Радиоизотопный толщиномер

Радиоизотопный толщиномер

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности радиоизотопным толщиномерам, и может быть использовано для измерения толщины плоских листовых, пленочных и других материалов радиоизотопным методом. Целью изобретения является повышение быстродействия и точности измерения путем исключения влияния на работу толщиномера смещения электрометрического усилителя, его входного импеданса, сопротивления и емкости изоляции собирающего электрода детектора. Перед началом разряда первого опорного конденсатора по сигналам с первого выхода устройства управления размыкается первый ключ, подключающий первый опорный конденсатор к выходу повторителя напряжения, и по сигналу с пятого выхода подключает второй опорный конденсатор к выходу первого операционного усилителя. В момент переключения переключателя происходит заполнение напряжения на втором запоминающем конденсаторе и на втором входе второго операционного усилителя. Напряжение на выходе первого операционного усилителя и на входах второго операционного усилителя при постоянном токе собирающего электрода детектора поддерживается равным нулю. Результат дифференцирования напряжения на втором операционном усилителе пропорционален току собирающего электрода и подается на вход выходного блока толщиномера. 3 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИН

А1 ((9) BU (()) (51) С 01 В 15/02

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

1 (21) 4398752/24-28 (22) 29.03.88 (46) 30.10.89. Бюл. 1з 40 (71) Пензенский тол»технический инCTHT JT (72) К.A. Гобзиньш, С.К.Куроедов, А.И.11артящ!гн и Б .А. Цалитис (53) 531.717. 11 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР ь) 50491 9, л . Г 01 Б 1 5/0?, 1 976 .

Автор(((ое свил. тельство СССР

815496, !з!. G ", 1 15/02, 1981 (! IP(TO ИП) . (5 I) РАД10П30Т!)П1!Ы1! ТО 1Ц11110л1ЕР (57) Изобретен»с относится к измерительной технике, I3 частности к области радиоизотопных толщиномеров и может быть»спользoвано для измерения толщины плоскIï листовых, пленочных и других матер»алов pQQIIn »3o TonIII I!1 методом. Цепью изобретения является повышение быстродействия и точности измерен)!я путем исключения влияния на работу толщиномера смещения электрометрическо -n усил»теля, его входИзобретс н»е относится к измерительной тсхнике, в частности, к радио»зо-оп»ым то((щиноыерал(, и может быть »сгользовано для измерения толщ! .ы пле.-ких л!.стовых, »леночньгх и других матер»ал((в pa!IIoIIanтопньм методом, Це: ь !!з обретения — повышение быстродей с rII »»» точ(!ости измерения путем иск г .-," »»я влияния на работу толного импеданса, сопротивления и емкости изоляции собирающего электрода детектора. 11еред началом разряда первого опорного конденсатора по сигналам с первого выхода устройства управления размыкается первый ключ, подключающий первый опорный конденсатор к выходу повторителя напряже— ния, и по сигналу с пятого выхода подключает второй опорный конденсатор к выходу первого операционного усилителя. В момент переключения переключателя происходит заполнение напряжения на втором запоминающем конденсаторе и на втором входе второго операционного усилителя. 11апряжение на выходе первого операционного усилителя и на входах второго операционного усилителя при постоянном токе собирающего электрода детектора поддерживается равным нулю. Резуль— тат дифференцирования напряжения на втором операционном усилителе пропорционален току собирающего электрода и подается на вход выходного блока .толщиномера. 3 ил. щиномера смещения электрометрич еского усилителя, eno входного импеданса, сопротивления и емкости изоляц»» c(I— бирающего электрода детектора.

1!а фиг. l приведена функц»он)!льII Iÿ схема радио изотопного толшинолн ра . на фиг.2 и 3 — диаграммы cII! IIII!InI», и . яс— няющие принцип действ»я устpn»(.т

Радиоизотопный толщи»омер со;! и— жит источник ) иониз иру!()((!с Го» 3!!" (! (1518674 ния, располагаемый по одну сторону объекта 2 контроля и располагаемые по другую сторону объекта контроля по- следовательно соединенные детектор 3 и электрометрический усилитель 4, выходной блок Ь, а также первый опорный конденсатор 6, включенный между входом и выходом электрометрического усилителя 4, последовательно соединенные делитель 7 напряжения и герконовый ключ 8, последовательно соединенные инвертор 9, вход которого подключен к выходу электрометрического усилителя, первый ключ 10, выход которого через последрвательно соединенные второй ключ 11 и разрядный резистор 12 соединен с общей шиной, а через запоминающий конденсатор 13 также с общей шиной, повторитель 14 напряжения, первый сумматор 15, вто— рой вход которого подключен к выходу электрометрического усилителя 4, а выход через делитель 7 напряжения и геркононый ключ 8 соединен с выходом детектора 3, третий ключ 16 и первый интеrparop 17, выход которого подключен к второму входу электрометрического усилителя 4, последовательно соединенные второй сумматор 18 и второй интегратор 19, »оследовательно соединенные второй опорный ко»денсатор 20, вход которого соединен с зыходом инвертора 9, »ервый о»ерапионный усилитель 21, второй вход ко горс,ro соединен с общей шиной, переключатель 22, второй выход которого соединен с первым входом первого операц»о»ного усилителя 21, второй опера»иочный усилитель 23, вход которого через второй запоминающий конденсатор 24 подключен к общей шине, выход подключен к выходному блоку 5 » через опорный резистор 25 — к второму выходу переключателя 22, а второй вход через первый вход второго сумматора 18 подключен к выходу второго операционного усилителя 23, второй вход и выход второго сумматора 18 и выход и вход второго интегратора 9 соединены соответственно друг с дру— гом и устройство 26 управления, пер— вый, второй, третий, четвертый и пятьп выходы которого подключены к управляющим входам первого, второго, третьего ключей, геркононого ключа и переключателя соответственно.

Работу толщиномера рассмотрим »ервоначально гр» постоянной толщ»не

I где 1x ок собирающе го электрод з при отсутствии материала (11 = О); временные переменные, емкость первого опор»ого конденсатора 6; начальное значен»е (при

О) напряжение U . .

) = const, то U,„, (t) 30

Л»

L с, 35

Если i „(t

iy t

+ U с„ а

Выходное напряжение инвертора 9

40 будет отличаться от напряжения U ä только знаком (фиг . 2) (2) Пнин Пэм

Данное напряжение является входным сигналом дифференциатора, основными элементами которого являются первый операционный усилитель 21, второй опорный конценсатор 20 и опорный резистор 25.

Дифференциатор дополнен вторым операционным усилителем 23, охваченным отрицательной .обратной связью через второй сумматор 18. За счет обратной связи напряжения на втором (неинвертирующем) и первом (инвертирующем) входах устанавл»наются пр»б— лизительно равны; » друг другу. Поэтому данный ус».1»те », с цепью обратконтролируемого объекта 2. При этом ток i „собирающе ro электрода ионизационной камеры> которая используется

5 в качестве детектора 3, определяется толищной h и является постоянной величиной. Для получения информации о данной неличине путем ее преобразования н напряжение U„ èñïîëüýóåòñÿ общий принцип, заключающийся н предварительном интегрировании тока и последующем диффере»цированн» результата интегрирования. Интегрирование тока осуществляется с помощью электрометрического усипителя 4, в цепь параллельной обратной связи которого включен первый опорный конденсатор 6.

При достаточно большом коэффициенте усиления электрометрического усип»теля 4 »зме»ен»ем напряжения на его первом (инвертирующе..i) входе можно

»ре»обречь . Поэтому выходное на»ряжение Б „„определится так

О 1

Т

25 зм . С 1 х о

+ (1) I 5 I 8674 ной связи можно рассматривать клк масштаб ирующий преобразователь, не влияющий нл коэффициент передачи ди<<<ференциаторл, а следовлтельно, нл выходное напряжение с)„второго операционного усилителя с)ц <<<<в

U = -RC

d»: где à — сопротивление опорного резистора 25;

С 2 — емкость второго опорного конденсатора 20.

С учетом выраженк» (1) и (2) окончательно получают

<сС 2

U = — ----- i к С< x (3)

Пред!»а»»ожим, что в начальный моме»»т време!»и напряжение ))««a первом и втором входах второго операционного усилителя 28 отлично от нуля, например, положительно (фиг. 3) . Данное напряжение <оступле г на вход второго

»п»тегpë< oð» 19 инвертирующего типа.

При этом его выходное напряжение U«2 начинает уменьшаться. Так как данное напряжение подлется на второй вход второго сумма-. о рл 18, а напряжение

L „»!а перво!; входе, опрс деляемое вы— рлжением (3), »е должно изменяться при постоял!»ом токе к„, то напряже— ние 0 нл выходе второго сумматора будет уме»<ьшаться до нуля.

Так им образом, напряжение на входах второго опе рлционно го усилителя

23 и выходе первого операционного усилителя 21 при по сто янном токе поддерживается равным нулю. Это позволяет увсличить точность дифференцирования нлпряжсния U<„„ зл счет устране»»ия влияния коэффициента усиления первого операционного усилителя 21, так как при изменении напряжения с)„ напряжение на выходе данного усилителя и пропорциональное выход!»ому напряжению напряжение на его первом входе не будут изменяться.

Результат дифференцирования напряжения U„„ — напряжение U„, пропорциональное то.;у 1„, подается на вход выход<<ого блока 5, где осуществляются его нелинейное функциональное преобразова»»ие, регистрация и индикация результата измерения

1 Ux C<

h ---). и (- ----- — ) сс |,RC, 5

1О

45 где I, — ток собирающего электрс дл пр!» Ь = 0;

oL — коэффициент поглощения.

Точность измерения толщи»»ы при применении в качестве детектора герметизированной ионизационной камеры определяется в основном точностью преобразовлния тока 1), в напряжение, которое описывается выражением (3).

Элементы, параметры которых определяют соответствующий коэффициент (-RC2C ) преобразования, могут быть выбраны так, чтобы их характеристики отличались достаточно высокой тел<перлтурой и временной стабильностью. В качестве первого опорного конденсатора может быть испол ьзовлн воздуш!»ьп! конденсатор или ко!»денслтор с opr;»<

10 С, что нл порядок вьш»е, чем у про— тотипл (при использовании высокоомного резистора типа КВИ) .

При скачкообразном изменении тол— ш<ьны контролируемого обьектл 2 ток также изменяется склчкоабрl÷ío (фиг.2). Однако напряжение нл первом входе электрометрическогo ус!»литсля не изменяется, так как при дос:тлточ— но большом коэффициенте ус»»лсн»»я зл счет отрицательной обратной с.вязи оно поддерживается прибл»<зительно равным напряжению смешения, пр»всдснному к входу. Это приводит к тол<у, что эквивалентная емкость входных це— пей и изолятора собирающего <лсктро— да ионизационной камеры не перез: ря— жается, не происходит поляр!».<лпия изоляционных материало»!»» ток, текущий через первьп» опорный конде<

6, также изменяется склчкосбр.<:<нс, С помощью первого опорного ксп<дснслт<>— ра 6 осуществляется безынерц<<о!«. t t преобразование тока „в скорос гь язв менения напряжения U,„„,з, кот<. рл«! лк— же изменяется скачкообразно, 1

1518674 инерционным, так как постоянная времени опорного резистора 25 (при сопротивлении 10 ИОм — не более нескольких мкс) представляет собой не5 личину одного порядка с постоянной времени первого операционного усилителя. Таким образом, время установления напряжения (1» при скачкообразном изменении толщины h определяется в 1О основном инерционными свойствами нхо— дящих в состав толщиномера усилителей. Реально данная величина может иметь значение около 10 мкс, что на шесть порядков ниже, чем у прототипа.

Для правильной работы толщиномера необходимо осуществлять периодический разряд первого опорного конденсатора 6, так как выходное напряжение электрометрического усипителя 4, равное напряжению на данном конденсаторе, имеет ограниченный динамический диапазон. Разряд первого опорного конденсатора 6, коррекция электрометрического усилителя 4, запоминание и 25 экстраполяция напряжения U» на время разряда и коррекции осуществляются по сигналам устройства 26 управления .

Данное устройство включает н себя генератор G импульсов, периоп следова- 3О ния которых определяет периодичность разряда первого опорного конденса с— ра 6, последовательно соединенные ждущие мультивибраторы S< -S с пэя— мым (S<) и инверсными (Б, Б, S<) динамическими входами и схемы HJIH c помощью которых осуществляется формирование выходных сигналов U< — Uq (фиг.3, где С, Б„, Б, S >, Б«. — выходные сигналы генератора С импульсов 4О и ждущих мультивибраторов S<„ Sq Б, S соответственно).

В исходном состоянии до начала разряда первого опорного конденсатора 6 выходное напряжение U z повторителя 14 напряжения равно напряжению

U, . Поэтому напряжение на выходе «<в первого сумматора 15 U < = U««> +

+ U = О. Выходное íà <ряжeниe деэм<<

50 лителя 7 напряжения также равно нулю. Так как напряжение на первом входе электрометрического усилителя 4 можно считать равным нулю, то на геркононом ключе 8 устанавливается эк55 випотенциальный режим. Поэтому сопро— тивленне, емкость изолятора геркона и другие его паразитные параметры не влияют на результат измерения.

Пс К 1 с

Uх

К< где K <, K коэййициенты передачи второго сумматора по первому и второму входам соответственно; постоянная времени второго интегратора, л

Ц

t пр "жение U„< = Uñ

< << ег о выходное

Перед началом разряда первого опорного конденсатора 6 по сигналам

U1 с первого выхода устройства 26 управления размыкается первый ключ 10.

Однонременйо по сигналу U с пятого выхода устройства 26 управления вход переключателя 22 размыкается с вторым выходом и замыкается с первым выходом. При этом запоминаются значеп«я напряжения U „„ (на выходе повторителя 14 напряжения) и напряжения (на входах второго операционного усилителя 23). При постоянной толщине h, постоянном напряжении U и напряжении V, равном нулю, запоминание значения данного напряжения эквивалентно запоминанию значения напряжения U х, которое »е будет изменяться но время разряда первого опорного конденсатора 6 и коррекции электрометрического усилителя 4. Голи же толщина изменяется, то изменяется и ток i„, например, по линейному закону (фиг.3). При этом до начала кор- . рекции по линейному закону изме«яется и напряжение (1», а значение напп1<жения U на входе второго интегс ратора будет отлично от пуля и про— порциопально скорости изменения на<<р :кения U °

В момент переключения переключателя 22 происходит запоминание напряжения на втором запоминающем конденсаторе 24 и на втором входе второго операционного усилителя 23. Так как данный усилитель охвачен отрицательной обратной связью через второй сумматор 18, напряжение Uc, равное напряжению на втором запоминающем конденсаторе 24, также не будет иэ— меняться во время разряда первого опорного конденсатора 6 и коррекции электрометрического усилителя 4. На соответствующем интервале времени скорость изменения напряжения Ух не изменяется

l 518674

10

55 процесса разряда. что соответствует линейной экстраполяции UÄ па данном интервале, когда информация о величине 1 не может х быть получена.

При рассмотрении процессов разряда первого опорного конденсатора 6 и коррекции электрометрического усилителя 4 будет учитываться инерционность только герконового ключа 8, тлк клк все остальные ключевые элементы могут быть выбраны .по токам утечки через разомкнутый ключ беесконтлк гнымн. Сигнал U„, по которому происходит замыкание герконового ключа 8, начинает действовать одновременно с сигналом U, по которому

npon3водится запоминание напряжения

П„„ пл первом запоминающем конденсаторе 13 . Однако замыкание контакгов геркона происходит с задержкой (значение задержки — десятые доли мкс) . Данный процесс показан штрихо— вой пинией н= дилг рлмме U (C) (сЬиг.2) .

Пл интервале времени, длительность которого равна задержке, продолжается процесn интегрирования тока 1 х 1 н» пз - л малого значения 3лде ржк и нлпряжеппе U „изменяется нл незначительную величину (при времени между коррекциями, рлвн»м ) О г, времени задержки 0,5 мкс, выходном напряжении

V„ эпектрометрического усилителя в дилплзоне 10 В и максимлпьно возмож.

noÄ токе г„ изменение V„ составит

50 мкВ).

Следовательно, на данном интервале времени напряжение Ь „на выходе первого сумматора 15 и напряжение на выходе делителя 7 напряжения близки к нулю, что является условием эквипотенциллвного режима па герконовом ключе 8. Далее происходит замыкание герконового ключа 8 и по сигналу U

2 второго ключа 11. Замыкание второго ключа 11 происходит несколько позже замыкания герконового ключа 8, так клк задержка сигнала Ц по отношению к си;нллу Пц, определяемая длительностью импульса на выходе ждущего мультивибратора S устройства 26 управления, выбирается равной максимально возможной задержке срабатывания герконового ключа 8. При этом происходит разряд первого запоминающего кон,,енслтора 13 через второй ключ 11 и разрядный резистор 12.

Плпряжение на данном конденсаторе, а следовательно, напряжение U „,„на выходе повторителя 14 напряжения из— меняются по экспоненцилльному закону.

Скорость изменения напряжения U л в пн начале процесса разряда, onðåäåíÿåмая постоянной времени цепи, выбирав ется таким образом, чтобы a>nа была меньше максимальной скорости нарастания выходного напряжения эпектрометрического усилителя 4 — параметра, характеризующего его динамические характеристики. с

При замыкании герконового ключа 8 электрометрический усилитель 4 охватывается цепью гальванической отрицательной обратной связи через первый сумматор 15 и делитель 7 напряжения, за счет которой напряжение V см на первом входе электрометрического усилителя 4 поддерживается близким к напряженно смещения. Предположим, что данное напряжение равно нулю, когда напряжение Uc, на выходе первого сумматора также равно нулю, следователь— но, U „> = -U„„. Так как напряжение

U ÄÄ по экспоненциальному закону, то по такому же закону будст изменяться напряжение V рМ х что со ответствует разряду первого опорного конденсатора 6 (напряжение на длнном конденсаторе равно напряжению V»> ) .

Если скорость разряда больше максимальной скорости нарастания выходного напряжения электрометрического усилителя 4, то папряжение Ь см становится отличным от нуля, что происходит в наиболее распространенных схемах с включением ключевого элемента параллельно первому опорному конденсатору 6 из-за малой постоянной времени разряда. Однако в данном устройстве этого не происходит, тлк как скорость изменения напряжения U,„ определяется постоянной времени раз— ряда первого запоминающего конденсатора 13 через разрядный резистор 12.

Поэтому при разряде первого опорного конденсатора 6 напряжение U не отсм личается от нуля. Емкость, сопротив— ление изоляции и абсорбционные процессы во входной цепи электрометрического усилителя 4 (включая изолятор собирающего электрода ионизлционной камеры детектора 3) не влияют на результат измерения после окончания

1518674

5

15

30 э5

Для того, чтобы исключить влияние постоянной составляющей напряжения

U ñìåùåíèÿ электрометрического усилителя 4, после окончания процесса разряда первого опорного конденсатора 6 по сигналу U> с третьего выхода устройства 26 управления замыкается третий ключ 16. Если U „ Ю, то при замкнутом герконовом ключе 8

=- — — 0

Псм

К

Ф где К вЂ” коэффициент переДачи дели3 теля 7 напряжения, и напряжение UH на выходе первого интегратора 17 начинает изменяться.

Процесс изменения напряжения U) которое подается для компенсации напряжения смещения на второй (неинвертирующий) вход электрометрического усилителя 4, заканчивается при

U,ö = О, Благодаря этому после окончания коррекции во входной цепи устройства отсутствуют токи утечки на первый вход электрометрического усилителя. Устраняется также влияние тока утечки на собирающий электрод ионизационной камеры с охранного электрода, который подключается к общей шине .

На время разряда первого опорного конденсатора Ь и коррекции электрометрического усилителя (суммарное время этих процессов, определяемое длительностью импульса сигнала U

5 может бьггь выбрано, исходя из быстродействия элементов устройства, глав— ным образом, герковоного ключа 8 и электрометрического усилителя 4, не более 1 мкс 1 первый операционный усилитель 21 охватывается глубокой отрицательной обратной связью через переключатель 22, благодаря чему на первом входе данного усилителя поддерживается нулевой потенциал и обеспечивается разряд второго опорного конденсатора 20 по тому же закону, что и разряд первого опорного конденсатора 6. После окончания действия импульса сигнала П все ключеные элементы устанавливаются в исходное состояние, и указанные процессы повторяются.

Лабораторные испытания показывают возможность измерять толщину различных материалов (бумага, текстиль, полимерные пленки) при и ." енении тока собирающего электрода понизационной $ камеры зт 10 до 10 Л е приведенной основной погрешностью не более

0 „ I 7 (при нормальных температурных условиях в течение 24 ч непрерывной работы) .

Укаэанные достоинства позволяют значительно улучшить характеристики автоматизированных систем измерения, контроля и управления различными технологическими процессами за счет увеличения допустимой скорости движения плоских материалов и получения более достоверной информации об их толщине.

Формул а и з о б р е т е и и я

Радиоизотопный толщиномер, содер— жащий источник ионизирующего излуче— ния, располагаемый по одну сторону объекта контроля и располагаемые по другую сторону объек"а контроля последовательно соединенные детек гор и электрометрический усилитель, и выходной блок, о т л и ч а ю ш и и с я тем, что, с целью повышения быстродействия и точности измерения, он снабжен первым опорным копденсатором, включенным между входом и выходом электрометрпческого усилителя, последовательно соединенными делителем напряжения и герконовым ключом, последовательно соединенными инвертором, вход которого подключен к выходу электрометрического усилителя, первым ключом, выход которого через по— следовательно соединенные второй ключ и разрядный резистор соединен с общей шиной, повторителем напряжения, первым сумматором, второй вход которого подключен к выходу электрометрического усилителя, а выход через делитель напряжения и герконовый ключ соединен с выходом детектора, третьим ключом и первым интегратором, выход которого подключен к второму входу электрометрического усилителя, последовательно соединенными вторым сумматором и вторым интегратором, последовательно соединенными вторым опорным конденсатором, вход которого соединен с выходом инвертора, первым операционным

1 усилителем, второй вход которого соединен с общей шиной, переключате— лем, второй выхоп которо о соединен с первым входом пе Гвого операцион— ного усилителя, нтлрым операционным усилителем, вход когорогс через второй запоминающий коHILpHcBTop подключен к обшей шине, ных д подключен к

I 5 I 8674

"и, г з=Ь с

"пн

>c(выходному блоку и через опорный резистор — к второму выходу переключателя, а второй вход через первый вход второго сумматора подключен к выходу второго операционного усилителя, второй вход и выход второго сумматора и выход и вход второго интегратора соединены соответственно друг с другом и устройство управления, первый, второй, третий, четвертый и пятый вы5 ходы которого подключены к управляющим входам первого, второго, третьего ключей, герконового ключа и переключателя соответственно .

1518674

iI.x

С2

Корректор И.Иаксимииинец

Заказ 6597/46 Тираж 683 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Иосква, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. ужгород, ул. Гагарина, 101

Составитель В.Парнасов

Редактор И. Касарда Техред Jl. Ñåðäþêoâà