Устройство для измерения толщины диэлектрического покрытия

Авторы патента:

Владельцы патента RU 2413180:

Учреждение Российской академии наук Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова РАН (RU)

Изобретение относится к измерительной технике. Технический результат: повышение точности измерения толщины диэлектрического покрытия, нанесенного на диэлектрическую основу. Устройство содержит генератор электромагнитных колебаний 1, соединенный выходом с излучателем 2, первый приемник 3, первый детектор 4, второй приемник 5, соединенный со входом второго детектора 6, и вычислитель 7. Принцип действия устройства основан на преобразовании напряженностей электрических полей отраженных электромагнитных волн от двух границ разделов сред. 1 ил.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в системах управления технологическими процессами.

Известно устройство, реализуемое емкостным датчиком толщины покрытия (см. М.Чеховский. Контроль толщины эмали на кузове. Радио, №7, 2004, стр.47), в котором о толщине покрытия эмали на кузове легкового автомобиля судят по измерению емкости двух последовательно включенных конденсаторов, соединенных с измерителем емкости.

Недостатками этого известного устройства являются контактность датчика с контролируемой поверхностью покрытия и погрешность измерения из-за температурных влияний на емкость конденсаторов.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является принятое автором за прототип устройство, реализующее способ определения толщины диэлектрического покрытия (см. Патент РФ №2262658, опубликованный 20.10.2005, Бюл. №29). В основе работы способа, реализуемого указанным устройством, лежит зондирование диэлектрического покрытия электромагнитными волнами и измерение напряженности электрического поля отраженной волны от контролируемого покрытия. Здесь для этого используются излучатель и приемник, выполненные в виде зеркальных антенн, которые соответственно осуществляют облучение покрытия и прием отраженного от него сигнала. При известных значениях направленности и мощности излучателя, путем измерения продетектированного сигнала амплитудного детектора определяют толщину диэлектрического покрытия, нанесенного на диэлектрическую основу.

Недостатком этого изобретения следует считать неточность, связанную с изменением диэлектрической проницаемости диэлектрического покрытия.

Задачей заявленного технического решения является повышение точности измерения толщины.

Поставленная задача решается тем, что в устройство для измерения толщины диэлектрического покрытия, нанесенного на диэлектрическую основу, содержащее генератор электромагнитных колебаний, соединенный выходом с излучателем, первый приемник, подключенный ко входу первого детектора, излучатель и первый приемник выполнены в виде зеркальных антенн и расположены в одной плоскости на одном расстоянии от контролируемого покрытия, введены второй детектор, вычислитель и второй приемник, выполненный в виде зеркальной антенны и расположенный вместе с излучателем и первым приемником в одной плоскости, на одном расстоянии от контролируемого покрытия, при этом второй приемник подключен ко входу второго детектора, выход которого соединен с первым входом вычислителя, второй вход вычислителя подключен к выходу первого детектора.

Существенными отличительными признаками указанной выше совокупности является наличие второго приемника, второго детектора и вычислителя.

В заявляемом техническом решении благодаря свойствам перечисленных признаков преобразование напряженности электрических полей отраженных от первой границы раздела сред «воздух - диэлектрическое покрытие» и второй границы раздела сред «диэлектрическое покрытие - диэлектрическая основа» волн дает возможность решить поставленную задачу: обеспечить повышение точности измерения толщины диэлектрического покрытия.

На чертеже приведена функциональная схема предлагаемого устройства.

Устройство содержит генератор электромагнитных колебаний 1, излучатель 2, первый приемник 3, первый детектор 4, второй приемник 5, второй детектор 6 и вычислитель 7. На чертеже поз. 8 и 9 обозначены соответственно диэлектрическое покрытие и диэлектрическая основа.

Устройство работает следующим образом. Электромагнитные волны излучателя 2, поступающие с выхода генератора электромагнитных колебаний 1, направляются в сторону диэлектрического покрытия 8, нанесенного на диэлектрическую основу 9. В этом случае согласно теории распространения электромагнитных волн может иметь место отражение волн от первой границы раздела сред «воздух - диэлектрическое покрытие», прохождение волн через диэлектрическое покрытие и отражение прошедших волн от второй границы раздела сред «диэлектрическое покрытие - диэлектрическая основа».

Для коэффициента отражения от первой границы раздела сред k₁₂ можно записать:

где Е_пад1 - напряженность электрического поля падающей на первую границу раздела сред волны, Е_отр1 - напряженность электрического поля отраженной от первой границы раздела сред волны.

В рассматриваемом случае при расположении диэлектрической основы с нанесенным на нее диэлектрическим покрытием в волновой зоне (см. стр.3, вышеприведенного патента) для Е_пад1 можно принимать:

где R - расстояние от излучателя до поверхности диэлектрической основы, P - мощность излучателя, G - направленность излучателя и δ - толщина диэлектрического покрытия.

В силу этого для Е_отр1 получаем:

Формулу (2) с учетом того, что:

где ε₂ - диэлектрическая проницаемость диэлектрического покрытия, можно переписать как:

Здесь принимается, что диэлектрическая проницаемость воздуха ε_в равна единице и диэлектрическое покрытие не имеет потерь, т.е. g₂=0, где g₂ - проводимость диэлектрического покрытия.

Из формулы (3) видно, что при постоянных значениях P, G и R для определения δ по величине Е_отр1 необходимо иметь информацию о ε₂, так как разные материалы, используемые для покрытия диэлектрической основы, могут иметь разные значения диэлектрической проницаемости.

Для этого в предложенном устройстве используется отражение от второй границы раздела сред с коэффициентом отражения K₂₃, определяемым следующим выражением:

где Е_пад2 - напряженность электрического поля падающей на вторую границу раздела сред волны, Е_отр2 - напряженность электрического поля отраженной волны от второй границы раздела сред.

Согласно вышеприведенным условиям (расположение диэлектрической основы и покрытия в волновой зоне) для данного случая напряженность электрического поля падающей на вторую границу раздела сред (поверхность диэлектрической основы) волны можно представить как:

Как следует из последней формулы, в этом случае влияние толщины покрытия δ на формирование Е_пад2 не учитывается. Это объясняется тем, что при отсутствии покрытия на диэлектрической основе имеет место только одно отражение от поверхности диэлектрической основы (граница раздела сред «воздух - диэлектрическая основа»), которое может существовать и при наличии покрытия, но от другой границы раздела сред («диэлектрической покрытие - диэлектрическая основа») и с другим коэффициентом отражения. Поэтому при формировании Е_пад2 на второй границе раздела сред (расстояние от излучателя до поверхности диэлектрической основы без учета δ) нет необходимости учитывать толщину покрытия. В силу такого допущения формулу (4) с учетом того, что:

где ε₃- диэлектрическая проницаемость диэлектрической основы, можно переписать как:

Здесь принимается, что ε₃>ε₂ и диэлектрическая основа не имеет потерь, т.д. g₃=0, где g₃ - проводимость диэлектрической основы.

Из последней формулы видно, что в случае постоянных значений P, G, R и ε₃=const, т.е. при одном и то же материале диэлектрической основы, величина Е_отр2 становится функцией ε₂.

Пусть отраженная волна от первой границы раздела сред улавливается первым приемником 3, а отраженная волна от второй границы раздела сред - вторым приемником 5, которые далее поступают на входы первого 4 и второго 6 детекторов соответственно. В рассматриваемом случае из-за того, что значения напряженности Е_отр1 одновременно изменяются от изменений ε₂ и δ, а значения напряженности Е_отр2 изменяются только от изменения ε₂, их разделение по приему первым и вторым приемниками можно осуществить опытным путем.

Согласно предлагаемому техническому решению сигнал, полученный на выходе первого детектора, зависящий от изменений ε₂ и δ, далее поступает на первый вход вычислителя 7. Одновременно на второй вход вычислителя поступает выходной сигнал второго детектора, зависящий от ε₂. В результате этого преобразование в вычислителе сигналов, описывающихся формулами (3) и (5), дает возможность определить толщину покрытия δ с учетом изменения ε₂, т.е. диэлектрической проницаемости диэлектрического покрытия.

Таким образом, в заявляемом техническом решении показано, что преобразованием напряженностей электрических полей отраженных волн от двух границ раздела сред можно обеспечить повышение точности измерения диэлектрического покрытия.

Устройство для измерения толщины диэлектрического покрытия, нанесенного на диэлектрическую основу, содержащее генератор электромагнитных колебаний, соединенный выходом с излучателем, первый приемник, подключенный ко входу первого детектора, излучатель и первый приемник выполнены в виде зеркальных антенн и расположены в одной плоскости на одном расстоянии от контролируемого покрытия, отличающееся тем, что в него введены второй детектор, вычислитель и второй приемник, выполненный в виде зеркальной антенны и расположенный вместе с излучателем и первым приемником в одной плоскости на одном расстоянии от контролируемого покрытия, причем второй приемник подключен ко входу второго детектора, выход которого соединен с первым входом вычислителя, второй вход вычислителя подключен к выходу первого детектора.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в системах управления технологическими процессами. .

Устройство для измерения толщины диэлектрического покрытия // 2332658

Рентгеновский толщиномер металлического проката // 2330240

Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники, в частности, к рентгеновским средствам измерения толщины холодного и горячего проката, как правило, металлической ленты в металлургической промышленности, для использования в различных отраслях машиностроения, энергетики, судостроения, магистральных трубопроводах и других отраслях.

Стенд для градуировки рентгеновского измерителя толщины // 2327953

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, а именно к контрольно-поверочным устройствам рентгеновских толщиномеров, предназначенным для неразрушающего контроля промышленных изделий, и может быть использовано при измерении толщин листового проката из черных и цветных металлов.

Способ измерения параметров структуры "металлическая пленка - полупроводниковая или диэлектрическая подложка" // 2326368

Изобретение относится к области технологии тонких пленок и многослойных наноструктур. .

Способ контроля распределения десублимата гексафторида урана на поверхности десублимации // 2326346

Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники и предназначено для контроля за нарастанием слоя десублимата гексафторида урана и профилем его распределения на поверхности десублимации и может быть использовано в производстве гексафторида урана и в исследовательских целях.

Бортовой измеритель слоя нефти, разлитой на водной поверхности // 2316728

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в качестве бортового измерителя толщины слоя нефти на поверхности воды. .

Рентгеновский способ определения параметров изделия // 2312306

Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники, в частности к рентгеновскому методу измерения параметров (толщины, геометрии, химического состава, структуры материала) металлического контролируемого изделия, и может быть использовано при контроле листового проката, трубопроводов, агрегатов сложной геометрии и других изделий при их производстве и эксплуатации.

Рентгеновский измеритель // 2308000

Рентгеновское устройство контроля толщины и химического состава материала проката // 2297595

Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники, в частности к рентгеновским устройствам измерения толщины проката и химического состава его материала из металлического сплава, и может быть использовано при контроле листового, трубного и другого проката непосредственно на станах холодной и горячей прокатки в динамике.

Способ и устройство для определения плотности вещества в костной ткани // 2428115

Изобретение относится к медицине, а именно к лучевой диагностике состояния костной ткани, и может быть использовано при определении таких заболеваний, как остеопороз и остеопатия

Способ определения толщины морского льда // 2439490

Изобретение относится к технике определения толщины морских льдов

Способ определения состояния поверхности дороги // 2473888

Изобретение относится к измерительной технике и может быть применено для определения состояния поверхности дорожного полотна, на котором возможно образование слоя воды, снега или льда

Переносной дистанционный измеритель параметров слоя нефти, разлитой на водной поверхности // 2478915

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в качестве переносного дистанционного измерителя толщины слоя нефти на поверхности воды

Способ измерения в режиме реального времени толщины пленки не содержащего хром покрытия на поверхности полосовой стали // 2498215

Изобретение относится к способу измерения в режиме реального времени толщины пленки не содержащего хром покрытия на поверхности полосовой стали. Способ характеризуется тем, что включает следующие стадии: стадия 1: выбирают два растворимых в воде химических вещества, которые содержат элементы P, Ca, Ti, Ba или Sr и не вступают в реакцию с жидкостью для нанесения не содержащего хром покрытия; стадия 2: добавляют два растворимых в воде химических вещества, выбранные на стадии 1, в жидкость для нанесения не содержащего хром покрытия и перемешивают их до гомогенности, после чего изготавливают эталонный образец пленки покрытия; стадия 3: используют излучение, испускаемое прибором определения в автономном режиме толщины пленки, для возбуждения двух растворимых в воде химических веществ для получения характеристических спектров двух растворимых в воде химических веществ и, тем самым, определения толщины пленки покрытия эталонного образца; толщину пленки покрытия, определенную при использовании растворимого в воде химического вещества, которое обладает интенсивным характеристическим спектром, принимают за фактическую толщину пленки, в то время как толщину пленки покрытия, определенную при использовании растворимого в воде химического вещества, которое обладает слабым характеристическим спектром, принимают за измеренную толщину пленки, разницу между фактической толщиной пленки и измеренной толщиной пленки принимают за величину коррекции толщины; многократно проводят операции получения величин коррекции толщины, соответствующие измеренным толщинам пленки, в результате аппроксимации величин коррекции толщины и измеренной толщины пленки получают выражение корреляционной функции между измеренной толщиной пленки и величиной коррекции толщины; стадия 4: добавляют в жидкость для нанесения не содержащего хром покрытия растворимого в воде химического вещества, которое обладает слабым характеристическим спектром, и используют излучение, испускаемое прибором определения в режиме реального времени толщины пленки покрытия, для возбуждения вещества и для получения, таким образом, измеренной толщины пленки, после чего используют выражение корреляционной функции для получения величины коррекции толщины, и, в заключение, исходя из измеренной толщины пленки и величины коррекции толщины получают фактическую толщину пленки покрытия. В результате определения в режиме реального времени изобретение способно обеспечивать эффективное отслеживание толщины пленки и непрерывную оптимизацию процесса нанесения покрытия; с высокой точностью и без какого-либо неблагоприятного воздействия на адгезионные свойства, коррозионную стойкость и экологические характеристики пленки покрытия. 2 з.п. ф-лы, 2 табл., 1 ил.

Способ радиолокационного определения толщины льда // 2526222

Изобретение относится к радиолокации и может быть использовано для определения толщины морских льдов, ледовой разведки, а также для радиозондирования ледников. Технический результат состоит в повышении точности измерения толщины льда. В заявленном изобретении определяют дисперсионные свойства среды по результатам измерения частотной зависимости времени задержки τз сигнала. Для измерения толщины льда с неизвестными параметрами определяют групповую скорость электромагнитной волны в толщине льда, для чего одновременно зондируют лед короткоимпульсным сигналом посредством широкодиапазонной антенны и второй узкополосной антенной, центральная частота которой ниже нижней частоты рабочего диапазона широкодиапазонной антенны, принимают отраженные сигналы посредством многоканального многочастотного селективного приемника отраженных сигналов в виде массива измерений, в каждом канале которого определяют задержку времени Δτз=τв-τн между временем τв приема отраженного сигнала от верхней кромки льда и временем τн приема отраженного сигнала. По частотной дисперсионной характеристике задержки времени определяют групповую скорость электромагнитной волны в толщине льда Vгр, электрическую проводимость льда σ, относительную диэлектрическую проницаемость льда ε, по результатам измерений групповой скорости электромагнитной волны определяют толщину льда. 3 ил.

Устройство для детектирования толщины и плоскостности пластин и полос // 2545385

Изобретение относится к устройству для детектирования толщины и плоскостности пластин и полос в области применения ядерных технологий. Устройство включает C-образную раму, два источника излучения, установленные на верхнем плече C-образной рамы и расположенные с некоторым интервалом в направлении ширины стальной пластины/полосы, два ряда матриц детекторов - газонаполненных ионизационных камер, установленных на нижнем плече С-образной рамы и расположенных с некоторым интервалом в направлении движения пластины/полосы, коллиматоры, установленные ниже двух источников излучения, причем коллиматоры позволяют излучению от каждого источника облучать только соответствующий ряд детекторов, модули предварительных усилителей, соединенные с матрицами детекторов, устройство сбора данных, соединенное с модулями предварительных усилителей, компьютер для обработки и отображения данных, соединенный с устройством сбора данных, и систему подачи охлаждающей воды и сжатого воздуха, и систему управления для обеспечения эксплуатации и контроля системы. Технический результат - увеличение точности динамических измерений, а также детекторы имеют невысокий дрейф температуры и стойкость к излучению. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

Бесконтактное радиоволновое устройство для измерения толщины диэлектрических материалов // 2573627

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для бесконтактного и дистанционного определения толщины плоских диэлектрических материалов. Бесконтактное радиоволновое устройство для измерения толщины диэлектрических материалов содержит первый СВЧ-генератор, делитель мощности, первый и второй умножители частоты, антенны для излучения электромагнитных волн в сторону поверхности диэлектрической пластины по нормали к ней и приема отраженных волн, смеситель, вычислительный блок, соединенный с выходом смесителя. Устройство дополнительно содержит второй СВЧ-генератор, переключатель, первый циркулятор, первый вывод которого соединен с первым выводом делителя мощности, второй вывод соединен с первой антенной, третий вывод соединен через второй умножитель частоты с первым входом смесителя, второй циркулятор, первый вывод которого соединен со вторым выводом делителя мощности через первый умножитель частоты, второй вывод соединен со второй антенной, третий вывод соединен со вторым входом смесителя, при этом первый и второй СВЧ-генераторы соединены с первым и вторым входами переключателя, управляющий вход переключателя соединен с вычислительным блоком, а его выход соединен с входом делителя мощности. Технический результат заключается в повышении точности измерения. 1 ил.

Способ определения толщины солевого отложения, загрязненного радионуклидами природного происхождения, на внутренних поверхностях трубопроводов нефтегазодобывающих морских платформ // 2575143

Изобретение относится к технике радиометрических измерений при обращении с радиоактивными веществами. Способ определения толщины солевого отложения, загрязненного радионуклидами природного происхождения, на внутренних поверхностях трубопроводов нефтегазодобывающих морских платформ, при котором определяют калибровочную зависимость коэффициента пропускания гамма-квантов от толщины солевого отложения в лабораторных условиях по заранее отобранным образцам трубопроводов разных моделей с солевыми отложениями разной толщины, измеряют скорость счета импульсов от фонового гамма-излучения на образце трубопровода без солевого отложения, измеряют скорости счета импульсов суммарного фонового гамма-излучения и гамма-излучения источника, определяют скорость счета импульсов от гамма-квантов источника, прошедших через образец трубопровода, измеряют скорости счета импульсов суммарного фонового гамма-излучения и гамма-излучения источника, определяют скорость счета импульсов от гамма-квантов источника, прошедших через исследуемый участок трубопровода, определяют коэффициент пропускания гамма-излучения исследуемого участка трубопровода, определяют толщину солевого отложения на исследуемом участке трубопровода по величине его коэффициента пропускания гамма-излучения и полученной калибровочной зависимости. Технический результат - повышение точности определения толщины солевого отложения на внутренней поверхности трубопровода, обеспечение контроля состояния трубопровода без отбора проб и без остановки технологического процесса добычи нефти, обеспечение возможности применения способа для нерадиоактивного солевого отложения. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Устройство для измерения внутреннего диаметра металлической трубы // 2611334

Изобретение может быть использовано для бесконтактного измерения внутреннего диаметра металлических труб на металлургических, машиностроительных предприятиях, в том числе при их производстве, например, по методу центробежного литья. Оно может быть применено также при бесконтактном измерении внутреннего диаметра и толщины стенок труб. Предлагаемое устройство для измерения внутреннего диаметра металлической трубы, содержащее размещаемый внутри трубы коаксиально с ней металлический стержень, выполненный из трех участков, первый и второй из которых имеют одинаковый диаметр, а третий участок, расположенный между ними на измерительном участке трубы, имеет отличный от них диаметр, при этом на этом участке трубы возбуждены электромагнитные колебания как в открытом с торцов объемном резонаторе, электронный блок для возбуждения в объемном резонаторе и съема электромагнитных колебаний и измерения резонансной частоты электромагнитных колебаний, электрически соединенный посредством линии связи и элемента связи с объемным резонатором, при этом частота возбуждаемых электромагнитных колебаний выбрана меньшей, чем критическая частота возбуждения электромагнитных волн на участках трубы с участками металлического стержня с одинаковым диаметром. На третьем участке металлический стержень имеет диаметр, уменьшенный по сравнению с диаметром металлического стержня на первом и втором участках. Техническим результатом является расширение области использования. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.