Phased Array Teori
En kort introduktion til Phased Array teori
I det følgende beskrives kort teorien bag Phased Array – også kaldet PAUT (Phased Array Ultrasonic Testing).
Det er en avanceret NDT teknik, der er baseret på ultralyd, men bruger et mere avanceret instrument og probe til at sende og modtage lyd med flere vinkler og lave lynhurtige elektroniske scan.
Desuden oversættes amplituden på de modtagne A-scan i henhold til en farveskala for at skabe en bedre visualisering, end man er vant til fra konventionel ultralyd.
Ovenfor ses Olympus’ nyeste Phased Array instrument, OmniScan X3. Vinkler fra 40 til 70 grader dækker hele fugekanten i anden lydvej.
Det er således ikke nødvendigt at bevæge proben frem og tilbage vinkelret på svejsningen, som ved konventionel UT. Her ses en indikation fanget i 47 grader omkring toppen af svejsningen.
Software-styret vinkling og fokusering
Phased Array prober består af flere elementer – ofte 16, 32 eller 64. For at generere forskellige vinkler og fokusering indlægges såkaldte ”delays” på hvert element.
En given serie af delays (markeret med grøn) vil give en bestemt vinkel, der sendes ind i emnet. Ved at ændre disse delays ændres også den resulterende vinkel.
Alle de 31 forskellige vinkler fra 40 – 70 grader dannes så hurtigt, at proben kan bevæges langs svejsningen med op til flere hundrede mm/s og opsamle A-scan for samtlige vinkler fra hver eneste millimeter.
I ovenstående eksempel giver de indlagte delays ikke blot en vinkel, men også en fokusering til en bestemt dybde i emnet.
Fokusering giver bedre opløsning i et bestemt område, og kan gøre det muligt at finde selv små indikationer. Fokusering er (som for konventionel ultralyd) kun muligt i nærfeltet.
Scanning i høj hastighed
Prober med op til 128 elementer kan også bruges til såkaldte lineære scan. Her scannes i én vinkel, ofte 0-grader lodret ned, og så sender 16 elementer ad gangen lyd i emnet. Det kaldes en Focal Law.
Første Focal Law sender med element 1-16, anden Focal Law med 2-17, tredje 3-18 … og den sidste vil være med element 113-128. På den måde genereres 113 Focal Laws. De giver hvert et A-scan, som farvekodes og vises som C-scan.
Forskellige scan typer med Phased Array
Lineære scan bruges ofte til 0-graders inspektion i fx Corrosion Mapping eller til inspektion af kompositter for delaminering og anden skade eller produktionsfejl.
Det lineære scan er defineret ved at alle Focal Laws har samme vinkel. Det er, som nævnt, oftest i 0 grader, men kan også være i 60 grader med en vinklet wedge for fx at ramme fugekanten på en svejsning skærpet i 30 grader vinkelret på.
Ovenfor ses et lineært scan af fire sideborede huller i forskellige dybder. De dækkes alle uden at bevæge proben fysisk. Ekkoet fra andet hul giver en amplitude i A-scannet på 80 % skærmhøjde. Denne amplitude farvekodes med rød.
Sector scan bruges typisk til svejseinspektion, hvor proben sættes i en vinklet wedge, der giver en nominel brudt vinkel på 55 eller 60 grader. Derved kan vinklerne styres til ca. 15 grader under og 15 grader over (40 – 70 grader).
Ovenfor ses hvordan huller i forskellige dybder dækkes uden at bevæge proben. På samme måde dækkes en svejsning, uden det er nødvendigt at bevæge proben frem og tilbage. Scannet her er defineret med 31 Focal Laws fra 40 – 70 grader.
Til inspektion af bolte og geartænder bruges ofte en 0-graders wedge eller evt. Wear Face, og så inspiceres med -30 grader til +30 grader. Som fx herunder, hvor en revne detekteres med de sidste af de positive vinkler og bunden af gearhjulet detekteres i 0 grader.
Compound scan
Der findes en tredje scan type, som kaldes Compound Scan. Det er en kombination af lineær og sector scan, som giver en bedre dækning af fugekanten på en svejsning.
Inspektion af komplekse geometrier
Positionering af indikationer
Som på konventionelle ultralydsinstrumenter kan beregnede værdier for positionen af et givent ekko i gaten aflæses på skærmen. Den store fordel ved automatiseret UT, er muligheden for efterfølgende at analysere datafilen, så disse aflæsninger kommer direkte med i rapporten.
Nedenfor fanger en probe med vinklet wedge et sideboret hul i anden lydvej. På instrumentets skærm kan aflæses:
• DA – Dybde
• PA – Projiceret lydvej
• RA – Projiceret lydvej fra udtrædelsespunkt
• SA – Lydvej
Phased Array prober
Der findes en del forskellige typer af Phased Array prober. I det ovenstående har vi koncentreret os om typen Linear, men Concave bruges fx til at scanne rundinger i CFRP profiler mens Dual Linear kan bruges til Corrosion Mapping (svarende til et konventionelt sende-modtage hoved) eller ved inspektion med længdebølger på svejsninger i rustfri stål. Typen Internal Focus bruges bl.a. med Olympus’ COBRA Scanner til rør på ned til OD 0,84”.
Typisk har Phased Array prober en frekvens på mellem 0,5 MHz og 10 MHz. Antallet af elementer vil ofte være 16 eller 32 til svejsninger, mens de bredere prober på 64 eller 128 elementer er gode til Corrosion Mapping eller komposit inspektion, hvor det er en fordel at dække et bredt område.
For konventionelle lydhoveder, er der to vigtige parametre: frekvens og krystalstørrelse. Førstnævnte har indflydelse på bølgelængden og dermed opløsningen. Jf. nedenstående formel giver en høj frekvens kort bølgelængde, som er en fordel ved inspektion af tyndt gods og til at identificere små indikationer.
Frekvensen er naturligvis lige så vigtig for Phased Array prober i fht. bølgelængde og dermed opløsning. Da vi selv kan definere antallet af elementer i hver Focal Law, har vi mulighed for elektronisk at styre ”krystalstørrelsen”, også kaldet aperture.
Aperture (A) beregnes (lidt forsimplet) som antallet af elementer (n) gange pitch (p) (afstand mellem midten af to sideliggende elementer)
Som nævnt tidligere I afsnittet omkring vinkling og fokusering, er det muligt elektronisk at fokusere de enkelte Focal Laws.
Fysikkens love gælder for Phased Array som for konventionel UT: der kan kun fokuseres i nærfeltet. Men da længden på nærfeltet kan styres elektronisk ved at benytte en større aperture, giver Phased Array prober en langt større fleksibilitet i forhold til konventionelle lydhoveder også mht. fokusering.
For endnu bedre fokusering og visualisering af indikationer kan det være en fordel at benytte TFM fremfor Phased Array.
Konklusion
Dette var en kort redegørelse for noget af teorien bag Phased Array. Det er et stort emne, som ikke kan redegøres 100 % for i en kort artikel som denne. Har ovenstående givet anledning til spørgsmål eller kommentarer, hører vi dem meget gerne.
Vigtigst af alt vedrørende Phased Array er at huske, at det i virkeligheden blot er optagelse og farvekodning af almindelige A-scan signaler. Phased Array har flere fordele sammenlignet med konventionel UT, men langt hen ad vejen også de samme begrænsninger.
