Вимірювач товщини діелектричних матеріалів

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для контроля толщины изделий из диэлектрических материалов в легкой, химической и других отраслях промышленности. Известно устройство для измерения толщины диэлектрических материалов, содержащее измерительный и образцовый накладные емкостные первичные преобразователи, состоящие каждый из основных высокопотенциального и низкопотенциального электродов, закрепленных на одной диэлектрической подложке, два коммутатора, входы которых подключены к основным высокопотенциальным электродам, блок преобразования емкостной функции первичных преобразователей в напряжение, вход которого подключен к выходам коммутатора, избирательный усилитель, вход которого подключен к блоку преобразования, синхронный детектор, соединенный по сигнальному входу с избирательным усилителем, генератор низкой частоты, выход которого подключен к управляющим входам синхронного детектора и коммутаторов, и регистратор, соединенный с выходом детектора (авт. св. СССР №398814, кл. G 01 В 7/08, С 23 С 13/00, 1973, Бюл. №38). Недостатком указанного устройства является существенная погрешность измерения, обусловленная неплотностью прилегания рабочей поверхности датчика к контролируемой пленке. Известен также измеритель толщины диэлектрических материалов, содержащий измерительный и образцовый накладные емкостные первичные преобразователи, состоящие каждый из основных высокопотенциального и низкопотенциального электродов и размещенного между ними дополнительного высокопотенциального электрода, закрепленные на одной диэлектрической подложке, два коммутатора, входы которых подключены к основным высокопотенциальным электродам, блока преобразования емкостной функции первичных преобразователей в напряжение постоянного тока, вход которого подключен к выходам коммутаторов, избирательный усилитель, вход которого подключен к блоку преобразования, синхронный детектор, соединенный по сигнальному входу с избирательным усилителем, генератор низкой частоты, выход которого подключен к управляющим входам синхронного детектора и коммутаторов, повторитель напряжения, вход которого подключен к выходам коммутаторов, а выход соединен с дополнительными высокопотенциальными электродами, и регистратор, соединенный с выходом детектора (авт. св. СССР №1017907, кл. G 01 В 7/06, 1983, Бюл. №18). Однако в известном измерителе неплотность прилегания рабочей поверхности датчика к контролируемому материалу приводит к снижению чувствительности измерителя. При отклонении датчика от контролируемого материала, связанного с неровностью поверхности, снижается информативность сигнала, поступающего в блоке преобразования емкостной функции в напряжение. Информационные свойства материала, обладающего дипольной структурой, зависят от подвижности частиц контролируемого материала. Все эти факторы приводят к снижению чувствительности измерителя. Таким образом, в основу изобретения положена задача создать измеритель толщины диэлектрических материалов, в котором путем введения дополнительного высокочастотного воздействия на контролируемый материал неплотность прилегания рабочей поверхности датчика к материалу не привела бы к снижению чувствительности измерения. Поставленная задача решена тем, что измеритель, содержащий измерительный и образцовый накладные емкостные первичные преобразователи, состоящие каждый из основных высокопотенциального и низкопотенциального электродов и размещенного между ними дополнительного высокопотенциального электрода, закрепленные на одной диэлектрической подложке, два коммутатора, входы которых подключены к основным высокопотенциальным электродам, блока преобразования емкостной функции первичных преобразователей в напряжение постоянного тока, вход которого подключен к выходам коммутаторов, избирательный усилитель, вход которого подключен к блоку преобразования, синхронный детектор, соединенный по сигнальному входу с избирательным усилителем, генератор низкой частоты, выход которого подключен к управляющим входам синхронного детектора и коммутатора, повторитель напряжения, вход которого подключен к выходам коммутаторов, а выход соединен с дополнительными высокопотенциальными электродами, и регистратор, соединенный с выходом детектора, согласно изобретению дополнительно снабжен генератором высокочастотных колебаний, выход которого соединен с дополнительными высокопотенциальными электродами, и блоком установки частоты, соединенным с входом генератора высокочастотных колебаний. Под влиянием дополнительного высокочастотного воздействия, обусловленного наличием генератора высокочастотных колебаний и блока установки частоты, соединенных с дополнительными высокопотенциальными электродами, повышается подвижность молекул контролируемого материала. Это происходит за счет придания молекулам дополнительных колебаний внешним электрическим полем высокой частоты (отличающейся от основной рабочей частоты измерителя). При этом повышается диэлектрическая проницаемость материала, что приводит, в отличие от известного устройства, к повышению чувствительности измерений. На чертеже представлена блок-схема измерителя толщины диэлектрических материалов. Измеритель содержит измерительный 1 и образцовый 2 накладные емкостные первичные преобразователи, состоящие каждый из основных низкопотенциальных 3, 4, основных высокопотенциальных 5, 6, и дополнительных высокопотенциальных 7, 8 электродов, закрепленных на диэлектрической подложке 9, коммутаторы 10,11, подключенные к основным высокопотенциальным электродам 5,6 соответственно измерительного 1 и образцового 2 преобразователей, блок 12 преобразования емкостной функции первичных преобразователей в напряжение постоянного тока, вход которого подключен к выходам коммутаторов 10,11, повторитель 13 напряжения, вход которого подключен параллельно входу блока 12, а выход - к дополнительным высокопотенциальным электродам 7, 8, избирательный усилитель 14, вход которого подключен к выходу блока 12 преобразования, синхронный детектор 15, сигнальный вход которого подключен к выходу избирательного усилителя 14, генератор 16 низкой частоты, выход которого подключен к управляющим входам коммутаторов 10, 11 и синхронного детектора 15, генератор 17 высокочастотных колебаний, выход которого соединен с дополнительными высокопотенциальными электродами 7, 8, блок 18 установки частоты, соединенный с входом генератора 17 высокочастотных колебаний, и регистратор 19, соединенный с выходом детектора 15. Устройство работает следующим образом. При отсутствии контролируемого материала емкости преобразователей 1, 2 одинаковы. Вследствие этого при поочередном их подключении с помощью коммутаторов 10, 11 к блоку 12 преобразования емкости в напряжение постоянного тока с частотой коммутации в выходном напряжении блока 12 отсутствует переменная составляющая частоты коммутации. При наложении контролируемого материала на измерительный преобразователь 1 емкость его возрастает по отношению к емкости образцового преобразователя 2. Так как величина напряжения на выходе блока 12 зависит от емкости подключаемого преобразователя, то выходное напряжение блока 12 содержит составляющую с частотой коммутации. Амплитуда ее пропорциональна разности емкостей преобразователей 1, 2. Эта переменная составляющая с частотой коммутации на выходе блока 12 выделяется и усиливается избирательным усилителем 14. К основным высокопотенциальным электродам 5, 6 через автоматические коммутаторы 10, 11 прикладывается переменное электрическое напряжение, существующее на входах блока 12. Одновременно это напряжение подается также на вход повторителя 13 напряжения, на выходе которого появляется напряжение, по амплитуде и по фазе идентичное приложенному к его входу напряжению. Это напряжение с выхода повторителя 13 напряжения, имеющего низкое выходное сопротивление, подается на дополнительные высокопотенциальные электроды 7, 8, которые расположены соответственно между основными высокопотенциальными 5, б и низкопотенциальными 3,4 электродами. Это дает возможность распределить силовые линии электрических полей таким образом, чтобы удаление контролируемого материала на некоторое расстояние от рабочей поверхности измерительного преобразователя 1 частично компенсировало бы погрешность измерения. Одновременно с сигналом, поступающим с повторителя 13 напряжения, на дополнительные высокопотенциальные электроды 7, 8 подается знакопеременное высокочастотное поле с генератора 17 высокочастотных колебаний. Под воздействием этого поля происходи г дополнительное раскачивание диполей контролируемого материала, что приводит к повышению диэлектрической проницаемости материала, а значит и к повышению чувствительности измерений. При этом частота и форма сигнала этого поля, отличающиеся от параметров основного поля измерителя, могут быть установлены в зависимости от свойств контролируемого материала с помощью блока 18 установки частоты. Потенциал дополнительного высокочастотного поля, взаимодействуя с контролируемым материалом, отфильтровывается на входе блока 12 преобразования емкости в напряжение постоянного тока и не вносит искажений в информативный сигнал. Амплитуда знакопеременного напряжения на выходе усилителя 14 пропорциональна разности емкостей преобразователей 1, 2. Это напряжение подается на информационный вход синхронного детектора* 15, на управляющий вход которого подано опорное напряжение с выхода генератора 16 низкой частоты. С выхода генератора 16 напряжение подается также на управляющие входы коммутаторов 10, 11. На выходе синхронного детектора 15 появляется выпрямленное напряжение, величина которого связана пропорциональной зависимостью с разностью емкостей преобразователей 1,2. Так как эта разность, определяется емкостью, вносимой контролируемым диэлектрическим материалом, то напряжение на выходе синхронного детектора 15 также связано пропорциональной зависимостью с толщиной диэлектрического материала. Это напряжение подается на регистратор 19. Пример. Проводили измерения толщины диэлектрического материалов (пищевые желатиновые пленки) с различной неоднородностью по толщине. При этом чувствительность известного измерителя находилась в пределах 1,2-1,5 В/мкМ, в то время, как чувствительность предлагаемого измерителя - в пределах 1,9-2,2 В/мкМ. Описанный измеритель толщины диэлектрических материалов позволяет повысить чувствительность измерений за счет повышения диэлектрической проницаемости контролируемого материала. Изобретение может быть использовано в химической, легкой и других отраслях промышленности при контроле толщины диэлектрических материалов.