ИЗМЕРИТЕЛЬ ПЛОЩАДИ МЕТАЛЛИЗАЦИИ Российский патент 2004 года по МПК G01B7/32 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения площади электропроводных деталей, погруженных в гальваническую ванну, при электрохимическом осаждении покрытий в процессе металлизации.

Известен измеритель площади металлизации [1], содержащий ванну с электролитом, с погруженными в нее электродами, кондуктометрический первичный измерительный преобразователь тока и напряжения гальванопары в сигнал площади, скорректированный на величину удельной проводимости. Но в этом измерителе не учитывается изменение площади анода, растворяемого в процессе нанесения гальванопокрытий, что при использовании прибора в системах автоматического задания плотности тока может привести к росту потерь на брак.

Целью изобретения является снижение погрешности измерения при изменении площади анода в процессе металлизации.

Указанная цель достигается тем, что в измеритель площади металлизации, содержащий масштабный усилитель, квадратор, сумматор, первый делитель напряжения, индикатор площади, ванну с электролитом, с закрепленными в ней штангами анодом и изделием, источник тока, положительный полюс которого соединен с первым входом преобразователя напряжение - напряжение и через штангу с анодом, а отрицательный - с входом преобразователя ток - напряжение, первый выход которого соединен с первым входом первого делителя напряжения, второй вход преобразователя напряжение - напряжение соединен через штангу с изделием, а выход - с первым входом вычитающего сумматора, к второму входу которого подключен генератор уставки. Выход вычитающего сумматора соединен со вторым входом аналогового перемножителя, первый вход которого через блок измерителя удельной проводимости соединен с выходом кондуктометрического первичного измерительного преобразователя, погруженного в ванну, а выход - с вторым входом первого делителя напряжения. Выход первого делителя напряжения соединен со входом квадратора, а выход масштабного усилителя соединен с индикатором площади. В устройство дополнительно введены блок измерения площади анода и второй делитель напряжения. Первый вход блока измерения площади анода соединен с вторым выходом преобразователя ток - напряжение, а второй вход - с вторым входом преобразователя напряжение - напряжение. Выход блока измерения площади анода соединен с вторым входом второго делителя напряжения, первый вход второго делителя напряжения соединен с выходом квадратора, а выход второго делителя напряжения соединен со входом масштабного усилителя.

На чертеже приведена схема измерителя площади металлизации.

Источник тока 6 в заполненной электролитом 2 ванне 1, в которую погружены с помощью штанг 3 анод 4 и изделие 5, создает ток, который аналоговым преобразователем ток - напряжение 8 преобразуется в токовый сигнал, а напряжение на гальванопаре аналоговым преобразователем напряжение - напряжение 7 - в сигнал напряжения, который поступает на первый вход вычитающего сумматора 10, на второй вход которого поступает напряжение с генератора уставки 11. В ванну 1 погружен также кондуктометрический первичный измерительный преобразователь (ПИП) 17, подключенный к входу блока измерения удельной проводимости 16, сигнал с выхода которого поступает на первый вход аналогового перемножителя 15, на второй вход которого поступает напряжение с выхода сумматора 10.

С выхода аналогового перемножителя 15 сигнал поступает на второй вход первого делителя напряжения 9, на первый вход первого делителя напряжения 9 поступает напряжение с первого выхода преобразователя ток - напряжение 8. Сигнал с выхода первого делителя напряжения 9 поступает на вход квадратора 13. Первый вход блока измерения площади анода 19 соединен с вторым выходом преобразователя ток - напряжение 8, а второй вход блока измерения площади анода 19 соединен с вторым входом преобразователя напряжение - напряжение 7. Сигнал с выхода блока измерения площади анода 19 поступает на второй вход второго делителя напряжения 18. На первый вход второго делителя 18 поступает напряжение с выхода квадратора 13, сигнал с выхода второго делителя 18 через масштабный усилитель 12 подается на индикатор площади 14.

В отличие от известных в предлагаемый измеритель площади металлизации введена автоматическая коррекция результатов по изменению площади анода, что обеспечивает более высокую точность измерений.

Принцип действия измерителя площади основан на том, что площадь металлизации катода S_k связана с током I и напряжением U на электродах гальванопары соотношением [2, 3]

где S_a - площадь анода;

L - расстояние между анодом и катодом;

d и f - эмпирические коэффициенты, учитывающие потери энергии в электролизе за счет газонаполнения и в контактах электрической цепи соответственно;

ϕ - электродная разность потенциалов,

χ - удельная проводимость электролита.

Из (1) вытекает, что

являются постоянными.

Таким образом, для определения площади металлизации изделия S_k следует реализовать алгоритм (2), для этого необходимо сформировать сигналы: тока I, напряжения U, контактной разности потенциалов ϕ_k, удельной проводимости χ и площади анода S_a.

Для формирования токового сигнала введен преобразователь ток - напряжение 8, одновременно осуществляющий развязку силовой и измерительной цепей. Если крутизна преобразования ток - напряжение С, то на первом выходе блока 8 формируется сигнал

Сигнал напряжения гальванопары формируется преобразователем напряжение - напряжение 7, т.е.

где В - масштабный коэффициент блока 7.

Контактная разность потенциалов ϕ_k определяется составом гальваноцепи и в данном технологическом процессе постоянна. Она определяется по справочным данным [2] и задается генератором уставки 11. Но для удобства реализации измерителя выгодно генератором уставки 11 задавать величину напряжения В·ϕ_k. Тогда на выходе вычитающего сумматора 10 с учетом (6) получим

Если коэффициент преобразования блока измерения удельной проводимости 16 М, то сигнал кондуктометрического ПИП 17 на выходе блока 16 преобразуется в напряжение

Напряжения U_c и Uχ вводятся на входы аналогового перемножителя 15 и на его выходе имеем

где N - масштабный коэффициент перемножителя 15.

На входы делителя напряжения 9 вводятся сигналы: U_i в качестве делимого и U_n - делителя, поэтому выходное напряжение с учетом (5) и (9) равно

где D - масштабный коэффициент деления.

С выхода делителя 9 напряжение поступает на вход квадратора 13, на выходе которого действует напряжение

где Е - масштабный коэффициент квадратора.

Сигнал площади анода, формируемый блоком измерения площади ранода 19, равен

где R - коэффициент преобразования блока 19.

Напряжение с выхода блока измерения площади анода U_a подается на вход делителя напряжения 18 в качестве делителя, а напряжение U_k, с выхода квадратора 13 - в качестве делимого, тогда выходное напряжение делителя 18 с учетом (10) и (12) равно

где Т - масштабный коэффициент деления.

Напряжение U_T подается на вход масштабного усилителя 12 и с его выхода на индикатор площади 14. На выходе масштабного усилителя 12 с коэффициентом передачи К формируется напряжение, равное

Для обеспечения прямого отсчета площади металлизации коэффициент К выбирается равным

где F - коэффициент, имеющий размерность

С учетом (13) и (14) имеем

Сравнивая выражения (16) и (2), находим, что они идентичны, т.е. (16) реализует алгоритм (2) измерения площади металлизации S_k.

Измеритель площади металлизации работает следующим образом. Изделие 5, закрепленное на штанге 3, опускается в ванну с электролитом 2. В ванне на второй штанге закреплены анод 4 и кондуктометрический ПИП 17. Источник питания 6 создает в ванне ток, который аналоговым преобразователем ток -напряжение 8 преобразуется в напряжение токового сигнала U_i, а напряжение на электродах гальванопары 4-5 аналоговым преобразователем напряжение - напряжение 7 - в сигнал напряжения U_u. В вычитающем сумматоре 10 реализуется вычитание из сигнала напряжения U_u напряжения, пропорционального электродной разности потенциалов В·ϕ_k, поступающего от генератора уставки 11.

Блок измерения удельной проводимости электролита 16 формирует напряжение, пропорциональное удельной проводимости электролита Uχ, которое перемножается аналоговым перемножителем 15 на выходное напряжение вычитающего сумматора 10. В делителе 9 формируется сигнал, пропорциональный отношению ток - напряжение гальванопары 4-5, который после возведения в квадрат блоком 13 преобразуется в сигнал квадрата эффективной площади гальванопары, пропорциональный произведению S_k·S_a. Сигнал квадрата эффективной площади гальванопары с выхода квадратора 13 подается на вход делимого блока 18, а сигнал площади анода, сформированный в блоке измерения площади анода 19, - на вход делителя блока 18. В результате на выходе делителя напряжения 18 формируется сигнал, пропорциональный площади изделия S_k. Для обеспечения прямого отсчета площади металлизации изделия сигнал S_k вводится на индикатор площади металлизации 14 через масштабный усилитель 12.

Автоматический учет изменения площади анода при его растворении в процессе эксплуатации позволяет увеличить точность измерения площади катода, что при включении измерителя металлизации в состав систем автоматического управления током гальванических ванн обеспечивает уменьшение расхода материалов, сокращение энергопотребления, повышение степени автоматизации процесса нанесения покрытий. Так, при использовании предложенного измерителя площади металлизации совместно с устройством контроля площади анода по [4] в составе широко распространенной гальванической установки фирмы Schering - DYNA точность установки тока повышается на 7-10 процентов.

Структура нового измерителя площади металлизации содержит в основном блоки, выпускаемые в бескорпусном исполнении, что позволяет оформлять устройство в виде гибридной интегральной микросхемы. Предложенный алгоритм обработки данных обеспечивает линейный выход по информативному параметру.

Источники информации

1. А.с. СССР №1763881, 1992, БИ №35.

2. Гальванические покрытия в машиностроении. Справочник т.1. Под ред. М.А. Шлугера. - М.: Машиностроение, 1985.

3. Данилов Ю.В., Подкин Ю.Г. Гальванический измеритель площади покрытий. ПТЭ, №5, 1989.

4. А.с. СССР №1763880, 1992, БИ №35.

Изобретение относится к устройствам контроля геометрических величин электрическими методами, в частности площади металлизации печатных плат в процессе электроосаждения. Технический результат: снижение погрешности измерения площади металлизации путем коррекции результата с учетом изменения площади анода. Сущность изобретения: устройство содержит силовой источник тока, преобразователи тока, напряжения, удельной проводимости в аналоговые сигналы и блоки обработки результатов измерений, преобразующие полученные данные в сигнал площади металлизации. Новым является использование канала измерения площади анода и второго делителя напряжения, осуществляющих коррекцию результатов измерения площади металлизации. 1 ил.

Измеритель площади металлизации, содержащий масштабный усилитель, квадратор, сумматор, первый делитель напряжения, индикатор площади, ванну с электролитом, с закрепленными в ней штангами анодом и изделием, источник тока, положительный полюс которого соединен с первым входом преобразователя напряжение - напряжение и через штангу - с анодом, а отрицательный - с входом преобразователя ток - напряжение, первый выход которого соединен с первым входом первого делителя напряжения, второй вход преобразователя напряжение - напряжение соединен через штангу с изделием, а выход - с первым входом вычитающего сумматора, к второму входу которого подключен генератор уставки, выход вычитающего сумматора соединен со вторым входом аналогового перемножителя, первый вход которого через блок измерителя удельной проводимости соединен с выходом кондуктометрического первичного измерительного преобразователя, погруженного в ванну, а выход - с вторым входом первого делителя напряжения, выход первого делителя напряжения соединен со входом квадратора, а выход масштабного усилителя соединен с индикатором площади, отличающийся тем, что в устройство дополнительно введены блок измерения площади анода и второй делитель напряжения, первый вход блока измерения площади анода соединен с вторым выходом преобразователя ток - напряжение, а второй вход - с вторым входом преобразователя напряжение - напряжение, выход блока измерения площади анода соединен с вторым входом второго делителя напряжения, первый вход второго делителя напряжения соединен с выходом квадратора, а выход второго делителя напряжения соединен со входом масштабного усилителя.