Радиационный толщиномер покрытий

 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике. Целью изобретения является расширение диапазона измерений за счет организации работы толщиномера путем многократного повторения одного и того же цикла расчета на основе аппроксимации статической характеристики толщиномера сплайном первой степени. Излучение источника, содержащегося в измерительном преобразователе 1, взаимодействуя с объектом измерения, преобразует измеряемую величину (например, толщину покрытия) в радиоционный сигнал, преобразуемый в серию импульсов, информативным параметром которых является их средняя частота. Линеаризация номинальной статической характеристики толщиномера, имеющей экспоненциальный характер, сплайном первой степени, позволяет организовать процесс измерений в виде циклически повторяющихся операций вычитания, умножения и сравнения, осуществляемых соответственно с помощью вычитателя 13, трех умножителей 9, 10 и 11 и цифрового компаратора 14 без увеличения числа задаваемых с помощью задатчиков 16 - 18 калибровочных констант коэффициентов сплайна, т.к. каждый последующий коэффициент получается из предыдущего путем циклического умножения за заданный коэффициент, чем и достигается положительный эффект в виде расширения диапазона измерений. 2 ил.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, к средствам неразрушающего контроля, в частности к радиоизотопным приборам для измерения толщины или поверхностной плотности покрытий. Известен радиоизотопный толщиномер покрытий выборочного контроля РТВК-2К ТУ 95.1388-85, который содержит измерительный преобразователь, генератор, выход которого через счетчик времени измерения соединен с первым входом триггера управления, предварительный счетчик, измерительный счетчик с переключателями предустановки, пусковую кнопку, второй вход триггера управления соединен с входом синхронизации предустановки измерительного счетчика и пусковой кнопкой, а его предварительный счетчик содержит счетчик с переключателями предустановки, объем которого равен объему измерительного счетчика, и три триггера, при этом выход измерительного преобразователя соединен со счетным входом первого триггера, инверсный вход установки нуля которого соединен с инверсным входом триггера управления, а выход первого триггера соединен со счетным входом установки нуля второго триггера, счетный вход которого соединен с выходом, а инверсный выход с инверсным входом синхронизации предустановки выше упомянутого счетчика, выход второго триггера соединен со счетным входом измерительного счетчика, а инверсные входы установки первого и второго триггера и инверсный вход сброса третьего триггера соединены с пусковой кнопкой. Данный толщиномер имеет упрощенную калибровку при оптимальном времени измерения и простую конструкцию, может быть откалиброван для измерения в единицах измеряемого параметра только на линейных участках градуировочной зависимости - средней частоты импульсов на выходе измерительного преобразователя от измеряемой величины, однако недостатком его является ограниченность диапазона измерения только линейным участком градуировочной характеристики. Известен радиоизотопный толщиномер, содержащий коллимированный источник ионизирующего излучения, блок детектирования, связанный с ним через первый ключ, первый счетчик, генератор, соединенный с ним через второй ключ, второй счетчик, блок управления, выходы которого подключены к управляющим входам обоих ключей и управляющим входам обоих счетчиков, блок вывода и блок задания экспозиции, выход которого подключен к управляющему входу первого счетчика который снабжен блоком задания коэффициентов, последовательно соединенными устройством ввода и вычислительным устройством, второй вход которого соединен с блоком управления, а выходы соединены с блоком задания экспозиции, блоком управления и блоком вывода, один из выходов блока управления соединен с управляющим входом устройства ввода, остальные входы которого подключены к выходам второго счетчика и блока задания коэффициентов, первый счетчик выполнен перестраиваемым, в котором калибровочная кривая зависимости числа зарегистрированных импульсов от толщины измеряемых пластин описывается полиномом третьей степени, коэффициенты которого определяются при калибровке толщиномера. Этот толщиномер предназначен для измерения толщины пластин методом просвечивания, когда градуировочная характеристика имеет экспоненциально убывающий характер, однако он имеет повышенную сложность из-за наличия устройства ввода, блока управления и универсального вычислительного устройства и не обеспечивает калибровку при экспоненциально возрастающей градуировочной характеристике. Наиболее близким по технической сущности и достигаемому положительному результату к предлагаемому устройству является радиоизотопный толщиномер покрытий в вакууме РТНК-2КеЛ1.120 ТУ, который выполнен по А.с. N 1309702, кл. G 01 В 15/02 и содержит последовательно соединенные измерительный преобразователь и предварительный счетчик, счетчик импульсов, последовательно соединенные генератор импульсов стабильной частоты, первый счетчик времени измерения, дешифратор, подключенный к выходам младших разрядов первого счетчика времени измерения, регистр, вход записи которого соединен с первым выходом дешифратора, и измерительный счетчик, выходы которого соединены с информационным входом регистра, последовательно соединенные основной счетчик времени измерения и триггер управления, второй вход которого соединен с третьим выходом дешифратора, соединенного вторым входом с выходами предустановки основного счетчика времени измерения и измерительного счетчика, последовательно соединенные первый инвертор, первый элемент 2И-2И-2ИЛИ-НЕ, первый и третий входы которого соединены с двумя выходами второго счетчика времени измерения, разделитель совпадающих импульсов, второй и третий элементы 2И-2И-2ИЛИ-НЕ, параллельно подключенными соответственно первым и третьим входами к выходам разделителя совпадающих импульсов, второй вход которого подключен ко второму выходу предварительного счетчика импульса, а выходами второй и третий элементы 2И-2И-2ИЛИ-НЕ подключены соответственно к вычитающему и суммирующему входам основного счетчика времени измерения, последовательно соединенные второй инвертор, элемент 3И-2И-2ИЛИ-НЕ и дополнительный счетчик, выход которого подключен к счетному входу измерительного счетчика, последовательно соединенные триггер, входы которого подключены к выходу триггера управления и инверсному выходу первого счетчика времени измерения, и элемент совпадения, второй вход которого соединен с инверсным выходом триггера управления, третий инвертор, выход которого подключен к пятому входу элемента 2И-2И-2ИЛИ-НЕ, подключенного вторым входом к первому выходу предварительного счетчика импульсов, а четвертый - к первому выходу первого счетчика времени измерения, четыре резистора соединенные с шиной питания и пять переключателей с зависимой фиксацией и одной группой переключения, переключающиеся контакты которых заземлены, второй конец первого резистора соединен со вторым входом третьего элемента 2И-2И-2ИЛИ-НЕ и с размыкающимся контактом пятого переключателя, замыкающиеся контакты первого переключателя, соединенного со вторым переключателем, и четвертого переключателя, соединенного с пятым переключателем, соответственно подключены ко второму концу третьего резистора, входу первого инвертора, четвертому входу первого элемента 2И-2И-2ИЛИ-НЕ, четвертому входу второго элемента 2И-2И-2ИЛИ-НЕ, третьему входу элемента 3И-2И-2ИЛИ-НЕ, входу третьего инвертора и ко второму концу четвертого резистора, второму входу второго элемента 2И-2И-2ИЛИ-НЕ, второй конец второго резистора соединен с четвертым входом третьего элемента 2И-2И-2ИЛИ-НЕ и с размыкающимся контактом второго переключателя. Общим недостатком всех выше указанных толщиномеров является ограниченный способом линеаризации диапазон измерения, зависящий от допустимой погрешности, что ограничивает его применение в некоторых случаях, когда требуется более широкий диапазон измерения. Целью изобретения является расширение диапазона измерений за счет организации работы толщиномера путем многократного повторения одного и того же цикла расчета на основе аппроксимации статической характеристики толщиномера сплайном первой степени. Это достигается тем, что в радиоизотопный толщиномер покрытий, содержащий последовательно соединенные измерительный преобразователь и первый счетчик импульсов, последовательно соединенные кварцевый генератор, второй счетчик импульсов, триггер, выход которого соединен с входом разрешения счета первого счетчика импульсов, регистр, третий счетчик импульсов, вход сброса которого соединен с входом синхронизации предустановки первого счетчика импульсов, входом установки второго счетчика импульсов, и вторым входом триггера и инвертор дополнительно введены три умножителя, мультиплексор, вычитатель, цифровой компаратор, сумматор, три задатчика калибровочных констант, последовательно соединенные первый одновибратор, первый элемент ИЛИ, второй одновибратор, первый элемент И и третий одновибратор, последовательно соединенные второй элемент И, четвертый и пятый одновибраторы, выход которого соединен со вторым входом триггера, второй элемент ИЛИ и переключателя предустановки, соединенные с входами первого счетчика импульсов, выходы которого соединены с первыми входами первого умножителя, вторые входы которого соединены с выходами задатчика первой калибровочной константы, выходы первого умножителя соединены с вторыми входами мультиплексора, первые входы которого соединены с выходами второго умножителя, выходы мультиплексора соединены с первыми входами вычитателя, цифрового компаратора и сумматора, вторые входы которого соединены с выходами третьего умножителя, вторые входы которого соединены с выходами задатчика второй калибровочной константы и вторыми входами цифрового компаратора и вычитателя, выходы которого соединены с первыми входами второго умножителя, вторые входы которого соединены с выходами задатчика третьей калибровочной константы, выходы третьего умножителя и через второй элемент ИЛИ с входом управления мультиплексора, вход первого одновибратора соединен с выходом триггера, выходы первого одновибратора первого элемента И и третьего одновибратора соединены соответственно с входами разрешения первого умножителя, вычитателя и второго умножителя, вход разрешения которого также соединен со вторым входом первого элемента ИЛИ и счетным входом третьего счетчика, вход разрешения которого соединен с вторым входом первого элемента И, выходом компаратора и через инвертор со вторым входом второго элемента И, первый вход которого соединен с выходом второго одновибратора, выходы второго элемента И и четвертого одновибратора соединены соответственно с входами разрешения третьего умножителя и сумматора, выходы которого соединены с входами регистра. Отличающиеся от прототипа связи совместно с вновь введенными элементами позволяют достичь поставленной цели - обеспечить расширение диапазона измерения. Это новое свойство обеспечивается новой организацией работы известных и вновь введенных элементов. Так, введение трех умножителей, мультиплексора, вычитателя, сумматора, цифрового компаратора, трех задатчиков калибровочных констант, двух элементов И, двух элементов ИЛИ, шести одновибраторов и переключателя предустановки позволяет нелинейную статистическую характеристику преобразования толщиномера, являющуюся обратной функцией градуировочной характеристики - зависимости зарегистрированных импульсов от толщины, которая имеет экспоненциальный характер, описать сплайном первой степени с одинаковым шагом по оси измеряемого параметра и коэффициентом, равным предыдущему коэффициенту, умноженному на заданный коэффициент, что позволяет расширить диапазон измерения путем цикличного повторения операции вычитания, умножения и сравнения не увеличивая при этом количество элементов толщиномера. На фиг. 1 представлена функциональная схема толщиномера; на фиг. 2 - диаграмма, поясняющая работу толщиномера. Радиационный толщиномер покрытий содержит (фиг.1) последовательно соединенные измерительный преобразователь 1, первый счетчик 2 импульсов, последовательно соединенные кварцевый генератор 3, второй счетчик 4 импульсов и триггер 5, выход которого соединен с входом разрешения счета первого счетчика 2 импульсов, регистр 6, третий счетчик 7 импульсов, вход сброса которого объединен с входом синхронизации предустановки первого счетчика 2 импульсов, входом установки второго счетчика 4 импульсов и вторым входом триггера 5, инвертор 8, три умножителя 9, 10 и 11, мультиплексор 12, вычитатель 13, цифровой компаратор 14, сумматор 15, первый, второй и третий задатчика 16, 17 и 18 калибровочных констант, последовательно соединенные первый одновибратор 19, первый элемент 20 ИЛИ, второй одновибратор 21, элемент 22 И и третий одновибратор 23, последовательно соединенные второй элемент 24 И и четвертый и пятый одновибраторы 25 и 26, выход пятого одновибратора 26 соединен с вторым входом триггера 5, второй элемент 27 ИЛИ и переключатель 28 предустановки, выходы которого соединены соответственно с входами предустановки первого счетчика 2 импульсов, выходы которого соединены соответственно с первой группой входов первого умножителя 9, вторая группа входов которого соединена соответственно с выходами задатчика 16 первой калибровочной константы. Выходы первого умножителя 9 соединены соответственно со второй группой входов мультиплексора 12, первая группа входов которого соединена соответственно с выходами второго умножителя 10, выходы мультиплексора 12 соединены соответственно с первыми группами входов вычитателя 13, цифрового компаратора 14 и сумматора 15, вторая группа входов которого соединена соответственно с выходами третьего умножителя 11, вторая группа входов которого соединена соответственно с выходами задатчика 17 второй калибровочной константы и объединена соответственно вторыми группами входов цифрового компаратора 14 и вычитателя 13, выходы которого соединены соответственно с первой группой входов второго умножителя 10, вторая группа входов которого соединена соответственно с выходами задатчика 18 третьей калибровочной константы, выходы третьего счетчика 7 импульсов соединены соответственно с первой группой входов третьего умножителя 11 и, через второй элемент 27 ИЛИ с входом управления мультиплексора 12. Вход первого одновибратора 19 соединен с выходом триггера 5, выходы первого одновибратора 19, первого элемента 22 И и третьего одновибратора 23 - соответственно с входами разрешения первого умножителя 9, вычитателя 13 и второго умножителя 10, вход разрешения которого также соединен с вторым входом первого элемента 20 ИЛИ и счетным входом третьего счетчика 7 импульсов, вход разрешения которого соединен со вторым входом первого элемента 22 И выходом цифрового компаратора 14 и, через инвертор 8, со вторым входом второго элемента 24 И, первый вход которого соединен с выходом второго одновибратора 21, выходы второго элемента 24 И и четвертого одновибратора 25 соединены соответственно с входами разрешения третьего умножителя 11 и сумматора 15, выходы которого соединены соответственно со входами регистра 6. Радиоизотопный толщиномер работает следующим образом. Измерительный преобразователь 1 содержит источник, излучение которого взаимодействует с объектом измерения, преобразует измеряемую величину, например, толщину покрытия, в радиационный сигнал, который путем детектирующего преобразования преобразуется в серию импульсов, информационным параметром которых является средняя частота. Градуировочная характеристика измерительного преобразователя 1 - зависимость средней частоты импульсов - от измеряемого параметра - х имеет экспоненциально возрастающую = +A(1-e^-ax) (1) или экспоненциально убывающую зависимость n = + Ae ^-ax (2) где n_o, A, a и - коэффициенты. Эти импульсы с выхода измерительного преобразователя 1 подаются на счетный вход первого счетчика 2 импульсов. С выхода кварцевого генератора 3 импульсы со стабильной частотой поступают на счетный вход второго счетчика 4 импульсов. С выхода кварцевого генератора 3 импульсы со стабильной частотой поступают на счетный вход второго счетчика 4 импульсов. Работа толщиномера происходит по циклам, каждый цикл измерения начинается с появлением импульса на выходе пятого одновибратора 26, который устанавливает триггер 5 в нулевое состояние, второй счетчик 4 в исходное состояние на объем счета, определяющий длительность цикла измерения, в первый счетчик 2 импульсов заносится число, установленное на переключателе 28 предустановки, третий счетчик 7 импульсов - в нулевое состояние. По окончании импульса с выхода пятого одновибратора 26 снимается блокировка входов установки в исходное состояние второго счетчика 4 импульсов и синхронизация предустановки первого счетчика 2 импульсов и начинается цикл измерения, во время которого импульсы с выхода измерительного преобразователя 1 накапливаются в первом счетчике 2 импульсов, в импульсы с выхода кварцевого генератора 3 поступают на вход второго счетчика 4 импульсов, при переполнении которого триггер 5 переходит в единичное состояние, и сигнал с его инверсного выхода запрещает счет первого счетчика 2 импульсов и запускает первый одновибратор 19. Этим заканчивается цикл накопления информации с выхода измерительного преобразователя 1; за время цикла на вход первого счетчика 2 импульсов поступило следующее количество импульсов: N_x= T (3) где Т - время измерения, с. При экспоненциально возрастающей градуировочной характеристике (1) измерительного преобразователя 1 толщиномера на переключателе 28 предустановки в дополнительном коде устанавливается число N_o= T (4) Во время цикла накопления информации после поступления на вход первого счетчика 2 импульсов количество импульсов, равного установленному на переключателе 28 в дополнительном коде числу (4), первый счетчик 2, работающий на суммирование, окажется в нулевом состоянии и, при дальнейшем поступлении входных импульсов в конце цикла накопления, в первом счетчике 2 будет записано число
N = AT(1-e^-ax)
(5)
При экспоненциально убывающей градуировочной характеристике (2) измерительного преобразователя 1 толщиномера на переключателе 28 предустановки в прямом коде устанавливается число
N_o= (+ A)T
(6)
В этом случае, при работе первого счетчика 2 импульсов на вычитание в конце цикла накопления, в нем также будет записано число (5). Сигнал с выхода первого одновибратора 19 запускает первый умножитель 9, на выходе которого через время, необходимое для выполнения операции умножения, появляется код числа, являющегося результатом умножения числа, записанного за время цикла накопления в первом счетчике 2 на число К, установленное в задатчике 16 первой калибровочной константы. Поскольку третий счетчик 7 импульсов находится в нулевом состоянии на выходе второго элемента 27 ИЛИ тоже имеется сигнал нулевого уровня, который приложен к входу управления мультиплексора 12, в результате на выход мультиплексора 12 будет передан сигнал с его вторых входов. С выхода первого умножителя 9 код числа поступает на первые группы входов вычитателя 13, цифрового компаратора 14 и сумматора 15. В цифровом компараторе 14 осуществляется сравнение этого результата с числом, установленным на задатчике 17 второй калибровочной константы, и если он меньше, то на выходе цифрового компаратора 14 появится сигнал нулевого уровня, который блокирует первый элемент И 22, третий сигал 7 импульсов и через инвертор 8 откроет второй элемент И 24. Длительность сигнала на выходе первого одновибратора 19 должна быть несколько больше, чем время умножения первого умножителя 9, плюс время распространения сигнала через мультиплексор 12, плюс время сравнения цифрового компаратора 14. При окончании импульса на выходе первого одновибратора 19, через первый элемент 20 ИЛИ запускается второй одновибратор 21, сигнал с выхода которого через второй элемент 24 И запускает третий умножитель 11. На выходе которого через время, необходимое для выполнения им операции умножения, будет код числа:
M = IΔ , (7) где I - состояние третьего счетчика 7 импульсов;
Δ - число, установленное на задатчике 17 второй калибровочной константы. Так как третий счетчик 7 импульсов находится в нулевом состоянии, то (7) равен нулю. После окончания сигнала на выходе второго одновибратора 21 через второй элемент 24 И запускается четвертый одновибратор 25, сигнал на выходе которого запускает сумматор 15 и, после выполнения операции суммирования, на его выходе будет результат измерения, который подается на регистр 6. Z_o = K˙N, (8) где К - число, установленное на задатчике 16 первой калибровочной константы. По окончании сигнала на выходе четвертого одновибратора 25 запускается пятый одновибратор 26, сигнал с выхода которого подготавливает следующий цикл измерения. По окончании сигнала на выходе пятого одновибратора 26 начинается следующий цикл измерения. Если код числа на выходе первого умножителя 9 больше, чем число, установленное на задатчике 17 второй калибровочной константы, то на выходе цифрового компаратора 14 будет единица, которая разрешает счет третьего счетчика 7 импульса, открывает первый элемент 22 И и, через инвертор 8 блокирует второй элемент 24 И. Следовательно, сигнал с выхода второго одновибратора 21 через первый элемент 22 И запускает вычитатель 13, который из результата, имеющегося на выходе первого умножителя 9, отнимает код числа, установленного на задатчике 17 второй калибровочной константы. По окончании сигнала на выходе второго одновибратора 21 через первый элемент 22 И запускается третий одновибратор 2, сигнал с выхода которого запускает второй умножитель 10 и переводит третий счетчик 7 импульсов в первое состояние. Сигналом с выхода третьего счетчика 7 импульсов через второй элемент 27 ИЛИ мультиплексор 12 переключается в положение, в котором код числа с первой группы его входов передается на выход. После выполнения операции умножения, результат с выхода второго умножителя 10 вновь сравнивается цифровым компаратором 14 с кодом числа на выходе задатчика 17 второй калибровочной константы и, если он меньше, срабатывает цифровой компаратор 14, и сигнал с второго одновибратора 21 передается через второй элемент 24 И на третий умножитель 11 и четвертый одновибратор 25. Сигнал с выхода четвертого одновибратора 25 запускает сумматор 15, который суммирует результаты с выходов второго и третьего умножителей 10 и 11, и на его выходе появляется результат измерения:
Z_i=B(K˙N-Δ)₊+Δ, (9) где В - число, установленное в задатчике 18 третьей калибровочной константы. Если после выполнения очередного умножения вторым умножителем 10 результат на его выходе больше, чем вторая калибровочная константа Δ, то происходит следующий цикл вычитания и умножения до тех пор, пока при очередном сравнении результата умножения на выходе второго умножителя 10 не окажется меньше второй калибровочной константы Δ и не произойдет выход из цикла, при этом результат измерения толщиномера:
Z_i=B(Z_i-1-Δ)₊+i Δ. (10)
В рассматриваемом толщиномере его номинальная статическая характеристика аппроксимируется сплайном первой степени, при этом калибровочные константы могут быть рассчитаны исходя из допустимой погрешности аппроксимации (в единицах измеряемого параметра):
δ = - ln - 1
(11)
Из (11) может быть определена вторая калибровочная константа - Δ, тогда первая калибровочная константа
K =
(12) а третья калибровочная константа
В = е^аΔ . (13)
Таким образом, организация работы толщиномера по формуле (10) на основе цикличного повторения операций вычитания, умножения и сравнения, обеспечивается при линеаризации статической характеристики путем ее аппроксимации сплайном первой степени, позволяет расширить диапазон измерения без увеличения числа задаваемых коэффициентов сплайна.

Формула изобретения

РАДИАЦИОННЫЙ ТОЛЩИНОМЕР ПОКРЫТИЙ, содержащий последовательно соединенные измерительный преобразователь и первый счетчик импульсов, последовательные соединенные кварцевый генератор, второй счетчик импульсов и триггер, выход которого соединен с входом разрешения счета первого счетчика импульсов, регистр, третий счетчик импульсов, вход сброса которого соединен с входом синхронизации предустановки первого счетчика импульсов, входом установки второго счетчика импульсов и вторым входом триггера и инвертор, отличающийся тем, что, с целью расширения диапазона измерений, он снабжен тремя умножителями, мультиплексором, вычитателем, цифровым компаратором сумматором, тремя задатчиками калибровочных констант, последовательно соединенными первым одновибратором, первым элементом ИЛИ, вторым одновибратором, первым элементом И и третьим одновибратором, последовательно соединенными вторым элементом И, четвертым и пятым одновибраторами, выход пятого одновибратора соединен с вторым входом триггера, вторым элементом ИЛИ и переключателем предустановки, подключенным к входам первого счетчика импульсов, выходы которого соединены соответственно с первой группой входов первого умножителя, вторая группа входов которого соединена соответственно с выходами задатчика первой калибровочной константы, выходы первого умножителя соединены соответственно со второй группой входов мультиплекстора, первая группа входов которого соединена соответственно с выходами второго умножителя, выходы мультиплексора соединены соответственно с первыми группами входов вычитателя, компаратора и сумматора, вторая группа входов которого соединена соответственно с выходами третьего умножителя, вторая группа входов которого соединена соответственно с выходами задатчика второй калибровочной константы и вторыми группами входов компаратора и вычитателя, выходы которого соединены соответственно с первой группой входов второго умножителя, вторая группа входов которого соединена соответственно с выходами задатчика третьей калибровочной константы, выходы третьего счетчика импульсов соединены соответственно с первой группой входов третьего умножителя и через второй элемент ИЛИ с входом управления мультиплексора, вход первого одновибратора , первого элемента И и третьего одновибратора - соответственно с входами разрешения первого умножителя, вычитателя и второго умножителя, вход разрешения второго умножителя объединен с вторым входом первого элемента И и входом инвертора и соединен с выходом компаратора, выход инвертора соединен с вторым входом второго элементы И, первый вход которого соединен с выходом второго одновибратора, выходы второго элемента И и четвертого одновибратора соединены соответственно с входами разрешения третьего умножителя и сумматора, выходы которого соединены соответственно с входами регистра.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2