Hệ thống đo dựa trên nguyên lý truyền bức xạ cho đến này vẫn được coi là công cụ đo độ dày không tiếp xúc vật liệu hiệu quả hàng đầu. Các hệ thống này đã được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp và trong nhiều ứng dụng, quy trình sản phẩm tấm từ hơn 6 thập kỷ qua. Tuy nhiên, phần lớn thời gian này, những hạn chế về công nghệ và tốc độ xử lý đã gây cản trở rất nhiều cho các con đường và mức độ phát triển mới trong lĩnh vực này. Các hệ thống được sử dụng trong những năm 1990 hầu hết đều giống với các hệ thống của những năm 1960, cả thiết bị và cấu trúc. Các công nghệ và đổi mới hệ thống gần đây đã có thể thay đổi cấu trúc/phân vùng hệ thống khác nhau, hệ kỹ thuật số và tín hiệu, bộ tạo bức xạ, bộ điều khiển phân tán, các tiêu chuẩn giao thức và nhiều chức năng khác có lợi cho việc vận hành, bảo trì và lắp đặt.
Các yếu tố quan trọng trong cấu trúc hệ thống đo độ dày bằng bức xạ bản chất là sự kết hợp giữa hệ thống kiểm soát, giám sát và các thành phần xử lý tín hiệu với khả năng điều khiển từ xa các thiết bị đo. Ngoài ra còn có các hệ thống dây cáp trường rộng và dải tín hiệu dài được bố trí và lắp đặt đảm bảo hoạt động trong môi trường công nghiệp. Các hệ thống đo lúc mới ra đời hầu hết ở dạng cố định và không thuận tiện cho việc mở rộng khả năng sử dụng (như bổ sung các đầu đo, giao thức vận hành, v.v.). Các thiết kế đó bắt nguồn từ các hệ thống máy tính đơn lẻ, có khả năng xử lý giới hạn các thông số kỹ thuật đo lường. Giao thức vận hành sơ khai với bộ tiếp nhận thông tin sử dụng tín hiệu tương tự có kết nối thông lượng dữ liệu thấp.
Hình minh họa bố trí lắp đặt hệ thống đo độ dày cơ bản.
Thiết kế hệ thống cổ điển có một số hạn chế nên các thiết kế sau đó đã được cải tiến rất nhiều. Việc hiện đại hóa điện tử, điều khiển thiết bị và kết nối mạng đã cho phép thiết kế lại các hệ thống đo này nhằm cải thiện chất lượng của phép đo và tín hiệu truyền đi. Các điểm cải tiến chính là:
– Giảm thiểu hệ thống dây cáp tín hiệu;
– Tối đa hóa khả năng chống ồn và tính toàn vẹn thông tin;
– Hợp nhất các tín hiệu tương tự và số hóa tức thì;
– Các công nghệ xử lý tín hiệu kỹ thuật số và mảng thông tin trường (FPGA);
– Kiểm soát cục bộ, khép kín thiết bị C-Frame, đo độ dày bằng số được hiển thị tại C-Frame;
– Tổ chức các mô-đun và kiến trúc điều khiển phân tán;
– Kết nối mạng và giao thức đồ họa (GUI)/Giao thức người-máy (HMI)
– Các cụm đầu dò bức xạ tích hợp cụm cáp nhỏ gọn;
– Bộ tản nhiệt ống phát tia X thụ động và loại bỏ hệ thống làm mát bên ngoài;
– Nguồn cung cấp cao áp và máy phát tia X nhỏ gọn, khép kín;
– Có thể mở rộng số lượng C-Frame tùy ý với bộ vi xử lý đa lõi.
Hình minh họa bố cục của hệ thống đo độ dày hiện đại.
Sự hợp nhất của bộ điều khiển và bộ xử lý tín hiệu (C-Frame/đầu đo) cho phép coi thiết bị C-Frame là một hệ thống hoàn chỉnh, độc lập (C-Frame System = C-Frame, Bộ cấp nguồn HV, Bộ điều khiển C-Frame). Bộ kết nối mạng trực tuyến làm giảm đáng kể hệ thống cáp và cho phép Hệ thống C-Frame được tích hợp thuận tiện vào các ứng dụng công nghiệp rộng hơn. Các thiết bị kỹ thuật số trao đổi dữ liệu mạng tốc độ cao loại bỏ tín hiệu tương tự và cung cấp khả năng chống nhiễu tốt. Những cải tiến đó cho phép mở rộng hệ thống thông qua việc “sao chép” trực tiếp C-Frame và các bộ phận kèm theo.
Cải tiến thứ hai mang tính quyết định là hệ đo độ dày chuyên dụng (DTMNet). Hệ thời gian thực này (EtherCAT) cung cấp khả năng trao đổi dữ liệu tốc độ cao giữa hệ thống đo và hệ thống kiểm soát độ dày (AGC), giảm tiếng ồn và nhiễu từ tín hiệu tương tự.
Bộ điều khiển C-Frame được gắn với thiết bị C-Frame và hoạt động như các đơn vị độc lập hoàn chỉnh, xử lý và giám sát tất cả các khâu của quá trình xử lý tín hiệu, điều khiển hoạt động của đầu đo, C-Frame và hiển thị giá trị kỹ thuật số của độ dày đo được. Bộ điều khiển có thể giao tiếp với thiết bị xung quanh thông qua Mạng điều khiển và dữ liệu cấp 1 để hỗ trợ các lệnh, trạng thái và tập dữ liệu lớn. Dữ liệu đo độ dày băng thông rộng được truyền trên DTMNet hoặc thông qua các liên kết tương tự hoặc nối tiếp. Các bộ điều khiển OPC cho phép truy cập toàn bộ hệ điều khiển để dễ dàng tích hợp và điều khiển từ xa. Các công nghệ dựa trên giao thức lập trình nâng cao (AJAX, HTML, Java Scripts) cho phép bộ điều khiển xuất dữ liệu đồ họa theo thời gian thực tới các máy tính HMI và truy cập trực tiếp, giám sát từ xa ở mọi nơi, ngay cả trên điện thoại di động. Các giao diện bảo trì và vận hành có thể hoàn toàn dựa trên giao diện chung được nối mạng máy tính HMI (Internet Explorer, FireFox, Chrome, v.v.) và được hỗ trợ bởi máy chủ OPC. Khả năng truy cập từ xa dựa trên Internet có thể thực hiện được qua mạng giao diện với các hệ thống cấp cao.
Hệ thống đầu dò bức xạ thu nhận và đo cường độ của bức xạ tới, cung cấp tín hiệu liên quan. Đầu dò thường sử dụng ống nhân quang (PMT) kết hợp với tinh thể nhấp nháy scintillation (thường là Sodium-Iodide) hoặc buồng ion hóa được điều áp bằng hỗn hợp khí lý tưởng và khí “getter” đóng vai trò như bộ cảm biến. Cả hai đều có tiếng ồn thấp, gắn bộ tiền khuếch đại với cảm biến để khuếch đại biên độ tín hiệu dò và cung cấp dòng cần thiết đến thiết bị xử lý tín hiệu từ xa. Trước đây, các đầu dò dựa trên PMT được ưa chuộng vì tốc độ cao và nhạy, nhưng thiết bị này dễ bị vỡ hình ảnh và chuỗi dynode PMT vốn rất mỏng và dễ vỡ. Về mặt lịch sử, buồng ion hóa có cấu trúc chắc chắn hơn và những tiến bộ gần đây đã cho phép chúng thay thế các PMT. Một số cải tiến quan trọng:
- Các cụm đầu dò nhỏ gọn, tích hợp đầy đủ:
- Bộ tiền khuếch đại gắn trong vỏ đầu dò, ngay cạnh cảm biến;
- Nguồn điện cao áp có thể lập trình được gắn trong vỏ đầu dò;
- Chuyển đổi tín hiệu sang tín hiệu tiền khuếch đại ngay lập tức;
- Kết nối mạng chuyên dụng với hệ thống xử lý tín hiệu.
- Buồng ion hóa.
- Cảm biến bán dẫn.
Đầu dò là một thiết bị độc lập, có khả năng cung cấp giao diện số có độ phân giải bức xạ cao (không có đầu ra tín hiệu tương tự), chỉ yêu cầu nguồn điện áp thấp. PMT hoặc Buồng Ion được gắn trong một hộp kín. Bộ tiền khuếch đại, nguồn điện cao áp, bộ chuyển đổi tương tự sang kỹ thuật số (A/D) và các thành phần mạng được hợp nhất thành bảng điều khiển điện tử gắn trên vỏ thiết bị. Toàn bộ thiết bị chứa nguồn bức xạ/ống phát tia X đều được niêm phong kín và được lọc không khí (bụi, chất lỏng, dầu mỡ).
Hình ảnh của các cụm đầu dò điển hình: a) Vỏ hộp có chứa buồng ion, b) Đầu dò được gắn với thiết bị điện tử tích hợp, c) Đầu dò được lắp ráp hoàn chỉnh.
Hệ thống X-Ray sử dụng các tổ hợp lớn, nặng, được che chắn chứa ống X-Ray và nguồn điện cao áp, tất cả đều được đặt trong điện môi. Các tổ hợp này không chỉ lớn mà còn rất nặng (thường lớn hơn 125 kg do cần có lượng lớn chì che chắn) và khó chiết xuất từ C-Frame. Các nguồn cung cấp điện cao áp thường xuyên được điều khiển và điều chỉnh bằng thiết bị điện tử tương tự từ xa. Dầu thường được lưu thông qua hệ thống làm mát bên ngoài (bên ngoài cấu trúc C-Frame), kết hợp linh hoạt máy bơm, bộ lọc, bộ trao đổi nhiệt,v.v.
Sơ đồ khối và ảnh chụp các bộ phận bên trong hệ thống: a) Máy phát điện cổ điển sử dụng hệ thống làm mát bên ngoài và các thành phần ngâm trong dầu điện môi, b) Tuần hoàn và các kỹ thuật tản nhiệt bên trong cung cấp khả năng hoạt động khép kín. c) Bố trí monoblock siêu nhỏ gọn sử dụng bù nhiệt thụ động.
Thiết bị điện tử điện áp cao và mạch truyền động được đặt trong bể ngâm dầu và các bộ điều khiển dựa trên bộ vi xử lý được gắn lớp vỏ bảo vệ trong C-Frame. Cáp quang kỹ thuật số liên kết thông tin để thiết lập và giám sát hệ thống điện áp cao, cung cấp khả năng cách ly cho thiết bị giám sát và bộ xử lý tín hiệu.
Từ khóa: Đo độ dày; bức xạ;
– CMD&DND –
