Электроконтактный способ измерения толщины электропроводящих покрытий, плоских изделий или стенок изделий (его варианты) Советский патент 1990 года по МПК G01B7/06 

высоких частот которых образуют возрастающую последовательность

со, - ц, - -f; ,

W; СО;.( + UCO;H ,

и вычисляют значения толщины соответственно каждому значению высокой частоты последовательности, толщину изделия определяют по формуле

Электроконтактный способ заключается в том, что измеряемый участок изделия включают в электрическую цепь, состоящую из источника тока, двух щупов и измерителя, и пропускают через него постоянный ток или переменный ток низкой частоты и переменный ток разных высоких частот. Способ имеет несколько вариантов, указанных в описании изобретения. 2 с.п. ф-лы.

где 1

2, 3, ..., п-1, п,

причем значение высокой частоты определяется как

п II ,AU0v2 ,,„р ч ,.

о о Vff) С1 2t,)COM,

где О0 2иЧ102 - 7-10 ) Гц;

&UO, падение напряжений на

участке изделия при токах соответственно постоянно- 20 му или низкой частоты и максимально высокой частоты;

СО д.- значение максимально высокой частоты переменного 25 тока,

03М 2lJ-(2,1- 104 - 5,9-106) Гц;

6, погрешность измерения падения напряжения при пе- 30 ременном токе максимально высокой частоты,

Ј, 0,01 - 0,15,

диапазон значений высоких частот .,. GOJ определяется на интервале

(1,01-2,01) W0 ,W064,04-1052fr(ru.);

(1,01-1,l6C00)CG0,, (Гц);40 -Ю52Т (Гц),

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерений при одностороннем доступе толщины электропроводящих покрытий, плоских изделий или стенок изделий при неразрушающем контроле.

Цель изобретения - увеличение точности измерений путем уменьшения погрешности задания и отсчета значений высокой частоты переменного тока и

d (d

n-i

+ dn)/2.

СО

- 9 V2a/M

я u VTT } им

e 8 - Ы1М

где С06 2t(9 - 5,9-Ю5) Гц,

а затем, используя измеренные значения падения напряжений и значение максимально высокой частоты, определяют толщину изделия.

5

уменьшение времени измерений путем уменьшения числа промежуточных измерительно-вычислительных операций при определении толщины.

На фиг. 1 представлены кривые зависимостей определяемых электроконтактным способом значений толщин d, где m 1, 2, 3, 4, электропроводящих пластин с различными толщинами dm от высоких частот в диапазоне значений (10 - 107)2 п Гц; на фиг. 2 структурная схема устройства, реали- - зующего электроконтактный способ измерения толщины электропроводящих покрытий, плоских изделий или стенок изделий; на фиг. 3 и 4 - структурные схемы устройства, реализующего электроконтактный способ, обеспечивающие определение толщины соответственно при одновременном измерении падений напряжений постоянной или переменной составляющей низкой частоты и переменных составляющих высоких частот по двум разным измерительным каналам и при дискретных во времени измерениях падений напряжений по одному измерительному каналу.

Устройство, реализующее электроконтактный способ измерения толщины электропроводящих покрытий, плоских изделий или стенок изделий по первому варианту, содержит участок разомкнутой электрической цепи, состоящей из последовательно соединенных первого измерительного щупа 1, источника 2 тока, токозадающего резонатора 3 и второго измерительного щупа 4, и измеритель 5, состоящий из последовательно соединенных между собрй блока 6 памяти, вычислителя 7 и блока 8 индикации, причем первые входы блока 6 памяти и вычислителя 7 включаются между выходами измерительных щупов 1 и 4, а вторые подключены к входу источника 2 тока, второму входу блока 8 индикации и выходу блока 9 управления, соединенного своим входом с вычислителем 7, который подключается своим третьим выходом к блоку 6

первым измерителем 15, блок 8 индикации, вход которого соединен с вычислителем 7, блок 9 управления, управляющие выходы которого подключены к сумматору 11 к микропроцессору, второй измерительный канал 16, включающий последовательно соединенные масштабный измерительный преобразова10 тель 17 напряжения переменного тока высокой частоты и второй измеритель 18, выход которого подключен к второму входу вычислителя 7, причем выходы измерительных щупов 1 и 4 соединены

15 с входами масштабных измерительных преобразователей 13 и 17.

Устройство по третьему варианту (фиг. 4) содержит коммутатор 19, к входам которого подключены раздельные

20 выходы источника 2 тока, а к выходам- щупы 1 и 4, последовательно соединенные масштабный измерительный преобразователь 13 и аналого-цифровой преобразователь 20, причем вход масштаб25 ного измерительного преобразователя 13 соединен с щупами 1 и 4, блок 9 управления, управляющие выходы которого соединены с коммутатором 19 и аналого-цифровым преобразователем 20,

30 вычислитель 7, вход которого соединен

с аналого-цифровым преобразователем 20, а управляющий выход подключен к блоку 9 управления, блок 8 индикации, вход которого соединен с вычислите- 2$ лем 7, пульт 21 управления, соединенный своим выходом с вычислителем 7.

Способ осуществляют следующим образом.

Активное сопротивление R,

0 электропамяти. Измерительные щупы 1 и 4 пред-до проводящего тела постоянному

току или току низкой частоты

назначены для установки на контролируемом изделии 10.

Устройство по второму варианту (фиг. 3) содержит источник 2 тока, имеющий раздельные выходы соответственно с постоянным или низкочастотным переменным током и переменными токами высоких частот, сумматор 11, к входам которого подключены выходы источника 2 тока, а к выходам - измерительные щупы 1 и 4, первый измерительный канал 12, ключающий последовательно соединенные масштабный измерительный преобразователь 13 напряжения постоянного тока или переменного тока низкой частоты, фильтр 14 высокой частоты и первый измеритель 15, вычислитель 7 в виде микропроцессора, соединенный своим первым входом с

73335

первым измерителем 15, блок 8 индикации, вход которого соединен с вычислителем 7, блок 9 управления, управляющие выходы которого подключены к сумматору 11 к микропроцессору, второй измерительный канал 16, включающий последовательно соединенные масштабный измерительный преобразова10 тель 17 напряжения переменного тока высокой частоты и второй измеритель 18, выход которого подключен к второму входу вычислителя 7, причем выходы измерительных щупов 1 и 4 соединены

15 с входами масштабных измерительных преобразователей 13 и 17.

Устройство по третьему варианту (фиг. 4) содержит коммутатор 19, к входам которого подключены раздельные

20 выходы источника 2 тока, а к выходам- щупы 1 и 4, последовательно соединенные масштабный измерительный преобразователь 13 и аналого-цифровой преобразователь 20, причем вход масштаб25 ного измерительного преобразователя 13 соединен с щупами 1 и 4, блок 9 управления, управляющие выходы которого соединены с коммутатором 19 и аналого-цифровым преобразователем 20,

30 вычислитель 7, вход которого соединен

с аналого-цифровым преобразователем 20, а управляющий выход подключен к блоку 9 управления, блок 8 индикации, вход которого соединен с вычислите- 2$ лем 7, пульт 21 управления, соединенный своим выходом с вычислителем 7.

Способ осуществляют следующим образом.

Активное сопротивление R,

0 электро-до проводящего тела постоянному

0 электропроводящего тела постоянному

току или току низкой частоты

R - 1 1

R Г s

Хгде 7 - удельная электропроводность

тела;

1 - длина тела; S - площадь поперечного сечения

тела.

Для электропроводящей пластины с размерами 1 В d, удовлетворяющими условию , где 1; В, d - соответственно длина, ширина и толщина пластины, сопротивление Z переменному току высоких частот

1

jthttd/2

где

щ - абсолютная магнитная проницаемость материала; Ц) - циклическая частота;

об ..

Если измерить сопротивление пластины постоянному току или переменному току низкой частоты и переменному току высокой частоты из диапазона значений

(2Р + 1)2

(Uo.

ft

где Р 0, 1, 2, ..., N, то вследствие того, что множитель у 1/|th(jid/2| равен при этом единице, а сопротивление Z при СО - С001 с достаточной точностью не зависит от толщины d, так как из-за поверхностного эффекта электрический ток сосредоточен почти полностью у поверхностей пластины, толщину d можно определять соотношением

1

fl

- - - - -. - - - .,

$BR0 ttfia R,

которое эквивалентно формуле

л - 2Ли I d - гг,--л где AU - падение напряжения на пластине при переменном токе высокой частоты;

AU0 - падение напряжения на пластине при постоянном токе или переменном токе низкой частоты.

Зависимость между определяемыми значениями толщины d и значениями высоких частот переменных токов на всем частотном диапазоне можно задать соотношением

0/(|thc6 P0/2 I),

где 0 - толщина участка изделия, определяемая по формуле при переменном токе высокой частоты, значение которой равно

со to

оо

или СО СО

01

Дпя пластин с толщинами (фиг. 1) Ф0т (4-КГ3; 0, О,МО 3; 0,03-10 э) М, изготовленных из материала с (йя 110|U0, ft 6,5-10,

точки С000 и Ц)0, изображены соответственно в виде точек С0оогпи СОсищ

Из указанного соотношения определяется значение методической (частотной) погрешности вычисления толщины в окрестностях точки СО С000 :

I i -1о 0 &dj UCO1

Ь -г- ----- и со г -5-72

chRdosinRdo .nRdoCOsRd (chRd0 - cosRd)2-1гЖ где

или, если учесть, что W Q 00 ; 20 Ш &С000 ; Уо(С000) 1;

d (C000) d0; sinRd0 1, получают:

f - 1 ЁО

° ch7/2 2

IM д,о7Г-2U00

ДСО

oo

4chti72 CO

00

где ЛСЭ00 - приращение значения частоты на линейном или близком к линейному участку функции у окресностях точки С000 .

При заданном значении относительной погрешности о Ј связь между приращением U С300 и значением высокой частоты С000 можно представить

как

... 4Јch7/2/.. ЛС0ОП лСО

00

оо

С уменьшением толщины d0 и соответствующем увеличении значения 030о возрастают приращения U СО 00 , определяющие окрестности С00( , в которых можно измерять толщину d с погрешностью, не превышающей заданного значения 5 Уменьшение толщины пластины (фиг. 1), т.е. возрастание индекса т, приводит к увеличению приращений 6C000rtl при неизменных приращениях й V

Определение толщин d электроконтактным способом в окрестностях частот C0ourrt по сравнению с аналогичными измерениями при частотах СО И 01и (фиг, 1) приводит к увеличению точности измерений из-за уменьшения инструментальных, погрешностей (с ростом значений высокой частоты СО ин91

струментальная погрешность измерений возрастает). По этой причине для определения толщины d из диапазона значений (d MvlH+ de/wqKC) используют ся измерения падения напряжений при переменных токах возрастающей последовательности частот, приближаясь, при этом, слева к искомому значению 60 оо Выполнение условия

(dw, - dn)l c

- -т-: с и возможность опd n-i + dn ределения толщины по формуле

d

d n-i + dn

объясняется тем,

что функция dm (фиг. 1) монотонно убывает на интервале частот

W (0 - )27(Гц), а в

/VIC 1

окрестностях точек СО ООГТ1 линейны, причем при уменьшении значения d0w происходит уменьшение модуля их производной по частоте |dm|, т.е. происходит увеличение приращения Л0)оот , определяющего длину окрестности точки CJ00m, в которой погрешность определяемой толщины d не превышает заданного значения Ј и, таким образом, в заданной возрастающей последовательности существуют соответствующие значения СО у,., и СО „ из окрестности СО ооm

Определение толщины d по первому варианту при значительности диапазона (dOVWH- dOMO,KC) длительно. В этом случае существует возможность задания первого значения высокой частоты возрастающей последовательности ближе к точке С00о искомой толщины d. Для достижения этой цели производят измерение падения напряжения при максимально высокой частоте СОМ , определяемой как

„л.1

м - 9

WM - oiljf; ;jf

/С1омин (Ua ft

что соответствует частоте С0014(фиг. 1) а затем, используя измеренное значение падения напряжения, определяют значения возрастающей последовательности частот, в которой значения С0 вычисляются следующим образом:

CJt

/.г и

(1 2

10 (- .)

2Ги --1 V41V „fUa

-„ |Ua - Ј Уоч2П 2f Ш

8 (Ди ( 2fc )

А -

е ло;

5

При этом интервал, на котором определяется диапазон значений 60, , неравномерный и зависит от значения 63 0 .

Уменьшение времени измерения по второму варианту происходит без уменьшения точности измерения толщины, так как последняя определяется заданным значением 6 . В случае, когда функция изменения инструментальной погрешности на частотном интервале

„Л2

9н

It 2dJtnjDaft

2d

am pa

имеет незначительный наклон, или воз- 25 можно определение толщины с точностью

0

Јv , 0)5 где d dom

0,89 . 1, точки минимумов

Гп МИН

от dm/co) , можно производить только дла

измерения: определить грубо значение падения напряжения при переменном токе максимально высокой частоты СОМ, а затем, используя измеренное с значение падения напряжения, вычисляется значение высокой частоты COg , которое соответствует значению -C0otm (фиг. 1) :

40

измеряется значение падения напряжения при переменном токе частоты С06 и определяется толщина участка изделия. i

Устройство по первому варианту

(фиг. 2) работает следующим образом. Для выполнения измерений участок электропроводящего покрытия, плоского изделия или стенки изделия 10, толщина которого подлежит измерению с одной стороны, включают с помощью двух щупов 1 и 4 в электрическую цепь, содержащую также источник 2 тока, измеритель 5 и токозадающий

резистор 3. Источник 2 тока, величина которого устанавливается резистором 3, имеет много фиксированных зна- (чений частот: одно - равное нулю или из области низких частот, при которых в покрытии, плоском изделии или стенке изделия 10 распределение плотности тока равномерно, другие - из диапазона дискретных значений высоких частот 03 (99 - 5,9 10б)2/н (Гц), при которых в покрытии, плоском изделии или стенке изделия 10 распределение плотности тока неравномерно из-за выраженного поверхностного эффекта и зависимости при этом сопротивления участка переменному току от значения его частоты.

Падение напряжения AU0 на участке изделия между щупами 1 и 4 заносится в блок 6 памяти. Падение напряжения ди{ при переменном токе высокой частоты СО, попадает в вычислитель 7, где с учетом введенных предварительно в блок 6 памяти значений Ъ , JU0 , Ј и значения ДП0, происходит определение значения d, для каждого значения высокой частоты, результат заносится в блок 6 памяти.

10

15

20

25

ряются в указанной последовательности до выполнения условия

К., - dMl/(2(dn., + d,) Ј .

Измерение толщины участка по второму варианту в соответствии с заложенной программой в блоке 6 памяти производится с той разницей, что первое падение напряжения при переменном токе Ли измеряется при переменном токе максимально высокой частоты 03 w попадает в вычислитель 7, где с учетом введенных предварительно в блок 6 памяти значений 5, и Дио происходит определение значения СО, и по команде блока 9 управления, на вход которого подается сигнал с вычислителя 7, производится установление частоты 00, в источнике 2 тока и далее аналогично первому варианту.

Устройство по второму варианту (фиг. 3) работает следующим образом.

С блока 9 управления на сумматор 11 подается сигнал, подключающий к замкнутой электрической цепи, состоящей из щупов 1 и 4 и участка изделия 10, соответствующие выходы источника

Блок 8 индикации включается по сигна- 30 2 тока. По этому сигналу в сумматоре

лу вычислителя 7. Изменение частоты переменного тока источника 2 тока осуществляется по команде блока 9 управления, на вход которого подается сигнал с вычислителя 7, формирующего управляющие сигналы в соответствие заложенной программе в блоке 6 памяти.

В следующем цикле измерения устанавливают в источнике 2 тока высокую частоту СО г СО, + UCOi и, определив падение напряжения 411$. на участке изделия 10, вычисляют с помощью вычислителя 7 значение толщины изделия 10 d2, а затем находят разность /d, - dzl и сопоставляют с заданным значением погрешности Ј .

Если выполняется условие /d f - dz/Ј & Ј (d , + d2)/2, то значение (d ч + + d,)/2 индицируется на табло блока 8 индикации и по сигналу вычислителя 7, поступающему в блок 9 управления, процесс измерения заканчивается В противном случае блок 8 индикации не включается, значение d вводится в блок 6 памяти, блок 9 управления по сигналу вычислителя 7 устанавливает в источнике 2 тока частоту ССЦ СО j и т.д. Все операции повто

5

0

5

ряются в указанной последовательности до выполнения условия

К., - dMl/(2(dn., + d,) Ј .

Измерение толщины участка по второму варианту в соответствии с заложенной программой в блоке 6 памяти производится с той разницей, что первое падение напряжения при переменном токе Ли измеряется при переменном токе максимально высокой частоты 03 w , попадает в вычислитель 7, где с учетом введенных предварительно в блок 6 памяти значений 5, и Дио происходит определение значения СО, и по команде блока 9 управления, на вход которого подается сигнал с вычислителя 7, производится установление частоты 00, в источнике 2 тока и далее аналогично первому варианту.

Устройство по второму варианту (фиг. 3) работает следующим образом.

С блока 9 управления на сумматор 11 подается сигнал, подключающий к замкнутой электрической цепи, состоящей из щупов 1 и 4 и участка изделия 10, соответствующие выходы источника

5

0

5

0

5

11 также задается- величина составляющих суммарного тока в замкнутой цепи. Падения напряжений на участке изделия 10 между щупами 1 и 4 преобразуются раздельно и одновременно по двум измерительным каналам 12 и 16. Составляющая падения напряжения &U( постоянной или низкочастотной составляющей тока преобразуется в первом измерительном канале 12 масштабным измерительным преобразователем напряжения постоянного тока или переменного тока низкой частоты и через фильтр 14 высокой частоты подается на первый измеритель 15 и в дальнейшем измеренное падение напряжения поступает в вычислитель 7 Составляющая падения напряжения UU, переменного тока высокой частоты преобразуется во втором измерительном канале 16 масштабным измерительным преобразователем 17 переменного тока высокой частоты и подается на второй измеритель 18, ив дальнейшем - измеренное падение напряжения &U, поступает на второй вход вычислителя 7, который по двум измеренным падениям напряжений и пб значениям СО, , jua , Д , поступающим с блока 9 управления,

производит вычиспение толщины участка изделия. Вычисленное значение толщины участка в зависимости от характера введенной в блок 9 управления программы в дальнейшем поступает либо в блок 8 индикации, производящей светоиндикацию числового значения толщины участка изделия iO, либо поступает в модуль памяти вычислителя 7 и используется в цикле измерений согласно вариантам электроконтактного способа измерения толщины изделий.

Измерение толщины участка по третьему варианту в соответствии с заложенной программой в блоке 6 памяти производится аналогично второму варианту, включая измерение падения напряжения AUM при переменном токе максимально высокой частоты СЗМ ив дальнейшем вычислителем 7 по введенным предварительно в блок 6 памяти значениям &UQ , A UM, CO M производится определение значения высокой час- тоты О g , значение Ј0 0 устанавливается по команде блока 9 управления в источнике 2 тока и измеряется соответствующее падение напряжения Ди„, а затем, учитывая соответствую- щие значения AU0, fl (СГа, U м им Д116, в вычислителе 7 происходит определение толщины d участка изделия, результат индицируется на табло блока 8 индикации и по сигналу вычислителя 7, поступающему в блок 9 управления, процесс измерения заканчивается.

Устройство по третьему варианту (фиг. 4) работает следующим образом,

С пульта управления на вычислитель 7 поступают сигналы, формирующие программу его работы, которая записывается в долговременную память вычислителя 7. По этой программе блок 9 управления формирует управляющую команду, которая подается на коммутатор 19, подключающий к цепи изде

Q

5 0 5 0

о

5

5

лия 10 и щупов 1 и 4 один к ч выходов источника } тока.

В начальный момент измерения по программе микропроцессора блок 9 управления формирует управляющую команду, с помощью которой коммутатор 19 подключает к цепи изделия и щупов 1 и 4 выход источника 2 тока с постоянным током или переменным током низкой частоты. Падение напряжения на участке изделия между щупами преобразуется масштабным измерительным преобразователем 13 и аналого-цифровым преобразователем 20, работой которого управляет через блок 9 управления вычислитель 7. Кодированное значение падения напряжения постоянного или низкочастотного переменного тока Д11 заносится в модуль памяти вычислителя 7. Сюда через пульт 21 управления перед началом измерений введены значения , (И а , Ј .

i

В следующем цикле измерения по

команде вычислителя 7 блок 9 управления формирует сигнал, который, поступив на коммутатор 19, подключает к цепи изделия 10 и щупов 1 и 4 выход источника 2 тока с переменным током высокой частоты СО, . Соответствующие переменному току высокой частоты Q, падение напряжения UU, преобразуется масштабным измерительным преобразователем 13 и аналого- цифровым преобразователем 20, работающем синхронно с выходом коммутатора 19 посредством команды вычислителя 7 через блок 9 управления. После кодирования измеренное падение напряжения ди/ заносится в модуль памяти вычислителя 7.

Алгоритм вычислений толщины по данной формуле с учетом трех вариантов способа реализуется программой, заноженной в постоянной памяти вычислителя 7.

tfnfJU 4Mil M d« )

4i

Att ldmlAWi

вот

utoot

ufoozu ooiu eo

Ptf«L/

Ui

&

вн