Метрологическое обеспечение средств контроля

Малогабаритный микромер с аналогичным пружинным механизмом называют микатором, а микромер, у  которого стрелка заменена зеркалом и соответствующим осветителем, называют оптикатором (рис. 3).

Оптикатор, дополненный  светочувствительными элементами, называется позиционным фотоэлектрическим  датчиком. Световой луч, отраженный

(отсутствует стр 21-22 конспекта)

 

ПНЕВМАТИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

Предназначенный для бесконтактного измерения детали пневматический преобразователь (рис. 1, а) представляет собой измерительное цилиндрическое сопло 1, в котором, роль заслонки выполняет контролируемая деталь 2. Расход воздуха о данном случае будет определяться площадью f₂ кольцевого зазора Z,

образованного торцом измерительного сопла с диаметром проходного сечения d₂ и поверхностью контролируемой детали.

Преобразователи с цилиндрическим соплом и плоской заслонкой могут быть выполнены и для контактных измерений (рис. 1,6). Из-за простоты изготовления эти преобразователи очень широко применяй и в пневматических приборах.

В тех. случаях, когда требуются бесконтактные измерения деталей, имеющих малые размеры в одном направлении, применяют не цилиндрические, а щелевые сопла. Проходное сечение у них выполнено в виде прямоугольника, одна из сторон которого в 6 — 10 раз больше другой.

С целью увеличения диапазона измерения используют преобразователи с заслонкой в виде конуса (рис. 1,6), параболоида вращения (рис.. 1,г), шара (рис. 1,д) и др.

Пневматические преобразватели просты в эксплуатации, требуют менее квалифицированного обслуживания, чем другие приборы (индуктивные, емкостные, радиоизотопные).

Пневматические приборы  обладают значительной инерционностью, снижающей их производительность. Однако при построении средств активного контроля нечувствительность к вибрациям является положительным качеством прибора.

5.4. Индуктивные  приборы

Индуктивные приборы  отличаются высокой точностью, позволяют  вести дистанционные измерения; сравнительно небольшие габаритные размеры индуктивных датчиков позволяют создавать компактные измерительные устройства. Наличие единого источника энергии (электрического тока) является существенным преимуществом перед пневматическими приборами, где требуется питание электрическим током и сжатым воздухом.

Недостатки: сравнительная  сложность электрических элементов, требующих квалифицированного обслуживания в процессе эксплуатации, необходимость  надежной герметизации датчика.

Принцип действия

В индуктивных приборах используется свойство катушки изменять свое реактивное сопротивление при изменении некоторых ее параметров, определяющих величину индуктивности L.

Рис. 5. Принципиальные схемы  индуктивных датчиков:

а — с изменяющимся воздушным зазором;

б — с изменяющейся площадью воздушного зазора;

1 — якорь; 2 — неподвижная  часть магнитопровода;

3 — катушка; 4 — пружина,  создающая 

измерительное усилие; 5 — контролируемая деталь.

 

Для получения возможно большей индуктивности катушку, как правило, выполняют с магнитопроводом  из ферромагнитного материала (рис. 5). Один из элементов магнитопровода (якорь) выполняют подвижным, и его положение относительно неподвижной части магнитопровода будет определять величину изменения магнитного сопротивления цепи, а следовательно, и индуктивности катушки.

Изменение индуктивного сопротивления катушки ведет  к соответствующему изменению ее полного сопротивления Z. Таким образом, если связать перемещение якоря с измеряемой величиной δ при ν = const, возникает функциональная зависимость между δ и электрическим параметром L.

L = f (δ).

Устройство, которое преобразует  линейные перемещения в электрический  параметр с помощью вышеописанной  катушки, называется индуктивным датчиком.

Полностью индуктивный  прибор может быть представлен принципиальной схемой, показанной на рис. 6.

 

Рис. 6. Блок-схема индуктивного прибора:

1 — контролируемая  деталь; 2 — индуктивный датчик;

3 — измерительная  схема, преобразующая сигнал датчика  в удобный для измерений другой  электрический параметр (напряжение, сила тока); 4 — электронный усилитель; 5 — указательное устройство;

6 — устройство для  подачи команд: 7 — источник питания

 

 

Индуктивные датчики

 

Выражение для определения  индуктивности катушки датчика  имеет вид:

 

 

 

 

где: ω — число витков катушки;

       δ₀, S₀ — длина и площадь воздушного зазора между якорем и неподвижной частью магнитопровода;

       δ₁, S₁ — длина магнитных линий и площадь сечения магнитопровода;

       μ₀ и μ₁ — соответственно магнитная проницаемость воздуха и материала магнитопровода.

 

 

 

 

Рис. 7. Характеристики индуктивных датчиков:

а — с изменяющимся воздушным зазором;

б — с изменяющейся площадью воздушного зазора.

 

В применяемых в настоящее  время индуктивных датчиках для  линейных измерений изменение индуктивности  достигается посредством изменения  величины δ₀ (рис. 8, а) или площади S₀ (Рис. 8, б).

Характеристика индуктивного датчика с переменным зазором L = f (δ) приведена на рис. 7 а, а датчика с переменной площадью на рис. 7 б. Из рис. 7, а видно, что характеристика датчика с переменным зазором нелинейна, но позволяет получить высокочувствительную измерительную систему. Для повышения чувствительности датчика величину воздушного зазора следует уменьшать. Чтобы с заданной степенью точности можно было считать чувствительность датчика величиной постоянной, необходимо рабочий участок Δδ = δ_max - δ_min датчика ограничивать допустимыми зазорами δ_max и δ_min причем минимальная величина воздушного зазора должна быть тем больше, чем больше диапазон изменения зазора в процессе измерения.

Рис. 8. Принципиальные схемы

индуктивных датчиков:

а — дифференциальный датчик с изменяющимся воздушным  зазором;

б — дифференциальный датчик с изменяющейся площадью воздушного зазора.

 

Чем меньше отношение  Δδ/δ₀, тем меньше величина нелинейности характеристики датчика.

С целью получения  более линейной зависимости, не уменьшая величины Δδ, применяют индуктивные  датчики, принцип действия которых показан на рис. 8, а. Датчик имеет две магнитные цепи с общим якорем. Под действием измеряемой величины оба зазора изменяются одинаково, но с различными знаками. Такой датчик обычно называют дифференциальным.

Для дифференциальных датчиков при нелинейности характеристики в 1%

                                                                   Δδ/δ₀      

При таком отношении  предела измерения и начального зазора нелинейность характеристики недифференциального  датчика составит более 10%.

При соответствующем  включении обеих катушек в  измерительную схему (например в  соседние плечи мостовой схемы) дифференциальный датчик имеет примерно в 2 раза большую  чувствительность по сравнению с  недифференциальным, менее чувствителен к колебаниям окружающей температуры, питающего напряжения и его частоты.

 

5.5. Радиоактивные  приборы

 

Радиоактивные приборы  основаны на использовании свойств  радиоактивных излучений: проникать  сквозь вещество, рассеиваться веществом  и ионизировать вещество.

Для контроля линейных размеров применяются приборы, в которых величина поглощения или рассеивания потока радиоактивного излучения функционально связана с контролируемой величиной.

 

Простейшая принципиальная схема  прибора для контроля толщины  листа показана на рис. 9. Поток радиоактивных излучений от источника 7, пройдя сквозь контролируемую деталь 2, попадает в приемник 3, где в зависимости от интенсивности потока (от толщины d листа) создается определенной величины электрический сигнал, который усиливается и преобразуется промежуточным преобразователем 4 и далее поступает на указательное или командное устройство 5.

Измерение размеров с  помощью обратного рассеяния  потока излучений показано на рис. 10.

 

При направлении пучка  радиоактивного излучения 1 на поверхность изделия 2 с определенной толщиной часть лучей проходит сквозь изделие, а часть лучей претерпевает рассеяние веществом и изменяет свое первоначальное направление. Обратное рассеяние излучения происходит не только на поверхности изделия, но и на разной его глубине в зависимости от толщины изделия. Измеряя приемником 3 с аналогичной электрической схемой 4 и 5 интенсивность отраженного потока, судят о толщине изделия.

Приборы, использующие эффект рассеяния излучений, нашли применение для измерения толщины изделий, доступных только с одной стороны, а также для определения толщины покрытий.

Радиоактивные приборы  целесообразно применять в отраслях промышленности с тяжелыми условиями  эксплуатации (запыленность, влажность, высокие температуры, агрессивная  среда).

Эти приборы успешно используются для автоматизации технологических процессов изготовления проката металлов, резины, бумаги, стекла, всевозможных пленок, автоматизации литейного и кузнечно-прессового производства. Радиоактивные приборы позволяют вести бесконтактные измерения при больших скоростях проката со значительными величинами вибраций и колебаний измеряемого объекта, при значительных колебаниях температуры, зоне измерения. Однако использование источников ядерного излучения всегда связано с необходимостью защиты обслуживающего персонала от воздействий излучения.

Источники излучений

Для измерения линейных размеров в машиностроении используются источники β- и γ - излучений.

β - излучение представляет собой поток электронов, образовавшихся при превращении одного из нейтронов ядра в протон.

При этом ядро испускает  электрон, называемый обычно β- частицей. Пробег β- частиц в газах достигает  нескольких метров, а в жидких и  твердых телах — нескольких миллиметров.

Основными областями  применения β - излучения в устройствах автоматического контроля являются измерение толщины, плотности и веса материала.

γ - лучи представляют собой  электромагнитное излучение, испускаемое  атомными ядрами при переходе их из возбужденного в основное состояние  или следствие торможения заряженных частиц.

γ - излучение сравнительно слабо поглощается веществом  и может проникать через твердые  тела толщиной до нескольких сотен  миллиметров. Его широко используют в устройствах автоматического  контроля, где требуется большая  проникающая способность излучения (толщиномерах, плотномерах, дефектоскопах, уровнемерах).

Конструктивно источники  излучений обычно представляют собой  герметичные металлические ампулы небольших размеров. В ампулу заключено  небольшое количество вещества (сплавы, металлы, соли или эмали), содержащие радиоактивный изотоп.

Важным свойством источников ядерных излучений является отсутствие какого-либо влияния внешних условий (давления, температуры, электрического и магнитного полей и т.д.) на активность и энергию излучения. Причиной этого является то, что радиоактивность обусловлена не процессами в электронных оболочках атома, где энергии взаимодействия имеют тот же порядок, что и энергии обычных физических явлений, а связана с явлениями, происходящими внутри атомного ядра, где энергии взаимодействия на 3 — 4 порядка выше.

Приемники излучений

Существующие в настоящее  время приемники излучений можно  разделить на две группы: к первой группе относятся приемники, действия которых основаны на ионизации газа, возникающей под действием радиоактивных лучей; действие второй группы приемников основано на ионизации в твердых веществах и некоторых растворах.

Ионизационные камеры и  газовые счетчики являются приемниками  первой группы, люминесцентные счетчики относят ко второй группе.

Статистические погрешности играют значительную роль при измерении малых интенсивностей потоков излучений, и их влияние уменьшается с увеличением активности источника излучений.

Измерение вообще будет  невозможным, если оперировать источником с малой интенсивностью и применять высокочувствительную электрическую схему для измерения незначительных приращений контролируемых размеров деталей.

Простейшим радиоактивным  прибором для контроля толщины детали является прибор, в котором измерение  интенсивности излучения осуществляется по схеме (см. рис. 9). От источника 1 излучение, пройдя контролируемую деталь 2, ослабевает и далее приемником 3 преобразуется в электрический сигнал.

Электрический преобразователь 4 обычно содержит интегрирующую цепочку, электронный усилитель, а блок 5 имеет показывающее устройство в виде стрелочного прибора и для подачи команды релейное устройство. Схема прямого измерения обладает существенным недостатком — низкой точностью.