Седалищев В.Н. Методы и средства измерений неэлектрических величин

Подождите немного. Документ загружается.

Рис. 3. Зеркально-линзовые объективы: 1 - двухкомпонентный объектив; 2-

призма; 3,4,5 - юстировочные винты призмы; 6 - стопорный винт.

3.3 Измерение толщины изделия, слоя покрытия

Измерять толщину материала приходится практически везде: при

производстве изделий, при контроле их качества, при проведении

разнообразных исследований и т.п.

Для этой цели применяют различные методы:

• магнитные методы (по магнитному сопротивлению

цепи);

• с помощью ультразвука (на отраженном сигнале);

• пневматические методы (обдувается потоком воздуха, измеряется

скорость потока);

• микроволновые методы (на принципе интерферометра);

• оптико-электронные методы;

• триангуляционный метод;

• метод с использованием инфракрасного излучения.

Для этих целей кроме рассмотренных методов используют также метод

ионизирующего излучения. В основе данного

метода лежит сравнение

интенсивностей падающего, отраженного или проходящего излучений.

Коэффициент поглощения относят к плотности материала изделия с учетом

типа излучателя. Интенсивность отражательного излучения зависит от

атомной массы вещества и толщины изделия. Данный метод используют в

тех случаях, когда возможен доступ к изделию только с одной стороны.

Используют все виды излучения. Для

тарировки прибора имеются

контрольные образцы. На результаты измерений влияют различные факторы:

температура, наличие примесей.

Рис. 3.2 Схема ионизационного толщиномера:

1,6 – источники рабочего и компенсационного излучения;

3,4 – ионизационные камеры; 5 – диафрагма; 7 – следящее устройство;

8 – усилитель; 9 – преобразователь; 10 – резистор.

При измерении толщины слоя покрытия

используют методы:

• ионизирующего излучения;

• инфракрасное излучение (на отраженном сигнале);

• вихревые токи;

• механические методы (ролик);

• радиоволновые устройства.

Рис. 3.3 Схема прибора для измерения толщины гальванических покрытий:

1 — испытуемая деталь

3.4 Емкостные методы и средства измерения толщины пленок

Детекторы толщины пленок бывают механическими, оптическими,

электромагнитными и емкостными. Оптические методы могут применяться

только с прозрачными и полупрозрачными пленками. Плоские электроды,

имитирующие конденсатор с параллельными пластинами, позволяют

получать большие изменения выходного сигнала. Для обеспечения точности

измерений эти пластины должны быть строго параллельны исследуемой

пленке.

На рис 3.4. представлена конструкция датчика со сферическим электродом,

используемым для измерения толщины пленки. Для уменьшения краевых

эффектов шарик помещен в

активный экран, помогающий направлять

электрическое поле через диэлектрическую пленку на подложку.

Рис. 3.4 Емкостной датчик толщины диэлектрической пленки.

4. Измерение уровня заполнения емкости

В промышленности требования к измерению уровня разнообразные:

требуется не только сигнализация достижения определенного уровня, но и

измерение текущего значения уровня. При измерении уровня необходимо

учитывать следующие факторы:

• температуру объекта измерения;

• абразивность среды;

• вязкость, сыпучесть, образование карнизов;

• электропроводность;

• радиоактивность;

• химическую агрессивность;

• наличие повышенного или

пониженного давления;

• пожаро- и взрывоопасность среды.

Существующие методы измерения уровня:

• механические;

• с использованием вибрирующих элементов;

• метод вытеснения;

• акустические и ультразвуковые;

• электрические;

• оптические, интерферометрические;

• термические;

• радиоизотопные и др.

4.1 Механические методы измерения уровня

К механическим методам измерения уровня относится

гидростатический (пневматический). В основе работы устройств данного

типа лежит реализация известной функциональной зависимости:

hgÐ

Данный метод может быть основан непосредственно на измерении

гидростатического давления, создаваемого измеряемой средой или на

измерении давления газа, подаваемого в емкость (барботажный,

пневматический метод).

Рис. 4.1 Пневматический метод измерения уровня жидких сред.

При реализации дифференциального метода измерения место

установки ИП по высоте не играет роли. Для емкостей с повышенным

избыточным давлением индикаторную трубку выносят из измеряемого

объекта наружу.

Устройства данного типа характеризуются высокой эксплуатационной

надежностью. Пневматический метод применим и для опасных жидкостей.

При использовании

специальных устройств в качестве ЧЭ (поплавков,

буйков и т.п.) необходимо учитывать ряд дополнительных факторов:

вязкость и коагуляцию среды, образование отложений и др. Дополнительно с

поплавком устанавливают механические, электромагнитные,

дифференциально-трансформаторные, электростатические и оптические

преобразователи перемещений, формирующие электрический выходной

сигнал.

Рис. 4.2 Поплавковый уровнемер с магнитным передающим элементом.

Рис. 4.3 Поплавковый уровнемер с индуктивным измерительным

преобразователем.

Создают прецизионные уровнемеры с контактным элементом и

сервомеханизмом. При изменении уровня двигатель вращается до

установления состояния равновесия или до контакта зонда со средой. При

этом измеряется число оборотов двигателя.

Для обеспечения точности измерения уровня решающую роль играет

конструкция, изоляция и правильное размещение

ИП.

Поплавковые датчики уровня

Поплавковые датчики уровня одни из самых недорогих и, вместе с тем,

надежных устройств для измерения уровня жидкостей. При правильном

выборе, поплавковые датчики уровня могут использоваться для контроля

уровня самых разных продуктов, начиная от сточных вод, химически

агрессивных жидкостей или пищевых продуктов. Высокие или низкие

температуры

, наличие пены, пузырьков или например работающей мешалки

так же перестает быть проблемой при правильном выборе.

По конструкции поплавковые датчики уровня могут быть разделены на

несколько видов.

Самым простым является датчик с поплавком, передвигающимся по

вертикальному штоку. Внутри поплавка, как правило, находится постоянный

магнит, а в штоке, представляющем из себя полую трубку, находятся

герконы. Плавая на поверхности жидкости поплавок передвигается по штоку

датчика вслед за изменением уровня и проходя мимо герконов внутри штока

замыкает или наоборот размыкает их. Сигнализируя о достижении

определенного уровня. Внутри штока могут располагаться сразу несколько

герконов и, соответственно, один такой

датчик может сигнализировать сразу

о нескольких значениях уровня жидкости, например минимальном и

максимальном. Поплавковый датчик уровня такой конструкции может так же

измерять непрерывный уровень жидкости и выдавать сигнал в виде

сопротивления, пропорционального уровню жидкости, либо в виде

стандартного токового сигнала 4-20мА. Для этого герконы внутри штока

соединены параллельно с резисторами,

как показано на рисунке. Поплавок,

передвигаясь вслед за изменением уровня жидкости, замыкает разные

герконы, вызывая изменение общего сопротивления датчика уровня. Такие

датчики уровня обычно устанавливаются сверху емкости и их длина может

достигать трех метров. Отдельной областью применения для поплавковых

датчиков уровня можно назвать контроль уровня жидкости в транспортных

средствах. Прежде всего

это задачи по контролю за объемом топлива в

тяжелой технике: грузовиках, экскаваторах, тепловозах. Здесь датчики

уровня работают в условиях сильной вибрации и волнения на поверхности

жидкости. Для устранения влияния этих факторов поплавковый датчик

помещают в специальную демпферную трубу, диаметром чуть большую, чем

диаметр поплавка.

Если установка датчика сверху емкости невозможна, то поплавковый

датчик уровня можно вмонтировать в стенку емкости. В этом случае

поплавок с магнитом крепится на шарнире, а герконовый выключатель

обычно в корпусе датчика. Такие датчики срабатывают, когда жидкость

достигает поплавка и предназначены для сигнализации предельного уровня.

Датчики могут работать при температурах до 200 С в химически

агрессивных средах. Следует помнить, что датчики уровня такого типа не

подходят для измерения липких и засыхающих жидкостей, жидкостей с

механическими включениями, а так же в случае замерзания жидкости.

Если в жидкости высокая концентрация твердых включений,

существует вероятность замерзания или создания липкого слоя на

оборудовании, то для контроля уровня в этом случае можно использовать

поплавковый датчик уровня на гибком кабеле. Датчик уровня такого типа

представляет собой пластиковый цилиндр или сферу, внутри которой

находится механический или герконовый переключатель и

металлический

шарик. Такой датчик уровня крепится за кабель на нужной глубине, и когда

уровень жидкости достигает поплавка, то он переворачивается и

металлический шарик внутри него активирует геркон или механический

переключатель.

Магнитострикционные датчики уровня поплавкового типа

Существует еще один тип поплавковых датчиков уровня – это

магнитострикционные датчики. Принцип их действия основан на измерении

времени распространения ультразвукового импульса внутри металлического

стержня, снабженного поплавком со встроенным магнитом. Это, пожалуй,

самый точный тип датчика уровня. Типичная точность

магнитострикционных датчиков составляет 10 мкм и более.

Еще

одним отличием от традиционных датчиков уровня является то, что

в магнитострикционных датчиках уровня в качестве штока, по которому

перемещается поплавок, может быть использован гибкий трос. Тем самым

измеряемая длина может составлять 12 и более метров, сохраняя при этом

непревзойденную точность измерений.

Благодаря отсутствию трущихся частей, датчики такого типа

совершенно не подвержены

механическому износу, чем гарантируется очень

надежная и стабильная их работа на протяжении неограниченного времени.

Такие системы лишены недостатков свойственных другим методам и

системам измерений.

Специальное исполнение и тщательный выходной контроль гарантируют

безотказную и долголетнюю работу сенсоров в различных климатических

условиях. К особенностям этих сенсоров относятся низкий коэффициент

нелинейности менее 0,0035% и высокая воспроизводимость показаний

измерения (до 0,005%).

В основе магнитострикционного метода лежит комбинация из

эффектов магнетизма

и ультразвука. Периодически генерируемый

электроникой сенсора токовый импульс передается по волноводу в

направлении поплавка с расположенным в нем постоянным магнитом. В

измерительном элементе (волноводе), в точке пересечения магнитного поля,

вызванного токовым импульсом, с магнитным полем постоянного магнита

возникает механическая (ультразвуковая) волна, которая движется обратно с

постоянной скоростью в направлении измерительной

головки сенсора.

Измеренное время между стартом токового импульса и

приходом/возвращением импульса в виде ультразвуковой волны и является

точным определением уровня (т.е. расстояния до поплавка).

К важным преимуществам этих датчиков относится то, что абсолютное

значение уровня жидкости находится в распоряжении оператора сразу же

после подачи напряжения питания, и/или

после сбоя в питании. Значение

уровня жидкости регистрируется по всей длине зонда, а необходимость в

интенсивном обслуживании, как это имеет место в других системах

регистрации уровня, полностью отпадает.

Зонд состоит из измерительного элемента (волновода), помещенного во

внутрь защитной трубы, или металлического гибкого кожуха (шланга),

позволяющего погружать его в жидкость на

глубину до 18 метров.

Опционально возможно одновременное измерение температуры жидкости до

5-ти точек по всей длине зонда. Сенсорная головка состоит из литого корпуса

или корпуса из нержавеющей стали и содержит электронику обработки

сигнала. Единственно подвижной частью сенсора является поплавок,

свободно перемещающийся вдоль зонда. Для случаев эксплутации датчиков

в кристаллизующихся жидкостях, поплавок

поставляется с увеличенным

внутренним диаметром, чем гарантируется свободное его перемещение вдоль

зонда.

Позиционирующие магниты, расположенные внутри поплавка,

воздействуют через защитную оболочку зонда на волновод, вызывая

возникновение торсионного импульса (см. рис.1). Опционально, путем

оснащения сенсора несколькими поплавками разной массы, возможно

одновременное измерение уровня нескольких слоев жидкости разной

плотности (например, вода и

бензин). Приемная система датчиков

регистрирует только торсионные импульсы в волноводе.

Продольные колебания в области зонда, возникшие в результате воздействия

от внешних механических воздействий, звуковых колебаний и помех

никаким образом не влияют на показания измерений.

Для дистанционного контроля и измерения уровня жидкости датчики

могут подключаться к персональному компьютеру с помощью RS485/RS232

последовательного интерфейса. С помощью поставляемого программного

обеспечения осуществляется одновременное отображение информации о

уровне и температуре жидкости во всех измеряемых точках зонда, а также

рeзультаты расчетов объема и других необходимых параметров.

Измерение уровня жидкости с помощью магнитострикционных

датчиков уровня.

Датчики уровня жидкости основаны на магнитострикционном методе

измерения. Благодаря отсутствию трущихся частей, датчики совершенно не

подвержены механическому износу, чем гарантируется очень надежная и

стабильная их работа на протяжении неограниченного времени. Такие

системы полностью лишены недостатков свойственных другим методам и

системам измерений.

Специальное исполнение и тщательный выходной контроль гарантируют

безотказную и долголетнюю работу сенсоров в различных климатических

условиях. К особенностям этих сенсоров относятся низкий коэффициент

нелинейности менее 0,0035% и высокая воспроизводимость показаний

измерения (до 0,005%). Датчики уровня работают на магнитострикционном

принципе измерения.

В основе магнитострикционного метода лежит комбинация из эффектов

магнетизма и ультразвука. Периодически

генерируемый электроникой

сенсора токовый импульс передается по волноводу в направлении поплавка с

расположенным в нем постоянным магнитом. В измерительном элементе

(волноводе), в точке пересечения магнитного поля, вызванного токовым

импульсом, с магнитным полем постоянного магнита возникает

механическая (ультразвуковая) волна, которая движется обратно с

постоянной скоростью в направлении измерительной головки сенсора.

Измеренное

время между стартом токового импульса и

приходом/возвращением импульса в виде ультразвуковой волны и является

точным определением уровня (т.е. расстояния до поплавка).

К важным преимуществам этих датчиков относится то, что абсолютное

значение уровня жидкости находится в распоряжении оператора сразу же

после подачи напряжения питания, и/или после сбоя в питании. Значение

уровня жидкости регистрируется по всей длине зонда, а необходимость в

интенсивном обслуживании, как

это имеет место в других системах

регистрации уровня, полностью отпадает.

Зонд состоит из измерительного элемента (волновода), помещенного во

внутрь защитной трубы, или металлического гибкого кожуха (шланга),

позволяющего погружение в жидкость на глубину до 18 метров.

Опционально возможно одновременное измерение температуры жидкости до

5-ти точек по всей длине зонда. Сенсорная головка состоит

из литого корпуса

или корпуса из нержавеющей стали и содержит электронику обработки

сигнала. Единственно подвижной частью сенсора является поплавок,

свободно перемещающийся вдоль зонда. Для случаев эксплутации датчиков

в жидкостях с кристаллизирующимися свойствами поплавок поставляется с

увеличенным внутренним диаметром, чем гарантируется свободное его

перемещение вдоль зонда.

Позиционирующие магниты, расположенные внутри поплавка

воздействуют через защитную оболочку зонда на волновод, вызывая

возникновение торсионного импульса (см. рис.1). Опционально, путем

оснащения сенсора несколькими поплавками разной массы, возможно

одновременное измерение уровня нескольких слоев жидкости разной

плотности (например, вода и бензин). Приемная система датчиков

регистрирует только торсионные импульсы в волноводе.

Продольные колебания в области зонда, возникшие в

результате воздействия

от внешних механических воздействий, звуковых колебаний и помех

никаким образом не влияют на показания измерений.

Для дистанционного контроля и измерения уровня жидкости датчики могут

подключаться к персональному компьютеру с помощью RS485/RS232

последовательного интерфейса. С помощью поставляемого программного

обеспечения осуществляется одновременное отображение информации о

уровне и температуре жидкости во всех измеряемых

точках зонда, а также

рeзультаты расчетов объема и других необходимых параметров.