Способ бесконтактного контроля толщины пленочных покрытий изделий и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к определению толщины пленочных покрытий изделий бесконтактными методами, а именно путем измерения теплофизических свойств изделия с покрытием при их нагреве. Цель изобретения - повышение точности, достигается за счет выбора оптимальных тепловых режимов нагрева и измерения. Новым в способе бесконтактного контроля толщины пленочных покрытий изделий является нагрев поверхности покрытия импульсами тепловой энергии, сфокусированными в линию, выбор частоты следования и мощности импульсов, определение двух расстояний от линии действия импульсов, на которых температуры будут равны двум наперед выбранным значениям. Устройство для реализации способа содержит импульсный источник тепловой энергии 1, два термоприемника 3 и 4, датчик расстояния 17, реверсивный двигатель 14, источник питания 27, блок управления 8, схему генерации импульсов 20 - 25, а также элементы, позволяющие автоматизировать работу устройства с целью повышения его производительности. 2 с. и 4 з.п. ф-лы, 1 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (192 (11) (я)5 G 01 В 7/06

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

flO ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗО6РЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

В (21) 4268134/28 (22) 26.06.87 (46) 07.07.91. Бюл. М 25 (71) Тамбовский институт химического машиностроения (72) В.Н.Чернышов, А.П.Пудовкин, Ю.Л.Муромцев и Т.И.Чернышова (53) 531.717.55 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

М 1420351, кл. G 01 В 7/06, 1987. (54) СПОСОБ БЕСКОНТАКТНОГО КОНТРОЛЯ ТОЛЩИНЫ ПЛЕНОЧНЫХ ПОКРЫТИЙ

ИЗДЕЛИЙ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (57) Изобретение относится к измерительной технике, в частности к определению толщины пленочных покрытий изделий бесконтактными методами, а именно путем измерения теплофиэических свойств изделия с покрытием при их нагреве. Цель изобретения — повышение точности, достигается за счет выбора оптимальных тепловых режимов нагрева и измерения. Новым в способе бесконтактного контроля толщины пленочных покрытий изделий является нагрев поверхности покрытия импульсами тепловой энергии, сфокусированными в линию, выбор частоты следования и мощности импульсов. определение двух расстояний от линии действия импульсов, на которых температуры будут равны двум наперед выбранным значениям, Устройство для реализации способа содержит импульсный источник тепловой энергии 1, два термоприемника 3 и 4, датчик расстояния 17, реверсивный двигатель 14, источник питания 27. блок управления 8, схему генерации импульсов 20 — 25, а также элементы, позволяющие автоматизировать работу устройства с целью повышения его производительности. 2 с, и 4 з.п. ф-лы, 1 ил.

1661565

Т,<,-T,õ, 2Изобретение относится к измеритель- деструкции материала покрытия, не превыной технике, в частности к определению шает 0,8 Тт, где Тт — температура термодеголщины пленочных покрытий изделий пу- струкции. тем измерения теплофизических свойств После установления на линии действия изделия с покрытием при их нагреве. 5 тепловых импульсовтемпературы Т»«, ВыЦель изобретения — повышение точно- бирают два различных значения температусти путем выбора оптимальных тепловых ры Т1 и Tz меньших, чем T„,„,. Находят на режимов нагрева и изм рева и измерения. поверхности покрытия две точки, в которых

Способ бесконтактного контроля тол- температуры будут равны Т1 и Т2, и измерящины пленочных покрытий изделий осуще- 10 ют соответствующие расстояния Х1 и Х2 от ствляют следующим о а ющим образом. этих точек до линии действия тепловых имС помощью источника тепловой энер- пульсов. гии импульсами энергии, сфокусированны- Затем определяют искомую толщину Ь ми в линию, осуществляют нагрев покрытия, используя выражение поверхности контролируемого покрытия, 15 при этом измеряют температуру на линии изм т нагрева. Частоту следования и мощность ;г-г импульсов подбирают так, чтобы на линии нагРева (линии действия импульсов) устано- rpe п»«максимально возможная в тепловилась температура, максимально допусти- 20 вом отношении толщина покрытия, при комая для исключения возможной торой теплофизические свойства изделия термодеструкции материала покрытия, Вы- перестают оказывать влияние на формиробор частоты Fx следования тепловых им- вание температурного поля на поверхности пульсов производят следующим образом. покрытия; величина h»«определяется эксОсуществляют тепловое воздействие 25 периментальным или расчетным путем; импульсом мощностью Осаке величина кото- „и i4 — коэффициенты теплопроводнорого принимается равной (0,4 — 0,8) От, где сти материалов покрытия и изделия; 5»<—

От — мощность импульса, при которой про среднеинтегральный коэффициент теплоисходит термодестркуция материала по- проводности изделия с нанесенным на него крытия. Измеряют интервал времени t»«30 покрытием, который равен в течение которого на линии действия имД 5 пульса О»«будет действовать избыточная = — > - — е„и 6 температура, после чего частоту следования

gqf„q ° г ) импульсов выбирают в пределах (25)/ гмакс, причем для материалов с большей 35 где ОЯ3Я коэффициент температуропротеплопроводностью выбирают верхние зна- водности изделия с покрытием;чения частоты. Мощность Ох тепловых импульсов после выбора частоты подбирают 2 > путем последовательного повышения их g„

1 мощности в соответствии с зависймостью Ql 40 1 Т, -Т2

Ql < + hQl, где

1 ii=Е (тц Fn )

Ьс ;= К1 ЬТ! J (Т»кс Т()1d i где Е (х) — целая часть числа;

6 — 1 т — время сохранения изб -: гочной тем»«температура пературы после подачи одиночного импульмаксимально допУстимаЯ длЯ исключениЯ са мощностью О на линии его действия. возможной TBPMoAecTPÓê×èè материала по- 5 Яа чертеже представлена схема устройР Т (4 текущая тем"ература на "" ства, реализующего предлагаемый способ. нии действия источника тепла, коэффициенT+ 1 = (0 1-2) Дж M устройство бесконтактного контроля 2 = (" 0 50) К с м дж причем Длв MB толщины пленочных покрытий изделий со-" териалов с большей теплопроводностью 10 держит источник 1 тепловой энергии с фоку принимают меньшие значения коэффици- сировкой энергии в линию 2, первый ентов, термоприемник 3, сфокусированный на лиИэмерение температуры на линии дей- нию 2, второй термоприемник 4, коммутаствиЯ тепловых импУльсов пРоиэводЯт в мо- тор 5, усилитель 6, схему 7 сравнения, блок менты времени, отстоЯщие от заднего 15 8управления,электронныеключио-11,преФРонта импульсов На 1 — 2 с. 8 этом слУчае обраэователь 12 напряжения в частоту, значение температуры, максимально допу- счетчик 13, реверсивный двигатель 14, анастимой для исключения возможной термо1661565 зом, лого-цифровой преобразователь 15, электронный ключ 16, датчик 17 расстояния, микропроцессор 18, блок 19 ввода-вывода — он же регистрирующий прибор, генератор 20 тактовых импульсов., управляемый делитель

21 частоты, сдвиговый регистр 22, логический элемент 23 И, инвертор 24, формирователь 25 импульсов, вентиль 26, источник

27 питания. Генератор 20, делитель 21, сдвиговый регистр 22, логический элемент

23 и формирователь 25 импульсов с указанными на схеме соединениями представляют собой схему генерации импульсов.

Устройство работает следующим обраПеред началом измерений по команде с блока 8 управления устройство приводится в исходное состояние, когда электронные ключи P — 11 и 16 и логический элемент 23 закрыты, а счетчик 13 и сдви-,îâûé регистр

22 обнулены. Через блок 19 ввода-вывода в микропроцессор 18 вводится программа, включающая подпрограмму расчета частоты подачи тепловых импульсов, подпрограмму расчета адаптивного изменения мощности тепловых импульсов, подпрограмму расчета искомой толщины пленочного покрытия.

В память микропроцессора заносятся значения С>макс, Тмакс T l Т2, ) и, т, макс

Затем по команде с блока 8 управления открывается ключ 10, коммутатор 5 подключается к первому термоприемнику 3, на второй установочный вход схемы сравнения подается опорное напряжение, величина которого соответствует сигналу первого термоприемника 3 при исходной температуре Та. По команде с блока 8 управления из микропроцессора 18 в регистр 22 заносится каД, пРапОРЦ!Ланальный величине Омакс. Управляемый вентиль 26 подключает источник

27 питания к источнику 1 тепловой энергии на время, соответствующее Омакс. Сигнал с термоприемника 3, через коммутатор 5 и усилитель 6 подается на схему 7 сравнения, при переключении которой из счетчика 13 информация аб интервале времени заносится в память микропроцессора 18.

Далее определяется частота следования импульсов Рм и по команде с блока 8 управления в управляемый делитель 21 частоты вводится код М1, определяющий коэффициент деления N> = Fo/F, где Fo — опорная частота генератора 20 тактовых импульсов.

Затем по команде с блока 8 управления закрывается ключ 10, открывается ключ 9 и

55 на вход схемы 7 сравнения подается опорное напряжение, моделирующее значение

Тмакс, при этОм подается сигнал на запуск генератора 20.

На поверхность исследуемого покрытия изделия 28 воздействуют тепловые импульсы с частотой F<. На выходе схемы 7 сравнения г оя вляется разность ЛТ, которая поступает на преобразователь 12 напряжения s частоту и на аналого-цифровой преобразсватель 15. В счетчике 13, работающем в режиме суммирования, число импульсов будет пропорционально интегральному во времени значению разности ЛТ. После окончания действля импульса управляющий сигнал сдвигового регистра 22 задним фронтом переключает инвертор 24, который включает формирователь 25 импульсов, формирующий импульсов с определенным фиксированным запаздыванием со = 1-2 с относительно заднего фронта теплового импульса. По команде сформированного им о пульс" информацля об интеграле f h. To r о счетчика 13 и о разности Л11 с аналого-цифрового преобразователя 15 заносится в оперативную память микропроцессора, где вычисляется приращение мощности ЛО и определяется мощность Q<>, значение которол в коде заносится в регистр 22, откуда подается сигнал на вентиль 26, подключающий источник 1 тепловой энергии к источнику 27 питания, и процесс г авторяется да тех пор, пока установившееся значение избыточной температуры на линии действия источника тепла станет равным Тмакс, при этом Лт; = О. Значение соответствующей мощности С4 импульсов заносится в память микропроцессора 18, откуда на блок 8 управления подается команда, по которой закрывается ключ 9, открывается ключ 11, переключаешься коммутатор 5 на второй термоприемник 4, на вход схемы 7 сравнения подается опорное напряжение, моделирующее значение выбранной температуры Т1.

Тепловое воздействие на поверхность покрытия продолжает осуществляться тепловыми импульсами мощностью Q> и частотой

F>. Разностный сигнал ЛТ (х) с выхода схемы 7 сравнения поступает через аналогоцифровой преобразователь 15 на микропроцессор 18 и через электронный ключ 11 на реверсивный двигатель 14, который в зависимости от знака и величины сигнала перемещает в ту или иную сторону термоприемник 4 от линии 2 действия источника 1 тепловой энергии до тех пор, пока измеряемая термоприемником 4 температура станет равной значению Т>. Затем по

20 команде с блока 8 управления открывается ключ 16 и сигнал о расстоянии Х1 с датчика

17 расстояния через ключ 16 и аналого-цифровой преобразователь 15 заносится в микропроцессор 18. Затем по команде с блока

8 управления закрывается ключ 16, на схему

7 сравнения подается опорное напряжение, моделирующее значение выбранной температуры Т2, и процесс повторяется для измерения величины Хг.

После стабилизации температурного поля на поверхности покрытия по команде с блока 8 управления закрываются ключи

16, 11 и 9, открывается ключ 10, коммутатор

5 переключается на термоприемник 3 и определяется интервал времени f<, аналогично определению гиакс . Затем в микропроцессоре 18 рассчитывается значением . F и находится его целая часть и;

Далее рассчитываются величины аиЗм, АИ3м и определяется искомая толщина покрытия

hn, значение которой заносится в память микропроцессора 18 и по команде вызывается на регистрацию в блок 19 ввода-вывода.

Использование изобретения позволяет с высокой точностью определять толщину пленочных покрытий из различных матери алов, при этом предлагаемое устройство обеспечивает высокую производительность измерений.

Формула изобретения

1, Способ бесконтактного контроля толщины пленочных покрытий изделий, заключающийся в том, что с помощью источника тепловой энергии осуществляют локальный нагрев участка поверхности контролируемого покрытия, вне места нагрева измеряют температуру поверхности покрытия и по результатам измерения определяют толщину покрытия, отл ича ю щи и с я тем, что, с целью повышения точности путем выбора оптимальных тепловых режимов, нагрев поверхности осуществляют импульсами тепловой энергии, сфокусированными в линию, измеряют температуру на этой линии и подбирают частоту следования и мощность импульсов так, чтобы на линии действия импульсов установилась температура, максимально допустимая для исключения возможной термодеструкции материала покрытия, затем выбирают два различных значения температуры, меньших температуры на линии действия импульсов, находят на поверхности покрытия две точки, температуры в которых будут равны заданным, измеряют расстояние от этих точек до линии действия импульсов и определяют толщину

55 покрытия с учетом значений мощности и частоты тепловых импульсов, величин заданных температур, соответствующих им измеренных расстояний и значений теплопроводностей материалов изделий и покрытия.

2. Способ поп1,отл и чаю щийся тем, что частоту следования тепловых импульсов выбирают в пределах (2 — 5)/ г,„,, где Гкакс — интервал времени сохранения избыточной температуры с момента подачи одного импульса мощностью Омакс = (0,4

0,8) От, От — мощность одиночного тепловоl0 импульса, при воздействии которого температура на линии его действия достигает значения Тт — температуры термодеструкции исследуемого покрытия.

3, Способ по пп,1 и 2, о т л к ч а ю щ и йс я тем, что мощность тепловых импульсов подбирают путем последовательного повышения их мощности в соотве|ствии с зазисимостью Qj = О +1+ Q) где

Р

1!

ATi =- Тмакс Т { :1 1 )

Тмакс — температура,;-;аксимал bHG допустимая для исключения возможной гармодеструкции материала покрытия Т { 7 1J-текущая температура на линии действия источника тепла; К; =- (О 1 — 2) Пж/1К м} К =

=(10 — 50) (К с м)/Дж.

4, Способпоп. t,отл ича а щи йся тем, что температуру на линии действия тепловых импульсов измеряют в моменты времени, отстоящие от заднего фронта импульсов на 1 — 2 с, а значение температуры, максимально допустимой для исключения возможной термодеструкции материала покрытия, принимают не выше 0,8 температуры термодсструкции.

5. Устройство бесконтактнсгс контроля толщины пленочных покрытий иэделий, содержащее источник тепловой энергии. два термоприемника, источник питания, блок управления и регистрирующий прибор, о тл и ч а ю щ е е с я тем, что, в качестве источника тепловой энергии применен импульсный источник с фокусировкой тепловой энергии в линию нагрева, первый термоприемник сфокусирован на линию нагрева, а второй термоприемник установлен с возможностью перемещения относительно линии нагрева, устройство снабжено датчиком расстояния, соединенным с вторым термоприемником, и схемой генераторации импульсов с воэможностью управления час1661565 тотой их следования, источник тепловой энергии подключен к источнику питания через вентиль, управляющий вход которого соединен с выходом схемы генераторации импульсов, а блок управления соединен с источником питания и схемой генераторации импульсов.

Составитель А. Ершова

Редактор Л. Гратилло Техред M,Ìñðãåíòàë Корректор И.Муска

Заказ 2128 Тираж 388 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб„4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

6, Устройство по п.5, о т л и ч а ю щ е ес я тем, что, с целью повышения производительности за счет автоматизации процесса измерении при оптимизации теплового режима, оно снабжено коммутатором. входы которого подключены к термоприемникам и блоку управления, схемой сравнения, один вход которой через усилитель соединен с выходом схемы сравнения, а второй вход — с блоком управления, тремя электронными ключами, входы которых подключены к выходу схемы сравнения, преобразователем напряжения в частоту, подключенным к выходу первого ключа, счетчиком, счетный вход которого подключен к выходу преобразователя напряжения в частоту, второй вход — к выходу второго ключа, третий вход — к блоку управления аналого-цифровым преобразователем, первый информационный вход которого подключен к выходу схемы сравнения, второй вход через четвертый электронный ключ подключен к выходу датчика расстояния, реверсивным двигателем, вход которого подключен к выходу третьего электронного

5 ключа, а вал связан кинематически с вторым термоприемником, блоком ввода-вывода. микропроцессором, к которому подключены выход счетчика, блок управления, выход аналого-цифрового преобразователя и блок

10 ввода-вывода, а схема генерации импульсов содержит генератор тактовых импульсов, вход которого подключен к блоку управления, а выход — к микропроцессору, управляемый делитель частоты. входы которого

15 подключены к микропроцессору и генератору тактовых импульсов, логический элемент

И, сдвиговый регистр, информационный вход которого соединен с микропроцессором, синхрониэирующий вход через логиче20 ский элемент И вЂ” с генератором тактовых импульсов, управляющий вход — с выходом управляемого делителя частоты, четвертый вход — с блоком управления, а выход — с одним из входов логического элемента И и

25 с управляющим входом вентиля, и формирователь импульсов, вход которого через инвертор подключен к выходу сдвигового регистра, а выход — к аналого-цифровому преобразователю и счетчику.