Innovativo sistema di controllo tubi con tecnica Phased Array di seconda generazione

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1 Innovativo sistema di controllo tubi con tecnica Phased Array di seconda generazione C. Gilardoni e collaboratori Gilardoni S.p.A., Via Arturo Gilardoni 1, Mandello del Lario (LC), tel. (+) , telefax (+) , gx@gilardoni.it, sito internet: Sommario L incremento di produttività richiesto dal vasto mercato tubiero e ferroviario impone la necessità di disporre di nuovi strumenti di controllo ad elevate prestazioni. Il nuovo sistema Gilardoni, basato su elettronica FAAST II studiata da Socomate, consente ispezioni in semplice traslazione di tubi aventi diametri esterni compresi tra 15 e 50mm e ispezioni in roto-traslazione per tubi con diametri da 51 a 500mm. La nuova elettronica Phased Array consente la generazione di più fasci ultrasonori al medesimo impulso di PRF; realizzando appropriate configurazioni basate su leggi di ritardo, è ora possibile generare fino a 16 fasci diversamente orientati nello spazio. Questa soluzione, sicuramente all avanguardia, è resa possibile grazie all innovativo sistema di eccitazione della cortina Phased Array: l impulsatore non è più un tradizionale trasmettitore di tipo spike o onda quadra, bensì un generatore lineare in grado di generare un segnale perfettamente sinusoidale con periodo pari ad una semplice oscillazione. La somma ponderata dei vari segnali sinusoidali induce nella cortina le oscillazioni necessarie per la generazione dei fasci ultrasonori. La disponibilità di numerosi angoli di incidenza ad ogni battuta di PRF comporta due grandi vantaggi: elevate velocità di controllo (confrontabili a quelle ottenibili con il sistema testa rotante) ed elevata flessibilità del sistema, in grado di rilevare non solo difetti di tipo trasversale, longitudinale e volumetrico ma anche cricche con orientamento casuale. Per realizzare questo tipo di controllo, Gilardoni e Socomate hanno sviluppato particolari sonde matriciali - dotate al loro interno di una parte di catena di ricetrasmissione in grado di mantenere un elevato SNR nonostante la dimensione ridotta degli elementi utilizzati. Keywords: ultrasuoni, Phased Array, controllo tubi, traslazione, roto-traslazione. 1. Introduzione Il sistema FAAST II è basato su un elettronica Phased Array di nuova concezione in grado di generare contemporaneamente più fasci ultrasonori diversamente orientati nello spazio. Questo grande vantaggio si rivela di fondamentale importanza nei controlli in cui la produttività è fondamentale, come ad esempio nel controllo di tubi in produzione o durante l ispezione di rotaie in opera. Ad oggi Gilardoni e Socomate cooperano al fine di realizzare un sistema chiavi in mano per il controllo di tubi aventi diametri compresi tra 15 e 500mm. In futuro verranno sicuramente sviluppati altri tipi di impianti destinati, ad esempio, al controllo di barre e rotaie ferroviarie.

2 2. Principio di funzionamento Le tre attività principali di sviluppo di questo progetto sono state: - sviluppare un impulsatore in grado di generare un fascio ultrasonoro multi direzionale delle onde in un solo colpo di PRF; - sviluppare delle sonde Phased Array ad hoc per questo tipo di impianti; - implementare un metodo di elaborazione in tempo reale dei dati provenienti da una sonda multi elemento. Il concetto che sta alla base del sistema FAAST II è quello di processare i segnali in arrivo da ogni elemento della sonda senza presumere che derivino da difetti ma semplicemente verificando la coerenza temporale tra gli stessi. Si tratta quindi non più di un semplice signal processing derivante da un sistema multicanale, ma di un analisi dell immagine ricostruita con i segnali provenienti dalla sonda multi elemento. L aspetto più critico è, come si può ben intuire, la gestione di una mole di dati che può variare da alcuni MB/s fino a diversi GB/s a seconda della PRF impostata e del numero di fasci generati. Per esempio se si effettuasse un controllo rotaie a 7kHz si otterrebbe un immagine di 3,84MB ogni colpo di PRF (con un fondo scala di 100 micro secondi); se utilizzassimo una frequenza di campionamento di 50MHz a 16bits, il flusso di dati raggiungerebbe i 26,88GB/s. In questo tipo di controllo il sistema processa, ogni 4mm, i segnali provenienti da 6 differenti fasci ultrasonori (2x70, 2x35, 0 e eco di fondo) in termini di distanza e ampiezza. Ogni eco è digitalizzato su 40bits (16 per l ampiezza e 24 per la distanza). La necessità di utilizzare un algoritmo di compressione di alto livello è dunque fondamentale per consentire un elaborazione real time dei dati in arrivo al microprocessore. Impulsatore L impulsatore, di tipo lineare, rende possibile la generazione contemporanea di più fasci ultrasonori (ad oggi 16 ma a breve potranno arrivare fino a 32) e genera una tensione massima di 70V picco picco. I fasci generati potranno essere della stessa frequenza oppure no, fermo restando di impostare valori situati all interno della banda passante della sonda. I segnali generati sono di natura sinusoidale e sono regolabili sia ampiezza che in frequenza. La durata di ciascun impulso è di un periodo e lo sfasamento temporale avviene con una risoluzione temporale estremamente elevata. In figura 1è esemplificato il principio di funzionamento dell impulsatore lineare. In figura 2 è riportato il confronto tra generazione di fasci ultrasonori con tecnica PA tradizionale e tecnica FAAST II.

3 Figura 1: principio di funzionamento dell impulsatore lineare Figura 2: confronto tra tecnica PA tradizionale e tecnologia FAAST II Il sistema FAAST II standard prevede l utilizzo di 64 canali paralleli accomodati in un particolare PC a slot. Più unità da 64 canali possono essere collegate in rete mediante cavo ethernet.

4 Figura 3: principio di sovrapposizione degli effetti applicato al sistema FAAST II Sonde FAAST II Le sonde utilizzate non sono sonde PA tradizionali ma sono appositamente studiate da Socomate e prevedono al loro interno parte della catena di ricetrasmissione elettronica (impulsatore, multiplexer e preamplificatori). Le sonde possono essere di diverso tipo a seconda del tipo di controllo da effettuare: le sonde utilizzate nel sistema in rototraslazione sono sonde matriciali 8x32 elementi con frequenza 7,5MHz, le sonde utilizzate nel sistema in semplice traslazione sono sonde matriciali 32x32 elementi con frequenza 7,5MHz. In figura 4 è rappresentata una sonda matriciale 32 elementi per 32 elementi con preamplificatore e multiplexer integrato.

5 Figura 4: Sonda matriciale 32 el. x 32 el. con preamplificatore e multiplexer integrato Ricevitore e rappresentazione A-Scan e B-Scan In fase di ricezione, l elaborazione dei segnali avviene decriptando le informazioni contenute nel segnale stesso nel seguente modo (metodo di auto correlazione e segmentazione): Si uniscono con un segmento i massimi assoluti dei picchi di energia di due elementi consecutivi, identificati come elemento j e elemento j+1, se TOF (j) i = 1 a k - TOF (j +1) i = 1 a k T (1) Dove: - TOF (j) i = 1 a k è la posizione temporale del massimo di i, con i che varia tra 1 e k, del segnale generato dall elemento j; - TOF (j+1) i = 1 a k è la posizione temporale del massimo di i, con i che varia tra 1 e k, del segnale generato dall elemento j+1. - T = t + ε, con t = (p*sin(x)) / V, dove p è la distanza tra l elemento j e l elemento j+1, x è l angolo di deflessione massima e ε rappresenta la massima tolleranza accettabile nei processi di calcolo. I segmenti l che vengono generati, unendo due massimi di segnale provenienti da due elementi consecutivi, vengono uniti a loro volta a formare segmenti L derivanti da 4 massimi provenienti da 4 elementi consecutivi (figura 5). Questa unione è governata dallo stesso criterio temporale indicato dalla (1), al quale è però associato anche un secondo criterio basato sulla massima pendenza di una retta interpolante secondo la formula pendenza(l) pendenza(l +1) P (2) dove la pendenza del segmento l e quella del segmento l+1 sono ovviamente quelle associate al segmento l e l+1 e P è un valore limite prefissato di massima differenza di pendenza accettabile tra due segmenti consecutivi. Questa operazione è ripetuta secondo loop prestabiliti per tutti gli elementi facenti parte dell apertura attiva della sonda multi

6 elemento utilizzata, al fine di sommare temporalmente in fase tutti i picchi di energia ultrasonora provenienti da un dato riflettore. Il segmento finale contiene dunque tutte le informazioni necessarie per caratterizzare (dal punto di vista dimensionale e geometrico) i riflettori posti all interno dell area insonorizzata dalla sonda. La dimensione del difetto sarà una funzione della somma dei massimi di energia che giungono al ricevitore mentre invece la posizione sarà funzione dell angolo del fascio ultrasonoro riflesso, a sua volta funzione del coefficiente angolare del segmento completo ottenuto. Figura 5: tecnica di segmentazione per la ricostruzione del segnale

7 In figura 6 è possibile osservare una tipica rappresentazione C-Scan del sistema FAAST II: si possono chiaramente distinguere 16 intagli realizzati in un tubo posti a 22,5 di distanza angolare, tutti perfettamente rilevati dall impianto di controllo Phased Array. Figura 6: rappresentazione C-Scan di 16 intagli in un tubo posti ogni 22,5 3. Performance degli impianti di controllo tubi in fase di realizzazione Attualmente sono previste due diverse configurazioni di impianti: - per tubi aventi diametri compresi tra 15 e 50mm è previsto un sistema in semplice traslazione con 8 sonde appositamente studiate e disposte all interno di una camera ad immersione locale (4 per il range 15-25mm e 4 per il range 26-50mm); il range ispettivo di spessore dei tubi è 1-10mm; la velocità di controllo è di 24 metri al minuto (400mm/s). - per tubi con diametri compresi tra 50 e 500mm il controllo è invece effettuato in roto-traslazione utilizzando una (o più) sonde phased array matriciali. Il range ispettivo di spessore dei tubi varia tra 1 e 50mm. Il controllo dimensionale, se richiesto dal Cliente, viene effettuato a parte mediante il sistema e.rota che utilizza una serie di canali UT tradizionali.