Устройство для измерения толщины изделия

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТОЛЩИНЫ ИЗДЕЛИЯ(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 измерения толщины изделия, содержащее микроконтроллер с аналого-цифровым преобразователем, подключенным к микропроцессору с клавиатурой, подключенному к измерительному прибору, и блок постоянного напряжения установленные в корпусе устройства вал для размещения контролируемого изделия, рычаг, выполненный 17290 1 2013.06.30 с возможностью поворота относительно вертикали с опорными роликами на конце, располагаемыми на контролируемом изделии, аналоговый преобразователь изменения положения рычага в электрический сигнал, подключенный к аналого-цифровому преобразователю микроконтроллера, отличающееся тем, что рычаг выполнен с удлиняющей втулкой с резьбой, а его длина выполнена значительно большей, чем радиус каждого ролика аналоговый преобразователь изменения положения рычага в электрический сигнал выполнен в виде двух идентичных постоянных миниатюрных магнитов, размещенных на рычаге, расположенных параллельно с зазором по разные стороны от оси вращения рычага и ориентированных противоположными полюсами навстречу друг другу с образованием однородного плоскопараллельного магнитного поля между ними, неподвижный датчик Холла, размещенный в центре между магнитами в вертикальной плоскости, выход которого подключен ко входу дифференциального усилителя, выход которого подключен к микроконтроллеру. Заявляемое изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения толщины различных изделий пластин, листов, кожи, толстых тканей,пластмасс, досок, немагнитных и магнитных металлов и др., преимущественно движущихся на конвейере. Из уровня техники известно устройство 1 для измерения толщины немагнитных материалов (изделий), которое содержит измерительную головку с постоянным магнитом в форме усеченного конуса с размещенным на нем датчиком Холла и контейнер с дном, выполненным в виде ферромагнитной пластины и имеющим открытое для наблюдения окно,причем ферромагнитный шарик помещен в контейнер и самоцентрируется относительно головки. Магнитный поток рассеяния от магнита замыкается через датчик Холла, измеряемый материал и ферромагнитные элементы конструкции. Значение магнитного потока зависит от толщины измеряемого материала. В соответствии с изменением толщины измеряемого материала изменяется значение ЭДС датчика Холла, напряжение на выходе усилителя, к которому подключен выход датчика Холла и показание индикатора. Недостатком этого устройства является невозможность его использования для измерения толщины магнитных материалов и очень узкий диапазон измерения толщин немагнитных материалов из-за уменьшения силового взаимодействия ферромагнитного шарика и конусообразного постоянного магнита с ростом толщины материала (нарушается центровка шарика и уменьшаются изменения величины индукции магнитного поля). Также известно устройство 2 (датчик для контроля толщины ленты), функционирующее с использованием эффекта Холла. Оно содержит ролики, подвижный сухарь, микрометрический винт, магниточувствительную микросхему на эффекте Холла, постоянный магнит, горизонтальный рычаг и измеряемую ленту. Действие устройства основано на преобразовании изменения толщины в электрический сигнал, снимаемый с магниточувствительной микросхемы. Изменение толщины ленты воспринимается двумя роликами,один из которых укреплен на подвижном сухаре, опирающемся микрометрическим винтом на конец горизонтального рычага. Второй конец рычага соединен с подвижным постоянным магнитом. Перемещение магнита вызывает изменение сигнала на выходе магниточувствительной микросхемы. Установка нулевого положения осуществляется вращением микрометрического винта. Недостатком устройства 2 является очень узкий диапазон измерения толщин (предназначено для тонких лент) из-за начального горизонтального расположения рычага с магнитом и значительная нелинейность выходного сигнала, увеличивающаяся с ростом толщины ленты. Наиболее близким к заявляемому является устройство, описанное в 3 (прототип). Устройство содержит электромагнитный преобразователь в виде ферромагнитного сер 2 17290 1 2013.06.30 дечника с обмоткой индуктивности, рычаг с опорными роликами, расположенными на ленте, вал, на котором размещена контролируемая лента, источник переменного напряжения и измерительный прибор. Устройство имеет микроконтроллер с аналого-цифровым преобразователем, микропроцессор, клавиатуру и блок постоянного напряжения. Электромагнитный преобразователь снабжен второй обмоткой индуктивности, соединенной с аналого-цифровым преобразователем микроконтроллера. С выхода микропроцессора напряжение поступает на измерительный прибор. Рычаг с электромагнитным преобразователем и опорными роликами установлен под углом 20-30 относительно вертикальной оси вала с возможностью поворота. Устройство 3 для измерения толщины ленты работает следующим образом. На валу находится контролируемая лента и на ней расположены опорные ролики под действием их собственного веса, а также рычага и электромагнитного преобразователя. Высокочастотный генератор подключен к источнику постоянного напряжения. Генератор вырабатывает переменное напряжение частотой 50 кГц, которое прилагается к обмотке индуктивности и по ней протекает переменный ток той же частоты. Переменный ток обмотки индуктивности создает в ферромагнитном сердечнике индуктивности основной магнитный поток, и в поверхностном слое вала проходит высокочастотный ток, индуцированный основным магнитным потоком. Этот ток оказывает размагничивающее действие на основной магнитный поток сердечника. При этом происходит уменьшение индуктивности обмотки. Это вызывает уменьшение частоты и увеличение амплитуды переменного высокочастотного напряжения генератора. Магнитный поток и индуцированная во вторичной обмотке ЭДС являются функциями толщины ленты. Эта ЭДС поступает на вход аналогоцифрового преобразователя. С выхода микропроцессора напряжение поступает на вход измерительного прибора, который отображает измеряемую величину толщины ленты. При отсутствии ленты на валу измерительный прибор показывает 0. Микроконтроллер обеспечивает передачу данных измерений на компьютер для дальнейшей обработки и управления технологическим процессом. Основным недостатком прототипа является узкий диапазон измерения толщин, что обусловлено уменьшением индуцированной во вторичной обмотке ЭДС, которая является убывающей функцией с ростом толщины ленты. Магнитные и электрические свойства измеряемой ленты значительно влияют на результат измерений, что требует проведение подстройки устройства при смене материала ленты. Задачей, решаемой в настоящем изобретении, является расширение диапазона измерений толщины изделий. Для решения поставленной задачи предлагается следующая конструкция устройства. Устройство для измерения толщины изделия содержит микроконтроллер с аналогоцифровым преобразователем, подключенным к микропроцессору с клавиатурой, подключенному к измерительному прибору, и блок постоянного напряжения установленные в корпусе устройства вал для размещения контролируемого изделия, рычаг, выполненный с возможностью поворота относительно вертикали с опорными роликами на конце, располагаемыми на контролируемом изделии, аналоговый преобразователь изменения положения рычага в электрический сигнал, подключенный к аналого-цифровому преобразователю микроконтроллера. Оно отличается тем, что рычаг выполнен с удлиняющей втулкой с резьбой, а его длина выполнена значительно большей, чем радиус каждого ролика аналоговый преобразователь изменения положения рычага в электрический сигнал выполнен в виде двух идентичных постоянных миниатюрных магнитов, размещенных на рычаге, расположенных параллельно с зазором по разные стороны от оси вращения рычага и ориентированных противоположными полюсами навстречу друг другу с образованием однородного плоскопараллельного магнитного поля между ними, неподвижный датчик Холла, разме 3 17290 1 2013.06.30 щенный в центре между магнитами в вертикальной плоскости, выход которого подключен ко входу дифференциального усилителя, выход которого подключен к микроконтроллеру. По мнению авторов, устройство содержит ряд новых элементов, позволяющих реализовать значительное расширение диапазона измерений толщины в сторону ее увеличения,вплоть до величины, равной радиусу рычага (он может иметь размеры метр и более) с сохранением линейности выходной характеристики преобразователя изменения положения рычага в электрический сигнал от толщины изделия. 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 обеспечивают решение поставленной в заявляемом изобретении задачи, следовательно, можно сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения условию патентоспособности изобретательский уровень. Заявляемое изобретение поясняется чертежами. На фиг. 1 изображено устройство для измерения толщины жесткого изделия, вид сбоку. На фиг. 2 изображено устройство для измерения толщины мягкого изделия на конвейерной ленте транспортера, вид сбоку. На фиг. 3 - блок-схема устройства. На фиг. 4 - зависимость выходного сигнала с датчика Холла от толщины изделия. Устройство для измерения толщины изделия содержит рычаг 1, имеющий длину ,выполненный с возможностью поворота относительно вертикали посредствам шарнира 2 с опорными роликами 3 на конце рычага, имеющими радиуси расположенными на контролируемом изделии 4 (толщинукоторого необходимо измерять). Рычаг 1 содержит удлиняющую втулку 5 с резьбой для корректировки длины рычага, причем его длина выполнена значительно большей, чем радиусы роликов , т.е.. На валу 6 непосредственно размещено контролируемое изделие 4, если оно выполнено достаточно жестким (фиг. 1) или через конвейерную ленту транспортера 7, имеющую собственную толщину , при измерения толщины мягкого изделия 4 в соответствие с фиг. 2. Вал 6 установлен в корпусе 8 устройства. Аналоговый преобразователь изменения положения рычага в электрический сигнал выполнен в виде двух идентичных постоянных миниатюрных магнитов 9 и 10,размещенных на рычаге 1, расположенных параллельно, с зазором по разные стороны от оси вращения рычага 11 (фактически она является одновременно и осью шарнира 2) и ориентированных противоположными полюсами навстречу друг другу, образуя однородное плоскопараллельное магнитное полемежду ними, а неподвижный датчик Холла 12 размещен в центре между магнитами в вертикальной плоскости, и выход датчика Холла 12 подключен к входу дифференциального усилителя, выполненному на операционном усилителе 13, выход которого подключен к микроконтроллеру с аналого-цифровым преобразователем 14. Блок постоянного напряжения 15 используется для питания датчика Холла 12 и дифференциального усилителя 13, выполненного на операционном усилители (ОУ). Устройство, так же как и прототип, содержит микроконтроллер, выполненный в виде аналого-цифрового преобразователя 14, микропроцессора 16, клавиатуры 18. Аналогоцифровой преобразователь 14 подключен к микропроцессору 16, который подключен к измерительному прибору 17. Устройство работает следующим образом. Вначале с помощью втулки 5 подстраивают длину рычага 1 так, чтобы общая длина(2) соответствовала расстоянию от оси 2 до верхней точки вала 6, если контролируе 4 17290 1 2013.06.30 мое изделие 4 обладает достаточной жесткостью и при измерении будет непосредственно находиться на валу 6, что соответствует фиг. 1, или чтобы общая длина (2) соответствовала расстоянию от оси 2 до поверхности конвейерной ленты транспортера 7, расположенной на валу 6, при измерении толщины мягкого изделия 4 размещенной на 7 в соответствии с фиг. 2. При движении контролируемого изделия 4 со скоростьюотносительно корпуса 8 рычаг 1 с опорными роликами 3 поворачивается на уголв вертикальной плоскости, величина которого связана с толщиной измеряемого изделия следующим соотношением(1)(2)(1 - ). Магниты 9 и 10 поворачиваются на этот же угол, вызывая поворот вектора индукции магнитного поля на угол . ЭДС Холла , вырабатываемая датчиком Холла 12, описывается хорошо известным выражением(2),где- магнитная чувствительность датчика Холла к магнитному полю (ее значение указано в паспорте к датчику Холла), а- величина индукции плоскопараллельного однородного магнитного поля, создаваемого постоянными магнитами 9 и 10. Из выражений (1) и (2) однозначно определяется зависимость функцииот аргумента (толщины)(3)- /(2). Из выражения (3) видно, что эта зависимость является линейной, что представлено на фиг. 4, за исключением пренебрежимо маленьких участков на краях. ЭДС Холлаподается на вход дифференциального усилителя 13, выполненного на операционном усилителе(ОУ). Выходной сигнал с 13 поступает на аналого-цифровой преобразователь 14 микроконтроллера, далее в микропроцессор 16 и измерительный прибор 17, который отображает измеряемую величину толщины изделия . При отсутствии изделия на валу или ленте транспортера измерительный прибор 17 показывает 0. Блок постоянного напряжения 15 используется для питания датчика Холла 12 и дифференциального усилителя 13. Микроконтроллер обеспечивает передачу данных измерений на компьютер для дальнейшей обработки и управления технологическим процессом. Исходя из вышеизложенного, для заявленного устройства в том виде, как он охарактеризован в приведенной формуле, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в изобретении или известных до даты приоритета средств и методов, поэтому заявляемый датчик соответствует требованию промышленная применимость по действующему законодательству. Источники информации 1. Патент 2222776, МПК 01 7/06, 2004. 2. Бараночников М.Л. Микромагнитоэлектроника. Т. 1. Принципы функционирования основных изделий микромагнитоэлектроники / Под общей ред. доктора физико-математических наук, профессора В.Н.Мордковича. - М. ДМК Пресс, 2001. - С. 253. 3. Патент 2318181, МПК 01 7/06, 2008 (прототип). Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 6