Устройство для определения толщины ферромагнитного покрытия на немагнитной или слабомагнитной основе

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТОЛЩИНЫ ФЕРРОМАГНИТНОГО ПОКРЫТИЯ НА НЕМАГНИТНОЙ ИЛИ СЛАБОМАГНИТНОЙ ОСНОВЕ(71) Заявитель Государственное научнопроизводственное объединение Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по материаловедению(72) Автор Ярмолович Вячеслав Алексеевич(73) Патентообладатель Государственное научно-производственное объединение Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по материаловедению(57) Устройство для определения толщины ферромагнитного покрытия на немагнитной или слабомагнитной основе, содержащее последовательно соединенные генератор тока,измерительный преобразователь с постоянным магнитом и датчиком Холла, размещаемым между магнитом и намагничиваемой до насыщения поверхностью контролируемого покрытия, усилитель, блок обработки информации и индикатор, а также соединенный с генератором тока блок температурной компенсации, отличающееся тем, что магнит выполнен в виде цилиндрического кольца, внутри которого по его оси симметрии с радиальным зазором размещен цилиндрический магнитомягкий стержень, высота которого равна высоте указанного кольца, а датчик Холла установлен на тонкой немагнитной планке, выполненной с возможностью радиального перемещения между осью стержня и магнитом и связанной с датчиком перемещения, установленным в измерительном преобразователе и соединенным выходом с блоком обработки информации, содержащим микропроцессор. 17237 1 2013.06.30 Заявляемое изобретение относится к контрольно-измерительной технике, а именно к магнитным толщиномерам, и может быть использовано для контроля толщины ферромагнитных покрытий, преимущественно никелевых покрытий на немагнитной или слабомагнитной основе, а также для контроля толщины листов и фольг из ферромагнитного материала. Из уровня техники известен толщиномер магнитный 1, который содержит калиброванный магнит, последовательно соединенные датчик усилия, усилитель, блок обработки сигнала и индикатор. Калиброванный магнит размещен непосредственно на датчике усилия. Датчик усилия установлен контактно на покрытии, толщину которого необходимо контролировать. Выход блока обработки сигнала соединен с входом индикатора. Датчик усилия измеряет механическую нагрузку, создаваемую силой магнитного притяжения калиброванного магнита к ферромагнитному покрытию. Усилитель предназначен для масштабного преобразования сигнала датчика усилий. Блок обработки сигнала осуществляет математические операции, преобразование аналогового сигнала в цифровой и запоминание информации и при необходимости ее воспроизведение на индикаторе. В качестве индикатора может служить цифровой дисплей. При контроле толщины изделия,представляющего собой немагнитное основание с ферромагнитным покрытием или ферромагнитный лист, усилие прижатия датчика к изделию при толщине листа или покрытия,равной нулю, также равно нулю и возрастает по мере увеличения значения толщины по кривой с насыщением (выходом на плато). Недостатком этого устройства является низкая точность измерения, поскольку сила притяжения зависит от магнитных свойств покрытия, таких как намагниченность, магнитная анизотропия, текстурированность, доменная структура ферромагнетика, и механических свойств, например чистоты обработки поверхности, т.е. ее шероховатости. Кроме того, открытая магнитная система (магнит без магнитопровода) подвержена влиянию воздействия полей магнитных помех. Наиболее близким к заявляемому устройству является толщиномер никелевых покрытий, функционирующий на эффекте Холла и приведенный в 2 (прототип). Он содержит последовательно соединенные генератор тока, измерительный преобразователь, усилитель, блок обработки информации, индикатор, блок температурной компенсации. Измерительный преобразователь состоит из постоянного магнита и датчика Холла, помещенного между магнитом и контролируемой поверхностью. Причем энергия магнита обеспечивает намагничивание никеля под измерительным преобразователем до насыщения. Известно,что магнитные свойства никеля сильно зависят от реализации технологического процесса его нанесения. В то же время при намагничивании никеля до насыщения его магнитные характеристики стабилизируются, что позволяет более однозначно определять толщину покрытия, чем в устройстве 1. Выходной сигнал измерительного преобразователя, пропорциональный толщине покрытия, через усилитель передается в блок обработки информации, где он по определенному алгоритму преобразуется в значения толщины покрытия,передаваемые для отображения на индикатор. Для компенсации влияния температуры на результаты измерений в толщиномере используется блок температурной стабилизации,соединенный с генератором тока. Этот блок изменяет ток генератора, от которого питается датчик Холла, так, что выходное напряжение измерительного преобразователя не изменяется при изменении температуры окружающей среды. Толщиномер никелевых покрытий 2 имеет диапазон измерений до 600 мкм при погрешности измерений, не превышающей 5 от измеряемой величины. Основным недостатком прототипа является низкая точность измерений, обусловленная тем, что используется открытая магнитная система (магнит без магнитопровода), которая подвержена влиянию воздействия полей магнитных помех. Кроме того, тонкие ферромагнитные покрытия обычно имеют высокую плотность пространственных флуктуаций магнитных свойств, в том числе из-за скрытых дефектов типа пор, включений, меха 2 17237 1 2013.06.30 нических напряжений и микродеформаций и др., вызывающих в локальных и протяженных областях изменения индукции магнитного поля, по величине которой в одной точке и вычисляется толщина покрытия, что также влияет на однозначность измерений в прототипе. Задачей, решаемой в настоящем изобретении, является повышение точности измерений. Устройство для определения толщины ферромагнитного покрытия на немагнитной или слабомагнитной основе содержит последовательно соединенные генератор тока, измерительный преобразователь с постоянным магнитом и датчиком Холла, размещаемым между магнитом и намагничиваемой до насыщения поверхностью контролируемого покрытия, усилитель, блок обработки информации и индикатор, а также соединенный с генератором тока блок температурной компенсации. Оно отличается тем, что магнит выполнен в виде цилиндрического кольца, внутри которого по его оси симметрии с радиальным зазором размещен цилиндрический магнитомягкий стержень, высота которого равна высоте указанного кольца, а датчик Холла установлен на тонкой немагнитной планке, выполненной с возможностью радиального перемещения между осью стержня и магнитом и связанной с датчиком перемещения,установленным в измерительном преобразователе и соединенным выходом с блоком обработки информации, содержащим микропроцессор. По мнению авторов, устройство содержит вышеприведенный ряд новых элементов,позволяющих реализовать выполнение поставленной задачи по повышению точности измерений. Толщина определяется по индукции не в одной точке, а по результатам обработки микропроцессором зависимости распределения нормальной составляющей индукции магнитного поля, измеряемого датчиком Холла, от величины его радиального перемещения, которое, соответственно, измеряется датчиком перемещений. Проведенный анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научнотехническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявляемого устройства, показал, что заявляемое устройство соответствует критерию новизна по действующему законодательству. Таким образом, комплексный анализ изложенных отличительных признаков конструкции устройства показывает, что они являются существенными и находятся в прямой причинно-следственной связи с достигаемым техническим результатом. Из уровня техники не выявлено технических решений, отличительные признаки которых в совокупности обеспечивают решение поставленной в заявляемом изобретении задачи, следовательно,можно сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения условию патентоспособности изобретательский уровень. Заявляемое изобретение поясняется фигурами. На фиг. 1 изображено устройство в разрезе вдоль оси симметрии постоянного магнита. Здесь 0 - радиус стержня 1 и 2 - внутренний и внешний радиусы магнита соответственно, а- его высота- расстояние между магнитом и исследуемым покрытием. На фиг. 2 - функциональная схема подключения электронных блоков устройства. На фиг. 3 приведена зависимость индукции магнитного поляот величины перемещения датчика Холладля следующих толщинникелевого покрытия на немагнитном основании 0,0 мкм (ферромагнитное покрытие отсутствует) - линия 20,0 мкм линия 100,0 мкм - линия . На фиг. 4 приведена зависимость индукции магнитного поляот величины перемещения датчика Холладля следующих толщинникелевого покрытия на немагнитном основании 500 мкм - линия 1000 мкм - линия 2000 мкм - линия . Геометрические размеры измерительного преобразователя, изображенного на фиг. 1,были 03 мм 15 мм 28 мм 3 мм 0,3 мм магнит изс удельной энергией 40 пленочный датчик Холла из с размерами магниточув 3 17237 1 2013.06.30 ствительной области 1001006 мкм производства ГО НПЦ НАН Беларуси по материаловедению, магнитомягкий стержень выполнен из армко-железа. Устройство измерения толщины ферромагнитных покрытий, как и в прототипе 2,содержит последовательно соединенные генератор тока 1 для питания датчика Холла 2,который размещен между постоянным магнитом 3 и контролируемой ферромагнитной поверхностью 4, намагниченной до насыщения, нанесенной на немагнитную или слабомагнитную основу 5, усилитель 6, блок обработки информации 7, индикатор 8. Блок температурной компенсации 9 подключен к генератору тока 1. Постоянный магнит 3 выполнен в виде кольца цилиндрической формы изс удельной энергией 40 ,в котором по оси симметрии с радиальным зазором размещен магнитомягкий стержень 10 цилиндрической формы, имеющий одинаковую с постоянным магнитом 3 высоту. Пленочный датчик Холла 2 выполнен из с размерами магниточувствительной области 1001006 мкм, установлен на тонкой немагнитной планке 11, выполненной с возможностью радиального перемещения между осью цилиндрического стержня 10 и магнитом 3. Планка 11 выполнена П-образной и установлена в немагнитном корпусе 12,связана с датчиком перемещения 13, выход которого подключен к блоку обработки информации 7, который содержит микропроцессор (отдельно не показан). В качестве датчика перемещения 13 может использоваться любой из известных электронных датчиков,например оптический, емкостной, резистивный и др. Устройство работает следующим образом. Вначале устройство калибруется на образцах ферромагнитных покрытий определенного состава с известной толщиной , в частности для примера на . При этом распределение нормальной составляющей индукции магнитного полякак функция радиального перемещения датчика Холла 2 записывается в память микропроцессора блока обработки информации 7. Такие функцииприведены на фиг. 3 и 4, включая функцию распределения в отсутствии магнитного покрытия, т.е. при 0,0 мкм. При этом сигнал с датчика Холла 2, пропорциональный величине , усиливается усилителем 6 и поступает в блок обработки информации 7 одновременно с сигналом от датчика перемещения 13, по которому вычисляется величина перемещения . При измерении искомой толщины покрытияизмерительный преобразователь размещается на ферромагнитном покрытии 3 и удерживается за счет сил магнитного притяжения между 3 и 4. Далее, как и при калибровке, распределение нормальной составляющей индукции магнитного полякак функция радиального перемещения датчика Холла 2 записывается в память микропроцессора блока обработки информации 7 и сравнивается с аналогичными функциями распределения , полученными при калибровке для ближайших значений 1 и 2 из диапазона 12. В блоке обработки информации 7 распределениепо определенному алгоритму преобразуется в значения толщины покрытия , передаваемые для отображения на индикатор 8. Для компенсации влияния температуры на результаты измерений в устройстве используется блок температурной стабилизации 9, соединенный с генератором тока 1. Этот блок изменяет ток генератора 1, от которого питается датчик Холла 2, так, что выходное напряжение 2 не изменяется при изменении температуры окружающей среды. Точность измерения толщины повышается за счет того, что толщина определяется по индукции не в одной точке, а по результатам обработки микропроцессором зависимости распределения нормальной составляющей индукции магнитного поля, измеряемого датчиком Холла, от величины его радиального перемещения. Исходя из вышеизложенного, для заявленного устройства в том виде, как оно охарактеризовано в приведенной формуле, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в заявке или известных до даты приоритета средств и методов,поэтому заявляемое устройство соответствует требованию промышленная применимость по действующему законодательству. 4 Фиг. 4 Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5