рентгеновский измеритель толщины

Формула изобретения

Рентгеновский измеритель толщины, содержащий рентгеновский излучатель, источник питания излучателя, выходом соединенный с входом излучателя, первую и вторую ионизационные камеры, съемный фильтр с возможностью вращения вокруг своей оси и контролируемое изделие, размещенные между первой и второй камерами, блоки деления и суммирования, процессор, к первому выходу которого подключен видеорегистратор, причем выход второй камеры соединен с первым входом процессора, отличающийся тем, что в него введены третья дополнительная ионизационная камера с большим (или меньшим) эффективным атомным номером, чем эффективный атомный номер первой камеры, блок регулирования анодного напряжения рентгеновского излучателя и блок регулирования анодного тока рентгеновского излучателя, при этом дополнительная камера размещена между излучателем и первой камерой, выход первой камеры соединен с первыми входами блоков деления и суммирования, выход дополнительной камеры соединен с вторыми входами блоков деления и суммирования, а выходы блоков деления и суммирования подключены к второму и третьему входам процессора соответственно, второй выход процессора связан через блок регулирования анодного напряжения излучателя с первым входом источника питания излучателя, а третий выход процессора связан через блок регулирования анодного тока излучателя с вторым входом источника питания излучателя.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к рентгеновским толщиномерам, и может быть использовано при измерении толщины металлических лент, полос на прокатном стане, а также толщины бумажной, картонной и резиновой лент как в статике, так и динамике.

Известны рентгеновские измерители толщины, содержащие рентгеновский излучатель, источник питания излучателя, выходом соединенный с входом излучателя, два приемника излучения, между которыми размещено контролируемое изделие, и блок обработки и памяти и регистратор [SU 718700, G 01 В 15/02, 28.02.1980].

Известны также другие рентгеновские измерители толщины, которые содержат между камерами помимо контролируемого объекта съемный фильтр с эталонными образцами [US, Патент 4727561, 378-54, MKИ G 01 B 15/02, 1988].

Такие измерители позволяют контролировать толщину изделий в динамике и заданном диапазоне толщин, однако из-за наличия временной высокочастотной флуктуационной погрешности измерения толщины они не обеспечивают высокую стабильность точности контроля.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому представляется рентгеновский измеритель толщины, содержащий рентгеновский излучатель, источник питания излучателя, два приемника излучения, между которыми размещены фильтр и контролируемое изделие, делитель, сумматор, блок памяти и обработки с видеорегистратором [РФ, Патент 2159408, БИ 2000 г., 32 (прототип)].

Этот толщиномер также не обеспечивает заданную, т.е. высокую стабильность точности измерения толщины технологически допустимом ресурсе работы толщиномера, которая требуется при контроле толщины особенно стратегических материалов в современном производстве, например проката материала для производства металлических денежных знаков.

В этой связи актуальной встала задача создания прецизионных средств для контроля толщины материалов из цветных металлов.

Сущность заявляемого изобретения заключается в том, что в рентгеновский измеритель толщины, содержащий рентгеновский излучатель, источник питания излучателя, выходом соединенный с входом излучателя, первую и вторую ионизационные камеры, съемный фильтр с возможностью вращения вокруг своей оси и контролируемое изделие, размещенные между первой и второй камерами, блоки деления и суммирования, процессор с видеорегистратором, причем выход второй камеры подключен к первому входу процессора, первый выход которого соединен с входом ведеорегистратора, введены третья дополнительная ионизационная камера с большим (или меньшим) эффективным атомным номером, чем эффективный номер первой камеры, блок регулирования анодного напряжения излучателя и блок регулирования анодного тока излучателя, при этом третья дополнительная камера размещена между излучателем и первой камерой, выход первой камеры соединен с первыми входами блоков деления и суммирования, выход третьей дополнительной камеры соединен с вторыми входами блоков деления и суммирования, а выходы блоков деления и суммирования подключены к второму и третьему входам процессора соответственно, второй выход процессора связан через блок регулирования анодного напряжения с первым входом источника питания излучателя, а третий выход процессора связан через блок регулирования анодного тока с вторым входом источника питания излучателя.

Техническим результатом изобретения является стабилизация точности измерения толщины проката во всем диапазоне допустимого времени эксплуатации толщиномера за счет регулирования анодных напряжения и тока рентгеновского излучателя.

На фиг.1 приведена функциональная схема рентгеновского измерителя толщины; на фиг. 2 - зависимость отношения ионизационных токов первой и третьей камер в функции от энергии рентгеновского излучения (анодного напряжения излучателя); на фиг.3 - зависимость суммы ионизационных токов первой и третьей камер в функции от анодного тока излучателя для различных энергий; на фиг. 4 - зависимости тока второй камеры в функции от эталонных толщин образцов, выполненных из сплава на основе никеля; на фиг.5 - зависимость тока второй камеры в функции от рабочих толщин контролируемого изделия из сплава на основе никеля.

Измеритель содержит рентгеновский излучатель 1, источник 2 питания излучателя 1, первую и вторую ионизационные камеры 3 и 4, между которыми размещены съемный дисковый фильтр 5 с образцами эталонной толщины (не показаны) и с возможностью вращения вокруг своей оси в плоскости, перпендикулярной рентгеновскому потоку, и контролируемое изделие 6, третью дополнительную ионизационную камеру 7, блоки 8 и 9 деления и суммирования, блоки 10 и 11 регулирования анодных напряжения и тока излучателя 1, процессор 12 и видеорегистратор 13. В процессе калибровки измерителя толщины между первой и второй камерами 3, 4 устанавливается фильтр 5, после завершения операции калибровки фильтр 5 убирается и вводится контролируемое изделие 6.

Выход источника 2 питания излучателя 1 высоковольтным напряжением и током соединен с входом излучателя 1, выход первой камеры 3 подключен к первым входам блоков 8 и 9 деления и суммирования, выход третьей дополнительной камеры 7 подключен к вторым входам блоков 8 и 9 деления и суммирования, выход второй камеры 4 соединен с первым входом процессора 12, выход блока 8 деления соединен с вторым входом процессора 12 и выход блока 9 суммирования соединен с третьим входом процессора 12. Первый выход процессора 12 подключен к входу видеорегистратора 13, второй выход процессора связан через блок 10 регулирования анодного напряжения с первым входом источника 2 анодных напряжения и тока излучателя 1, третий выход процессора связан через блок 11 регулирования анодного тока с вторым входом источника 2 анодных напряжения и тока излучателя 1.

Значение эффективного атомного номера Z₇ третьей дополнительной камеры 7 назначается в 4-6 раза меньше (или больше), чем значение эффективного атомного номера Z₃ первой камеры 3. Например, если Z₃50, то Z₇13 (или наоборот). Обеспечение разности атомных номеров камер 3, 7 необходимо для того, чтобы получить постоянные фиксированные значения отношений ионизационных токов i₃/i₇ камер 3 и 7 (см.фиг.2) в зависимости от эффективной энергии рентгеновского излучателя 1 и постоянные фиксированные значения суммы ионизационных токов i₃+i₇=f(ja) в функции от анодного тока излучателя 1.

Излучатель 1 может быть выполнен в виде рентгеновской трубки с вольфрамовым анодом.

Блоки 10 и 11 предназначены для автоматического или ручного корректирования анодного напряжения U_a и анодного тока j_a излучателя 1 соответственно через блок 2 питания. Автоматическое регулирование осуществляется программно от процессора 12. Ручное корректирование осуществляется непосредственно на блоках 10 и 11.

Процессор 12 предназначен для обработки отдельных выходных сигналов (сигналов от второй ионизационной камеры 4) для определения рабочей текущей толщины изделия 6 (фиг. 5) и запоминания кривых, сформированных с выходов блоков 8, 9 деления, суммирования и второй камеры 4 (фиг.2, 3, 4, 5). На фиг.4 и фиг.5 даны фрагменты зависимостей i₄=f(d) из сплава, выполненного на основе никеля (Ni). В качестве процессора 12 и видеорегистратора 13 могут быть использованы персональный компьютер с монитором.

Известно, что интенсивность рентгеновского излучения излучателя 1 описывается выражением

J=ZKU_a ⁿj_a, (1)

где J - интенсивность рентгеновского излучения излучателем 1, нормированное к второй камере 4 в отсутствие фильтра 5 и контролируемого изделия 6;

Z - атомный номер материала анода излучателя 1;

К - коэффициент, зависящий от нагрева, износа и старения материала анода излучателя 1;

U_a, j_a - анодное напряжение и анодный ток излучателя 1;

n= 2-5 - степенной показатель, являющийся функцией анодного напряжения U_a, его пульсации и толщины d контролируемого изделия (или эталонного образца) [см. Рентгенотехника. Справочник под ред. В.В. Клюева. Книга 1. М. - 1992, с. 7, формула (11), здесь n=2 для нефильтрованного излучения. Копия прилагается].

При запитке излучателя 1 высоковольтным напряжением U_a от источника 2 питания, анод излучателя 1 разогревается и его температура достигает порядка 3000^oС, что вызывает старение (рыхлость материала), хотя и медленное, зеркальной поверхности анода, что в свою очередь уменьшает интенсивность J рентгеновского излучения при относительно постоянных U_a и j_a на 3-8%.

В то же время по мере старения анода излучателя 1 в процессе его эксплуатации проникающая способность тормозного рентгеновского излучения анода излучателя 1 увеличивается, а поэтому эффективная энергия рентгеновского излучения также увеличивается

Е_эфф=кU_a, (2)

за счет фильтрации излучения в самом аноде по мере его износа;

где к - коэффициент пропорциональности, который всегда меньше единицы, т.е. к<1.эфф (2) и снижению интенсивности J (1) рентгеновского излучения излучателем 1.

Повысить технически метрологию предлагаемого изобретения возможно только при поддержании значения Е_эфф и значения интенсивности J излучения постоянными.

Для этого необходимо периодически в зависимости от нарастания времени эксплуатации толщиномера понижать анодное напряжение U_a излучателя 1. Однако это действие вызовет уменьшение величины интенсивности J излучения, выходящего из рентгеновского излучателя 1 (1). Для поддержания величины J=const необходимо одновременно с уменьшением значения U_a повышать анодный ток j_a излучателя 1, чтобы обеспечить постоянство интенсивности рентгеновского излучения J (1) в процессе эксплуатации толщиномера.

Процедура понижения U_a и повышения j_a осуществляется либо автоматически по программе, заложенной в процессоре 12, через блоки 10 и 11 регулирования U_a и j_a и блок 2 питания, либо вручную непосредственно на блоках 10 и 11 из условий, обеспечивающих выполнение Е_эфф=const за счет корректировки значения U_a на блоке 10, так, чтобы i₃/i₇=const (фиг.2), и выполнение J = const за счет корректировки значения ia на блоке 11 так, чтобы i₃+i₇=const (фиг.3) при найденном новом значении U_a.

Количественную величину понижения U_a, обеспечивающую Е_эфф=const, устанавливают на основе статистических данных, полученных авторами. Так, при эксплуатации рентгеновского излучателя 1 с вольфрамовым анодом в течение 40 часов эффективная энергия Е_эфф рентгеновского излучения излучателем 1 увеличивается на величину около 1,5%. Если величину корректировки U_a осуществлять периодически через равные промежутки времени наработки излучателя 1, то увеличение Е_эфф от времени наработки пропорционально. Поэтому с помощью блока 10 регулирования величины анодного напряжения U_a через источник 2 питания либо автоматически, либо вручную понижают анодное напряжение U_a на величину, эквивалентную повышению значения Е_эфф от времени наработки излучателя 1. Одновременно с этим, используя суммарный ионизационный ток камер 3 и 7 с блока 9, запомненный в процессоре 12, повышают анодный ток j_a излучателя 1 через блок 11 регулирования анодного тока излучателя 1 и источник 2 питания на величину, достаточную, чтобы обеспечить J=const или i₃+i₇=const (фиг.3).

Работа измерителя толщины

В рентгенопрозрачные первую и третью дополнительную камеры 3 и 7 поступает поток рентгеновского излучения с излучателя 1, которое преобразуется в электрические импульсы тока постоянной амплитуды, определяемой только параметрами излучаемого рентгеновского потока излучателем 1. Так как эффективные атомные номера первой и третьей камер 3, 7 различны и фиксированы по величине, то возможно получить зависимость i₃/i₇=f(кU_a). Зависимости (фиг.2 и 3) строят путем изменения анодных напряжения U_a и тока j_а на источнике 2 питания излучателя 1, при этом выходы блоков 10 и 11 на операцию снятия зависимостей отключают от входов источника 2 питания. После завершения операции построения зависимостей, приведенных на фиг.2 и фиг.3, выходы блоков 10 и 11 вновь подсоединяют к входам источника 2, а снятые характеристики запоминают в процессоре 12.

Во вторую камеру 4 поток проходит через прозрачные для рентгеновского излучения камеры 3 и 7, а также либо через эталонный образец фильтра 5, либо через контролируемое изделие 6, который преобразуется в электрические импульсы тока с амплитудой, определяемой либо эталонной толщиной и материалом образца фильтра 5 и параметрами излучаемого рентгеновского потока, либо рабочей толщиной и материалом контролируемого изделия 6 и параметрами излучаемого рентгеновского потока. После снятия характеристик с первой 3 и дополнительной камер 7 между первой и второй камерами 3 и 4 располагают фильтр с образцами эталонной толщины и заданного материала и снимают семейство зависимостей ионизационного тока i₄ второй камеры 4 от значений эталонной толщины i₄= f(d_эт) и различных материалов (в нашем случае Ni) образцов и полученные характеристики (фиг.4) запоминают в процессоре 12. Затем фильтр 5 убирают и вводят на его место контролируемое изделие 6 с рабочими параметрами, при которых снимается со второй камеры 4 зависимость тока второй камеры 4 от значений рабочих толщин i₄= f(d_paб), и полученная характеристика (фиг.5) запоминается в процессоре 12, где зависимости фиг.4 и 5 сличаются для определенного материала. По значениям i₄, полученным на графике фиг.5, по оси абсцисс определяют значения рабочих толщин d_paб. Сравниваемые зависимости фиг. 4 и 5 отображаются на экране видеорегистратора 13.

По мере увеличения времени наработки толщиномера его анодное напряжение U_a уменьшают, а анодный ток j_a - поднимают на заданные величины, чтобы было обеспечено J= const. Далее процедуру контроля толщины изделия продолжают по вышеприведенной методике.

Техническим результатом изобретения является стабилизация точности измерения толщины проката во всем диапазоне допустимого времени эксплуатации толщиномера за счет регулирования анодных напряжения и тока рентгеновского излучателя в процессе контроля.