Толщиномер никелевых покрытий

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Белорусский государственный университет(72) Авторы Анищик Виктор Михайлович Ярмолович Вячеслав Алексеевич(73) Патентообладатель Белорусский государственный университет(57) Толщиномер никелевых покрытий, содержащий последовательно соединенные генератор тока, измерительный преобразователь с постоянным магнитом и датчиком Холла,размещенным между магнитом и контролируемым никелевым покрытием, намагниченным под измерительным преобразователем до насыщения, усилитель, блок обработки информации, индикатор, блок температурной компенсации, отличающийся тем, что в измерительный преобразователь введены еще , где 4, идентичных датчиков Холла,размещенных в непосредственной близости от никелевого покрытия, и коммутатор аналоговых сигналов датчиков Холла, а постоянный магнит выполнен в виде кольца цилиндрической формы, в котором по оси симметрии с радиальным зазором размещен магнитомягкий стержень, выполненный в форме усеченного конуса, имеющий одинаковую с магнитом высоту и замкнутый с магнитом с одной стороны дискообразным магнитопроводом, причем один датчик Холла установлен в тонкой немагнитной прокладке по оси симметрии стержня, а остальные датчики Холла установлены в прокладке над магнитом равномерно по окружности с угловым размером 360/.(56) 1. Патент 2419066, МПК 01 7/06, 2011,2. Патентна полезную модель 66545, МПК 01 27/90, 2007 (прототип). Заявляемая полезная модель относится к контрольно-измерительной технике, а именно к магнитным толщиномерам, и может быть использована для автоматизированного контроля толщины никелевых покрытий на немагнитном или слабомагнитном основании,особенно для контроля никелевых покрытий большой толщины, в том числе для анизотропных покрытий. Из уровня техники известен толщиномер покрытий с электромагнитом 1, функционирование которого основано на принципе отрыва сердечника электромагнита от испытуемого ферромагнитного покрытия. Он содержит бесконтактный датчик осевого перемещения сердечника, например, индукционного, емкостного, оптического (растрового) типа, позволяющий с большой точностью контролировать перемещение сердечника внутри катушек датчика-электромагнита, а также микроконтроллер, источники тока с цифровым управлением, аналого-цифровые преобразователи, датчики тока, которые обеспечивают питание двух катушек датчика-электромагнита и контроль разности величин сил тока на катушках. С целью компенсации влияния веса сердечника при различных углах наклона датчика-электромагнита толщиномер покрытий с электромагнитом содержит датчик ориентации его продольной оси относительно поля тяготения земли, например датчик угла наклона. Микроконтроллер управляет процессом измерения, производит обработку полученных данных и выдает результат измерений на ЖК-экран, а также осуществляет питание катушек датчика-электромагнита и контроль величины сил тока на катушках. Направление токов в обмотках катушек противоположно, поэтому магнитные потоки в датчике-электромагните, возникающие в этих обмотках, направлены навстречу друг другу. Силу тока во внутренней катушке микроконтроллер увеличивает, а во внешней катушке уменьшает до величины, пока сердечник не оторвется от поверхности покрытия. Т.е. при некоторых значениях токов катушек в момент, когда сила выталкивания сердечника становится больше силы его притяжения к испытуемому покрытию, происходит отрыв сердечника от детали. Разность токов и является однозначной функцией толщины покрытия. 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 электромагнитная система 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,2 80352012.02.28 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, механических 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. Особенно большая погрешность возникает при измерении анизотропных покрытий. Задачей, решаемой в настоящей полезной модели, является повышение точности измерений толщины покрытия никеля на немагнитном или слабомагнитном основании, в том числе для анизотропных покрытий. Толщиномер никелевых покрытий содержит последовательно соединенные генератор тока, измерительный преобразователь с постоянным магнитом и датчиком Холла, размещенным между магнитом и контролируемым никелевым покрытием, намагниченным под измерительным преобразователем до насыщения, усилитель, блок обработки информации,индикатор, блок температурной компенсации. Он отличается тем, что в измерительный преобразователь введены еще , где 4,идентичных датчиков Холла, размещенных в непосредственной близости от никелевого покрытия, и коммутатор аналоговых сигналов датчиков Холла, а постоянный магнит выполнен в виде кольца цилиндрической формы, в котором по оси симметрии с радиальным зазором размещен магнитомягкий стержень, выполненный в форме усеченного конуса,имеющий одинаковую с магнитом высоту и замкнутый с магнитом с одной стороны дискообразным магнитопроводом, причем один датчик Холла установлен в тонкой немагнитной прокладке по оси симметрии стержня, а остальные датчики Холла установлены в прокладке над магнитом равномерно по окружности с угловым размером 360/. 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 нормальной составляющей индукции магнитного поля, измеряемого одновременно датчиками Холла в (1) местах, где 4, что позволяет вычислить влияние анизотропии в плоскости основания и статистическими методами улучшить точность определения искомой толщины покрытия при наличии пространственных флуктуаций магнитных свойств. 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 заявляемой полезной модели задачи. Проведенный комплексный анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявляемого устройства, показал, что заявляемое устройство соответствует критерию новизна по действующему законодательству. Заявляемая полезная модель поясняется чертежами, представленными на фиг. 1-4. На фиг. 1 изображено устройство в разрезе вдоль оси симметрии постоянного магнита. Здесь 0 и /2 - радиусы магнитомягкого стержня, выполненного в виде усеченного 3 80352012.02.28 конуса 1 и 2 - внутренний и внешний радиусы магнита соответственно,- его высота и толщина магнитопровода- расстояние между магнитом и исследуемым покрытием. На фиг. 2 приведена схема размещения датчиков Холла. На фиг. 3 изображена функциональная схема подключения электронных блоков устройства. На фиг. 4 приведена зависимость индукции магнитного поляот толщиныникелевого покрытия на немагнитном основании (для калиброванных образцов) линиясоответствуетдля датчиков Холла, расположенных по окружности магнита (на его средней линии) линия- для датчика Холла с номером (1), расположенного по оси симметрии стержня. Геометрические размеры измерительного преобразователя, изображенного на фиг. 1,были 03 мм 15 мм 28 мм 3 мм 0,3 мм 0,6 мм магнит - изс удельной энергией 40 пленочный датчик Холла из с размерами магниточувствительной области 1001006 мкм производства ГО НПЦ НАН Беларуси по материаловедению, магнитомягкий стержень и магнитопровод - из армко-железа. Устройство измерения толщины ферромагнитных покрытий, как и в прототипе 2,содержит генератор тока 1 для питания токомдатчиков Холла дх 1, дх 2,дх, дх(1),токовые выводы которых соединены последовательно, а холловские выводы подключены к входу коммутатора сигналов 2 и заземлены, как показано на фиг. 3, причем датчики Холла дх 1, дх 2,дх размещены между постоянным магнитом 3 по окружности равномерно с угловым размером 360/ и контролируемым никелевым покрытием 4, намагниченным магнитом 3 до насыщения, которое нанесено на немагнитное или слабомагнитное основание 5. Датчик Холла с номером дх установлен по оси симметрии стержня в непосредственной близости от исследуемого покрытия. Выход коммутатора сигналов 2 подключен к входу усилителя 6, выход которого подключен к блоку обработки информации 7, и к блоку 7 подключен 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, выполненный в форме усеченного конуса с радиусами при основании 0 и /2 при вершине. Значениевыбирается из условия его незначительного превышения над геометрическими размерами используемых датчиков Холла с технологической целью возможности размещения датчика Холла. Стержень 10 целесообразно изготавливать из армко- железа, причем он имеет одинаковую с постоянным магнитом 3 высоту . Пленочные датчики Холла выполнены из с размерами магниточувствительной области 1001006 мкм (габариты пластины Холла не превышают 0,50,50,2 мм), установлены в тонкой немагнитной прокладке 11, размещенной в основании немагнитного цилиндрического корпуса 12. Датчик Холла с номером установлен в 11 на оси симметрии стержня 10. Стержень 10 и кольцевой магнит 3 с тыльной стороны замкнуты магнитопроводом 13, выполненным в форме диска толщиной, равной высоте магнита,и радиусом, равным внешнему радиусу магнита, 2. Устройство работает следующим образом. Вначале устройство калибруется на образцах никелевых покрытий известной толщиныдо получения зависимостейи , изображенных на фиг. 4. При этом значения нормальной составляющей индукции магнитного поля , как функция толщины покрытия из никеля , записываются в память микропроцессора блока обработки информации 7. При измерении искомой толщины покрытияизмерительный преобразователь размещается на ферромагнитном покрытии 3 и удерживается за счет сил магнитного притяжения между 3 и 4. Далее, по полученным значениям индукции магнитного поля с датчиков Холла (всего (1) значение) с учетом калиброванных зависимостей по опре 4 80352012.02.28 деленному алгоритму (который описывает калибровочные линииифункцийполиномами, например порядка 6 в стандартной программе) микропроцессор вычисляет среднее значение толщины покрытияс учетом анизотропии. Значениеи степень анизотропии отображаются на индикаторе 8. Для компенсации влияния температуры на результаты измерений (преимущественно из-за температурных изменений магнитных характеристик магнита) в устройстве используется блок температурной стабилизации 9, соединенный с генератором тока 1. Этот блок изменяет ток генератора 1, от которого питаются идентичные датчики Холла так, что выходное напряжение с датчиков Холла 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 значений нормальной составляющей индукции магнитного поля, полученных от (1)датчика. 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. Фиг. 4 Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5