Радиоскопические системы автоматизированного контроля литых изделий сложной конфигурации

Радиоскопические системы автоматизированного контроля литых изделий сложной формы

________________
1 апреля 2019

Автоматизировать рентгеновский контроль следует радиоскопическим методом с использованием цифровых плоскопанельных детекторов. Чувствительность контроля не уступает плёночной радиографии, a производительность и возможность автоматизации таких систем значительно выше. 

 

 

Автоматизацию рентгеновского контроля наиболее эффективно осуществлять радиоскопическим методом, используя в качестве преобразователя цифровые детекторные системы с матричными плоскопанельными преобразователями. Технологический цикл до получения рентгеновского изображения пригодного к расшифровке практически не требует ручного труда, исключает стадию «мокрой» фотообработки в тёмной фотокомнате и может осуществляться под управлением программных средств.

Радиоскопический метод, так же как и радиография, основан на просвечивании исследуемых объектов рентгеновским излучением. Метод проводится для контроля внутренней структуры объектов. В ходе контроля выявляются и классифицируются несовершенства: одни относятся к дефектам, другие — к допустимым отклонениям в соответствии с предписанными нормами.

Чувствительность контроля радиоскопического метода не уступает плёночной радиографии. Цифровые технологии управляемого интегрирования сигнала и калибровки обеспечивают чувствительность по 1-му классу в соответствии с ГОСТ 7512-82 и классу «В» по ГОСТ ИСО 17636-2.

Перечислим преимущества радиоскопических систем автоматизированного контроля:

  1. Технология предварительной калибровки матрицы пикселей позволяют практически полностью избавиться от собственных шумов. Как указано в статье «Как выбрать цифровой детектор», функции калибровки качественно отличают детекторы от плёнки и запоминающих пластин, так как там нельзя провести корректировку шума носителя изображения. 
  2. Повышенная производительность контроля. На заводах применяются промышленные роботы и манипуляторы с дистанционным управлением для автоматизированного перемещения объекта относительно преобразователя и источника излучения. Расшифровка и анализ изображения автоматизируются при помощи программных средств. Возможен контроль в режиме реального времени, передача изображений по Wi-Fi, сохранение изображений для последующей арбитражной расшифровки и архивирования в цифровой форме.
  3. Возможность исследования объектов в движении и обеспечение многоракурсных проекций наблюдения. Это играет решающую роль в повышении выявляемости дефектов.

  4. Отпадает необходимость использования серебросодержащего расходного материала.

Перечисленные преимущества определяют существенный выигрыш в производительности и снижении затрат по сравнению с плёночным методом. Более того — они определяют перспективность развития радиоскопических систем автоматизированного контроля.

 

Принцип работы радиоскопических систем

Автоматизированные радиоскопические системы контроля состоят из источника излучения, манипулятора, коллиматоров, фильтров, плоскопанельного детектора, пульта управления с процессором для цифровой обработки сигнала и мониторов для отображения изображения в режиме реального времени, обработанного изображения и монитора наблюдения за пространственным положением объекта контроля в процессе просвечивания.

Управляемые загрузочные транспортёры и платформы позволяют механизировать подачу изделий в зону контроля. Кроме того они надёжно крепят изделия в устройстве позиционирования. Само устройство позиционирования может иметь до 6 и более степеней свободы. Такие устройства и роботизированные манипуляторы обеспечивают перемещение литых изделий сложной конфигурации в любых заданных ракурсах в соответствии со схемами контроля каждого участка по запрограммированным алгоритмам. 

 

 


Станислав Шаблов,
кандидат технических наук

 


Литое изделие стоит на загрузочной платформе


Источник излучения и детектор выставлены под углом к изделию




На экран монитора выведено изображение с плоскопанельного цифрового детектора 

Видеопрезентация радиоскопической системы автоматизированного контроля ​Seifert x|cube


 Всеми процессами руководит единый командный процессор-дирижёр. Он управляет включением – выключением рентгеновского аппарата, устанавливает необходимое напряжение, ток трубки и временные циклы просвечивания каждого участка, синхронизирует сложные движения манипуляторов, управляет загрузочными линиями и механизмами, контролирует радиационную обстановку, включает внешнюю сигнализацию о наличии излучения в камере биологической защиты, диагностирует технологическое оборудование. Также он может отдать команду на предварительное проведение калибровки матричного плоскопанельного преобразователя DDA.

Полученное от плоскопанельного детектора рентгеновское изображение оптимизируется в специализированном процессоре и по каналам связи поступает на расшифровку.

На этапе расшифровки изделие и контролируемые участки идентифицируется по маркировке: в специализированной программе проверяется качество изображения на выполнение минимальных требований к качеству изображения по чувствительности контроля, нерезкости и отношению сигнал/шум SNRN. Выделяются зоны интереса. Программа распознаёт несплошности и нарушения формы, которые отмечает и затем анализирует по конфигурации, размерам, количеству, взаимному расположению, площади и затем классифицирует их по группам как допустимые, недопустимые и требующие ремонта, подготавливает машинный протокол.

Форма и места расположения предполагаемых дефектов отличаются разнообразием, индивидуальны и уникальны для каждого литого или сварного изделия. Это объясняется сложными металлургическими закономерностями поведения расплавов при остывании. Из - за этого на окончательном этапе классификации и выдачи заключения о годности изделия требуется участие специалиста расшифровщика.

 


Дефектоскоп А1212 MASTER в специальном планшетеСхема радиоскопической системы
с плоскопанельным преобразователем

Схемы просвечивания. Влияние геометрической нерезкости

1. Сравнение схем просвечивания при радиоскопии и радиографии

В радиографии приёмник — рентгеновская плёнка. Она располагается вплотную к поверхности контролируемого объекта. Из-за малой зоны полутени (геометрической нерезкости) размытия краёв объекта и дефекта практически не происходит, как показано на рисунке 1.

При проекционной геометрии, что характерно для радиоскопии размытие элементов объекта увеличивается — рисунок 2. С уменьшением размера фокусного пятна рентгеновской трубки размытие (нерезкость) сокращается — рисунок 3.

В контактной плёночной радиографии коэффициент увеличения Кув = F1 / F2 обычно близок к единице, при радиоскопическом, контроле изображение увеличивается (Кув > 1).

Контактный и проекционный способы просвечивания. Размытие краёв изображения (геометрическая нерезкость) в плоскости приёмника-преобразователя


В случае многоракурсного радиоскопического контроля объект должен быть удалён от входной плоскости приёмника излучения DDA. Это объясняется тем, что для автоматизированного радиоскопического контроля увеличение расстояния от объекта контроля до детектора обусловлено необходимостью обеспечения свободного пространства при просвечивании для вращения, наклона или иного перемещения объекта контроля в требуемых технологией ракурсах.

Следует учитывать, что литые изделия и полуфабрикаты, как правило, имеют сложную конфигурацию, выступы конструкции, приливы, бобышки и определённые нормами литьевые уклоны.

Контролируемый объект, установленный в манипуляторе, не должен касаться излучателя, входной плоскости цифрового детектора и другого оборудования в процессе перемещения при просвечивании. Следует предусмотреть необходимое число степеней свободы манипулятора, в котором объект должен фиксироваться для обеспечения требуемых конструктором могоракурсных проекций просвечивания. 



 


Изделие не задевает ни детектор, ни источник излучения


Контроль заготовки картера двигателя

 


Поворотный стол перемещается по трём осям с непрерывным вращением на 360°


Регулируемый пульт управления



 

 

2. Факторы влияющие на размер геометрической нерезкости

На рисунке 4 представлена обобщённая схема радиоскопического контроля и показана природа образования геометрической нерезкости при расстоянии объект — детектор d ≠ 0, которое необходимо для свободного перемещения объекта контроля.

Полутени шириной Uг, которые размывают контуры краёв деталей изображения, формируют размер геометрической нерезкости, ухудшая выявляемость дефектов.

Геометрическая нерезкость радиационного изображения при формировании изображения обусловлена конечными размерами эффективного фокусного пятна источника ионизирующего излучения (Ф) и геометрическими параметрами схемы контроля (F, d, f).

Соотношение расстояний указанных на рисунке называют «геометрией контроля». Для определения численного значения геометрической нерезкости используется соотношение по следующей формуле:

                          Uг = Ф • d / (F – d) = Ф • d / f

При создании проекта современного участка автоматизированного контроля литых изделий в условиях указанных ограничений по перемещению объектов, для получения высококачественного цифрового изображения приходится обращать особое внимание и учитывать величину геометрической нерезкости в соответствии с нормами стандартов.

Дефектоскоп А1212 MASTER в специальном планшетеРиснок 4. Схема контроля и формирования полутени
от дефекта (геометрической нерезкости)

3. Зависимость геометрической нерезкости от расстояния объект – детектор (d) и расстояния между фокусом рентгеновской трубки и детектором (F)

Из рисунка 4 и вышеуказанной формулы следует, что уменьшению геометрической нерезкости способствуют три параметра:

  1. Уменьшение размера фокусного пятна Ф.
  2. Уменьшение расстояния между объектом и детектором d.
  3. Увеличение расстояния между фокусом рентгеновской трубки и детектором F

Расстояние объект – детектор (d) определяется конструкцией изделия и пространством для его перемещения, поэтому при расчёте схемы контроля его приходится его принимать без изменений как заданное условие.

При проектировании радиоскопической системы контроля следует стремиться к минимизации расстояния d, т.к. его увеличение приводит к увеличению нерезкости изображения, следовательно, к снижению резкости границ и различимости дефектов, к затруднениям и неточности при определении их размеров.

Расстояние источник (фокус) – детектор DDA. С уменьшением расстояния (F) между фокусом рентгеновской трубки и детектором величина полутеней у краёв дефекта на рентгеновском изображении увеличивается, геометрическая нерезкость возрастает, качество и чёткость изображения падают. Кроме того, при увеличении этого расстояния в квадратичной зависимости уменьшается доза излучения, формирующая радиационное изображение у поверхности детектора, что отрицательно сказывается на величину сигнал/шум в изображении.

 
 
 

4. Зависимость геометрической нерезкости от размера фокусного пятна рентгеновской трубки. Взаимосвязь нерезкости и геометрии контроля

Геометрическая нерезкость может быть уменьшена за счёт замены рентгеновской трубки с большим фокусом на рентгеновскую трубку с малым (острым) фокусом.

При проекционной радиоскопии с непосредственно поставленной задачей увеличения рентгеновского изображения, когда расстояние от объекта до детектора (d) сравнимо или даже больше расстояния от фокуса рентгеновской трубки до объекта (f) особенно важно использование рентгеновской трубки с очень малой величиной фокуса, не более 0,3 мм.

Во всех случаях для радиоскопических цифровых детекторных систем с матричными плоскопанельными преобразователями и d ≠ 0 следует стремиться выбирать рентгеновские трубки с возможно меньшим размером фокусного пятна. Например, не более 0,4 мм – при напряжении на трубке до 225 кВ; не более 0,8 мм — при напряжении на трубке до 450 кВ (здесь размеры фокусных пятен указаны согласно IEC 366).

Указанные рекомендации объясняются общей картиной формирования изображения дефекта или элемента эталона. Влияние размера фокусного пятна (Ф) и фокусного расстояния (F) на величину геометрической нерезкости UГ при формировании изображения элемента проволочного эталона показано на рисунке 4.

Из рисунка 4 следует, что полутень не формируется только при точечном источнике. А вот увеличение размера Ф и уменьшение расстояния F приводит к появлению полутени и уменьшению сигнала от элемента объекта (в данном случае проволоки IQI). При неправильно выбранных параметрах схемы контроля возможно даже взаимопроникновение полутеней от разных краёв дефекта, что окончательно размывает изображение и для зрительного восприятия условно «приводит к исчезновению дефекта».

Фокусное расстояние F следует стремиться выбирать так, чтобы геометрическая нерезкость UГ была соизмерима с внутренней (собственной) нерезкостью регистратора UВ ≈ UГ. Внутренняя (собственная) нерезкость детектора Ui, – это нерезкость детекторной системы (за исключением любой геометрической нерезкости), измеренная на цифровом изображении с IQI двухпроволочного типа, расположенном на детекторе. Внутренняя нерезкость DDA может оцениваться по зрительной различимости изображения от одного до нескольких шагов пикселей в матрице. Шаг пикселя в современных DDA составляет 50 – 400 мкм.

Увеличение фокусного расстояния F позволяет уменьшить нерезкость, но при этом снижается интенсивность излучения (количество квантов «рисующих» изображение), что влечёт необходимость увеличения времени экспозиции, поэтому балансу этих параметров следует уделять особое внимание.

В условиях производственного контроля удобнее измерять не фокусное расстояние F, а расстояние f от источника излучения до поверхности объекта контроля обращённой к источнику. Поэтому в формулах для расчёта параметров контактного контроля чаще определяется f вместо фокусного расстояния F.

Дефектоскоп А1212 MASTER в специальном планшетеРиснок 5. Формирование геометрической нерезкости изображения элемента проволочного эталона

 
 
 

Контроль литых изделий и полуфабрикатов

1. Виды дефектов

Наиболее распространенными дефектами литых полуфабрикатов и изделий из черных и цветных металлов являются газовые и усадочные раковины, поры, рыхлоты, земляные и шлаковые включения, трещины и спаи. В зависимости от причин образования газовые раковины концентрируются группами на отдельных участках, или распределяются по всей массе отливки или слитка как показано на репродукции цифрового радиоскопического изображения.

2. Форма и расположение дефектов в литых изделиях

Усадочные раковины и рыхлоты представляют собой различной величины пустоты самой разнообразной формы. Усадочные раковины встречаются одиночно или группами, располагаясь обычно в массивных частях отливки рядом с сопряжением толстого и тонкого сечений. Трещины чаще встречаются в местах резкого изменения величины сечения отливки и являются наиболее серьезным видом брака. Спай образуется при немонолитном слипании затвердевших потоков металла и на поверхности отливки имеет вид шва с заваленными кромками.

3. Как располагать эталоны чувствительности или IQI

Эталоны чувствительности или IQI должны располагаться на контролируемом участке со стороны, обращенной к источнику излучения в зоне, где толщина стенки литого объекта наиболее равномерна и не имеет резких перепадов. При контроле галтелей и разнотолщинных участков IQI следует располагать на более толстой части или контролировать чувствительность по IQI отдельно на образцах-имитаторах.

В особых условиях контракта могут быть поставлены иные условия, например, чтобы эталоны чувствительности устанавливались не по центру, а ближе к границам контролируемого участка в его краевой зоне, отстоящей от оси центрального луча, и при этом самая тонкая проволочка должна быть наиболее удалена от центральной оси луча.

Если предложенные условия технически невыполнимы, IQI может быть установлен со стороны детектора непосредственно на поверхности контролируемого участка, в исключительном случае – на входной плоскости самого детектора или на образце имитаторе. При этом на изображении рядом с маркировкой IQI должен отображаться дополнительный маркировочный знак, например, буква Ф или F, устанавливаемый перед просвечиванием.

4. Требования по чувствительности контроля и нормы оценки качества

– для кромок литого изделия выполненных под последующую сварку с другими элементами конструкции чувствительность контроля должна удовлетворять требованиям документов на сварные соединения;
– на остальных элементах конструкции литого изделия – требованиям нормативных документов на литые изделия.

То же относится и к нормам оценки качества изделия:
– для кромок под сварку качество должно удовлетворять требованиям документов на сварные соединения,
– в остальных местах изделия – документов на литые изделия.
– оценку качества изделия по параметру пористости рекомендуется проводить по контрольным изображениям.

5. Что нужно учесть на этапе проектирования радиоскопической системы

Радиационный контроль литых полуфабрикатов и изделий, должен осуществляться при наличии двухстороннего доступа к контролируемому объекту, обеспечивающего возможность установки детектора излучения с одной стороны контролируемого участка и источника излучения с другой в соответствии с разработанными схемами и параметрами контроля.

Также рекомендуется предусмотреть применение программ-расшифровщиков с функцией автоматического машинного определения дефектов и уровня пористости литья по заданным критериям или по моделям бездефектных образцов методом вычитания изображений. Также рекомендуется подготовить первичные оригиналы, согласованные с заказчиком: «эталонные» наборы обычных радиографических снимков или их электронных изображений с различным уровнем пористости.

Дефектоскоп А1212 MASTER в специальном планшетеРадиоскопическое изображение алюминиевой отливки после автоматической цифровой обработки. Стрелками отмечены рыхлота и поры

 

Аппаратурная реализация радиоскопических систем

Стандартом ГОСТ ИСО 17636-2 определены требования к цифровым радиоскопическим системам. Аппаратурные звенья цифровой обработки изображения должны являться частью устройства для окончательного формирования изображения. Функция измерения значения пространственного разрешения SNRN должна быть включена как инструмент программное обеспечение системы с DDA.

После считывания экспонированной ненастроенной DDA, проявляются неоднородности как накладывающийся постоянный шум на цифровом изображении. Поэтому, для всех DDA требуется программное обеспечение обработки считанного изображения, с функцией калибровки (настройки). Программное обеспечение и руководство поставляются изготовителем DDA. Соответствующая процедура настройки снижает структурный шум.

Рабочие характеристики радиоскопической системы должны быть испытаны на способность системы изображать и распознавать типичные несплошности и критические дефекты. В дополнение к индикаторам качества изображения, рекомендуется использовать образцы с мельчайшими и наиболее трудными для обнаружения натуральными дефектами для проведения текущего контроля качества рабочих характеристик всей системы.

При первоначальной отработке режимов контроля и определения качества получаемого изображения требуется измерение значений чувствительности контроля и дополнительно использование двухпроволочного IQI.

Для большинства применений используется так называемый принцип компенсации, который снимает ограничения по пространственному разрешению путем повышения контраста. Этот приём требует интегрирования изображения – накопления информации за большее время, чем при контроле в реальном времени со стандартной частотой кадров. Поэтому качество изображения для контроля металлических материалов, указанное в стандартах по радиоскопическому методу, основано на изображениях радиоскопического контроля, полученных путем интегрирования изображения.

Контроль в реальном времени дает преимущества для выявления пространственно ориентированных несплошностей по принципу динамического контроля (лучшего выявления элементов изображения при их движении и расположении в различных ракурсах).

Перечисленные методы и приёмы должны всегда применяться в качестве первого этапа для оптимизации параметров, расстояний, взаимного расположения звеньев системы и изделия, пространственного позиционирования контролируемых объектов при просвечивании и при цифровой обработке полученного сигнала.

Радиоскопические методики также как и плёночные подразделяются на два класса:
– A: базовые методики;
– B: улучшенные методики.

При этом контроль класса A может осуществляться методом радиоскопии в реальном времени, а для контроля класса B обязательно требуется наличие звеньев дополнительного интегрирования изображения (накопления сигнала во времени).

 
 
 

Требования ГОСТ ИСО 17636-2

1. Выбор максимального напряжения на рентгеновской трубке

Рекомендуемые максимальные значения напряжения на рентгеновской трубке в зависимости от просвечиваемой толщины приведены на рисунке 6. Следует учитывать, что большинство детекторов DDA имеют максимальную чувствительность к излучению в диапазоне 40-160 кВ, но могут использоваться с напряжениями на трубке до 225 кВ и даже более с применением специальных экранов.

Для обеспечения высокой чувствительности контроля рекомендуется напряжение на рентгеновской трубке устанавливать по возможности ниже, представленных на рисунке 6. При этом следует стремиться иметь в цифровом изображении как можно более высокий показатель отношения сигнал/шум (SNRN), чего можно добиться, используя методы компенсации с увеличением экспозиции.

После точной настройки (калибровки преобразователя) матричные детекторы DDA могут обеспечивать требуемое качество изображения и при более высоких напряжениях, чем те, которые приведены на рисунке 6. Следует иметь в виду, что при увеличении напряжения на трубке [при постоянной экспозиции (мА*мин)] снижается контраст, но может увеличиться SNRN – отношение сигнал/шум, за счёт увеличения дозы на преобразователе DDA. Контрастная чувствительность будет улучшаться, если увеличение отношения сигнал/шум SNRN (за счёт увеличения экспозиции) больше, чем потери контраста из-за более высокой энергии.

Ниже показаны рентгеновские изображения фрагмента стальной отливки с крупной и мелкими трещинами порами и рыхлотой. Снимки получены при разных экспозициях различными значениями нормализованного отношения сигнал/шум SNRN.

Дефектоскоп А1212 MASTER в специальном планшетеРисунок 6. Максимальное напряжение на рентгеновской трубке для источников до 1000 кВ в зависимости от просвечиваемой толщины и материала

SNRN=82

SNRN=35

SNRN=18

В тех случаях, когда имеется изменение толщины в контролируемой области объекта, может быть использован модифицированный способ с более высоким напряжением при контроле зон с большей толщиной. Однако следует иметь в виду, что при чрезмерно высоком напряжении происходит потеря чувствительности контроля за счёт снижения коэффициента ослабления излучения в материале, и поэтому чувствительность необходимо контролировать и компенсировать, например, увеличением экспозиции (мА*мин).

 
 
 

2. Выбор минимального расстояния от источника излучения до объекта контроля fmin

Далее используются следующие обозначения, принятые в стандарте ГОСТ ИСО 17636-2: f – расстояние от источника излучения до объекта контроля; fmin – минимальное значение расстояния f; d – эффективный размер фокусного пятна; b – расстояние от объекта контроля до детектора.

Минимальное расстояние от источника излучения до объекта контроля fmin зависит от размера источника или эффективного размера фокусного пятна d и расстояния от объекта контроля до детектора b.

Если размер источника излучения или эффективный размер фокусного пятна определяются двумя размерами, следует использовать наибольший.

Минимальное расстояние f следует выбирать таким образом, чтобы отношение этого расстояния к размеру источника излучения или к эффективному размеру фокусного пятна d, т.е. f /d, было не меньше значений, определяемых по формулам (2) и (3):
- для класса А:
- для класса B:
где b – расстояние от объекта контроля до детектора, мм.

Для определения расстояния от источника излучения до объекта контроля fmin можно использовать номограмму на рисунке 10. Эта номограмма основывается на формулах (2) и (3).

Если расстояние b меньше, чем 1,2t, то расстояние b в формулах (1) и (2) и на рисунке 10 должно быть заменено номинальной толщиной объекта контроля – t.

Для класса А, когда требуется выявление плоскостного дефекта, минимальное расстояние от источника излучения до объекта контроля fmin должно быть такое же, как для класса B, что в два раза снизит геометрическую нерезкость.

При критически важных технических применениях материалов, подверженных растрескиванию, можно использовать более чувствительные, чем для класса B, способы контроля просвечиванием.

3. Сравнение DDA-радиоскопии с пленочной радиографией

По аналогии с минимальной оптической плотностью при плёночной радиографии, для определения приемлемости цифрового изображения, полученного от системы с DDA, пользователь должен аппаратурно определить минимальные значения сигнал/шум: SNR или его нормированного значения SNRN.

При пленочной радиографии значение оптической плотности, измеренное в наиболее тёмной области снимка, обычно составляет 3,5 – 4 Б.

Для DDA-изображения это соответствует значению отношения сигнал\шум SNRN, примерно в 1,4 раза большему, чем для самого светлого участка изображения, для которого в плёночной радиографии требуется иметь оптическую плотность снимка не менее 2-х Б.

В цифровых DDA-изображениях измерения отношения сигнал\шум SNRN рекомендуется проводить в равнотолщинных зонах изображения объекта, с постоянным уровнем серого, что позволяет точно измерить значение SNRN.

Так как контрастная чувствительность для цифровых детекторов (DDA) определяется сочетанием времени экспозиции и тока в трубке (мА), то для получения радиоскопического изображения при принятом расстоянии и напряжении на трубке видимость элементов IQI может быть улучшена увеличением времени экспозиции и/или увеличением тока трубки.

4. Определение отношения сигнал/шум SNR

Отношение сигнал/шум SNR, определяется как отношение линеаризованного значения серого к его среднеквадратичному отклонению. Линеаризованное значение серого прямо пропорционально дозе излучения, измеряемого в области интереса (ROI), и равно нулю в необлученных областях.

SNR принято измерять в зоне изображения размером 20х55 пикселей (область интереса).

5. Способ интегрирования (усреднения, накопления)

Изображения, получаемые на выходе DDA, представляют собой электронный сигнал, подвергшийся статистическим изменениям, вызванных потоком фотонов. В визуальном представлении на экране монитора это проявляется как оптический шум, суммированный с изображением объекта.

Низкая мощность экспозиционной дозы рентгеновского источника может привести к низкому отношению сигнал/шум в изображении. Отношение сигнал/шум SNR возрастает с увеличением экспозиции (мА х сек) до максимального значения с учетом допустимого значения собственного (структурного) шума системы, DDA-детектора.

Уменьшение шума может быть достигнуто при увеличении числа фотонов, формирующих изображение на входном экране DDA, (посредством увеличения тока трубки, мА) или/и путем временного интегрирования – накопления сигнала изображения (увеличением времени экспозиции – уменьшением числа кадров в секунду, т.е. увеличением продолжительности времени кадров).

Интегрирование (усреднение, накопление) должно проводиться, пока не будет достигнуто требуемое качество изображения SNRN.

6. Минимальное значение нормализованного отношения сигнал-шум SNRN

При цифровом радиоскопическом контроле должны быть достигнуты минимальные значения нормализованного отношения сигнал/шум SNRN, приведенные в таблицах 1 и 2.

Значение SNRN должно быть измерено рядом с IQI проволочного типа в наиболее толстой части металла в зоне с постоянной толщиной стенки и с постоянным значением градации серого.

Таблица 1. Минимальные значения SNRN для цифрового радиографического контроля сталей и сплавов на основе меди и никеля

Дефектоскоп А1212 MASTER в специальном планшетеРисунок 7. Номограмма для определения минимального расстояния от источника излучения до объекта контроля fmin, в зависимости от расстояния от объекта контроля до детектора b и размера источника излучения d. Все значения приведены в мм

 

Источник излучения Просвечиваемая толщина w, мм  Минимальное значение SNRNc
Класс А Класс В
Рентгеновское оборудование с напряжением на трубке до 50 кВ включ.   100 150
Рентгеновское оборудование с напряжением на трубке св. 50 до 150 кВ включ.   70 120
Рентгеновское оборудование с напряжением на трубке св.150 до 250 кВ включ.   70 100
Рентгеновское оборудование с напряжением на трубке св.250 до 350 кВ включ. w≤50  70 100
w>50 70 70
Рентгеновское оборудование с напряжением на трубке св. 350 до 1000 кВ включ w≤50  70 100
w>50 70 70

Рентгеновское оборудование с напряжением на трубке св. 1,0 до 5 МэВ включ.

w ≤ 100  70 100
w>100 70 70
Рентгеновское оборудование с напряжением на трубке св. 5 МэВ w ≤ 100  70 100
w>100 70 70

 

Таблица 2. Минимальные значения SNRN для цифрового радиографического контроля алюминия и титана

 
Источник излучения Минимальное значение SNRNc
Класс А Класс В
Рентгеновское оборудование с напряжением трубки до 150 кВ вкл. 70 120
Рентгеновское оборудование с напряжением трубки св. 150 до 250 кВ вкл. 70 100
Рентгеновское оборудование с напряжением трубки св. 250 до 500 кВ вкл. 70 100
 

7. Нормативные максимальные требования к радиоскопическим системам DDA

Препятствием для применения систем DDA для радиографического контроля сварных соединений является большой (более 50 мкм) размер пикселя в большинстве матриц цифровых детекторов по сравнению с малым размером зерна пленки. Это затруднение можно обойти, воспользовавшись уникальным свойством DDA увеличивать SNRN изображения и/или, при необходимости, геометрическим увеличением.

Если требуемые чувствительность контроля (по проволочному IQI на объекте) и базовое разрешение SRb (по двухпроволочному IQI на детекторе) не соответствуют минимальным требованиям, то одним из вариантов улучшения качества изображения является геометрическое увеличение.

8. Способ геометрического увеличения

Следует иметь в виду, что только геометрическое увеличение обеспечивает уменьшение геометрической нерезкости изображения.

Геометрическое увеличение принципиально отличается от цифрового увеличения выделенного изображения (зума).

Для уменьшения нерезкости изображения увеличение должно быть больше и/или размер фокусного пятна должен быть уменьшен. Способ геометрического увеличения заключается в увеличении расстояния между детектором DDA и объектом в сочетании с использованием рентгеновской трубки с малым фокусным пятном.

Максимальные допустимые значения нерезкости для классов качества изображения А и В указаны в таблицах 3 и 4.

Правильность выбора увеличения должна быть доказана для изображений всех участков изделия, при этом следует использовать IQI двухпроволочного типа, установленный на объекте контроля со стороны ближней к детектору, если 2 * SRb > d (где SRb – базовое пространственное разрешение, определенное с помощью IQI двухпроволочного типа, прилегающего к детектору d – размер фокусного пятна).

В противном случае, двухпроволочный IQI должен быть расположен на объекте со стороны источника.

Для определения и уточнения значения коэффициента увеличения двухпроволочный IQI рекомендуется располагать на обеих сторонах объекта. Коэффициент увеличения отличается для поверхностей объекта со стороны источника и детектора. Поэтому, увеличение (v) определяют для центра объекта.

После выбора значений коэффициента увеличения и размера фокусного пятна, удовлетворяющих нормативным требованиям, на окончательно полученном изображении объекта должен наблюдаться только один IQI.

Если применяется автоматизированное распознавание дефектов, изображения IQI могут внести неопределённость в целостность цифрового представления изображения объекта контроля и помешать расшифровке. В этом случае допускается, что качество изображения должно периодически проверяться на отдельных образцах-имитаторах с установленными на них IQI.

Если после использования способов интегрирования и геометрического увеличения требуемые значения IQI не достигнуты, то система с применённым преобразователем DDA не может быть использована для контроля данного объекта.

В таблицах 3 и 4 в зависимости от просвечиваемой толщины для классов контроля А и В приведены минимальные требования по различимости элементов проволочного IQI и дуплексного проволочного IQI (ISO 19232-5 Duplex IQI). Изображения Duplex IQI и испытательных мир представлены на рис. 11.

Таблица 3. Минимальное значение показателя IQI, максимальная нерезкость и максимальное базовое пространственное разрешение для класса качества изображения А

 
Класс качества изображения  А IQI двухпроволочного типа по ИСО 19232-5
Просвечиваемая толщина wa, мм Минимальное значение показателя IQI и максимальная нерезкость (ИСО 19232-5)b, мм

Максимальное базовое пространственное разрешение (равное  толщине проволоки и зазору в IQI двухпроволочного типа)b SRbimage, мм

 

w ≤ 1,0 D13 0,05

0,10

1,0 < w ≤ 1,5 D12 0,063
0,125
1,5 < w ≤ 2,0 D11 0,08
0,16
2,0 < w ≤ 5,0 D10

0,10

0,20
5,0 < w ≤ 10,0 D9 0,13
0,26
10,0 < w ≤ 25,0 D8 0,16
0,32
25,0 < w ≤ 55,0 D7 0.20
0,40
55,0 < w ≤ 150,0 D6 0,25

0,50

150,0 < w ≤ 250,0 D5 0,32
0,64
250,0 D4

0,40

0,80

a   Для схемы контроля через две стенки с одним изображением вместо просвечиваемой толщины w должна применяться номинальная толщина t .

b Считывание показаний IQI для выбора системы применяется для контактной радиоскопии. Если используется способ геометрического увеличения, то считывание показаний IQI должно быть выполнено на соответствующих эталонных радиограммах.

Таблица 4. Минимальное значение показателя IQI, максимальная нерезкость
и максимальное базовое пространственное разрешение для класса качества
изображения B

Класс качества изображения  B IQI двухпроволочного типа по ИСО 19232-5
Просвечиваемая толщина wa, мм Минимальное значение показателя IQI и максимальная нерезкость (ИСО 19232-5)b, мм

Максимальное базовое пространственное разрешение (равное  толщине проволоки и зазору)b SRbimage, мм

 

w ≤ 1,5 D13+ 0,04

0,08

1,5 < w ≤ 4,0 D13 0,05
0,10
4,0 < w ≤ 8,0 D12 0,063
0,025
8,0 < w ≤ 12,0 D11

0,08

0,16
12,0 < w ≤ 40,0 D10 0,10
0,20
40,0 < w ≤ 120,0 D9 0,13
0,26
120,0 < w ≤ 200,0 D8 0,16
0,32
w > 200,0 D7 0,20

0,40

 

a   Для схемы контроля через две стенки с одним изображением вместо просвечиваемой толщины w должна применяться номинальная толщина t .

b Считывание показаний IQI для выбора системы применяется для контактной радиографии. Если используется способ геометрического увеличения, считывание показаний IQI должно быть выполнено на соответствующих эталонных радиограммах

П р и м е ч а н и е - «D13+» достигается, если разрешение по парным проволокам D13 получено при снижении значений между глубиной впадины к пикам на профиле распределения значений градаций серого больше, чем 20 %.

Для увеличения различимости дефектов или для автоматизированной оценки радиоскопические изображения могут впоследствии обрабатываться в процессорах различными программными средствами и методами цифрового улучшения изображения. Для контроля качества изображения допускается настройка только интегрирования изображения, контраста и яркости.

Максимально достижимое значение SNRN при радиографии с использованием DDA определяется качеством процедуры калибровки (настройки).

Значение SRb базового пространственного разрешения, (определенное с помощью IQI двухпроволочного типа, прилегающего к детектору детектора) определяется конструктивными и аппаратными параметрами.

 

Какой тип детектора выбрать для радиоскопической системы

Одной из основных технических проблем при проектировании рентгеновских лабораторий является выбор типа и размера плоскопанельных детекторов DDA. В большинстве случаев необходимо, чтобы выбранная технология позволяла применять DDA размером, равным размеру контролируемой детали или её исследуемого участка.

В настоящее время существуют две основных технологии, позволяющие получать двумерные массивы матриц фотодиодов, пригодные для использования в радиоскопических системах и доступные по экономическим параметрам. Это TFT и CMOS (КМОП). Обе технологии позволяют создать двумерный массив фотодиодных матриц со слоем сцинтиллятора на входе.

Пиксель CMOS - сенсора представляет собой, так называемый, активный пиксель, который состоит из: транзистора сброса, повторителя и коммутирующего транзистора. Таким образом, CMOS детектор позволяет реализовать режим неразрушающего считывания и глобальный сброс сенсора. В пикселе CMOS - сенсора имеется транзистор сброса, который включается непосредственно перед накоплением, что позволяет сбрасывать паразитный заряд в ёмкости пикселя.

Плоскопанельный детектор, выполненный на основе TFT технологии, имеет ячеистый слой сцинтиллятора на двумерной матрице фотодиодов, изготовленной на подложке из аморфного кремния. Для реализации считывания накопленного при экспозиции заряда применяются тонкоплёночные транзисторы (TFT — Thin film transistor). На аморфной подложке можно изготовить pin- фотодиод с достаточно хорошими параметрами, где например, его темновой ток в режиме обратного смещения меньше. Поэтому для дефектоскопических систем предпочтительно выбирать DDA основе TFT технологии.

На рисунке 12 показаны этапы формирования электрического сигнала от рентгеновского излучения в DDA выполненного на основе TFT технологии. В плоскопанельном детекторе под действием излучения сцинтиллятор генерирует световой поток. Слой сцинтиллятора имеет сотовое строение. Размер элемента сотовой ячейки составляет 1,5… 2 мкм. Химический состав сцинтиллятора – йодистый цезий CsI или оксисульфид гадолиния Gd2O2S.

Далее свет от сцинтиллятора попадает на кремниевую матрицу. В фотодиодной матрице свет преобразуется в электрический ток и усиливается в тонкопленочных транзисторах. Выходной сигнал преобразуется в цифровой видеосигнал, который поступает в процессорное устройство цифровой обработки и улучшения изображения. Визуальная картина с яркостью пропорциональной пространственному распределению доз в радиационном изображении контролируемого участка изделия выводится на экран монитора.

Таким образом, технология TFT позволяет создавать радиационностойкие плоскопанельные детекторы приемлемых размеров для радиоскопического контроля в автоматизированных системах.

Обычно изготовители DDA указывают следующие параметры матричных рентгеночувствительных плоскопанельных детекторов, которые влияют на качество полученного изображения: тип преобразователя; технология; матрица фотодиодов; материал сцинтиллятора; активная площадь; размеры панели; количество элементов матрицы; размер пикселя; разрядность аналого-цифрового преобразователя; минимальное время экспозиции; интерфейс; динамический диапазон; рабочий диапазон при напряжении на трубке; диапазон рабочих температур; диапазон влажности среды; масса; источник питания.

Но следует иметь в виду, что ни один из перечисленных параметров не является ключевым для получения качественного снимка – их надо учитывать в совокупности. Так, например, малый размер пикселя и большой размер фотодиодной матрицы не смогут улучшить изображения и не являются преимуществом, если детектор обладает малым каналом аналого-цифрового конвертора. Число пар линий на миллиметр влияет на визуальное разрешение детектора и здесь наблюдается прямая зависимость: от числа кадров в секунду зависит возможность применения детектора в динамике (напомним, что частота кадров в классическом кинематографе – 24 кадра в секунду, и именно при такой частоте информация воспринимается неразрывным образом). В качестве примера в таблице 5 приведены параметры плоскопанельного детектора, выполненного на основе TFT технологии, а на рисунке 13 представлен его внешний вид.

 

Принципы компенсации. Интерполяция ''плохих'' пикселей. Калибровка плоскопанельного матричного детектора DDA


Принципы компенсации в радиоскопии CPI, CPII и CPIII

В радиоскопическом контроле с цифровыми матричными детекторами рассматривается применение трёх принципов компенсации для достижения:

1) чувствительности контроля требуемой при выявлении малых размеров дефектов, лучевой размер которых – ∆w значительно меньше толщины самого объекта контроля – w;

2) требуемого пространственного разрешения детектора (резкости изображения), на обнаруживаемом изменении толщины материала ∆w;

3) уменьшения местной интерполяционной нерезкости, когда цифровыми вычислительными методами прогнозируется наиболее вероятное искомое значение яркости пикселя, когда в действительности информация о его яркости не определена, а известна только яркость соседних пикселей в рассматриваемой зоне интереса. Другими словами, чтобы с помощью интерполяции предсказать значение зависимой переменной для независимой переменной, данные, о яркости которой – недостоверны.

Для реализации принципов компенсации требуется минимизация отношения сигнал/шум (CNRN), нормализованного к базовому пространственному разрешению детектора, на обнаруживаемом изменении толщины материала ∆w. При этом недостаточные значения чувствительности контроля и пространственного разрешения достигаются методами компенсации путём повышения SNR.

Кратко сформулируем алгоритмы применения принципов компенсации.

CPI. Снижение контраста, например, при увеличении напряжения на трубке, компенсируется путем увеличения отношения сигнал/шум SNR, для чего следует повысить ток трубки или/и время экспозиции (перейти в малокадровый режим, снизив частоту кадров в DDA).

CPII. Недостаточная разрешающая способность детектора, когда значение SRb хуже, чем требуемое, компенсируется увеличением отношения сигнал/шум SNR, путём увеличения экспозиции (мА х мин) при этом следует добиться выявляемости на один шаг меньшей по диаметру проволоки в IQI или на ступень меньшей пары двухпроволочного IQI.

CPIII. Увеличение местной интерполяционной нерезкости в результате корректировки плохих пикселей DDA, компенсируется повышением SNR с помощью программного обеспечения.


Принцип компенсации при выборе параметров: напряжение на трубке, ток и время экспозиции.

Улучшение чувствительности контроля может быть достигнуто повышением контраста при постоянном отношении сигнал/шум SNRN путем уменьшения напряжения на трубке и компенсацией уменьшения дозы увеличением экспозиции (мА*мин), то есть увеличением тока трубки или времени накопления.

Улучшение контрастной чувствительности может быть достигнуто и без уменьшения напряжения, путем увеличения отношения сигнал/шум SNRN только за счёт увеличения экспозиции (мА*мин) при фиксированном контрасте, то есть, не изменяя напряжение на трубке.

При увеличении напряжения на трубке снижается контраст, но из-за увеличения дозы на преобразователе может вырасти SNRN и контрастная чувствительность улучшится, если увеличение отношения сигнал/шум SNRN (за счёт увеличения экспозиции) будет больше, чем потери контраста из-за более высокой энергии.


Интерполяция «плохих» пикселей

«Плохие» пиксели – это неэффективные детектирующие элементы DDA. «Плохими» считаются пиксели, у которых: отсутствует сигнал при попадании на него излучения, а также значение уровня сигнала более чем в 1,3 раза или менее чем в 0,6 раза ниже среднего значения по площадке из 21х21 соседних пикселей.

Интерполяционная коррекция «плохих» пикселей, расположенных в матрице, осуществляется программным обеспечением DDA по специальному алгоритму и заключается в усреднении сигналов от 8 соседних пикселей с присвоением полученного усреднённого значения «плохому» пикселю, которое включается в откорректированный выходной сигнал.

Интерполяция «плохих» пикселей является необходимой процедурой DDA-радиоскопии и выполняется в соответствии с рекомендациями изготовителя.

При использовании DDA должна быть составлена картограмма детектора для определения карты расположения плохих пикселей. Рекомендуется применять DDA, не имеющие зёрен скоплений плохих пикселей в плоскости рабочего поля матрицы.


Калибровка (настройка) плоскопанельного матричного детектора

При использовании DDA должна применяться процедура настройки (калибровки) детектора в соответствии с рекомендациями изготовителя.

Калибровка плоскопанельного детектора (наряду с коррекцией «плохих» пикселей) является одной из важнейших операций, обеспечивающих получение отношения сигнал/шум и контрастной чувствительности, существенно превосходящих эти значения для других типов детекторов (рентгеновской пленки и запоминающих пластин).

После считывания экспонированной ненастроенной системы DDA, неоднородности проявляются как накладывающийся постоянный шум на цифровом изображении. Поэтому, для всех DDA требуется программное обеспечение обработки считанного изображения, с функцией калибровки (настройки). Программное обеспечение и руководство должно поставляться изготовителем DDA. Соответствующая процедура настройки снижает структурный шум.

Вполне естественные вариации характеристик сенсоров в панели, неоднородности распределения рентгеновского излучении, также как особенности электроники, будут вызывать некоторые различия сигналов от различных пикселей панели. С помощью калибровки можно полностью скорректировать изображения.

Обычно калибровка включает захват изображений при полной, средней и нулевой дозовых нагрузках. Изображение без лучевой нагрузки используется для получения, базового, «темнового» сигнала от детектора, который определяется токами фотодиодов, токами утечки тонкопленочных транзисторов и разницей между различными зарядовыми усилителями, используемыми в считывающей электронике. Изображения при полной и средней лучевой нагрузки используются для расчета усиления, или отклика, каждого пикселя, и соответствующего считывающего усилителя.

Одним из источников шума в детекторе является коррелированный линейный шум, который является шумом, присущим одновременно всем пикселям данной строки. Современные программные средства позволяют провести процедуру коррекции этого шума, которая должна приводить к минимизации вариаций вследствие этого шума. Для этого доля сенсоров панели маскируется от сцинтилляционного экрана, и, таким образом, не получает светового сигнала во время рентгеновской экспозиции. Сигнал от этой части панели соотносится с «тёмным» изображением, для определения коррекции, которая должна быть внесена в каждую строку. Результирующие калибровочные изображения используются для нормализации отклика пикселей.

Настройка с использованием нескольких коэффициентов преобразования сигнала увеличивает достигаемые значения SNRN и линейность, но занимает больше времени. Чтобы свести к минимуму шум, обусловленный настройкой, все настроечные изображения должны быть получены при экспозиционной дозе (мА*мин), по крайней мере, в два раза большей дозы, используемой при обычном радиоскопическом контроле.

Настроечные изображения рекомендуется рассматривать в качестве исходных изображений для подтверждения качества контроля, если это предусмотрено соглашением на проведение контроля. Настройка (калибровка) должна осуществляться периодически либо при существенных изменениях условий экспозиции.


Биннинговый алгоритм объединения данных соседних пикселов снижает шум

Иногда для уменьшения шумов изображения используют так называемый биннинговый алгоритм объединения данных соседних пикселов, образуя, таким образом, один эффективный пиксел (superpixel). Видеосигнал, на выходе DDA, образованный под воздействием рентгеновского излучения, всегда содержит в себе помимо полезной составляющей ещё и определенную составляющую шума, связанную с неинформационной компонентой, полученной в изображении от рассеянного излучения. Шум от рассеянного излучения по природе имеет случайный характер.

Преимуществом метода бинаризации является сокращение шума, носящего случайный характер. Из теории случайных процессов известно, что при сложении однотипных случайных процессов амплитуда суммированного шумового сигнала уменьшается пропорционально квадратному корню из величины суммированных источников. Так, например, массив, состоящий из 2x2, содержит 4 пикселя. Суммированный шум этих 4-х пикселей, таким образом, уменьшается в 2 раза. Помимо этого суммирование полезного сигнала с этих 4-х пикселов, образующих один большой, увеличивает полезный сигнал также в 4 раза. А суммированное соотношение сигнал/шум в итоге возрастает в 8 раз. Для бинаризации 3х3 это соотношение составит – 27 раз, а для бинаризации 4х4 уже 64 раза.

Недостатком бинаризации, является потеря разрешения в изображении. Для успешной реализации метода бинаризации следует применять DDA -матрицы с большим количеством пикселов. Так, например, от DDA, имеющего 5 эффективных мегапикселей (исходное разрешение 2572 х 1956), можно получить кадр с разрешением 1286 х 978 при бинаризации 2х2 и 643 х 489 при бинаризации 4х4.


Обработка изображения

Для определения SNR, SRb и SNRN цифровые данные радиоскопического DDA должны быть представлены линеаризованным значением градации серого, которое прямо пропорционально дозе излучения. Для оптимального отображения изображения рекомендуется иметь интерактивную регулировку контрастности и яркости. Дополнительные функции фильтрации, профилирования и инструмент для определения SNR, SNRN могут быть интегрированы в программное обеспечение для отображения и анализа изображения.

При выполнении особо ответственного анализа изображения оператор должен расшифровывать изображение при коэффициенте масштабирования (цифрового увеличения) от 1:1 (это означает, что один пиксель цифровой радиограммы представлен одним пикселем монитора) до 1:2 (означает, что один пиксель цифровой радиограммы представлен четырьмя пикселями монитора).

Примененные для обработки сохраненных исходных данных, дополнительные средства обработки изображений, например, фильтр, пропускающий высокие частоты для воспроизведения изображения, должны быть документированы, являться воспроизводимыми и быть согласованы изготовителем и заказчиком.

Если при оценке IQI проволочного или ступенчатого с отверстиями типа используется дополнительная обработка изображений (например, высокочастотная фильтрация), то те же самые параметры фильтра должны быть использованы как для оценки объекта контроля, так и для определения значения показателя качества по IQI.


Условия просмотра и хранение цифровых радиограмм

Оценка цифровых радиограмм должна проводиться в темном помещении. Настройка монитора должна быть проверена с помощью соответствующего тестового изображения.

Дисплей для оценки изображения должен удовлетворять минимальным требованиям:

a) минимальная яркость – 250 кд/м2;

b) отображать не менее 256 оттенков серого;

с) минимальная контрастность – 1:250;

d) отображать, по крайней мере, 1 миллион пикселей размером менее 0,3 мм.

Исходные изображения (места контроля) должны сохраняться с полным разрешением, передаваемым детекторной системой. Чтобы обеспечить отсутствие артефактов изображений с детектора, до сохранения данных должны применяться только операции обработки изображения, связанные с настройкой детектора. Например, коррекция смещения, настройки (калибровки) по усилению для балансировки детектора и коррекции плохих пикселей.

Для обеспечения долговременного хранения данных, оборудование и цифровые носители должны быть дублирующими.

 

 

Что предусмотреть при проектировании радиоскопической системы

  1. Объект контроля не должен касаться излучателя, входной плоскости цифрового детектора и другого оборудования в ходе перемещения при просвечивании.
  2. Учитывайте величину геометрической нерезкости в соответствии с нормами стандартов.
  3. Выбирайте рентгеновские трубки с возможно меньшим размером фокусного пятна. Это позволит нивелировать геометрическую нерезкость.
  4. При проектировании системы контроля следует стремиться к минимизации расстояния d, т.к. его увеличение приводит к увеличению нерезкости изображения, следовательно, к снижению резкости границ и различимости дефектов, к затруднениям и неточности при определении их размеров.
  5. В условиях производственного контроля удобнее измерять не фокусное расстояние F, а расстояние f от источника излучения до поверхности объекта контроля обращённой к источнику.
  6. Следует предусмотреть необходимое число степеней свободы манипулятора, в котором объект должен фиксироваться для обеспечения требуемых конструктором могоракурсных проекций просвечивания.
  7. Рекомендуется предусмотреть применение программ-расшифровщиков с функцией автоматического машинного определения дефектов и уровня пористости литья по заданным критериям или по моделям бездефектных образцов методом вычитания изображений.
  8. Желательно подготовить первичные оригиналы, согласованные с заказчиком: «эталонные» наборы обычных радиографических снимков или их электронных изображений с различным уровнем пористости.
  9. Технология TFT позволяет создавать радиационностойкие плоскопанельные детекторы приемлемых размеров для радиоскопического контроля в автоматизированных системах.