RU2085831C1

RU2085831C1 - Measuring device

Info

Publication number: RU2085831C1
Application number: RU94006675A
Authority: RU
Inventors: Б.П. Фридман; В.С. Жернаков
Original assignee: Уфимский государственный авиационный технический университет
Priority date: 1994-02-23
Filing date: 1994-02-23
Publication date: 1997-07-27

Abstract

FIELD: measurement technology. SUBSTANCE: proposed measuring device incorporates probe-grip 1 with conductive base 2, nonconductive coat 3 subject to integral thickness metering, probe 4, coaxial cables 5 and 6, high-frequency bridge 7, amplifier 8, detector 9 and indicator 10. Balanced transformer 11 is connected to A.C. generator 12. Device also includes limiting resistors 13, 14, potentiometer 15, semi-variable 16 and constant 17 capacitors, resistor magazine 18, capacitor magazine 19, case 20, elastic bushing 21, cover 23 made from insulation material and dielectric handle 24. EFFECT: enhanced resolving power and stability of results of conducted measurements, widened working life of measurement system, simplified design of its capacitive-conversion part. 1 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для оперативного контроля среднеинтегрального значения толщины неравномерных защитных покрытий на поверхности металлических изделий. The invention relates to measuring technique and can be used for operational control of the average integral value of the thickness of uneven protective coatings on the surface of metal products.

Известно измерительное устройство, содержащее емкостный преобразователь, выполненный в виде двух щупов, и соединенный с преобразователем посредством коаксиального кабеля канал измерения, составленный последовательно соединенными комплексным высокочастотным мостом, усилителем, амплитудно-фазовым детектором и индикатором. A measuring device is known, comprising a capacitive transducer made in the form of two probes, and a measuring channel connected to the transducer by means of a coaxial cable, made up of a complex high-frequency bridge, an amplifier, an amplitude-phase detector, and an indicator connected in series.

Недостатком этого устройства является его непригодность для контактной толщинометрии нетвердых изделий при полной неспособности измерения среднеинтегрального значения толщины на определенной площади контролируемого объекта. The disadvantage of this device is its unsuitability for contact thickness measurement of non-solid products with complete inability to measure the average integral value of the thickness on a certain area of the controlled object.

Наиболее близким к изобретению является измерительное устройство, которое содержит емкостный преобразователь, выполненный в виде двух щупов, и соединенный с преобразователем посредством коаксиального кабеля канал измерения, составленный последовательно включенными комплексным высокочастотным мостом, усилителем, амплитудно-фазовым детектором и стрелочным индикатором, причем один из щупов выполнен в виде захвата, предназначенного для подсоединения к основанию, на которое нанесено исследуемое покрытие, а второй щуп выполнен плоскостно распределенным с плавно изменяемой эластичностью и составлен диамагнитным цилиндром, на основание которого натянута полимерная пленка с металлизированным покрытием, на противоположном конце цилиндра размещена крышка-штуцер, полость цилиндра разделена тарельчатой диафрагмой, положение которой регулируется винтом-толкателем, установленным в крышке и контактирующим с ней через упругий элемент, а в полость цилиндра между полимерной пленкой и диафрагмой введена тонкая суспензия. Closest to the invention is a measuring device that contains a capacitive transducer made in the form of two probes, and connected to the transducer via a coaxial cable, a measurement channel composed of series-connected complex high-frequency bridge, amplifier, amplitude-phase detector and dial indicator, one of the probes made in the form of a grip designed to be connected to the base on which the test coating is applied, and the second probe is made plane but distributed with smoothly varying elasticity and made up of a diamagnetic cylinder, on the base of which a polymer film with a metallized coating is stretched, a nozzle cap is placed on the opposite end of the cylinder, the cylinder cavity is divided by a disk diaphragm, the position of which is regulated by a pusher screw installed in the cap and in contact with it a thin suspension is introduced through the elastic element, and a thin suspension is introduced into the cavity of the cylinder between the polymer film and the diaphragm.

Недостатки этого устройства, являющегося прототипом предлагаемого к патентованию объекта, состоят в ограниченной надежности и стабильности функционирования, что обусловлено быстрой изнашиваемостью металлизированного покрытия на полимерной пленке, которое обращено наружу и имеет ограниченный ресурс работы на истирание. The disadvantages of this device, which is the prototype of the object proposed for patenting, are the limited reliability and stability of operation, which is due to the rapid wear of the metallized coating on the polymer film, which is facing out and has a limited abrasion resource.

Заявляемое техническое решение позволяет устранить ограничения и недостатки, присущие известному прототипу, обеспечив положительный технический эффект, заключающийся в сочетании предлагаемым устройством повышенной разрешающей способности и стабильности результатов проводных измерений с расширенным рабочим ресурсом измерительной системы и упрощением ее емкостно-преобразовательной части. The claimed technical solution allows to eliminate the limitations and disadvantages inherent in the known prototype, providing a positive technical effect, which consists in combining the proposed device with high resolution and stability of the results of wire measurements with the extended working life of the measuring system and simplifying its capacitive-converting part.

Охарактеризованные технические преимущества предлагаемого к патентованию объекта достигаются тем, что в устройстве, содержащем преобразователь в виде двух щупов, и соединенный с преобразователем канал измерения, составленный последовательно включенными комплексными высокочастотным мостом, усилителем, амплитудно-фазовым детектором и индикатором уровня, где один из щупов преобразователя выполнен в виде захвата, предназначенного для подсоединения к основанию контролируемого покрытия, а второй щуп выполнен плоскостно распределенным и составлен полным кругосимметричным корпусом, на открытое основание которого натянута тонкая гибкая пленка, в указанном устройстве полый корпус плоскостно распределенного щупа емкостного преобразователя выполнен полностью из электропроводящего материала, в частности, металлическим, крышка корпуса выполнена из изоляционного материала и снабжена диэлектрической ручкой, пленка, натянутая на открытое основание корпуса плоскостно распределенного щупа, выполнена из фторопласта, а в качестве балластной среды-заполнителя полости корпуса плоскостного распределенного щупа используются сплавы индия, Вуда или ртуть, при этом в компенсационном плече комплексного высокочастотного моста последовательно с регулируемой РС-ячейкой из параллельно соединенных магазинов емкостей и сопротивлений дополнительно включен полупеременный подстроечный конденсатор. The described technical advantages of the object proposed for patenting are achieved in that in a device containing a transducer in the form of two probes, and a measurement channel connected to the transducer, composed by series-connected complex high-frequency bridge, an amplifier, an amplitude-phase detector and a level indicator, where one of the transducer probes made in the form of a grip designed to be connected to the base of the controlled coating, and the second probe is made plane-distributed and made up of a complete circular symmetric housing, on the open base of which a thin flexible film is stretched, in this device the hollow housing of a plane-distributed probe of a capacitive transducer is made entirely of electrically conductive material, in particular metal, the housing cover is made of insulating material and equipped with a dielectric handle, the film is stretched on the open base of the body of a plane-distributed probe, made of fluoroplastic, and as a ballast medium-cavity filler Distributed planar probe used indium alloy, mercury or Wood, wherein in the compensation shoulder complex high frequency bridge in series with the controlled MS-cell stores of parallel connected capacitances and resistances further included semi-variant trimmer capacitor.

Предлагаемое к патентованию устройство изображено на прилагаемом чертеже. The device proposed for patenting is shown in the attached drawing.

Емкостный преобразователь описываемого устройства состоит из щупа-захвата 1, предназначенного для непосредственного электрического контактирования с электропроводящим основанием 2 подлежащего интегральной толщинометрии непроводящего покрытия 3, и щупа 4, выполненного плоскостно распределенным и предназначенным для мягкого электромеханического контактирования с поверхностью исследуемого защитного покрытия 3 на его определенной площади. The capacitive transducer of the described device consists of a probe-grip 1, intended for direct electrical contact with the electrically conductive base 2 of the integral thickness gauge of the non-conductive coating 3, and a probe 4, made plane-distributed and designed for soft electromechanical contact with the surface of the investigated protective coating 3 on its specific area .

С помощью коаксиальных кабелей 5 и 6 щупы 1 и 4 соединены с измерительным каналом, составленным последовательно связанными комплексными высокочастотным мостом 7, усилителем 8, детекторным узлом 9 и индикатором 10. Using coaxial cables 5 and 6, the probes 1 and 4 are connected to a measuring channel made up of series-connected complex high-frequency bridges 7, amplifier 8, detector unit 9, and indicator 10.

Входная диагональ моста 7 через симметрирующий трансформатор 11 связана с генератором 12 переменного тока. Мост 7 включает в себя переменный резистивный делитель, составленный ограничительными сопротивлениями 13, 14 и потенциометром 15, а также двумя комплексными плечами, первое из которых образовано коаксиальным кабелем 5 и нагружающим его плоскостно распределенным щупом 4, а второе комплексное плечо образовано коаксиальным кабелем 6, который нагружен двумя последовательно включенными ячейками емкостной ячейкой, составленной параллельно соединенными полупеременным конденсатором 16 и постоянным конденсатором 17, а также второй ячейкой регулируемым РС-узлом, представляющим собой параллельно включенные магазин 18 сопротивлений и магазин 19 емкостей. The input diagonal of the bridge 7 through a balancing transformer 11 is connected to an alternator 12. Bridge 7 includes a variable resistive divider composed of limiting resistances 13, 14 and a potentiometer 15, as well as two complex arms, the first of which is formed by a coaxial cable 5 and a plane-distributed probe loading it 4, and the second complex arm is formed by a coaxial cable 6, which loaded with two cells connected in series by a capacitive cell composed in parallel by a semi-variable capacitor 16 and a constant capacitor 17, as well as a second regulating cell emym PC unit, which is a parallel-connected resistances store 18 and store 19 containers.

Щуп 4 емкостного преобразователя устройства, выполненный плоскостно распределенным, составлен полным кругосимметричным корпусом 20 из электропроводящего материала, (в частности, из нержавеющей стали), нижняя круговая кромка которого плотно сочленяется с упругой втулкой 21, имеющей Г-образный радиальный профиль и выполненной, например, из токопроводящей резины. На закругленную нижнюю кромку упругой втулки 21, образующую открытое основание корпуса плоскостно распределенного щупа 4, натянута тонкая гибкая пленка 22 из фторопласта, а верхняя часть корпуса 20 щупа 4 закрыта навинчиваемой крышкой 23 из изоляционного материала, снабженной диэлектрической ручкой 24. Герметичность замыкания полости корпуса 20 крышкой 23 обеспечивается уплотнительной прокладкой 25, а фиксация тонкой фторопластовой пленки 22 на боковой цилиндрической стенке упругой втулки 21 осуществляется с помощью обжимной гайки 26, образующей с внешней расширенной частью корпуса 20, плоскостно распределенного щупа 4 резьбовое соединение. The probe 4 of the capacitive transducer of the device, made plane-distributed, is composed of a full circular symmetric housing 20 of an electrically conductive material (in particular, stainless steel), the lower circular edge of which is tightly articulated with an elastic sleeve 21 having a L-shaped radial profile and made, for example, from conductive rubber. A thin flexible PTFE film 22 is stretched over the rounded lower edge of the elastic sleeve 21, which forms the open base of the housing of the plane-distributed probe 4, and the upper part of the housing 20 of the probe 4 is closed with a screw cap 23 made of insulating material equipped with a dielectric handle 24. Tightness of the closure of the cavity of the housing 20 the cover 23 is provided with a sealing gasket 25, and the fixing of a thin fluoroplastic film 22 on the lateral cylindrical wall of the elastic sleeve 21 is carried out using a crimping nut 26, forming the outer extended portion of the housing 20, the flatness of the probe 4 distributed threaded connection.

Полость корпуса 20 щупа 4 при интегральной толщинометрии неравномерных покрытий в зависимости от степени их шероховатости заполняется в той или иной мере жидкой электропроводящей средой 27, функции которой выполняют сплавы индия или сплав Вуда. The cavity of the housing 20 of the probe 4 with integrated thickness gauge of uneven coatings, depending on the degree of their roughness, is filled to one degree or another with a liquid conductive medium 27, the functions of which are performed by indium alloys or a Wood alloy.

Поскольку полость корпуса 20 щупа 4 закрывается крышкой 23 герметично, то в ряде случаев профильного контроля сложнорельефных защитных покрытий частичное заполнение полости корпуса 20 может осуществляться жидкой ртутью. Since the cavity of the housing 20 of the probe 4 is closed by a cover 23 hermetically, in some cases of profile control of complex relief relief coatings, partial filling of the cavity of the housing 20 can be carried out with liquid mercury.

Описываемое устройство функционирует следующим образом. The described device operates as follows.

При подготовке к работе плоскостно распределенный щуп 4 измерительного устройства предварительно устанавливается своим пленочным основанием на поверхность металлической пластины, не имеющей никакого защитного покрытия, к которой подсоединяют щуп-захват 1. Магазин 18 сопротивлений выставляют в позицию, при которой величина его сопротивления равна нулю, и полупеременным конденсатором 16 балансируют измерительный мост 7 так, чтобы показания индикатора 10 стали минимальными. Уточнение достигнутого сбалансированного состояния измерительной системы достигается с помощью потенциометра 15 при повышенном уровне сигнала генератора 12 переменного тока. In preparation for operation, the plane-distributed probe 4 of the measuring device is pre-installed with its film base on the surface of a metal plate that does not have any protective coating, to which the probe-grip 1 is connected. The resistance store 18 is set to a position at which its resistance value is zero, and half-variable capacitor 16 balance the measuring bridge 7 so that the readings of indicator 10 become minimal. Clarification of the achieved balanced state of the measuring system is achieved using the potentiometer 15 with an increased signal level of the alternator 12.

Затем производится градуировка измерительного устройства, которая осуществляется с помощью набора образцовых металлических пластин с нанесенныи на их поверхность калиброванными по толщине защитными неэлектропроводящими покрытиями, соответствующими по составу подлежащим контролю при эксплуатации устройства защитным покрытиям и пленкам. Then, the calibration of the measuring device is carried out, which is carried out using a set of model metal plates with protective non-conductive coatings calibrated in thickness and deposited on their surface and corresponding in composition to the protective coatings and films to be controlled during operation of the device.

Установив плоскостно распределенный щуп 4 на калиброванную по толщине покрытия первую из образцовых металлических пластин и манипулируя органами регулировки магазинов 18 и 19, добиваются нулевого (минимального) показания индикатора 10. При этом окончательное положение органов регулировки настраиваемых узлов 18, 19 и соответствующее им значение толщины калиброванного покрытия образцовой пластины заносятся в градуировочную таблицу. By installing a plane-distributed probe 4 on the first of the exemplary metal plates calibrated by the thickness of the coating and manipulating the magazine adjustment controls 18 and 19, the indicator 10 reaches zero (minimum). In this case, the final position of the adjustment bodies of the adjustable nodes 18, 19 and the corresponding thickness the coatings of the reference plate are entered in the calibration table.

Аналогичные операции последовательно производятся при установке щупа 4 на калиброванные по толщине покрытия остальных образцовых пластин с тем, однако, отличием, что для последующей серии последовательных балансировок измерительного моста 7 используется практически только магазин 19 емкостей, в то время как первично найденное положение полупеременного конденсатора 16, потенциометра 15 и магазина 18 сопротивлений сохраняется неизменным. Similar operations are carried out sequentially when the probe 4 is installed on the thickness calibrated coatings of the remaining standard plates with the difference, however, that for the subsequent series of sequential balancing of the measuring bridge 7, practically only a magazine of 19 containers is used, while the position of the half-variable capacitor 16, which was initially found, potentiometer 15 and the resistance store 18 remains unchanged.

Поскольку для серии последовательных балансировок моста 7, отвечающих набору образцовых пластин с калиброванными по толщине покрытиями, используется практически только магазин 19 емкостей, то для градуировки всего устройства достаточно снабдить указанный магазин измерительной шкалой, отградуированной для определенного химического состава покрытия непосредственно в единицах контролируемого параметра толщины, что способствует максимальной оперативности при проведении серийных производственных измерений. Since for a series of sequential balancing of bridge 7, corresponding to a set of reference plates with thickness calibrated coatings, practically only a magazine of 19 containers is used, to calibrate the entire device, it suffices to equip the indicated magazine with a measuring scale calibrated for a specific chemical composition of the coating directly in units of a controlled thickness parameter, which contributes to maximum efficiency when conducting serial production measurements.

Для подлежащих контролю в процессе эксплуатации устройства пленочных слоев и покрытий, в зависимости от их состава и свойств, магазин 19 емкостей укомплектовывается набором сменных наклонных шкал, соответствующих каждому из видов контролируемых покрытий. For film layers and coatings to be controlled during operation of the device, depending on their composition and properties, the tank store 19 is equipped with a set of interchangeable inclined scales corresponding to each type of controlled coating.

При проведении интегральной толщинометрии защитных слоев на электропроводящих изделиях в ходе эксплуатации прибора плоскостно распределенный щуп 4 емкостного преобразователя измерительного устройства устанавливается своим эластичным пленочным основанием 22 на тот участок изделия 2, где требуется определить среднеинтегральное значение толщины неравномерного защитного покрытия 3, в соответствии с химическим составом которого устанавливается одна из набора накладных шкал магазина 19 емкостей. Щуп-захват 1 устройства присоединяется при этом к электропроводящей открытой части (основанию) 2 контролируемого изделия. When conducting integral thickness gauging of protective layers on electrically conductive products during operation of the device, a plane-distributed probe 4 of the capacitive transducer of the measuring device is installed with its elastic film base 22 on that part of the product 2 where it is necessary to determine the average integral value of the thickness of the uneven protective coating 3, in accordance with the chemical composition of which one of a set of overhead scales of a store of 19 containers is installed. The probe-capture 1 of the device is attached to the electrically conductive open part (base) 2 of the controlled product.

Практика эксплуатации описываемого устройства показала, что для определения по его накладной шкале среднеинтегрального значения толщины контролируемого покрытия на его определенной площади достаточно балансировку высокочастотного комплексного моста 7 производить регулировкой одного лишь магазина 17 емкостей. The practice of operation of the described device showed that to determine the average integral value of the thickness of the controlled coating on its specified area using its invoice scale, it is sufficient to balance the high-frequency complex bridge 7 by adjusting only one store of 17 containers.

Установлено также, что варьирование контактной части плоскостно распределенного щупа 4 в зависимости от характера обработки, пересеченности рельефа и степени жесткости обследуемых покрытий может быть обеспечено как изменением состава электропроводящего жидкостного заполнителя 27 корпуса 20 щупа 4 (сплавы индия, Вуда, ртути), так и изменением степени заполнения упомянутыми жидкостными средами полости щупа 4. It was also established that the variation of the contact part of the plane-distributed probe 4 depending on the nature of the treatment, the roughness of the relief, and the degree of rigidity of the coatings under study can be achieved both by changing the composition of the electrically conductive liquid filler 27 of the body 20 of the probe 4 (indium, wood, mercury alloys), and by changing the degree of filling with the above-mentioned liquid media of the cavity of the probe 4.

Применение изобретения наряду с существенным увеличением износоустойчивости и рабочего ресурса заявляемого устройства по сравнению с его прототипом позволяет одновременно повысить надежность функционирования измерительной системы, а также стабильность и достоверность получаемых его результатов измерений при оперативном контроле неравномерных покрытий на металлах с разовым определением среднеинтегральной толщины жестких и полутвердых защитных покрытий. The use of the invention, along with a significant increase in the wear resistance and working life of the claimed device compared to its prototype, can simultaneously increase the reliability of the measuring system, as well as the stability and reliability of its measurement results during the operational control of uneven coatings on metals with a one-time determination of the average integral thickness of hard and semi-solid protective coatings.

Claims

A measuring device containing a complex high-frequency bridge, the compensating arm of which includes an adjustable RC cell from parallel stores of capacities and resistances, and the capacitive transducer is included in the measuring arm in the form of a pickup probe and a plane-distributed probe made in the form of a hollow cylindrical body with a cover and the bottom in the form of a flexible film and introduced into the cavity of the body of the ballast medium, series-connected amplifier, amplitude-phase detector and indicator, and the input is amplified I am connected to the output of a complex high-frequency bridge, characterized in that the hollow body of the plane-distributed probe of the capacitive transducer is made of electrically conductive material, the housing cover is made of insulating material and equipped with a dielectric handle, the film of the bottom of the body of the plane-distributed probe is made of fluorine plastic, and as a ballast medium the filler cavity of the body of a plane-distributed probe used alloys of indium, wood or mercury, while in the compensation shoulder complex Of the high-frequency bridge in series with an adjustable RC cell from parallel connected capacitance and resistance stores, a constant and a half-variable tuning capacitors are additionally included.