Horvatic bosnjakovic runje

Amalija Horvatović, Alen Bošnjaković, Biserka Runje AMALIJA HORVATIĆ, Oprema-strojevi d.d., Ludbreg ALEN BOŠNJAKOVIĆ, Institut za mjeriteljstvo BiH, Sarajevo, BISERKA RUNJE, Fakultet strojarstva i brodogradnje Zagreb amalija.horvatic@oprema-strojevi.com , alen.bosnjakovic@met.gov.ba , biserka.runje@fsb.hr

OSIGURAVANJE SLJEDIVOSTI KOD PRIMJENE RAČUNALNE TOMOGRAFIJE U DIMENZIONALNOM MJERITELJSTVU Stručni rad / Professional paper Sažetak Pojavom mjeriteljskih uređaja koji rade na principu računalne tomografije omogućeno je mjerenje kako vanjske geometrije predmeta mjerenja tako i uvid u unutarnju strukturu i mjerenje unutarnje geometrije složenih proizvoda netaktilnom metodom skeniranja. Iz razloga što na rezultate mjerenja računalnom tomografijom utječe velik broj faktora, kao i zbog toga što su sustavi računalne tomografije višenamjenski mjerni sustavi, u mnogim slučajevima nije poznata mjerna nesigurnost rezultata mjerenja. Slijedom navedenog, može se konstatirati da trenutno ne postoji metoda, kod primjene računalne tomografije u dimenzionalnom mjeriteljstvu, kojom se može garantirati sljedivost rezultata mjerenja do definicije metra.

Ciljevi istraživanja u ovom radu usmjereni su prema rješavanju tih problema.

Ključne riječi: računalna tomografija CT, dimenzionalno mjeriteljstvo, sljedivost, mjerna nesigurnost 1. UVOD Računalna tomografija jest metoda mjerenja koja koristi rendgenske zrake za dobivanje informacija o predmetu ispitivanja. Izraz računalna tomografija (engl. Computed Tomography CT) dolazi od grčkih riječi tomos što znači odrezan dio, odnosno slika predmeta dobivena rezom volumena predmeta te riječi graphein što znači pisati [1]. Povijest računalne tomografije seže u 1970.-te godine kada je Godfrey Hounsfield prvi ponudio ideju određivanja unutarnje strukture predmeta pomoću 2D slika dobivenih skeniranjem predmeta rendgenskim zrakama. Istovremeno se Allan McCormack, neovisno o radu G. Hounsfileda, bavio razvojem uređaja koji bi omogućio snimanje slika uporabom rendgenskih zraka [1]. Za svoja otkrića obojica su nagrađena Nobelovom nagradom za polje psihologije ili medicine 1979. godine [2]. Svoju prvu uporabu CT uređaji imali su u medicini gdje se i danas koriste.

Tek se kasnije javlja uporaba metoda računalne tomografije u industriji i to za detekciju pukotina u materijalu te kao alat za dimenzionalna mjerenja [3]. Korištenje računalne tomografije u dimenzionalnom mjeriteljstvu revolucionarno je otkriće koje omogućava korisniku dobivanje informacija o vanjskim karateristikama, ali i o unutarnjoj strukturi predmeta ispitivanja [3]. Ono što računalnu tomografiju čini izuzetno interesantnom jest to što je to nerazorna metoda ispitivanja gdje se u tek nekoliko skeniranja dobiva kompletan uvid u predmet ispitivanja [4, 5]. No, ono što ovu metodu čini nepotpunom jest izostanak sljedivosti rezultata mjerenja. Iz tog razloga postoji potreba definiranja mjerne nesigurnosti metode računalne tomografije kao i određivanje sljedivosti rezultata mjerenja [1-6].

15. HRVATSKA KONFERENCIJA O KVALITETI 6. znanstveni skup Hrvatskog društva za kvalitetu 07. - 09. svibnja 2015. Primošten, Hrvatska

- 79 -

Amalija Horvatović, Alen Bošnjaković, Biserka Runje 2. OSIGURAVANJE SLJEDIVOSTI S obzirom da je područje dimenzionalnih mjerenja računalnom tomografijom novo područje istraživanja, trenutačno ne postoje formalni standardi (poput ISO normi i sl.) koji bi egzaktno propisali načine utvrđivanja mjeriteljskih mogućnosti ove vrste uređaja [7]. Točnost i preciznost mjerenja ovisi o poznavanju i mogućnosti kvantificiranja utjecajnih veličina koje se javljaju kod mjerenja. Najveći problem kod ove metode mjerenja jest izostanak mjeriteljske sljedivosti [6]. Mjeriteljska sljedivost jest svojstvo mjernog rezultata kojim se taj rezultat dovodi u vezu s navedenom referencijom, kod dimenzionalnog mjerenja to je jedinica duljine metar, neprekinutim lancem umjeravanja, od kojeg svako umjeravanje doprinosi utvrđenoj mjernoj nesigurnosti [8]. Ono što je ključno kod uređaja za mjerenje računalnom tomografijom jest postojanje mnoštva ulaznih veličina, takozvanih utjecajnih parametara, od kojih se zahtjeva da utvrđeni iznosi svakog pojedinog parametra budu sljedivi do definicije jedinice ili pripadajućeg referencijskog etalona kako bi se mogla garantirati sljedivost rezultata dobivenog mjerenjem [1,8]. Dakle, riječ je o vrlo složenom mjernom sustavu gdje se utjecajni parametri mogu navesti kako slijedi: utjecaj okoline (tlak, vlažnost, temperatura zraka, vibracije okoline, prašina), utjecaj uređaja za mjerenje tj. njegovih komponenata: izvora rendgenskih zraka, rotacionog stola, detektora rendgenskih zraka, utjecaj softverskih algoritama, zatim utjecaj predmeta mjerenja (kemijski sastav materijala, hrapavost tehničkih površina, orijentacija predmeta mjerenja), utjecaj mjeritelja itd. [1, 3, 9]. U tabeli 1 dan je prikaz utjecajnih parametara na sustav mjerenja i mjernu nesigurnost rezultata mjerenja računalnom tomografijom.

Tabela 1: Prikaz utjecajnih parametara na sustav mjerenja računalnom tomografijom Uzrok Okoliš Predmet ispitivanja Detektor Izvor zraka Sustav upravljanja

Utjecajni parametri na mjernu nesigurnost Temperatura, vlažnost, vibracije, prašina Površinska hrapavost, struktura materijala Osjetljivost Spektar rendenskog zračenja, žarište, stabilnost, osjetljivost na visoku temperaturu Mehanička stabilnost, geometrijske pogreške

1. Beam drift – Pogreška koja nastaje zbog porasta temperature izvora CT mjerni uređaj Obrada podataka

Drugi parametri

tijekom stvaranja rendgenskih zraka. Izvor rendgenskih zraka (cijev) se deformira pri čemu dolazi do zamicanja žarišta, a rezultat je iskrivljena slika skeniranog predmeta.

2. Ring artefacts – Pogreška koja uzrokuje pojavu oblika nalik prstenu na slici do koje dolazi zbog greške u detektoru.

3. Beam hardening – Pogreška do koje dolazi zbog polikromatičnosti rendgenskog zračenja pri čemu se prvo apsorbiraju fotoni s manjom energijom.

4. Partial volume artefacts – Pogreška uzrokovana ograničenim vidnim poljem detektora CT sustava.

Rotacija predmeta, izvor struje, statika slike, mjeritelj

Također, kao izazov autori navode mjerenje predmeta izrađenih iz više različitih materijala [7,9]. Razlog tome jest taj što se fotoni zraka različitih valnih duljina različito apsorbiraju kod različitih materijala [9]. Poseban problem predstavljaju upravo predmeti izrađeni od

15. HRVATSKA KONFERENCIJA O KVALITETI 6. znanstveni skup Hrvatskog društva za kvalitetu 07. - 09. svibnja 2015. Primošten, Hrvatska

- 80 -

Amalija Horvatović, Alen Bošnjaković, Biserka Runje nehomogenog materijala. Na polju medicine, kao jedinica mjere radioaktivne gustoće koriste se CT brojevi izraženi u jedinicama HU (Hounsfield). CT brojevi predstavljaju relativnu apsorbanciju1 u odnosu na apsorbanciju vode i zraka, no na polju dimenzionalnog mjeriteljstva uobičajenije je korištenje linearnog koeficijenta prigušenja koji opisuje pad intenziteta zračenja njenim prolaskom kroz jedinicu duljine materijala [10]. Sukladno tome ističe se važnost otkrivanja mjernih karakteristika koje će opisivati apsorbanciju pojedinih valnih duljina rendgenskog zračenja u pojedinom materijalu, kako bi se odredio utjecaj različitih materijala na mjerenja te optimirala valna duljina izvora zračenja. Autori također navode da je važno razviti prototipnu metodu umjeravanja CT uređaja [1]. Dosadašnja istraživanja pokazala su da je korištenje umjerenih izradaka obećavajući pristup u rješavanju problema kod određivanja sljedivosti CT mjernih uređaja te je stoga potrebno dio istraživanja oslanjati na ISO standard 15530-3:2011: Geometrijske karakteristike predmeta – Koordinatni mjerni uređaji: Tehnike za određivanje nesigurnosti mjerenja – dio 3: Korištenje umjerenih izradaka ili etalona kod mjerenja [3, 6, 7]. Standard opisuje postupak procjene mjerne nesigurnosti primjenom referentnih etalona na području dimenzionalnog mjeriteljstva. Kao važan dio istraživanja metode računalne tomografije i načina osiguravanja sljedivosti rezultata mjerenja navodi se potreba za analizom i kvantifikacijom uzroka koji dovode do pogrešaka.

Ako se pogreške koje se javljaju u mjernom sustavu mogu opisati kao sustavne njihov se utjecaj može kvantificirati te minimizirati korekcijom rezultata mjerenja. Ideja u postizanju sljedivosti jest u najvećoj mjeri ukloniti iz procesa mjerenja uzroke koji dovode do pogrešaka no kada to nije moguće, tada je važna mogućnost kvantificiranja utjecaja pojedine pogreške te utvrđivanje njezinog utjecaja na mjernu nesigurnost rezultata mjerenja. Stoga je u cilju osiguravanja sljedivosti rezultata mjerenja kod primjene računalne tomografije potrebno: 1. Provesti modeliranja etalona za umjeravanje CT uređaja.

2. Istražiti utjecajne parametre kao što su: predmet mjerenja (površinska hrapavost, sastav materijala), izvor rendgenskih zraka, sustav za upravljanje, detektor rendgenskih zraka, softverski algoritmi, okoliš (temperature, vlažnost, vibracije, prašina), itd.

3. Provesti karakterizaciju materijala u svrhu utvrđivanja utjecaja različitih materijala kod mjerenja računalnom tomografijom.

4. Utvrditi mjeriteljske mogućnosti CT uređaja usporedbom rezultata mjerenja na trokoordinatnom mjernom uređaju.

5. Primijeniti nove metode procjene mjerne nesigurnosti rezultata mjerenja.

3. ZAKLJUČAK Do sada provedena istraživanja upućuju na velik broj utjecajnih veličina koje egzistiraju u procesu dimenzionalnog mjerenja računalnom tomografijom. Zbog činjenice da se radi o različitim sustavima i višenamjenskom uređaju za mjerenje, mjerne nesigurnosti su u mnogim slučajevima nepoznate i sljedivost mjerenja nije osigurana. Nadalje poseban problem predstavljaju i poteškoće u osiguravanju obnovljivosti rezultata mjerenja ostvarenih primjenom različitih mjernih uređaja, odnosno mjernih metoda. Slijedom spomenutog postoji potreba za daljnjim istraživanjem ove metode.

1

Struna – Hrvatsko strukovno nazivlje (http://struna.ihjj.hr/naziv/apsorbancija/10491/)

15. HRVATSKA KONFERENCIJA O KVALITETI 6. znanstveni skup Hrvatskog društva za kvalitetu 07. - 09. svibnja 2015. Primošten, Hrvatska

- 81 -

Amalija Horvatović, Alen Bošnjaković, Biserka Runje LITERATURA [1] W. Sun, S. B. Brown, R. K. Leach, An overview of industrial X-ray computed tomography, NPL Report, 2012.

[2] http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/medicine/laureates/1979/ , dostupno 15.03.2015.

[3] F.Welkenhuyzen, K.Kiekens, M.Pierlet, W.Dewulf, P.Bleys, J.-P.Kruth, A.Voet, Industrial Computer Tomography for Dimensional Metrology:Overview of Influence Factors and Improvement Strategies, Optimess 2009.

[4] P. Müller, A. Cantatore, J. L. Andreasen, J. Hiller, L. De Chiffre, Computed tomography as a tool for tolerance verification of industrial parts, Procedia CIRP 10, 2013., p. 125 - 132 [5] P. Müller, J. Hiller, A. Cantatore, L. De Chiffre, Investigation on measuring strategies in computed tomography, New technologies in manufacturing, Newtech 2011.

[6] S. Carmignato, Accuracy and traceability of CT dimensional measurements: results from an international comparison, PowerPoint prezentacija, 12. Travanj 2012., Loughborough University [7] M. Bartscher, K. Ehrig, A. Staude, J. Goebbles, U. Neuschaefer-Rube, Application of an Industrial CT Reference Standard for Cast Freeform Shaped Workpieces, International Symposium on Digital Industrial Radiology and Computed Tomography, Berlin 2011 [8] JCGM 200:2008, Međunarodni mjeriteljski rječnik – Osnovni i opći pojmovi i pridruženi nazivi (VIM), Državni zavod za mjeriteljstvo, Zagreb, 2009.

[9] P. Müller, Influence parameters in CT scanning, PowerPoint Prezentacija, 31. Svibanj 2011., DTU Mechanical Engineering, Technical University of Denmark [10] https://www.nde-ed.org/EducationResources/CommunityCollege/Radiography/Physics/attenuationCoef.htm , dostupno 08.04.2015.

TRACEABILITY ASSURANCE IN COMPUTED TOMOGRAPHY APPLIED TO DIMENSIONAL MEASUREMENT Summary With the appearance of computed-tomography measurement devices, it has become possible to measure both the external and internal geometry of complex objects, as well as to gain insight into their internal structure. This is accomplished through a non-contact scanning method. Due to the fact that the measurement results obtained through computer tomography are influenced by a large number of factors, as well as due to the computedtomography systems’ being multipurpose measurement systems, it is often difficult to estimate the measurement uncertainty of results obtained. It can therefore be stated that there currently exists no method, applicable in the field of dimensional metrology, which could be used in order to obtain the traceability of measurement results to the definition of the metre. The aims of this research are geared towards solving these issues.

Keywords: computed tomography CT, dimensional measurement, traceability, measurement uncertainty

15. HRVATSKA KONFERENCIJA O KVALITETI 6. znanstveni skup Hrvatskog društva za kvalitetu 07. - 09. svibnja 2015. Primošten, Hrvatska

- 82 -