TCA2012 1 SOFTWARE DE CONTROL DE UN SISTEMA MULTICANAL PARA LA INSPECCIÓN POR ONDAS GUIADAS, UTILIZANDO LA PLATAFORMA LABVIEW. Autores: Yamilka Ricardo Rodríguez 1, Ernesto Carrillo Barroso 1, Eduardo Moreno Hernández 1, 2 Resumen El presente trabajo muestra los resultados de la programación del sistema multicanal basado en lógica FPGA, que emplea la tecnología Sitau de Dasel SA. El cual se utiliza en los ensayos de corrosión de tuberías de Cupet. El mismo maneja 24 canales ultrasónicos que pueden ser programados a partir de software, haciendo uso de las librerías de funciones que provee el fabricante. Para el desarrollo del software se utilizó la plataforma LabView, la cual es una potente herramienta para el procesamiento digital de señales, debido a la gran cantidad de funcionalidades que posee, su robustez y fiabilidad. Se describen las principales características del software así como su estructura y funcionamiento. Palabras Clave ondas guiadas, sistema multicanal, señales ultrasónicas, LabView. Para el caso de las ondas guiadas fue necesario desarrollar un software que contenga elementos de control así como de procesamiento de señales y presentación en pantalla. Para el desarrollo del software fue utilizado LabView, ya que el mismo se ajusta íntegramente al procesamiento digital de señales. Posee gran cantidad de funciones que implementan tareas típicas del trabajo con señales, así como componentes para la creación de interfaces visuales enfocados al control y monitoreo. Estas características entre otras hacen que el trabajo sea menos engorroso, así como de mayor calidad y precisión. II. MATERIALES Y MÉTODOS I. INTRODUCCIÓN Entre los principales grupos de trabajo del ICIMAF se encuentra el grupo de Ultrasónica, el cual cuenta dentro de sus proyectos el desarrollo de tecnología de ondas guiadas, dicha tecnología permite la detección rápida de la degradación de un ducto en servicio, que por encontrarse en lugares de difícil acceso es casi imposible su inspección, trayendo consigo graves accidentes y pérdida de recursos. Para el desarrollo de tecnología de ondas guiadas se trabaja en colaboración con empresas españolas que proveen parte de la infraestructura para el desarrollo este proyecto. Estas empresas son Tecnalia R&I y Dasel SA. A diferencia del ultrasonido convencional, donde la inspección es localizada, en el sistema de ondas guiadas la inspección se realiza empleando un anillo de sensores para emitir ondas ultrasónicas de baja frecuencia que viajan hacia ambos lados del ducto, logrando de esta manera la inspección de grandes distancias de tubería desde un único punto de aplicación. Para enviar pulsos eléctricos a dichos sensores se utiliza un sistema multicanal fabricado por Dasel, el cual presenta una arquitectura con posibilidades de programación, debido a su tecnología interna basado en hardware reconfigurable, particularmente las FPGA. Este sistema multicanal denominado Sitau posee 24 canales de entrada y salida de señales, las cuales se deben programar y manejar a través de software, para lo cual el fabricante provee librerías con funciones que permiten realizar dicho manejo. 1 ICIMAF, Calle 15 No 551 e/ C y D Vedado La Habana Cuba. 2 Tecnalia R&D, Parque Tecnológico de Alava. País Vasco. A. Ultrasonido de Largo Alcance El ultrasonido de largo alcance se basa en la generación de ondas de placa u ondas de Lamb, que se propagan acorde a la interacción de las ondas de superficie generadas por las reflexiones (con cierto ángulo de incidencia particular) de un haz ultrasónico en las caras de una placa. Estas ondas se propagan varios metros a través del espesor del material pudiendo ser asimétricas (ondas de superficie en fase) o simétricas (ondas de superficie en contrafase) [1]. Por tanto, puede considerarse a las ondas guiadas de ultrasonido como un caso particular de las ondas de placa o Lamb viajando a través de una guía de ondas, típicamente una tubería, que pueden propagarse de tres modos posibles, Fig. 3. [2] Fig. 3. Modos de propagación de las ondas guiadas. B. Principios de detección Mediante la utilización de varios anillos de transductores piezoeléctricos es posible generar ondas guiadas según el sentido en que se coloquen los transductores, que se propagan en ambos sentidos de la tubería. El mecanismo de detección de
TCA2012 2 discontinuidades se basa en que la propagación de estas ondas, se encuentra determinada por la frecuencia de la onda y el espesor de la tubería. En los puntos donde la onda enfrenta un cambio en el espesor del ducto, ya sea que este se incrementa o reduce, una parte de la energía rebota y regresa a los transductores. En el caso de un área corroída, la perdida de espesor será localizada, produciendo una dispersión de la onda incidente y generando una conversión de modo de la onda reflejada. De esta forma, con anillos de transductores capaces de reconocer estas reflexiones asimétricas, es posible determinar a partir del tiempo en que se recibe la onda reflejada la ubicación de la discontinuidad sobre el ducto. [2] C. La detección de defectos mediante ondas guiadas en Cuba y el mundo. En la actualidad con la emergencia de la tecnología y la industria se hace imprescindible la monitorización de los procesos y el aseguramiento de los mismos donde se incluyen equipamiento, maquinarias y al ser humano. En la industria se utilizan diferentes métodos para realizar las acciones de control y seguridad entre los que resaltan las técnicas ultrasónicas. Existen muchas empresas dedicadas a la labor de inspección mediante ultrasonido y específicamente al aprovechamiento de las ondas guiadas. Por solo citar algunas de ellas se puede hablar de Gie SA con sede en Argentina que cubre el área de Latinoamérica y el Caribe, la cual, para la inspección posee equipamiento del fabricante Plant Integrity y el monitoreo digital se lleva a cabo mediante el software Teletest WaveScan. Este software permite controlar la unidad pulsorreceptor, junto con la recopilación y el procesamiento de los datos, la visualización y análisis de los mismos en un formato A-scan, el almacenamiento de los resultados y la generación de informes. También establece la curva DAC (Distance Amplitude Correction) automáticamente a partir de los picos de las indicaciones correspondientes a soldaduras [3]. Otra empresa importante en este campo es Guided Ultrasonics Ltd. Con sede en Londres, esta fabrica todo el equipamiento electrónico, además del software correspondiente, la misma brinda servicios de renta de equipamiento a empresas de todo el mundo que se dedican a la detección por ondas guiadas. Sus productos se registran como Wavemaker G3/G4. El software que acompaña a los equipos electrónicos es WaveProG3/G4 el cual ofrece nuevas opciones de análisis y rutinas automáticas que mejoran en gran medida la productividad y la calidad de los resultados. También puede integrar colecciones de datos, detección de señales de modo convertido, barrido de frecuencia dinámica, detección y configuración del anillo, información de diagnostico detallada, integración de bases de datos de resultados previos, entre otras. [4]. En Cuba se están dando los primeros pasos en el área de la inspección vía ultrasonido mediante las ondas guiadas, centros como el ICIMAF y el CEADEN están llevando a cabo el estudio y aplicación de estas técnicas en la gestión de calidad de procesos industriales. Las empresas extranjeras se caracterizan por brindar servicios costosos, que países en vías de desarrollo no siempre pueden contratar, por lo que sería una alternativa el desarrollo y aplicación de dichos servicios por parte de instituciones y empresas nacionales. Lo que supone ahorros al país y posibles incursiones en el mercado internacional. D. Herramientas utilizadas LabView LabVIEW (Laboratory Virtual Instrumentation Engineering Workbench) es una plataforma y entorno de desarrollo para diseñar sistemas, con un lenguaje de programación gráfico enfocado a sistemas hardware y software de pruebas, control y diseño, simulado o real. Características de la plataforma: - Herramientas gráficas y textuales para el procesado digital de señales. - Visualización y manejo de gráficas con datos dinámicos. - Adquisición y tratamiento de imágenes. - Control de movimiento. - Tiempo Real. - Programación de FPGAs para control o validación. - Multihilo, aprovechando al máximo las ventajas de tener múltiples procesadores. - Múltiples grupos de herramientas y módulos para procesamiento de señales, control, visión, control de motores, generación de reportes, comunicación con bases de datos, etc. - Completar en horas programas que toman semanas escribir en lenguajes tradicionales. - Reutilización de código. - Análisis de Señales con Funciones Integradas de Matemáticas y Procesamiento Digital. [5] Fue considerado como una herramienta viable por las características que posee y el ahorro de tiempo que supone el uso del mismo, aspecto ventajoso respecto a otros lenguajes tradicionales. Librería SITAU Parallel La librería contiene todas las funciones necesarias para programar el sistema multicanal Sitau, comenzando con las funciones SET para la configuración de parámetros de acceso directo, acceso a los parámetros de configuración a través de funciones GET, funciones INFO para obtener información del
TCA2012 3 equipo, funciones de acceso a la librería, funciones de control del procesamiento y funciones de adquisición de datos. De manera resumida el esquema de programación es el siguiente: Requerimientos funcionales del software Partiendo del diagrama de bloques mostrado se derivan las funcionalidades específicas que el software debe cumplir. - Condiciones iniciales Se deben programar mediante el software los valores iniciales de trabajo del sistema multicanal Sitau. Los parámetros a programar inicialmente son: 1. Voltaje de excitación. 2. Rango de trabajo (o profundidad de inspección). 3. Frecuencia de muestreo. 4. Número y canales a excitar. 5. Número y canales a detectar. 6. Retardo de excitación entre los canales. 7. Frecuencia de emisión de los ultrasonidos. 8. Número de ciclos. 9. Dirección del haz ultrasónico. 10. Ganancia y ganancia externa. Fig. 4. Esquema de programación del sistema multicanal Sitau. E. Características del sistema Proceso de transmisión recepción de señales. La tecnología de ondas guiadas parte del concepto de que es un sistema de pulso eco. Por tanto básicamente los conceptos de programación conllevan a los siguientes pasos generales: Estos parámetros se programan a través de las funciones SET de la librería SITAU Parallel. - Excitación del Transductor La excitación de los transductores se programa a través de la función RUN de la librería SITAU Parallel, la cual inicia el ciclo de procesamiento para la adquisición con todos los parámetros definidos. Cada anillo está dividido en 4 cuadrantes y se utilizan 20 canales ultrasónicos. Para el mecanismo de excitación los cuadrantes o sectores de cada anillo, trabajan en forma conjunta en cada anillo. Por tanto lo más importante destacar es que la excitación se realiza en forma de secuencia del primer al segundo anillo con un retardo de un cuarto de periodo de excitación que corresponde a un cuarto de longitud de onda. La ganancia del equipo se divide en dos partes: la ganancia propia del Sitau de 0 a 80 db así como una ganancia de pantalla, es decir un factor matemático que determina la amplitud de la señal a gráficar [6]. - Captura de los ecos Luego de la excitación de los transductores, el anillo comienza a recibir inmediatamente, a través de funciones GET se obtienen las señales para ser analizadas y mostradas en pantalla. Fig. 5. Diagrama en bloque que representa la inspección por ultrasonido de ondas guiadas. Los ecos se reciben de una manera algo diferente a la excitación. Cada señal se registra en forma de un vector de RF. Como tenemos dos anillos y cuatro cuadrantes, se reciben 20 señales o vectores, que podemos clasificar como: Señal (anillo, cuadrante)
TCA2012 4 Detalle importante es que estas 20 señales se deben sumar/restar para dar un solo vector que se graficará en formato RF o modo A, como se explica a posterior. - Análisis de los ecos capturados Las 20 señales capturas pasan por un primer proceso de filtrado digital mediante un filtro de Butterworth 4 orden de pasa-banda, cuya frecuencia central corresponde con la de excitación y su ancho se escoge según la práctica del ensayo. Una vez filtrada la señal se procede a ejecutar un algoritmo de tres agrupamientos por suma y resta, para su posterior presentación en pantalla. La primera de estas agrupaciones es simplemente sumar todas las señales que corresponderán a una primera presentación en pantalla de un modo ya sea RF o modo A de color negro. En este proceso como en los siguientes se debe compensar el retardo entre cada anillo. Mediante esta primera representación se pretende poder determinar o beneficiar los ecos que provienen de reflectores axialmente simétricos como es el caso de soldaduras y que no corresponden propiamente a un defecto. La segunda se basa en restar las señales que provienen de dos sectores opuestos, horizontalmente, mientras que la tercera proviene de hacer la misma resta pero de sectores opuestos verticales [6]. señales de flexión, lo que es similar a un proceso de enfoque en recepción. Se observa otro detalle: los ecos del modo de flexión son polarizados, de ahí la ventaja de dividir en 4 cuadrantes cada anillo. Si la corrosión está en la parte superior (se puede ver en nomenclatura análoga a un reloj las 12 horas), entonces las señales llegan por los cuadrantes superior e inferior (polarización vertical). De forma similar a una corrosión situada ya sea a las 3 o 9 horas, está en un plano horizontal [6]. En resumen: Las ondas horizontal o vertical de flexión proveniente de zonas de corrosión, darán modos A o RF verde y rojo mientras que la señal negra mostrará ecos de la zona de soldaduras (o cortes de tubos). En la realidad las soldaduras van a reflejar algo de señales de flexión (rojo y verde) y la corrosión algo de señal simétrica negra. Por tanto la comparación entre la amplitud de la señal negra vs. Rojo/verde será el indicativo del tipo de reflector. En soldaduras (también cortes de tubo axialmente simétrico), la señal negra tendrá mucha mayor amplitud que las roja/verde y en corrosión serán del mismo orden de amplitud. Ejemplo de esto lo mostraremos en la siguiente sección [6]. - Presentación en pantalla La presentación en pantalla de ordenador se hizo a través de una programación en LabView. Permitiendo definir las condiciones iniciales, así como observar los ecos provenientes de las tuberías. Dos tipos de presentaciones fueron programadas, la primera basada en los trazos negro, rojo y verde y la segunda en negro y rojo, donde en este caso el color rojo corresponde a la sumatoria (por Pitágoras) de los casos rojo y verde previos, Fig. 7. a) y b). Esto último tiene como finalidad detectar rápidamente la presencia de la corrosión independiente del cuadrante mediante los criterios de comparación como se explicó anteriormente. La presentación en RF es directa de la adquisición y la de modo A (o envolvente) se obtuvo mediante transformas de Hilbert. Fig. 6. La zona en rojo corresponde a la sección denominada horizontal asociada al color rojo del modo de presentación. La vertical a la representación verde. En cada sección hay agrupados varios transductores piezoeléctricos que trabajan conjuntamente como uno solo. Esta forma de presentación se mostrará en trazos de modos RF o modo A de color verde o rojo. Resumiendo se puede ver que hay tres modos de presentación, el negro (eco axialmente simétrico) y las roja/verde (ecos no axialmente simétrico) [6]. Ahora bien por qué sumar y restar? La respuesta está en el hecho de que los ecos de los modos simétricos llegan en fase a cada sector de cada anillo. Sin embargo los modos de flexión llegan en contrafase en cada sector debido a su naturaleza no axialmente simétrica. En este último caso al restar, lo que se hace es sumar esas señales a invertir esa contrafase de las Fig. 7.a). Muestra el modo basado en los trazos negro, rojo y verde.
TCA2012 5 plástico. Esto permitió obtener una valoración de la propagación de las ondas en condiciones viscoelásticas de recubrimiento. Fig. 7.b). Muestra el modo basado en los trazos negro y rojo. F. Estructura del software. El software desarrollado está formado por no más de 200 Vis de LabView. La optimización fue una meta durante el desarrollo, por lo que se programaron tareas simultaneas aprovechando la capacidad de trabajo multihilo en LabView, sin afectar el rendimiento del sistema, además de la reutilización de VIs, lo cual permite reducir el código generado, ahorrando espacio en memoria y procesamiento. Fig. 8. Defecto inducido a nivel de laboratorio en una tubería de 6 pulgadas con doble recubrimiento anticorrosivo de plástico. De manera resumida se muestra la estructura jerárquica de los principales componentes. Fig. 9. Detección de un defecto presentado en Modo A. Fig.12. Vista jerárquica de todos los componentes del diagrama de bloques que compone el software. III. RESULTADOS Y DISCUSIÓN Las figuras 8, 9 y 10 muestran los resultados de la detección para un defecto inducido a nivel de laboratorio en una tubería de 6 pulgadas con doble recubrimiento anticorrosivo de Fig. 10. Presentación de la señal en modo Intensidad perteneciente al defecto inducido en el laboratorio.
TCA2012 6 La pantalla principal del software posee varios controles para el ajuste de parámetros como: el número de pulsos, la amplitud, la ganancia del sistema y la ganancia externa, la frecuencia, así como los modos de presentación y parámetros de los filtros utilizados. SÍNTESIS CURRICULARES DE LOS AUTORES Datos Personales Nombre: Yamilka Ricardo Rodríguez Fecha de nacimiento: 14 de Septiembre de 1987 Dirección: Colón #209 Apto. 4 entre Hidalgo y Estancia. CI: 87091426018 Estado Civil: Soltera Datos Profesionales Grados Obtenidos -Graduada como Ingeniera Informática, en la Universidad de Ciencias Informáticas, en el 2011. -Se encuentra cursando Maestría de Cibernética Aplicada en el Instituto de Cibernética Matemática y Física. Cursos de postgrado recibidos: Fig. 11. Interfaz principal del software. IV. CONCLUSIONES Se desarrolló la programación del sistema ultrasónico de ondas guiadas Sitau. Se utilizaron técnicas ultrasónicas modernas para el análisis y presentación de señales. Se logró presentar en diferentes modos la detección de defectos en tuberías, además de brindar la posbilidad de configuarar los parametros del sistema multicanal Sitau mediante un software robusto y fácil de usar. Se utilizaron tecnologías de desarrollo actuales y novedosas. Se pretende avanzar en este proyecto así como en aumentar las capacidades y funcionalidades del software. REFERENCIAS [1] Dr. Eduardo Moreno Hernández. Propagación de ondas mecánicas y aplicaciones de los ultrasonidos del curso Transductores Ultrasónicos para medicina y Aplicaciones Industriales. Mayo 2007 ICIMAF. [2] Moreno et al. Diseño y construcción de transductores anulares para modo L y T. Reporte de investigación. Noviembre 2011 ICIMAF. [3] GIE.Inspección por ondas guiadas. Equipamiento. Consultado: [24-10- 2012] Disponible en: http://www.ondasguiadas.giemdp.com.ar/equipamiento.html [4] Guided Ultrasonics Ltd. Wavemaker Pipe Testing. Wavemaker Pipe Screening System. Consultado: [24-10-2012] Disponible en:http://www.guided-ultrasonics.com/public2012/?page_id=772 [5]National Instruments. Empezando con LabView. Consultado: [26-10- 2012] Disponible en: http://www.ni.com/academic 1. Complementos de Electrónica. (38 horas). Facultad de Física, UH, 2011. 2. Bases de datos y datawarehouse. (20 horas). ICIMAF, 2011. 3. Minería de datos. (20 horas). ICIMAF, 2011. 4. Recuperación de información y minería web. (20 horas). ICIMAF, 2011. 5. Inteligencia organizacional. (20 horas). ICIMAF, 2011. 6. Metodología de la investigación científica. (30 horas). ICIMAF, 2012. 7. Estadística. (20 horas). ICIMAF, 2012. 8. Introducción al cálculo paralelo. (20 horas presenciales, total 50 horas). ICIMAF - UH, 2012. Experiencia profesional - Trabaja en el Instituto de Cibernética Matemática y Física (ICIMAF), desde 2011-actualidad. Publicaciones y reportes de Investigación Sistema para la Gestión de envíos de mensajes SDS bajo protocolo WAP. Jornada Científica ICIMAF, 2011. Programación de un sistema multicanal basado en lógica FPGA, utilizando la plataforma LabView Y. Ricardo Rodríguez, reporte de investigación, ICIMAF 2012. Investigación Colaborativa Trabajo en el proyecto de programación de un equipo multicanal basada en FPGA para enfoque en transmisión recepción, realizado en LabView. Este proyecto muestra los resultados de la programación realizada en Labview del sistema ultrasónico de ondas guiadas que emplea la tecnología Sitau de Dasel SA (España). El mismo se emplea en los ensayos de corrosión de tuberías de Cupet. Este sistema maneja 24 canales ultrasónicos que pueden ser programados a partir de software, utilizando las librerías dadas por el fabricante. Dicho sistema presenta, un núcleo basado en tecnología de hardware programable o FPGA. [6]Eduardo Moreno, Ernesto Carrillo, Benjamín Rubio, Nekane Galarza. Programación lógica multicanal basada en FPGA para enfoque en transmisión y recepción. Reporte de investigación. Septiembre 2012 ICIMAF.