Amplitude Fidelity – Độ trung thực của biên độ trong TFM là gì và ảnh hưởng của nó đến kết quả kiểm tra

Tóm lược

Độ phân giải lưới của phương pháp siêu âm lấy nét tổng thể (TFM) phải được xác định cẩn thận để mang lại khả năng phân loại và định cỡ đáng tin cậy trong quá trình kiểm tra. Sử dụng cánh tính toán Độ trung thực biên độ của thiết bị kiểm tra siêu âm TFM OmniScan X3, người dùng có thể dễ dàng xác định độ phân giải lưới tuân thủ theo yêu cầu của các tiêu chuẩn. Thông tin trong bài viết này cung cấp mô tả tóm tắt về cách sử dụng giá trị Độ trung thực biên độ. Để biết thêm chi tiết, tham khảo vài viết gốc “TFM amplitude Fidelity Reading.

Giới thiệu

Việc chấp nhận và tiêu chuẩn hóa phương pháp lấy nét tổng thể (TFM) như một kỹ thuật kiểm tra mảng pha (PA) sử dụng các khái niệm và tham số mới sẽ được xác định bởi toán tử, như vị trí và độ phân giải của lưới TFM.

Lưới phải có độ phân giải đủ cao để cung cấp khả năng phát hiện khuyết tật đáng tin cậy, nhưng không quá cao do sẽ làm giảm năng suất kiểm tra và tăng gánh nặng bộ nhớ của thiết bị. Các mã và tiêu chuẩn kiểm tra mới yêu cầu độ phân giải lưới cung cấp giá trị độ trung thực biên độ từ 2 dB trở xuống. Độ trung thực của biên độ (AF – Amplitude Fidelity) tương ứng với độ biến thiên biên độ theo decibel gây ra bởi độ phân giải thấp hay cao của lưới.

Độ trung thực của biên độ trên thiết bị OmniScan X3 cung cấp cho người dùng một giá trị tính toán theo lý thuyết và có thể được sử dụng để điều chỉnh cài đặt độ phân giải lưới TFM để tuân thủ theo các yêu cầu trong tiêu chuẩn.

Tầm quan trọng của độ phân giải lưới trong kiểm tra TFM

Hình 1 minh họa đáp ứng biên độ điển hình của điểm phản hồi xung, được phát hiện bằng kỹ thuật TFM echo-echo. Đáp ứng của xung tín hiệu được hiển thị bằng bản đồ màu: giá trị biên độ tối đa tương ứng với vùng màu đỏ và biên độ bằng không là màu trắng. Mỗi hình elip màu tương ứng với một độ cao biên độ khác nhau, đó là do giá trị của tín hiệu được chỉnh lưu. Mỗi chữ thập màu xám đại diện cho một điểm đánh giá của lưới TFM, khoảng cách ngang và dọc giữa các điểm liền kề tương ứng với độ phân giải lưới ngang và dọc tương ứng. Mũi tên màu xám nét đứt thể hiện trục truyền âm (nghĩa là hướng của dao động tín hiệu). Kích thước điển hình cho một bộ tán xạ như thế này được minh họa dưới dạng độ dài bước sóng trung tâm của đầu dò ( λ0= c / f0).

Hình 1 - Biểu diễn thang màu của hình ảnh TFM với biên độ được chỉnh lưu giả định sử dụng tín hiệu xung băng thông lớn. Trục truyền sóng âm được hiển thị cùng với các kích thước tán xạ gần đúng theo bước sóng trung tâm của đầu dòλ0.
Hình 1 – Biểu diễn thang màu của hình ảnh TFM với biên độ được chỉnh lưu giả định sử dụng tín hiệu xung băng thông lớn. Trục truyền sóng âm được hiển thị cùng với các kích thước tán xạ gần đúng theo bước sóng trung tâm của đầu dòλ0.

Yêu cầu về độ trung thực của biên độ được xác định là độ biến thiên biên độ cực đại theo decibel, giữa mức cực đại thực (vùng màu đỏ) và biên độ cực đại nhỏ nhất được đo theo lưới TFM. Nói cách khác, độ trung thực của biên độ là độ biến thiên biên độ của cực đại đo được trên lưới TFM, với độ phân giải không đổi, di chuyển theo mọi hướng. Do đó, có thể đo thực nghiệm sự thay đổi biên độ bằng cách di chuyển lưới TFM và ghi lại biên độ cực đại trong vùng quanh khuyết tật phát hiện được. Tại một số vị trí, mức tối đa thực sẽ nằm trực tiếp trên điểm đánh giá lưới TFM (sẽ cóAmax) và tại thời điểm khác, nó sẽ được đặt trực tiếp ở vị trí giữa hai điểm đánh giá (sẽ có Amin). Phương trình được sử dụng để tính độ trung thực biên độ được đưa ra dưới đây.

AF = -20 log10⁡(Amin / Amax )

Trong khi đo lường thực nghiệm về độ trung thực biên độ có thể được sử dụng, nếu đi theo hướng này, cần tới 7 tới 10 trang tài liệu quy trình để thực hiện. Olympus với cách tiếp cận sử dụng một mô hình âm học đơn giản được đề xuất ở đây cho giá trị AF tức thời và loại bỏ các sai sót do người sử dụng.

Nền tảng lý thuyết của AF trên OmniScan X3

Thiết bị siêu âm TFM/FMC OmniScan X3 tính toán giá trị Độ trung thực biên độ (AF) dựa trên dạng sóng Gaussian, thường được sử dụng trong các kỹ thuật hình ảnh NDT. Một ví dụ về dạng sóng này được biểu diễn ở dạng phức tạp trong hình 2, trong đó đường cong đồng mức màu đen biểu thị tín hiệu xung-âm điển hình dọc theo trục truyền âm (xem hình 1).

Hình 2 - Biểu diễn dạng sóng Gaussian. Trục truyền (trục x) được biểu diễn theo liên hệ đến bước sóng tần số trung tâm của đầu dò (λ0).
Hình 2 – Biểu diễn dạng sóng Gaussian. Trục truyền (trục x) được biểu diễn theo liên hệ đến bước sóng tần số trung tâm của đầu dò 0).

Với một mô hình đơn giản, có thể tính toán sự thay đổi biên độ lý thuyết theo tần số đầu dò, tốc độ sóng âm của mẫu kiểm tra và giá trị của độ phân giải lưới TFM. Cách tính toán này đưa ra một giá trị an toàn vì nó chỉ xem xét sự thay đổi biên độ theo hướng truyền âm. Độ trung thực của biên độ thực nghiệm sẽ luôn thấp hơn do độ rộng của xung tín hiệu phản hồi sẽ tán xạ dọc theo trục truyền âm.

Do các tín hiệu TFM được chỉnh lưu (giá trị tuyệt đối), phương trình sau tương ứng với dạng sóng Gaussian được chỉnh lưu, trong đó ρ biểu thị khoảng cách dọc theo trục truyền, c là tốc độ âm trong mẫu kiểm tra, σ là mối quan hệ giữa băng thông đầu dò BW và tần số góc trung tâmω0 vàk0 tương ứng với tần số sóng trung tâm. Tần số sóng k0 và băng thông được tính bằng các phương trình sau:

g(ρ) = | e(-ρ2 / (2c2 σ2)) cos⁡(k0ρ) |
k0 = ω0 / c
σ= √(8 ln⁡2 ) / (BW ω0 )

Xét theo trường hợp xấu nhất, biên độ tối thiểu được lấy từ cả hai phía của đỉnh, ở khoảng cách tương ứng với một nửa chiều dài đường chéo lưới Δd, thu được bằng cách sử dụng độ phân giải lưới theo trục Δx và độ phân giải lưới theo trục độ sâu z.

Δd = +√(Δx2 + Δz2 )

Do đó, độ trung thực của biên độ AF có thể được tính bằng phương trình sau

AF = -20 log10⁡ (g(ρ = Δd / 2))

Xác nhận thực nghiệm

Mô hình lý thuyết được sử dụng để so sánh với dữ liệu thực nghiệm từ hai thiết lập khác nhau (đầu dò tiếp xúc và đầu dò góc sử dụng sóng cắt) trên tổng số bốn lỗ khoan cạnh (SDH). Các giá trị Độ trung thực biên độ thực nghiệm và đo bằng cách tính toán lưới TFM ở các độ phân giải lưới khác nhau, từλ0 / 20 đếnλ0 / 3, sau đó di chuyển lưới theo mọi hướng theo khoảng cách nhỏ để đo phản hồi nhỏ nhất (Amin) và lớn nhất (Amax) tối đa.

Hình dưới đây cho thấy sự so sánh giữa giá trị Độ trung thực biên độ lý thuyết (đường cong trơn) và phép đo thực nghiệm (đường cong nét đứt). Để chứng minh tính tin cậy cho trường hợp xấu nhất, các giá trị độ trung thực biên độ lý thuyết đã được tính toán sử dụng độ phân giải lưới dọc theo trục x và z (đường cong màu xanh) và khi sử dụng độ phân giải đường chéo (đường cong màu cam).

Hình 3 – So sánh Độ chính xác biên độ thực nghiệm và lý thuyết cho các trường hợp sử dụng TFM. Ở bên trái: trường hợp sử dụng đầu dò thẳng (chế độ L-L). Ở bên phải: trường hợp sử dụng nêm góc (chế độ T-T). Đường cong nét đứt màu đỏ đại diện cho yêu nhỏ hơn 2 dB trong các tiêu chuẩn.

So sánh cho thấy độ chính xác biên độ được tính toán trong thiết bị siêu âm TFM OmniScan X3 cung cấp các giá trị đủ an toàn để đảm bảo rằng các yêu cầu kiểm tra (theo phụ lục bắt buộc cho TFM mới trong ASME) được đáp ứng đầy đủ. Nó cũng chứng minh rằng giá trị Độ trung thực biên độ 2 dB đạt được ở độ phân giảiλ0 / 7, gần với trường hợp thực nghiệm trong trường hợp xấu nhất làλ0 / 6.

Phần kết luận

Độ phân giải lưới TFM là một tham số quan trọng cần phải xác định trước khi kiểm tra. Các mã và tiêu chuẩn hiện yêu cầu người dùng xác định độ phân giải lưới cần thiết và phải đảm bảo giá trị Độ trung thực biên độ từ 2 dB trở xuống. Trên thiết bị siêu âm TFM OmniScan X3, Độ trung thực của biên độ được tính toán tự động và hiển thị tức thời ngay trước khi kiểm tra, cung cấp một giá trị an toàn về mặt lý thuyết để người vận hành có thể tập trung vào các công việc khác mà không cần tiến hành các thí nghiệm tốn thời gian.

Thiết bị sử dụng trong bài viết