Радиоизотопный толщиномер Советский патент 1989 года по МПК G01B15/02 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности, к ра- диоизотопным толщиномерам, и может быть использовано для измерения толщины плсских листовых, пленочных и других материалов радиоизотопным методом .

Це:гь изобретения - повьшшние быстродействия и измерения путем исклч,- ения влияния на работу толщиномера смещения электрометрического усилителя, его входного импеданса, сопротивления и емкости изоляции собирающего электрода детектора.

Па фиг. 1 приведена функцио} -1льная схема радиоизотопного толщиномера: на фиг.2 и 3 - диаграммы сигналов, пгчс- няющие принцип действия устройств:.

Радиоизотопный толщиномер жит источник 1 ионизирукчцего излучс

ния, располагаемый по одну сторону объекта 2 контроля и располагаемые по другую сторону объекта контроля последовательно соединенные детектор 3 и электрометрический усилитель 4, выходной блок S, а также первьй опорный конденсатор 6, включенный между входом и выходом электрометрического усилителя 4, последовательно соединенные делитель 7 напряжения и герко- новый ключ 8, последовательно соединенные инвертор 9, вход которого подключен к выходу электрометрического усилителя, первый ключ 10, вьгход которого через последрвательно соединенные второй ключ J1 и разрядный резистор 12 соединен с общей шиной, а через запоминающий конденсатор 13 - также с общей шиной, повторитель 14 напряжения, первый сумматор 15, второй вход которого подключен к выходу электрометрического усилителя 4, а выход через делитель 7 напряжения и геркоиовый ключ 8 соединен с выходом детектора 3, третий ключ 16 и первый интегратор 17, выход которого подключен к второму входу электрометрического усилителя 4, последовательно соединенные второй сумматор 18 и второй интегратор 19, последовательно соединенные второй опорный кондер;са- тор 20, вход которог о соединен с зы- чодом инвертора 9, первый операииои- ньй усилитель 21 , второй вход когорсго соединен с общей шиной, пере ключа гель 22, второй выход которого соединен с первым входом первого операционного усилителя 21, второй опера- усилитель 23, вход которого через второй запоминающий конденсатор 24 подключен к общей шине, выход подключен к выходному блоку 5 и через опорный резистор 25 - к второму выходу переключателя 22, а второй вход через первый вход второго сумматора 18 подключен к выходу второго операционного усилителя 23, второй вход и выход второго сумматора 18 и выход и вход второго интегратора 19 соединены соответственно друг с другом и устройство 26 управления, первый, второй, третий, четвертый и пя- тьш выходы которого подключены к управляющим входам первого, второго, третьего ключей, герконового ключа и переключателя соответственно.

Работу толщиномера рассмотрим первоначально при постоянной толщине h

контролируемого объекта 2. При этом ток ij( собирающего электрода ионизационной камеры, которая используется в качестве детектора 3, определяется толищной h и является постоянной величиной. Для получения информации о данной величине путем ее преобразования в напряжение U используется общий ПРШ1ЦИП, заключающийся в предварительном интегрировании тока и последующем дифференцировании результата интегрирования. Интегрирование тока осуществляется с помощью электрометрического усилителя 4, в цепь параллельной обратной связи которого включен первый опорньш конденсатор 6. При Достаточно большом коэффициенте усиления электрометрического усилителя 4 изменением напряжения на его первом (ииверт1фующем) входе можно пренебречь. Поэтому выходное напряжение и ,„4 определится так

э«

(t) - - -i-- ) 1

+ и

о

(C )dt +

()

т де i - ток собираю1цего электрода при отсутствии материала (h 0);

t, - временные переменные; С( - емкость первого опорпого

конденсатора 6; Up - начальное значение (при 0) напряжение

t

Т

U,Л,l(t)

Если i)((t) const, то

..u,.

Выходное напряжение инвертора 9 будет отличаться от напряжения U только знаком (фиг.2)

j.y

и.

-и.

(2)

пне, S

Данное напряжение является входным сигналом дифференциатора, основными элементами которого являются первый операционный усилитель 21 , второй опорный конденсатор 20 и опорный резистор 25.

Дифференциатор дополнен вторым операционным усилителем 23, охваченным отрицательной .обратной связью через второй сумматор 18. За счет обратной связи напряжения па втором (неинвертирующем) и первом (инвертирующем) входах устанавливаются приблизительно равными друг- другу. Поэтому данный ycRiHTCJU. с пепью обрат51

нон связи можно рассматривать как масштабирующий преобразователь, не влияюицш на коэффициент передачи дифференциатора, а следовательно, на выходное напряжение U второго опера- ЦИОИНОГО усилителя

II - рг -Eyi ill- dt

где R - сопрот1тление опорного резис-

тора 25;

С - емкость второго опорного конденсатора 20.

С учетом выражений (1) и (2) окон- чатель 1о получают

КСг .

и,

с

-у

(3)

Пре1ит(зложим, что в начальный мо- NjeiiT времени напряжение на первом и втором входах второго операционног усилителя 28 отлично от нуля, например, положительно (фиг.З). Данное напряжение чоступаст на вход второго шгтегратора 19 инвертирующего типа. При этом его выходное напряжение U начинает уменьшаться. Так как данное напряжение подается на второй вход BTOPOI4J сумматора 18, а напряжение и на первом пходе, определяемое вы- ражением (3), не должно изменяться при 17остоя1П1ом токе i , то напряжение Uf. на Г ьгходе второго сумматора будет уменьшаться до нуля.

Таким образом, напряжение на входах второго операционного усилителя 23 и выходе первого операционного усилителя 21 при постоянном токе i, поддерживается равным нулю. Это поз- воляет увеличить точность дифференцирования напряжения , за счет устранения влияния коэсЬфициента усиления первого операционного усилителя 21, так как при изменении напря- жения Ujj напряжение на выходе да}1но- го усилителя и пропорциональное выходному напряжению напряжение на его первом входе пе будут изменяться.

Результат дифференцирования напря жения - напряжение U, пропорциональное то.чу i, подается на вход выходдгого блока 5, где осуществляются его нелинейное функциональное преобразование, регистрация и индика ция результата измерения

1 . f UxC . - (---------),

746

| де IJ, - ток собирающего электрода

нри h 0;

oi - коэффициент поглощения . Точность измерения толщины при применении в качестве детектора герметизированной ионизационной камеры определяется в основном точ}тостью пг)еобразования тока i в напряжение, которое описывается выражением (3). Элементы, параметры которых определяют соответствующий коэффициент (-RC2C ) преобразования, могут быть выбраны так, чтобы их характеристики отличались достаточно высоко температурой и временной стабильностью. В качестве первого опорного конденсатора может быть использован иоз; ушньп 1 конденсатор или конденсатор с органическим диэлектриком (полистирол, фторопласт) с тем11срату1)ным ко тйкЬициен- том емкости около 10 К . Таким же коэффициентом характеризуется нторой ОПОРН1.1Й конденсатор 20 с оргашгчес- ким д 1эЛектриком. Проволс чный кпи ме- таллопленочньй опорный резистор 25 характеризуется температурным коэгЬ- фициснтом сопротивления менре Так№1 образом, температурная нестабильность коэффициента передачи составляет около , или 0,1% на 0 С, что на порядок вьш1е, чем у про- тотигга (при использовании высокоом- ного резистора типа КВМ),

При скачкообразном из1-1еиении толщины коптролирусмого объекта 2 ток IK также изменяется скачкообразно (фиг.2), Однако напряжение на нервом входе электрометрического уошитсля не изменяется, так как при достаточно большом коэффициенте yciLTCUHH за счет отрицательной обратной связи оно поддерживается приблизительно разным напряжению смешения, приведенному к входу. Это приводит к тому, что эквивалентпая емкость входных пе- пей и изолятора собирающего : лсктро- да ионизационной камеры не псгет- ря- жается, не происходит поляризация изоляционных материалов и ток, текущий через первьй опорный конденсатор 6, также изменяется скачкообр.п ис , С помощью первого опорного кон;им1сато- ра 6 осуществляется безынерциончос преобразование тока i в скорое rii изменения напряжения , котс рая ;к- же изменяется скачкообразно. Ли .ч 1. ренцирование напряжения U;,,, -l ,,..j

также можно считать практпчсгки i . ;инерционным, так как постоянная времени опорного резистора 25 (при сопротивлении 10 МОм - не более нескольких мкс) представляет собой величину одного порядка с постоянной времени первого операционного усилителя. TaKitM образом, время установления напряжения U при скачкообразном изменении толщины h определяется в основном инерционными свойствами входящих в состав толщиномера усилителей. Реально данная величина может иметь значение около JO мкс, что на шесть порядков ниже, чем у прототипа.

Для правильной работы толщиномера необходимо осуществлять периодический разряд первого опорного конденсатора 6, так как выходное напряжение электрометрического усилителя 4, равное напряжению на данном конденсаторе, имеет ограничеиньш динамичес- Kiffl диапазон. Разряд первого опорного конденсатора 6, коррекция электрометрического усилителя 4, запоминание и экстраполяция напряжения и, на время разряда и коррекции осуществляются по сигналам устройства 26 управления Данное устройство включает в себя генератор G импульсов, период следова- НИН которых определяет периодичность разряда первого опорного кондеяса.с- ра 6, последовательно соединенные ждущие мультивибраторы 84-84 с итя- мым (S() и инверсными (S,, Fj, 84) динамическими входами и схемы ИЛИ, с помощью которых осуществляется формирование выходных сигналов U;,- U. (фиг.З, где G, S,, Sj, S, S выходные сигналы генератора G импульсо и ждущих мультивибраторов S(, 87, S 84. соответственно).

В исходном состоянии до начала разряда первого опорного конденсато- ра 6 выходное напряжение U повторителя 14 напряжения равно напряжению U,.g . Поэтому напряжение на выходе первого сумматора 15 U., + 0. Выходное напряжение делителя 7 напряжения также равно нулю. Так как напряжение на первом входе электрометрического усилителя 4 можно считать равным нулю, то на гер коновом ключе 8 устанавливается эквипотенциальньш режим. Поэтому сопро тивление, емкость изолятора геркона и другие его паразитные параметры не влияют на результат измерения.

Перед началом разряда первого опорного конденсатора 6 по сигналам U| с первого выхода устроГ1ства 26 управления размыкается первый ключ 10. Одновременно по сигналу U с пятого выхода устройства 26 управления вход переключателя 22 размыкается с вторым выходом и замыкается с первым выходом. При этом запоминаются значения

напряжения U

и ив

(на выходе повторителя 14 напряжения) н напряжения Uc.| (на входах второго операционного усилителя 23). При постояпной толщине h постоянном напряжении Uj и напряжении U(.2 , равном нулю, запоминание значения данного напряжения эквивалентно запоминанию значения напряже- Е1ИЯ и, которое не будет изменяться во время разряда первого оггорного конденсатора 6 и коррекции электрометрического усилителя 4. Если ке толщина изменяется, то изменяется и ток i, iianpuMep, по линейноь;у закону (фиг.З) . При этом до начала кор- . рекции по линейному закону изменяется и напряжение U, а значение напряжения Uj. на входе второго интегратора будет отлично от 1уля и пропорционально скорости изменения напряжения и j(.

В Момент переключения переключателя 22 происходит запоминание напряжения на втором запоминающем конденсаторе 24 и на втором входе второго операционного усилителя 23. Так как данный усилитель охвачен отрицательной обратной связью через второй сумматор 18, напряжение U;,, , равное напряжению на втором запоминающем конденсаторе 24, также не будет изменяться во время разряда первого опорного конденсатора 6 и коррекции электрометрического усилителя 4. На соответствующем интервале времени скорость изменения напряжения Ui не изменяется

Ux

Uca к,и,, .

к,

.г

55

где К,,-К - коэффициенты передачи второго сумматора по первому и второму входам соответственно; ( ц - постоянная времени второго интегратора,

его выходное напряжение Uyj U.-,-,

что соответствует линейной экстраполяции и на данном интервале, когда информ щия о величине i, не может быть получена.

При рассмотрении нроцессов разряда первого опорного конденсатора 6 и коррекции электрометрического усилителя А будет учитываться инерционность только герконового ключа 8, так как все остальные ключевые элементы могут быть выбраны по токам утечки через разомкнутый ключ беес- коитакгпыми. Сигнал U, по которому происходит замыкание герконового ключа 8, начинает действовать одновременно с сигналом и,, но которому производится запоминание напряжения па нервом запоминающем конденсаторе 13. Однако замыкание контак- i OB геркона происходит с задержкой (значение задержки - десятые доли мкс) . ДаипьЕЙ процегс показан штриховой Ленине И диаграмме U (t) (фиг.2).

На 1П1тероалс времени, длительност которого равна задержке, продолжается процесс шггегрирования тока i, МО из-та малого значения задержки напряжение UK изменяется на незначительную величину (нри времени между коррекциями, равном 10 с, времени задержки 0,5 МКС, выходном напряже 1ии и X злектрометрического усилителя в диапазоне t10 В .и максимально возможном токе i изменение С, составит 50 мкВ).

Следовательно, на данном интервале BpehiBHH напряжение Uf, на выходе первого сумматора 15 и напряжение на выходе делителя 7 напряжения близки к нулю, что является условием зквипо тенциаль ого режима на герконовом ключе 8. Далее происходит замыкание герконового ключа 8 и по сигналу Uj второго ключа 11. Замыкание второго ключа 11 происходит несколько позже замыкания герконового ключа 8, так как задержка сигнала U по отношению к сигналу Уц, определяемая длительностью импульса на выходе ждущего мультивибратора S, устройства 26 управления, выбирается равной максимально возможной задержке срабатывания герконового ключа 8. Пр и этом происходит разряд первого запоминающего конденсатора 13 через второй ключ 1 1 и Г нзрядный резистор 12.

Напряжение на данном конденсаторе, а следовательно, напряжение пм выходе повторителя 14 напряжения изменяются по эксноненци;|льному закону. Скорость изменения напряжения Uпн и начале процесса разряда, определяемая постоянной времени цени, выбирается таким образом, чтобы ояа была меньше максимальной скорости нарастания выходного напряжения электрометрического усилителя 4 - параметра, характеризующего его динами11еские характеристики.

При замыкании герконового ключа 8 электрометрический усилитель 4 охватывается цепью гальванической отрицательной обратной связи через первый сумматор 15 и делитель 7 напряжения, за счет которой напряжение , на первом входе электрометрического усилителя 4 поддерживается близким к напряжению смещения. Предноложим, что

5 данное напряжение равно нулю, когда напряжение Up, на выходе первого сумматора также равно нулю, следовательно, Ujyu -Up . Так как напряжение Uf, изменяется по эксноненциальному

Q зако11у, то по такому же закону будет изменяться напряжение L ,,,, что соответствует разряду первого опорного конденсатора 6 (напряжение на данном конденсаторе равно напряжению и,„и). Если скорость разряда больше мак- симальной скорости нарастания выходного напряжения электрометрического усилителя 4, то напряжение и,., становится отличным от нуля, что происходит в наиболее распространенных схемах с включением ключевого элемента параллельно первому опорноьгу конденсатору 6 из-за малой постоянной времени разряда. Однако в данном устройстве этого не происходит, так как скорость изменения напряжения U,M определяется постоянной времени разряда первого запоминающего конденсатора 13 через разрядный резистор 12. Поэтому при разряде первого опорного

конденсатора 6 напряжение U не отличается от нуля. Емкость, сопротивление изоляции и абсорбционные процессы во входной цепи электрометрического ус1ллителя 4 (включая изоля5 тор собирающего электрода ионизяцион- Hofi камеры детектора 3) не влияют на результат измерения после окончания процесса разряда.

0

5

Дпя того, чтобы исключить влияние постоянной составляющей напряжения Uj., смещения электрометрического усилителя 4, после окончания процесса разряда первого опорного конденсатора 6 по сигналу Uj с третьего выхода устройства 26 управления замыкается третий ключ 16. Если U. О, то при замкнутом герконовом ключе 8

и,

Uc

Т О,

где Кд - коэффициент передачи делителя 7 напряжения,

и напряжение U, на выходе первого интегратора 17 начиуает изменяться.

Процесс изменения напряжения U({ , которое подается для компенсации напряжения смещения на второй (неинвертирующий) вход электрометрического усилителя 4, заканчивается при Up, и(. О. Благодаря этому после окончания коррекции во входной цепи устройства отсутствуют токи утечки на первый вход электрометрического усилителя. Устраняется также влияние тока утечки на собирающ1ш электрод ионизационной камеры с охранного электрода, который подключается к об щей шине.

На время разряда первого опорного конденсатора 6 и коррекции электрометрического усипителя (суммарное время этих процессов, определяемое длительностью импульса сигнала U, может бьп Ь выбрано, исходя из быстро действия элементов устройства, главным образом, герковоного ключа 8 и электрометрического усилителя 4, не более 1 мкс) первый операционньй уси литель 21 охватывается глубокой отри цательной обратной связью через переключатель 22, благодаря чему на первом входе данного усилителя поддерживается нулевой потенциал и обес печивается разряд второго опорного конденсатора 20 по тому же закону, что и разряд первого опорного конденсатора 6. После окончания действия импульса сигнала U все ключеные элементы устанавливаются в исходное состояние, и указанные процессы повторяются .

Лабораторные испытания показьшают возможность измерять толщину различных материалов (бумага, текстиль, по лимерные пленки) при изменении тока собирающего электрода ионизационной камеры от IQ- до Л с приведенной основной погрешностью не более 0,1% (при нормальных температурных условиях в течение 24 ч непрерывной работы),

Указанные достоинства позволяют значительно улучщить характеристики автоматизированных систем измерения, контроля и управления различными технологическими процессами за счет увеличения допустимой скорости движения плоских материалов и получения более достоверной информации об их толщине.

15

Формула изобретения

20

j5

40

45

55

Радиоизотопный толщиномер, содержащий источник ионизирующего излучения, располагаемый по одну сторону объекта контроля и располагаемые по другую сторону объекта контроля последовательно соединенные детектор и электрометрический усилитель, и выходной блок, о т л и ч а ю щ и и 25 с я тем, что, с целью повьпиення

быстродействия и точности измерения, он снабжен первым опорным конденсатором, включенным между входом и выходом электрометрического усилителя,

,Q последовательно соединенными делителем напряжения и герконовым ключом, последовательно соединенными инвертором, иход которого подключен к выходу электрометрического усилителя, первым ключом, выход которого через последовательно соединенные второй ключ и разрядный резистор соединен с общей шиной, повторителем напряжения, первым сумматором, второй вход которого подключен к выходу электрометрического усилителя, а выход через делитель напряжения и герконовый ключ соединен с выходом детектора, третьим ключом и первым интегратором, выход которого подключен к второму входу электрометрического усилителя, последовательно соединенными вторым сумматором и вторым интегратором, последовательно соединенными вторым опорным конденсатором, вход которого соединен с выходом инвертора, первым операционным усилителем, второй вход которого соединен с общей шиной, переключателем, второй выход которого соединен с первым входом первого операционного усилителя, HTojjwM операционным усилителем, вход когорого через второй запоминаюии й ксжденсатор подключен к общей шине, ых(1Д подключен к

50

выходному блоку и через опорный резистор - к второму выходу переключателя, а второй вход через первый вход второго сумматора подключен к выходу второго операционного усилителя, второй вход и выход второго сумматора и выход и вход второго интегратора

соединены соответственно друг с другом и устройство управления, первый, второй, третий, четвертый и пятый выходы которого подключены к управляющим входам первого, второго, третьего ключей, герконового ключа и переключателя соответственно.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности радиоизотопным толщиномерам, и может быть использовано для измерения толщины плоских листовых, пленочных и других материалов радиоизотопным методом. Целью изобретения является повышение быстродействия и точности измерения путем исключения влияния на работу толщиномера смещения электрометрического усилителя, его входного импеданса, сопротивления и емкости изоляции собирающего электрода детектора. Перед началом разряда первого опорного конденсатора по сигналам с первого выхода устройства управления размыкается первый ключ, подключающий первый опорный конденсатор к выходу повторителя напряжения, и по сигналу с пятого выхода подключает второй опорный конденсатор к выходу первого операционного усилителя. В момент переключения переключателя происходит заполнение напряжения на втором запоминающем конденсаторе и на втором входе второго операционного усилителя. Напряжение на выходе первого операционного усилителя и на входах второго операционного усилителя при постоянном токе собирающего электрода детектора поддерживается равным нулю. Результат дифференцирования напряжения на втором операционном усилителе пропорционален току собирающего электрода и подается на вход выходного блока толщиномера. 3 ил.

4с)гС Ьг1тК

rL

Si i

ri

У

жщ

I r9v I

:Jj%

Фиг

П

п

л

и.

WB

%

Uu2

X

t -i

Фи8.3