Разработка рентгеновского абсорбционного измерителя плотности материалов объектов контроля сложной формы
|
Введение 9
1. Обзор литературы 13
2. Особенности рентгеновской абсорбционной плотнометрии крупногабаритных
объектов с переменной толщиной 23
2.1 Формирование, оцифровка и калибровка измерительных сигналов 24
2.2 Уравнение рентгеновского абсорбционного измерителя плотности 26
2.3 Расчёт зависимости P(pH). Формула для расчёта лучевой толщины объекта
контроля 27
2.4 Выбор разрядности АЦП 28
2.5 Пример расчета Y(pH) 29
2.6 Исследование приближений функции P'1(Y) полиномами 31
2.7 Экспериментальные исследования 33
3. Оценка возможности измерения плотности материалов высокоэнергетическим
методом дуальных энергий 37
3.1 Общие сведения о методе дуальных энергий 37
3.2 Формирование цифровых теневых радиографических изображений 38
3.3 Получение цифровых изображений метода дуальных энергий 42
3.4 Алгоритм калибровки 49
4 Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение 58
4.1 Предпроектный анализ 58
4.2 SWOT-анализ 64
4.3 Инициация проекта 67
4.4 Планирование управления научно-техническим проектом 68
4.5 Бюджет научного исследования 73
4.6 Реестр рисков проекта 79
5. Социальная ответственность 80
5.1 Производственная безопасность 80
5.2 Экологическая безопасность 85
5.3 Безопасность в чрезвычайных ситуациях 86
5.4 Организационные мероприятия при компоновке рабочей зоны 88
Список публикаций студента 92
Список использованных источников 94
Приложение 1. Календарный план-график проведения НИОКР 100
Приложение 2. Реестр рисков по проекту 103
Приложение 3. Английский язык 104
1. Обзор литературы 13
2. Особенности рентгеновской абсорбционной плотнометрии крупногабаритных
объектов с переменной толщиной 23
2.1 Формирование, оцифровка и калибровка измерительных сигналов 24
2.2 Уравнение рентгеновского абсорбционного измерителя плотности 26
2.3 Расчёт зависимости P(pH). Формула для расчёта лучевой толщины объекта
контроля 27
2.4 Выбор разрядности АЦП 28
2.5 Пример расчета Y(pH) 29
2.6 Исследование приближений функции P'1(Y) полиномами 31
2.7 Экспериментальные исследования 33
3. Оценка возможности измерения плотности материалов высокоэнергетическим
методом дуальных энергий 37
3.1 Общие сведения о методе дуальных энергий 37
3.2 Формирование цифровых теневых радиографических изображений 38
3.3 Получение цифровых изображений метода дуальных энергий 42
3.4 Алгоритм калибровки 49
4 Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение 58
4.1 Предпроектный анализ 58
4.2 SWOT-анализ 64
4.3 Инициация проекта 67
4.4 Планирование управления научно-техническим проектом 68
4.5 Бюджет научного исследования 73
4.6 Реестр рисков проекта 79
5. Социальная ответственность 80
5.1 Производственная безопасность 80
5.2 Экологическая безопасность 85
5.3 Безопасность в чрезвычайных ситуациях 86
5.4 Организационные мероприятия при компоновке рабочей зоны 88
Список публикаций студента 92
Список использованных источников 94
Приложение 1. Календарный план-график проведения НИОКР 100
Приложение 2. Реестр рисков по проекту 103
Приложение 3. Английский язык 104
РЕФЕРАТ
Выпускная квалификационная работа 120 с., 11 рис., 27 табл., 67 источников, 3 прил.
Ключевые слова: плотность; массовая толщина; высокоэнергетическое рентгеновское излучение; ужесточение рентгеновского излучения;
полиномиальная аппроксимация; рассеянное излучение.
Объектом исследования являются: закономерности формирования и алгоритмы обработки цифровых радиометрических сигналов применительно к оценке плотности материалов крупногабаритных объектов сложной формы.
Цель работы - разработка методик выбора и оценки параметров и характеристик комплекса рентгеновского абсорбционного измерителя
плотности.
В процессе исследования проводились теоретические и экспериментальные работы, связанные с разработкой методик выбора и оценки параметров и характеристик комплексов высокоэнергетического рентгеновского измерителя плотности.
В результате исследования реализованы математическая модель, уравнение измерителя, алгоритмы выбора и оценки параметров и характеристик рентгеновского абсорбционного измерителя плотности крупногабаритных объектов сложной формы.
Степень внедрения: результаты исследований реализованы в виде рекомендаций, алгоритмов по выбору и оценке параметров абсорбционного измерителя плотности крупногабаритных объектов сложной формы.
Область применения: измерение плотности крупногабаритных объектов (до 240 мм по стали) промышленного назначения.
Экономическая эффективность/значимость работы состоит в теоретическом и экспериментальном обосновании возможности разработки рентгеновского абсорбционного измерителя плотности материалов крупногабаритных объектов сложной формы.
В будущем планируется доработка методик выбора и оценки параметров
рентгеновского абсорбционного измерителя плотности материалов крупногабаритных объектов сложной формы и внедрение их в промышленности.
Определения, обозначения, сокращения, нормативные ссылки
В настоящей работе использованы ссылки на следующие стандарты:
1. ГОСТ 12.1.038-82 ССБТ. Электробезопасность.
2. ГОСТ Р 22.0.01-94 Безопасность в ЧС. Основные положения.
3. ГОСТ Р 22.0.07-95 Безопасность в чрезвычайных ситуациях.
В данной работе применены следующие термины с соответствующими определениями:
абсорбция: Физический процесс поглощения фотонов веществом.
аппроксимация: Способ описания экспериментальных или
теоретических зависимостей более простыми аналитическими зависимостями с минимально возможным количеством параметров.
бетатрон: Циклический ускоритель электронов с фиксированной равновесной орбитой, ускорение в котором происходит с помощью вихревого электрического поля.
ионизирующее излучение: Потоки фотонов, элементарных частиц или осколков деления атомов, способных ионизировать вещество.
Сокращения русских слов выполняются в соответствии с ГОСТ Р 7.0.122011, сокращения иностранных слов - в соответствии с ГОСТ 7.11-2004. Также в данной работе приведены следующие сокращения:
АЦП - аналого-цифровой преобразователь;
МДЭ - метод дуальных энергий;
ОК - объект контроля;
САПР - система автоматического проектирования.
Введение
Введение
Одной из наиболее важных характеристик материалов является плотность. В настоящее время наблюдается всплеск интереса и ученых и производственников к задачам, связанным с измерением плотности. Это обусловлено значительным прогрессом в производстве материалов различного назначения, а также расширением выпуска разнообразных изделий сложной формы и большого размера. Потребителей интересует, как правило, информация не о средней плотности по всему объему испытуемого объекта, а о распределение плотности по фрагментам объекта контроля. Вышесказанное обуславливает актуальность темы диссертационных исследований. Радиационные методы, основанные на регистрации проходящего или рассеянного излучения, достаточно широко используются для измерения плотности. В качестве источников ионизирующего излучения применяют источники гамма-излучения либо рентгеновские аппараты. Ограничением для оценки плотности материалов крупногабаритных объектов с переменной толщиной является максимальная энергия источников рентгеновского и гамма- излучения. Из выпускаемых серийно источников гамма-излучения с высокой удельной активностью следует отметить радионуклид Co-60 со средней энергией 1,25 МэВ. В настоящее время наблюдается прогресс в повышении максимальной энергии рентгеновских аппаратов, которая достигла уровня 850 кэВ. Несмотря на упомянутый прогресс, рентгеновские аппараты с максимальной энергией, превышающей 450 кэВ, редки в промышленных применениях, что обуславливается, прежде всего, их предельно высокой стоимостью. Альтернативой упомянутым рентгеновским аппаратам выступают уникальные источники высокоэнергетического рентгеновского излучения - малогабаритные импульсные бетатроны, производимые малыми сериями Томским политехническим университетом. Отличительной особенностью этих бетатронов является высокая максимальная энергия рентгеновского излучения - от 2 МэВ до 9 МэВ и достаточно высокая стабильность параметров рентгеновского излучения от импульса к импульсу. Еще одним важным
фактором в пользу выбора в качестве источников рентгеновского излучения бетатронов ТПУ выступает очень высокий уровень проникающей способности. В документации на бетатроны МИБ-7,5, МИБ-9 указано значение проникающей способности на уровне 240-300 мм по стали. Следует отметить, что результаты уникальных экспериментов, проведенных на досмотровом комплексе ТПУ, существенно расширили области возможного применения бетатронов, так как была достигнута проникающая способность 400-430 мм по стали. Существует еще один фактор, способствующий решению сформулированной выше задачи. Этот фактор связан с заметным прогрессом в разработке высокоэффективных линейных и матричных детекторов рентгеновского излучения.
Предмет диссертационных исследований - абсорбционные рентгеновские методы измерения плотности.
Объект исследований - закономерности формирования и алгоритмы обработки цифровых радиометрических сигналов применительно к оценке плотности материалов крупногабаритных объектов сложной формы.
Цель исследований - разработка методик выбора и оценки параметров и характеристик комплекса рентгеновского абсорбционного измерителя плотности.
Для достижения поставленной цели предполагается решение следующих задач, связанных с разработкой:
- математической модели рентгеновского абсорбционного измерителя плотности материала применительно к контролю объектов сложной формы;
- высокоточной аппроксимации массового коэффициента ослабления рентгеновского излучения от толщины ослабляющего барьера;
- алгоритма обработки информации для многоканального измерителя плотности крупногабаритных объектов.
Методы исследования. Для решения поставленных задач использовались методы математического анализа, математического и натурного моделирования, статистической обработки результатов экспериментальных исследований.
Научная новизна:
- Разработана математическая модель рентгеновского абсорбционного измерителя плотности материала применительно к контролю объектов сложной формы.
- Предложена высокоточная аппроксимация массового коэффициента ослабления рентгеновского излучения от толщины ослабляющего барьера.
- Разработан алгоритм обработки информации для многоканального измерителя плотности крупногабаритных объектов.
- Проведена экспериментальная оценка предельных возможностей рентгеновского абсорбционного метода измерения плотности применительно к испытанию крупногабаритных объектов сложной формы.
Практическая значимость работы состоит в том, что полученные в процессе диссертационных исследований результаты позволят разработать рентгеновский абсорбционный измеритель плотности материалов крупногабаритных объектов сложной формы.
Реализация результатов работы. Результаты выполненных исследований реализованы в математической модели, в уравнении измерителя и в алгоритмах выбора и оценки параметров и характеристик рентгеновского абсорбционного измерителя плотности крупногабаритных объектов сложной формы.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы обсуждались на XIX Всероссийской научно-практической конференции «Качество - стратегия XXI века» (Томск 2014), на VI Всероссийской конференции «Рессурсоэффективным технологиями - энергию и энтузиазм молодых» (Томск 2015), на XX Всероссийской научно-технической конференции «Виртуальные и интеллектуальные системы» (Барнаул 2015), на IV Международной конференции школьников, студентов, аспирантов, молодых ученых «Рессурсоэффективные системы в управлении и контроле: взгляд в будущее» (Томск 2015).
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 4 печатных работах, причем две из них опубликованы в журналах, реферируемых в SCOPUS и WEBofScience.
На защиту выносятся:
- Математическая модель рентгеновского абсорбционного измерителя плотности материала применительно к контролю объектов сложной формы.
- Высокоточная аппроксимация массового коэффициента ослабления рентгеновского излучения от толщины ослабляющего барьера.
- Алгоритм обработки информации для многоканального измерителя плотности крупногабаритных объектов.
- Результаты экспериментальной оценки предельных возможностей измерения плотности методом высокоэнергетической цифровой радиографии
Выпускная квалификационная работа 120 с., 11 рис., 27 табл., 67 источников, 3 прил.
Ключевые слова: плотность; массовая толщина; высокоэнергетическое рентгеновское излучение; ужесточение рентгеновского излучения;
полиномиальная аппроксимация; рассеянное излучение.
Объектом исследования являются: закономерности формирования и алгоритмы обработки цифровых радиометрических сигналов применительно к оценке плотности материалов крупногабаритных объектов сложной формы.
Цель работы - разработка методик выбора и оценки параметров и характеристик комплекса рентгеновского абсорбционного измерителя
плотности.
В процессе исследования проводились теоретические и экспериментальные работы, связанные с разработкой методик выбора и оценки параметров и характеристик комплексов высокоэнергетического рентгеновского измерителя плотности.
В результате исследования реализованы математическая модель, уравнение измерителя, алгоритмы выбора и оценки параметров и характеристик рентгеновского абсорбционного измерителя плотности крупногабаритных объектов сложной формы.
Степень внедрения: результаты исследований реализованы в виде рекомендаций, алгоритмов по выбору и оценке параметров абсорбционного измерителя плотности крупногабаритных объектов сложной формы.
Область применения: измерение плотности крупногабаритных объектов (до 240 мм по стали) промышленного назначения.
Экономическая эффективность/значимость работы состоит в теоретическом и экспериментальном обосновании возможности разработки рентгеновского абсорбционного измерителя плотности материалов крупногабаритных объектов сложной формы.
В будущем планируется доработка методик выбора и оценки параметров
рентгеновского абсорбционного измерителя плотности материалов крупногабаритных объектов сложной формы и внедрение их в промышленности.
Определения, обозначения, сокращения, нормативные ссылки
В настоящей работе использованы ссылки на следующие стандарты:
1. ГОСТ 12.1.038-82 ССБТ. Электробезопасность.
2. ГОСТ Р 22.0.01-94 Безопасность в ЧС. Основные положения.
3. ГОСТ Р 22.0.07-95 Безопасность в чрезвычайных ситуациях.
В данной работе применены следующие термины с соответствующими определениями:
абсорбция: Физический процесс поглощения фотонов веществом.
аппроксимация: Способ описания экспериментальных или
теоретических зависимостей более простыми аналитическими зависимостями с минимально возможным количеством параметров.
бетатрон: Циклический ускоритель электронов с фиксированной равновесной орбитой, ускорение в котором происходит с помощью вихревого электрического поля.
ионизирующее излучение: Потоки фотонов, элементарных частиц или осколков деления атомов, способных ионизировать вещество.
Сокращения русских слов выполняются в соответствии с ГОСТ Р 7.0.122011, сокращения иностранных слов - в соответствии с ГОСТ 7.11-2004. Также в данной работе приведены следующие сокращения:
АЦП - аналого-цифровой преобразователь;
МДЭ - метод дуальных энергий;
ОК - объект контроля;
САПР - система автоматического проектирования.
Введение
Введение
Одной из наиболее важных характеристик материалов является плотность. В настоящее время наблюдается всплеск интереса и ученых и производственников к задачам, связанным с измерением плотности. Это обусловлено значительным прогрессом в производстве материалов различного назначения, а также расширением выпуска разнообразных изделий сложной формы и большого размера. Потребителей интересует, как правило, информация не о средней плотности по всему объему испытуемого объекта, а о распределение плотности по фрагментам объекта контроля. Вышесказанное обуславливает актуальность темы диссертационных исследований. Радиационные методы, основанные на регистрации проходящего или рассеянного излучения, достаточно широко используются для измерения плотности. В качестве источников ионизирующего излучения применяют источники гамма-излучения либо рентгеновские аппараты. Ограничением для оценки плотности материалов крупногабаритных объектов с переменной толщиной является максимальная энергия источников рентгеновского и гамма- излучения. Из выпускаемых серийно источников гамма-излучения с высокой удельной активностью следует отметить радионуклид Co-60 со средней энергией 1,25 МэВ. В настоящее время наблюдается прогресс в повышении максимальной энергии рентгеновских аппаратов, которая достигла уровня 850 кэВ. Несмотря на упомянутый прогресс, рентгеновские аппараты с максимальной энергией, превышающей 450 кэВ, редки в промышленных применениях, что обуславливается, прежде всего, их предельно высокой стоимостью. Альтернативой упомянутым рентгеновским аппаратам выступают уникальные источники высокоэнергетического рентгеновского излучения - малогабаритные импульсные бетатроны, производимые малыми сериями Томским политехническим университетом. Отличительной особенностью этих бетатронов является высокая максимальная энергия рентгеновского излучения - от 2 МэВ до 9 МэВ и достаточно высокая стабильность параметров рентгеновского излучения от импульса к импульсу. Еще одним важным
фактором в пользу выбора в качестве источников рентгеновского излучения бетатронов ТПУ выступает очень высокий уровень проникающей способности. В документации на бетатроны МИБ-7,5, МИБ-9 указано значение проникающей способности на уровне 240-300 мм по стали. Следует отметить, что результаты уникальных экспериментов, проведенных на досмотровом комплексе ТПУ, существенно расширили области возможного применения бетатронов, так как была достигнута проникающая способность 400-430 мм по стали. Существует еще один фактор, способствующий решению сформулированной выше задачи. Этот фактор связан с заметным прогрессом в разработке высокоэффективных линейных и матричных детекторов рентгеновского излучения.
Предмет диссертационных исследований - абсорбционные рентгеновские методы измерения плотности.
Объект исследований - закономерности формирования и алгоритмы обработки цифровых радиометрических сигналов применительно к оценке плотности материалов крупногабаритных объектов сложной формы.
Цель исследований - разработка методик выбора и оценки параметров и характеристик комплекса рентгеновского абсорбционного измерителя плотности.
Для достижения поставленной цели предполагается решение следующих задач, связанных с разработкой:
- математической модели рентгеновского абсорбционного измерителя плотности материала применительно к контролю объектов сложной формы;
- высокоточной аппроксимации массового коэффициента ослабления рентгеновского излучения от толщины ослабляющего барьера;
- алгоритма обработки информации для многоканального измерителя плотности крупногабаритных объектов.
Методы исследования. Для решения поставленных задач использовались методы математического анализа, математического и натурного моделирования, статистической обработки результатов экспериментальных исследований.
Научная новизна:
- Разработана математическая модель рентгеновского абсорбционного измерителя плотности материала применительно к контролю объектов сложной формы.
- Предложена высокоточная аппроксимация массового коэффициента ослабления рентгеновского излучения от толщины ослабляющего барьера.
- Разработан алгоритм обработки информации для многоканального измерителя плотности крупногабаритных объектов.
- Проведена экспериментальная оценка предельных возможностей рентгеновского абсорбционного метода измерения плотности применительно к испытанию крупногабаритных объектов сложной формы.
Практическая значимость работы состоит в том, что полученные в процессе диссертационных исследований результаты позволят разработать рентгеновский абсорбционный измеритель плотности материалов крупногабаритных объектов сложной формы.
Реализация результатов работы. Результаты выполненных исследований реализованы в математической модели, в уравнении измерителя и в алгоритмах выбора и оценки параметров и характеристик рентгеновского абсорбционного измерителя плотности крупногабаритных объектов сложной формы.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы обсуждались на XIX Всероссийской научно-практической конференции «Качество - стратегия XXI века» (Томск 2014), на VI Всероссийской конференции «Рессурсоэффективным технологиями - энергию и энтузиазм молодых» (Томск 2015), на XX Всероссийской научно-технической конференции «Виртуальные и интеллектуальные системы» (Барнаул 2015), на IV Международной конференции школьников, студентов, аспирантов, молодых ученых «Рессурсоэффективные системы в управлении и контроле: взгляд в будущее» (Томск 2015).
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 4 печатных работах, причем две из них опубликованы в журналах, реферируемых в SCOPUS и WEBofScience.
На защиту выносятся:
- Математическая модель рентгеновского абсорбционного измерителя плотности материала применительно к контролю объектов сложной формы.
- Высокоточная аппроксимация массового коэффициента ослабления рентгеновского излучения от толщины ослабляющего барьера.
- Алгоритм обработки информации для многоканального измерителя плотности крупногабаритных объектов.
- Результаты экспериментальной оценки предельных возможностей измерения плотности методом высокоэнергетической цифровой радиографии
Заключение
Приведённые в работе результаты теоретических и экспериментальных исследований позволяют сделать заключение о возможности измерения плотности материалов высокоэнергетическим рентгеновским методом с систематической погрешностью 0,01 г/см3. Метод применим для испытаний крупногабаритных объектов контроля с переменной толщиной. Показано, что наблюдаемое смещение теоретических и экспериментальных зависимостей лучевой толщины объекта контроля от массовой толщины обусловлено недостаточностью коллимации источника высокоэнергетического рентгеновского излучения
Приведённые в работе результаты теоретических и экспериментальных исследований позволяют сделать заключение о возможности измерения плотности материалов высокоэнергетическим рентгеновским методом с систематической погрешностью 0,01 г/см3. Метод применим для испытаний крупногабаритных объектов контроля с переменной толщиной. Показано, что наблюдаемое смещение теоретических и экспериментальных зависимостей лучевой толщины объекта контроля от массовой толщины обусловлено недостаточностью коллимации источника высокоэнергетического рентгеновского излучения