Resumen

En los últimos años, nuevos materiales piezocompuestos han permitido el desarrollo de una nueva tecnología de transductores de ultrasonido para la Inspección No Destructiva de Materiales: Conjuntos de Transductores en Fase (Phased Array probes).

Este tipo de conjuntos o arreglos de transductores, construidos a partir de un gran numero de simples transductores estructurados en forma linear, anular, circular o en forma de arreglos matriciales, permiten que tareas como lo son el barrido electrónico, enfoques y deflexiones puedan llevarse a cabo. Estos diferentes conceptos se presentan a continuación, así como las ventajas asociadas en terminos de aplicación práctica, flexibilidad, velocidad y facilidad de ciertas inspecciones.

También se presentan diferentes aplicaciones que han implementado esta tecnología, incluyendo detalles acerca del tipo de transductor empleado en cada una de ellas. A través de estas aplicaciones, se remarcan los beneficios de esta tecnología en muchos campos, incluyendo las industrias nuclear, aeronautica e industrias que realizan inspección en línea.

 

Introducción

Existe un cierto número de industrias que requieren avances significativos en cuanto Inspección No Destructiva se refiere, en dichas industrias se incluyen la nuclear, aeronautica y las industrias que emplean la inspección en linea, este tipo de industrias constantemente buscan mejoras en el desempeño de sus sistemas de monitoreo e inspección.

Sus necesidades más comunes son referente a incrementos en la productividad, reducción de áreas no inspeccionadas y mejoras en la detección y medición de discontinuidades.

Durante los últimos diez años, Imasonic ha respondido a estas necesidades, diseñando y desarrollando transductores basados en la tecnología de conjuntos de transductores en fase o Transducer Phased Array como se le denomina en Inglés.

 

El concepto de arreglos en fase

El concepto de arreglos en fase se basa en el uso de transductores construidos apartir de elementos individuales, en los cuales, cada uno pueden ser manejado en forma independiente. Este tipo de transductores son conectados a unidades de control especialmente adaptadas, lo cual permite la recepción y transmisión de señales en forma independiente en cada canal. Este tipo de unidades también debe tener efecto en los diferentes retardos electronicos de tiempo para cada canal, tanto en recepción como en transmisión.

Para algunas aplicaciones que implementan el barrido electronico, no todos los elementos del arreglo en fase son utilizados simultaneamente. En este caso, la unidad de control utiliza el concepto de dynamic multiplexing para poder distribuir los elementos activos a lo largo de todos los elementos del arreglo en fase.

Barrido Electrónico
Este tipo de barrido se ilustra en la figura 6, consiste en mover un haz en el espacio mediante la activación de diferentes aperturas, cada una hecha de diferentes elementos de un arreglo de transductores en fase.

Esto permite que un barrido mecánico sea reemplazado electronicamente.

En general, este concepto es utilizado para la inspección de placas en linea, barras o tubos y también puede ser utilizado para la inspección de soldaduras.

Enfoque Electrónico
El enfoque electrónico se muestra en la figura 7, se basa en el uso de retardos electronicos que se aplican durante emisión y recepción a lo largo de cada canal en el arreglo. Estos retardos tienen un efecto similar al de enfoque mediante el uso de lentes de enfoque y permite diferentes enfoques a diferentes profundidades.

El enfoque electrónico permite que un arreglo de transductores en fase sea utilizado donde se requieren varios transductores simples para enfoques a diferentes distacias. La aplicación más común del enfoque electrónico es en la inspección de placas de gran espesor.

Deflexión Electrónica
La deflexión electrónica puede visualizarse en la figura 8, aquí se utilizan leyes de retardo para producir un enfoque. En este caso, estas son calculadas para dar al haz emitido un angulo de incidencia, el cual puede ser modificado simplemente modificando su ley de retardo. (todos los retardos son aplicados a cada uno de los canales del arreglo).

La deflexión electrónica permite que un solo arreglo de transductores sea utilizado en inspecciones en las que tradicionalmente solo pueden llevarse acabo mediante el uso de varios transductores trabajando cada uno de ellos a diferentes angulos. Adicionalmente, esto también permite que el haz sea flexionado sin necesidad de utilizar una cuña, lo cual permite inspeccionar diferentes partes desde espacio muy pequeños.(3)

El barrido, el enfoque y la deflexión electrónica pueden ser combinados para resolver aplicaciones tales como la inspección de soldaduras o tubos. En la sección de Aplicaciones se puede encontrar más al respecto.

Fig 6: Vista esquematica del barrido electrónico: grupos de elementos son sucesivamente activados para mover el haz a lo largo del transductor.

Fig 7: Vista esquematica del enfoque electrónico: leyes de retardo electrónico son aplicadas (izquierda) para enfocar el haz.

Fig 8: Vista esquemática de la deflexión electrónica: leyes de retardo con aplicadas para variar el angulo del haz.

Arreglos de transductores en fase

Esta tecnología requiere del uso de transductores multi-elemento con geometrías variables, pero también deben reunir ciertos criterios:


• Los elementos deben se capaces de manjarse individual e independientemente, sin la generación de vibración en elementos cercanos debida a efectos acústicos o acoples eléctricos.
• El desempeño de cada elemento debe ser tan cercano como sea posible, para asegurar que el haz generado sea homogeneo.

Imasonic, gracias a su tecnología Piezocompuesto 1-3 (1) y a su tecnología de construcción de transductores multi-elemento, diseña y fábrica transductores que reúnen estos dos criterios (2).

La Figure 2 muestra las diferentes posibles geometrías de los tranductores multi-elemento.

Fig 2: Ejemplos de geometrías de transductores con arreglos de elementos en fase: Linear Anular con frecuencia uniforme (superficies no constantes) Matriz  (cuadrada y anillos seccionados) Circular

Linear
Este tipo de transductores son construidos de un conjunto de elementos yuxtapuestos y alineados a lo largo de los ejes. Este tipo de transductor permite que el haz sea movido, enfocado y flexionado a lo largo de un plano..

Annular
Estos son construidos de un conjunto de anillos concentricos. Estos permiten que el haz sea enfocado a diferentes profundidades a lo largo de un eje. La superficie de los anillos, en la mayoría de los casos es constante, lo cual implica un ancho diferente para cada anillo.

Circular
Estos son construidos apartir de elementos arreglados en un circulo. Estos elementos pueden ser dirigidos ya sea hacia el interior o hacia el exterior, o a lo largo de los ejes de simetría de el circulo. En este último caso, un espejo es generalmente utilizado para dar al haz el angulo de incidencia requerido.(ver figuras 3 y 4).

Fig 3: Principio de inspección de un tubo desde la parte exterior con un transductor de 10Mhz 128-elementos circular plano y un espejo.

Fig 4: Principio de inspección de un tubo desde la parte interna con un transductor de 10MHz 128-elementos circular plano y con un espejo.

Matriz
Este tipo de transductores tiene un área activa dividida en dos dimensiones en diferentes elementos. Esta división puede, por ejemplo, ser en forma de tabla de ajedrez, o anillos seccionados. Este tipo de transductores permiten que el haz ultrasonico sea conducido en 3D mediante la combinación del enfoque electrónico y la deflaxión electrónica.

Principales Caracteristicas
Más halla de su geometría, Este tipo de transductores ofrecen la misma flexibilidad de uso que un simple transductor de un solo elemento. Estos pueden  ser utilizados en inmersión o en contacto, su área activa puede ser plana o enfocada, y también pueden tomar en cuenta la fuerte presencia de distintos factores del medio ambiente industrial, tales como la temperatura, presión, vibración y radiación.

 

Ejemplos de aplicaciones

Inspección de "blade roots" y rotores
Este inspección se lleva a cabo utilizando varios transductores con arreglos en fase, uno de los cuales es ilustrado en la figura 1.3, esto ha permitido la inspección de muchas áreas que antes no podían ser inspeccionadas.

El uso de la tecnología de arreglos en fase ha permitido prescindir del uso de zapatas deflectoras de haz, así las inspecciones pueden llevarse a cabo desde espación restringidos e inaccesibles mediante otras técnicas. Adicionalmente, el comportamiento electroacústico de este tipo de transductores ha permitido que la profundidad de inspección y la exactitud de medición sea incrementadda.(3)

Fig 1: Ejemplos del uso de la técnología de arreglos en fase Inspección de placa utilizando un 10MHz 128-channel linear array transducer implementando barrido electrónico y enfoque electrónico. Inspección de tubos desde la parte interna utilizando un transductor de 10MHz 80-canales con arreglo circular implementando enfoque y barrido electrónico. Inspección de "blade roots" utilizando un transductor de 10MHz 32-canales de contacto con arreglo linear implementando deflexión y enfoque electrónico. Inspección de forjas pesadas utilizando un transductor de 5MHz 16- canales con arreglo anular implementando enfoque electrónico.. Inspección de soldaduras con un transductor de 5MHz 32-canales con arreglo linear implementando enfoque electrónico y deflexión. inspección en linea de tubos desde la parte externa con un transductor de 10MHz 256-canales con arreglo circular combinando barrido electrónico, enfoque electrónico y deflexión electrónica.

Inspección de tubos
Varias técnicas de arreglos en fase pueden ser utilizadas para la inspección de tubos. En la inspección en linea de tubos, generalmente se realiza desde la parte externa con transductores encirculados, tal como se ilustra en la figura 1.4

La inspección de tuberia de intercambiadores de calor es generalmente hecha desde el interior por cuestiones de accesabilidad. Los tubos del generador de la planta de energía nuclear Superphœnix fueron inspeccionados desde el interior utilizando arreglos en fase circular, tal como se ilustra en las figuras 1.2 y 8. Aquí, la tecnología de arreglos en fase permitió alcanzar la velocidad de inspección deseada. Adicionalmente, el área activa, consistente de 80 elementos, fue enfocada mediante formación para obtener las caracteristicas del haz requerido (4).

Esta inspección también puede llevarse acabo desde el interior y desde el exterior mediante el uso de arreglos planos circulares asociados con un espejo, tal como lo ilustran las figuras 3 y 4.

Fig 5: FERMAT transductor con arreglo matricial para la inspección de billets de titanio utilizando la técnica de espejo de tiempo reversible.(M.Fink ESPCI).

Inspección de billets de titanio
Este tipo de billets tradicionalmente se inspeccionan mediante el uso de grupos de transductores de un solo elemento, donde cada elemento esta dedicado a la inspección de una zona especifica (rango de profundidad), para un diametro determinado de billet. Aunque eficiente en la detección de defectos, esta solución tiene la gran desventaja de requerir muchos transductores y varios pases para inspeccionar un solo billet.

Una alternativa consiste en utilizar un arreglo matricial. El corte de los elementos, tal como se muestra en la figura 5, y el enfoque y la deflexión electrónica, permite que los transductores sean adaptados a diferentes diametros de billets y a diferentes prtofundidades de inspección.

También es posible utilizar la técnica de espejo de tiempo reversible (5), lo cual ha permitido detectar orificios planos de un diámetro de 0.4 mm a una profundidad de 140 mm, con una proporción señal/ruido superior, de al menos 6dB, a aquella obtenida utilizando cualquier otra técnica.

 

Conclusiones

Las ventajas de utilizar la técnología de arreglos en fase y sus beneficios económicos son obvios:


• El barrido mecánico tradicional es reemplazado por el barrido electrónico, que es mucho más rápido.
• El enfoque electrónico permite el uso de un solo transductor (multi-elemento) para trabajar a diferentes profundidades.
• La deflexión electrónica permite que los angulos de incidencia puedan ser modificados con un solo transductor.

Así, los costos son significativamente reducidos debido a que los tiempos y ajustes de inspección son minimos.

Adicionalmente, ésta tecnología ha hecho que algunas aplicaciones sean posibles y que antes con las técnicas tradicionales no podían ser resueltas, por ejemplo, cuando la deflexión del haz es necesaria sin suficiente espacio como para utilizar una zapata (inspección de rotores y blade root) o cuando el barrido es neesario sin suficiente espacio para el correspondiente movimiento (inspección de tubos doblados de diámetro pequeño desde la parte interna).

 

Referencias

1. J.Poguet, G.Fleury, J.L.Guey, P.Conche, "La technologie piezocomposite : Une approche innovante pour développer les performances du C.N.D. par ultrasons", dans ce volume
2. J.Poguet, L.Chupin, Ph.Gendreu, O.Roy, S.Mahaut " Contrôle ultrasonore au moyen de traducteurs multi-éléments : design et applications", dans ce volume
3. P.Ciorau, J.Poguet, G.Fleury, "Special linear phased array probes used for ultrasonic examination of complex turbine components", Proc. Of 15th WCNDT (2000)
4. J.Poguet, G.Fleury,O.Burat, G.Moreau "Circular phased array probes for inspection of Superphoenix steam generator tubes" Proc. Of EPRI Phased Array inspection seminar (1998)
5. M.Fink, N.Chakroun, F.Wu, L.Beffy, G.Mangenet, "Application of ultrasonic time reversal mirrors to non destructive testing" Procs Of 6^th European Conference on NDT (1994)

Artículo extraído de NDT.net - May 2002, Vol. 7 No.05, los autores originales de este artículo pueden contactarse en: Email: [email protected], Web: http://www.imaconic.com/
Traducción Martín Sánchez Mtz.