Средства измерений и контроля с радиоактивным преобразованием
Радиоактивные измерительные приборы основаны на использовании свойств радиоактивных излучений: проникать сквозь вещество, рассеиваться веществом и ионизировать вещество.
Радиоактивные приборы применяются в отраслях промышленности с тяжелыми условиями эксплуатации (запыленность, влажность, высокие температуры, агрессивная среда). Они 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 в зоне измерения. Однако использование источников ядерного излучения всегда связано с необходимостью защиты обслуживающего персонала от воздействий излучения.
Для контроля линейных размеров применяются приборы, в которых величина поглощения или рассеивания потока радиоактивного излучения функционально связана с контролируемой величиной. Простейшая схема прибора для контроля толщины листа показана на рис. 2.42, а. Поток радиоактивных излучений от источника излучения 1, пройдя сквозь контролируемую деталь 2, попадает в приемник 3, где в зависимости от интенсивности потока (от толщины листа) создается определенной величины электрический сигнал, который усиливается и преобразуется промежуточным преобразователем 4 и далее поступает на отсчетное или командное устройство 5.
Измерение размеров с помощью обратного рассеивания потока излучений показано на рис. 2.42, б. При направлении пучка радиоактивного излучения 1 на поверхность изделия 2 с искомой толщиной часть лучей проходит сквозь изделие, а часть лучей претерпевает рассеивание контролируемой деталью и изменяет свое первоначальное направление. Обратное рассеивание 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 отсчетным устройством 5 интенсивность отраженного потока, судят о толщине детали.
Однако схемы прямого измерения имеют существенный недостаток — низкую точность. Дифференциальная схема измерения (рис. 2.42, в), для которой характерно сравнение двух потоков излучения (один из них измеряемый Iизм, а другой — образцовый Iобр), имеет более высокие метрологические показатели. Промежуточный преобразователь 3 помимо функций, выполняемых в предыдущих схемах, должен также выделить разностный сигнал, который затем поступает на отсчетное устройство 4.
Компенсационная схема измерения (рис. 2.42, г) позволяет устранить влияние нестабильности промежуточного преобразователя 3, так как в этом случае разностный сигнал от потока Iизм и компенсационного потока 1ком воздействует на сервопривод 4, перемещающий компенсационный клин 5 таким образом, что величина разностного сигнала приводится к нулю. Отсчет осуществляется по положению компенсационного клина. Одним из недостатков обычных компенсационных схем является наличие в них механической следящей системы, ограничивающей быстродействие прибора.
В целях повышения быстродействия используют схему измерения по методу динамической компенсации (рис. 2.42, д). В отличие от обычных компенсационных схем клин 1 здесь все время находится в движении (вращается) таким образом, что интенсивность образцового излучения Iобр, падающего на приемник 2, непрерывно изменяется по пилообразному закону. В промежуточном преобразователе 3 отмечается момент равенства компенсирующего и измеряемого потоков, а измеритель 4 фиксирует положение клина, соответствующее этому моменту.
Для измерения линейных размеров в машиностроении используются источники (β- и γ-излучений, представляющие собой герметичные металлические ампулы небольших размеров, в которые заключено небольшое количество вещества (сплавы, металлы, соли и эмали), содержащего радиоактивный изотоп. Основными областями применения β-излучения являются измерения толщины, плотности и массы материала. В устройствах, где требуется большая проникающая способность излучения (толщиномерах, плотномерах, дефектоскопах, уровнемерах), широко используют γ-излучение.
Приемники излучений можно разделить на две группы. К первой группе относятся приемники, действие которых основано на ионизации газа, возникающей под действием радиоактивных лучей (ионизационные камеры, газовые счетчики). Действие второй группы приемников основано на ионизации в твердых веществах и некоторых растворах (сцинтилляционные счетчики).
Рис. 2.42. Схемы радиоактивных преобразователей:
а — для контроля толщины листа: 1 — источник излучения: 2 — контролируемая деталь; 3 — приемник; 4 — промежуточный преобразователь; 5 — отсчетное или командное устройство; б — измерение размеров с помощью обратного рассеивания потока излучений: 1 — пучок радиоактивного излучения; 2 — поверхность изделия; 3 — приемник; 4 — электрическая схема; 5 — отсчетное устройство; в — дифференциальная: 1 и 2 — приемники; 3 — промежуточный преобразователь; 4 — отсчетное устройство; г — компенсационная: 1 и 2 — приемники; 3 — промежуточный преобразователь; 4 — сервопривод; 5 — компенсационный клин; д — по методу динамической компенсации: 1 — клин; 2 — приемник; 3 — промежуточный преобразователь; 4 — измеритель
Определение наличия детали или инструмента, счета деталей, проходящих по конвейеру, блокировка металлорежущего оборудования при подаче сразу двух и более заготовок вместо одной в зону обработки и решение многих других задач осуществляется с помощью (β-реле и γ-реле.
Для построения таких приборов промышленностью выпускаются универсальные элементы (блоки), входящие в автоматические управляющие системы. Они состоят из блока излучения, измерительного блока (зонда), релейного блока и блока сигнализации.