СПОСОБ РАДИАЦИОННОГО ИССЛЕДОВАНИЯ ВНУТРЕННЕЙ СТРУКТУРЫ ОБЪЕКТОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2003 года по МПК G01N23/83 

Изобретение относится к области радиационных методов исследования внутренней структуры объектов с получением теневых изображений.

Известны способы и устройства для исследования внутренней структуры объектов, заключающиеся в просвечивании исследуемого объекта расходящимся пучком рентгеновского излучения и получении на соответствующей системе отображения теневого изображения внутренней структуры исследуемого объекта (Клюев В. В. и др. Промышленная радиационная интроскопия. М., Энергоатомиздат, 1985, с.5-8).

Недостатком способов и устройств с использованием широкого расходящегося пучка является невозможность достижения достаточно высокой чувствительности к маломерным деталям внутренней структуры объекта (дефекты, включения) без сопутствующего усложнения рентгеновской аппаратуры, например, за счет применения микрофокусных источников.

Известными техническими решениями являются способ и устройство для исследования внутренней структуры объектов, заключающиеся в получении теневых проекций сечений исследуемого объекта путем его сканирования коллимированным пучком рентгеновского излучения и детектировании прошедшего через объект излучения детектором, который формирует электрические сигналы, представляющие соответствующие теневые проекции (Патент Великобритании 1283915, МПК: G 01 N 23/08, опубл. 1975).

Эти известные способ и устройство положены в основу рентгеновской вычислительной томографии, согласно которой с помощью полученных с различных угловых направлений теневых проекций вычислительными средствами восстанавливают изображение сканируемого слоя исследуемого объекта.

В известных способе и устройстве получаемое пространственное разрешение в получаемых теневых проекциях определяется в первую очередь размерами коллимированного пучка и/или детектора в направлении сканирования, т.е. при наличии в исследуемом объекте более мелких деталей структуры, последние могут не выявляться в получаемой теневой проекции.

Известны способ и устройство радиационного исследования внутренней структуры объектов, заключающиеся в том, что производят по меньшей мере одну теневую проекцию сечения исследуемого объекта путем его сканирования коллимированным пучком рентгеновского излучения и детектирования прошедшего через объект излучения с формированием электрических сигналов, при этом исследуемый объект и коллимированный пучок перемещают относительно друг друга (Патент Российской Федерации 2069853, МПК: G 01 N 23/08, опубл. 1996, прототип).

Недостатки известных технических решений заключаются в том, что для получения теневых изображений перемещают именно коллимированные пучки относительно объекта, что приводит к усложнению общей конструкции, к повышению требований к радиационной защите, к возможности пробелов при контроле объекта из-за резких перемещений излучателя.

Данное изобретение устраняет указанные недостатки.

Техническим результатом данного изобретения является 100% контроль размеров стенки трубы и отклонения ее размеров от нормы, надежность в работе, компактность устройства, возможность повторного изучения теневых изображений, фиксации количества дефектов и их расположения, повышение точности оценки отклонения геометрии трубы от принятой нормы.

Указанные преимущества изобретения позволяют проводить дефектоскопию как новых труб, так и труб, бывших в употреблении, для определения остаточной толщины стенок трубы, уменьшившейся в результате коррозии, дальнейшее использование этих труб в менее напряженных условиях.

Данный способ радиационного контроля отклонения толщины стенки трубы от принятой нормы состоит в том, что производят сканирование трубы, подавая ее по спирали под коллимированный пучок рентгеновского излучения, с последующим детектированием (и с формированием электрических сигналов) прошедшего через трубу потока рентгеновского излучения. Для учета систематических погрешностей, связанных с характеристиками всей схемы измерения, перед началом контроля исследуют эталонную трубу и получают теневое рентгеновское нормировочное изображение, которое записывают в память компьютера.

Далее производят сканирование изготовленных серийно труб, а также труб, бывших в употреблении, и, соотнося полученные теневые изображения с нормировочным, получают цифровое изображение полной развертки стенки трубы в виде отдельных последовательных кадров.

Обеспечивая контроль, частоту записи кадров и время экспозиции синхронизируют с угловым и продольным перемещениями трубы, накладывая каждый последующий кадр изображения на часть стенки трубы, попавшую в предыдущий кадр.

В каждом кадре по теневому рентгеновскому изображению одной из образующих фиксируют относительное смещение положения исследуемой трубы по сравнению с эталонной трубой.

Устройство, реализующее данный способ рентгеновского исследования структуры объектов, содержит рентгеновский излучатель с пультом управления, систему коллиматоров, систему перемещения трубы, детектор излучения, выполненный в виде электронно-оптического преобразователя, на выходе которого установлена цифровая видеокамера с короткофокусным объективом и платой ввода в персональный компьютер.

Видеокамера снабжена блоком питания, выход видеокамеры соединен с входом персонального компьютера, один из выходов которого соединен с пультом управления.

Система перемещения трубы выполнена в виде рольганговой линии, сообщающей вращательно-поступательное движение контролируемой трубе по спирали.

В коллиматорах выполнены окна для прохождения рентгеновского потока, в том числе основное окно для получения кадров изображения контролируемой трубы, окно для определения смещения положения трубы, а также окно с закрепленными в нем мониторными пластинами.

Технический результат достигается тем, что в способе радиационного исследования структуры объекта, заключающемся в том, что производят получение по меньшей мере одной теневой проекции исследуемого объекта путем его сканирования коллимированным пучком рентгеновского излучения и детектирования прошедшего через объект излучения с формированием электрических сигналов при относительном перемещении коллимированного пучка и исследуемого объекта, перемещение осуществляют, подавая по спирали исследуемую трубу, как новую, так и бывшую в употреблении, под коллимированный пучек рентгеновского излучения, сначала через основной коллиматор исследуют эталонную трубу и получают теневое рентгеновское нормировочное изображение, которое записывают в память компьютера, затем через основной коллиматор пропускают исследуемую трубу или трубу, бывшую в употреблении, полученные теневые изображения сравнивают с нормировочными, изображения получают в виде отдельных кадров, частоту записи кадров и время экспозиции синхронизируют с угловым перемещением трубы, причем каждый последующий кадр накладывают на часть стенки трубы, попавшую в предыдущий кадр, через второй коллиматор и мониторные пластины различной толщины производят измерения параметров потока рентгеновского излучения, а через третий коллиматор получают изображение одной из границ трубы, а затем с учетом нормировочного кадра, измеренных параметров потока рентгеновского излучения и с учетом положения границы трубы для каждого теневого рентгеновского изображения трубы определяют отклонения геометрических размеров трубы от нормы, поток рентгеновского излучения генерируют постоянным или в форме импульсов, длительность которых не превышает времени перемещения любой точки поверхности трубы на расстояние, равное величине заданного пространственного разрешения.

До исследования труб, бывших в употреблении, их предварительно выравнивают и очищают их внутреннюю и внешнюю поверхности от инородных материалов и покрытий (ржавчина, грунтовая лепнина, пленочное покрытие и т.п.).

Технический результат достигается также тем, что в устройстве для радиационного исследования структуры объектов, содержащем рентгеновский излучатель с пультом управления, коллиматоры, систему перемещения, держатель исследуемого объекта для его перемещения, детектор излучения, индикаторный блок, детектор излучения выполнен в виде электронно-оптического преобразователя, на выходе которого установлена цифровая видеокамера с короткофокусным объективом и платой ввода в персональный компьютер, видеокамера снабжена блоком питания, выход видеокамеры соединен со входом персонального компьютера, один из выходов которого соединен с пультом управления, держатель и система перемещения исследуемого объекта выполнены в виде рольганговой линии для придачи движения контролируемой трубе по спирали, в коллиматорах выполнены окна для закрепления мониторных пластин и получения изображения одной из грани трубы.

Сущность изобретения поясняется на фиг.1 и 2а, b. На фиг.1 представлена схема рентгеновского телевизионного интроскопа, где 1 - рентгеновский излучатель, 2 - коллиматоры с окнами, 3 - рентгеновский электронно-оптический преобразователь (РЭОП), 4 - цифровая видеокамера, 5 - пульт управления, 6 - контролируемая труба, 7 - блок питания видеокамеры, 8 - персональный компьютер, 9 и 10 - окна с мониторными пластинами, 11 - окно для определения положения трубы, 12 - верхний край трубы, 13 - основное окно для прохождения рентгеновского излучения.

На фиг.2 представлено изображение коллиматора 2 в двух положениях трубы: а - нормальное положение трубы, b - положение трубы, поднятой вверх на δh..

Устройство работает следующим образом.

Поток рентгеновского излучения, выходящий из рентгеновского излучателя 1, проходит через окна в коллиматорах 2, расположенных между рентгеновским излучателем 1 и РЭОП 3, через контролируемую трубу 6 попадает на входной экран РЭОП 3. На входном экране РЭОП 3 после прохождения рентгеновского потока через исследуемый объект 6 формируется теневое рентгеновское изображение. Входной экран находится в непосредственном соприкосновении с фотокатодом. В результате воздействия световой энергии люминесцентного экрана из катода выбиваются электроны, которые ускоряются высоким напряжением анода и падают на выходной экран, где образуется уменьшенное, перевернутое и усиленное видимое изображение. С помощью фокусирующего электрода обеспечивается электростатическая фокусировка изображения.

Полученное на выходном экране изображение передается с помощью оптической системы на светочувствительный слой видеокамеры 4, а затем электронным путем в персональный компьютер (ПК) 8.

Сначала в устройство между коллиматорами 2 помещают эталонную трубу 6, материал, диаметр и толщина стенок которой соответствуют номинальным параметрам контролируемой трубы, и получают теневое рентгеновское нормировочное изображение (нормировочный кадр). Полученное нормировочное изображение записывается в цифровом виде в память ПК 8.

В процессе контроля трубы величина сигнала абсолютно во всех элементах изображения в окнах 9 и 10 сравнивается с величинами сигналов соответствующих элементов нормировочного изображения.

Затем между коллиматорами 2 начинают перемещать с одновременным вращением вокруг собственной оси контролируемую трубу 6 так, чтобы ее ось совпадала с продольной осью симметрии основного окна 13 коллиматора. Движение трубы происходит по спирали. Таким образом, мимо окна 13 последовательно проходит вся стенка трубы.

В окнах 9 и 10 коллиматора расположены мониторные пластины, толщины которых соответствуют номинальной и предельно допустимой толщине трубы.

Окно 11 служит для контроля смещения оси трубы при ее перемещении и расположено так, чтобы в него при движении трубы попадала рентгеновская тень верхней образующей 12. Таким образом, учитывается смещение трубы относительно положения эталонной трубы.

Данный способ позволяет учесть как неоднородности передачи изображения от РЭОП 3 до видеокамеры 4 и неоднородность чувствительности по площади изображения всех элементов системы, так и возможные изменения параметров рентгеновского потока.

Передвигая контролируемую трубу по спирали мимо окна 13 и получая теневое изображения всей стенки трубы в виде отдельных кадров, частоту записи кадров и время экспозиции каждого кадра выбирают в соответствии с угловой скоростью перемещения трубы 6 таким образом, чтобы каждый последующий кадр захватывал часть стенки трубы, попавшую в предыдущий кадр.

Такая тактика измерений позволяет избежать пропуска какой-либо части стенки контролируемой трубы. Все изображения записываются в память ПК 8.

В процессе движения трубы и получения кадров изображения стенки трубы в процессоре ПК 8 происходит их анализ:
- по положению края трубы в окне 11 определяется смещение текущего кадра относительно нормировочного кадра δh,,
- величина сигнала во всех элементах текущего изображения в окне 13 корректируется с учетом сдвига δh и величинами сигналов в мониторных окнах,
- затем откорректированные величины сигналов во всех элементах текущего изображения сравниваются с величинами сигналов соответствующих элементов нормировочного изображения, и если соотношение этих сигналов в каком-либо элементе изображения превышает заданный порог контроля, то такое место трубы считается дефектным.

Результаты контроля стенки трубы выводятся на экран ПК 8 в процессе движения трубы в двух видах:
- последовательности квадратов (или любых других знаков), каждый из которых соответствует кадру изображения, причем обозначения кадров без дефекта и с дефектом отличаются друг от друга. Таким образом, на экране в процессе просмотра трубы появляется цепочка знаков, показывающая, сколько дефектов в трубе и где они расположены;
- последовательности кадров теневых рентгеновских изображений всей поверхности трубы, полученных в основном окне. После диагностирования трубы оператор может рассмотреть любой кадр изображения (любую часть поверхности трубы) на наличие в нем дефекта.

Весь комплекс данных хранится в памяти компьютера 8.

Использование: в радиационных методах исследования внутренней структуры объектов. Сущность: в способе производят получение теневой проекции исследуемого объекта путем его сканирования коллимированным пучком излучения и детектирования прошедшего через объект излучения при относительном перемещении коллимированного пучка и исследуемого объекта, причем относительное перемещение осуществляют, подавая по спирали между коллиматорами исследуемую трубу. Устройство содержит рентгеновский излучатель, коллиматоры, рольганговую линию для придачи движения контролируемой трубе по спирали, детектор излучения, индикаторный блок. Технический результат: надежный контроль размеров стенки трубы и отклонения размеров от нормы, компактность устройства, возможность повторного изучения теневых изображений, фиксация количества дефектов и их расположения, повышение точности оценки отклонения геометрии трубы от принятой нормы, возможность повторного использования труб, бывших в употреблении. 2 с. и 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ радиационного исследования внутренней структуры объектов, заключающийся в том, что производят получение по меньшей мере одной теневой проекции исследуемого объекта путем его сканирования коллимированным пучком рентгеновского излучения и детектирования прошедшего через объект излучения с формированием электрических сигналов при относительном перемещении коллимированного пучка и исследуемого объекта, отличающийся тем, что относительное перемещение осуществляют, подавая по спирали между коллиматорами исследуемую трубу как новую, так и бывшую в употреблении под коллимированный пучок рентгеновского излучения, сначала через основное окно коллиматора исследуют эталонную трубу и получают теневое рентгеновское нормировочное изображение, которое записывают в память компьютера, затем через основное окно коллиматора пропускают исследуемую трубу или трубу, бывшую в употреблении, полученные теневые изображения сравнивают с нормировочными, изображения получают в виде отдельных кадров, частоту записи кадров и время экспозиции синхронизируют с угловым перемещением трубы, причем каждый последующий кадр накладывают на часть стенки трубы, попавшую в предыдущий кадр через основное окно коллиматора получают последовательность частично наложенных рентгеновских теневых изображений отдельных участков контролируемой трубы, через окно с закрепленными в нем мониторными пластинами различной толщины, толщины которых соответствуют номинальной и предельно допустимой толщине трубы, производят измерение параметров потока рентгеновского излучения, а через третье окно коллиматора получают изображение одной из границ трубы, а затем, с учетом нормировочного кадра, измеренных параметров потока рентгеновского излучения и с учетом положения границы трубы для каждого теневого рентгеновского изображения трубы, определяют отклонения геометрических размеров стенок трубы от нормы. 2. Способ радиационного исследования структуры объектов по п.1, отличающийся тем, что поток рентгеновского излучения генерируют в форме импульсов, длительность которых не превышает времени перемещения любой точки поверхности трубы на расстояние, равное величине заданного пространственного разрешения. 3. Способ радиационного исследования структуры объектов по п.1 или 2, отличающийся тем, что до исследования труб, бывших в употреблении, их предварительно выправляют и очищают внутреннюю и внешние поверхности от инородных материалов. 4. Устройство для радиационного исследования внутренней структуры объектов, содержащее рентгеновский излучатель с пультом управления, коллиматоры, систему перемещения, держатель исследуемого объекта для его перемещения, детектор излучения, индикаторный блок, отличающееся тем, что детектор излучения выполнен в виде электронно-оптического преобразователя, на выходе которого установлена цифровая видеокамера с короткофокусным объективом и платой ввода в персональный компьютер, видеокамера снабжена блоком питания, выход видеокамеры соединен со входом персонального компьютера, один из выходов которого соединен с пультом управления, держатель и система перемещения исследуемого объекта выполнены в виде рольганговой линии для придачи движения контролируемой трубе по спирали, коллиматоры расположены между рентгеновским излучателем и электронно-оптическим преобразователем, в коллиматорах выполнены окна для прохождения рентгеновского потока, основное окно для получения кадров изображения контролируемой трубы, окно для определения смещения положения трубы, а также окно с закрепленными в нем мониторными пластинами различной толщины, толщины которых соответствуют номинальной и предельно допустимой толщине трубы.