Устройство для измерения толщины экструзионных диэлектрических пленок

 

Изобретение относится к измерительной технике и позволяет исключить погрешность измерения толщины пленки, связанную с измерением влажности диэлектрического материала, из которого она изготовлена. Сущность изобретения: устройство для измерения толщины пленки содержит основной измерительный и образцовый емкостные преобразователи, накладываемые на контролируемую диэлектрическую пленку. Измерительные сигналы преобразователей поступают через защитные и измерительные коммутаторы на входе блока преобразования емкости в напряжение, которое модулируется с частотой коммутации при глубине модуляции, пропорциональной разности емкостей обоих преобразователей. Имеется датчик температуры и дополнительный измерительный емкостной первичный преобразователь, размещенный в головке экструдера. Устройство позволяет регистрировать не только толщину пленки в процессе ее изготовления, но и ее влагосодержание. 1 з. п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для контроля толщины диэлектрических пленок, получаемых экструзионным методом.

Известны устройства для измерения толщины диэлектрических материалов, содержащие два накладных емкостных первичных преобразователя, закрепленные на одной диэлектрической подложке, и коммутационно-модуляционную схему обработки измерительного сигнала [1] Недостатками этих устройств является наличие существенных погрешностей измерения, обусловленных изменением диэлектрических свойств материала пленки при изменении его температуры, состава, структуры, влажности и т.д.

Известно также устройство, содержащее основной измерительный и образцовый емкостные первичные преобразователи, состоящий каждый из высокопотенциального и низкопотенциального электродов, закрепленных на одной диэлектрической подложке, датчик температуры, закрепленный в диэлектрической подложке, дополнительный измерительный емкостной первичный преобразователь, размещенный в формующей головке экструдера вблизи выхода расплава из фильеры, генератор низкой частоты, два измерительных коммутатора, информационные входы которых подключены к высокопотенциальным электродам, а управляющие входы к генератору низкой частоты, два блока преобразования емкости в напряжение, вход первого блока подключен к выходам измерительных коммутаторов, а вход другого к дополнительному измерительному емкостному первичному преобразователю, управляемый избирательный усилитель низкой частоты, информационный вход которого подключен к выходу первого блока преобразования емкости в напряжение, согласующий блок, вход которого подключен к датчику температуры, а выход к управляющему входу управляемого избирательного усилителя низкой частоты, регулируемый аттенюатор, информационный вход которого подключен к выходу управляемого избирательного усилителя низкой частоты, управляющий вход к выходу второго блока преобразования емкости в напряжение, синхронный детектор, информационный вход которого подключен к выходу регулируемого аттенюатора, а управляющий вход к генератору низкой частоты, и регистратор, подключенный к выходу синхронного детектора [2] Однако известное устройство не обеспечивает в полной мере качественного измерения толщины диэлектрических пленок, так как при измерениях не учитывается изменение влажности материала пленки.

С изменением влажности пленочного материала его диэлектрическая проницаемость также изменяется. Это приводит к тому, что при одинаковой толщине материала с разной влажностью емкость основного измерительного емкостного преобразователя и, как следствие, выходное напряжение, поступающее на вход регистратора, будут разными. При выходе из формующей головки экструзионный пленочный материал резко охлаждается, при этом теряется часть влаги, а значит изменяется диэлектрическая проницаемость материала. В условиях неустановившегося влагодинамического баланса наличие дополнительного измерительного емкостного преобразователя не позволяет устранить погрешности, связанные с изменением диэлектрических свойств материала (в частности, за счет изменения влажности).

Устранить эту погрешность можно, измерив влажность материала пленки. Для измерения малых влажностей (меньше 0,01) можно использовать диэлькодинамический метод, при котором измеряется приращение диэлектрической проницаемости материала под воздействием высокого напряжения (800-900 В).

Для исключения погрешности измерения, обусловленной изменением диэлектрических свойств материала пленки при изменении его влажности, устройство для измерения толщины, содержащее основной измерительный и образцовый емкостные первичные преобразователи, состоящий каждый из высокопотенциального и низкопотенциального электродов, закрепленных на одной диэлектрической подложке, датчик температуры, закрепленный в диэлектрической подложке, дополнительный измерительный емкостной первичный преобразователь, предназначенный для размещения в формующей головке экструдера вблизи выхода расплава из фильеры, генератор низкой частоты, два управляемых измерительных коммутатора, управляющие входы которых подключены к генератору низкой частоты, два блока преобразования емкости в напряжение, вход первого блока подключен к выходам измерительных коммутаторов, а вход другого к дополнительному измерительному емкостному первичному преобразователю, управляемый избирательный усилитель низкой частоты, информационный вход которого подключен к выходу первого блока преобразования емкости в напряжение, согласующий блок, вход которого подключен к датчику температуры, а выход к управляющему входу управляемого избирательного усилителя низкой частоты, регулируемый аттенюатор, информационный вход которого подключен к выходу управляемого избирательного усилителя низкой частоты, управляющий вход к выходу второго блока преобразования емкости в напряжение, синхронный детектор, информационный вход которого подключен к выходу регулируемого аттенюатора, а управляющий вход к генератору низкой частоты, и регистратор толщины, снабжено генератором высокого поляризационного напряжения, генератор тактовых импульсов, делителем частоты тактовых импульсов, двумя поляризационными коммутаторами, информационные входы которых подключены к генератору высокого поляризационного напряжения, двумя защитными коммутаторами, информационные входы которых подключены к выходам поляризационных коммутаторов и основному измерительному и образцовому емкостным первичным преобразователям, управляющие входы к делителю частоты тактовых импульсов и к управляющим входам поляризационных коммутаторов, а выходы к информационным входам измерительных коммутаторов, регистрирующим коммутатором, управляющий вход которого подключен к делителю тактовых импульсов, а информационный вход к выходу синхронного детектора, двумя блоками памяти измерения такта, информационные входы которых соединены с выходами регистрирующего коммутатора, а управляющие входы с делителем тактовых импульсов, вход которого соединен с генератором тактовых импульсов, блоком сравнения и блоком компенсации ошибки, выход которого подключен к регистратору толщины, один из входов к выходу одного из блоков памяти измерения такта, а второй вход к выходу блока сравнения, входы которого подключены к выходам обоих блоков памяти.

Кроме того, устройство дополнительно снабжено регистратором влагосодержания исследуемого материала, вход которого подключен к выходу блока сравнения.

Под воздействием высокого напряжения дисперсные частицы влаги выстраиваются в цепочки вдоль силовых линий поля, увеличивая тем самым емкость основного емкостного первичного преобразователя.

Предлагаемое устройство позволяет регистрировать изменение диэлектрической проницаемости материала, выделив приращение емкости на входе основного измерительного емкостного первичного преобразователя (как функцию влажности материала пленки), и исключить ее из общей интегральной погрешности при измерении толщины пленки.

На чертеже представлена блок-схема устройства для измерения толщины экструзионных диэлектрических пленок.

Устройство содержит основной измерительный 1 и образцовый 2 емкостные первичные преобразователи, состоящие каждый из низкопотенциальных 1.1 и 2.1 и высокопотенциальных 1.2 и 2.2 электродов, закрепленных на диэлектрической подложке 3, датчик 4 температуры, дополнительный измерительный емкостной первичный преобразователь 5, размещенный в головке экструдера, защитные коммутаторы 6 и 7, которые подключают измерительные коммутаторы 8 и 9 к высокопотенциальным электродам 1.2 и 2.2, соответственно, измерительного 1 и образцового 2 преобразователей, первый блок 10 преобразования емкости в напряжение, подключенный к выходам коммутаторов 8 и 9, согласующий блок 11, подключенный к датчику 4 температуры, управляемый избирательный усилитель 12 низкой частоты, подключенный к блоку 10 преобразования емкости в напряжение и согласующему блоку 11, регулируемый аттенюатор 13, информационный вход которого подключен к выходу усилителя 12 низкой частоты, а управляющий вход через второй блок 14 преобразования емкости в напряжение к дополнительному измерительному емкостному первичному преобразователю 5, синхронный детектор 15, информационный вход которого подключен к выходу регулируемого аттенюатора 13, генератор 16 низкой частоты, подключенный к управляющим входам измерительных коммутаторов 8 и 9 и детектора 15, два поляризационных коммутатора 17 и 18, которые подключают генератор 19 высокого поляризационного напряжения к основному измерительному 1 и образцовому 2 емкостным первичным преобразователям, генератор 20 тактовых импульсов, который через делитель 21 тактовых импульсов (триггерный делитель частоты) подсоединен к управляющим входам поляризационных 17 и 18, защитных 6 и 7 коммутаторов, регистрационного коммутатора 22 и блоков 23 и 24 памяти измерения такта (емкостные накопители с управляемыми тактами зарядов и разрядов), подключенных через регистрирующий коммутатор 22 к выходу синхронного детектора 15, блок 25 компенсации ошибки (операционный усилитель с регулируемым опорным напряжением на одном из входов), блок 26 сравнения (аналоговый компаратор), входы которых подключены к выходам блоков 23 и 24 памяти измерения такта, регистратор 27 толщины пленки, подсоединенный к выходу блока 25 компенсации ошибки, и регистратор 28 влагосодержания в пленке, соединенный с выходом блока 26 сравнения, второй выход которого подключен к блоку 25 компенсации ошибки.

Устройство работает следующим образом.

Измерительный 1 и образцовый 2 емкостные первичные преобразователи накладываются на контролируемую диэлектрическую пленку. Измерительные сигналы преобразователей 1 и 2 поочередно поступают через защитные 6 и 7 и измерительные 8 и 9 коммутаторы на входы блока 10 преобразования емкости в напряжение.

При отсутствии контролируемой пленки емкости преобразователей 1 и 2 будут одинаковы, вследствие этого при поочередном их подключении к блоку 10 с частотой коммутации, в выходном его напряжении будет отсутствовать модуляция. При наложении контролируемой пленки на основной измерительный преобразователь 1 емкость его возрастает по отношению к емкости образцового преобразователя 2. Так как напряжение на выходе блока 10 зависит от емкости подключаемого преобразователя, то выходное напряжение блока 10 будет промодулировано с частотой коммутации. При этом глубина модуляции будет пропорциональна разности емкостей преобразователей 1 и 2.

Сигнал от датчика 4 температуры поступает через согласующий блок 11 на управляющий вход управляемого избирательного усилителя 12 низкой частоты, где происходит обработка информационного сигнала, поступающего с блока 10 преобразования емкости в напряжение.

Напряжение с выхода управляемого избирательного усилителя 12 низкой частоты подается через регулируемый аттенюатор 13 на информационный вход синхронного детектора 15, на управляющий вход которого подано опорное напряжение с выхода генератора 16 низкой частоты. На выходе синхронного детектора 15 появится выпрямленное напряжение, величина которого будет связана пропорциональной зависимостью с разностью емкостей преобразователей 1 и 2. Так как эта разность будет определяться емкостью, вносимой контролируемой пленкой, то напряжение на выходе синхронного детектора 15 будет функционально связано с толщиной пленки и не будет изменяться от температурных изменений диэлектрической проницаемости материала пленки.

Дополнительный измерительный емкостной первичный преобразователь 5, размещенный в головке экструдера, позволяет непрерывно иметь информацию о диэлектрической проницаемости движущегося в головке расплава диэлектрического материала, из которого сразу же формуется диэлектрическая пленка. Напряжение на выходе блока 14, преобразующего привнесенную исходным материалом емкость преобразователя 5 в напряжение, будет определяться только диэлектрической проницаемостью материала пленки. Напряжение с выхода блока 14 подается на управляющий вход регулируемого аттенюатора 13, коэффициент передачи которого установится таким, при котором будет происходить компенсация неинформативного воздействия, обусловленного изменением диэлектрической проницаемости материала пленки при изменении его состава, структуры.

С выхода синхронного детектора 15 информационный сигнал через регистрирующий коммутатор 22 поступает на блок 23 памяти измерения такта, с которого на блок 25 компенсации ошибки и блок 26 сравнения.

Работой защитных 6 и 7, поляризационных 17 и 18, регистрирующего 22 коммутаторов и блоков 23 и 24 памяти измерения тактов управляет делитель 21 тактовых импульсов, на вход которого подается сигнал от генератора 20 тактовых импульсов.

С генератора 19 высокого поляризационного напряжения сигнал через поляризационные коммутаторы 17 и 18 поочередно поступает на основной измерительный 1 и образцовый 2 емкостные первичные преобразователи. При этом во избежание подключения высокого поляризационного напряжения к измерительной схеме защитные коммутаторы 6 и 7 размыкаются.

После размыкания поляризационных коммутаторов 17 и 18 и замыкания защитных коммутаторов 6 и 7 происходит измерение емкостей основным измерительным 1 и образцовым 2 емкостными первичными преобразователями. Выходное напряжение с синхронного детектора 15 через регистрирующий коммутатор 22 поступает на блок 24 памяти измерения такта, а затем на блок 26 сравнения.

Величина напряжения на выходах блока 23 памяти измерения такта пропорциональна разности емкостей основного 1 и образцового 2 первичных преобразователей без воздействия на пленку высокого поляризационного напряжения, а на выходе блока 24 памяти измерения такта разности емкостей этих же преобразователей при воздействии на пленку высокого поляризационного напряжения. Разность этих напряжений подается на регистратор 28 влажности материала пленки и на блок 25 компенсации ошибки. При этом в блоке 25 компенсации ошибки происходит сравнение входных сигналов, поступивших с блока 23 памяти измерения такта и блока 26 сравнения, и разность между ними подается на регистратор 27 толщины пленки. В связи с этим выходной сигнал блока 25 компенсации ошибки, подаваемый на регистратор 27, не будет изменяться при изменении диэлектрической проницаемости материала пленки.

Данное устройство для измерения толщины экструзионных пленок позволяет существенно повысить измерения за счет исключения погрешностей измерения, обусловленных изменением диэлектрических свойств материала пленки при изменении его влажности. Оно позволяет также измерить и влажность материала пленки, что может быть использовано для оперативного управления процессом высококачественного получения пленки.

Изобретение может быть использовано в химической и легкой промышленности при производстве экструзионных диэлектрических пленок.

Формула изобретения

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТОЛЩИНЫ ЭКСТРУЗИОННЫХ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПЛЕНОК, содержащее основной измерительный и образцовый емкостные первичные преобразователи, состоящие каждый из высокопотенциального и низкопотенциального электродов, закрепленных на одной диэлектрической подложке, датчик температуры, закрепленный в диэлектрической подложке, дополнительный измерительный емкостный первичный преобразователь, предназначенный для размещения в формующей головке экструдера вблизи выхода расплава из фильеры, генератор низкой частоты, два управляемых измерительных коммутатора, управляющие входы которых подключены к генератору низкой частоты, два блока преобразования емкости в напряжение, вход первого блока подключен к выходам измерительных коммутаторов, а вход другого - к дополнительному измерительному емкостному первичному преобразователю, управляемый избирательный усилитель низкой частоты, информационный вход которого подключен к выходу первого блока преобразования емкости в напряжение, согласующий блок, вход которого подключен к датчику температуры, а выход - к управляющему входу управляемого избирательного усилителя низкой частоты, регулируемый аттенюатор, информационный вход которого подключен к выходу управляемого избирательного усилителя низкой частоты, управляющий вход - к выходу второго блока преобразования емкости в напряжение, синхронный детектор, информационный вход которого подключен к выходу регулируемого аттенюатора, а управляющий вход - к генератору низкой частоты, и регистратор толщины, отличающееся тем, что оно снабжено генератором высокого поляризационного напряжения, генератором тактовых импульсов, делителем частоты тактовых импульсов, двумя поляризационными коммутаторами, информационные входы которых подключены к генератору высокого поляризационного направления, двумя защитными коммутаторами, информационные входы которых подключены к выходам поляризационных коммутаторов и основному измерительному и образцовому емкостным первичным преобразователям, управляющие входы - к делителю частоты тактовых импульсов и к управляющим входам поляризационных коммутаторов, а выходы - к информационным входам измерительных коммутаторов, регистрирующим коммутатором, управляющий вход которого подключен к делителю тактовых импульсов, а информационный вход - к выходу синхронного детектора, двумя блоками памяти измерения, такта, информационные входы которых соединены с выходами регистрирующего коммутатора, а управляющие входы - с делителем тактовых импульсов, вход которого соединен с генератором тактовых импульсов, блоком сравнения и блоком компенсации ошибки, выход которого подключен к регистратору толщины, один из входов - к выходу одного из блоков памяти измерения такта, а второй вход - к выходу блока сравнения, входы которого подключены к выходам обоих блоков памяти.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно дополнительно снабжено регистратором влагосодержания исследуемого материала, вход которого подключен к выходу блока сравнения.

РИСУНКИ

Рисунок 1