Zerstörungsfreie Materialprüfung
Berlin, 21.-23. Mai 2001 -Berichtsband 75-CD
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Unterschiedliche Ergebnisse bei der Messung von Eigenschaften industrieller Röntgenfilmsysteme in verschiedenen Laboratorien und damit verbundene abweichende Klassen-Zuordnungen von Filmsystemen waren der Anlass für einen ersten Ringversuch der BAM mit Filmherstellern. Die Ergebnisse offenbarten, dass die Messvorschriften der EN 584-1 [1] für die Kenngrößen eines Filmsystems zu große Spielräume lassen, die zu abweichenden Messergebnissen führen können. Es wurde deshalb eine Subworking Group der WG1 des CEN TC 138 zur Revision der Norm EN 584-1 gegründet, die einen neuen Ringversuch in einem erweiterten Teilnehmerkreis auf der Grundlage der zuvor gewonnenen Erfahrungen und entsprechend veränderter Algorithmen zur Auswertung zur Zeit noch durchführt. Der Beitrag beschreibt einige messtechnische und rechnerische Einflüsse und deren Auswirkung auf das Ergebnis, sowie das Konzept des neuen Ringversuchs und die zu überprüfenden neuen Messvorschriften und Algorithmen.
Um eine den Prüfanforderungen angemessenen Bildqualität zum Fehlernachweis sicherzustellen, werden die Röntgenfilmsysteme in eine der 6 Klassen C1 bis C6 der Norm EN 584-1 eingeordnet. Die für die Zuordnung in eine der Klassen notwendigen Eigenschaften des Filmsystems sind in dieser Norm festgelegt und die Messvorschriften für die Kenngrößen des Systems angegeben. Die Erfahrungen zeigen, dass diese Vorschriften für das konkrete Durchführen der Messungen einen zu großen Spielraum lassen und es an derselben vermessenen Filmprobe zu Ergebnisunterschieden kommen kann, die unter Umständen die Klassenzuordnung in Frage stellen.
Die Norm gibt für die ein Filmsystem kennzeichnenden Werte wie die Gradienten G bei den optischen Dichten D - D0 = 2 und D - D0 = 4, die Körnigkeit sD bei der Dichte D - D0 = 2 und das Gradient-Körnigkeitsverhältnis G/sD eindeutige Werte für die Filmklassen an. Die Unterschiede zwischen den Werten der einzelnen Klassen sind verhältnismässig gering, zum Beispiel unterscheiden sich die maximal zulässigen Körnigkeiten sD der einzelnen Klassen nur um 14% bis 28%. Dennoch ergeben sich daraus durchaus merkliche Unterschiede in der Detailerkennbarkeit [2] mit entsprechenden Folgen für das Auffinden kritischer Fehler, z. B. von Rissen in einer Schweissnaht (Abb. 1 und 2). Das Vermessen eines Filmsystems mit dem Ziel seiner Klassifizierung erfordert daher eine entsprechende Genauigkeit und Sorgfalt, um den spezifischen Anforderungen der Prüfpraxis genügende Filmsysteme sicherzustellen.
Abb 1: Zur Veranschaulichung der Körnigkeitswerte in den einzelnen Filmklassen sind die Schwankungen der optischen Dichte um die mittlere optische Dichte .
D - D0 = 2 von je einem Film aus den Klassen C1 bis C6 über dem Abtastweg aufgetragen. (Damit sich die Kurven nicht überlagern, wurden sie in der opt. Dichte (Ordinate) jeweils mit einem anderen willkürlichen Offset versehen. Die C2-Kurve liegt korrekt.) Man bedenke, dass ein Signal (Kontrast DD) nur dann gerade noch erkannt wird, wenn es mindestens doppelt so groß ist wie das Rauschen, hier die Körnigkeit.
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Die Werte für die Klassengrenzen der EN 584-1 gehen auf Messungen zurück, die im Rahmen eines Ringversuchs Ende der achtziger Jahre mit allen Filmherstellern durchgeführt wurden. Es wurde eine Bestandsaufnahme der damaligen Filmsysteme vollzogen und die Klassengrenzen wurden zur Sicherung des hohen Qualitätsstandards an den vorhandenen Systemen orientiert festgelegt. In den folgenden Jahren standen konkurrierende Prüfverfahren und der Kostendruck bei der Prüfung (Zeit, Filmkosten) in einem Spannungsverhältnis zu den erforderlichen Filmeigenschaften und blieben nicht ohne Wirkung auf manches Filmsystem [3]. Eine überprüfung in den letzten Jahren zeigte, dass insbesondere die mit der.Empfindlichkeit eines Filmsystems korrelierte Körnigkeit, die zugleich einen wichtigen Einfluss auf die Fehlererkennbarkeit hat (Abb.2), bei vielen Systemen angestiegen ist und sich dem Grenzwert der jeweiligen Filmsystemklasse der Norm genähert hat, ihn zuweilen sogar deutlich überschreitet [3]. Vor diesem Hintergrund sind genaue,allgemein akzeptierte und durchgeführte Verfahren zur Bestimmung der Filmeigenschaften unerlässlich, soll es nicht im Vertrauen auf die Verfahren im eigenen Hause guten Glaubens zu falschen Klassenzuordnungen von Filmsystemen und Streit darüber kommen. Der zur Zeit laufende Ringversuch mit schärfer definierten Messvorschriften und neuen Algorithmen ist ein Schritt in diese Richtung.
Abb 2: Einfluss der Filmklassen-Kenngröße Körnigkeit auf die Bildqualität. So wie niemand im Regen ohne eingeschalteten Scheibenwischer fährt, wenn er nicht durch die Wassertropfen im Durchblick behindert werden möchte, ist auch Sorgfalt bei der Wahl der richtigen Filmklasse erforderlich. |
Einflüsse auf die Bestimmung der Filmsystem-Eigenschaften
Im Folgenden werden einige Faktoren genannt, die das Ergebnis der Kennwert-Messung eines Filmsystems mitbestimmen und bei der im Prinzip einfachen Messaufgabe zu recht unterschiedlichen Werten führen können.
Experimentelle Faktoren mit Einfluss auf das Ergebnis sind
Algorithmus-Abschnitte und Berechnungsmethoden, die das Ergebnis beeinflussen sind
Im Folgenden sollen stellvertretend zwei Beispiele von Einflüssen näher erläutert werden, die das Messergebnis der Körnigkeit recht deutlich verändern. An diesen Beispielen wird gleichzeitig die Wirkung des Medians demonstriert, der bei der Revision der Norm EN 584-1 als Verfahren für die Berechnung der Körnigkeit eingeführt werden soll. Abbildung 3 zeigt den Verlauf der opt. Dichte über dem
Abb 3: Beispiel einer ungleichmässig belichteten Filmprobe. Die über der Länge einer einzelnen Abtastzeile von 10 mm in der Tendenz abnehmende opt. Dichte springt in der nächsten Abtastzeile ( insgesamt 10) auf den höheren Wert zurück und verfälscht dadurch den Wert der mittleren Schwankung der opt. Dichte (Körnigkeit) hier auf sD = 0,0648. Der Median aller Messwerte ergibt den für das Filmsystem zutreffenden Wert sD = 0,0266 und beweist die Filterwirkung dieses Algorithmus selbst bei extremen Störungen auf der Filmprobe wie in diesem Fall..
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Abtastweg von einer ungleichmässig belichteten Filmprobe Filmprobe, deren opt. Dichte in Abtastrichtung insgesamt abnimmt. Die Filmprobe wurde mit einer Blende von 0,1 mm x 0,1 mm bei einer Schrittweite von 0,1 mm zeilenförmig in 10 Zeilen mit einer Länge von je 10 mm abgetastet und würde normalerweise einen Verlauf wie die Kurven in der Abbildung 1 aufweisen. Durch die ungleichmässige Belichtung und die für die praktische Messung zweckmässige zeilenförmige Abtastung der Probe mit dem Mikrodensitometer kommt der sägezahnartige Verlauf mit insgesamt zehn Spitzenwerten zustande ( bei einer linearen Abtastung auf einer Länge von 10 cm wäre es eine Rampe), der den Mittelwert der opt. Dichte dieser 1000 Messwerte so verändert, dass der für das betrachtete Filmsystem zutreffende Körnigkeitswert s D völlig verfälscht wird. Man erhält für die Körnigkeit hier den unsinnigen Wert von s D = 0,0648 , während der Median aus diesen Messwerten einen für das Filmsystem besser zutreffenden Wert von s D = 0,0266 ergibt. Der Algorithmus des Median wird weiter unten erläutert. Natürlich wird eine Filmprobe mit derartigen Eigenschaften von vornherein aussortiert, sie sollte hier nur das Problem darstellen helfen. Es können aber in der Messpraxis durchaus Filmproben auftauchen, bei denen die ungleichmässige Belichtung sehr viel schwächer ausgeprägt vorliegt und den Körnigkeitswert weniger auffällig verschlechtert. Hier schützt der Median vor für das untersuchte Filmsystem zu großen Messwerten der Körnigkeit.
Ein anderes Beispiel für eine den Messwert verfälschende Störung wird in seinen Auswirkungen in der Abbildung 4 wiedergegeben. Sie zeigt die Werte der opt. Dichte von einer mit dem Mikrodensitometer zeilenförmig abgetasteten Filmprobe. Die Zeilenlänge betrug hier jeweils 20mm. Man erkennt vier deutliche Minima der opt. Dichte, die von einem Filmfehler in Form eines kleinen weissen Fleckes stammen, der sich in y-Richtung insgesamt über vier Zeilen erstreckte und entsprechend oft erfasst wurde. Bei der Berechnung der Körnigkeit nach der gültigen Norm EN584-1 werden die Messwerte zunächst einem digitalen Hochpassfilter unterzogen, das Schwankungsanteile unterhalb der Ortsfrequenz 0,1 mm-1 herausfiltert und danach wird die Standardabweichung s D der gefilterten Messwerte berechnet. Hierbei ergibt sich für die abgebildete Messkurve ein zu großer Wert von s D = 0,0376 . Auch hier bewirkt der Algorithmus des Median, dass die störenden Messwerte unberücksichtigt bleiben und man den für eine fehlerfreie Filmprobe zutreffenden Wert s D = 0,0203 erhält.
Abb 4: Beispiel einer Filmprobe mit einem kleinen Filmfehler, der bei einer zeilenförmigen Abtastung mit einer Zeilenlänge von 20 mm viermal erfasst wird und sich in seiner opt. Dichte deutlich von den körnigkeitsbedingten Schwankungen der opt. Dichte auf der Filmprobe unterscheidet. Das führt zu einem nach der gültigen Norm berechneten zu großen Wert der Körnigkeit, während der Median-Algorithmus die störenden Messwerte des Filmfehlers herausfiltert und den für eine fehlerfreie Filmprobe zutreffenden Körnigkeitswert liefert.
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In den vorigen Abschnitten wurden experimentelle Faktoren genannt, die das Messergebnis mehr oder weniger stark beeinflussen. In diesem Abschnitt sollen nun Zahlenwerte für einige Fehlergrößen und Abweichungen angegeben werden, die man, soweit es die Körnigkeit betrifft, in Relation zu den in der Einführung genannten prozentualen Unterschieden zwischen den einzelnen Filmklassen sehen muss.
Bei Messungen innerhalb desselben Labors ergibt sich für die Gradienten G(2), G(4) bei den optischen Dichten D - D0 = 2 bzw. 4 je nach Filmtyp ein mittlerer Fehler von
0,2% - 2% für den Wert von G(2) und
0,5% - 3% für den Wert von G(4)
Die Unterschiede zwischen verschiedenen Laboratorien können
bis zu 6% für den Wert von G(2) und
bis zu 13% für den Wert von G(4)
betragen. Sie zeigen, dass die oben aufgeführten Unterschiede im experimentellen und rechnerischen Bereich durchaus von Bedeutung sind. Das gilt ebenfalls für die sehr kritische Kenngröße Körnigkeit.
Innerhalb desselben Labors ergibt sich ein Messfehler von
2% - 5% für die Körnigkeitswerte s D
Die Unterschiede zwischen den Ergebnissen an denselben Proben in verschiedenen Laboratorien können
bis zu 12%
für den Wert von s D betragen.
Die produktionsbedingten Schwankungen der Körnigkeit von verschiedenen Emulsionen (Chargen) desselben Filmtyps führen zu Unterschieden von
bis zu 7% .
Bei den Berechnungen kann bereits die Art der Umrechnung von gerichteter in diffuse opt. Dichte und der Zeitpunkt dieser Umrechnung im Algorithmus Unterschiede von
bis zu 4%
im Ergebnis der Körnigkeit bewirken.
Eine falsch bestimmte Größe der Mikrophotometer-Messblende wirkt sich mit einem
Fehler von 1%
je Mikrometer auf den Wert der Körnigkeit aus (Soll: 100mm Durchmesser).
Die in diesem Beitrag beschriebenen Erfahrungen und Beobachtungen beruhen auf in mehreren Jahren wiederholte Messungen und Untersuchungen der BAM sowie auf frühere Ringversuche. Darauf aufbauend hat die BAM neue Algorithmen zum Bestimmen der Kennwerte eines Filmsystems zusammengestellt, die nach erfolgreicher Erprobung in einem zur Zeit laufenden neuen Ringversuch mit den Filmherstellern im Rahmen der WG1 des CEN TC 138 in eine überarbeitete Fassung der Norm EN 584-1 übernommen werden sollen.
Der Ringversuch sieht folgende Arbeiten und Algorithmen vor:
Das oben vorgeschlagene Verfahren wird zur Zeit von einer Subworking Group der WG1 des CEN TC 138 innerhalb eines laufenden Ringversuchs erprobt. An diesem Ringversuch nehmen die führenden Filmhersteller sowie die BAM teil. Er ist so gegliedert, das Proben mehrerer Filmtypen in der BAM für die Bestimmung der Gradienten und Körnigkeit belichtet und entwickelt werden, um gleiche Bedingungen einzuhalten.
In der ersten Phase werden die fertigen Filmproben in der BAM vermessen und lediglich die Dateien mit den Messdaten jedem Teilnehmer für eine Auswertung zugeschickt. Ausgewertet werden soll mit dem bisher beim Teilnehmer üblichen Verfahren und mit dem neuen Algorithmus. Diese Phase dient zum überprüfen der Einflüsse der Algorithmen auf das Messergebnis.
In der zweiten Phase erhalten die Teilnehmer nacheinander die zu Beginn des Ringversuchs in der BAM belichteten Filme zur eigenen Messung mit der Maßgabe, sie wiederum mit ihrem üblichen und mit dem neuen Verfahren auszuwerten. In dieser Phase des Versuchs werden somit zusätzlich die Einflüsse der Messapparatur im jeweiligen Labor erfasst. Alle Ergebnisse werden der BAM zugeschickt, wo sie analysiert und für eine Präsentation aufbereitet werden als Grundlage für Diskussionen und Schlussfolgerungen in der Working Group.
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