CN87104380A - 一种数字直读式同位素厚度计 - Google Patents

Abstract

本发明用于材料厚度的无接触在线测量，由放射源、探测器和二次仪表构成。其二次仪表包括加偏压的反向器，充电式对数A/D变换器、时间常数调节电路和V₀保持电路，V₀为材料厚度为0时静电计输出电压。

由于本发明中的对数A/D变换器在电容充电过程中能改变时间常数，使厚度计在量程范围内能给出满足误差要求的厚度数字指示。

Description

本发明属于物理领域涉及一种粒子辐射计量设备，用于机械量测量。

目前在线测量和控制板材生产的同位素或x射线厚度计种类很多，但是，基本上分两大类。

1.偏差或厚度计：仪表只显示被测板材与标准板材的差值。这种方法的优点是电路间单，易实现，价格便宜。缺点是不能直接读出被测板材的厚度值，只显示与标准板材的偏差。改变生产规格要装上不同的标准板，更换标准板要中断生产，浪费时间，降低生产效率。例如武汉温度计厂，长沙仪表厂，大连213所生产的同位素厚度计均属于这类仪表。

英国1976年3月10日公开的专利1427751也是偏差指示的厚度计。其不能在量程范围内实现数字直读的原因是因为采用的对数放大器及线性A/D交换器的变换结果不能在量程范围内拟合材料对射线的吸收曲线。

2.直读式厚度计：当射线穿过被测板材时，射线强度被衰减。被测的板材厚度Th变化时探测器的输出信号电压V也随之变化。它们之间有函数关系V＝f（Th）。现有的直读式厚度计是将探测器的输出信号进行放大，放大后的信号电压V进行线性A/D变换，得到的数字信号输入计算机。计算机由函数V＝f（Th）计算出厚度Th值。这种厚度计的优点是直读，并能进行控制。缺点是设备复杂，价格较贵，不适合在恶劣的环境下工作。英国1981年9月3日公布的专利1597010属于这类仪器。

本发明的目的在于提供一种A/D变换器实现板材厚度值的直读以及一种校准方法。既改进了偏差式厚度计读数不便及使用不便的缺点，又能代替微机计算厚度值。具有电路简单价格便宜、使用方便的优点。

本发明的要点是提供一种变换器，这种变换器输出的BCD代码与输入的模拟电压的关系在要求的误差范围内和板材的厚度值与探测器输出信号的关系曲线一致。此时变换器的输出代码也就是被测板材的厚度值读数了。

同位素放出的β射线或γ射线，在穿过被测板材时，放射性强度和被测板材的厚度Th的关系为

N（Th）＝N₀e^-μTh（1）

N₀为板材厚度为0时探测器接收的放射性强度，粒子数/秒。

N（Th）为板材厚度为Th时探测器接收的放射性强度，粒子数/秒。

μ为材料的吸收系数，毫米^-1或厘米²/克。

Th为板材厚度，毫米或克/厘米²。

探测器的输出信号经放大器放大后的输出电压V与板材厚度值Th的关系为

V（Th）＝V₀e^-μTh（2）

V₀为板材厚度为0时输出电压，伏。

V（Th）为板材厚度为Th时输出电压，伏。

Th= 1/(μ) ln (V₀)/(V(Th)) （3）

使用低能γ射线或β源时（3）式的误差是很小的。如果用中能γ源或用低能γ源测量较轻的元素时（3）式给出较大的误差，应考虑累积效应。

V（Th）＝V₀e^-μThB（μTh） （4）

Th= 1/(μ) ln (V₀B(μT))/(V(Th)) = 1/(μ) ln (V₀)/(V(Th)) + 1/(μ) lnB(μTh)（5）

附图2中的曲线1为窄束γ射线也就是积累因子B（μTh）＝1时的吸收曲线。曲线2是积累因子大于1时的吸收曲线。

实现厚度值的直读，显示Th值，也就是设计一种变换器，这种变换器的数字输出信号能够拟合曲线1和或线2。在量程范围内其偏差满足精度要求。

附图说明

图1为数字直读式同位素厚度计原理图。

图2为γ射线的吸收曲线（静电计输出电压与材料厚度的关系曲线）

〔1〕放射源    〔2〕探测器

〔3〕静电计    〔4〕反向运算放大器

〔5〕RC回路    〔6〕比较器

〔7〕与门    〔8〕计数器

〔9〕时钟产生器    〔10〕分频器

〔11〕〔12〕时间常数调节电路

〔13〕V₀保持电路 〔14〕上限予置开关

〔15〕下限予置开关    〔16〕数值比较器

〔17〕轧辊调节电路

图2曲线说明：

曲线1为窄束γ射线吸收曲线（积累因子B（μTh）＝1）

曲线2为积累因子B（μTh）＞1时，γ射线的吸收曲线。

曲线3为以三段折线（二个折点）拟合曲线2的示意曲线。

以下结合附图对发明作进一步详细描述

1.本设备包括放射源〔1〕、探测器器〔2〕（电离室）、静电计运算放大器〔3〕、加偏压的反向器〔4〕、由电子开关K、电阻R以及电容C组成的RC回路〔5〕、电压比较器〔6〕、与门〔7〕、计数器〔8〕、时钟产生器〔9〕、分频器〔10〕、电压比较器及相连的电子开关Ke₁、Ke₂和电阻R₁、R₂组成的时间常数调节电路〔11〕、〔12〕以及由行程开关K₁、继电器J、电容C和静电计运算放大器组成的V₀保持电路〔13〕、上限予置开关〔14〕、下限予置开关〔15〕、数值比较器〔16〕和轧辊调节电路〔17〕。

电离室受到射线照射时，产生电离电流i，流过高阻R_H，静电计运算放大器3的输出电压V₁＝iR_H。

被测板材的厚度为0时，静电计〔3〕输出电压V₀，板材厚度为Th时，静电计〔3〕的输出电压

V₁＝V₀e^-μTh

反向放大器〔4〕的放大倍数为-1，在正输入端加V₀/2的偏压。

通过放大器〔3〕、〔4〕后，反向器〔4〕的输出电压

V₂＝V₀（1-e^-μTh） （6）

RC回路〔5〕的电阻上加电压V₀，在t＝0时刻电子开关K₁断开，同时把时钟分频后的方波倒向后的正方波加到与门〔7〕，打开与门〔7〕，时钟脉冲通过与门〔7〕，计数器〔8〕开始计数。电子开关K₁断开后，电容C上的电压指数上升

$V_C\mathrm{=\; V}{}_0\mathrm{(\; 1\; -\; e}{}^{-\frac{T}{\mathrm{R\; C}}})$ (7)

T为时间，单位：秒

当电容C上的电压Vc等于V₂时，电压比较器〔6〕翻转，关闭与门〔7〕，停止计数，并把计数送给显示器显示。

此时（6），（7）两式相等

则μTh＝ (T)/(RC) （8）

其中T＝ (n)/(f)

n为计数器记录的脉冲数，f为时钟频率，代入（8）式得

(Th)/(n) ＝ 1/(μRCf) （9）

（9）式中Th/n表示每个脉冲代表的厚度，因此我们确定了灵敏度和时钟频率f后，对每种材料都可以求出要求的RC值。按照公式（9）选择电路参数，图2形式的电路就可以作为B（μTh）＝1的直读式厚度计了。

附图1中电压比较器及相连的电阻R₁、及R₂及电子开关Ke₁、Ke₂所组成的时间常数调节电路〔11〕〔12〕是用来改变时间常数的。也就是改变公式（9）中的RC值的。

使用低能γ射线测量轻材料时或者使用中能γ源时，必须考虑积累因子B（μTh），否则将给出较大的误差。附图2中的曲线2是积累因子大于1时的吸收曲线。

这种情况我们可以用几段折线来拟合曲线2，如图2中的曲线3。首先我们根据a线段选择一等效的μ₁求出电阻R，当电容C充电到Vc＝U^＊ ₁时，电压比较器〔11〕翻转，电子开关Ke₁接通，将R₁并联在R上。（R₁和R的并联电阻值由b线段的斜率，也就是等效的μ₂决定。）此时电容C充电的速度将加快。同样当Vc＝U^＊ ₂时，电压比较器〔12〕翻转，电子开关Ke₂接通，将R₂并联于R₁和R上。（R₁R₂和R的并联值由C线段的斜率，也就是等效的μ₃决定。）此时电容C将以更快的速度充电。

折线数目由测量范围和要求的误差决定。并联电阻的阻值由折线的斜率决定，折点的位置由吸收曲线的形状和误差要求决定。

这样，用几段折成拟合了有积累效应的吸收曲线。

使用2种能量以上的β源，例如Sr⁹⁰+Y⁹⁰，作放射源的厚度计，也可以用几段折线来拟合吸收曲线。区别是先要以较快的速度给电容充电，即先并联R₁和R₂，充电到Vc＝U₁时断开R₁，充电到Vc＝U₂时再断开R₂。这种办法对使用β源的厚度计，实现数字直读也是简单易行的。

为了消除测量条件的变化对测量结果的影响，例如探头到源距离的改变，源和探头表面的油污、灰尘的附着，电子电路的慢漂移带来的误差，本发明使用了由行程开关K₁，继电器J，电容C₁和静电计运算放大器组成的V₀保持电路〔13〕。

使用自动扫描C形架时，每次探头和放射源移出被测板材时，闭合行程开关K₁，吸合继电器J，放大器〔3〕的输出电压V₀送给电容C₁（此时被测板材厚度为0），选用高漏阻的电容和继电器，静电计计运算放大器〔13〕的输出端将长时间的保持V₀。当C形架移入板材时，K₁断开，继电器J断开，但〔13〕输出端的电压不变。这样每几分钟C₁充电一次，〔13〕输出电压V₀将不断被修正为新条件下的V₀。

由于V₀保持电路，使本发明的厚度计有极高的稳定性。

核子秤测量静载荷实际上是测量质量厚度。静载荷P为单位传送带长度上的物料重量。

P= 1/(k) ln (V₀)/(V₁) （10）

其中k为等效的质量吸收系数，同样也可以用折线拟合吸收曲线，校正积累因子。

密度计，测量密度ρ，单位体积物料的重量。

D为容器的等效宽度或深度，用同样的方法进行积累因子的校正。

因此本发明完全适用于直读式密度计及核子皮带秤。

把本发明中的变换器的变换结果送微机处理，也有很多优点：

1.较同样位数的线性A/D变换器便宜一至几倍。

2.变换结果已进行了对数比运算，微机不需要再进行对数运算，大大地减少了微机处理数据的时间。这一点对单板机和单片机是很重要的。

3.减少了内存的容量。

因此，本发明的模数变换器完全适用于微机厚度计、核子秤、密度计。

实施例：采用Am²⁴¹r源和充氙电离室，用于冷轧带钢厚度检测与控制。仪器完全由图2的各单元构成。

μFe＝0.877mm^-1

f＝32768/秒

每个数字（脉冲）代表0.001毫米，RC为34.8mS，选择C＝1μf，R＝34.8kΩ。加精度为1%±0.01mm

Claims (7)

1、一种在线无接触材料厚度测量方法，其特征在于：

a，对探测器输出的与射线强度成正比的电压信号进行线性放大，反向使之转变为材料厚度为0时，V₂=0，随着材料厚度增加V₂增加的电压信号，

b，将电压V₀通过电阻R给电容C充电，电容上的电压为V_C=Vo(1-e^-μTh)，

c，当电压Vc=V₂=V₀(1-e^-μTh)时，电压比较器[6]翻转得到与门[7]的开门时间，也就得到了代表厚度值的脉冲计数，

d，用调整积分电容C上串联电阻的办法改变电容C的充电速度，修正由于积累因子、多能量射线源造成的吸收曲线与指数曲线的偏离。

2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于可用于数字直读式密度计，也可用于核子秤的静载荷的测量。

3、根据权利要求1所述的方法，其特征在于适用于微机厚度计、微机密度计、也可用于微机核子秤。

4、一种同位素厚度计，由放射源〔1〕、探测器〔2〕、二次仪表组成，其特征在于所说的二次仪表采用加偏压的反向器〔4〕，由电子开关K、电阻R以及电容C组成的RC回路〔5〕，电压比较器〔6〕、与门〔7〕、计数器〔8〕、时钟产生器〔9〕、分频器〔10〕组成的充电式对数A/D变换器，电压比较器和相连的电子开关Ko₁、Ke₂和R₁、R₂组成的时间常数调节电路〔11〕、〔12〕，由行程开关K₁、继电器J、电容C₁和静电计运算放大器组成的V₀保持电路〔13〕。

5、根据权利要求4所述的厚度计，其特征在于所说的充电式对数A/D变换器，其电压比较器〔6〕的正输入端输入测量时探头的输出信号，经静电计〔3〕放大，再经反向器〔4〕加偏压反向后的电压信号V₂，电压比较器〔6〕的负输入端输入V₀通过电阻R给电容C充电时电容C上的电压Vc二者进行比较，得到与门〔7〕的开门时间，取得时钟计数（厚度值），所说的RC回路的RC值由公式

(Th)/(n) ＝ 1/(μRCf)

决定，其中Th/n表示每个时钟脉冲代表的厚度值，Th为材料厚度，n为脉冲计数，f为时钟频率，μ为材料的吸收系数。

6、根据权利要求4所述的厚度计，其特征在于可用于数字直续式密度计，也可用作核子秤的静载荷的测量电路。

7、根据权利要求4所述的厚度计，其特征在于可用于微机厚度计、微机密度计，也可用于微机核子皮带秤。

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