondas

Ondas

Onda incidente

Onda Difractada

Toda direccion

Baja energia

Independiente del angulo del defecto

Onda Reflejada

DISCONT.

Onda Difractada


Diffraccion1

Diffraccion

  • Modificacion o defleccion del haz sonico

  • Onda incidente crea nuevo frente de onda

  • Extremos del defectos son nuevos emisores

  • No relacionado con la orientacion del defecto

  • Señales debiles – requieren amplif. (preamp en el receptor)

  • Defectos planos ¨afilados¨ son mejores emisores

  • Las señales de los extremos son ubicadas con facilidad.

  • Tiempo de vuelo desde los extremos del defecto utilizados para dimensionar.

  • Haz ancho longitudinal.


Frentes de onda tofd

Frentes de Onda ToFD

Apertura del haz en el material

Apertura del haz en la zapata

60 deg

Punto de salida

Longitud de onda de corte = ½ Long

Centro del haz

Ondas de corte


Apertura del haz

Apertura del haz

  • Teoria convencional solo contempla la frecuencia central del transductor.

  • Dado que la emision es un pulso, el transductor emite un rango de frecuencias en vez de una sola = ancho de banda (bandwidth).

  • La apertura del haz puede ser recalculada utilizando los valores inferiores de frecuencia

  • La presencia de una onda lateral a partir de 45 grados en adelante, tiene sentido considerando la apertura generada por las componentes de baja frecuencia.


Ejemplos zapata de 60 grados 2 7mm us 6mm crystal @ 5 mhz

Ejemplos Zapata de 60 Grados (2.7mm/us), 6mm crystal @ 5 MHz

Angulo de incidencia en la zapatata 23.3 grados. Aperturas:

2MHz +/- 10.3 deg. (13-33.6deg)

3 MHz +/- 6.8 deg. (16.5-30.1 deg)

4 MHz +/- 5.1 deg. (18.2-28.4 deg)

5 MHz +/- 4.1 deg. (19.2-27.1 deg)


Apertura del haz en el material refractado 60 grados

Apertura del haz en el material / refractado 60 grados

  • 2 MHz- 29.4-90 grados

  • 3 MHz- 38.3-90 grados

  • 4 MHz- 43-90 grados

  • 5 MHz- 45.9-90 grados


Modos de onda

Modos de onda

  • Un sector de las ondas viaja completamente como ondas de compresion.

  • Otras viajan inicialmente como ondas de compresion y luego experimentan conversion de modo a ondas de corte.

  • Algunas viajan toda la trayectoria como ondas de corte.

  • Utilizamos ondas longitudinales porque estas viajan al doble de las ondas de corte. Pocas veces se utiliza la informacion proveniente de la region del modo convertido para hacer mediciones, pero si para detectar.


Presentacion en pantalla

Presentacion en Pantalla

LW

BW

Modo convertido bw

Zona de modo convertido

Volumen del material


A scan

Onda Lateral

Eco de fondo

BW

LW

Extremo Sup.

Extremo Inf.

A-Scan

Transmisor

Receptor


Onda lateral

Onda Lateral

  • La onda lateral viaja a velocidad longitudinal y es siempre la primera en llegar. Para superficies curvas viaja en linea recta entre los dos trasductores. No es una onda superficial, es un lobulo lateral de la onda longitudinal.

  • El contenido de frecuencia de la LW es menor. El aumento del PCS produce una perdida pronunciada de la amplitud.


Eco de fondo

Eco de fondo

  • Combination de energia reflejada y difractada.

  • Señal de elevada amplitud


Modo convertido

Modo Convertido

  • Ocurre luego del Eco de fondo, por la menor velocidad de las ondas de corte.

  • Señales de alta amplitud

  • No es utilizado para mediciones.

  • En ocaciones los defectos cercanos a la superficie se pueden observar mejor en esta zona dado la mayor resolucion espacial.


Porque trabajar en modo rf

Porque trabajar en modo RF?

  • Evaluar los cambios de fase

  • Una onda que viaja en un medio de alta impedancia acustica experimenta un cambio de fase de 180 grados, cuando es reflejada por una interfase de baja impedancia acustica (acero/aire).


Difraccion en los extremos de grieta

Difraccion en los extremos de grieta

Si la ondaempieza en un ciclopositivo e incide en un defecto, la ondadifractadapor el extremo superior del defecto, actuacomosihubierasidoreflejadapor la superficie de fondo. Presenta un cambio de fase de 180 grados.

2. La ondaqueproviene del extremo inferior del defecto, actuacomosi lo bordeara sin experimentar un cambio de fase y se mantienepositivo.

La escoria y la porosidad son generalmentemuydelgadosparaproducir dos señales separadas.


Visualizacion de la data

A-scan

LW

BW

Upper

surface

Back wall

Visualizacion de la data

D-scan


Porque se utiliza una escala de grises

Porque se utiliza una escala de grises?

  • En las tecnicas basadas en pulso eco, se utilizan escalas a color (Cscan, Bscan, UTPA) basadas en la amplitud de la señal, siendo el rojo el color asociado a la maxima amplitud, dado que es el color donde el cerebro centra su atencion.

  • Dado que TOFD no esta basada en amplitud sino en tiempo de vuelo, se requiere prescindir nuestra preferencia por el color y analizar la informacion en tonos de gris.


Visualizacion de la data1

White

+

-

Black

Visualizacion de la data

Amplitud

Tiempo

Tiempo

One A-scan picture is replaced by one gray-coded line


Paso a tonos de gris

Paso a tonos de gris


Barridos tipicos tofd

Barridos tipicos TOFD

  • Se utilizan 2 barridos tipicos

    • Nonparallel: NOPARALELO los barridos son perpendiculares a la direccion del haz ultrasonico.

    • Parallel: PARALELO el barrido es paralelo a la direccion del haz ultrasonico.


Barrido no paralelo

Barrido No-paralelo

Entalla

Orificio SDH


Vista d scan omniscan b scan

Vista D-scan (Omniscan=B-scan)

Eje de barrido

Vista


No paralelo

No-Paralelo


Barrido no paralelo1

Barrido No-paralelo

  • Ubicar discontinuidades

  • Estimar la profundidad de la discont.

  • Longitud en el eje de

  • Existe un cierto valor de error en la medicion de la altura del defecto.

  • Rapida, facil de emplear, no requiere eliminar la corona.

  • Los transductores estan centrados con respecto al area de interes.


Barrido paralelo

Barrido paralelo

Discontinuidad en la superficie de acople


Barridos paralelos

Barridos paralelos

  • Preciso para determinar la profundad del defecto

  • Se asegura el ancho de la discontinuidad

  • Inclinacion (aprox.)

  • La amplitud de la señal es maxima cuando el defecto esta en el centro de los transductores (la distancia mas corta)


Presentacion b scan

Presentacion-B-scan

Eje de barrido

Vista


Otros tipos de barrido

Otros tipos de barrido

  • Doble Paso- utilizadocuandoesdificildetectar y discriminar los defectoscercanos a la superficie de acoplamiento.


Otros tipos de barrido1

Otros tipos de Barrido

  • Non-paralelos excentricos

  • Utilizado si se sospecha que una discontinuidad se encuentra mas cerca de uno de los transductores y cercana a la superficie, la señal de la onda lateral y la señal de la discontinuidad esta muy cerca una de otra lo que produce una baja resolucion.

  • La resolucion puede ser mejorada realizando barridos excentricos. Los errores en la profunidad del defecto aumentan dependidendo de la posicion de la discontinuidad.


Otros tipos de barrido2

Otros tipos de barrido

  • Barridos manuales sin encoder

  • Utilizados solo para detectar no para dimensionar

  • Aspectos limitantes:

    Intervalo de muestreo no es constante -

    Hay que marcar los intervalos sobre la superficie y trabajar en equipo. En el mejor de los casos la precision puede estar +/- 5mm


Tofd ventanjas

TOFD Ventanjas

  • Imagen permanente B-scan Vista Lateral

  • Alta precision de dimensionamiento, altura del defecto, ligamento superior, ligamento inferior, etc. Aspecto critico para mecanica de la fractura.

  • Tecnica permite barridos rapidos

  • Deteccion es casi independiente de la orientacion del defecto

  • Basasa en Tiempo de Vuelo. Elimina los errores basados en amplitud.

  • TOFD puede dimensionar en altura con una precision de ±1 mm y ±0.3 mm en longitud.

  • Calibracion independiente de la configuracion del defecto

  • Amplia cobertura


Tofd limitaciones

TOFD Limitaciones

  • Zonas de baja deteccion :

    • Superficie cercana Ancho de la onda lateral enmascara defectos en la zona. Puede mejorarse reduciendo el PCS, aumentando la frecuencia, utilizando sensores fuertemente amortiguados, y mediante herramientas de software (remocion de la onda lateral).

    • Eco de fondo Señal de alta amplitud, reflejada por el eco de fondo.

  • Las discontinuidades pequenas conectadas o cerca del fondo pueden no ser detectadas, este efecto puede ser mejorado aumentando el PCS y haciendo barridos excentricos.

  • No es facil clasificar el tipo de defecto en todas las situaciones Flaw classification limitation (some cases)-no simple amplitude criteria

  • Tecnica afectada por el ruido de grano

  • Se requiere considerable entrenamiento

  • Dificil ubicar bien el defecto en 3 dimensiones (los barridos paralelos pueden ayudar, se puede usar pulso eco complementario).

  • Indicaciones en el metal base pueden confundirse con indicaciones en la soldadura.


Tofd time of flight diffraction tiempo de vuelo de la onda difractada

Existe un conjunto de puntos que dan los mismos valores temporales

Estos puntos equi-temporales, estan ubicados sobre una elipse cuyos focos estan en los puntos de salida de cada sensor


Posicionamiento lateral

Posicionamiento Lateral


Incertidumbre en la posicion del defecto

dmin

dmax

Incertidumbre en la posicion del defecto

S

S

Receiver

Transmitter

t1

t2

En la practica:

Maximo error en profundidad absoluta por debajo de 10%.

Error en el dimensionamiento de la altura de pequeños defectos es despreciable.

Cuidado con defectos pequeños cerca del eco de fondo


Discontinuidades no detectadas zona de baja isonificacion

Discontinuidades no detectadas. Zona de baja Isonificacion

No detectada u obscurecida por el eco de fondo.


No linealidad en la profundidad

No linealidad en la Profundidad

  • Un incremento constante de 5us en profundidad (expresado en tiempo), podemos observer que el tiempo de transito desde el emisor al receptor, no esta espaciado de forma equidistante.

  • Esto causa una distorsión en la forma en que se presenta la imagen. Las indicaciones parecen estar mucho mas cerca de la superficie de lo que están en realidad. Calibraciones para determinar la profundidad real de la discontinuidad son muy importantes.

    .

S

R

Tiempo de LW 50us

Profundidad en tiempo

5 us

10 us

15 us

20us

Total Time S to R

.99

haz 1=50.99us

2.85

haz 2= 53.85us

4.45

haz 3= 58.3us

5.73

haz 4= 64.03us

1

2

3

4


Profundidad distorsion visual

Profundidad –Distorsion Visual

La falta de fusion esta casi en la mitad de la pieza (0.4 in) en una plancha de 1 inch, pero parece estar mas cerca de la superficie.


Tofd time of flight diffraction tiempo de vuelo de la onda difractada

Resol. En funcion de la profundidad

A medida que aumenta la profundidad disminuye el error.


Solucion recomendada

Solucion recomendada

  • TOFD: SI

  • No olvidar las ventajas del PULSO ECO convencional

  • SOLUCION: Hacer las dos cosas simultaneamente TOFD y PE, reduciendo la velocidad de la inspeccion.

  • Se pueden agregar canales de Pulso Eco para acceder a la raiz y a la corona de la soldadura.


Solucion recomendada pv 100

PE 60 SW

TOFD

PE 45 SW

Solucion recomendada : PV-100

El sistema permite adquisicion simultanea y analisis (solo en bajo control de TOMOVIEW) de TOFD y PE


Pv100 tomoview

PV100-Tomoview


Pv 100

PV-100


Multiple tofd

Multiple Tofd


Scanner arreglo requerimientos

Scanner/Arreglo Requerimientos

  • Absolutos-

  • Buen contacto con la superficie

  • Control absoluto del PCS

  • Garantizar desplazamiento recto

    Recomendaciones

  • Ruedas magneticas para sistemas ferrosos.

  • Preamplificador

  • Suministro de acoplante

  • Reglas vernier para ajustar el PCS

  • Zapatas ajustables a superficies curvas

  • Sistema de cable umbilical

  • Transductores y zapatas soportados individualmente con maximo grado de libertad

  • Guias laser u otras


Par simple de tofd

Par simple de TOFD


Sistemas multiples tofd pe

Sistemas multiples TOFD - PE


Tofd y phased array

Tofd y Phased Array


Acoplante consideraciones

Acoplante Consideraciones

  • Agua es uno de los mejores

  • Suministro constante permite aplicacion homogenea que rellena irregularidades superficiales. IHC (irrigation, holes, carbides)


Wedge considerations

Wedge Considerations

  • Prevenir desgaste, pines de carburo muy utiles en la parte inferior de la zapata (espaciamiento en el acople)

  • tipico- 0.2mm

  • Espaciamientos de ¼ y ½ longitud de onda deben ser evitados para evitar interferencia


Analisis

Analisis

  • Caracterizacion clasica-

  • Ubicacion: Posicion en el eje de barrido

  • longitud

  • Profundidad y altura

  • tipo- superficial/conectada al DI, abierta/embebida


Forma del defecto

Forma del defecto

  • Dada la forma del haz muchos defectos se observan curvados.


Discontinuidades paralelas a la superficie

Discontinuidades paralelas a la Superficie

  • El tiempo de vuelo cuando las discontinuidades son paralelas a la superficie, presenta un minimo cuando las probetas están directamente encima de la discontinuidad. Las discontinuidades presentan una morfología parabolica en la imagen dada su relación espacial con el transductor y el haz sónico.

Flaw

diff. signals

signal


Parabolic cursors

Parabolic Cursors

Para dimensionar el defecto evitando el sobredimensionamiento producido por el haz, se suelen utilizar cursors parabolicos. Luego de efectuar la calibración estos pueden ajustarse a los extremos del defecto para dimensionar las indicaciones en pantalla, reduciendo el efecto de la apertura del haz.

.


Cursores parabolicos

Cursores Parabolicos

Para determinar la longitud de del defecto se ajusta la curvatura de los cursores a la curvatura de los extremos de la indicación en pantalla, de esta manera se contrarrestan los efectos de la apertura del haz.

Posicion del cursor de ref, en el eje de barrido al inicio de la discontinuidad.

dist. Entre los dos cursores en el eje de barrido


Cursores parabolicos1

Cursores Parabolicos

Utilizando la informacion de fase en la señal RF el cursor puede ser posicionado en el punto de mayor amplitud de la indicación. Para determinar su longitud y altura.

Posicion del cursor de ref. en eje temporal (hasta la parte mas alta de la indicacion).

Distancia entre los dos cursores en el eje UT.


Defectos abiertos a la superficie

Defectos abiertos a la superficie

  • Dado que solo se observa uno de los extremos de la indicacion, el eco de fondo o la onda lateral puede ser utilizada como referencia.


Cursores parabolicos2

Cursores Parabolicos

  • Las indicaciones que se ajustan muy bien a los cursores parabolicos son poros con una longitud practicamente despreciable. Son por lo general poros o bordes de grano.


Defectos tipicos barridos no paralelos

Defectos tipicos. Barridos No Paralelos

Grieta abierta a la superficie de acople

Grieta conectada a la superficie de fondo

Defecto horizontal planar


Tofd defectos tipicos

TOFD Defectos Tipicos


Defecto horizontal planar falta de fusion entre pases laminaciones

Señal reflejada

Onda Lateral

Eco de fondo

BW

LW

Eco reflejado

Defecto Horizontal Planar(Falta de fusion entre pases, Laminaciones)

Receiver

Transmitter


Upper surface breaking crack

Onda Lateral Bloqueada

Eco de fondo

EF

Extremo de la grieta

Upper Surface Breaking Crack

Receiver

Transmitter

Desaparece la OL


Back wall surface breaking crack

Onda Lateral

Eco de fondo

OL

Ausencia Eco de fondo (no siempre!)

Extremo del defecto

Back Wall Surface Breaking Crack

Receiver

Transmitter


Grieta cercana a la sup acople

Grieta cercana a la sup. acople

2

1

La grieta bloquea la Onda Lateral y el tip inferior se observa en el A-scan


Penetracion inadecuada en la raiz

Penetracion inadecuada en la raiz

2

4

3

1

2

1

Se observan claramente las dos señales de los extremos del defecto


Falta de penetracion

Falta de Penetracion

1

2

3

Fase invertida con respecto a la onda lateral


Falta de fusion en un bisel

Falta de fusion en un bisel

1

2

3

4

Se observan las dos señales de los dos extremos


Porosidad

Porosidad

1

2

Porosidad puede presentarse en forma individual o en clusters.


Grieta transversal

Grieta Transversal

1

1

2

2

3

4

3

En la onda lateral podemos observar el efecto del ancho del haz en una grieta transversal.


Concavidad en la raiz

Concavidad en la raiz

1

2

3

Distorsion del eco de fondo


Falta de fusion entre pases

Falta de fusion entre pases


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