Измерение толщины неферромагнитных электропроводящих покрытий на диэлектрическом основании (измерение толщины листовых неферромагнитных электропроводящих материалов)

Задачи этой группы весьма распространены. В первую очередь это измерение толщины химически осажденной меди на пластиковых изделиях для дальнейшего покрытия их никелем или хромом (например, декоративные элементы сантехники и т.п.). Так же к этой группе следует отнести задачи измерения толщины листовых материалов, например алюминиевой или медной фольги, листов, полос при изготовлении или входном (выходном) контроле.

Оптимальным, для решения задач этой группы, является фазовый метод толщинометрии. На рис. 2.63 изображены годографы изменения вектора разностного напряжения ∆Ů при изменении толщины листового электропроводящего металла.

Рис. 2.63. Годографы изменения вектора разностного напряжения ∆Ů при изменении толщины листового электропроводящего металла.

На рис. 2.63 тонкой пунктирной линией изображен годограф при изменении обобщенного параметра b (Т_П=¥), тонкими сплошными – годографы при изменении величины зазора между листовым электропроводящим неферромагниным материалом и преобразователем.

Для выбора оптимальной частоты преобразователя следует учитывать ряд особенностей задачи. Наибольшая чувствительность по фазе наблюдается при значении параметра b = 5 (Т_П=¥), однако эта область характеризуется «насыщением» преобразователя и отсутствием чувствительности к изменению толщины покрытия. К тому же в этой области характеристики наблюдается «мертвая зона», в которой одной той же фазе сигнала соответствуют два значения толщины листового материала. По этому частоту преобразователя следует выбирать незначительно выше. Оптимальными параметрами можно считать те, при которых значение обобщенного параметра b = 7…20 (Т_П=¥). Минимальная толщина контролируемого материала определяется радиусом преобразователя R и составляет, ориентировочно,

Т_Пmin » 0,005·R (2.12.2)

Максимальная толщина контролируемого материала определяется глубиной проникновения вихревого тока (с учетом поправочного коэффициента, формула (2.9)) и составляет не более 2d*. Максимальная измеряемая толщина контролируемого материала будет определяться по формуле:

_

Т_пmax= ((0,4+0,13ln(b))R2Ö2)/ b (2.12.3)

Рассмотрим, в качестве примера, измерения толщины медного покрытия на диэлектрическом (пластиковом) основании.

Электропроводность медного покрытия s_П = 60 МСм/м. Конструктивный заданный радиус преобразователя 1,3 мм. Оптимальная частота возбуждения f » 500 кГц. Диапазон измеряемых толщин составляет от 7 до 145 мкм.

На рис. 2.64, а изображен годограф изменения вектора напряжения ∆Ů при варьировании толщины покрытия, на рис. 2.64, б изображен график зависимости изменения фазы напряжения ∆Ů от толщины покрытия (градуировочная характеристика).

а) б)

Рис. 2.64. Изменение вектора разностного напряжения ∆Ů при изменении толщины медного покрытия на диэлектрическом основании:

а – годограф, б - график изменения фазы (градуировочная характеристика)

Рассмотрим, в качестве примера, задачу измерения толщины листов, изготовленных из алюминиевого сплава Д16.

Электропроводность листов из сплава Д16 s_Л = 17 МСм/м. Толщина контролируемых листов от 0,75 мм до 1,25 мм. Исходя из этих данных, максимальный допустимый радиус преобразователя может составлять 150 мм, минимальный допустимый радиус - 6,5 мм. Из предложенного достаточно широкого диапазона выберем радиус обмотки 10 мм. Оптимальная частота возбуждения f » 5 кГц (b = 8,2). Диапазон измеряемых толщин, определенный по формулам (2.15 ) и (2.16) от 0,035 мм до 2,5 мм.

Часто в практических задачах возникают особые требования, например, по допустимому максимальному размеру преобразователей или по минимальному допустимому радиусу кривизны поверхности контролируемого объекта. В первом случае ограничение по размерам преобразователя приходится принимать искусственно, вопреки расчетам, во втором случае можно опираться на практический опыт. Если радиус кривизны поверхности контролируемого объекта больше чем 2 диаметра преобразователя – вносимой погрешностью можно пренебречь; если меньше 2 диаметров, но больше 1 диаметра преобразователя – возникает незначительное искажение характеристики преобразователя, для устранения которой следует производить калибровку толщиномера; если меньше 1 диаметра – характеристика преобразователя искажается существенно.

В любом случае толщиномер может производить измерения при неоптимальных радиусе преобразователя и частоте возбуждения, однако его характеристики ухудшаются.

Так, если в представленном примере есть ограничение по максимальному радиусу преобразователя, например 3,5 мм, то при той же частоте возбуждения f = 5 кГц значение параметра b = 2,9 и диапазон измеряемых толщин составит от 0,018 мм до 1,9 мм.

Для сравнения на рис. 2.65, а изображены годографы изменения вектора разностного напряжения ∆Ů при изменении толщины покрытия, на рис. 2.65, б изображены графики зависимости изменения фазы разностного напряжения ∆Ů от толщины покрытия (градуировочная характеристика) в первом и втором случае.

а) б)

Рис. 2.65. Изменение вектора напряжения ∆Ů при изменении толщины медного покрытия на диэлектрическом основании: а – годограф,

б - график изменения фазы (градуировочная характеристика)

Приведенные примеры показывают широкий спектр возможного применения вихретокового фазового метода.

Приведенные алгоритмы и схемы реализованы в вихретоковых преобразователях для электромагнитных толщиномеров «Константа К5» и «Константа К6». На рис. 2.66 изображена структурная схема данных толщиномеров.

Рис. 2.66. Структурная схема электрормагнитных толщиномеров «Константа К5» и «Константа К6» с вихретоковым фазовым преобразователем: ФНЧ – фильтр низких частот, ФД – фазовый детектор, АЦП – аналого – цифровой преобразователь, ЦПУ – центральное процессорное устройство, УПИ – универсальный приемо-передающий интефейс, ПЗУ – постоянное запоминающее устройство, УВ, УП – усилители, МК – микроконтроллер, СП – стабилизатор напряжения питания

Вся аналоговая электронная схема обработки сигналов вместе с микроконтроллером, содержащим АЦП, расположена на плате внутри корпуса преобразователя. За счет этого существенно улучшены метрологические характеристики толщиномера и существенно расширен частотный диапазон (до 4 МГц). Микроконтроллер внутри преобразователя содержит блок УПИ (универсальный последовательный интерфейс) с помощью которого происходит обмен данными между преобразователем и электронным блоком. В ПЗУ микроконтроллера преобразователя хранятся градуировочные характеристики и прочие необходимые данные. Это позволяет не привязывать преобразователь к конкретному электронному блоку. Например, используя эту технологию, можно градуировать преобразователи отдельно, записывать в память преобразователя его градуировочные характеристики и передавать заказчику.

Амплитудно-фазовый метод

Выше были рассмотрены два метода вихретоковой толщинометри. Амплитудный, где измеряемым параметром было расстояние от преобразователя до электропроводящего основания (зазор), а мешающим – электропроводность основания, и фазовый, где измеряемым параметром толщина электропроводящего покрытия на электропроводящем основании (интегральная электропроводность в зоне измерения), а мешающим – зазор. В амплитудно-фазовом методе толщинометрии оба указанных параметра являются информативными. Помимо этого, в амплитудно-фазовом методе может учитываться нелинейность обоих параметров, в отличие от амплитудного и фазового, где учитывается нелинейность только измеряемого параметра, а влияние мешающего параметра устраняется только в узком диапазоне, в квазилинейной зоне, т.е. амплитудно-фазовый метод может обеспечивать лучшие метрологические характеристики в сравнении с амплитудным и фазовым.

На рис. 2.67 изображена структурная схема толщиномера, реализующего амплитудно-фазовый метод измерения.

Рис. 2.67. Структурная схема толщиномера, реализующего амплитудно-фазовый метод измерения: Г – генератор, УВ, УП – усилители, СД – синхронный детектор, АЦП –аналого-цифровой преобразователь, ЦПУ – центральное процессорное устройство, МК - микроконтроллер

Амплитудно-фазовый метод, в отличие от других методов, не имеет четко определенного ограничения по типу применяемых первичных преобразователей. Он может быть как трансформаторным трех- или четырехобмоточным скомпенсированным, так и двухобмоточным нескомпенсированным. С использованием дополнительных согласующих пассивных элементов, возможно использование однообмоточных преобразователей. Для единообразия описания, рассмотрим вариант с использованием трехобмоточного скомпенсированного преобразователя.

Разностное напряжение ∆u(t) поступает на вход усилителя УП. Усиленное напряжение u_сигн(t) = U_сигнsin(vt + j) в свою очередь подается на вход синхронного детектора. Основным отличием амплитудно-фазового толщиномера является использование синхронного детектора для получения информативных сигналов. Для его работы необходимо использование не одного, а двух опорных сигналов, с разницей фаз между ними 90°, что накладывает определенные требования на генератор напряжения возбуждения преобразователя. С выхода синхронного детектора два сигнала постоянного напряжения U_сигнcos(j) и U_сигнsin(j), пропорциональных реальной Re и мнимой Im составляющей напряжения Ů_сигн подаются на входы двух АЦП. Цифровые сигналы с выходов АЦП подаются на ЦПУ, а затем, после математической обработки, на цифровой индикатор выводится результат измерения.

Синхронный детектор может быть построен как на электронных ключах в различной комбинации, так и на аналоговых перемножителях. На рис. 2.68 изображены различные виды синхронных детекторов на электронных ключах.

а)

б)

Рис. 2.68. Синхронный детектор на электронных ключах.

а - с дифференциальным входом, б - с дифференциальным выходом

Принцип действия обеих схем очень похож, поэтому ограничимся описанием работы только первого варианта. На рис. 2.69 изображена временная диаграмма работы синхронного детектора.

а) б)

Рис. 2.69. Временные диаграммы работы синхронного детектора

на аналоговых ключах а - при j = 0°, б - при j = -90°

Если фаза j напряжения Ů_сигн равна 0° (рис. 2.69, а), то ключ кл0° будет переключаться так, что на его выходе напряжение u_кл0°(t) будет формироваться только положительными полупериодами напряжения u_сигн(t). Напряжение после фильтрации rC - фильтром будет равно (2/p)U_сигн. При этом на выходе ключа кл90° напряжение будет формироваться в равной степени половиной положительного и половиной отрицательного полупериода напряжения u_сигн(t), которые будут друг друга уравновешивать. Напряжение после фильтрации будет равно нулю.

Если фаза j напряжения Ů_сигн равна -90° (рис. 2.69, б), то напряжение на выходе ключа кл0° будет формироваться в равной степени половиной положительного и половиной отрицательного полупериода напряжения Ů_сигн, а напряжение на выходе ключа кл90° будет формироваться только отрицательными полупериодами напряжения Ů_сигн. После фильтрации напряжение с ключа кл0° равно нулю, а с ключа кл90° , соответственно, - (2/p)U_сигн.

Случаи, описанные на рис. 2.69, а и б изображены на векторной диаграмме на рис. 2.70, а, произвольная точка В изображена на рис. 2.70, б.

а) б)

Рис. 2.70. Векторная диаграмма работы синхронного детектора:

а - точка А, Ů_сигн(j = 0°), точка Б, Ů_сигн(j = - 90°), б - точка В, Ů_сигн(j)

Описанная схема синхронного детектора очень проста, обладает хорошей линейностью, однако её использование подразумевает наличие импульсных помех, вызванных переключением ключей. Для устранения ключевых режимов работы, схемы синхронного детектора выполняется на аналоговых перемножителях, а в качестве опорных сигналов используют не меандры, а синусоидальные сигналы. Схема синхронного детектора на аналоговых перемножителях приведена на рис. 2.71.

Рис. 2.71. Синхронный детектор на аналоговых перемножителях

Схема работает следующим образом: при подаче на перемножитель двух сигналов с одинаковой частотой на его выходе формируется сигнал удвоенной частоты с постоянной составляющей пропорциональной косинусу разности фаз подаваемых сигналов. После фильтрации полученного сигнала с использованием низкочастотного rC - фильтра переменная составляющая сигнала с выхода перемножителя отфильтровывается и остается только постоянное напряжение, пропорциональное косинусу или синусу разности фаз. Если использовать два перемножителя, на первые сигнальные входы каждого перемножителя подать напряжение u_сигн(t) = U_сигнsin(vt + j), а на вторые сигнальные входы подать опорные синусоидальные сигналы со сдвигом фаз 0° и 90° соответственно, то на выходе перемножителей после фильтрации получим постоянные напряжения, пропорциональные косинусу и синусу напряжения U_сигн, что соответствует реальной и мнимой составляющим напряжения Ů_сигн.

Временные диаграммы, поясняющие принцип работы синхронного детектора на аналоговых перемножителях изображены на рис. 2.72 и рис. 2.73.

Рис. 2.72. Временные диаграммы работы синхронного детектора на аналоговых перемножителях: при j = 0°

Рис. 2.73. Временные диаграммы работы синхронного детектора на аналоговых перемножителях при j = -90°

Использование всех описанных выше схем позволяет получить постоянные напряжения, пропорциональные реальной и мнимой частям разностного напряжения с преобразователя. Таким образом, эти два напряжения определяют амплитуду и фазу разностного напряжения. Микроконтроллер по градуировочным характеристикам и системам независимых уравнений может производить вычисление толщины электропроводящего покрытия и величины зазора (толщины диэлектрического покрытия).

В качестве примера решения многопараметровой задачи можно рассмотреть алгоритм раздельного измерения толщины нанесенного на ферромагнитное электропроводящее основание электропроводящего неферромагнитного покрытия Т_эп и нанесенного поверх него диэлектрического лакокрасочного покрытия Т_лкп (рис. 2.74).

Рис. 2.74. Схематичное изображение ферромагнитного электропроводящего основания с нанесенными на него электропроводящим неферромагнитным покрытием толщиной Т_эп и диэлектрическим лакокрасочным покрытием толщиной Т_лкп.

На рис. 2.75 изображены годографы разностного напряжения ∆Ů преобразователя при заданных условиях измерений.

Рис. 2.75. Годографы разностного напряжения ∆Ů преобразователя при проведении измерений толщины электропроводящего неферромагнитного покрытия Т_эп и нанесенного поверх диэлектрического лакокрасочного покрытия Т_лкп на ферромагнитном электропроводящем сновании

В оперативной памяти толщиномера, используя данные градуировочной характиристики, с помощью системы нелинейных уравнений производится перевод прямоугольной системы координат 0; Re; Im в криволинейную систему координат 0; Т_лкп; Т_эп (рис. 2.76).

Рис.2.76. Перевод прямоугольной системы координат 0; R_e; I_m в криволинейную систему координат 0’; Т_лкп; Т_эп

При установке преобразователя на объект измерений с параметрами Т_лкп = a, Т_эп = b с выхода синхронного детектора поступают напряжения, пропорциональные Re(Т_лкп = a; Т_эп = b), Im(Т_лкп = a; Т_эп = b). Интерполируя полученные результаты производится их перевод в криволинейную систему координат 0’; Т_лкп; Т_эп. Полученные результаты измерений отображаются на дисплее.

Подобным образом реализованы электронная схема и алгоритмы толщиномера «Константа К7» с амплитудно-фазовым каналом и преобразователем. На рис. 2.77 изображена его структурная схема

Рис. 2.77. Структурная схема толщиномера «Константа К7» с амплитудно-фазовым каналом и преобразователем:

ПЗУ – постоянное запоминающее устройство, УП, УВ – усилители; АЦП – аналого – цифровой преобразователь, ЦПУ - центральное процессорное устройство, СД – синхронный детектор

Вся аналоговая электронная схема представляет отдельный модуль (плату), располагаемый в электронном блоке. В преобразователе, помимо самого чувствительного элемента расположена микросхема памяти, в которой хранятся градуировочные характеристики и прочие необходимые для работы данные. Высокая повторяемость характеристик вторичных преобразователей позволяет производить градуировку преобразователей без их привязки к конкретным электронным блокам.