Радиоизотопный толщиномер Советский патент 1992 года по МПК G01B15/02 

(Л

С

Изобретение относится измерительной технике и может быть использовано для измерения толщины плоских листовых, пленочных и других материалов радиоизотопным методом. Целью изобретения является повышение точности измерения путем осуществления коррекции сигнала радиоизотопного измерительного преобразователя, обеспечивающей частичную компенсацию отклонения истинной кривой поглощения от экспоненциальной зависимости. В зависимости от установленного на задатчик номинала значения толщины управляющий сигнал появляется только на одном из выходов шифратора, обеспечивая подключение элементов, соответствующих данному участку градуировочной характеристики, в субблоках коррекции 1 ил,

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения толщины плоских листовых, пле-. ночных и других материалов радиоизотопным методом.

Известен радиоизотопный толщиномер, содержащий устанавливаемый с одной стороны контролируемого объекта источник ионизирующего излучения (НИИ), устанавливаемые с другой стороны контролируемого объекта и соединенные последовательно детектор в виде ионизационной камеры и электрометрический усилитель, опорный резистор, один вывод которого соединен с выходом детектора, выходное устройство, сумматор, выход которого подключен к входу выходного устройства, фильтры нижних и верхних частот, входы которых подключены к выходу электрометрического усилителя, а

выходы - соответственно к масштабирующему и первому дифференцирующему входам сумматора, два опорных конденсатора, два интегратора, мультивибратор и фазо- чувствительный выпрямитель, опорные конденсаторы соединены последовательно, их общая точка подключена к входу электрометрического усилителя, а вторые выводы - соответственно к первому и второму дифференцирующим входам сумматора, выход первого интегратора подключен к первому дифференцирующему входу сумматора, а вход - к выходу мультивибратора и управляющему входу фазочувствительного выпрямителя, вход которого подключен к выходу сумматора, выход - к входу второго интегратора, выход которого подключен к управляющему входу сумматора, а второй выход опорного резистора соединен с выходом фильтра нижних частот.

VI

4Ь. Ю

Ј

Х4

Недостатком данного толщиномера является то, что в нем при линеаризации кривой поглощения не учитывается сложность энергетического спектра излучения применяемого источника, что ухудшает точность измерения.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению йвляется радиоизотопный толщиномер, содержащий устанавливаемый с одной стороны контролируемого объекта источник ионизирующего излучения (ИИИ), с другой - детектор, соединенный последовательно с электрометрическим усилителем и логарифмическим преобразователем, выход которого соединен с входами первого сумматора и первого субблока коррекции, выходы которого связаны с двумя другими входами первого сумматора, выход которого связан с входом выходного устройства, входы первого субблока коррекции связаны с выходами шифратора, вход которого связан с выходом задатчика номинала,

Функцией радиоизотопного измерительного преобразования (РИП) считается экспоненциальная зависимость вида

Y х,е хЛ(1)

А ikHk1

где xi е ; Х2

;Y U,

1 -к

которая в логарифмических координа1- тах линейна и используется для построения градуировочной характеристики (ГХ). При, этом выражение, определяемое на выходе толщиномера, имеет вид

(I-k)lnU+A,(2)

где In U-U(h),

h -UBhix(h).

Нахождение аналитического выражения ГХ, соответствующего истинной функции преобразования, представляет собой сложную задачу, зависящую от многих факторов, трудно поддающихся учету. К числу таких факторов относится прежде всего сложность реального спектра наиболее распространенных промышленных радиоизотопных источников бета-, рентгеновского и гамма-излучения.

Сложность спектра данных ИИИ в значительной степени обусловливает погрешность, вносимую при аппроксимации ГХ толщиномера в виде экспоненты.

Целью изобретения является повышение точности измерения путем осуществле- ния коррекции сигнала РИП, обеспечивающей частичную компенсацию отклонения истинной кривой поглощения от экспоненциальной зависимости.

Поставленная цель достигается тем, что толщиномер, содержащий устанавливаемые по разные стороны от контролируемого объекта источник ионизирующего излучения и детектор, соединенный с электрометрическим усилителем, логарифмический

преобразователь, связанный с первым входом первого сумматора, выход которого соединен с выходным устройством, последовательно соединенные задатчик но - минала, шифратор и первый субблок коррекции, включающий первый источник опорного напряжения, два буферных усилителя, п идентичных блоков, каждый из которых содержит два потенциометра и два ключа, которые соединены с соответстзующим 1-м выходом шифратора, подвижный контакт каждого потенциометра через соответствующий ключ связан с входом соответствующего буферного усилителя, выходы которых связаны соответственно с вторым и

третьим входами первого сумматора, один неподвижный контакт одного из потенциометров каждого блока связан с выходом логарифмического преобразователя, другой подключен к общей шине, а неподвижные

контакты другого потенциометра связаны с выводами источника опорного напряжения, дополнительно снабжен вторым сумматором и вторым субблоком коррекции, в который входят второй источник опорного

напряжения, третий буферный усилитель и п идентичных блоков, каждый из которых содержит потенциометр и ключ, второй источник опорного напряжения связан с не- подвихными контактами потенциометра

каждою блока, подвижный контакт которых через соответствующий ключ связан с входом третьего буферного усилителя, выход которого сязан с первым входом второго сумматора, вход каждого ключа связан с

соответствующим выходом шифратора, второй вход второго сумматора связан с выходом электрометрического усилителя, а выход второго сумматора связан с входом логарифмического преобразователя.

Благодаря дополнительно введенным элементам и имеющимся связям во время работы толщиномера осуществляется алгоритм, обеспечивающий реализацию предлагаемого изобретения.

Спектры используемых в толщиномере ИИИ содержат, помимо основного излучения, более жесткие у-компоненты, обусловленные либо наличием примесей, либо присутствием тормозного у-излучения.

В силу жесткости указанных компонент коэффициенты ослабления для них меньше, чем для основного излучения, и ослабление излучения меньше зависит от толщины иэтериала. Вклад этих компонент

спектра а ослабление можно считать постоянным на каждом градуировочном участке ГХ для данного НИИ, поэтому функциональная зависимость РИП аппроксимируется трехпараметрической экспонентой вида

Y-xie +x3,(3)

где хз - параметр, учитывающий вклад неосновных компонент спектоа НИИ.

При этом полагаем АЗ

xi е А2 ; Х2 - д- ; хз - AI ,

где AI, А2, Аз - коэффициенты коррекции.

Логарифмируя (3), находим выражение для h на выходе толщиномера:

n(Y+Ai)fA3(4)

Из сопоставления выражений (2) и (4) видно, что коэффициент А2 и Аз имеют соответствующие аналоги з формуле (2)

A2-0-IO. .

Коэффициент A f, учитывающий сложность спектра НИИ. в формуле () отсутствует.

Значения коэффициентов Ai, A2 и А постоянны для каждого локального участка ГХ. Они могут быть определены экспери- мен гально, например по трем мерам, решением системы уравнений /% n(Vi+Ai)

А2 irt(Y2+Ai)(5)

(.А2 n(Y3+Ai),

где YI - сигнал ня выходе электрометрического усилителя, соответствующий мере толщиной hi (,2,3}.

При реализации этих условий в толщиномере на один вход второго сумматора подается сигнал с выхода электрометрического усилителя, а на другой - постоянный сигнал AI, обеспечивающий компенсацию отклонения кривой поглощения от экспоненты, достигаемую регулировкой опорного напряжения в субблоках коррекции на каждом локальном участке кривой поглощения при градуировке толщиномера одновременно с определением коэффициентов зкспо- ненты А2 и АЗ с помощью логарифмического преобразователя, первого субблока коррекции и первого сумматора.

В результате на выходе второго сумматора получают сигнал, обеспечивающий его соответствие экспоненциальному виду ГХ, которая была заложена в алгоритм толщиномера.

На чертеже изображена блок-схема предлагаемого толщиномера.

Толщиномер содержит устанавливаемые по разные стороны от контролируемого объекта 1 источник 2 ионизирующего излучения и детектор 3, соединенный с электрометрическим усилителем 4, лога

10

15

0

5

0

5

0

5

0

5

рифмический преобразователь 5, связанный с первым входом первого сумматора 6, выход которого соединен с выходным устройством 7. последовательно соединенные задатчик 8 номинала, шифратор 9 и первый субблок 10 коррекции, включающий первый источник 11 опорного напряжения, два буферных усилителя 12 и 13, п идентичных блоков 14, каждый из которых содержит два потенциометра 15 и 16 и два ключа 17 и 18, , которые соединены с соответствующим f-м выходом шифратора 9, подвижный контакт каждого потенциометра 15 и 16 через соответствующий ключ 17 и 18 связан с входом соответствующего буферного усилителя 12 или 13, выходы которых связаны соответственно с вторым и третьим входами первого сумматора б, один неподвижный контакт одного из потенциометров 15 каждого блока связан с выходом логарифмического преобразователя 5, другой подключен к общей шине, а неподвижные контакты другого потенциометра 16 связаны с выводами источника 11 опорного напряжения, а также второй сумматор 19 и второй субблок 20 коррекции, в который входят второй источник 21 опорного напряжения, третий буферный усилитель 22 и п идентичных блоков 23. каждый из которых содержит потенциометр 24 и ключ 25. второй источник 21 опорного напряжения связан с неподвижными контактами каждого потенциометра 24, подвижный контакт которого через соответствующий ключ 25 связан с входом третьего буферного усилителя 22, выход которого связан с первым входом второго сумматора 19, вход каждого ключа 25 связан с соответствующим выходом шифратора 9, второй вход второго сумматора 19 связан с выходом электрометрического усилителя 4, а выход второго сумматора 19 связан с входом логарифмического преобразователя 5.

Рассмотрим последовательность операций при градуировке толщиномера.

Перед градуировкой все потенциометры могут находиться в произвольном положении. Для градуировки толщиномера используются не менее трех мер на каждом участке градуировочной кривой. Желательно, чтобы воспроизводимые ими значения находились в начале, середине и конце данного участка ГХ. При этом общее количество применяемых мер может не превышать используемых при градуировке в известном толщиномере благодаря перераспределению участков ГХ

В измерительный зазор вводят меру с номинальным значением hi и направляют на нее излучение. С помощью переключателей задатчика 8 номинала оператор еыставляет соответствующее приближенное (номинальное) значение толщины, осуществляя выбор рабочего участка ГХ. Сигнал с переключателей задатчика 8 номинала поступает на шифратор 9, который имеет число выходов п, равное числу участков ГХ и числу блоков 14 и 23 соответственно в субблоках 10-и 20 коррекции.

В зависимости от значения заданной номинальной толщины сигнал (логическая 1) управления появляется только на одном из выходов шифратора 9, соответствующем участку ГХ. Этот сигнал поступает на субблоки 10 и20 коррекции, подключая элементы соответствующего данному участку ГХ блока 23 в субблоке 20 коррекции, на выходе которого появляется сигнал AI, и блока 14 в субблоке 10 коррекции, на выходах которою появляются сигналы (A2-1)ln(Y+Ai) и Аз. При эгом выходное устройство гол щи- номера показывает значение hi.

Вычисляют значение AI (h|-hi) .

В измерительный зазор вводят меру с номинальным значением ha того же поддиапазона (участка) ГХ. Три этом толщиномер показывает значение т2. Вычисляют значение A -(hVh2)2 В измерительный зазор вводят меру с номинальным значением h того же участка ГХ. При этом толщиномер

показывает Кз. Вычисляют значение Al (Ьз- Ьз)2. Так поступают для всех мер данного участка.

Если значения Ai удовлетворяют тре- Оованию заданной погрешности градуировки, то фадуировку данного участка ГХ можно считать завершенной, а коэффициенты коррекции Ai, A2 и Аз - установленными положениями ручек потенциометров 15, 16 и 24.

Если значения Д;превышают злдэнную погрешность градуировки, то вычисляют значение функционала m „

где m - количество мер данного участка.

Затем в измерительный зазор вводят меру hi и, немного повернув ручку потенциометра 24 в субблоке 20, фиксируют показа- ние толщиномера hi, вычисляют

to л О

& (hi-hi) . Затем вводят в зазор h2. фиксируют показание толщиномера h2 и вычисляют А (П2-Г12)2. Затем устанавливают меру

2

hs, фиксируют Нз и вычисляют Аз (Ьз-Ьз) . Вычисляют значение функционала

m u Si Аг. Проверяют выполнение нера1 1

венствя: . Если неравенство не выполняется, то ручку потенциометра 24 при выполнении операции нужно поворачивать в другую сторону.

Таким образом, вращая ручку потенциометра 24 и выполняя указанную последовательность операций, находят положение ручки потенциометра 24 в субблоке 20, со- от веютвующее минимальному значению

0 функционала.З, т.е. Змии. Если при этом все же значения AI превышают заданную погрешность градуировки, то при фиксированном положении ручки потенциометра 24 ($1мин) субблока 20 начинают аналогичным обра5 зом подстраивать вначале, например, потенциометр 15 в субблоке 10 коррекции, используя те же меры и добиваясь выполнения неравенства: 82мин 51мим. Если при эюм значения все же превышают заданную

0 погрешность градуировки, то при фиксированных положениях ручек потенциометров 15 ($2мин) в субблоке 10 коррекции начинают подстраивать по тем же мерам hi, Ii2, ha потенциометр 16 так, чтобы вычисленное

5 значение функционала 5з 32мин.

Иттерация продолжается до тех пор, пока А не будет удовлетворять требованиям заданной погрешности градуировки. После этого операция градуировки данного участ0 ка ГХ считается законченной, и можно приступать к градуировке следующего участка ГХ.

При подстройке потенциометров 15, 16 и 24 можно воспользоваться любым алго5 ритмом безусловной минимизации, например методом покоординатного спуска оптимального проектирования,

Вместо минимизации указанного функционала можно минимизировать любой дру0m

юй, например ,

I - 1

После окончания градуировки положениями ручек потенциометров 15, 16 и 24 в

g субблоках 10 и 20 коррекции зафиксированы значения коэффициентов коррекции At, Аа и Аз различных участков, обеспечивающие построение ГХ с заданной точностью. После градуировки, как обычно перед

п проведением измерений для компенсации температурной и временной нестабильности, рекомендуется произвести балансировку электрометрического усилителя и коэффициента преобразования так, чтобы

п сигналы при открытом затворе и отсутствии мер в зазоре и при закрытом затворе были равны соответствующим сигналам в режиме градуировки. Это позволяет уменьшить влияние температурной и временной неста- бильностей в режиме измерения.

zjAIТолщиномер работает следующим образом.

В рабочий зазор толщиномера вставляется контролируемый материал и, например, с помощью десятипозиционных переключателей датчика 8 устанавливается номинальное значение толщины с точно- для контролируемого материала. Цифровой сигнал с соответствующих переключателей задатчика 8 номинала поступа- ет на шифратор 9, который имеет число выходов п, равное числу участков ГХ, Излучение источника 2 направляют на контроли- руемый объект 1. Ослабленный поток излучения, прошедший через контролируе- мый материал, регистрируется детектором 3, что вызывает появление тока, зависящего от толщины контролируемого материала. Указанный ток усиливается электрометрическим усилителем 4, который собран по схеме преобразования тока в напряжение. С выхода электрометрического усилителя-4 аналоговый сигнал Y поступает на второй вход сумматора 19.

В зависимости от установленного на за- датчике 8 номинала значения толщины управляющий сигнал (логическая 1) появляется только на одном из выходов шифратора 9, обеспечивая подключение элементов (потенциометров и ключей), соот- ветствующих данному участку ГХ, блоков 14 и 23 в субблоках 10 и 20 коррекции. При этом на выходе буферного усилителя (БУ) 22 субблока 20 коррекции появляется сигнал А,, который поступает на первый вход суммато- ра 19, а на выходах БУ 12 и 13 субблока 10 коррекции появляются соответственно сигналы ()ln(Y+Ai) и Аз, которые поступают на входы 2 и 3 сумматора 6.

Сумматором 19 выполняется операция по формуле (Y+Ai). При этом осуществляется коррекция выходного сигнала РИП, обеспечивающая компенсацию отклонения- функции преобразования РИП от экспоненциальной зависимости на данном участке. Значение сигнала AI постоянно для каждого лркального участка.

Суммарный сигнал (Y+Ai) поступает на вход логарифмического преобразователя 5, где преобразуется в последовательность импульсов, частота которых постоянна, а длительность пропорциональна натуральному логарифму входного напрях ения. Затем импульсный сигнал путем интегрирования преобразуется в постоян- ное напряжение, пропорциональное натуральному логарифму входного напряжения ln(Y+Ai)(T,e. осуществляется предварительная линеаризация кривой поглощения), и поступает на вход суматора 6.

Сумматором 6 выполняется операция сложения сигналов ln(Y+Ai), (A2-1)ln(Y+Ai) и Аз, поступающих на его входы:

ln(Y + Ai)+(A2-1)ln(Y + Ai)H-A3 (1+A2 -1}ln(Y+Ai)(Y+Ai)+A3. где Y - напряжение на выходе электрометрического усилителя 4;

AI - напряжение на выходе буферного усилителя 22 в субблоке 20 коррекции;

ln(Y+Ai) - напряжение на ЁЫХОДО лога- .рифмического преобразователя 5:

(A2-1)ln(Y+Ai) - напряжение на выходе буферного усилителя 12 в субблоке 10 коррекции;

Аз - напряжение на выходе буферного усилителя 13 в субблоке 10 коррекции;

(А2-1) - коэффициент пропорциональности между входным ln(Y+Ai) и выходным (А2- -1)ln(Y+Ai) сигналами субблока . 10 коррекции, определяемый положением движка потенциометра 15.

С выхода сумматора б сигнал A2ln(Y+Ai)+A3, пропорциональный толщине h, поступает на вход выходного устройства 7, осуществляющего выдачу информации об измеряемой толщине h и содержащего устройство отображения информации. Выходное устройство 7 может быть выполнено по известной схеме, например функциональной схеме радиоизотопного толщиномера танталовой ленты, которая обеспечивает как выдачу прямых показаний измеренного значения толщины (по выходу п), так и отклонения измеренной толщины от заданного номинала (по выходу Ah) благодаря поступлению сигнала, пропорционального толщине, на один из выходов дифференциального усилителя, на другой вход которого поступает сигнал, пропорциональный номинальной толщине.

Таким образом, в результате осуществления коррекции сигнала РИП, обеспечивающей компенсацию отклонения истинной (реальной) кривой поглощения от экспоненциальной зависимости, положенной в основу построения ГХ, повышается точность измерения толщиномера.

Формула изобретения

Радиоизотопный толщиномер, содержащий устанавливаемые по разные стороны от контролируемого объекта источник ионизирующего излучения, последовательно соединенные детектор и электрометрический усилитель, последовательно соединенные логарифмический преобразователь, первый сумматор и выходное устройство, последовательно соединенные задатчик номинала, шифратор и первый субблок коррекцией, включающий первый источник опорного напряжения, два буферных усилителя, п идентичных блоков, каждый из которых содержит два потенциометра и два ключа, которые соединены с соответствующим -м выходом шифратора, подвижный контакт каждого потенциометра через соответствующий ключ связан с входом соответствующего буферного усилителя, выходы которых связаны соответственно с вторым и третьим входами первого сумматора, один неподвижный контакт одного из потенциометров каждого блока связан с выходом логарифмического преобразователя, другой подключен к общей шине, а неподвижные контакты другого потенциометра связаны с выводами источника опорного напряжения, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения, радиоизотопный толщиномер снабжен вторым сумматором и вторым субблоком коррекции, в который входят второй источник опорного напряжения, третий буферный усилитель и п идентичных блоков, каждый из которых

содержит потенциометр и ключ, который соединен с соответствующим 1-м выходом шифратооа, второй источнк опорного напряжения связан с неподвижными контактами потенциометра каждого блока,

подвижный контакт которых через соответствующий ключ связан с рходом третьего буферного усилителя, выход которого связан с первым входом второго суматора, вход каждого ключа связан с соответствующим

выходом шифратора, второй вход второго сумматора связан с выходом электрометрического усилителя, а выход второго сумматора связан с входом логарифмического преобразователя.