ИЗМЕРИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 1999 года по МПК G01B7/06 

Изобретение относится к измерительной технике, а более конкретно к методам и техническим средствам для контроля толщины твердых и полутвердых защитных покрытий, изоляционных слоев, жировых отложений, смазочных и лакокрасочных пленок на электропроводящей, в частности, металлической основе.

Известно измерительное устройство (Серединин В.И. Контроль перемещений при высоких температурах. М.: Энергия, 1967, с. 53-57), которое содержит емкостный преобразователь, выполненный в виде двух щупов, и соединенный с преобразователем канал измерения, выполненный в виде последовательно соединенных комплексного высокочастотного моста, усилителя, амплитудно-фазового детектора и индикатора.

Это устройство исключает как возможность проведения контактной толщинометрии нетвердых объектов, так и возможность контроля средне-интегрального значения толщины неэлектропроводящих покрытий на электропроводящих основаниях.

Наиболее близким к предлагаемому объекту является измерительное устройство, защищенное А.С. СССР N 741034, МКИ G 01 B 7/08.

Это устройство, принимаемое в качестве прототипа заявляемого технического решения, содержит емкостный преобразователь и связанный с ним канал измерения в виде последовательно соединенных комплексного высокочастотного моста, усилителя, амплитудно-фазового детектора и индикатора, причем один из щупов емкостного преобразователя выполнен плоскостно распределенным в виде диамагнитного цилиндра, на основание которого натянута полимерная пленка с металлизированным покрытием, на противоположном конце цилиндра закреплена крышка-штуцер, полость цилиндра разделена тарельчатой диафрагмой, положение которой регулируется винтом-толкателем, установленным в крышке и контактирующим с ней через упругий элемент, а в полость цилиндра между полимерной пленкой и диафрагмой введена тонкая суспензия.

Наряду с преимуществами указанного устройства-прототипа, состоящими в его способности оперативного определения среднеинтегрального значения толщины неравномерных неэлектропроводящих пленочных и защитных покрытий на полупроводящих и электропроводных основаниях, известному устройству-прототипу присущи и серьезные недостатки, которые весьма ограничивают его функционально-оперативные возможности и, соответственно, регламентируют область эффективного практического использования известного устройства.

Так, конструкция упомянутого устройства-прототипа исключает возможность его применения для определения среднеинтегрального значения толщины защитных покрытий на металлических (электропроводящих) поверхностях конструкций, имеющих вертикальное (стеновое), наклонное или потолочное расположение.

Предлагаемое техническое решение позволяет устранить соответствующие функционально-эксплуатационные ограничения, присущие известному устройству, расширив область среднеинтегральной оперативной толщинометрии неравномерных защитных покрытий и распространив интегральный профильный контроль на покрытия независимо от их пространственной ориентации.

К недостаткам известного устройства-прототипа, существенно сужающим его оперативно-технические возможности и производительность контроля, следует отнести повышенную трудоемкость измерений.

Заявляемое техническое решение обеспечивает устранение и этого недостатка объекта-прототипа, многократно сократив время проведения измерительного цикла.

Преимущества заявляемого устройства, состоящие в его расширенных функционально-эксплуатационных технических возможностях и распространении среднеинтегрального контроля толщины на неравномерные защитные покрытия, имеющие произвольное пространственное расположение, достигаются тем, что в измерительном устройстве для контроля толщины неэлектропроводящих пленочных покрытий, содержащее канал (блок) измерения с выходным стрелочным индикатором и соединенный со входом этого блока коаксиальным кабелем емкостной преобразователь, состоящий из двух щупов - плоскостно распределенного, выполняющего функцию датчика толщины покрытия, содержащего эластичную металлизированную пленочную контактную мембрану, и второго щупа, выполненного в виде захвата, предназначенного для непосредственного подсоединения к основанию исследуемого покрытия, - в указанном измерительном устройстве плоскостно распределенный щуп емкостного преобразователя состоит из открытого полого корпуса-рукоятки, снабженного съемной крышкой и содержащего внутри своей полости упругий кругосимметричный цанговый держатель в виде опрокинутого стакана с продольно разрезными стенками, которые имеют конусное сужение изнутри к нижней кромке цангового стакана-держателя и внешнюю боковую поверхность, диаметр которой ступенчато уменьшается к основанию этого стакана, выполненного из пружинящего изоляционного материала, причем на цанговый стакан-держатель посажено с возможностью ограниченного продольного скользящего перемещения вдоль оси стакана-держателя внешнее жесткое диэлектрическое фигурное кольцо, цилиндрическая стенка которого имеет наружное кольцевое утолщение (выступ) в своей нижней части и внутренние диаметрально накрест расположенные секторные утолщения у верхней кромки фигурного кольца, на нижнюю закругленную кромку которого натянута эластичная мембрана из полимерной металлизированной пленки, например лавсановой, предназначенной для рабочего контактирования плоскостно распределенного щупа с контролируемым покрытием, при этом фигурное кольцо снабжено упругим фиксаторным ободом L-образного сечения из полиэтилена для прижима кромки металлизированной пленки эластичной мембраны к внешнему кольцевому утолщению (выступу) фигурного кольца, а в качестве функционального заполнителя полости плоскостно распределенного щупа емкостного преобразователя применена упруго-эластичная цилиндрическая подушка из губчатой пружинящей массы, в частности из пенополиуретана, и размещенная в корпусе щупа между цанговым стаканом-держателем и металлизированной полимерной пленкой, гальванически связанной с жилой коаксиального кабеля, оболочка которого соединена со щупом-захватом емкостного преобразователя.

Кроме того, преимущества заявляемого устройства, состоящие в повышенной оперативности и производительности проводимых с его помощью измерений при сведенной к минимуму трудоемкости процесса контроля, достигаются тем, что в канал (блок) измерения предлагаемого устройства введен двухтактный формирователь противополярных прямоугольных импульсов варьируемой скважности, выполненный в виде емкостно асимметрируемого мультивибратора, выходы которого симметрично связаны через пару повторительных каскадов с дифференциально включенной RC-цепью, содержащей выходной стрелочный индикатор, в переходные цепи перекрестной обратной связи мультивибратора введены секции строенного переключателя трех емкостных групп и при этом переходные цепи мультивибратора выполнены как с возможностью синхронного ступенчатого изменения попарно равных друг другу значений постоянных времени обеих переходных цепей, так и с возможностью взаимно пропорционального (кратного) изменения дифференцированных значений постоянных времени упомянутых переходных цепей, а плоскостно распределенный щуп и щуп-захват емкостного преобразователя устройства введены в ту из пары цепей обратной связи мультивибратора, которая связана с одной из секций строенного переключателя емкостных групп непосредственно, а с другой из секций указанного переключателя связана через тумблер.

Существо предлагаемого технического решения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена конструкция заявляемого емкостного преобразователя (плоскостно распределенного электрода-щупа) в сборе и разрезе, а на фиг. 2 и 3 изображены в двух проекциях отдельные элементы емкостного преобразователя.

Одни и те же элементы плоскостно распределенного щупа емкостного преобразователя в целях облегчения их прослеживания на фиг. 1,2,3 обозначены идентичными цифровыми индексами.

На фиг. 4 прилагаемого чертежа представлена принципиальная схема канала (блока) измерения и конечной индикации заявляемого устройства. Как видно из фиг. 1, плоскостно распределенный щуп емкостного преобразователя выполнен в виде датчика, состоящего из открытого корпуса-рукоятки 1, внутренняя полость которого содержит упругий кругосимметричный цанговый держатель 2 в виде опрокинутого стакана с продольно разрезными боковыми стенками, которые имеют конусное сужение изнутри к нижней кромке стакана-держателя 2 (см. фиг. 1, 2 ). Диаметр внешней боковой цилиндрической поверхности стакана-держателя 2 ступенчато уменьшается к основанию стакана, который выполнен из пружинящего изоляционного материала, в частности из пластмассы марки УПМ-0612 Л, красный сорт 1.

На кругосимметричный цанговый стакан-держатель 2 посажено с возможностью ограниченного продольного скользящего перемещения вдоль оси держателя внешнее жесткое диэлектрическое фигурное кольцо 3, цилиндрическая стенка которого имеет наружное кольцевое утолщение (выступ) 4 в своей нижней части и внутренние диаметрально накрест расположенные секторные утолщения 5 у верхней кромки кольца 3 (см. фиг. 1, 3 ). На нижнюю по чертежу (фиг. 1) закругленную кромку фигурного кольца 3 натянута эластичная мембрана, выполненная в виде гибкой полимерной металлизированной пленки 6 (например, металлизированный лавсан), предназначенной для реализации непосредственного рабочего контактирования плоскостно распределенного щупа емкостного преобразователя с подлежащим профильному контролю защитным покрытием.

При этом внешнее кольцевое утолщение 4 фигурного кольца 3 снабжено упругим фиксаторным ободом 7 L-образного сечения, выполненным из полиэтилена и предназначенным для зажима кромки металлизированной пленки 6 между внешним кольцевым выступом 4 фигурного кольца 3 и фиксирующим ободом 7.

В качестве функционального заполнителя полости плоскостно распределенного щупа емкостного преобразователя в описываемом устройстве применена упруго-эластичная цилиндрическая подушка 8, выполненная из губчатой пружинящей массы, в частности из пенополиуретана (ППУ45-08), и размещенная между стаканом-держателем 2 в корпусе датчика и металлизированной полимерной пленкой 6.

Металлизация пленки 6 гальванически соединена с жилой коаксиального кабеля 9, оболочка которого связана со щупом-захватом 10, предназначенным для подсоединения к электропроводящему основанию контролируемого покрытия.

Кабель 9 с помощью колодки 11 штепсельного разъема может соединяться со входным контактным гнездом 12 блока (канала) измерений - см. фиг. 4.

В перерывах между проведением измерений - при хранении измерительного устройства и его транспортировке - нижняя чувствительная часть плоскостно распределенного щупа емкостного преобразователя - его лавсановая металлизированная пленка 6 - предохраняется от возможных механических повреждений с помощью съемной крышки 13, надеваемой на корпус-рукоятку 1 плоскостно распределенного щупа датчика.

Блок измерения описываемого устройства (фиг. 4) представляет собой двухтактный формирователь противополярных прямоугольных импульсов, выполненный в виде емкостно асимметрируемого мультивибратора, собранного на транзисторах 14 и 15 в цепи положительной обратной связи, между которыми введены секции 16, 17, 18 строенного переключателя 19 групп емкостей 20, 21, 22, с помощью которого могут оперативно ступенчато-синхронно варьироваться постоянные времени обеих цепей положительной обратной связи мультивибратора, содержащих резистивные элементы 23, 24 и 25.

Плоскостно распределенный щуп и щуп-захват 10 емкостного преобразователя по фиг. 1 при работе измерительного устройства с помощью контактного разъема 11, 12 включаются между коллекторной нагрузкой 26 транзистора 15 и базовой цепью транзистора 14, на которую с помощью тумблера 27 может коммутироваться секция 16 строенного переключателя 19.

Коллекторные выходные резистивные нагрузки 26 и 28 триодов 14 и 15 мультивибратора кондуктивно (непосредственно) соединены с базовыми цепями двух эмиттерных повторителей, выполненных на паре транзисторов 29, 30, между эмиттерными нагрузками 31 и 32 которых дифференциально включена оконечная цепь из переменного резистора 33 и выходного стрелочного индикатора 34, заблокированного емкостью 35.

Секции 17 и 18 строенного переключателя 19 предназначены для синфазной коммутации идентичных групп 21 и 22, ступенчато изменяющихся по номинальному значению емкостей в цепях внутренней обратной связи мультивибратора на триодах 14 и 15. Переключение секций 17 и 18 определяет частоту генерируемых мультивибратором импульсов, не влияя на их скважность. При переводе в правое по схеме положение тумблера 27 (что соответствует калибровке устройства) секцией 16 переключателя 19 будет осуществляться синхронное с работой секций 17, 18 асимметрирование переходных цепей мультивибратора, при котором степень относительной дифференциации формируемых ступенями 14 и 15 импульсов по их длительности будет сохраняться неизменной для всех рабочих частот мультивибратора.

Тумблер 36 служит для подачи напряжения питания на коллекторные цепи транзисторов 14, 15, 29, 30.

Функционирует заявляемое устройство следующим образом.

Перед проведением измерений соединяют между собой элементы 11 и 12 штепсельного разъема, подключают щуп-захват 10 к основанию контролируемого покрытия и тумблером 36 подают напряжение на коллекторные цепи транзисторов 14, 15, 29, 30 блока измерений (фиг. 4). Затем переключатель 19 диапазонов устанавливают на требуемый предел измерения и при показанном на схеме левом положении тумблера 27 производят исходную тарировку устройства с помощью переменного резистора 23, которым добиваются нулевого показания стрелочного индикатора 34 (повышение чувствительности которого может быть достигнуто закорачиванием переменного резистора 33).

Такое состояние системы соответствует отсимметрированному режиму работы мультивибратора, при котором противополярные прямоугольные импульсы, поступающие с коллекторов триодов 14 и 15 мультивибратора на базовые цепи триодов 29 и 30 повторительных ступеней, представляют собой два противофазных меандра - симметричные прямоугольные импульсные последовательности с коэффициентом заполнения K = 0,5. В этом режиме работы схемы среднее значение тока, протекающего через микроамперметр 32, равно нулю.

Затем тумблер 27 переводят в правое по схеме положение и потенциометром 33 производят калибровку устройства установкой стрелки индикатора 34 в крайнее правое положение, после чего возвращают тумблер 27 в левое положение и устанавливают плоскостно распределенный щуп емкостного датчика-преобразователя по фиг. 1 на поверхность подлежащего контролю покрытия.

Для этого с полого корпуса-рукоятки 1 датчика предварительно снимается защитная крышка 13 и плоскостно распределенный щуп емкостного преобразователя прижимается внешней металлизированной стороной полимерной пленки 6 к интересующему нас участку защитного покрытия, в то время как щуп-захват 10 осуществляет непосредственный гальванический контакт датчика с металлической основой, на которую нанесено контролируемое покрытие.

Прижим металлизированной полимерной пленки 6 плоскостно распределенного щупа емкостного преобразователя к контролируемому участку диэлектрического защитного покрытия осуществляется путем ручного нажима оператора на корпус-рукоятку 1 датчика (фиг. 1). При этом происходит продольно-осевое сжатие пенополиуретановой цилиндрической подушки 8, заполняющей полость между стаканом-держателем 2 в корпусе 1 датчика и металлизированной полимерной пленкой 6, натянутой на закругленную нижнюю круговую кромку диэлектрического фигурного кольца 3 и зафиксированной полиэтиленовым ободом L-образного сечения 7.

Вследствие повышающегося давления уплотняемой пенополиуретановой подушки 8 на эластичную металлизированную пленку 6 происходит плотное облегание этой пленкой поверхности контролируемого покрытия с наиболее точным повторением металлизированной полимерной пленкой 6 емкостного датчика поверхностного рельефа исследуемого защитного покрытия независимо от пространственной ориентации последнего, чем принципиально устраняются существенные ограничения и недостатки емкостного преобразователя известного измерительного устройства-прототипа по А.С. СССР N 741034.

При ручном нажатии оператора в ходе проводимых измерений на полый корпус-рукоятку 1 плоскостно распределенного щупа емкостного преобразователя одновременно с уплотнением (сжатием) пенополиуретановой подушки 8 датчика происходит скользящее осевое перемещение внешней боковой стенки стакана-держателя 2 внутри цилиндрической части стенки диэлектрического фигурного кольца 3, которое своей нижней закругленной кромкой с натянутой на нее металлизированной полимерной пленкой 6 упирается в поверхность контролируемого защитного покрытия.

Повторение металлизированной пленкой 6 плоскостно распределенного щупа поверхностного рельефа контролируемого защитного покрытия при любой пространственной ориентации контролируемого объекта обусловливает повышенную достоверность и разрешающую способность результатов контроля среднеинтегрального значения толщины исследуемых неравномерных покрытий на электропроводящих основаниях независимо от пространственного положения покрытий (стенового, потолочного, наклонного).

При подключенном состоянии в ходе проводимых измерений плоскостно распределенного щупа емкостного датчика (фиг. 1) ко входному контактному гнезду 10 канала (блока) измерений (фиг. 4) длительности импульсов, воздействующих на выходную измерительную цепь 33, 34, 35 со стороны эмиттерного выхода триода 29 и со стороны эмиттерного выхода триода 30, дифференцируются относительно друг друга, в результате чего через микроамперметр 34 протекает разностный ток, величина которого пропорциональна действующему значению емкости плоскостно распределенного датчика устройства.

Поскольку контролируемая при работе емкость, формируемая плоскостно распределенным щупом датчика по фиг. 1, связана со среднеинтегральным значением толщины измеряемого покрытия соотношением
где S - контактная площадь рабочей поверхности плоскостно распределенного датчика (в см); δ - среднеинтегральное значение толщины контролируемого неравномерного покрытия (в см), ε - диэлектрическая постоянная (проницаемость) материала покрытия, то нетрудно увидеть, что шкала стрелочного индикатора 34, реагирующего на степень асимметрирования импульсов мультивибратора в зависимости от действующего значения емкости плоскостно распределенного щупа датчика, может быть отградуирована непосредственно в единицах контролируемого параметра - среднеинтегрального значения толщины защитного покрытия в линейных единицах длины.

Таким образом, при прижиме оператором плоскостно распределенного щупа к исследуемому участку защитного покрытия стрелка выходного индикатора 34 оперативно выдает искомое значение среднеинтегральной толщины неравномерного покрытия непосредственно в линейных единицах контролируемого параметра.

Для перевода емкостного датчика-преобразователя на соседний (последующий) участок подлежащего профильному контролю защитного покрытия оператор прекращает ручной нажим на корпус 1 датчика. При этом под действием возвращающейся к своему исходному недеформированному состоянию пенополиуретановой подушки 8 стакан-держатель 2 и фигурное кольцо 3 смещаются относительно друг друга вдоль их общей продольной оси до момента взаимной фиксации, когда ступенчатый уступ на внешней цилиндрической боковой стенке стакана-держателя 2 войдет в ограничительное зацепление с внутренними диаметрально накрест расположенными секторными утолщениями (выступами) 5 у верхней кромки кольца 3.

Контроль последующего участка защитного покрытия выполняется установкой металлизированной полимерной пленочной мембраны 6 плоскостно распределенного щупа емкостного преобразователя по фиг. 1 у очередного участка исследуемого покрытия с последующим ручным нажатием оператора на корпус-рукоятку 1 датчика (аналогично рассмотренному выше) и соответствующим снятием очередного показания выходного стрелочного индикатора 34 устройства.

В условиях массового производственного контроля измерительное устройство может предварительно настраиваться по аттестованным контрольным образцам. При этом в соответствии с химическим составом подлежащих измерению покрытий прибор может снабжаться набором накладных шкал для выходного индикатора.

Практика промышленной эксплуатации заявляемого устройства показала, что наряду с повышением оперативности измерений и достоверности результатов проводимого контроля оно открывает новые возможности для среднеинтегральной толщинометрии покрытий во множестве таких реальных условий, при которых возможность использования известного устройства-прототипа принципиально исключается вообще (контроль покрытий на объектах стенового, наклонного и потолочного расположения), что свидетельствует о наличии у заявляемого устройства качественных преимуществ перед его прототипом.

Устройство относится к контрольно-измерительной технике и предназначено для неразрушающего контроля толщины защитных покрытий, изоляционных слоев, жировых отложений и лакокрасочных пленок на электропроводящей основе. Устройство содержит емкостной преобразователь с плосткостно распределенным щупом. Плоскостно распределенный щуп имеет полый корпус-рукоятку и содержит внутри упругий цанговый держатель. На цанговый держатель посажено с возможностью ограниченного продольного перемещения диэлектрическое фигурное кольцо. На нижнюю кромку кольца натянута эластичная мембрана из металлизированной лавсановой пленки. Мембрана поджимается к контролируемому покрытию упругоэластичной цилиндрической подушкой из пенополиуретана. Преобразователь соединен с блоком измерения коаксиальным кабелем, жила которого соединена с мембраной, а оболочка - со щупом-захватом. Блок измерения устройства содержит формирователь противополярных прямоугольных импульсов варьируемой скважности, выполненный по схеме емкостно асимметрируемого мультивибратора. Блок измерения устройства имеет также два переключателя для выбора режима работы и предела измерения. Устройство позволяет расширить область интегрального профильного контроля на покрытия, имеющие произвольную пространственную ориентацию. 1 з.п ф-лы, 4 ил.

1. Измерительное устройство для контроля среднеинтегрального значения толщины неэлектропроводящих покрытий на полупроводящих и электропроводных основаниях, содержащее канал (блок) измерения с выходным стрелочным индикатором и соединенный со входом этого блока коаксиальным кабелем емкостной преобразователь, состоящий из двух щупов - плоскостно распределенного, выполняющего функцию датчика толщины покрытия и содержащего эластичную металлизированную пленочную контактную мембрану, и второго щупа, выполненного в виде захвата, предназначенного для непосредственного подсоединения к основанию исследуемого покрытия, отличающееся тем, что плоскостно распределенный щуп емкостного преобразователя состоит из открытого корпуса-рукоятки, снабженного съемной крышкой и содержащего внутри своей полости упругий кругосимметричный цанговый держатель в виде опрокинутого стакана с продольно разрезными стенками, которые имеют конусное сужение изнутри к нижней кромке цангового стакана-держателя и внешнюю боковую поверхность, диаметр которой ступенчато уменьшается к основанию этого стакана, выполненного из пружинящего изоляционного материала, причем на цанговый стакан-держатель посажено с возможностью ограниченного продольного скользящего перемещения вдоль оси стакана-держателя внешнее жесткое диэлектрическое фигурное кольцо, цилиндрическая стенка которого имеет наружное кольцевое утолщение (выступ) в своей нижней части и внутренние диаметрально накрест расположенные секторные утолщения у верхней кромки фигурного кольца, на нижнюю закругленную кромку которого натянута эластичная мембрана из полимерной металлизированной пленки, например лавсановой, предназначенной для рабочего контактирования плоскостно распределенного щупа с контролируемым покрытием, при этом фигурное кольцо снабжено упругим фиксаторным ободом L-образного сечения из полиэтилена для прижима кромки металлизированной пленки эластичной мембраны к внешнему кольцевому утолщению (выступу) фигурного кольца, а в качестве функционального заполнителя полости плоскостно распределенного щупа емкостного преобразователя применена упругоэластичная цилиндрическая подушка из губчатой пружинящей массы, в частности из пенополиуретана, и размещенная в корпусе щупа между цанговым стаканом-держателем и металлизированной полимерной пленкой, гальванически связанной с жилой коаксиального кабеля, оболочка которого соединена со щупом-захватом емкостного преобразователя. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что его канал (блок) измерения содержит двухтактный формирователь противополярных прямоугольных импульсов варьируемой скважности, выполненный в виде емкостно асимметрируемого мультивибратора, выходы которого симметрично связаны через пару повторительных каскадов с дифференциально включенной RC-цепью, содержащей выходной стрелочный индикатор, в переходные цепи перекрестной обратной связи мультивибратора введены секции строенного переключателя трех емкостных групп и при этом переходные цепи мультивибратора выполнены как с возможностью синхронного ступенчатого изменения попарно равных друг другу значений постоянных времени обеих переходных цепей, так и с возможностью взаимно пропорционального (кратного) изменения дифференцированных значений постоянных времени упомянутых переходных цепей, а плоскостно распределенный щуп и щуп-захват емкостного преобразователя устройства введены в ту из пары цепей обратной связи мультивибратора, которая связана с одной из секций строенного переключателя емкостных групп непосредственно, а с другой из секций указанного переключателя связана через тумблер.