СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ ДЕФЕКТОВ В УПАКОВОЧНОМ МАТЕРИАЛЕ
METHOD AND DEVICE FOR DETECTION OF DEFECTS IN PACKING MATERIAL

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к способу и устройству, в которых используют высокое напряжение для обнаружения дефектов в многослойном упаковочном материале.
ИЗВЕСТНЫЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Многослойные упаковочные материалы используют для упаковки продуктов питания, в особенности жидких пищевых продуктов, в особенности таких, как безалкогольные и иные напитки. Типичный многослойный материал состоит из центрального слоя из материала на основе бумаги, покрытого с одной стороны слоем термопластичного полимера, обращенного к внешней среде, окружающей формируемую упаковку. Внутренняя сторона многослойного упаковочного материала может содержать многослойную структуру, включающую в себя первый слой полимера, находящегося в контакте с центральным слоем, барьерную пленку из алюминия и последующие слои полимера, находящиеся в контакте с упакованным продуктом.
В некоторых областях применения многослойный упаковочный материал может быть снабжен предварительно заламинированными отверстиями, то есть областями, где центральный слой удален, вследствие чего наружный слой термопластичного полимера находится в прямом контакте с внутренней многослойной структурой многослойного материала. Такие предварительно заламинированные отверстия могут быть, например, предусмотрены для облегчения размещения устройств открывания, таких как, например, крышки с возможностью многократного закрывания или в качестве отверстий для трубочки-соломинки. За счет удаления центрального слоя материала на основе бумаги в месте расположения предварительно заламинированных отверстий обеспечена возможность легкого открывания устройства открывания, расположенного в месте расположения предварительно заламинированного отверстия.
Как правило, положение предварительно заламинированного отверстия задают путем перфорирования центрального слоя перед формированием многослойного материала.
Во время создания предварительно заламинированных отверстий могут возникать различные состояния нарушения нормального режима работы. Например, может быть захвачен воздух между алюминиевой фольгой и внутренней полимерной пленкой. Наличие таких включений воздуха может вызывать появление трещин или открытых отверстий в слоях полимера во время формирования многослойного материала, и, следовательно, это влияет на стерильность упаковки. Другим примером является образование точечных отверстий, что может происходить во время нанесения полимерных слоев методом экструзии. Поскольку стерильность многослойного упаковочного материала является крайне важной, то желательно иметь способ обнаружения таких дефектов.
4
Один такой способ основан на работе измерителя удельной проводимости. В этом способе поверхность предварительно заламинированного отверстия снабжают тонкой пленкой электролита, например NHCl с концентрацией 20 г на литр воды. Алюминиевую фольгу соединяют с низковольтным электродом, и второй электрод диаметром приблизительно 3 мм, имеющий плоскую поверхность, перемещают вдоль предварительно заламинированного отверстия в плотном контакте с ним. При приложении низкого напряжения к электродам в сочетании с высоким сопротивлением, подключенным последовательно испытательной схеме, и с усилителем сигнала точечные отверстия создают контакт, и, таким образом, легко обнаруживается замкнутая цепь.
В другой системе, которая в настоящее время продается на рынке, используют роликовый высоковольтный электрод, который непрерывно проходит по заземленной подложке. Создается проскакивающая искра, и ее регистрируют, когда электрод проходит через место с дефектом.
Несмотря на то, что эта известная система может быть пригодной для некоторых областей применения, она не может целесообразно использоваться для регистрации дефектов предварительно заламинированных отверстий, поскольку на краях таких отверстий геометрическая форма поверхности имеет разрывы. Это означает, что роликовый электрод будет терять контакт с предварительно заламинированным отверстием и, следовательно, будет иметь нестабильную чувствительность для любых дефектов в этой области. Кроме того, известная система требует наличия сухого образца, поскольку вода на поверхности создаст короткое замыкание на образце.
КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задачей настоящего изобретения является уменьшение или устранение вышеупомянутых недостатков.
Задачей является создание способа и устройства обнаружения дефектов на подложке, имеющей геометрическую форму поверхности с разрывами.
Задачей является создание способа и устройства, имеющих достаточное разложение для обнаружения субмиллиметровых дефектов для заглубленных областей многослойного упаковочного материала, таких как, например, предварительно заламинированное отверстие.
В пределы объема настоящего изобретения входит создание способа и устройства, обеспечивающих возможность определять не только наличие дефектов, но также и подробности упомянутых дефектов; и/или
в пределы объема настоящего изобретения входит создание способа и устройства, обеспечивающих возможность непрерывного предоставления результатов о наличии дефектов во время процесса обнаружения.
Определение дефектов может производиться в бесконтактном режиме, то есть электрод расположен на заданном расстоянии от упаковочного материала.
Согласно одному из объектов изобретения настоящего изобретения, в нем предложен способ обнаружения дефектов в многослойном упаковочном материале, имеющем по меньшей мере один проводящий слой. Способ содержит следующие операции: заземляют проводящий слой многослойного упаковочного материала, размещают электрод рядом с упомянутым многослойным упаковочным материалом, возможно, но не обязательно, на заданном расстоянии от него прикладывают высокое напряжение к упомянутому электроду, возможно, но не обязательно, путем линейного повышения напряжения от исходного значения до верхнего значения, возможно, но не обязательно, до заданного значения и обнаруживают дефект в упомянутом упаковочном материале путем регистрации пробоя диэлектрика между электродом и проводящим слоем многослойного упаковочного материала.
Дефектами обычно являются точечные отверстия и/или слабые места в многослойном упаковочном материале.
Операция размещения электрода может содержать следующую операцию: электрод приводят в плотный контакт с заданной областью упомянутого многослойного упаковочного материала, что является предпочтительным в силу того, что могут быть определены дополнительные параметры многослойного упаковочного материала, например толщина слоя полимера.
Согласно настоящему изобретению определение может быть произведено в бесконтактном режиме или в режиме, в котором электрод может находиться в непосредственном контакте с многослойным упаковочным материалом. Термин "бесконтактный" обычно относится к размещению электрода на заданном расстоянии от многослойного упаковочного материала. Заданное расстояние определяют методом проб и ошибок. Если расстояние между многослойным упаковочным материалом является слишком большим, то чувствительность является слишком низкой. Если расстояние является слишком малым, то это может вызвать колебания результатов. Упомянутой заданной областью может являться предварительно заламинированное отверстие. Следовательно, могут быть обнаружены и проанализированы дефекты в критической части многослойного упаковочного материала.
Операция размещения электрода может содержать следующую операцию: электрод размещают на заданном расстоянии от упомянутого многослойного упаковочного материала. Это имеет преимущество, заключающееся в том, что при обнаружении упомянутых дефектов может быть использован излучаемый свет.
Заданное верхнее значение высокого напряжения может составлять от 6 кВ до 30 кВ, заданное расстояние между электродом и упаковочным материалом может составлять от 5 мм до 50 мм. Таким образом, оборудование может быть создано имеющим относительно небольшой размер, и может использоваться легкодоступная электронная аппаратура большой мощности. Расстояние между электродом и упаковочным материалом и величина высокого напряжения являются взаимосвязанными для получения выгоды от дешевого оборудования, а именно, от монтажных несущих конструкций и от источников питания, поскольку увеличение расстояния требует соответствующего увеличения напряжения. Операция обнаружения дефекта может содержать операцию регистрации электрических характеристик упомянутого пробоя диэлектрика или она может содержать операцию регистрации видимого света. Это имеет преимущество, заключающееся в том, что для реализации и автоматизации упомянутого способа может использоваться простое и рентабельное оборудование.
Операция обнаружения дефекта в упомянутом упаковочном материале может содержать операцию регистрации пробоя диэлектрика в воздухе, а это имеет преимущество, заключающееся в том, что для обнаружения наличия и положения дефектов может использоваться коронный разряд, присутствующий на электроде, так же как на многослойном упаковочном материале.
Согласно второму объекту настоящего изобретения предложено устройство для обнаружения дефектов в многослойном упаковочном материале, имеющем по меньшей мере один проводящий слой. Это устройство содержит заземляющий электрод, соединяемый с проводящим слоем многослойного упаковочного материала, высоковольтный электрод, прикрепленный к опоре, служащей для размещения высоковольтного электрода рядом с проводящим слоем или на заданном расстоянии от проводящего слоя многослойного упаковочного материала, и источник питания, соединенный с высоковольтным электродом и, возможно, но не обязательно, сконфигурированный для линейного повышения напряжения от исходного значения до верхнего значения (оба значения могут быть заданными), причем упомянутое устройство способно вызывать пробой диэлектрика между электродом и проводящим слоем многослойного упаковочного материала при наличии дефектов в слое полимера в упомянутом многослойном упаковочном материале. Заданное расстояние между электродом и упаковочным материалом может составлять, например, 5-50 мм.
Устройство может содержать средство, сконфигурированное для обнаружения дефекта в упомянутом упаковочном материале, путем регистрации упомянутого пробоя диэлектрика между электродом и проводящим слоем упомянутого многослойного упаковочного материала.
Упомянутым средством может являться фотоприемник или осциллограф. Предпочтительно упомянутое средство может представлять собой массив или матрицу фотодатчиков, что обеспечивает возможность обнаружения не только наличия дефектов, но также и их положения.
Устройство может содержать контроллер, соединенный с упомянутым источником питания, для управления упомянутым источником питания для линейного повышения напряжения на высоковольтном электроде от исходного значения до верхнего значения. Линейное повышение может производиться от исходного, возможно, но не обязательно, заданного значения до заданного верхнего значения, которое является отдельным и независимым от упомянутого исходного значения
В данном контексте термин "пробой диэлектрика" следует интерпретировать расширительно для определения ситуации, в которой диэлектрическая среда, такая как, например, полимер или воздух, повергается к переходу от электроизолирующего состояния в более электропроводящее состояние.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Ниже приведено более подробное описание приведенных в качестве примера вариантов осуществления настоящего изобретения со ссылкой на приложенные чертежи, на которых изображено следующее:
на фиг.1 на схематичном виде сбоку изображено устройство для обнаружения дефектов в многослойном упаковочном материале согласно одному из вариантов осуществления изобретения;
на фиг.2 на схематичном виде сбоку изображено устройство для обнаружения дефектов в многослойном упаковочном материале согласно еще одному варианту осуществления изобретения;
на фиг.3 изображен график, на котором показана последовательность измерений тока в зависимости от времени; и
на фиг.4a-4c на схематичном виде сбоку изображен электрод, предназначенный для использования в устройстве для обнаружения дефектов в многослойном упаковочном материале.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
Со ссылкой на чертеж фиг.1 на нем показано устройство 10 для обнаружения дефектов в многослойном упаковочном материале 20. Многослойный упаковочный материал 20 имеет центральный слой 22 из картона, который с одной стороны покрыт слоем 23 термопластичного полимера. Внутренняя сторона центрального слоя 22, то есть сторона, расположенная так, что обращена к продукту, упакованному в упомянутый многослойный упаковочный материал 20, покрыта первым слоем 24 полимера, барьерной пленкой 25 из проводящего материала, такого как, например, алюминий, и дополнительными слоями 26, 27 полимера, которые образуют внутреннюю поверхность многослойного упаковочного материала 20.
В многослойном упаковочном материале 20 задано предварительно заламинированное отверстие 28, которое может использоваться позже в процессе наполнения или в процессе формирования упаковки для обеспечения возможности прикрепления устройства открывания. Такое предварительно заламинированное отверстие может иметь диаметр от 20 мм до 50 мм. В других областях применения предварительно заламинированное отверстие может быть, например, сконфигурировано так, что вмещает трубочку-соломинку и, следовательно, имеет намного меньший диаметр, например от 2 мм до 15 мм, например 2 мм, 5 мм и 8 мм.
Устройство 10 содержит электрод 12, электрически соединенный с источником 14 высокого напряжения. Кроме того, устройство 12 содержит контакт 16 для соединения проводящего слоя многослойного упаковочного материала 20, то есть алюминиевой барьерной пленки 25, с заземлением. Предусмотрено наличие вольтметра 18 для измерения напряжения на заземленной алюминиевой фольге 25.
Источник 14 высокого напряжения соединен с контроллером 15, который сконфигурирован для подачи линейно увеличивающегося напряжения на электрод 12.
Как показано на фиг.1, электрод 12 выполнен соответствующим по размеру предварительно заламинированному отверстию 28, вследствие чего он может быть расположен в плотном контакте с внутренним слоем 27 полимера многослойного упаковочного материала 20. Предпочтительно диаметр электрода 12 является немного меньшим, чем внутренний диаметр предварительно заламинированного отверстия.
Когда устройство 10 используют для обнаружения возможных дефектов в предварительно заламинированном отверстии 28, то может быть применена следующая последовательность операций. При первой операции электрод 12 вводят в плотный контакт с внутренним слоем 27 полимера в предварительно заламинированном отверстии 28. Далее заземленный контакт 16 соединяют с алюминиевой барьерной пленкой 25. Затем приводят в действие контроллер 15 для подачи линейно увеличивающегося напряжения на электрод 12 согласно заданной последовательности. Например, контроллер запрограммирован так, что обеспечивает подачу линейно увеличивающегося напряжения от 0 кВ до 8 кВ в течение 2 секунд. Максимальный ток генератора напряжения может быть установлен равным приблизительно 0,02 мА.
Дефекты, то есть точечные отверстия, сформированные в области предварительно заламинированного отверстия 28, обнаруживают путем регистрации пробоя диэлектрика, предпочтительно посредством осциллографа, работающего в качестве измерителя 18 для обнаружения падения напряжения. В том случае, если пробой не произошел, когда напряжение достигает 8 кВ, открытый контакт между электродом 12 и алюминиевой фольгой 25 многослойного упаковочного материала 20 отсутствует. Следовательно, предварительно заламинированное отверстие является неповрежденным, без дефектов.
В том случае, когда открытые отверстия отсутствуют, но вместо этого в слое полимера в многослойном упаковочном материале имеются слабые места, высокое напряжение, в конечном счете, вызывает прорыв упомянутого слабого места с превращением его в открытое отверстие, вызывая, таким образом, ионизацию, обнаруживаемую описанным устройством. Слабыми местами являются те участки многослойного упаковочного материала, которые являются тонкими и которые могут нарушать целостность сформированной упаковки.
На фиг.2a показано раскрытое устройство 100a для обнаружения дефектов в многослойном упаковочном материале 120. Многослойный упаковочный материал 120 имеет центральный слой 122 из картона, который с одной стороны покрыт слоем 123 термопластичного полимера. Внутренняя сторона центрального слоя 122, то есть сторона, расположенная так, что обращена к продукту, упакованному в упомянутый многослойный упаковочный материал 120, покрыта первым слоем 124 полимера, барьерной пленкой 125 из проводящего материала, такого как, например, алюминий, и дополнительными слоями 126, 127 полимера, которые образуют внутреннюю поверхность многослойного упаковочного материала 120.
В многослойном упаковочном материале 120 задано предварительно заламинированное отверстие 128, которое может использоваться позже в процессе наполнения или в процессе формирования упаковки для обеспечения возможности прикрепления устройства открывания. Такое предварительно заламинированное отверстие может иметь диаметр от 20 мм до 50 мм. В других областях применения предварительно заламинированное отверстие может быть, например, сконфигурировано так, что вмещает трубочку-соломинку и, следовательно, имеет намного меньший диаметр, например от 2 мм до 15 мм, например 2 мм, 5 мм и 8 мм.
Устройство 100 содержит электрод 112, электрически соединяемый с источником 114 высокого напряжения. Кроме того, устройство 112 содержит заземляющий электрод 116 для соединения проводящего слоя многослойного упаковочного материала 120, то есть алюминиевой барьерной пленки 125, с заземлением.
Источник 114 высокого напряжения соединен с контроллером 115, который сконфигурирован для регулирования источника 114 высокого напряжения для подачи высокого напряжения на электрод 112.
Электрод 112 имеет острый конец, обращенный к многослойному упаковочному материалу 120. То есть электрод 112 имеет форму конуса, вершина которого направлена к многослойному упаковочному материалу 120.
Электрод 112 расположен на некотором расстоянии от многослойного упаковочного материала 120, предпочтительно посредством жесткой опоры (не показана). В других вариантах осуществления изобретения электрод 112 расположен на некотором расстоянии от многослойного упаковочного материала 120 посредством столика с поступательным перемещением, причем расстояние между электродом 112 и многослойным упаковочным материалом 120 может быть отрегулировано.
Устройство 100a функционирует согласно следующему принципу: дефект слоя полимера в многослойном упаковочном материале 120, имеющий вид открытого отверстия, вызывает протекание небольшого тока из высоковольтного электрода 112 в многослойный упаковочный материал 120. При протекании тока воздух вокруг электрода 112, а также в местах расположения точечных отверстий частично ионизируется. Этот ток может быть обнаружен либо путем измерения тока, протекающего через схему, посредством измерительного устройства (не показано), либо путем обнаружения света, излучаемого упомянутой ионизацией, который также известен как коронный разряд.
В случае отсутствия каких-либо открытых отверстий, но наличия вместо них слабых мест в слое 126, 127 полимера в многослойном упаковочном материале 120, высокое напряжение, в конечном счете, вызывает прорыв упомянутого слабого места в открытое отверстие, вызывая, таким образом, ионизацию, обнаруживаемую описанным устройством.
На фиг.2b показан еще один вариант осуществления устройства 100b для обнаружения дефектов в многослойном упаковочном материале 110. Здесь, аналогично чертежу фиг.2a, электрод 112 имеет острый конец, обращенный к многослойному упаковочному материалу 120. То есть электрод 112 имеет форму конуса, вершина которого направлена к многослойному упаковочному материалу 120.
Электрод 112 расположен на некотором расстоянии от многослойного упаковочного материала 120, предпочтительно посредством жесткой опоры (на чертеже не показана). Кроме того, устройство 100 включает в себя источник 114 питания, соединенный с электродом 112, и контроллер 115, сконфигурированный для линейного увеличения напряжения, подаваемого на электрод 114 из источника 114 питания. Кроме того, алюминиевая фольга 125 соединена с заземлением через заземляющий электрод 116.
Устройство 100b функционирует согласно следующему принципу: открытое отверстие в многослойном упаковочном материале 120 вызывает протекание небольшого тока из электрода 112 в многослойный упаковочный материал 120. При протекании тока воздух вокруг электрода 112, а также в местах расположения точечных отверстий частично ионизируется. Этот ток может быть обнаружен либо путем измерения тока, протекающего через схему, посредством измерительного устройства 118, либо путем обнаружения света, излучаемого упомянутой ионизацией, который также известен как коронный разряд.
В случае отсутствия каких-либо открытых отверстий, но наличия вместо них слабых мест в слое 126, 127 полимера в многослойном упаковочном материале 120, высокое напряжение, в конечном счете, вызывает прорыв упомянутого слабого места в открытое отверстие, вызывая, таким образом, ионизацию, обнаруживаемую описанным устройством.
max
max
Ниже приведено более подробное описание различных способов обнаружения дефектов в предварительно заламинированном отверстии в многослойном упаковочном материале. Здесь высоковольтный электрод представляет собой острый кончик, расположенный приблизительно на расстоянии 15-25 мм над многослойным упаковочным материалом. Напряжение U установлено, например, равным 20 кВ, а ток I установлен в интервале от 0,005 мА до 0,1 мА.
Визуальное обнаружение, первый способ
max
В качестве способа обнаружения дефектов снова используют излучаемый свет. В качестве первой операции предварительно заламинированное отверстие располагают на одной линии с электродом на заданном расстоянии ниже его, например на расстоянии 15 мм или 22 мм. Предпочтительно фоновую засветку отключают или уменьшают иными средствами. Устанавливают напряжение согласно последовательности линейного увеличения, в которой напряжение линейно увеличивают от исходного значения до верхнего значения U. Предпочтительно исходным значением является напряжение 0 В. В случае наличия каких-либо слабых мест в многослойном упаковочном материале высокое напряжение вызывает пробой слабого места диэлектрика при конкретной величине напряжения, и на конце электрода будет виден коронный разряд. Это также имеет место в том случае, если в слое полимера в многослойном упаковочном материале уже существуют открытые отверстия. Следовательно, это означает наличие открытого контакта под электродом. Кроме того, каждое из открытых отверстий будет светиться в результате коронного разряда. Следовательно, может быть легко сосчитано количество открытых отверстий в многослойном упаковочном материале рядом с предварительно заламинированным отверстием. Описанный способ может быть дополнительно усовершенствован за счет использования датчика с автоматическим управлением, например камеры либо массива или матрицы фотоприемников, и программного обеспечения для автоматического вычисления количества открытых отверстий, а также положения упомянутых открытых отверстий. Для дополнительного усовершенствования способа также может использоваться алгоритм цифрового уменьшения влияния фоновой засветки сам по себе или в сочетании с датчиком с автоматическим управлением.
Визуальное обнаружение, второй способ
max
max
В качестве второго способа обнаружения дефектов используют излучаемый свет. При первой операции предварительно заламинированное отверстие располагают на одной линии с электродом на заданном расстоянии ниже его, например на расстоянии 15 мм или 22 мм. Предпочтительно фоновую засветку отключают или уменьшают иными средствами. Устанавливают напряжение равным постоянной величине U. В этом случае для обнаружения открытых отверстий, но не слабых мест полимера, U предпочтительно может быть равным приблизительно 10 кВ. В случае наличия каких-либо открытых отверстий в многослойном упаковочном материале на конце электрода будет виден коронный разряд. Это означает наличие открытого контакта под электродом. Кроме того, каждое из открытых отверстий будет светиться в результате коронного разряда. Следовательно, может быть легко сосчитано количество открытых отверстий в многослойном упаковочном материале рядом с предварительно заламинированным отверстием, а также может быть определено положение каждого открытого отверстия. В качестве второго способа визуального обнаружения может использоваться датчик с автоматическим управлением и/или алгоритм цифрового уменьшения влияния фоновой засветки.
Обнаружение при помощи осциллографа, первый способ
max
max
max
max
max
max
max
В этой последовательности операций используют осциллограф для текущего контроля электрических характеристик обнаруженной последовательности. Как показано на фиг.2b, осциллограф 118 соединен с источником 114 питания для постоянного контроля приложенного напряжения. Источник питания запрограммирован для создания такой последовательности линейного повышающегося напряжения, что на высоковольтный электрод подают напряжение, увеличивающееся от 0 кВ до U в зависимости от времени. В качестве первой операции на осциллографе определяют уровни 0 кВ и U. В качестве второй операции предварительно заламинированное отверстие устанавливают на одной линии с электродом на заданном расстоянии ниже него, например на расстоянии 22 мм. Затем напряжение линейно увеличивают с 0 кВ до U. Если осциллограмма на осциллографе доходит до уровня U, то в многослойном упаковочном материале отсутствуют какие-либо точечные отверстия или дефекты. Однако том в случае, если в многослойном упаковочном материале присутствуют какие-либо дефекты или точечные отверстия, то происходит изгиб осциллограммы при уровне напряжения ниже U. В этом случае ток коронного разряда имеет тот же самый порядок величины, что и I, и, следовательно, напряжение на электроде не будет достигать уровня U.
Обнаружение при помощи осциллографа, второй способ
max
max
max
max
max
В этой последовательности операций также используют осциллограф для измерения напряжения. Источник питания запрограммирован для подачи постоянного напряжения U, равного, например, 15 кВ, и многослойный упаковочный материал расположен далеко от упомянутого электрода. В качестве первой операции на осциллографе определяют уровни 0 кВ и U. В качестве второй операции уровень напряжения на осциллографе доходит до уровня U. После этого область предварительно заламинированного отверстия в многослойном упаковочном материале устанавливают на одной линии с электродом на заданном расстоянии ниже него. Если осциллограмма на осциллографе остается на уровне U, то точечные отверстия или дефекты в многослойном упаковочном материале отсутствуют. Однако в том случае, если в многослойном упаковочном материале присутствуют какие-либо дефекты или точечные отверстия, то происходит изгиб осциллограммы, и она устанавливается на уровне напряжения ниже U, например на уровне напряжения 8 кВ. Таким образом, коронный разряд, образующийся на дефектах, уменьшает напряжение.
Обнаружение при помощи осциллографа, третий способ
0
1
2
1
2
0
1
Теперь переходим к рассмотрению фиг.2b и фиг.3, на них показана последовательность операций измерения тока, протекающего через схему. Для выполнения этой последовательности операций осциллограф соединяют с источником питания для текущего контроля приложенного напряжения, и один щуп осциллографа дополнительно соединен с проводящим слоем многослойного упаковочного материала для измерения тока, протекающего на землю. Эта установка показана на фиг.2b. Здесь осциллограф 118 соединен с источником 114 питания, а также с заземляющим электродом 116. Начиная с момента времени t=0, поданное напряжение позволяет протекать току определенной величины через схему. При увеличении напряжения ток будет почти постоянным до конкретного момента времени t. В этот момент высокое напряжение между электродом и проводящим слоем многослойного упаковочного материала вызвало появление открытого отверстия во внутренней многослойной полимерной пленке. Следовательно, удельная электропроводность увеличивается, и увеличивается ток, текущий через схему, вследствие увеличения напряжения. В момент t пробой диэлектрика вызывает появление другого дефекта или прорыв слабого места и, следовательно, происходит быстрое увеличение тока, текущего через схему. В момент t производная тока уменьшается до постоянной величины, которая является меньшей, чем производная между моментами t и t, но большей, чем производная, взятая между моментами t и t. Следовательно, можно определить количество дефектов образца путем анализа токовой характеристики во время линейного повышения напряжения. Если присутствует несколько дефектов, то токовая характеристика указывает их при условии наличия нескольких последующих ступенчатых приращений тока.
На фиг. 4a-4c показаны различные варианты осуществления электрода для использования в способе обнаружения дефектов в многослойном упаковочном материале. Начиная с рассмотрения фиг.4a, электрод 312a имеет коническую форму, то есть вершина электрода 312a направлена к многослойному упаковочному материалу, подвергаемому анализу. На фиг.4b электрод 312b имеет цилиндрическую форму, что, следовательно, позволяет анализировать предварительно заламинированное отверстие в многослойном упаковочном материале в плотном контакте путем последовательного перемещения электрода относительно местоположения предварительно заламинированного отверстия. Далее на фиг.4c электрод имеет цилиндрическую форму, причем его размеры являются существенно большими, чем размеры электрода, показанного на фиг.4b, который предназначен для введения в плотный контакт со всей площадью предварительно заламинированного отверстия, как было описано выше со ссылкой на фиг.1. Следовательно, электрод 312a является предпочтительным, когда электрод расположен на расстоянии от анализируемого образца. Электрод 312b может являться предпочтительным в том случае, если образец необходимо последовательно проанализировать в плотном контакте, что может иметь место в том случае, когда различные области образца необходимо проанализировать по отдельности. Следовательно, электрод 312c является предпочтительным в том случае, если необходимо проанализировать весь образец в плотном контакте в одном едином цикле измерений.
Возвращаясь снова к рассмотрению фиг.1, электрод 12 выполнен так, что плотно входит в предварительно заламинированное отверстие 28 с возможностью его размещения в плотном контакте с внутренним слоем 27 полимера многослойного упаковочного материала 20. Предпочтительно диаметр электрода 12 является немного меньшим, чем внутренний диаметр предварительно заламинированного отверстия.
Само собой разумеется, что также может использоваться электрод согласно фиг.4b, что позволяет зондировать область предварительно заламинированного отверстия упомянутым электродом 312b.
Когда устройство 10 используется для обнаружения возможных дефектов внутри предварительно заламинированного отверстия 28, то может быть применена приведенная ниже последовательность операций. При первой операции электрод 12 приводят в плотный контакт со слоем 27 полимера в предварительно заламинированном отверстии 28. Заземленный электрод 16 дополнительно соединяют с алюминиевой барьерной пленкой 25. Затем приводят в действие контроллер 15 для подачи линейно увеличивающегося напряжения на электрод 12 согласно заданной последовательности. Например, контроллер запрограммирован так, что обеспечивает подачу линейно увеличивающегося напряжения от 0 кВ до 10 кВ в течение 10 секунд. Максимальный ток генератора напряжения может быть установлен равным приблизительно 0,02 мА.
Дефекты, то есть слабые места в слое полимера в многослойном упаковочном материале, сформированные в пределах площади предварительно заламинированного отверстия 28, обнаруживают путем регистрации пробоя диэлектрика слоя полимера, предпочтительно посредством осциллографа, работающего в качестве измерителя 18 для обнаружения падения напряжения в соответствии с описанным выше первым способом обнаружения при помощи осциллографа. В том случае, если пробой не произошел, когда напряжение достигает 10 кВ, слабые места между электродом 12 и алюминиевой фольгой 25 многослойного упаковочного материала 20 отсутствуют. Следовательно, предварительно заламинированное отверстие является неповрежденным, без дефектов. Однако, если имеется обнаруженное падение напряжения во время линейного повышения, то последовательность операций может быть прервана. После этого электрод поднимают приблизительно на 2-5 мм над многослойным упаковочным материалом и снова подают высокое напряжение. В соответствии с вышеописанными способами визуального обнаружения излучение света в месте открытого отверстия ясно указывает положение дефекта.
Ниже будет приведено описание способа измерения толщины слоя полимера в многослойном упаковочном материале согласно еще одному варианту осуществления изобретения. Способ реализован посредством устройства, показанного на фиг.1, то есть устройства, в котором электрод расположен в плотном контакте с поверхностью предварительно заламинированного отверстия. Во время отслеживания линейно увеличивающегося напряжения на электроде измеренная кривая напряжения достигнет максимума, а затем спадет до уровня линии начала отсчета, когда вследствие пробоя было проделано отверстие в многослойном упаковочном материале. Как правило, напряжение линии начала отсчета может изменяться от 1 кВ до 2 кВ. Это напряжение соответствует открытому контакту многослойного упаковочного материала. Например, если открытый контакт расположен на краю области предварительно заламинированного отверстия, то уровень линии начала отсчета обычно является более низким, поскольку расстояние между электродом и алюминиевой фольгой является меньшим. С другой стороны, если обнаружено, что открытый контакт находится внутри области предварительно заламинированного отверстия, то к расстоянию может быть добавлен небольшой воздушный зазор и, следовательно, напряжение линии начала отсчета является более высоким.
Исходя из результатов испытаний, проведенных авторами изобретения, наблюдались приведенные ниже результаты измерений, относящиеся к толщине слоя полимера, расположенного на алюминиевой фольге, то есть слоя 27, показанного на фиг.1.
Диапазон напряжения пробоя
Толщина слоя полимера
0-2 кВ
Открытое точечное отверстие или очень тонкая пленка
2-5 кВ
до 0,005 мм
5-8 кВ
0,005-0,01 мм
свыше 8 кВ
свыше 0,01 мм
Вышеупомянутые измерения были проведены с многослойным упаковочным материалом, в котором слой 27 полимера выполнен из полиэтилена (PE). Однако упомянутый выше способ определения толщины также может быть реализован для определения толщины других полимерных материалов в многослойном упаковочном материале.
Устройство согласно фиг.1 может использоваться совместно с устройством, показанным на фиг.2a или фиг.2b, для обнаружения и анализа дефектов в многослойном упаковочном материале. В этом способе использованы два различных устройства, а именно, одно устройство, показанное на фиг.1, а также устройство, показанное на фиг.2b.
При первой операции электрод с острым концом размещают над областью предварительно заламинированного отверстия в многослойном упаковочном материале в соответствии с конфигурацией, показанной на чертеже фиг.2b. Однако контроллер 115 здесь работает так, что обеспечивает подачу постоянного высокого напряжения величиной, например, порядка 10 кВ. Если в области предварительно заламинированного отверстия имеется точечное отверстие или дефект, то коронный разряд вызывает возникновение фиолетового света, указывающего местоположение упомянутого дефекта. Если имеется несколько дефектов, то коронный разряд возникает во всех дефектах одновременно. В альтернативном варианте результаты электрических измерений также могут указывать наличие дефектов в многослойном упаковочном материале.
При второй операции пластинчатый электрод того же самого размера, что и область предварительно заламинированного отверстия, вводят в плотный контакт с предварительно заламинированным отверстием. Эта установка является аналогичной установке, показанной на фиг.1. Затем напряжение линейно увеличивают от 0 кВ до, например, 10 кВ, и при конкретном напряжении происходит пробой самого слабого дефекта, то есть в том месте, где пробой диэлектрика происходит первым. После пробоя регистрируют величину напряжения, а также уровень линии начала отсчета. Исходя из этих двух различных значений может быть определена толщина слоя полимера.
Легко понять, что все приведенные выше/ниже ссылки приведены просто в иллюстративных целях без какого-либо эффекта, ограничивающего объем патентной охраны. Кроме того, следует понимать, что установки, эквивалентные описанным установкам, могут включать в себя установки, имеющие неподвижный высоковольтный электрод, тогда как многослойный упаковочный материал является подвижным.
В формуле изобретения термин "содержит/содержащий" не исключает наличия других элементов или операций. В дополнение к этому, несмотря на то, что отдельные признаки могут содержаться в различных пунктах формулы изобретения, они могут быть полезно объединены, и включение их в различные пункты формулы изобретения не означает, что комбинация признаков является недопустимой и/или нецелесообразной. Кроме того, сингулярные ссылки не исключают множества. Признак единственного числа, термины "первый", "второй" и т.д. не исключают множества. Ссылочные позиции в формуле изобретения приведены просто в качестве разъясняющего примера и их никоим образом не следует истолковывать как ограничивающие объем формулы изобретения.