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CHUM - Tomografía

(Probador CSL) Con soporte para Tomografía

Tomografía


[ Descripción general ] [ Tiempo real ] [ Lógica difusa ] [ Paramétrico ] [ Inversión de matriz ] [ 3D ] [ Cortes horizontales ] [ Lectura adicional ]

 

Descripción general:

Mientras que el CSL normal (1D) solo puede mostrar la profundidad de una anomalía, la tomografía puede ayudar a visualizar la forma, el tamaño y la ubicación de las anomalías. Es un método de análisis y presentación de datos CSL capturados, que proyecta los resultados registrados en un plano bidimensional (2D) o en un cuerpo tridimensional (3D).  

 

¿Qué se calcula?

Algunas de las técnicas de tomografía descritas aquí son lineales, asumiendo que las ondas viajan en línea recta. La tomografía suele utilizar los datos de velocidad o energía. Para convertirlos en cantidades lineales, el tiempo de propagación se usa para la velocidad y la atenuación se usa para la energía.

Las técnicas de tomografía más avanzadas utilizan análisis de rayos inclinados y de frente de onda en un enfoque iterativo.

En el CHUM (Cross Hole Ultrasonic Monitor), el operador puede elegir entre tomografía basada en FAT, tomografía basada en atenuación o una combinación de ellas.

 

Registro de los datos:

Existen varios métodos para el registro de datos:

  1.  Codificador de profundidad único (no utilizado por CHUM): La sección transversal se registra tres veces: horizontalmente, +45° y -45°. Las tres secciones transversales se combinan en una fase de posprocesamiento. La distribución de la información es uniforme en toda la sección transversal y no se concentra en las zonas sospechosas. (imagen 1-1).

  2. Dos codificadores de profundidad: Las lecturas horizontales y diagonales se registran en la misma sección transversal. El operador recopila mucha más información sobre los defectos, en cualquier ángulo, y una cantidad normal de datos en buenas secciones de pilotes. Esto da como resultado una mejor resolución y registros más pequeños (mejor distribución de la información) (imagen 1-2)

  3. Múltiples receptores: están encadenados a distancias fijas a la misma línea, los datos recopilados son los mismos que en (1), la sección debe registrarse una vez. Este método, popular en geofísica, apenas se usa en pilotaje.

Explantion of tomography data logging in crosshole testing
Data logging method for Tomography with crosshole testing
imagen 1-1
imagen 1-2

CHUM utiliza los siguientes algoritmos de tomografía: Tiempo Real, Lógica Difusa, Paramétrica e Inversión basada en Matriz. CHUM también admite tomografía de cortes horizontales y 3D.

Vea aquí en (downloads/TomographyDemo.exe) una animación de demostración (¡No requiere configuración!) del proceso de recopilación de datos tomográficos.

 

Tomografía de lógica difusa
(Exclusivo en CHUM)

 

La idea básica: un píxel es tan Sólido*/Bueno* como el Mejor* pulso que lo atraviesa.

Todos los términos marcados con * son valores borrosos: 0.0 significa falso, 1.0 significa absolutamente verdadero. 0.5 puede interpretarse como "quizás" y 0.9 como "muy probablemente". La siguiente tabla resume los operadores lógicos utilizados:

El algoritmo (simplificado):

p and q
p or q
not(p)
min(p,q)
max(p,q)
1-p

El algoritmo (simplificado):

  1. Encuentra el valor X de FAT/atenuación más común de todos los pulsos horizontales. Dado que los pilotes de la vida real son en su mayoría sólidos, este valor representa un  hormigón bueno.

  2. Para cada pulso (incluidas las diagonales), asigne un valor que represente qué tan bueno es. 0=concreto en mal estado, 1=tan sólido como X. el valor se puede calcular mediante FAT, atenuación o una combinación de ambos (control del operador)

  3. Divide el pilote en píxeles, para cada píxel, encuentra todos los pulsos que lo cruzan

  4. Un píxel es bueno si al menos uno de los pulsos que lo cruzan es bueno (borroso "o")

CHUM en realidad está usando un método recursivo más rápido, usando un tamaño de píxel variable:

  1. Comience con toda la sección transversal como un solo "píxel"

  2. si todos los pulsos que pasan por el píxel actual concuerdan*, o si el píxel es lo suficientemente pequeño, entonces

  3. este píxel está hecho y pintado de acuerdo con el valor de los pulsos

  4. además

  5. divida el píxel en dos píxeles (vertical u horizontalmente, según las proporciones) y envíe cada píxel al paso 2

La imagen de la derecha muestra los píxeles que se han utilizado para producir una tomografía. La mayor parte del pilote es sólido y está dividida en grandes píxeles. Las áreas con datos mixtos Buenos* y Malos* se dividen en píxeles más pequeños hasta que los píxeles son lo suficientemente pequeños, o todos los pulsos a través de ellos concuerdan*.

En comparación con los píxeles de tamaño fijo, la cantidad total de píxeles es muy pequeña y los píxeles más pequeños son mucho más pequeños. El método de tamaño de píxel variable tiene una ventaja considerable tanto en el tiempo de cálculo como en la resolución.

CHUM también filtra los pulsos antes de mirar un píxel, para reducir la sensibilidad al ruido. Los detalles del filtro no se presentan aquí por brevedad.

 

Ventajas:

  • Rápido e intuitivo.

  • Excelente relación costo/beneficio.

  • Muy fácil de explicar.

  • Fácil de ver los resultados en el campo y obtener una respuesta inmediata.

  • No se incurre en ningún costo especial

Contras:

  • Siempre muestra una pequeña sombra fantasma triangular.

  • Puede ser sensible al ruido (un filtrado adecuado lo reduce significativamente)

fuzzy.gif
varpix.gif
 
 

Tomografía en Tiempo Real:
(Exclusivo en CHUM)

La tomografía en tiempo real permite ver la forma del defecto mientras se realiza el registro. El operador comienza con ambas sondas en la parte inferior del pilote y comienza a tirar. Al encontrar un defecto, aparecerá como un vacío de ancho completo. En este punto, el operador comienza a bajar y subir uno o ambos cables para registrar en diagonal. Mientras hace esto, la forma del defecto se forma en la pantalla. Una vez hecho esto, se puede aplicar un procesamiento posterior a los datos registrados con cualquier método de tomografía.

La tomografía en tiempo real de CHUM es una versión simplificada de la tomografía de lógica difusa, que no requiere una computadora de alta gama para permitir los cálculos complejos en tiempo real.

Vantajes:

  • Ver las ventajas de la Lógica Difusa

  • Se asegura de que se registre la cantidad correcta de datos: escasos en la parte buena del pilote, densos alrededor de los defectos. La calidad de los datos es el factor más importante para el éxito de cualquier método de posprocesamiento.

Contras:

  • Ver los contras de la Lógica Difusa

  • Sensible al ruido: después de registrar muchas lecturas diagonales a través de un defecto, parece más pequeño o incluso desaparece. Esto se corrige más tarde en el posprocesamiento.

  • Resultados no cuantificables

Tomografía paramétrica
(Exclusiva en CHUM)

 

La idea básica: adivinar la ubicación de un defecto; aplica un modelo directo para calcular cuál sería la FAT/Atenuación. Mueva/cambie el tamaño del defecto hasta que el modelo directo coincida mejor con los datos reales.


Algunas suposiciones simplificadas en CHUM:

  • La posición vertical inicial de un defecto se calcula a partir de los pulsos horizontales 1-D

  • solo existe un defecto en el mismo nivel vertical

  • Los defectos tienen forma de caja (rectángulos en la sección transversal)

  • Los defectos son uniformes (velocidad fija)

  • El cálculo se puede hacer en un defecto a la vez (superposición)

Bajo esos supuestos, sólo hay 5 parámetros para cada defecto (ubicación y velocidad). La profundidad y la altura no cambiarán mucho con respecto a los datos 1D, y es fácil alcanzar la convergencia.
 

El algoritmo:
 

  • Basado únicamente en pulsos horizontales, suponga defectos grandes (ancho completo, altura generosa) en todas las ubicaciones de anomalías 1-D.

  • Para cada defecto:

    •  Calcular el modelo directo

    •  Calcule el error E = f (datos reales, datos calculados)

    •  cambie el vector <X,Y,Ancho, Alto,Velocidad> a la dirección del mayor efecto (descenso de gradiente)

    •  Continúe cambiando en pequeños pasos, hasta que ningún cambio pueda reducir E

    •  Si el defecto es más pequeño que un valor de umbral (5x5 cm), suéltelo   

La tomografía paramétrica puede dar resultados sorprendentemente precisos. Los resultados pueden cuantificar los defectos (por ejemplo: "anomalía de 30x30 cm a 3,5 m").

Ventajas:

  • Rápido e intuitivo

  • No sensible al ruido

  • Resultados limpios y cuantificables

Contras:

  • Simplista (los defectos reales nunca son vacíos en forma de caja, ¿realmente nos importa?)

  • Cuanto más realista es el modelo directo, más tiempo se tarda en calcular.

  • La solución de descenso de gradiente es sensible a los mínimos locales (reducido al probar saltos aleatorios)

parametric.gif
 
 

Inversión basada en matrices

(Totalmente respaldado por CHUM)

Son métodos de tomografía de uso común basados ​​en pseudoinversión de matriz. Ambos se usan tradicionalmente solo en FAT/Velocidad, nunca en atenuación (sin otra razón que la tradición)

Ventajas:

  • Resultados cuantificables (Velocidad del sonido)

  • Sin sombras fantasma

Contras:

  • Lento, requiere poder de cómputo y, por lo tanto, no se realiza comúnmente en el campo, sino como procesamiento posterior en la oficina.

  • Sobreinterpretación: Los problemas de inversión tienen muchas soluciones posibles. La tomografía basada en inversión de matriz tiende a ignorar este hecho y presenta los resultados con alta resolución y alta confianza, lo que lleva al espectador a ignorar el hecho de que la solución NO es única.


Tomografía en 3D

(Totalmente respaldado por CHUM)

Después de tomar varias (3 o más) secciones transversales de diferentes pares de tubos de ensayo, los datos pueden combinarse para trazar una imagen tridimensional del pilote, evaluando el volumen de los defectos y la forma 3D.

La tomografía 3D puede basarse en cualquiera de los métodos de tomografía descritos anteriormente (sin incluir en tiempo real)

Vantajas:

  • mágenes bonitas e impresionantes (generalmente coloridas)

Contras:

  • Datos no procesables: es difícil hacer llamadas de ingeniería de sonido basadas en imágenes...

  • Lento, requiere mucho cómputo

  • A veces requiere módulos de software costosos adicionales o servicios de terceros

  • Bajo valor adicional por costo (la mayoría de los datos se pueden aprender de los gráficos 2D)

Piletest standrad CHUM crosshole 2D tomography
Piletest CHUM 3D Tomography display for crosshole test
 
CHUM3DT.jpg

CHUM3DT es nuestro motor y visor 3D

Vista 3D: rotar, inclinar, panear, zoom, etc.

cortes: vertical y horizontal

Desconchar: oculta altas velocidades haciendo clic en la paleta

y mucho más.

Tomografía de cortes horizontales

(Totalmente respaldado por CHUM)

Un método en el que las secciones transversales 1D y 2D de todo el pilote se combinan para trazar una sección transversal horizontal del pilote a una profundidad específica.

Vantajas:
 

  • Imágenes bonitas e impresionantes (generalmente coloridas)

  • Procesable: puede evaluar con cautela la reducción de la sección transversal y el efecto sobre la capacidad

Contras:

  • Da la impresión equivocada de que se cubre toda la sección transversal. Tenemos poca comprensión sobre el ancho del frente de onda ultrasónica.

slice.jpg
 

Tomografía 3d animada

 

Uso de técnicas 3D de "juegos" existentes para panear, rotar y hacer zoom de forma interactiva en una pila. El usuario puede "volar" hacia los defectos y evaluar su tamaño y forma.

 
Lectura adicional
  • Aki, K. y col. (1974): Anomalías tridimensionales de velocidad sísmica en la corteza y el manto superior bajo la matriz sísmica del USGS California (resumen), Eos Trans. AGU, 56, 1145.

  • Amir, EI & Amir JM (1998): Avances recientes en las pruebas de pilas ultrasónicas, Proc. 3er Seminario internacional de geotecnia sobre cimentación profunda sobre pilotes perforados y sinfín, Gante 1998

  • Khamis Y. Haramy y Natasa Mekic-Stall (2000):  Registro sónico de orificios cruzados y estudio de imágenes tomográficas para evaluar la integridad de estudios de casos de cimentaciones profundas. Administración Federal de Carreteras, División de Carreteras de Tierras Federales Centrales, Lakewood, CO.

  • Robert E. Sheriff y Lloyd P. Geldart (1995): Exploration Seismology, segunda edición. Cambridge University Press 1982, 1995.

  • Santamarina, JC y Fratta, D. (1998): Introducción a señales discretas y problemas inversos en ingeniería civil, ASCE Press, Reston, VA., 327 páginas.

  • Stain, RT, 1982, "Integrity testing", Civil Engineering, págs. 53-72.