DK175850B1 - System og fremgangsmåde til måling af lagtykkelser af et flerlagsrör - Google Patents

Description

... - Ί ' I

j DK 175850 B1 l

Opfindelsen angår et system til måling af lagtykkelser af et flerlagsrør ved måling af dæmpningen af en gennem røret transmitteret røntgenstråling, ved hjælp af et detektor-array.

5 Et system til undersøgelse af plastrør ved hjælp af en gennem røret transmitteret røntgenstråle kendes fra EP 216.705. Dette kendte system er imidlertid ikke i stand til at ! give en tilstrækkelig fin opløsning. Dertil kommer, at det ikke vil kunne kompensere j for rørfluktuationer (vibrationer) under en sådan måling, eksempelvis i forbindelse med en on-line måling af et gennemgående rør.

10

Formålet med opfindelsen er at tilvejebringe et system, der i modsætning til de kendte anlæg har en unik opløsningsevne samtidig med, at følsomheden er stor med henblik på at opnå en nøjagtig bestemmelse af lagtykkelser og/eller densiteter til måling af lagtykkelser af rør.

15

Et målesystem af den indledningsvis nævnte art er ifølge opfindelsen ejendommeligt ved, at detektorarrayet består af parvist placerede scintillationstællere med en kollima-tor for afgrænsning af strålingsfeltet foran den enkelte scintillationstæller, idet der for enden af den enkelte scintilalltionstæller er anbragt en tynd blyholdig scintillationsski-20 ve, hvorhos parrene af scintillationstællere er anbragt forskudt i forhold til hinanden. Detektorkollimatoren har en smal blændeåbning, der er bestemmende for opløsningen under positionsbestemmelse af rørvæggene. Det afgrænsede strålingsfelt har desuden en sådan udbredelse, at alle detektorelementer belyses parallelt. Ved en passende signalbehandling af udgangssignalerne ffa de tæt ved hinanden anbragte detektorelemen-25 ter vil der kunne opnås en ret præcis bestemmelse af tykkelserne af de enkelte lag.

' Fremdeles kan ifølge opfindelsen kollimatoren have en smal blændeåbning, der er til vejebragt i en tynd plade, eksempelvis en tantalplade af en tykkelse på eksempelvis 1 mm. Den enkelte blændeåbning i den tynde plade kan da have en spaltebredde på ca. j 30 50 μτη. En fordel ved at benytte en plade af tantal er at man kan klare sig med en ret |

DK 175850 B1 I

tynd plade og alligevel opnå en tilstrækkelig afskærmning samtidigt med, at den tynde I

plade er forholdsvis let at bearbejde. I

Endvidere kan der ifølge opfindelsen kompenseres for fluktuationer af rørets position I

5 ved en on-line måling af karakteristika af rørvæggen. I

Endelig kan ifølge opfindelsen amplituden af rørvibrationen bestemmes ud fra en må- H

ling af forskellen imellem tidspunktet for detektering af en rørvæg og det forventede H

tidspunkt for detektering af samme rørvæg. I

Opfindelsen angår også en fremgangsmåde til måling af lagtykkelser af et flerlagsrør I

ved måling af dæmpningen af en gennem røret transmitteret røntgenstråling ved hjælp H

af et detektorarray. Fremgangsmåden er ejendommelig ved, at det anvendte detektorar- H

ray består af parvis anbragte detektorelementer med en kollimator til afgrænsning af H

15 strålingsfeltet foran det enkelte detektorelement, idet lagtykkelseme og/eller densiteter- H

ne af de enkelte lag af et flerlagsrør bestemmes ved en simulationsberegning ud fra en H

model, hvor man tilpasser værdierne af hhv. lagtykkelser og/eller densiteter optimalt. H

Opfindelsen skal nærmere forklares i det følgende under henvisning til tegningen, hvor I

20 I

fig. I viser et måleudstyr ifølge opfindelsen bestående af en røntgenkilde og et detek- I

torarray med dertil hørende signalanalyseorganer, I

fig. 2 detektorarrayet med dertil hørende blændeåbninger,

fig. 3 et eksempel på målesignaler fra detektorarrayet, I

fig. 4 en konsol til understøtning af måleudstyret, set henholdsvis forfra og fra siden, I

30 fig. 5 en model for et flerlagsrør, I

--1 DK 175850 B1 3 fig. 6 absorptionskoefficient som funktion af arealvægt og i fig. 7-9 eksempler på målte kurver.

i - j 5 Det i fig. I viste måleudstyr til måling af lagtykkelser af flerlagsrør véd måling af dæmpningen af en gennem røret transmitteret røntgenstråling omfatter en røntgenkilde l og et detektorarray 2 med dertil hørende signalanalyseorganer, eksempelvis i form af en PC. Detektorarrayet 2 består af et n-element array med en kollimator til afgrænsning af strålingsfeltet foran det enkelte detektorelement. Detektorarrayet 2 består i en kon-10 kret udførelsesform af 4 cylindriske scintillationstællere 6 - se fig. 2 - idet der for enden af hver af scintillationstælleme 6 er anbragt en blyholdig plastscintillator 4. Når denne plastscintillator 4 fra siden rammes af en røntgenstråling, udsendes der af plast-scintillatoren 4 et lysglimt, som forstærkes op af scintillationstælleren 6 og føres til en efterfølgende elektronik. På plastscintillatoren 4 er der anbragt en 0,2 mm tyk blyplade 15 5, der tjener som støtteplade for et yderligere detektorelement således, at der dannes et par af detektorelementer. To sådanne par af detektorelementer er anbragt ved siden af hinanden, idet dog det ene par er forskudt en smule i forhold til det andet i længderetningen med en afstand på ca. 0,5 mm. Samtlige detektorelementer er anbragt i et hus, der er dækket af en tantalplade 7 med 4 blændeåbninger 8. Tantalpladen 7 har f.eks. en 20 tykkelse på l mm. Disse blændeåbninger 8 tjener som kollimatoråbninger. Den enkelte kollimatoråbning 8 har en spaltebredde SW, der er bestemmende for opløsningen ved en positionsbestemmelse af en rørvæg. Den enkelte blændeåbning 8 har i en konkret udformning et areal på 50 μπι x 20 mm. Det afgrænsede strålingsfelt har en udbredelse svarende til, at de fire detektorelementer D1? D2, D3, D4 belyses parallelt. Det enkelte 25 detektorelement har en detektionseffektivitet på 80-100%.

Afstanden imellem kollimatoråbningeme 8 (detektorelementeme) betegnes SD.

Detektorarrayet 2 og røntgenkilden 1 er placeret i en ramme 3 og scanner målerøret 30 med en hastighed SS. Rammen 3 er drejelig og forskydelig i forhold til røret. Alle detektorelementer aflæses parallelt og med en eksempleringsffekvens svarende til, at der

DK 175850 B1 I

opnås i hvert fald 10 eksempieringer over en skanderingslængde svarende til spalte- I

bredden SW. Hvis spaltebredden SW er 0,05 mm, og skanderingshastigheden SS er 1 I

mm/sek., ønskes en eksempleringsfrekvens, der er højere end SS/0,5 SW = 40 ek- I

sempleringer/sek. I

For en samlet rørskandering opsamles der måledata fra hver af detektorelementeme. I

Ved hjælp af metoder for detektering og positionering af dentitetsovergange i røret be- I

stemmes primært rørvæggens indre og ydre overflade (indre og ydre radius), hvilket vil I

blive forklaret senere. Til tidspunktet to - se fig. 3 - detekterer det første detektorele- I

10 ment D| den ydre rørvæg. Til tidspunkterne t|, t2, t3 detekteres samme ydre rørvæg af I

detektorelementeme D2, D3 og D4. Indervæggen af rørets kappe detekteres for de viste I

detektorelementer til tidspunkterne t4, t5, ^ og t7. Rørvæggens tykkelse kan beregnes ud I

fra differensen imellem detekterede positioner af yder- og indervæggen. Dette er angi- I

vet som wh w2, w3, w4 for de fire detektorelementer D,, D2, D3, D4. Resultatet af de fire I

15 skanderinger kan derefter midies for opnåelse af en mere statistisk korrekt måling. In- I

dervæggen betragtes her som en lokal densitetsovergang under transmissionsmålinger- I

ne. Tilsvarende kan en lokal densitets-overgang være overgangen mellem forskellige I

lag i rørvæggen af et flerlagsrør. Hvis rørvæggen består af flere forskellige lag, og disse I

har forskellige densiteter, kan overgangene derimellem ligeledes behandles ved hjælp 20 af efterfølgende kompensationsmetoder.

1. Kompensationsmetode I

Kompensationsmetoden har til formål at give en markant forbedring af opløsningsevne, I

25 følsomhed og signal-støjforhold.

Positionen for detektering af ydervægen af et rør korrigeres for hvert detektorelements I

kantdetektionssignal, således at afstanden imellem tidspunkterne to og tb t| og t2, t2 og I

t3 bliver ens. Dette sker ved at addere en tidsforskydning (positiv eller negativ) til de I

30 angivne signaler Di.....D4. Efterfølgende beregnes middelværdien af tykkelsen af rør- I

væggen, og den enkelte kurve ekspanderes eller komprimeres på tidsaksen således at 5 DK 175850 B1 kantdetektionssignalet for rørindervæggen positioneres samme sted på tidsaksen. Signalerne for hver af detektorelementeme Dh D2, D3) D4 kan derefter adderes eller midies for opnåelse af en statistisk optimering af måleresultatet.

5 2. Kompensationsmetode

Kompensationsmetoden har til formål at kompensere for rørfluktuationer. Kompensationerne sker på basis af måling af amplitudeværdier og tidsværdier for kanterne og passage af de enkelte array elementer. På basis af disse værdier repositioneres måledatae-10 ne, hvorved virkningerne af rørfluktuationeme elimineres.

\

Amplituden af rørvibrationen Va - se fig. 3 - bestemmes ved at måle tidsforskellen for detektering af en rørvæg i forhold til forventet tidspunkt for detektering af samme rørvæg, såfremt vibrationen/fluktuationen var lig med nul. Dette sammenholdt med spal-15 tebredden SW og skanderingshastigheden SS giver amplituden af vibrationen.

Placeringen af målingen på tidsaksen skal følge tidsintervallerne for forventet rørkant-måling (målehyppighed eller eksempleringsfrekvens). Ved hver kant gives n-1 ek-sempleringer, hvor n er antallet af detektorelementer Di, D2, D3, D4 i detektorarrayet2.

20

Ovennævnte målehyppighed betragtes her som eksempleringsfrekvens ikke at forveksle med detektionshyppigheden af detektorerne.

Med n-1 eksempleringer ved hver kant (eller densitetsovergang) kan der ved en fre-25 kvensanalyse bestemmes basisfrekvens, amplitude og fase af rørets vibration. Til tidspunktet t kan kantdetektionssignaleme efterfølgende kompenseres for rørets vibration, således at der opnås en korrekt radiær densitetsprofil af rørvæggen.

Lagtykkelser i rørvægge ved on-line scanning af plastrør bestående af flere lag bestem-30 mes derefter på følgende måde: ί

DK 175850 B1 I

måleprincippet er baseret på en registrering af transmitteret stråling i en idealiseret H

(smalt kollimeret) transmissionsgeometri. Scanningen udføres radiært, og måledata po- H

sitioneres i forhold til radius af måleemnet. Måledataene repræsenterer fladevægten af H

et volumenelement af emnet, der er afgrænset af to indbyrdes adskilte korder i rørets H

5 cirkel, og afstanden imellem korderne repræsenterer opløsningen. Opløsningen er ty- H

pisk ΙΟ μπ\ eller 100 målinger pr. scannet mm. Der scannes over hele rørets diameter, H

bl.a. for on-line bestemmelse af rørets diametre. H

Til bestemmelse af lagtykkelse og dermed adskillelse af de forskellige lag skal man lo- I

10 kalisere overgange mellem forskellige materialekarakteristika, f.eks. mellem to for- I

skellige densiteter og/eller lagovergange med dæmpningstværsnit, der i strålingsmæs- H

sig henseende er forskellige. H

Til dette formål opstilles en model for et flerlagsrør - se fig. 5. Ved hjælp af denne mo- H

15 del beregnes et referencesignal ved en given position af det radiære tværsnit af røret. H

Rørets centrum har koordinaterne (0,0). Referencesignalet er strålingsintensiteten I ved

detektoren som funktion af følgende parametre: I

P positionen på rørets radius, hvor målingen foretages, I

20 I

drd4 diameterangivelser for rørets forskellige lag, I

Dens 1-3 densitetsangivelser for de forskellige lag, H

25 μίΑΙίβ) middelabsorptionskoefficienten ved "lav arealvægt",

^(Beta) korrektionsabsorptionskoefficienten ved "høj arealvægt". I

Modellen er illustreret i fig. 5. I

30 I

H

- —---- Ί DK 175850 B1 7

Signalet I beregnes ved hjælp af formlen: j _ j^*e-rfreS)*AW(lot) 5 hvor 10 er målesignalet ved en arealvægt på 0, og /i(res) er den resulterende absorbtionskoefficient, og AW(tot) er den totale arealvægt.

For positionen P svarende til afstanden a fra centrum beregnes 10 længderne af korderne Yj, Y2, Y3 og Y4 ud fra diametrene dj, d2, d3 og <14. Den totale arealvægt AW(tot) er lig med summen af arealvægten af de forskellige lag, hvilket udtrykkes som AW(tot)= AW(lagl)+A(lag2)+AW(lag3).

Resulterende arealvægt svarende til positionen P er AW(tot)a = (Yi -Y2)*Densl+(Y2-15 Y3)*Dens2+(Y3-Y4)*Dens3. Kalibreringsabsorbtionskoefficient /i(res)a beregnes ud fra de angivne værdier af absorbtionskoefficienteme ^(Alfa) og ji(Beta), hvor //.(Alfa) er bestemt ud fra den aktuelle materialesammensætning af røret, energispektralindholdet i røntgenstrålingen samt målegeometrien, og /i(Beta) tjener til at korrigere /i(Alfa) i afhængighed af areal vægt for at opnå μ^βε).

20 ^(res) bestemmes derefter ud fra værdien /x(Alfa), der skal korrigeres i overensstemmelse med arealvægten ud fra kurven i fig. 6 eller ud fra en tilnærmet lineær funktion for arealvægte mellem f.eks. 2 og 10 g/cm2, jff. fig. 6.

25 Der anvendes en kombination af følgende: 1. Direkte måling.

i 2. Parameterafgrænsning enten ud fra et produktbibliotek og/eller ved anvendelse 30 af direkte målte parametre.

DK 175850 B1 I

3. Bestemmelse af parametre ved hjælp af en modelberegning for fastlæggelse af I

"mest sandsynlige kombination" ved at sammenholde modelberegningen med målte da- i I

tasæt under anvendelse af mindste kvadraters metode. : H

5 Ved hver måling scannes der over hele rørets diameter, og måledataene I registreres I

sammen med de øjeblikkelige positioner. I

Efter hver scanning normaliseres måledataene for tilvejebringelse af et dataforløb, der H

angiver cpp (counts per periode) som funktion af positionen. I I

10 i I

di (ydre diameter), d4 (indre diameter) og eventuelt også d 2 bestemmes ved en analyse ! H

af signal forløbet og afsøgning for "lokale ekstremer" i form af niveauovergange i sig- H

nalforløbet, der indikerer lokale densitetsovergange i røret. I

15 Densl (densitet af yderste lag) bestemmes ligeledes ved en direkte måling, og alle di- I

rekte målte parametre indgår derefter i den endelige bestemmelse af parametersættet H

efter "mindste kvadraters metode". I

Ud fra disse beregninger får man diametrene dh d4 og eventuelt også d2 samt Densl I

20 som direkte målte parametre. I

d2 og d3 samt Dens2 og Dens 3 vil blive angivet som mest sandsynlige parametre efter I

modelberegningerne. Når alle diametre er fastlagt, vil lagtykkelseme herigennem også I

være fastlagt. I

25 . I

Den “mest sandsynlige kombination af parametre” bestemmes på følgende måde. H

I

Parametrene d2, d3 samt Dens 2 og Dens 3 ønskes fastlagt ved hjælp af princippet for I

mindste kvadraters metode. H

30 I

---- DK 175850 B1 9

Input datasættet er et sæt af data repræsenterende målt signal (cpp) i en given position P i det radiale tværsnit (fig. 5).

Modelberegningen følger den ovenfor angivne funktion: 5 . j _ J *g -/i(rcs)*AW(tot) hvor 10 AW(tot)a = (Yl-Y2)*Dens l+(Y2-Y3)*Dens2+(Y3-Y4)*Dens 3 og I //(res) beregnes ud fra angivne værdier for //(Alfa) og //.(Beta) ud fra fig. 6.

15

Yl, Y2, Y3 og Y4 er kordelængder, der kan beregnes ud fra de variable parametre dl, d2, d3 og d4.

Dens 1, Dens 2 og Dens 3 er ligeledes variable parametre, dl, d4 og Dens 1 fastlægges ved direkte målinger.

20 I positionen P er herefter givet parametrene: d2, d3 samt Dens 2 og Dens 3.

Ved hjælp af Levenberg-Marquardt algoritmen bestemmes herefter det parametersæt ci, hvor der opnås den mindste kvadrede afvigelse (mse - means squared error) efter 25 formlen:

DK 175850 B1 I

10 I

Hvoryi er input værdien til position i; f(xi,o) er model funktionsværdien i samme posi- I

tion med parametersættet a (bestående af d2, d3, Dens 2 og Dens 3), og n er antallet af I

eksempleringer i datasættet. I

5 Ved denne metode starter man med et kvalificeret gæt af begyndelsesparametre. Deref- I

ter beregnes mse efter den angivne formel. Dernæst varieres den første parameter i små I

step indtil mse antager et minimum. Man har derved en god indikation af den første pa- I

rameter, som benyttes i det følgende. Dernæst varieres den anden parameter, indtil mse I

antager et minimum. Man har derved en god indikation af den anden parameter, som I

10 benyttes i det følgende. Når man på denne måde har været alle parameterværdieme I

igennem og har fundet et sæt af parameterværdier, starter man forfra med dette nye sæt I

af parameterværdier som et mere kvalificeret gæt af begyndelsesparametre. I

Denne proces i virkeligheden er en iterationsproces, der gerne skulle konvergere. Pro- I

15 cessen fortsættes, indtil parametrene er fastlagt med den ønskede nøjagtighehed. Itera- I

tionsrækkefølgen vil imidlertid kunne varieres på mange måder. Blot er det et krav, at I

iterationen skal være konvergerende, mse og de fundne parametre bedømmes efterføl- I

gende kvalitativt, og et evt. nyt startgæt kan resultere i en ny beregningssekvens. Dette I

gentages et antal gange, indtil de fundne resultater kan accepteres. I

20 I

Det skal bemærkes at de pågældende flerlagsrør ikke nødvendigvis er stive. I

Claims (9)

1. System til måling af lagtykkelser af et flerlagsrør ved måling af dæmpningen af en 5 gennem røret transmitteret røntgenstråling ved hjælp af et detektorarray (2) k e n d e-tegnet ved, at detektorarrayet (2) består af parvist placerede scintillationstællere med en kollimator for afgrænsning af strålingsfeltet foran den enkelte scintillationstæller, idet der for enden af den enkelte scintillationstæller er anbragt en tynd blyholdig scin-tillationsskive (4), hvorhos parrene af scintillationstællere er anbragt forskudt i forhold 10 til hinanden.

2. System ifølge krav l,kendetegnet ved, at der på scintillationsskiven (4) er anbragt en forholdsvis tynd blyplade (5), der tjener som støtteplade for en yderligere detektor, således at der dannes et detektorpar. 15

3. System ifølge krav 2,kendetegnet ved, at to detektorpar er anbragt ved siden af hinanden, idet dog det ene detektorpar er forskudt i længderetningen i forhold til det andet detektorpar.

4. System ifølge krav 3, kendetegnet ved, at det ene detektorpar er forskudt ca. 0,5 mm i længderetningen i forhold til det andet detektorpar.

5. System ifølge krav 1,kendetegnet ved, at kollimatoren har en smal blændeåbning (S), der er tilvejebragt i en tynd plade, eksempelvis en tantalplade (7) af en tyk- 25 kelse på eksempelvis 1 mm.

6. System ifølge krav 5, kendetegnet ved, at den enkelte blændeåbning i den tynde plade (7) har en spaltebredde på ca. 50 μτη. DK 175850 B1 I

[ 7. System ifølge krav 1,kendetegnet ved, at der kompenseres for fluktuationer, H såsom vibrationer af rørets position ved en on-line måling af karakteristika af rørvæg- H gen.

8. System ifølge et af de foregående krav 7, kendetegnet ved, at amplituden af H rørvibrationen bestemmes ud ffa en måling af forskellen imellem tidspunktet for detek- H tering af en rørvæg og det forventede tidspunkt for detektering af samme rørvæg. H

9. Fremgangsmåde til måling af lagtykkelser af et flerlagsrør ved måling af dæmpnin- H 10 gen af en gennem røret transmitteret røntgenstråling ved hjælp af et detektorarray H (2), kendetegnet ved, at det anvendte detektorarray (2) består af parvist anbragte H detektorelementer med en kollinator til afgrænsning af strålingsfeltet foran det enkelte H detektor-element, idet lagtykkelseme og/eller densiteterne af de enkelte lag af et fler- H lagsrør bestemmes ved en simulationsberegning ud fra en model, hvor man tilpasser H 15 værdierne af hhv. lagtykkelser og/eller densiteter optimalt. H DK 175850 B1 4 ^ V ^ ml-jP Bf O Fig. 1 I DK 175850 B1 I I 6^S_ ^6 I I x4 I Η ΊΜΜΜΙΆ -N. ^ i I V4 I I 6^^ '^6 I ,_/ I f—~~δ I I Fi9'2 I DK 175850 B1 1 slidsafstand (SD) -* /P\ | | —► skanne hast. (SS) D4 D2 D3 Dl Λ y ti v! i t x-pl— w1 Dl -b-n___,W2 kant defekt. D3 __- w4 lJw\, 10/ 12//\161?\ \ <77 (13W15 w mean Va n /Λ7γ5/Λ /Λ 1172\T ^77 \ 7 F/y. 5 I DK 175850 B1 I I I I ^3 I I lJ-1-μ-μ I I il I I ψ\ I i i I I I I I Fig. 4 I DK 175850 B1 Y1 __χ t — -l's' / v\^Logh Densl // )\^~Log2; Dens 2 ^/// ^—Log3;Dens3 Λ__5,^-- Fig. 5 0.80 _____________ 0.70---Ϊ- 0.60--—----~ — — ^ 0.50--- § OM-- LT) 0.30--:-- S 0.20--- ^0.10--- 0.00--1-1-1-1-1 0.0 2.0 4.0 6.0 6.0 10.0 areolvægt (AW) g /cm 2 Fig. 6 I DK 175850 B1 I I k I μ I t— CM CO Tt 1¾¾ E I CUOQQQQ ^ I I I "'· I t ' T’ ΓΗ" I " I “1Γ·|®Τ^Γ I—I—I 1—I—I—I—I—I 1—I—I—I 1 1—I—I— - I lo O O O I O O O I CO CM T- I osgaiQl-do I DK 175850 B1 1 % Jr § r : ^ - 2 - σ> : : : - o f ro _ : E i £ rg $ : o. : i i S - o ^ : <° » u : o : E Lo E ~ tn T- ' o : o Lo <d : ^ 3 _____ : </) -CT------ ; _a> : a \ «o E ,> - Γ0 03 > i w L o c--'3 : o> *·> Lo <. - r- — ^ " |llitiuii|iiiilJiiijiiUithl|liiiiuii|iiiiiiiii|iiiumi|iiiiiiiii|uiiiiili|iliiiii<i|iIlinin|lllmiii|iiiiiliu|iiiuiili|iiiliilll|lllllllII|IIIIIUII “ O ooooooooooooooooo oooooooooooooooo (Oin'itOC'jT-OffiCOSiOlO^CONr· t— t— t— t— t— r· t— ddo .____ . _____ _ ____ _^ II DK 175850 B1 I o .JjK I - CD o w r§ 5 I o ^ ^ J“ I ">> o \ Γ r«- s> I Lo I Lo I : ™ Lo r i i..... i - i i i 1===4 ° . I ooooooooo I opoooooo I CON-COlD'^fcOCM'r- m\l Sjxv Λ I