DE2729901A1

DE2729901A1 - Dickenmessvorrichtung mit roentgen- oder gammastrahlen

Info

Publication number: DE2729901A1
Application number: DE19772729901
Authority: DE
Inventors: John J Allport
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1976-07-02
Filing date: 1977-07-01
Publication date: 1978-01-05
Also published as: CA1076712A; GB1583485A; JPS535664A; US4047029A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Messen der augenblicklichen Masse pro Flächeneinheit oder Dicke von an einer Mess-Station vorbeigeführter, bahnförmiger Materialien und insbesondere auf eine Vorrichtung zum Messen der Masse pro Flächeneinheit oder der Dicke bahnförmigerMaterialien unter Berücksichtigung von Abweichungen der Zusammensetzung vom Sollwert, wodurch der Durchdringungsfaktor für Röntgenstrahlung und dergleichen beeinflußt wird.

Bei einem Herstellungsprozeß von zum Beispiel Walzstahl, rostfreiem Stahl, Aluminium-, Kupfer- und Messingbahnen sowie beim Herstellen von Kunststoff-Folien und Papierrollen ist es notwendig, die Dicke oder die Masse pro Flächeneinheit des bahnförmigen Materials genau zu messen. Ist das Material dicker oder dichter als erforderlich, erhöhen sich die Herstellungskosten. Ist das Material dünner oder weniger dicht als erforderlich, kann es ungeeignet zum Ausliefern sein und muß erneut verarbeitet werden, um die Lieferungsbedingungen zu erfüllen,oder eingestampft werden.

Das berührungslose Messen mittels Röntgenstrahlen wird seit Jahren für eine Vielzahl derartiger Herstellungsverfahren verwendet und hat sich dabei als die am besten geeignete Meßtechnik erwiesen. Andere Meßverfahren, wie beispielsweise mechanische Dickenmessungen mit Berührung und berührungslose Messungen mit ß-Strahlen haben aus vielerlei Gründen nur eine beschränkte Anwendung gefunden. Mechanische Dickenmessungen sind unerwünscht, da sie Spuren auf dem Material hinterlassen und da die empfindlichen Meßfühler dazu neigen, bei schnell vorbeilaufenden Bahnen zu hüpfen und abzuprallen und falsche Meßergebnisse zu liefern, wenn sie von Stellen unterschiedlicher Dicke abprallen. Außerdem werden mechanische Meßgeräte beim Brechen der Bahnen leicht beschädigt, so daß ein Schaden oder eine Fehlwalzung in der Walzstraße auftritt.

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Meßvorrichtungen mit Radioisotopen wurden bisher mit nur bescheidenem Erfolg in derartigen Verfahren eingesetzt Au der relativ geringen Intensität der verfügbaren Strahlung liefern diese Vorrichtungen keine Meßergebnisse in ausreichend kurzer Zeit um eine genaue Kontrolle der Maschine zu ermöglichen. Meßgeräte mit ß-Strahlen benötigen üblicherweise eine mittlere Zeit von 5 Sekunden oder mehr um eine Meßgenauigkeit von 1 0,5 % bis * 0,25 % zu erzielen. Moderne Walzstraßen können dahingegen in Zeiten von 0,1 Sekunden oder weniger gesteuert werden, so daß für eine optimale Steuerung Dickenmeßgeräte mit einer Genauigkeit von 1 0,25 % oder besser in einer Zeit von 0,01 Sekunden oder weniger erforderlich sind. Meßgeräte mit Radioisotopen haben sich demzufolge nur dann als nützlich erwiesen, wenn sehr langsame Geschwindigkeitskontrollen des Herstellungsprozesses ausreichend sir.tf, wie beispielsweise in der Papierherstellung.

Meßgeräte mit Röntgenstrahlen ermöglichen andererseits eine sehr schnelle berührungslose Messung mit großem Abstand zwischen der Meßanordnung und dem zu messenden Produkt. Aufgrund der hohen Intensität moderner Röntgenstrahlenanlagen sind im allgemeine mittlere Signalzeiten von 0,01 bis 0,005 Sekunden ausreichend um eine Meßgenauigkeit von _ 0,25 % zu erzielen.Da jedoch die Dicke oder die Masse pro Flächeneinheit von der Absorption der Röntgenstrahlen, die das Material durchsetzen, abgeleitet wird und da die Röntgentechnik sehr empfindlich auf die Zusammensetzung des Materials reagiert, können auch sehr kleine Veränderungen der Zusammensetzung große Meßfehler hervorrufen .

Für eine typische Meßanordnung mit Röntgenstrahlen wird das Verhältnis (R₁) der von einer Bahn hindurchgelassenen Strahlungsintensität (I₁) zu derjenigen ohne Bahn (I₀) durch folgende Gleichung gegeben:

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wobei m die Masse pro Flächeneinheit des bahnförmigen Materials ist, U₁ der ^aWe^nWJbrptionskoef f izient, y die Dichte und T die Dicke ist. Obwohl die Strahlungsabsorption von der Masse pro Flächeneinheit des bahnförmigen Materials abhängt, weist jede Legierung eine bestimmte Dichte auf, die sich nicht wesentlich ändert mit geringen Schwankungen der Zusammensetzung, so daß die hindurchgelassene Strahlung der Dicke direkt zugeordnet werden kann. Der scheinbare Absorptionskoeffizient setzt sich aus der photoelektrischen Absorption der Röntgenstrahlung im Material und aus der kohärenten und inkohärenten (Compton)Steuung einiger der Röntgenphotonen außerhalb des Einfallswinkels des Detektors zusammen. Der vorherrschende Effekt dieser Dicken· neßgeräte mit Röntgenstrahlung ist jedoch die photoelektrische Absorption. Aus Gleichung 1 wird deutlich, daß eine exakte Bestimmung der wirklichen Materialdicke davon abhängt, daß der Absorptionskoeffizient μ. konstant bleibt und gleich dem Absorptionskoeffizienten ist, der für dieses Meßgerät und die besondere Materialzusammensetzung zur Zeit der Eichung des Meßgerätes zugrundegelegt wurde.

So weisen beispielsweise viele Aluminiumlegierungen Zink- und/ oder Kupferkonzentrationen von 5 % bis 7 % auf, mit zugelassenen Toleranzen von ungefähr + 0,5 % dieserElemente für eine bestimmte Legierung. Wenn sich nun die Zusammensetzung einer zinkenthaltenden Aluminiumlegierung ein wenig, beispielsweise von 4,5 % Zink zum Eichungszeitpunkt auf 5 % Zink im tatsächlich untersuchten Material, verändert, so kann diese Verschiebung der Zinkkonzentration von 0,5 % einen prozentualen Fehler in der Dickenmessung von ungefähr 5 % bewirken, da der Absorptionskoeffizient von Zink ungefähr zehn bis elf mal so groß wie derje-

nige von Aluminium ist in Frage kommenden Röntgenstrahlen-Energiebereich (20 bis 25 KV). Ähnliche Fehler können beim Walzen von Stahl auftreten, wenn die Konzentrationen von Elementen wie .für den 709881/1224 -io -

ORIGINAL INSPECTED ^S

Molybdän um ein Geringes schwanken und beim Walzen von Kupfer und Messing, wenn die Konzentrationen von Zink oder Blei variieren, sowie bei der Herstellung von Kunststoff-Folien, wenn die Konzentration der Füllstoffe schwankt. Bei der Papierherstellung können zur Erhöhung der Strahlungsundurchlässigkeit den Papierbahnen Substanzen benachbart werden, die Elemente hoher Röntgenstrahlung-Absorption aufweisen, wie beispielsweise Silicon, Kalcium und Titan.

Der oben dargestellte Einfluß der Zusammensetzung auf die Empfindlichkeit von Dickenmeßgeräten mit Röntgenstrahlen ist seit langem als vordringliches Problem beim Einsatz derartiger Meßgeräte bekannt. So sind in mehreren US-Patentschriften Vorrichtungen beschrieben, um Zusammensetzungsschwankungen festzustellen, sowie Vorrichtungen, die rückgestreute Strahlung verwenden, um Bahnendicken zu messen.

In der US-PS 2 966 587 ist eine Vorrichtung beschrieben, die sowohl Detektoren für rückgestreute Strahlung als auch Detektoren für absorbierte Strahlung verwendet, um den prozentualen Wasserstoffanteil und das Wasserstoff/Kohlenstoffverhältnis eines Kohlenwasserstoffs zu bestimmen.

Die US-PS 3 188 471 beschreibt eine Vorrichtung zum Erkennen von Münzen, die die Rückstreuung von ß-Strahlung verwendet, um die Atomnummer des Münzenmaterials zu bestimmen, sowie die Schwächung von Röntgenstrahlung, um das Gewicht pro Flächeneinheit festzustellen.

Aus der US-PS 3 499 152 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur verbesserten Rückstrahlungsmessung bekannt, wobei ein die Schwächung messendes Dickenmeßgerät ein Korrektursignal liefert. Der mit Fluoreszenz arbeitende Rückstrahlungsmesser wird dazu verwendet, die Dicke der Beschichtung zu messen, und das die Schwächung messende Gerät wird dazu verwendet, ein Korrektur-

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signal für Schwankungen die Dicke der Unterlage abzuleiten.

Die US-PS 3 569 708 zeigt ein Prüfgerät, das einen Rückstrahlungsmesser und einen Schwächungsmesser derart kombiniert, daß die Schwächung von Röntgenstrahlung und die mittels Rückstreuung erhaltenen Signale eine genauere Anzeige von Wanddicken eines Rohres ermöglichen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Meßgerät zum Messen des Gewichtes pro Flächeneinheit einer an einem Meßgerät vorbeibewegten Materialbahn anzugeben, unter Berücksichtigung örtlicher Dickenschwankungen und Schwankungen der Materialzusammensetzung, mittels des Einsatzes von Rückstreustrahlung und Schwächung eines Röntgenstrahles.

Diese Aufgabe wird gemäß den in kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Die Erfindung sieht also eine Anordnung vor, in der eine Röntgenstrahlen oder Gammastrahlen erzeugende Quelle in einer Meßstation derart angeordnet ist, daß der Strahl senkrecht eine an der Meßstation vorbeilaufende Bahn durchsetzt, deren örtliche Masse pro Flächeneinheit oder stellenweise Dicke gemessen werden soll. Die Meßstation weist ein paar Strahlendetektoren auf, von denen einer auf der der Strahlungsquelle gegenüberliegenden Seite der Bahn angeordnet ist, um die Schwächung des Strahls zu messen, während der andere auf der gleichen Seite wie die Quelle angeordnet ist, um die rückgestreute Strahlung von der Bahn zu messen. Jeder Detektor erzeugt elektrische Signale, die den empfangenen Röntgenstrahlen proportional sind. Diese Sianale werden einem angeschlossenen Computer zugeführt, der die Durchdringungsund Rückstrahlungsgrade für dieses Material berechnet. Des weiteren ist der Computer mit einer Vergleichsvorrichtung versehen, die einen Speicher aufweist, in dem Daten über die Eigenschaften der Soll-Zusammensetzung des Materials gespeichert sind, sowie Eichdaten und solche von einer Bedienungsperson.Der

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Computeiverwendet diese Daten um ein korrigiertes, dem Absorptionskoeffizienten entsprechendes Signal zu erzeugen, das zusammen mit dem Signal für den Dürchdringungs grad dazu dient, die Masse pro Flächeneinheit und die Dicke zu berechnen.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert, in der ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel dargestellt ist.

Mit der erfindungs9enäßen Vorrichtung wird also eine automatische Korrektur der durch Schwankungen in der Materialzusammensetzung verursachten Röntgenstrahlendurchdringung erzielt, da nicht nur die das Material durchdringende Röntgenstrahlung gemessen wird, sondern auch die vom Material gestreute Röntgenstrahlung. Bei dem in der einzigen Figur dargestellten Ausführungsbeispiel ist mit 21 eine geeignete Röntgenstrahlungsquelle bezeichnet, während mit 23 ein Detektor bezeichnet ist, der die das Material durchdringende Strahlung mißt, und mit 25 ein Detektor bezeichnet ist, der die vom Material gestreute Strahlung mißt. Die Röntgenstrahlungsquelle 21 kann in den Fällen, in denen keine hohe Meßgeschwindigkeit erforderlich ist, durch eine radioaktive, Gammastrahlen oder Röntgenstrahlen aussendende Quelle ersetzt werden.

Die die Bahn 13 durchsetzende Röntgenstrahlung wird in an sich bekannter Weise vom Detektor 23 gemessen, der beispielsweise eine Ionisationskammer, ein Szintillationsdetektor, oder ein Festkörperdetektor für Röntgenstrahlung sein kann. Dabei gilt die bereits oben erwähnte Formel

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wobei mit U₁ der Absorptionskoeffizient des Materials und mit T seine Dicke bezeichnet sind. Der Absorptionskoeffizient U₁ wird in erster Linie vom photoelektrischen Effekt bestimmt und reagiert damit sehr genau auf die Materialzusammensetzung. Ein Teil der vom Material gestreuten Röntgenstrahlung wird von dem an und für sich bekannten Detektor 25 gemessen, der ebenfalls beispielsweise eine Ionisationskammer, ein Szintillationsdetektor oder ein Festkörperdetektor für Röntgenstrahlung sein kann. Durch geeignete Filterung wird verhindert, daß die Detektoren und 25 auf Fluoreszenz-Röntgenstrahlung ansprechen, die in dem Material durch die absorbierte, von der Quelle 21 aus_jgesandte Röntgenstrahlung entsteht.

Die vom Detektor 25 empfangene Strahlung setzt sich zusammen aus Röntgenphotonen, die vom Material inkohärent gestreut werden (Compton-Effekt oder Compton-Streuung) sowie kohärent gestreut werden. Da die kohärente Streuung im wesentlichen nach vorne gerichtet ist, empfängt der Detektor 25 die rückgestreute Strahlung, die im wesentlichen auf dem Compton-Effekt beruht.Die Intensität der vom Detektor 25 empfangenen rückgestreuten Strah lung eines Volumens dv in einem bahnförmigen Material beträgt

C · " cK (3)

wobei H ein Faktor ist, der dem Streuquerschnitt des Materials und der geometrischen Anordnung des Detektors 25 in Bezug auf die Quelle 21 proportional ist, sowie dem Auftreffwinkel der Röntgenstrahlung auf den Detektor 25 und dem Querschnitt des Röntenstrahles während u„ der scheinbare Apsorptionskoeffizient für die gestreute Strahlung ist. Mit "y" ist eine Achse bezeichnet, die sich von der Quelle zum Detektor 23 erstreckt, unter der Annahme, daß die Dicke T des zu messenden Materials sich

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parallel zur y-Achse erstreckt, wobei mit y = O Mieder Quelle 21 benachbarte Kante und mit y = T die dem Detektor 23 benachbarte Kante des Materials bezeichnet sind. Die gesamte gestreute Intensität (I), die vom Detektor 25 gemessen wird, erhält man durch Integration der Gleichung 3 und zwar von y = O bis y = T für konstantes O :

Aus dieser Gleichung 4 ist ersichtlich, daß für sehr dicke Ma terialien, deren Dicke sich dem Wert unendlich nähert, die ge messene gestreute Strahlung sich einem konstanten Wert I_ nähert, wobei

Χ ti— I

ist.
Werden nur die Quelle 21 und der Detektor 25 zur Dickenmessung eines Materials verwendet, dessen Absorptionskoeffizient sich nicht mit der Dicke ändert, und dessen Zusammensetzung nicht veränderlich ist, so erhält man eine Beziehung zwischen der Dicke und R_s:

- ²

& S

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Vergleicht man zwei Materialien (1) und (2) unendlicher Dicke, so gilt für das Verhältnis der Absorptionskoeffizienten bei unendlicher Dicke

oo

Im vorliegenden Fall sind die zu messenden Materialien noch viel weniger massiv als die oben angenommenen Materialien unendlicher Masse. In Transmissionsmessungen mit P^ntgenstrahlenabsorption liegt der Messbereich anerkanntermaßen zwischen 0,9 >. R₁ >0,1, so daß der Viert von R nominal zwischen ungefähr 0,20 und 0,99 liegt. Das Energiespektrum der Quelle 21 wird so gewählt, daß R₁ für die in Frage kommenden Materialien im oben angegebenen Bereich liegt. So wird zum Beispiel im Falle von Aluminiumlegierungen mit einem Dickenbereich von 0,025 cm bis 0,50 cm (0,010 inch bis 0,200 inch) eine Röntgenstrahlung mit einer mittleren Energie von ungefähr 22 KV gewählt.

Die Vorrichtung wird dadurch geeicht, daß die Transmissionsintensität und die Streuintensität und ihre Verhältnisse einer Anzahl Bezugsmaterialien bekannter Dicken und Dichten oder Massen pro Flächeneinheit mit konstanter Zusammensetzung, wie beispielsweise reines Aluminium, gemessen werden. Zusätzlich wird, beispielsweise im Falle von Aluminium, die Vorrichtung dadurch geeicht, daß die gleichen Messungen mit einer Reihe Legierungen bekannter Zusammensetzungen und bestimmter Dicken durchgeführt werden, wobei im Falle einer bestimmten Sollwert-Zusammensetzung der Legierung diese für alle verwendeten Dicken gleich bleibt. Der Absorptionskoeffizient für jede Legierung

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bestimmten Sollwertes als auch für das als Bezugspunkt dienende Standardmaterial wird danach durch graphische Kurvendarstellung festgelegt, wobei die gemessenen Transmissionsgrade (R₁) in Gleichung 2 und die gemessenen Streugrade (R ) in Gleichung 6 eingesetzt werden, unter Verwendung der bekannten Dicke,

Da sich der Röntgenstrahl normalerweise aus einem gewissen Energiebereich zusammensetzt,un·.¹ iaibni wachsenden Materialdicken mehr Röntgenstrahlen geringererEnergie absorbiert werden, verschiebt sich die mittlere Energie des hindurchgelassenen Strahles zu höheren Energien, woraus eine Veränderung des Absorptionskoeffizienten mit der Dicke resultiert. Die aus dem Eichvorgang bestimmten Absorptionskoeffizienten haben die folgende Form

wobei F(R₁) und G(R₁) Polynome oder Funktionen von R₁ sind und mit μ, und μ, bekannte OJerte von μ₁ und μ bei annähernd unendlicher Materialdicke bezeichnet sind. Die gemessene Streustrahlung durchdringt im allgemeinen eine größere Materialdicke als die hindurchgelassene Strahlung, wodurch sich ihre Energie etwas mehr verschiebt als diejenige des hindurchgelassenen Strahls, so daß im allgemeinen μ₁ /μ₃ ist. Die Koeffizienten μ₃ und μ₄ werden in einem Computerspeicher für jede Legierung oder Zusammensetzung bekannter Werte eingespeichert.

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ORIGINAL INSPECTED

Für die Dicke T einer bestimmten Legierung mißt die Vorrichtung die hindurchgelassene und die gestreute Intensität und bildet die Grade R₁ und R-, wobei

und

sr

sind, und mit I der Wert der gestreuten Intensität eines

S Γ

sehr dicken (mathematisch gesehen unendlich dicken) Standard-Vergleich-Materials, wie beispielsweise reines Aluminium,bezeichnet ist. Der Wert I wird während der Eichung der Vorrichtung bestimmt und im Speicher des Computers 33 gespeichert,

Aus den Gleichungen 6 und 7 folgt

R₂ =

tr

A -

(M)

worin A definiert ist als

/<3

FC

wobei mit \i. der asymptotische Wert des scheinbaren Absorptionskoeffizienten der Streustrahlung für die verwendete Zusammensetzung des Materials im Meßbereich und mit μ. der asymptotische Wert des scheinbaren Absorptionskoeffizienten für die Streustrahlung eines sehr dicken Vergleichsmaterials, beispielsweise reines Aluminium, bezeichnet sind und die im Eichverfahren bestimmt wurden.

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Durch Einsetzen von Au₁=μ in Gleichung 11 erhält man

C. =

λ - c R,)'

Z A

ill)

und daraus

Λ -<■

2 Λ

Für einen bestimmten Transmissionsgrad R₁ sind die Funktionen F(R.) und G(R₁) konstant, ebenso wie A, während für die Mnderung des Absorptionskoeffizienten 1

für die hindurchgelassene Strahlung aus Gleichung 12 folgende Beziehung folgt:

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Daraus ergibt sich der neue, korrigierte Absorptionskoeffizient μ für die durchgelassene Strahlung zu:

Unter Verwendung dieses neuen Wertes u berechnet der Computer

den zusammensetzungsabhängigen, korrigierten Dickenwert

T zu
c

τ =

unter gleichzeitiger Korrektur offensichtlicher Dickcnfehler in Abweichungen oder Verschiebungen der Sollwert-Zusammensetzung der Legierung.

Der Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird im Zusammenhang mit Figur 1 erläutert; die von den Detektoren 23 und 25 stammenden Analogsignale, die die gemessenen Intensitäten I₁ und I darstellen, werden dem Multiplexer und Analog-Digital-Umsetzer 31 zugeführt. Ein Multiplexer wird verwendet um auf herkömmliche Art und Weise eine Kombination von Zeitunterteilung oder Frequenzunterteilung der von den Detektoren 23 und 25 stammenden Signale durchzuführen. Der Analog-Digital-Umsetzer wird benötigt, um das Multiplex-Signal in ein Digital-Signal umzuwandeln, das vom Computer 33 verarbeitet werden kann.

Der Computer 33 ist mit dem Multiplexer und dem Analog-Digital-Wandler 31 verbunden und mit einem Interface versehen, um die empfangenen Signale derart umzuwandeln, daß sie vom Computer

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verarbeitet werden können. Der Computer 33 kann ein für allgemeine Zwecke geeigneter Computer sein, oder vorzugsweise ein Mini-Computer oder ein Mikroprozessor, der geeignet ist, die oben angegebenen mathematischen Gleichungen auszurechnen, nachdem sie in den Computer 33 eingegeben worden sind. Elektronische Bauteile 31, 33, 35, 37 und 39 können in einem gemeinsamen Gehäuse 11 von der Quelle .21 entfernt untergebracht werden.

Grundsätzlich bildet der Computer 33 die ^rade ^Ri R- der von den Detektoren 23 und 25 stammenden digitalisierten Intensitäten und berechnet die genaue Materialdicke entsprechend Gleichung 17 und den vorhergehenden Gleichungen.

Es wurde bereits weiter oben festgestellt, daß die erfindungsgemäße Vorrichtung dadurch geeicht wird, daß die Transmissions- und Streuintensitäten und Grade gemessen werden einer Reihe vorgegebener Materialien bekannter Dicken oder Massen pro Flächeneinheit und gleichförmiger Zusammensetzung. Von diesen Eichmessungen werden entsprechende Sollwert-Absorptionskoeffizienten bestimmt. Des weiteren wurde die Veränderung des Absorptionskoeffizienten mit zunehmender Bahndicke im Zusammenhang mit Gleichungen 9 und 10 erörtert, wobei Polynom-Koeffizienten abgeleitet wurden, um die Veränderung als eine Funktion von R. auszudrücken. Die Eichdaten für jede Legierung oder jede Art von Material, einschließlich der Standard- oder Vergleichsmaterialien, wird im Speicher des Computers 33 als μ~ und μ. gespeichert, ebenso wie die Koeffizienten für die Polynome F(R₁) und G(R₁).

Da sowohl U₁ als auch μ Funktionen von R₁ sind, kann anstelle

IS I

der Vergleichslegierung ein Fernschreiber 39 oder ein anderes Eingabe/Ausgabegerät 35 verwendet werden, um die Angaben über das Vergleichsmaterial in den Computer einzugeben sowie die Werte für die Polynom-Koeffizienten und μ, und μ, abzurufen.Da

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μ, und μ. die bekannten Werte von μ., und μ bei annähernd unendlicher Materialdicke sind und ebenfalls im Speicher des Computers 33 gespeichert sind, können diese Werte für ein bestimmtes Material abgerufen werden, um den Koeffizienten A im Zusammenhang mit Gleichung 11 zu berechnen. Dabei sei festgestellt, daß \i. und μ- den asymptotischen Wert des scheinbaren Absorptionskoeffizienten für eine bestimmte Materialzusammensetzung bzw. den asymptotischen Wert für den scheinbaren Absorptionskoeffizienten der Streustrahlung eines sehr dicken Vergleichsmaterials, wie z.B. reines Aluminium, darstellen.Diese Werte ermöglichen die Berechnung eines korrigierten Absorptionskoeffizienten μ gemäß Gleichung 16. Der korrigierte Ab-Sorptionskoeffizient μ ermöglicht eine Dickenberechnung gemäß Gleichung 17 oder eine Berechnung der Masse pro Flächeneinheit gemäß derselben Gleichung durch Verwendung einer einfachen Dichteformel.

Wird die erfindungsgemäße Vorrichtung beispielsweise in einer Walzstraße eingesetzt, so bedient eine Bedienungsperson ein Bedienungspult 3 5, mit dem gewünschte Dicken und Legierungswerte eingegeben und dem Computer 3 3 zugeführt v/erden können. Der Dickenmesser mißt dann die Abweichung vor^^blldicke, wonach dieser Wert dem Digital-Analog-Umsetzer 37 zugeführt wird, der ein Fehler- oder Abweichungssignal der Steuervorrichtung der Walzstraße in Richtung des Pfeiles B zuführt. Das digitalisierte, die Abweichung der gemessenen Dicke von der Solldicke beinhaltende Signal, sowie auch die Solldicke und die tatsächliche Dicke können anderen digital arbeitenden Geräten zur Steuerung der Walzstraße zugeführt werden.

In den US-PS 3 843 434; 3 844 870; 3 930 922 und 3 235 732 ist beschrieben, wie Dickensignale verwendet werden können,um die Bahndicke in einer Walzstraße zu steuern.

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Das Eingabe/Ausgabegerät 39 mit Sichtfenster (teletype) kann entweder zur Eingabe für den Computer 33 verwendet werden oder zur schreibenden Ausgabe von Daten, die die Bahndicke und die Abweichung von der gewünschten Dicke angeben.

Wie aus der Figur ersichtlich, kann die Quelle 21 an einem Metallrahmen 51 befestigt sein, der ebenfalls die Detektoren 23 und 25 trägt. Der Rahmen 51 ist bewegbar auf Schienen 53 angeordnet und kann über die Bewegungsrichtung der Bahn 13 mittels eines Motors 55 verschoben werden. Das heißt mit anderen Worten, daß die Quelle 21 die Breite der Bahn 13 abtasten kann. Die Bewegungsrichtung des Rahmens 51 ist oberhalb des Detektors 23 durch den Pfeil A angedeutet.

Obwohl der Computer 33 als ein für allgemeine Zwecke geeigneter Computer oder ein Mini-Computer oder ein Mikroprozessor genannt ist, sei festgehalten, daß der Computer alle funktionellen und notwendigen Schaltkreise aufweisen muß, um die oben angegebenen Gleichungen im Zusammenhang mit den einzelnen Daten auszurechnen. Dies kann einen "random-access"-Speicher erfordern,als auch einen programmierbaren Lesespeicher. Derartige Speicher und die sie verbindenden Schaltkreise,sowie diejenigen,die sie mit dem Computer verbinden und die zur Durchführung der Berechnungen notwendig sind, gehören zu den Vergleichsmitteln um Daten vom Bedienungspult 35 oder dem Eingabegerät 39 oder von beiden zu erhalten und um, wie oben beschrieben, Zugriff zu gespeicherten Eichdaten zu haben, innerhalb der Vergleichsmittel und über einen Interface mit dem Rechenteil des Computers,dergestalt, daß die Eingabesignale, die den Transmissionsgrad R₁ und den Streugrad R₃ ¹V²³AeIt^t werden können, wie bereits näher erläutert, um einen korrigierten Absorptionskoeffizienten μ zu gewinnen. Diese Vergleichsmittel weisen auch Schaltkreise oder Schaltmittel auf, die mit dem Rechner derart zusammenwirken, daß sie den korrigierten Absorptionskoeffizienten μ und das den Transmissionsgrad beinhaltende Signal R₁ derart verarbeiten, daß bei bekannter Materialdichte Signale erzeugt werden, die die wahre Masse pro Flächeneinheit und die wahre Dicke

darstellen. 709881/1224

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Die Wirkungsweise der Vorrichtung kann, wie folgt, beschrieben werden:

a. Eichen der Vorrichtung wie beschrieben, Bestimmen von

I ,μ,,μ., der Koeffizienten für die Polynome F(R₁), G(R₁); I , U_4r* y und Einspeichern dieser Werte in den Computerspeicher für jede Legierung oder jedes Material.

b. Eingaben der entsprechenden Werte in den Computer der Legierung oder des Materials und die entsprechende Dicke und insbesondere Eingeben von μ^, μ. sowie auch spezifische Koeffizienten für die Polynome F(R₁) und G(R₁),

c. Erneute Messung von I und überprüfung von I proportional zu I , wenn I von im Eichschritt bestimmten Wert unterschiedlich ist. Messung von I₁ und I .

d. Berechnung von R₁ und Abrufen von I , danach Berechnung von R₂.

e. Berechnung von A durch Abrufen von μ., μ.., F(R₁), G(R₁) nach Einsetzen von R₁ in die Polynom-Gleichungen.

f. Berechnung von \i. unter Einsatz von A in Gleichung 14 sowie von R₁, R~ und μ_4Γ· Danach Berechnung von AH4

μ4

unter Verwendung von μ. und μ. Danach Berechnung von μ₁ unter Verwendung von R₁ und μ- sowie F(R₁). Danach Multiplikation von \i. mit

¹ O

gemäß Gleichung 16 um μ zu erhalten.

Berechnung von T oder J>T gemäß Gleichung 17. Die oben genannten Schritte beinhalten Verfahren zur Verwendung von Daten, die von den Detektoren gemäß der vorliegenden Erfindung gewonnen wurden sowie auch von bekannten Daten und spezifischen Werten. Der Schrittablauf kann auch vom Fachmann geändert wer-

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den, ohne aab aao.uien der erfindungsgemäße Gedanke verlassen wird.

Zusammenfassend kann gesagt werden, daß Meßgerät die Masse pro Flächeneinheit oder alternativ die Dicke von bahnförmigem Material dadurch mißt, daß die Schwächung und die Rückstreuung eines Röntgenstrahles oder dergleichen gemessen wird, während kontinuierlich Abweichungen und Änderungen örtlicher Materialzusammensetzungen berücksichtigt werden, und zwar insoweit.als diese den Transmissions-Koeffizienten des Strahles beeinflussen, Die diese Abweichung darstellenden elektrischen Signale werden mit Eichsignalen für vorgegebene Materialeigenschaften bestimmten Wertes kombiniert, das heißt mit solchen einer Sollwert-Zusammensetzung. Das resultierende Ausgangssignal stellt die Masse pro Flächeneinheit oder die Dicke dar.

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Claims

PATENTANWÄLTE

OR. CLAUS REINLANOER DIPL.-ING. KLAUS BERNHARDT

Orthstraße 12 · D-8000 München 60 ■ Telefon 832024/5

Telex 5212744 · Telegramme Interpotent 2729901

♦_t Juli 1977

A19 p1D

John J. Allport, Saratoga, CaI .,USA

Dickenmeßvorrichtung mit Röntgen- oder Gammastrahlen

Priorität: 2. Juli 1976 - USA S.M. 702,285

Patentansprüche

'-■ 1.1 Anordnung zum kontinuierlichen Messen der Masse pro Flüchen^v ' einheit von bahnförmigem Material, dessen Zusammensetzung vom Sollwert etwas abweicht, gekennzeichnet durch:

eine Strahlungserzeugende Vorrichtung zur Erzeugung eines in die Bahn gerichteten Strahlungsbündels, dessen Energie so gewählt ist, daß ein erster Teil des Bündels die Bahn in gerader Richtung von der strahlungserzeu^enden Vorrichtung aus durchdringt und ein zweiter Teil des Bündels von der Bahn

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gestreut wird; eine erste Detektorvorrichtung, auf der der Strahlungserzeugenden Vorrichtung abgewandten Seite der Bahn, die so angeordnet ist, daß sie den ersten Teil des Bündels empfängt, um die Intensität dieses ersten Teils des Bündels zu messen und um ein Ausgangssignal zu liefern, das der das bahnförmige Material durchdringenden Strahlungsintensität entspricht; eine zweite Detektorvorrichtung, die derart angeordnet ist, daß sie den zweiten Teil des Bündels empfängt, um dessen Intensität zu messen und um ein zweites Ausgangssignal zu liefern, das der von dem bahnförmigen Material gestreuten Strahlungsintensität entspricht; ein Rechenwerk, das mit den ersten und zweiten Detektorvorrichtungen verbunden ist zum kontinuierlichen Berechnen des Transmissionsgrades R-, durch Teilung des ersten Ausgangssignals durch das Ausgangssignal der ersten Detektorvorrichtung in Abwesenheit von bahnförmigem Material und zum Berechnen des Streugrades Rp durch Teilung des zweiten Ausgangssignals durch das Ausgangssignal der zweiten Detektorvorrichtung in Anwesenheit sehr dicken bahnförmigen Standard-Materials, wobei die Transmissions- und Streugrade R, und Rp durch elektrische Signale repräsentiert werden und wobei das Rechenwerk Referenzvorrichtungen aufweist zur Aufnahme von Eingängen der Soll-Materialzusammensetzung und zum Speichern von Eichdaten bezüglich der Materialzusammensetzung, und als Eingänge die den Transmissionsgrad R, und den Streugrad R₂ darstellenden Signale erhält, so daß das Rechenwerk die Werte von R, und Rp zusammen mit den Eichdaten verarbeitet und ein einen korrigierten Absorptionskoeffizienten u darstellendes Ausgangssignal liefert, wobei die Referenzvorrichtungen Schaltkreise aufweisen, die mit dem Rechenwerk zusammenwirken, um sowohl das den Absorptionskoeffizienten u darstellende Signal als auch das den Transmissionsgrad R-, darstellende Signal aufzunehmen, um ein die Masse pro Flächeneinheit des Materials darstellendes Signal f T an einem Ausgang zu erzeugen. 70988t 7 1224
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Rechenwerk die Masse pro Flächeneinheit gemäß der Gleichung

m = InR.

?c
berechnet.
3. Anordnung nach Anspruch L, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzvorrichtung in das Rechenwerk betrieblich über Schaltkreise eingeschaltet ist, um die Absorptionskoeffizienten ji, und Ji^ für durchgelassene und gestreute Strahlung für sehr massive und dicke Materialien als elektrische Signale zu präsentieren, wobei das Rechenwerk Polynome F(R,) bzw. G(R,) erzeugt und zugehörige elektrische Signale, die mit den entsprechenden Absorptionskoeffizienten u, bzw. μ^ von sehr massiven und dicken Materialien multipliziert werden, um dergestalt Signale zu erhalten, die die Sollwert-Absorptionskoeffizienten für durchgelassene und gestreute Strahlung am zu prüfenden Material darstellen.
4. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Polynome in einem Speicher mit willkürlichem Zugriff elektrisch spezifiziert sind durch die Spezifikation eines Soll-Materials als bahnförmiges Material.
5. Anordnung nach Anspruch 4·, dadurch gekennzeichnet, daß das Rechenwerk einen vom Transmissionsgrad R, ab hängigen Faktor A erzeugt, gemäß der Gleichung

μ₃ F(R₁)
und ein diesem proportionales elektrisches Signal.

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6. Anordnung nach Anspruch 5i dadurch gekennzeichnet, daß am Eingang des Rechenwerks elektrische Signale anliegen, die die Daten A, R,, Rp, und μ^ darstellen, wobei R, das den Transmissionsgrad darstellende Signal ist, R_? das den Streugrad darstellende Signal und μ^ ein asymptotischer Wert des Signals des scheinbaren Absorptionskoeffizienten der Streustrahlung von sehr massivem und dickem Standard-Material ist, und daß das Rechenwerk Schaltungen aufweist, um ein Signal zu erzeugen, das den korrigierten Absorptionskoeffizienten μι der Streustrahlung von sehr massivem und dickem bahnförmigen Material gleicher Zusammensetzung wie das zu messende Material darstellt.
7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß

das den Koeffizienten μΙ darstellende Signal durch elektrische Kombination der Signale für A₁, R₁, R₂ und u^_p gemäß der

Gleichung _Oh

K ^s Ht -

R₂

gebildet wird.
8. Anordnung nach Anspruch 7* dadurch gekennzeichnet, daß am Eingang des Rechenwerks elektrische Signale anliegen, die die Daten p\_r» Ha » ^u*» F(R, ) darstellen und daß das Rechenwerk Schaltkreise aufweist zur Erzeugung eines den korrigierten Absorptionskoeffizienten μ der durch das Material durchgelassenen Strahlung darstellenden Signals.

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9. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß am Eingang der Computervorrichtung elektrische Signale anliegen, die den korrigierten Absorptionskoeffizienten μ darstellen, sowie den Transmissionsgrad R₁ und daß c ι

die Computervorrichtung Schaltkreise aufweist zur Erzeugung eines die Masse pro Flächeneinheit des bahnförmigen Materials darstellenden Signals.
10. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß am Eingang der Computervorrichtung elektrische Signals anliegen, die die Masse pro Flächeneinheit des bahnförmigen Materials darstellen sowie die bekannte Dichte des bahnförmigen Materials und daß die Computervorrichtung Schaltkreise aufweist zur Erzeugung eines die Dicke des bahnförmigen Materials darstellenden Signals.
11. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungserzeugende Vorrichtung eine Röntgenstrahlenquelle ist.
12. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß diestrahlungserzeugerdeVorrichtung eine Gammastrahlenquelle ist.
13. Verfahren zum kontinuierlichen Messen der Masse pro Flächeneinheit von bahnförmigem Material, dessen Zusammensetzung im Vergleich zu derjenigen eines Standard-Materials etwas veränderlich ist, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:

Erzeugen eines Strahls durchdringender Strahlung, Messen der Intensität dieses durchdringenden Strahls,

Richten dieses Bündels durchdringender Strahlung in ein bahnförmiges Material,
Messen der Intensität der vom Material durchgelassenen Strah-

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Messen der Intensität der vom Material gestreuten Strahlung, Teilen der gemessenen Transmissions-Intensität durch die gemessene Strahlungsintensität,um den Transmissionsgrad zu bilden,

Teilen der gemessenen Streuintensität durch die von einem sehr massiven und dicken Standardmaterial erwartete Streuintensität,um einen Streugrad zu bilden, Vergleichen des Streugrades mit einem anderen von einem Standardmaterial mit gleichem Transmissionsgrad erhaltenen Streugrad,

Berechnen eines korrigierten Materialabsorptionskoeffizienten für dieses bahnförmige Material für Transmission durchdringender Strahlung unter Verwendung der Vergleichswerte der Streugrade und Berechnen der Masse pro Flächeneinheit des bahnförmigen Materials unter Verwendung des Transmissionsgrades und des korrigierten Absorptionskoeffizienten.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die berechnete Ilasse pro Flächeneinheit des bahnförmigen Materials kontinuierlich durch die bekannte Dichte dieses Materials geteilt wird, um daraus die Dicke des bahnförmigen Materials zu erhalten, dessen Zusammensetzung im Vergleich zu einem Material mit Sollwert-Zusammensetzung leicht veränderlich ist.
15. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß als durchdringende Strahlung Röntgenstrahlung verwendet wird.
16. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß als durchdringende Strahlung Gammastrahlung verwendet wird.
17. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß als Streustrahlung die vom bahnförmigen Material rückgestreute Strahlung verwendet wird.

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