Методы контроля толщины

Мы постоянно используем дешевые, тонкие материалы, такие как бумага, алюминиевая фольга и пищевая пленка, но задумывались ли вы когда–нибудь о том, как они изготавливаются? Тонколистовые изделия, подобные этим, отличаются удивительно высоким качеством, учитывая, насколько легко их порвать, смять или повредить при обращении!

Это стало возможным благодаря разработке бесконтактных методов контроля качества с использованием радиоактивности, позволяющих производителям проверять свой продукт, даже не прибегая к инструменту для физического прикосновения к нему. В этой статье дается краткое описание различных доступных методов измерения, физики и оборудования, используемых для мониторинга радиоактивной толщины, а также краткое описание промышленных процессов, в которых используется этот метод.

Методы контроля толщины

Когда вам нужно измерить толщину чего–либо, такой инструмент, как линейка, можно использовать с разрешением около 1 мм, однако попытка измерения на глаз с большей точностью, чем эта, ненадежна.

Для измерения меньших размеров был изобретен микрометр (похожий на штангенциркуль). В них используется точная резьба для измерения небольших расстояний с разрешением около 0,01 мм, а цифровые или механические версии относительно недороги.

Микрометры по-прежнему широко используются в малосерийном производстве, где процессы выполняются вручную. Однако для массового производства повторные ручные измерения с использованием микрометра непрактичны, поскольку это создаст значительное узкое место на производственной линии и снизит ее скорость.

Для выполнения точных измерений на производственной линии можно использовать роботизированную координатно-измерительную машину (CMM). Они используют зонд для измерения трехмерной геометрии изготовленной детали и могут быть автоматизированы для выполнения контроля намного быстрее и точнее, чем оператор-человек. Роботизированный контроль CMM используется в крупносерийном производстве деталей со сложной геометрией, таких как компоненты автомобильного двигателя, измерений на производственной линии можно использовать роботизированную координатно-измерительную машину (CMM). Они используют зонд для измерения трехмерной геометрии изготовленной детали и могут быть автоматизированы для выполнения контроля намного быстрее и точнее, чем оператор-человек. Роботизированный контроль CMM используется в крупносерийном производстве деталей со сложной геометрией, таких как компоненты автомобильного двигателя.

Однако для тонких материалов, таких как бумага, необходимо контролировать только одно важное измерение – их толщину. Использование микрометра для этого слишком медленно и может легко повредить материал, в то время как система CMM излишне сложна и все равно может замедлить скорость производства. Для решения этой проблемы были разработаны специализированные приборы для контроля толщины на основе радиоактивности, обеспечивающие быстрый бесконтактный метод измерения толщины тонких листовых материалов.

Мониторинг толщины с использованием радиоактивных изотопов

Альфа (?), бета (?) и гамма (?) являются основными типами излучения, каждый из которых обладает разной проникающей способностью через материалы. Все три типа излучения представляют собой радиационные частицы, причем альфа- самый тяжелый и наиболее ионизирующий, а гамма - самый легкий и наименее ионизирующий.

Убедитесь, что вы не путаете электромагнитное излучение с радиоактивным излучением. В то время как радиоактивность или радиоактивное излучение - это процесс выделения излучения определенными элементами (радиоактивными элементами), электромагнитное излучение - это энергия или энергичные частицы, испускаемые источниками электромагнитного излучения.

Альфа (?) излучение, ядро гелия, обычно блокируется листом бумаги и распространяется по воздуху всего на несколько сантиметров.

Бета-излучение, быстро движущийся электрон, может проникать через лист бумаги, но обычно блокируется тонкой металлической пластиной.

Гамма-излучение, фотон высокой энергии, является мельчайшей частицей и обладает наибольшей проникающей способностью, блокируясь только толстой металлической пластиной из такого материала, как свинец или железо.

Контроль толщины: ослабление излучения

Когда ядерное излучение "блокируется" материалом, оно ослабляется до уровня, при котором оно больше не обнаруживается. Одиночная частица излучения может быть поглощена материалом или может пройти насквозь, при этом вероятность ее поглощения возрастает по мере увеличения размера частиц и утолщения материала.

Материал может рассеивать или поглощать частицы излучения, а более крупные частицы или более толстый материал увеличивают вероятность этого, когда частица проходит через материал. Однако, поскольку источник излучения испускает много частиц, некоторые из них могут поглощаться материалом, в то время как часть может проходить сквозь него.

Если 25 процентов от первоначального количества излучения проходит через материал, оно ослаблено на 75 процентов. Для данного материала и типа излучения величина ослабления, вызванного материалом, пропорциональна его толщине.

Взаимосвязь между толщиной материала и величиной ослабления излучения может быть использована для бесконтактного измерения. Зная начальную интенсивность луча излучения и измеряя интенсивность луча после его прохождения через материал, можно рассчитать величину ослабления и соответствующую толщину материала.

Поскольку интенсивность луча излучения можно измерять непрерывно, этот метод может обеспечить способ контроля тонких материалов в режиме реального времени, поскольку они производятся на непрерывной производственной линии.

Радиоизотопы, используемые для контроля толщины

Бета-излучение чаще всего используется для контроля толщины, поскольку оно обладает наиболее подходящей проникающей способностью; альфа-излучение блокируется даже тонким листом бумаги, в то время как гамма-излучение проходит через большинство тонких материалов, хотя гамма-излучение иногда используется для более толстых металлических листов.

Радиоактивный источник с длительным периодом полураспада идеально подходит для этого применения, поскольку это означает, что уровень активности будет постоянным в течение длительного времени. Это полезно, поскольку означает, что радиоактивный источник не нужно будет часто менять, а уровень активности будет почти постоянным каждый день.

Период полураспада радиоактивного изотопа описывает продолжительность времени, которое требуется для распада половины радиоактивных ядер в данном образце. Скорость распада описывается таким образом, потому что она уменьшается с течением времени - по мере уменьшения количества нераспавшихся ядер скорость распада также уменьшается.

Прибор для контроля толщины

Прибор, необходимый для выполнения контроля радиоактивной толщины, иногда называют радиоактивным датчиком.

При использовании в процессе производства тонколистового материала, такого как бумага или алюминиевая фольга, радиоактивный датчик обычно используется как для контроля, так и для контроля толщины продукта. Эти продукты обычно производятся с использованием роликов, которые формируют материал в лист путем сжатия и вытягивания.

После того, как листовой материал прошел через набор роликов, он проходит под радиоактивным источником с известной интенсивностью.

Детектор на другой стороне материала измеряет интенсивность излучения, проходящего через лист, и передает эти данные в компьютерный процессор.

Процессор вычисляет толщину материала на основе известной начальной интенсивности излучения, измеренной интенсивности излучения, прошедшего через лист, и свойств ослабления листового материала.

Эта расчетная толщина сравнивается с целевой толщиной. Если материал слишком толстый или тонкий, компьютер регулирует усилие на роликах, чтобы исправить ошибку.

Примеры контроля толщины

Наиболее очевидным применением радиоактивных датчиков является контроль толщины листовых материалов во время их изготовления. В зависимости от производимого материала в них используются бета- или гамма-излучатели в зависимости от необходимой проникающей способности. Тем не менее, технология также нашла несколько других применений в аналогичных бесконтактных системах контроля. Вот несколько примеров.

Приложения для контроля толщины

Производство бумаги (бета-версия)

Производство алюминиевой фольги (бета-версия)

Производство листового и листового металла (Гамма)

Контроль толщины: другие промышленные применения

Контроль уровня жидкости – определение того, когда емкость заполнена до определенного уровня (Гамма)

Количество/состав сырья, перемещаемого по конвейерной ленте (Гамма)

Анализ распределения плотности материалов в закрытом контейнере (Гамма)

Обычно используемые радиоизотопы для калибровки

Криптон-85.Бета-излучатель с периодом полураспада 10,8 лет.

Цезий-137. Бета-излучатель с периодом полураспада 30,17 лет.

Америций-241. В основном альфа-излучатель с побочным продуктом гамма-излучения и периодом полураспада 432,2 года. Используется в качестве гамма-излучателя при измерении радиоактивных веществ, поскольку альфа-частица блокируется несколькими сантиметрами воздуха.

Кобальт-60. Бета-излучатель с периодом полураспада 5,3 года, распадающийся на никель-60, который испускает гамма-лучи.

Контроль толщины - основные выводы

Тонколистовые материалы требуют бесконтактного метода контроля для контроля их толщины во время производства.
Радиоактивный датчик может использоваться для контроля толщины листовых материалов в режиме реального времени по мере их изготовления.
Радиоактивный датчик работает путем измерения доли начальной интенсивности излучения, которое проходит через листовой материал, и использует величину ослабления для расчета толщины материала.
Расчетная толщина сравнивается с целевой толщиной, и усилие на роликах автоматически настраивается для исправления любой ошибки.
Радиоактивные датчики также используются для других бесконтактных промышленных применений, таких как контроль уровня жидкости, измерение количества материала, перемещающегося по конвейерной ленте, и анализ распределения плотности внутри закрытых контейнеров.