Электроконтактный способ храмова измерения толщины стенок полых электропроводящих изделий и устройство для его осуществления
1. Электроконтактный способ измерения толщины стенок полых элек тропроводящих изделий, заключающийся в том, что через изделие пропускают постоянный ток или переменный ток низкой частоты, включают измеряемый участок стенки изделия в электрическую цепь, состоящую из источника тока, двух щупов иизмерителя , и определяют эффективное значение тока на этом участке, отличающийся тем, что, с целью упрощения способа и повышения точности, через изделия дополнительно пропускают ток высокой частоты, изменяют его частоту до равенства эффективных значений обоих токов и по полученной частоте Определяют толщину стенки. 2. Устройство для измерения толщины стенок польлх электропроводящих изделий, содержащее источник постоянного тока или переменного тока низкой частоты, щупы и измеритель ,отличающееся тем, что оно снабжено источником переменного тока регулируемой частоты, первым коммутатором, к двум входам которого подключены оба источника тока, а к выходам - щупы, последовательно соединенными масштабным измерительным преобразователем и вторым та тором, блоком пайяти, подключенным к выходу второго комму (Л татора, компаратором, включенным между выходом блока памяти, входом измерителя и управляющим входом источника переменного тока регулируемой частоты, и блоком управления , подключенным к входам первого и второго коммутаторов, блока памяти и измерителя, второй выход второго коммутатора соединен с ком4 4 паратором, а щупы подключены к входам масштабного измерительного преобразователя . 3t
СОЮЗ СОЮТСНИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ
РЕСПУБЛИН (1% (11) Ц5Н С 01 В 7/06
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР
ПО ДЕЛАМ ИЭОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
И АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 2433044/25-28 (22) 20.12.76 (46) 30.09.83. Вюл. 9 36 (72) А.В. Храмов (53) 620.179.142.5(088.8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР
9 360540, кл. G 01 В 7/02, 1971 (прототип). (54) ЭЛЕКТРОКОНТАКТНЫЙ СПОСОБ ХРАМОВА ИЭМЕРЕНИЯ ТОЛЩИНЫ СТЕНОК ПОЛЫХ
ЭЛЕКТРОПРОВОДЯЩИХ ИЭДЕЛИЙ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ, (57) 1. Электроконтактный способ измерения толщины стенок полых злек тропроводящих изделий, заключающийся в -том, что через иэделие пропускают постоянный ток или переменный ток низкой частоты, включают измеряемый участок стенки изделия в электрическую цепь, состоящую из источника тока, двух щупов и измерителя, и определяют эффективное значение тока на этом участке, отличающийся тем, что, с целью упрощения способа и повышения точности,.через изделия дополнительно пропускают ток высокой частоты, изменяют его частоту до равенства эффективных значений обоих токов и по полученной частоте определяют толщину стенки.
2. Устройство для измерения толщины стенок полых электропроводящих изделий, содержащее источник постоянного тока или переменного тока низкой частоты, щупы и измеритель, о т л н ч а ю щ е е с я тем, что оно снабжено источником переменного тока регулируемой частоты, первым коммутатором, к двум входам которого подключены оба источника тока, а к выходам — щупы, последо. вательно соединенными масштабным измерительным преобразователем и вторым коммутатором, блоком памяти, g подключенным к выходу второго коммутатора, компаратором, включенным между выходом блока памяти, входом измерителя н управляющим входом источника переменного тока регулируемой частоты, и блоком управления, подключенным к входам первого и второго коммутаторов, блока памяти и измерителя, второй выход второго коммутатора соединен с компаратором, а щупы подключены к входам масштабного измерительного преобразователя.
1044961
При измерениях толщины стенок в иэделиях большой длины и на больших расстояниях от концов изделия сопротивление объема жидкого электропроводящего агента становится соизмеримым с сопротивлениями остальных элементов электрической измери,тельной цепи, и погрешность измерений существенно увеличивается.
65
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерений при одностороннем доступе толщины стенок полых изделий сложной формы, например при неразрушакшем контроле из- 5 делий, в частности для измерений толщины стенок конструкций в машиностроении, судостроении, контроля изменений толщин стенок различных конструкций, в том числе технологи- 10 ческнх емкостей и трубопроводов в процессе их коррозионных разрушений при эксплуатации.
Известен электроконтактный способ измерения толщины стенок полых 5 электропроводящих изделий,озаключающийся в том, что через иэделие пропускают постоянный ток или переменный ток низкой частоты, включают измеряемый участок стенки иэделия в электрическую цепь, состоящую из источника тока, двух щупов, элек..ропроводящей жидкости, заполнякщей полость изделия и измерителя, и определяют эффективное значение тока на этом участке j1) .
Устройство для измерения толщины стенок полых электропроводящих изделий содержит источник постоянного тока или переменного тока низкой частоты„ щупы и измеритель (1J . 30
Известный способ и устройство для его осуществления имеют недостатки, заключакщиеся в том, что они могут быть использованы только в случаях, когда внутренние полости изделий допустимо заполнять электропроводящей жидкостью — жидким электропроводящим агентом, электропроводность которого значительно выше суммарной электропровод-, 40 ности стенок изделйя, щупов и соединительных проводников.
Необходимость применения жидкого электропроводящего агента связана с рядом неудобств, затрудняющих измерения, например" приготовление, хранение, транспортировка, заливка агента, необходимость большого количества агента для крупных изделий; в изделиях, имеющих несколько отверстий, при заливке жидкого 50 агента необходимо устанавливать заглушки. Кроме того, при низких температурах жидкий электропроводящий агент замерзает и ие может бйть использован. 55
Если электропроводящий жидкий агент не заполняет всю внутреннюю полость изделия, последнее приходится поворачивать, при больших размерах и массе иэделия и агента это неудобно, сложно, снижает производительность измерений .
При измерении расстояния между щупами для сохранения неизменной погрешности измерений необходима переградуировка измерителя тока или омметра.
Толщину стенок полых иэделий, защищенных с внутренней стороны электроизоляционным покрытием, не-. льзя измерить.
Результат измерений зависит от температуры и давления, влияющих на электропроводность стенок изделия и жидкого электропроводящего агента. с Цель изобретения - упрощение . способа измерения и повышение точности.
Укаэанная цель достигается тем, что согласно электроконтактному способу измерения толщины стенок полых электропроводящих иэделий, заключающемуся в том, что через иэделие пропускают постоянный ток или переменный ток низкой частоты, включают измеряемый участок стенки иэделия в электрическую цепь, состоящую иэ источника тока, двух щупов и измерителя, и определяют эффективное значение тока на этом участке, через изделия дополнительно пропускают ток высокой частоты, изменяют его частоту до равенства эффективных значений обоих токов и по полученной частоте определяют толщину стенки.
Устройство для измерения толщины стенок полых электропроводящих изделий, содержащее источник постоянного тока или переменного тока низкой частоты, щупы и измеритель, снабжено источником переменного тока регулируемой. частоты, первым коммутатором, к двух входам которого подключены оба источника тока, а к выходам — щупы, последовательно соединенными масштабным измерительным преобразователем и вторым коммутатором, блоком памяти, подключенным к выходу второго коммутатора, компаратором, включенным между выходом блока памяти, входом измерителя и управляющим входом источника переменного тока регулируе-мой частоты, и блоком управления, подключенным к входам первого и второго коммутаторов, блока памяти и измерителя, Второй выход второго коммутатора соединен с компаратором, а щупы подключены к входам масштабного измерительного преобразователя °
1044961
На фиг. 1 представлена блок-схема устройства для измерения толцины стенок полых электропроводящих из делий, на фнг. 2 - эквивалентная схема изделия с двумя электродами (1. - индуктивность изделия; Вр- оми- 5 ческое сопротивление тела постоянному току или переменному току низкой частоты в отсутствие заметного поверхностного эффекта; С -. емкость между электродами при включении из- Я делия в электрическую цепь).
Устрой ство содержит источ ник 1 постоянного тока или переменного тока низкой частоты, щупы 2. и 3, измеритель 4, источник 5 переменного тока. регулируемой частоты, первый коммутатор б, к двум входам которого подключены источники 1 и 5 тока, а. к выходам - щупы 2 и 3, и масштабный измерительный преобра- 33 зователь 7, выход которого подключен к входу второго коммутатора 8.
Один выход коммутатора 8 соединен с входом блока 9 памяти, а второй — c компаратором 10. Второй 25 вход компаратора 10 соединен с выходом блока 9 памяти, а выходы — с измерителем 4 и управляющим входом источника 5 переменного тока.
Устройство содержит также блок ЗО
11 управления, выходы которого соединены с первым н вторым коммутатора.ми б и 8, блоком 9 памяти и измерителем 4. .Сущность способа заключается в следующем.
Активное сопротивление постоянному току электропроводящего изделия 3
"o Рe
Ю где р - удельное электрическое сопротивление изделия; — длина изделия;
S - -площадь сечения иэделия.
При переменном токе, когда длина волны соизмерима с линейными раз- 45 мерами сечения электропроводящего изделия, в нем возникает поверхностный эффект. Он проявляется в изменении распределения плотности тока по сечению иэделия. Чем выше 5О частота переменйого тока и длина волны и чем больше лйнейные размеры сечения электропроводящего изделия, т6м сильнее. в нем проявляется поверхностный эффект, тем выше кон- 55 центрация. тока у поверхности иэделия. для характеристики поверхностного эффекта используют специальный параметр — эффективную глубину проникновения переменного тока
Р где 0а - абсолютная магнитная проницаемость материала.
С учетом значения b активное сопротивление переменному току электропроводяшего изделия длиной р а 8 2
<8о где у - круговая частота.
СогласнО определению поверхностного эффекта сопротивление Кд эквивалентно сопротивлению Ro полого изделия, толщина стенок которого равна глубине О проникновения тока.
Это обстоятельство позволяет измерять толщину стенки полого элек- тропроводящего иэделия.
Например, для полого цилиндричес . кого тела длиной 0, с внешним D 2R и внутренним d2r диаметрами, равенству эффективных значений постоянного тока или переменного тока низкой частоты, при которой в теле поверхностный эффект практически отсутствует, и переменного тока высокой (звуковой или ультра" звуковой ) частоты, при которой в изделии имеет место существенный поверхностный эффект (т.е. когда
Ra+ 1,01",o), ñïðàâåäëèâà эквивалентность сопротивлений
e e
"о =,= рг„г1 е
6д=() (Так как оба измерения тока выполняются при одних и тех же значениях р н Р (в данном случае К - расстояние между токоподводящими электродами), результат измерениЯ толщины йс не зависит от этих величин.
Значение р иэделия также остается практически неизменным в процессе измерений. Таким образом, измеренное значение толщины стенки изделия однозначно связано с частотой переменного тока
М = 8 =q(f}
Прн анализе воэможности практической реализации предлагаемого способа надо учитывать, что для постоянного тока х 0 и x = оо сопроС тивление тела равно Ro для переменного тока низкой частоты, пока х„ < Ro и х » Rg значениями х и х можно пренебречь.
При переменном токе и сс измери-. мости сопротивлений полное сопротивление иэделия .
Rî < "
Это соотношение справедливо для отсутствия заметного поверхностного эффекта. Если частота переменно» го тока достаточно велика либо дос1044 961
30 таточно велики герметические размеры сечения изделия, т.е. при соизмеримости этих параметров иэ-за концентрации тока у поверхности изделйя увеличивается его активное сопротивление. 5
Внешняя индуктивность изделия остается неизменной с повышением час-. тоты тока, внутренняя его индуктивность изменяется. Для каждого значения частоты f тока Z имеет минимальное возможное для данных условий значение, причем с увеличением частоты или линейных размеров сечения изделия Я Ь,< уменьшается, à К увеличивается.
Заметить последнее можно, если
x
xñ Я Эти условия выполнимы на практи- 2S ке, так как диапазоны значений Кд и С ограничены: для Ко от 10 до
10 Ом, для С от единиц до десятков пикофарад. Таким образом, при поверхностном эффекте, когда 6Rf Ro- К 0 01R -, (aà R<>" (i) =Д I„„ .
По принципу наименьшего действия
Ферма ток выбирает такой, путь, чтобы результирующее сопротивление Z между двумя точками приложения ЭДС (либо между двумя электродами) было наименьшим для данной частоты.
Отклонение пути переменного тока частоты f от пути постоянного тока 40
s иэделии оценивается увеличением джоулевых потерь, что эквивалентно увеличению активного сопротивления
Ro на и К1. Поскольку К не резистор, а эквивалент сопротивления, возника- 4$ ка(его в результате поверхностного
° эффекта, измерить прямо сопротивле.ние Кп нельзя. Измеряют соответствующее ему значение тока.
Таким образом, по факту равенст" ва эффективных значений токов разных частот при двух последующих измерениях можно судить о достижении частоты, при которой толщина стенки изделия равна глубине проникновения тока, так как с = 8, Способ осущестйляют следующим образом.
С помощью двух щупов 2 и 3 включают участок поверхности изделия (не показано), толщину стенки которого необходимо измерить, в электрическую цепь, содержащую также измеритель 4 и источник 5 переменного тока регулируемой частоты.
При выбранном напряЖении источни- Я ка 1 тока измеряют в цепи значение постоянного тока 1 или переменногс тока низкой частоты 1н,соответствующее.значению Ко.
Затем в режиме измерения тока
I ö в диапазоне частот, при которйх в иэделии имеет место поверяностный эффект, определяют частоту переменного тока, при которой его эффективное значение в цепи равно значению ранее измеренного постоянного тока или переменного тока низ-. кой частоты, при которой поверхностный эффект в иэделии отсутствует.
Так как равенство эффективных значений указанных токов соответствует эквивалентности сопротивлений Ro и Ra измеренное значение частоты тока однозначно соответствует измеряемой толщине стенки иэделия Ьг. = 5 .
Так как оба измерения выполняются с одним и тем же расстоянием меж" ду электродами, на одном и том же участке поверхности изделия, знать злектрофизические характеристики иэделия для измерений не нужно.
Изменения температуры н давления среды в одннаковой степени влияют на результаты измерений токов.
Поэтому в общем результате измерений толщины влияние этих факторов компенсируется. 10калу измерителя частоты тока источника тока можно градуировать непосредственно в значениях толщины.
В качестве компараторов токов можно использовать термоэлектрические преобразователи, измеряющие ток в диапазоне частот от постоянного до сверхвысоких .частот.
Предлагаемый способ измерений не свободен от погрешностей, на которые влияет в первую очередь характер распределения тока в изделии. Этн и другие вЛияния учитываются при тарировке.
Увеличение расстояния между щупами увеличивает чувствительность измерений. В .этом случае увеличивается также масштаб осреднения измеряемой толщины. Расстояние между щупами при проектировании устройства целесообразно делать регулируемым, чем обеспечивается возможность выбора масштаба осреднения при измерениях изделия в зависимости от его назначения и требуемой точности измерений.
Устройство работает следующим образом.
С блока 11 управления на коммутатор 6 подается сигнал, подключающий к цепи иэделия и щупов 2 и 3 выход источника 1 постоянного тока или переменного тока низкой частоты.
1044961
Фиг.1
Фиг.2
ВНИИПИ Заказ 7532/37 Тираж 602 Подписное
Филиал ППП ".Патент",г.ужгород,ул. Проектная,4
Падение напряжения на участке иэделия между щупами преобразует,ся масштабным измерительным преобразователем 7 и через коммутатор
8 подается,на блок 9 памяти. Затем сигнал блока 11 управления переключает коммутатор. 6 к выходу нс" точника 5 переменного тока регулируемой (звуковой и улЬтразвуковой) частоты, а коммутатор 8 — к первому входу компаратора 10, на второй вход которого подается сигнал с блока.9 памяти.
Разностный сигнал с компаратора
10 подается на управляющий вход источника 5 для изменения частоты в соответствии с уровнем и фазой этого сигнала. Частота напряжения источника 5 регулируется до тех пор, пока компаратор 10 не сформирует выходной сигнал, соответствующий равенству действующих значений напряжений. Этот сигнал прекращает изменения частоты источника 5, а также подается на измеритель 4 для фиксации значения частоты и соответствукщего ей значения толщины стенки иэделия. Следующий сигнал блока 11 управления устанавливает коммутаторы 6 и 8, блок 9
10 памяти и измеритель 4 в исходное состояние.
Способ и устройство можно использовать для измерений толщины стенок изделия в лабораторных и полевых условиях, на строительных площадках. Погрешность измерений Эанионт, в основном, от погрешностей измерения частоты и компарирования сигналов.
