IMS測厚儀的原理及影響因素

郭明明

（煙臺東海鋁箔有限公司，山東 龍口 265706）

厚度是鋁板帶、鋁箔產品最主要的指標之一。厚度精度的高低，對用戶來講，它能反映鋁板、帶、箔使用特性的好與壞。軋制的厚度精度主要從溫度、材質密度、環境等因素進行了分析。IMS測厚儀高壓發生器HSG40、X射線控制器RSG100、X射線管等現場設備與柜內設備共同完成對鋁箔的實際軋出厚度進行直接或間接地連續測量，把測得的實際值與給定值進行比較，產生偏差信號，去改變軋機的其他控制點，以控制出口厚度在容許的偏差范圍內。

1 測厚儀的原理

某治金屬性質的入射射線強度和吸收系數一定時.X射線測厚儀原理是：X射線根據通過檢測介質對射線的吸收率來間接測得介質的厚度，即測量被測鋁板所吸收的X射線量多少，根據該X射線的射線能量值的大小，確定被測鋁板的厚度。由C框架X射線探測頭將接收到的射線量信號轉換為電信號，經過前置放大器放大，再由專用測厚儀操作系統轉換為顯示給人們以直觀的實際厚度信號。

X射線源輻射強度的大小，與X射線管的發射強度和被測鋼板所吸收的X射線強度相關。一個在系統量程范圍內的給定厚度，為了確定其所需的X射線能量值，可利用M215型X射線檢測儀進行校準。在檢測任一特殊厚度時，系統將設定X射線的能量值，使檢測能夠順利完成。

圖1 測厚儀原理

在厚度一定的情況下，X射線的能量值為常量。當安全快門打開，X射線將從X射線源和探頭之間的被測鋼板中通過，被測鋁箔將一部分能量吸收，剩余的X射線被位于X射線源正上方的探頭接收，探頭將所接收的X射線轉換為與之大小相關的輸出電壓。如果改變被測鋁箔的厚度，則所吸收的X射線量也將改變，這將使探頭所接收的X射線量發生變化，檢測信號也隨之發生相應的變化。

2 IMS測厚儀厚度控制系統硬件的組成

主要有X射線控制器、高壓發生器、X射線管、電離室等其他輔助設備組成。

2.1 X射線控制器RSG100

RSG100由一個集成的主濾波器提供電源。在主濾波器后，電源被分割，分配到電源回路和控制電子回路，控制電子回路由兩個電源裝置提供電源。電源回路由連接器提供電源。此后，電源被整流以便提供一個約為320V的直流電壓給電源回路。

主整流器后面接一個斬波器，這個斬波器確保那個已被整流的主電壓調整為軟件所規定的數值，這就確保了后面HSG控制系統的輸出功率放大級收到一個最佳電壓，以便控制。斬波器對線路的波動起到穩定的作用。

HSG控制系統的輸出功率放大級是一個全電橋電流轉換器，這個穩壓的斬波器電壓由電流轉換器進行斬波，送入HSG的變壓器。

2.2 高壓發生器HSG40

高壓發生器由高壓變壓器和高壓級聯組成，它們用來矯正和放大高壓。高壓發生器由高壓反饋測量系統進行測量，并反饋到RSG100的高壓調劑器。

HSG除了產生高壓外，還包含有燈絲變壓器。它將控制加熱燈絲所需的電壓進行變壓成高壓。燈絲變壓器由RSG內的模塊HZK1提供功率。

HSG還配置有溫度監控器和溫度補償器，它能夠在溫度波動時防止過熱并進行溫度補償。

高壓發生器通過兩個連接器連接到連接盒上。

2.3 X射線管

X光管的作用就是產生X光，它由陰極（負極）和陽極（正極）組成，陽極接地，在陽極和陰極之間施加一個負的高電壓，X光管的內部為真空，因而在陽極和陰極之間可以形成絕緣。

陰極包含有一根加熱燈絲，在高電壓的作用下燈絲發出電子，電子在沖撞陽極后速度減慢，因此產生實際的X光。

為了了解X光控制器的工作原理，首先需要理解以下術語和這些數值重要作用。

高壓UHv

術語高壓是指作用在X光管陽極和陰極之間的電壓，高壓決定輻射的能量，高壓越高，輻射越“強”，穿越介質的能力越“強”。

管電流ITb

管電流就是流過X光管的電流，管電流決定輻射的強度，提高管電流不會改變特性，僅能增強輻射的強度。

燈絲電流IFL

燈絲電流是指將X光管內加熱燈絲運作起來所需的電流，它決定于管子，可在2.5－4.5A范圍內調整，RSG100的軟件根據負荷設定值來計算燈絲電流的最佳原始設定值，而負荷設定值來自kV和mA值。管子電流通過改變燈絲電流來控制.

例子：

燈絲電流參考值：3.51A

2.4 電離室

電離室（圖2）是一種已氣體為介質的射線探測器，當從高壓射線管里發出的射線穿過帶材時，射線被帶材吸收一部分，為吸收的射線擊到電離室，將測量箱體內的填充氣體電離，換句話說，氣體原子結構的外層電子被釋放，原子的帶電量因此不再是中性的。這些離子對將按照作用電壓的極性被吸附到電極上，這樣就產生了電流，電流與入射射線的強度成比例。這個電流經過運算變成一個0-10V的直流電壓信號，被送到X射線控制器RSG100快速進行計算和處理，最后得到厚度值。

射線量與被測物厚度之間的關系方程：

式中：L=為測厚儀X光管的射線量;Io為=電離室吸收的射線量；μ為吸收系數；ρ為被測物的密度；x為被測物的實際厚度。

圖2 電離室原理圖

輻射強度越大，產生電流越大，探測其上的輸出電壓降就越大?？梢钥闯?，探測器的輸出電壓與擊到電離室的射線量成正比關系，被測物的厚度與探測器的輸出電壓成自然對數關系。

3 影響測量精度的因素

3.1 射束路徑中空氣溫度的變化

如果調零后，測量間隙（輻射源到檢測器之間的區間）的空氣柱的溫度發生變化，則空氣密度發生變化，導致產生誤差，誤差會疊加到正在測量的變量。

空氣升溫后其誤差為負值，降溫后其誤差為正值?？諝獾拿娣e重量以約-4.7g/m2每10cm每10℃發生變化。

采用低能量的γ和X射線的測量系統，對一個特殊的能量而言，其質量吸收系數不僅取決于密度，也取決于照射介質的原子序數。

對于射束路徑中，因空氣溫度的變化引起的誤差幅度，在計算時必須加以考慮。誤差的變化與，測量材料的質量吸收系數和空氣的質量吸收系數的關系，成比例。

3.2 材料溫度（圖3）

隨著材料溫度的升高，正常的鋁的體積也增加，即，面積和厚度線性增加。

如果只考慮一個常量面積（在溫度升高之前的面積），則面積重量隨溫度的升高而降低。

在基于確定面積重量而進行厚度的放射性測量時，在體積上與溫度相關的增加中，垂直方向上所占的材料比例保持不變。

隨著溫度（與面積的增加成比例）的上升，放射性測量得到的熱厚度降低。

圖3

3.3 射束路徑中的雜質

3.3.1 在測量系統中

射束發出窗口或者檢測器之前殘留有灰塵、水、油滴或結疤，將會影響全輻射信號。

一般在帶材兩次通過期間進行這種污染的調整。如果在帶材兩次通過期間保持不變，就不會造成測量誤差。

如果有變化，就會產生一個測量誤差，誤差取決于輻射類型，有可能只與密度（Cs 137）成比例，或者也取決于原子序數（X射線，Am241射線）。

例如，在Cs 137測量系統中的1mm的水，將導致約為0.125mm Fe 或者0.37mm Al 的測量誤差。

在Am241測量系統中的同樣厚度的水，將導致約為0.025mm Fe 或者0.24mm Al 的測量誤差。

3.3.2 在材料上

在材料上的雜質常常會導致測量誤差，因為在測量系統校驗時無法發現雜質。

它們不是沿帶材長度和寬度均勻地分布的。

3.4 材料位置的影響

必須區分位置上的水平、平行平面的變化和角度上的變化之間的區別。

3.4.1 角度的變化

材料角度上的變化，會因輻射的傾斜而改變測量結果。

這樣產生的誤差與，正常位置和錯誤位置（輻射長度隨角度增大而增大）的夾角的余弦，成比例。

如果材料在其正常位置上被傾斜輻射，必須考慮正常位置輻射角與錯誤位置輻射角的余弦差。

3.4.2 平行平面的變化

在材料位置內的平行平面的變化，可能造成測量誤差。在被輻射材料的出口表面會發生散射輻射。

根據瞄準度類型、材料與檢測器的距離，這種散射輻射能夠很好或很差地照射到檢測器，從而改變測量信號。

如果把材料向一個未瞄準的檢測器的方向移動，顯示的厚度將變小。在間距小以及不瞄準情況下，每10mm位置變化，測量誤差可以達到0.1%。

3.5 合金成分

在一個經過基本密度校驗的使用中等能量的β和γ射線（開普敦效應，即，利用能量大約為660KeV的Cs137 ）的測量系統中，應該把合金化材料的密度與材料基本密度的不同考慮進去。操作時必須輸入正確的合金成分。合金成分不同，補償系數不同。

4 結語

鋁板帶箔軋機的厚度控制是軋機生產過程中的最重要的控制內容之一，也屬于較為復雜的控制技術，涉及方方面面的因素。綜合以上介紹和分析，除了要保證設備的制造、安裝精度的測厚儀外、加強日程管理、保證設備的完好及來料的質量，對于保證厚度控制的一致性和穩定性，有著至關重要的意義。