CN87104380B - 一种射线测厚方法和射线数字厚度计 - 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Ｖ_O保持电路，Ｖ_O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

一种射线测厚方法和射线数字厚度计

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.偏差式厚度计：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、能够在恶劣的环境中工作（不需要空调）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）＝N₀

（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）＝V₀ （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/μlnV₀/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）＝V₀

B（μTh）

Th＝1/μlnV₀B(μT)/V(Th)=1/μlnV₀/V(Th)+1/μlnB(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和曲线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BC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＝V₀

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-

） （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

$V_c{\mathrm{=V}}_0{\mathrm{(1-e}}^{\frac{\mathrm{-T}}{\mathrm{RC}}})$

（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＝U₁ ^*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＝U₂ ^*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，用几段折线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/klnV₀/V₁ （10）

其中k为等效的质量吸收系数（m/kg），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。

（11）

D为容器的等效宽度或深度，μ₁为质量吸收系数（cm²/g），

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。精度为1%±0.01mm

Claims (22)

1、一种在线无接触材料厚度测量方法是：

由射线源〔1〕发出的射线穿过被测材料，一部分被材料吸收，剩余射线被探测器〔2〕接收，产生与材料厚度有关的电流信号I₁＝I₀ $e^{\mathrm{-\mu Th}}$ ，其中I₀为材料厚度为0时探测器的输出电流（A），μ为材料的吸收系数（cm^-1），Th为板材厚度（cm）;

通过前置放大器〔3〕转换成电压信号V₁＝V₀ ，V₀为材料厚度为0时前置放大器的输出电压信号;

再通过运算放大和具有指数特性的A/D变换直接变换成厚度数字信号Th＝1/μlnV₀/V₂;

其特征在于所说的模拟信号的运算和指数A/D变换的方法是：

a）由放大倍数为-1，正输端加V₀/2偏压的运算放大器〔5〕将电压信号V₁＝V₀

转变成V₂＝V₀（1-

）;同样也可以由前置放大器在正输入端加偏压V₀，探测器加正高压，得到V₁＝V₀（1-

）;

b）把电压信号V₂输入到电压比较器〔6〕的正输入端，电压比较器的负输入端连接-RC回路，RC回路的电容C与电子开关K并联接地，电压V₀通过电阻R给电容C充电，电容C的电压Vc输入到电压比较器〔6〕的负输入端;

电容上的电压

,其中T为电容C的充电时间（秒），

c）在T＝0时刻使闭合的电子开关断开，电容C开始充电，当电容上的电压

时，即T/RCμTh时，电压比较器〔6〕翻转;

d）断开电子开关K的同时打开计数与门〔7〕，计数器〔8〕开始记录时钟产生器〔9〕的脉冲，电压比较器〔6〕翻转时关闭与门〔7〕，计数器〔8〕停止计数，该计数n就代表了被测材料的厚度值;

e）电阻R、电容C、时钟频f根据公式

Th/n=1/μRCf选择，

Th/n表示每个脉冲代表的厚度值，由厚度计的灵敏度选定，μ由射线能量和材料决定;

f）修正透过被测材料的射线与指数规律偏离的方法是在RC回路的电阻R上并联由电子开关Ke1、Ke2控制通断的电阻R₁、R₂，电子开关由电压比较器〔11〕、〔12〕控制，当电容上的电压Vc达到预定的电压U₁ ^*时，电压比较器〔11〕翻转，使电子开关Ke1通导，电阻R₁并联于R上，同样，当电压Vc＝U₂ ^*时，电阻R₂并联于R和R₁上，这样在电容C充电的过程中改变几个时间常数，充电曲线成为几段折线，这就是用折线拟合材料对射线吸收曲线的方法。

2、一种射线数字直读式厚度计，由射线源〔1〕，探测器〔2〕，前置放大器〔3〕及二次仪表构成，其特点在于所说的二次仪表采用厚度值A/D变换电路，时间常数调节电路和V₀保持电路;

a）厚度值A/D变换电路是放大倍数为-1，正输入端加V₀/2偏压的运算放大器〔4〕;放大器〔4〕的输出信号连接到电压比较器〔6〕的正输入端，电压比较器〔6〕的负输入端连接由电阻R，电容C和电子开关K组成的RC回路〔5〕;

时钟产生器〔9〕产生的时钟脉冲经过2ⁿ分频电路后断开电子开关K，使电容C充电，反向后打开与门〔7〕，与门〔7〕被电压比较器〔6〕翻转关闭;

计数器〔8〕记录通过与门〔7〕的时钟脉冲，该脉冲数就是厚度值;

b）时间常数调节电路是在RC回路的电阻R上并联电子开关Ke₁Ke₂控制通断的电阻R₁、R₂，电子开关Ke₁、Ke₂分别连接到电压比较器〔11〕、〔12〕的输出端，电压比较器〔11〕、〔12〕的负输入端连接到电容C，输入电压Vc，电压比较器〔11〕、〔12〕的正输入端分别接预定电压U₁ ^*、U₂ ^*;

c）由行程开关K₁、继电器J、电容C₁和静电计型放大器〔13〕组成的电压保持电路，用于保持材料厚度为O时的前置放大器的输出电压V₀，用以消除由于温度影响、几何条件的变化、射线源和探头上的油垢引起的读数误差。

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