Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ điều khiển quét chùm tia bức xạ ứng dụng trong kỹ thuật chụp ảnh bức xạ trên vật liệu không đồng nhất

[Đồ án] Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ điều khiển quét chùm tia bức xạ ứng dụng trong kỹ thuật chụp ảnh bức xạ trên vật liệu không đồng nhất

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP - 2011 MỤC LỤC MỤC LỤC 1 DANH MỤC BẢNG BIỂU 1 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ 2 LỜI MỞ ĐẦU 5 KẾT LUẬN 80 TÀI LIỆU THAM KHẢO 82 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 : Phân loại phim chụp ảnh bức xạ……………………………… 17 Bảng 1.2: Đường kính của các dây trong bộ IQI loại dây………………… 28 Bảng 2.1: Các giá trị thanh ghi IE………………………………………… 43 Bảng 2.2: Các giá trị thanh ghi TMOD…………………………………… 44 Bảng 2.3: Các giá trị thanh ghi TCON…………………………………… 45 Bảng 3.1: Tốc độ của bộ điều khiển…………………………………………64 Bảng 3.2: Các kết quả đánh giá phim 1…………………………………… 75 Ngô Tiến Mạnh 1 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP - 2011 Bảng 3.3: Các kết quả đánh giá phim 2…………………………………… 77 Bảng 3.4: Các kết quả đánh giá phim 3…………………………………… 79 Bảng 3.5: Các kết quả đánh giá phim 4…………………………………… 81 Bảng 3.6: Kết quả tổng hợp đánh giá các phim…………………………… 83 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1: Quá trình chụp ảnh bức xạ Hình 1.2: Cấu tạo ống phát tia X Hình 1.3: Cấu tạo phim ảnh Hình 1.4: Hình ảnh về máy đo độ đen Hình 1.5a: Đường cong đặc trưng điển hình của một phim tia X, loại trực tiếp Ngô Tiến Mạnh 2 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP - 2011 Hình 1.5b: Đường cong đặc trưng điển hình của một phim tia X, màn tăng cường bằng muối Hình 1.6a: Các đường cong đặc trưng của ba loại phim tiêu biểu, dùng trong công nghiệp Hình 1.6b: Đường cong đặc trưng điển hình cho phim tia X loại trực tiếp Hình 1.7: Độ tương phản Hình 1.8: Bố trí hình học trong chụp ảnh bức xạ Hình 1.9: IQI dạng bậc và lỗ Hình 2.1: Phương pháp dùng nêm thật Hình 2.2: Phương pháp dùng nhiều phim Hình 2.3: Phương pháp chụp nhiều lần trên 1 phim Hình 2.4: Phương pháp dùng nêm chì Hình 2.5: Phương pháp dùng nêm ảo Hình 2.6: Phương pháp để tạo nên nêm ảo Hình 2.7: Cấu trúc 89C51 dạng sơ đồ khối tổng quát Hình 2.8: Sơ đồ chân vi điều khiển 89C51 Hình 2.9: Dao động của thạch anh Hình 2.10: Chương trình khi có ngắt và không có ngắt Ngô Tiến Mạnh 3 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP - 2011 Hình 2.11: Độ rộng xung Hình 2.12: Sơ đồ khối bộ điều khiển chùm tia bức xạ Hình 2.13: Sơ đồ nguồn nuôi DC Hình 2.14: Sơ đồ mạch vi điều khiển Hình 2.15: Mạch cầu điều khiển Motor Hình 2.16: Lưu đồ chương trình phục vụ ngắt Hình 2.17: Lưu đồ chương trình chính Hình 2.18 Mạch nạp cho vi điều khiển Hình 2.19: Minh họa bộ truyền động Hình 2.20: Mạch đã lắp ráp Hình 2.21 Bộ cơ đã được chế tạo và lắp vào cửa sổ máy phát Hình 3.1: Kích thước mẫu vật được chụp Hình 3.2: Bố trí IQI trên mẫu vật Hình 3.3: Bố trí hình học khi không dùng bộ điều khiển quét chùm tia Hình 3.4: Bố trí hình học khi dùng bộ điều khiển quét chùm tia Hình 3.5: Giản đồ liều chiếu của máy phát tia X Hình 3.6: So sánh dải độ đen của phim không dùng và có dùng bộ điều khiển phim 1 Ngô Tiến Mạnh 4 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP - 2011 Hình 3.7: So sánh dải độ đen của phim không dùng và có dùng bộ điều khiển phim 2 Hình 3.8: So sánh dải độ đen của phim không dùng và có dùng bộ điều khiển phim 3 Hình 3.9: So sánh dải độ đen của phim không dùng và có dùng bộ điều khiển phim 4 LỜI MỞ ĐẦU Cùng với sự phát triển vượt bậc của công nghệ thông tin thì kỹ thuật hạt nhân được áp dụng phổ biến trong nhiều lĩnh vực của đời sống, và mang lại nhiều lợi ích kinh tế - xã hội Trong sự phát triển của kỹ thuật hạt nhân, kỹ thuật “kiểm tra không phá hủy (NDT)” được sử dụng khá rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp trên khắp thế giới và Việt Nam Một trong những phương pháp kiểm tra không phá hủy ngày càng được chấp nhận sử dụng rộng rãi và đóng vai trò quan trọng trong công nghiệp là: Phương pháp chụp ảnh bức xạ trong công nghiệp Ngô Tiến Mạnh 5 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP - 2011 ( Radiography Testing – RT ) Nó đang ngày càng trở nên hữu hiệu và là sự lựa chọn của nhiều ngành công nghiệp trong việc kiểm tra chi tiết trên công trình yêu cầu độ an toàn cao Tuy nhiên trong kỹ thuật chụp ảnh bức xạ trên các mẫu vật có bề dày không đồng nhất còn gặp nhiều khó khăn, phải chụp nhiều lần, mất thời gian và tốn kém Để khắc phục vấn đề này, đề tài nghiên cứu xây dựng thiết kế, chế tạo một bộ điều khiển quét chùm tia bức xạ điều chỉnh liều chiếu thích hợp với từng bề dày của vật để đảm bảo chỉ trong một phép chụp cho hình ảnh đạt yêu cầu các tiêu chuẩn NDT Bộ điều khiển được xây dựng dựa trên cơ sở của hệ thống gồm vi điều khiển, các khóa điện tử và bộ hiển thị kết nối để điều khiển hệ cơ khí Bước đầu đề tài đã ứng dụng chụp ảnh bức xạ cho mẫu vật có bề dày thay đổi tuyến tính và đã đạt được kết quả khả quan Đề tài bao gồm các nội dung chính sau: - Nghiên cứu cơ sở lý thuyết của phương pháp chụp ảnh bức xạ - Tìm hiểu các khó khăn của kỹ thuật chụp ảnh bức xạ trên các mẫu vật có bề dày không đồng nhất và đặt ra vấn đề cần nghiên cứu - Giải quyết vấn đề - Kiểm nghiệm khả năng ứng dụng thực tế và đưa ra một số kết quả Để hoàn thành đồ án này, em xin chân thành cảm ơn thầy giáo: Th.S Lê Văn Miễn đã tận tình hướng dẫn, tạo điều kiện nghiên cứu và giúp đỡ em rất nhiều trong suốt quá trình thực tập và làm đồ án Ngô Tiến Mạnh 6 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP - 2011 Xin chân thành cảm ơn tất cả các thầy cô giáo đã hết lòng giảng dạy, quan tâm, tạo điều kiện trong suốt quá trình học tập tại trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Hà Nội 06/2011 Chương 1 : Cơ sở lý thuyết của phương pháp chụp ảnh bức xạ 1.1Khái niệm phương pháp chụp ảnh bức xạ (RT) Phương pháp chụp ảnh bức xạ là một phương pháp được dùng để xác định khuyết tật bên trong của nhiều loại vật liệu và có cấu hình khác nhau Ngô Tiến Mạnh 7 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP - 2011 Một phim chụp ảnh bức xạ thích hợp được đặt phía sau vật cần kiểm tra và được chiếu bởi một chùm tia X hoặc tia gamma khi đi qua vật thể bị thay đổi tùy theo cấu trúc bên trong của vật thể và như vậy sau khi rửa phim đã chụp sẽ hiện ra hình ảnh bóng, đó là ảnh chụp bức xạ của sản phẩm Sau đó phim được giải đoán để có được những thông tin về khuyết tật bên trong sản phẩm Phương pháp này được dùng rộng rãi cho tất cả các loại sản phẩm như vật rèn, đúc và hàn  Một số ưu điểm của phương pháp kiểm tra bằng chụp ảnh bức xạ:  Có thể được dùng để kiểm tra những vật liệu có diện tích lớn chỉ trong một lần chụp  Hữu hiệu đối với tất cả các vật liệu  Có thể được dùng để kiểm tra sự sai hỏng bên trong cấu trúc vật liệu, sự lắp ráp sai các chi tiết, sự lệch hàng  Cho kết quả kiểm tra lưu trữ được lâu  Có các thiết bị để kiểm tra chất lượng phim bức xạ  Quá trình giải đoán phim được thực hiện trong những điều kiện rất tiện nghi       học     Những hạn chế của phương pháp này: Chùm bức xạ tia X hoặc gamma gây nguy hiểm cho sức khỏe con người Không thể phát hiện được các khuyết tật dạng phẳng một cách dễ dàng Cần phải tiếp xúc được cả 2 mặt của vật thể kiểm tra Bị giới hạn về bề dày kiểm tra Có một số vị trí trong một số chi tiết không thể chụp được do cấu tạo hình Độ nhạy kiểm tra giảm theo bề dày của vật thể kiểm tra Phương pháp này rất đắt tiền Không dễ tự động hóa Người thực hiện phương pháp này cần có nhiều kinh nghiệm trong việc giải đoán ảnh chụp trên phim 1.2 Cơ sở vật lý của phương pháp chụp ảnh bức xạ (RT) [1] Ngô Tiến Mạnh 8 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP - 2011 Mục đích của chụp ảnh bức xạ tia X là chỉ ra sự hiện diện và loại khuyết tật bên trong của vật liệu cần kiểm tra Kỹ thuật chụp ảnh này nhằm tận dụng khả năng của tia X hoặc gamma với bước sóng cực ngắn khi đi vào các vật thể Bước sóng càng ngắn thì khả năng xuyên thấu càng lớn Không phải tất cả các tia bức xạ đều xuyên qua vật liệu mà một phần bị hấp thụ bởi chính vật liệu đó Lượng bị hấp thụ là một hàm theo mật độ hay chiều dày của mỗi loại vật liệu: I = Ioe(-µx) (1.1) Trong đó: Io: Cường độ của bức xạ tia X hoặc gamma tới I: Cường độ của bức xạ tia X hoặc tia gamma truyền qua vật liệu có bề dày là x và có hệ số hấp thụ là µ Hình 1.1: Quá trình chụp ảnh bức xạ Nếu có khuyết tật rỗng hay tính không liên tục của vật liệu thì cần chùm tia bức xạ nhỏ hơn chùm tia khi xuyên qua vật liệu rắn đồng nhất Do vậy có sự khác nhau của các bức xạ bị hấp thụ giữa chỗ có và không có khuyết tật Ngô Tiến Mạnh 9 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP - 2011 Nếu ghi nhận hiện tượng trên bằng phim tia X hay gamma sẽ cho ta một ảnh chỉ ra có hay không sự hiện diện của khuyết tật Ảnh này có bóng tối tạo bởi tia X hay gamma khác nhau giữa chỗ có và không có khuyết tật Như vậy, chụp ảnh bức xạ có độ nhạy dựa vào nguyên lý hấp thụ của bức xạ khi đi qua vật liệu Sự khác nhau của các vùng hấp thụ được dịch ra các thông tin liên quan đến cấu trúc bên trong của vật liệu Về bản chất cơ bản hệ chụp ảnh gồm: nguồn phóng xạ, vật thể cần kiểm tra, bộ phận ghi là phim cùng hệ thống xử lý và đọc phim 1.3 Nguồn bức xạ và đặc trưng của tia X và tia gamma [1] 1.3.1 Nguồn tia X Hình 1.2: Cấu tạo ống phát tia X Nguồn phát tia X dùng cho chụp ảnh công nghiệp là ống phát tia X Ống phát tia X kinh điển là một ống thủy tinh chân không chứa điện cực dương anode và điện cực âm cathode Cathode bao gồm các sợi dây tóc được đốt nóng bởi dòng điện cỡ vài ampe để phát ra các điện tử Dưới tác dụng của điện trường giữa anode và cathode các điện tử từ cathode sẽ chạy về anode Dòng điện tử này được tập trung thành một chùm bởi một ống hình trụ và chén hội tụ Bia là một miếng lót kim loại hàn điểm cắm vào anode ở chỗ mà chùm điện tử đập vào Sự va đập này sẽ làm bia phát ra tia X Về bản chất, phần diện tích của bia bị va đập bởi thông lượng electron phải đủ rộng để tránh bị đốt nóng cục bộ gây nguy hiểm và cho phép tản nhiệt nhanh 1.3.2 Các nguồn gamma Ngô Tiến Mạnh 10 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP - 2011  Phim 2:  Liều chiếu: • Cao áp : 200kV • Dòng phát 4mA • Khoảng cách 400mm • Thời gian chiếu thực tế là 60’’ • Tốc độ quét: v = 18% (1.41 mm/s) ở 25 ‘’ đầu và v=16% (1.07 mm/s) thời gian còn lại  Kết quả đánh giá phim sau khi chụp: Bảng 3.3: Các kết quả đánh giá phim 2 Bề dày (mm) 8 13 18 23 28 7.45 4.45 2.63 1.78 1.27 3.29 3.16 3.13 2.62 2.52 Độ đen không điều khiển quét Độ đen có điều khiển quét Độ nhạy Ngô Tiến Mạnh 1.08% 72 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP - 2011 • Độ đen trung bình của phim là : D = 2.94 • Chênh lệch độ đen cho phép là : D – 15%D < D < D + 30%D Tức là : 2.50 < D < 3.5 • Kết luận về khoảng phim tương ứng với khoảng bề dày đạt tiêu chuẩn: 8 – 28 mm Hình 3.7: So sánh dải độ đen của phim không dùng và có dùng bộ điều khiển phim 2 Ngô Tiến Mạnh 73 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP - 2011  Phim 3:  Liều chiếu: • Cao áp : 180kV • Dòng phát 5mA • Khoảng cách 400mm • Thời gian chiếu thực tế là 110’’ • Tốc độ quét: v = 15% (0.96 mm/s)  Kết quả đánh giá phim sau khi chụp: Bảng 3.4: Các kết quả đánh giá phim 3 Bề dày (mm) 8 13 18 23 28 7.45 4.45 2.63 1.78 1.27 4.06 3.14 2.79 2.47 2.07 Độ đen không điều khiển quét Độ đen có điều khiển quét Độ nhạy Ngô Tiến Mạnh 1.08% 74 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP - 2011 • Độ đen trung bình của phim là : D = 2.91 • Chênh lệch độ đen cho phép là : D – 15%D < D < D + 30%D Tức là : 2.47 < D < 3.5 • Kết luận về khoảng phim tương ứng với khoảng bề dày đạt tiêu chuẩn: 10 – 23 mm Hình 3.8: So sánh dải độ đen của phim không dùng và có dùng bộ điều khiển phim 3 Ngô Tiến Mạnh 75 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP - 2011  Phim 4:  Liều chiếu: • Cao áp : 160kV • Dòng phát 5.5mA • Khoảng cách 400mm • Thời gian chiếu thực tế là 120’’ • Tốc độ quét: v = 17% (1.27 mm/s) ở 25’’ đầu, v=14% (0.81 mm/s) ở 25’’ tiếp theo và v=12% (0.47 mm/s) thời gian còn lại  Kết quả đánh giá phim sau khi chụp: Bảng 3.5: Các kết quả đánh giá phim 4 Bề dày (mm) 8 13 18 23 28 7.45 4.45 2.63 1.78 1.27 3.2 2.81 2.32 1.78 1.59 Độ đen không điều khiển quét Độ đen có điều khiển quét Độ nhạy Ngô Tiến Mạnh 1.43% 76 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP - 2011 • Độ đen trung bình của phim là : D = 2.34 • Chênh lệch độ đen cho phép là : D – 15%D < D < D + 30%D Tức là : 1.99 < D < 3.04 • Kết luận về khoảng phim tương ứng với khoảng bề dày đạt tiêu chuẩn: 12 – 22 mm Hình 3.9: So sánh dải độ đen của phim không dùng và có dùng bộ điều khiển phim 4 Ngô Tiến Mạnh 77 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP - 2011 3.3.2 Bảng tổng hợp kết quả đánh giá các phim Bảng 3.6: Kết quả tổng hợp đánh giá các phim Phim Hv t chụp (mA) số I v(%) (s) Độ đen đo được TB Min Max Độ Kết luận khoảng nhạy bề dày đạt được (%) 1 200 4 60 17 3.03 2.45 3.46 1.45 Đạt 8-25mm 2 200 4 60 ½ 18 2.94 2.52 3.29 1.08 Đạt 5-28mm (25’’ đầu) ½ 16 3 180 5 110 15 2.91 2.07 4.06 1.08 Đạt 10-23mm 4 160 5.5 110 ¼ 17 2.34 1.59 3.2 1.43 Đạt 12-22mm 3.47 1.27 7.45 1.5 Đạt 18-22mm ¼ 14 ½ 12 5 200 4 60 Không dùng Ngô Tiến Mạnh 78 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP - 2011 3.3.3 Nhận xét về kết quả  Khi không dùng bộ điều khiển, chất lượng ảnh đạt kết quả rất thấp, vùng bề dày chênh lệch đạt tiêu chuẩn chỉ từ 4-5mm  Khi dùng bộ cơ, với liều chiếu và tốc độ phù hợp thì cho ta kết quả tốt hơn nhiều, bề dày chênh lệch đạt tiêu chuẩn có thể lên đến 20mm  Với các cao áp lớn thì cho ta kết quả tốt hơn, ở các cao áp thấp kết quả không thực sự tốt Lý do là vì vận tốc yêu cầu để thực hiện chụp cho ra kết quả tốt rất thấp, trong khi vận tốc tối thiểu của bộ điều khiển vẫn còn bị giới hạn  Bề dày vật thay đổi tuyến tính, nhưng liều hấp thụ thì không tuyến tính Do đó ta có thể áp dụng phương pháp chia vật ra nhiều đoạn và chạy cửa sổ với nhiều tốc độ chỉ trong 1 lần chụp sẽ cho kết quả chụp tốt hơn Ngô Tiến Mạnh 79 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP - 2011 KẾT LUẬN Sau 1 thời gian tìm hiểu và nghiên cứu thì đề tài đã thực hiện được các việc sau:  Thiết kế lắp ráp nguồn nuôi +5V, +12V  Thiết kế lắp ráp mạch vi điều khiển  Viết chương trình cho vi điều khiển  Thiết kế chế tạo bộ cơ điều khiển chùm tia bức xạ Bộ điều khiển quét chùm tia bức xạ đã được thiết kế, chế tạo thành công và đưa vào sử dụng Bộ điều khiển đã thực hiện được đúng các yêu cầu cần thiết :  Quay thuận, quay nghịch, tăng tốc, giảm tốc, dừng  Đáp ứng được mức vận tốc tối thiểu cần thiết để chụp cho mẫu vật có độ chênh lệch bề dày tương đối từ 5mm – 30mm  Khi không có bộ điều khiển thì chỉ chụp được trong khoảng bề dày chênh lêch 3-4mm, như vậy với bề dày chênh lệch từ 5-30 thì phải cần đến 6 phép chụp để cho ra hình ảnh đầy đủ của mẫu Khi có bộ điều khiển chùm tia bức xạ đã chụp được trong khoảng bề dày chênh lệch lên tới 20 mm chỉ với 1 lần chụp và đạt các tiêu chuẩn NDT Như vậy bước đầu đưa vào ứng dụng bộ điều khiển chùm tia quét đã cho kết quả tương đối khả quan Với tốc độ điều chỉnh và liều chiếu phù hợp thì kết quả chụp sẽ cho ta hình ảnh đạt các tiêu chuẩn của NDT Tuy nhiên vẫn còn một số hạn chế như vận tốc tối thiểu của bộ cơ còn chưa đủ thấp, khiến bề dày chênh Ngô Tiến Mạnh 80 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP - 2011 lệch chụp được cũng như số lượng các cao áp chụp được còn bị giới hạn, đồng thời bộ điều khiển mới chỉ ứng dụng được trong kỹ thuật chụp ảnh bức xạ cho vật liều không đồng nhất có bề dày thay đổi tuyến tính Đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo:  Chế tạo được bộ cơ tốt hơn, thêm các bộ truyền động vào, giảm được tốc độ tối thiểu của cửa sổ, đồng thời lại làm đồng cơ chạy khỏe và ổn định hơn Giúp cho ta hình ảnh tốt ở các bề dày chênh lệch lớn hơn và cao áp nhỏ hơn  Điều khiển cùng lúc 2, 3 hoặc 4 động cơ Từ đó có thể quét chùm tia theo hình dạng và tốc độ mong muốn, do đó có thể chụp bất cứ mẫu vật có bề dày không đồng nhất ở bất cứ hình dạng nào Với những đặc điểm của mình cùng những kỹ thuật chụp mới được đóng góp vào, tin rằng kỹ thuật chụp ảnh bức xạ trong công nghiệp sẽ ngày càng tỏ rõ ưu thế của mình, được phát triển và nâng cao, đúng với vai trò là một trong những kỹ thuật kiểm tra không phá hủy mẫu thông dụng nhất trong các ngành công nghiệp ở Việt Nam / Ngô Tiến Mạnh 81 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP - 2011 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Công ty ứng dụng và phát triển công nghệ - NEAD ; Kiểm tra vật liệu bằng kỹ thuật chụp ảnh bức xạ - Bậc II; Hà Nội – 2006 [2] BHABHA Atomic Research Centre; Training Course On Radiography Testinglevel – 2; Mumbai – 2007 [3] GS Phạm Văn Ất; C++ Lập trình hướng đối tượng; NXB Giao thông vận tải – 2005 [4] Ngô Diên Tập; Vi điều khiển với lập trình C; NXB KHKT; 2006 [5] Đỗ Đức Trí; Giáo trình điện tử thực hành; NXB ĐH Quốc gia TP.HCM; 2010 Ngô Tiến Mạnh 82 ... kỹ thuật chụp ảnh xạ mẫu vật có bề dày khơng đồng cịn gặp nhiều khó khăn, phải chụp nhiều lần, thời gian tốn Để khắc phục vấn đề này, đề tài nghiên cứu xây dựng thiết kế, chế tạo điều khiển quét. .. sở vật lý phương pháp chụp ảnh xạ (RT) [1] Ngô Tiến Mạnh ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP - 2011 Mục đích chụp ảnh xạ tia X diện loại khuyết tật bên vật liệu cần kiểm tra Kỹ thuật chụp ảnh nhằm tận dụng khả tia. .. độ xạ cần thiết cho mục đích sử dụng 1.3.3 Các đặc trưng xạ tia X tia gamma Bức xạ tia X dạng xạ điện từ giống ánh sáng Giữa tia X ánh sáng thường khác bước sóng Trong kiểm tra vật liệu chụp ảnh