Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Радиационные методы в неразрушаюшем контроле изделии машиностроения 8
1.1. Методы радиационного нк 8
1.1.1. Вычислительная томография (вт) 8
1.1.2. Радиометрический метод (рм) нк 9
1.1.3. Радиографический метод нк 9
1.1.4. Радиоскопия 10
1.2. Средства радиационного неразрушающего контроля
1.2.1. Источники ионизирующего излучения 11
1.2.2. Формирование полей проникающего излучения для целей радиационного нк 18
1.2.3.приемники рентгеновского излучения 18
1.3. Рентгеновская толщинометрия 20
Выводы 61
Глава 2. Исследование метрологических характеристик и оптимизация параметров рентгеновских тощиномеров для объектов переменного химического состава и геометрии 63
2.1. Исследование основных погрешностей метода и оценка их влияния на метрологические характеристики рентгеновского толщиномера 63
2.2. Анализ характеристик рт и выбор оптимальных параметров источника излучения
2.3. Анализ параметров рт и выбор рационального приемника излучения 80
2.4. Анализ возможностей использования обратнорассеянного излучения в задачах измерения толщины 85
2.5. Расчет параметров рентгеновского сканера и роль рассеянного излучения при рентгеновском контроле 89
Выводы 100
Глава 3. Исследование и разработка рентгеновского сканирующего устройства с модифицирующейся передаточной функцией и создание рентгеновских толщиномеров на его основе
3.1. Разработка и обоснование предлагаемого метода модификации передаточной функции 102
Глава 4. Разработка рентгеновского измерителя толщины РИТ 10 119
4.1.Состав и алгоритм работы рентгеновского толщиномера рит10.5 119
4.2. Функциональные блоки рит10.5 и их выходные параметры 130
4.2.1. Система автоматической коррекции нестабильности спектра и потока источника зондирующего излучения 130
4.2.2. Система термостабилизации аналого-цифрового преобразователя и блоков предварительного усилителя 134
4.2.3. Система автоматической калибровки 134 4.3.эксперименталбное исследование возможностей рит10.6м 135
4.3.1. Время выхода на показание 136
4.3.2. Долговременная нестабильность толщиномера и величина случайной составляющей погрешности 137
4.3.3. Чувствительность системы 140
Выводы 148
Глава 5. Универсальная аппаратура для радиационного нк объектов с переменной толщиной стенки и изменяющейся геометрией 150
5.1. Кик типа рит10 для динамического радиационного нк 150
5.2. Метрологическое обеспечение разработанных кик типа рит10 для радиационного нк объектов с переменной толщиной стенки и изменяющейся геометрией и химическим составом 156
5.3. Радиационная безопасность 161
5.4. Патентная чистота и защита технических реализаций 161
5.5. Дополнительное оборудование для рентгеновских толщиномеров 161
Выводы 163
Литература
- Вычислительная томография (вт)
- Анализ возможностей использования обратнорассеянного излучения в задачах измерения толщины
- Система автоматической коррекции нестабильности спектра и потока источника зондирующего излучения
- Патентная чистота и защита технических реализаций
Введение к работе
Системы и комплексы машин, оборудования и приборов самого разнообразного технико-экономического уровня являются основой, которая должна внести коренные изменения в технологию и организацию производства, поднять производительность труда, снизить материалоемкость и энергоемкость продукции и улучшить ее качество, кардинальным образом снизить вероятность техногенных катастроф.
Весьма привлекательным в радиационных методах НК является удобство анализа внутренней структуры объекта контроля, предъявляемой в виде реального визуально воспринимаемого изображения. Указанное обстоятельство объясняет высокие темпы роста и значительные материальные ресурсы, вкладываемые в данную отрасль отечественного приборостроения.
За последние 30-35 лет сформировалось несколько направлений радиационной диагностики. Одной из таких задач является проблема контроля цилиндрических объектов с переменной толщиной стенки и изменяющейся геометрией в нестационарных производственных условиях.
С точки зрения предмета исследования методами радиационной дефектоскопии типичными объектами, кроме цилиндрических изделий с переменной толщиной стенки, являются листовые материалы из цветных и черных металлов и их сплавов, а также изделия из бериллия, пластмасс, углеродистых и борных нитевидных кристаллов, которые можно интерпретировать как стационарные объекты и соответственно нестационарные объекты; это струи многофазных дисперсных сред, топливовоздушные смеси, деформации металла в условиях импульсных нагрузок, разнообразные взрывные и баллистические процессы и т.п. Термин "стационарные объекты" употребляется в общепринятом смысле и означает, что в процессе экспонирования объекта ионизирующим излучением радиационное изображение не претерпевает трансформаций, обусловленных взаимным перемещением источника и собственно объекта. Для стационарных объектов получение визуально воспринимаемой картины изображения происходит во временном интервале, допускающем сравнительно длительное экспонирование без нарушения цикла технологического процесса. Например, радиационный НК литья осуществляется в конце технологической цепочки изготовления на этапе так называемого выходного контроля готовой продукции.
Совсем другие требования предъявляются к НК в тех случаях, когда
исследуемый объект не только скрыт от визуального наблюдения, но и находится в движении. Здесь изображение контролируемого объекта может быть получено только посредством одиночного очень короткого импульса проникающего излучения или короткой выборкой показаний детектора, принимающего непрерывный аналоговый сигнал. Именно такую ситуацию будем называть обобщенным термином «динамический радиационный НК». Динамический радиационный НК отличается от широко известного стробоскопического метода радиационной дефектоскопии, когда управляемый источник ионизирующего излучения генерирует серию импульсов, синхронизированных с циклическим или периодическим движением. Отличительная специфика нестационарных объектов состоит в том, что характер проявления процессов трудно предсказуем. Повторение конкретного эксперимента, допустим деформации металла под воздействием валков прокатного стана, не приведет к желаемому результату, т.к. развитие отдельных фрагментов процесса каждый раз проявляется по-новому [68]. Для нестационарных объектов как раз знание закономерностей протекания отдельных фаз того или иного динамического процесса представляет наибольший интерес.
Независимо от физического состояния контролируемого объекта их объединяет общность задач формирования и визуализации радиационного изображения. Если интерпретировать объект с переменной толщиной стенки как ступенчатый клин, то, как это показано на рис.0.1, в пределах динамического диапазона радиационного преобразователя (РП) при заданных параметрах рабочего пучка ионизирующего излучения контраст элементов I-IV теневого изображения отличается друг от друга. Явно выраженная разнотолщинность определяет отличительные признаки реализации радиационного метода НК. Действительно, даже если в идеальном бездефектном изделии с переменной толщиной стенки рабочий пучок ионизирующего излучения поглощается по-разному, то визуализация неоднородного радиационного изображения представляет достаточно сложную задачу. В то же время для НК нестационарных объектов использование компенсаторов, как это принято при контроле литья, невыполнимо. Здесь требуется создание новых методов и аппаратуры НК, посредством которой достигается коррекция неравномерности толщины.
її і ш /?
у
І її ш
-^-к-
Рис.0.1. Формирование светотеневого изображения ступенчатого клина 7 - зондирующее излучение, 2 - ступенчатый клин; 3 - РП На рис. 0.2 показаны продольный и поперечный профили полосы проката.
40,00
20,00
/^І^АЛр y^^'^'V^^ аЛд^^/yv
0.00
-20,00 -40,00
Рис. 0.2. Продольный и поперечный профили полосы проката
Таким образом, аппаратуру радиационного НК изделий с переменной толщиной стенки и изменяющейся геометрией объединяет общность задачи проектирования, заключающаяся в создании технических средств, работающих в широком динамическом диапазоне (до 105) и компенсирующих изменение спектра излучения, приходящего на детектор, обусловленное собственной существенной разнотолщинностью объекта. Отличительные признаки НК вышеупомянутого класса объектов контроля требуют дополнительных исследований :
а) исследования переноса излучения со сплошным спектром через барьеры переменной толщины для изучения закономерностей натекания рассеянного
излучения в точку детектирования;
б) определения влияния особенностей взаимодействия ионизирующего излучения с чувствительным элементом приемника излучения применительно к выработке рациональных методик и аппаратурных решений, повышающих надежность, производительность и чувствительность НК изделий сложной формы.
Целью исследований является развитие теории радиационного метода НК цилиндрических изделий с переменной толщиной стенки и изменяющейся геометрией и разработка универсального приборного комплекса рентгеновской толщинометрии, перекрывающего полный технологический цикл прокатных заводов по толщине, сортаменту металлов и их сплавов.
Создание универсальных рентгеновских толщиномеров позволит расширить функциональные возможности радиационных методов при отработке новых технологий промышленного производства широкого ассортимента изделий машиностроения и их диагностики.
В диссертации рассматриваются и выносятся на защиту следующие основные положения:
1. Теоретическое исследование переноса ионизирующего излучения со сплошным
спектром через объекты сложной геометрической формы с переменными
толщиной и химическим составом.
Разработка методов преобразования реально неоднородного радиационного поля и способов коррекции результатов измерения с учетом изменяющегося химического состава объекта контроля.
Новый способ измерения толщины с помощью рентгеновского излучения.
Новые технические решения по построению узлов и блоков универсальных рентгеновских толщиномеров с повышенной чувствительностью и производительностью контроля.
Практическое применение разработанной методики в плане создания и широкого внедрения в металлургическую промышленность КИК для рентгеновской толщинометрии металлов.
По теме диссертации опубликовано 36 печатных работ, в том числе 22 патента РФ и положительных решения ФИПС на изобретения, две монографии. Три работы сданы в печать.
Вычислительная томография (вт)
Источники ионизирующего излучения Параметры источника излучения для целей НК выбираются исходя из характера решаемой задачи. В рамках поставленной цели научных исследований представляют интерес ускорители заряженных частиц, рентгеновские аппараты, линейные ускорители электронов, бетатроны и микротроны. Зондирование объекта осуществляется в подавляющем большинстве случаев тормозным излучением ускоренных электронов. Пучки электронов, как было ранее установлено в работах [18,19,26], из-за значительного рассеяния и активного поглощения в материале контролируемых объектов в задачах НК используют крайне редко [93]. Рентгеновские аппараты были первыми электрофизическими установками, которые использовались непосредственно при радиационном контроле промышленных изделий; рентгенотехника и сейчас является одним из перспективных направлений технической физики [85,86]. Спектр излучения рентгеновского аппарата простирается от 0 до энергии Emax=eVa, где е - заряд электрона, Va - ускоряющее (анодное) напряжение, в диапазоне от 20 до 1000 кВ. Непрерывный тормозной спектр рентгеновского излучения (типа Крамерса) имеет максимум, заключенный между 0,5 Етах и 0,66 Етах с некоторым числом полос монохроматического характеристического излучения [2,29,74,75]. Лучевая отдача, коэффициент полезного действия рентгеновского аппарата, относительно низка и не превышает 1% энергетических затрат на его получение. Подавляющая часть кинетической энергии электронов трансформируется в аноде в тепловую энергию. Для снижения тепловой нагрузки фокусное пятно должно быть достаточно большим. Эта техническая необходимость противоречит требованию высокого качества изображения объекта, которое может быть достигнуто только при использовании излучателя с размерами фокуса, приближающимися к точечному. Форма фокусного пятна зависит от конфигурации катода, а соответствующий выбор угла наклона рабочей поверхности анода позволяет уменьшить размер оптического фокуса по сравнению с размером истинного термического фокусного пятна. В зависимости от назначения трубки рентгеновские аппараты выпускаются с одним или двумя катодами. Двухфокусные трубки, в которых катод представляет собой две независимые нити накала, обеспечивают возможность выбора между малым фокусом для обеспечения большой разрешающей способности контроля и фокусом большого размера для работы при максимальной нагрузке. Угол наклона анода по отношению к центральному лучу выбирается таким, чтобы обеспечить максимальный выход рентгеновского излучения при требуемых геометрических размерах фокуса, и он качественно может быть оценен по угловому распределению квантов тормозного излучения, генерируемых в тонких мишенях. Трансформация углового распределения, вызванная изменением энергии ускоренных электронов, позволяет выбрать предпочтительный диапазон углов наклона. Так, до энергии 300 кэВ угол наклона не превышает 40, а для более высоких энергий (до 420 кэВ) эта величина составляет 60. Анод иногда выполняется в виде вращающегося диска. Однако рентгеновские аппараты с таким анодом рассчитаны на непродолжительное время работы и в радиационном НК не получили широкого распространения. В рамках затронутого вопроса выгодно выделяется рентгеновский аппарат [2,83,98], в котором большая мгновенная лучевая отдача трубки с вращающимся анодом и возможность создания управляемого панорамного поля облучения объединены. В этой комбинированной трубке ускоренные электроны по ионопроводу направляются с помощью электромагнитов на анод, представляющий собой полный усеченный конус. Посредством вращающегося магнитного поля пучок электронов описывает окружность по внутренней поверхности анода, генерируя рентгеновское излучение в диапазоне углов 0-360.
Для регулирования тока катода рентгеновская трубка иногда оснащается вспомогательным электродом, на который подается определенное напряжение смещения, а катод трубки разогревается до оптимального теплового режима. Сеточное управление током пучка предохраняет катод от чрезмерных тепловых перегрузок, возникающих при контроле изделий с переменной толщиной стенки, когда требуется резко изменять лучевую отдачу аппарата. Здесь же реализуется возможность модуляции тока пучка заранее заданной временной зависимостью.
Существуют два основных типа рентгеновской аппаратуры, различающихся по конструкции и назначению. К первому типу относится аппаратура, в которой питание трубки осуществляется постоянным напряжением, когда высоковольтное напряжение подается по гибким кабелям. Этот вид аппаратуры предназначен преимущественно для стационарного использования. Допустимая электрическая мощность аппаратов не превышает 5 кВт при непрерывной работе. Другой тип составляет аппаратура, в которой система генерации ускоряющего напряжения и рентгеновская трубка объединены в общий узел, именуемый моноблоком. Моноблоки проектируются исходя из требований минимальных размеров и массы и предназначены для работы в условиях промышленной площадки [77]. Питание моноблока осуществляется переменным напряжением, а потребляемая мощность не превышает 1 кВт при длительной работе.
Моноблочные аппараты без инвертора и схемы выпрямления высокого напряжения имеют сравнительно малую лучевую отдачу, например, при равенстве потребляемой мощности отношение лучевой отдачи трубок, питаемых переменным и постоянным напряжением, составляет - 0,45. Отсюда отчетливо видно существенное преимущество рентгеновских трубок, работающих при постоянном напряжении. Для радиоскопии это отличие доминирующее, так как легче и экономичней создать сильноточный рентгеновский аппарат, чем разрабатывать средства усиления рентгеновского изображения. Как показано в работах [23,45,83], радикальным средством повышения лучевой отдачи рентгеновских аппаратов является увеличение частоты питания генераторного устройства.
Задачи, решаемые цифровыми методами конкретно в рентгеновских аппаратах, сводятся к регулированию ускоряющего напряжения, фокусировки электронного пучка тока в заданных пределах и к достижению необходимой стабильности, отвечающих требуемым условиям контроля. В рентгеновском аппарате [21] перед проведением облучения оператор устанавливает требуемые параметры пучка: напряжение на рентгеновской трубке, ток рентгеновской трубки, размер фокуса и величину поглощенной дозы или время экспозиции. Заданные значения сравниваются с кривой лучевой отдачи, представленной в запоминающем устройстве в виде набора эталонных величин. ЭВМ, производя необходимые вычисления, выдает рабочие команды в цепи автоматической регулировки рентгеновского аппарата, а в случае несоответствия выбранных значений нагрузочной кривой выдает соответствующий предупреждающий сигнал на пульт управления.
Развитию импульсных рентгеновских аппаратов (ИРА) способствовали поставленные в процессе создания новых средств оборонной и аэрокосмической техники задачи технической диагностики быстропротекающих процессов [88,94,98]. Согласно общепринятым представлениям импульсным рентгеновским излучением будем считать чередующиеся во времени импульсы излучения длительностью 10"6 с. Генерирование наносекундных импульсов излучения связано с ускорением мощных (до 103 + 104 А) пучков электронов. Обычные рентгеновские трубки с термокатодом не способны обеспечить такие параметры ускоряемых потоков электронов
Анализ возможностей использования обратнорассеянного излучения в задачах измерения толщины
Схема рентгеновского сканера (вид сбоку) и коллиматор детектора. а: 1 - контролируемое изделие; 2 - объемный дефект; 3 - коллиматор изделия; 4 - коллиматоры детекторов; 1Д—7Д - реперные детекторы; S -источник излучения; угол рабочего пучка излучения Эт =22, расстояние источник - детектор L =6 м, II - воздушная полость; б: 1 - коллиматор детектора; 2 - сцинтилляционный кристалл; Lk - длина коллиматора; L j - длина кристалла
Способ выбора параметров источника излучения рассмотрен на примере контроля изделия из углерода цилиндрической формы диаметром 1500 мм с толщиной стенки 500 мм. За прототип рентгеновского сканера взята классическая схема (рис.2.5.1). Пучок тормозного излучения конической формы источника S формируется коллиматором в плоский веер, который охватывает весь контролируемый объект. За объектом на дуге окружности, центром которой является мишень источника излучения, расположены коллимированные детекторы 1Д - 7Д. Оси систем коллиматор-детектор направлены на источник излучения. Реальные рентгеновские установки содержат один детектор, однако при расчете поля излучения рассматривалось семь выделенных (реперных) детекторов, расположенных в центрах семи угловых зон (см. рис. 2.5.1), что необходимо для оценки влияния смещения трубы на погрешности измерений. Положение детектора в такой системе однозначно определяется расстоянием L и угловой координатой д. В качестве характеристики коллиматора детектора выбирался параметр тк, равный отношению длины коллиматора к его ширине, т]к = Ц/а (рис. 2.5.1). Рассматривались щелевой и прямоугольный коллиматоры, расположенные перед детектором. У коллиматоров первого типа щели располагались вдоль веера излучения.
Для получения данных о распределении поля тормозного излучения за контролируемым объектом в расчетах использовалась локальная оценка при неаналоговом моделировании 2 104 историй по каждому варианту вычислений. При моделировании траекторий учитывались вклады анигиляционных квантов. Тормозное излучение вторичных электронов и позитронов не рассматривалось, так как его вклад, согласно оценке по данным работы [126], применительно к этой задаче составляет не более 1—2 % общего вклада первичного излучения, что ниже уровня статистических погрешностей метода. Энергетический спектр и угловое распределение тормозного излучения описывались по Шиффу [125] с учетом поглощения квантов в вольфрамовой мишени источника. В расчетах производилась оценка поглощенной дозы излучения в месте положения сцинтилляционных кристаллов за коллиматорами детекторов, радиационного контраста изображения дефектов, квантовых флуктуации показаний детекторов и отношения сигнал/шум (ОСШ).
Основными параметрами источников тормозного излучения являются энергия и мощность поглощенной дозы на расстоянии 1 м от источника. Измерения при рентгеновском контроле по способу регистрации излучения относятся к радиометрическим методам, поэтому традиционным подходом к выбору энергии источника тормозного излучения является условие максимума ОСШ. При этих измерениях шум определяется как аппаратурной погрешностью, так и статистической - флуктуациями зарегистрированных детектором фотонов. Если аппаратурной погрешностью можно пренебречь по сравнению с квантовыми флуктуациями, то энергию источника выбирают из условия цх=2 либо из условия цх=1, если аппаратурная погрешность превышает статистическую. Здесь х - толщина материала контролируемого изделия (м), ц -линейный коэффициент ослабления (м"1), зависящий от энергии фотонов. Указанные условия получены в предположении, что излучение является моноэнергетическим и эффективность его регистрации детектором равна единице. В традиционном подходе для высокоэнергетического тормозного излучения (с Е 1 МэВ) предполагается осуществлять выбор энергии источника по тем же соотношениям, но для эффективной энергии ЕЭФ=Е/2 (или ЕЭФ =Е/3 для Е 10 МэВ). Если формально подходить к выбору энергии источника таким образом, то для описываемой выше рентгеновской установки, очевидно, эти условия надо применять для пятого-шестого детекторов, так как для них х принимает максимальное значение. Однако для изделия указанного размера ни при какой энергии условия цх=2 и цх=1 не выполняются. Поэтому были проведены вычисления ОСШ с учетом эффективности регистрации излучения коллимированными детекторами со сцинтилляционными кристаллами из Nal(TI) и реального энергетического и углового распределений тормозного излучения источника.
Если сигнал в зависимости от толщины х оценивать по изменению только нерассеянного излучения, а квантовые флуктуации - по пуассоновскому распределению, то величину ОСШ при условии, что статистические погрешности превышают аппаратурные, можно определить по формуле L I Ке = К—ГЩК Пимп , (2.5.1) где ккв - отношение сигнал/шум, обусловленная квантовыми флуктуациями (без учета аппаратурного шума); Оимп - поглощенная доза на метре от источника за импульс (Гр); Уд- объем дефекта (м3); геометрические параметры сканера, определенные на рис. 2.5.1: L - расстояние источник-детектор (м), R - расстояние источник-дефект (м), S - площадь окна коллиматора а»а (м2), а ко- зависящая от энергии составляющая ккв (м Гр-0,5):
Система автоматической коррекции нестабильности спектра и потока источника зондирующего излучения
Режим калибровки служит для получения необходимых метрологических характеристик прибора во всем диапазоне измеряемых толщин. Калибровка проводится перед началом работы и повторяется каждые 8 часов. Калибровка толщиномера по толщине происходит следующим образом. По команде "калибровка по толщине" управляющая программа проверяет наличие связи всех узлов и центрального процессора, после чего начинает проводить измерения потока рентгеновского излучения, попадающего на детектор. В зависимости от конкретной модели толщиномера число замеров различно от 8 РИТ10.2 до 380 - РИТ10.6М. По каждому образцу проводятся по 16 измерений и вычисление среднего значения для уменьшения погрешности измерения и влияния на процесс калибровки случайных флуктуации сигнала, коэффициента пропорциональности, коэффициента поглощения и первой производной коэффициента поглощения. Полученные данные запоминаются и отображаются на экране для анализа. Данная информация необходима для вычисления текущей толщины контролируемого объекта. Пример отображения результатов калибровки представлен на рис. 3.2.3. В первом столбце отображены значения эталонных образцов в масштабе 0,1 мкм, во втором столбце приведены значения измеренного сигнала, в третьем столбце отображен вес единицы младшего разряда кода в точке измерения, выраженный в толщине приращения объекта (максимальная дефектоскопическая чувствительность системы в точке), в четвертом столбце дано значение среднеквадратичного отклонения сигнала за время калибровки по каждой эталонной толщине в масштабе 0,1 мкм. Из анализа данных хорошо видно, как с увеличением толщины контролируемого объекта уменьшается предел дефектоскопической чувствительности. В зависимости от требуемого диапазона рабочих толщин компьютер задает оптимальное значение напряжения и тока источника излучения.
После завершения калибровки толщиномер переходит в режим измерения. Оператор задает номинальное значение толщины проката и поправку на химический состав, открывает радиационную защиту. В рабочий поток измерителя вводится контролируемая полоса. Сигнал на выходе усилителя обратнопропорционально зависит от толщины. Получив сигналы с детекторов и преобразовав их в цифровой код, программа вычисляет значение толщины контролируемого материала, отклонение от номинала и выдает сигнал отклонения через ЦАПы в САРТ. При необходимости каждое проведенное измерение записывается в память компьютера. По окончании режима измерения массив данных закрывается и записывается в виде бинарного файла на диск для хранения и дальнейшего анализа и формирования паспорта рулона. В процессе измерения на стрелочный индикатор, установленный на пульте управления станом, выдается сигнал отклонения толщины от номинала. Масштаб представления задается оператором в зависимости от толщины проката. Шкала прибора может изменяться от ±10 до ±100 мкм. На экране компьютера можно по желанию оператора отображать толщину проката или отклонение толщины от номинала в цифровом и графическом виде. Если конкретный стан оборудован цифровой системой автоматического регулирования толщины (САРТ), то при каждой смене номинала по цифровому интерфейсу стандарта RS485 (EthemeMOBaseT, EtherneM OOBaseT, MVBas и др. в зависимости от требований заказчика) в контроллер САРТ передается новое значение номинала проката, тип сплава, величина поправки на химический состав.
В каждом цикле измерения в САРТ передается отклонение толщины от номинала в виде аналогового сигнала для САРТ аналогового типа и в аналоговом и цифровом виде для САРТ цифрового типа. Причем крутизна нарастания сигнала регулируется независимо для каждого канала, чтобы создать комфортные условия для восприятия информации оператору стана и уменьшить временные задержки сигнала, поступающего в САРТ.
Для повышения надежности работы и предотвращения выпуска бракованного проката в толщиномер встроена система автоматической диагностики. При обнаружении неисправностей на экран выдается сообщение оператору и звуковой сигнал. При обнаружении некритичных ошибок, например разовые сбои, система не останавливается, но при повторении ошибок система блокирует работу и выдает протокол ошибок на консоль оператора.
На рис. 4.1.4 показан результат проката полосы толщиной 3500 мкм с использованием толщиномера РИТ10.4 при работе стана в ручном режиме. На рис. 4.1.5 показан результат проката полосы толщиной 3500 мкм при использовании САРТ. Наибольший эффект от применения толщиномеров получается на станах, оборудованных цифровой системой автоматического регулирования толщины полосы с двумя рентгеновскими толщиномерами (рис. 1.3.1, стр.24). Первый толщиномер, установленный на входе полосы в клеть стана, позволяет сформировать упреждающее воздействие на полосу, что существенно уменьшает процент выката металла, толщина которого выходит за границы допуска. Второй толщиномер, стоящий на выходе клети стана, измеряет конечную толщину полосы, формируя сигнал отклонения толщины, корректирующий работу нажимных устройств.
Патентная чистота и защита технических реализаций
Чувствительность системы Чувствительность S рентгеновского толщиномера, учитывая уравнение 2.1.2, можно представить в виде относительного приращения интенсивности излучения за где х - начальная толщина контролируемого объекта (мм); I - начальный ток на выходе детектора, соответствующий толщине контролируемого объекта (мА); dx - элементарное приращение толщины контролируемого объекта (мм); dl - приращение сигнала детектора, вызванное приращением толщины контролируемого объекта (мА).
Для низких энергий рентгеновского излучения ослабление в веществе обусловлено в основном процессами фотоэффекта, сечение взаимодействия которого «1/U3, где U - ускоряющее напряжение излучателя. Поэтому чувствительность метода с уменьшением U резко возрастает, но, с другой стороны, соответственно увеличивается степень ослабления излучения, возрастают флуктуации сигнала, связанные с природой излучения, т.е. возрастает статистический шум сигнала, на который накладывается аппаратная составляющая относительной погрешности, так же растущая с уменьшением величины сигнала детектора. Таким образом, для выбора режима работы толщиномера необходима оптимизация указанного соотношения.
При исследовании сигнала детектора в ряде случаев необходимо учитывать наличие в нем флуктуации, связанных с нестабильностью источника излучения. Однако при постоянном уровне флуктуации тока и напряжения относительные ошибки измерения с увеличением толщины проката будут уменьшаться, что обусловлено уменьшением чувствительности.
Таким образом, повышение уровня шума при увеличении контролируемой толщины в основном определяется возрастанием статистических и аппаратурных погрешностей, а так же колебаниями потока излучения. На основании элементарной статистической теории можно показать, что среднеквадратичная ошибка измерения толщины должна быть минимизирована исходя из примерного равенства аппаратной и квантовой погрешностей. Для реализации минимальных статистических колебаний требуется существенно снизить чувствительность метода, что ведет к соответствующему уменьшению чувствительности контроля толщины. Чтобы сохранить заданную чувствительность контроля, необходимо компромиссное решение.
Для конкретных рентгеновских толщиномеров (рассматриваемых мною), характеризующихся как случайной, так и систематической погрешностью, существует диапазон допускаемых флуктуации сигнала, определяемый исходя из требуемой в техническом задании на разработку точности измерения толщины, что позволяет оптимизировать режим работы толщиномера в целом и каждого из его компонентов: излучателя, детектора, аналого-цифрового преобразователя и т.д., увеличивая чувствительность метода, изменяя напряжение на излучателе, динамический диапазон детектора, разрядность преобразователей. На рис. 4.3.3.1-4.3.3.6 представлены экспериментальные данные, полученные при помощи рентгеновского толщиномера РИТЮ.бм. сплава М1 приведена на рис. 4.3.3.7. Масштаб представления результатов на графике 10 отсчетов соответствуют 0,1 % относительной погрешности измерения толщины приращения.
Для определения погрешности измерения при изменении химического состава контролируемого проката был проведен аналогичный эксперимент для образцов из сплава Л63 и МН1 (рис.4.3.3.8 и 4.3.3.9). Эталонный образец фиксированной толщины из материала прокатываемого рулона для первой кривой каждого графика устанавливался как добавка к толщине основных образцов, нарезанных из каждого сплава и выбранных по заданной толщине. Вторые кривые каждого графика получены для образцов, изготовленных из проката, полученного из слитка другой плавки.
Для иллюстрации быстродействия приведен график изменения толщины образцов во времени на рис.4.3.3.10. К базовой толщине 1980 мкм добавляются образцы толщиной 57 мкм. Глубокие провалы на графике - засветка прямым пучком в момент выдвижения каретки устройства подачи образцов, три образца добавлены.
На рис. 4.3.3.11 показан результат проката при высоком качестве исходного сырья (однослитковый рулон), сплав МН5, после четырех проходов на стане "Кватро 850" с цифровым САРТ и двумя толщиномерами РИТ10.4, на входе и выходе стана. К сожалению, в условиях заводской лаборатории невозможно проведение более точного количественного химического анализа. Значения толщины проката, получаемые на каждом стане, для конкретного материала фиксированы и заданы технологией обработки, поэтому получение на реальных станах, а не в лабораторных условиях более широкого набора толщин не имеет практического смысла.
Выводы
Предложенный метод линеаризации передаточной функции блока источник-объект-детектор, сущность которого заключается в том, чтобы скомпенсировать нелинейность ослабления рентгеновского излучения в контролируемом объекте за счет управления энергией и потоком зондирующего излучения, передаточной характеристикой детектора и цифровой обработкой зарегистрированного сигнала. На основе этого метода и накопленного опыта исследования и конструирования рентгеновских толщиномеров горячего и холодного проката удалось:
1. Экспериментальным путем показать, что в этом случае каждому значению толщины контролируемого объекта соответствует определенное значение напряжения на выходе детектора для конкретных значений анодного напряжения и тока трубки;
2. Управляя спектральным распределением энергии квантов первичного пучка рентгеновского источника, расширить диапазон контролируемых толщин на 70 % без снижения точности измерений;
3. Создать однодиапазонные рентгеновские толщиномеры для диапазонов толщин 20...1000 мкм, 100...3000 мкм, 200...7500 мкм, по меди, в процессе работы которых нет необходимости в операциях перенастройки, что особенно важно, так как позволяет не прерывать технологический цикл производства;
