Processamento Digital de Sinais em Ultrassom: Melhorando a Detecção de Ecos, Trabalhos de Mecatrônica

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ERICK WAKAMOTO TAKARABE

RAMON VIEIRA CANALES

BANCADA DE TESTES PARA INSPEÇÃO DE DUTOS POR

ULTRA-SOM

SÃO PAULO

ERICK WAKAMOTO TAKARABE

RAMON VIEIRA CANALES

BANCADA DE TESTES PARA INSPEÇÃO DE DUTOS POR

ULTRA-SOM

TRABALHO DE FORMATURA

APRESENTADO À ESCOLA

POLITÉCNICA PARA OBTENÇÃO DO

TÍTULO DE ENGENHEIRO

ÁREA DE CONCENTRAÇÃO:

ENGENHARIA MECATRÔNICA

ORIENTADOR:

PROF. DR. CELSO MASSATOSHI

FURUKAWA

PROF. DR. NEWTON MARUYAMA

SÃO PAULO

“A risada é realmente.......... um grande.......... Radar!” Maria Alice “Tapa na Pantera” Vergueiro

RESUMO

Este trabalho visa o desenvolvimento de uma bancada de testes para inspeções por ultra-som. Nele estão presentes todas as etapas desde a elaboração do projeto, até a construção da máquina. Os conceitos envolvidos em sinais acústicos de ultra-som serão brevemente descritos, e também a teoria envolvida em uma inspeção de dutos por ultra-som. O sistema construído conta com processamento digital de sinais, que se constitui em um avanço com relação à tecnologia de inspeção atual, baseada no processamento analógico de sinais. No caso do sistema desenvolvido, o processamento é feito em tempo real, e implementado em hardware usando FPGA ( Field Programmable Gate Array ), um dispositivo digital configurável de alta capacidade. Desta forma, é possível criar e testar diversos algoritmos de processamento facilmente. No caso deste trabalho, um algoritmo denominado de “detecção por picos” já será implementado. O projeto da máquina é dividido em duas grandes partes: a mecânica e a eletrônica. Na parte mecânica são apresentados os requisitos do projeto, assim como a solução adotada no que diz respeito à estrutura da máquina. Também foi feita uma análise estrutural, visando calcular a freqüência natural do sistema, para que fosse possível determinar se a estrutura escolhida não iria ter problemas de vibração durante sua operação. Todos os desenhos de fabricação como os de conjunto estão anexados ao trabalho. Já na parte eletrônica serão descritos os equipamentos que foram utilizados para acionar, aquisitar dados, processá-los e controlar o sistema. São apresentados também cálculos para determinar o torque demandando pelo sistema, para que fosse possível selecionar um motor de passo. O funcionamento do sistema é exemplificado com alguns resultados e imagens.

Palavras Chave: Engenharia Mecatrônica. Ultra-som. Inspeção de dutos.

LISTA DE FIGURAS

1 INTRODUÇÃO

Dutos para o transporte de petróleo são usados há muitos anos em larga escala em todo o mundo. Porém, com o passar dos anos, estes dutos estão sujeitos a sofrer problemas de corrosão, principalmente por estarem em ambientes corrosivos (como no fundo do mar ou expostos ao ar livre) e por transportarem fluídos contendo contaminantes (como água salgada e areia) que tendem a se acumular na seção inferior dos dutos, colaborando para a deterioração dessa região. A corrosão severa pode acarretar no vazamento de fluídos tóxicos e inflamáveis, colocando em risco a vida de pessoas e danificando gravemente o meio ambiente. As conseqüências destes acidentes levam ao dispêndio de muito dinheiro, seja para consertar os dutos, seja para tentar remediar os danos causados ao meio ambiente. Para evitar estes acidentes, os dutos devem ser inspecionados periodicamente à procura de regiões danificadas. Porém a inspeção interna de tubulações é uma tarefa complexa e dispendiosa. Em primeiro lugar é desejável que a operação do duto seja minimamente afetada, de modo a evitar prejuízos na produção. Além disso, os diâmetros internos são muito estreitos para que uma pessoa possa fazer a inspeção in situ. Por estes motivos é necessária a utilização de equipamentos que possam ser inseridos na tubulação. Equipamentos desse tipo são conhecidos como pigs instrumentados. Estes pigs servem para levar sensores e outros instrumentos pelo interior de tubulações, e são usados já há cerca de 40 anos como ferramentas de detecção de falhas e perdas de metal em oleodutos. De uma geração tecnológica para outra, mais e mais refinamentos vão sendo introduzidos, seja para simplesmente melhorar o resultado das análises ou para acompanhar novas normas de inspeção [6].

Uma forma de se realizar essas inspeções com pigs é através de ondas acústicas de alta freqüência – o ultra-som. Nesta modalidade, empregam-se os chamados pigs ultra-sônicos, que são equipados com transdutores de ultra-som apontados radialmente para a parede interna da tubulação. O uso de sistemas ultra-sônicos como método de teste não destrutivo é interessante, pois possui algumas vantagens importantes com relação a outras tecnologias, tais como ensaios eletromagnéticos e por raios X. O ultra-som oferece melhor precisão do que as medidas por campo magnético, onde se detectam perdas de material pela variação da relutância da parede do duto. Quando comparado aos testes por raios X, o ultra-som oferece maior facilidade e segurança de operação. O uso de sistemas ultra-sônicos pode, inclusive, ser feito externamente à tubulação. Park [5], por exemplo, apresenta dois tipos de robôs autônomos para a inspeção de espessura de paredes de tubos de caldeiras e tubulações industriais. Estes robôs usam um sistema que mede a propagação do som em seções das paredes do tubo realizando uma inspeção externa do mesmo. Obviamente, esta abordagem somente permitiria a inspeção de trechos descobertos de oleodutos. A abordagem atual para o problema foi usada por Furukawa [2] no desenvolvimento de um pig instrumentado para inspeção de oleodutos. Esta é uma abordagem predominantemente analógica em termos do tratamento do sinal: o momento de chegada do eco é detectado por um circuito de detecção de limiar. Por outro lado, avanços no sentido de melhorar a detecção do sinal são apresentados por Reber [6], que apresenta uma nova geração de ferramentas de inspeção ultra-sônica de alta resolução para inspeção de oleodutos. Seu trabalho sugere o uso de recursos de redução de dados e comenta o uso ferramentas de software usadas para elaborar o controle do sistema. Identifica a realização de ferramentas de inspeção por ultra-som como sendo as mais desafiadoras em termos de processamento de sinal e sugere, pela menção ao uso de FPGAs no tratamento do sinal recuperado,

em dispositivo lógico configurável (FPGA). A função do filtro casado é encontrar uma estimativa otimizada para o tempo de chegada do eco, tendo como informação a priori um modelo do sinal esperado. Em termos matemáticos, um filtro casado pode ser definido como um dispositivo que apresenta uma função de transferência igual ao complexo conjugado do espectro do sinal para o qual ele é “casado” [9]. A abordagem geralmente utilizada para o problema de estimação de um parâmetro determinístico (no caso, o TOA) a partir de observações aleatórias é a estimação de máxima verossimilhança (ML – Maximum Likelihood ). Se X é a variável que se deseja estimar e u é a grandeza aleatória observada, a estimação de máxima verossimilhança consiste em se encontrar o valor de X que mais provavelmente causou ou produziu o valor de u observado. Portanto, um receptor capaz de fornecer estimativas de máxima verossimilhança de TOA de um sinal é um sistema linear cuja resposta impulsiva é o sinal conhecido revertido no tempo. Esse receptor é chamado de filtro casado. A estimativa do TOA é obtida detectando-se o instante de pico da saída do filtro casado. Apesar de ter sua aplicação voltada para navegação de robôs submarinos, o método de tratamento de sinal apresentado é uma resposta para o mesmo problema enfrentado na medição de espessura de paredes de tubos: a detecção correta do momento de chegada do sinal. Faz-se a devida ressalva que o sistema proposto por Lima foi especificado para uma baixa freqüência de trabalho (da ordem de 100 KHz) e para propagação do sinal na água, o que significa que não enfrenta condições tão severas de atenuação do meio no sinal. O presente trabalho, com base nos casos citados, se propõe a estudar a introdução de melhorias no tratamento do sinal de eco recebido pelos transdutores, de forma a melhorar a precisão das medidas realizadas e aumentar a taxa de detecção destes ecos, através da adoção de uma abordagem de processamento digital do sinal recebido.

2 OBJETIVOS

O objetivo deste trabalho é o desenvolvimento de um sistema capaz de realizar a “varredura” de corpos de prova através de ondas de ultra-som. O sistema será desenvolvido do começo ao fim, tanto na parte eletrônica (hardware e software) quanto à mecânica (estrutura do equipamento). O sistema realizará as varreduras através de transdutores de ultra- som colocados em um suporte que se movimentará longitudinalmente. A estrutura é responsável por suportar os transdutores, assim como o corpo de prova e todas as partes responsáveis pela movimentação do sistema. Na parte eletrônica o sistema contará com uma placa conversora A/D para digitalizar os sinais de ultra-som. Com esses sinais digitalizados será possível realizar um processamento digital, de modo a melhorar a detecção dos ecos dos pulsos acústicos. O processamento será feito totalmente por hardware através de uma FPGA ( Field Programmable Gate Array ). Com um sistema deste tipo será possível estudar novas técnicas para realizar inspeções por ultra-som, já que o sistema será preciso nas varreduras, e a reconstituição acústica dos corpos de prova poderá ser comparada com o formato real destas peças. Além da construção do sistema será testada uma nova técnica de detecção de ecos conhecida como “detecção por picos”, e esta será avaliada em relação aos resultados que demonstrar, principalmente em comparação a uma técnica já existente e muito utilizada, a de “detecção por limiar”.

o deslocamento de mais uma, e assim por diante. Assim esses pequenos deslocamentos vão se propagando, fazendo com que a onda se desloque. Devido às propriedades elásticas do meio, os deslocamentos acabam não se dando em apenas uma direção, mas sim indo e voltando, como uma mola, causando o efeito de rarefação e compressão (no caso longitudinal) ou de deslocamento pra cima e pra baixo (no caso transversal).

3.2 A reflexão das ondas

As ondas acústicas se propagam em um meio normalmente até que encontrem uma fronteira, isto é, uma divisão deste meio com outro. A divisão de meios do ponto de vista das ondas ocorre quando há uma mudança na impedância acústica. Assim como temos o conceito de impedância elétrica - a propriedade de um componente impedir mais ou menos a passagem de uma corrente elétrica, em acústica também definimos a impedância de um material como sendo a propriedade que ele possui em transmitir uma vibração acústica com maior ou menor facilidade. A impedância acústica de um material é definida como o produto da densidade do material pela velocidade das ondas no mesmo.

Z = ρ. v

A onda, ao encontrar uma diferença de impedâncias será parcialmente refletida e parcialmente transmitida ao outro meio. A Fig 2 exemplifica esta situação. As frações da onda que serão refletida e transmitida dependem das impedâncias acústicas dos meios ( Z 1 e Z 2 ). O índice de energia refletida R e

o de energia transmitida T são expressos por: 2 2 1 2 1

R Z^ Z

Z Z

= ⎢^ ⎡^ − ⎤

⎣ ⎦ e^

(^2 ) 2 1

T Z^ Z

Z Z

Fig 2 - Reflexão e Transmissão de uma onda acústica

Pode-se perceber que se Z 1 e Z (^) 2 forem muito próximos, praticamente

toda a energia será transmitida (como se não houvesse mudança de meio). Além disso, mesmo que não haja uma troca de meios, as ondas vão perdendo intensidade durante sua propagação devido à expansão da frente de onda, que faz com que a intensidade decaia com o inverso da distância percorrida, e também devido à viscosidade do material.

3.3 O TOA ( Time of Arrival ) e a inspeção por ultra-som

Uma inspeção por ultra-som consiste em levantar o relevo de uma parede ou superfície de um corpo de prova e é feita utilizando-se pulsos acústicos gerados por transdutores de ultra-som, que se refletem nas paredes internas do duto e são recebidas como sinais de eco, pelo mesmo ou por outros transdutores. Conhecendo-se a velocidade da onda no meio, e medindo-se o tempo entre o envio da onda e o recebimento do seu eco (conhecido como TOA, Time of Arrival) é possível determinar a distância entre o transdutor e a parede. Determinando-se estas distâncias seguidamente ao longo de um corpo de prova pode-se reconstruir o relevo do mesmo. O TOA é determinado com base em um instante do eco recebido, por exemplo, no maior pico do sinal. A Fig 3 mostra um exemplo de envio e recebimento dos ecos gerados pelas paredes, e seus respectivos TOAs.

torna mais imprecisa, e desta maneira o resultado da inspeção torna-se menos confiável. Daí vem a necessidade do desenvolvimento de técnicas que melhorem a precisão da estimativa do TOA.

4 PROCESSAMENTO DIGITAL DE SINAIS

Quando um sinal é adquirido em uma situação qualquer, é muito provável que ele contenha ruído, ou não esteja em uma forma que permita sua análise direta. Um exemplo básico disso é quando um sinal sonoro é aquisitado e o objetivo é saber que nota musical é aquela (ou seja, a freqüência do sinal). Para isso é necessário que se faça um processamento do sinal, através de algoritmos matemáticos. O processamento de sinais consiste na análise e/ou modificação de sinais de forma a extrair informações dos mesmos e/ou torná-los mais apropriados para alguma aplicação específica. Este processamento pode ser feito tanto analogicamente como digitalmente. A vantagem de um processamento digital de sinais ( digital signal processing, DSP ) é que se podem empregar algoritmos muito mais complexos e eficientes que em um processamento analógico. O DSP pode ser implementado de diversas maneiras: via software com processadores dedicados, com processadores normais, ou até com circuitos digitais eletrônicos totalmente dedicados. No caso de inspeção por ultra-som, como a freqüência do sinal é relativamente alta (cerca de 5 MHz) é necessário uma conversão analógica/digital muito rápida (cerca de 50 MHz), e além disso, como os percursos de inspeção são longos, a quantidade de dados que deveriam ser guardados é muito grande, logo fica inviável construir um sistema que seja totalmente embarcado. Para resolver este problema é proposto realizar o DSP com um hardware dedicado, isto é, um circuito que trabalhe apenas fazendo o processamento, e em tempo real, de modo a evitar a necessidade de armazenar muitos dados. Para criar circuitos deste tipo pode se utilizar uma FPGA, que é um dispositivo semicondutor programável, no qual podem ser implementados circuitos digitais de elevada complexidade.