РЕНТГЕНОВСКИЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ТОЛЩИНЫ Российский патент 2003 года по МПК G01B15/02 

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

Известны рентгеновские измерители толщины, содержащие рентгеновский излучатель, источник питания излучателя, выходом соединенный с входом излучателя, два приемника излучения, между которыми размещено контролируемое изделие, и блок обработки и памяти и регистратор [SU 718700, G 01 В 15/02, 28.02.1980].

Известны также другие рентгеновские измерители толщины, которые содержат между камерами помимо контролируемого объекта съемный фильтр с эталонными образцами [US, Патент 4727561, 378-54, MKИ G 01 B 15/02, 1988].

Такие измерители позволяют контролировать толщину изделий в динамике и заданном диапазоне толщин, однако из-за наличия временной высокочастотной флуктуационной погрешности измерения толщины они не обеспечивают высокую стабильность точности контроля.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому представляется рентгеновский измеритель толщины, содержащий рентгеновский излучатель, источник питания излучателя, два приемника излучения, между которыми размещены фильтр и контролируемое изделие, делитель, сумматор, блок памяти и обработки с видеорегистратором [РФ, Патент 2159408, БИ 2000 г., 32 (прототип)].

Этот толщиномер также не обеспечивает заданную, т.е. высокую стабильность точности измерения толщины технологически допустимом ресурсе работы толщиномера, которая требуется при контроле толщины особенно стратегических материалов в современном производстве, например проката материала для производства металлических денежных знаков.

В этой связи актуальной встала задача создания прецизионных средств для контроля толщины материалов из цветных металлов.

Сущность заявляемого изобретения заключается в том, что в рентгеновский измеритель толщины, содержащий рентгеновский излучатель, источник питания излучателя, выходом соединенный с входом излучателя, первую и вторую ионизационные камеры, съемный фильтр с возможностью вращения вокруг своей оси и контролируемое изделие, размещенные между первой и второй камерами, блоки деления и суммирования, процессор с видеорегистратором, причем выход второй камеры подключен к первому входу процессора, первый выход которого соединен с входом ведеорегистратора, введены третья дополнительная ионизационная камера с большим (или меньшим) эффективным атомным номером, чем эффективный номер первой камеры, блок регулирования анодного напряжения излучателя и блок регулирования анодного тока излучателя, при этом третья дополнительная камера размещена между излучателем и первой камерой, выход первой камеры соединен с первыми входами блоков деления и суммирования, выход третьей дополнительной камеры соединен с вторыми входами блоков деления и суммирования, а выходы блоков деления и суммирования подключены к второму и третьему входам процессора соответственно, второй выход процессора связан через блок регулирования анодного напряжения с первым входом источника питания излучателя, а третий выход процессора связан через блок регулирования анодного тока с вторым входом источника питания излучателя.

Техническим результатом изобретения является стабилизация точности измерения толщины проката во всем диапазоне допустимого времени эксплуатации толщиномера за счет регулирования анодных напряжения и тока рентгеновского излучателя.

На фиг.1 приведена функциональная схема рентгеновского измерителя толщины; на фиг. 2 - зависимость отношения ионизационных токов первой и третьей камер в функции от энергии рентгеновского излучения (анодного напряжения излучателя); на фиг.3 - зависимость суммы ионизационных токов первой и третьей камер в функции от анодного тока излучателя для различных энергий; на фиг. 4 - зависимости тока второй камеры в функции от эталонных толщин образцов, выполненных из сплава на основе никеля; на фиг.5 - зависимость тока второй камеры в функции от рабочих толщин контролируемого изделия из сплава на основе никеля.

Измеритель содержит рентгеновский излучатель 1, источник 2 питания излучателя 1, первую и вторую ионизационные камеры 3 и 4, между которыми размещены съемный дисковый фильтр 5 с образцами эталонной толщины (не показаны) и с возможностью вращения вокруг своей оси в плоскости, перпендикулярной рентгеновскому потоку, и контролируемое изделие 6, третью дополнительную ионизационную камеру 7, блоки 8 и 9 деления и суммирования, блоки 10 и 11 регулирования анодных напряжения и тока излучателя 1, процессор 12 и видеорегистратор 13. В процессе калибровки измерителя толщины между первой и второй камерами 3, 4 устанавливается фильтр 5, после завершения операции калибровки фильтр 5 убирается и вводится контролируемое изделие 6.

Выход источника 2 питания излучателя 1 высоковольтным напряжением и током соединен с входом излучателя 1, выход первой камеры 3 подключен к первым входам блоков 8 и 9 деления и суммирования, выход третьей дополнительной камеры 7 подключен к вторым входам блоков 8 и 9 деления и суммирования, выход второй камеры 4 соединен с первым входом процессора 12, выход блока 8 деления соединен с вторым входом процессора 12 и выход блока 9 суммирования соединен с третьим входом процессора 12. Первый выход процессора 12 подключен к входу видеорегистратора 13, второй выход процессора связан через блок 10 регулирования анодного напряжения с первым входом источника 2 анодных напряжения и тока излучателя 1, третий выход процессора связан через блок 11 регулирования анодного тока с вторым входом источника 2 анодных напряжения и тока излучателя 1.

Значение эффективного атомного номера Z₇ третьей дополнительной камеры 7 назначается в 4-6 раза меньше (или больше), чем значение эффективного атомного номера Z₃ первой камеры 3. Например, если Z₃≥50, то Z₇≤13 (или наоборот). Обеспечение разности атомных номеров камер 3, 7 необходимо для того, чтобы получить постоянные фиксированные значения отношений ионизационных токов i₃/i₇ камер 3 и 7 (см.фиг.2) в зависимости от эффективной энергии рентгеновского излучателя 1 и постоянные фиксированные значения суммы ионизационных токов i₃+i₇=f(ja) в функции от анодного тока излучателя 1.

Излучатель 1 может быть выполнен в виде рентгеновской трубки с вольфрамовым анодом.

Блоки 10 и 11 предназначены для автоматического или ручного корректирования анодного напряжения U_a и анодного тока j_a излучателя 1 соответственно через блок 2 питания. Автоматическое регулирование осуществляется программно от процессора 12. Ручное корректирование осуществляется непосредственно на блоках 10 и 11.

Процессор 12 предназначен для обработки отдельных выходных сигналов (сигналов от второй ионизационной камеры 4) для определения рабочей текущей толщины изделия 6 (фиг. 5) и запоминания кривых, сформированных с выходов блоков 8, 9 деления, суммирования и второй камеры 4 (фиг.2, 3, 4, 5). На фиг.4 и фиг.5 даны фрагменты зависимостей i₄=f(d) из сплава, выполненного на основе никеля (Ni). В качестве процессора 12 и видеорегистратора 13 могут быть использованы персональный компьютер с монитором.

Известно, что интенсивность рентгеновского излучения излучателя 1 описывается выражением
J=ZKU_a ⁿj_a, (1)
где J - интенсивность рентгеновского излучения излучателем 1, нормированное к второй камере 4 в отсутствие фильтра 5 и контролируемого изделия 6;
Z - атомный номер материала анода излучателя 1;
К - коэффициент, зависящий от нагрева, износа и старения материала анода излучателя 1;
U_a, j_a - анодное напряжение и анодный ток излучателя 1;
n= 2-5 - степенной показатель, являющийся функцией анодного напряжения U_a, его пульсации и толщины d контролируемого изделия (или эталонного образца) [см. Рентгенотехника. Справочник под ред. В.В. Клюева. Книга 1. М. - 1992, с. 7, формула (11), здесь n=2 для нефильтрованного излучения. Копия прилагается].

При запитке излучателя 1 высоковольтным напряжением U_a от источника 2 питания, анод излучателя 1 разогревается и его температура достигает порядка 3000^oС, что вызывает старение (рыхлость материала), хотя и медленное, зеркальной поверхности анода, что в свою очередь уменьшает интенсивность J рентгеновского излучения при относительно постоянных U_a и j_a на 3-8%.

В то же время по мере старения анода излучателя 1 в процессе его эксплуатации проникающая способность тормозного рентгеновского излучения анода излучателя 1 увеличивается, а поэтому эффективная энергия рентгеновского излучения также увеличивается
Е_эфф=кU_a, (2)
за счет фильтрации излучения в самом аноде по мере его износа;
где к - коэффициент пропорциональности, который всегда меньше единицы, т.е. к<1.

Кроме того, частично распыленный материал анода излучателя 1 осаждается на выходном окне, через которое пропускают рентгеновский поток на изделие, рентгеновского излучателя 1, что также приводит к росту эффективной энергии Е_эфф (2) и снижению интенсивности J (1) рентгеновского излучения излучателем 1.

Повысить технически метрологию предлагаемого изобретения возможно только при поддержании значения Е_эфф и значения интенсивности J излучения постоянными.

Для этого необходимо периодически в зависимости от нарастания времени эксплуатации толщиномера понижать анодное напряжение U_a излучателя 1. Однако это действие вызовет уменьшение величины интенсивности J излучения, выходящего из рентгеновского излучателя 1 (1). Для поддержания величины J=const необходимо одновременно с уменьшением значения U_a повышать анодный ток j_a излучателя 1, чтобы обеспечить постоянство интенсивности рентгеновского излучения J (1) в процессе эксплуатации толщиномера.

Процедура понижения U_a и повышения j_a осуществляется либо автоматически по программе, заложенной в процессоре 12, через блоки 10 и 11 регулирования U_a и j_a и блок 2 питания, либо вручную непосредственно на блоках 10 и 11 из условий, обеспечивающих выполнение Е_эфф=const за счет корректировки значения U_a на блоке 10, так, чтобы i₃/i₇=const (фиг.2), и выполнение J = const за счет корректировки значения ia на блоке 11 так, чтобы i₃+i₇=const (фиг.3) при найденном новом значении U_a.

Количественную величину понижения U_a, обеспечивающую Е_эфф=const, устанавливают на основе статистических данных, полученных авторами. Так, при эксплуатации рентгеновского излучателя 1 с вольфрамовым анодом в течение 40 часов эффективная энергия Е_эфф рентгеновского излучения излучателем 1 увеличивается на величину около 1,5%. Если величину корректировки U_a осуществлять периодически через равные промежутки времени наработки излучателя 1, то увеличение Е_эфф от времени наработки пропорционально. Поэтому с помощью блока 10 регулирования величины анодного напряжения U_a через источник 2 питания либо автоматически, либо вручную понижают анодное напряжение U_a на величину, эквивалентную повышению значения Е_эфф от времени наработки излучателя 1. Одновременно с этим, используя суммарный ионизационный ток камер 3 и 7 с блока 9, запомненный в процессоре 12, повышают анодный ток j_a излучателя 1 через блок 11 регулирования анодного тока излучателя 1 и источник 2 питания на величину, достаточную, чтобы обеспечить J=const или i₃+i₇=const (фиг.3).

Работа измерителя толщины
В рентгенопрозрачные первую и третью дополнительную камеры 3 и 7 поступает поток рентгеновского излучения с излучателя 1, которое преобразуется в электрические импульсы тока постоянной амплитуды, определяемой только параметрами излучаемого рентгеновского потока излучателем 1. Так как эффективные атомные номера первой и третьей камер 3, 7 различны и фиксированы по величине, то возможно получить зависимость i₃/i₇=f(кU_a). Зависимости (фиг.2 и 3) строят путем изменения анодных напряжения U_a и тока j_а на источнике 2 питания излучателя 1, при этом выходы блоков 10 и 11 на операцию снятия зависимостей отключают от входов источника 2 питания. После завершения операции построения зависимостей, приведенных на фиг.2 и фиг.3, выходы блоков 10 и 11 вновь подсоединяют к входам источника 2, а снятые характеристики запоминают в процессоре 12.

Во вторую камеру 4 поток проходит через прозрачные для рентгеновского излучения камеры 3 и 7, а также либо через эталонный образец фильтра 5, либо через контролируемое изделие 6, который преобразуется в электрические импульсы тока с амплитудой, определяемой либо эталонной толщиной и материалом образца фильтра 5 и параметрами излучаемого рентгеновского потока, либо рабочей толщиной и материалом контролируемого изделия 6 и параметрами излучаемого рентгеновского потока. После снятия характеристик с первой 3 и дополнительной камер 7 между первой и второй камерами 3 и 4 располагают фильтр с образцами эталонной толщины и заданного материала и снимают семейство зависимостей ионизационного тока i₄ второй камеры 4 от значений эталонной толщины i₄= f(d_эт) и различных материалов (в нашем случае Ni) образцов и полученные характеристики (фиг.4) запоминают в процессоре 12. Затем фильтр 5 убирают и вводят на его место контролируемое изделие 6 с рабочими параметрами, при которых снимается со второй камеры 4 зависимость тока второй камеры 4 от значений рабочих толщин i₄= f(d_paб), и полученная характеристика (фиг.5) запоминается в процессоре 12, где зависимости фиг.4 и 5 сличаются для определенного материала. По значениям i₄, полученным на графике фиг.5, по оси абсцисс определяют значения рабочих толщин d_paб. Сравниваемые зависимости фиг. 4 и 5 отображаются на экране видеорегистратора 13.

По мере увеличения времени наработки толщиномера его анодное напряжение U_a уменьшают, а анодный ток j_a - поднимают на заданные величины, чтобы было обеспечено J= const. Далее процедуру контроля толщины изделия продолжают по вышеприведенной методике.

Техническим результатом изобретения является стабилизация точности измерения толщины проката во всем диапазоне допустимого времени эксплуатации толщиномера за счет регулирования анодных напряжения и тока рентгеновского излучателя в процессе контроля.

Изобретение относится к рентгеновской измерительной технике. Измеритель в качестве детекторов излучения содержит три ионизационные камеры. Особенностью измерителя является наличие третьей дополнительной камеры, блока регулирования анодного напряжения излучателя и блока регулирования анодного тока излучателя, при этом значение эффективного атомного числа третьей камеры больше (или меньше) значения эффективного атомного числа второй камеры. Техническим результатом заявленного изобретения является стабилизация точности измерения толщины проката во всем диапазоне допустимого времени эксплуатации толщиномера в динамике. 5 ил.

Рентгеновский измеритель толщины, содержащий рентгеновский излучатель, источник питания излучателя, выходом соединенный с входом излучателя, первую и вторую ионизационные камеры, съемный фильтр с возможностью вращения вокруг своей оси и контролируемое изделие, размещенные между первой и второй камерами, блоки деления и суммирования, процессор, к первому выходу которого подключен видеорегистратор, причем выход второй камеры соединен с первым входом процессора, отличающийся тем, что в него введены третья дополнительная ионизационная камера с большим (или меньшим) эффективным атомным номером, чем эффективный атомный номер первой камеры, блок регулирования анодного напряжения рентгеновского излучателя и блок регулирования анодного тока рентгеновского излучателя, при этом дополнительная камера размещена между излучателем и первой камерой, выход первой камеры соединен с первыми входами блоков деления и суммирования, выход дополнительной камеры соединен с вторыми входами блоков деления и суммирования, а выходы блоков деления и суммирования подключены к второму и третьему входам процессора соответственно, второй выход процессора связан через блок регулирования анодного напряжения излучателя с первым входом источника питания излучателя, а третий выход процессора связан через блок регулирования анодного тока излучателя с вторым входом источника питания излучателя.