рентгеновский способ определения параметров изделия

Формула изобретения

Рентгеновский способ определения параметров изделия, заключающийся в размещении контролируемого изделия нормально к потоку рентгеновского излучения, просвечивании контролируемого изделия потоком рентгеновского излучения, прошедшим через первый двухслойный детектор, состоящий из двух материалов с разными атомными номерами и обращенный к контролируемому изделию слоем с большим атомным номером, после просвечивания изделия поток детектируют посредством второго двухслойного детектора, состоящего также как и первый двухслойный детектор из двух материалов с разными атомными номерами и обращенного к контролируемому изделию слоем с меньшим атомным номером, полученные от двухслойных детекторов электрические сигналы оцифровывают, обрабатывают и запоминают при помощи процессора, отличающийся тем, что поток рентгеновского излучения, прошедший через второй двухслойный детектор, дополнительно детектируют в поперечной плоскости по отношению к данному потоку при помощи третьего детектора, выполненного в виде многоэлементной матрицы, каждый элемент которой изолирован друг от друга и выполнен из одного и того же материала с фиксированным значением атомного номера, значение которого выбирают между значениями атомных номеров материалов первого и второго двухслойных детекторов, при этом электрические сигналы, образованные вследствие дополнительного детектирования, оцифровывают, обрабатывают совместно с запомненными электрическими сигналами детектирования при помощи первого и второго двухслойных детекторов, и получают рентгеновскую экспозицию контролируемого изделия, затем с помощью источника рентгеновского излучения последовательно изменяют ток и эффективную энергию рентгеновского излучения, повторяют процедуру детектирования рентгеновского излучения и последующей обработки электрического сигнала с выхода детекторов, и для каждого параметра рентгеновского излучения определяют свою экспозицию рентгеновского излучения, на основании полученных экспозиций определяют параметры контролируемого изделия.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники, в частности к рентгеновскому методу измерения параметров (толщины, геометрии, химического состава, структуры материала) металлического контролируемого изделия, и может быть использовано при контроле листового проката, трубопроводов, агрегатов сложной геометрии и других изделий при их производстве и эксплуатации.

Известны рентгеновские способы определения параметров изделия из металлического сплава, заключающиеся в размещении контролируемого изделия нормально потоку рентгеновского излучения, просвечивании контролируемого изделия продетектированным рентгеновским потоком при помощи двухслойного детектора, после просвечивания изделия поток вновь детектируют при помощи второго двухслойного детектора, при этом каждое детектирование осуществляют на двух материалах разных по значению атомных номеров (одинаковых для каждого детектора), а электрические сигналы, образованные от детектирования рентгеновского потока до изделия и после его, оцифровывают, обрабатывают и запоминают [Патент РФ N 2179706 С1 от 20.02.2002 г., GB 1079999 A (UNITED STATES STEEL CORP), 16.08.1967 г.].

Недостатком известных рентгеновских способов является низкая точность и чувствительность определения параметров, например толщины стенки, атомного номера материала изделия, за счет ограниченных динамического диапазона измерения и функциональных возможностей, вследствие контроля только толщины стенки изделия в точке с фиксированным значением химического состава, и необходимость набора образцовых мер эталонных толщин каждого материала для обеспечения заданной точности.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому представляется рентгеновский способ определения параметров изделия из металлического сплава, заключающийся в размещении контролируемого изделия нормально к потоку рентгеновского излучения, просвечивании контролируемого изделия продетектированным рентгеновским потоком при помощи двухслойного детектора, после просвечивания изделия поток вновь детектируют при помощи вторго двухслойного детектора, при этом каждое детектирование осуществляют на двух материалах разных по значению атомных номеров (одинаковых для каждого детектора), а электрические сигналы, образованные от детектирования рентгеновского потока до изделия и после его, оцифровывают, обрабатывают и запоминают [патент РФ N 2221220, класс G01В 15/02 - прототип].

К недостаткам этого технического решения относится невозможность исследования динамических свойств и структуры материала контролируемого изделия, что резко снижает функциональные характеристики измерителя.

Суть заявляемого технического решения состоит в том, что в известном рентгеновском способе определения параметров изделия, заключающемся в размещении контролируемого изделия нормально к потоку рентгеновского излучения, просвечивании контролируемого изделия потоком рентгеновского излучения прошедшим через первый двухслойный детектор, состоящий из двух материалов с разными атомными номерами и обращенный к контролируемому изделию слоем с большим атомным номером, после просвечивания изделия поток детектируют посредством второго двухслойного детектора, состоящего, так же, как и первый двухслойный детектор, из двух материалов с разными атомными номерами и обращенного к контролируемому изделию слоем с меньшим атомным номером, полученные от двухслойных детекторов электрические сигналы оцифровывают, обрабатывают и запоминают при помощи процессора, согласно заявленному изобретению поток рентгеновского излучения, прошедший через второй двухслойный детектор, дополнительно детектируют в поперечной плоскости по отношению к данному потоку при помощи третьего детектора, выполненного в виде многоэлементной матрицы, каждый элемент которой изолирован друг от друга и выполнен из одного и того же материала с фиксированным значением атомного номера, значение которого выбирают между значениями атомных номеров материалов первого и второго двухслойных детекторов, при этом электрические сигналы, образованные вследствие дополнительного детектирования, оцифровывают, обрабатывают совместно с запомненными электрическими сигналами детектирования при помощи первого и второго двухслойных детекторов, и получают рентгеновскую экспозицию контролируемого изделия, затем с помощью источника рентгеновского излучения последовательно изменяют ток и эффективную энергию рентгеновского излучения, повторяют процедуру детектирования рентгеновского излучения и последующей обработки электрического сигнала с выхода детекторов, и для каждого параметра рентгеновского излучения определяют свою экспозицию рентгеновского излучения, на основании полученных экспозиций определяют параметры контролируемого изделия.

Техническим результатом изобретения является расширение динамического диапазона измерения, за счет многофункциональной экспозиции измерителя, и функциональных возможностей получения графического изображения структуры, а также повышение энергетического разрешения, в совокупности позволяющих существенно увеличить чувствительность и точность при определении параметров контролируемого изделия.

Рентгеновский способ определения параметров изделия реализуется в устройстве, структурная блок-схема которого приведена для наглядности на чертеже.

Способ заключается в размещении контролируемого изделия 5 нормально к потоку рентгеновского излучения источника 1, просвечивании изделия 5 рентгеновским потоком, предварительно продетектированным в первом двухслойном детекторе 2, после просвечивания изделия 5 поток вновь детектируют во втором двухслойном детекторе 3, при этом первое и второе детектирование осуществляют на двух материалах. Лучше всего материалы преобразующих детекторов 2, 3 должны иметь разные по значению атомные номера Z. Z _max=82...86 (Tl - тантал, Bi - висмут), Z _min=10...15 (Al - алюминий), при этом для эффективности контроля к изделию 5 первый детектор 2 обращен материалом, обладающим большим атомным номером, а второй детектор 3 обращен к изделию 5 материалом с меньшим атомным номером.

Источник 1 излучения имеет два входа управления по току и напряжению. Преобразующие слои детекторов 2 и 3 соединены с входами процессора 6.

Первый детектор 2 выдает информацию о параметрах первичного потока рентгеновского излучения (ток и эффективная энергия), второй детектор 3 измеряет интегральную дозу излучения за изделием 5, при этом двухслойная конструкция детекторов 2, 3 обеспечивает контроль эффективной энергии.

Третий детектор 4 выполнен в виде многоэлементной матрицы и размещен за вторым детектором 3 относительно изделия 5, т.е. со стороны слоя детектора 3 с атомным номером его материала значением Z_max 85. Преобразующие элементы матрицы детектора 4 изолированы друг от друга и созданы из одного материала с фиксированным значением атомного номера, например арсенида галлия, и работают они параллельно и одновременно. Элементы матрицы третьего детектора 4 индивидуально соединены с другими независимыми аналоговыми входами процессора 6.

Поскольку электрической связью от процессора 6 с источником 1 возможно изменять электрические параметры (ток и эффективную энергию) источника 1 в соответствии с изменением положения или параметров изделия 5, то можно создать несколько экспозиций с различными значениями мощности доз рентгеновского излучения на втором детекторе 3 и запомнить их в процессоре 6. Однако третий детектор 4 имеет узкий динамический диапазон измерения за счет аппаратных шумов детектора 4. Поэтому, отсекая нелинейные участки передаточной функции детектора 4 и ограничивая амплитуду его шумов, мы вынуждены еще больше искусственно сузить динамический диапазон детектора 4. А рентгенограмма изделия со сложной геометрией или структурой (например, корпус двигателя внутреннего сгорания) имеет существенно больший динамический диапазон. Чтобы преодолеть ограничение нелинейности, узости динамического диапазона детектора 4, мы для получения рентгенограммы контроля изделия 5 используем несколько рентгенограмм, полученных при различных экспозициях, информацию о каждом из которых получаем со второго детектора 3.

Используя в качестве репера дозу излучения по детектору 3, возможно существенно расширить динамический диапазон измерения. Каждый из элементов матрицы детектора 4 подключен к другим автономным независимым входам процессора 6, в котором обрабатываются информационные сигналы элементов матрицы детектора 4. Конструктивная форма детектора 4 может быть любой - плоской, объемной и т.д.

Слои детекторов 2, 3 и элементы матрицы детектора 4 изготовлены из рентгенопрозрачного материала и предназначены для преобразования рентгеновского излучения в электрический сигнал аналоговой формы.

В качестве буферного каскада процессора 6 является аналогово-цифровой преобразователь (АЦП), преобразующий все входящие аналоговые сигналы в процессор 6 в цифровую форму, удобную для обработки информационных сигналов. Процессор 6 выполняет функции обработки электрических сигналов детекторов 2, 3, 4, их преобразования (оцифровку, сложение, вычитание, деление, интегрирование и др.), представления в форму, удобную для воспроизведения на регистраторе 7, и запоминания информации. Второй и третий выходы процессора 6 связаны с входами управления источником 1 рентгеновского излучения и предназначен для стабилизации (управления) тока и напряжения источника 1 в зависимости от величин измеряемых параметров.

Алгоритм вычисления измеряемых параметров вложен в процессор 6 и обеспечивает расширенный динамический диапазон измерения и функциональные возможности, а также высокие метрологические характеристики измерителя. Для этого весь диапазон матричного детектора 4 преобразуется в отсчеты поэлементно интегрированной линейной квазизависимости детектора 4, но рабочий участок этой зависимости определен еще уже, чем весь диапазон детектора 4. Для повышения достоверности измеряемых параметров нормируется на значение интегральной дозы детектора 3, что позволяет получить линейное преобразование рентгеновского потока за контролируемым изделием 5 в расширенном динамическом диапазоне.

Предложенный способ реализуется следующим образом.

В процессе исследования контролируемого изделия 5 в соответствии с алгоритмом вычисления программы контроля, заложенной в процессор 6, управляют эффективной энергией рентгеновского потока (мощность дозы зондирующего рентгеновского излучения и ток) и поддерживают его интенсивность. Прямой поток рентгеновского излучения направляют в сторону первого детектора 2, который затем просвечивает изделие 5 и попадает во второй детектор 3, затем в многоэлементную матрицу третьего детектора 4.

Имея поэлементные значения, получаемые с детектора 4 для каждой экспозиции, и зная физические параметры экспозиции через второй детектор 3, мы можем восстановить линейную зависимость рентгенограммы структуры изделия 5 в полном динамическом диапазоне. Изменив эффективную энергию потока через обратную связь: процессор 6 - источник 1 и повторив процедуру с новой энергией потока, которую мы определили ранее, мы можем получить не только рентгенограмму структуры материала контролируемого изделия, но и оценить значение эффективного атомного номера контролируемого изделия 5. Способ позволяет восстановить линейную зависимость рентгенограммы структуры материала исследуемого изделия 5 в полном динамическом диапазоне благодаря алгоритму вычислений. Изменив эффективную энергию рентгеновского потока, через обратную связь между процессором 6 и источником 1, и повторив процедуру с новым энергетическим потоком, мы можем получить информацию о интересующих параметрах контролируемого изделия (атомный номер материала, толщину стенки изделия, его геометрию) на любом локальном участке изделия с оптимальной точностью.

Техническим результатом изобретения является расширение функциональных возможностей и динамического диапазона измерения и графического изображения структуры исследуемого материала, за счет многофункциональной экспозиции измерителя, и повышения энергетического разрешения в совокупности, позволяющих существенно увеличить чувствительность и точность способа при определении параметров контролируемого изделия.