Устройство для контроля толщины и удельного сопротивления электропроводящих изделий

 

Изобретение относится к измерительной технике. Технический результат: повышение точности измерения преимущественно неплоских объектов с ограниченным доступом к одной из поверхностей. Сущность изобретения: устройство содержит зондовую головку, источник тока, соединенный с одной из пар зондов, измеритель тока, два измерителя напряжения. Зондовая головка содержит не менее шести зондов. Между тремя зондами расстояние, по крайней мере, в 10 раз меньше, чем между остальными зондами. Пара зондов с малым расстоянием подключена к первому измерителю напряжения. Пара зондов с большим расстоянием подключена ко второму измерителю напряжения. Пара зондов, составленная из одного из оставшихся зондов группы с малым расстоянием и одного из оставшихся зондов группы с большим расстоянием, подключена к источнику электрического тока и измерителю электрического тока. 4 з.п. ф-лы, 1 табл., 2 ил.

Устройство относится к области измерительной техники, в частности, к области измерения толщины и электропроводности плоских электропроводящих изделий или изделий, имеющих малую кривизну поверхности, в том числе недоступных для измерения прямыми механическими методами (стенки цистерн и резервуаров, пустотелые изделия, листы металлоконструкций с ограниченным доступом к одной стороне, вскрытые участки труб газопроводов и нефтепроводов и др.).

Известны методы и устройства для измерения толщины изделий посредством использования механических индикаторов, например часового типа (см. Бочкин О.И. и др. Механическая обработка полупроводниковых материалов. - М.: Высшая школа, 1983, с. 63). Однако такие устройства непригодны для контроля толщины изделий с ограниченным доступом к одной из поверхностей изделия.

Известны метод и устройство для контроля электропроводности и толщины электропроводящих изделий, основанные на применении вихревых токов (см. A.с. SU 1569527 А1). Однако недостатком устройства по указанному авторскому свидетельству является то, что оно непригодно для контроля ферромагнитных материалов, например стальных изделий.

В качестве прототипа предлагаемого изобретения принимается устройство для контроля удельного сопротивления полупроводниковых пластин, основанное на использовании так называемого четырехзондового метода (см. Батавин В.В. и др. Измерение параметров полупроводниковых материалов и структур. - М.: Радио и связь, 1985, с. 5). Устройство содержит источник тока, измерители тока и напряжения и четырехзондовую головку, в которой к одной паре зондов подключены источник и измеритель тока I, а к другой паре зондов подключен измеритель напряжения V. При условии, что толщина пластины d, по крайней мере, в два раза меньше расстояния s между зондами четырехзондовой головки при известной толщине пластины, может быть найдено удельное сопротивление материала пластины по формуле с погрешностью менее 0,3%.

В практике измерений полупроводникового производства толщина пластин d может быть измерена с высокой точностью упомянутыми выше методами или бесконтактными методами, например, по способу, указанному в патенте RU 2107257 С1.

Недостатком прототипа является то, что он не может быть использован для контроля удельного сопротивления и толщины электропроводящих изделий с ограниченным доступом к одной из сторон изделия.

Техническая задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, состоит в разработке зондового метода контроля толщины и удельного сопротивления (электропроводности) электропроводящих, в том числе ферромагнитных, изделий с ограниченным доступом к одной из двух поверхностей, между которыми находится контролируемая толщина изделия.

Технический результат, получаемый в результате реализации изобретения, состоит в обеспечении возможности экспрессного контроля толщины и удельного сопротивления (электропроводности) электропроводящих изделий с ограниченным доступом к одной из поверхностей, между которыми находится контролируемая толщина изделия.

Для получения указанного технического результата в устройстве, содержащем источник тока, измерители тока и напряжения, в четырехзондовую головку, содержащую четыре зонда, включают, по крайней мере, еще два зонда таким образом, чтобы расстояние между тремя зондами головки было, по крайней мере, на порядок величины меньше, чем расстояние между остальными зондами и, кроме того, дополнительно добавляют второй блок измерения напряжения. При этом источник и блок измерения тока подключаются к одной из пар зондов, первый блок измерения напряжения подключается к паре зондов с малым расстоянием между зонами, где один из зондов расположен на малом расстоянии от токового зонда, а второй блок измерения напряжения подключен ко второй паре зондов с большим расстоянием между зондами, отстоящих на большом расстоянии от токовых зондов.

Схема и работа предлагаемого устройства пояснена фиг.1.

На фиг.2 иллюстрируется применение предлагаемого устройства для контроля удельного сопротивления и толщины объекта (вскрытого участка трубы трубопровода), для которого исключен доступ к двум поверхностям, между которыми измеряется толщина.

Устройство (фиг. 1) содержит многозондовую (в данном случае шестизондовую) головку 1, в которой между зондами "а-б" и "б-в" задано расстояние s₁, а между зондами "а-г", "г-д" и "д-е" задано расстояние s₂, причем s₂≥10 s₁; источник тока 2, измеритель тока 3, первый блок контроля напряжения 4, второй блок контроля напряжения 5 и цифровой индикатор толщины и удельного сопротивления 6. Источник и измеритель тока подключены к "токовым зондам" "а" и "е". Первый блок контроля напряжения 4 подключен к зондам "б" и "в" с малым расстоянием между зондами s₁, причем один из зондов (на фиг.1 - зонд "б") находится на малом расстоянии от токового зонда ("а"). Второй блок контроля напряжения 5 подключен к зондам "г" и "д", расстояние между которыми s₂ и которые удалены от токовых зондов соответственно на расстояние s₂ и 2s₂.

На фиг. 2 изображен подготовленный для диагностики объект 7 (труба), к поверхности которого прижимается зондовая головка с соединительным кабелем 8, связанная с электронным блоком 9, в котором находятся элементы 2-6, приведенные на фиг.1.

Устройство работает следующим образом. При соприкосновении головки с измеряемым изделием и при пропускании тока I через зонды "а" и "в" на зондах "б-в" измеряется падение напряжения V₁, причем если 3,3s₁≤d (где d - толщина контролируемого изделия), то с точностью до 2,3% (см. Ковтонюк Н.Ф., Концевой Ю.А. Измерение параметров полупроводниковых материалов. М.: Металлургия, 1970, с. 70) можно получить на зондах "г-д" измеряется падение напряжения V₂, причем если s₂≥2d, то (см. Батавин В.В. и др. Измерение параметров полупроводниковых материалов и структур. - М.: Радио и связь, 1985, с. 20) Из формул (2) и (3) может быть найдена толщина изделия: Формулы (2) и (4) получены для условия, когда все зонды находятся на одной линии, расстояния s₁ между тремя зондами, указанными на фиг.1, одинаковы и расстояния s₂ между четырьмя зондами, указанными на фиг.1, также одинаковы. Аналогичные формулы могут быть получены, когда зонды с большим расстоянием между ними s₂ расположены по углам квадрата, на одной из сторон которого расположены также и зонды с малым расстоянием между ними s₁. Конфигурация с линейным расположением зондов оптимальна при контроле удельного сопротивления и определении толщины стенок труб (фиг.2). Расположение зондов по углам квадрата оптимально при контроле удельного сопротивления и определении толщины металлических листов (например, элементов строительных конструкций) ограниченной площади.

Индикатор толщины и удельного сопротивления 6 при использовании микропроцессора реализует расчет ρ и d по формулам (2) и (4) и выводит эти данные на цифровой дисплей.

Реализация изобретения может быть проиллюстрирована следующим примером. При помощи зондовой головки с расстоянием между зондами "а-б" и "б-в" s₁=0,7 мм и расстоянием между зондами "а-г", "г-д" и "д-е" s₂=20 мм были измерены параметры ρ и d стального листа толщиной ~ 2,5 мм (толщина измерялась механическим индикатором с ценой деления 0,01 мм).

Результаты измерения и расчета приведены в таблице (измерения проводились в 5 точках).

Из таблицы следует, что расхождение между измерениями механическим индикатором и по предложенному методу составляет 3,8%. Полученные значения удельного сопротивления стали не противоречат табличным данным (см., например, "Физические величины. Справочник". /Под ред. И.С. Григорьева и Е.З. Мейлихова. М.: Энергоатомиздат, 1991, стр. 445).

Диапазон допустимых контролируемых толщин электропроводящих изделий определяется выбранными параметрами s₁ и s₂ шестизондовой головки, так как, исходя из вышесказанного, должно выполняться условие 3,3 s₁≤d≤0,5s₂. Параметр s₁ должен быть, по крайней мере, на порядок больше величины зерен в поликристаллическом материале, так как, например, зерна перлита, феррита и цементита в чугуне отличаются по удельному сопротивлению в несколько раз. Величина s₁ практически может быть сделана равной 100 мкм. Величина s₂ должна быть выбранной максимальной, но ее размер определяется размерами контролируемых изделий (эти размеры должны быть много больше величины s₂) и удобством работы. Практически величина s₂ может быть выбрана в пределах от 10 до 100 мм.

Патентный поиск за последние 20 лет, проведенный по кл. G 01 B 7/02, 7/06, G 01 В 21/02, 21/08 международной классификации, а также по классам 72/11.8; 72/9.2; 72/17.7; 72/205 американской классификации не выявил аналогичных решений, сходных с устройством по данной заявке. Следовательно, заявляемое устройство соответствует критерию патентной новизны.

Предложенное устройство может быть применено для контроля удельного сопротивления и толщины при диагностике вскрываемых участков магистральных металлических трубопроводов, где может происходить утонение труб вследствие коррозии и абразивного износа и для других применений, указанных выше. Таким образом, устройство является промышленно полезным.

Формула изобретения

1. Устройство для контроля толщины и удельного сопротивления электропроводящих изделий, содержащее источник тока, измеритель тока и первый измеритель напряжения, а также зондовую головку, в которой к одной из пар зондов подключены источник тока и измеритель тока, а к другой паре зондов - первый измеритель напряжения, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит второй измеритель напряжения, зондовая головка содержит, по меньшей мере, шесть зондов, причем расстояние между тремя смежными зондами, по меньшей мере, на порядок меньше величины расстояния между остальными зондами, пара зондов с малыми расстояниями между зондами подключена к первому измерителю напряжения, пара из расположенных с большим расстоянием зондов подключена ко второму измерителю напряжения, при этом пара зондов, составленная из одного из оставшихся зондов группы с малыми расстояниями и одного из оставшихся зондов из группы с большими расстояниями, подключена к источнику электрического тока и измерителю тока.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что все зонды с малыми расстояниями между ними расположены линейно.

3. Устройство по п. 1 или 2, отличающееся тем, что зонды с большими расстояниями расположены на одной линии с остальными зондами.

4. Устройство по п. 1 или 2, отличающееся тем, что зонды с большими расстояниями расположены по углам квадрата, на одной из сторон которого расположены зонды с малыми расстояниями.

5. Устройство по любому из пп. 1-4, отличающееся тем, что выходы всех измерителей подключены к входам цифрового индикатора толщины и удельного сопротивления.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3