DGZfP-JAHRESTAGUNG 2002

ZfP in Anwendung, Entwicklung und Forschung

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Bildgüteprüfkörpererkennbarkeit von Flächendetektoren und Röntgenbildverstärkern - Ein Vergleich

Dr. Matthias Purschke,
Agfa NDT Pantak Seifert GmbH & Co. KG.,
Ahrensburg
Kontakt: M. Purschke

Zusammenfassung:

Die Qualität der radioskopischen Prüfung ist abhängig von der zur Verfügung stehenden Technik (Detektoren und Systemtechnik) und, wie in allen anderen zfp-Techniken, von dem Ausbildungsstand des Prüfpersonals. Seit einigen Jahren steht nun eine neue Generation von bildgebenden Systemen zur Verfügung: die aSi-Detektoren, auch Flächendetektoren genannt. Dieser Beitrag vergleicht die Bildgüteprüfkörpererkennbarkeit verschiedener Flächendetektoren und dem konventionellen Röntgenbildverstärker. Neben der Prüfung von Gussteilen wird die Eignung für die Schweißnahtprüfung diskutiert. Die Vorteile von Detektoren mit einem sehr guten Auflösungsvermögen werden in übereinstimmung mit der EN 13068 "Radioskopische Prüfung" auf ihre technischen und ökonomischen Vorteile hin untersucht.

Keywords:
Radioskopie, Flächendetektoren (aSi-Detektoren), Bildverstärker, Bildgüteprüfkörper, Drahtstegerkennbarkeit

1 Einleitung

Die Radioskopie wird nunmehr seit Jahrzehnten von einem ständig größer werdenden Anwenderkreis erfolgreich eingesetzt. Die Hauptvorteile liegen in der hohen Flexibilität und dem Automatisierungspotential der Prüftechnik, die eine zuverlässige und ökonomisch attraktive Prüfung ermöglicht. Insbesondere für die Serienprüfung von Leichtmetallgussteilen ist eine Alternative zur Radioskopie nicht in Sicht. Zusätzlich ist in den letzten Jahren eine deutliche Tendenz zu erkennen, dass auch im Bereich der Schweißnahtprüfung diese Technik vermehrt zum Einsatz gelangt.

Für die industrielle Serienprüfung von Werkstücken werden im allgemeinen Radioskopiesysteme verwendet, da diese eine flexible Einstellung der Einstrahlrichtung und Prüfposition sowie eine "on-line"-Betrachtung des Durchleuchtungsbildes ermöglichen (Abb.1).

Abb 1: Schematischer Aufbau eines Radioskopiesystems mit Bildverstärker.

Ausgehend von dem Röntgenstrahler erzeugt die durch das Werkstück transmittierte Strahlung ein Schwächungsbild des Prüfgegenstandes auf dem Eingangsschirm des Detektors. Die geometrische Auflösung bzw. daraus resultierende Unschärfe im Durchleuchtungsbild wird durch den Abstand des Prüflings zum Detektor eingestellt. Das Verhältnis der Strecken FDA (Fokus-Detektor-Abstand) und FOA (Fokus-Objekt-Abstand) legt die geometrische Vergrößerung der Abbildung fest. Ein Bildwandler (z.B. ein Röntgenbildverstärker) wandelt das Strahlenbild in ein sichtbares Röntgendurchleuchtungsbild.

Das nachfolgende übertragungssystem, bestehend aus Optik, Kamera und Monitor, hat die Aufgabe, das Ausgangsbild des Röntgenbildverstärkers dem Prüfpersonal auf einem Monitor sichtbar zu machen. Durch eine Digitalisierung besteht die Möglichkeit, das Bild einem Bildverarbeitungsrechner zur Bearbeitung oder Auswertung des Durchleuchtungsbildes zuzuführen.

Der Aufbau eines Radioskopiesystems mit Flächendetektor unterscheidet sich nicht grundsätzlich vom Aufbau mit Bildverstärker (Abb. 2). Allerdings liefert der Flächendetektor direkt ein digitales Ausgangssignal. Somit ist eine geeignete Hardware zur Messdatenerfassungs erforderlich. Diese steht für alle Flächendetektoren in Form bestimmter PC-Einschubkarten zur Verfügung. Eine zusätzliche Video-Kamera ist nicht länger erforderlich. Somit entfällt auch die Digitalisierung des Videosignals, welche immer mit einer Beeinflussung der Bildqualität einhergeht.

Abb 2: Schematischer Aufbau eines Radioskopiesystems mit Flächendetektor.

Die bisherigen Erfahrungen mit Flächendetektoren zeigen, dass, insbesondere auf Grund des Dynamikbereichs von 12 bis 16 bit, Vorteile gegenüber dem Röntgenbildverstärker gegeben sind. Allerdings muss darauf hingewiesen werden, dass ein typischer Computermonitor nur ein Durchleuchtungsbild mit 8 bit Grauwertauflösung (256 Grauwerte) wiedergeben kann. Für die praktische Anwendung ergeben sich daraus und aus der vergleichsweise langen Auslesezeit der Detektoren, gravierende Konsequenzen für die visuelle radioskopische Prüfung. Für vollautomatische Prüfsysteme spielen diese Einschränkungen jedoch nur eine untergeordnete Rolle, so dass hier die Flächendetektoren Vorteile aufweisen.

2 Spezifikationen verschiedener Detektoren

In Tabelle 1 sind die technischen Daten unterschiedlicher Detektoren einander gegenüber gestellt. Es handelt sich um eine übliche Bildverstärker-Kamera-Kombination, zwei aSi-Detektoren RID-512 mit unterschiedlichen Empfindlichkeiten (AL1 und AL 2) sowie um einen Halbleiterdetektor Pax Scan 2520, der entweder in einem Echtzeit- oder hochauflösenden Modus betrieben werden kann.

Tabelle 1: Spezifikationen unterschiedlicher Detektoren

Die Tabelle 1 zeigt sehr deutlich, dass die diskutierten Detektoren sehr unterschiedliche Eigenschaften aufweisen. So ist beispielsweise der RID-Detektor auf Grund seiner 16 bit-Grauwertauflösung und des daraus resultierenden großen Dynamikumfangs sehr gut für die Prüfung von Gussteilen mit großen Wanddickenunterschieden geeignet, obwohl seine Ortsauflösung auf Grund der Pixelgröße zu wünschen übrig lässt. Der Pax Scan - Detektor weist hingegen im HR (hochauflösenden) - Modus eine sehr gute Ortsauflösung auf und ist damit prädestiniert für die Prüfung von Schweißnähten, obwohl seine Grauwertauflösung und daraus resultierend, der Dynamikumfang, nicht hervorzuheben sind. Wird der Pax Scan-Detektor jedoch im RT (Echzeit) - Modus betrieben, so ist zumindest die Ortsauflösung vergleichbar mit der Bildverstärker-Kamera Kombination. Die Grauwertauflösung ist jedoch höher und somit kann der Pax Scan Detektor eine Alternative zum Bildverstärker für die Prüfung von Gussteilen sein.

3 Bildgüteprüfkörpererkennbarkeit

Mit Hilfe von Drahtstegen nach EN 462 Teil 1 werden im folgenden die unterschiedlichen Flächendetektoren mit der Bildverstärker-Kamera-Kombination verglichen. Die Drahtstegerkennbarkeit des Bildverstärkers wurde sowohl am Live-Bild, als auch nach Anwendung üblicher Bildverarbeitungsprozeduren ermittelt. Dabei handelte es sich um Integration mehrerer Videobilder zur Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses, Kontrastspreizung mit Hilfe von Look-up-Tabellen und digitalen Filtern zur Verbesserung der Detailerkennbarkeit. Die Bewertung der Drahtstegerkennbarkeit erfolgt wie üblich rein visuell.

Abbildung 3 zeigt den Vergleich Röntgenbildverstärker mit dem RID-Detektor, der bei 3 unterschiedlichen Auslesezeiten (134ms, 200 ms, 800 ms) betrieben wurde und generell nicht echtzeitfähig ist.

Abb 3: Vergleich Bildverstärker / RID-Detektor für Aluminium

Es ist deutlich zu erkennen, dass nahezu unabhängig von der Auslesezeit der RID-Detektor die Drahtstegerkennbarkeit des Bildverstärkers mit digitaler Bildverbesserung erreicht. Ungeachtet dessen, dass der Detektor nicht echtzeitfähig ist, belegt dieses Resultat aber die Eignung des RID für die Prüfung von Aluminium-Gussteilen.

Abb 4: Vergleich der Röntgenspannungen Bildverstärker / RID-AL1 und AL2 für Aluminium

Die Abbildung 4 zeigt, dass sich die beiden unterschiedlichen Versionen (AL1, AL2) des RID-Detektoren in ihrer Empfindlichkeit, d.h. der benötigten Röntgenspannung unterscheiden. Im Vergleich zum Bildverstärker fällt auf, dass beide RID-Detektoren deutlich mehr Energie benötigen, als der Bildverstärker. Es sei aber darauf hingewiesen, dass diese auf den ersten Blick nachteilige Eigenschaft des RID keine Verschlechterung der Drahtstegerkennbarkeit mit sich bringt (s.a. Abb.3). Dies erweist sich für die praktische Anwendung als sehr positiv (s.a. Abschnitt 5).

Der Pax Scan Detektor wird im Echzeit- und hochauflösenden Modus am Werkstoff Eisen mit dem Bildverstärker verglichen (Abb. 5). Im Echzeitmodus erreicht der Pax Scan nicht die Drahtstegerkennbarkeit des Bildverstärkers mit digitaler Bildverbesserung. Dies war zu erwarten, da dass Signal-Rausch-Verhältnis durch die digitale Bildintegration beim Bildverstärker deutlich besser ist.

Abb 5: Vergleich Bildverstärker / Pax Scan für Eisen

Der hochauflösende Modus des Pax Scan jedoch liefert eine deutlich bessere Drahtstegerkennbarkeit als der Bildverstärker mit digitaler Bildverbesserung. Besonders bemerkenswert ist dies für den Bereich bis 10 mm Wanddicke.

Die erforderliche Röntgenspannung ist im Echzeitmodus mit dem Bildverstärker nahezu identisch, während im hochauflösenden Modus die benötigte Röntgenspannung deutlich niedriger ist (Abb. 6). Die vom RID benötigte Röntgenspannung liegt erwartungsgemäß um einiges höher.

Abb 6: Vergleich der Röntgenspannungen Bildverstärker / RID und Pax Scan für Eisen.

Nachdem bisher die grundlegenden Eigenschaften der unterschiedlichen Detektoren bezüglich Drahtstegerkennbarkeit und erforderliche Röntgenspannung diskutiert wurden, soll im folgenden die praktische Bedeutung der bisherigen Ergebnisse untersucht werden.

4 Praktische Bedeutung

Prüfung von Leichtmetallgussteilen:
Das Problem bei der Prüfung von Gussteilen ist der große Wanddickenunterschied, der von Durchbrüchen im Teil (0 mm Wanddicke) bis zu einigen 10 mm Wanddicke betragen kann. Dies gilt sowohl für Leichtmetall- als auch Eisengussteile. Die Verwendung von Bildverstärkern erfordert zumindest eine Aufhärtung der Strahlung durch geeignete Vorfilter. Bei Eisengussteilen kann sogar eine Maskierung von Durchbrüchen im Teil notwendig sein. Die Verwendung von Vorfiltern bewirkt einerseits eine Vergrößerung des prüfbaren Wanddickenumfangs, aber andererseits auch eine merkliche Abnahme der Kontraste kleiner Details, was die Fehlehrerkennbarkeit nachhaltig beeinflussen kann. Auf Grund des großen Dynamikumfangs des RID-Detektors kann bei Aluminiumteilen eine Vorfilterung üblicherweise unterbleiben.

Die Abbildung 7 zeigt die Drahtstegerkennbarkeit von RID und Bildverstärker für den praktischen Anwendungsfall. Mit Hilfe eines Stufenkeils wurde diese von 0 bis 35 mm Wanddicke ermittelt.

Abb 7: Drahtstegerkennbarkeit für die praktische Prüfung eines Aluminium-Gussteils

Man erkennt eine deutlich bessere Drahtstegerkennbarkeit des RID-Detektors. Erwartungsgemäß kommt hier der große Dynamikumfang des Detektors voll zum tragen. Die relativ geringe Ortsauflösung des Detektors kann für diesen Anwendungsfall vernachlässigt werden, da die nachzuweisenden Fehlergrößen eher im Bereich von Millimetern statt Zehnteln oder gar Hundertsteln liegen.

Für die vollautomatische Prüfung von Leichtmetallgussteilen bietet der RID-Detektor demnach deutliche Vorteile gegenüber dem Röntgenbildverstärker. Für die visuelle Prüfung muss allerdings berücksichtigt werden, dass der Detektor nicht echtzeitfähig ist und die 16 bit-Information nicht direkt auf dem Monitor angezeigt werden kann. In der Praxis bedeutet das, dass im Vergleich zur Radioskopie mit Bildverstärkern eine gänzlich andere Vorgehensweise erforderlich ist. Für jede Einzelposition des Prüfteils muss die 16 bit-Information mit Hilfe einer geeigneten Software dargestellt und ausgewertet werden. Allerdings bedeutet dies auch eine Verbesserung der Erkennbarkeit kontrastarmer Details, so dass -abhängig von der Teilegeometrie- auch eine Verringerung der zu prüfenden Einzelpositionen möglich ist.

Prüfung von Schweißnähten:
Durch die für die Schweißnahtprüfung notwendige hohe Ortsauflösung, bietet sich der Pax Scan-Detektor für den Vergleich mit dem Bildverstärker an. Im hochauflösenden Modus weist der Pax Scan eine bessere Drahtstegerkennbarkeit im Vergleich zum Bildverstärker auf (s.a. Abb.5).

Am Beispiel einer Schweißnaht mit einer Nennwanddicke von 10 mm wird deutlich, dass die Anforderungen der EN 13068 - Radioskopische Prüfung Teil 3, sowohl mit dem Pax Scan-Detektor, als auch mit einem Bildverstärker zu erfüllen sind:

Anforderungen für Nennwanddicke 10 mm: Drahtsteg W 14 und nach EN 462 Teil 5, Platin-Doppeldrahtsteg 9 D.

Mit dem Röntgenbildverstärker ist eine geometrische Vergrößerung Faktor 2, die Verwendung der elektronischen Zoom-Stufe 2 und geeignete Methoden der digitalen Bildverarbeitung erforderlich, um diese Vorgaben zu erreichen. Daraus resultiert eine auswertbare Schweißnahtlänge von 64 mm (Diagonale).

Mit dem Pax Scan-Detektor ist nur eine geometrische Vergrößerung von ca. 1,4 erforderlich. Die Auslesezeit 1 Frame/Sekunde. Daraus resultiert eine auswertbare Schweißnahtlänge von 160 mm.

Da der Pax Scan-Detektor eine deutliche geringe innere Unschärfe im Vergleich zum Röntgenbildverstärker aufweist, kann folglich mit einer deutlich geringeren geometrischen Vergrößerung gearbeitet werden. Der daraus resultierende Vorteil der größeren auswertbaren Schweißnahtlänge rechtfertigt -abhängig vom Prüfvolumen- unter Umständen auch den deutlich höheren Preis des Flächendetektors.

5 Zusammenfassung

Die Untersuchungen zeigen, dass abhängig von der speziellen Prüfaufgabe die neuen aSi-Detektoren eine echte Alternative zum Röntgenbildverstärker-Kamera-System darstellen. Die Eigenschaften der untersuchten Flächendetektoren bieten verschiedene Vorteile sowohl für die Schweißnahtprüfung, als auch für die Gussteilprüfung. Allerdings belegen die Untersuchungen auch, dass keiner der diskutierten Detektoren alle Anwendungsbereiche abdecken kann. Es muss also für ein spezielles Prüfproblem der geeignete Detektor ausgewählt werden.

Somit wird auch zukünftig ein Bedarf an Detektoren bestehen, die für unterschiedliche Prüfaufgaben einsetzbar sind. Der Röntgenbildverstärker wird auf Grund seines verhältnismäßig günstigen Preises und seiner flexiblen Anwendungsmöglichkeiten auch in der Zukunft von Bedeutung sein. Insbesondere bei Anwendungen die eine Echtzeit-Betrachtung des Durchleuchtungsbildes erfordern, ist zur klassischen Röntgenbildverstärker-Kamera-Kombination keine kostengünstige Alternative in Sicht.

STARTHerausgeber: DGfZPProgrammierung: NDT.net