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Formación de imágenes ultrasónicas por Difracción de Tiempo de Vuelo (TOFD)
A. Rodríguez, M. Hernández, E. Forero
Formación de imágenes ultrasónicas por Difracción
de Tiempo de Vuelo (TOFD)
A. Rodríguez, M. Hernández, E. Forero
(Recibido: 28 de noviembre de 2010; aprobado: 31 de mayo de 2011)
Resumen
En el presente artículo se describen los progresos logrados en un sistema de ultrasonido diseñado para exploración de cordones de soldadura por medio de la técnica Time of Flight Diffraction (TOFD). Se mostrará el incremento en la rapidez de
exploración al compararla con la lograda en trabajos previos. Con la aplicación realizada es posible generar una imagen
D-Scan de forma casi inmediata, y para lograrlo se diseñó e implementó en Matlab un programa, con el que la tarea se reduce a desplazar un arreglo de transductores sobre una trayectoria rectilínea paralela a la región que se desea examinar. Una
vez almacenadas las señales, el programa se encarga de su respectiva alineación, y posteriormente construir con estas una
imagen bidimensional, en la que se exhiben los perfiles de posibles discontinuidades embebidas en el cordón de soldadura..
Palabras clave - TOFD, barrido tipo A, barrido tipo D, ultrasonido, cordón de soldadura.
Alejandro Rodríguez Martínez: Físico, Especialista Universitario en Ingeniería de Telecomunicaciones, Máster en Ingeniería de Telecomunicaciones,
jairorodriguez@usantotomas.edu.co. Facultad de Ingeniería Electrónica, Universidad Santo Tomás, Bogotá., Carrera 9 No. 51 - 11 Bogotá, Colombia.
Miguel Hernández: miguelhernandez119@hotmail.com. Facultad de Ingeniería Electrónica, Universidad Santo Tomás, Carrera 9 No. 51 - 11 Bogotá.
Edwin Francisco Forero García: Ingeniero Eléctrico, Máster en Ingeniería Electrónica, edwinforero@usantotomas.edu.co, Facultad de Ingeniería Electrónica, Universidad Santo Tomás, Carrera 9 No. 51 - 11 Bogotá.
El artículo es resultado del proyecto de investigación “Diseño y construcción de un sistema de ultrasonido para ensayos no destructivos”, desarrollado por
el grupo Tecnologías Ultrasónicas y financiado por la Universidad Santo Tomás a través de la convocatoria interna de proyectos con recursos del Fondo de
Investigaciones de la Universidad Santo Tomás (FODEIN- USTA).El objetivo del proyecto es evaluar y detectar discontinuidades en materiales sólidos,
los cuales podrían menguar su resistencia y alterar negativamente las propiedades mecánicas.
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Formación de imágenes ultrasónicas por Difracción de Tiempo de Vuelo (TOFD)
A. Rodríguez, M. Hernández, E. Forero
Ultrasonic Imaging Formation
by Time of Flight TOFD Diffraction
The present paper describes the progress achieved in an ultrasound system designed to scan cord welds by means of the
Time of Flight Diffraction technique TOFD. An increase in the speed of the exploration will be shown when comparing
it to previous works.With the application made ​​it is possible to generate a D-Scan image almost immediately. To achieve
these images a program written in Matlab platform was designed and implemented, so that having this tool reduces computational task to move an array of transducers on a straight path parallel to the region you want to examine. Once the signals
are stored, the program designed handles their alignment and then builds with these a two-dimensional image in which the
profiles of potential discontinuities embedded in the cord weld are displayed.
Keywords – TOFD, A-Scan, D-Scan, ultrasound, welds.
Formação de Imagem ultrasonicas por difracção
de tempo de vôo TOFD
Nesta artigo se descreve os progresso alcançados em um sistema de ultrasonido projetado para exploração de soldas através
da técnicaTime of Flight Diffraction TOFD . se mostrara o aumento na velocidade de exploração ao comparar a com estudos anteriores. Com o aplicação feita é possível gerar uma imagem de D-Scan, de maneira quase imediatamente, e para ser
alcançado foi projetado e implementado em Matlab um programa que reduz a tarefa de mover um conjunto de transdutores
em um caminho paralelo direto para a região que se deseja examinar. Uma vez armazenados os sinais, o programa cuida
de seu alinhamento respectivo, e então construir com estas uma imagem bidimensional em a que se exibem os perfis de
possíveis descontinuidades na solda.
Palavras-chave – TOFD, t varredura tipo A, varredura tipo B, ultra-sônico solda.
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I. Introducción
Los ensayos no destructivos permiten la evaluación de un
cuerpo con miras a la detección en su interior de posibles
discontinuidades, grietas u otros tipos de imperfecciones
sin necesidad de alterar su integridad. Ahora bien, como
se sabe, el ultrasonido es una perturbación elástica que
se propaga en forma ondulatoria, de modo que cuando el
campo acústico de la onda incidente interactúa con una
discontinuidad aparece una serie de fenómenos secundarios
tales como: reflexión, dispersión, transmisión y difracción. La reflexión por ejemplo, constituye la base para la
técnica de pulso-eco, consistente en que una onda elástica
enviada por un transductor al interior de la muestra bajo
estudio se refleja en una eventual falla, produciéndose de
esta manera un eco que posteriormente es recogido por el
mismo transductor. Aunque la citada metodología facilita
la localización de fallas al interior del espécimen examinado, no permite diagnosticar las dimensiones de estas,
lo que constituye una dificultad cuya solución subyace en
la distorsión que experimenta un campo acústico más allá
de las fallas; es decir, la difracción producida cuando la
onda intenta rodear los bordes de una discontinuidad. Fue
con base en esta propiedad de las ondas que en 1970, en el
National NDT Centre de Inglaterra, un equipo encabezado
por Maurice Silk propuso una metodología para la solución
de ese crucial problema; esto es, determinar el tamaño de
las discontinuidades utilizando ultrasonido. El fundamento
físico que subyace al fenómeno de difracción es la diferencia
entre el lapso de tiempo invertido por las ondas difractadas
al recorrer distintas distancias detrás de los bordes de un
defecto, lo cual exige dos transductores, uno que oficia como
transmisor T del campo acústico y otro como receptor R del
mismo (Figura 1).
Figura 1. Esquema que ilustra la interacción de una onda
elástica con un defecto embebido en el cordón de soldadura
adicional a las trayectorias seguidas por las ondas difractadas, se
muestran dos más; una que discurre paralela a la superficie de la
probeta llamada onda lateral, y otra producto de la reflexión en
la superficie inferior de la probeta, y denominada eco de fondo.
Cordón de
soldadura
Sección
transversal de
probeta bajo
estudio
Onda difractada por el
borde superior del defecto.
T
R
Onda difractada por
el borde inferior del
defecto.
Defecto o
discontinuidad
Fuente: Autores.
Los cuatro tipos de ondas que aparecen en la figura anterior
ponen de manifiesto el amplio campo acústico de los transductores utilizados con esta técnica denominada difracción
de tiempo de vuelo(TOFD - Time of Flight Diffraction), y
las señales correspondientes a las ondas recibidas por el
transductor receptor se denominan A-Scan debido a que
representan variaciones de la amplitud en función del
tiempo. Al examinar una probeta con ausencia de defectos,
la señal A-Scan muestreada y digitalizada no exhibe las
ondas difractadas; por el contrario, si la probeta tuviese un
defecto la señal A-Scan mostraría los cuatro tipos de ondas:
la lateral, las difractadas tanto por el borde inferior y superior
del defecto y el eco de fondo Figuras 2 y 3).
Figura 2. A-Scan procedente de la región dentro de un cordón
de soldadura libre de discontinuidades
Fuente: Autores.
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Figura 3. Típica forma de la señal A-Scan cuando el campo
acústico del emisor interactúa con una falla
II. Metodología de adquisición de datos
A. Antecedentes
Un sistema prototipo de ultrasonido para ENDU consta
de un excitador, un receptor, transductores o palpadores,
un módulo de procesamiento y otro para exhibición de los
resultados [11] [12].
Fuente: Autores.
Con base en trabajos llevados a cabo por el grupo, en
anteriores artículos se han presentado los fundamentos de
los ensayos no destructivos con ultrasonido ENDU [1], el
diseño y montaje de un sistema de ultrasonido para ensayos
no destructivos [2] [3] y el procesamiento digital de señales
TOFD [4] [5]. La dificultad inherente a las investigaciones
que los gestaron radicaba en la lentitud para llevar a cabo
tales ensayos. Consideraciones de versatilidad, rapidez y
utilidad práctica, condujeron a la implementación de reformas al sistema inicial en términos de software y algoritmos
de procesamiento [6] [7] [8] [9] [10], logrando con ello
sustanciales cambios en la metodología para la adquisición, almacenamiento y presentación de los resultados de
exploraciones con la técnica de Difracción de Tiempo de
Vuelo (TOFD).
La organización del presente artículo será la siguiente.
La sección inicial se dividirá en dos partes: en la primera
parte se detalla la metodología inicialmente utilizada para
el proceso de obtención de la información; y en la segunda,
se muestra una alternativa novedosa para llevar a cabo el
mismo proceso. Posteriormente, una tercera parte constituye
una breve descripción de la técnica de exploración ultrasónica utilizada y, así mismo, de la formación de la imagen
TOFD. En la cuarta sección se presentarán dos algoritmos
para corregir el desalineamiento de las señales A-Scan y, por
último, la quinta sección incluirá las conclusiones.
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En las primeras exploraciones con la técnica TOFD se realizó la adquisición de los datos por medio del osciloscopio
TDS210 de Tektronix mediante una conexión RS232 a un
computador. El procedimiento proporciona un arreglo bidimensional de datos con muestras conteniendo la duración
y la amplitud de las señales. Para completar la transmisión
de datos desde el osciloscopio es necesario esperar entre
2.0 y 3.0 segundos después de solicitar el envío desde el
computador. Luego de transmitidos, los datos deben ser
almacenados por medio de instrucciones manuales en algún
dispositivo de memoria no volátil; por ende, la adquisición
y almacenamiento de una muestra puede tardar de 7.0 a
15 segundos dependiendo de la habilidad del inspector
encargado.
Si se consideran exploraciones de alta resolución es necesario tomar muestras con pasos de 1,0 mm, lo que implica
cientos de muestras en trayectos relativamente cortos. Las
probetas exploradas durante la investigación tienen una
longitud útil de aproximadamente 15 centímetros, lo que
acarrea una duración de 18 a 38 minutos. Posteriormente,
es necesario extraer los 2.500 datos de cada paso de avance para incluirlos en un programa de procesamiento de
señales que permita operar sobre las muestras, para lo cual
es necesario realizar un proceso de “copiar y pegar” con
destino a un archivo en Matlab que permite ensamblar una
matriz bidimensional. Este proceso es manual y requiere la
inversión de 10 a 15 segundos por cada muestra. De nuevo
el proceso demanda un tiempo considerable de entre 25 y
38 minutos para una exploración completa de la probeta,
además de someter al operario a una tarea que produce
fatiga, lo que a su vez puede inducir errores de apreciación
cuando el inspector examina las señales.
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B. Innovaciones
en la metodología
Se logró optimizar significativamente el proceso de adquisición, ya que el nuevo procedimiento se realiza por medio
del osciloscopio TDS1002B de Tektronix a través de conexión USB al computador. Para administrar la conexión es
necesario disponer de la herramienta “Instrument Control”
de Matlab. Luego de instalar los programas requeridos y
configurarlos adecuadamente se obtiene una comunicación
USB con el osciloscopio que permite su control remoto así
como la adquisición y almacenamiento de los datos.
Se diseñaron dos algoritmos: uno que permite establecer la
comunicación con el osciloscopio y seleccionar el canal
a través del cual se logra el control sobre la adquisición
de datos, y otro que permite la captura de los valores de la
amplitud correspondientes a la visualización actualizada en
el osciloscopio. Los citados algoritmos reciben las etiquetas
de identificación que se crean al establecer la conexión y
permiten que el usuario elija el canal. En el siguiente paso,
se le proporcionan dos metodologías de adquisición al usuario. Con la primera la adquisición es continua e indefinida,
mientras que en la segunda el usuario determina la cantidad
de muestras que desea almacenar. En uno y otro caso se
llama a una función que establece una interfaz gráfica facilitando la identificación de la tecla pulsada por el usuario
y que permite pausar, continuar o concluir la adquisición
sin importar en qué momento sea requerido. Luego del
inicio de dicha función, comienza un ciclo que ordena al
osciloscopio la transmisión de los datos correspondientes
a las amplitudes(ignorando el vector correspondiente a su
posición temporal) y los almacena en una posición particular
de una matriz bidimensional. Para concluir la fase de dicho
ciclo, se emite una señal sonora que indica al usuario que el
proceso ha concluido y comienza una nueva repetición del
ciclo dando paso a la siguiente muestra. El ciclo concluye
según la opción elegida por el usuario o si lo ha indicado
por medio de la interfaz gráfica. Una vez concluido este, los
datos son almacenados en un fichero de nombre configurable
de extensión DAT, y el algoritmo requiere 3.0 segundos para
comenzar el proceso de adquisición y tarda entre 1.5 y 2.0
segundos en recibir y almacenar los 2.500 datos provenientes de las amplitudes de una muestra. Esta tarea demanda
5.0 minutos para finiquitar el proceso sin necesidad de la
intervención continua del inspector, lo que representa una
reducción de 70 minutos (92%) en el proceso y elimina el
esfuerzo mecánico que requiere la instrucción manual
III. Técnica TOFD
Como ya se mencionó en la introducción, la difracción de
tiempo de vuelo TOFD [13] [14] requiere la utilización de
dos transductores de ultrasonido, uno de los cuales actúa
como emisor y el otro como receptor. Previamente el transductor emisor ha sido estimulado por una fuente excitadora,
y en consecuencia envía un haz de ondas acústicas al interior
del espécimen bajo estudio. Dado que los campos acústicos de los transductores para estas tareas son amplios, en
ausencia de discontinuidades o grietas su frente de onda se
despliega de modo tal que una parte del mismo se propaga
casi paralela a la superficie en la que están situados ambos
transductores, y otra parte se refleja en la pared posterior
para dar origen a un eco de fondo (Figura 1).
Una de las características más relevantes en la exploración
de soldaduras por medio de la técnica TOFD, consiste en
la obtención de un plano bidimensional conformado por
una sucesión de señales A-Scan [15], que generalmente
se representa en escala de grises, de modo tal que el tono
correspondiente se obtiene de forma proporcional a la amplitud relativa entre las señales. De manera más concreta,
el D-Scan se forma al agrupar una serie de barridos tipo AScan, visualizando una vista superior de dicho agrupamiento
y asignando tonalidades de gris asociadas a la amplitud
relativa de la señal en cada posición, obteniéndose así un
plano que representa un corte transversal de la exploración,
en donde la región superior corresponde a la superficie de
la misma, la región media a la difracción causada por las
discontinuidades de la soldadura [16][17][18][19][20],
mientras que la región inferior representa los ecos de fondo
reflejados por la cara posterior del espécimen bajo examen.
IV. Alineamiento de las señales A-Scan
Un problema que frecuentemente surge en las imágenes
obtenidas después de una exploración TOFD consiste en
una falta de homogeneidad en la posición relativa de las
muestras, la cual es causada por pequeños movimientos
perpendiculares al cordón de soldadura y variación del
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espesor del acoplante acústico, lo que produce la ilusión de
que la superficie del material es curva o rugosa, dificultando,
por tanto, la conclusión por parte del inspector respecto a
la existencia y naturaleza de los defectos. En la Figura 4 se
puede observar un D-Scan que presenta esa problemática.
Figura 4. Imagen D-Scan con carencia de linealidad en la
posición relativa de las trazas
de la placa. El algoritmo aísla una muestra de la matriz
general, y posteriormente le resta el promedio de sí misma
(centrando su posición alrededor del cero en la vertical);
luego se determina la desviación estándar de los primeros
datos correspondientes a la zona previa a la onda lateral,
para poder establecer un patrón de oscilación alrededor
de cero, y que debe ser ignorado al buscar la citada onda.
Figura 5. Detalle de dos muestras A-Scan
sin alineamiento de posición
Fuente: Autores.
Para solucionar la dificultad señalada anteriormente es
necesario que el material explorado tenga una superficie
plana; de lo contrario, la incertidumbre sobre la naturaleza
de la misma no permite diseñar algoritmos que reflejen el
modelo real.
Una primera alternativa consiste en un algoritmo que permite detectar el punto máximo de cada muestra A-Scan en
la matriz de la exploración D-Scan, para luego hallar cuál
es la distancia con respecto a una posición determinada y
corregir su posición agregando o eliminando datos en los
extremos según sea necesario. La eliminación de los datos
extremos no altera la información relevante a la exploración,
ya que está contenida en la región media de cada barrido;
es decir, limitada por las ondas difractadas. En las figuras 5
y 6 se observa este proceso para dos muestras de la matriz.
Sin embargo, el algoritmo únicamente funciona en aquellos casos en los que la superficie y el fondo de material
explorado son planos y equidistantes en todo punto; en
caso contrario, la alineación se realizaría asumiendo la
inexistencia de dichas imperfecciones.
Teniendo en cuenta la limitación descrita, es necesario
implementar otro algoritmo que no dependa de las condiciones del fondo del material; esto es, una metodología
basada en la onda lateral, que sí constituye un sistema de
referencia fiable al momento de establecer la posición
relativa de las observaciones con respecto a la superficie
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Fuente: Autores.
Figura 6. Detalle de dos muestras A-Scan luego de aplicado el
algoritmo
Fuente: Autores.
Se realiza entonces un barrido dentro de la muestra en
busca de los valores mayores a un umbral proporcional a
la desviación estándar calculada, para de esta manera asegurar la obtención de picos significativos en la misma. En
la Figura 7 se observa una comparación entre una muestra
y el resultado de la metodología descrita.
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Figura 7. Muestra A-Scan aislada (superior) y picos mayores
que el umbral de referencia (inferior)
Fuente: Autores.
Una vez se han obtenido los picos se realiza un barrido a
través de la muestra, deteniéndose el proceso cuando se
detecta una inversión de la pendiente que determina el primer pico de izquierda a derecha. La posición de este pico
es almacenada temporalmente para fijar el desplazamiento
que se debe aplicar con el objeto de alinear la muestra con
respecto a las demás. Una vez concluido el proceso para
una muestra, se continúa consecutivamente con todas las
muestras hasta finalizar la matriz de datos. El resultado de
alinear un par de muestras se observa en las figuras 8 y 9.
Figura 9. Vista y detalle de dos muestras A-Scan luego de
aplicado el algoritmo
Fuente: Autores.
Después de realizado el alineamiento el programa muestra
la imagen correspondiente a la matriz original y la imagen
de la matriz alineada. Esta visualización permite encontrar
posibles errores en el alineamiento tal y como se evidencia
en la Figura 10 (obsérvese el círculo que contiene un error
de alineación).
Figura 10. Imagen de la matriz original (superior) y de la
alineada (inferior)
Figura 8. Vista y detalle de dos muestras A-Scan sin
alineamiento
Fuente: Autores.
Fuente: Autores.
Si se encuentran errores en la imagen inferior atribuidos
a variaciones imprevistas en la forma típica del A-Scan,
entonces es necesario corregir la posición deseada para
la muestra. El proceso debe ser realizado manualmente
después de analizarse la muestra, debido a que el cambio
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de forma que produjo el error de alineamiento puede ser
un desperfecto real en la superficie del material, caso en
el cual la posición no correspondería a la calculada por el
algoritmo sino a una posición prevista por el inspector. En
la Figura 11 se observa la muestra que presenta el error de
alineamiento, donde la línea representa la posición ideal
de la onda lateral.
Figura 13. Imagen D-Scan con alineamiento de muestras
Figura 11. Muestra alineada erróneamente
Fuente: Autores.
En la Figura 14 se presenta un diagrama de bloques que
muestra el algoritmo descrito en la sección IV del artículo;
esto es, tanto la parte que realiza la alineación de los A-Scan,
como el encargado de formar las imágenes D-Scan.
Figura 14. Diagrama de bloques que ilustra el algoritmo
Fuente: Autores.
Luego de corregir el desplazamiento se observa la muestra
seleccionada y la matriz general para verificar que no persista el error (Figura 12).
Conjunto de
barridos A-Scan por
exploración de una
probeta
Extraer el primer
A-Scan
Cálculo de la
desviación estándar
Fijar un umbral para
la ventana
Extraer una nueva
A-Scan
Detección y
almacenamientodel
primer pico
Determinación del
signo de la
pendiente
Extracción de los
valores superiores a
la ventana
Figura 12. Visualización de la muestra A-Scan corregida
Fuente: Autores.
V. Conclusiones
Fuente: Autores.
El resultado del procesamiento de todas las muestras por
medio de este programa permite observar los detalles con
una mayor claridad, mostrando una posición relativa más
acorde con las condiciones físicas de la placa explorada
(Figura 13). Se observan imperfecciones en el fondo que
hubiesen producido errores con el primer algoritmo.
Se consiguió solucionar el problema de falsas indicaciones
de eventuales defectos causadas por muestras no alineadas
que se presenta en las imágenes D-Scan obtenidas en evaluación de cordones de soldadura. El procedimiento implementado introduce un algoritmo de alineación de muestras
una vez se han obtenido las señales en forma digital. Este
avance hace más confiable el resultado de la inspección,
por cuanto corrige el desalineamiento de los barridos por
amplitud, introducido por heterogeneidades tanto de la
sustancia de acople, como por rugosidades en la superficie
del espécimen bajo exploración.
De otra parte, los logros de la investigación realizada
condujeron a una notable reducción en la metodología de
adquisición de datos de la técnica de difracción de tiempo
de vuelo; específicamente, de una duración de alrededor de
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80.0 minutos a únicamente 5.0 minutos, lo cual se refleja
en una gran disminución de la fatiga asociada al trabajo de
inspección.
Con la optimización del sistema de ultrasonido desarrollado,
el grupo se beneficia al contar con la instrumentación acorde
para futuros proyectos de investigación.
La combinación de algoritmos implementados constituye un
gran avance en la investigación en tanto que reduce el tiempo y esfuerzo que implica la exploración ultrasónica para
la búsqueda de discontinuidades en cordones de soldadura.
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