Pierwszenstwo: Zgloszenie ogloszono: 30.05.1973 Opis patentowy opublikowano: 30.12.1974 73042 KI. 42b,12/03 MKP GOlb 7/06 CZY iLLNIA Urzedu Patentowego| PilsktB| IzecTtposp^ *e| Luumj Twórca wynalazku: Witold Tomaszewski Uprawniony z patentu tymczasowego: Zjednoczone Zaklady Urzadzen Jadrowych „Polon", Warszawa (Polska) Uklad do termoelektrycznego pomiaru grubosci powlok galwanicznych, zwlaszcza niklowych Przedmiotem wynalazku jest uklad do termoelek¬ trycznego pomiaru grubosci powlok galwanicznych, zwlaszcza niklowych, przeznaczony do stosowania w urzadzeniach pomiarowych typu laboratoryjno- -przemyslowego.Urzadzenie pomiarowe z ukladem elektrycznym wedlug wynalazku umozliwia praktyczne wykorzy¬ stanie znanego sposobu okreslania grubosci powlok galwanicznych w oparciu o metode termoelektrycz¬ na.Znanym urzadzeniem tego typu jest miernik be¬ dacy przedmiotem opisu patentowego angielskiego nr 768448. Uklad elektryczny tego urzadzenia odbie¬ ga znacznie od ukladu bedacego przedmiotem wy¬ nalazku i nie jest w stanie zapewnic odpowiednich wlasnosci metrologicznych calego urzadzenia jako przyrzadu pomiarowego o znaczeniu praktycznym.Ponadto obecnosc dwóch czujników pomiarowych o róznym rozwiazaniu konstrukcyjnym, wymagaja¬ cych jednoczesnego stosowania, powoduje niedogod¬ nosci w wykonywaniu pomiaru i w znaczny sposób ogranicza mozliwosc stosowania tego urzadzenia, szczególnie przy pomiarach dokonywanych na ma¬ lych powierzchniach. Zasadnicze wady tego urza¬ dzenia wynikaja z braku mozliwosci odpowiednie¬ go wzmocnienia sygnalu pomiarowego, wynikajacej z prostoty ukladu oraz z niedogodnosci w ustaleniu zakresów pomiarowych za pomoca posiadanych or¬ ganów regulacyjnych.Inne urzadzenie, którego dzialanie opiera sie na ia 15 20 25 30 wykorzystaniu metody termoelektrycznej i przezna¬ czone jest do pomiaru grubosci powlok galwanicz¬ nych, przedstawione jest w publikacji P.M. Reyl- olds'a pt. „Non — destructive method of gauging electrodeposited nickel layers" — Journal of Scien- tific Instruments, vol. 38, August 1961.Urzadzenie to charakteryzuje sie zastosowaniem tylko jednego czujnika pomiarowego, wspólpracu¬ jacego z odpowiednim ukladem elektrycznym, któ¬ rego dzialanie eliminuje koniecznosc stosowania drugiego czujnika i pozwala na uzyskanie wymaga¬ nego wzmocnienia sygnalu mierzonego. Odczytu wartosci mierzonej dokonuje sie na mierniku elek¬ trycznym, znajdujacym sie na koncu toru pomiaro¬ wego i wyskalowanym w oparciu o wskazania uzy¬ skane dla wzorców grubosci powloki niklowej.Ogólny uklad elektryczny tego urzadzenia posiada wyzszosc koncepcyjna nad rozwiazaniem wedlug opisu patentowego angielskiego nr 768448, ale mier¬ nik oparty na tym ukladzie w duzej mierze jest podatny na wplyw takich czynników zaklócajacych jak zmiany temperatury, zmiany wspólczynnika wzmocnienia, nieliniowosc toru wzmacniacza oraz zmiany napiec zasilania mimo, ze mamy w nim do czynienia z wysokostabilnymi zródlami napiec sta¬ lych.Znany jest równiez wynalazek bedacy przedmio¬ tem opisu patentowego polskiego nr 63943. W ukla¬ dzie wedlug tego wynalazku, kompensacje przepro¬ wadza sie w jednym z ostatnich czlonów urzadze- 73 04273 042 nia pomiarowego, co wprawdzie nie wymaga sto¬ sowania zródel napiecia stalego o wysokiej stabil¬ nosci, ale ma te podstawowa wade, ze odbywa sie to przy duzym poziomie wlasciwego sygnalu i du¬ zych napieciach pochodzacych od przebiegów nie¬ pozadanych, co pociaga za soba potrzebe czestych manipulacji pokretlami oraz daje stosunkowo duze uchyby. Dodatkowa niedogodnoscia tego ukladu jest zastosowanie przetwornika mechaniczno-elektrycz- nego do przeksztalcania stalego sygnalu otrzymywa¬ nego z czujnika. Uklad ten mial swoja praktyczna zalete w tym, ze umozliwial budowe przyrzadów pomiarowych, gdy nie byly jeszcze rozpracowane zródla napiecia stalego o wysokiej dokladnosci.Biorac powyzsze pod uwage, nalezy stwierdzic, ze znane dotychczas przyrzady do pomiaru grubosci powlok galwanicznych i ich uklady pomiarowe mia¬ ly kazdy z nich innego rodzaju wady, które w prak¬ tyce czynily te przyrzady nieprzydatnymi w prze¬ mysle.Celem wynalazku jest usuniecie wymienionych wy¬ zej wad i niedogodnosci oraz dalszy postep w stanie techniki pomiarowej w dziedzinie zastosowania me¬ tody termoelektrycznej do pomiaru grubosci powlok galwanicznych przez opracowanie takiego ukladu, który by umozliwial okreslanie grubosci róznorod¬ nych powlok nalozonych zarówno na podlozu ma¬ gnetycznym jak i niemagnetycznym w sposób wy¬ godny w warunkach eksploatacyjnych przyjetych dla urzadzen typu laboratoryjno-przemyslowego, ze stabilnoscia pozwalajaca na wzorcowanie w odste¬ pach czasu minimum co trzy godziny, oraz bez na¬ ruszenia powloki galwanicznej w miejscu pomiaru.Powyzszy cel zostal osiagniety poprzez opracowa¬ nie ukladu pomiarowego zlozonego ze znanych czlonów polaczonych w okreslonej kolejnosci i skla¬ dajacego sie z czujnika termoelektrycznego, most¬ ka kompensacyjnego, modulatora, wzmacniacza oraz demodulatora, przy czym pomiedzy modulator i de¬ modulator podlaczony jest generator kluczujacy. Na koncu tego ukladu wystepuje miernik elektryczny wlaczony w petle ujemnego sprzezenia zwrotnego, uzyskiwanego na rezystorze umieszczonym pomie¬ dzy mostkiem kompensacyjnym a modulatorem.Petla ujemnego sprzezenia zwrotnego obejmuje mo¬ dulator, wzmacniacz i demodulator. Uklad ten wy¬ posazony jest w elementy regulacyjne oraz zasila¬ cze, przy czym organy regulujace kompensacji i ze¬ rowania zasilane sa z jednego i tego samego stabili¬ zowanego zródla napiecia odniesienia.Techniczno-uzytkowe zalety wynalazku polegaja na umozliwieniu budowy — w oparciu o wynala¬ zek — urzadzenia pomiarowego typu laboratoryjno- -przemyslowego, realizujacego w sposób praktyczny i dogodny w okreslonych warunkach eksploatacyj¬ nych stosowanie termoelektrycznej metody pomiaru grubosci powlok galwanicznych. Te techniczno-uzyt¬ kowe zalety wynalazku wynikaja przede wszystkim z okreslonej konfiguracji ukladowej.Umieszczenie ukladu kompensacji tuz za czujni¬ kiem, czyli na wejsciu toru pomiarowego, stwarza te dogodnosc, ze nastepuje tu juz kompensacja na¬ piecia pochodzacego od plytki wzorcowej podkladu i w dalszych stopniach ma sie do czynienia tylko z sygnalem odpowiadajacym grubosci powloki na¬ niesionej na wymieniony podklad, co pozwala na wlasciwe wykorzystanie dalszych stopni ukladu tylko do wzmacniania pozadanego sygnalu. Wymaga to wprawdzie stosowania zasilacza wysokostabilne- 5 go, ale te z rozwojem techniki zostaly rozpracowa¬ ne teoretycznie i praktycznie. W ukladzie wedlug wynalazku zastosowano wzmacniacz z przetwarza¬ niem rozrózniajacy faze sygnalu, skladajacy sie z modulatora, wzmacniacza, demodulatora i generato¬ ra, co ma te zalete w porównaniu ze znanymi do¬ tychczas ukladami, ze umozliwia eliminacje prze¬ twornika mechanicznego, który to przetwornik uste¬ puje swymi wlasciwosciami przetwornikowi elek¬ tronowemu.Najwazniejsza zaleta jednak przedmiotowego wy¬ nalazku jest to, ze zastosowano w nim ujemne sprzezenie zwrotne obejmujace petla w zasadzie caly uklad poczawszy od miernika wyjsciowego poprzez modulator, wzmacniacz i demodulator, któ¬ re wplywa stabilizujaco na pomiar mierzonej wiel¬ kosci, co eliminuje lub w istotny sposób zmniejsza wplyw takich czynników zaklócajacych pomiar jak: zmiany temperatury, zmiany wspólczynnika wzmoc¬ nienia, zmiany napiecia zasilania, nieliniowosci toru wzmacniacza, dryf zera modulatora i demodulato¬ ra itp., a co wynika z ogólnej teorii sprzezenia zwrotnego. W praktyce pomiarowej objawia sie to znacznym wydluzeniem przedzialu czasu miedzy kolejnymi kalibracjami przyrzadu oraz powieksze¬ niem dokladnosci wskazan przyrzadu. Dzieki przed¬ miotowemu rozwiazaniu ukladu jak w wynalazku, stalo sie równiez mozliwym zasilanie organów re¬ gulacyjnych kompensacji i zerowania z jednego stabilizowanego zródla napiecia odniesienia, co ma te zalete nad innymi rozwiazaniami, ze do tego celu wystarczy tylko jedno zródlo zasilania. Ponadto za¬ stosowane w ukladzie wedlug wynalazku czlony elektroniki sa typowe dla ukladów spotykanych w automatyce, co stwarza przeslanki do unifikacji i normalizacji aparatury pomiarowej.Przedmiot wynalazku uwidoczniony jest w przy¬ kladzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schemat blokowy, a fig. 2 — schemat ideowy.Uklad blokowy przedstawiony na fig. 1 stanowi: czujnik termoelektryczny C, mostek kompensacyjny K, rezystor sprzezenia zwrotnego R, modulator M, wzmacniacz W, demodulator D, generator G, mier¬ nik elektryczny E w petli sprzezenia zwrotnego oraz zasilacz Z. W ukladzie wedlug wynalazku czujnik termoelektryczny ma za zadanie odebrac sygnal po¬ miarowy, powstaly w momencie gdy do powloki galwanicznej zostaje przylozona sonda pomiarowa, zakonczona specjalna elektroda grzejna o ustalonej temperaturze.Wówczas to pomiedzy metalem podloza i powloka wytwarza sie róznica potencjalów, której wartosc zalezna jest od grubosci tej powloki galwanicznej.Zjawisko to polega na powstawaniu termoogniwa utworzonego z metalu podloza oraz powloki. Ponie¬ waz temperatura na styku powloka-podloze zalezy od grubosci warstwy powloki znajdujacej sie pod elektroda grzejna, stad tez wytworzona sila termo¬ elektryczna jest równiez odpowiednio funkcja tej grubosci. Wartosc wytworzonej w czasie pomiaru sily 15 20 25 30 35 40 45 50 55 605 73 042 6 termoelektrycznej mierzona jest za pomoca ukladu elektronicznego, skladajacego sie z mostka kompen¬ sacyjnego K, rezystora sprzezenia zwrotnego R, mo¬ dulatora M, wzmacniacza W, demodulatora D, ge¬ neratora G, miernika elektrycznego E i zasilacza Z.Mostek kompensacyjny K sluzy do kompensacji skladowej sygnalu, pochodzacej od podkladu powlo¬ ki, a rezystor R sluzy do uzyskania ujemnego sprze¬ zenia zwrotnego pradowego podawanego na wejscie ukladu w szereg z napieciem wejsciowym. Zada¬ niem modulatora M jest zamiana napiecia stalego reprezentujacego sygnal otrzymany z czujnika na napiecie zmienne i podanie go do wzmacniacza W.Po wzmocnieniu we wzmacniaczu W sygnal prze¬ mienny w demodulatorze D, zostaje przeksztalcony z powrotem na napiecie stale proporcjonalne do na- . piecia wejsciowego, w takt kluczujacego napiecia prostokatnego z multiwibratorowego generatora G.Miernik E umieszczony na koncu toru pomiarowego i wlaczony w petle ujemnego sprzezenia zwrotnego wskazuje wynik pomiaru. Caly uklad jest zasilany z zasilacza Z.Uklad ideowy wedlug wynalazku pokazany na fig. 2 stanowia: czujnik termoelektryczny C, które¬ go zasadnicze elementy sa uwidocznione w postaci centralnej elektrody e, oraz elektrycznego grzejni¬ ka g. Zlacze z sluzy do polaczenia czujnika C z po¬ zostalymi elementami ukladu. Elementy Ri i R2 w mostku kompensacyjnym K sluza odpowiednio do kompensacji i zerowania ukladu pomiarowego. Re¬ zystor R sluzy do uzyskania ujemnego sprzezenia zwrotnego, przy czym przez jego regulacje osiaga sie zmiane zakresu pomiarowego. 10 13 20 25 30 Modulator M jest kluczowany impulsami prosto¬ katnymi z multiwibratora G. Trójstopniowy wzmac¬ niacz napiecia zmiennego zakonczony wtórnikiem emiterowym daje wzmocnienie rzedu 104 V/V. De¬ modulator D kluczowany jest impulsami z tego sa¬ mego generatora G, co modulator M i zakonczony jest on miernikiem pradu E wlaczonym w galaz ujemnego sprzezenia zwrotnego. PL