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    高壓發(fā)生器紋波對密度測量不確定度的影響

    2011-09-30 01:37:58尹大勇
    當(dāng)代化工 2011年1期
    關(guān)鍵詞:人造板紋波X射線

    潘 斌,尹大勇,程 放

    (中國林業(yè)科學(xué)研究院木材工業(yè)研究所,北京 100091)

    高壓發(fā)生器紋波對密度測量不確定度的影響

    潘 斌,尹大勇,程 放

    (中國林業(yè)科學(xué)研究院木材工業(yè)研究所,北京 100091)

    研究了由X射線高壓發(fā)生器的不穩(wěn)定輸出高壓所引起的人造板剖面密度測量不確定度的計算方法;計算得出當(dāng)X射線高壓發(fā)生器的紋波系數(shù)<1.1%時,人造板剖面密度的測量結(jié)果將落在(ρ- 0.01,ρ+ 0.01)g/cm3的區(qū)間內(nèi)。

    高壓發(fā)生器; 紋波; 密度測量; 不確定度

    我國人造板行業(yè)近幾年發(fā)展極為迅猛,2008年人造板產(chǎn)量已達9 410萬m3,是世界人造板生產(chǎn)、消費和進出口貿(mào)易第一大國[1]。刨花板、中密度纖維板等人造板的物理力學(xué)性能與板材的剖面密度有著密切關(guān)系。剖面密度形成于板坯的鋪裝和熱壓工段,工藝參數(shù)的設(shè)定及熱壓機的性能都直接影響剖面密度的分布,而剖面密度的分布不同將直接影響到板材的性能及質(zhì)量[2]。因此,對人造板的剖面密度分布進行準確檢測,可以深入了解熱壓過程中各種工藝參數(shù)的配置對產(chǎn)品性能的影響,從而為人造板生產(chǎn)工藝參數(shù)的優(yōu)化配置提供可靠的依據(jù),為人造板生產(chǎn)企業(yè)進行產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)成本的控制提供有力的工具,進而提高我國人造板行業(yè)的技術(shù)水平。

    利用X射線檢測人造板的剖面密度是目前國內(nèi)外的發(fā)展方向,這種檢測方式具有檢測精度高、防護成本低、射線強度可控等優(yōu)點。其中,X射線的發(fā)生裝置主要由X射線管和X射線高壓發(fā)生器組成,X射線高壓發(fā)生器的穩(wěn)定性直接影響到X射線管發(fā)射X射線的穩(wěn)定性,從而影響人造板剖面密度的測量不確定度。

    1 材料與方法

    1.1 材料

    對國產(chǎn)XH601型X射線管的燈絲發(fā)射特性曲線進行研究知,在燈絲電壓為1.77 V、燈絲電流為1.50 A的情況下,射線管電壓U0= 50 kV時,管電流i = 0.48 mA。

    用25 keV的X射線對人造板的剖面密度進行檢測,人造板的質(zhì)量衰減系數(shù)(μ/ρ) = 0.44 cm2/g[3]。

    X射線穿透的人造板長度t = 5 cm。

    1.2 方法

    X射線管在X射線高壓發(fā)生器輸出電壓(即管電壓)U0、管電流i作用下發(fā)射的X射線的初始強度為:

    式(1)中,Z表示X射線管陽極靶材的原子量。

    初始強度為I0的X射線穿過長度為t的人造板后,射線被部分吸收,衰減后的X射線強度I為:

    式(2)中,(μ/ρ)表示人造板的質(zhì)量衰減系數(shù),對同一人造板,(μ/ρ)保持不變,ρ表示人造板的剖面密度。

    由(2)式得到人造板的剖面密度:

    由(1)-(3)式得到人造板的剖面密度可表示為:

    ρ分別對U0和i求偏導(dǎo),得到X射線高壓發(fā)生器輸出管電壓U0和管電流i的靈敏系數(shù)分別為:

    X射線高壓發(fā)生器輸出管電壓U0的不穩(wěn)定性主要表現(xiàn)為紋波電壓、溫度漂移和時間漂移。紋波電壓是指X射線高壓發(fā)生器輸出的直流電壓中所含有的工頻交流成分;直流電壓本來應(yīng)該是一個固定的值,但是目前的X射線高壓發(fā)生器是采用交流電壓整流、濾波后得來的直流高壓,由于濾波不干凈,就會有剩余的交流成分,它造成剖面密度檢測有一定的不確定度。溫度漂移和時間漂移是指X射線高壓發(fā)生器輸出電壓隨著溫度和時間的變化而有規(guī)律地變化,二者不會影響測量結(jié)果的不確定度,因此本文不予討論。

    紋波電壓范圍很小,在這個范圍內(nèi),可以認為管電流i與管電壓U0成線性關(guān)系,即i與U0的相關(guān)系數(shù)r = 1。

    根據(jù)“測量不確定度評定與表示”[4],在i與U0具有線性關(guān)系的情況下,人造板剖面密度的合成標(biāo)準不確定度可以表示為:

    式(6)中,u(U0)和u(i)分別為U0,i的標(biāo)準不確定度。

    包含因子為k時,人造板剖面密度 ρ 的擴展標(biāo)準不確定度為:

    因此,可以期望在(ρ - U, ρ + U)區(qū)間內(nèi)包含了人造板剖面密度測量結(jié)果可能值的較大部分。

    2 計算

    由(5)式可得,X射線高壓發(fā)生器輸出電壓U0和管電流i的靈敏系數(shù)分別為:

    根據(jù)JJF1059-1999“測量不確定度評定與表示”,將紋波電壓的分布估計為正態(tài)分布,由 i與U0的線性關(guān)系,管電流i也服從正態(tài)分布。

    設(shè) X射線高壓發(fā)生器的紋波系數(shù)為β,由U0服從正態(tài)分布可知,管電壓U0處于(U0-βU0,U0+βU0)區(qū)間內(nèi)的概率為 99.73%,則根據(jù)“測量不確定度評定與表示”,U0的標(biāo)準不確定度為:

    同理,i的標(biāo)準不確定度為:

    由(6)式得,人造板剖面密度 ρ 的合成標(biāo)準不確定度為:

    根據(jù)“測量不確定度評定與表示”,在 i與U0具有線性關(guān)系的情況下,包含因子取k = 2。

    由(7)式得,人造板剖面密度 ρ 的擴展標(biāo)準不確定度為:

    為了滿足人造板剖面密度測量結(jié)果的精確性,要求人造板剖面密度測量結(jié)果的擴展標(biāo)準不確定度在0.01 g/cm3以內(nèi),即U ≤ 0.01 g/cm3,代入(8)式得:

    因此,紋波系數(shù)β必須滿足:

    將c1= -0.018 2 g/(kV·cm3), c2= -0.946 9 g/(mA·cm3), U0= 50 kV,i = 0.48 mA代入式(9),經(jīng)計算,紋波系數(shù) β≤1.1%。

    3 結(jié) 論

    利用X射線檢測人造板的剖面密度ρ,當(dāng)X射線高壓發(fā)生器的紋波系數(shù)<1.1%時,可以期望在(ρ- 0.01,ρ+ 0.01)g/cm3的區(qū)間內(nèi)包含了人造板剖面密度測量結(jié)果可能值的較大部分。

    [1] 錢小瑜.我國人造板行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀、前景與挑戰(zhàn)[J].木材工業(yè),2010,24(1):15-18.

    [2] 程放,高可城,施建平.人造板剖面密度測定儀的研制[J].木材工業(yè),2001,15(2):29-31.

    [3] 尹大勇,潘斌,程放.人造板剖面密度檢測所用X射線能量的探討[J].木材加工機械,2008,19(6):1-5.

    [4] JJF1059-1999,測量不確定度評定與表示[S].

    Effect of Ripple of High Voltage Generator on Uncertainty for the Density Measurement

    PAN Bin,YIN Da-yong,CHENG Fang
    (Research Institute of Wood Industry, Chinese Academy of Forestry, Beijing 100091,China)

    Calculation Methods of the uncertainty caused by the ripple of high voltage generator for x-ray in the density measurement of wood-based panel were studied. The results show that the density measurement result has an estimated uncertainty in (ρ-0.01, ρ+0.01) g/cm3when the ripple of high voltage generator is lower than 1.1%.

    High Voltage Generator; Ripple; Density Measurement; Uncertainty

    TH 873

    A

    1671-0460(2011)01-0092-03

    中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費專項資金,項目號:CAFINT2007K03。

    2010-12-02

    潘 斌(1969-),男,高級工程師,江蘇蘇州人,1992年畢業(yè)于北京工業(yè)大學(xué),研究方向:木材加工自動化檢測與傳輸。E-mail:panbin@caf.ac.cn,電話:010-62889444。

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