WO2008083993A1 - Verfahren und vorrichtung zur in-situ-untersuchung von mechanisch belasteten prüfobjekten - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur in-situ-untersuchung von mechanisch belasteten prüfobjekten Download PDF

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WO2008083993A1
WO2008083993A1 PCT/EP2008/000202 EP2008000202W WO2008083993A1 WO 2008083993 A1 WO2008083993 A1 WO 2008083993A1 EP 2008000202 W EP2008000202 W EP 2008000202W WO 2008083993 A1 WO2008083993 A1 WO 2008083993A1
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WO
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röntgenprüfanläge
test object
tube
ray
abutment
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PCT/EP2008/000202
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French (fr)
Inventor
Martin Münker
Original Assignee
Yxlon International X-Ray Gmbh
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Publication date
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    • G01N2203/02—Details not specific for a particular testing method
    • G01N2203/06—Indicating or recording means; Sensing means
    • G01N2203/0641—Indicating or recording means; Sensing means using optical, X-ray, ultraviolet, infrared or similar detectors
    • G01N2203/0647—Image analysis

Definitions

  • the invention relates to a Rötgenprüfanläge, in particular with an X-ray CT system, with a radiation source and a detector and an interposed examination device.
  • the invention is concerned with a method for discrete or continuous acquisition of structures present or generated in a test object, e.g. Deformations and defects, by means of a Röntgenprüfanläge.
  • the above-mentioned X-ray CT systems are known from the prior art. They are used to examine test objects that are positioned on the examination device. Such material analyzes are carried out either with a fixed radiation source detector device and therein rotating test object placed on a turntable or the test object is fixed and the radiation source detector device is rotated around this test object.
  • the second method is used, for example, in medical applications.
  • the behavior of a specimen or component under static or dynamic load of interest is the non-isotropic pressure load.
  • the test methods eg pressure strength test
  • investigations accompany the development and optimization of new materials.
  • the behavior eg deformation or cracking behavior
  • the (pressure) loads to be applied are very high, eg for high-performance concretes> 60 N / mm, which is why specimens of typical size (Cube with 150 mm edge length) are to be charged with 150 tons breaking load.
  • the associated, commercially available test facilities are correspondingly massively constructed. In particular, due to the design and size of such conventional test equipment, it is not possible in situ
  • test object can be loaded in a test device, mechanically clamped, and placed together with the tension in a tomograph for examination.
  • a test device mechanically clamped, and placed together with the tension in a tomograph for examination.
  • Dynamic loads are completely impossible.
  • the object of the invention is therefore to develop a Röntgenprüfanläge so that X-rays of mechanically loaded on pressure objects easier, more diverse and largely without caused by the test facility image disturbances can be made.
  • the object is achieved by an X-ray inspection system according to the invention having the features of patent claim 1. Because the load unit is part of the examination device, the test object no longer has to be loaded in a separate testing device, clamped there, and brought into the X-ray inspection apparatus for examination. This allows the production of in-situ X-ray images, in particular CT images, during the mechanical pressure loading, ie without reacting the test object.
  • the cross sections of the tube do not have any discontinuous points along their length, it is possible to keep artifacts as small as possible during recording, since the same overall thickness of the tube must always be penetrated independently of the respective rotation angle and thus the attenuation of the X-radiation always be the same is the same - the tube is practically "not seen.” It is assumed here in the advantageous embodiment that the Thickness of the tube wall - except a small tolerance range - is consistently constant.
  • a further advantageous embodiment of the invention provides that the tube consists of a material with high tensile strength and low X-ray absorption coefficient, in particular of a carbon fiber reinforced plastic (commonly referred to as CFRP) or a high-strength light metal material.
  • CFRP carbon fiber reinforced plastic
  • a high-strength light metal material such a tube provides the tensile strength of the outer support required to compensate for the compression stress acting on the specimen in the load unit, but weakens the X-ray imaging only slightly. This is all the more important as the X-ray radiation has to pass through the tube completely enclosing the test object in the examination area at every angle of rotation of the examination device (double-wall transmission). This makes it possible to use a radiation source with low power and therefore better imaging properties.
  • a further advantageous embodiment of the invention provides that the tube is designed as a pre-filter for reducing unwanted Strahlaufhärtungs softe. This is done by the material of the tube on the radiation (energy distribution) and the strigaufgäbe is tuned, for example by material combination and / or adapted Wall thickness. This material combination can be realized both through the tube itself and through interchangeable tubular inserts inside or outside this tube.
  • a further advantageous embodiment of the invention provides that the abutment is releasably connected to the tube.
  • the load unit is thus very easy to remove from the stamper, since the abutment is simply released for the loading and unloading process of the tube and then connected to this again.
  • the abutment comprises at least one retaining bolt which is connected to the tube, for example by being inserted into holes formed therein.
  • a further advantageous embodiment of the invention provides that the inner wall of the tube opposite an insert of a mechanically stable material, such as a light metal or an impact-resistant plastic, is arranged.
  • a mechanically stable material such as a light metal or an impact-resistant plastic
  • An advantageous development of the invention provides that it is an X-ray CT system, wherein the radiation source with the detector on the one hand and the examination device on the other hand are rotatable to each other. But it is also possible to use other X-ray inspection methods, such as fluoroscopy method.
  • a further advantageous development of the invention provides that the radiation source and the detector are spatially fixed and the examination device has a turntable. Thereby it is not necessary, as for example the medical X-ray CT systems to use a very complicated to design and manufacture rotating gantry, which orbits the entire and usually permanently installed testing device.
  • the tube is arranged concentrically to the axis of rotation of the turntable.
  • the mass of the tube which is irradiated is the same size at every angle of the CT measurement and the disturbances of the X-ray image of the examined body caused by it can be well calculated out.
  • a further advantageous development of the invention provides that the loading unit is releasably connected to the turntable.
  • the X-ray inspection system can be easily converted for other applications, since the loading device is designed as a self-sufficient unit, i. It can be operated as an independent attachment on commercially available CT systems.
  • a further advantageous embodiment of the invention provides that the fixed part of the loading unit has a guide portion for guiding the punch.
  • Such a load unit is designed in such a way that it works reliably and yet is structurally not overly complex.
  • a further advantageous development of the invention provides that it has a force deflection device which transmits shear forces to the test object.
  • loads under different directions can be carried out in addition to the pure pressure load.
  • the object is achieved by a method having the features of patent claim 15.
  • it is also not necessary here to transport the test object from a first device in which it is subjected to mechanical stress, in particular pressure, into a second device in which an X-ray image is produced ,
  • FIG. 1 shows a vertical section through an X-ray CT system according to the invention
  • FIG. 2 shows a view of the X-ray CT system of FIG. 1 from above
  • FIG 3 is an enlarged view of only the load unit of Figure 1 and
  • Figure 4 is a view of the load unit of Figure 3 from above.
  • FIG. 1 shows a side view of an X-ray CT system according to the invention.
  • a load unit 6 is shown in section.
  • the typical structure of an X-ray CT system consists of a base plate 1, from which two holders 2 extend vertically upwards and on each of which a radiation source 3 and a detector 5 are arranged opposite one another.
  • the radiation source 3 emits an X-ray beam 4, which is received by the detector 5.
  • the X-ray radiation recorded by the detector 5 is evaluated by means not shown and converted into a three-dimensional image.
  • all CT devices are suitable which make it possible to accommodate a loading unit 6 described in more detail below. This applies in particular to CT systems with rotating gantry.
  • Such arrangements (without load unit 6) are well known in the art, so that those skilled in the art know how they are constructed. Therefore, it will not be discussed in more detail on their design.
  • the image of the test object in conical beam geometry (“3D-CT”) is shown: the flat (eg rectangular) hidden x-ray beam is detected behind the test object 15 by a surface-formed detector 5.
  • a surface-formed detector 5 In this case, such an area detector can also be detected by the movement of a
  • a slit-shaped collimator in front of the radiation source 3, which merely produces a two-dimensional fan beam which illuminates a linear detector 5: fan-beam geometry (“2D-CT").
  • the fan or cone should be at least so large that a test object 15 is completely detected by it in width during a rotation about a rotation axis 17. In particular, it is not necessary for the tube 10 of the loading unit 6 to be completely grasped.
  • test object 15 For volumetric detection of the test object 15 in fan beam geometry, the test object is moved relative to the plane of the beam fan, usually perpendicular to fan beams. In cone-beam geometry, the test object 15 can be completely (in this case, a relative movement - as above described - not required) or in sections. These approaches are well known in the art so that those skilled in the art know how to do so.
  • the aforementioned test object 15 is arranged between the radiation source 3 and the detector 5. It is located inside an examination device.
  • the examination device is arranged on a turntable 7, which rotates about a rotation axis 17, which extends vertically from the base plate 1 upwards, by a predetermined angular range.
  • the rotation obtains the data required for the three-dimensional reconstruction of the test object 15.
  • the axis of rotation 17 preferably passes through the center beam 20 of the fan beam.
  • the test object 15 is arranged within a loading unit 6, which is fixed on the turntable 7.
  • the loading unit 6 has a fixed part 8 which comprises a guide section 9, a tube 10, and an abutment 21, here designed with two retaining bolts 11 and a pressure plate 12.
  • the guide section 9 is preferably fixedly connected to a holder 18. This takes up the tube 10 and is firmly connected to this, for example by a screw connection.
  • devices such as openings, threads or the like, are present, which allow the fixing of the abutment 21.
  • two retaining bolts 11 are shown, which are inserted in the operating mode and thus can be easily removed from the tube 10, so that the test object 15 can be easily and quickly replaced.
  • a plane-level or structured pressure plate 12 is arranged, which rests on the top of the test object 15.
  • the test object 15 is thus arranged between this abutment 21 and a punch 14 functioning as a bearing.
  • the stamp 14 is over a piston 13, which is guided linearly in the guide portion 9, movable.
  • a pressure is exerted on the piston 13 in the pressure direction 19.
  • the test object 15 is pressed against the abutment 21 from below via the punch 14 in an upward direction. Since this is connected via the tube 10 with the guide portion 9 and can not change its position, the test object 15 is pressed together with increasing pressure.
  • three-dimensional images of the test object 15 can be made at predetermined pressures. At a certain, depending on the material and its method of manufacture load the test object 15 is elastically or inelastically deformed, possibly destroyed. In the exemplary embodiment, an incipient crack formation is shown whose three-dimensional expression in the volumetric representation is rendered clearly recognizable by means of computed tomography.
  • test object under progressively changing loading conditions.
  • control of the load unit is integrated into the control of the associated CT system in such a way that it maps non-static load situations, for example in order to reconstruct a damage development.
  • the test object is tomographed under stepwise variable load conditions, whereby the steps load and / or off-load be preset controlled - the CT system is "externally controlled" by the load device.
  • the control of the load unit is integrated in the control of the associated CT system so that it maps dynamically changing load situations. This is achieved by the stroboscopic-clocked imaging during the rotation required for the CT scan (deformation analysis). Alternatively, a radiographic examination in real time is possible.
  • the dynamic behavior of the test object can be detected and displayed under load in real-time or in a stroboscopic manner.
  • the extending between the bracket 18 and the abutment 21 tube 10 must compensate for the entire pressure load. This means that the tube 10 must have an extremely high tensile strength when high pressures are applied (for example, 150 tons when testing concrete specimens).
  • the tube 10 is made of tensile material, such as carbon fiber reinforced plastic (CFRP) or light metal, which has the lowest possible X-ray absorption coefficient, so that the power of the radiation source 3 can be kept as low as possible, since the X-ray beam 4 twice through the Mate - Rial of the tube 10 must pass until it falls on the detector 5.
  • CFRP carbon fiber reinforced plastic
  • light metal which has the lowest possible X-ray absorption coefficient
  • the size of the loading unit 6 can be freely scaled according to the requirements of the test object 15, just as the system can be adapted to the load to be applied by selecting the material and wall thickness of the tube 10.
  • a tubular insert for example made of light metal or impact-resistant plastic, is introduced to the inner wall of the tube 10.
  • the X-ray absorption coefficient should be as low as possible so that as much X-ray radiation passes through them and the power and voltage of the radiation source 3 can be kept as low as possible.
  • an examination of concrete test specimens is shown, where the following dimensions are selected for the individual components (these are by no means limiting): sample diameter of up to 150 mm and sample lengths of up to 200 mm, distance between radiation source focus and detector 5 approx 1,200 mm, 1.5-fold enlargement, total system length 2,000 mm, total system depth 1,200 mm, total system height 1,500 mm, voltage at the radiation source 225 kV, output 2.25 kW.
  • sample diameter of up to 150 mm and sample lengths of up to 200 mm distance between radiation source focus and detector 5 approx 1,200 mm, 1.5-fold enlargement, total system length 2,000 mm, total system depth 1,200 mm, total system height 1,500 mm, voltage at the radiation source 225 kV, output 2.25 kW.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Röntgenprüfanlage mit einer Strahlenquelle (3) und einem Detektor (5) sowie einer dazwischen angeordneten Untersuchungsvorrichtung, wobei die Untersuchungsvorrichtung eine Belastungseinheit (6) aufweist, die einen feststehenden Teil (8) und einen linear dazu bewegbaren Stempel (14) aufweist, zwischen die ein Prüf Objekt (15) zur mechanischen Belastung, insbesondere Beaufschlagung mit Druck, bringbar ist. Ein Widerlager (21) mit dem feststehenden Teil (8) über eine Röhre (10) verbunden ist, deren Querschnitte über die Länge der Röhre (10) keine unstetigen Stellen aufweisen. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Aufnahme von Strukturen, insbesondere Deformationen und Defekten, wie Risse (16), in einem Prüf objekt (15), indem das Prüfobjekt (15) in eine Röntgenprüfanlage eingebracht wird, dort eine mechanische Belastung auf das Prüfobjekt (15) wirkt und eine Röntgenaufnahme in diesem belasteten Zustand gemacht wird.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur in-situ-Untersuchung von mechanisch belasteten Prüfobjekten
Die Erfindung befasst sich mit einer Rötgenprüfanläge, insbesondere mit einer Röntgen-CT-Anlage, mit einer Strahlenquelle und einem Detektor sowie einer dazwischen angeordneten Untersuchungsvorrichtung. Außerdem befasst sich die Erfindung mit einem Verfahren zur diskreten oder kontinuierlichen Aufnahme von in einem Prüfobjekt vorhandenen oder erzeugten Strukturen, z.B. Deformationen und Defekten, mittels einer Röntgenprüfanläge.
Die oben genannten Röntgen-CT-Anlagen sind aus dem Stand der Technik bekannt. Mit ihnen werden PrüfObjekte, die auf der Untersuchungsvorrichtung positioniert werden, untersucht. Solche Materialanalysen werden entweder bei feststehender Strahlenquelle-Detektor-Vorrichtung und darin rotierendem, auf einem Drehtisch angeordneten Prüfobjekt durchgeführt oder das Prüfobjekt steht fest und die Strahlenquelle-Detektor- Vorrichtung wird um dieses PrüfObjekt herum rotiert. Die zweite Methode wird beispielsweise bei medizinischen Anwendungen verwendet.
Bei der Materialanalyse ist u.a. das Verhalten eines Prüfkörpers oder Bauteils unter statischer oder dynamischer Last von Interesse; eine solche Belastungsform ist die nicht-isotrope Druckbelastung. Neben den standardisierten Prüfverfahren (z.B. Druckfestigkeitsprüfung) zur produktionsbegleitenden Ermittlung von Werkstoffkennwerten begleiten solche Untersuchungen die Entwicklung und Optimierung neuer Werkstoffe. Dabei sind häufig nicht allein einzelne Kennwerte, sondern das Verhalten (z.B. Deformations- oder Rissverhalten) des Werk- Stoffs unter Last von Bedeutung. Je nach Werkstoff sind die aufzubringenden (Druck-) Lasten sehr hoch, z.B. bei Hochleistungsbetonen > 60N/mm, weshalb Prüfkörper typischer Größe (Würfel mit 150 mm Kantenlänge) mit 150 Tonnen Bruchlast zu beaufschlagen sind. Die zugehörigen, marktgängigen Prüfein- richtungen sind entsprechend massiv aufgebaut. Insbesondere ist es, bedingt durch die Bauform und -große solcher herkömm- liehen Prüfeinrichtungen nicht möglich, in-situ-
Untersuchungen mittels Computertomographie durchzuführen. Allenfalls kann das Prüfobjekt in einer Prüfeinrichtung belastet, mechanisch verspannt, und mitsamt der Verspannung in einem Tomographen zur Untersuchung platziert werden. Ein sol- ches Vorgehen ist allerdings sehr aufwendig, da zwei verschiedene Anlagen betrieben werden müssen und das Prüfobjekt, ohne Eingriff oder ungewollte Zustandsänderung, von einer Prüfeinrichtung in die Durchstrahlungsanlage gebracht werden muss. Dynamische Belastungen sind gänzlich unmöglich.
Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, eine Röntgenprüfanläge so weiterzuentwickeln, dass Röntgenaufnahmen von mechanisch auf Druck belasteten Objekten einfacher, vielfältiger und weitestgehend ohne durch die Prüfeinrichtung hervorgerufene Bildstörungen vorgenommen werden können.
Die Aufgabe wird durch eine erfindungsgemäße Röntgenprüfanla- ge mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Dadurch, dass die Belastungseinheit Teil der Untersuchungsvorrichtung ist, muss das PrüfObjekt nicht mehr in einer separaten Prüf- einrichtung belastet, dort verspannt, und zur Untersuchung in die Röntgenprüfanläge gebracht werden. Dies erlaubt das Anfertigen von in-situ Röntgenaufnahmen, insbesondere CT- Aufnahmen, während der mechanischen Druckbelastung, d.h. ohne Umsetzen des PrüfObjekts. Dadurch, dass die Querschnitte der Röhre über deren Länge keine unstetigen Stellen aufweisen, ist es möglich, Artefakte bei der Aufnahme möglichst klein zu halten, da unabhängig vom jeweiligen Drehwinkel immer die gleiche Gesamtdicke der Röhre durchdrungen werden muss und somit die Schwächung der Röntgenstrahlung immer die gleiche ist — die Röhre wird praktisch „nicht gesehen" . Es wird hierbei von der vorteilhaften Ausgestaltung ausgegangen, dass die Dicke der Röhrenwand — außer einem geringen Toleranzbereich — durchgängig konstant ist. Die Definition von „unstetigen Stellen" folgt im Wesentlichen dem Verständnis der Analysis, so dass hierunter in der Praxis vor allem das Fehlen von Kni- cken im Querschnitt zu verstehen ist. Unter einer Röhre im Sinne der Erfindung wird deshalb nicht nur ein Gegenstand mit kreisförmigem, gleich bleibendem Querschnitt über seine gesamte Länge verstanden. Vielmehr ist es neben der oben genannten Bedingung der Stetigkeit der Querschnitte nur nötig, dass die Querschnitte in sich geschlossen sind.
Besonders vorteilhaft sind kreisförmige oder ovale Querschnitte.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Röhre aus einem Werkstoff mit hoher Zugfestigkeit und niedrigem Röntgenabsorptionskoeffizienten, insbesondere aus einem kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff (allgemein als CFK bezeichnet) oder einem hochfesten Leichtmetall- Werkstoff, besteht. Eine solche Röhre bietet die zur Kompensation der in der Belastungseinheit auf das Prüfteil wirkenden Druckspannung erforderliche Zugfestigkeit der äußeren Halterung, schwächt jedoch die bildgebende Röntgenstrahlung nur wenig. Dies ist umso bedeutender, als dass die Röntgen- Strahlung unter jedem Drehwinkel der Untersuchungsvorrichtung die das Prüfobjekt vollständig umschließende Röhre im Untersuchungsbereich zweimal durchdringen muss (Doppelwanddurch- strahlung). Dadurch ist es möglich, eine Strahlenquelle mit geringer Leistung und daher besseren Abbildungseigenschaften zu verwenden.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Röhre als Vorfilter zur Reduzierung unerwünschter Strahlaufhärtungseffekte ausgebildet ist. Dies erfolgt dadurch, dass das Material der Röhre auf die Strahlung (Energieverteilung) und die Prüfaufgäbe abgestimmt wird, beispielsweise durch Materialkombination und/oder adaptierte Wanddicke. Diese Materialkombination kann sowohl durch die Röhre selbst als auch durch auswechselbare, röhrenförmige Einsätze innerhalb oder außerhalb dieser Röhre realisiert werden.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das Widerlager lösbar mit der Röhre verbunden ist. Die Belastungseinheit ist damit sehr einfach stempelfern zu beladen, da das Widerlager einfach für den Be- bzw. Entlade- Vorgang von der Röhre gelöst und danach wieder mit dieser verbunden wird. Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn das Widerlager mindestens einen Haltebolzen umfasst, der mit der Röhre verbunden wird, beispielsweise indem er in dort ausgebildete Löcher eingeschoben werden.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Innenwand der Röhre gegenüberliegend ein Einsatz aus einem mechanisch stabilen Material, wie einem Leichtmetall oder einem schlagfesten Kunststoff, angeordnet ist. Dadurch wird die Röhre gegen während der Beaufschlagung mit Druck ggf. abplatzende Teile des PrüfObjekts geschützt. Damit werden sowohl sicherheitsrelevante Schäden (Faserbruch bei Composites) als auch die Abbildungsqualität beeinträchtigende Beschädigungen (Kratzer und Deformationen bei metalli- sehen Röhren) vermieden.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass es sich um eine Röntgen-CT-Anlage handelt, wobei die Strahlenquelle mit dem Detektor einerseits und die Untersuchungs- Vorrichtung andererseits rotierbar zueinander ausgebildet sind. Es ist aber auch möglich, andere Röntgenprüfverfahren, wie beispielsweise Durchleuchtungsverfahren, anzuwenden.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Strahlenquelle und der Detektor räumlich fixiert sind und die Untersuchungsvorrichtung einen Drehtisch aufweist. Dadurch ist es nicht nötig, wie beispielsweise bei den medizinischen Röntgen-CT-Anlagen, eine sehr aufwendig zu konstruierende und herzustellende rotierende Gantry zu verwenden, welche die gesamte und üblicherweise fest installierte Prüfeinrichtung umkreist.
Besonders bevorzugt ist die Röhre konzentrisch zur Drehachse des Drehtischs angeordnet. Dadurch ist die Masse der Röhre, die durchstrahlt wird, unter jedem Winkel der CT-Messung gleich groß und die durch sie bewirkten Störungen des Rönt- genbildes des untersuchten Körpers können gut herausgerechnet werden.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Belastungseinheit lösbar mit dem Drehtisch ver- bunden ist. Dadurch kann die Röntgenprüfanläge sehr einfach auch für andere Anwendungen umgebaut werden, da die Belastungseinrichtung als autarke Einheit ausgeführt ist, d.h. sie kann als eigenständiger Aufsatz auf handelsüblichen CT- Anlagen betreiben werden.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der feststehende Teil der Belastungseinheit einen Führungsabschnitt, zur Führung des Stempels aufweist. Eine solche Belastungseinheit ist so ausgestaltet, dass sie zuver- lässig arbeitet und dennoch konstruktiv nicht übermäßig komplex aufgebaut ist.
Dies gilt insbesondere bei einer Weiterbildung der Erfindung, bei der der Abstand zwischen dem Führungsabschnitt und dem Widerlager konstant ist.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass sie eine Kraftumlenkvorrichtung aufweist, die Scherkräfte auf das PrüfObjekt überträgt. Dadurch können ne- ben der reinen Druckbelastung auch Belastungen unter verschiedenen Richtungen durchgeführt werden. Außerdem wird die Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 15 gelöst. Wie oben schon zur Vorrichtung ausgeführt, ist es auch hier nicht nötig, das Prüf- objekt von einer ersten Vorrichtung, in der es mit mechanischer Belastung, insbesondere Druck, ausgesetzt wird, in eine zweite Vorrichtung, in der eine Röntgenaufnahme gefertigt wird, zu transportieren. Neben dem dadurch erreichten verringerten Aufwand, wird auch noch die Möglichkeit gegeben, eine dreidimensionale Ansicht des Prüfobjekts unter kontinuierlicher Druckbeaufschlagung zu erhalten. Es handelt sich somit um ein Echtzeit- bzw. echtzeitnahes Verfahren, bei dem Kenntnisse gewonnen werden können, die bei einer Belastung in einer separaten Belastungseinheit und danach Aufnahme unter Wegfall des Drucks unter Umständen nicht mehr gegeben sind.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden anhand des in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 einen Vertikalschnitt durch eine erfindungsgemäße Röntgen-CT-Anlage,
Figur 2 eine Ansicht der Röntgen-CT-Anlage der Figur 1 von oben,
Figur 3 eine vergrößerte Darstellung nur der Belastungseinheit aus Figur 1 und
Figur 4 eine Ansicht der Belastungseinheit der Figur 3 von oben.
Die Figur 1 zeigt eine seitliche Ansicht einer erfindungsgemäßen Röntgen-CT-Anlage. Hierbei ist eine Belastungseinheit 6 im Schnitt dargestellt. Im Folgenden wird das Ausführungsbeispiel anhand aller vier Figuren beschrieben. Der typische Aufbau einer Röntgen-CT-Anlage besteht aus einer Grundplatte 1, von der sich zwei Halterungen 2 senkrecht nach oben erstrecken und an denen jeweils eine Strahlenquelle 3 und gegenüberliegend ein Detektor 5 angeordnet sind. Die Strahlenquelle 3 emittiert einen Röntgenstrahl 4, der vom Detektor 5 aufgenommen wird. Die vom Detektor 5 aufgenommene Röntgenstrahlung wird über nicht gezeigte Vorrichtungen ausgewertet und in ein dreidimensionales Bild umgewandelt. Über diesen typische Grundaufbau hinaus sind sämtliche CT- Einrichtungen geeignet, die es erlauben, eine unten näher beschriebene Belastungseinheit 6 aufzunehmen. Dies gilt insbesondere für CT-Systeme mit rotierender Gantry. Solche Anordnungen (ohne Belastungseinheit 6) sind aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt, so dass der Fachmann weiß, wie diese aufgebaut sind. Deshalb wird im Weiteren nicht näher auf ihre Ausgestaltung eingegangen.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Abbildung des PrüfObjekts in Kegelstrahlgeometrie („3D-CT" ) dargestellt: der flächig (z.B. rechteckig) ausgeblendete Röntgenstrahl wird hinter dem Prüfobjekt 15 von einem flächig ausgebildeten Detektor 5 erfasst. Dabei kann ein solcher Flächendetektor auch durch die Bewegung eines Linien- oder Punktdetektors synthetisiert werden (Scanner). Es ist aber genauso gut möglich, einen schlitzförmigen Kollimator vor der Strahlenquelle 3 zu verwenden, der lediglich einen zweidimensionalen Fächerstrahl erzeugt, welcher einen linienförmigen Detektor 5 ausleuchtet: Fächerstrahlgeometrie („2D-CT"). Der Fächer bzw. Kegel sollte dabei mindestens so groß sein, dass ein Prüfobjekt 15 bei ei- ner Rotation um eine Drehachse 17 vollständig von ihm in der Breite erfasst wird. Es ist insbesondere nicht erforderlich, dass die Röhre 10 der Belastungseinheit 6 vollständig erfasst wird. Zur volumenhaften Erfassung des PrüfObjekts 15 in Fächerstrahlgeometrie wird das Prüfobjekt relativ zur Ebene des Strahlenfächers bewegt, in der Regel senkrecht um Strahlenfächer. In Kegelstrahlgeometrie kann das PrüfObjekt 15 vollständig (in diesem Fall ist eine Relativbewegung — wie oben beschrieben — nicht erforderlich) oder abschnittsweise er- fasst werden. Diese Vorgehensweisen sind aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt, so dass der Fachmann weiß, wie diese ausgeführt sind.
Das vorhin erwähnte Prüfobjekt 15 ist zwischen der Strahlenquelle 3 und dem Detektor 5 angeordnet. Es befindet sich innerhalb einer Untersuchungsvorrichtung. Die Untersuchungsvorrichtung ist auf einem Drehteller 7 angeordnet, der sich um eine Drehachse 17, die sich senkrecht von der Grundplatte 1 nach oben erstreckt, um einen festgelegten Winkelbereich rotieren lässt. Durch die Rotation werden die für die dreidimensionale Rekonstruktion des Prüfobjekts 15 benötigten Daten gewonnen. Die Drehachse 17 verläuft bevorzugt durch den Mit- telstrahl 20 des Strahlenfächers.
Das Prüfobjekt 15 ist innerhalb einer Belastungseinheit 6 angeordnet, die auf dem Drehteller 7 fixiert ist. Die Belastungseinheit 6 weist einen feststehenden Teil 8 auf, der ei- nen Führungsabschnitt 9, eine Röhre 10, und ein Widerlager 21, hier ausgeführt mit zwei Haltebolzen 11 und einer Anpressplatte 12 umfasst. Der Führungsabschnitt 9 ist vorzugsweise fest mit einer Halterung 18 verbunden. Diese nimmt die Röhre 10 auf und ist fest mit dieser verbunden, beispielswei- se durch eine Verschraubung. Am oberen Ende der Röhre 10 sind Vorrichtungen, beispielsweise Durchbrechungen, Gewinde oder ähnliches, vorhanden, welche das Fixieren des Widerlagers 21 ermöglichen. Im Ausführungsbeispiel sind zwei Haltebolzen 11 dargestellt, die im Betriebsmodus eingeschoben sind und somit sehr einfach von der Röhre 10 entfernt werden können, so dass das Prüfobjekt 15 einfach und schnell ausgewechselt werden kann. Unterhalb der beiden Haltebolzen 11 ist eine planebene oder strukturierte Anpressplatte 12 angeordnet, welche auf der Oberseite des PrüfObjekts 15 aufliegt. Das PrüfObjekt 15 ist somit zwischen diesem Widerlager 21 und einem als Lager fungierenden Stempel 14 angeordnet. Der Stempel 14 ist über einen Kolben 13, der linear in dem Führungsabschnitt 9 geführt wird, bewegbar.
Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird auf den Kolben 13 in Druckrichtung 19 ein Druck ausgeübt. Dadurch wird das Prüfobjekt 15 von unten über den Stempel 14 nach o- ben gegen das Widerlager 21 gepresst. Da dieses über die Röhre 10 mit dem Führungsabschnitt 9 verbunden ist und seine Lage nicht verändern kann, wird das Prüfobjekt 15 mit steigen- dem Druck zusammengepresst. Je nach Anwendungsfall können bei vorgegebenen Drücken dreidimensionale Aufnahmen des Prüfobjekts 15 vorgenommen werden. Bei einer gewissen, vom Material und dessen Herstellungsweise abhängenden Belastung wird das Prüfobjekt 15 elastisch oder inelastisch deformiert, ggf. zerstört. Im Ausführungsbeispiel ist eine beginnende Rissbildung dargestellt, deren dreidimensionale Ausprägung in der volumenhaften Darstellung mittels Computertomographie gut erkennbar wiedergegeben wird. Daraus lassen sich Rückschlüsse auf die Materialeigenschaften des PrüfObjekts 15 ziehen, die für eine Bewertung nach vorgegebenen Kriterien benötigt werden. Dadurch, dass die mechanische Belastung des PrüfObjekts während der Röntgenaufnahme verändert wird, erhält man quasi ein in-situ-Verfahren, bei dem ein zeitlicher, last- oder wegabhängiger Verlauf von 3D-Röntgenaufnahmen angefertigt wird. Dadurch lassen sich unter Umständen Kenntnisse gewinnen, die bei Aufnahmen mit nur einem Druck nicht erhalten werden können.
Es ist auch möglich, das Prüfobjekt unter schrittweise verän- derlichen Belastungsbedingungen zu tomographieren. Hierzu wird die Steuerung der Belastungseinheit so in die Steuerung der zugehörigen CT-Anlage eingebunden, dass sie nichtstatische Belastungssituationen abbildet, beispielsweise um eine Schadensentwicklung nachzuvollziehen. Dazu wird das Prüfobjekt unter schrittweise veränderlichen Belastungsbedingungen tomographiert , wobei die Schritte last- und/oder weg- gesteuert vorgegeben werden — die CT-Anlage wird von der Belastungseinrichtung „fremdgesteuert" .
Es kann auch eine stroboskopisch getaktete Abbildung des Prüfobjekts während der für die CT-Aufnahme erforderlichen Drehung erfolgen. Dazu wird die Steuerung der Belastungseinheit so in die Steuerung der zugehörigen CT-Anlage eingebunden, dass sie dynamisch wechselnde Belastungssituationen abbildet. Dies wird durch die stroboskopisch-getaktete Abbil- düng während der für die CT-Aufnahme erforderlichen Drehung realisiert (Deformationsanalyse). Alternativ ist auch eine Durchstrahlungsprüfung in Echtzeit möglich.
Wenn die Röntgenaufnahme mit der mechanischen Belastung des Prüfobjekts synchronisiert wird, kann das dynamische Verhalten des Prüfobjekts unter Last echtzeitnah oder in strobosko- pischer Art erfasst und dargestellt werden.
Die sich zwischen der Halterung 18 und dem Widerlager 21 erstreckende Röhre 10 muss die gesamte Drucklast kompensieren. Dies bedeutet, dass die Röhre 10 eine äußerst hohe Zugfestigkeit aufweisen muss, wenn hohe Drücke appliziert werden (beispielsweise 150 Tonnen bei der Untersuchung von Betonprüfkörpern) . Die Röhre 10 wird aus zugfestem Material gefer- tigt, beispielsweise kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff (CFK) oder Leichtmetall, welches einen möglichst geringen Röntgenabsorptionskoeffizienten aufweist, damit die Leistung der Strahlenquelle 3 so gering wie möglich gehalten werden können, da der Röntgenstrahl 4 immer zweimal durch das Mate- rial der Röhre 10 hindurchtreten muss, bis es auf den Detektor 5 fällt.
Die Größe der Belastungseinheit 6 kann den Erfordernissen des Prüfobjekts 15 entsprechend frei skaliert werden, ebenso wie das System durch die Auswahl von Material und Wandstärke der Röhre 10 auf die aufzubringende Last abgestimmt werden kann. Um der Gefahr einer Beschädigung des Röhrenkörpers durch abplatzendes Material zu begegnen, wird an die Innenwand der Röhre 10 ein röhrenförmiger Einsatz beispielsweise aus Leichtmetall oder schlagfestem Kunststoff, eingebracht. Auch hier sollte der Röntgenabsorptionskoeffizient möglichst gering sein, damit möglichst viel Röntgenstrahlung durch sie hindurchtritt und die Leistung und Spannung der Strahlenquelle 3 möglichst gering gehalten werden kann.
Die bevorzugte Ausführungsform einer Röhre 10 mit kreisrundem Querschnitt — was somit auch für die Innenwand gilt — ergibt sich daraus, dass dadurch Artefakte reduziert werden können. Diese entstehen, wenn bei nicht zentrischer, nicht rotationssymmetrischer Anordnung bei der Rotation des Prüfobjekts 15 unterschiedliche Weglängen bei unterschiedlichen Winkelstellungen durch die Röhre 10 vorliegen. Es ist deshalb auch Wert darauf zu legen, dass die Wandstärke der Röhre 10 über den gesamten Umfang, und — im Falle der Kegelstrahlgeometrie — auch über ihre Höhe möglichst konstant ist.
Im Ausführungsbeispiel wird eine Untersuchung von Betonprüfkörpern" dargestellt. Hier sind für die einzelnen Komponenten folgende Abmessungen gewählt (wobei diese keinesfalls beschränkend sind): Probendurchmesser von bis zu 150 mm und Probenlängen von bis zu 200 mm, Entfernung zwischen Strahlenquellen-Fokus und Detektor 5 ca. 1.200 mm; Vergrößerung 1,5- Fach; Länge der Gesamtanlage 2.000 mm; Tiefe der Gesamtanlage 1.200 mm; Höhe der Gesamtanlage 1.500 mm; Spannung an der Strahlenquelle 225 kV; Leistung 2,25 kW. Bezugszeichenliste
Grundplatte
Halterung
Strahlenquelle
Röntgenstrahl
Detektor
Belastungseinheit
Drehtisch feststehender Teil
Führungsabschnitt
Röhre
Haltebolzen
Anpressplatte
Kolben
Stempel
Prüfobjekt
Riss
Drehachse
Halterung
Druckrichtung
Mittelstrahl
Widerlager

Claims

Patentansprüche
1. Röntgenprüfanläge mit einer Strahlenquelle (3) und einem Detektor (5) sowie einer dazwischen angeordneten UntersuchungsVorrichtung, wobei die Untersuchungsvorrichtung eine Belastungseinheit (6) aufweist, die einen feststehenden Teil (8) und einen linear dazu bewegbaren Stempel (14) aufweist, zwischen die ein PrüfObjekt (15) zur mechani- sehen Belastung, insbesondere Beaufschlagung mit Druck, bringbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Widerlager (21) mit dem feststehenden Teil (8) ü- ber eine Röhre (10) verbunden ist, deren Querschnitte über die Länge der Röhre (10) keine unstetigen Stellen aufweisen.
2. Röntgenprüfanläge nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnitte kreisförmig oder oval sind.
3. Röntgenprüfanläge nach Patentanspruch 1 oder 2 , dadurch gekennzeichnet, dass die Röhre (10) aus einem Werkstoff mit hoher Zugfestigkeit und niedrigem Rönt- genabsorptionskoeffizienten besteht, insbesondere aus einem kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff oder einem hochfesten Leichtmetallwerkstoff, bevorzugt aus einem Werkstoff für den Leichtbau.
4. Röntgenprüfanläge nach einem der vorstehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Röhre (10) als Vorfilter zur Reduzierung unerwünschter Strahlaufhärtungseffekte ausgebildet ist.
5. Röntgenprüfanläge nach einem der vorstehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Widerlager (21) lösbar mit der Röhre (10) verbunden ist.
6. Röntgenprüfanläge nach einem der vorstehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenwand der Röhre (10) gegenüberliegend ein Einsatz aus einem mechanisch stabilen Material, wie einem Leichtmetall oder einem schlagfesten Kunststoff, angeordnet ist.
7. Röntgenprüfanläge nach einem der vorstehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das WiderIa- ger (21) mindestens einen Haltebolzen (11) umfasst.
8. Röntgenprüfanläge nach einem der vorstehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich um eine Röntgen-CT-Anlage handelt, wobei die Strahlen- quelle (3) mit dem Detektor (5) einerseits und die Untersuchungsvorrichtung andererseits rotierbar zueinander ausgebildet sind.
9. Röntgenprüfanläge nach Patentanspruch 8, dadurch ge- kennzeichnet, dass die Strahlenquelle (3) und der Detektor (5) räumlich fixiert sind und die Untersuchungsvorrichtung einen Drehtisch ( 7 ) mit einer Drehachse (17) aufweist.
10. Röntgenprüfanläge nach Patentanspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Röhre (10) konzentrisch zur Drehachse (17) des Drehtisches (7) angeordnet ist.
11. Röntgenprüfanläge nach Patentanspruch 9 oder 10, da- durch gekennzeichnet, dass die Belastungseinheit (6) lösbar mit dem Drehtisch (7) verbunden ist.
12. Röntgenprüfanläge nach einem der vorstehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der festste- hende Teil (8) der Belastungseinheit (6) einen Führungsabschnitt (9), zur Führung des Stempels (14), aufweist.
13. Röntgenprüfanläge nach Patentanspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen dem Führungsabschnitt (9) und dem Widerlager (11) konstant ist.
14. Röntgenprüfanläge nach einem der vorstehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Kraftumlenkvorrichtung aufweist, die Scherkräfte auf das Prüfobjekt (15) überträgt.
15. Verfahren zur Aufnahme von Strukturen, insbesondere Deformationen und Defekten, wie Risse (16), in einem Prüfobjekt (15), indem das Prüfobjekt (15) in eine Röntgenprüfanläge eingebracht wird, dort eine mecha- nische Belastung auf das Prüfobjekt (15) wirkt und eine Röntgenaufnahme in diesem belasteten Zustand gemacht wird, dadurch gekennzeichnet, dass es mit einer Röntgenprüfanlage nach einem der vorstehenden Patentansprüche durchgeführt wird.
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