PEREKAYASAAN PERANGKAT RADIOGRAFI DIGITAL UNTUK...

Prosiding Pertemuan Ilmiah Perekayasaan Perangkat NuklirPRPN – BATAN, 14 November 2013

- 261 -

PEREKAYASAAN PERANGKAT RADIOGRAFI DIGITAL UNTUK INDUSTRI

Kristedjo Kurnianto, Indarzah Masbatin Putra, dan I Putu Susila

PRPN – BATAN, Kawasan Puspiptek, Gedung 71, Tangerang Selatan, 15310

ABSTRAK

PEREKAYASAAN PERANGKAT RADIOGRAFI DIGITAL UNTUK INDUSTRI.Perkembangan teknologi digital saat ini memberikan fitur yang sangat menjanjikan dalampenerapannya dalam teknik uji tak merusak khususnya radiografi. Kegiatan perekayasaandigital radiografi ini bertujuan untuk mendapatkan sebuah sistem digital radiografi yangmemenuhi standar radiografi digital untuk memperoleh citra 2 dimensi dan kemungkinanpengembangan untuk mendapatkan citra 3 dimensi (tomografi). Kegiatan perekayasaanmeliputi pemilihan detektor, konfigurasi sistem, desain meja putar dan pembuatanperangkat lunak kendali serta pengolahan citra. Hasil rancangan sudah memenuhi syaratsebuah sistem digital radiografi yang aplikasinya digunakan untuk inspeksi produkpengecoran logam. Perangkat lunak LabVIEW dengan opsi Vision sudah memenuhisyarat berbagai fungsi dalam pengolahan citra dan analisis citra hasil radiografi digital.

Kata kunci: radiografi digital, pengolah citra, desain meja putar, perangkat lunak kendali.

ABSTRACT

INDUSTRIAL DIGITAL RADIOGRAPHY EQUIPMENT DESIGN.The development ofdigital technology has provided a significant promising features in non distructive testtechniques, especially in radiography. The purpose of this industrial digital radiographyequipment design is to provide owned design digital radiography system which provide atwo dimensional image and, for the near future, a three dimensional image (Tomography).The scope of design consist of detector selection, system configuration design, rotarytable design and software development for control and image processing. Experimentalresults show that the design is enough to fulfill digital radiography standard and could beapplied in casting product inspection. The LabVIEW include with vision option softwarehas shown a good performance in handling image processing and image analysis ofdigital radiography image.

Keywords: digital radiography, image processing, rotary table design, softwaredevelopment for control.

1. PENDAHULUAN

Teknik uji tak merusak sangat penting dalam menjamin mutu berbagai komponen

dalam industri. Salah satu teknik uji tak merusak yang sangat bermanfaat adalah

radiografi karena dengan teknik ini kita dapat melihat bagian dalam sebuah benda

bantuan sinar-x atau sinar gamma yang memiliki daya tembus tinggi. Teknik radiografi


- 262 -

konvensional dilakukan dengan menggunakan film sehingga memiliki banyak

keterbatasan seperti pemrosesan film lama dan membutuhkan zat-zat kimia yang tidak

ramah lingkungan. Disamping itu proses analisis radiografi dengan menggunakan film

sangat terbatas, mengingat kemampuan mata manusia yang spektrumnya terbatas.

Sejalan dengan perkembangan teknologi digital, saat ini keberadaan film sudah

digantikan dengan beberapa metoda lain seperti penggunaan CR (Computer

Radiography), IDR (Indirect Digital Radiography) dan DDR (Direct Digital Radiography).

Metoda CR menggunakan storage phosporus plate, atau biasa disebut imaging plate,

sebagai ganti film dan menggunakan scanner khusus untuk mengkonversi menjadi data

digital dan jika diperlukan dapat menghapus citra dalam plate tersebut. Imaging plate

dapat digunakan hingga sekitar 1000 kali. Metoda IDR menggunakan uminescent screen

sensitive to X-rays yang dipasang pada sebuah intensifier dimana citra yang dihasilkan

kemudian ditangkap dengan menggunakan kamera CCD. Teknik DDR merupakan

teknologi termutakhir dimana citra digital langsung diperoleh dengan menggunakan photo

conductor, metode sintilasi atau dengan detektor CMOS.

Perekayasaan perangkat digital Radiografi untuk industri saat ini sangat diperlukan

karena penggunaan teknik uji tak merusak ini sangat luas penggunaanya dalam industri

manufakturing sebagai kendali kualitas maupun dalam inspeksi rutin. Perkembangan

teknik digital memberikan keunggulan dalam waktu pengolahan dan analisis citra

radiografi. Dengan menempatkan benda uji di antara pesawat sinar-x atau sumber

gamma dan perangkat penangkap citra digital, proses analisis akan dapat langsung

dilakukan tanpa harus menunggu waktu pengembangan film dalam radiografi

konvensional atau proses scanning pada CR.

Pada tahap pertama, perekayasaan perangkat digital radiografi untuk industri ini

akan menitik beratkan pada perolehan citra radiografi sesuai dengan standar radiografi

yang ada. Untuk mencapai standar ini akan dikembangkan perangkat akusisi citra,

peningkatan rasio sinyal-derau dan penerapan berbagai teknik filtering. Pada tahap kedua,

perekayasaan perangkat ini akan dikembangkan pada perangkat radiografi yang memiliki

kemampuan tomografi. Benda uji diletakkan pada meja putar yang secara terintegrasi

dikendalikan dengan perangkat penangkap citra. Hasil rekonstruksi ditampilkan dalam

citra 3D dan dapat dipotong-potong dari berbagai sudut untuk menampilakan tampang

lintang obyek sehingga dapat diperoleh informasi struktur bagian internal dengan baik.

Ruang lingkup bahasan dalam tulisan ini adalah perekayasaan perangkat direct

digital radiography (DDR) untuk memperoleh citra digital sesua dengan standar radiografi

yang ada. Selain itu pada tahun ini juga dilakukan perancangan mekanik serta kendali


- 263 -

meja putar untuk mempersiapkan tahapan berikutnya yaitu perekayasaan CT (Computed

Tomography) untuk industri. Citra digital diperoleh dengan menggunakan detektor flat

panel, yang kemudian citranya diolah secara digital dengan mengunakan program

LabVIEW. Program LabVIEW juga digunakan untuk mengendalikan unit pengendali

pesawat sinar-x. Perekayasaan perangkat ini menitik beratkan pada inspeksi material

casting dan dilakukan atas kerja sama PRPN dan PATIR BATAN.

2. TEORI

Sinar-x, yang merupakan bagian utama dalam radiografi, adalah merupakan radiasi

elektro magnetik yang dalam spektrum gelombang elektro magnetik memiliki panjang

gelombang yang lebih pendek dan energi yang lebih tinggi (104 – 107 ev) dari cahaya

biasa sehingga memiliki daya tembus yang tinggi. Tingkat energi inilah yang menentukan

daya tembus sinar-x pada benda uji. Prinsip kerja pembangkitan sinar-x dapat dilihat pada

Gambar 1 berikut ini.

Gambar 1. Skema dan Prisip Kerja Pesawat Sinar-x[1]

Sinar-x dipancarkan dari kutub anoda melalui proses perlambatan yang

menghasilkan spektrum kontinyu yang biasa disebut dengan proses Bremsstrahlung.

Istilah spektrum menjadi lebih dipahami dalam grafik intensitas radiasi (I0)versus energi

radiasi (E). Perubahan arus akan menentukan intensitas sinar-x, sedangkan peningkatan

tegangan akan meningkatkan energi maksimum sekaligus meningkatkan intensitas dan

energi rata-rata. Pengaruh perubahan arus dan tegangan sinar-x dapat dilihat pada

Gambar 2a dan Gambar 2b.


- 264 -

Gambar 2a. Perubahan intensitas I0 mengikuti perubahan arus [1]

Gambar 2b. Perubahan energi maksimum dan energi rata-ratamengikuti perubahan tegangan [1]

Interaksi sinar-x dengan benda uji secara umum dapat diklasifikasikan dalam

interaksi foto absorbsi dan hamburan. Intensitas sinar-x akan menurun dengan bertambah

tebalnya materi yang dilewatinya. Secara umum atenuasi intensitas sinar-x dapat

ditunjukkan pada persamaan (1)

I = I0 ×e - m×w (1)

dengan I adalah intensitas dibelakang spesimen, I0 adalah intensitas tanpa atenuasi, μ

adalah koefisien atenuasi (nilainya tergantung energi dan material) dan ω adalah

ketebalan spesimen. Sebagai acuan dalam radiografi Gambar 3 dapat digunakan untuk

memperkirakan penurunan intensitas sebagai fungsi ketebalan dan jenis material

spesimen.


- 265 -

Gambar 3. Kurva atenuasi berbagai jenis material [1]

Untuk keperluan radiografi biasanya dibutuhkan intensitas dan energi rata-rata

tertentu yang sesuai dengan jenis dan ukuran spesimen. Untuk tujuan inilah biasanya

dibutuhkan pre-filtering untuk menurunkan intensitas dan menaikkan energi rata-rata.

Material filter yang biasa digunakan adalah Aluminium dengan ketebalan 1- 5 mm dan

Tembaga dengan ketebalan 0.2 – 1 mm. Modifikasi spektrum dengan pre-filtering ini

dapat dilihat pada Gambar 4.

Gambar 4. Modifikasi spektrum sinar-x dengan menggunakan pre-filtering[1]

Secara umum, pengendalian sinar-x dalam radiografi dapat dilakukan dengan

mengatur arus, mengatur tegangan dan mengatur jenis dan ketebalan pre-filtering.

Peningkatan tegangan bertujuan untuk meningkatkan energi sinar-x, meningkatkan daya

tembus, meningkatkan intensitas sinar-x. Peningkatan arus bertujuan meningkatkan

intensitas dengan tanpa meningkatkan daya tembus. Pre-filtering bertujuan untuk

mengurangi porsi radiasi energi rendah, mengurangi intensitas dan memungkinkan daya

tembus pada rentang spesimen yang lebih tebal.


- 266 -

Gambar 5. Ilustrasi pengaruh energi terhadap perbedaan intensitas (kontras) [1]

Pengaturan tegangan, arus dan pre-filtering dalam radiografi berhubungan dengan

kualitas citra yang dihasilkan. Kualitas citra biasanya dinilai dari kontras dari citra yang

dipengaruhi oleh besarnya derau dari sinyal yang tidak diinginkan dalam citra.

Perbandingan antara sinyal dan derau, SNR (signal-to-noise ratio) didefinisikan sebagai

perbandingan antara nilai intensitas sinyal I0 dengan amplitudo noise σ. Nilai kontras

sebuah citra radiografi biasanya dinyatakan dalam CNR (contrast-to-noise ratio) yang

didefinisikan sebagai perbandingan rata-rata perbedaan antar intensitas dalam cacat (flaw)

dan material sekitarnya amplitudo noise σ [1].

SNR = I0s

(2)

Gambar 6. Pengaruh SNR dan CNR pada tampak tidaknya “notch” dalam radiogafi [1]

Dalam radiografi digital, kualitas citra dalam mendeteksi cacat ditentukan dari nilai

CNR dibagi perbedaan ketebalan dalam cacat (Δw). Nilai perbandingan ini sama dengan

perkalian antara SNR dan μeff , lihat persamaan (3). Nilai SNR ditentukan oleh waktu

ekspose, arus tabung sinar-x, efisiensi detektor dan struktur detektor, sedangkan nilai μeff

ditentukan oleh material, tegangan tabung sinar-x, proteksi hamburan, screen dan filter.


- 267 -

CNRD w

= SNR×meff (3)

Selain pengaturan parameter-parameter di atas, fakta bahwa berkas sinar x yang

dipancarkan dari tabung sinar-x tidak berasal dari satu titik tapi dari focal spot dengan

diameter sebesar d. Hal ini mengyebabkan citra yang dihasilkan menjadi tidak tajam.

Ketidak tajaman geometrik (geometrical unsarpness) ug, merupakan ukuran yang harus

diperhatikan selain faktor pembesaran M, yang ditentukan oleh jarak focal spot ke

spesimen FOD (Focal spot-Object-Distance) dan jarak focal spot ke detector FDD (Focal

spot-Detector-Distance)

Gambar 7. Kondisi realistis (non ideal) dalam pencitraan radiografi [1]

Ketidaktajaman geometrik dinyatakan dalam persamaan (4) di bawah ini

ug = d × FDDFOD

-1æèç

öø÷= d ×(M - 1) (4)

3. TATAKERJA (BAHAN DAN METODE) RANCANGAN

Bahan dan peralatan yang digunakan dalam perekayasaan Digital Radiografi untuk

industri meliputi penentuan spesifikasi detektor flat panel, pengadaan flat panel,

pembuatan sistem kendali untuk meja putar dan kendali pengendali tabung sinar-x serta

desain sistem secara keseluruhan untuk mendapatkan citra yang memenuhi standar

radiografi digital. Disamping itu dilakukan pemilihan perangkat lunak yang akan digunakan

sebagai pengendali sistem sekaligus sebagai alat bantu dalam analisis citra.

3.1 Tabung sinar-x dan pengendali


- 268 -

Tabung sinar-x yang akan digunakan dalam kegiatan ini adalam tabung sinar-x

milik PATIR-BATAN yang dilengkapi dengan sistem pendingin sehingga dapat

dioperasikan secara kontinyu. Modul kendali tabung terletak terpisah dan berada di ruang

yang berbeda untuk menghindari paparan radiasi yang tidak diinginkan pada operator.

Parameter unit kendali yang akan diintegrasikan dengan sistem adalah tegangan dan

arus tabung sinar-x. Untuk lebih jelasnya, gambar tabung dan unit kendali tabung sinar-x

yang akan digunakan tampak pada Gambar 8 berikut ini.

Gambar 9. Tabung Sinar-x dan unit kendali milik PATIR – BATAN.

3.2 Detektor Flat Panel

Prinsip kerja detektor penangkap citra digital adalah menggunakan detektor array

yang berbasiskan konversi sinar-x menjadi muatan listrik yang dapat dibaca. Bahan

Silikon amorphous (a-Si) digunakan sebagai bahan semikonduktor untuk tujuan ini.

Secara praktis dalam NDT ada dua metode yang digunakan yaitu metode langsung

(konversi dengan menggunakan foto konduktor) dan metode tak langsung (konversi

menjadi cahaya dengan menggunakan sintilator).

Gambar 9. Gambar tampang lintang CMOS detektor dengan sintilator CSiTl[1]

Pada metode tak langsung, digunakan matriks foto-diode yang dapat mengonversi

cahaya dan sinar-x menjadi muatan listrik. Pada setiap foto diode, muatan pembawa


- 269 -

diintegrasikan untuk jangka waktu tertentu sebelum dibaca setiap pikselnya untuk

mendapatkan representasi grafis dalam akusisi data. Setiap foto diode di hubungkan

dengan batas switch TFT (TFT = Thin Film Transistor) yang secara aktif membaca

akumulasi muatan pada titik tertentu dalam suatu waktu. Untuk lebih jelasnya proses

akusisi data pada detektor flat panel dapat dilihat pada Gambar 9.

Dengan pertimbangan tingkat resolusi, energi, ukuran detektor dan harga.

Akhirnya diputuskan penggunaan detektor jenis DMC 12 DR produk Dongmun Korea,

yaitu detektor berbasiskan matriks TFT aktif yagn dikopel langsung dengan amorphous Si.

Meskipun detektor ini digunakan umumnya untuk keperluan medis, namun secara umum,

produsen detektor ini menyatakan bahwa detektor ini dapat juga digunakan untuk

radiografi industri. Spesifikasi detektor flat panel yang digunakan tampak pada tabel 1

berikut ini.

Tabel 1. Parameter dan spesifikasi detektor flat panel [4]

Parameter Detektor Spesifikasi

Matriks piksel 2080 x 2560 piksel

Area Aktif Piksel 264 x 325 mm

Piksel Pitch 127 μm

Konversi A/D 14-bit

Grayscale 16384

Rentang dinamis >73 dB

Resolusi 3,9 lp/mm

Rentang Energi 40 – 150 KVp

Output data Ethernet 100 Mbps

Ukuran 422 x 403 x 22 mm

3.3 Sistem Kendali Lego Mindstorm NXT

Untuk kepentingan kendali dalam kegiatan ini digunakan kit LEGO Mindstorm NXT

2.0. Mindstorms NXT 2.0 menggabungkan fleksibilitas tak terbatas dari sistem bangunan

Lego dengan komponen brick mikro cerdas dan intuitif dengan perangkat lunak

pemrograman drag-and-drop. Salah satu keunggulan lain pada sistem ini adalah

memungkinkannya integrasi perangkat lunak dengan program LabVIEW yang akan

digunakan sebagai induk perangkat lunak dalam kegiatan ini.

Setiap kit Mindstorm NXT 2.0 terdiri atas :


- 270 -

Komponen cerdas NXT Lego Bricks mempunyai fitur mikroprosesor 32-bit, layar

matriks yang besar, 4 input dan 3 output port, dan Bluetooth dan USB link untuk

komunikasi; baterai tidak termasuk

Tiga motor servo interaktif; empat sensor (Sensor Ultrasonik, 2 Sensor Sentuh dan

Sensor Warna)

Sensor Warna memiliki tiga fungsi: membedakan warna dan pengaturan cahaya,

dan berfungsi sebagai lampu

Perangkat lunak yang mudah, yang digunakan (PC dan Mac) dengan pemrograman

drag-and-drop icon-based dan 16 proyek contoh yang mudah dan manual

pemrograman; petunjuk pembangunan untuk 4 robot baru yang menarik.

612 keping komponen Lego

3.4 Perangkat Lunak LabVIEW

Untuk keperluan perangkat lunak pengendali, akusisi dan pengolahan citra

diguanakan perangkat lunak LabVIEW profesional Development System 2011yang

dilengkapi dengan opsi image acquisition dan vision.Perangkat lunak ini sangat fleksibel

dan memiliki fungsi yang cukup memadai dalam akusisi data, komunikasi dengan

perangkat video grabing, kendali dengan mindstorm NXT dan pengolahan citra. Fitur

pengolahan citra akan lebih detail dibahas dalam bagian hasil dan pembahasan.

4. HASIL DAN PEMBAHASAN

Dengan mempertimbangkan berbagai aspek yang sudah dijelaskan dalam dasar

teori dan menggunakan peralatan yang ada dan sudah dipesan disusunlah sebuah

rancang bangun sistem digital radiografi untuk industri. Sistem secara umum terdiri dari

tiga bagian dengan satu komputer kendali dan analisis. Ketiga bagian tersebut adalah

Tabung sinar-x dengan sistem kendalinya, Meja putar dengan sistem kendalinya dan

detektor flat panel dengan sistem akusisi data. Secara umum rancang bangun sistem

secara keseluruhan tampak pada gambar 10


- 271 -

Gambar 10. Rancang bangun sistem digital radiografi secara keseluruhan

Sistem akusisi data menggunakan detektor flat panel DMC 12 DR produk Dongmun

Korea, yang sudah dilengkapi dengan unit kendalinya. Komunikasi antara unit kendali

dengan komputer master menggunakan kabel jaringan Ethernet.

Gambar 11. Detektor Flat Panel dan unit kendalinya[3]

Perangkat lunak akusisi data dilengkapi dengan Flat field calibration. Fungsi ini

sangat penting mengingat ketika sinar-x dikenakan pada spesimen standar yang rata,

maka citra bagian tengah akan mendapat ekspos yang lebih besar, atau dengan kata lain

bagian tengah akan lebih terang dibanding bagian samping/ luar. Ilustrasi Flat field

correction tampak pada gambar 12 berikut ini.


- 272 -

Gambar 12. Flat Field Correction

Untuk mendapatkan citra yang stabil dan keperluan tomografi pada tahap

selanjutnya dari perekayasaan ini, meja putar dipilih menggunakan tilting rotary table yang

ada di pasaran. Penggunaan meja ini agar presisi putaran terjamin disamping desain dan

kekuatan mekanik yang sudah teruji. Adanya gear reduction box yang sudah terintegrasi

juga memudahkan integrasi dengan motor kendali dari Mindstorm NXT.

Gambar 13. Meja Putar yang akan digunakan (Tilting Rotary Table)

Perangkat lunak pemroses citra yang ada pada program LabVIEW sudah sangat

memadai untuk keperluan radiografi. Fungsi-fungsi yang sudah dicoba dan akan

diguanakan antara lain diuraikan sebagai berikut:

Deteksi pinggir (edge detection)

Filter citra dan analisis frekuensi

Pola dan matching geometri

Pengukuran objek

Kalibrasi spasial

Sistem koordinat


- 273 -

Gambar 14. Hasil Pengujian Detektor Flat Panel dengan spesimen berupa Detektor NaITldengan PMTnya (70 kV, 50 mA, 0,1 detik)

4. KESIMPULAN

Telah dilakukan rancang bangun sistem digital radiografi dengan menggunakan

pesawat sinar-x, detektor flat panel, meja putar, sistem kendali dan perangkat lunak

pengendali. Desain mempertimbangkan segala aspek yang harus dipertimbangkan untuk

mendapatkan citra radiografi digital yang memenuhi standar.

Pengembangan perekayasaan ini akan dilanjutkan dengan pembuatan dan

perakitan sistem serta penambahan fitur tomografi untuk digunakan dalam mengamati

produk-produk logam hasil pengecoran (casting product).

5. UCAPAN TERIMAKASIH

Ucapan terima kasih penulis berikan kepada pihak PATIR-BATAN yang telah

membantu memberikan ide dan pemanfaatan peralatan tabung sinar-x dalam kegiatan ini.

Khususnya kepada Bp. Sigit Santoro, Bp. Kushartono dan Bp. Sugiharto yang sangat

membantu Kegiatan ini.

6. DAFTAR PUSTAKA

1. IAEA/RCA Regional Training Course on Digital Industrial Radiology and Computed

Tomography Applications in Industry Kajang, Malaysia, 2 – 6 November 2009.

2. Digital Portable X-ray System DMC-12DR DMC-12DR Install Manual, Dongmun,

Gyeonggi-do, Republic of Korea, 2012.

3. Digital Portable X-ray System DMC-12DR DMC-12DR Operasion Manual, Dongmun,


4. Digital Portable X-ray System DMC-12DR DMC-12DR User Manual, Dongmun,



- 274 -

5. Christoper G. Relf, “Image Acquisition and Processing with LabVIEW, CRC Press,

New York, 2003.

TANYA JAWAB

Pertanyaan:1. Apa yang dipaparkan tadi adalah inti ilmunya, tapi dalam sistem tersebut diperlukan

komponen-komponen penunjang supaya terintegrated. Bisakah komponen apa saja

yang diperlukan secara keseluruhan? (Tri Harjanto)

2. Mohon program seperti tersebut ada keberlanjutan yang terus menerus. (Tri Harjanto)

3. Energi spektrum X-ray-nya sampai nilai berapa dan generator X-ray-nya apa

digunakan untuk kontinyus bertahun-tahun? (Rony D)

4. Apakah perangkat digital yang dirancang ini akan dibuat di PRPN? Penggunaannya

pihak mana saja? (Naek Nababan)

Jawaban:1. Detail pembuatan sistem akan mendayagunakan seluruh sumberdaya di PRPN

melalui pembuatan organisasi perekayasaan.

2. Keberlanjutan kegiatan ini akan terus-menerus dengan koordinasi FGD NDT di

BATAN yang melibatkan PATIR-PRPN-PTBIN.

3. Pesawat sinar-X di PATIR adalah jenis kontinyu dengan pendingin air dan tegangan

maksimum hingga 300 kV. Penggunaan kontinyu bertahun-tahun belum diujicobakan.

4. Setelah jadi peralatan ini akan dipasang di showroom PATIR. Untuk tomografi

gamma akan dipasang di PRPN.

PEREKAYASAAN PERANGKAT RADIOGRAFI DIGITAL UNTUK...

Documents

Transcript of PEREKAYASAAN PERANGKAT RADIOGRAFI DIGITAL UNTUK...