СПОСОБ КОНТРОЛЯ ТОЛЩИНЫ ГАЛЬВАНОПОКРЫТИЯ В ПРОЦЕССЕ ОСАЖДЕНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1996 года по МПК G01B7/06 

Изобретение относится к гальванотехнике и может быть использовано для контроля толщины покрытия деталей в процессе электроосаждения материала покрытия в гальванической ванне.

Известен способ определения толщины слоя металла, осаждаемого в гальванической ванне, с использованием калиброванных по толщине платинированных пластин свидетелей, которые партией из нескольких штук завешиваются в раствор параллельно с изделием и последующим извлечением их через интервалы для измерения слоя. Указанный способ, разработанный опытным путем в процессе развития гальванотехники, в данное время не обеспечивает достаточную точность контроля в связи с возрастающими требованиями к допускам покрытий.

Повышение точности измерений достигалось созданием стационарных дорогостоящих устройств или установок со сложной схемой, включающей УВМ, ЭВМ, индуктивные преобразователи с вспомогательной аппаратурой и др. элементы [1]
Использование перечисленных устройств с включением в схему сложных стандартных, электронных приборов в жестких цеховых условиях потребует надежной их защиты от перегретого, переувлажненного с примесями паров агрессивных веществ воздуха, потребует для обслуживания такой аппаратуры специалистов высокой квалификации и высокой культуры производства.

Известен способ контроля толщины гальванопокрытий в процессе осаждения, согласно которому в раствор ванны рядом с изделием, предназначенным для покрытия, опускают измерительный электрод, балансируют массу электрода, и в качестве информативного параметра, по которому судят о толщине нарастающего покрытия, используют ток в цепи измерительного прибора, который пропорционален весу материала, осаждаемого на электрод [2]
Размеры электрода определяют путем соотношения площадей продольного, вертикального сечения ванны поверхности и конфигурации изделия.

Устройство, реализующее способ, содержит источник питания с катодом, весоизмерительный механизм с коромыслом, соединенным с катодной шиной ванны, к которому присоединены цилиндрическая пружина и подвес с измерительным электродом, фотоэлектрическое компенсационное уравновешивающее устройство с магнитоэлектрическим корректором нуля и индикатором толщины покрытия [2] Основными измерительными элементами весоизмерительного устройства рассматриваемого прототипа, являются электромагнитны, создающие упругие электромагнитные поля, и цилиндрическая регулировочная пружина, корректирующая силу упругости магнитного поля. Взаимодействия различных сил в весоизмерительном устройстве при измерении массы исключают возможность измерять массу прямолинейно. Такое весоизмерительное устройство тарируется на измерение только заданной конечной величины массы слоя покрытия.

Электрическая схема рассматриваемого прототипа содержит три не связанных между собой источника постоянного тока, от стабильной работы каждого из которых в значительной степени зависит величина погрешности показаний прибора. Использование в схеме фотосопротивлений, чувствительных к изменениям температуры, в одном патроне с нагревающейся осветительной лампой может повлиять на точность измерений.

Действия устройства-прототипа классифицируются, как действия пассивного контроля, требующие присутствия оператора, который должен отреагировать на информативный параметр фотоэлектрического устройства об окончании процесса покрытия выключением катодного тока гальванической ванны.

Прототип не может использоваться в ваннах, покрываемых во время работы крышкой или с принудительным перемешиванием раствора, или с движущимся катодом, так как силы потока раствора, действующие на измерительный электрод, могут оказаться больше величины информативного параметра контролируемого слоя покрытия.

Задачей изобретения является создание такого способа и устройства для активного контроля и измерения толщины гальванопокрытий в процессе осаждения, которые являясь простыми и надежными, обеспечивали бы высокую точность измерений толщины слоя гальванопокрытий всех используемых в гальванотехнике металлов в жестких цеховых условиях гальванического производства.

Для этого в способе контроля и измерения толщины гальванопокрытий в процессе осаждения, заключающемся в том, что в раствор ванны опускают измерительный электрод, балансируют массу электрода и определяют информативный параметр, по которому судят о толщине нарастающего покрытия, согласно изобретению в качестве информативного параметра используют массу осаждаемого покрытия на измерительном электроде, поверхность которого откалибрована по площади кратно единице ее измерения в см², при этом массу покрытия измеряют взвешиванием непрерывно в процессе осаждения, используя взвешивающий механизм со спиральной моментной пружиной.

В устройстве, реализующем заявленный способ, содержащем корпус, весоизмерительный механизм с измерительной пружиной и коромыслом, к которому присоединен подвес с измерительным электродом, средство подключения электрода к катодной шине ванны, узел балансировки коромысла и индикатор толщины покрытия, согласно изобретению измерительная пружина выполнена в виде закрепленной на оси спиральной моментной пружины, узел балансировки выполнен в виде спиральной моментной пружины с противоположной навивкой, установленной на одной оси с измерительной пружиной и связанной через поводок и клемму с катодной шиной ванны, устройство дополнительно содержит узел автоматического дискретного подкручивания спиральной пружины на заданный угол поворота, выполненный в виде электродвигателя, связанного через поводок с внешним концом спиральной пружины и измерительной стрелкой, и систему управления электродвигателем, включающую в себя первую оптопару регистрации нулевого положения и вторую оптопару окончания дискрета, установленные в корпусе с возможностью взаимодействия с коромыслом, а также третью оптопару, установленную подвижно относительно шкалы индикатора с возможностью взаимодействия с измерительной стрелкой, причем каждая оптопара последовательно соединена с триггером и реле, автономный источник питания, параллельно запитывающий оптопары, триггеры и реле, и блок управления электродвигателем, к входам которого присоединены выходы реле первой и второй оптопар, при этом выход реле третьей оптопары присоединен ко второму входу реле первой оптопары, а реле первой оптопары имеет выход для присоединения к исполнительному органу.

Принцип работы предлагаемого устройства заключается в уравновешивании массы осаждаемого металла на поверхности откалиброванного по площади в см² измерительного электрода в процессе гальванопокрытия, с силой натяжения измерительной пружины, возникшей при ее подкручивании. Угол подкручивания, сила натяжения измерительной пружины, уравновешенная масса слоя осажденного металла на измерительном электроде эквивалентны, поэтому измерительная стрелка показывает на шкале индикатора угол подкручивания, отградуированный в единицах массы.

Использование в весоизмерительном механизме узла дискретного подкручивания спиральной пружины, синхронно работающего со скоростью нарастающей массы осаждаемого металла на измерительном электроде, обеспечивает возможность измерять толщину слоя в динамике, от начала гальванопокрытия, что значительно расширяет технико-эксплуатационные возможности предлагаемого устройства.

Измерение слоя металла в динамике производится визуально по шкале индикатора, а контроль заданной величины покрытия выполняется автоматически при совмещении измерительной стрелки со шторкой и оптопарой комплекса А3, возникший при этом электросигнал поступает в исполнительный орган, который через тумблер выдает команду на средство управления автоматикой в цепи гальванопокрытия для реагирования.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображена принципиальная схема активно действующего устройства для измерения толщины слоя гальванопокрытий в процессе осаждения, на фиг. 2 блок-схема устройства, на фиг. 3 циклограмма работы узлов устройства, на фиг. 4 диаграмма-графики измерений.

Устройство содержит весоизмерительный механизм, выполненный в виде оси 1, на которой жестко закреплены внутренний конец измерительной пружины, выполненной в виде спиральной моментной пружины 2, коромысло со шторкой 3, магнитный успокоитель 4, закрепленный на подвесе измерительный электрод 5 и контрольная стрелка 6. Измерительная стрелка 7 со шторкой 8 жестко скреплена с внешним концом пружины 2. Установку контрольной стрелки 6 на нуль обеспечивает узел балансировки со спиральной моментной пружиной 9 с противоположной навивкой, закрепленной внутренним концом на оси 2. Внешним концом пружина 9 прикреплена к рукоятке с поводком 10 узла балансировки.

Плоские спиральные пружины 2 и 9 конструктивно отличаются одна от другой диаметром, количеством витков, сечением стальной пружинной ленты и выбираются таким образом, чтобы их частотные характеристики взаимно гасили резонансные колебания и вибрации механизма.

Характеристики спиральных пружин теоретически прямолинейные, в действительности пружины стабильнее работают с заданными начальными усилиями, поэтому пружины 2 и 9, жестко крепящиеся на оси 1, в нормальном положении монтируются с диаметрально направленными моментами сил. Омедненные пружины являются надежными, эластичными проводниками катодного тока.

Узел автоматического дискретного подкручивания пружины на заданный угол поворота содержит электродвигатель 11, связанный с осью 12 узла подкручивания спиральной пружины 2, угловой передачей с фрикционной муфтой 13 и поводком 14, жестко связанным с внешним концом спиральной пружины 2. Рукоятка 15, жестко соединенная с осью 12, предназначена для ручного подкручивания пружины 2. Отсчет показаний производится по линейной шкале индикатора 16 с ценой деления 1 мг.

Система управления электродвигателем 11 включает в себя комплексы А1, А2 и А3. Указанные комплексы образованы последовательно соединенными элементами, из которых исходным элементов является оптопара (светодиод, фотодиод), далее, триггер с усилителем, на входе цепочки реле. На фиг. 2 все элементы указанных комплексов имеют свои цифровые обозначения: оптопара, триггер и реле комплекса А1 обозначены позициями 17, 18, 19 соответственно, комплекса А2 позициями 20, 21, 22, комплекса А3 позициями 23, 24, 25. Направления электрического сигнала между элементами показаны стрелкой. Реле 19 комплекса А1 имеет две контактные группы К1 и К2.

Комплексы А1 и А2 смонтированы в корпусе 26 устройства с возможностью взаимодействия с коромыслом 3, а комплекс А3 смонтирован на установочном кольце 27 устройства с возможностью взаимодействия с измерительной стрелкой 7. Автономный источник питания 28 параллельно записывает комплексы А1, А2, А3, блок 29 управления электродвигателем и исполнительный орган 30. Выходы реле 19 и 22 комплексов А1 и А2 присоединены к входам блока управления 29, выход реле 25 комплекса А3 присоединен ко второму входу реле 19 комплекса А1, а второй выход реле 19 присоединен к входу исполнительного органа 30, включающему в себя звуковую и световую сигнализации, клеммную группу для подключения средства автоматизации системы управления в технологической цепи гальванопокрытия (на рисунках не обозначены) и тумблер S.

Блок управления 29 изготовлен по принципам, известным в электротехнике, его устройство не требует особых пояснений.

Коромысло 3 с измерительным электродом 5 соединено с катодной шиной ванны 31 через спиральную пружину 9 и клемму 32. В корпус устройства 26 вмонтирован штуцер 33 для подвода чистого воздуха, с целью обеспечения воздушного подпора внутри корпуса, для защиты от попадания в него летучих агрессивных веществ, находящихся в атмосфере гальванического цеха. Позицией 34 обозначена пусковая кнопка блока питания.

Для проведения измерений в гальванической ванне со спокойным режимом осаждения устройство крепится в удобном для работы месте над поверхностью раствора, в который погружается измерительный электрод 5. Если ванна покрыта крышкой, процесс осаждения металла бурно протекающий, тогда к устройству прикрепляется соединенная шлангами с основной гальванической ванной малогабаритная проточная ванна с общими параметрами плотности катодного тока и раствора, в который погружается измерительный электрод устройства. Для устранения возможной погрешности измерений в методику измерений вводят экспериментально выведенный поправочный коэффициент.

Основными показателями, определяющими эксплуатационную характеристику предлагаемого контрольно-измерительного устройства, являются: цена деления шкалы индикатора 1 мг, диапазон измерений толщины осаждаемого слоя металла - от долей мкм до нескольких мм, предел измерений от нуля до 500 мг, погрешность на всем диапазоне измерений не более ±1 мг.

Способ активного контроля измерения толщины гальванопокрытий в процессе осаждения осуществляется следующим образом.

В раствор гальванической ванны 31 параллельно с изделием или автономно опускают измерительный электрод 5, откалиброванный по площади, кратно единице ее измерения в см². Площадь электрода может быть 1.5. см². Массу электрода 5 балансируют пружиной 9, до установления стрелки 6 на нулевое положение. Под действием тока, протекающего через ванну 31, на электроде 5 осаждается металлический слой. В качестве информативного параметра, по которому судят о толщине нарастающего слоя покрытия, используют массу покрытия, которую измеряют напрямую взвешиванием измерительного электрода 5, непрерывно в процессе осаждения, используя весоизмерительный механизм со спиральной моментной пружиной 2, стрелкой 7 и шкалой индикатора 16. Зная плотность ρ осаждаемого металла и его массу m легко определить толщину слоя покрытия h по формуле

S площадь измерительного электрода в см².

Устройство работает следующим образом.

Погруженный в раствор ванны 31 измерительный электрод 5, через токопроводящую подвеску, коромысло 3, и балансировочную пружину 9 соединен с клеммой 32, которая через гибкий электрошланг присоединяется к катодной шине ванны 31.

Перед началом работы, рукояткой 15 через ось 12, фрикционную муфту и поводок 14, к которому жестко крепится отсчетная измерительная стрелка 7 и внешний конец спиральной моментной пружины 2, устанавливают на шкале индикатора 16 нулевое положение стрелки 7.

Погруженный в раствор измерительный электрод 5, через коромысло 3 и ось 1 уравновешивают спиральной пружиной 9 до совмещения контрольной стрелки 6 с отметкой нуля на корпусе 26 (индикация нуля уравновешивание весоизмерительной системы механизма).

Совмещение измерительной стрелки 7 и контрольной стрелки 6 с нулевыми отметками соответственно на шкале индикатора 16 и на корпусе 26 является исходным положением весоизмерительного механизма.

Оптопара 17 комплекса А1 жестко прикреплена к корпусу 26, взаимодействует со шторкой коромысла 3 в положении нуля стрелки 6, таким образом, комплекс А1 с элементами 17, 18, 19 в автоматическом режиме работы выполняет функцию нуля.

Оптопара 20 комплекса А2 ограничивает поворот коромысла 3 в пределах от 20' до максимального угла поворота, угла α, равного 2^o. Крепится оптопара 20 на корпусе 26 подвижно с возможностью фиксации ее в положении выбранного угла поворота коромысла 3.

Оптопара 23 комплекса А3 жестко крепится к установочному кольцу 27, при помощи которого устанавливается по шкале 16 индикатора на заданную конечную величину массы слоя покрытия эквивалент заданной толщины слоя осаждаемого металла в мкм.

Нажатием пусковой кнопки 34 подключается электросеть к источнику питания 28 и одновременно включается цепь питания гальванической ванны 31.

В исходном положении обе стрелки 6 и 7 совмещаются одна с нуль-индикатором на корпусе 26, другая с нулем на шкале индикатора 16, шторка коромысла 3 жестко соединенная с осью 1 и контрольной стрелкой 6 взаимодействуют с оптопарой 17 комплекса А1. При включении питания импульс электросигнала, от взаимодействия с оптопарой 17 поступает в блок триггера с усилителем 18, затем в блок реле 19, далее через контактную группу К1 реле 19 и блок управления ЭД 29, включает электродвигатель 11. Электродвигатель 11, через угловую передачу с фрикционной муфтой 13, ось 12, к которой жестко крепятся поводок 14, измерительная стрелка 7 и конец верхнего витка спиральной пружины 2, производит подкручивание пружины 2, возникающая при этом сила натяжения нижним витком пружины 2 поворачивает ось 1 с коромыслом 3 до взаимодействия шторки коромысла 3 с оптопарой 20 комплекса А2, которая определяет угол поворота коромысла 3 в пределах от 20' до 2^o. Взаимодействие шторки коромысла 3 с оптопарой 20 комплекса А2 вызывает электросигнал, который поступает через триггер с усилителем 23 и реле 24 в блок управления ЭД 29, где разрывается цепь питания электродвигателя 11.

Оптопара 23 комплекса А3, жестко соединенная с установочным кольцом 27, способна перемещаться по шкале 16 с возможностью взаимодействия со шторкой 8 измерительной стрелки 7. Оптопара 23 устанавливается по шкале 16 на заданную
конечную величину массы слоя осаждаемого металла.

В конце процесса гальванопокрытия, масса слоя на электроде 5 уравновешивается с силой натяжения измерительной спиральной пружины 2, при этом шторка коромысла 3 взаимодействует с оптопарой 17 комплекса А1, что соответствует положению нуля уравновешенному положению весоизмерительного механизма, а шторка 8 измерительной стрелки 7 взаимодействует с оптопарой 23, в результате чего возникший электросигнал, который попадает в блок триггера с усилителем 24 и блок реле 25 комплекса А3, откуда поступает в блок реле 19 комплекса А1, где реле 19 своей контактной группой К2 соединяется с цепью исполнительного органа 30, разъединив при этом цепь, связывающую реле 19 с блоком управления ЭД 29. Электросигнал, поступающий из оптопары 17, через триггер с усилителем 18 и контактную группу К2 реле 19, включает исполнительный орган 30, срабатывает звуковая и световая сигнализации и через тумблер S электросигнал поступает в средство автоматизации управления в цепи гальванопокрытия.

Работа предлагаемого устройства в автоматическом режиме представлена на циклограмме фиг. 3. Диаграмма (графики измерений) представлена на фиг. 4.

Выраженные на циклограмме фиг. 3 А1, К1, ЭД и А2 обозначают начало и завершение действий одного цикла (дискрета), сводящееся к подкручиванию спиральной пружины 2 на заданный угол поворота коромысла 3, с последующим уравновешиванием возникшей силы натяжения спиральной пружины 2, массой слоя металла, осаждаемого на измерительном электроде 5 в растворе ванны 31.

Измерительная стрелка 7 перемещается по шкале индикатора 16 в отличие от циклических возвратно-поступательных движений коромысла 3 только в одном направлении, в направлении увеличения массы по шкале индикатора 16. Количество импульсов зависит от величины массы по шкале индикатора 16. Количество импульсов зависит от величины массы заданного слоя покрытия, которая отмечается на шкале размещением комплекса А3. Взаимодействие шторки 8 измерительной стpелки 7 с комплексом А3 вызывает электросигнал, который через контактную группу К2 перебрасывают выход реле 19, цепи блока управления ЭД-29 на вход исполнительного органа 30, таким образом, при уравновешивании массы слоя и открытия на измерительном электроде 5 с силой натяжения спиральной пружиной 2, возникающий электросигнал в комплексе А1 включает исполнительный орган 30.

На предлагаемой диаграмме фиг. 4 изображены две пропорциональные линии ординат, развернутая шкала индикатора 16, выраженная массой М в мг и v - угол поворота спиральной пружины 2, выраженный в градусах, а также линия абсцисс t_мин время, процесс гальванопокрытия в минутах.

Диаграмма графически отображает метод автоматического измерения толщины осаждаемого слоя металла дискретно, от начала покрытия.

На диаграмме точками 35, 36 и линией 37 показаны элементы графического изображения дискретного измерения осаждаемого слоя металла в динамике. Точка 35 уравновешенное положение силы натяжения спиральной пружины 2 и массы слоя на электроде 5, а также начало цикла подкручивания спиральной пружины 2. Точка 36 окончание цикла дискрета (окончание подкручивания спиральной пружины). Линия 37 связывающая отрезки прямых линий, образованных равновесным положением, изображает динамику покрытия.

Измерения с использованием ручного управления устройства производят, если требуется более точно, относительно дискреты, произвести измерение слоя, не прерывая при этом процессы гальванопокрытия.

Использование измерений с ручным управлением найдет широкое применение в химических лабораториях гальванотехнических производств, определяя работоспособность составленных растворов и восстанавливаемых реагентами, отработавших срок. Методика измерений, проводимых в автоматическом и ручном режимах, практически идентична и отличается лишь отключением электродвигателя 11 (совмещением измерительной стрелки 7 с оптопарой 23, которые имеют возможность в этом положении фиксироваться) и отключением выхода исполнительного органа 30, тумблером S.

При повторных измерениях, измерительный электрод 5 не извлекается из раствора, а исходным положением нулевым, условно считается сбалансированная масса измерительного электрода, от которой по шкале индикатора производят отсчет массы измеряемого слоя металла.

Действующая модель предлагаемого устройства прошла лабораторные испытания. Испытания завершились положительно, на что составлен акт.

Габаритные размеры, мм 260х180х80
Масса, кг не более 4,5
Мощность Вт 0,2л

Сущность изобретения: устройство содержит весоизмерительный механизм с коромыслом 3, к которому присоединен подвес с измерительным электродом 5, размеры которого откалиброваны по площади кратно единице ее измерения в см², средство 32 подключения электрода к катодной шине ванны 31, пружинный элемент 2, механизм балансировки коромысла 10 и индикатор толщины покрытия 16. Пружинный элемент 2 выполнен в виде закрепленной на оси спиральной моментной пружины. Устройство дополнительно содержит узел автоматического дискретного подкручивания спиральной пружины 2 на заданный угол поворота, выполненный в виде электродвигателя 11, связанного через поводок 14 с внешним концом спиральной пружины 2 и измерительной стрелкой 7, и систему управления электродвигателем 29, включающую в себя первый комплекс А1, регистрирующий нулевое положение, и второй комплекс А2 окончания дискрета, установленный с возможностью взаимодействия с коромыслом 3, а также третий комплекс А3, управляющий электродвигателем 11 и установленный с возможностью взаимодействия с измерительной стрелкой 7, причем каждый комплекс выполнен в виде последовательно соединенных оптопар (светодиод, фотодиод) с триггером и реле, подключенных к автономному источнику питания 28, и блок управления электродвигателем 29, к входу которого присоединены выходы комплексов А1 и А2, при этом выход комплекса А3 присоединен ко второму входу реле первого комплекса А1, а второй выход последнего - к входу исполнительного органа 30, с звуковой и световой сигнализацией, клеммную группу для подключения средства автоматизации системы управления в технологической цепи гальванопокрытия и тумблер S. Измерительный механизм устройства снабжен магнитным успокоителем 4, а с целью увеличения долговечности через шланг и вмонтированный в корпус 26 штуцер 33 подается чистый воздух для образования воздушного подпора внутри. Устройство может быть управляемо вручную оператором или работать в автоматическом режиме. 2 с.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ контроля толщины гальванопокрытий в процессе осаждения, заключающийся в том, что в раствор ванны опускают измерительный электрод, балансируют массу электрода и определяют информативный параметр, по которому судят о толщине нарастающего покрытия, отличающийся тем, что в качестве информативного параметра используют массу осаждаемого покрытия на измерительном электроде, откалиброванном по площади кратно единице ее измерения в см², при этом массу покрытия измеряют взвешиванием измерительного электрода непрерывно в процессе осаждения, используя взвешивающий механизм со спиральной моментной пружиной. 2. Устройство для контроля толщины гальванопокрытий в процессе осаждения, содержащее корпус, весоизмерительный механизм с измерительной пружиной и коромыслом, к которому присоединен подвес с измерительным электродом, средство подключения электрода к катодной шине ванны, узел балансировки коромысла и индикатор толщины покрытия, отличающееся тем, что измерительная пружина выполнена в виде закрепленной на оси спиральной моментной пружины с противоположной навивкой, установленной на одной оси с измерительной пружиной и связанной через поводок и клемму с катодной шиной ванны, устройство дополнительно содержит узел автоматического дискретного подкручивания измерительной пружины на заданный угол поворота, выполненный в виде электродвигателя, связанного через поводок с внешним концом спиральной пружины и измерительной стрелкой, и систему управления электродвигателем, включающую в себя первую оптопару регистрации нулевого положения и вторую оптопару окончания дискрета, установленные в корпусе с возможностью взаимодействия с коромыслом, а также третью оптопару, установленную подвижно относительно шкалы индикатора с возможностью взаимодействия с измерительной стрелкой, причем каждая оптопара последовательно соединена с триггером и реле, автономный источник питания, параллельно запитывающий оптопары, триггеры и реле, и блок управления электродвигателем, к входам которого присоединены выходы реле первой и второй оптопар, при этом выход реле третьей оптопары присоединен к второму входу реле первой оптопары, а реле первой оптопары имеет второй выход для присоединения к исполнительному органу.