ITMI20131703A1

ITMI20131703A1 - MEASUREMENT METHOD OF THE THICKNESS OF A KNOWN DIELECTRIC MATERIAL FILM AND ITS MEASURING DEVICE

Info

Publication number: ITMI20131703A1
Application number: IT001703A
Authority: IT
Inventors: Gabriele Caccia; Enrico Nappa; Paolo Rizzotti
Original assignee: Syncro S R L
Priority date: 2013-10-15
Filing date: 2013-10-15
Publication date: 2015-04-16

Description

METODO DI MISURA DELLO SPESSORE DI UN FILM DI MATERIALE DIELETTRICO NOTO E RELATIVO DISPOSITIVO DI MISURA METHOD OF MEASURING THE THICKNESS OF A FILM OF KNOWN DIELECTRIC MATERIAL AND RELATED MEASURING DEVICE

CAMPO TECNICO TECHNICAL FIELD

Questa invenzione concerne le tecniche di misura di spessori di film e più in particolare un metodo di misura dello spessore di un film di materiale dielettrico noto usando due sensori capacitivi identici, e un relativo dispositivo di misura. This invention relates to techniques for measuring film thicknesses and more particularly to a method for measuring the thickness of a film of known dielectric material using two identical capacitive sensors, and a relative measuring device.

BACKGROUND BACKGROUND

L'invenzione riguarda un metodo per la misurazione senza contatto dello spessore di un materiale piatto (in particolare un film plastico prodotto in bolla) immerso nel campo elettrico di un condensatore. The invention relates to a method for the non-contact measurement of the thickness of a flat material (in particular a plastic film produced in a bubble) immersed in the electric field of a capacitor.

I principi per la misura dello spessore di film plastici mediante sensori capacitivi sono ben noti. Il film scorre a contatto con o lambisce la superficie di elettrodi di misura. Il campo elettrico incurvato generato in corrispondenza dei bordi delle armature del sensore capacitivo è attraversato dal film o viceversa, per cui la capacità del sensore risulta aumentata in funzione del valore della costante dielettrica del materiale di cui è costituito il film e in funzione dello spessore del film. Tale variazione di capacità viene rilevata ed elaborata da idonei circuiti elettronici, ben noti nella tecnica, e convertita in un segnale rappresentativo dello spessore del film. The principles for measuring the thickness of plastic films by means of capacitive sensors are well known. The film flows in contact with or laps the surface of measuring electrodes. The curved electric field generated at the edges of the capacitive sensor armatures is crossed by the film or vice versa, so that the sensor capacitance is increased as a function of the dielectric constant value of the material of which the film is made and as a function of the thickness of the film. movie. This change in capacitance is detected and processed by suitable electronic circuits, well known in the art, and converted into a signal representative of the thickness of the film.

Tali sensori largamente usati per film di materiali diversi, sono talvolta non idonei per la misurazione di film particolari come, per esempio, film fortemente adesivi, che non scivolano facilmente sopra le armature, o film aventi una superficie morbida e facilmente graffiabile a contatto col sensore capacitivo, o ancora film che devono avere particolari caratteristiche ottiche e di trasparenza, che per questo motivo non possono avere alcun graffio. These sensors, widely used for films of different materials, are sometimes unsuitable for measuring particular films such as, for example, strongly adhesive films, which do not slide easily over the armatures, or films having a soft and easily scratched surface in contact with the sensor. capacitive, or films that must have particular optical and transparency characteristics, which for this reason cannot have any scratches.

Sono stati sviluppati sensori capacitivi per misurare lo spessore di una pellicola o film a distanza controllata (cioè senza contatto) dalla superficie del film stesso. Uno schema di principio che illustra come misurare lo spessore di un film plastico prodotto in bolla è riportato nel documento WO2007048571 e mostrato in figura 1. Nella linea di estrusione 4, un film 2 prodotto in bolla o un film tubolare è estruso dalla trafila 1 nella direzione z. La bolla 2 è schiacciata dai rulli 5 e 6. Un sensore di misura dello spessore 3 di tipo capacitivo è posto all’esterno della bolla per misurare in maniera contactless lo spessore del film. Capacitive sensors have been developed to measure the thickness of a film or film at a controlled distance (i.e. without contact) from the surface of the film itself. A principle diagram illustrating how to measure the thickness of a blown plastic film is reported in document WO2007048571 and shown in figure 1. In the extrusion line 4, a blown film 2 or a tubular film is extruded from die 1 into the extrusion line 4. z direction. The bubble 2 is crushed by the rollers 5 and 6. A capacitive type thickness measurement sensor 3 is placed outside the bubble to measure the thickness of the film in a contactless manner.

La capacità misurata dipende non solo dallo spessore della pellicola ma anche dalla profondità del gap d’aria tra sensore capacitivo e spessore del materiale da misurare, perché il campo elettrico diventa più debole con l'aumentare della distanza del film dal sensore capacitivo. Per questa ragione, al fine di poter calcolare lo spessore della pellicola a partire dalla capacità misurata, l'ampiezza del gap d’aria deve essere piccolo, controllato, noto o misurato. The measured capacity depends not only on the thickness of the film but also on the depth of the air gap between the capacitive sensor and the thickness of the material to be measured, because the electric field becomes weaker as the distance of the film from the capacitive sensor increases. For this reason, in order to be able to calculate the thickness of the film starting from the measured capacity, the width of the air gap must be small, controlled, known or measured.

Una tecnica di questo tipo è illustrata nel brevetto EP 591239 B1, che riguarda un sensore capacitivo dotato di mezzi per generare attraverso opportune uscite uno strato (gap) d’aria in pressione tra il sensore e la pellicola o film. Il brevetto EP 591239 B1 descrive altresì dispositivi per controllare la pressione di tale gap d’aria interposto tra sensore e pellicola, la forza prodotta dal campo di pressione e varie modalità costruttive per mantenere l’altezza del gap d’aria interposto quanto è più possibile costante. Previa misurazione dell’altezza di tale gap d’aria, le misure di spessore potranno essere considerate valide solo quando rilevate in corrispondenza del gap stabilito e tollerato o introducendo opportuni algoritmi di compensazione basati sull’altezza del gap misurata. A technique of this type is illustrated in patent EP 591239 B1, which relates to a capacitive sensor equipped with means to generate through appropriate outputs a layer (gap) of air under pressure between the sensor and the film or film. Patent EP 591239 B1 also describes devices for controlling the pressure of this air gap interposed between sensor and film, the force produced by the pressure field and various construction methods to maintain the height of the interposed air gap as much as possible. constant. After measuring the height of this air gap, the thickness measurements can be considered valid only when detected at the established and tolerated gap or by introducing appropriate compensation algorithms based on the height of the measured gap.

Sfortunatamente, la variazione dello spessore del gap d’aria induce significativi errori di valutazione dello spessore della pellicola. Unfortunately, the variation in the thickness of the air gap induces significant errors in evaluating the thickness of the film.

Una tecnica di misura dello spessore di un film mediante un sensore capacitivo e senza contatto che prevede la misura della distanza tra superficie degli elettrodi e superficie del film ad essi affacciata è illustrata nel brevetto EP 1681531 B1, che descrive un sensore ottico che fornisce la misura della distanza tra le superfici affacciate del sensore e del film soggetto a misura di spessore. A technique for measuring the thickness of a film by means of a capacitive and non-contact sensor which provides for the measurement of the distance between the surface of the electrodes and the surface of the film facing them is illustrated in the patent EP 1681531 B1, which describes an optical sensor that provides the measurement the distance between the facing surfaces of the sensor and the film subject to thickness measurement.

Nel documento EP 801290 A2 è divulgata la tecnica di mantenere costante il gap tra sensore e film da misurare movimentando il sensore in accordo con gli spostamenti della superficie del film da misurare. Nel brevetto EP 801290 A2 la misura del gap d’aria è ricavata con sistema pressostatico. EP 801290 A2 discloses the technique of keeping the gap between the sensor and the film to be measured constant by moving the sensor in accordance with the displacements of the surface of the film to be measured. In patent EP 801290 A2 the measurement of the air gap is obtained with a pressure switch system.

È comunemente nota nel settore anche la tecnica che impiega un sensore capacitivo a bassissima inerzia flottante in campo equilibrato di pressione. In pratica l’allontanamento delle superfici affacciate del sensore e del film da misurare determina un calo di pressione sul lato del sensore prossimo al film da misurare. La pressione agente sul lato opposto del sensore determinerà una forza di spinta diretta nella direzione del film da misurare che indurrà un repentino spostamento del sensore che ristabilirà il corretto valore di pressione d’aria e altezza del gap. Un movimento del film in senso opposto determinerà al contrario un aumento di pressione e un conseguente arretramento del sensore, per cui il sistema risulta auto-adattativo. The technique which uses a capacitive sensor with very low inertia floating in a balanced pressure range is also commonly known in the sector. In practice, the removal of the facing surfaces of the sensor and the film to be measured causes a pressure drop on the side of the sensor next to the film to be measured. The pressure acting on the opposite side of the sensor will cause a direct thrust force in the direction of the film to be measured which will induce a sudden movement of the sensor which will re-establish the correct value of air pressure and height of the gap. On the contrary, a movement of the film in the opposite direction will cause an increase in pressure and a consequent retraction of the sensor, so that the system is self-adaptive.

La precisione della misura risulta però fortemente influenzata dall’inerzia del sensore capacitivo flottante. The accuracy of the measurement is however strongly influenced by the inertia of the floating capacitive sensor.

Recenti tecniche di misura dello spessore di un film mediante tecnica capacitiva senza contatto sono illustrate nei documenti EP 1318376 A2, EP 2089668 B1 e EP 2320191 A1. Recent techniques for measuring the thickness of a film by means of a non-contact capacitive technique are illustrated in documents EP 1318376 A2, EP 2089668 B1 and EP 2320191 A1.

Il documento EP 1318376 A2 descrive un metodo per ricavare lo spessore del film in funzione del rapporto tra le capacità di due sensori capacitivi piani affiancati che condividono un’armatura intermedia posta tra due armature estreme a distanze diverse dall’armatura intermedia. Document EP 1318376 A2 describes a method for obtaining the thickness of the film as a function of the ratio between the capacities of two flanked flat capacitive sensors that share an intermediate armature placed between two extreme armatures at different distances from the intermediate armature.

Tale metodo però non tiene conto del fatto che la stima fornita dello spessore del film dipende dall’altezza (incognita) del gap d’aria tra sensore e film. However, this method does not take into account the fact that the estimate provided of the film thickness depends on the height (unknown) of the air gap between the sensor and the film.

Il brevetto EP 2089668 B1 descrive una tecnica basata sulle misure di capacità di due condensatori allineati di dimensioni diverse tra loro e che condividono un’armatura, costituita da una piastra con fori di dimensioni diverse. Conoscendo a priori il gradiente di capacità dei due sensori rispetto allo spessore del film piatto, si può calcolare per via analitica o numerica lo spessore del film e l’altezza del gap d’aria. Patent EP 2089668 B1 describes a technique based on the capacitance measurements of two aligned capacitors of different sizes and sharing an armature, consisting of a plate with holes of different sizes. Knowing a priori the capacity gradient of the two sensors with respect to the thickness of the flat film, the thickness of the film and the height of the air gap can be calculated analytically or numerically.

Il documento EP2320191 A1 divulga un metodo per generare un gap di gas finemente diffuso grazie all’impiego di materiale poroso o microporoso. Document EP2320191 A1 discloses a method for generating a finely diffused gas gap thanks to the use of porous or microporous material.

Il documento WO2006015575 descrive tecniche per generazione di un gap d’aria a regime laminare tra un sensore capacitivo e pellicola soggetta a misura di spessore. Document WO2006015575 describes techniques for generating an air gap at laminar regime between a capacitive sensor and film subject to thickness measurement.

SOMMARIO SUMMARY

I documenti anteriori noti indurrebbero a ritenere che le misure contactless di spessore di un film laminato non possano essere eseguite in maniera accurata usando unicamente sensori capacitivi posti dalla stessa parte rispetto ad un film da misurare, in quanto lo spessore del gap d’aria tra il film e i sensori non può essere determinato con precisione e a costi sostenibili. The prior known documents would lead to believe that the contactless thickness measurements of a laminated film cannot be performed accurately using only capacitive sensors placed on the same side with respect to a film to be measured, since the thickness of the air gap between the films and sensors cannot be determined accurately and at an affordable cost.

La richiedente ha invece trovato che è possibile misurare in maniera semplice e accurata sia lo spessore del film che l’altezza del gap d’aria usando solo due sensori capacitivi identici posti dalla stessa parte rispetto ad un film da misurare. The applicant has instead found that it is possible to measure in a simple and accurate way both the thickness of the film and the height of the air gap using only two identical capacitive sensors placed on the same side with respect to a film to be measured.

Questo eccezionale risultato è ottenuto con un dispositivo di misura avente almeno: This exceptional result is obtained with a measuring device having at least:

una coppia di sensori capacitivi identici, ciascuno adatto a rilevare variazioni di capacità rispetto ad un valore di capacità di riferimento, dovute alla presenza di uno strato di materiale dielettrico lungo una rispettiva direzione di rilevazione del sensore e a generare un rispettivo segnale di rilevazione; a pair of identical capacitive sensors, each suitable for detecting changes in capacitance with respect to a reference capacitance value, due to the presence of a layer of dielectric material along a respective detection direction of the sensor and for generating a respective detection signal;

un supporto rigido avente almeno due sedi in cui sono rispettivamente installati i sensori capacitivi dalla stessa parte rispetto al film da misurare, tali sedi essendo configurate in modo che le direzioni di rilevazione dei sensori in esse installati siano parallele e abbiano lo stesso verso, e sono inoltre sfalsate l’una rispetto all’altra in modo che uno dei due sensori sia più vicino dell’altro lungo la direzione di rilevazione ad uno strato composto di un materiale dielettrico noto; a rigid support having at least two seats in which the capacitive sensors are respectively installed on the same side with respect to the film to be measured, these seats being configured so that the sensing directions of the sensors installed in them are parallel and have the same direction, and are furthermore offset relative to each other so that one of the two sensors is closer than the other along the detection direction to a layer composed of a known dielectric material;

mezzi di elaborazione dei segnali di rilevazione dei sensori, adatti a generare corrispondenti segnali di stima rappresentativi dello spessore del film. means for processing the detection signals of the sensors, suitable for generating corresponding estimation signals representative of the thickness of the film.

Preferibilmente, il supporto rigido ha inoltre per ciascun sensore almeno una porzione anulare prossimale che circonda il sensore stesso sulla quale è definito uno schieramento di fori di insufflazione di aria, orientati contro il film da misurare, e almeno una porzione distale sulla quale è definito almeno uno schieramento di fori di aspirazione di aria, gli schieramenti di fori di insufflazione e di aspirazione essendo separati da una parete di separazione la cui sommità definisce un profilo convesso raccordato di scorrimento laminare di un flusso d’aria che va dai fori di insufflazione ai fori di aspirazione.. Preferably, the rigid support furthermore has for each sensor at least one proximal annular portion surrounding the sensor itself on which an array of air insufflation holes is defined, oriented against the film to be measured, and at least one distal portion on which at least one distal portion is defined an array of air inlet holes, the arrays of insufflation and inlet holes being separated by a separation wall whose top defines a convex profile connected by laminar flow of an air flow that goes from the insufflation holes to the holes suction ..

Secondo una forma di realizzazione, il dispositivo di misura ha anche una coppia di elementi di guida identici disposti ai lati del dispositivo di misura, sui quali sono definiti i fori di aspirazione. According to an embodiment, the measuring device also has a pair of identical guide elements arranged on the sides of the measuring device, on which the suction holes are defined.

Il dispositivo di misura descritto implementa un relativo metodo di misura dello spessore di un film composto di un materiale dielettrico noto, comprendente le operazioni di: The described measuring device implements a relative method for measuring the thickness of a film composed of a known dielectric material, comprising the operations of:

disporre su un supporto rigido due sensori capacitivi identici, ciascuno adatto a rilevare variazioni di capacità, rispetto ad un valore di capacità di riferimento del sensore, dovute alla presenza di uno strato di materiale dielettrico lungo una rispettiva direzione di rilevazione del sensore e a generare un rispettivo segnale di rilevazione, i sensori essendo orientati in modo che le rispettive direzioni di rilevazione siano sostanzialmente parallele e abbiano lo stesso verso, che i due sensori stiano dalla stessa parte rispetto al film da misurare e che uno dei due sensori sia più vicino alla superficie libera del film da misurare rispetto all’altro sensore; arrange on a rigid support two identical capacitive sensors, each suitable for detecting changes in capacitance, with respect to a reference capacitance value of the sensor, due to the presence of a layer of dielectric material along a respective detection direction of the sensor and to generate a respective detection signal, the sensors being oriented so that the respective detection directions are substantially parallel and have the same direction, that the two sensors are on the same side with respect to the film to be measured and that one of the two sensors is closer to the free surface of the film to be measured with respect to the other sensor;

generare segnali di rilevazione rappresentativi delle variazioni di capacità dei due sensori quando la superficie libera del film è posta in prossimità dei sensori, rispetto alla capacità di riferimento dei sensori, preferibilmente rilevata quando nessun film è posto lungo la loro direzione di rilevazione; generating detection signals representative of the variations in capacitance of the two sensors when the free surface of the film is placed in proximity to the sensors, with respect to the reference capacitance of the sensors, preferably detected when no film is placed along their detection direction;

elaborare tali segnali di rilevazione per generare segnali rappresentativi della distanza tra la superficie libera del film e il sensore più vicino ad esso, e dello spessore del film di materiale dielettrico. processing such detection signals to generate signals representative of the distance between the free surface of the film and the sensor closest to it, and of the thickness of the film of dielectric material.

Le rivendicazioni come depositate sono parte integrante di questa divulgazione e sono qui incorporate per espresso riferimento. The claims as filed are an integral part of this disclosure and are incorporated herein by express reference.

BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

La figura 1 mostra uno schema di principio di misura dello spessore di un film plastico prodotto in bolla. Figure 1 shows a principle scheme for measuring the thickness of a plastic film produced in a blown film.

La figura 2 mostra uno schema di principio di misura dello spessore di un film plastico mediante due sensori capacitivi identici a diversa distanza dal film, secondo il metodo dell’invenzione. Figure 2 shows a principle scheme for measuring the thickness of a plastic film using two identical capacitive sensors at different distances from the film, according to the method of the invention.

La figura 3 mostra un dispositivo di misura secondo una forma di realizzazione dell’invenzione. Figure 3 shows a measuring device according to an embodiment of the invention.

La figura 4 è una vista in assonometria della piastra di montaggio del dispositivo di misura della figura 3. Figure 4 is an axonometric view of the mounting plate of the measuring device of Figure 3.

La figura 5 mostra un dispositivo di misura secondo un’altra forma di realizzazione dell’invenzione. Figure 5 shows a measuring device according to another embodiment of the invention.

La figura 6 è una vista in assonometria della piastra di montaggio del dispositivo di misura della figura 5. Figure 6 is an axonometric view of the mounting plate of the measuring device of Figure 5.

Le figure 7a, 7b, 7c, 7d mostrano un anello per un sensore capacitivo del dispositivo di misura di figura 3, provvisto di una prima serie di fori di insufflazione attraverso i quali soffiare aria contro un film e una seconda serie di fori di aspirazione. Figures 7a, 7b, 7c, 7d show a ring for a capacitive sensor of the measuring device of Figure 3, provided with a first series of blow holes through which to blow air against a film and a second series of suction holes.

Le figure 8a, 8b, 8c, 8d, 8e illustrano una forma di realizzazione di un supporto in cui installare l’anello mostrato nelle figure da 7a a 7d. Figures 8a, 8b, 8c, 8d, 8e illustrate an embodiment of a support in which to install the ring shown in figures 7a to 7d.

La figura 9 è una vista del dispositivo di misura di figura 3 installato sulla piastra di montaggio di figura 4. Figure 9 is a view of the measuring device of Figure 3 installed on the mounting plate of Figure 4.

Le figure 10a, 10b, 10c, 10d sono diverse viste del dispositivo di misura mostrato in figura 9. Figures 10a, 10b, 10c, 10d are different views of the measuring device shown in figure 9.

Le figure 11a, 11b, 11c, 11d, 11e, 11f, 11g, 11h illustrano una forma di realizzazione di un supporto per una coppia di sensori capacitivi provvisto di fori di insufflazione. Figures 11a, 11b, 11c, 11d, 11e, 11f, 11g, 11h illustrate an embodiment of a support for a pair of capacitive sensors provided with insufflation holes.

Le figure 12a, 12b, 12c, 12d, 12e, 12f, 12g mostrano una guida laterale sagomata e le figure 12h e 12i mostrano una piastra di chiusura che coopera con la guida laterale per generare un getto d’aria che lambisce il film lateralmente ai sensori. Figures 12a, 12b, 12c, 12d, 12e, 12f, 12g show a shaped lateral guide and figures 12h and 12i show a closing plate which cooperates with the lateral guide to generate a jet of air that laps the film laterally to the sensors.

La figura 13 è una vista del dispositivo di misura di figura 5 installato sulla piastra di montaggio di figura 6. Figure 13 is a view of the measuring device of Figure 5 installed on the mounting plate of Figure 6.

Le figure 14a, 14b, 14c, 14d sono diverse viste del dispositivo di misura mostrato in figura 13. Figures 14a, 14b, 14c, 14d are different views of the measuring device shown in figure 13.

La figura 15 è una vista laterale del dispositivo di misura mostrato in figura 13. La figura 16 è una vista in sezione del dispositivo di misura mostrato in figura 13. La figura 17 illustra il percorso seguito dal flusso d’aria generato dal dispositivo di misura mostrato in figura 13. Figure 15 is a side view of the measurement device shown in Figure 13. Figure 16 is a sectional view of the measurement device shown in Figure 13. Figure 17 illustrates the path followed by the air flow generated by the measurement device shown in figure 13.

DESCRIZIONE DETTAGLIATA DETAILED DESCRIPTION

Uno schema di principio che illustra il metodo dell’invenzione per misurare lo spessore di un film è riportato in figura 2. Secondo l’invenzione, si usano due sensori capacitivi identici, nel seguito indicati con SENS1 e SENS2, ciascuno adatto a rilevare la presenza di un materiale dielettrico quando posto in prossimità del sensore lungo una direzione di rilevazione. I sensori capacitivi SENS1 e SENS2 identici sono orientati in modo che le rispettive direzioni di rilevazione dir siano parallele e concordi, come schematicamente mostrato in figura 2, e sono posti a distanze diverse dal film da misurare. Più precisamente, il sensore SENS2 è arretrato di una lunghezza H rispetto al sensore SENS1, che è più vicino al film da misurare. Indicando con: A principle diagram illustrating the method of the invention for measuring the thickness of a film is shown in figure 2. According to the invention, two identical capacitive sensors are used, hereinafter referred to as SENS1 and SENS2, each suitable for detecting the presence of a dielectric material when placed near the sensor along a sensing direction. The identical capacitive sensors SENS1 and SENS2 are oriented so that the respective sensing directions dir are parallel and concordant, as schematically shown in figure 2, and are placed at different distances from the film to be measured. More precisely, the SENS2 sensor is set back by a length H with respect to the SENS1 sensor, which is closer to the film to be measured. Indicating with:

- S lo spessore del film da misurare, - S the thickness of the film to be measured,

- G la distanza tra il film e il sensore capacitivo SENS1 più vicino ad esso, ossia l’altezza del gap d’aria, - G the distance between the film and the capacitive sensor SENS1 closest to it, i.e. the height of the air gap,

- G+H la distanza tra il film e il sensore capacitivo SENS2 più lontano da esso, le capacità C1e C2dei due sensori capacitivi (rispettivamente di quello più vicino SENS1 e di quello più lontano SENS2 dal film) saranno in generale espresse da equazioni del tipo: - G + H the distance between the film and the capacitive sensor SENS2 farthest from it, the capacities C1 and C2 of the two capacitive sensors (respectively the closest one SENS1 and the one furthest SENS2 from the film) will in general be expressed by equations of the type :

cioè saranno una funzione f(., .) dello spessore del film da misurare e della distanza tra il film e il rispettivo sensore. È da notare che la funzione f(., .), che è tipicamente riportata almeno graficamente (se non addirittura approssimata in forma analitica) sul foglio delle specifiche dei sensori capacitivi o che è comunque ricavabile mediante ripetuti test di laboratorio, è la stessa per le due capacità C1e C2perché i sensori capacitivi sono identici. Conoscendo quindi la distanza H, ad esempio determinata con precisione in fase di montaggio dei sensori su un medesimo supporto rigido, è sufficiente misurare le due capacità C1e C2per ottenere due equazioni nelle due incognite G e S, che possono così essere calcolate. that is, they will be a function f (.,.) of the thickness of the film to be measured and of the distance between the film and the respective sensor. It should be noted that the function f (.,.), Which is typically reported at least graphically (if not even approximated in analytical form) on the specification sheet of capacitive sensors or which can in any case be obtained through repeated laboratory tests, is the same for the two capacitances C1 and C2 because the capacitive sensors are identical. Knowing therefore the distance H, for example determined with precision when mounting the sensors on the same rigid support, it is sufficient to measure the two capacities C1 and C2 to obtain two equations in the two unknowns G and S, which can thus be calculated.

Tali misure di capacità ad esempio possono essere effettuate con elevatissima precisione forzando attraverso i sensori capacitivi una corrente alternata di ampiezza e frequenza prestabilite e rilevando l’ampiezza della tensione alternata su di essi. Such capacitance measurements, for example, can be carried out with very high precision by forcing an alternating current of predetermined amplitude and frequency through the capacitive sensors and detecting the amplitude of the alternating voltage on them.

Equazioni che esprimono la caratteristica di capacità del sensore in diverse condizioni di misura al variare dello spessore S, dell’altezza G del gap d’aria e della costante dielettrica del materiale di cui è costituito il film, sono tipicamente reperibili nei datasheet o agevolmente estrapolabili dal tecnico esperto da risultati di specifici test di laboratorio. Ad esempio, qualora si volesse misurare lo spessore di un film tubolare in bolla composto di materiale estruso, bisognerà necessariamente operare in maniera contactless per non danneggiare il film e/o per impedire che esso, ancora caldo dopo l’estrusione, tocchi il sensore o un qualsiasi altra parte rigida. In tal caso, preliminarmente bisognerà conoscere la caratteristica f(G, S) dai datasheet dei sensori capacitivi utilizzati, oppure (se non riportata) si porranno film di costante dielettrica e spessore noti dapprima a contatto col sensore e successivamente a varie distanze dal sensore determinando, eventualmente in forma numerica, la caratteristica f(G, S). Equations that express the capacitance characteristic of the sensor in different measurement conditions as the thickness S, the height G of the air gap and the dielectric constant of the material of which the film is made vary, are typically available in the datasheets or can be easily extrapolated. by the expert technician from the results of specific laboratory tests. For example, if you want to measure the thickness of a blown tubular film composed of extruded material, it will necessarily be necessary to operate in a contactless manner in order not to damage the film and / or to prevent it, still hot after extrusion, from touching the sensor or any other rigid part. In this case, it will be necessary to first know the characteristic f (G, S) from the datasheets of the capacitive sensors used, or (if not reported) films with known dielectric constant and thickness will be placed first in contact with the sensor and subsequently at various distances from the sensor, determining , possibly in numerical form, the characteristic f (G, S).

Sono attualmente disponibili sul mercato numerosissimi sensori capacitivi, già impiegati nei dispositivi simili noti per misurare lo spessore di film plastici, che possono validamente essere utilizzati anche nel dispositivo di misura dell’invenzione. Convenientemente, si possono usare due sensori capacitivi identici ad esempio aventi un range di misura di 5 mm e area sensibile di misura con un diametro 12.6 mm. There are currently a large number of capacitive sensors available on the market, already used in similar devices known to measure the thickness of plastic films, which can also be validly used in the measuring device of the invention. Conveniently, two identical capacitive sensors can be used, for example having a measuring range of 5 mm and a sensitive measuring area with a diameter of 12.6 mm.

Idealmente, i due sensori capacitivi dovrebbero essere coassiali ed operare la misura sulla stessa porzione di film. Se ciò non è possibile, i due sensori capacitivi saranno necessariamente distanziati tra loro: in tal caso si presumerà che lo spessore S del film sia uguale in corrispondenza di entrambi i sensori. Ideally, the two capacitive sensors should be coaxial and measure on the same portion of film. If this is not possible, the two capacitive sensors will necessarily be spaced apart: in this case it will be assumed that the thickness S of the film is the same at both sensors.

Dato che la caratteristica f(., .) dei sensori è nota solo in forma approssimata, è conveniente effettuare le misure di spessore S mantenendo il film ad un’altezza G prestabilita. Tale altezza G può essere stimata nel modo mostrato sopra e regolata mediante opportuni mezzi controllati soffianti/aspiranti. Given that the characteristic f (.,.) Of the sensors is known only in an approximate form, it is convenient to carry out thickness measurements S by keeping the film at a predetermined height G. This height G can be estimated in the manner shown above and adjusted by suitable controlled blowing / sucking means.

Per effettuare questo tipo di misure si impiegheranno mezzi per generare attraverso opportune uscite uno strato controllato d’aria in pressione tra sensori e film e mezzi per aspirare il flusso d’aria su opportune superfici di scorrimento. To carry out this type of measurements, means will be used to generate a controlled layer of air under pressure between sensors and films and means for sucking the air flow on suitable sliding surfaces through appropriate outlets.

Nel seguito sono presentate due differenti forme di realizzazione esemplificative di un dispositivo di misura 3a e 3b che implementa il metodo dell’invenzione, provvisto di mezzi per generare un gap d’aria e per controllarne l’altezza G. Below are presented two different exemplary embodiments of a measuring device 3a and 3b that implements the method of the invention, provided with means to generate an air gap and to control its height G.

Una prima forma di realizzazione del dispositivo di misura 3a è mostrata nelle figure 3, 4, 7-10. Esso ha anelli 7 (figure 7a-7d), destinati ad essere installati sul supporto rigido 11a, che circondano i sensori capacitivi SENS1 e SENS2 che, nell’esempio mostrato, sono circolari. Ciascuno di tali anelli 7 ha una serie di fori 8 disposti perimetralmente sulla circonferenza esterna. Un labbro toroidale 9 concentrico ad ogni sensore separa la serie di fori di aspirazione 8 da una seconda serie di fori di insufflazione 10. Quando in funzione, il flusso d’aria attraverso i fori di insufflazione 10 e i fori di aspirazione 8 genera sul labbro toroidale 9 un gap d’aria perimetrale a pressione e di altezza controllate. A first embodiment of the measuring device 3a is shown in Figures 3, 4, 7-10. It has rings 7 (figures 7a-7d), intended to be installed on the rigid support 11a, which surround the capacitive sensors SENS1 and SENS2 which, in the example shown, are circular. Each of these rings 7 has a series of holes 8 arranged perimetrically on the external circumference. A toroidal lip 9 concentric to each sensor separates the series of suction holes 8 from a second series of insufflation holes 10. When in operation, the flow of air through the insufflation holes 10 and the suction holes 8 generates on the toroidal lip 9 a perimeter air gap at controlled pressure and height.

I sensori sono alloggiati insieme agli anelli 7 sul supporto rigido 11a (figure 8a-8e) dotato di corrispondentisedi cilindriche cave 12. La parete di fondo su cui poggiano i sensori sono caratterizzate dall’avere profondità tra loro differenti o così ottenute per mezzo di distanziali interposti, che permettono il posizionamento dei due sensori sfalsati a distanza differenziale nota dalla superficie libera del film da misurare. Tale distanza differenziale può essere convenientemente rilevata in laboratorio e caratterizzata per la coppia di sensori costituenti il dispositivo di misura a due sensori capacitivi, basandosi su misure di capacità effettuate dai due sensori su campioni di film di spessore noto in condizioni ben definite. The sensors are housed together with the rings 7 on the rigid support 11a (figures 8a-8e) equipped with corresponding hollow cylindrical seats 12. The bottom wall on which the sensors rest are characterized by having different depths between them or thus obtained by means of spacers interposed, which allow the positioning of the two staggered sensors at a known differential distance from the free surface of the film to be measured. This differential distance can be conveniently detected in the laboratory and characterized by the pair of sensors constituting the measuring device with two capacitive sensors, based on capacitance measurements carried out by the two sensors on film samples of known thickness under well-defined conditions.

La figura 9 è una vista da dietro del dispositivo di misura di figura 3 installato sulla piastra di montaggio 13 di figura 4. Le figure 10a, 10b, 10c, 10d sono viste prese da diversi punti del dispositivo di misura 3a di figura 3. Figure 9 is a rear view of the measuring device of figure 3 installed on the mounting plate 13 of figure 4. Figures 10a, 10b, 10c, 10d are views taken from different points of the measuring device 3a of figure 3.

Un’altra forma 3b di realizzazione del dispositivo di misura dell’invenzione è mostrata nelle figure 5, 6, 11-17. In questa forma di realizzazione, i due sensori capacitivi SENS1 e SENS2 circolari sono inseriti in un supporto 11b (figure 11a-11h) in cui sono ricavate rispettive sedi cilindriche cave 12. Una serie di fori perimetrali di insufflazione 10 realizzati sul supporto 11b, analoghi a quelli che circondano ciascun sensore nella prima forma di realizzazione, generano un flusso d’aria in pressione attorno ad ognuno dei due sensori. Another embodiment 3b of the measurement device of the invention is shown in figures 5, 6, 11-17. In this embodiment, the two circular capacitive sensors SENS1 and SENS2 are inserted in a support 11b (Figures 11a-11h) in which respective hollow cylindrical seats 12 are obtained. A series of perimeter insufflation holes 10 made on the support 11b, similar to those surrounding each sensor in the first embodiment, generate a pressurized air flow around each of the two sensors.

La camera in pressione 14 ricavata nel retro del supporto 11a alimenta sia le cavità 12 di alloggiamento dei sensori, sia due guide laterali 15 identiche, del tipo mostrato nelle figure 12a-12g con le relative piastre di chiusura 16 mostrate nelle figure 12h e 12i. Tali guide laterali 15 sono poste sui lati sinistro e destro del supporto 11a e sono provviste di fori di aspirazione 8 che, insieme ai fori di insufflazione 10, generano getti d’aria che scorrono sulle superfici raccordate delle guide laterali. Le figure 15 e 16 mostrano rispettivamente una vista laterale e una vista in sezione del dispositivo di misura mostrato in figura 13. The pressure chamber 14 obtained in the rear of the support 11a feeds both the sensor housing cavities 12 and two identical lateral guides 15, of the type shown in figures 12a-12g with the relative closing plates 16 shown in figures 12h and 12i. These side guides 15 are placed on the left and right sides of the support 11a and are provided with suction holes 8 which, together with the insufflation holes 10, generate jets of air that flow on the joined surfaces of the side guides. Figures 15 and 16 show respectively a side view and a sectional view of the measuring device shown in Figure 13.

Nel dispositivo di misura di figura 13, i fori di insufflazione 10 e i fori di aspirazione 8 determinano un flusso d’aria laminare diretto dall’interno del supporto verso l’esterno di esso, come illustrato dalle frecce in figura 17. Tale flusso d’aria lambisce il film da misurare, quindi scorre sulle pareti incurvate delle guide per effetto Coanda e viene aspirato attraverso i fori di aspirazione 8 che, con le piastre di chiusura 16 delle figure 12h e 12i, determinano rispettive lamine d’aria di aspirazione che vengono scaricate sul retro del dispositivo di misura. In the measurement device of figure 13, the insufflation holes 10 and the suction holes 8 determine a laminar air flow directed from the inside of the support towards the outside of it, as illustrated by the arrows in figure 17. This flow of air air touches the film to be measured, then flows on the curved walls of the guides due to the Coanda effect and is sucked through the suction holes 8 which, with the closing plates 16 of figures 12h and 12i, determine respective sheets of suction air which are downloaded on the back of the measuring device.

Il flusso laminare quindi aderisce alle superfici delle guide laterali ed è aspirato esternamente alle guide. Sull’intera superficie delle guide laterali viene così realizzato un flusso in depressione controllata esercitante una forza di attrazione periferica sul film da misurare. Il film è invece spinto al centro dal flusso in pressione generato attorno ai sensori. The laminar flow then adheres to the surfaces of the lateral guides and is sucked externally to the guides. On the entire surface of the lateral guides, a controlled vacuum flow is thus created, exerting a peripheral attraction force on the film to be measured. The film is instead pushed to the center by the pressure flow generated around the sensors.

Questa particolare forma di realizzazione risulta molto efficace per ottenere una regolazione semplice e raffinata dell’altezza G del gap d’aria. This particular embodiment is very effective for obtaining a simple and refined adjustment of the height G of the air gap.

La figura 13 è una vista da dietro del dispositivo di misura 3b di figura 5 installato sulla piastra di montaggio 13 di figura 6. Le figure 14a, 14b, 14c, 14d sono viste prese da diversi punti del dispositivo di misura 3b di figura 5. Figure 13 is a rear view of the measuring device 3b of figure 5 installed on the mounting plate 13 of figure 6. Figures 14a, 14b, 14c, 14d are views taken from different points of the measuring device 3b of figure 5.

Anche in questo caso valgono le note costruttive sulla distanza differenziale tra i sensori e sulla loro caratterizzazione in coppia descritte per la forma di realizzazione precedente. Also in this case the constructive notes on the differential distance between the sensors and on their characterization in pairs described for the previous embodiment are valid.

Entrambe le forme di realizzazione sono poi dotate di un sistema di misurazione della pressione generata tra le parti. Inoltre in entrambe le forme di realizzazione illustrate i supporti che alloggiano i sensori sono sostenuti da idonee celle di carico (non mostrate) adatte a rilevare la forza esercitata tra le parti. Both embodiments are then equipped with a system for measuring the pressure generated between the parts. Furthermore, in both embodiments illustrated the supports which house the sensors are supported by suitable load cells (not shown) suitable for detecting the force exerted between the parts.

Claims

CLAIMS 1. Device for measuring thicknesses of films composed of known dielectric material, having at least: a pair of identical capacitive sensors (SENS1, SENS2), each suitable for detecting changes in capacitance, with respect to a corresponding reference capacitance value of the sensor, due to the presence of a layer of dielectric material along a detection direction of the sensor and to generate a respective detection signal; a rigid support on which at least two seats (12) are made in which the capacitive sensors (SENS1, SENS2) are respectively installed on the same side with respect to said film, said seats (12) being configured so that the detection directions (dir ) of the sensors installed in them are substantially parallel and have the same direction, and so that one of the two sensors (SENS1) is closer than the other (SENS2) along the detection direction to a film composed of a known dielectric material; means for processing the detection signals of said sensors (SENS1, SENS2), suitable for generating corresponding signals for estimating the thickness of said film.

2. Measuring device according to claim 1, wherein the rigid support is further provided, for each sensor, with at least one proximal annular portion surrounding the sensor itself on which an array of oriented air insufflation holes (10) is defined against said film, and of at least a distal portion on which at least one array of air intake holes (8) is defined, the array of blow holes (10) being separated from the array of intake holes (8) by at least one separation wall the top of which defines a convex joined profile for laminar flow of an air flow from the insufflation holes (10) to the suction holes (8); said insufflation (10) and suction (8) holes being communicating with respective air inflow and outflow openings of the rigid support.

3. Measuring device according to claim 2, comprising a rigid annular element (7), detachable from said rigid support, on which said proximal portion with said array of insufflation holes (10), said distal portion with said array of suction holes (8) and said separation wall (9).

4. Measuring device according to claim 2, comprising two identical lateral guide elements (15), detachable from said rigid support (11b), on which respective arrays of said suction holes (8) are defined.

5. Method for measuring the thickness of a film composed of a known dielectric material, comprising the operations of: arrange on a rigid support two identical capacitive sensors, each suitable for detecting changes in capacitance, with respect to a corresponding reference capacitance value of the sensor, due to the presence of a layer of dielectric material along a respective detection direction of the sensor and to generate a respective detection signal, the sensors being oriented so that the respective detection directions are substantially parallel and have the same direction, that the two sensors are on the same side with respect to the film to be measured and that one of the two sensors is closer to the surface free of the film to be measured with respect to the other sensor; generating detection signals representative of the variations in capacitance of the two sensors when the free surface of the film is placed in proximity to the sensors, with respect to the reference capacitance of the sensors; processing such detection signals to generate signals representative of the distance between the free surface of the film and the sensor closest to it, and the thickness of the film of dielectric material.

The method according to claim 5, wherein said reference capacitance of the sensors is a sensed no-load capacitance when no film is placed along their sensing direction.