УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТОЛЩИНЫ ПРОВОДЯЩЕГО ПОКРЫТИЯ С НЕПОСРЕДСТВЕННЫМ ОТСЧЕТОМ Российский патент 1999 года по МПК G01B7/06 

Изобретение относится к неразрушающим методам контроля качества и геометрических размеров электромагнитным методом и может быть использовано во всех отраслях народного хозяйства, где применяются объекты с покрытиями или производится контроль покрытий.

Известно устройство для измерения толщины покрытия [1], основанное на измерении магнитного потока вихревых токов, создаваемых в покрытии или подложке с помощью генератора переменного напряжения.

Известны способ и устройство для измерения толщины тонкого металлического слоя на проводящей подложке [2] , основанные на измерении тепловых (джоулевых) потерь за счет появления вихревых токов при подводе к измеряемой металлической поверхности магнитопровода, питаемого переменным напряжением.

Известны способ и устройство для измерения толщины тонкопленочного металлического покрытия, нанесенного на проводящую подложку [3], основанные на измерении разбаланса магнитного поля незамкнутного сердечника магнитным полем вихревых токов.

Общим недостатком всех отмеченных устройств является большая погрешность измерения толщины покрытия, обусловленная нестабильностью частоты и напряжения генератора, изменением удельной электрической проводимости материалов основания и покрытия, температурной и временной нестабильностью индуктивных и емкостных элементов преобразователя.

Известно устройство [4] , которое с целью повышения точности измерения толщины покрытий содержит три преобразователя: один низкочастотный и два высокочастотных. Низкочастотный преобразователь используется для получения информации о толщине покрытия и электропроводящих свойствах основания. Первый высокочастотный преобразователь служит для получения информации об электропроводящих свойствах покрытия, второй высокочастотный преобразователь - о величине зазора между преобразователем и покрытием. Устройство позволяет исключить влияние на результат измерения электропроводящих свойств основания и покрытия. Недостатком устройства является большая погрешность из-за температурной и временной нестабильности индуктивных и емкостных элементов преобразователей.

Наиболее близким по техническим решениям к предлагаемому изображению является устройство для измерения толщины покрытий [5], содержащее преобразователь, генератор переменного напряжения, детектор и индикатор, причем вход возбуждения преобразователя соединен с выходом генератора, выход преобразователя соединен со входом детектора, а выход детектора - с индикатором.

Недостатком этого устройства является большая погрешность при измерении толщины покрытия за счет временного и температурного изменения индуктивности и емкости колебательного воздуха преобразователя и нестабильности частоты и амплитуды сигналов возбуждающего генератора.

Цель настоящего изобретения - повышение точности измерения.

Указанная цель достигается тем, что устройство для измерения толщины проводящего покрытия, содержащее преобразователь, генератор, пиковый амплитудный детектор, индикатор, дополнительно снабжено блоком управления частотой, первым блоком памяти, усилителем разбаланса, блоком управления амплитудой, блоком задания опорного уровня, аналого-цифровым преобразователем и вторым, предварительно запрограммированным, блоком памяти, причем вход возбуждения преобразователя соединен с выходом генератора, первый управляющий вход генератора соединен с выходом блока управления частотой, вход преобразователя соединен со входом пикового амплитудного детектора, выход пикового амплитудного детектора - со входом первого блока памяти и входом аналого-цифрового преобразователя, выход первого блока памяти соединен с первым входом усилителя разбаланса, второй вход которого соединен с выходом блока задания опорного уровня, выход усилителя разбаланса соединен со входом блока управления амплитудой, выход которого соединен со вторым управляющим входом генератора, цифровой выход АЦП соединен с адресным входом второго, предварительно запрограммированного, блока памяти, выход которого соединен со входом индикатора.

На фиг. 1 изображена схема устройства для измерения толщины покрытия с непосредственным отсчетом; на фиг. 2 - частотные зависимости амплитуды напряжения на колебательном контуре для разных температур; на фиг. 3 - схема и временные диаграммы напряжения на выходе пикового амплитудного детектора.

Устройство для контроля толщины покрытия с непосредственным отсчетом содержит преобразователь 1, генератор 2, блок управления частотой 3, пиковый амплитудный детектор 4, первый блок памяти 5, усилитель разбаланса 6, блок задания опорного уровня 7, блок управления амплитудой 8, аналого-цифровой преобразователь 9, второй, предварительно запрограммированный, блок памяти 10, индикатор 11, причем вход возбуждения преобразователя 1 соединен с выходом генератора 2, первый управляющий вход генератора 2 соединен с выходом блока управления частотой 3, выход преобразователя 1 соединен со входом пикового амплитудного детектора 4 - со входом первого блока памяти 5 и входом АЦП 9, выход первого блока памяти 5 соединен с первым входом усилителя разбаланса 6, второй вход которого соединен с выходом блока задания опорного уровня 7, выход усилителя разбаланса 6 соединен со входом блока управления амплитудой 8, выход которого соединен со вторым управляющим входом генератора 2, цифровой выход АЦП 9 соединен с входом второго, предварительно запрограммированного блока памяти 10, выход данных которого соединен со входом индикатора 11.

Устройство работает следующим образом:
Генератор 2 возбуждает в колебательном контуре преобразователя 1 вынужденные колебания. Амплитуда переменного напряжения на контуре определяется его добротностью и отклонением частоты генератора f_г от резонансной частоты

В известном устройстве [5] частота генератора f_г постоянна и выбирается равной резонансной частоте колебательного контура f₀. Однако, вследствие временных и температурных изменений f_г, индуктивности L и емкости C контура преобразователя происходит взаимное смещение частот f_г и f₀. Это приводит к уменьшению амплитуды переменного напряжения на контуре. А так как о толщине измеряемого покрытия судят по уменьшению добротности колебательного контура преобразователя, то уменьшение амплитуды воспринимается как увеличение толщины покрытия. То есть в результат измерения толщины покрытия вносится погрешность.

При добротности резонансного контура преобразователя Q = 50 и средней резонансной частоте f₀ = 80 кГц ширина его резонансной характеристики составит 1,6 кГц, то есть при отклонении частоты генератора f_г на ± 0,8 кГц амплитуда напряжения на контуре уменьшится на 50% от максимума, имеющего место при f_г = f₀. Для поддержания постоянства амплитуды на контуре с точностью ±0,5% отклонение частоты генератора f_г от резонансной частоты f₀ не должно превышать ± 96 Гц, что составляет ± 0,12%.

К такому же результату приводят временные и температурные изменения индуктивности L и емкости C. Выполнение условия поддержания постоянства амплитуды напряжения на колебательном контуре с точностью ± 0,5%, требует, чтобы отклонения L и C не превышали ± 0,05%. В широком диапазоне рабочих температур такие требования обеспечить невозможно. Применение прецизионных элементов позволяет в диапазоне температур от -30 до 50^oC обеспечить стабильность L и C в пределах ± 0,08% и ± 0,4% соответственно. Минимальное значение TKL для катушек с сердечниками составляет ± 10 • 10^-6, минимальное значение TKE составляет ± 50 • 10^-6 [6]). При таких параметрах среднее расхождение f_г и f₀ в отмеченном диапазоне температур составляет

где Δf_г - частотное расхождение, обусловленное нестабильностью частоты генератора. Для генераторов без кварцевого резонатора стабильность частоты δf не лучше, чем 1 • 10^-5 Это дает в диапазоне температур Δf = 64 Гц [6].

Δf_L - частотное расхождение, обусловленное температурными изменениями индуктивности L₀. В рабочем диапазоне температур δL = ± 0,08%, что дает 0,27% или Δf_L = 211 Гц.

Δf_C - частотное расхождение, обусловленное температурными изменениями емкости C. В рабочем диапазоне температур δC = ± 0,4%, что дает Δf_C = 504 Гц. Полное частотное расхождение составит 550 Гц.

Такое отклонение частот питания и резонанса приведет к уменьшению амплитуды напряжения на контуре на 5,3%.

Следовательно, в рабочем диапазоне температур в измерение амплитуды напряжения на контуре вносится погрешность ± 2,6%.

В предлагаемом устройстве частота генератора принудительно изменяется от f_min до f_max, причем


где f₀ - резонансная частота колебательного контура в середине рабочего диапазона температур и центральная частота генератора;
ΔL = δL•L_o - максимальное отклонение индуктивности в рабочем диапазоне температур;
ΔC = δC•C_o - максимальное отклонение емкости в рабочем диапазоне температур.

В этом случае частоте генератора всегда будет проходить через резонанс колебательного контура преобразователя и амплитуда напряжения на контуре будет изменяться в соответствии с фиг. 2.

В середине рабочего диапазона температур амплитуда напряжения на контуре будет иметь максимум U0max

При температурных изменениях L и C резонансная частота контура изменится, но за счет сканирования частотой генератора резонанс будет вновь обнаружен, только на другой частоте, например на f₁ (кривая 2). Амплитуда напряжения на контуре при новом резонансе U1max

Отсюда относительное изменение добротности Q вследствие изменений L и C можно выразить как

где относительное изменение добротности из-за флуктуаций индуктивности L;
- относительное изменение добротности Q из-за флуктуаций емкости L.

При отмеченных значениях δL = 0,08% и δC = 0,4% получим δQ_L = 0,04% и δQ_C = 0,2%, что дает δQ = 0,204%. Следовательно U1max

В предлагаемом устройстве измеряется напряжение на выходе пикового амплитудного детектора 4, равное U_max в каждом цикле сканирования по частоте. Следовательно предложенное устройство обладает на порядок меньшей погрешностью (0,204% по сравнению с 2,6%), связанной с температурными и временными изменениями f_г, L и C, по сравнению с прототипом.

Другой источник погрешностей - изменений выходного напряжения генератора 2, приводящее к изменению U_max в каждом цикле сканирования. Для устранения этой погрешности служит цепь, состоящая из первого блока памяти 5 с длительным временем запоминания (например, аналоговое запоминающее устройство с большой постоянной времени), блока задания опорного уровня 7, усилителя разбаланса 6, блока управления амплитудой генератора 8.

Цепь работает следующим образом.

Изменение выходного напряжения генератора 2, скорость которых определяется скоростью температурных изменений окружающей среды и скоростью изменения температуры измерительного преобразователя, вызванной изменением температуры окружающей среды, создают медленные (с постоянной времени более 1 минуты) изменения амплитуды напряжения на контуре преобразователя 1 при резонансе (U_max). Вследствие этого напряжение на выходе пикового амплитудного детектора 4 также будет медленно изменяться. Аналоговый блок памяти 5 имеет большую постоянную времени и на его выходе выделится только медленная составляющая изменений амплитуды напряжения на контуре. Это приведет к появлению разности напряжений между входами усилителя разбаланса 6. Величина опорного напряжения на выходе блока задания опорного уровня 7 выбирается таким образом, чтобы амплитуды переменного напряжения, снимаемого с контура преобразователя 1 и подаваемого на вход пикового амплитудного детектора 4 не превышала максимума рабочего участка входной характеристики детектора.

Эта разность усиливается усилителем разбаланса 6 и поступает на блок управления амплитудой генератора 8, который уменьшит (например, за счет уменьшения напряжения питания генератора 2) выходное напряжение генератора до первоначального значения. Таким образом, амплитуда выходного напряжения генератора 2 поддерживается постоянной и независимой от изменения рабочей температуры.

Напряжение на выходе пикового амплитудного детектора 4 содержит как быструю составляющую (информационную), так и медленную (температурную). Пиковый амплитудный детектор 4 представляет собой устройство, имеющее разные времена заряда и разряда. На фиг. 3,а приведена одна из возможных схем пикового детектора. Входное переменное напряжение поступает на накопитель (конденсатор C) через диод VD1. Конденсатор C заряжается через сопротивление, состоящее из R_q (открытого) и R_Вн источника сигнала. Источник сигнала (усилитель, передающий напряжение с контура преобразователя) имеет малое внутреннее сопротивление, диод VDI в прямом направлении также имеет малое сопротивление. Поэтому время заряда конденсатора C мало и за время действия входного сигнала он заряжается до амплитудного значения. Когда амплитуда напряжения на контуре начинает уменьшаться (при переходе через резонанс), то разность напряжений между U_C и входным сигналом становится отрицательной и диод VDI закрывается. После этого момента диод VDI начинает разряжаться. Но разряд проходит через сопротивление, состоящее из параллельно включенных: обратного сопротивления диода VDI, резистора R, утечки конденсатора R_ут и входного сопротивления следующего каскада R_вх. Все эти сопротивления имеют большую величину, что обеспечивает постоянную времени разряда 1 мин и более. Для подготовки детектора к следующему циклу измерения конденсатор C разряжается с помощью ключа K, которые замыкаются в конце цикла сканирования по частоте (момент t₂ фиг. 3,б), что не вносит каких-либо погрешностей в измерение амплитуды.

Быстрые изменения напряжения на выходе пикового амплитудного детектора 4, связанные с процессом измерения и происходящие при установке измерительного преобразователя на контролируемый объект и имеющие постоянную времени порядка Ic при полном времени измерения 5с, поступают на вход аналого-цифрового преобразователя 9. На его цифровом выходе формируется цифровой код, соответствующий изменению напряжения на контуре в момент резонанса U_max покрытием.

Функциональная зависимость между U_max и толщиной покрытия нелинейная. Поэтому непосредственный вывод на индикатор 11 значения U_max требует перевода зарегистрированного значения U_max в единицы толщины покрытия (например, микроны).

Такая операция перевода выполняется по градуировочному графику и вносит дополнительную погрешность. Для исключения погрешности операции перевода относительных показаний в единицы толщины покрытия в предлагаемом устройстве цифровой код U_max с выхода аналого-цифрового преобразователя 9 поступает на адресный вход второго (цифрового) блока памяти 10. В этот блок памяти предварительно заносится снятая по набору достаточного большого числа эталонных образцов зависимость между U_max и толщиной покрытий. Причем при программировании значения толщины покрытия даются на вход данных, а при работе значения U_max поступают на адресный вход, выбирая ячейку памяти, в которой записано соответствующее данному U_max значение толщины покрытия. Это значение толщины покрытия индицируется индикатором 11.

Таким образом, данное устройство позволяет уменьшить погрешность измерения толщины покрытия за счет возбуждения колебательного контура преобразователя напряжением изменяющейся частоты, стабилизации с большой постоянной времени выходного напряжения пикового амплитудного детектора и автоматического перевода максимальной амплитуды напряжения на контуре в единицы толщины покрытия с помощью предварительно запрограммированного блока памяти.

Использованные источники информации
1. А.с. N 1186936, 23.10.85, G 01 B 7/06.

2. Заявка Франции N 2572175, 25.04.86, G 01 B 7/06.

3. Заявка ЕПВ N 0179720, 30.04.86, G 01 B 7/10, 7/02.

4. А.с. N 932206, 30.05.82, G 01 B 7/06, G 01 N 27/90.

5. Заявка ЕПВ N 0178916, 23.04.86, G 01 B 7/06.

6. Г.Д. Фрумкин. Расчет и конструирование радиоэлектронной аппаратуры. - М.: Высшая школа, 1985.

Изобретение относится к неразрушающим методам контроля качества и геометрических размеров изделий и может быть использовано для измерения толщины проводящих покрытий. Устройство имеет генератор, резонансный вихретоковый преобразователь (ВТП), цифровой блок памяти, аналого-цифровой преобразователь и индикатор. Благодаря введению в устройство блока управления частотой генератора обеспечивается компенсация уменьшения амплитуды выходного сигнала ВТП вследствие временных и температурных изменений добротности резонансного контура. В устройство также введены аналоговый блок памяти, блок задания опорного уровня, усилитель разбаланса и блок управления амплитудой генератора, что позволяет компенсировать изменение питающего напряжения. 3 ил.

Устройство для измерения толщины проводящего покрытия с непосредственным отсчетом, содержащее преобразователь, генератор, пиковый амплитудный детектор и индикатор, отличающееся тем, что оно дополнительно снабжено блоком управления частотой, первым блоком памяти, усилителем разбаланса, блоком задания опорного уровня, блоком управления амплитудой, аналого-цифровым преобразователем и вторым, предварительно запрограммированным, блоком памяти, причем вход возбуждения преобразователя соединен с выходом генератора, первый управляющий вход генератора соединен с выходом блока управления частотой, выход преобразователя соединен со входом пикового амплитудного детектора, выход пикового амплитудного детектора - с входом первого блока памяти и входом аналого-цифрового преобразователя, выход первого блока памяти соединен с первым входом усилителя разбаланса, второй вход которого соединен с выходом блока задания опорного уровня, выход усилителя разбаланса соединен с вторым управляющим входом генератора, цифровой выход аналого-цифрового преобразователя соединен с адресным входом второго, предварительно запрограммированного, блока памяти, выход данных которого соединен с входом индикатора.