Введение к работе
Актуальность темы: Задача повышения качества выпускаемой продукции в настоящее время приобретает особое значение в общей, проблеме ускорения научно-технического прогресса. Решению этой задачи в немалой степени способствуют неразрушающие физические методы и средства контроля качества.
В производстве холоднокатанных лент и полос, наряду с возрастающей потребностью увеличения объемов производства, постоянно растут требования к расширению сортимента и повышению точности проката, непрерывно происходит совершенствование и создание новых реверсивных станов и станов непрерывной прокатки.
Важным звеном, обеспечивающим получение высокого качества, точности проката и экономии металла в процессе производства, являются измерители толщины, работающие совместно с прокатными станами. Толщиномеры предназначены для непрерывного автоматического измерения толщины лент и полос из различных металлов и сплавов в процессе холодной прокатки и отделки, а также непрерывной выдачи сигналов о величине толщины или ее отклонения от заданных размеров в
автоматизированную систему управления технологическими процессами прокатных станов.
Для контроля толщины листового проката в процессе производства в мировой практике используются следующие методы контроля: контактный, оптический, радиоволновый, электромагнитный, ультразвуковой, радиационный. Кажпый из них обладает определенными преимуществами и недостатками и предназначен для контроля толщины в определенных интервалах и условиях измерений.
Анализ различных методов контроля толщины холоднокатанного листа показал, что наиболее универсальным и перспективным является рентгеновский.
Особенностью рентгеновского метода измерения является измерение эффективного коэффициента ослабления при постоянном ускоряющем напряжении в зависимости от толщины, что связано с немоноэнергетическим спектром излучения. Поэтому предъявляются высокие требования к стабильности ускоряющего напряжения и тока рентгеновской трубки, определяющих стабильность первоначального потока излучения, а также к стабильности параметров детектора.
Наибольшее распространение получили две схемы построения рентгеновских толщиномеров:
1) измерение толщины по остаточной интенсивности потока излучения после прохождения его через контролируемый объект (прямой метод); 2) сравнение иитенсивности двух потоков излучения и получение сигаала отклонения толщины, пропорционального по разности или отношению потоков одного, прошедшего через контролируемый объект, другого -прошедшего через эталон толщины.
В качестве детекторов излучения в толщиномерах, построенных по прямому методу, применяются ионизационные камеры. Преобразование энергии фотонов происходит не бесконечно быстро, поэтому сигналы на зыходе камеры имеют конечную длительность, что приводит к необходимости введения поправок, которые зависят от временных сарактеристик детектора, а также учитыванию длительности образования шектрического сигаала и временной характеристики аппаратуры, >егастрирующий этот сигнал.
В качестве детекторов рентгеновского излучения в толщиномерах, юстроенных по схеме сравнения, применяют сцинтилляиионные счетчики. і таких детекторах одной из наиболее сложных задач является обеспечение юстоянства коэффициентов преобразования. Это объясняется гестабильностью ФЭУ, основными причинами которой являются:
изменение распределения напряжения на динодах; изменение температуры окружающей среды; динамическое утомление, старение.
В настоящее время остро встает вопрос о повышении быстродействия толщиномеров. Его чаще всего связывают с повышением ускоряющего напряжения. Действительно, с увеличением интенсивности потока излучения увеличивается число квантов прошедшего излучения, что в свою очередь приводит к увеличению быстродействия. Уменьшение статистической ошибки также происходит с возрастанием ускоряющего напряжения.
Однако, все отечественные рентгеновские толщиномеры построены по методу сравнения двух потоков излучения и используют в качестве детектора сцинтилляционный счетчик, возможности которого в настоящее время исчерпаны.
Целью работы является разработка на основании комплексных исследований по выбору ряда рентгеновских толщиномеров и физических принципов их построения, расширением номенклатуры материалов и изделий, расширением диапазона энергий рентгеновского излучения для целей контроля в сторону низких энергий, менее 50 кэВ, органическим сочетанием условий выбора применения рентгеновских толщиномеров с физико-техническими параметрами контролируемых изделий, разработка
іетодов их метрологической поверки для широкого использования в фомышленности. Задачи исследований:
научно-методически обосновать выбор ряда рентгеновских олщиномеров для специфических условий металлургического іроизводства;
- провести теоретический анализ систематических погрешностей с
іспользованием аналогового способа линеаризации передаточной функции
іервичного сцинталляционного блока детектирования;
исследовать влияние систематических погрешностей в толщиномерах с ірименением автоматических рентгеновских детекторов, учитывающие:
инерционность системы рентгеновский моноблок-детектор;
темновые токи детектора и токи утечек первичного преобразователя іентгеновского излучения.
исследовать методы спектрального согласования чувствительности юнтгеновского детектора с соответствующими характеристиками юнтролируемого материала;
разработать принципы построения рентгеновских толщиномеров, іспользующих в качестве детектора рентгеновского излучения гонизационные камеры;
разработать методику метрологической поверки вновь создаваемы) рентгеновских толщиномеров;
осуществить внедрение рентгеновских методов и средств для решенш важных народно- хозяйственных задач контроля толщины і листопрокатном производстве.
Научная новизна работы заключается в том, что развито новое научное направление в рентгеновской толщинометрии, позволяющее существеннс повысить быстродействие толщиномеров, уменьшить влияние систематической погрешности измерения, значительно упростить конструкции толщиномеров за счет использования прямого метода измерения, сущность которого заключается в использовании в качестве детектора рентгеновского излучения ионизационной камеры.
При разработке указанного направления впервые получены следующие научные результаты:
1. На основе предложенных автором аналитических выражений для описания способа линеаризации передаточной функции сцинтилляционного блока детектирования, сущность которого заключается в том, чтобы скомпенсировать нелинейность ослабления рентгеновского излучения за счет нелинейной зависимости тока ФЭУ от напряжения его питания, получены формулы расчета для определения толщины полосы. Показано,
что каждому значению толщины контролируемого проката соответствует определенное значение напряжения ФЭУ.
2. Теоретические и экспериментальные исследования представленной
модели формирования рентгеновского излучения в условиях широкого
пучка излучения позволило:
получить обобщенные выражения для определения формирования отклика первичного сцинтилляционного преобразователя;
предложить методы расчета оптимальных значений для низко- и высокочастотных изменениях толщины, а также спектральной плотности разнотолщинности;
разработать методики расчета оптимальных значений структурных погрешностей за счет учета и компенсирования погрешностей от ускоряющего напряжения.
3. Теоретический и экспериментальный анализ выбора схем построения
рентгеновских толщиномеров показал, что для правильного выбора
необходимо иметь априорную информацию о параметрах контролируемого
объекта и параметрах рентгеновского толщиномера, что позволило:
- провести анализ различных методов спектрального согласования
чувствительности, осуществляемые за счет выбора или проектирования
детекторов;
- разработать методику проектирования гетерогенных ионизационных
камер.
4. Экспериментальные исследования влияния материала, толщины
стенки и межэлектродного расстояния на суммарный ток камеры,
обусловленный ионизацией ее воздушного промежутка фотоэлектронами и
электронами Оже, что позволило:
- получить расчеты зависимости относительной чувствительности;
показать, что эффективность собирания заряда в ионизационной камере определяется только подвижностью положительных ионов благородных газов;
разработать ионизационную камеру с заполнением измерительного объема ксеноном и висмутовыми электродами.
-
Разработаны принципы построения рентгеновских толщиномеров, использующие в качестве детектора рентгеновского излучения ионизационные камеры.
-
Разработаны принципы и методики метрологической поверки рентгеновских толщиномеров.
Новизна подтверждается 15 авторскими свидетельствами.
Апробация работы. Использование способа линеаризации передаточной функции сцинтилляционного блока детектирования в рентгеновском толщиномере позволило проводить обработку сигаала в значительном диапазоне контролируемых толщин, сократить количество операций перенастройки (нормализации), что особенно важно, т.к. позволяет проводить ее прямо в процессе прокатки, не останавливая всего технологаческого цикла, существенно снизить суммарную погрешность измерения за счет отказа в схеме толщиномера электромеханических следящих систем. Разработан рентгеновский толщиномер, использующий в качестве детектора рентгеновского излучения ионизационную камеру, что позволило существенно повысить точность измеренного проката, повысить эыстродействие и значительно упростить конструкцию рентгеновского толщиномера.
На основе предложенных методов разработано 3 типа рентгеновских толщиномеров: РИТМ-1, РИТ-4 и РИТ-7, которые внедрены на ММК, JGOIIM.
Основные результаты работы отражены в 35 публикациях, в том числе )ДНой монографии, двух брошюрах, 8 статьях и 14 описаниях изобретений.
Отдельные результаты докладывались на Всесоюзных, Российских и уграслевых конференциях.
Сгруктура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы и приложений.
