Вимірювання геометричних розмірів
План
Вимірювання лінійних та кутових розмірів
Вимірювання товщини шару покриття
Вимірювання рівнів
1. У класифікації фізичних величин за їх фізичними властивостями (прийнятій, зокрема, в Міжнародній системі одиниць) одну із величин становлять величини простору та часу, до якої належать геометричні розміри, час та параметри руху. Геометричні розміри - це широка група понять лінійних та кутових розмірів, площі та об'єму. Своєю чергою, до лінійних розмірів належить довжина, товщина (грубизна) покрить, відстань між об'єктами, рівень, шорсткуватість (нерівність) поверхні тощо. Лінійні та кутові переміщення, швидкості та прискорення характеризують просторово-часовий стан об'єктів (матерії) одного щодо іншого, прийнятого за нерухомий.
Основні електричні методи та відповідні засоби вимірювань лінійних та кутових розмірів залежно від наявності чи відсутності механічного контакту між досліджуваним об'єктом та засобом вимірювань поділяють на контактні та безконтактні, а залежно від принципу вимірювального перетворення методи поділяють на електромеханічні, електрофізичні та спектрометричні (хвильові).
Електромеханічні методи залежно від виду первинного перетворювача поділяють на резистині, індуктивні, ємнісні тощо.
Електрофізичні методи вимірювань основані на використанні відмінності в фізичних властивостях речовин, що знаходяться на різних сторонах границь вимірюваного розміру. Для вимірювань лінійних та кутових розмірів використовують методи та прилади, основані на відмінностях електричних, магнітних, теплових та інших властивостей. Відповідно електрофізичні методи поділяються на електромагнітні, ємнісні, кондуктометричні тощо. Найпоширенішими з електромагнітних є вихрострумові та резонансні методи. Електрофізичні методи застосовують звичайно у вимірювачах товщини шару покрить та тонких листових виробів.
Спектрометричні методи та відповідні засоби вимірювань залежно від довжини хвилі випромінювання, що використовується при вимірюванні, поділяють на звукові, ультразвукові, радіохвильові, надвисокочастотні, оптичні (лазерні). Спектрометричні методи застосовують для вимірювання відстані між об’єктами. Їх принцип дії оснований на вимірюванні часу проходження вимірюваної відстані променем, швидкість якого відома і залишається незмінною в процесі вимірювання.
Електромеханічні методи широко застосовуються для вимірювань розмірів деталей та шорсткуватості поверхні (контактні штангенциркулі, мікрометри, профілометри), для вимірювань рівня (поплавкові та буйкові рівнеміри). Для вимірювань відстаней, пройдених транспортними засобами, широко використовують спосіб обкочування.
2. Залежно від характеру покриття, фізичних властивостей матеріалу деталі та її покриття, необхідної точності, умов роботи тощо використовують найрізноманітніші методи вимірювань. Всі ці методи можуть бути розділені на дві великі групи: з руйнуванням покриття та без його руйнування. Найбільшу групу серед методів так званого неруйнівного контролю становлять електрофізичні методи, а також методи, основані на використанні відмінностей у фізичних властивостях деталі та її покриття. Серед них: вихрострумові, індуктивні, магнітометричні, радіаційні, індукційні, ємнісні методи.
Здебільшого застосовують мостові методи вимірювань з використанням робочого індуктивного перетворювача, що розміщений на деталі з покриттям, та ідентичного робочому компенсаційного перетворювача, розміщеного на аналогічній деталі без покриття. Використання компенсаційного перетворювача, увімкненого у сусіднє плече моста, дає змогу усунути вплив зовнішніх чинників, зокрема температури, на результат вимірювань.

Рис. 1. Мостова схема індуктивного товщиноміра
У мостовій схемі (рис. 1) індикатором вимірюваної величини є магнітоелектричний мілівольтметр, увімкнений до виходу фазочутливої кільцевої схеми випрямлення. Резистор Rr змінного опору призначений для встановлення нульового показу мілівольтметра при нульовому чи заданому значенні вимірюваної товщини.
Похибка вимірювання товщини покриття з використанням індуктивних перетворювачів лежить у межах 10 %.
Із неруйнівних методів зупинимось ще на методі, основаному на використанні взаємоіндуктивних перетворювачів, вихідним інформативним параметром яких є ЕРС, наведена у вимірювальній обмотці (рис. 2).

Рис. 2. Вимірювач товщини гальванічного покриття
Серед методів руйнівного контролю найпоширенішим є хімічний метод, - оснований на усуненні покриття за допомогою спеціальних хімічних реактивів. За цим методом мірою товщини покриття може бути час усунення покриття або його маса чи різниця між масою покритої деталі та масою деталі після усунення покриття.
3. Вимірювання рівнів рідин наповненими у різних резервуарах та баках займають значне місце в різних галузях промисловості, науки та техніки.
Основними групами рівнемірів є: візуальні (за допомогою водомірного скла); гідростатичні, в яких рівень визначають за значенням тиску рідини на дно резервуара з наступним вимірюванням різниці даного тиску та атмосферного за допомогою диференціального манометра; електромеханічні та механічні, зокрема поплавкові та буйкові; електричні, в яких рівень перетворюється в зміну електричного опору (кондуктометричні) або в зміну ємності (ємнісні).
Розглянемо деякі найпоширеніші типи рівнемірів, що застосовуються в промисловості.
Поплавкові рівнеміри. Принцип роботи поплавкових рівнемірів оснований на висліджуванні рівня рідини за допомогою поплавка.
Поплавок, маючи питому густину, значно меншу, ніж рідина, завжди знаходиться на її поверхні і переміщується з переміщенням вимірюваного рівня рідини. Переміщення поплавка перетворюється у вихідний сигнал відлікових пристроїв, що може здійснюватись як за допомогою звичайних механічних пристроїв, так і з перетворенням переміщення в електричний сигнал за допомогою різних вимірювальних перетворювачів.
На рис. 3 наведена принципова схема поплавкового рівнеміра з реостатним перетворювачем переміщення та логометричним вимірювальним приладом для вимірювання рівня пального в баках автомобілів та літаків. Поплавок розміщений в баку з досліджуваним рівнем і механічно зв'язаний з повзунком реостатного перетворювача Резистори служать для узгодження параметрів перетворювача та логометра для забезпечення заданого діапазону вимірювань.

Рис. 3. Схема поплавкового рівнеміра
При зміні досліджуваного рівня та відповідному переміщенні поплавка повзунок реостатного перетворювача, змінюючи співвідношення опорів у колах рамок логометра, змінює і відношення струмів, а тим самим відхилення стрілки та покази логометра.
Шкала таких рівнемірів градуюється в значеннях вимірюваного рівня або в частках максимального рівня, прийнятого за одиницю.
До переваг логометричних кіл належить незмінність показів при коливанні напруги джерела живлення та незначний вплив опору лінії.
Вторинними перетворювачами поплавкових рівнемірів можуть бути також індуктивні чи взаємоіндуктивні перетворювачі переміщень.
Буйкові рівнеміри, їх робота базується на використанні виштовхувальної сили, що діє на занурене у рідину тіло (буйок) у вигляді циліндра, довжина якого значно більша від його діаметра (рис. 4), а питома густина значно більша від питомої густини досліджуваної рідини.

Рис. 4 Структура буйкового перетворювача рівня рідини
Такий буйок механічно з'єднаний з чутливим елементом 2 вторинного перетворювача, а його переміщення обмежується за допомогою пружини 3, закріпленої одним кінцем до верхньої частини буйка, а другим до нерухомої частини перетворювача. Такий буйок, що вільно підвішений на пружині, служить масштабним перетворювачем порівняно великих змін рівня (до 10...20 м) у порівняно невеликі переміщення буйка та чутливого елемента вторинного перетворювача. Залежно від рівня рідини на буйок буде діяти підйомна сила, внаслідок чого пружина стискається, а чутливий елемент, яким може бути, наприклад, плунжер індуктивного чи взаємоіндуктивного перетворювача, переміщується, змінюючи відповідно вихідну індуктивність (повний електричний опір) чи вихідну ЕРС.
Вторинними вимірювальними приладами рівнемірів з буйковим перетворювачем можуть бути прилади типу КПД чи КСД (з компенсаційним вимірювальним колом з диференціально-трансформаторними перетворювачами).

Рис. 5. Схема буйкового рівнеміра з диференціально-трансформаторними перетворювачами
Ємнісні рівнеміри відрізняються універсальністю, високою чутливістю, простотою вимірювального кола, відсутністю рухомих елементів в зоні вимірюваного рівня. Однією з основних проблем при побудові ємнісних рівнемірів є компенсація змін відносних діелектричних сталих середовища, рівень якого вимірюють, та ?п повітря між обкладками вимірювального перетворювача в зоні, що не заповнена досліджуваним середовищем.
Література
Поліщук Є.С. Методи та засоби вимірювань неелектричних величин: Підручник. – Львів: Видавництво Державного університету „Львівська політехніка”,2000. – 360с.(ст. 230 – 249)
Тема: Вимірювання геометричних розмірів
[2], ст. 230 – 249
Мікрометри та профілометри
В контактних мікрометрах та профілометрах координати досліджуваного об'єкта попередньо перетворюються в лінійне переміщення голкоподібного щупа, а згодом в електричний сигнал за допомогою індуктивних, взаємоіндуктивних чи ємнісних перетворювачів.

Рис. 1. До принципу дії ємнісного профілометра
Рис. 1 пояснює принцип дії вимірювача малих розмірів на основі ємнісного перетворювача, який є елементом LC-контура кварцового генератора. Ємнісний перетворювач має нерухомий електрод 1, напилений на полірований скляний стержень 2, та рухомий електрод З, механічно з'єднаний з голкоподібним щупом 4, закріпленим в корпусі за допомогою плоских пружин 5. Ємнісний перетворювач за допомогою кабеля з'єднаний з кварцовим генератором, вихідна частота fx якого є функцією ємності Сх між між рухомим та нерухомим електродами. Частота fx та частота fо від опорного генератора частоти подаються на вхід змішувача, вихідна частота якого ?f=fx - fо . Виміряна частотоміром частота ?f відповідатиме значенню вимірюваного розміру. За наведеною схемою будуються мікрометри з порогом чутливості в частки мкм та діапазоном вимірювань 0,1....1 мм. Такий мікрометр може використовуватись для вимірювань параметрів шорсткуватості. Однак у цьому випадку можуть виникати значні похибки через деяку нелінійність в перетворенні реального профілю шорсткуватої поверхні в лінійне переміщення щупа. Виникають також похибки через відривання щупа в деяких точках профілю поверхні та внаслідок деформації (пружної та пластичної) досліджуваної поверхні під дією сили з боку щупа. Ці похибки визначаються зусиллям, що створюється щупом. Це зусилля загалом не є сталим і може змінюватись залежно від інерційності перетворювача, радіуса щупа, властивостей матеріалу та характеру профілю досліджуваної поверхні. В цьому відношенні перевагу має віброконтактний метод, оснований на перетворенні в електричний сигнал коливань вібруючого щупа.
Подібними за своєю конструкцією та вимірювальним колом є індуктивні мікрометри-профілометри, в яких вимірювальний щуп у своїй верхній частині має закріплений феритовий стержень, котрий при переміщенні штока змінює індуктивність вимірювальної котушки. Котушка, індуктивність Lx якої є функцією вимірюваного переміщення х, становить частотно-залежний елемент LC-генератора.
Мікрометри-профілометри з індуктивним первинним перетворювачем дають змогу вимірювати мікронерівності від 0,1 мкм, а верхня границя вимірювань становить звичайно декілька мм.
Вимірювання ліній них розмірів за допомогою ємнісного штангенциркуля
Здебільшого в приладо - та машинобудуванні необхідно вимірювати не все значення розміру, яке може досягати десятків см і більше, а лише його відхилення від деякого заданого значення, оскільки в процесі виготовлення деталі контролюється її розмір. Ці відхилення звичайно не перевищують часток мм, а отже, названі мікрометри можуть бути застосовані для цих потреб.

Рис. 2. - Ємнісний штангенциркуль та приклади його вимірювальних кіл
Для вимірювань розмірів у діапазоні часток міліметра до декількох сантиметрів застосовують штангенциркуль (рис. 2, а) з довгоходовим щупом 1 та ємнісним перетворювачем переміщень. Останній складається з циліндричних зовнішнього 2 та внутрішнього 3 електродів і екрана 4 з електропровідного матеріалу, з'єднаного механічно з вимірювальним щупом. При переміщенні екрана ємність вимірювального конденсатора буде змінюватись пропорційно вимірюваному переміщенню. Для виключення впливу довкілля на результат вимірювань передбачений компенсуючий конденсатор, ємність Ск якого дорівнює ємності вимірювального конденсатора при х=0. Приклади електричних вимірювальних кіл такого штангенциркуля наведені на рис. 2,б, в.