Датчики измерения толщины

Введение
Измерение – это ступень в системе эмпирического познания, и оно требует особой технологии – приборного инструментария и достаточно сложных процедурных методик.
Основными элементами средств измерений являются датчики. Надлежащий выбор датчика и правильное построение измерительного канала означают, что в сигнал не вносятся дополнительные погрешности или ограничения сверх тех, которые были ему присущи изначально. Следовательно, от высокого качества преобразования в первую очередь зависят как точное соответствие между истинным значением измеряемой величины и значением, полученным при измерениях, так и пределы вносимых в полученную величину погрешностей.
Все датчики для толщиномеров имеют очень высокое качество, что является их залогом безупречной работы в самых различных условиях. Встроенные датчики идеально подходят для измерения толщины покрытий, как на плоских, так и на шероховатых поверхностях. Датчики для измерения толщины большинства покрытий не требуют настройки и готовы к измерению.
Целью данной работы является рассмотрение датчиков измерения толщины.
Задачи работы:
ознакомиться с общими понятиями и определениями, а также классификацией датчиков измерения толщины;
рассмотреть устройство, принцип работы и схему измерителя толщины;
изучить документацию при сдаче в эксплуатацию.
1. Датчики измерения толщины: общие понятия, определения и классификация
1.1. Общие понятия и определения
Датчик – первичный преобразователь, элемент измерительного, сигнального, регулирующего или управляющего устройства системы, преобразующий контролируемую величину (давление, температуру, частоту, скорость, перемещение, напряжение, электрический ток и т.п.) в сигнал, удобный для измерения, передачи, преобразования, хранения и регистрации, а также для воздействия им на управляемые процессы.
Основание - поверхность, на которую нанесена: краска, пластик, гальваническое покрытие. Покрытие - краска, полимер, гальваническое покрытие и т.д. нанесенный на основание, т.е. объект, толщину которого измеряет толщиномер покрытий [2].
Мера толщины– образец, имитирующий толщину покрытия. Изготавливается из неметаллической пластины (пленки) известной толщины. Калибровка магнитного толщиномера - настройка толщиномера на данное основание. Настройка ведется на тип материала основания (например сталь 3 или сталь 45) и на радиус основания (толщиномер откалиброванный на плоское основание не будет правильно работать на трубе, ребре швеллера и прочем).
1.2. Классификация датчиков
Датчики обычно классифицируют по различным признакам:
1) по виду измеряемой величины различают датчики давления, расхода, уровня, температуры, концентрации, перемещения, положения, оптические, вибрации и т.д.;
2) по способу преобразования (физическому эффекту) выделяют несколько групп датчиков – резистивные, емкостные, электромагнитные, пьезоэлектрические, термоэлектрические, оптоэлектрические и т.п.;
3) по виду выходной величины, в которую преобразуется входная величина, различают неэлектрические и электрические датчики. Большинство датчиков являются электрическими;
4) по типу выходного сигнала различают три класса датчиков: аналоговые датчики, вырабатывающие аналоговый сигнал, пропорционально изменению входной величины; цифровые датчики, генерирующие последовательность импульсов или цифровой код; бинарные (двоичные) датчики, которые вырабатывают сигнал только двух уровней: "включено/выключено" (иначе, 0 или 1);
5) по принципу действия датчики разделяют на два класса: генераторные (пассивные) и параметрические (активные, или датчики-модуляторы) [2].
Генераторные датчики не нуждаются в дополнительном источнике энергии. И в ответ на изменение воздействия измеряемой величины на их выходе всегда появляется электрический сигнал. Параметрические датчики для своей работы требуют внешней энергии (источник питания), называемой сигналом возбуждения. Воздействие измеряемой величины изменяет параметры сигнала возбуждения (сопротивление R, емкость С, индуктивность L и т.д.).
Представленные классификации датчиков приведены для подтверждения тезиса о большом их разнообразии. Что собственно и отражено в научных, учебных и специальных изданиях. Разумеется, использование того или иного классификационного признака – это дело исследователя, в зависимости от поставленной задачи [4].
1.3. Измерение толщины
Неотъемлемой частью системы автоматического регулирования является измеритель толщины. В настоящее время известно несколько способов измерения толщины полосы в процессе прокатки, среди которых необходимо выделить непосредственное (прямое) измерение с помощью толщиномеров и косвенное измерение, при котором толщина полосы определяется вычислением через другие параметры. Чаще всего для этой цели используют зависимость Головина-Симса:
,
где P – усилие прокатки; Mk – коэффициент жесткости клети; S 0 – первоначальный зазор между валками.
Рассмотрим современные отечественные и зарубежные измерители толщины. В промышленности применяются бесконтактные измерители толщины, различные по конструкции и принципу действия – рентгеновские и радиоизотопные, контактные [3].
Процесс измерения должен быть бесконтактным, автоматическим и непрерывным.
Бесконтактные измерители толщины, которые используются в прокатном производстве, в основном используют - и - излучения радиоактивных изотопов и рентгеновское излучение.
Принцип действия измерителей основан на том, что при прохождении потока излучения через измеряемый материал происходит частичное поглощение лучей. Интенсивность прошедшего через измеряемый материал излучения ослабляется. Степень ослабления зависит от толщины материала и его химического состава.
Для одного и того же материала степень ослабления определяется лишь его толщиной, что и положено в основу работы бесконтактных измерителей толщины. Это позволяет измерять, например, толщину движущейся полосы в потоке производства бесконтактным и неразрушающим методами.
Интенсивность излучения после прохождения потока через измеряемый металл
,
где I 0 – интенсивность измерения при нулевой толщине металла;  – коэффициент поглощения, определяемый видом металла и длиной волны излучения; h – толщина измеряемого металла.
В бесконтактных измерителях толщины в качестве источников ионизирующего излучения применяются рентгеновские блок-трансформаторы, - и - излучения радиоактивных изотопов

. Применение того или иного типа излучателя определяется диапазоном измеряемых толщин. Например, диапазон толщины 0,002…1,2 мм контролируется измерителями с -излучением, а от 0,3 мм и выше с  – и рентгеновским излучением.
Измерители с -источниками имеют меньшие габариты, проще в эксплуатации и невысокую относительную стоимость. Измерители с рентгеновскими установками имеют больший рабочий зазор, позволяют достигать высокое быстродействие [7].
При установке и эксплуатации измерителей толщины полосы на стане или агрегате могут появиться специфические ошибки, связанные с изменением наклона полосы в процессе прокатки, наличием воды, масла, эмульсии на полосе, нагревом полосы при холодной прокатке, неточностью введения в показания измерителя поправок на химический состав и структуру металла полосы. Для уменьшения ошибок в показаниях бесконтактных измерителей толщины необходимо:
– при установке измерителя принять меры, чтобы после перевалок при изменении диаметра рулона и др. изменение наклона полосы и измерительном блоке не превышало ±2°. Для этой же цели имеются стабилизирующие ролики на агрегатах резки и травления;
– удалять сжатым воздухом воду, эмульсию с полосы в месте измерения. При наличии на полосе воды, эмульсии, масла измеритель толщины дает завышенные показания;
– в процессе эксплуатации уточнять температуру полосы при различных режимах прокатки и вводить соответствующую коррекцию в показания измерителя толщины при помощи ручной регулировки. Для стали ошибка может достигать 0,35% при температуре полосы 150 °С после клети;
– на станах и агрегатах параллельно с бесконтактными измерителями толщины установить электроконтактные (например, М-211 завода «Калибр») с дистанционным управлением перемещения измерительного блока и пользоваться ими (в целях сохранения точности) только для проверки бесконтактных измерителей толщины во время заправки полосы, так как разброс химического состава полос в пределах, предусмотренных стандартом, вносит погрешность в их показания. Например, при измерении толщины полосы из стали с содержанием 0,1 и 0,3% С ошибка может составить 0,2%. Значительно большая ошибка возникает при измерении толщины полосы из легированных сталей разных плавок.
Измерители толщины, применяемые в системе автоматического регулирования толщины (САРТ); должны иметь минимальную погрешность измерения и высокое быстродействие [4]. В измерителях толщины, основанных на затухании интенсивности потока излучения при прохождении через металл, выполнение этих требований взаимосвязано. Улучшение одной характеристики приводит к ухудшению другой или к значительному усложнению аппаратуры.
При рассмотрении быстродействия измерителей толщины полосы определяющим является быстродействие главного привода, так как оно в 1,5…2 раза больше, чем быстродействие электропривода нажимных винтов. В случае применения гидравлического нажимного устройства быстродействие измерителя толщины определяется быстродействием гидропривода.
1.4. Классификация датчиков измерения толщины
Для измерения толщины покрытия используют толщиномеры. Существуют различные виды толщиномеров:·механические; электромагнитные; ультразвуковые;·магнитные; вихретоковые.
Механические толщиномеры покрытий. Когда толщина покрытия должна измеряться в опасных окружающих условиях, предпочтение отдается механическому толщиномеру покрытия. Они работают без батарей и могут применяться в присутствии взрывоопасных газов и даже под водой. Все механические толщиномеры могут замерять только на железных подложках. Механические измерители понемногу уходят в прошлое, т.к. такой вид техники устарел, а также из-за того, что в основном требует разрушения покрытия для его замера. Также они становятся архаичными из-за своей неточности. Все механические толщиномеры покрытий выполняют измерения только на основаниях из черных металлов. Прибор прост в использовании. Для выдвижения постоянного магнита к поверхности необходимо повернуть дисковый переключатель [3].
Электромагнитные толщиномеры. В приборах данного вида для измерений используются как магнитная индукция, так и:
неферромагнитные диэлектрические и электропроводящие (гальванические, лакокрасочные, плакирующие, порошковые, пластиковые и др.) покрытия на металлических ферромагнитных основаниях;
диэлектрические (лакокрасочные, порошковые, анодноокисные и др.) на электропроводящих неферромагнитных основаниях;
битумные и другие специальные покрытия толщиной до120 мм на металлических изделиях;
покрытия из цветных металлов на изделиях из цветных металлов;
защитные покрытия внутри труб.
Контролируемые параметры:·шероховатость поверхности после пескоструйной обработки; толщина бетона до арматуры и контроль ее расположения;·электропроводность неферромагнитных металлов;·толщина металлических неферромагнитных листов; влажность и температура воздуха, точка росы и температура металла [3].
Ультразвуковые толщиномеры. Отраженное эхо ультразвукового импульса используется для измерения толщины покрытий на неметаллических поверхностях (пластик, дерево и т.д.) без повреждения покрытия. Зонд инструмента имеет ультразвуковой датчик, который посылает импульс через покрытие. Импульс отражается от поверхности и преобразуется датчиком в высокочастотный электрический сигнал. Эхо сигнала оцифровывается и анализируется для определения толщины покрытия. В некоторых случаях могут быть измерены отдельные слои многослойной системы покрытия. Типичная погрешность составляет 3%.
Магнитные толщиномеры. Действие магнитных (магнитоиндукционных) толщиномеров покрытий основано на влиянии толщины покрытия на магнитное сопротивление магнитной цепи: основание - покрытие - датчик. Магнитный толщиномер покрытий показывает на дисплее расстояние от поверхности наконечника датчика до металла, измеряя, таким образом, толщину любых неферромагнитных покрытий, будь то пластик, резина, краска, цветные металлы и т.д., которые нанесены на металлическое ферромагнитное основание (железо, сталь) [6]. Магнитный толщиномер способен определять толщину покрытия, нанесенного только на ферромагнитное основание. Определить, будет ли работать магнитный толщиномер на данном основании можно с помощью обычного магнита - основание должно притягиваться к магниту достаточно сильно, так чтобы притяжение ощущалось