1.22.Рентгеновские, γ- и β- -толщиномеры

Основополагающими критериями при выборе толщиномера являются:

1. соответствие диапазона измерений контролируемым толщинам;

2. допустимый радиус кривизны контролируемой поверхности;

3. шероховатость контролируемой поверхности и донной поверхности (при необходимости);

4. клиновидность контактной и донной поверхностей,

5. основная погрешность прибора, которая не должна превышать:

   • для толщиномеров, контролирующих толщину гальванопокрытий, 30 % от допуска на контролируемый параметр;

   • для толщиномеров, контролирующих линейные размеры деталей, погрешность измерения регламентируется ГОСТ 8.051;

Следует помнить, что основная погрешность прибора определена для нормальных условий его

применения, оговоренных в нормативной документации на прибор.

В простейших толщиномерах в измерительную позицию помещают эталон, который по качеству и по толщине соответствует испытуемому образцу. Затем измерительный прибор при помощи компенсационного напряжения в измерительной цепи настраивают так, чтобы указатель отклонения показывал нулевое значение. Одновременно необходимо отъюстировать чувствительность. Для осуществления более точных измерений имеются приборы, телеуправляемым магазином с тарированными эталонами или источником компенсирующих напряжений. В этих случаях измеряют отклонение от скомпенсированной величины.

Наиболее часто в настоящее время применяются для измерения толщины прокаты­ваемых изделий бесконтакт­ные приборы, в которых измерение производится без со­прикосновения измерительных элементов с поверхностью изделия.

Бесконтактные толщиномеры по принципу действия можно разделить на группы:

1) пневматические; 2) ультразвуковые; 3) электромаг­нитные; 4) приборы, ос­нованные на измерении степени поглощения эл.-маг­нитного излучения или потока -частиц;

Используются два вида электромагнитного излучения: рентгеновские и β -лучи. Обладая одной и той же природой, различные виды электромагнитного излучения различаются условиями образования и длиной волны. Так, рентгеновские лучи возникают в результате торможения электронов, β -лучи являются результатом ядерных превращений, но и те и другие возникают при переходе ядра из возбужденного энергетического состояния в более низкое энергетическое состояние и, в частности, при переходе из возбужденного в основное состояние.

Принцип измерения.

В измерительном устройстве, узкий пучок лучей интенсивности проникает через изделие, испытывая при этом ослабление до определенной величины в соответствии с законом поглощения: (рис.1 схема устройства для измерения толщины методом поглощения рентгеновского излучения: 1-приемник; 2-объект измерения; 3-источник излучения).

При определенных условиях обратное рассеяние излучения материала может быть использовано для измерения толщины (рис.2 схема устройства для измерения толщины методом рассеяния рентгеновского излучения: 1-приемник; 2-экран; 3-источник излучения; 4-объект измерения).

Интенсивность отраженного излучения зависит при прочих постоянных условиях от атомной массы рассеивающего материала; кроме того, она повышается, прежде всего, с увеличением толщины изделия до толщины насыщения.

Основные характеристики. Интенсивность излучения радиоактивных излучателей определяется их активностью. Начальная активность источников излучения и флуоресцентного источника снижается во времени вследствие процесса радиоактивного распада изотопа. В качестве единицы измерения скорости распада принят период полураспада. Он равен времени, в течение которого радиоактивность источника понижается до половины начальной величины. Энергию рентгеновского излучения можно регулировать в широком диапазоне и во всех случаях приводить ее в соответствие с поставленной задачей измерения; эта энергия обладает, кроме того, большой удельной интенсивностью. Рентгеновские устройства для измерения толщины в ряде случаев при небольших величинах времени измерения имеют более высокую разрешающую способность. В настоящее время, рентгеновские устройства заменяют установками, использующими изотопы.

Свойства различных видов электромагнитного излу­чения определяются длиной волны или частотой колеба­ния электрических и магнитных полей.

Гамма-лучи вместе с рентгеновскими составляют часть спектра электромагнитного излучения, который можно разбить на следующие виды:

Вид излучения Длина волны, А*

Рентгеновские лучи .... ............ ..... 0,01—5

- лучи . . .. ......... ............ ......... 0,005—0,01

где А* = 10^-1 нм

Рентгеновскиекие и β -лучи занимают наиболее коротко­волновый участок шкалы электромагнитных волн. Они невидимы для глаза человека и обладают способностью проходить сквозь непрозрачные для видимого света пред­меты. Рентген-ие и β лучи, подобно световым, вызыва­ют свечение (люминесценцию) некоторых веществ, в свя­зи с чем при просвечивании рентген-ми и β лучами используют флуоресцирующие экраны. Рассматриваемые лучи могут вызвать ионизацию воздуха и газов, делая их электропроводными, что дает возможность обнару­жить и измерять их интенсивность.

Измерение толщи­ны листа, основанное на измерении ослабления интен­сивности излучения при прохождении через контролируе­мый лист, можно осуществить тремя методами: абсолют­ным (прямым) м-дом, м-дом сравнения (дифферен­циальным методом) и м-дом компенсации (рис. 1).

Рис. 1. Измерение толщи­ны листа различными мето­дами (а — абсолютный; б - метод сравнения; в—ком­пенсационный; г — то же с применением эталона) основанными на ослаблении интенсивности излучения при прохождении через контролируемый объект:

1 — источник излучения;

2 — приемник;

3—объект контроля;

4— показывающий прибор;

5—эталон;

6—клин;

7 — блок сравнения.

Прибор основанный на измерении степени поглащения электромагнитного излучения или потока β –частиц (рисунок 2)

1-указатель отклонения; 2-приемник; 3-фильтр; 4-экран; 5-источник излучения; 6-объект измерения

Рисунок 2 – Схема устройства для измерения толщины методом обратного рассеяния β – лучей.

Область применения: плоские слитки, прокатные заготовки, толстый лист, горячая и холоднокатаная полосы, трубы, прутки, проволока и профили.

В мировой практике наибольшее распространение нашёл радиометрический метод. Главным его достоинством являются:

1. длительный срок службы источников излучения;

2. удобство пользования в разработках предусматривающих автоматизацию процесса контроля;

3. высокая точность и быстрота измерения.

1. Абсолютный метод (рис. 1, а). При абсолютном ме­тоде мерой толщины полосы является абс. зна­чение интенсивности излучения, измеренной после про­хождения через контролируемый лист. Точность измере­ний поэтому м-ду зависит от стабильности параметров источников излучения и погрешностей приемников излучения.

2. Метод сравнения (рис. 1, б). При измерении толщи­ны полосы м-дом сравнения величину остаточного из­лучения после прохождения через контролируемый лист сравнивают с величиной остаточного излучения после прохождения через эталонный образец. Поток излуче­ния в этом случае делится на две части, одна из которых облучает образец, другая—измеряемую полосу. Раз­ность сигналов двух приемников воздействует на одно показывающее устройство. При измерении по этому ме­тоду не требуется высокой стабилизации параметров ис­точника излучения, точность измерения повышается.

3. Метод компенсации. В этом случае остаточное излучение, прошедшее через полосу и эталонный образец, уравнивается при помощи компенсирующего клина. По этому методу результат измерения сравнительно мало зависит от колебаний параметров источника излучения (рис.1, в).

Во втором варианте (рис. 1, г) под одним прием­ником находится образец, толщина которого равна пре­дельному значению шкалы, а под другим — компенсиру­ющий клин и измеряемый материал. Мерой толщины в этих обоих вариантах компенсации служит положение клина.

Рис. 3. Блок-схемы толщиномеров компенсационного тина с использованием -излучения (а) и рентгеновского излучения (б):

1 —рабочий источник; 6—шторка;

2—компенсационный источник;

3—рабочая камера; 15—клин;

4—компенсационная камера;

5—контролируемый лист;

7—вибропреобразователь;

8—усилители;

9 — балансирующие двигатели; 10—пока­зывающий прибор;

11—собирающий электрод;

12—основной поток излуче­ния;

13 — компенсирующий поток излучения; 14 — рентгеновская трубка; 16—высоковольтный трансформатор; 17 и 18—кристаллы; 19 и 20—фотоумножители; 21—образец постоянной толщины; 22 и 23—потен­циометры.

Сети

В качестве источников рентгеновского излучения применяются рентгеновские трубки и бетатроны, а в качестве источников и - изучения – в основном используют радиоактивные изотопы.

В рентгеновской трубке происходят следующие про­цессы:

а) получение свободных электронов;

б) их уско­рение в некотором направлении;

в) торможение элект­ронов в препятствии, поставленном на их пути, с попут­ным возникновением рентгеновских лучей.

Пример. 1 Устройство и работа рентгеновского толщиномера

Устройство и работа рентгеновского толщиномера рассматривается на примере толщиномера ТРХ-7195 (рисунок).

Два источника излучения рабочий 1 и компенсирующий 2, генерирующие рентгеновское излучение в разные полупериоды питающего сетевого синусоидального напряжения, посылают поочередно импульсы излучения в приемник 7. На пути рабочего пучка рентгеновских лучей находится либо измеряемая полоса 6, либо клин задания номинального сигнала 3, а на пути компенсирующего пучка клин нормализации (компенсации) 4. Установка клина задания 3 в поток осуществляется с помощью потенциометрической следящей системы состоящей из реохорда 15, клина задания 3, делителя напряжения моста задания номинала 40, блока сравнения 23, усилителя 22, двигателя 14. В толщиномере предусмотрена коррекция погрешности нелинейности реохорда, клина, сопротивлений моста, номинала и т.д. в десяти точках по всему диапазону с помощью блока линеаризации 21, вводящего поправку в источник питания 13 реохорда 8 в десяти точках. Установка клина задания 3 в поток осуществляется по команде "смена номинала" с блока переключения 14. Эта же команда подается на электромагнитный тормоз 16, снимающий клин нормализации 4 со стопора. При сигнале "смена номинала" и отсутствии полосы в зазоре осуществляется режим нормализации.

В блоке 16 выделяется сигнал рассогласования, приводящий в движение после усиления в блоке 17 двигателем 18, который проворачивает клин 6 до уравнивания сигналов на входе 3. Клин 6 тормозиться и выдается команда на включение схемы автоматической коррекции нуля 19, которая при заторможенном клине 6 доводит сигнал на выходе усилителя 20, а также на всех аналоговых выходах и на показывающем приборе 21 до нуля. При сигнале на выходе блока 20, равном нулю,

схема 19 отключается.

Режим работы. При входе полосы 4 в поток клин задания 5 из потока выводится, функции клина задания принимает на себя клин нормализации 6. При отклонении толщины полосы 4 от задания сигнал рассогласования с блока 16 усиливается усилителем 20 и используется для формирования в блоках 22, 23, 24, 25 четырех гальванически развязанных стандартных токовых

выходных сигналов отклонения толщины полосы от задания. Масштабирование сигнала отклонения в зависимости от толщины задания осуществляется в блоке 26 для десяти участков в соответствии с кривой поглощения путем влияния на напряжение питания ФЭУ через блок питания ФЭУ 27.

Стандартный токовый выход используется в системе автоматического регулирования толщины полосы (САРТ) и управляющей вычислительной машины (УВМ). Сигнал рассогласования с блока 20 подается также через преобразователь сигнала 28 в стандартную величину на прибор отклонения 21, отградуированный в миллиметрах толщины полосы, и в схему автоматического сигнализатора 29, через блок связи с машиной 30 подается в УВМ. Для проверки масштаба отклонения в толщиномере предусмотрены образцы 31, вводимые в поток при отсутствии полосы двигателем 32, управляемым от блока 33.

1 - рабочий излучатель; 2 - компенсирующий излучатель; 3 - клин задания; 4 - клин нормализации; 5 – образцы; 6 - контролируемая полоса; 7 - приемник излучения; 8 - блок стабилизации токов трубок; 9 - Двигатель клина нормализации; 10 - Блок включения высокого напряжения; 11 - блок выделения сигнала рассогласования; 12 - блок питания ФЭУ; 13 - двигатель образцов; 14 - двигатель клина задания; 15 - реохорд клина задания; 16 - тормоз клина нормализации; 17 - усилитель клина; 18 - блок коррекции нуля; 19 - усилитель рассогласования; 20 - блок масштаба отклонения толщины; 21 –блок линеаризации; 22 - усилитель клина; 23 - блок опорного напряжения; 24 - субблок режима работы; 25 - блок команд; 26 - блок преобразования сигналов; 27 - блок модулятора; 28, 29, 30, 31 - блоки демодулятора; 32 – прибор, показывающий отклонение; 33 - панель управления; 34 - пульт управления; 35 - блок индикации; 36 - блок автосигнализатора; 37 - субблок входных модулей; 38 - Субблок выходных устройств; 39 - субблок управления декады; 40 - субблок моста номинала; 41 - преобразователь сигналов

Рисунок 3.3 - Блок-схема рентгеновского толщиномера ТРХ-7195