Импедансный датчик (его варианты)

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСНИХРЕСПУБЛИК 7/2 ИЯ наде ва из"жденОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТ(71) Государственный научно-исследовательский и проектный институт лакокрасочной промьппленности(56) Сборник исследований по коррозии металлов. Труды ИФХ АН СССР.Вып. УП, 1959, с, 155-158 (АН СССР).Патент США В 2732525,кл. 324-10, 1956.(57) Изобретение относится к электроизмерительной технике, в частности к двухзлектродным измерительнымустройствам на переменном токе.Цель изобретения - повышение точности измерения импеданса и производных,80126081 от него величин, обеспечение жности контактирования и удобстмерений отвержденных и неотверных плохо проводящих покрытий напроводящих, в том числе малогабаритных с площадью до 0,05 см, подложках, особенно для тонких (менее5 мкм) покрытий любой шероховатости и волнистости. Импедансный датчик выполнен как контактный металлический стержень с соосным диском ввиде металлического кольца с вставкой из оргстекла, а в качестве контактного слоя используется капляжидкости, свободно заполняющая зазор между исследуемым покрытиеми рабочей поверхностью датчика. Датчик присоединяется к измерительномуприбору с помощью разъема или металлического провода. Вторым электродом является проводящая подложка,на которой адгезировано исследуемоепокрытие. 2 с.п. ф-лы, 2 ил.Изобрстенис относится к измгри тельной технике, в частности к двух - электродным измерительным устройствам на переменном токе для измерения ускоренным неразрушающим методом полного сопротивления (импеданса,) и производных от него величин (комплексной диэлектрической проницаемости с , тангенса угла диэлектрических потерь ср Б, комплексной проводимости У , емкости С, сопротивления К), связанных с толщиной, нов допоглощением, водо- и ионопроницаемостью, защитными свойствами слабо- проводящих покрытий толщиной до 500 мкм на проводящей подложке.Цель изобретения - создание импедансного датчика, обеспечивающегоповышение точности измерения импеданса и производных от него величиннадежности контактиронания датчикас исследуемой поверхностью, уцобства измерения на адгезионных плохопроводящих покрытиях любой шероховатости и волнистости, в том числе намягких покрытиях и покрытиях на малогабаритных иэделиях длощадью до0,05 см.На фиг.1 представлен общий видпредлагаемого датчика; на фиг.2то же, вариант,Импедансный датчик содержит металлический стержень 1, полированный торец 2 стержня, разъем подсоединения3 к измерительному прибору, диск 4,металлическое кольцо 5, вставка изоргстекла б, липкая лента 7 с отверстием, исследуемое покрытие 8, подложка 9, капля жидкости 10. Соединение датчика с измерительным прибором(мостом переменного тока, измерителем добротности и т.п,) осуществляется через разъем 3,Вариант предлагаемого цатчика(фиг, 2) содержит металлический стержень 1, полированный торец 2 стержня, металлический провод 3, дискметаллическое кольцо 5, вставка изоргстекла 6, липкая лента 7, с отверстием, исследуемое покрытие 8, подложка 9, капля жидкости 10, металлизированное углубление 11, токопроводящая жидкость 12. Соединение датчика с измерительным прибором ( мостом переменного тока измерителемдобротности и т.п,) осуществляетсячерез металлический провод 3, опушенный н токопроводящую жидкость 12, залитую н металлизпро явное углубле -ние 11.Иеталлизапия углубления увеличивдет поверхность соприкосновения токопронодящей жидкости со стрежнем, что уменьшает погрешность измерений злектрофизических параметров.Диск ч обеспечивает импедансномудатчику способность самоустанавли О ваться на испытуемой поверхности,обеспечивает возврат датчика в исходное положение при случайном выведении иэ него и создает требуемую вевнешч.пред. предельный диаметр диска 4, при котором диск еще способен вернуться в состояние устойчивого равновесия, определяемый го формуле+ с 2, (2) пГс 25 где Дпред. где 1 - расстояние от точки расположения центра масс диска 4 до35покрытия;и - высота диска 4;й - диаметр стержня 1;гд о. - тангенс угла наклона стерж 46ня к плоскости исследуемогопокрытия н момент достижениядатчиком состояния неустойчивого равновесия,Величина Д увеличивается спред.ростом 1 при заданном д и практически не зависит отмассы диска 4, которая определяется массой металлического кольца 5, т.е. величиной со -отношения его внутреннего и внешнего50диаметрон,Путем регулирования массы диска 4 при заданном с 1 достигается требуемое давление датчика на покрытие, датчик может быть и накладным.Для датчика по фиг.1 внешняя сила Г, которая может возникнуть при подсоединении провода измерительного прибора к разъему 3, может вывести личину давления датчика на исследуе мое покрытие.Для того, чтобы датчик являлся самоустананлинающимся, т,е. чтобы до момента достижения системой состояния неустойчивого равновесия диск 4 20 начинал быть упором, должно выполняться условие(8 а) 55 датчик из состояния устойчивого равновесия. Сила Г связана с давлениемР, создаваемым датчиком, соотношением где Ь - длина стержня датчика, мм;- диаметр стержня, мм.Из формулы (3) следует., что с уменьшением диаметра стержня с и увеличением длины стержня Ь, способность датчика самоустанавливаться узудшается, так как малая по величине сила Г выводит датчик из состояния устойчивого равновесия.Устойчивость измерений предлагаемым датчиком достигается выбором величины Ь, обеспечивающей получение Г заданной величины. На действующей модели датчика установлено, что величина Г должна превьппать 0,05 Н. В случае, когда сила Г менее 0,05 Н, предлагается использовать датчик, изображенный на фиг. 1. Конструкция этого варианта датчика такова, что внешняя сила Г, способная вывести датчик из состояния устойчивого равновесия, не возникает. Это позволяет использовать датчик для изучения образцов (изделий) с малой поверхностью и изучать точечные дефекты окрашенных изделий.В предлагаемом датчике (фиг.фиг. 2) капля жидкости, свободно заполняющая зазор между стержнем и покрытием 8, используется в качестве контактного слоя, жидкость должна подчиняться условиям активная составляющаяимпеданса контактнойжидкости и покрытиясоответственно;реактивная составляющая импеданса контактной жидкости и покрытия соответственно. При измерениях испеданса с последующим пересчетом в величину толщины, водопоглощения, водо- и ионопроницаемости полимерных покрытий достаточным является выполнение менее жесткого условия Если представить электрофизические процессы, протекающие в зазоре, заполненном контактной жидкостью, в виде эквивалентной схемы с параллельным соединением элементов,то модуль импеданса контактной жидкостИ имеет вид Е = 1 (7) г +г 1 г15где 1 Еи 2- модуль импедансакщконтактной жидкости и исследуемогопокрытия соответственно, Ом мг , 20д - эффективная толщиназзазора между рабочей поверхностьюдатчика и покрытием, и,,251 р - удельная проводимость контактной-1 -1жидкости, Ом :мс - абсолютная диэлектрическая проницаемость контактной-1жидкости, Ф, И1- циклическая частота переменного тока, Гц.Иэ анализа формулы (7) следует, 35 что основной вклад вносит первоеслагаемое под корнем знаменателя,поэтому выражение (7) приобретаетвид 40Екш- -з (7 а)Если допустить, что погрЕшностьизмерения2 не должна превышать1 ОЕ 1 можно записать неравенство45 2с О,1 2 (8) из которого следует, что удельная проводимость жидкости, используемой 50 в качестве контактного слоя, подчиняется условию Конструкция предлагаемого датчи- ка обеспечивает величину зазора в единицы микрометра между исследуевозникающего как следствие Огрзничсийя 1 е 1е.(30) Предлагаемьгй импедансный датчик применим для измерения на вслнистьх и имеющих кривизну поверхностях прн УСЛОВИИЧТО ВЬГПОЛНЯЕТСЯ Сост-.ОШРлИЕ 2(1 ь) где к - кривизна измеряемой поверх" ности, и "; 5 12608мым покрытием и рабочей поверхностьюдатчика, что позволяет использоватьв качестве контактных жидкости снизкой удельной проводимостьюПредлагаемый датчик,целает возможным использование в Качестве контактных и жидкости с меньшей величиной удельной проводимости -. жидкс. -ти с = (10 + 10 ) Ом и ": Исходя из соотношения (8 а), при этом не-.обходимы следующие дополнительныеусловия проведения измерения: увеличениеЕ 5,1 путем проведения измерений на низких ча.стотах - 500 Ге иниже или увеличение толщины иссле дуемого покрытия (50-500)мкм либоуменьшение величины эсрфективе 1 сгс за-.зора между покрытием и да.чиком путем повышения давления датчика напокрытие. При этом тоищина покрыт.лядолжна быть не меньше величины эффективного зазора.Возможность применения капли лслдкости 10 (фиг. 1, фиг. 2) в качествеконтакта в предлагаемом датчике сбеспечивает большую точность измерее 1 Еяособенно на тонких ( ф,мкм) гскрь 1 тиях, при этом погрешность измерения не возрастает с уменьшением,цавления датчика на покрытие что по-.зволяет использовать,цатчик для из -мерений на мягких, например, нестве,"жденных и не полностью ствержденныхпокрытиях. Это делает возмсзньвл уевтанавливать связь межцу параметра еииеотвержденньгх покрытий и свс 1 лстеамлпокрытия после их отвержг 1 ения,Предлагаемый датчик пригоден дляизмерения импеданса покрытий Ел практически любой шероховатое:н ч го "ле-,дует.из условия 2 г - г:олупернод волнистости испытусмсгс участка поверхности,ммодуль импеданса испытуемого пскрытия, Ом м;" - удельная проводимость ксив 1такгнсй жидкости, Ом мИзмерение импецанса покрытий и прои.",водных от чего величин с применением предлагаемого датчика (фиг,1) производится следующим образом, На изделие (образец) с испытуемым покры-. тием наклеивается липкая лента 7 спредварительно сделанным отверстием, диаметр которого ыа 10- 15% превьгшает диаметр стержня датчика, что обеспечивает надежную .:1 зсляцию исслецуемсгс участка локрьшия ст ссталь - ной его поверхности. В стверстие напссится капля жидкости 10 и устанавгплвается датчик, при :.том тс-;ностьса:1 сустансвки датчлка контролируется через прозрачную лесть 6 дискавыполненную из органического стекла,Патчик присоединяется через разъем 3к измерительному прибору, например,к мосту переменногс тока. Вторымэ:1 ектрсдсм служит проводящая подложка 9, .на которой адгезирсьано испытуемое г 1 скрытле,Измерение импеда. в :са покрытий и производных от него веллчин с при(енением и:ецлагаемсго датчика (фиг. 21 1 рсизв спится СЕел"плм Образом. Ва изделие (Образеп) с испь 1 туемьь 1 псе 1 рытием наклеь,ь;,е:я липхан ЛЕНтаС 1 Г ЕДВантЕЕЬЕС СДЛаН- ным ст вере", нем диаметр кстсрсгс на 10- 15% пвевьшяет деламетр стержня датчика что Обеспечивает надежную изопяпню лсследуемсгс участка покрь 1- тня Ст ОС:и.1 ЬНОй ЕГО ПСВЕрХНССТИ, В ОТВЕРСТИЕ ПаНОСНТСЯ Кап,лн ЖНДКОСтЬ 10 и у с т а е 1 а в и.1 В а ;. : с я датчик, и р и этс."л - очность самсустансвки датчика контролируется через и,"Озчачную чаСТЬ б ДИСКа 4, ВЬ:ПОЛНЕННУК ИЗ ОП- Панического стекла, Датч 1 лк присоединяется к измерителенсм прибсрь на" :ример к мссту переменно.с тока, 11-;:-.аллнческнм проводом 3, Опушен 11 ьп 1 в металлизирсваннсс уг губление 11 сделанное вс вставке из срг аничес 1:"Ого стекла 6 и запслн:.:псе токо - проводящей жидкостью 12, Вторым О 1 ектрсцсм сл.лшл Г проводящая 51 сдлсж ха 9, на которой здгезнрсванс испь, ТЕМОЕ ПОКРЬТНЕ.Капля жидкости, используемая нкачестве контактного слоя, позволяетнадежно проводить измерения, так какво время ее существования удаетсяпроизвести количество измерений, достаточное для их статистической обработки,После проведения измерений датчикснимается с образца и капля жидкости удаляется с помощью фильтровальной бумаги.Предлагаемый датчик (фиг. 1,фиг. 2) позволяет через измерениеимпеданса и его производных определять с повышенной точностью толщину покрытия любой шероховатости иволнистости, особенно тонких(5 мкм)покрытий, отвержденных и неотвержденных, нанесенных на малогабаритные объекты (площадью 0,05 см ),быстро оценивать изменение покрытийпод действием воды, электролитов,органических растворителей и любыхжидкостей во времени, изучать защитные свойства покрытий. Широкие возможности позволяют применять датчикдля измерений на тонких пленках,особенно важных в таких областях,как радиоэлектроника (печатные планты, микросхемы, микропроцессоры),вычислительная техника (диски памяти ЭВМ), антикоррозийная техника(пленки, полученные при электрололимериэации, полимеризация в тлеющемразряде и др.).Формула изобретения1. Импедансный датчик, содержащий металлический стержень с диском, соединенный с измерительным прибором, и контактный слой в виде жидкости, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повьппения точности измерения импеданса и производных от него величин, диск выполнен в виде металлического кольца с вставкой из органического стекла, стержень снабжен разъемом для соединения с измерительным прибором, при этом диаметр д стержня, внешний диаметр 0диска .и высота 1 закрепления диска на стержне выбраны из зависимости21 - Ь1.у+д,мм,ВНЕан.где Ь - высота диска,д - диаметр стержня, мм;гр ы - тангенс угла наклона датчика в момент достижения состояния неустойчивого равновесия;а в качестве контактного слоя использована жидкость с удельной проводимостью, подчиняющейся соотношениюдзЭ0,1( 2,1 О удельная проводимость жидкости, Ом мвеличина эффективности загде 15 зора, м;2 1 - модуль импеданса исследуе-тмого покрытия, Ом м 21 - Ь Эч+ д с 8 о р.д - диаметр стержня, мм,с о - тангенс угла наклона датчика в момент достижения состояни неустойчивого равновесия,а в качестве контактного слоя исполь зована жидкость с удельной проводимостью, подчиняющейся соотношению 45- 1 -д 0,1Е 150 удельная проводимость жидкости, Ом мвеличина эффективного зазора, мм,модуль импеданса исследуе.1 - 1 мого покрытия, Ом, м где д 2 -55 2. Импедансный датчик, содержа О щий металлический стержень с диском, соединенный с измерительнымприбором, и контактный слой в видежидкости, о т л и ч а ю щ и й с ятем, что, с целью повышения точнос ти измерения импеданса и производных от него величин, диск выполненв виде металлического кольца с вставкой из органического стекла, в которой выполнено углубление с металлизированной поверхностью, заполненноетокопроводящей жидкостью и содержащее металлический провод для соединения с измерительным прибором, приэтом диаметр д стержня, внешний диаметР з,шндиска и высота 1 закрепления дисКа на стержне выбраны из за.висимости