Устройство для измерения толщины немагнитных покрытий на магнитном основании

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТОЛЩИНЫ НЕМАГНИТНЫХ ПОКРЫТИЙ НА МАГНИТНОМ ОСНОВАНИИ(71) Заявитель Белорусский государственный университет(72) Авторы Анищик Виктор Михайлович Ярмолович Вячеслав Алексеевич(73) Патентообладатель Белорусский государственный университет(57) Устройство для измерения толщины немагнитных покрытий на магнитном основании,содержащее измерительный прибор, состоящий из функционально соединенных между собой блоков микроконтроллера с встроенным микропроцессором и пользовательским интерфейсом, генератора переменного тока, цифрового индикатора толщины покрытия, и связанный с прибором выносной щуп, состоящий из немагнитного корпуса, в котором размещены постоянный магнит, а также термистор, сенсор Холла и катушка с витками,электрически подсоединенные к измерительному прибору, отличающееся тем, что постоянный магнит выполнен из материала с высокой удельной магнитной энергией в форме кольца, в котором по оси симметрии размещен цилиндрический сердечник из армкожелеза с заостренным наконечником, выполненным в форме усеченного конуса с углом 81412012.04.30 между осью конуса и его образующей, равным 45, и высотой меньшей, чем высота магнита, по крайней мере, на толщину сенсора Холла, размещенного на заостренном наконечнике в непосредственной близости от контролируемого покрытия, причем сердечник и магнит с тыльной стороны замкнуты магнитопроводом, выполненным в форме диска, а генератор переменного тока выполнен с функцией возбуждения катушки с витками одиночными импульсами прямоугольной формы.(56) 1. Патент 2160427, МПК 01 7/06, 2000. 2. Приборы для неразрушающего контроля материалов и изделий Справочник. В 2-х кн. Заявляемая полезная модель относится к контрольно-измерительной технике, а именно к магнитным толщиномерам, и может быть использована для автоматизированного контроля толщины немагнитных покрытий на магнитном основании, например лакокрасочных покрытий. Известно устройство для измерения толщины немагнитных покрытий на ферромагнитных изделиях 1, содержащее первый постоянный магнит, помещенный с заданным зазором от поверхности изделия и с возможностью продольного перемещения относительно изделия, упругую растяжку, ферромагнитную пластину, магнитную систему в виде второго постоянного магнита и магнитопровода с рабочим зазором и механически переключаемым двухпозиционным шунтом, предназначенным для изменения магнитного потока в рабочем зазоре магнитопровода, плоскую измерительную катушку и частотомер. При этом плоская измерительная катушка неподвижно установлена в рабочем зазоре магнитопровода и подключена к частотомеру, а первый постоянный магнит подвешен на упругой растяжке, причем ферромагнитная пластина закреплена на упругой растяжке в средней части растяжки и размещена в рабочем зазоре магнитопровода со смещением относительно его продольной оси, рядом с плоской измерительной катушкой, а двухпозиционный шунт выполнен в виде ферромагнитной пластинки, имеющей возможность поворота вокруг оси с помощью рукоятки, установлен заподлицо в углублении магнитопровода. Верхний конец упругой растяжки и магнитопровод закреплены на перемещаемом относительно поверхности изделия штативе механизмом регулировки рабочей длины растяжки и соответственно величины зазора между первым постоянным магнитом и поверхностью изделия, а также механизмом вертикального перемещения магнитопровода вдоль штатива. В процессе измерения переключают шунт с защелкиванием в положение, при котором продольная ось пластины шунта совпадет с продольной осью магнитопровода. При этом магнитный поток в рабочем зазоре магнитопровода скачком возрастает, ферромагнитная пластина, закрепленная на упругой растяжке, также скачком втягивается в зазор магнитопровода, за счет чего возбуждаются свободные поперечные колебания пластины на растяжке. Вследствие этих колебаний в расположенной рядом с пластиной в рабочем зазоре измерительной катушке наводится ЭДС индукции с частотой, совпадающей с собственной частотой упругой колебательной системы пластина - растяжка, фиксируемой частотомером. Зафиксированное значение частоты с помощью таблицы, полученной измерениями по тарированным образцам при тех же электромагнитных и конструктивных параметрах устройства, определяется толщина контролируемого покрытия. Устройство имеет частотный выход и может быть использовано для непрерывных измерений в автоматизированных системах контроля, управления и регулирования. 2 81412012.04.30 Недостатком этого устройства является низкая точность измерения, поскольку сила притяжения зависит от магнитных свойств ферромагнитного изделия, таких как намагниченность, магнитная анизотропия, текстурированность, доменная структура ферромагнетика и т.д., которые могут сильно отличаться от эталонных образцов. Кроме того,открытая колебательная система подвержена влиянию сил воздушного сопротивления, и погрешность измерения возрастает на наклонных плоскостях. Также известно устройство для измерения толщины немагнитных покрытий на магнитном (ферромагнитном) основании, функционирующее на эффекте Холла и приведенное в 2. Оно содержит постоянный магнит, выполненный в виде стержня, на одном торце которого находится полусфера из магнитомягкого материала, контактирующая с контролируемой поверхностью. В полусфере расположен сенсор Холла, воспринимающий магнитный поток рассеяния, который зависит от толщины немагнитного покрытия на ферромагнитном изделии. Преобразователь Холла подключен к измерительному прибору. Основным недостатком данного устройства является низкая точность измерений, обусловленная тем, что используется открытая магнитная система (магнит без магнитопровода), которая подвержена влиянию воздействия полей магнитных помех. Кроме того,ферромагнитные изделия 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 немагнитного покрытия, что также влияет на однозначность измерений. Особенно большая погрешность возникает при измерении покрытий, нанесенных на анизотропные основания. Наиболее близким к предлагаемому устройству (прототипом) является комбинированный толщиномер покрытий, использующий сенсор магнитного потока и вихревой ток катушки 3. Он содержит выносной щуп, подключенный к измерительному прибору. Выносной щуп содержит постоянный цилиндрический магнит и сенсор магнитного потока,выполненный на эффекте Холла, расположенный под полюсом постоянного магнита, обращенным к контролируемому покрытию, нанесенному на массивное основание. Кроме того, в щупе в непосредственной близости от покрытия расположена катушка возбуждения, подключенная к генератору переменного тока измерительного прибора. В составе щупа находится термистор (пространственно контактирующий с постоянным магнитом и сенсором Холла) для измерения температуры, подключенный к микроконтроллеру, осуществляющему температурную компенсацию изменений магнитного потока и магнитной чувствительности сенсора Холла от температуры. В состав измерительного прибора, кроме указанных блоков, входит микроконтроллер на базе микропроцессора, блок индикации толщины покрытия и пользовательский интерфейс. Катушка около наконечника щупа питается переменным током, колеблющимся приблизительно между 6 и 12 МГц. Катушка наводит вихревые потоки электромагнитного поля на поверхности ферромагнитного основания, которые взаимодействуют с полем катушки. Эффекты влияния вихревого тока на катушку определены количественно и связаны с электропроводностью основания на переменном токе. Таким образом, по вихревым токам обнаруживается тип основания, на которое нанесено покрытие. По величине сигнала сенсора Холла автоматически вычисляется толщина покрытия на идентифицированном основании. Основным недостатком прототипа является низкая точность измерений, обусловленная тем, что постоянный магнит, даже если он высокоэнергетический, не может намагнитить ферромагнитное основание до насыщения, если оно не является очень тонким. Следовательно, в зависимости от способа изготовления основания, оно будет обладать различными магнитными свойствами, определяемыми не только химическим составом, но и доменной структурой, анизотропией, локальными напряжениями и т.д., поэтому выходной сигнал сенсора Холла будет зависеть от магнитного состояния основания, что некон 3 81412012.04.30 тролируемым образом влияет на точность измерения толщины немагнитного покрытия. Кроме того, открытая магнитная система (магнит без магнитопровода) подвержена влиянию воздействия полей магнитных помех. Задачей, решаемой в настоящей полезной модели, является повышение точности измерений толщины немагнитных покрытий на магнитном основании, например лакокрасочных покрытий. Устройство для измерения толщины немагнитных покрытий на магнитном основании содержит измерительный прибор, состоящий из функционально соединенных между собой блоков микроконтроллера с встроенным микропроцессором и пользовательским интерфейсом, генератора переменного тока, цифрового индикатора толщины покрытия, и связанный с прибором выносной щуп, состоящий из немагнитного корпуса, в котором размещены постоянный магнит, а также термистор, сенсор Холла и катушка с витками,электрически подсоединенные к измерительному прибору. Оно отличается тем, что постоянный магнит выполнен из материала с высокой удельной магнитной энергией в форме кольца, в котором по оси симметрии размещен цилиндрический сердечник из армко-железа с заостренным наконечником, выполненным в форме усеченного конуса с углом между осью конуса и его образующей, равным 45, и высотой меньшей, чем высота магнита, по крайней мере, на толщину сенсора Холла, размещенного на заостренном наконечнике в непосредственной близости от контролируемого покрытия,причем сердечник и магнит с тыльной стороны замкнуты магнитопроводом, выполненным в форме диска, а генератор переменного тока выполнен с функцией возбуждения катушки с витками одиночными импульсами прямоугольной формы. По мнению авторов, устройство содержит вышеприведенный ряд новых элементов,позволяющих реализовать выполнение поставленной задачи по повышению точности измерений. Точность измерений повышается из-за воздействий на магнитное основание суперпозицией магнитных полей, а именно поля постоянного высокоэнергетического магнита и импульсного квазистатического поля катушки, которые обеспечивают промагничивание основания под щупом практически до насыщения. 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 цилиндрического сердечника, выполненного заостренным 1 и 2 - внутренний и внешний радиусы магнита соответственно, а- его высота,- толщина магнитопровода- расстояние между заостренным наконечником сердечника и исследуемым покрытием, при этом расстояние от сенсора Холла до покрытия/2. На фиг. 2 приведена функциональная схема устройства. На фиг. 3 изображены зависимости индукции магнитного поляот толщинылакокрасочного покрытия на магнитном основании из сталей 1117 и 455 при отсутствии тока через катушку с витками. На фиг. 4 изображены зависимости индукции магнитного поляот толщинылакокрасочного покрытия на магнитном основании из сталей 1117 и 455 при плотности тока в импульсе через катушку с витками, равной 500 МА/м 2. 81412012.04.30 Геометрические размеры элементов щупа, изображенного на фиг. 1, были 01,2 мм 15,0 мм 28,0 мм 5,4 мм 1,2 мм 0,2 мм 0,4 мм 10,0 мм магнит изс удельной энергией 40 пленочный датчик Холла толщиной 100 мкм из с размерами магниточувствительной области 1001006 мкм производства ГО НПЦ НАН Беларуси по материаловедению. В таблице приведены значенияв цифрах при 500 мкм. При этом- начальная магнитная проницаемость материала основания, а- величина индукции магнитного насыщения материала основания. Устройство для измерения толщины немагнитных покрытий на магнитном основании содержит измерительный прибор и щуп. Измерительный прибор состоит из функционально соединенных между собой блоков микроконтроллера 1 с встроенным микропроцессором 2 и пользовательским интерфейсом 3, генератора переменного тока 4, цифрового индикатора 5 толщины покрытия . Связанный с прибором выносной щуп состоит из немагнитного корпуса 6, в котором размещены постоянный магнит 7 высотой , а также термистор 8, сенсор Холла 9 и катушка с витками 10 (число витков не более десяти), электрически подсоединенные к измерительному прибору. Постоянный магнит 7 выполнен из материала с высокой удельной магнитной энергией (например, изс удельной энергией 40) в форме кольца с радиусами 1 и 2, в котором по оси симметрии размещен цилиндрический сердечник 11 из армко-железа с заостренным наконечником 12,выполненным в форме усеченного конуса с углом между осью конуса и его образующей,равным 45, и высотой меньшей, чем высота магнита 7, по крайней мере, на толщину/2 сенсора Холла 9, размещенного на заостренном наконечнике в непосредственной близости от контролируемого покрытия 13, нанесенного на магнитное (ферромагнитное) массивное основание 14, толщиной не менее . Форма заостренного наконечника сердечника 12 - усеченный конус с радиусами при основании 0 и /2 при вершине. Значениевыбирается из условия его незначительного превышения над геометрическими размерами используемого сенсора Холла с технологической целью возможности размещения сенсора Холла 9. Пленочный сенсор Холла 9 выполнен из с размерами магниточувствительной области 1001006 мкм (габариты пластины Холла не превышают 0,50,50,2 мм) производства ГО НПЦ НАН Беларуси по материаловедению, г. Минск. Сердечник 11 и магнит 7 с тыльной стороны замкнуты магнитопроводом 15, выполненным в форме диска толщиной . Сенсор Холла 9 защищен от механических воздействий фольгой 16 из бериллиевой бронзы, и пространство между фольгой 16 и магнитопроводом 15 залито эластичным компаундом 17 (например, эластосилом). Катушка с витками 10 с наружной стороны может содержать немагнитный радиатор для более эффективного отвода тепла (не показан). Устройство работает следующим образом. 5 81412012.04.30 Вначале устройство калибруется на образцах покрытий известной толщинына сталях известных марок, что представлено на фиг. 3 и 4 и в таблице. При этом измеряются с помощью сенсора Холла 9 зависимости индукции магнитного поляот толщинылакокрасочного покрытия на магнитном основании, например, из сталей 1117 и 455 при отсутствии тока через катушку с витками и при плотности тока в импульсе через катушку с витками 500 МА/м 2. Величинавыбирается из условия превышения величины , измеренная при 0 над индукцией насыщениястали, что соответствует насыщению материала основания под сенсором Холла. Как видно из таблицы,при 400 мкм отсутствует чувствительность устройства к магнитным характеристикам основания, что позволяет проводить измерения толщины покрытия без учета марки сталей. При калибровке нормальная составляющей индукции магнитного полякак функция толщины покрытия записывается в память микропроцессора 2 два раза при наличии и отсутствии тока в катушке 10, т.е. при наложении дополнительного магнитного поля, создаваемого катушкой 10, питаемой от генератора импульса 4, который управляется микроконтроллером 1, и без дополнительного магнитного поля. Импульс одиночный,прямоугольный, кратковременный. Кратковременный одиночный импульс прямоугольной формы обеспечивает высокую амплитуду магнитного поля катушки 10 и предотвращает ее перегрев выделяемым джоулевым теплом. Генератор 4 запускается синхроимпульсом от микроконтроллера. Полярность импульса выбрана такой, чтобы магнитные потоки,создаваемые магнитом и катушкой под сенсором Холла 9, складывались. Суть дополнительного магнитного поля, создаваемого катушкой с витками, в том, чтобы ввести область образца под выносным щупом в состояние наиболее близкое к магнитному насыщению. При измерении искомой толщины немагнитного покрытиявыносной щуп размещается на нем и удерживается за счет сил магнитного притяжения или оператором. При сканировании поверхности покрытия постоянный магнит взаимодействует с материалом магнитного основания, промагничивая его на определенную глубину. Измерения величинпроизводятся сенсором Холла, как описано при калибровке. Так как толщина основанияможет быть достаточно большой, то магнитного поля магнита недостаточно, чтобы ввести область под сенсором Холла в магнитное насыщение. Поэтому полученное значение 1 из калибровочного графика, приведенного на фиг. 3, может отличаться от значения 2, полученного по калибровочному графику, приведенному на фиг. 4, когда материал основания намагничен практически до насыщения проходящим через катушку импульсом тока. Величина(2 - 1)/2 в процентах является мерой магнитных флуктуаций основания, на котором нанесено покрытие, что в основном определяет и ошибку измерения в данной конкретной точке. За истинное значение толщины покрытия принимается величина 22, где 2(Т) - малая температурная поправка к толщине, вычисляемая микропроцессором по заранее экспериментально определенным температурным коэффициентам изменения чувствительности сенсора Холла и магнитного потока постоянного магнита вследствие отклонения температуры средыот номинальной. Информацию о текущей температуремикропроцессор 2 получает по показаниям термистора 8. Искомое значение толщины покрытияпередается для отображения на цифровой индикатор 5. Таким образом, точность измерений повышается из-за воздействий на магнитное основание суперпозицией магнитных полей, а именно поля постоянного высокоэнергетического магнита и импульсного квазистатического поля катушки, которые обеспечивают промагничивание основания под щупом практически до насыщения. 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. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 7