УСТРОЙСТВО ДВУХПАРАМЕТРОВОГО КОНТРОЛЯ ТОЛЩИНЫ ЭЛЕКТРОПРОВОДНЫХ ПОКРЫТИЙ
DEVICE FOR DOUBLE-PARAMETER CONTROL OF CONDUCTIVE COATING THICKNESS

Изобретение относится к неразрушающему контролю качества материалов и изделий и может быть использовано для измерения толщины немагнитных металлических покрытий на диэлектрической основе или на немагнитной основе с другой удельной электрической проводимостью.
Известно устройство двухпараметрового контроля (патент №932207 от 30.05.1982 г.), содержащее генератор возбуждающего сигнала, подключенный к обмотке возбуждения вихретокового трансформаторного преобразователя, измерительная и компенсационная обмотка которого соединены встречно друг с другом и с общим входом фазового детектора, а выход измерительной обмотки через первый усилитель подключен к сигнальному входу фазового детектора, выход которого соединен с блоком управления и обработки информации.
Недостатком такого устройства является низкая точность, ограниченная тем, что фаза сигнала на измерительной обмотке сравнивается с фазой сигнала на обмотке возбуждения, поэтому температурные изменения магнитных свойств вихретокового трансформаторного преобразователя приводят к появлению большой фазовой погрешности и, как следствие, к уменьшению точности и достоверности контроля толщины покрытия.
Известно также устройство двухпараметрового контроля (патент №2384839 от 20.03.2010 г.), содержащее генератор возбуждающего сигнала, подключенный к обмотке возбуждения вихретокового трансформаторного преобразователя, измерительная и компенсационная обмотка которого соединены встречно друг с другом и через первый усилитель подключены к первому входу фазового детектора, а выход измерительной обмотки через второй усилитель соединен со вторым входом фазового детектора, выход которого соединен с контроллером, один и выходов которого подключен к генератору возбуждающего сигнала.
B
B
Основным недостатком данного устройства является невысокая точность измерения толщины покрытий, обусловленная низкой фазовой чувствительностью вихретокового трансформаторного преобразователя и влиянием нестабильности уровней срабатывания фазового детектора на результат измерения фазы разностного сигнала низкого уровня, снимаемого со средней точки измерительной и компенсационной обмоток. Данное обстоятельство обусловлено тем, что разность фаз сигналов на измерительной и компенсационной обмотках Δφ=arctg(2πfΔL/R) зависит от сопротивления R вихретокового трансформаторного преобразователя и изменения эквивалентной индуктивности измерительной обмотки ΔL на частоте f возбуждающего сигнала, которая резко уменьшается из-за снижения потерь на вихревые токи при малой толщине контролируемого покрытия. Вследствие этого минимальная толщина контролируемого покрытия, т.е. чувствительность известного устройства, ограничивается значением не менее 1-2 микрометров. При этом из-за такой низкой чувствительности в известном устройстве применена дискретная регулировка частоты возбуждающего сигнала, которую необходимо каждый раз подстраивать в зависимости от предполагаемой толщины и материала покрытия, что затрудняет его практическое применение.
М.К.
М.К.
М.И.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является устройство двухпараметрового контроля (патент №2456589 от 23.03.2011 г.), содержащее генератор возбуждающего сигнала и вихретоковый трансформаторный преобразователь с ферритовым сердечником, на середину которого намотана обмотка возбуждения, а на противоположных концах ферритового сердечника размещены встречно соединенные измерительная и компенсационная обмотки, средняя точка которых подключена к нулевой цепи. Также в устройстве применены первый и второй усилители, фазовый детектор, фильтр низкой частоты, амплитудный детектор и микроконтроллер со встроенным аналого-цифровым преобразователем на входе. При этом первый выход микроконтроллера является выходом устройства, а его второй выход подключен к управляющему входу генератора возбуждающего сигнала. Вычисление толщины h электропроводного покрытия выполняется микроконтроллером по результатам цифровых измерений амплитуды напряжения U на компенсирующей обмотке, а также разности фаз Δφ и разности амплитуд сигналов ΔU=U-U на компенсирующей и измерительной обмотках вихретокового трансформаторного преобразователя. Полученные данные выводятся с микроконтроллера на внешние устройства и цифровой индикатор.
Недостатком этого устройства является относительная низкая фазовая чувствительность к контролируемой толщине поверхности и невысокая точность контроля, ограниченная влиянием инструментальных погрешностей фазового детектора при высокой частоте генератора возбуждающего сигнала.
В
ЗД
В
6
Эти недостатки обусловлены свойством вихретокового метода контроля, согласно которому амплитуда и фаза сигнала на измерительной обмотке изменяются из-за потерь на вихревые токи, которые возрастают при увеличении частоты сигнала и толщины электропроводного покрытия. При большой толщине покрытия относительное изменение индуктивности измерительной обмотки не превышает значения ±10%, а изменение фазы между сигналами компенсационной и измерительной обмоток вихретокового трансформаторного преобразователя составляет единицы градусов. Так как для контроля покрытий толщиной в единицы-десятки микрометров нужно формировать возбуждающий сигнал высокой частоты f=(1,5…2,0) МГц, то для измерения фазы Δφ с погрешностью в 1° необходимо в фазовом детекторе использовать формирователи импульсов с максимальной задержкой срабатывания Δt≤1/(2·360·f)=1/(2·360·2·10)≤0,7 нс, что фактически не реально даже при использовании современных цифровых микросхем.
Кроме этого, в известном устройстве для получения разности напряжений ΔU выполняется аналоговое вычитание компенсирующего и измеряемого сигналов. При этом компенсирующий сигнал усиливается первым усилителем, имеющим небольшой коэффициент усиления и малую задержку фазы, а разностное напряжение усиливается вторым усилителем, имеющим не менее чем в 10 раз более высокий коэффициент усиления и, соответственно, большую задержку фазы усиленного сигнала по сравнению первым усилителем. В итоге на фазовый детектор поступают два сигнала с заведомо разной фазой между ними даже при одинаковых по фазе сигналах на выходах компенсационной и измерительной обмоток вихретокового трансформаторного преобразователя. Ограничение разрешающей способности к толщине поверхности и известном устройстве также обусловлено уменьшением разностного напряжения ΔU→0 при близких значениях амплитуд компенсирующего и измеряемого сигналов, т.е. при малой разности фаз между ними в случаях контроля немагнитных покрытий микронной толщины.
Дополнительным фактором, ограничивающим точность известного устройства контроля, является влияние на фазовую погрешность нестабильности напряжений срабатывания формирователей импульсов, используемых в фазовом детекторе. Например, изменение уровня срабатывания одного из каналов фазового детектора на ±1% относительно амплитуды измеряемого сигнала приводит к появлению фазовой погрешности, составляющей 0,6°. При этом в схеме известного устройства отсутствует возможность компенсации перечисленных погрешностей, что практически приводит к ограниченному применению такой аппаратуры из-за низкой чувствительности и точности измерения толщины электропроводных покрытий на любой основе.
Задачей изобретения является создание устройства двухпараметрового контроля толщины электропроводных покрытий, позволяющего повысить чувствительность и точность измерения.
Эта задача решается тем, что в известное устройство, содержащее генератор возбуждающего сигнала, вихретоковый трансформаторный преобразователь с ферритовым сердечником, обмоткой возбуждения и встречно включенными измерительной и компенсационной обмотками, средняя точка которых соединена с нулевой цепью, а также первый и второй усилители, фазовый детектор, фильтр низкой частоты, амплитудный детектор и микроконтроллер со встроенным аналого-цифровым преобразователем, первый выход которого является выходом устройства, дополнительно введены двухканальный аналоговый переключатель с коммутатором напряжения, выход которого соединен с входом микроконтроллера, и первый, и второй конденсаторы, подключенные параллельно соответственно к компенсационной и измерительной обмоткам вихретокового трансформаторного преобразователя. При этом концы компенсационной и измерительной обмоток подключены через первый и второй усилители к разным входам двухканального аналогового переключателя. Первый выход этого переключателя через амплитудный детектор соединен с первым входом коммутатора напряжения, второй вход которого через фильтр низкой частоты подключен к выходу фазового детектора, два входа которого соединены с первым и вторым выходами двухканального аналогового переключателя. Управляющий вход этого переключателя соединен со вторым выходом микроконтроллера, третий выход которого подключен к управляющему входу коммутатора напряжения.
Структурная схема предлагаемого устройства приведена на фиг.1.
Устройство содержит генератор возбуждающего сигнала 1, подключенный к вихретоковому трансформаторному преобразователю 2 с ферритовым сердечником. На середину ферритового сердечника намотана обмотка возбуждения 3, а на его противоположных концах размещены компенсационная обмотка 4 с конденсатором 5 и измерительная обмотка 6 с конденсатором 7, образующие соответственно компенсационный и измерительный колебательные контуры, резонансная частота которых в исходном состоянии равна частоте генератора возбуждающего сигнала 1. Концы компенсационной обмотки 4 и измерительной обмотки 6 подключены через первый усилитель 8 и второй усилитель 9 соответственно к входам двухканального аналогового переключателя 10, служащего для перекрестного подключения выходов усилителей 8 и 9 к разным входам фазового детектора 11. Фазовый детектор 11 содержит формирователи импульсов 12, 13 и логический элемент 14 типа "Исключающее ИЛИ". На выходе элемента 14 "Исключающее ИЛИ" формируются импульсы, длительность которых зависит от фазового сдвига Δφ между выходными сигналами усилителей 8 и 9. Выходные импульсы фазового детектора 11 усредняются фильтром низкой частоты 15 и преобразуются в напряжение, пропорциональное фазовому сдвигу Δφ между сигналами на выходах усилителей 8 и 9. К первому выходу двухканального аналогового переключателя 10 подключен амплитудный детектор 16 для преобразования амплитуды гармонического сигнала в постоянное напряжение. Выходы фильтра низкой частоты 15 и амплитудного детектора 16 соединены с разными входами коммутатора напряжения 17 для их поочередного подключения к аналоговому входу микроконтроллера 18, содержащего аналого-цифровой преобразователь 19 и блок управления и обработки данных 20. На выходе аналого-цифрового преобразователя 19 формируются цифровые коды, пропорциональные выходным напряжениям фильтра низкой частоты 15 и амплитудного детектора 16. Закодированные значения этих напряжений с выхода аналого-цифрового преобразователя 19 поступают на блок управления и обработки данных 20, служащий для вычисления по полученным кодам толщины исследуемого покрытия и для формирования сигнала стандартного интерфейса, подаваемого на первый выход микроконтроллера 18 при выводе полученной информации на внешние устройства и цифровой индикатор. Остальные два выхода микроконтроллера 18 служат для управления работой двухканального аналогового переключателя 10 и коммутатора напряжения 17 в соответствии с заданным алгоритмом измерения толщины покрытия, записанным в память блока управления и обработки данных 20, применяемого в составе микроконтроллера 18.
Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, тождественные признакам заявленного технического решения, отсутствуют, что указывает на соответствие заявленного устройства условию патентоспособности "новизна". Отличительные признаки: введенные двухканальный аналоговый переключатель и коммутатор напряжения, а также применение двух конденсаторов для получения измерительного и компенсационного резонансных контуров, обеспечивающих резкое повышение фазовой чувствительности устройства, в них не встречаются. Следовательно, заявляемое устройство удовлетворяет критерию "изобретательский уровень". Промышленная применимость введенных элементов обусловлена наличием элементной базы, на основе которой они могут быть выполнены с достижением указанного в изобретении назначения. В частности, двухканальный аналоговый переключатель и коммутатор напряжения можно реализовать на двухканальном мультиплексоре типа КР561КП1. В схеме фазового детектора 11 можно использовать формирователи импульсов 12, 13 на микросхеме КР1554ТЛ1 "Триггер Шмидта", а элемент 14 "Исключающее ИЛИ" реализовать на микросхеме КР1554ЛП5.
Устройство двухпараметрового контроля толщины электропроводных покрытий при измерении толщины электропроводящего немагнитного покрытия работает следующим образом.
4
6
Р
4
6
5
7
1
В цикле измерения генератор возбуждающего сигнала 1 формирует высокочастотный ток, протекающий по обмотке 3 вихретокового трансформаторного преобразователя 2. Это вызывает появление электромагнитного поля в ферритовом сердечнике и появление переменных напряжений U и U на компенсационной 4 и измерительной 6 обмотках вихретокового трансформаторного преобразователя 2. Компенсационная обмотка 4 с конденсатором 5 и измерительная обмотка 6 с конденсатором 7 образуют два параллельных колебательных контура, частота резонанса f которых при одинаковых индуктивностях L=L обмоток 4, 6 и емкостях C=C конденсаторов 5, 7 выбирается равной частоте f генератора возбуждающего тока по условию:
4
6
4.M
6.M
4
6
8
9
4
6
8
8
4
9
9
6
15
4
6
16
8.М
9.М
При идентичных параметрах компенсационной 4 и измерительной 6 обмоток вихретокового трансформаторного преобразователя 2 на его выходах формируются гармонические напряжения U и U с одинаковыми амплитудами U≈U и фазами φ=φ в исходном состоянии. Усилители 8, 9 с большими входными сопротивлениями и одинаковыми коэффициентами усиления К=K повышают напряжения U, U до уровня U=K·U, U=K·U. Эти переменные напряжения поступают через двухканальный аналоговый переключатель 10 на входы фазового 11 и амплитудного 16 детекторов. Фазовый детектор 11 с фильтром низких частот 15 служит для получения постоянного напряжения U, пропорционального разности фаз Δφ=φ - φ сигналов на компенсационной 4 и измерительной 6 обмотках вихретокового трансформаторного преобразователя 2. Амплитудным детектором 16 формируется постоянное напряжение U, зависящее от амплитуды U или U выходных сигналов усилителей 8 и 9.
6
7
При измерении толщины покрытия конец ферритового сердечника с измерительной обмоткой устанавливается на поверхности исследуемого объекта. Это приводит к уменьшению индуктивности измерительной обмотки из-за протекания вихревых токов в контролируемой поверхности, и как следствие, к уменьшению амплитуды и увеличению фазы сигнала на измерительном контуре LC. Изменение амплитуды и фазы пропорционально удельной электрической проводимости и толщине покрытия, что позволяет по приращениям этих параметров определять его толщину.
1
4
6
1
2
Процесс измерения выполняется за два такта. В первом такте по команде микроконтроллера 19 двухканальный аналоговый переключатель 10 устанавливается в первое положение, при котором выход усилителя 8 соединяется с пиковым детектором 16 и входом формирователя импульсов 12, а выход усилителя 9 - с входом формирователя импульсов 13 фазового детектора 11. Сигналы, поступающие от усилителей 8 и 9, преобразуются в прямоугольные импульсы формирователями 12, 13, а элемент 14 "Исключающее ИЛИ" формирует короткие импульсы, длительность которых зависит от разности фаз Δφ=φ-φ≠0 сигналов на компенсационной 4 и измерительной 6 обмотках вихретокового трансформаторного преобразователя 2. При этом коммутатор напряжения 17 сначала переключается в верхнее положение, при котором АЦП 19 кодирует амплитуду напряжения на выходе усилителя 8. Затем коммутатор напряжения 17 подключает АЦП 19 к выходу фильтра низких частот 15, и кодируется его выходное напряжение, пропорциональное разности фаз Δφ. Во втором такте двухканальный аналоговый переключатель 10 по команде микроконтроллера 18 переводится во второе положение, при котором выход усилителя 9 соединяется с пиковым детектором 16 и входом формирователя импульсов 12, а выход усилителя 8 - с входом формирователя импульсов 12 фазового детектора 11. После этого АЦП снова поочередно кодирует выходные напряжения амплитудного детектора 16 и фильтра низких частот 15, пропорциональные амплитуде сигнала на выходе усилителя 9 и разности фаз Δφ сигналов во втором такте измерения.
Полученные с помощью АЦП 19 цифровые коды вводятся для последующей обработки в блок управления и обработки данных 20 микроконтроллера 18, которым выполняется расчет толщины h электропроводящего покрытия с учетом разности амплитуд и фаз по формуле
1
8.М
2
h=-K(ΔU/U)+KΔφ,
1
2
где K и K - коэффициенты, определяемые экспериментально для конкретных значений электрической проводимости покрытия и основы изделия.
P
φ
φ
6
1
Р
Высокая чувствительность к толщине контролируемого покрытия в предложенном устройстве обеспечивается за счет большой крутизны фазочастотной характеристики в окрестности частоты резонанса f двух колебательных контуров, содержащих компенсационную 4 и измерительную 6 обмотки вихретокового трансформаторного преобразователя 2. Высокая добротность Q≥20 измерительного и компенсирующего контуров обеспечивается при использовании генератора возбуждающего сигнала 1 с большим выходным сопротивлением (например, при подключении обмотки возбуждения 3 к коллектору транзистора выходного каскада схемы генератора) и применении усилителей 8 и 9 с высокими входными сопротивлениями. При этом фазовая чувствительность к относительному изменению индуктивности измерительной обмотки S=Δ/ΔL повышается в Q раз, чем обеспечивается аналогичное увеличение чувствительности устройства к толщине покрытия по сравнению с прототипом. Например, даже небольшие изменения толщины медного покрытия на Δh≈(0,2…1,0) мкм приводят к изменению фазы на угол Δφ≈ (0,3…1,5)° при добротности измерительного контура Q≥20 и частоте возбуждающего сигнала f=f=1,6 МГц. Согласно описанию устройства двухпараметрового контроля (патент №2456589 от 23.03.2011 г.), фазовая чувствительность к толщине покрытия в известных устройствах контроля не превышает значения Δφ/Δh≈0,07°/мкм. Таким образом, чувствительность предлагаемого устройства двухпараметрового контроля толщины электропроводных покрытий повысилась в 20 раз.
Повышение точности в предложенном устройстве обеспечивается за счет использования известных свойств резонанса компенсационного и измерительного контуров и применения двухтактного режима измерения с вычитанием результатов, полученных в двух тактах микроконтроллером:
4
6
1) так как резонансные сопротивления параллельных контуров в Q раз превышают индуктивные сопротивления компенсирующей и измерительной обмоток, то для получения выходных напряжений U, U в единицы вольт можно значительно уменьшить амплитуду тока, протекающего по обмотке возбуждения 3 вихретокового трансформаторного преобразователя 2, и тем самым исключить его дополнительный нагрев собственной рассеиваемой мощностью и снизить температурную погрешность преобразования;
4.М
6.М
8
9
8
9
P
2) высокие сопротивлении компенсационного и измерительного контуров на частоте резонанса позволяют получать выходные сигналы с большой амплитудой U≈U≥1 B и использовать простые усилители 8 и 9 с небольшими коэффициентами усиления K=K≈2 и малым фазовым запаздыванием выходных сигналов U, U на частоте резонанса f, что снижает их влияние на точность измерения разности фаз Δφ;
15
8
9
15-1
15
12
13
15-2
15
12
13
15
15-1
15-2
3) измерение выходного напряжения U фильтра низкой частоты 15 в двух тактах с вычитанием полученных результатов позволяет исключить влияние нестабильности уровней срабатывания формирователей импульсов 12 и 13 на точность измерения разности фаз. Например, если напряжение срабатывания формирователя 12 будет положительным, а напряжение срабатывания формирователя 13 - отрицательным, то при измеряемой разности фаз Δφ выходных сигналов U, U усилителей 8, 9 в первом такте напряжение на выходе фильтра низкой частоты 15 будет зависеть от фазовых погрешностей формирователей: U=K(Δφ+Δφ+Δφ). При переключении измерительных каналов во втором такте на выходе фильтра низкой частоты 15 формируется напряжение U=K(-Δφ+Δφ+Δφ), а вычитание результатов этих цифровых измерений в двух тактах, выполняемом в блоке управления и обработки данных 20 микроконтроллера 18, позволяет полностью скомпенсировать погрешности формирователей: U=U-U=2Δφ;
СМ.16
8.М
9.М
16-1
СМ.16
8.М
16-2
СМ.16
9.M
16-1
16-2
8.М
9.М
4) аналогичным образом за два такта измерения компенсируется влияние напряжения начального смещения U пикового детектора 16 на точность измерения разности амплитуд напряжений ΔU=U-U. Если в первом такте измерения выходное напряжение пикового детектора 16 составляет U=U=U, во втором такте U=U+U, то после вычитания цифровых значений этих напряжений исключается влияние напряжения смещения детектора 16: ΔU=U-U=U-U;
6
6
8.M
9.M
8.M
9.M
5) при контроле толщины покрытий вихретоковым методом относительное изменение индуктивности измерительной обмотки не превышает значения ΔL/L≤0,1, т.е. амплитуды сигналов U, U на выходах усилителей 8, 9 различаются не более чем на ±10%. Поэтому коэффициент преобразования пикового детектора 16 остается практически постоянным, т.е. значительно уменьшается влияние его мультипликативной погрешности на точность измерения разности напряжений ΔU=U-U;
6) использование микроконтроллера с высокоточным 12-разрядным АЦП позволяет пренебречь погрешностью квантования сигнала, а погрешность АЦП от нестабильности его начального уровня также компенсируется в результате вычитания результатов двух измерений в микроконтроллере.
15
16
изм
7) для повышения достоверности результатов контроля толщины покрытия целесообразно выполнять усреднение результатов цифрового измерения напряжений U, U на интервалах времени T, кратных 20 мс, чтобы ослабить влияние помех сетевой частоты (50 Гц) на точность измерения.
Таким образом, подключение двух конденсаторов к компенсирующей и измерительной обмоткам для обеспечения резонансного режима работы вихретокового трансформаторного преобразователя и применение двухканального аналогового переключателя и коммутатора напряжения для переключения измерительных каналов с вычислением разности результатов измерений за два такта преобразования позволяет повысить чувствительность и точность контроля толщины электропроводных покрытий за счет компенсации основных инструментальных погрешностей устройства.