Устройство для измерения толщины немагнитных покрытий на ферромагнитных изделиях

 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике. Устройство содержит упругую растяжку и первый постоянный магнит, помещенный с заданным зазором от поверхности изделия, магнитную систему в виде второго постоянного магнита и магнитопровода с рабочим зазором, механически переключаемым двухпозиционным шунтом. Имеется плоская измерительная катушка, ферромагнитная пластина и частотомер. Плоская измерительная катушка неподвижно установлена в рабочем зазоре магнитопровода и подключена к частотомеру. Первый постоянный магнит подвешен на упругой растяжке. Ферромагнитная пластина закреплена на упругой растяжке и размещена в рабочем зазоре магнитопровода со смещением относительно его продольной оси, рядом с плоской измерительной катушкой. Изобретение направлено на повышение точности измерения. 2 ил.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для измерения толщины немагнитных покрытий на ферромагнитных изделиях.

Известны устройства для измерения толщины немагнитных покрытий на ферромагнитных изделиях, содержащие постоянный магнит, введенный в контакт с поверхностью изделия и подвешенный на измерительной пружине, фиксатор момента отрыва магнита от поверхности изделия и регистратор удлинений пружины /см. Валитов А.М., Шилов Г.И. Приборы и методы контроля толщины покрытий. - М. : Машиностроение, 1970, с. 8-9 [1]; а.с. СССР N 1633266, кл. G 01 B 7/06, 1991 [2]/.

Данные устройства реализуют принцип измерения, основанный на суждении о толщине покрытия по силе отрыва постоянного магнита от ферромагнитного изделия.

Недостатком данных устройств является их низкая точность, что обусловлено самим принципом изменения. О силе притяжения магнита и, следовательно, о толщине покрытия судят только по силе отрыва магнита от поверхности. Однако характер нарастания силы в момент отрыва носит резко выраженный нелинейный характер, непосредственно момент отрыва нестабилен, случаен, возможны затягивание данного момента и инерционность, зависящие от толщины покрытия. Механическая схема преобразования силы в отклонение указателя в данных устройствах довольно сложна, требует приложения постоянных усилий и при малых толщинах покрытий может привести к значительным погрешностям измерения. Кроме того, данные устройства не могут быть использованы для осуществления непрерывных измерений, а также как датчики информации в автоматизированных системах контроля и управления.

Наиболее близким устройством того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является устройство для измерения толщины покрытий, содержащее две плоские пружины, на одной из которых установлен постоянный магнит, имеющий возможность продольного перемещения относительно поверхности изделия, упругую скрученную растяжку, связанную с концами плоских пружин, в средней части которой закреплен стрелочный указатель /см. Валитов А. М. , Шилов Г.И. Приборы и методы контроля толщины покрытий. -М.: Машиностроение, 1970, с.9-10 [3]/, и принятое за прототип.

Недостатком известного устройства, принятого за прототип, является низкая точность, объясняемая рядом факторов. Принцип действия устройства основан на изменении силы притяжения постоянного магнита к изделию в зависимости от толщины покрытия. Так как угол раскручивания растяжки, являющийся выходной величиной, пропорционален деформации плоских пружин, то сила притяжения магнита сначала преобразуется в линейную деформацию пружин, а затем в угол закручивания растяжки, то есть сила не измеряется непосредственно. Вследствие этого, минимальные линейные отклонения в деформациях, размерах /инструментальные, температурные, случайные погрешности/ приводят к появлению погрешности измерений, нарастающей в геометрической прогрессии. При малой толщине покрытия даже мизерные паразитные смещения плоских пружин в сотые доли миллиметра приводят к погрешности в повороте указателя, соизмеримым с измеряемыми толщинами покрытий. Кроме того, сам принцип измерения предусматривает смещение магнита в процессе измерения относительно изделия. Процесс измерения начинается при строго заданной ориентации магнита относительно изделия в осевом и радиальном направлениях. Деформация плоских пружин в процессе измерения вызывает приближение магнита к изделию, причем по дуге, хотя и большого радиуса. Это приводит к резко выраженной нелинейности процесса измерения, прогрессирующему характеру возникающей погрешности, сложности в аналитической оценке результатов измерений. Устройство имеет аналоговый выход, что усложняет возможность его использования в качестве датчика в автоматизированных системах контроля, управления и регулирования.

Сущность изобретения заключается в том, что ферромагнитное изделие с покрытием, толщину которого измеряют, вводят в качестве силосоздающего элемента в механическую колебательную систему с частотным выходом.

Технический результат - повышение точности измерения толщины немагнитных покрытий на ферромагнитных изделиях.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном устройстве для измерения толщины немагнитных покрытий на ферромагнитных изделиях, содержащем упругую растяжку и первый постоянный магнит, помещенный с заданным зазором от поверхности изделия, особенность заключается в том, что оно снабжено магнитной системой в виде второго постоянного магнита и магнитопровода с рабочим зазором, механически переключаемым двухпозиционным шунтом, плоской измерительной катушкой, ферромагнитной пластиной и частотомером, при этом плоская измерительная катушка неподвижна установлена в рабочем зазоре магнитопровода и подключена к частотомеру, первый постоянный магнит подвешен на упругой растяжке, ферромагнитная пластина закреплена на упругой растяжке и размещена в рабочем зазоре магнитопровода со смещением относительно его продольной оси, рядом с плоской измерительной катушкой.

На чертежах представлено: на фиг. 1 схематично изображено предлагаемое устройство, вид спереди; на фиг. 2 - то же, вид сверху.

Устройство для измерения толщины немагнитного покрытия 1 на ферромагнитном изделии 2 содержит первый постоянный магнит 3, помещенный с заданным зазором от поверхности изделия 2 и возможностью продольного перемещения относительно изделия, упругую растяжку 4, ферромагнитную пластину 5, магнитную систему в виде второго постоянного магнита 6 и магнитопровода 7 с рабочим зазором и механически переключаемым двухпозиционным шунтом 8, предназначенным для изменения магнитного потока в рабочем зазоре магнитопровода 7, плоскую измерительную катушку 9 и частотомер 10. При этом плоская измерительная катушка 9 неподвижно установлена в рабочем зазоре 11 магнитопровода 7 и подключена к частотомеру 10, первый постоянный магнит 3 подвешен на упругой растяжке 4, ферромагнитная пластина 5 закреплена на упругой растяжке 4 в средней части растяжки и размещена в рабочем зазоре 11 магнитопровода 7 со смещением относительно его продольной оси, рядом с плоской измерительной катушкой 9, а двухпозиционный шунт 8 выполнен в виде ферромагнитной пластинки, имеющей возможность поворота вокруг оси 12 с помощью рукоятки 13, установки заподлицо в углублении 14 магнитопровода 7 и фиксации в этом положении с помощью защелки - плоской пружины 15, входящей при нажатии в углубление в магнитопроводе 7/ на чертеже углубление не показано/. Верхний конец упругой растяжки 4 и магнитопровод 7 закреплены на перемещаемом относительно поверхности изделия 2 штативе 16 /на чертежах не показаны/ механизмом регулировки рабочей длины растяжки 4 и соответственно величины зазора между первым постоянным магнитом 3 и поверхностью изделия 2, а также механизм вертикального перемещения магнитопровода 7 вдоль штатива 16.

Работа устройства осуществляется следующим образом.

Перед измерением шунт 8 смещен относительно продольной оси магнитопровода 7 как показано на фиг. 2. Предварительной регулировкой рабочей длины растяжки 4 и вертикальным перемещением магнитопровода 7 относительно штатива 16 выставляют заданную величину зазора между магнитом 3 и поверхностью изделия 2. Смещением штатива 16 относительно изделия 2 постоянный магнит 3 помещается в контролируемую точку покрытия. При этом магнит 3 тем большей силой F будет притянут к изделию 2 при сохранении зазора, чем тоньше покрытие 1 в данной точке, причем этой же силе равно усилие натяжения растяжки 4.

Далее осуществляют непосредственно процесс измерения. Переключают шунт 8 с защелкиванием в положение, при котором продольная ось пластины шунта 8 совпадет с продольной осью магнитопровода 7. При этом магнитный поток в рабочем зазоре 11 магнитопровода 7 скачком возрастает, ферромагнитная пластина 5, закрепленная на упругой растяжке 4, также скачком втягивается в зазор 11 магнитопровода 7, за счет чего возбуждаются свободные поперечные колебания пластины 5 на растяжке 4. Вследствие этих колебаний в расположенной рядом с пластиной 5 в рабочем зазоре 11 измерительной катушке 9 наводится ЭДС индукции с частотой, совпадающей с собственной частотой упругой колебательной системы пластина 5 - растяжка 4, фиксируемой частотомером 10. Как известно /см. например Нестеренко А. Д. , Орнатский П.П. Детали и узлы приборов. - Киев: Гостехиздат,1963, с.183 [4]/, собственная частота поперечных колебаний груза /пластина 5/ массой m, укрепленного на растяжке длиной l, натянутой силой F, равна Очевидно, что при заданных значениях m и l зафиксированное значение частоты f однозначно определяет значение силы F, по которой с помощью таблицы, полученной измерениями по тарированным образцам при тех же электромагнитных и конструктивных параметрах устройства, определяется толщина контролируемого покрытия. Проведенный аналитический расчет зависимости силы F от толщины покрытия при заданных параметрах постоянного магнита 3 и зазора показал удовлетворительную сходимость с экспериментальными результатами.

В реализованном устройстве, например, при значениях m = 0,0012 кг, F = 2,5 H, l = 0,06 м измеренное значение f = 41,9 Гц, что соответствует толщине никелевого покрытия в 18 мкм, нанесенного на немагнитное изделие.

Точность измерения предлагаемым устройством по оценке авторов значительно /в 2-3 раза/ превышает точность устройств для аналогичных целей, что обусловлено самим принципом измерения. В устройстве непосредственно сила F взаимодействия магнита с изделием без преобразования в деформации упругих элементов преобразуется в индуцируемую величину - частоту. При этом если в устройстве - прототипе возможная паразитная погрешность от деформаций мультипликативно /в десятки раз/ увеличивалась при преобразовании деформации в угол поворота закрученной растяжки, то в данном устройстве, как видно из формулы где K - постоянный коэффициент, возможная погрешность в величине F преобразуется в выходной сигнал f с делением на свою собственную величину, то есть с уменьшением в корень квадратный раз. В устройстве практически исключены имеющиеся в аналогах электромеханические передаточные механизмы - упругие плоские пружины, закрученная растяжка, - приводящие к значительным инструментальным и дополнительным погрешностям измерения. Устройство имеет частотный выход и может быть использовано для непрерывных измерений в автоматизированных системах контроля, управления и регулирования.

Формула изобретения

Устройство для измерения толщины немагнитных покрытий на ферромагнитных изделиях, содержащее упругую растяжку и первый постоянный магнит, помещенный с заданным зазором от поверхности изделия, отличающееся тем, что оно снабжено магнитной системой в виде второго постоянного магнита и магнитопровода с рабочим зазором, механически переключаемым двухпозиционным шунтом, плоской измерительной катушкой, ферромагнитной пластиной и частотомером, при этом плоская измерительная катушка неподвижно установлена в рабочем зазоре магнитопровода и подключена к частотомеру, первый постоянный магнит подвешен на упругой растяжке, ферромагнитная пластина закреплена на упругой растяжке и размещена в рабочем зазоре магнитопровода со смещением относительно его продольной оси, рядом с плоской измерительной катушкой.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2