Радиационный измеритель толщины Советский патент 1992 года по МПК G01B15/02 

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к радиоизотопным измерителям толщины преимущественно полосы, бесконтактным способом и может быть использовано при измерениях толщины полосы и фольги из черных и цветных металлов в процессе их прокатки перемотки или реза

Известен одноканальныи измеритель толщины плоских материалов (массы единицы площади (см Система измерения массы на единицу площади Robotron 24024 Инструкция по обслуживанию Часть I VEB

Robotron - Messelektromk Otto Schon, Dresden, 1982, с 6-57), содержащий источник ионизирующего излучения, направленного на измеряемый объект, блок детектирования, состоящий из ионизационной камеры, в которой ионизирующее излучение вызывает электрический (ионизационный) ток, зависящий от степени ослабления ионизирующего излучения измеряемым объектом, микрометрического усилителя, который вырабатывает сигнал напряжения постоянного тока пропорциональный току ионизационной камеры, поVIел

(А Ю О

ел

ступающий в блок цифровой обработки, где и формируется сигнал, пропорциональный измеряемой толщине и используемый затем как для целей регулирования толщины, так и для цифровой индикации измеряемой тол- щины. Недостаток этого устройства заключается в относительно невысокой точности измерений.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому р езульУату к предла- гаемому изобретению является двухканаль- ный радиоизотопный толщиномер (см. Измерители толщины ИТУ-495 и ИТШ-496. Инструкция по эксплуатации. Всесоюзное обьединение Изотоп, 1963). Этот толщине- мер содержит основной и компенсационный источник ионизирующего излучения, при этом поток основного источника ионизирующего излучения пронизывает измеряемый объект и поступает в ионизационную камеру основного канала измерений, являющуюся одной из частей дифференциально включенной ионизационной камеры, а поток от компенсационного источника излучения через диафрагмирующую шторку поступает на вторую часть дифференциально включенной ионизационной камеры - ионизационную камеру компенсационного канала измерений; к выходу дифференциально включенной ионизационной камеры подключен вибропреобразователь, преобразующий напряжение постоянного тока ионизационной камеры в переменное напряжение, которое усиливается усилителем переменного тока и поступает на электриче- ский исполнительный механизм, приводящий в движение диафрагмирующую шторку в положение, при котором ток ионизационной камеры компенсационного канала измерений уравновешивает ток ионизацион- ной камеры основного канала измерений, а указатель показывающего прибора перемещается пропорционально перемещению диафрагмирующей шторки вдоль шкалы, отградуированной в единицах измерения тол- щины.

Основной недостаток рассматриваемого толщиномера состоит в том, что в нем, несмотря на наличие компенсационного канала измерений, не достигается достаточно полного устранения дополнительных погрешностей, в частности температуры окружающей среды, что объясняется особенностями дифференциально включенной ионизационной камеры, состоящими в том, что на высоковольтный электрод ионизационной камеры основного канала измерений подается отрицательный потенциал, а на высоковольтный электрод ионизационной камеры компенсационного канала - положительный потенциал, в результате чего на собирающем электроде ионизационной камеры основного канала измерений группируются электроны, а на собирающем электроде ионизационной камеры компенсационного канала группируются положительные ионы, при этом подвижность электронов и положительных ионов по разному зависит от приращения температуры, что в конечном счете не дает эффекта компенсации влияния температуры окружающей среды на показания толщиномера и снижает точность измерений, кроме того, наличие электромеханических связей снижает точность, надежность и быстродействие рассматриваемого толщиномера.

Целью изобретения является повышение точности измерений и быстродействия радиоизотопного толщиномера.

Поставленная цель достигается тем, что радиационный измеритель тол щины, содержащий располагаемые с двух сторон от объекта контроля основной источник ионизирующего излучения и рабочую ионизационную камеру, высокоомный резистор, подключенный одним концом к собирающему электроду рабочей ионизационной камеры, компенсационный источник ионизирующего излучения и компенсационную ионизационную камеру, вторые, высоковольтные электроды обеих ионизационных камер подключены к высокому напряжению питания, он снабжен цифровым индикатором отклонений толщины, задатчиком номинальной толщины, последовательно соединенными электрометрическим усилителем компенсационного канала, инвертирующий вход которого подключен к собирающему электроду компенсационной камеры, а прямой вход - к общей шине, потенциометри- ческим делителем, движок которого подключен к высокоомному резистору, а второй конец - к общей шине, электрометрическим усилителем рабочего канала, инвертирующий вход которого подключен к собирающему электроду рабочей ионизационной камеры, масштабирующим усилителем, блоком нелинейных преобразований, выход которого подключен к цифровому индикатору отклонений толщины, сумматором, второй вход которого подключен к задатчику номинальной толщины и цифровым индикатором толщины, а между компенсационным источником ионизирующего излучения и компенсационной ионизационной камерой расположена образцовая мера.

В предлагаемом измерителе толщины реализовано два идентичные измерительные каналы - основной и компенсационный, конструктивные и электрические параметры которых практически идентичны. Ионизирующее излучение в основном измерительном канале частично поглощается измеряемым объектом, а ионизирующее излучение в компенсационном канале частично поглощается образцовой мерой, толщина которой равна номинальной толщине измеряемого материала, Напряжение по стоянного тока ионизационной камеры ком- пенсационного канала измерений, поступающее на инвертирующий вход электрометрического усилителя основного канала измерений, в частности на инвертирующий вход дифференциального усилителя, являющегося инверсным входом электрометрического усилителя основного канала измерений, с помощью потенциометриче- ского делителя подбирается таким образом, чтобы при равенстве толщин измеряемого объекта и образцовой меры сигнал напряжения постоянного тока на выходе электрометрического усилителя основного канала измерений был равен нулю. Таким образом, при равенстве толщин измеряемого объекта и образцовой меры информационный сигнал отклонения толщины от заданного номинального значения равен нулю, а если эти толщины не равны, то на выходе электрометрического усилителя основного канала измерений появляется информационный сигнал в виде напряжения постоянного тока, функционально связанный с разностью толщины, при этом знак напряжения постоянного тока определяется знаком отклонения толщины измеряемого объекта от толщины образцовой меры. Поскольку конструктивные и электрические параметры ионизационных камер идентичны, их высоковольтные электроды находятся под отри- цательным потенциалом, а на их со&ирающих электродах группируются только электроны, то влияние изменения температуры окружающей среды является одинаковым на обе ионизационные камеры и, значит, температурные погрешности двухканального радиоизотопного измерителя толщины отсутствуют, так как сигнал напряжения постоянного тока электрометрического усилителя компенсационного канала вычитается в дифференциальном усилителе из сигнала напряжения постоянного тока электрометрического усилителя основного канала, в результате точность измерений повышается. Повышение точности измерений предлагаемого радиоизотопного толщиномера связано также и с увеличением динамического диапазона измерений при использовании образцовой меры в компенсационном канале измерений, поскольку сигнал отклонения толщин ы измеряемого объекта от номинальной толщины, задаваемой образцовой мерой (скажем в пределах

от минус 10 до плюс 10% номинальной толщины), может занимать весь диапазон изме- нения информационного сигнала, установленный требованиями ГСП, независимо от диапазона измерений данного тол0 щиномера. Например, если диапазон измерений толщиномера находится в пределах от 10 мкм до 1000 мкм, а толщина образцовой меры равна 100 мкм, то информационный сигнал в диапазоне от минус 10

5 до плюс 10 В может соответствовать отклонениям толщины от минус 10 мкм до плюс 10 мкм, а не диапазону измерений толщиномера, равному 990 мкм. Кроме того, точность предлагаемого двухкан ат ЩтЬго

0 радиоизотопного измерителя толщины, его надежность и быстродействие повышаются за счет отказа от электромеханических связей, характерных для прототипа.

На фиг. 1 представлена схема предлага5 емого двухканального радиоизотопного измерителя толщины; на фиг. 2 - электрометрический усилитель компенса- ционного канала измерений.

Двухканальный радиоизотопный изме0 ритель толщины (фиг. 1) содержит основной и компенсационный источники 1 и 2 ионизирующего излучения, ионизационную камеру 3 основного канала измерений, ионизационную камеру 4 компенсационного канала

5 измерений, электрометрический усилитель 5 основного канала измерений, электрометрический усилитель б компенсационного канала измерений, инвертирующий вход которого подключен и собирающему элект0 роду ионизационной камеры 4 компенсационного канала измерений, являющемуся ее выходом, а выход электроТС1ёт|1й ёс1 ЯГ1661геи- лителя 6 компенсационного канала измерений подключен через потенциометри чёский

5 делитель 7 к инвертирующему входу электрометрического усилителя 5 основного канала измерений, инвертирующий вход которого подключен к собирающему электроду ионизационной камеры 3 основного

0 канала измерений, являющемуся ее выходом, масштабирующий усилитель 8, подключенный к выходу электрометрического усилителя 5 основного канала измерений. Блок 9 нелинейных преобразований, под5 ключенный к выходу масштабирующего усилителя 8, причем выход блока 9 нелинейных преобразований подключен как непосредственно к цифровому прибору 10 отклонений толщины от заданного значения, так и к первому входу сумматора 11, второй вход

которого подключен к выходу задатчика 12 номинальной толщины, выход сумматора 11 подключен к цифровому прибору 13 толщины измеряемого объекта, при измерениях между основным источником 1 ионизирующего излучения и ионизационной камерой 3 основного канала измерений (измерительном зазоре) находится объект измерений, а между компенсационным источником 2 ионизирующего излучения и ионизационной камерой 4 компенсационного канала измерений находится образцовая мера, изготовленная из материала того же химсостава, что и измеряемый объект, и имеющая толщину, равную номинальной толщине измеряемого объекта, с тем чтобы при равенстве толщин измеряемого объекта и образцовой меры показание толщиномера было нулевым.

Электрометрический усилитель 6 компенсационного канала измерений (фиг. 2) состоит из дифференциального усилителя 14 и подсоединенного к его выходу дифференциального усилителя 15, причем неинвертирующий и инвертирующий входы дифференциального усилителя 14 являются соответственно неинвертирующим и инвертирующим входами электрометрического усилителя 6 компенсационного канала измерений, выход дифференциального усилителя 15, являясь выходом электрометрического усилителя б компенсационного канала измерений, подключен одновременно к инвертирующему входу дифференциального усилителя 14, образуя обратную связь.

Электрометрический усилитель 5 основного канала измерений выполнен по же схеме, что и электрометрический усилитель 6 компенсационного канала измерений.

В качестве ионизационных камер 3 и 4 соответственно основного и компенсационного каналов измерений служат проволочные ионизационные камеры открытого типа. Источники ионизирующего излучения - стандартные источники /2-излучения типа БИС--10 на основе изотопа стронций - 90, находящегося в равновесии с изотопом иттрий -90.

Измеритель толщины работает следующим образом.

Толщиномер включается в сеть и прогревается не менее 20 мин. В измерительные зазоры (пространство между источником излучения и ионизационной камерой) основного и компенсационного каналов измерений помещают соответственно измеряемый объект и образцовую меру. Ионизирующее излучение от основного и компенсационного источников 1 и 2 ионизирующего излучения частично ослабляется

соответственно веществом измеряемого объекта и образцовой меры и в ионизационных камерах 3 и 4 основного и компенсационного каналов измерений соответственно возникают электрические токи, выражающиеся соотношением:

где i-1, 2 - индекс ионизационных камер 3 и 4 основного и компенсационного каналов измерений соответственно;

lo - ионизационный ток при пустом измерительном зазоре;

I- линейный коэффициент ослабления, характеризующий вещество объекта в измерительном зазоре и вид ионизирующего излучения;

j - 1,2 - индекс толщины объекта измерения и образцовой меры соответственно; d -толщина.

Далее электрические токи d выделяются на выходах электрометрических усилителей 5 и 6 соответственно основного и компенсационного каналов измерений, в виде сигналов напряжения постоянного тока с выхода электрометрического усилителя 6 компенсационного канала измерений через потенци- ометрический делитель 7 напряжения

поступает на инверсный вход электрометрического усилителя 5 основного канала измерений. При этом предварительной настройкой потенциометрического делителя 7 добиваются нулевого напряжения на

выходе электрометрического усилителя 5 основного канала измерений при равенстве толщин измеряемого объекта и образцовой меры (в измерительный зазор основного канала измерений вводится такая же образцовая мера, что и в измерительном зазоре компенсационного канала измерений). Если в ходе измерений толщина измеряемого объекта не равна толщине образцовой меры, то на выходе электрометрического усилителя 5 основного канала измерений присутствует информационный сигнал в виде напряжения постоянного тока, функционально зависящий от отклонения толщины измеряемого объекта, от его номинального

значения, определяемого толщиной образцовой меры в измерительном зазоре компенсационного канала измерений. Этот сигнал поступает на вход масштабирующего усилителя 8, с выхода которого поступает

на вход блока 9 нелинейных преобразований, с помощью которого линеаризуется исходная функциональная зависимость между информационным сигналом напряжения постоянного тока и отклонением толщины измеряемого объекта от номинального значения. Линеаризованный информационный сигнал поступает на вход цифрового прибора 10 отклонений толщины от заданного значения, на индикаторе которого высвечивается отклонение толщины в принятых единицах измерения. С целью непосредственного прочтения абсолютного значения толщины измеряемого объекта информационный сигнал отклонения толщины от заданного значения с выхода блока 9 нелинейных преобразований поступает также на первый вход сумматора 11, на второй вход которого поступает напряжение постоянного тока с задатчика 12 номинальной толщины, сумматор 11 суммирует указанные напряжения и выдает результирующее напряжение на цифровой прибор 13 толщины измеряемого объекта, на индикаторе которого высвечивается толщина измеряемого объекта в принятых единицах измерения. Измеряемое отклонение толщины от номинального значения, выраженное в относительных единицах, в разработанном толщиномере ограничено диапазоном 20%. Если отклонения толщины превышают эти значения, то необходимо настроить толщиномер на измерения с соответствующей образцовой мерой в измерительном канале компенсационного канала измерений.

Настоящий радиационный измеритель толщины по сравнению с прототипом позволяет повысить точность измерений, а также надежность и быстродействие.

Повышение точности измерений достигается за счет устранения дополнительных погрешностей, связанных с изменением температуры окружающей среды, а также благодаря увеличению динамического диапазона измерений. Надежность и быстродействие повышаются за счет отказа от применения электромеханических связей в каналах измерений,

Полученное в результате лабораторных испытаний значение предела допустимой основной относительной погрешности измерителя толщины составляет ±1 % в диапазоне толщин от 50 мкм до 1,0 мм.

Формула изобретения

Радиационный измеритель толщины,

содержащий расположенные с двух сторон от объекта контроля основной источник ионизирующего излучения и рабочую ионизационную камеру, высокоомный резистор,

подключенный одним концом к собирающему электроду рабочей ионизационной камеры, компенсационный источник ионизирующего излучения и компенсационную ионизационную камеру, вторые, высоковольтные электроды обеих ионизационных камер подключены к высоко му напряжению питания, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения и повышения быстродействия радиационного измерителя толщины, он снабжен цифровым индикатором отклонений толщины, задат- чиком номинальной толщины, последовательно соединенными электрометрическим усилителем компенсационного канала, инвертирующий вход которого подключен к собирающему электроду компенсационной камеры, а прямой вход - к общей шине, потенЦиометрическим делителем, движок которого подключен к высокоомному резистору, а второй конец - к общей шине, электрометрическим усилителем рабочего канала, инвертирующий вход которого подключен к собирающему электроду рабочей ионизационной камеры, масштабирующим

усилителем, блоком нелинейных преобразований, выход которого подключен к цифровому индикатору отклонений толщины, сумматором, второй вход которого подключен к задатчику номинальной толщины, и

цифровым индикат бром толщины, а между компенсационным источником ионизирующего излучения и компенсационной ионизационной камерой расположена образцовая мера.

9 /LL

2

Образцовая меро. /

1

9

I

. „измеряема объект

/и

/и /

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к радиоизотопным измерителям толщины преимущественно полосы, бесконтактным способом и может быть использовано при измерениях толщины полосы и фольги из черных и цветных металлов в процессе их прокатки, перемотки или реза Целью изобретения является повышения точности измерений и быстродействия путем создания электрической компенсации рабочего сигнала взамен электромеханической и увеличения динамического диапазона измерений с использованием образцовой меры в компенсационном канале Предварительной настройкой потенциометрического делителя добиваются нулевого напряжения на выходе электрометрического усилителя основного канала измерений при равенстве толщин измеряемого объекта и образцовой меры При отклонении толщины измеряемого объекта на выходе электрометрического усилителя основного канала измерений присутствует информационный сигнал в виде напряжения постоянного тока, поступающего через масштабирующий усилитель и блок нелинейных преобразований на вход цифрового прибора отклонений толщины от заданного значения 2 ил W Ё

о«

(Dual