Электрофизические методы измерения линейных и угловых размеров

Электрофизические методы измерений основаны на использовании отличия физических свойств веществ, находящихся на разных сторонах границ, определяющих измеряемый размер. Для измерения линейных и угловых размеров используются методы и приборы, основанные на различии тепловых, электрических, магнитных, механических (плотность, вязкость) и других свойств веществ или их сочетаний.

Электромагнитные методы. Основаны на сочетании электрических и магнитных свойств. Наиболее распространенными из них являются вихретоковый и резонансный методы.

Вихретоковый метод, широко применяемый для измерения толщины тонких листовых изделий и покрытий, основан на зависимости глубины проникновения электромагнитных колебаний в материал от его магнитной проницаемости, удельной электропроводимости и частоты колебаний.

Вихретоковый толщиномер обычно состоит из индуктивного вихретокового преобразователя и измерительной цепи для определения активного и реактивного сопротивлений датчика.

Резонансный методизмерений линейных размеров основан на зависимости частоты собственных колебаний объемного электромагнитного резонатора (эндовибратора) от размеров его полости и от диэлектрической и магнитной проницаемости заполняющего его диэлектрика. Этот метод главным образом используется для измерения уровня (объема) диэлектрических веществ в металлических резервуарах.

Тепловой (термокондуктометрический) метод. Этот метод измерения размеров основан на отличии тепловых свойств веществ, образующих границы измеряемого размера. Метод главным образом применяется для измерения уровня жидких веществ, а также для обнаружения и определения дислокации различных объектов по их тепловому излучению. Принцип действия тепловых уровнемеров основан на различии коэффициентов теплоотдачи от твердого тела к жидкости, газу или к пару.

Обычно тепловой уровнемер содержит проволочный терморезистор из материала с большим температурным коэффициентом электрического сопротивления (платина, медь, нержавеющая сталь), длина которого соответствует максимальной высоте измеряемого уровня. Терморезистор выполняется в виде тонкой проволоки, натянутой по оси трубки с отверстиями, обеспечивающими хорошее омывание терморезистора и демпфирование колебаний измеряемого уровня.

Для уменьшения погрешностей от изменения температуры и теплопроводности жидкости применяется терморезистор, находящийся у дна резервуара и постоянно погруженный в жидкость. Постоянная времени такого уровнемера определяется теплоемкостью терморезистора, скоростью отрыва жидкости от проволоки и интенсивностью ее испарения, которая зависит от температуры проволоки над уровнем жидкости. Обычно в уровнемерах с терморезистивными преобразователями используются мостовые измерительные цепи. Погрешности таких уровнемеров 0,5 – 1,5 %. Применяя измерительные цепи с обратной связью, можно уменьшить абсолютную погрешность измерения уровня до 5 – 10 мм, поддерживая постоянным сопротивление терморезистора путем изменения проходящего через него тока.

Принцип действия уровнемера основан на различии коэффициентов теплоотдачи от твердого тела к газу и жидкости. Поскольку теплоотдача от трубы к жидкости больше, чем к газу, температура части трубы, находящейся в газе, всегда больше, чем в жидкости, даже если температуры газа и жидкости равны. Вследствие этого в месте перехода трубы из жидкости в газ имеет место скачок температуры, определяемый при помощи дискретной шкалы термопар, по которой фиксируется положение измеряемого уровня.

Рассматриваемый уровнемер можно использовать для измерения уровня кипящих жидкостей, в которых пузырьки газа или пара неопределенной формы распределены по всему объему и отсутствует четкая граница между жидкостью и газом. Этот метод также пригоден для измерения уровня при высоких температурах, давлениях или повышенной радиации, т.е. при таких условиях, когда применение электромеханических или других методов не обеспечивает необходимой точности измерения или вообще невозможно.

Электрокондуктометрический метод.Этот метод измерения линейных размеров основан на использовании различия между удельной электропроводимостью сред, находящихся на разных сторонах границ, определяющих измеряемый размер. Метод используется для измерения уровней электропроводящих жидких веществ, углов поворота различных объектов, а также для определения толщины электропроводящих объектов при одностороннем доступе к ним (стенка корпуса корабля, металлические покрытия на неэлектропроводящих основаниях и др.).

При измерении уровня в резервуар помещается резистор из проволоки с высоким удельным сопротивлением, длина которого соответствует измеряемому изменению уровня. Конструктивно электрокондуктометрический уровнемер аналогичен тепловому. По мере снижения уровня уменьшается шунтирующее действие электропроводящей жидкости и соответственно возрастает сопротивление резистора. Этим же методом измеряется угол поворота или угол отклонения от вертикального направления с применением дифференциальных электролитических резистивных преобразователей.

Емкостный метод. Основан на отличии диэлектрической проницаемости сред, находящихся на разных сторонах границ, определяющих измеряемый размер, широко используется для измерения уровней жидких и сыпучих веществ, границы раздела жидкость – жидкость, а также для измерения толщины диэлектрических пленок и листовых материалов в процессе их непрерывного производства. Основные типы емкостных датчиков и применяемые измерительные цепи рассмотрены в работе.

Магнитный метод.Применяется главным образом для измерения толщины ферромагнитных объектов, немагнитных покрытий на ферромагнитном основании при одностороннем доступе к измеряемому размеру. Также широко используется в дефектоскопии для обнаружения и локализации дефектов (трещины, раковины и др.).