Dziś jest sobota, 14 grudzień 2019 r.
Energoelektronika.pl na stronach Facebook REKLAMA MAPA SERWISU KONTAKT
Strona główna Załóż konto Artykuły branżowe Katalog firm Seminaria FAQ Kalendarium Słownik Oferta
Wyszukaj
1USD 3.8234 -0.7% 1EUR 4.2747 -0.23% 1GBP 5.1292 +1.06%
Zaloguj się
Login (adres e-mail):
Haslo:
  Rejestracja
  Zapomniałem hasła
Reklama

Reklama

Aktualności
32 edycja targów Energetab 2019 juz za cztery tygodnie
więcej
72 edycja Seminarium dla Służb Utrzymania Ruchu - Kielce - Relacja
więcej
Przed nami 32. edycja targów ENERGETAB 2019
więcej
Nowy cykl szkoleń praktycznych związanych z programowaniem sterowników marki Siemens
więcej

Zobacz archiwum

Kalendarium
Newsletter
Jeżeli chcesz otrzymywać aktualne informacje o wydarzeniach w branży.
Podaj e-mail do subskrypcji:


Artykuły branżowe
17 sierpień 2012.

Rentgenowska tomografia komputerowa (CT) do zadań przemysłowych

Rentgenowska tomografia  komputerowa  (CT)  do zadań przemysłowych

Dotychczas tomografia komputerowa CT znana była z zastosowań medycznych. Współtwórcami tomografu komputerowego dla medycyny byli Allan MacLeod Cormack (1924÷1998) i Godfrwey Newbold Hounsfield (1919÷2004), którzy w roku 1979 otrzymali Nagrodę Nobla, chociaż pierwszy tomograf zainstalowany został w 1973 r.
Tomografia komputerowa, CT (Computed Tomography) jest rodzajem spektroskopii rentgenowskiej, metodą diagnostyczną pozwalającą na uzyskanie obrazów warstwowych badanego obiektu. Wykorzystuje ona złożenie projekcji obiektu wykonanych z różnych kierunków do utworzenia obrazów przekrojowych (2D) i przestrzennych (3D) [1,2,3].
Tworzenie obrazu tomograficznego polega na pomiarze pochłaniania promieniowania przechodzącego przez obiekt. Objętość obiektu podzielona jest na małe komórki, zwane vokselami, w których liniowy współczynnik pochłaniania promieniowania jest taki sam. Zrekonstruowany obraz przekrojowy jest ilościową mapą liniowego współczynnika pochłaniania promieniowania w vokselach, wchodzących w skład skanowanej warstwy. Obliczenie rozkładu współczynników pochłaniania promieniowania dokonywane jest przez komputer i dlatego metoda ma nazwę tomografii komputerowej. Tak więc tomografia pozwala na złożenie projekcji obiektu wykonanych z różnych kierunków do utworzenia obrazów przekrojowych (2D) i przestrzennych (3D).
Podstawowym sposobem badania jest skierowanie na badany obiekt wiązki promieniowania X i rejestracja jego natężenia po drugiej stronie na panelu detektorów. Promieniowanie X przechodząc przez badany obiekt, doznaje osłabienia, które jest funkcją energii promieniowania, rodzaju i grubości badanego materiału. Zmiana natężenia promieniowania równoległej wiązki o jednakowej energii, po przejściu przez obiekt opisane jest zależnością [1]:

gdzie:
l - natężenie promieniowania po przejściu przez obiekt,
lo - początkowe natężenie promieniowania,
ê - liniowy współczynnik absorpcji promieniowania charakterystyczny dla danego materiału i określonej długości fali promieniowania X,
g - grubość badanego materiału.
Liniowy współczynnik osłabienia promieniowania jest zależny od liczby atomowej i gęstości materiału obiektu. Jest on opisany przez prawo Bragga i Pierca [1]:

Rentgenowska tomografia komputerowa (CT) do zadań przemysłowych

O ile w medycynie tomografia ma charakter urządzenia diagnostycznego pozwalającego na przestrzenną rekonstrukcję poszczególnych narządów człowieka to w zastosowaniach technicznych ten obszar działań jest nieco inny, chociaż idea tomografii TC jest podobna. W tomografach medycznych obiekt, jakim jest człowiek w spoczynku (może być poddany tylko przemieszczeniu poosiowemu), a detektor (detektory) i lampa rentgenowska wykonują obroty wokół osi pacjenta naświetlając go. W przemysłowych tomografach nie ma ograniczeń w odniesieniu do przemieszczeń badanego obiektu, a lampa i panel detektorów zajmują stałe pozycje. Również czas naświetlenia nie gra istotnej roli - ma tylko wpływ na czasochłonność pomiaru.

W przemysłowej tomografii komputerowej najczęściej stosowane są dwa poniższe rodzaje układów projekcji [11]:
a) układ z równoległą wiązką promieniowania (rys.1) - układ ten składa się z płaskiej wiązki promieniowania X, które jest emitowane w kierunku mierzonego obiektu znajdującego się na stole obrotowym. Po drugiej stronie badanego elementu umieszczony jest liniowy detektor rejestrujący sygnał pomiarowy. Badany przedmiot jest przemieszczany kątowo i liniowo w kierunku x,y,z lub też występuje przemieszczenie układu lampa rentgenowska - tablica detektorów w tym przypadku występuje złożenie dwóch składowych: ruchu wzdłużnego sprzężonych ze sobą lampy i detektora liniowego, pozwalającego dokonać jednej projekcji oraz ruchu okrężnego wokół punktu centralnego, który to ruch pozwala zebrać wszystkie potrzebne do zrekonstruowania obrazu projekcje. W układzie tym wiązkę promieniowania X ogranicza się przy pomocy odpowiedniej przesłony do wiązki płaskiej. Obraz badanego obiektu otrzymuje się skanując go z pewnym krokiem przesuwu obiektywu w górę, wykonując za każdym krokiem obrót o 360o. Wykonując obrót obiektu o 360o otrzymuje się płaski obraz rentgenowski jednego przekroju mierzonego detalu. Pełen obraz trójwymiarowy otrzyma się dokonując komputerowej rekonstrukcji przetwarzając zgromadzone dane z pomiarów.

Rys.1 Schemat tomografu z płaską wiązką równoległą

b) układ z wiązką stożkową - wiązka promieniowania uformowana jest w stożek. Źródłem promieniowania jest lampa rentgenowska o napięciu najczęściej w przedziale 150÷450 kV. W układzie tym badany obiekt znajduje się na stole obrotowym, poruszającym się względem nieruchomych: lampy i panelu detektorów. Stosując przestrzenną wiązkę rentgenowską (rys.2) i detektor matrycowy, po wykonaniu przez obiekt pełnego obrotu o 360o, otrzymuje się jeden przekrój całego przedmiotu.

Rys.2 Schemat tomografu z wiązką stożkową

Dokładność końcowego odwzorowania zależy od ilości projekcji wykonanych dla pełnego obrotu detalu (minimum cztery na każdy stopień obrotu). W ten sposób mając obrazy projekcji dla wielu przekrojów elementu dokonuje się rekonstrukcji obrazu całego elementu za pomocą transformaty Radona [2]. Pozwala ona na odtworzenie obrazu trójwymiarowego obiektu z wielu rzutów tego przedmiotu. Metoda ta jest obecnie najczęściej wykorzystywana w przemysłowej tomografii komputerowej ze względu na szybkość rekonstrukcji obrazu, oraz prostszą konstrukcję układu. Rozwiązanie to jest stosowane w sytuacjach, gdzie czas jest wartością krytyczną.

Jednostką obrazu przestrzennego 3D jest voxel - volumetric element (odpowiednik piksela dla obrazu 2D), któremu odpowiada średnica przedmiotu d podzielona przez liczbę pikseli N (V=d/N) - rys.3.

 

Rys.3. Niektóre parametry charakteryzujące tomografię CT

Zakres zadań tomografu i ich oprogramowania

Rekonstrukcja obrazu, dająca informację graficzną i liczbową o badanym obiekcie, oparta jest na bardzo dużej liczbie danych. W celu ich przetworzenia, według określonej procedury, stosowane są stosunkowo złożone oprogramowania, które wymagają dużej mocy komputerów. Najczęściej stosuje się nie jeden lecz dwa lub trzy komputery przyporządkowując każdemu z nich określony pakiet zadań metrologicznych i sterujących.

Pełny pakiet oprogramowań o zadaniach metrologicznych, tj. z pominięciem oprogramowań sterujących, obejmuje następujące cztery podstawowe grupy operacji:

  • Standardowa geometria wymiarów,
  • Porównywanie wyników z modelami CAD,
  • Defektoskopia,
  • Inżynieria odwrotna.

    Każdy z producentów tomografów oferuje określone, najczęściej własne oprogramowanie, chociaż spotyka się oprogramowania uniwersalne zalecane do stosowania przez szereg producentów tomografów. Często do oprogramowań własnych załączane są oprogramowania uzupełniające opracowane przez firmy specjalizujące się ich przygotowywaniem. Przykładem może być firma C.Zeiss, która do wyznaczania wymiarów stosuje swoje oprogramowanie CALYPSO używane w pomiarach współrzędnościowych, a do pozostałych zadań, głównie do szeroko pojętej defektoskopii oprogramowanie VGStudio MAX firmy Volume Graphics GmbH. Natomiast do inżynierii odwrotnej program DIMENSION.

    Firma MacroScience Technology do wykonywania wszystkich operacji oferuje oprogramowanie Helix CT. Tomografy komputerowe firmy Metris-Nikon bazują na oprogramowaniu Inspect-X, chociaż w ofercie występuje także uniwersalne oprogramowanie jakim jest VG StudioMAX. Firma GE Sensing &Inspection Technologies GmbH - Phoenix x-ray stosuje oprogramowanie o symbolu x-act. Firma Werth Messtechnik korzysta z programu WinWerth, a firma Viscom oferuje oprogramowanie o symbolu S6002. Natomiast tomografy komputerowe firmy North Star Imaging Inc. obsługiwane są przez program efX-CT. Kolejna z firm Wenzel Volumetrik do obsługi swego tomografu oferuje program exaCT.

    Standardowa geometria wymiarów tak jak w klasycznej technice współrzędnościowej opiera się na założeniu, że typowy przedmiot mechaniczny typu korpusowego składa się z punktów, prostych, płaszczyzn, okręgów, sfer kulistych, stożków, itp. i przez odpowiednie aproksymacje, na podstawie współrzędnych uzyskanych z pomiaru punktów, uzyskuje się wymagane wymiary. Mając współrzędne środków lub wymienionych figur można wyznaczyć odległości między nimi, a także wymagane przekroje i rzuty [4,5] dające podstawy do analizy wymiarowej badanego obiektu.

    Rys.4. Widok ekranu pomiaru koła zębatego pakietu Gear Pro programu Calypso

    Bardziej zaawansowane pomiary przy użyciu pakietu GEAR PRO oprogramowania Calypso firmy C.Zeiss ilustruje rys.4, który przedstawia wyniki pomiaru koła zębatego. Rysunek ten pokazuje możliwości tego programu, który pozwala na wyznaczenie wymiarów bezpośrednio korzystając z wprowadzonych danych nominalnych lub z porównania z modelem CAD. Na uwagę zasługuje uzyskanie nie tylko wartości odchyłek poszczególnych parametrów koła zębatego (w tym przypadku zarysu ewolwenty) ale również graficznej ilustracji przebiegu zmian zarysu, co pozwala na jakościową ocenę tego parametru (rys.5).

    Rys.5. Widok ekranu z wynikami pomiaru zarysu zęba koła zębatego w postaci graficznej i liczbowej

    Porównywanie wyników z modelami CAD odbywa się przez naniesienie na siebie uzyskanej chmury punktów i wyłonionego z niej obiektu na znany model CAD, co umożliwia szybkie porównanie uzyskanych wyników z bazą odniesienia jaką jest model z wymiarami nominalnymi. Oczywiście i w opcji standardowej geometrii wymiarów można uzyskać porównanie z uzyskanymi z pomiaru odchyłkami z wymiarami nominalnymi, po uprzednim jednak wprowadzeniu ich danych do komputera. Natomiast porównanie z modelem CAD daje pełny obraz zmian wymiarów przedmiotu z zaznaczonymi odpowiednimi do wartości odchyłek kolorami, jak to widać na rys.6. Po lewej stronie ekranu na pasku pionowym zaznaczone są wartości odchyłek odpowiednich dla danego koloru.

    Rys.6. Porównanie z modelem CAD na podstawie oprogramowania Calypso firmy C.Zeiss

    Na przedstawionym obrazie CAD-owskim pokazane są kierunki odchyłek oraz ich wartości, co pozwala na sprawdzenie czy wymiary badanego przedmiotu mieszczą się w granicach tolerancji. Możliwe jest również stwierdzenie w jakim kierunku przesunięte są wymiary badanego obiektu a co za tym idzie w jaki sposób należy wpłynąć na proces produkcyjny w celu wyeliminowania braków w produkcji lub niedopuszczenia do ich powstania.

    Rys.7. Porównanie z modelem CAD z ikonami podającymi szczegółowe dane dla wybranych obszarów

    Inny przykład postaci wyników mierzonego elementu, w tym przypadku głowicy silnika trzycylindrowego, ilustruje rys.7. W celu uzyskania szczegółowych danych określonego obszaru badanego przedmiotu, po kliknięciu na wybrany obszar uzyskuje się takie dane jak wymiar nominalny, tolerancje i odchyłki - na rys.7 wybrano pięć takich obszarów z zaznaczonymi danymi podanymi w ramkach.

    Defektoskopia

    Do badań związanych z szeroko pojętą defektoskopią zalicza się nieniszczące badania obiektów, wykrywanie nieciągłości materiału, pęknięć, rozwarstwień, sprawdzanie poprawności montażu, szukanie porów, wtrąceń innych materiałów, pęcherzyków powietrza, itp., jak również badania struktury materiałów, badania paleontologiczne skamielin czy obiektów organicznych oraz niektóre medyczne [6,7,8]. Na rys. 8 przedstawiono przykłady wyników badań przedmiotów w zakresie defektoskopii i jakości montażu przy zastosowaniu często używanego w tomografii oprogramowania VGStudio MAX.

    Rys.8. Przykładowe wyniki badań przedmiotów w zakresie defektoskopii przy użyciu oprogramowani VGStudio MAX

    Możliwe jest wykrycie różnego rodzaju wtrąceń i wad materiału, ich charakteru, rozmieszczenia i wielkości. Na podziałce pionowej można odczytać wartości charakteryzujące wymiary wtrąceń i wad w funkcji ich koloru oraz po wybraniu określonej nieciągłości uzyskać wartości liczbowe wady, m.in. jej wymiary w mm3 oraz współrzędne x,y,z położenia.

    Inżynieria odwrotna jest doskonałym, szybkim rozwiązaniem poradzenia sobie z budową obiektu gdy nie ma dostępnego modelu CAD. Podczas pomiaru badanego przedmiotu otrzymywana jest tzw. chmura punktów z której, w wyniku przeliczeń, uzyskuje się model 3D. Przy pomocy inżynierii odwrotnej są generowane krzywizny i węzły w rezultacie czego na końcu procesu uzyskiwany jest model CAD wykrywany przez większość standardowych programów.

    Proces inżynierii odwrotnej składa się z kilku następujących kroków:
    1. Zebranie tzw. chmury punktów i optymalizacja w celu poprawienia wydajności obliczeń i zwiększenia płynności powierzchni.
    Przez optymalizację rozumiane jest zmniejszenie liczby punktów poprzez filtrowanie danych, np. usunięcie punktów o odległościach większych niż np. 0,2mm od pozostałych punktów oraz usunięcie punktów znajdujących się w niższych obszarach krzywizny. Zastosowanie filtru zmniejsza liczbę punktów np. z ponad pięciu milionów do niespełna jednego miliona punktów. Mimo pięciokrotnej redukcji liczby punktów szczegóły obiektu są dobrze rozpoznawane.

    Rys.9. Efekty procesu inżynierii odwrotnej: a)powierzchnia z nieciągłością w postaci tzw. dziury, b) powierzchnia po wygładzeniu

    2. Stworzenie siatki trójkątów poprzez łączenie punktów
    Istnieje możliwość iż podczas obróbki zostaną błędnie zinterpretowane otwory, należy wtedy wprowadzić poprawki do uzyskanego modelu, możliwe jest zapełnienie przestrzeni siatką wielokątów. Na rys.9a przedstawiono przedmiot po zapełnieniu powierzchni siatką trójkątów - widoczny jest efekt wygładzenia powierzchni przedmiotu. Natomiast na rys.9b przedstawiono rezultaty eliminacji tzw. dziur - prawy rysunek jest ich pozbawiony (zaznaczony czerwonym okręgiem).
    3. Dokonanie dalszego procesu wygładzania powierzchni, a przede wszystkim utworzenie krawędzi tj obrysowanie krawędzi przez złożenie serii obrazów pochodzących z kolejnych projekcji obejmujące wyznaczenie krawędzi, krzywizn, prostych, itp. Proces ten jest wykonywany przez większość stosowanego w tomografii oprogramowania. Dla złożonych elementów proces znajdywania krawędzi jest stosunkowo czasochłonny.
    4.W kolejnym kroku wygładzana jest przestrzeń pomiędzy zaznaczonymi krawędziami. Uzyskany w taki sposób rysunek 3D importowany jest do programu obsługującego modele CAD. Jest to ostatni krok inżynierii odwrotnej. Dzięki takiemu badaniu uzyskiwany jest model przydatny podczas szybkiego prototypowania, oraz badania nieznanych obiektów.

    Główne zespoły tomografu i ich funkcje

    Do głównych zespołów tomografu zalicza się lampa rentgenowska 1 (rys.10) i jej zasilacz, układ pozycjonujący mierzony element zwykle składający się z obrotowego stołu pomiarowego i prowadnicy liniowej 2 oraz systemu detektorów 3 często w postaci matrycy (panelu). W skład tomografu wchodzi również zestaw komputerowy nie pokazany na rys.10.
    Działanie matrycy detektorów opierać się może na różnych zjawiskach fizycznych, np. na jonizacji gazów. W najnowszej tomografii stosuje się detektory natężenia promieniowania rentgenowskiego zwane detektorami scyntylacyjnymi, które są oparte na płytach amorficznych krzemu i selenu.
    Główne parametry detektorów promieniowania rentgenowskiego charakteryzowane są przez: wydajność detekcji, energetyczną zdolność rozdzielczą, stabilność pomiarów w czasie, bezwładność, rozdzielczość przestrzenną detekcji, kontrastowość obrazu, odporność na zniszczenie przez napromieniowanie i szumy własne. W większości tomografów stosowane są detektory matrycowe, które osiągają rozdzielczość 1024x1024 pikseli, co odpowiada rozdzielczości przestrzennej obrazu wynoszącej ponad miliard vokseli (10243). Występują także detektory matrycowe o rozdzielczości wynoszącej 2048x2048.

    Rys.10. Główne zespoły tomografu komputerowego CT na przykładzie tomografu METROTOM firmy C.Zeiss

    Lampa rentgenowska, której schemat przedstawiono na rys.11 emituje promienie X. Bańka próżniowa posiadająca zatopione elektrody: anodę i katodę w postaci wolframowej spirali (w tzw. jonowej lampie rentgenowskiej bańka wypełniona jest gazem pod ciśnieniem rzędu 10-3 Tr).

    Rys.11. Schemat działania lampy rentgenowskiej: K- żarzona katoda, A- anoda, Win i Wout - wlot i wylot cieczy (C) chłodzącej anodę

    Wysokie napięcie przyłożone do elektrod (najczęściej w przedziale 150-450kV) przyspiesza dodatnie jony (jonowa lampa rentgenowska) lub elektrony - które odrywają się z katody (elektronowa lampa rentgenowska), cząstki te bombardując elektrodę (odpowiednio: antykatodę - jonowa lampa rentgenowska lub anodę - elektronowa lampa rentgenowska) emitują promieniowanie hamowania, będące strumieniem kwantów promieniowania X o ciągłym widmie energetycznym.

    Promieniowanie hamowania powstaje w wyniku oddziaływania cząstki z polami elektrostatycznymi jąder i elektronów w materii, z której wykonana jest anoda. Elektrony zderzając się z anodą są w niej hamowane, co powoduje powstawanie promieniowania X. Jednak 99% energii elektronów jest zamieniane w ciepło - stąd konieczność chłodzenia lampy. Chłodzenie zapewnia ciecz chłodząca lub wirująca anoda. Istnieje wiele mechanizmów powstawania promieni rtg, a więc wiele rodzajów lamp rtg - odsyłam czytelnika do bogatej kolekcji lamp rentgenowskich prowadzonej przez dr G. Jezierskiego [www.xraylamp.webd.pl].

    Rozróżnia się szereg rodzajów lamp, których schematy przedstawiono na rys.12 i 13.

    Rys.12. Schematy lamp rentgenowskich: a) typu transmisyjnego, b) typu kierunkowego [11]

    Lampy typu transmisyjnego (rys.12a) odznaczają się większym powiększeniem, a typu kierunkowego (rys.12b) większą mocą. Natomiast lampa z mikrofokusem (rys.13a) charakteryzuje się mniejszą minimalną odległością przedmiotu od ogniska i większym powiększeniem. Lampa z nanofokusem ma rozbudowaną soczewkę magnetyczną i zawiera przysłonę minimalizując wielkość plamki w ognisku.

    Rys.13. Schematy lamp rentgenowskich: a) z mikrofokusem, b) z nanofokusem [11]

    Zestaw obrotowo-przesuwny (rys.14) składa się z obrotowego stołu sterowanego cyfrowo, i liniowego układu przemieszczenia, który służy do ustawiania w określonej odległości przedmiotu między lampą rentgenowską a matrycą detektorów.
    Układ pozycjonowania w większości tomografów składa się ze stołu obrotowego, na którym umieszczony jest badany obiekt, i prowadnic pozycjonujących stół obrotowy względem źródła promieniowania i detektora. Dodatkowo w tomografach z dużymi zakresami pomiarowymi źródło promieniowania i detektor umieszczone są na prowadnicach.
    Stoły obrotowe charakteryzują się następującymi głównymi parametrami: dokładnością pozycjonowania zawierająca się w przedziale od części do kilkunastu µrad, przy rozdzielczości od 0,2 µrad do 10 µrad. Średnica stołu obrotowego od 200 do 300mm, przy obciążeniu stołu masą przedmiotu dochodząca nawet do 100kg.
    Od prowadnicy liniowej, służącej do ustawiania odległości przedmiotu między lampą rentgenowską a matrycą detektorów, nie wymaga się takiej dokładności jak od stołu pomiarowego. Zwykle jej zakres przemieszczeń nie przekracza 250mm, z dokładnością wynoszącą 0,025mm, przy powtarzalności pozycjonowania ±0,003mm.

    Rys.14. Przykładowy zestaw obrotowo-przesuwny [10]

    Głównymi źródłami błędów w układach pozycjonowania tomografów są: pochylenie detektora, zmiana położenia i pochylenie osi obrotu stołu obrotowego. Pierwsze z nich jest wyeliminowane, gdyż detektor znajduje się w stałej pozycji. Dlatego ważny jest dobór stołu obrotowego z możliwie najmniejszym osiowym błędem pozycjonowania i pochylenia powierzchni pomiarowej stołu.
    Detektor jest przetwornikiem, który zamienia przechodzące przez obiekt promieniowanie zawierające informacje o badanym obiekcie na sygnał elektroniczny nadający się do dalszego przetwarzania. System detekcji może składać się z pojedynczego elementu skanującego, liniowego układu elementów lub powierzchniowego układu elementów skanujących. Jest to bardzo ważny element układów wykorzystywanych w pomiarach tomograficznych, ponieważ od detektorów w dużym stopniu zależy jakość obrazu badanego obiektu, czas projekcji i wydajność pomiarów.

    Działanie detektorów opiera się na różnych zjawiskach fizycznych:
    - detektory oparte na jonizacji gazu,
    - detektory matrycowe budowane na bazie amorficznego krzemu,
    - detektory półprzewodnikowe,
    - detektory scyntylacyjne,
    - detektory konstruowane według technologii opartej na wykorzystaniu elektrycznych lub magnetycznych zjawisk w ciałach stałych.
    Obecnie dominują detektory scyntylacyjne, których schemat przedstawiono na rys.15.

    Rys.15. Uproszczony schemat matrycy detektorów

    Promienie X są zamieniane na światło widzialne poprzez folię lub kryształ scyntylacyjny, które to światło odbierają fotodiody generując sygnał elektryczny i po przetworzeniu na postać cyfrową przesyłają do przetworzenia komputerowego. Dla przykładu zasadne jest wymienienie parametrów detektora matrycowego np. firmy Hamamtsu. Firma ta wytwarza dwa rodzaje detektorów matrycowych o symbolach C7942CA-22 i C7943CA-22. Są to detektory scyntylacyjne z kryształkiem jodku sodu (CsI) jako scyntylatorem. Detektor C7942CA-22 ma rozdzielczość 2400x2400 pikseli, rozmiary pikseli 50x50µm, aktywną powierzchnię o wymiarach 120x120mm, prędkość przetwarzania obrazów 9 klatek/s i rozdzielczość 8 linii/ mm.

    Przykłady tomografów i ich parametry

    Obecnie na rynku europejskim oferowane są tomografy do zastosowań przemysłowych, już nie tylko w zakresie defektoskopii, ale również te, które umożliwiają przeprowadzanie pomiarów współrzędnościowych zarówno części jak i zespołów mechanicznych oraz zespołów elektronicznych. Autorowi znane są tomografy następujących producentów:

    - Tomografy Metrotom produkcji firmy C.Zeiss [www.zeiss.pl],
    - Tomografy z serii XT H i XT V firmy Metris-Nikon [www.nikonmetrology.com],
    - Systemy tomograficzne 2D 3D firmy GE Measurement & Control Solutions -phoenix|x-ray [www.phoenix-xray.com],
    - System Y.CT firmy YXLON International GmbH [www.yxlon.com].
    - Tomografy firmy Wenzel Volumetrik [www.volumetrik.com],
    - Systemy TomoScape i TomoCheck firmy Werth Messtechnik [www.wrthmesstechnik.de],
    - Tomografy firmy Viscom Technology [www.viscom.com],
    - Tomografy firmy North Star Imaging,Inc [www.xviewct.com],
    - Tomografyw firmy Saki Corporation [www.sakicorp.com].

    Niektóre z nich zostaną zaprezentowane - ich parametry i przykłady zastosowań

    Firma C.Zeiss [10] wytwarza dwa rodzaje tomografów CT - model Metrotom 800 i Metrotom 1500. Na rys.1 przedstawiono ogólny widok tomografów Metrotom.

    Rys.16. Tomografy komputerowe CT firmy C. Zeiss: a) widok ogólny, b) Metrotom 800, c) Metrotom 1500

    Tomograf komputerowy METROTOM 800 (rys.16b) o masie 5750kg (bez szafy z częścią elektroniki i komputerem) ma wymiary 2,2; 1,31 i 1,96m i jest wyposażony w lampę rentgenowską typu zamkniętego chłodzoną powietrzem o zakresie 20÷130kV przy maksymalnym poborze mocy 39W i stożkowej generacji wiązki promieniowania rtg. Przestrzeń pomiarowa składająca się z układu przesuwnego X,Y,Z ma zasięg w kierunku X 700mm, i w kierunkach Y i Z 270mm. Przestrzeń pomiarowa wynosi w płaszczyźnie X-Y 170mm oraz w osi Z 140mm. Stół obrotowy z talerzem do mocowania przedmiotów o maksymalnej masie 4kg ma średnicę 170mm. Matryca detektorów znajduje się w odległości od lampy wynoszącej 800mm. Maksymalne powiększenie geometrii w zakresie 2D wynosi 45 a w zakresie 3D dla detalu o średnicy 4mm 40. Rozdzielczość pionowa montażu wynosi 1536x1920, a rozmiar pojedynczego piksela 127x127 µm. Warunki prawidłowej pracy tomografu są spełnione, jeśli temperatura otoczenia zawiera się w przedziale od +15oC do +35oC przy wilgotności od 40 do 70%, a temperatura w kabinie w czasie pomiaru powinna wynosić 20±2oC.

    Podczas obrotu stołu z przedmiotem wykonywane są zdjęcia rentgenowskie 2D, na podstawie których powstaje przestrzenny model badanej części. Otrzymany po rekonstrukcji model może być użyty do oceny wymiarów badanej części, porównania z modelem CAD lub do utworzenia modelu 3D w zakresie tzw. inżynierii odwrotnej (reverse engineering) oraz w zakresie defektoskopi do wykrywania i oceny wad materiału. Ze względu na wymogi bezpieczeństwa, całe urządzenie jest umieszczone w zamkniętej obudowie zabezpieczającej otoczenie przed promieniami rentgenowskimi wykonanej z materiału polimerowego, a drzwi przesuwne z otworem ze szkła ołowianego.
    Promieniowanie X nie przekracza dawki 1µSv/h w odległości 0,05m od obudowy. Dodatkowe zastosowanie układu tłumienia drgań sprawia, że urządzenie może być zainstalowane praktycznie w dowolnym miejscu zakładu produkcyjnego, uczelni, ośrodka badawczo rozwojowego itp.

    Rys.17. Przykłady elementów możliwych do zmierzenia na tomografie METROTOM 800

    Jak można wywnioskować z przedstawionych parametrów tomograf ten nadaje się do badania małych elementów o masie do 4kg, głównie wykonanych z lekkich materiałów, jak np. aluminium i z tworzyw sztucznych Doskonale nadaje się do badania elementów i zespołów elektronicznych, np. do oceny jakości montażu połączeń elektrycznych.
    Tomografy firmy C.Zeiss są wyposażone w oprogramowanie CAYPSO oraz do defektoskopii w oprogramowanie VGStudio MAX. Programy te pozwalają na wykonywanie następujących funkcji (rys.18):

    1. Defektoskopia - wykrywanie nieciągłości materiału (pęknięcia, wtrącenia materiałów, jednorodność materiału, pęcherzyki powietrza, itp.).
    2. Wyznaczanie wymiarów techniką współrzędnościową
    - porównanie z modelem CAD,
    - inżynieria odwrotna.
    3. Badanie wnętrza przedmiotu, np. dla oceny jakości montażu, w tym połączeń elektrycznych.

    Rys.18. Funkcje programowe tomografów firmy C.Zeiss

    Firma Phoenix|X-ray jest linią produktów firmy GE Sensing & Inspection Technologies koncernu General Electric [11]. Powstała pod koniec lat 90-tych XX wieku w Wunstorf (Niemcy) gdzie do dziś mieści się jej główna siedziba, produkcja oraz dział badań i rozwoju. Firma ta oferuje siedem rodzajów tomografów grupy micro- i nanofocus oraz siedem z grupy podstawowej o nazwach nanotom m, nanotom s, v|tome|x L240, v|tome|x L300, v|tome|x L450, v|tome|xs, i v|tome|xm. Na rys.19 przedstawiono dwa z nich.

    Rys.19. Tomografy firmy GE Sensing&Inspection Technologies: a) nanotom m, b) v|tome|xs

    Tomograf nanotom m jest wyposażony w lampę rtg o napięciu 180kV i mocy 15W (lampa typu otwartego) i może mierzyć drobne przedmioty o masie do 3kg głównie z tworzywa i materiałów lekkich o maksymalnych wymiarach x=250mm i średnica 240mm. Odległość ogniskowa od 150 do 600mm, a minimalny rozmiar woxela 0,3µm. Najmniejszy rozmiar wykrywanego wtrącenia 0,2µm. Geometryczne powiększenie (3D) od 1,5 do 300 razy. Tomograf o masie 1900kg ma rozmiary 1,98mx1,6mx0,9m. Promieniowanie X nie przekracza dawki 1µSv/h w odległości 10cm od obudowy. Tomograf wyposażony jest w oprogramowanie o nazwie datos|x2. Możliwości tomografu w zakresie defektoskopii pokazuje rys.20, jako przykład obrazu 3D cząstek miedzi w kawałku drewna. Natomiast rys.21 pokazuje sondę lambda - widoczne są spoiny, połączenia zatrzaskowe, geometryczne ustawienie sondy oraz stan czujników ceramicznych.

    Rys.20. Defektoskopia elementu z widocznymi wtrąceniami miedzi Rys.21. Widok wyniku montażu sondy lambda

    Tomograf v|tome|xs widoczny na rys.19b jest wyposażony w kombinacje dwóch lamp typu otwartego, a mianowicie w lampę rtg typu mikrofokus o napięciu 240KV i mocy 320W oraz w lampę 180kV i mocy 15W. Tomograf może mierzyć przedmioty o masie do 10kg o maksymalnych wymiarach x=420mm i średnica 135mm. Geometryczne powiększenie dla 2D od 1,46 do 180 razy i dla 3D od 1,46 do 100 razy. Tomograf o masie 2900kg ma rozmiary 2,33m x 1,69m x 1,48m. Promieniowanie X nie przekracza dawki 1µSv/h w odległości 10cm od obudowy. Tomograf wyposażony jest w oprogramowanie o nazwie Phoenix datos|x2 CT oraz x|act uAXI.

    Rys.22. Wizualizacja ubytków w odlewie aluminiowym Rys.23. Widok wyników pomiaru elementu na tle wprowadzonego modelu CAD

    Na rys.22 i 23 podane sa przykłady wyników badań elementów. Na rys. 22 podany jest widok 3D odlewu aluminiowego z widocznymi wtrąceniami, a na rys.23 widok elementu 3D z odchyłami od wymiaru nominalnego z zaznaczonymi kolorami w zależności od wartosci odchyłki. Odchyłki te są podane względem wymiarów nominalnych jakie wniósł wprowadzony do komputera model CAD. Na podziałce z prawej strony podane są wartosci odchyłek w zależnosci od koloru powierzchni obrazu przedmiotu
    Firma Nikon Metrology [12], oferuje łącznie siedem podstawowych modeli tomografów przemysłowych o symbolach XT H 225, z odmianą XT H 225/350 LC do dużych elementów, XT H 450 do łopatek turbin i odlewów i trzy rodzaje dla potrzeb elektroniki XT V 130, XT V 160R.
    Tomograf XT H 225 (rys.24) jest wyposażony w otwartą lampę 6,7 typu ultra focus o napięciu 225kV i mocy 225W. Ma on rozmiary 1,773m x 0,935m x 1,785m i masę 2500kg. Może badać przedmioty o masie do 15 kg. Przestrzeń pomiarowa 3 wynosi X do 200mm, Y do 300mm i Z do 610mm. Obrotowy stół pomiarowy ma możliwość pochylania o 30o. Wyposażny jest w detektor panelowy varian 2520 umiejscowioy w prawej części kabiny 9. Geometryczne powiększenie osiąga >150x. Rozmiar plamki promieniowania (ogniskowa) wynosi 3µm. Jest możliwe wykrywanie wad materiału o wymiarach nawet wynoszących 1µm.

    Rys.24. Widok tomgrafu XT H 225 firmy Nikon Metrology

    Tomograf wyposażony jest w pełni programowalny układ przesuwny i obrotowy zamontowany w części kabiny oznaczonej cyfrą 8. Producent określa konstrukcję kabiny 1 za ergonomiczną. Elektronika i układy chłodzące zainstalowane są w dolnej części tomografu 2 o budowie kompaktowej. Tomograf jest wyposażony w podwójny wyświetlacz 5 do jednoczesngeo pomiaru i analizy w czasie rzeczywistym oraz w dżojstyk 4 do nawigacji wygenerowanym obrazem. Oprogramowanie XT Software Suite umożliwia wykrywanie błędów i analizę oraz kontrolę montażu złożonych mechanizmów, pomiary wymiarów, w tym wewnętrznych elementów, tworzenie modelu CAD w ramach inżynierii odwrotnej, porównanie wymiarów z modelem CAD, zaawansowane badania materiału po kątem analizy uszkodzeń, w tym analizę porowatości analizę struktur biologicznych, cyfrową archiwizację modeli, itp.

    Rys.25. Przyklady pomiarów i badań za pomoca tomografu XT H 225

    Na rys. 25 przedstawiono przykłady badanych przedmiotów za pomocą tomografu XT H 225 obejmujace skrzynie przekładniową w celu oceny jakości montażu (rys.25a), pomiary łopatek turbiny pod względem wymiarowym i wad materiału (rys.25b) oraz pomiary odlewanego elementu (rys.25c) głównie pod względem wad materialu.
    Tomograf XT V 160 przedstawiony na rys.26 służy, podobnie jak tomograf XT V 130 do badania i pomiarów elementów i zespołow elektronicznych.

    Rys.26. Tomograf CT o symbolu XT V 160 firmy Nikon Metrology

    Tomograf XT V 160 wyposażony jest w lampę otwartą o napięciu 160V i maksymalnej mocy 20W. Ma on rozmiary wynoszace 0,93m x 2,231m x 1,975m i masę 1935kg. Może badać przedmioty o masie do 5 kg. Przestrzeń pomiarowa wynosi 355 x 405mm.Obrotowy stół pomiarowy ma możliwość pochylania w zakresie o 60o. Geometryczne powiększenie osiąga 2x 2400. Rozmiar plamki promieniowania (ogniskowa) wynosi 1µm. Jest możliwe wykrywanie wad materiału o wymiarach nawet wynoszących 500nm. Tomograf wyposażony jest w panel detektorów Varian 1313 lub opcjonalnie 2520. Promieniowanie X nie przekracza dawki 1µSv/h w odległości 5cm od obudowy.

    Rys.27. Przykłady badanych układów elektronicznych - jakości połączeń, wykrywania nadamiaru lutu, itp.

    Tomograf pozwala na wykrywanie wad montażu zespołów elektronicznych, szczególnie jakości ścieżek i ich zwarcia, mostkowania, nadmiaru lutu a także wykrywanie porowatości, itp. Przykłady badanych zespołów elektronicznych ilustruje rys.27.
    Opcjonalnie może być zainstalowany czytnik kodów kreskowych do rozpoznawania próbki w seryjnym wykonywaniu pomiarów przy zainstalowanym podajniku.

    Podsumowanie
    1. Dokonano krótkiego przeglądu tomografów z podaniem ważniejszych parametrów i funkcji oraz pokazano ich możliwosci pomiarowe. Nie wszystkie aspekty tomografów mogły być opisane, ze względu na utrzymanie rozsądnej objętości artykułu, np. zagadnienie dokładnosci pomiaru. W przypadku dokładnosci wyznaczania wymiarów mierzonych przedmiotów produceni tomografów podają jako błąd graniczny dopuszczalny na poziomie 4÷9µm plus część zależna od długości mierzonego elementu. Zwykle podana jest zależność o podobnej jak dla współrzędnościowych maszyn pomiarowych strukturze. Na przykład zapis dla tomografu Metrotom 800 jest sformułowany następująco MPEE = (4,5+L/50)µm, gdzie L mierzona długość w mm. Osobnym zagadnieniem jest wyznaczanie dokładnosci tomografu, szczególnie w procesie jego kalibracji. Jak dotąd nie ma normy ISO, natomiast w 2009 roku pojawiły się wytyczne opracowane przez stowarzyszenia VDI/VDE 2630 [9]. Według tych wytycznych dokładność tomografów komputerowych TC charakteryzują następujące cztery grupy parametrów:

    1. Parametr związany z błędem pomiaru długości - E ,
    2. Parametry związane z błędem skanowania - PF, PS,
    3. Parametry określające zależności wymiarowo-materiałowe - GS, GF, GG,
    4. Parametr określający rozdzielczość - Dg .
    Parametry z grupy trzech pierwszych wyznaczane są dla dwóch układów tomografów:
    a) dla 2D - płaskiej wiązki promieniowania - do parametru dodaje się TS np. PF(TS),
    Pomiar określany jest jako w "obrazie"
    b) dla 3D - stożkowej wiązki promieniowania - do parametru dodaje się TT, np. PF(TT) Pomiar określany jest jako "na obrazie"
    Zagadnienie dokładności tomografów i ich kalibracaji stanowi odrębną tematykę do ewntualnego podjęcia w osobnym artykule.

    2.Tomografia komputerowa CT ma szerokie zastosowanie w pomiarach i kontroli obiektów mechanicznych jak i elektronicznych. Charakteryzuje się uniwersalnością , bowiem poza wyznaczaniem wymiarów pozwala na zbadanie struktury materiału pod względem geometrycznym. Pozwala na wykrycie nieciągłości materiału, różnego rodzaju wtrąceń innych materiałów oraz ocenę porowatości. W wyznaczaniu wymiarów technika ta jest prawie porównywalna pod względem dokładności z klasyczną techniką wykonywaną za pomocą współrzędnościowych maszyn pomiarowych [4,5] ma ona szereg zalet, których nie ma klasyczna technika współrzędnościowa.

    Do zalet można zaliczyć: - możliwość wyznaczania wymiarów wewnętrznych, np. grubości ścianek przedmiotów korpusowych, a także poprzez penetracje wewnątrz obiektu - ocenę drożności różnego rodzaju kanałów i jakości połączeń,
    - uzyskiwania obrazów wewnętrznych dla oceny jakości montażu zarówno zespołów mechanicznych jak i elektronicznych,
    W przypadku porównywania z modelem CAD możliwość uzyskiwania informacji o odchyłkach od wymiaru nominalnego zarówno na plus jak i na minus całych powierzchni przedmiotu, a nie tylko odchyłek w wymiarze punktowym. Tomografia komputerowa CT wchodzi lawinowo do przemysłu i do ośrodków badawczych zwłaszcza w zakresie inżynierii materiałowej i elektroniki, np. w badaniach struktury geometrycznej kompozytów i rożnego rodzaju stopów [6,7] oraz jakości połączeń zespołów elektronicznych. Prowadzone są badania nie tylko w odniesieniu do wyrobów przemysłowych lecz również medycznych np struktur kostnych związane m.in. z wykopaliskami dla potrzeb archeologii i paleontologii jak również obejmujące części metalowe i komponenty z różnych materiałów na protezy i części stawów biodrowych i kolanowych [8].

    Bibliografia

    1. Jezierski G.: Radiografia przemysłowa. Wydawnictwa Naukowo-Techniczne. Warszawa 1993.
    2. Cierniak R.: Tomografia komputerowa. Budowa urządzeń CT. Algorytmy rekonstrukcyjne. Akademicka Oficyna Wydawnicza EXIT. Warszawa 2005.
    3. Kielczyk J.: Radiografia przemysłowa. Wydawnictwo Gamma. Warszawa 2006.
    4. Ratajczyk E.: Współrzędnościowa technika pomiarowa. Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej. Warszawa 2005.
    5. Jakubiec W., Malinowski J.: Metrologia wielkości geoemtrycznych. WNT. Warszawa 2004.
    6. Bartscher M., Hilpert U., Goebbels J., Weidemann G.: Enhancement and Proof of Accuracy of Industrial Computed Tomography (CT) Measurements. Annalsof the CIRP. Elsevier. Vol. 56/1/2007, pp. 495-498.
    7. Hiller J., Kasperl S., Hilpert U.,Bartscher M.: Coordinate Measuring with Industrial X-Ray Computed Tomography. Technisches Messen Vol.74, No.11, pp.553-564, 2007
    8. Ryniewicz A: Accuracy assessment of shape mapping using Computer Tomography.
    Metrology and Measuring Systems. Quarterly of Polish Academy of Sciences. Vol.XVII, No.3/2010. pp.482-491.
    9. VDI/VDE 2630. Blatt 1.3: ,Computertomografie in der dimensionalen Messtechnik. Düsseldorf 2009.
    Adresy internetowe
    10. Carl Zeiss Sp.z o.o. Segment IMT (Warszawa). www.zeiss.pl/imt
    11. GE Sensing & Inspection Technologies (Niemcy). www.phoenix-xray.com
    12. Nikon Metrology Europe NV Leuven (Belgia). www.nikonmetrology.com.

    Prof. zw. dr inż. Eugeniusz RATAJCZYK związany z Politechniką Warszawską i Wyższą Szkołą Ekologii i Zarządzania w Warszawie. Były dziekan Wydziału Mechatroniki PW (1996-2002), członek Rady Nauki przy MNiSW - 2 kadencje. Honorowy przewodniczący Komitetu Metrologii i Aparatury Naukowej PAN. Zajmuje się metrologią techniczną, a szczególnie współrzędnościową techniką pomiarową oraz tomografią przemysłową.

  • Źródło: Prof. Eugeniusz Ratajczyk Wyższa Szkoła Ekologii i Zarządzania w Warszawie
    O nas  ::  Regulamin  ::  Polityka prywatności (Cookies)  ::  Reklama  ::  Mapa stron  ::  FAQ  ::  Kontakt
    Ciekawe linki: www.klimatyzacja.pl  |  www.strony.energoelektronika.pl  |  promienniki podczerwieni
    Copyright © Energoelektronika.pl