Электроконтактный способ Храмова измерения толщины стенок полых электропроводящих изделий и устройство для его осуществления Советский патент 1983 года по МПК G01B7/06 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерений при одностороннем доступе толщины стенок полых изделий сложной фор1иы, например при неразрушающем контроле изделий, в частности для измерений толщины стенок конструкций в машиностроении, судостроении, контроля изменений толщин стенок различных конструкций, в том числе технологических емкостей и трубопроводов в процессе их коррозионных разрушений при эксплуатации.

Известен электроконтактный способ измерения толщины стенок полых электропроводящих изделий,о 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, электропроводящей жидкости,, заполняющей полость изделияJ и измерителя, и определяют эффективное значение тока на. участке fl .

Устройство для измерения толщины стенок полых электропроводящих изделий содержит источник по :тоянного тока или переменного тока низкой частоты, щупы и измеритель .

Известный способ и устройство для его осуществления имеют недостатки, заключающиеся 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 ности стенок изделия, 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 агента необходимо устанавливать заглушки. Кроме того, при низких температурах жидкий электропроводягций агент замерзает и не может быть использован.

При измерениях толщины стенок в изделиях большой длины и на больших асстояниях от концов изделия сопотивление объема жидкого электророводящего агента етановится соизмеримым с сопротивлениями остальых элементов электрической измерительной цепи, и погрешность изерений существенно увеличивается.

Если электропроводящий жидкий агент не заполняет всю внутреннюю полость изделия, последнее приходится поворачивать, при больших размерах и массе изделия и агента это 5 неудобно, сложно, снижает производительность измерений.

При измерении расстояния между щупами для сохранения неизменной погрешности измерений необходима 0 переградуировка измерителя тока или омметра.

Толщину стенок полых изделий, защищенщлх с внутренней стороны электроизоляцио.нньли покрытием, не-. t льэя измерить.

Результат измерений зависит от температуры и давления, влияющих на электропроводность стенок изделия и жидкого электропровод5пцего агента.

0 с Цель изобретения - упрощение . способа измерения и овышение точ,ности.

Указанная цель достигается тем, что согласно электроконтактному 5 способу измерения толщины стенок полых электропроводящих изделий, заключающемуся 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 и измерителя, и определяют эффективное значение тока на этом участке, 5 через изделия дополнительно пропускают ток высокой частоты, изменяют его частоту до равенства эффективных значений обоих токов и по полученной частоте определяют толщину 0 стенки.

Устройство для измерения толщины стенок полых электропроводящих изделий, содержащее источник постоянного тока или переменного тока низ5 частоты, щупы и измеритель, снабжено источником переменного тока регулируемой частоты, первым коммутатором, к двух входам которого подключены оба источника тока,

Q а к выходам - щупы, последовательно соединенными масштабным измерительным преобразователем и вторым коммутатором, блоком памяти, подключенным к выходу второго коммутатора, компаратором, включённым между выходом блока памяти, входом измерителя и управляющим входом источника переменного тока регулируе-мой частоты, и блоком управления, подключенным к входам первого и

0 второго коммутаторов, блока памяти и измерителя. Второй выход второго коммутатора соединен с компаратором, а щупы подключены к входам масштабного измерительного преобразователя.

На фиг. 1 представлена блок-схема устройства для измерения толщины стенок полых электропроводящих изделий; на фиг. 2 - эквивалентная схема изделия с двумя электродами (L - индуктивность изделия; RQ- омическое сопротивление тела постоянному току или переменному току низкой частоты в отсутствие заметного поверхностного эффекта; С - емкость между электродами при включении изделия в электрическую цепь).

Устройство содержит источник 1 постоянного тока или переменного тЬка низкой частоты, щупы 2 и 3, измеритель 4, источник 5 переменного тока регулируемой частоты, первый коммутатор 6, к двум входам которого подключены источники 1 и 5 тока, а. к выходам - щупы 2 и 3, и масштабный измерительный преобразователь 7, выход которого подключен к входу второго коммутатора 8.

Один выход коммутатора 8 соединен с входом блока 9 памяти, а второй - с компаратором 10. Второй 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 11 управления, выходы которого соединены с первым и вторым коммутаторми 6 и 8, блоком 9 памяти и измерителем 4.

Сущность способа заключается в следукицем.

Активное сопротивление постоянному току электропроводящего иэделня g

«оРе

где р - удельное электрическое соп ротивление -изделия; - длина изделия; S - плсчцадь сечения изделия. При переменном токе, когда длина волны соизмерима с линейными размерами сечения электропроводящего изделия, в нем возникает поверхностный эффект. Он проявляется в изменении распределения плотности тока по сечению изделия. Чем вьлие частота переменного тока и длина во ны и чём больше линейные 15азмеры се.чения электропроводящего изделия, |тём сильнее в нем проявляется поверхностный эффект, тем выше концентрация- тока у поверхности изделия.

Для характеристики поверхностного эффекта используют специальный параметр - эффективную глубину проникновения переменного тока

Р

где |Ua - абсолютная магнитная проницаемость материала.

с учетом значения S активное сопротивление переменному току электропроводящего изделия длиной Е

{р ер

«-i tJjuiSгде () - круговая частота.

Согласно определению поверхностного эффекта сопротивление Яд эквивалентно сопротивлению Rp полого

o изделия,толщина стенок которого равна глубине 8 проникновения тока. Это обстоятельство позволяет измерять толщину стенки полого электропроводящего изделияt

Например, для полого цилиндричесо

5 кого тела длиной , с внешним и внутренним диаметрами, равенству эффективных значений постоянного тока или переменного тока нивкой частоты, при которой в

0 теле поверхностный эффект практически отсутствует, и переменного . тока высокой (звуковой или ультразвуковой) частоты, при которой в изделии имеет место существенный поверхностный эффект (т.е.когда

Rg 1, 01Г-о), справедлива эквивалентность сопротивлений .

30

Так как оба измерения тока выполняются при одних и тех же значениях р и В (в данном случае Е - расстояние между токоподводящими электродами) , результат измерений толщины &t не зависит от этих величии. Значение |liq изделия также остается практически неизменным в процессе измерений. Таким образом, измеренное значение толщины стенки изделия однозначно связано с частотой переменного тока

.(f(i)

При анализе возможности практической реализации предлагаемого способа надо учитывать, что для постоянного тока Xj О и Xg оо сопротивление тела равно R, для переменного тока низкой частоты, пока х, « Kg и х Rg , значениями Xj. и х можно пренебречь.

При переменном токе и соизмери-мости сопротивлений полное сопротив ление изделия

-Jgk-Jc)l-,g-|(

2

«()

Это соотношение справедливо для отсутствия заметного поверх«остного эффекта. Если частота переменного тока достаточно велика либо достаточно велики герметические размеры сечения изделия, т.е. при со измеримости этих параметров из-за t концентрации, тока у поверхности изделия увеличивается его активное сопротивление. Внешняя индуктивность изделия тается неизменной с повышением ча 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 О) уменьшается, а kg увеличивается. Заметить последнее можно, если х RO и Xg «мЬ. В противном случае изменения RQ иыЬ маскируются шунтирующим действием Xg. Поэтому условиями использования поверхнос ного эффекта для измерений толщины стенок являются достаточно малое значение емкости С или .использован частот тока, при которых х R, и Xj.wL. Эти условия выполнимы на практи ке, так как диапазоны значений R и С ограничены: для Rg от 10 до 10 Ом, для С от единиц до десятков пикофарад. Таким образом, при поверхностном эффекте, когда 4Rf - RO- Rt, Q,01Ro, 2, ,,К4ГЧь)и) По принципу наиме 1ьшего действи Ферма ток выбирает такой путь, что бы результирующее сопротивление Z ме&ду двумя точками приложения ЭДС (либо между двумя электродами) был наименьшим для данной частоты. Отклонение пути переменного ток частоты f от пути постоянного тока в изделии оценивается увеличением джоулевых потерь, что эквивалентно увеличению активного сопротивления RO На U Rf . Поскольку Ед ие резисто а эквивалент сопротивления, возник кадего в результате поверхностного эффекта, измерить прямо сопротивле ние Rg нельзя. Измеряют соответствующее ему значение тока. Таким образом, по факту равенст ва эффективных значений токов разных частот при двух последующих и мерениях можно судить о достижении частоты, при которой толщина стенки изделия равна глубине проникновения TCKfei, так как дг 8. Способ осуществляю.т .следующим образом. С помощью двух щупов 2 и 3 вклю чают участок поверхности изделия (не показано), толщину стенки кото рого необходимо измерить, в электрическую цепь, содержсвдую также измеритель 4 и источник 5 переменного тока регулируемой частоты 1При выбранном напряжении источника 1 тока измеряют в цепи значение постоянного тока Ig или переменного тока иизкой частоты 1,, , соответствующее-значению RO. Затем в режиме измерения тока 1 в диапазоне частот, при которых в. изделии имеет место поверхностный эффект, определяют частоту переменного тока, при которой его эффективное значение в цепи равно значению ранее измеренного постоянного тока или переменного тока низкой частоты, при которой поверхностный эффект в изделии отсутствует. Так как равенство эффективных значений указанных toKOB соответствует эквивалентности сопротивлений Rg и Rg, измеренное значение частоты тока однозначно соответствует измеряемой толщине стенки изделия At S . Так как оба измерения выполняются с одним и тем же расстоянием между электродами, на одном и том же участке поверхности изделия, знать электрофизические характеристики изделия для не нужно. Изменения температуры и давления среды в одинаковой степени влияют на результаты измерений токов. Поэтому в общем результате измерений толщины влияние этих факторов компенсируется. Шкалу 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. Эти 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, подключаюий к цепи изделия и щупов 2 и 3 выход источника 1 постоянного тока или переменного тока нййкой частоты..

Падение напряжения на участке изделия 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 источника 5 переменного тока регулиремой (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, соответствуюций равенству действукяцих значений напряжений. Этот сигнал прекращает изменения частоты источника 5 , а также подается на измеритель 4 для фиксации значения частоты и соответствующего ей значения толщины стенки изделия. Следующий сигнал блока 11 управления устанавливает коммутаторы 6 и 8, блок 9

памяти и измеритель 4 в исходное состояние.

Способ и устЕюйство можно использовать для измерений толщины стеиок изделия в лабораторных и полевых

условиях, на строительных площадках. Погрешность измерений зависит, в основном, от погрешностей измерения частоты и компарирования сигналов .

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