Temas de pesquisa

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Uma ampla gama de sistemas eletrônicos são desenvolvidos no Centro de Pesquisa em Tecnologia de Inspeção. Desenvolvimento e pesquisa em eletrônica analógica e digital é realizada, e protótipos de ferremantas, tais como sistemas in-line de monitoramento (pig) ou sistemas submarinos autônomos são testados e analisados.

 

 

Esse projeto visa desenvolver, analisar e avaliar ferramenta programadora de sensor por efeito Hall em sistema integrado (In-system) a pigs geométricos de alta resolução, capaz de programar os parâmetros de calibração de cada sensor Hall individualmente, em etapa posterior a montagem completa de todos os sensores palito no pig. A parte de desenvolvimento desse projeto se concentra tanto no desenvolvimento hardware, firmware e software de controle e configuração.

Análise de dados de inspeção em tempo real requerem desenvolvimento de algoritmos em FPGA a fim de processar dados adquiridos. Uma das aplicações nessa linha abrange a implementação de filtros, tais como filtro casado e transformada de Hilbert, direto em FPGA, o que permite a análise de algortímos de detecção de danos usado em inspeção, seja geométrica ou ultrassônica em tempo real.

Ondas ultrassônicas são amplamente utilizadas em ensaios não destrutivos (NDE) a fim de detectar e medir defeitos. Técnicas de ultrassom apresentam vantagens como baixo custo, robustez, facilidade de instalação e multiplexação, permitindo o uso de redes de sensores distribuídos, ou ferramentas customizadas a cada aplicação. Além disso, ultrassom é um ramo de estudos que possibilita uma larga gama de pesquisas em processamento de sinais tanto analógicos como digitais, em instrumentação de sistemas embarcados e em eletrônica analógica e digital.

O Centro de Pesquisa em Tecnologia de Inspeção (CPTI) trabalha com sistemas ultrassônicos há cerca de 10 anos. O laboratório possui equipamentos de ponta para geração, aquisição e análise de sinais de ultrassom. Dentre esses se destacam: amplificador de potência modelo 2100L E&I com potência de 100W, faixa de frequência de operação de 10kHz à 12MHz, ganho de 50dB e estabilidade de +/- 1.5dB; pré-amplificador modelo 5072PR Olympus com ganho ajustável de -59dB a +59dB e banda de 1kHz a 35MHz; sistema de ultrassom multi-elementos para uso em phased-array Open System LeCoeur Electronique de 32 canais com sintetizador de formas de ondas arbitrárias, conversor A/D integrado de 12 bits acoplado com pré-amplificador de ultrabaixo ruído com ganho programável de até 80dB com banda de até 25MHz, frequência de amostragem de até 80MHz e buffer de recepção e transmissão de 8192 amostras; sistema de ultrassom sem contato por eletromagnetismo EMAT (Electromagnetic acoustic transducer) Ritec RAM-5000 com amplificador de potência integrado de 5kW de potência e receptor super-heteródino; braço robótico manipulador de 5 eixos para varredura por ultrassom; além de equipamentos de ultrassom industriais Olympus Omniscan MX Phased Array e Olympus Epoch.

Oferece-se atualmente os seguintes temas de pesquisa relacionados com ultrassom

A inspeção por ultra-som é considerada uma das mais importantes técnicas de ensaios não destrutivos (END) por oferecer resultados confiáveis. A garantia de integridade dos diversos equipamentos utilizados na indústria do petróleo depende fortemente de tecnologias de inspeção e END. Com o ultra-som é possível, por exemplo, medir corrosão e perda de espessura, localizar trincas, detectar falta de penetração em soldas, entre outras aplicações. O Centro de Pesquisa em Tecnologia de Inspeção (CPTI/CETUC) tem investido fortemente com objetivo de dominar todo o conhecimento necessário para criar um equipamento de ultra-som. O CPTI possui hoje capacidade de oferecer uma solução 100% nacional de inspeção por ultra-som nas técnicas de "pulso-eco" e TOFD (Time Of Flight Diffraction). Os sistemas incluem softwares de análise de dados, a eletrônica embarcada digital, placas eletrônicas de excitação e amplificação de sinais além dos próprios transdutores, fabricados no Brasil pela equipe da Escola Politécnica da USP que integra a rede de pesquisa do CENPES. Os sistemas de ultra-som desenvolvidos pelo CPTI são utilizados em PIGs, scanners, inspeção de casco de navio FPSO e monitoramento de propagação de trincas.

Atualmente investiga-se os seguintes temas:

A medição de espessura por ultrassom encontra aplicações importantes, tais como monitoramento de corrosão. Quando aplicados em pigs de ultrassom, ou sistemas automatizados é importante contar com algoritmos capazes de fornecer a espessura e distância em meio a ecos espúrios e ruídos a fim de mapear por completo todo a área inspecionada. Pesquisa em processamento de sinal e algoritmos são relevantes nesse tema.

[Freitas, M, Jimenez, M, Benincaza, H, von der Weid, J 2008, “A new lossy compression algorithm for ultrasound signals”, 2008 IEEE Ultrasonics Symposium, p. 1885.]

[R. V. Canales and C. M. Furukawa, "Signal processing for corrosion assessment in pipelines with ultrasound PIG using matched filter; 2010 9th IEEE/IAS International Conference on Industry Applications - INDUSCON 2010, Sao Paulo, 2010, pp. 1-6.]

Uma vasta gama de algoritimos de detecção requer a otimização de parâmetros que melhor caracterísem o canal ultrassônico em questão. Pesquisa nessa área envolve a modelagem do canal por parâmetros tais como propagação, atenuação, dispersão, comportamento multimodal, entre outros.

Alagamento de componentes pode ser um problema sério em diversos setores da indústria, tais como em dutos multicamadas de petróleo (risers). O objetivo dessa pesquisa é investigar sistema de detecção de alagamento (existência de água) nas camadas internas do riser pela variação do sinal de ultrassom.

Quando um corpo é submetido a um estado de tensão não nulo a velocidade de ondas ultrassônicas propagantes em seu interior é alterada. Isto é o efeito acustoelástico. A teoria da acustoelasticidade consiste-se de uma relação não linear entre tensão e deformação que rege a resposta dinâmica de uma onda ultrassônica sobreposta à pré-tensão inicial. A manifestação mais imediata desse fenômeno é o atraso do tempo de vôo dos pulsos ultrassônicos, desse modo o efeito acustoelástico pode ser utilizado para medir o nível de carregamento mecânico do meio. Essa aplicação em ondas de corpo é já consagrada há algumas décadas e de ampla utilização, sobretudo através da birrefringência acústica. O uso de ultrassom para medir o nível de tensão é também de altíssima relevância quando a mesma rede de sensores é utilizada para medição de tensão e detecção de defeitos, tais como trincas. Apesar do efeito e aplicação da acustoelasticidade a ondas ultrassônicas de corpo estar já consagrado, o estudo de seu efeito sobre ondas guiadas é bastante recente. Essa teoria específica foi consolidada apenas em 2012 e a primeira aplicação dos seus resultados teóricos em sistemas de medição real ocorreu em 2013. Uma técnica de processamento de sinal bastante aplicável às ondas ultrassônicas guiadas é a inversão temporal. O processo de inversão temporal é um método bem conhecido para a obtenção de ondas focalizadas no tempo e no espaço. No caso de ondas de ultrassom guiadas, o uso de sinais de inversão temporal, compensa a dispersão de cada modo de propagação e a possível reflexão e conversão de modo, recomprimindo e focalizando a onda na posição de leitura. Como já dito, o estudo da acustoelasticidade em ondas guiadas é muito recente. Já a aplicação de técnicas de processamento de sinal às ondas guiadas sob influência da acustoelasticidade, visando à detecção do nível de tensão é uma inovação da presente linha de pesquisa.

É possível simular tanto o efeito acustoelástico quanto a técnica de inversão temporal em ondas de ultrassom guiadas. Uma possível aplicação é a monitoração do estado de tensão mecânica em uma placa metálica. Esse projeto visa investigar, principalmente, por meio de simulações numéricas diferentes condições que otimizem a sensibilidade da técnica de inversão temporal ao sensoriamento de tensão em um meio. A análise numérica permite validar tendências observadas experimentalmente, sobretudo sobre o comportamento frente à banda de frequência da excitação, e ainda estender e analisar a validade da técnica proposta para níveis de tensão mecânica muito mais elevados que os impostos experimentalmente.

[Kubrusly A.C., Pérez N., De Oliveira T. Adamowski J.C., Braga A.M.B., von der Weid J.P, Mechanical strain sensing by broadband time reversal in plates. IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control, v. 63, p. 1-1, 2016.]

[Kubrusly A.C., Pérez N., Adamowski J.C., von der Weid J.P, Strain sensitivity model for guided waves in plates using the time-reversal technique. Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control, IEEE Transactions on 2013, 60:2566-2574.]

Em sistemas complexos, onde ocorre propagação de vários modos de ondas de ultrassom, tais como ondas guiadas em placa, e com possíveis reflexões, cada componente do sinal apresenta sensibilidade distinta a fatores externos, tais como temperatura, pressão ou tensão mecânica. Através de um processo de reconhecimento das componentes mais sensíveis é possível filtrar aquelas mais ou menos sensíveis. Isso permite a síntese de sinais sensíveis ou robustos ao fator externo. A síntese de sinais mais sensíveis é de interesse para medição e monitoramento do fator externo (i.e. temperatura ou nível de tração). Já o uso de sinais robustos é de interesse para interrogar sistemas sujeitos a variação de tensão mecânica e temperatura não desejáveis. Uma primeira investigação nessa direção foi feita a partir de filtro digital com base na coerência espectral de wavelet. Esse estudo, contudo, deve ainda ser estendido. Devem-se comparar alguns processos de filtragem distintos, tais como pela diferença de fase da transformada de Fourier dos sinais de ultrassom e pela técnica do filtro inverso. O compromisso entre a sensibilidade/robustez do sinal e sua eficiência energética deve ser analisado a fim de obter relações qualitativas das vantagens e deficiências da técnica. Objetiva-se com esse estudo específico escrever e publicar um artigo estendido nesse assunto.

                          

[Kubrusly A.C., Braga A.M.B., Pérez N., Adamowski J.C., Oliveira T.F., von der Weid J.P.. Mechanical Strain Monitoring in Plates Using Wavelet Coherence Based Filter of Wideband Ultrasonic Guided Waves. Physics Procedia 2015,c10">:393-397.]

        

A técnica de reversão de dispersão em banda larga aplicada a sinais de ultrassom guiados foi proposta por Xu et al.. Foi demonstrado que a diferença na curva de dispersão em função da espessura do guia de ondas permite a estimação do valor de sua espessura. Propõe-se nessa abordagem o uso da reversão da dispersão em ondas acustoelásticas a fim de estimar o nível de tra& ccedil;ão mecânica em que o guia de onda está submetido. Pela teoria da acustoelasticidade aplicadas a ondas guiadas pode-se questionar se o uso da reversão de dispersão para estimar o nível de tração é tão indicado quanto a aplicação originalmente proposta para estimação de espessura. Essa investigação pode ser feita inicialmente pelo modelo teórico cujo arcabouço foi já desenvolvido. Em seguida a validação por simulações numéricas e também por experimentos controlados, nos quais transdutores de ultrassom para frequência adequada (de 100 a 500 kHz) devem ser usados para excitar e sentir o pulso sônico. Em seguida a técnica pode ser executada em pós-processamento a fim de analisar a sua efetividade e precisão na estimação do valor de tração.

[Xu K, Ta D, Hu B, Laugier P, Wang W. Wideband dispersion reversal of lamb waves. IEEE Trans Ultrason Ferroelectr Freq Control 2014,61:997-1005.]

[Kubrusly A.C., Braga A.M.B., von der Weid J.P Derivation of acoustoelastic Lamb wave dispersion curves in anisotropic plates at the initial and natural frames of reference. JOURNAL OF THE ACOUSTICAL SOCIETY OF AMERICA, v. 140, p. 2412-2417, 2016.]



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