ЕМКОСТНЫЙ ДАТЧИК КОНТРОЛЯ ФАСОК

Полезная модель относится к измерительной технике, в частности, к измерению неэлектрических величин электрическими методами, и предназначена для контроля фасок труднодоступных отверстий, например в седлах корпусов трубопроводной арматуры.
Известен прибор для измерения фасок по а.с. СССР №1223023, G 01 В 3/56, от 02.01.85 г., содержащий базовую поверхность, перемещаемую относительно нее вертикальную штангу с измерительной губкой, и чувствительный элемент с присоединенной рамкой, фиксирующие начало и конец фаски при подъеме губки, и угол фаски.
К недостаткам данного прибора относится невозможность его использования для контроля малых уплотнительных фасок в глубоко расположенных в корпусах арматуры седлах.
Известен емкостной датчик расстояния до проводящей поверхности по а.с. СССР №1413410 G 01 В 7/08, от 30.07.88 г., содержащий основной и дополнительные измерительные электроды, расстояния между которыми пропорциональны диэлектрической постоянной изолирующих пластин.
Недостатком данного устройства являются невозможность его использования для контроля поверхностей с изломами, например фасок труднодоступных отверстий.
Наиболее близким к предлагаемому датчику является выбранный в качестве прототипа емкостный датчик (преобразователь) для контроля фасок седел трубопроводной арматуры, описание которого приведено в книге: С.В.Сейнов, В.А.Калашников, Б.П.Железнов. Испытания трубопроводной арматуры. Выпуск 5, М.: Изд-во стандартов, 1989 г. с 142-144, содержащий выполненный в виде усеченного конуса с углом α диэлектрический корпус, на боковой поверхности которого расположены покрытые слоем диэлектрика металлические электроды, образующие радиальные и тангенциальные ряды. При этом коническая боковая поверхность датчика выполнена как эталонная, а его базирование в корпусе арматуры осуществляется с помощью фланца базирования и закрепленной во фланце на скользящей посадке втулки.
Недостатками данного датчика являются следующие:
- большое юстировочное расстояние L между эталонной конической поверхностью датчика с измерительными электродами и фланцем базирования, приводящее к большой погрешности Δ установки датчика в контролируемых конических седлах, пропорциональной расстоянию юстировки, (А~L);
- центровка конуса датчика с измерительными электродами в седлах осуществляется только с помощью опорной поверхности базирования фланца, и закрепленной в нем на скользящей посадке втулки, что недостаточно при точных измерениях.
Технической задачей предлагаемой полезной модели является повышение точности и информативности емкостного датчика контроля фасок.
Указанная задача решается за счет того, что емкостной датчик контроля фасок, содержащий диэлектрический корпус, выполненный в виде эталонного усеченного конуса с углом α, на боковой поверхности которого расположены покрытые слоем диэлектрика и образующие эталонную поверхность тангенциальные и радиальные ряды тонкопленочных металлических электродов, электронный коммутатор, электрически соединяющий электроды с измерителем емкости, и фланец базирования, причем со стороны меньшего диаметра эталонного усеченного конуса датчик содержит цилиндрическую втулку, на внешней поверхности которой нанесены тангенциальные и расположенные на одном радиусе радиальные ряды тонкопленочных металлических электродов, внешняя поверхность которых, покрытая слоем диэлектрика, задает радиус эталонной центрирующей втулке датчика, а фланец базирования расположен на эталонном усеченном конусе со стороны большего диаметра и содержит на своей нижней горизонтальной поверхности тангенциальные и радиальные ряды тонкопленочных металлических электродов, внешняя поверхность которых покрыта диэлектрическим изоляционным слоем и образует поверхность базирования датчика.
На фиг.1 представлен разрез предлагаемого датчика;
На фиг.2 показано сечение запорного сильфонного клапана с измеряемой уплотняющей фаской седла и центрирующим проточным каналом;
На фиг.3 показан аксонометрический вид датчика;
На фиг.4 показан случай совпадения фасок седла и датчика;
На фиг.5 показан случай, когда фаска седла существенно меньше эталонной;
На фиг.6 показан случай, когда внешний диаметр и угол α фаски седла больше эталонного;
На фиг.7 показан случай, когда внешний диаметр фаски близок к эталонному, а угол α фаски седла меньше эталонного;
На фиг.8 показан случай, когда внешний диаметр фаски седла больше эталонного, а угол α близок к эталонному.
Емкостный датчик состоит из выполненного из диэлектрического материала корпуса 1, содержащего эталонную с углом α коническую поверхность 2, центрирующую цилиндрическую поверхность втулки 3 и базирующую плоскую поверхность 4, образованные покрытыми тонким диэлектрическим изоляционным слоем радиальными и тангенциальными рядами металлических (клеточных) электродов 5, 6, 7, например из серебра или алюминия. Эти радиальные и тангенциальные ряды тонкопленочных металлических (клеточных) электродов 5, 6, 7 нанесены с помощью вакуумного напыления через шаблон на исходные шлифованные и метрологически аттестованные коническую, цилиндрическую и плоскую поверхности датчика.
Во внутренней части выполненной из диэлектрического материала втулки 3, соосно оси датчика размещен пленочный электрод 8, напыленный в вакууме на цилиндрический, выполненный из того же диэлектрического материала что и втулка 3 стержень 9, на тугой посадке вставленный в глухой осевой канал датчика сверху.
Под конической поверхностью 2 датчика (клеточные) электроды 5 нанесены в виде тангенциальных и радиальных рядов, под вертикальной центрирующей поверхностью втулки 3 (клеточные) электроды 6 нанесены в виде тангенциальных и находящихся на одном радиусе радиальных рядов, под горизонтальной опорной поверхностью базирования 4 (клеточные) электроды 7 нанесены в виде радиальных и тангенциальных рядов, внутренние и внешние боковые стороны которых выполнены параллельно радиусу окружности, лежащей в плоскости базирования с центром на продольной оси датчика. Внешняя цилиндрическая поверхность центрирующей втулки 3 образует вторую эталонную поверхность датчика. Максимальная толщина диэлектрического износостойкого покрытия, выполненного, например, из нитрида бора или плавленного кварца, на всех измерительных электродах датчика не превышает 0.3-0.5 мкм.
Закрывание трубопроводной арматуры, в частности запорных сильфонных клапанов, производится путем соприкосновения уплотнительной поверхности золотника 10, фиг.2, с глубоко расположенной в корпусе 11 трубопроводной арматуры уплотняющей фаской седла 12, обрамляющей проточный канал 13. При этом центрирование золотника осуществляется, например, с помощью перьев 14, перемещающихся в проточном канале 13 арматуры на скользящей посадке. От совершенства геометрической формы, соосности образующей поверхности перьев и проточного канала, уплотняющих поверхностей фасок золотника и седла, пористости, величины шероховатости и качества этих наплавленных уплотняющих поверхностей во многом зависит работа арматуры. При использовании запорной сильфонной
арматуры небольших проходов, например DN 10-30 мм, величина фаски наплавленного седла не превышает 0.5-1 мм.
Длина цилиндрической втулки 3, предназначенной для центрирования датчика в цилиндрическом проточном канале 13 запорного клапана, должна быть порядка длины вертикальной цилиндрической части проточного канала клапана и не менее диаметра канала.
К каждому измерительному (клеточному) электроду конической, цилиндрической и плоской поверхностей датчика, включая внутренний пленочный электрод 8, подведен сигнальный одножильный провод в лаковой изоляции, надежный электрический контакт которого с электродом обеспечен при напылении последнего.
На выходе из датчика провода собраны в экранированные жгуты 15, подсоединенные к электронному коммутатору (не показан), который, в свою очередь, программно-управляемым способом подключает каждый (клеточный) электрод порознь, отдельные ряды или электрически объединив их в коническую, цилиндрическую или плоскую группу (обкладку конденсатора) к цифровому измерительному мосту (не показан).
5
6
7
Все (клеточные) электроды датчика порознь, объединенные в тангенциальные или радиальные ряды, в коническую, цилиндрическую или плоскую группы целиком являются одной из обкладок измерительного конденсатора, другой обкладкой которого является корпус арматуры. Таким образом, датчик в корпусе арматуры представляет собой конический С, цилиндрический С и плоский С конденсаторы, суммарные емкости которых состоят из емкостей радиальных и тангенциальных рядов или емкостей отдельных (клеточных) электродов.
5
6
7
Σ
Σ
Σ
После изготовления датчик прокалиброван на эталонном отверстии корпуса арматуры, выполненном из стали 12Х18Н10Т, определены суммарные эталонные емкости конического конденсатора C , цилиндрического конденсатора С , и плоского конденсатора С  емкостного датчика, а также емкости каждого радиального и тангенциального ряда всех трех конденсаторов (обкладок) и каждого (клеточного) электрода в отдельности.
Все измерительные (клеточные) электроды, составляющие радиальные и тангенциальные ряды электродов внутри каждого из конденсаторов (обкладок) емкостного датчика одинаковы в пределах погрешности изготовления.
Количество рядов (клеточных) электродов в радиальном и тангенциальном направлениях на конической, цилиндрической и горизонтальной поверхностях датчика определяется в зависимости от размеров контролируемой фаски, качества наплавленного металла и особенностей напыления и сборки датчика, и варьируется от 1 до 25.
Датчик работает следующим образом. Центрирующая цилиндрическая втулка 3 датчика вставляется в обрамленный седлом 12 проточный канал 13 клапана, поворачивается несколько раз по и против часовой стрелки, и реализуется одна из возможностей, показанная на фиг.4 - фиг.8.
5
5
6
6
7
7
Σ
Σ
Σ
При совпадении эталонной конической поверхности 2 датчика с контролируемой уплотняющей поверхностью фаски седла, как это изображено на фиг.4, максимальный измеряемый сигнал конического конденсатора будет близок к суммарной эталонной емкости конического конденсатора С~С . Если при этом суммарные емкости цилиндрического и плоского конденсаторов также близки к эталонным значениям С~С  и С~С , то это означает, что линейные и угловые размеры уплотняющей фаски седла, цилиндрического канала и плоской поверхности проточной камеры клапана совпадают с эталонными линейными и угловыми размерами датчика, а кроме того, что качество наплавленного металла конической уплотняющей поверхности фаски седла в арматуре, цилиндрической поверхности проточного канала и плоской поверхности проточной камеры соответствует нормативам, а количество поверхностных пор и раковин не превышает допустимые.
5
6
7
При возникновении случая, изображенного на фиг.5, когда уплотняющая фаска седла существенно меньше эталонной, суммарная емкость конического конденсатора C будет существенно меньше эталонной, цилиндрического С - близкой к эталонной, плоского конденсатора C - существенно меньше эталонной по формуле (1):
5
5
7
7
Σ
Σ
По разности эталонных и измеренных емкостей конического С -C и плоского С -С конденсаторов можно судить о величине поднятия датчика над плоскостью канала в арматуре.
5
6
7
При возникновении случая, изображенного на фиг.6, когда внешний диаметр и угол α уплотняющей фаски седла больше эталонного, суммарная емкость конического конденсатора C будет существенно меньше эталонной, цилиндрического С - близка к эталонной, плоского конденсатора С меньше эталонной на величину емкости нескольких внутренних радиальных рядов по формуле (2):
5
5
7
7
Σ
Σ
По разности эталонных и измеренных емкостей конического C -С и плоского С -C конденсаторов можно судить о внешнем диаметре и угле а уплотняющей фаски седла.
5
6
7
При возникновении случая, изображенного на фиг.7, когда внешний диаметр уплотняющей фаски седла близок к эталонному, а угол α фаски меньше эталонного значения, суммарная емкость конического конденсатора C будет меньше эталонной, цилиндрического С - меньше эталонной на величину емкости нескольких верхних радиальных рядов, плоского конденсатора С близка к эталонной по формуле (3):
5
5
6
6
Σ
Σ
По разности эталонных и измеренных емкостей конического C -C и цилиндрического С -С конденсаторов можно судить об угле α уплотняющей фаски седла.
5
6
7
При возникновения случая, изображенного на фиг.8, когда внешний диаметр уплотняющей фаски седла существенно больше эталонного, а угол α близок к эталонному значению, суммарная емкость конического конденсатора C будет существенно меньше эталонной, цилиндрического С меньше эталонной на величину емкости нескольких верхних радиальных рядов, плоского конденсатора С меньше эталонной на величину емкости нескольких внутренних радиальных рядов по формуле (4):
6
6
7
7
Σ
Σ
По разности эталонных и измеренных емкостей цилиндрического С -С и плоского С -С конденсаторов можно судить о внешнем диаметре и угле α уплотняющей фаски седла.
5
6
7
Контроль качества наплавленного металла конической уплотняющей поверхности фаски седла клапана, цилиндрической поверхности проточного канала и плоской поверхности проточной камеры клапана осуществляется как измерениями полной емкости обкладок С, С, С датчика, так и отдельных радиальных и тангенциальных рядов, а также отдельных (клеточных) электродов, хотя относительная погрешность измерения емкости последних является наибольшей.
6
6
5
В случае выполнения диаметра проточного канала 13 клапана большим, чем диаметр центрирующей втулки 3 датчика, цилиндрический конденсатор С и составляющие его емкости радиальных и тангенциальных рядов покажут меньшее значение емкости как всей обкладки С, так и рядов электродов. Кроме того, произойдет уменьшение электроемкости конического конденсатора С. По разности измеренных и эталонных значений конического и цилиндрического конденсаторов можно судить о величине превышения диаметра проточного канала над диаметром центрирующей втулки датчика.
6
В случае несоосности проточного канала 13 и контролируемой уплотняющей фаски седла 12 клапана, величина эксцентриситета цилиндрической втулки 3 датчика и проточного канала 13 полностью контролируется тангенциальными рядами цилиндрического конденсатора С.
7
При этом емкость горизонтального конденсатора (обкладки) С датчика благодаря выполнению внутренних и внешних боковых поверхностей электродов из этой обкладки параллельными радиусу окружности, лежащей в плоскости базирования с центром на оси датчика, практически не зависит от эксцентриситета горизонтальных электродов.
ПОКР
ЗАЗОР
Таким образом, выполнение базирующей горизонтальной поверхности 4 датчика, фиг.1, непосредственно продолжающей основную эталонную коническую поверхность 3 со стороны большего диаметра приводит к тому, что длина юстировки L в заявляемом датчике становится минимально возможной. Эта длина L равна толщине внешнего изоляционного покрытия на горизонтальных электродах датчика δ и проекции на вертикальную ось ширины крайнего изоляционного зазора δ между ближайшими тангенциальными рядами электродов конической и горизонтальной поверхностей датчика
и учитывается при калибровке емкостного датчика. Поэтому погрешность установки датчика в седле корпуса арматуры также близка к минимально возможной, что в свою очередь ведет к повышению точности измерений емкости датчика, и, как следствие, к повышению точности контроля конической уплотняющей фаски седла арматуры.
Центрирование датчика в проточном канале корпуса арматуры с помощью второй эталонной поверхности цилиндрической втулки датчика, на метрологическом уровне соосной основной конической эталонной поверхности датчика, также позволяет повысить точность установки датчика в седле корпуса арматуры. Что в свою очередь также ведет к
повышению точности измерений емкости датчика, и, как следствие, к повышению точности контроля конической уплотняющей фаски седла.
Введение цилиндрической втулки с тангенциальными и радиальными рядами электродов, которые нанесены и на нижнюю горизонтальную поверхность фланца базирования позволяет не только контролировать непосредственно уплотняющую фаску седла арматуры, но и более точно судить о ее линейных и угловых размерах, см. формулы (1)-(4), что ведет к повышению точности контроля конической уплотняющей фаски седла арматуры.
Кроме того, сравнивая емкости отдельных электродов, тангенциальных и радиальных рядов электродов в цилиндрической втулке и горизонтальной базирующей плоскости датчика, можно судить о качестве наплавленного металла, количестве поверхностных пор и раковин, шероховатости и волнистости поверхностей, примыкающих к уплотняющей фаске, что ведет к повышению информативности контроля конической уплотняющей фаски седла арматуры.
5
6
6
6
7
7
7
6
6
6
7
7
7
1
2
3
1
2
3
1
2
3
1
2
3
При подключении к коническому конденсатору датчика С нескольких (одного-трех) верхних тангенциальных рядов электродов цилиндрического конденсатора С , С , С  и внутренних тангенциальных рядов горизонтального базирующего конденсатора С , С , С  и их совместном измерении с последующим вычитанием емкости всех дополнительных тангенциальных рядов С , С , С  и С , С , С  оказывается возможным скомпенсировать краевые эффекты конической обкладки. Что также ведет к повышению точности контроля конической уплотняющей фаски седла арматуры.
8
6
Учет влияния температуры на все измеряемые показания емкости электродов, рядов и обкладок датчика производится с помощью введения поправок. При этом собственно температура датчика определяется из измерений взаимной емкости внутреннего пленочного электрода 8 и цилиндрической обкладки 6. При изготовлении в процессе калибровки определяется температурная зависимость взаимной емкости внутреннего пленочного электрода 8 и цилиндрической обкладки 6 C (t°C) датчика при размещении последнего в эталонном корпусе клапана.
Для повышения чувствительности контролирующий датчик может быть выполнен в дифференциальном варианте: измерительные электроды двух идентичных датчиков включаются в противоположные плечи мостовой схемы. Один датчик помещают в эталонное отверстие с эталонной фаской в корпусе арматуры, другой - в контролируемое.
Таким образом, применение емкостного датчика позволяет решить поставленную задачу, а именно повысить точность и информативность контроля конических фасок, например уплотняющих поверхностей седел трубопроводной арматуры.