книги из ГПНТБ / Постников В.И. Исследование и контроль износа машин методом поверхностной активации

при креплении накидной гайки во избежание трещин в ФЭУ и кристалле. Для передачи сигнала следует использовать высоко­ частотные кабели с волновым сопротивлением 50—200 ом. Высокочастотный кабель в этом случае следует нагрузить на сопротивление, равное волновому.

§ 2: СТРУКТУРНЫЕ КОМПЛЕКТЫ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ АППАРАТУРЫ

Комплект измерительной аппаратуры предназначен для пре­ образования, регистрации и документирования информации в процессе исследования износа. Кроме датчиков излучения в комплект входят блоки питания, приборы для селекции и счета импульсов, регистрирующие устройства. Структура схемы и параметры входящих в нее элементов в значительной степени зависят от вида используемого датчика.

1. Комплекты приборов для работы с блоком счетчиков

Эта группа комплектов наиболее проста в эксплуатации и дешева. Структурные схемы комплекта включают: 1) датчик у-излучения; 2) пересчетный прибор; 3) регистрирующее устройство; 4) стабилизированный высоковольтный блок пи­ тания.

Комплект предназначен для интегральных измерений ско­ рости счета. Наличие устойчивого протяженного плато на счет­ ной характеристике счетчиков позволяет существенно снизить требования к стабильности высоковольтного питания и снизить потребляемую мощность. Это позволяет применять простые системы стабилизации. Для использования в этих схемах при­ годно большинство стабилизированных высоковольтных источ­ ников питания. В частности, в настоящей работе с успехом использованы блоки питания типа ВСЭ-2500, ВСВ-2; можно использовать блоки типа «Орех», ВСМ, СВК (для галогенных счетчиков), ВВС, а также блоки, встроенные в приборы Б-2, «Флокс», «Фиалка» и др.

0,075% -в является вполне приемлемой и не приводит к значи­

позволяет автоматизировать процедуру измерения, документи­ ровать информацию без участия оператора и в 1,5—2 раза уве-

92

личить объем статистического материала, получаемого в про­ цессе эксперимента. Из приборов, выпускаемых в настоящее время промышленностью для использования в сочетании с блоком газоразрядных счетчиков, наиболее удобен комплект радиометра ПП-8, включающий .пересчетный прибор ПСТ-100, высоковольтный стабилизированный выпрямитель ВСВ-2 и блок УГС, используемый в датчике.

2. Комплекты приборов для работы со сцинтилляционными

датчиками

Основное преимущество сцинтилляционных датчиков — про­ порциональность амплитуды импульса энергии у-кванта, вызвавшего этот импульс. Это свойство позволяет осуществлять амплитудную селекцию импульсов и регистрировать лишь импульсы, вызванные у-квантами определенной энергии. По­ этому отличительная особенность схем, предназначенных для работы со сцинтилляционными датчиками, — в наличии устрой­ ства для селекции импульсов с датчика. Такими устройствами являются дискриминаторы. Структурная схема комплекта при­ боров включает: 1) сцинтилляционный датчик; 2) линейный усилитель; 3) дискриминатор; 4) пересчетный прибор; 5) ре­ гистратор; 6) стабилизированный высоковольтный блок питания.

Необходимый комплект приборов можно подобрать на осно­ ве серийной отечественной аппаратуры. В частности, в приве­ денном комплекте можно использовать усилители типа УШ-10, УИС-2. С линейного усилителя спектр усиленных импульсов подают на вход дискриминатора. Различают два вида дискри­ минаторов: интегральные и дифференциальные. Интегральные .

.дискриминаторы позволяют выделить из спектра импульсов ту часть импульсов, амплитуда которых превышает некоторое за­ данное пороговое значение.

При исследовании износа использовали интегральные дис­ криминаторы типа ИД-2 и «Крыжовник». Дифференциальные

.дискриминаторы создают возможность отобрать из имеющегося

В качестве дифференциального дискриминатора при работе с

некоторых случаях исключать из схемы усилитель как отдель­ ный блок. После отбора импульсов в дискриминаторе послед­ ние преобразуются в прямоугольные импульсы стандартной .. амплитуды и подаются на вход пересчетного прибора.

Для счета импульсов можно использовать различные пере­ учетные приборы. В частности, вполне пригодны пересчетные

93

приборы типов ПСТ-100, ГШ-12, ПП-15, ПП-9 и др. Предпочте­ ние следует отдавать приборам с лучшими временными харак­ теристиками. При работе со сцинтилляционными датчиками важ­ ное значение имеет стабилизированный высоковольтный блок питания. Отметим, что высоковольтные блоки, предназначенные

Поэтому следует использовать приборы, специально предназна­ ченные для работы со сцинтилляционными датчиками. В част­ ности, по мощности вполне пригодны высоковольтные стабили­

При измерениях износа в цеховых условиях наиболее целесо­ образно применять высоковольтный стабилизированный выпря­ митель типа ВС-22, для которого мгновенная нестабильность, напряжения после 1 ч прогрева при изменении напряжения в сети на ± 1 0 % — не более 0,02%.

Другие типы высоковольтных стабилизированных выпрями­ телей следует применять в сочетании с феррорезонансиыми стабилизаторами напряжения сети, например типов С-0,9, С-0,5.

Регистрирующее устройство предназначено для автоматиза­ ции процесса контроля посредством документирования инфор­ мации без участия оператора. Это позволит обеспечить непре­ рывный круглосуточный контроль за изнашиванием объекта исследования без участия оператора, что приводит к макси­ мальному коэффициенту использования фонда времени, пло­ щадей и оборудования испытательных станций и эксперимен­ тальных цехов, в 1,5—2 раза увеличивает объем статистической информации в процессе испытаний. Из известных устройств в качестве регистраторов можно использовать цифропечатающие машинки, шлейфовые осциллографы, устройства для записи на магнитную ленту, самопишущие потенциометры. .

Наиболее приемлемым регистрирующим устройством для автоматизации процесса контроля износа являются цифропеча­ тающие системы. Однако при существующей дефицитности этих систем, увеличении в 2—3 раза стоимости измерительной аппа­ ратуры и т. п. создалась ситуация, когда регистратор вообще отсутствует в схеме, информацию считывает оператор дискретно по декатронам пересчетного прибора и вручную заносит в журнал. Такая система в некоторых случаях вполне приемлема, но существенно снижается эффективность применения метода поверхностной активации. Поэтому был выполнен изложенный ниже комплекс исследований по созданию принципиально' нового регистратора для использования в радиоизотопиых

'устройствах для регистрации износа.

Внастоящее время для физических исследований промыш­ ленность выпускает устройство, называемое счетной стойкой дифрактометра ССД, включающее все необходимые элементы

94

рассмотренной структурной схемы для работы со сцинтилля-- ционным датчиком. Устройство представляет собой стационар-- ную установку, размещенную в двух стойках высотой 1,5 и •' 1,8 м. Имеется цифропечатающая машина. Устройство доста­ точно полно отвечает требованиям к измерительным комплек­ сам со сцинтилляционными датчиками. Его недостатки: слож­ ность, необходимость квалифицированного обслуживания, ста­ ционарное исполнение, большие габариты, высокая стоимость. Вследствие этого установку целесообразно использовать в спе­

заводов предпочтительнее комплект приборов, описанный выше. 3. Повышение стабильности и чувствительности приборов

При выборе режимов использования радиометрической аппа­ ратуры необходимо учитывать целый ряд факторов, к которым, прежде всего относится группа факторов, обусловленная посто­ ронним воздействием на датчик и аппаратуру. При проведении исследований прежде всего необходимо устранить или умень­ шить влияние внешних дестабилизирующих факторов, таких,, как влажность, вибрация, электромагнитные поля и т. п. Неста­ бильность от воздействия этих факторов нельзя устранить методическими средствами. Большинство внутренних факторов можно минимизировать за счет рационального выбора элемен-'4 тов схемы и режимов эксплуатации. Из группы физических факторов исключительно важное значение при выборе аппара­

• При измерении ^-излучения смеси радиоактивных изотопов,, где преобладает один радиоактивный изотоп, а примеси при­ сутствуют в пренебрежимо малых количествах, влияние периода полураспада на точность контроля практически определяется точностью табличного значения периода полураспада Tip.

Если в смеси присутствуют примеси в значимых количе­ ствах, при учете естественного распада мы сталкиваемся с определенными трудностями. В этом случае с течением временидействительная интегральная тарировочная функция изменя­ ется, приближаясь к кривой распределения наиболее долгоживующего компонента смеси.

При использовании исходного тарировочного графика и при продолжительности эксперимента до 3 месяцев погрешность при определении линейного износа, например, для низколегиро­ ванных сталей и чугунов, активированных дейтронами, составит 2—3%. Наиболее точные измерения в этом случае можно осу-

95-

ществлять при использовании сцинтилляционных датчиков. Так, например, спектр у-излучения о т радиоизотопной смеси, полу­ ченной в стальном образце при активации дейтронами, имеет два характерных фотопика, соответствующие энергии у-квантов 0,78 Мэв (имеется при распаде Со 5 6 и Мп5 4 ) и энергии 1,24 Мэв (имеется только у Со5 6 ). Таким образом, выделяя порогом или двумя порогами пик, соответствующий энергии 1,24 Мэв, мы получаем возможность проводить измерения только по одному изотопу и исключить погрешности.

Важную роль играет повышение стабильности радиоизотоп­ ных приборов, что можно осуществить следующими способами: а) использовать при эксплуатации аппаратуры соответствую­ щую настройку и выбор режима измерения, а также рациональ­ но выбирать элементы измерительного комплекса; б) использо­ вать при проектировании приборов соответствующее построение схемы и выполнение конструкции прибора.

Поскольку при измерении износа рассмотренная выше струк­ турная схема укомплектовывается в основном серийными при­ борами, первая группа методов представляет при решении практических задач по исследованию износа наибольший инте­ рес. В частности, интересны рациональный выбор рабочего режима питания датчиков, рациональный выбор режима дис­ криминации, улучшение отношения сигнал — шум, рациональ­ ный выбор элементов схемы.

Рациональный режим питания датчика можно выбрать H L основе счетной характеристики в координатах «скорость сче­ та — напряжение, подаваемое на датчик». Для датчиков на основе газоразрядных счетчиков эта характеристика имеет хорошо выраженное плато — участок с малым наклоном. Про­ тяженность плато (150—200 в) и наклон плато (1—0,75%-в) являются важнейшими характеристиками счетчика.

При рабочем напряжении, соответствующем середине плато, при нестабильности подаваемого высокого напряжения порядка ±0,5% погрешность скорости счета не превышает 2%, а при нестабильности ±0,1 соответственно 0,4%, что вполне прием­ лемо для практических целей.

Счетные характеристики сцинтилляционных датчиков в за­ висимости от типа ФЭУ и режима его использования имеют плато значительно хуже по сравнению с газоразрядными счетушками, а в большинстве случаев счетная характеристика сцин­ тилляционных датчиков (например, для прибора УСС-1) имеет вид крутовосходящей ветви. Поэтому сцинтилляционные датчи­ ки исключительно чувствительны к колебаниям подаваемого на ФЭУ высокого напряжения, стабильность которого должна быть на порядок выше.

При выполнении ряда работ, связанных с исследованием износа, проводились эксперименты, направленные на получение плато счетной характеристики за счет' варьирования коэффи-

'96

получить плато на счетной характеристике датчика, используя только комплект радиометра ПП-8 без специального дискрими­ натора. Методом подбора делителя для ФЭУ-37, в частности между центральными динодами, удалось получить устойчивое плато длиной 150 в и наклоном 3% -в. Однако режим использо­ вания датчика, соответствующий середине плато, оказался не­ приемлемым из-за ухудшения отношения сигнал — шум, харак­ теризующего чувствительность датчика. Поэтому при измерении малых активностей целесообразно отказаться от использования плато и уйти в область максимального отношения сигнал — шум при одновременном улучшении стабильности высокого напря­

пропорционально корню квадратному из величины полосы про­ пускания следующего за сцинтилляционным датчиком усилите­ ля. Поэтому для получения оптимального отношения сигнал — шум не следует применять усилители, полоса пропускания которых значительно выше частотных характеристик импульсов сцинтилляций. Не менее важен также вопрос влияния на ста­ бильность работы режимов дискриминации.

Влияние на стабильность работы произвольно выбранного порога дискриминации определяется тремя факторами: дрей­ фом порогового напряжения, дрейфом коэффициента усиления усилительного тракта и характером аппаратурного спектра регистрируемого ^-излучения. Дрейф порогов дискриминации для большинства ламповых и транзисторных схем составляет ±100 мв. Нестабильность, обусловленная этим фактором, имеет наибольшее значение, если порог совпадает с круто восходящим или ниспадающим участком спектра. Наименьшая нестабиль­

тем нестабильность меньше. Количественно величину погреш­ ности, обусловленную дрейфом порога дискриминации, можно определить по формуле

ента усиления происходит смещение у-спектра относительно по­ стоянного порога, что приводит к эффекту, эквивалентному сме­ щению порога дискриминации. При положительном приращении

порога дискриминации. В практике удобно считать, что порог дискриминации постоянен, а результирующее смещение спектра есть следствие только дрейфа коэффициента усиления и его можно корректировать посредством изменения высокого на­ пряжения, подаваемого на ФЭУ в пределах ±5—10 в. Отметим, что влияние на результирующее смещение спектра коэффициен­ та усиления усилительного тракта приблизительно на порядок

минации, в; А — амплитуда импульса, в.

Поскольку элементы схемы, определяющие величину поро­ гового значения V, работают в практически одинаковых усло­ виях, можно ожидать, что знаки дрейфа верхнего и нижнего порога в большинстве случаев будут совпадать. Отсюда коли­ чественную оценку погрешности, обусловленную дрейфом по­ рогов дискриминации, можно определить

Взаимная компенсация дрейфа порогов будет наиболее пол­ ной, если пороги выбирать так, чтобы на соответствующих им участках кривая аппаратурного спектра имела бы одинаковый наклон и одинаковые пороговые ординаты N. Первое требова­ ние сравнительно легко соблюдается при выборе порогов во впадинах, ограничивающих фотопик, или его склонах. Второе требование обычно невозможно соблюсти из-за разницы вклада комптоновского распределения до и после основного фотопика, поэтому Дпдиф=£0. Преимущества дифференциального режима.

98

гов дискриминации дифференциальный режим окажется более стабильным.

мером 63X63 мм и ФЭУ-56 с предусилителем типа УСД и с предусилителем по схеме Уайта; 4) сцинтилляционный датчик типа УСС-1 и другие.

Поскольку для блока газоразрядных счетчиков режим пи­ тания и измерения определен однозначно, сравнительные испы­ тания датчиков на различных режимах проводили только для сцинтилляционных датчиков. Рабочее напряжение датчиков вы­ бирали из условия обеспечения максимального отношения сиг­ нал/шум. Для этого режима питания оценивали следующие режимы дискриминации: 1) дифференциальный; 2) интеграль­ ный; 3) без дискриминатора.

В качестве источника у-излучения был принят эталон радио­ активного изотопа Мп5 4 . Аппаратурный спектр этого у-излучения характеризуется хорошо выраженным пиком, соответствующим Еу =0,842 Мэв с выходом на распад 100%. При измерениях в интегральном режиме порог дискриминации соответствовал се­ редине провала левее пика 0,842 Мэв. При измерении в диф­ ференциальном режиме верхний порог располагался сим­

При сравнительных испытаниях приняли меры по обеспече­ нию сопоставимости результатов: постоянство источника излу­ чения, элементов структурной схемы, температурных, климати­ ческих, геометрических и других факторов. Для обеспечения статистической сопоставимости результатов скорость счета оп­ ределяли по формуле

N = njt,

7* 99

можно рассчитать скорость счета. Для определения необходи­ мого числа замеров скорости счета примем допустимую по­ грешность определения средней скорости счета, выраженную

вдолях среднеквадратического отклонения, равной

Е= AN/8 = 0,5.

Тогда необходимое число измерений для получения задан­ ной случайной погрешности с надежностью 0,95 согласно рабо­ там [27, 28] составит 18. Для удобства вспомогательных вычис­

3) среднеквадратическую погрешность среднего арифметиче­ ского значения скорости счета для блока замеров

а_ = - ^ - ;

NУй

4)коэффициент вариации для замеров в блоке

U7 = _^_ .100%.

N

Для оценки несмещенного значения генерального среднего делали выборку, включающую m блоков по п замеров в каж­

о

стью 0,99, определим необходимое количество замеров общей совокупности измерений, которое составит 170 замеров. Для удобства вспомогательных вычислений приняли выборку в объе­ ме 10 блоков по 20 замеров (всего 200 замеров). Для выборки рассчитывали:

1) несмещенную оценку генерального среднего значения

1 run

ппг ^

2) несмещенную оценку среднеквадратического отклонения средних блочных значений

100