6.4. Технические средства оперативного диагностирования

В 1991 г. по заданию ГТК РФ был создан прибор для диагностирования драгоценных металлов - детектор «ПРОБА-М», кото­рый до сих пор находится на вооружении таможенных органов. В нем реализован электрохимический метод диагностирования. Многие современные приборы диагностики металлических сплавов также исполь­зуют этот метод.

Рассмотрим принцип работы приборов, реализующих электрохимический метод на примере детектора «ПРОБА-М» (рис. 6.4). Он по­зволяет различать медь, серебро, золото, платиновые сплавы. Для золотых сплавов с помощью прибора можно оценить индекс пробы: 333, 375, 500, 583, 750, 900, 958.Детектор состоит из четырех конструктивных узлов: измерительного блока, датчика, внешнего блока питания, предметного столика. Измерительный блок имеет переключатель питания, регулятор для подстройки коэффициента усиления, кнопки режимов работы ИЗМЕРЕНИЕ и ПОДГОТОВКА и цифровой индикатор. На боковых стенках корпуса измерительного блока расположены гнезда для подключения кабеля связи с датчиком и сетевого блока питания.

Датчик выполнен в виде цилиндрического пенала и предназначен для формирования электрического сигнала, «сила» которого зависит от электропроводности контролируемого образца (показан в правой части рис. 6.4). Внутрь датчика вставляется капсула со специальным элек­тролитом. В нижней части датчика находится наконечник со специаль­ным электродом из платины и отверстием для выпуска электролита.

С другой стороны пенала имеется ручка, с помощью которой создается давление для выдавливания электролита из капсулы через отверстие наконечника. Для съема электрического сигнала на датчике имеется гнездо-разъем. С помощью специального кабеля сигнал подается на измерительный блок.

Предметный столик установлен прямо в крышке футляра. Представляет собой металлическую пластину размером 50 х 50 мм с металличес­ким зажимом, под который помещается исследуемый образец металла. Столик кабелем также подключается к измерительному блоку.

Исследуемый металлический образец закрепляется на предметном металлическом столике. Наконечник датчика прижимается к по­верхности образца и из него выдавливается капля электролита.

На границах фаз «объект - электролит - платиновый электрод датчика» происходят электрохимические процессы и между платиновым электродом и исследуемым металлом появляется электрический потенциал (напряжение) U_изм, который зависит от электропроводности исследуемого образца (рис. 6.5).

Полученное напряжение U_изм с помощью кабелей (проводов), подсоединенных к платиновому электроду и предметному столику, пода­ется на измерительный блок. В измерительном блоке поступившее на­пряжение преобразуется в показания цифрового индикатора. Величи­на 11изм зависит от типа драгоценного металла и его процентного содер­жания в исследуемом сплаве.

Под индикатором (на передней панели корпуса измерительного блока) нарисована диагностическая шкала. Шкала состоит из двух частей. В левой части, в прямоугольных рамках, даны граничные значения возможных показаний на цифровом индикаторе, а в правой - тип металла, сопоставляемый данным показаниям. Например, при показаниях в пределах 970-1200 наиболее вероятно, что проверяемый ме­талл относится к группе платиновых (Pt) сплавов, для сплавов серебра (Ад) характерными являются значения в пределах 80-130. Между Pt и Ад справа от прямоугольников указаны индексы проб для золотых спла­вов (пробы 373, 500 и т.д.).

Отдельно, в рамке ЭТАЛОН, дана шкала для меди (Си). Это обусловлено тем, что методика калибровки прибора предполагает использование в качестве контрольного образца медной пластины.

Электрохимический метод реализован во многих приборах.

Так, на рис. 6.6 приведен комплекс для экспресс-анализа ювелирных и других металлических изделий, позволяющий определять по электрохимическому потенциалу тип металла (сплава) или его пробу (для золотых изделий - вплоть до 999-й), а также толщину золотых покры­тий. Данными средствами, в частности, оснащены управления Цент­рального банка России.

В состав комплекса входят:

• электрохимический детектор «ДеМон-П»,

• ультразвуковой детектор «US-56 Gold»,

• лупа 10х с автономным питанием,

• микрометр МК 25,

• микрометр МК 50,

• сменные баллоны с электролитом.

Контроль проводится в несколько этапов. Визуальный осмотр с помощью специальной лупы с подсветкой и расчет условной плотности слитка позволяют сразу отбраковать грубые подделки. Электрохимическое исследование с помощью детектора «ДеМон-П» (рис. 6.6 б) позво­ляет выявить изделия нестандартной пробы и обнаружить отклонения состава сплава от паспортного значения. Ультразвуковой контроль про­водится детектором «US-56 Gold» для обнаружения подделок, в кото­рых слой золота любой толщины покрывает другой металл, включая воль­фрам. Для электрохимического исследования детектор ДеМон-П снаб­жен датчиком, аналогичным используемому в приборе «ПРОБА-М».

Основной парк приборов, используемых в таможнях для диагностики камней, составляют приборы, основанные на использовании та­кого свойства драгоценных камней, как их высокий (по сравнению с другими видами камней) коэффициент теплопроводности. Теплопро­водность - способность физических тел (жидкостей, газов и твердых тел) передавать тепло.

В этих приборах с помощью специального щупа осуществляется локальный нагрев грани камня. Затем осуществляется измерение скорости остывания нагретого участка за фиксированный промежуток вре­мени. Скорость изменения температуры является критерием отнесе­ния камня к тому или иному виду.

В разные годы для оперативной диагностики драгоценных камней таможенные органы приобретали приборы «КРИСТАЛЛ-1», «КРИСТАЛЛ-1М», «ДИАТЕСТ-2000» и «ДАЙМОНДПРОБ» (США), «КАРАТ», ДЕЛЬТА-1», предназначенные для выявления алмазов по теплопроводности.

Первыми отечественными приборами этого типа были приборы «КРИСТАЛЛ-1» и «КРИСТАЛЛ-1 М», которыми в начале 90-х годов довольно в большом количестве были оснащены таможенные органы. Внешний вид прибора «КРИСТАЛЛ-1 М» показан на рис. 6.7.

При определенных навыках с помощью прибора можно различать алмазы, камни группы корундов и гранатов, камни группы стекол и хрусталя. Время измерения единичного объекта около 4 секунд.

Прибор состоит из трех конструктивных узлов: измерительного блока, датчика, сетевого блока питания.

Датчик подключен к измерительному блоку неразъемным соединительным кабелем. На передней панели находится переключатели для задания режимов работы.

В правой верхней части прибора находится стрелочный гальванометр, по показаниям которого и осуществляется диагностика иссле­дуемого образца.

В средней части передней панели имеется четыре отверстия. Два верхних отверстия служат для установки камней без оправы, что позволяет зафиксировать их положение при измерениях. Через два ниж­них отверстия осуществляется доступ к калибровочным эталонам.

Рассмотрим принцип работы приборов, в основу которых положена оценка теплопроводности кристаллов, на примере прибора «Крис­талл- 1М».

Датчик содержит медный стержень (наконечник). На стержне намотана спираль, подсоединенная к источнику питания. Электрическая схема подключения наконечника к измерительному блоку содержит термопару, которая позволяет измерять температуру наконечника.

Медный наконечник предварительно нагревается с помощью спирали до определенной температуры и прижимается к одной из граней исследуемого образца.

При прикосновении наконечника к исследуемому образцу начинает изменяться температура наконечника. Скорость ее изменения за­висит от теплофизических характеристик образца. Наконечник одно­временно является частью термопары. Термопара вырабатывает элек­трический сигнал, поступающий на измерительный блок. Величина этого сигнала зависит от температуры медного наконечника.

При изменении температуры наконечника меняется соответственно величина сигнала термопары. В фиксированные моменты времени регистрируются значения этого сигнала. Разность полученных значений зависит от теплопроводности исследуемого камня. Чем она больше (т.е. чем быстрее кристалл отбирает у наконечника тепло), тем бо­лее высокой теплопроводностью обладает камень.

Разность значений и является тем сигналом, от которого зависит отклонение стрелки индикатора. По степени отклонения стрелки можно судить о теплопроводности исследуемого камня. Теплопроводность алмаза существенно выше, чем у других камней или стекла. Если в качестве объекта контроля был алмаз, то стрелка отклонится в край­нее правое положение (эта часть шкалы прибора выделена красным цветом).

Таможенная служба работает с огромным числом разнообразных объектов, что вызывает необходимость в большом числе приборов контроля. С целью снижения эксплуатационных расходов все шире при­меняются универсальные детекторы, которые позволяют проводить контрольные операции с несколькими типами объектов.

Так, по заданию ГТК РФ прибор «ПРОБА-М»,был модернизирован в многофункциональный прибор, который поступил на вооружение таможенных органов под наименованием «Карат».

Детектор «Карат» предназначен для проведения экспресс-анализа на содержание драгоценных металлов в ювелирных и промыш­ленных изделиях, а также для диагностики минералов (рис. 6.8).

Детектор обеспечивает возможность работы в трех режимах: диагностирование драгоценных металлов, диагностирование ювелирных камней и заряд аккумуляторов.

Диагностируемые металлы и сплавы:

• платина (проба 999);

• золото (жёлтое - розовое) пробы 333, 375, 459, 500, 585, 666, 750, >750, 999);

• золото (белое) пробы 333, 375, 459, 500, 585, 666, 750, >750);

• золото (зелёное) пробы 333, 375, 459, 500, 585, 666, 750, >750);

• серебро (в диапазоне проб 800-999);

• возможные имитаторы (алюминиевый, стальной, медный и никелевый сплавы, нержавеющая сталь, нитрид бора, титан).

Диагностируемые минералы (ювелирные камни на их основе): алмаз, корунд, берилл, циркон-стекло.

Минимальный размер идентифицируемых алмазов (бриллиантов) - 0,01 карата.

В комплект прибора входят:

• микропроцессорный измерительный блок; -датчикдля исследования металлов;

• датчик для исследования минералов;

• универсальный зарядно-питающий адаптер.

Все операции оцифровки и обработки данных измерений производятся посредством встроенного в прибор микропроцессора в соответствии со специально разработанной программой, записанной в процессор при настройке прибора производителем. Длительность цик­ла измерения не больше 8 секунд.

На верхней панели корпуса измерительного блока детектора установлены: буквенно-цифровой индикатор, кнопки питания («Вкл.-Выкл.») и управления режимом, эталон Аи 585, а также зажим (типа «крокодил») для металлических диагностируемых изделий. На правой боковой панели блока расположен разъём для подключения датчиков. Для проведения измерения необходимый датчик подключается особым кабелем к этому разъему.

Разъём зарядно-питающего устройства расположен в нижней левой части корпуса детектора. В отличие от прибора «ПРОБА-М» на индикатор выводится не цифровой код, а непосредственно номер про­бы либо наименование минерала.

Прибор кроме визуальной индикации снабжен и звуковой индикацией.

Датчик для определения содержания драгоценного металла аналогичен по конструкции, используемому в приборе «ПРОБА-М». Аналогичен и физический принцип работы при диагностировании сплавов.

Рисунок 6.8 иллюстрирует применение прибора для определения состава сплава. Объектом в данном случае является ложечка, которая зажата в зажим, находящийся на корпусе прибора.

Диагностика минералов выполняется по результатам измерения их теплопроводности так же, как и в приборе «Кристалл-1М». Для этого прибор снабжен специальным датчиком, который имеет нагревае­мый до заданной температуры наконечник (датчик показан в нижнем правом углу рис. 6.8). При использовании прибора в режиме диагнос­тики кристаллов надо этот датчик подключить к разъему на правой бо­ковой стенке корпуса измерительного блока.

В табл. 6.9. приведены сообщения на дисплее прибора и наименования ювелирных камней, при диагностировании которых могут вы­даваться эти сообщения.

На вооружении таможен появились приборы, управляемые от портативных универсальных ЭВМ, или имеющие специальный интерфейс для подключения в качестве внешних устройств к ЭВМ. Наличие компьютера в составе прибора позволяет создавать компьютерные базы данных, автоматизировать процессы измерений и их обработки. Существенно новое качество таких приборов в том, что они позволяют автоматизировать задачу классификации измерений с целью распознава­ния контролируемого вещества или минерала.

Так, модификация прибора «Карат», получившая название «ДЕЛЬ-ТА-1» (рис. 6.9), имеет специальный разъем для подключения к ЭВМ по интерфейсу RS-232.

В практику оператив­ной работы таможенных ор­ганов внедрен прибор рентгенофлуоресцентного ана­лиза типа «ПРИМ». Он пред­назначен для многоэлемен­тного анализа металлов и сплавов, находящихся в твердом, порошкообразном и жидком состоянии (неаг­рессивные жидкости). В та­можнях он используется для определения элементного состава и оценки количественного

содержания от­дельных элементов в объектах таможенного контроля.

Прибор периодически модернизируется. Были выпущены модификации «ПРИМ-1», «ПРИМ-1М», «ПРИМ-1РМ».

Первые две модификации в качестве источника излучения содержали естественный слаборадиоактивный источник. Могли использоваться радиоизотопные источники в виде америция-241, плутония-238, железо-55.

Модернизированный прибор под названием «ПРИМ-1 РМ» стал поступать в таможни с 2003 г. Его основное отличие от предшествующих модификаций - замена естественного источника радиоактивного излу­чения на искусственный на основе рентгеновской трубки. Это повысило безопасность его применения и упростило эксплуатацию прибора. Сама рентгеновская трубка, узлы ее защиты и управления конструктивно выполнены в виде моноблока под названием «Модуль-50».

Прибор «ПРИМ-1 РМ» конструктивно состоит из датчика, собственно спектрометра, зарядного устройства и блока аккумуляторов (рис. 6.10).

Основными узлами датчика являются малогабаритный рентгеновский излучатель «Модуль-50», узел детектирования с кремниевым де­тектором флуоресцентного рентгеновского излучения, измерительная камера. Последняя находится в нижней части датчика и прикрывается железокадмиевым диском с замковым устройством. Напряжение на ано­де рентгеновской трубки до 38 кВ, ток – до100 мкА.

Объект устанавливается на железокадмиевый диск и сверху накрывается кожухом измерительной камеры. Кнопка запуска измерений нахо­дится на ручке датчика. Датчик подсоединяется к спектрометру с помо­щью кабеля.

Основу спектрометра составляют блок обработки и накопления информации, а также ПЭВМ типа «Notebook» с соответствующим приклад­ным программным обеспечением.

В модификации 2003 г. прибор может диагностировать вещества в ряду от кальция (Са) до урана (U), если их содержание в исследуемом объекте не менее 3 %. Время измерения зависит от состава сплава или анализируемой площади и может быть в пределах от 10 до 600 с.

Мощность эквивалентном дозы облучения на поверхности датчика не более 100 мкЗв/час, на расстоянии 1 метр - не более 3 мкЗв/час.

В самом общем виде принцип работы «ПРИМ-1РМ» можно описать следующим образом. Радиоактивное излучение, создаваемое рентгеновской трубкой моноблока «Модуль-50», падает на исследуемый образец и возбуждает атомы его вещества. Возбужденные атомы через некоторое время возвращаются в исходное состояние, испуская при этом кванты рентгеновского излучения. По механизму образования это вторичное из­лучение называют флуоресцентным рентгеновским излучением.

Энергия исходящего кванта зависит от атомного номера исследуемого вещества. Она строго определенная для атомов каждого вещества: для хрома (Хг) ~ 5,41 Кэв, железа (Fe) - 6,4 Кэв, меди (Си) ~ 8,03 Кэв, и т.д.

Флуоресцентное рентгеновское излучение регистрируется детектором. Специальная электронная схема формирует импульсы, амплитуда которых пропорциональна энергии квантов. В первом варианте прибора в качестве регистрирующего элемента применялся теллурид- кадмиевый детектор. Но в модификации ПРИМ-1М он был заменен на полупроводни­ковый кремниевый Pin-детектор. Последний обладает значительно луч­шим энергетическим разрешением, что позволяет разделять спектраль­ные линии почти всех соседних элементов, при этом резко уменьшается фоновая составляющая спектра (особенно в мягкой области) и отсутствует плавание спектра, свойственное теллурид-кадмиевому детектору.

Импульсы поступают в блок обработки и накопления (БОН) информации, а затем в ПЭВМ на базе «Notebook», где производятся программ­ная обработка и вывод результатов анализа на монитор ПЭВМ. На экран выводятся спектр регистрируемого излучения и таблица с результатами анализа, в которой даны названия химических элементов, входящих в состав образца, их процентное содержание.

В ходе анализа по амплитуде импульсов определяются атомные номера элементов, присутствующих в исследуемом образце. Чем больше атомов элемента в образце, тем больше интенсивность излучения (количество квантов) с соответствующей энергией квантов. От интен­сивности излучения зависит количество импульсов соответствующей ам­плитуды. Чтобы оценить процентный состав разных элементов в иссле­дуемом объекте, в БОН производится подсчет количеств импульсов для каждого значения амплитуды. Программное обеспечение производит анализ этих количеств с целью определения процентного содержания элементов в исследуемом объекте.

Результаты анализа выводятся на монитор ПЭВМ в виде спектрограммы, которая показывает энергии и интенсивность регистрируемых квантов флуоресцентного излучения. На компьютере установлена база данных (библиотека) эталонных спектрограмм для различных типовых сплавов. Полученную для исследуемого объекта спектрограмму можно сравнить с эталонной из библиотеки. Для визуального сравнения на эк­ран можно вывести сразу обе спектрограммы (рис. 6.11).

При этом производится автоматический подсчет коэффициента со­впадения, значение которого показывается в верхней части окна програм­мы, а также приводится элементный состав и процентное содержа­ние отдельных элементов (в левой нижней части окна).