РЕНТГЕНОВСКОЕ УСТРОЙСТВО КОНТРОЛЯ ТОЛЩИНЫ МНОГОСЛОЙНЫХ ПОКРЫТИЙ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ Российский патент 2005 года по МПК G01B15/02 

Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники, в частности к рентгеновским средствам измерения толщины многослойных защитных покрытий полых цилиндрических изделий, и может быть использовано при контроле параметров покрытий из любых материалов в процессе их нанесения на поверхность магистральных трубопроводов в динамике.

Известны рентгеновские устройства контроля толщины стенки изделия из металлического сплава, содержащие источник рентгеновского излучения, первичный детектор, размещенный в прямом потоке рентгеновского излучения, вторичный детектор, размещенный в отраженном от изделия рентгеновском потоке, и систему обработки и регистрации выходных сигналов [Патент РФ N 2221220, 2004, US №4803715 А, 1989, GB №1079999 А, 1967].

Недостатком известных рентгеновских устройств контроля толщины является ограниченные функциональные возможности, заключающиеся в контроле толщины покрытий плоских и цилиндрических изделий в локальных точках поверхности изделия с фиксированным химическим составом и в необходимости набора образцовых мер эталонной толщины для каждого материала покрытия с целью обеспечения заданной метрологии устройств.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому представляется рентгеновское устройство контроля толщины цилиндрических изделий, содержащее источник рентгеновского излучения, первичный и вторичные детекторы, аналогово-цифровые преобразователи, процессор, регистратор и другие функциональные органы действия устройства [Патент РФ №2159408, БИ №32, 2000].

Недостатком известного технического решения является функциональное ограничение, заключающееся в измерении толщины одной стенки, и по интегральному значению результата измерения судят о толщине всей поверхности изделия.

Сущность изобретения состоит в том, что в рентгеновском устройстве контроля толщины многослойных покрытий цилиндрических изделий, содержащем источник излучения рентгеновского потока с коллиматором, первичный детектор, контролируемое многослойное изделие, вторичные n детекторы, защищенные друг от друга и от источника излучения и первичного детектора рентгенозащитными экранами, (1+n) многоканальные аналогово-цифровые преобразователи, процессор, соединенный входами с выходами (1+n) аналогово-цифровых преобразователей, регистратор, связанный входом с выходом процессора, направляющий рельс с обечайкой, выполненные в виде жестких колец и размещенные соответственно на верхней и нижней орбитах поперечного сечения цилиндрического изделия, электрический привод в виде шагового двигателя для дискретного перемещения излучателя и цифроаналоговый преобразователь, соединенный входом с управляющим выходом процессора, а выходом - с входом излучателя, при этом излучатель установлен нормально своим коллиматором к поверхности изделия и закреплен на направляющем рельсе шарнирно с возможностью дискретного перемещения вдоль рельса, а вторичные n детекторы установлены так же нормально к изделию и закреплены на обечайке жестко через равные друг от друга расстояния по дугам секторов, образованных радиальными направлениями, проходящими через продольную ось изделия и центры каждого из вторичных n детекторов, первичный и вторичные n детекторы собраны из многоэлементных преобразующих элементов, материалы которых обладают разными атомными числами и размещены в детекторах последовательно от меньшего номера до большего, при этом первичный детектор жестко прикреплен к коллиматору источника излучения и обращен к изделию стороной с преобразующим элементом из материала с большим атомным числом, а вторичные n детекторы обращены к изделию сторонами с преобразующими элементами из материала с меньшим атомным числом, причем точки останова дискретного перемещения излучателя с первичным детектором вдоль рельса совмещены с радиальными направлениями, лежащими посредине между радиальными направлениями, образующими сектора и проходящими через продольную ось изделия и центры вторичных n детекторов в поперечном сечении изделия.

Положительным результатом изобретения является то, что предложенное устройство обеспечивает квазисплошной контроль толщины каждого из покрытий, выполненных из любого материала, по всей цилиндрической поверхности изделия, за счет одновременного вращения излучателя и линейного перемещения контролируемого изделия и, вместе с тем, позволяет вычислить значение эквивалентного атомного числа каждого покрытия в соответствии с заданным алгоритмом вследствие многоэлементной конструкции детекторов из материалов с разными атомными числами.

На чертеже приведена схема устройства для контроля толщины многослойных покрытий цилиндрических изделий.

Устройство содержит источник 1 излучения рентгеновского потока с коллиматором (коллиматор не показан), первичный детектор 2, контролируемое цилиндрическое изделие 3 с многослойным защитным покрытием, вторичные n детекторы 4, защищенные друг от друга и от источника 1 излучения и первичного детектора 2 рентгенозащитными экранами (экраны не показаны), (1+n) многоканальные аналогово-цифровые преобразователи 5, процессор 6, соединенный входами с выходами (1+n) аналогово-цифровых преобразователей 5, регистратор 7, входом связанный с выходом процессора 6, направляющий рельс 8 с обечайкой 9, выполненные в виде жестких колец и размещенные соответственно на верхней и нижней орбитах поперечного сечения цилиндрического изделия, электрический привод 10 в виде шагового двигателя для обеспечения дискретного перемещения излучателя 1 и цифроаналоговый преобразователь 11.

Излучатель 1 установлен на направляющем рельсе 8 шарнирно с возможностью дискретного перемещения вдоль рельса 8 и обращен своим коллиматором нормально к поверхности изделия, а вторичные n детекторы 4 установлены так же нормально к поверхности изделия 3 и закреплены на обечайке жестко через равные друг от друга промежутки по дугам секторов, образованных радиальными направлениями, проходящими в поперечном сечении изделия 3 через его продольную ось и центры каждого из вторичных n детекторов 4. Первичный и вторичные n детекторы 2 и 4 собраны из многоэлементных преобразующих элементов, материалы которых обладают разными атомными числами (номерами) Z и размещены эти элементы в детекторах последовательно, например, от меньшего номера до большего. Преобразующие элементы детекторов 2 и 4 подключены к входам (1+n) многоканальных аналогово-цифровых преобразователей 5, при этом первичный детектор 2 жестко прикреплен к коллиматору источника 1 излучения и обращен к изделию своей стороной с преобразующим элементом из материала с большим атомным числом, а вторичные n детекторы 4 обращены к изделию 3 своими сторонами с преобразующими элементами из материала с меньшими атомными числами. Точки останова при дискретном перемещении излучателя 1 с первичным детектором 2 вдоль рельса 8 совмещены с радиальными направлениями, расположенными в поперечном сечении изделия 3 и лежащими посредине между радиальными направлениями, проходящими в том же поперечном сечении изделия 3 через продольную его ось и соответственно центры вторичных n детекторов 4. Время останова излучателя 1 в дискретных точках рельса 8 должно быть достаточным, чтобы все действия процессора 6, связанные с операциями обработки информации, были произведены.

Излучатель 1 с первичным детектором 2 обеспечиваются автономным электрическим питанием с тем, что бы развязать их от силовых блоков устройства при дискретном перемещении. Электрические связи с другими слаботочными блоками обеспечиваются через гальванические развязки.

Детекторы 2 и 4 предназначены для преобразования рентгеновского излучения в аналоговые электрические сигналы, которые оцифровываются в (1+n) многоканальных аналогово-цифровых преобразователях 5. Выражение (1+n) обозначает сумму первичного и вторичных n детекторов 2 и 4. Значение n назначается исходя из получения необходимой информационной возможности, оговоренной в технических условиях на покрытия изделия 3.

Многоэлементность преобразователей детекторов 2 и 4 с разными по величине атомными числами Z материалов и их последовательное размещение в детекторах 2 и 4 обеспечивают высокое энергетическое разрешение, улучшение спектральной чувствительности детекторам 2 и 4, а в целом устройству и увеличение значения отношения сигнал/шум, а также уменьшение искажения спектра излучения, при этом позволяют не только восстановить традиционным методом геометрическую структуру контролируемых покрытий изделия 3 по степени поглощения рентгеновского излучения с фиксированной эффективной энергией рентгеновского потока, но и вычислить значения эквивалентных атомных чисел каждого слоя защитного покрытия, наносимого на цилиндрическое изделие 3.

Атомные числа материалов преобразующих элементов назначают от 3 до 90, чему соответствуют материалы от лития или натрия до висмута. Определяемые эквивалентные атомные числа материалов покрытий входят в этот диапазон.

Процессор 6 выполняет функции содержания программы, созданной по заданному алгоритму, ее воспроизведения автоматически или по команде оператора, обработки электрических сигналов детекторов 2 и 4 по заданному алгоритму, их преобразование (сложение, вычитание, деление) в форму, удобную для воспроизведения на регистраторе 7, управления режимом работы излучателя 1 и запоминания информации, которая отображается на регистраторе 7.

Электрический привод 10 электрическим входом соединен с управляющим выходом процессора 6 и механическим выходом - с корпусом излучателя 1, например, через редуктор (не показано) и предназначен для обеспечения дискретного перемещения излучателя 1 вдоль рельса 8 по заданному алгоритму.

Цифроаналоговый преобразователь 11 включен между процессором 6 и излучателем 1 и предназначен для регулирования тока и напряжения излучателя 1, что позволяет управлять эффективной энергией потока зондирующего рентгеновского излучения.

Эффективная энергия определяется как функция отношения токов преобразующих элементов первичного и вторичных n детекторов 2 и 4, за счет чего перекрывается более широкий диапазон энергий квантов зондирующего излучения, и по изменению спектра в процессе прохождения излучения сквозь толщу слоев покрытий цилиндрического изделия с большей точностью определяется эквивалентный химический состав материалов покрытий изделия.

Направляющий рельс 8 выполнен в виде кольца, совмещенного своим контуром с верхней орбитой цилиндрического контролируемого изделия 3 на расстоянии от изделия 3, обеспечивающим рентгеновское просвечивание толщины стенки контролируемого изделия. Кольцевая обечайка 9 выполнена меньшим диаметром и совмещена с нижней орбитой, находящейся между верхней орбитой и цилиндрическим изделием 3. Обе орбиты размещены в едином поперечном сечении изделия 3. Электрический привод 10 кинематически, например, через редуктор, соединен с излучателем 1 и обеспечивает дискретное перемещение излучателю 1 в окружном направлении изделия 3 в соответствии с программой, заложенной в процессор 6. В качестве регистратора 7 используют видеомонитор.

Работа рентгеновского устройства.

Для стабилизации метрологических характеристик устройства в процессе контроля толщины многослойных покрытий изделия 3 поддерживают постоянными эффективную энергию потока зондирующего излучения и его интенсивность по заданному алгоритму, введенному в процессор 6. Рентгеновский поток, излучаемый через коллиматор источником 1, проникая сквозь первичный детектор 2 и материалы покрытий и основы стенки цилиндрического изделия 3, отражается от границ раздела покрытий изделия 3, и отраженный поток попадает на два соседние (боковые) от прямого рентгеновского потока вторичные детекторы 4. В этом случае на экране регистратора 7 появляются над неподвижной горизонтальной светящейся линией, называемой нулевым уровнем, полученным в отсутствии многослойных покрытий, другие светящиеся линии, расположенные, например, выше нулевого уровня, количество которых будет соответствовать количеству покрытий. Значения электрических сигналов между нулевым уровнем и текущими уровнями будут характеризовать толщину каждого из покрытий в двух локальных зонах поверхности цилиндрического изделия 3 относительно прямого потока излучения. Полученные информационные данные с двух окрестных от прямого рентгеновского потока детекторов 4 фиксируются в процессоре 6. Кроме того, при отображении рабочих электрических уровней на экране регистратора 7 одновременно с этим высвечиваются цифровые номера покрытий напротив рабочих уровней. Если уровни сливаются в одну линию, то цифровые номера, соответствующие этим уровням, высвечиваются в строчку. Такая ситуация будет обозначать равенство толщины покрытий в данной локальной зоне измерения.

Затем излучатель 1 с первичным детектором 2 перемещают с помощью электрического привода 10 вдоль рельса 8 на определенную величину в соответствии с командой программы, заложенной в процессоре 6. В этом очередном случае на экране регистратора 7 также появляются над неподвижной горизонтальной светящейся линией другие светящиеся линии, электрические амплитуды которых эквивалентны значениям очередных реальных толщин каждого из слоев покрытий цилиндрического изделия 3 в двух других конкретных локальных зонах контроля. Процедуру контроля других зон поверхности изделия 3 повторяют в окружном направлении аналогично. По полученным измерительным данным текущих электрических уровней относительно нулевого судят о толщине каждого из многослойных покрытий в индивидуальных зонах контроля поверхности изделия 3.

В процессе контроля толщины покрытий изделие 3 равномерно перемещают вдоль своей продольной оси, тем самым обеспечивают контроль толщины покрытий изделия 3 по спиральной траектории его образующей цилиндрической поверхности. Возможно обеспечить контроль поверхности изделия 3 по круговой траектории, т.е. в поперечном сечении изделия 3, тогда осевое его перемещение должно быть дискретным.

Одновременно с технологией измерения толщины многослойных покрытий сравниваются в процессоре 6 электрические сигналы от материалов контролируемых покрытий, и по изменению сравненных сигналов детекторов 2 и 4 судят о значениях эффективного атомного номера Z материала конкретного контролируемого покрытия.

Техническим результатом изобретения является то, что предложенное устройство обеспечивает квазисплошной контроль толщины каждого из покрытий, выполненных из любого материала, по всей цилиндрической поверхности изделия, за счет одновременного вращения излучателя 1, линейного перемещения контролируемого изделия 3 и высокого энергетического разрешения и, вместе с тем, позволяет вычислить значение эквивалентного атомного числа каждого покрытия в соответствии с заданным алгоритмом вследствие многоэлементной конструкции детекторов 2 и 4 из материалов с разными атомными числами.

Использование: для контроля толщины многослойных покрытий цилиндрических изделий. Сущность: заключается в том, что первичный и вторичные n детекторы собраны из многоэлементных преобразующих элементов, материалы которых обладают разными атомными числами, и размещены в детекторах последовательно, например, от меньшего номера до большего, кроме того, преобразующие элементы первичного и вторичных n детекторов соединены электрически с входами (1+n) аналогово-цифровых преобразователей, при этом первичный детектор жестко прикреплен к коллиматору источника излучения и обращен к изделию стороной с преобразующим элементом из материала с большим атомным числом, а вторичные n детекторы обращены к изделию сторонами с преобразующими элементами из материала с меньшим атомным числом, причем точки останова дискретного перемещения излучателя с первичным детектором вдоль рельса совмещены с радиальными направлениями, лежащими посредине между радиальными направлениями, образующими сектора и проходящими в поперечном сечении изделия через его продольную ось и центры вторичных n детекторов. Технический результат: обеспечение сплошного контроля толщины каждого из многослойных покрытий по всей цилиндрической поверхности изделия, выполненного из любого материала, и вычисление по алгоритму, введенному в процессор, значения эквивалентного атомного числа каждого слоя покрытия. 1 ил.

Рентгеновское устройство контроля толщины многослойных покрытий цилиндрических изделий, содержащее источник излучения рентгеновского потока с коллиматором, первичный детектор, контролируемое многослойное изделие, вторичные n детекторы, защищенные друг от друга и от источника излучения и первичного детектора рентгенозащитными экранами, (1+n) многоканальные аналогово-цифровые преобразователи, процессор, соединенный входами с выходами (1+n) аналогово-цифровых преобразователей, регистратор, связанный входом с выходом процессора, направляющий рельс с обечайкой, выполненные в виде жестких колец, совмещенных своим контуром с верхней и нижней орбитами на расстоянии относительно поперечного сечения цилиндрического изделия, электрический привод в виде шагового двигателя для дискретного перемещения излучателя и цифроаналоговый преобразователь, соединенный входом с управляющим выходом процессора, а выходом - с входом излучателя, при этом излучатель своим коллиматором установлен нормально к поверхности изделия и закреплен на направляющем рельсе шарнирно с возможностью дискретного перемещения вдоль рельса, а вторичные n детекторы установлены также нормально к изделию и закреплены на обечайке жестко через равные друг от друга расстояния по дугам секторов, образованных радиальными направлениями, проходящими через продольную ось изделия и центры каждого из вторичных n детекторов, отличающееся тем, что первичный и вторичные n детекторы собраны из многоэлементных преобразующих элементов, материалы которых обладают разными атомными числами и которые размещены в детекторах последовательно, например, от меньшего номера до большего, кроме того, преобразующие элементы первичного и вторичных n детекторов соединены электрически с входами (1+n) аналогово-цифровых преобразователей, при этом первичный детектор жестко прикреплен к коллиматору источника излучения и обращен к изделию стороной с преобразующим элементом из материала с большим атомным числом, а вторичные n детекторы обращены к изделию сторонами с преобразующими элементами из материала с меньшим атомным числом, причем точки останова дискретного перемещения излучателя с первичным детектором вдоль рельса совмещены с радиальными направлениями, лежащими посредине между радиальными направлениями, образующими сектора и проходящими в поперечном сечении изделия через его продольную ось и центры вторичных n детекторов, кроме того, электрическим выходом привод связан с управляющим входом процессора, а механическим выходом - с корпусом излучателя.