5.5. Радиоактивные приборы

Радиоактивные приборы основаны на использовании свойств радиоактивных излучений: проникать сквозь вещество, рассеиваться веществом и ионизировать вещество.

Для контроля линейных размеров применяются приборы, в которых величина поглощения или рассеивания потока радиоактивного излучения функционально связана с контролируемой величиной.

П ростейшая принципиальная схема прибора для контроля толщины листа показана на рис. 9. Поток радиоактивных излучений от источника 7, пройдя сквозь контролируемую деталь 2, попадает в приемник 3, где в зависимости от интенсивности потока (от толщины d листа) создается определенной величины электрический сигнал, который усиливается и преобразуется промежуточным преобразователем 4 и далее поступает на указательное или командное устройство 5.

Измерение размеров с помощью обратного рассеяния потока излучений показано на рис. 10.

При направлении пучка радиоактивного излучения 1 на поверхность изделия 2 с определенной толщиной часть лучей проходит сквозь изделие, а часть лучей претерпевает рассеяние веществом и изменяет свое первоначальное направление. Обратное рассеяние излучения происходит не только на поверхности изделия, но и на разной его глубине в зависимости от толщины изделия. Измеряя приемником 3 с аналогичной электрической схемой 4 и 5 интенсивность отраженного потока, судят о толщине изделия.

Приборы, использующие эффект рассеяния излучений, нашли применение для измерения толщины изделий, доступных только с одной стороны, а также для определения толщины покрытий.

Радиоактивные приборы целесообразно применять в отраслях промышленности с тяжелыми условиями эксплуатации (запыленность, влажность, высокие температуры, агрессивная среда).

Эти приборы успешно используются для автоматизации технологических процессов изготовления проката металлов, резины, бумаги, стекла, всевозможных пленок, автоматизации литейного и кузнечно-прессового производства. Радиоактивные приборы позволяют вести бесконтактные измерения при больших скоростях проката со значительными величинами вибраций и колебаний измеряемого объекта, при значительных колебаниях температуры, зоне измерения. Однако использование источников ядерного излучения всегда связано с необходимостью защиты обслуживающего персонала от воздействий излучения.

Источники излучений

Для измерения линейных размеров в машиностроении используются источники β- и γ - излучений.

β - излучение представляет собой поток электронов, образовавшихся при превращении одного из нейтронов ядра в протон.

При этом ядро испускает электрон, называемый обычно β- частицей. Пробег β- частиц в газах достигает нескольких метров, а в жидких и твердых телах — нескольких миллиметров.

Основными областями применения β - излучения в устройствах автоматического контроля являются измерение толщины, плотности и веса материала.

γ - лучи представляют собой электромагнитное излучение, испускаемое атомными ядрами при переходе их из возбужденного в основное состояние или следствие торможения заряженных частиц.

γ - излучение сравнительно слабо поглощается веществом и может проникать через твердые тела толщиной до нескольких сотен миллиметров. Его широко используют в устройствах автоматического контроля, где требуется большая проникающая способность излучения (толщиномерах, плотномерах, дефектоскопах, уровнемерах).

Конструктивно источники излучений обычно представляют собой герметичные металлические ампулы небольших размеров. В ампулу заключено небольшое количество вещества (сплавы, металлы, соли или эмали), содержащие радиоактивный изотоп.

Важным свойством источников ядерных излучений является отсутствие какого-либо влияния внешних условий (давления, температуры, электрического и магнитного полей и т.д.) на активность и энергию излучения. Причиной этого является то, что радиоактивность обусловлена не процессами в электронных оболочках атома, где энергии взаимодействия имеют тот же порядок, что и энергии обычных физических явлений, а связана с явлениями, происходящими внутри атомного ядра, где энергии взаимодействия на 3 — 4 порядка выше.

Приемники излучений

Существующие в настоящее время приемники излучений можно разделить на две группы: к первой группе относятся приемники, действия которых основаны на ионизации газа, возникающей под действием радиоактивных лучей; действие второй группы приемников основано на ионизации в твердых веществах и некоторых растворах.

Ионизационные камеры и газовые счетчики являются приемниками первой группы, люминесцентные счетчики относят ко второй группе.

Статистические погрешности играют значительную роль при измерении малых интенсивностей потоков излучений, и их влияние уменьшается с увеличением активности источника излучений.

Измерение вообще будет невозможным, если оперировать источником с малой интенсивностью и применять высокочувствительную электрическую схему для измерения незначительных приращений контролируемых размеров деталей.

Простейшим радиоактивным прибором для контроля толщины детали является прибор, в котором измерение интенсивности излучения осуществляется по схеме (см. рис. 9). От источника 1 излучение, пройдя контролируемую деталь 2, ослабевает и далее приемником 3 преобразуется в электрический сигнал.

Электрический преобразователь 4 обычно содержит интегрирующую цепочку, электронный усилитель, а блок 5 имеет показывающее устройство в виде стрелочного прибора и для подачи команды релейное устройство. Схема прямого измерения обладает существенным недостатком — низкой точностью.

Дифференциальная схема измерения (рис. 11, а), для которой характерно сравнение двух потоков излучения (один из них 1_ИЗ, второй — образцовый 1_ОБ) имеет более высокие метрологические показатели.

Промежуточный преобразователь 3, помимо функций, выполняемых в предыдущей схеме, должен также выделить разностный сигнал, который затем поступает на измеритель 4.

Т очность схемы повышена за счет значительного уменьшения статистических погрешностей. Погрешности будут возникать за счет неодинаковых изменений характеристик приемников излучений и нестабильности во времени блоков схемы.

Компенсационная схема измерения (рис. 11, б) позволяет устранить влияние нестабильности промежуточного преобразователя 3, так как в этом случае разностный сигнал от потока 1_ИЗ и компенсационного потока 1_К воздействует на сервопривод 4, перемещающий компенсационный клин 5 таким образом, что величина разностного сигнала приводится к нулю. Отсчет осуществляется по положению компенсационного клина.

Погрешности из-за неодинаковых изменений характеристик приемников излучений в данной схеме остаются. Они могут быть устранены применением компенсационных схем с одним общим приемником излучения (рис. 11, в). Два потока излучения попеременно попадают на один и тот же приемник излучения 2. Модуляция потоков осуществляется вращающимся диском 1 с окном, который попеременно открывает приемник излучения то потоку 1_ИЗ, то потоку 1_К.

По фазе сигнала разбаланса можно судить о знаке неравновесия и компенсировать его аналогично предыдущей схеме.

Преимуществом применения компенсационных схем с модулированным излучением является возможность использования в них наиболее эффективных приемников излучения, например, сцинтилляционных счетчиков.

Недостатком же является то, что измеряемый поток излучения воздействует на приемник только в течение половины рабочего цикла и, следовательно, время измерения используется не полностью.

Для более эффективного использования времени измерения применяется схема, работающая по методу контрольного сигнала (рис. 11, г).

Измеряемый и образцовый потоки излучения действуют на приемник 2 одновременно, причем измеряемый поток действует непрерывно, а образцовый периодически прерывается с некоторой частотой при помощи модулирующего устройства.

Промежуточный преобразователь 3 содержит в себе цепи, позволяющие выделить отдельно переменную составляющую сигнала, соответствующую образцовому потоку, и суммарный сигнал. Измеритель 4 определяет отношение этих двух сигналов. При строгом постоянстве образцового потока показания прибора будут зависеть только от интенсивности измеряемого потока излучения.

Одним из недостатков обычных компенсационных схем является наличие в них механической следящей системы, ограничивающей быстродействие прибора.

С целью повышения быстродействия используют схему измерения по методу динамической компенсации (рис. 11, д). В отличие от обычных компенсационных схем клин здесь все время находится в движении (вращается) таким образом, что интенсивность образцового потока излучения 1_ОБ, падающего на приемник 2, непрерывно изменяется по пилообразному закону.

В промежуточном преобразователе 3 отмечается момент равенства компенсирующего и измеряемого потока, а измеритель 4 фиксирует положение клина, соответствующее этому моменту.