**WARNUNG** Anfang DESC Feld konnte Ende CLMS uberlappen **.
PATENTANSPRUCH
Einrichtung zur Bestimmung von Oberflächenfehlern fadenförmiger Erzeugnisse, die einen kapazitiven Geber enthält, zwischen dessen zwei Elektroden (3, 4), die mit einem Hochfrequenzgenerator (5) und einer Messschaltung (6) in Reihe geschaltet sind, die mit dem Generator einen gemeinsamen Verbindungspunkt (0) aufweist, ein zu prüfendes Erzeugnis hindurchführbar ist, um durch Änderung der Kapazität zwischen diesen Elektroden einen Oberflächenfehler auf dem zu prüfenden Erzeugnis zu ermitteln, dadurch gekennzeichnet, dass der kapazitive Geber eine Abschir mung (19) aus elektrisch leitendem Werkstoff enthält, in deren Innerem die Elektroden (3, 4) untergebracht sind, wobei in der Abschirmung (2) zwischen den Elektroden (3,
4) Öffnungen (14) zur Durchführung des zu prüfenden fadenförmigen Erzeugnisses vorgesehen sind und wobei die Abschirmung (19) an einem Potential, das gleich dem Potential des gemeinsamen Verbindungspunktes (0) des Hochfre quenzgenerators (5) und der Messschaltung (6) ist anliegt, um eine Umverteilung des elektrischen Feldes zwischen den Elektroden (3, 4) und der Abschirmung (2) zu erzielen.
Die vorliegende Erfindung betrifft die Messtechnik, bezieht sich auf Untersuchungen verschiedener Eigenschaften der Materialien durch Messung der elektrischen Kapazität eines Gebers mit zu untersuchendem Material, im Besonderen auf eine Einrichtung zur Bestimmung von Ober flächenfehlern fadenförmiger Erzeugnisse.
Als eine der wichtigsten Kenngrössen dünner und äusserst dünner fadenförmiger Erzeugnisse, auf welche sich deren elektrische und Festigkeitskennwerte zurückzuführen lassen, gelten Oberflächenfehler: Änderungen der Dicke über kurze Abschnitte von 10 bis 100 p Länge, ungleichmäs sige Dicke in der Länge, Wulste, kristalline Einschlüsse usw.
Zur Kontrolle der genannten Fehler in fädenförmigen
Erzeugnissen werden kapazitive Geber weitgehend verwendet, die sich durch hohe metrologische und Betriebskennwerte auszeichnen. Der Vorzug, den man kapazitiven Gebern gibt, ist im wesentlichen durch deren einfachen Aufbau und dadurch bedingt, dass die Anzeigen von der Änderung physikalisch-mechanischer Parameter des zu prü fenden Erzeugnisses (elektrische Leitfähigkeit, Dichte usw.) sowie vom Ort des Fehlers auf der Oberfläche unabhängig sind.
Die bestehenden kapazitiven Geber enthalten zwei Elek troden, die an einem dielektrischen Grundkörper befestigt und in einem geerdeten Metallgehäuse untergebracht und in der Regel in den Kreis eines Hochfrequenzgenerators und eines Messers eines Stromes in Reihe geschaltet sind, der durch den kapazitiven Geber fliesst.
Jedoch können die kapazitiven Geber der obenbeschrie benen Bauart im wesentlichen zur Kontrolle der obenge nannten Fehler auf Abschnitten grosser Länge benutzt werden, d.h. wenn die Beziehung T-S erfüllt wird, worin T eine Fehlerlänge, S eine Dicke des zu prüfenden fadenför migen Erzeugnisses auf diesem Abschnitt bedeutet.
Die Kontrolle von Fehlern, deren Länge T mit der Dicke S des Erzeugnisses kommensurabel ist, lässt sich mit Hilfe der obenerwähnten kapazitiven Geber schwer durchführen, weil zwischen den Elektroden elektrische Randfelder auftreten, die das Auflösungsvermögen des Gebers vermindern und zu einer Ungenauigkeit während der Kontrolle von Fehlern führen. Praktisch lässt sich die Länge eines Abschnittes des zu prüfenden Erzeugnisses, der durch das Feld des kapazi tiven Gebers erfasst wird, vereinfacht definieren zu: L=l+ H, worin 1 eine Länge der Elektrode des Gebers und H einen Abstand zwischen den Elektroden bedeuten.
Bei der Verkürzung der Länge 1 der Elektroden (1 < S) bis auf die Fehlergrösse, die mit der Werkstoffdicke vergleichbar ist, wird das Feldgebiet, durch das auf den zwischen den Elektroden des Gebers liegenden Abschnitt des zu prüfenden Erzeugnisses eingewirkt wird, praktisch durch den Elektrodenabstand bestimmt. Der Versuch, den Elektrodenabstand des Gebers zu verkürzen, ruft eine Senkung seiner Betriebskennwerte hervor (es wird die Einführung des zu prüfenden Werkstoffes in den Geber komplizierter, die Wahrscheinlichkeit einer mechanischen Einwirkung der Geberelektroden auf die Oberfläche des Werkstoffes erhöht usw.).
Ausserdem tritt mit abnehmendem Elektrodenabstand des kapazitiven Gebers ein Fehler zum Vorschein, der durch Querschwingungen des zu prüfenden Erzeugnisses während dessen Bewegung und durch im Elektrodenzwischenraum vorhandene Fremdteilchen bedingt ist.
Das Vorhandensein von Randfeldern zwischen den Elektroden des kapazitiven Gebers senkt darüber hinaus die Relativempfindlichkeit des letzteren, welche sich ermittelt zu:
AC AS
K= / AS
Co S wobei AC einen Zuwachs der Kapazität CO des Gebers, der durch Änderung der Dicke S des zu prüfenden Werkstoffes um einen Betrag AS hervorgerufen wird, CO = Cp + Ck eine Kapazität des Gebers bedeutet, die sich aus einer Betriebskapazität Cp und einer Randkapazität Ck zwischen den Elektroden zusammensetzt.
Aus der obenangeführten Beziehung folgt, dass zur Erhöhung der Relativempfindlichkeit K die Randkapazität Ck zwischen den Elektroden des Gebers zu verringern ist, was jedoch, wie schon erwähnt, zur Senkung der metrologischen und Betriebskennwerte führen kann.
Somit läuft das Problem der Kontrolle von Fehlern fadenförmiger Erzeugnisse auf die Bestimmung von Mikrofehlern hinaus.
Das genannte Problem ist zum Teil bei der Verwendung eines kapazitiven Gebers zur Kontrolle von Fehlern gelöst (siehe den SU-Urheberschein Nr. 321739, bekanntgemacht im Bulletin Entdeckungen, Erfindungen, Gebrauchsmuster und Warenzeichen Nr. 35, 1971), welcher Geber an einem dielektrischen Grundkörper befestigte gebogene Elektroden mit einer Dicke enthält, die zum Grundkörper hin gleich- mässig zunimmt. Das zu prüfende Erzeugnis kommt bei diesem Geber mit den Elektroden in einem Bereich in Berührung, der die höchste elektrische Feldstärke (im Gebiet des minimalen Elektrodenzwischenraums) aufweist. Bei einer solchen konstruktiven Ausführung ist die Kontrolle von Fehlern möglich, deren Mindestlänge durch die Grösse des erwähnten Elektrodenzwischenraums festgelegt wird.
Dabei wird die Mindestgrösse dieses Zwischenraums durch die Anforderung an die elektrische Festigkeit des Gebers festgelegt und beträgt 0,1 bis 0,2 mm.
Die beschriebene Bauart des kapazitiven Gebers liefert eine maximale elektrische Feldstärke im Zwischenraum zwischen den Elektroden, was es gestattet, die Relativempfindlichkeit gegen die Änderung der Dicke des zu prüfenden
Erzeugnisses zu verbessern. Zum Betrieb des genannten kapazitiven Gebers ist es erforderlich, dass seine Elektroden mit dem zu prüfenden Erzeugnis in Berührung stehen, andernfalls nimmt der Fehler durch Querschwingungen des
Erzeugnisses wegen beträchtlicher Inhomogenität der elek
trischen Feldes zwischen den Elektroden sprunghaft zu. Da in den meisten Fällen das Vorhandensein einer mechanischen Einwirkung auf die Oberfläche des zu prüfenden Erzeugnisses unerwünscht ist, findet der beschriebene kapazitive Geber keine breite Anwendung.
Bekannt ist ferner eine Einrichtung zur Erkennung von Oberflächen fehlern fadenförmiger Erzeugnisse (siehe die US-PS Nr. 2 950 436, Kl. 324-61, bekanntgemacht am 23.08.1960), die eine Transformator-Messbrücke enthält, in deren einen Brückenzweig ein kapazitiver Geber geschaltet ist. Der Geber enthält ein Gehäuse, in dem zwei Hauptelektroden untergebracht sind, wobei zusätzliche Elektroden vorgesehen sind, die in derselben Ebene liegen, die die Hauptelektroden bilden. In diesem Geber ist das zu prüfende Erzeugnis zwischen den Hauptelektroden und den zusätzlichen Elektroden angeordnet, die an den gemeinsamen Punkt. der Transformator-Messbrücke angeschlossen sind.
Durch Anwendung der zusätzlichen Elektroden werden die Randfelder zwischen den Hauptelektroden beseitigt, ohne dass die Felder zwischen diesen Elektroden umverteilt werden. Darüber hinaus verkleinert das Vorhandensein der zusätzlichen Elektroden das Gebiet des elektrischen Feldes, durch welches auf einen Abschnitt des zu prüfenden Erzeugnisses eingewirkt wird, der sich zwischen den Elektroden des kapazitiven Gebers befindet, was das Auflösungsvermögen erhöht. Jedoch wird eine weitere Erhöhung des Auflösungsvermögens praktisch durch die Länge der Hauptelektroden und die Zwischenräume zwischen der Hauptelektrode und den zugehörigen zusätzlichen Elektroden (die in derselben Ebene liegen, die die Hauptelektroden bilden) begrenzt.
Eine Verkleinerung der Länge der Hauptelektrode und der Zwischenräume ist mit einigen technologischen Schwierigkeiten verbunden, und zwar müssen in erster Linie minimale Zwischenräume zwischen den Haupt- und den zusätzlichen Elektroden sichergestellt werden. In der Praxis werden ausgehend von den Forderungen an die elektrische Festigkeit der Konstruktion die Zwischenräume zwischen der Hauptelektrode und den zusätzlichen Elektroden mindestens 0,1.. .0,2 mm gewählt. Somit beträgt die Länge eines Feld des Gebers liegenden Abschnittes des zu prüfenden Erzeugnisses bei den bekannten Einrichtungen nicht weniger als 0,1.. .0,2 mm, was zur Erkennung von Mikrofehlern nicht ausreichend ist.
Die Anwendung der Hauptelektrode mit einer Mindestlänge, die gleich der Länge von zu überwachenden Fehlern, d.h. gleich höchstens 50... .100 R ist, führt ausserdem neben den technologischen Schwierigkeiten, die mit der Herstellung des Gebers verknüpft sind, zur Senkung der metrologischen Charakteristiken und vor allem zur Verminderung der Genauigkeit. Eine weitere Verminderung der Genauigkeit der Kontrolle findet beim Auftauchen von sogar kleinen Fremdteilchen, z.B. Staubteilchen an der Hauptelektrode oder in den Zwischenräumen zwischen der Hauptelektrode und den zusätzlichen Elektroden statt. In der Tat ruft ein an einem Ende der Hauptelektrode auftauchendes Staubteilchen mit einer Grösse von 50 . .
.100 F eine Vergrösserung der Länge des im Feld des kapazitiven Gebers liegenden Abschnittes des zu prüfenden Erzeugnisses um das 2-fache hervor.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur Bestimmung von Oberflächenfehlern fadenförmiger Erzeugnisse zu schaffen, bei der zwischen den Elektroden des kapazitiven Gebers ein solches elektrisches Feld erzeugt wird, das es ermöglicht, Mikrofehler mit einer Länge von unter 100 SL ohne Verkürzerung der Elektrodenlänge zu kontrollieren, sowie den Aufbau des Gebers zu vereinfachen.
Die gestellte Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs gelöst.
Die Anwendung der beispielsweise zylinderförmigen Abschirmung im kapazitiven Geber, die unter dem Potential des gemeinsamen Verbindungspunkt des Hochfrequenzgenerators und der Messschaltung steht, führt zur Umverteilung des elektrischen Feldes zwischen der Elektrode und der Abschirmung. Dabei wird der grösste Teil des Feldes zur Abschirmung hin gerichtet, so dass das Feldgebiet verkleinert wird, das auf den zwischen den Elektroden des Gebers liegenden Abschnitt des zu prüfenden Erzeugnisses einwirkt.
Dadurch wird ermöglicht, das Auflösungsvermögen gegenüber Mikrofehlern zu erhöhen.
Darüber hinaus ist eine solche Bauart des Gebers zum Vergleich mit dem obengenannten Geber mit zusätzlichen Elektroden einfacher und zeichnet sich durch bessere Technologiegerechtigkeit aus.
Nachstehend wird die Erfindung an Hand von konkreten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigelegten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein Funktionsschaltbild der erfindungsgemässen Einrichtung zur Bestimmung von Oberflächenfehlern fadenförmiger Erzeugnisse;
Fig; 2 (a, b, c, d, e, f) Verteilungsdiagramme des elektrischen Feldes in kapazitiven Gebern ohne Abschirmung, mit zusätzlichen Elektroden bzw. mit einer Abschirmung;
Fig. 3 eine Gesamtansicht eines zylinderförmigen Gebers nach der Erfindung;
Fig. 4 eine Gesamtansicht eines Gebers rechteckiger Gestalt (ohne Gehäuse) gemäss der Erfindung;
Fig. 5 (a, b) Verteilungsdiagramme des elektrischen Feldes im kapazitiven Geber mit zu prüfendem Erzeugnis ohne Fehler und mit einem Fehler, gemäss der Erfindung.
Die Einrichtung zur Bestimmung von Oberflächenfehlern fadenförmiger Erzeugnisse enthält einen Geber, bei der hier zu beschreibenden Ausführungsform mit einem Gehäuse 1 (Fig. 1), in dem eine zylinderförmige Abschirmung 2 aus elektrisch leitendem Werkstoff untergebracht ist. Im Inneren der Abschirmung 2 finden Elektroden 3,4 Platz. Die Elektrode 3 ist an einen Hochfrequenzgenerator 5 angeschlossen und führt ein hohes Potential. Die Elektrode 4 ist mit einer Messschaltung 6 verbunden und stellt eine Niederpotentialelektrode dar. Die Messschaltung 6 hat einen gemeinsamen Verbindungspunkt 0 mit dem Hochfrequenzgenerator 5, und unter dem Potential dieses Punktes 0 steht die Abschirmung 2 des kapazitiven Gebers.
Das dargestellte Schaltschema des kapazitiven Gebers ist gemeinsam für alle möglichen Varianten elektrischer Schaltschemen wie Messbrücken, Kompensationsschaltungen u.a.
In der vorliegenden Ausführungsform ist die Abschirmung 2 mit dem9unkt 0 verbunden, während die Messschaltung 6 einen Reihenkreis aus einem Hochfrequenzverstärker 7, einemSchwellenwertglied 8 und einem Impulszähler 9 enthält.
Das zu prüfende fadenförmige Erzeugnis 10 ist zwischen den Elektroden 3,4 des kapazitiven Gebers angeordnet, und die Erkennung von Fehlern auf einem im elektrischen Feld des Gebers befindlichen Abschnitt erfolgt aufgrund einer Änderung der Kapazität zwischen diesen Elektroden 3,4.
Möglich ist eine Ausführungsform des kapazitiven Gebers, bei der das Gehäuse und die Abschirmung als Ganzes ausgebildet sind.
Es ist bekannt, dass in einem kapazitiven Geber neben dem elektrischen Hauptfeld zwischen den Elektroden Randfelder bestehen, die die Länge L (Fig. 2, a) des Erzeugnisabschnittes vergrössern, auf dem die Fehlerkontrolle vorgenommen wird. Bei einer Vergrösserung des Elektrodenzwischenraums wird die Länge L (Fig. 2) grösser. Das Vorhandensein zusätzlicher Elektroden im obenbeschriebenen kapa zitiven Geber beseitigt teilweise den Einfluss der Randfelder im Zwischenraum einer Länge m (Fig. 2, c-d) bei einem beliebigen Elektrodenabstand.
Eine hohe Empfindlichkeit der vorgeschlagenen Einrichtung beruht auf der Umverteilung eines elektrischen Feldes zwischen den Elektroden 3,4 (Fig. 2,e-f) und der Abschirmung 2, wodurch die Länge L des im Feld des kapazitiven Gebers liegenden Abschnittes des zu prüfenden Erzeugnisses viel kleiner wird gegenüber den Abmessungen der Elektroden, besonders bei Vergrösserung des Zwischenraums zwischen den Elektroden 3, 4.
So wird beispielsweise im vorgeschlagenen kapazitiven Geber bei dem Verhältnis (H/l = 2, wobei H einen Elektrodenabstand, 1 eine Länge der Elektroden bedeuten, die Länge eines im elektrischen Feld des Gebers befindlichen Abschnittes des zu prüfenden Erzeugnisses zum Vergleich mit dem mit zusätzlichen Elektroden versehenen Geber um das 5-fache verkürzt.
Der kapazitive Geber verfügt, wie oben erwähnt, über ein Gehäuse 1 (Fig. 3) aus elektrisch leitendem Werkstoff, bei dieser Ausführungsform über ein zylinderförmiges Gehäuse.
Die im Inneren des Gehäuses 1 angeordnete Abschirmung 2 hat eine Form, die die Form des Gehäuses 1 kopiert, und ist von diesem mittels dielektrischer Becher 11 isoliert. Bei der angegebenen Ausführungsform sind die Elektroden 3,4 in Form von Scheiben ausgebildet, die an den Stirnseiten der Abschirmung befestigt und von dieser mittels dielektrischer Zwischenlagen 12 isoliert sind.
Das fadenförmige Erzeugnis 10 bewegt sich zwischen den Elektroden 3,4 durch die Öffnungen 13, 14 hindurch, welche jeweils in den Mantelflächen des Gehäuses 1 und der Abschirmung 2 ausgeführt sind (Fig. 1).
Die Elektroden 3,4 sind jeweils an den Hochfrequenzgenerator 5 bzw. die Messschaltung 6 mit Hilfe von Anschlüssen 15, 16 (Fig. 3) angeschlossen.
Damit der gemeinsame Verbindungspunkt 0 des Hochfrequenzgenerators 5 und der Messschaltung 6 und die Abschirmung 2 unter gleichem Potential stehen, ist die letztere mit diesem Punkt mittels eines Anschlusses 17 verbunden. Die Erdung des Gehäuses 1 wird mit Hilfe eines Anschlusses 18 verwirklicht.
Bei der Bewegung des zu prüfenden Erzeugnisses zwischen den Elektroden 3,4 ist eine Querverschiebung desselben in einer Ebene möglich, die zu den Elektroden parallel verläuft, was eine Ungenauigkeit bei der Bestimmung der Fehlergrösse hervorrufen kann. Um diese mögliche Ungenauigkeit zu vermeiden, ist es zweckmässig, der Abschirmung 19 (Fig.
4) und dem Gehäuse (nicht gezeigt) eine rechteckige Gestalt zu verleihen und die Elektroden 20, 21 in Form rechtwinkligen Platten auszuführen.
Der angegebene kapazitive Geber rechteckiger Gestalt wird zweckmässigerweise zur Erkennung von Fehlern fadenförmiger Flacherzeugnisse 22 verwendet.
Die Wirkungsweise der erfindungsgemässen Einrichtung zur Bestimmung von Oberflächenfehlern fadenförmiger Erzeugnisse besteht im folgenden.
Dadurch, dass der kapazitive Geber in den Kreis des Hoch- frequenzgenerators 5 (Fig. 1) und der Messschaltung 6 in Reihe geschaltet werden, und dafür gesorgt wird, dass die Abschirmung 2 und der gemeinsame Verbindungspunkt 0 des Generators 5 und der Messschaltung 6 unter gleichem Potential stehen, wird das Feld zwischen den Elektroden 3,4 in Axialrichtung der Abschirmung 2, wie es in Fig. 2, a-f gezeigt ist, fokussiert, wobei die Breite des fokussierten Feldes umgekehrt proportional dem Abstand zwischen den Elektroden 3,4 (Fig. 1, 3) ist.
Dementsprechend kann durch Auswahl des Verhältnisses der Breite der Abschirmung 2 zu deren Länge das elektrische Feld im zentralen Teil der Abschirmung 2 so fokussiert werden, dass seine Abmessungen mit der Länge der Fehlerstelle auf dem zu prüfenden Erzeugnis 10 vergleichbar sind.
Das zu prüfende Erzeugnis 10 bewegt sich zwischen den Elektroden 3,4 senkrecht zur Längsachse der Abschirmung 2. Ein durch den Geber fliessender elektrischer Strom ist von der Dicke des zu prüfenden Erzeugnisses abhängig, das sich im elektrischen Feld zwischen diesen Elektroden 3,4 befindet. Das Auftreten eines Oberflächenfehlers im Arbeitsbereich des Gebers ruft eine Änderung der Feldstärke dieses Feldes und damit des durch diesen Geber fliessenden Stromes hervor. Da das elektrische Feld zwischen den Elektroden 3,4 im Anordnungsbereich des zu prüfenden Erzeugnisses 10 eine gleichbleibende Feldstärke aufweist, beeinflusst eine eventuelle Verschiebung des zu prüfenden Erzeugnisses zwischen den Elektroden in der zu den Elektroden senkrechten Ebene die Genauigkeit der Kontrolle nicht.
In Fig. 5 ist ein Diagramm eines elektrischen Feldes für einen Geber gezeigt, durch welches die Arbeitsweise des letzteren veranschaulicht wird. Bewegt sich das zu prüfende Erzeugnis ohne Fehler (Fig. 5a), so wird die Feldstärke des elektrischen Feldes durch geometrische Abmessungen des kapazitiven Gebers und die Spannung des Hochfrequenzgenerators bestimmt. Sobald ein Oberflächenfehler, z.B. eine Verdickung, auftritt, wird die elektrische Feldstärke (Fig.
5, b) erhöht, was wiederum eine Erhöhung des durch den kapazitiven Gebers fliessenden Stromes bewirkt.
Mit Hilfe der erfindungsgemässen Einrichtung lassen sich Fehler verschiedener Grösse bestimmen: z.B. Fehler, die mit der Dicke des zu prüfenden Erzeugnisses vergleichbar sind, sowie Fehler, deren Länge erheblich grösser als die Dicke des Erzeugnisses ist.
Somit weist die erfindungsgemässe Einrichtung zur Bestimmung von Oberflächenfehlern eine erhöhte Auflösung gegen Mikrowulste des zu prüfenden Erzeugnisses zum Vergleich mit den bekannten technischen Lösungen bei gleichen geometrischen Abmessungen der Elektroden des Gebers dank der Umverteilung des elektrischen Feldes zwischen den Elektroden und der Abschirmung auf.
Darüber hinaus zeichnet sich der vorgeschlagene Geber durch bessere Technologiegerechtigkeit gegenüber dem bekannten aus, d.h. es entfallen die Anwendung von Mikrozwischenräume sowie die Elektroden mit äusserst kleiner Länge. Da die Elektroden des vorgeschlagenen Gebers ausreichend grosse Abmessungen haben können, senken die auf diese auftreffenden Staub- und Schmutzteilchen das Auflösungsvermögen nicht.
Industrielle Anwendbarkeit
Die Einrichtung zur Bestimmung von Oberflächenfehlern fadenförmiger Erzeugnisse kann zur Kontrolle der Qualität solcher fadenförmiger Erzeugnisse wie z.B. Bor-, Siliziumkarbidfäden, Kunstfaser bei deren Herstellung in der chemischen Industrie sowie in der Hüttenindustrie bei der Herstellung von Mikrodraht eingesetzt werden.
** WARNING ** beginning of DESC field could overlap end of CLMS **.
PATENT CLAIM
Device for determining surface defects of filiform products, which contains a capacitive sensor, between its two electrodes (3, 4), which are connected in series with a high-frequency generator (5) and a measuring circuit (6), which have a common connection point with the generator ( 0), a product to be tested can be passed through, in order to determine a surface defect on the product to be tested by changing the capacitance between these electrodes, characterized in that the capacitive transmitter contains a shield (19) made of electrically conductive material, in its Inside the electrodes (3, 4) are housed, the shield (2) between the electrodes (3,
4) openings (14) are provided for carrying out the thread-like product to be tested and the shield (19) is present at a potential which is equal to the potential of the common connection point (0) of the high frequency generator (5) and the measuring circuit (6) to achieve a redistribution of the electric field between the electrodes (3, 4) and the shield (2).
The present invention relates to measurement technology, relates to studies of various properties of the materials by measuring the electrical capacitance of a sensor with the material to be examined, in particular to a device for determining surface defects of filiform products.
Surface defects are considered to be one of the most important parameters of thin and extremely thin thread-like products, on which their electrical and strength parameters can be attributed: changes in thickness over short sections of 10 to 100 p in length, uneven thickness in length, beads, crystalline inclusions, etc .
To check the mentioned errors in filiform
Capacitive encoders, which are characterized by high metrological and operational parameters, are widely used in products. The preference given to capacitive encoders is essentially due to their simple structure and due to the fact that the indications of the change in physical-mechanical parameters of the product to be tested (electrical conductivity, density, etc.) and the location of the fault on the Surface are independent.
The existing capacitive encoders contain two electrodes, which are attached to a dielectric base body and housed in a grounded metal housing and are usually connected in series in the circuit of a high-frequency generator and a knife of a current that flows through the capacitive encoder.
However, the capacitive sensors of the type described above can essentially be used to control the above-mentioned errors on sections of great length, i.e. if the relationship T-S is satisfied, where T is an error length, S is a thickness of the filamentary product under test on this section.
The control of errors, the length T of which is commensurable with the thickness S of the product, is difficult to carry out with the aid of the capacitive transducers mentioned above, because electrical marginal fields occur between the electrodes, which reduce the resolving power of the transducer and lead to inaccuracy during the control of Make mistakes. In practice, the length of a section of the product to be tested, which is detected by the field of the capacitive transducer, can be defined in a simplified manner: L = 1 + H, where 1 is a length of the electrode of the transducer and H is a distance between the electrodes.
When the length 1 of the electrodes (1 <S) is shortened to the size of the error, which is comparable to the material thickness, the field area that acts on the section of the product to be tested that lies between the electrodes of the transducer becomes practically the one Electrode distance determined. Attempting to shorten the electrode spacing of the encoder causes a lowering of its operating parameters (the introduction of the material to be tested into the encoder becomes more complicated, the probability of a mechanical effect of the encoder electrodes on the surface of the material increases, etc.).
In addition, as the distance between the electrodes of the capacitive sensor decreases, an error appears which is caused by transverse vibrations of the product to be tested during its movement and by foreign particles present in the gap between the electrodes.
The presence of edge fields between the electrodes of the capacitive sensor also lowers the relative sensitivity of the latter, which is determined as follows:
AC AS
K = / AS
Co S where AC is an increase in the capacitance CO of the encoder, which is caused by changing the thickness S of the material to be tested by an amount AS, CO = Cp + Ck means a capacitance of the encoder, which is made up of an operating capacity Cp and an edge capacitance Ck between the electrodes.
It follows from the above-mentioned relationship that in order to increase the relative sensitivity K, the edge capacitance Ck between the electrodes of the transmitter has to be reduced, which, however, as already mentioned, can lead to a reduction in the metrological and operational parameters.
Thus, the problem of checking defects in filamentous products amounts to determining micro-defects.
The above-mentioned problem is partially solved when using a capacitive encoder to control errors (see SU copyright certificate No. 321739, published in the Discoveries, Inventions, Utility Model and Trademark No. 35, 1971 bulletin), which encoder on a dielectric base body attached bent electrodes with a thickness that increases evenly towards the base body. With this sensor, the product to be tested comes into contact with the electrodes in an area which has the highest electric field strength (in the area of the minimum electrode gap). With such a design, it is possible to control faults, the minimum length of which is determined by the size of the above-mentioned electrode gap.
The minimum size of this gap is determined by the electrical strength of the encoder and is 0.1 to 0.2 mm.
The design of the capacitive transducer described provides a maximum electric field strength in the space between the electrodes, which allows the relative sensitivity to the change in the thickness of the test
To improve the product. To operate the capacitive encoder mentioned, it is necessary that its electrodes are in contact with the product to be tested, otherwise the error due to transverse vibrations of the
Product due to considerable inhomogeneity of the elec
trical field between the electrodes. Since in most cases the presence of a mechanical effect on the surface of the product to be tested is undesirable, the capacitive sensor described is not widely used.
Also known is a device for the detection of surfaces of defective filiform products (see US Pat. No. 2,950,436, cl. 324-61, published on August 23, 1960), which contains a transformer measuring bridge, in one of which a capacitive bridge branch Is switched. The transmitter contains a housing in which two main electrodes are accommodated, with additional electrodes being provided which lie in the same plane as the main electrodes. In this sensor, the product to be tested is arranged between the main electrodes and the additional electrodes, which are at the common point. the transformer bridge are connected.
By using the additional electrodes, the edge fields between the main electrodes are eliminated without the fields being redistributed between these electrodes. In addition, the presence of the additional electrodes reduces the area of the electric field that acts on a portion of the product under test that is located between the electrodes of the capacitive transducer, which increases the resolving power. However, a further increase in the resolution is practically limited by the length of the main electrodes and the gaps between the main electrode and the associated additional electrodes (which lie in the same plane that form the main electrodes).
Reducing the length of the main electrode and the gaps is associated with some technological difficulties, first of all, minimal gaps between the main and the additional electrodes have to be ensured. In practice, the gaps between the main electrode and the additional electrodes are selected at least 0.1 ... 0.2 mm based on the requirements for the electrical strength of the construction. Thus, the length of a field of the sensor-lying section of the product to be tested is not less than 0.1 ... 0.2 mm in the known devices, which is not sufficient for the detection of micro-errors.
The use of the main electrode with a minimum length equal to the length of the faults to be monitored, i.e. is at most 50 ... .100 R, in addition to the technological difficulties associated with the manufacture of the encoder, leads to a reduction in the metrological characteristics and, above all, to a decrease in accuracy. A further reduction in the accuracy of the control occurs when even small foreign particles, e.g. Dust particles take place on the main electrode or in the spaces between the main electrode and the additional electrodes. Indeed, a dust particle with a size of 50 appears at one end of the main electrode. .
.100 F shows an increase in the length of the section of the product to be tested in the field of the capacitive sensor by a factor of two.
The invention has for its object to provide a device for determining surface defects of filiform products, in which such an electric field is generated between the electrodes of the capacitive transducer, which makes it possible to micro errors with a length of less than 100 SL without shortening the electrode length control and to simplify the construction of the encoder.
The object is achieved by the characterizing features of the patent claim.
The use of, for example, cylindrical shielding in the capacitive sensor, which is below the potential of the common connection point of the high-frequency generator and the measuring circuit, leads to the redistribution of the electrical field between the electrode and the shielding. Most of the field is directed towards the shield, so that the field area is reduced which acts on the section of the product to be tested which is located between the electrodes of the transmitter.
This makes it possible to increase the resolving power against micro-errors.
In addition, such a design of the encoder is simpler for comparison with the above-mentioned encoder with additional electrodes and is characterized by better technology fairness.
The invention is explained in more detail below on the basis of specific embodiments with reference to the accompanying drawings. Show it:
1 shows a functional circuit diagram of the device according to the invention for determining surface defects of thread-like products;
Fig; 2 (a, b, c, d, e, f) distribution diagrams of the electric field in capacitive sensors without shielding, with additional electrodes or with a shield;
3 shows an overall view of a cylindrical encoder according to the invention;
4 shows an overall view of a sensor of rectangular shape (without housing) according to the invention;
Fig. 5 (a, b) distribution diagrams of the electric field in the capacitive encoder with the product to be tested without an error and with an error, according to the invention.
The device for determining surface defects of thread-like products contains a sensor, in the embodiment to be described here with a housing 1 (FIG. 1) in which a cylindrical shield 2 made of electrically conductive material is accommodated. Electrodes 3, 4 have space inside the shield 2. The electrode 3 is connected to a high-frequency generator 5 and has a high potential. The electrode 4 is connected to a measuring circuit 6 and represents a low-potential electrode. The measuring circuit 6 has a common connection point 0 with the high-frequency generator 5, and below the potential of this point 0 is the shield 2 of the capacitive sensor.
The circuit diagram of the capacitive encoder shown is common for all possible variants of electrical circuit diagrams such as measuring bridges, compensation circuits, etc.
In the present embodiment, the shield 2 is connected to the point 0, while the measuring circuit 6 contains a series circuit comprising a high-frequency amplifier 7, a threshold element 8 and a pulse counter 9.
The thread-like product 10 to be tested is arranged between the electrodes 3, 4 of the capacitive sensor, and the detection of errors on a section located in the electrical field of the sensor takes place due to a change in the capacitance between these electrodes 3, 4.
An embodiment of the capacitive sensor is possible in which the housing and the shield are formed as a whole.
It is known that in a capacitive transducer there are, besides the main electrical field, edge fields between the electrodes which increase the length L (FIG. 2, a) of the product section on which the error control is carried out. If the gap between the electrodes is enlarged, the length L (FIG. 2) increases. The presence of additional electrodes in the capacitive transducer described above partially eliminates the influence of the edge fields in the intermediate space of a length m (FIG. 2, c-d) at an arbitrary electrode spacing.
A high sensitivity of the proposed device is based on the redistribution of an electric field between the electrodes 3, 4 (FIG. 2, ef) and the shield 2, as a result of which the length L of the section of the product to be tested, which is in the field of the capacitive transmitter, becomes much smaller compared to the dimensions of the electrodes, especially when the gap between the electrodes 3, 4 is enlarged.
For example, in the proposed capacitive sensor, the ratio (H / l = 2, where H is an electrode spacing, 1 is a length of the electrodes, is the length of a section of the product to be tested in the electrical field of the sensor for comparison with that with additional electrodes provided encoder shortened by 5 times.
As mentioned above, the capacitive transmitter has a housing 1 (FIG. 3) made of an electrically conductive material, in this embodiment a cylindrical housing.
The shield 2 arranged in the interior of the housing 1 has a shape which copies the shape of the housing 1 and is insulated from it by means of dielectric cups 11. In the embodiment specified, the electrodes 3, 4 are designed in the form of disks which are fastened to the end faces of the shield and are insulated therefrom by means of dielectric intermediate layers 12.
The thread-like product 10 moves between the electrodes 3, 4 through the openings 13, 14, which are each embodied in the outer surfaces of the housing 1 and the shield 2 (FIG. 1).
The electrodes 3, 4 are each connected to the high-frequency generator 5 or the measuring circuit 6 with the aid of connections 15, 16 (FIG. 3).
So that the common connection point 0 of the high-frequency generator 5 and the measuring circuit 6 and the shield 2 are at the same potential, the latter is connected to this point by means of a connection 17. The housing 1 is grounded with the aid of a connection 18.
When the product to be tested is moved between the electrodes 3, 4, it can be displaced transversely in a plane that runs parallel to the electrodes, which can cause an inaccuracy in determining the size of the error. In order to avoid this possible inaccuracy, it is expedient to shield the 19 (Fig.
4) and to give the housing (not shown) a rectangular shape and to design the electrodes 20, 21 in the form of rectangular plates.
The specified capacitive transmitter of rectangular shape is expediently used for the detection of defects in filiform flat products 22.
The mode of operation of the device according to the invention for determining surface defects of thread-like products is as follows.
The fact that the capacitive transmitter is connected in series in the circuit of the high-frequency generator 5 (FIG. 1) and the measuring circuit 6 and ensures that the shield 2 and the common connection point 0 of the generator 5 and the measuring circuit 6 underneath have the same potential, the field between the electrodes 3, 4 is focused in the axial direction of the shield 2, as shown in FIG. 2, af, the width of the focused field being inversely proportional to the distance between the electrodes 3, 4 (FIG . 1, 3).
Accordingly, by selecting the ratio of the width of the shield 2 to its length, the electric field in the central part of the shield 2 can be focused such that its dimensions are comparable to the length of the defect on the product 10 to be tested.
The product 10 to be tested moves between the electrodes 3, 4 perpendicular to the longitudinal axis of the shield 2. An electrical current flowing through the transmitter depends on the thickness of the product to be tested, which is located in the electric field between these electrodes 3, 4. The occurrence of a surface defect in the working area of the encoder causes a change in the field strength of this field and thus in the current flowing through this encoder. Since the electric field between the electrodes 3, 4 has a constant field strength in the arrangement area of the product 10 to be tested, a possible shift of the product to be tested between the electrodes in the plane perpendicular to the electrodes does not affect the accuracy of the control.
5 shows a diagram of an electrical field for a transmitter, by means of which the mode of operation of the latter is illustrated. If the product to be tested moves without errors (FIG. 5a), the field strength of the electrical field is determined by the geometric dimensions of the capacitive sensor and the voltage of the high-frequency generator. As soon as a surface defect, e.g. a thickening occurs, the electric field strength (Fig.
5, b) increases, which in turn causes an increase in the current flowing through the capacitive sensor.
With the aid of the device according to the invention, errors of various sizes can be determined: e.g. Defects comparable to the thickness of the product to be tested and defects the length of which is considerably greater than the thickness of the product.
Thus, the device according to the invention for determining surface defects has an increased resolution against microwaves of the product to be tested for comparison with the known technical solutions with the same geometrical dimensions of the electrodes of the transmitter, thanks to the redistribution of the electric field between the electrodes and the shield.
In addition, the proposed donor is characterized by better technology fairness than the known one, i.e. there is no need to use micro gaps or electrodes of extremely short length. Since the electrodes of the proposed sensor can have sufficiently large dimensions, the dust and dirt particles hitting them do not reduce the resolving power.
Industrial applicability
The device for determining surface defects of filamentary products can be used to control the quality of such filamentous products, e.g. Boron, silicon carbide threads, synthetic fibers are used in their manufacture in the chemical industry as well as in the metallurgical industry in the manufacture of micro wire.