Sprzęt NDT
Wyprzedaże sprzętu i wyposażenia NDT |
Badania radiograficzne technikami cyfrowymi
-
Historia radiografii - nowe początki
-
Digitalizacja radiogramów
-
Radiografia obliczeniowa CR
- A - wkładka “T” z mosiądzu do określenia stabilności pracy lasera
- B - wzorce typu Duplex wg EN 462-5
- C - spirala szerokości 2mm z taśmy ołowianej o stałym skoku 0,1mm do określenia osiowania wiązki promieniowania
- D - podwójne wskaźniki jakości par linii zbieżnych o malejącym odstępie
- E - punkty do pomiaru korekcji czułości systemu
- F - wskaźnik pozycjonowania kasety
- G - pasek aluminium o jednakowej grubości do oceny jednorodności zaczernienia obrazu
- H - Płyta z PMM o grubości 10mm i wymiarach 350x430mm
- I - linijka cal/mm do sprawdzenia liniowości i równomierności skali obrazu
- J - wskaźniki jakości kontrastu wykonane ze stali SS, miedzi i aluminium
- 1 - strona źródła promieniowania
- 2 - strona płyty obrazowej
- 3 - prześwietlana płyta - fantom CR
-
Radiografia cyfrowa DR - Digital Radiography
-
Oprogramowanie
- programy symulacyjne
- programy do akwizycji obrazów z radiogramów, płyt IP oraz systemów radiografii cyfrowej bezpośredniej i pośredniej
- programy ADDR Automatic Defect Detection and Recognition - do automatycznego wykrywania i rozpoznawania wad
-
Tomografia komputerowa
-
Wnioski
Po długim okresie “emigracji wewnętrznej” spowodowanej głównie awarią w elektrowni atomowej w Czernobylu metoda radiograficzna powraca na swoje zasłużone miejsce w badaniach nieniszczących z nowymi ogromnymi możliwościami. Laboratoria czołowych firm zajmujących się radiografią oraz naukowcy prowadzili przez ostatnie lata ciągłe badania i doskonalili metodę w różnych jej elementach. Do najważniejszych osiągnięć i kierunków dalszego postępu należy zaliczyć:
- źródła promieniowania X o mikronowych wielkościach ogniska z możliwością korekcji widma promieniowania i wymiany anody.
- Zastąpienie filmów radiograficznych poprzez wprowadzenie i udoskonalanie płyt luminoforowych o rozdzielczości obecnie 50μm lecz 10 μm należy się spodziewać w niedługim czasie
- Rozwój detektorów radiografii bezpośredniej w kierunku wzrostu zakresu pracy dla energii większych powyżej 100-150kV oraz rozwój radiografii rozproszeniowej.
- Rozwój detektorów radiografii pośredniej opartej na technologii CMOS w kierunku uzyskiwania rozdzielczości kilku mikronów oraz detektorów elastycznych.
- Upowszechnienie radiografii w czasie rzeczywistym i tomografii komputerowej tak, że stanie się powszechnym wyposażeniem każdego szanującego się laboratorium.
- Rozwój oprogramowania wspomagającego ocenę radiogramów i systemów oceny automatycznej opartej na sieciach neuronowych w produkcji wielkoseryjnej.
-
Literatura
- EN 14096-1:2003 Non-destructive testing - Qualification of radiographic film digitisation systems. Part 1: Definitions, quantitative measurements of image quality parameters, standard reference film and qualitative control.
- EN 14096-2:2003 Non destructive testing - Qualification of radiographic film digitisations systems. Part 2: Minimum Requirements.
- S.C.Sood CIT; Corrosion Assessment with NDT digital radiography.
- H.Shirai; Fuji Photo Film Co. Ltd; New CR System Announcement. 12th A-PCNDT 2006 Asia Pacific Conference on NDT.
- EN 14748-2:2005 Non-destructive testing - Industrial computed radiography with storage phosphor imaging plates. Part 2: General principles for testing of metallic materials using X-rays and gamma rays.
- EN EN 14748-1:2005 Non-destructive testing - Industrial computed radiography with storage phosphor imaging plates. Part 1: Classification of systems.
- EN 462-5:1999 Badania Nieniszczące. Jakość obrazu radiogramów. Wskaźniki jakości obrazu typu podwójny pręcik, wyznaczanie nieostrości obrazu.
- U.Ewert; U.Zscherpel; K.Bavendiek: Replacement of film radiography by digital techniques and enhancement of image quality
- T. Chady; Automatic defect detection and recognition, Filmfree European Project FP6.
- T.Kersting; N.Schonartz; L.Oesterlein; A.Liessen: High end inspection by filmless radiography on LSAW large diameter pipes - Europipe GmbH; Digital Industrial Radiology and Computed Tomography - Lyon 2007
Od czasu ogłoszenia wynalazku Roentgena minęło już ponad 100 lat. Natomiast wynalazek materiału światłoczułego, na którym obraz udało się utrwalić został dokonany w końcu XVIII wieku, czyli minęło od tego momentu już ponad 200 lat. Zatem przez ponad 100 lat wynalazki te zsumowane do postaci radiografii służyły człowiekowi w rozwiązywaniu wielu problemów medycznych i technicznych będąc jedynie modyfikowane w celu uzyskiwania lepszej jakości obrazu. Generalna zasada polegająca na zastosowaniu źródła promieniowania oraz materiału światłoczułego w postaci emulsji z halogenków srebra pozostała niezmieniona.
Ostatnie 30 lat ogromnego postępu w dziedzinie informatyki rozpoczęło erę “digitalizacji” niemalże wszystkiego, co się wokół nas dzieje. Również fotografia, czyli dziedzina bliska radiografii o której tutaj jest mowa przeobraziła się w ciągu ostatnich 10 lat w fotografię cyfrową. Digitalizacja weszła w tę dziedzinę i rozprzestrzeniła się błyskawicznie opanowując nawet fotografię artystyczną.
W radiografii medycznej i przemysłowej procesy digitalizacji - “ucyfrowienia” zaczynają znajdować uznanie a nawet powszechne zastosowanie w niektórych dziedzinach. Ze względu na znacznie większe nakłady na rozwój branży medycznej oraz inne wymagania jakościowe radiografia medyczna jest jakby bardziej zaawansowana w nowej technice. Radiografia przemysłowa wykorzystuje doświadczenia już zdobyte w medycynie i modyfikując je oferuje dla sektora przemysłowego NDT.
Radiograficzne systemy przemysłowe oparte na promieniowaniu rentgenowskim oraz izotopowym są poddawane digitalizacji w celu zastosowania nowoczesnych narzędzi komputerowych do obróbki i analizy obrazu oraz w celach archiwalnych.
Skanery do digitalizacji radiogramów są klasyfikowane w zależności od parametrów technicznych ściśle określonych w normie EN 14096 [1], a mianowicie: przestrzenna rozdzielczość, przestrzenna liniowość, zakres gęstości optycznej, czułość kontrastowa gęstości i krzywa charakterystyczna przetwarzania obrazu. W celu praktycznej oceny powyższych parametrów wykorzystywane są specjalnie zaprojektowane filmy referencyjne pozwalające określić nieostrość obrazu z rozdzielczością do 10μm. Na dzień dzisiejszy maksymalna rozdzielczość oferowanych skanerów wynosi 50μm, ale 10μm jest już tylko kwestią czasu.

Przedstawiony na rysunku obok skaner błon przemysłowych firmy GE FS50B skanuje w rozdzielczości od 500 do 50 μm radiogramy wykonane w zakresie gęstości optycznej od 0,05 do 4,7D i tym samy spełnia wymagania dla skanerów klasy DS. Pozostałe klasy skanerów [2] DB oraz DA pracują dla zakresu gęstości optycznej do 4,0 i 3,5D oraz zapisywane są z nich obrazy w matrycy 10 bitowej, czyli w 1024 stopniach szarości, co niestety przestaje być standardem.
Obecnie występujące na rynku oprogramowania: DYNAMIX HR z Fuji, Kodak INDUSTREX ACR 2000 oraz RHYTHM z GE przyjęte w radiografii cyfrowej oparte są na skali 12 bitowej czyli każdy pixel obrazu jest przedstawiony w 4096 poziomach szarości. 12 bitowy zapis obrazu ma niestety również swoje ujemne strony w związku z olbrzymimi wielkościami plików i potrzebą posiadania szybkich procesorów w komputerach. Klasyczny radiogram 10 x 48 cm może mieć wielkość około 200 MB, co dla przeciętnego laboratorium, przy wykonaniu około 50 radiogramów dziennie przez 150 dni w roku wymaga dysków o pojemności 1500 GB.
Digitalizacja obrazów radiograficznych nie jest tylko sposobem archiwizacji. Stanowi ona przedmiot zapisu obrazu umożliwiając operowanie znakomitymi i bardzo pomocnymi narzędziami występującymi w różnych oprogramowaniach. Wprawdzie oko ludzkie jest doskonałym narzędziem i dotychczas wystarczającym w ocenie radiogramów, a obraz zeskanowany jest zawsze niższej jakości aniżeli oryginalny radiogram na filmie, to takie cele jak powszechny pomiar ubytków erozyjnych, grubości ścianki rurociągów, możliwość zastosowania przeróżnych filtrów obrazowych i wzmacniających szczegóły jest niezwykle ważna i pożyteczna [3].


Computed Radiography CR - Radiografia obliczeniowa na luminoforowych płytach obrazowych (IP - Image Plate) czasami błędnie określana nadal mianem radiografii komputerowej polega na uzyskaniu obrazu radiograficznego na płytach luminoforowych i przeniesieniu poprzez skanowanie laserowe i konwersję na obraz cyfrowy do komputera.

Oprócz klasycznych giętkich płyt obrazowych o grubości rzędu 200 μm wsuwanych ręcznie do kaset na czas ekspozycji i wysuwanych na czas skanowania producenci oferują również kasety stałe z płytami obrazowymi uzupełnione dodatkowo filtrami w postaci folii ołowianej wzmacniającej oraz ekranami z folii ołowianej tylnej pochłaniającej promieniowanie rozproszone.
W systemie CR do podstawowych czynników wpływających na jakość systemu należą: nieostrość geometryczna, SNR - stosunek sygnału do szumu, rozproszenie oraz kontrast [6].
Klasa systemu |
minimalny gradient współczynnika szumu dla: |
stosunek sygnału do szumu |
|||
Świat ISO 11699-1 |
Europa CEN 584-1 |
USA ASTM E1815-01 |
Japonia K7627-97 |
D=2 powyżej Do |
D=2 powyżej Do |
G2/σ |
SNR |
||||
T1 |
C1 |
specjalna |
T1 300 130 | ||
C2 |
I |
270 |
117 |
||
T2 |
C3 |
T2 |
180 |
78 |
|
C4 |
150 |
65 |
|||
T3 |
C5 |
II |
T3 |
120 |
52 |
T4 |
C6 |
III |
T4 |
100 |
43 |
W-A |
W-A |
135 |
|||
W-B |
W-B |
110 |
|||
W-C |
W-C |
80 |

Z uwagi na krzywą spektralną absorpcji promieniowania dla płyt IP, z której wynika bardzo duża czułość na promieniowanie o niskiej energii (również rozproszone), technika badania, zwłaszcza jeśli chodzi o okładki ołowiane, jest inna niż podczas badania na filmach radiograficznych [5]
Parametry skaningu oraz usuwania utajonego obrazu są natomiast ważnym elementem wpływającym na jakość odczytu obrazu z płyty poddanej ekspozycji na promieniowanie jonizujące. Powszechnie stosowane na dzień dzisiejszy płyty obrazowe posiadają wielkość pojedynczego pixela 100 i 50 μm, co odpowiada w praktyce jakości obrazu uzyskiwanego dla filmów typu D7 i D5.


W wielu rodzajach skanerów płyt IP wykonywane jest jednocześnie oprócz laserowego odczytu usuwanie utajonego obrazu poprzez naświetlenie strumieniem silnego światła białego. Podawana przez producentów maksymalna ilość wykonywanych ekspozycji wynosi najczęściej około 1000. W praktyce przemysłowej ilość ekspozycji jest jednak znacznie mniejsza i wynosi około 300 do 500 zależnie od charakteru pracy oraz stosowanego skanera mogącego powodować powstawanie rys lub innych uszkodzeń mechanicznych. Dochodzi do tego często, jeśli niezabezpieczona płyta obrazowa przesuwana jest bezpośrednio po prowadnicach skanera, jak to ma miejsce w modelach przenośnych typu CR50XP, SCANX 14 czy DR1400 i ich odpowiednikach. Niektórzy producenci IP podkreślają konsekwentnie odporność płyt fosforowych na światło białe. Niestety w praktyce należy unikać bezpośredniego światła białego oraz szczególnie światła pochodzącego od świetlówek, gdyż jego wpływ jest bardzo wyraźnie widoczny już na pierwszy rzut oka po zeskanowaniu obrazu i obserwacji na monitorze. Bardzo istotnym problemem dla radiografii CR jest konieczność ciągłego nadzorowania spadku czułości płyt IP. Wprawdzie płyty te mają duży zakres dynamiki naświetlania przez co są odporne na błędy ekspozycji, lecz jeśli zależy nam na uzyskaniu jak najlepszej jakości obrazu to musimy rejestrować wykonane ekspozycje i systematycznie przeprowadzać próby i korekty parametrów. Pomoże nam w tym fakt, że każda certyfikowana płyta IP posiada kod paskowy lub numer identyfikacyjny widoczny również na zeskanowanym obrazie.
W celu wystawienia certyfikatów jakości całego systemu CR łącznie ze skanerem przeprowadzane są przez producentów testy z wykorzystaniem wzorcowych płyt referencyjnych ekspozycji, tak zwanych CR Phantom.

Rysunek prezentowany obok przedstawia phantom CR wykonany z PMM na którym są umieszczone:

Obecnie normy dotyczące luminescencyjnych płyt obrazowych klasyfikują badania według systemu CR do 2 grup: Klasa A; technika podstawowa oraz klasa B: technika ulepszona. Klasyfikacja ta zależy od uzyskanych rezultatów jakości obrazu głównie IQI w oparciu o normy EN 462-1; EN 462-2 i EN 462-5 [7] podobnie jak to ma miejsce w radiografii klasycznej. Jednym z ważniejszych kryteriów jest określenie nieostrości geometrycznej np. przy pomocy wskaźnika jakości obrazu tzw. podwójnego pręcika (duplex wire). W celu poprawnego odczytu wskaźnika przyjmuje się, że spadek gęstości zaczernienia pomiędzy sąsiednimi pręcikami w parze powinien wynosić minimum 20% wartości maksymalnej zaczernienia dla pręcików - patrz rysunek poniżej.


Występujące obecnie na rynku systemy radiograficzne CR mogą być zakwalifikowane do 6 klas w oparciu o minimalną znormalizowaną wartość SNR (stosunek sygnału do szumu) od IP1 (najlepszej) do IP6 (najgorszej). Należy przy tym pamiętać, że w praktyce przede wszystkim użytkownik ma najistotniejszy wpływ na zapewnienie utrzymania odpowiedniej klasy systemu CR poprzez stosowanie odpowiednio dobranych parametrów ekspozycji oraz skaningu laserowego płyty IP.
Kodak Industrex Flex GP Digital Imaging Plate SO-170 |
||||
ASTM System Class ASTM E 2446 |
CEN System Class EN 14784-1 |
Minimum SNR |
Minimum (Industrex) Pixel intensity |
ISO/CEN speed |
ASTM IP Special / 100 |
IP 1/100 |
130 |
2139 640 | |
IP 2/100 |
117 |
1938 |
1000 |
|
IP 3/1000 |
78 |
1337 |
4000 |
|
ASTM IP I/100 |
IP 4/100 |
65 |
1136 |
6300 |
ASTM IP II/100 |
IP 5/100 |
52 |
936 |
10000 |
ASTM IP III/100 |
IP 6/100 |
43 |
797 |
12500 |
Kodak Industrex Flex HR Digital Imaging Plate 2174 |
||||
ASTM System Class ASTM E 2446 |
CEN System Class EN 14784-1 |
Minimum SNR |
Minimum (Industrex) Pixel intensity |
ISO/CEN speed |
ASTM IP Special / 100 |
IP 1/100 |
130 |
1770 1000 | |
IP 2/100 |
117 |
1632 |
1250 |
|
IP 3/1000 |
78 |
1218 |
3200 |
|
ASTM IP I/100 |
IP 4/100 |
65 |
1080 |
5000 |
ASTM IP II/100 |
IP 5/100 |
52 |
942 |
6300 |
ASTM IP III/100 |
IP 6/100 |
43 |
846 |
8000 |
Prawdziwa radiografia cyfrowa odnosi się do systemu, w którym obraz prześwietlanego przedmiotu powstaje już nie na filmie czy płycie luminoforowej lecz przy pomocy detektorów promieniowania, z których w sposób pośredni lub bezpośredni przesyłany jest do komputera. W zależności od tego procesu rozróżniamy radiografię cyfrową pośrednią i bezpośrednią. Obecnie możemy wyróżnić trzy zasadnicze systemy radiografii cyfrowej schematycznie przedstawione na rysunku poniżej.

System radiografii cyfrowej wykorzystuje zjawisko konwersji bezpośredniej ładunku elektrycznego, powstałego od energii fotonów, która wpływa na wielkość wartości prądu przez zastosowanie warstwy selenu, telluru lub kadmu. Ładunki prądu z tej warstwy odbierane są za pomocą matrycy TFT (Thin Film Transistors) czyli cienkiego filmu tranzystorów o aktywnej matrycy i przetwarzane następnie w AD konwerterach na sygnał cyfrowy odbierany przez komputer. Jednym z bardziej znanych ostatnio detektorów bezpośrednich wykorzystujących tellur kadmu jako fotoprzewodnik są produkty firmy AJAT (rysunek poniżej). Główną wadą tych detektorów jest jednak ograniczenie wielkości obszaru aktywnego oraz energii promieniowania do około 100 - 120kV. Zastosowanie większych energii prowadzi do nieodwracalnego zniszczenia detektora. Odpowiedni software umożliwia prześwietlenia większych przedmiotów niż wielkość detektora poprzez zsynchronizowany system przesuwu przedmiotu względem detektora. Szczególnie w tym celu produkowane są detektory o wielkości obszaru aktywnego 6,4 x 151 mm.

Z uwagi na ograniczony zakres energii promieniowania, detektory te wykorzystywane są głównie do badania kompozytów, cienkich wyrobów metalowych oraz do techniki radiografii rozproszeniowej.
W radiografii cyfrowej pośredniej wykorzystywane są detektory radiograficzne DDA (Digital Detector Array) oraz CCD (Charge Coupled Device) które wykorzystują materiały świecące pod wpływem promieniowania jonizującego. Warstwa z amorficznego krzemu z udziałem jodku cezu przekazuje za pośrednictwem TFT cienkowarstwowych tranzystorów i AD konwertera sygnał do komputera. W układach CCD nie występuje warstwa amorficznego krzemu, lecz ładunki elektryczne w elementach światłoczułych zachowujących się jak kondensatory transportowane są w określonym porządku do komputera. Matryce CCD stosowane są powszechnie w aparatach fotograficznych.
Obraz z kamery AJAT elementów FE o grubości 1- 3 mm oraz klin schodkowy 1-8 mm. Parametry 120 kV, 2 mA
Stosowana obecnie technologia CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor), tj. technologia układów cyfrowych o przeciwnym typie przewodnictwa, dzięki możliwości umieszczenia pojedynczego tranzystora na powierzchni poniżej 1 μm pozwala na podwyższenie rozdzielczości matryc w porównaniu do TFT przy jednoczesnym obniżeniu kosztów.



Skaner radiograficzny (fotografia obok) GW-4 firmy CMOS XRAY do badania spoin rurociągów. Rozdzielczość obrazu 80 μm, czas skanowania spoiny dla rury 24 cali wynosi 1-2 minuty zależnie od grubości ścianki.
Oprogramowanie do różnych systemów radiografii “obliczeniowej” i cyfrowej stanowi obecnie bardzo waży nowy element nie tylko w radiografii ale już we wszystkich metodach badań nieniszczących (nawet PT i MT) i należy mu poświęcić szczególną uwagę w zakupach inwestycyjnych. Generalnie oprogramowania w radiografii możemy podzielić na 3 zasadnicze grupy:

Spośród programów symulacyjnych obecnie na uwagę zasługują SINDBAD opracowany przez zespół z ośrodka CEA LETI z Grenoble oraz ARTIST Instytutu BAM z Berlina.
Oprogramowanie SINDBAD oraz ARTIST dokonują symulacji prześwietlenia promieniowaniem X oraz Gamma na różnych rodzajach detektorów promieniowania. Uwzględniają przy tym nie tylko podstawowe parametry ekspozycji jak odległości, czas czy rodzaj filtrów ale również np. promieniowanie rozproszone i prezentują uzyskiwany obraz w formacie 2D lub 3D. Programy te stanowią już nie tylko narzędzie do opracowywania technologii czy procedur radiograficznych lecz są elementem do generowania obrazów referencyjnych tzw “Golden Image” niezbędnych do automatycznej detekcji wad np. w wielkoseryjnej linii produkcyjnej odlewów części samochodowych, lotniczych jak chociażby łopatek turbin.

Programy służące do digitalizacji obrazów z filmów radiograficznych lub płyt IP służą generalnie do zapisania obrazu w postaci plików TIFF, JPG, BMP w skali minimum 12 bitowej lecz coraz częściej 14 i 16 bitowej. Tak zarejestrowany obraz możemy dopiero poddać naszej ocenie na monitorze. Należy przy tym od razu zaznaczyć, że monitor stanowi tutaj równie ważny element jakim jest negatoskop w radiografii filmowej. Rozdzielczość monitora nie powinna być mniejsza od 2 megapixeli w trybie monochromatycznym lecz tak naprawdę zalecana jest 5 megapixeli. Wskazane jest również aby monitor posiadał wewnętrzny system do sprawdzenia uzyskiwanej rozdzielczości. Trzej najwięksi światowi producenci systemów digitalizacji oferują: GE - Rhytm, Fuji- DynamIX, Kodak- Industrex ACR2000. Na rynku występują również całkiem dobre oprogramowania mniejszych producentów jak chociażby CIT - Computerised Information Technology. Niestety, nie zawsze pliki z obrazami radiogramów zapisanymi w jednym programie dają się obejrzeć i/lub ocenić przy pomocy oprogramowania innych producentów o czym kupujący powinni zdawać sobie sprawę.


W przypadku radiografii cyfrowej DR oprogramowanie stanowi często integralną część z wyposażeniem stanowiska badawczego w aparaturę rentgenowska, manipulatory i detektory. Każdy producent zatem promuje własne oprogramowanie pozwalające dodatkowo na stosowanie stereo-radiografii, radiografii 3D czy wręcz tomografii komputerowej.
Rysunek 21. Badanie DR wspomagane oprogramowaniem E-Florad/12bits spoin wzdłużnych rur walcowanych w Europipe GmbH. Widoczne u góry dwa wysięgniki uzbrojone w aparaty Isovolt 320/7. We wnętrzu rury znajdują się detektory Varian Paxscan 2520/127 μ [10]


Odrębną grupę oprogramowania stanowią programy do prowadzenia automatycznego wykrywania wad w spoinach, odlewach lub kompozytach i ich kwalifikacji według przyjętych wcześniej kryteriów w postaci np. obrazów referencyjnych. Możliwość automatyzacji takiej oceny zależy od stopnia skomplikowania wyrobu, jego ważności z punktu widzenia bezpieczeństwa lecz również od wielkości produkcji czyli opłacalności całego systemu.

Niezwykle istotne na etapie tworzenia takiego oprogramowania jest zastosowanie właściwych algorytmów do wykrywania i kwalifikacji wad. Proces walidacji takiego oprogramowania jest niezwykle czasochłonny i kosztowny. Samo pozyskanie odpowiednich próbek z wadami czy dziesiątek tysięcy radiogramów do badań statystycznych stanowi olbrzymie wyzwanie dla twórców.
Tomografia komputerowa stanowi obrazowanie przedmiotu składającego się z setek bądź tysięcy pojedynczych radiogramów cyfrowych. Jako detektor promieniowania wykorzystuje najczęściej przetworniki CCD. W celu uzyskiwania jak najlepszych rozdzielczości stosowane są źródła promieniowania o wielkości ogniska 5-20μm przy energiach promieniowania odpowiednio od 200 do 450kV. Pozwala to dodatkowo na osiąganie powiększeń prześwietlanego przedmiotu lub jego fragmentu nawet do 1000x.



