DE102010061440A1 - Method for accurate measurement of attenuation of radiation e.g. photon radiation to measure thickness of paper in metallurgical mill, involves calculating mean attenuation value by successive calculation of specified algebraic equation - Google Patents

Method for accurate measurement of attenuation of radiation e.g. photon radiation to measure thickness of paper in metallurgical mill, involves calculating mean attenuation value by successive calculation of specified algebraic equation Download PDF

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Abstract

The method involves penetrating photon or particle radiation radiated from a collimated radiation source (1) into a material (4) to be examined and on a detector (2) that count arriving photons and/or particles. A number photons and/or particles counted by the detector for a short time interval is detected by a data acquisition and processing unit (3). Frequency distribution of counts is stored in a data field (F) by the processing unit. A mean attenuation value (A) is calculated by the processing unit by successive calculation of a specified algebraic equation. An independent claim is also included for a radiography arrangement for accurate measurement of attenuation of radiation by varying material distributions, comprising a detector.

Description

Die Schwächungsmessung mit Photonen- oder Teilchenstrahlung ist ein übliches Messverfahren für Dicke, Dichte oder Zusammensetzung von Materialien. Für das Messverfahren wird meist Gamma-, Röntgen- oder Betastrahlung eingesetzt. Anwendungsgebiete sind die Dickenmessung in der Papier-, Stoff- oder Folienherstellung, an metallurgischen Walzanlagen, aber auch die Analyse von Strömungen, etwa bei der Mehrphasendurchflussmessung in der Erdölförderung.Attenuation measurement with photon or particle radiation is a common measurement method for thickness, density or composition of materials. Gamma, X-ray or beta radiation is usually used for the measurement process. Areas of application include thickness measurement in paper, fabric or film production, metallurgical rolling mills, but also the analysis of flows, such as in multi-phase flow measurement in oil production.

Typischerweise besteht ein Dicken-, Dichte- oder Materialkompositionsmessgerät auf der Basis von Photonen- oder Teilchenstrahlung aus einer Strahlungsquelle und einem Strahlungsdetektor, welche sich gegenüberstehen. Die aus der Quelle austretende Strahlung durchdringt das zu untersuchende Material und wird in diesem geschwächt. Durch Kollimationsvorrichtungen wird die aus der Quelle austretende Strahlung räumlich auf ein schmales Bündel begrenzt. Eine weitere Kollimationsvorrichtung um den Detektor sorgt dafür, dass nur geradlinig laufende Strahlungsteilchen in den Detektor gelangen. Für die Strahlungsschwächung gilt bei monoenergetischer Strahlung das exponentielle Schwächungsgesetz 〈N〉 = 〈N0〉e–A (Gl. 1) Typically, a thickness, density, or material composition meter based on photon or particle radiation is comprised of a radiation source and a radiation detector which face each other. The radiation emerging from the source penetrates the material to be examined and is weakened in it. By collimation, the radiation emerging from the source is spatially limited to a narrow bundle. Another collimation device around the detector ensures that only rectilinear radiation particles pass into the detector. For radiation attenuation, the exponential law of attenuation applies to monoenergetic radiation <N> = <N 0 > e -A (Eq. 1)

Dabei ist 〈N〉 der Erwartungswert der vom Detektor registrierten Teilchenanzahl in einem Zeitinterval für den geschwächten Strahl, 〈N0〉 für den ungeschwächten Strahl und A die Strahlungsschwächung im Material. Für homogenes Material gilt A = μ·d = μ0·d mit dem Schwächungskoeffizienten μ, dem Massenschwächungskoeffizienten μ0 und der Materialdicke d. Dementsprechend lassen sich durch Messen von A sowohl Materialdicke, als auch Materialdichte, als auch die Materialzusammensetzung bei Kompositen bestimmen.In this case, <N> is the expected value of the number of particles registered by the detector in a time interval for the attenuated beam, <N 0 > for the unattenuated beam and A the radiation attenuation in the material. For homogeneous material A = μ · d = μ 0 · d with the attenuation coefficient μ, the mass attenuation coefficient μ 0 and the material thickness d. Accordingly, by measuring A, it is possible to determine both material thickness and material density, as well as the material composition in composites.

Kritisch für die Genauigkeit der Schwächungsmessung nach Gl. 1 ist die Wahl des Messzeitintervals. Für eine unveränderliche Materialverteilung im Strahlweg wird dieses Zeitinterval im Allgemeinen recht lang gewählt, um den Einfluss der statistischen Messunsicherheit, also der Fluktuation in der Teilchenanzahl pro Zeitinterval zu minimieren. Ändert sich die Materialverteilung im Strahlweg während des Ablaufs dieses Zählintervalls, äußert sich dies in einem teilweise erheblichen Fehler. Dies lässt sich wie folgt formulieren. Es sei Nk das Zählergebnis in einem hinreichend kurzen Zeitintervall ΔTkurz, für das keine signifikante Veränderung der Materialverteilung stattfindet. 〈Nk〉 sei der zugehörige Erwartungswert, der aus einer Poisson-Verteilung für die Zählwerteverteilung folgt. Wird die zeitliche Mittelung der Zählung auf ein größeres Zählintervall ΔTlang = K·ΔTkurz ausgedehnt, welches die K-fache Länge des kurzen Zählintervalls hat, ist das Ergebnis der Mittelung durch

Figure 00020001
gegeben. Mit Gl. 1 folgt für die Strahlschwächung
Figure 00020002
A(f) ist aber keinesfalls der im Zeitinterval ΔTlang gemittelte Schwächungswert, denn dieser ist durch
Figure 00020003
gegeben. Im Allgemeinen gilt A(r) ≠ A(f). Alle heute eingesetzten Durchstrahlungsmessverfahren für die Messung von Materialdicke, -dichte oder -komposition haben das Problem der „falschen” Mittelwertbildung.Critical for the accuracy of the attenuation measurement according to Eq. 1 is the choice of the measuring time interval. For a fixed material distribution in the beam path, this time interval is generally chosen to be quite long in order to minimize the influence of the statistical measurement uncertainty, that is, the fluctuation in the number of particles per time interval. If the material distribution in the beam path changes during the course of this counting interval, this manifests itself in a sometimes considerable error. This can be formulated as follows. Let N k be the counting result in a sufficiently short time interval ΔT short , for which there is no significant change in the material distribution. Let <N k > be the corresponding expected value that follows from a Poisson distribution for the count distribution. If the time average of the count to a larger count interval .DELTA.T lang = K * .DELTA.T briefly extended, which has the K-times the length of the short counting interval, the result of the averaging is carried
Figure 00020001
given. With Eq. 1 follows for the beam attenuation
Figure 00020002
However, A (f) is by no means the long-term attenuation value in the time interval .DELTA.T, because this is due to
Figure 00020003
given. In general, A (r) ≠ A (f) . All transmission measurement methods used today for measuring material thickness, density or composition have the problem of "incorrect" averaging.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, mit welchem es möglich ist, eine korrekte Messung der gesuchten Parameter auch bei kleinen Zählraten und stark oder schnell veränderlichen Materialeigenschaften durchzuführen. Die Aufgabe wird gelöst durch die Verwendung einer Durchstrahlungsanordnung und der Verwendung des Verfahrens zur Ermittlung der Parameter.The object of the invention is to specify a method with which it is possible to carry out a correct measurement of the parameters sought even at low counting rates and strongly or rapidly changing material properties. The object is achieved by the use of a transmission arrangement and the use of the method for determining the parameters.

Die mit dem Verfahren verwendete Anordnung umfasst eine kollimierte Strahlungsquelle 1, einen Strahlungsdetektor 2 und eine am Strahlungsdetektor angeschlossene Datenerfassungs- und -verarbeitungseinheit 3. Die von der Strahlungsquelle 1 ausgehende Photonen- oder Teilchenstrahlung durchdringt das zu untersuchende Material 4 und trifft danach auf den Detektor 2. Dieser Detektor zählt die auftreffenden Photonen bzw. Teilchen. The arrangement used with the method comprises a collimated radiation source 1 , a radiation detector 2 and a data acquisition and processing unit connected to the radiation detector 3 , The of the radiation source 1 outgoing photon or particle radiation penetrates the material to be examined 4 and then hit the detector 2 , This detector counts the incident photons or particles.

Die Datenerfassungs- und -verarbeitungseinheit 3 erfasst zur Bildung eines Schwächungsmittelwertes innerhalb einer längeren Zeitintervalls ΔTlang = K·ΔTkurz genau K Zählwerte des Detektors 2, die die Anzahl eintreffender Strahlungsphotonen oder Teilchen während einer hinlänglich kurzen Dauer ΔTk wiedergeben. Damit wird die Häufigkeitsverteilung F(N) der Zählwerte die mittlere Schwächungsverteilung A berechnet. Die Herleitung dieser Berechnungsvorschrift wird nachfolgend erläutert.The data acquisition and processing unit 3 For a short time interval ΔT lang = K · ΔT, it briefly detects exactly K count values of the detector to form a mean attenuation value 2 representing the number of incoming radiation photons or particles for a sufficiently short duration ΔT k . Thus, the frequency distribution F (N) of the counts is calculated as the average attenuation distribution A. The derivation of this calculation rule is explained below.

Die Zählwerteverteilung am Detektor folgt einer Poisson-Verteilung. Die Wahrscheinlichkeit, in einem gegebenen Messzeitinterval einen Zählwert von N zu erhalten, ist

Figure 00030001
wobei 〈N〉 den Erwartungswert bezeichnet. Dementsprechend gilt für die Wahrscheinlichkeit, einen Zählwert von N bei Durchstrahlung eines Materials der Schwächung A zu erhalten
Figure 00030002
The count distribution at the detector follows a Poisson distribution. The probability of obtaining a count of N in a given measurement time interval is
Figure 00030001
where <N> denotes the expected value. Accordingly, the probability of obtaining a count of N upon irradiation of a material of attenuation A applies
Figure 00030002

Im Falle einer an einer Messvorrichtung vorbeilaufenden Materialverteilung mit variierenden Eigenschaften lässt sich in guter Näherung die Materialverteilung als Folge von Materialblöcken verschiedener Schwächungswerte beschreiben. Daher gelten ohne Beschränkung der Allgemeinheit, dass die Materialverteilung aus M Gruppen von Blöcken verschiedener Schwächung Am besteht. Für die praktische Behandlung muss dabei M hinreichend groß und Am hinreichend gut verteilt gewählt werden. Der Erfindung liegt zugrunde, dass die strahlungsbasierte Messvorrichtung derart aufgebaut ist, dass sie eine Zählwerterfassung in sehr kleinen Intervallen ΔTkurz ermöglicht, innerhalb derer die Materialverteilung als unveränderlich angesehen werden kann.In the case of a material distribution with varying properties passing by a measuring apparatus, the material distribution as a result of material blocks of different attenuation values can be described to a good approximation. Therefore, without limitation of generality, the material distribution consists of M groups of blocks of different attenuation Am. For the practical treatment, M must be chosen sufficiently large and am sufficiently well distributed. The invention is based, that the radiation-based measuring device is constructed such that it allows for meter readings in very small intervals .DELTA.T short, within which the material distribution can be regarded as immutable.

Aufgabe der Zählvorrichtung mit Datenerfassungs- und -verarbeitungseinheit 3 ist es daher zunächst, die erfassten Zählwerte Nk als Häufigkeitsverteilung im Speicher abzulegen. Dazu wird im Arbeitsspeicher der Datenerfassungs- und -verarbeitungseinheit 3 ein Datenfeld F zur Speicherung der Häufigkeitsverteilung der Zählwerte angelegt und zu Beginn jeder Messung mit 0 initialisiert. Anschließend wird eine Anzahl von K Messungen durchgeführt, bei denen jeweils ein Zählwert im Intervall ΔTkurz ermittelt wird. Für jeden dieser Zählwerte Nk wird der Wert F(Nk) des Datenfeldes F inkrementiert. Damit wird für das Langintervall ΔTlang = K·ΔTkurz eine Zählwertehäufigkeitsverteilung ermittelt.Task of the counting device with data acquisition and processing unit 3 Therefore, it is first to store the detected counts N k as a frequency distribution in the memory. This is done in the memory of the data acquisition and processing unit 3 created a data field F for storing the frequency distribution of the counts and initialized with 0 at the beginning of each measurement. Subsequently, a number of K measurements are carried out, in each case a count value in the interval ΔT is determined briefly . For each of these counts N k , the value F (N k ) of the data field F is incremented. Thus, a count frequency distribution is briefly determined for the long interval ΔT lang = K · ΔT.

Unter der oben beschriebenen gedanklichen Annahme, dass innerhalb des Zeitintervalls ΔTlang jeder gedachte Materialblocktyp m der Schwächung Am genau qm mal in einem Kurzzeitintervall ΔTkurz vorkommt, lässt sich der Zusammenhang zwischen der Zählwertehäufigkeitsverteilung F(N) und der Blockhäufigkeitsverteilung Q(m) zu

Figure 00040001
exakt angeben. Ist qm bekannt, lässt sich der gesuchte Schwächungsmittelwert A exakt zu
Figure 00040002
berechnen.Under the above-described mental assumption that within the time interval .DELTA.T long each imaginary block of material type m of the attenuation A m exactly q m times .DELTA.T occurs briefly in a short time interval, the relationship between the Zählwertehäufigkeitsverteilung F (N) and the block frequency distribution Q can be (m) to
Figure 00040001
specify exactly. If q m is known, the desired attenuation mean value A can be exactly determined
Figure 00040002
to calculate.

Eine weitere Aufgabe der Datenerfassungs- und -verarbeitungseinheit 3 der Messvorrichtung besteht in der Lösung des inversen Problems aus Gl. 7, das heißt, der Berechnung der unbekannten qm aus der ermittelten Häufigkeitsverteilung F(N). Dies erfolgt über die Pseudoinverse der Matrix p(N, A), welche mit P+ bezeichnet werden soll. Die Berechnung der Pseudoinversen ist einfach und nicht von der konkreten Messung abhängig, denn die Koeffizienten der Ausgangsmatrix P(N, A) ergeben sich lediglich aus bekannten Wahrscheinlichkeitsverteilungen. Damit ergibt sich für die Messwerterfassung und Schwächungsmittelwertberechnung folgendes Verfahren:

Figure 00040003
Another object of the data acquisition and processing unit 3 of the measuring device is to solve the inverse problem of Eq. 7, that is, the calculation of the unknown qm from the determined frequency distribution F (N). This is done via the pseudoinverse of the matrix p (N, A), which is to be designated P + . The calculation of the pseudoinverse is simple and does not depend on the actual measurement, because the coefficients of the output matrix P (N, A) result only from known probability distributions. This results in the following procedure for the measured value acquisition and the calculation of the attenuation mean:
Figure 00040003

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
kollimierte Strahlungsquellecollimated radiation source
22
Detektordetector
33
Datenerfassungs- und -verarbeitungseinheitData acquisition and processing unit
44
zu untersuchende Probe, Materialsample to be tested, material

Claims (2)

Verfahren zur hochgenauen Messung der Strahlungsschwächung von veränderlichen Materialverteilungen mit Photonen- oder Teilchenstrahlung, verwendend eine Anordnung umfassend eine kollimierte Strahlungsquelle 1, mindestens einen Detektor 2 und einer dem Detektor 2 nachgeordneten Datenerfassungs- und Verarbeitungseinheit 3, dadurch gekennzeichnet, dass a) die Photonen- oder Teilchenstrahlung ausgehend von der Strahlungsquelle 1 das zu untersuchende Material 4 durchdringt und anschließend auf den Detektor 2 fällt, wobei der Detektor 2 die eintreffenden Photonen bzw. Teilchen zählt; b) die Datenerfassungs- und -verarbeitungseinheit 3 aufeinander folgend eine Anzahl von Zählwerten K des Detektors 2 für hinreichend kurze Zeitintervalle ΔTkurz erfasst, in denen die Materialverteilung in ausreichender Näherung als unveränderlich angesehen werden kann; c) die Datenerfassungs- und -verarbeitungseinheit 3 die aufeinander folgend aufgenommenen Zählwerte als Häufigkeitsverteilung in einem Datenfeld F abspeichert; d) die Datenerfassungs- und -verarbeitungseinheit 3 durch nacheinander folgende Berechnung des algebraischen Gleichungssystems Q = P+ F und den mittleren Schwächungswert A berechnet.A method for highly accurate measurement of the radiation attenuation of variable material distributions with photon or particle radiation using an arrangement comprising a collimated radiation source 1 , at least one detector 2 and one to the detector 2 downstream data acquisition and processing unit 3 , characterized in that a) the photon or particle radiation, starting from the radiation source 1 the material to be examined 4 penetrates and then onto the detector 2 falls, with the detector 2 counts the incoming photons or particles; b) the data acquisition and processing unit 3 successively a number of counts K of the detector 2 briefly recorded for sufficiently short time intervals ΔT, in which the material distribution can be considered as sufficiently approximate as immutable; c) the data acquisition and processing unit 3 stores the consecutively recorded counts as a frequency distribution in a data field F; d) the data acquisition and processing unit 3 is calculated by successively calculating the algebraic equation system Q = P + F and the average attenuation value A. Anordnung zur hochgenauen Messung der Strahlungsschwächung von veränderlichen Materialverteilungen umfassend eine kollimierte Strahlungsquelle 1, mindestens einen Detektor 2 und einer dem Detektor 2 nachgeordneten Datenerfassungs- und Verarbeitungseinheit 3.Arrangement for high-precision measurement of the radiation attenuation of variable material distributions comprising a collimated radiation source 1 , at least one detector 2 and one to the detector 2 downstream data acquisition and processing unit 3 ,
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