РЕНТГЕНОВСКИЙ ТОЛЩИНОМЕР Российский патент 2001 года по МПК G01B15/02 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к рентгеновским измерителям толщины, и может быть использовано при измерении толщины металлических полос и полотнищ на прокатном стане, а также толщины бумажной, картонной и резиновой лент как в статике, так и динамике.

Известны рентгеновские толщиномеры, содержащие приемник излучения, состоящий из сцинтиллятора и фотоэлектронного умножителя, оптически связанного со сцинтиллятором, расположенный между контролируемым изделием и эталонным образцом, рабочий и компенсационный источники рентгеновского излучения, устанавливаемые симметрично относительно приемника излучения соответственно за контролируемым изделием и эталонным образцом, схему обработки и регистратор [1].

Функциональные возможности этих толщиномеров ограничены измерением малых отклонений толщины контролируемого изделия от заданной толщины, т.е. эталонной. При больших отклонениях толщины относительно эталонной погрешность измерения резко возрастает за счет увеличения нелинейности, поэтому такие толщиномеры применяются редко.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому является рентгеновский толщиномер, содержащий приемник излучения, состоящий из сцинтиллятора и фотоэлектронного умножителя, оптически связанного со сцинтиллятором, расположенный между контролируемым изделием и эталонным образцом, рабочий и компенсационный источники рентгеновского излучения, устанавливаемые симметрично относительно приемника излучения соответственно за контролируемым изделием и эталонным образцом, схему обработки и регистратор [2].

Недостатком этого толщиномера является большое время восстановления его выходной характеристики после момента включения за счет несовпадения экспоненциальных характеристик поглощения импульсов излучения измеряемой толщиной и тока умножителя от напряжения его питания. Время восстановления характеристики толщиномера длится примерно 60 с, а это означает, что достоверность результата измерения в течение начального момента времени, т.е. измерения начального участка движущегося контролируемого изделия низкая за счет значительной погрешности измерения. С учетом скорости движения контролируемого изделия, которая достигает на современных станах до 30 м/с, начальный не точно контролируемый участок будет равен 180 м, что недопустимо.

Сущность предложенного технического решения заключается в том, что в рентгеновском толщиномере, содержащем приемник излучения, включающий сцинтиллятор и фотоэлектронный умножитель, оптически связанный со сцинтиллятором, расположенный между контролируемым изделием и эталонным образцом, рабочий и компенсационный источники рентгеновского излучения, устанавливаемые симметрично относительно приемника излучения соответственно за контролируемым изделием и эталонным образцом, и последовательно соединенные схему обработки, входом соединенную с выходом фотоэлектронного умножителя приемника излучения, и регистратор, схема обработки выполнена в виде двухтактного модулятора и делителя, при этом вход двухтактного модулятора и второй вход делителя подключены к входу схемы обработки, а выход модулятора подключен к первому входу делителя, выход делителя является выходом схемы обработки;
кроме того, двухтактный модулятор выполнен в виде шести резисторов одинаковой величины, дифференциального усилителя, охваченного отрицательной обратной связью, представляющей собой два последовательно соединенных резистора, и коммутатора, при этом каждый из входов дифференциального усилителя соединен через пары последовательно соединенных резисторов с входом модулятора, а выход усилителя является выходом модулятора, средняя точка пары резисторов неинвертирующего входа усилителя соединена с выходом коммутатора, на вход которого подается управляющее напряжение прямоугольной формы, синфазное напряжению питания рентгеновских источников излучения.

Положительным результатом изобретения является высокие быстродействие восстановления рабочего режима толщиномера, достоверность и точность контроля толщины во всем диапазоне измерения, включая и начальный участок контролируемого изделия, что обеспечивает 100% контроль изделия от начала до его конца в динамике, тем самым выпуск годной продукции.

На фиг. 1 изображена структурная схема толщиномера; на фиг. 2 - электрическая схема двухтактного модулятора; на фиг. 3 - график зависимостей изменения сигналов по каналам схемы обработки от толщины изделия на первом (кривая 1) и втором (кривая 2) входах делителя и на его выходе (кривая 3).

Толщиномер содержит рабочий источник 1 ионизирующего излучения и компенсационный источник 2 ионизирующего излучения, приемник излучения, состоящий из сцинтиллятора 3 и фотоэлектронного умножителя 4, оптически связанного со сцинтиллятором 3, последовательно соединенные схему 5 обработки и регистратор 6. Приемник излучения расположен между контролируемым изделием 7 и эталонным образцом 8, а источники 1 и 2 излучения установлены симметрично относительно приемника излучения соответственно за контролируемым изделием 7 и эталонным образцом 8. Выход фотоэлектронного умножителя 4 приемника излучения соединен с входом схемы 5 обработки, которая включает в себя двухтактный модулятор 9 и делитель 10.

Двухтактный модулятор 9 выполнен в виде шести резисторов R₁...R₆ одинаковой величины, дифференциального усилителя 11, охваченного отрицательной обратной связью, представляющей собой электрическую цепь из двух последовательно соединенных резисторов R₁ и R₂, и коммутатора 12. Инвертирующий и неинвертирующий входы дифференциального усилителя 11 соединены через пары последовательно соединенных резисторов R₃ и R₄, R₅, R₆ с входом двухтаткного модулятора 9, а выход дифференциального усилителя 11 подключен к первому входу делителя 10, выход которого является выходом схемы 5 обработки.

Средняя точка пары резисторов R₅ и R₆ электрической цепи неинвертирующего входа усилителя 11 соединена с выходом коммутатора 12, на вход которого подается управляющее напряжение прямоугольной формы, синфазное напряжению питания рентгеновских источников 1 и 2.

В электрических цепях обратной связи и инвертирующего входа усилителя 11 показаны по два одинаковых по величине резистора (для упрощения формулы изобретения), однако допускается включать по одному резистору, но удвоенной величины по сравнению со значениями резисторов R₅ или R₆.

Приемник излучения предназначен для преобразования рентгеновского излучения в световой сигнал с помощью кристалла сцинтиллятора 3. Кристалл может быть выполнен из материала, например NaJ(Tl) - йодистый натрий, активированный таллием. Световой сигнал сцинтиллятора 3 преобразовывается с помощью фотоэлектронного умножителя в электрический.

Двухтактный модулятор 9 предназначен для преобразования суммарного электрического сигнала, поступающего на вход модулятора 9 с выхода умножителя 4 рабочего и компенсационного источников 1 и 2 излучения, в разностный сигнал путем изменения фазы рабочего сигнала от источника 1 модулятором 9.

Введенные в изобретение технические решения позволяют устранить погрешность от несовпадения экспоненциальных характеристик поглощения импульсов измеряемой толщиной изделия и тока умножителя от напряжения его питания.

Работа толщиномера.

Рабочий и компенсационный рентгеновские излучатели 1 и 2 излучают поочередно в разные полупериоды сетевого напряжения импульсы частотой 50 Гц. На сцинтиллятор 3 приемника излучения поступают импульсы с частотой следования 100 Гц (так как два источника излучения). Напряжение с выхода фотоэлектронного умножителя 4, детектированное толщиной контролируемого изделия и эталонного образца, поступает на вход двухтактного модулятора 9 и второй вход делителя 10 схемы 5 обработки в виде суммы напряжений рабочего и компенсационного каналов.

На входе модулятора 9 это суммарное напряжение разветвляется по электрическим цепям R₃+R₄ и R₅+R₆ и поступает на инвертирующий и неинвертирующий входы дифференциального усилителя 11. Причем сигнал электрической цепи R₅+R₆ неинвертирующего входа усилителя 11 либо проходит в усилитель 11, либо не проходит, вследствие коммутации этой цепи коммутатором 12, который управляется прямоугольными импульсами частотой 50 Гц для того, чтобы сигнал умножителя 4 рабочего излучателя 1 формировался на выходе усилителя 11 модулятора 9 в противофазе, а сигнал умножителя 4 компенсационного излучателя 2 формировался на выходе усилителя 11 в фазе (без изменения). По модулю коэффициенты усиления усилителя 11 должны быть равными по величине и равны 1 за счет того, что сумма сопротивлений резисторов обратной связи (R₁+R₂) равна (R₃+R₄).

Поэтому на второй вход делителя 10 поступает с фотоэлектронного умножителя 4 суммарный сигнал A=J_к+J_р компенсационного и рабочего излучателей 1 и 2, а на первый вход делителя 10 поступает с модулятора 9 разностный сигнал B=J_к-J_р излучателей 1 и 2. При делении в делителе 10 текущих значений разностного сигнала на суммарный сигнал получим на выходе делителя 10 квазилинейную зависимость выходного напряжения от толщины изделия, по которому судят об изменении толщины Δd контролируемого изделия относительно заданной толщины (эталона).

где μ коэффициент поглощения излучения в материале;
J_к и J_р - электрический ток от компенсационного и рабочего излучателей;
±Δ d - изменение толщины контролируемого изделия;
d_к и d_р - толщина эталонного и рабочего образцов.

На фиг. 3 показаны зависимости входных сигналов (изменение толщины изделия более эталонной), поступающих на первый (кривая 1) и второй (кривая 2) входы делителя 10, а на выходе делителя 10 получаем зависимость (кривая 3) отклонения толщины +Δd которая отображается на регистраторе 6. Закономерность изменения толщины изделия менее эталонного значения -Δd аналогична и отображается в отрицательной области графика (на фиг. не показано).

Техническим результатом изобретения является высокие быстродействие восстановления рабочего режима толщиномера, его достоверность и точность измерения отклонения толщины от заданного значения.

Литература
1. А.с. СССР N 718700, кл. G 01 В 15/02, БИ. N 8, 1980.

2. А.с. СССР N 1458704, кл. G 01 В 15/02, БИ. N 6, 1989.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения толщины объектов. В устройстве схема обработки выполнена в виде двухтактного модулятора и делителя. Модулятор состоит из шести резисторов одинаковой величины, дифференциального усилителя и коммутатора. Причем дифференциальный усилитель охвачен отрицательной обратной связью. Изобретение позволяет получить высокое быстродействие восстановления рабочего режима, повысить точность и достоверность контроля. 1 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Рентгеновский толщиномер, содержащий приемник излучения, состоящий из сцинтиллятора и фотоэлектронного умножителя, оптически связанного с сцинтиллятором, расположенный между контролируемым изделием и эталонным образцом, рабочий и компенсационный источники рентгеновского излучения, устанавливаемые симметрично относительно приемника излучения соответственно за контролируемым изделием и эталонным образцом, и последовательно соединенные схему обработки, входом соединенную с выходом фотоэлектронного умножителя приемника излучения, и регистратор, отличающийся тем, что схема обработки выполнена в виде двухтактного модулятора и делителя, при этом вход двухтактного модулятора и второй вход делителя подключены к входу схемы обработки, а выход модулятора подключен к первому входу делителя, выход которого является выходом схемы обработки. 2. Толщиномер по п.1, отличающийся тем, что двухтактный модулятор выполнен в виде шести резисторов одинаковой величины, дифференциального усилителя, охваченного отрицательной обратной связью, представляющей собой два последовательно соединенных резистора, и коммутатора, при этом каждый из входов дифференциального усилителя соединен через пары последовательно соединенных резисторов с входом модулятора, а выход усилителя является выходом модулятора, средняя точка пары резисторов неинвертирующего входа усилителя соединена с выходом коммутатора, на вход которого подается управляющее напряжение прямоугольной формы, синфазное напряжению питания рентгеновских источников излучения.