Емкостный датчик контроля фасок

Емкостный датчик контроля фасок относится к измерительной технике, в частности, к измерению неэлектрических величин электрическими методами, и предназначена для контроля фасок труднодоступных отверстий, например в седлах корпусов трубопроводной арматуры. Датчик содержит диэлектрический корпус, выполненный в виде эталонного усеченного конуса с углом , на боковой поверхности которого расположены покрытые слоем диэлектрика и образующие эталонную поверхность тангенциальные и радиальные ряды тонкопленочных металлических электродов, электронный коммутатор, электрически соединяющий электроды с измерителем емкости, и фланец базирования. Со стороны меньшего диаметра эталонного усеченного конуса датчик содержит цилиндрическую втулку, на внешней поверхности которой нанесены тангенциальные и расположенные на одном радиусе радиальные ряды тонкопленочных металлических электродов, внешняя поверхность которых, покрытая слоем диэлектрика, задает радиус эталонной центрирующей втулки датчика. Фланец базирования расположен на эталонном усеченном конусе со стороны большего диаметра и содержит на своей нижней горизонтальной поверхности тангенциальные и радиальные ряды тонкопленочных металлических электродов, внешняя поверхность которых, покрытая диэлектрическим изоляционным слоем, образует поверхность базирования датчика. Датчик позволяет давать заключения не только об угловых и линейных размерах фасок, но и о качестве их поверхности.

Полезная модель относится к измерительной технике, в частности, к измерению неэлектрических величин электрическими методами, и предназначена для контроля фасок труднодоступных отверстий, например в седлах корпусов трубопроводной арматуры.

Известен прибор для измерения фасок по а.с. СССР №1223023, G 01 В 3/56, от 02.01.85 г., содержащий базовую поверхность, перемещаемую относительно нее вертикальную штангу с измерительной губкой, и чувствительный элемент с присоединенной рамкой, фиксирующие начало и конец фаски при подъеме губки, и угол фаски.

К недостаткам данного прибора относится невозможность его использования для контроля малых уплотнительных фасок в глубоко расположенных в корпусах арматуры седлах.

Известен емкостной датчик расстояния до проводящей поверхности по а.с. СССР №1413410 G 01 В 7/08, от 30.07.88 г., содержащий основной и дополнительные измерительные электроды, расстояния между которыми пропорциональны диэлектрической постоянной изолирующих пластин.

Недостатком данного устройства являются невозможность его использования для контроля поверхностей с изломами, например фасок труднодоступных отверстий.

Наиболее близким к предлагаемому датчику является выбранный в качестве прототипа емкостный датчик (преобразователь) для контроля фасок седел трубопроводной арматуры, описание которого приведено в книге: С.В.Сейнов, В.А.Калашников, Б.П.Железнов. Испытания трубопроводной арматуры. Выпуск 5, М.: Изд-во стандартов, 1989 г. с 142-144, содержащий выполненный в виде усеченного конуса с углом диэлектрический корпус, на боковой поверхности которого расположены покрытые слоем диэлектрика металлические электроды, образующие радиальные и тангенциальные ряды. При этом коническая боковая поверхность датчика выполнена как эталонная, а его базирование в корпусе арматуры осуществляется с помощью фланца базирования и закрепленной во фланце на скользящей посадке втулки.

Недостатками данного датчика являются следующие:

- большое юстировочное расстояние L между эталонной конической поверхностью датчика с измерительными электродами и фланцем базирования, приводящее к большой погрешности установки датчика в контролируемых конических седлах, пропорциональной расстоянию юстировки, (А˜L);

- центровка конуса датчика с измерительными электродами в седлах осуществляется только с помощью опорной поверхности базирования фланца, и закрепленной в нем на скользящей посадке втулки, что недостаточно при точных измерениях.

Технической задачей предлагаемой полезной модели является повышение точности и информативности емкостного датчика контроля фасок.

Указанная задача решается за счет того, что емкостной датчик контроля фасок, содержащий диэлектрический корпус, выполненный в виде эталонного усеченного конуса с углом , на боковой поверхности которого расположены покрытые слоем диэлектрика и образующие эталонную поверхность тангенциальные и радиальные ряды тонкопленочных металлических электродов, электронный коммутатор, электрически соединяющий электроды с измерителем емкости, и фланец базирования, причем со стороны меньшего диаметра эталонного усеченного конуса датчик содержит цилиндрическую втулку, на внешней поверхности которой нанесены тангенциальные и расположенные на одном радиусе радиальные ряды тонкопленочных металлических электродов, внешняя поверхность которых, покрытая слоем диэлектрика, задает радиус эталонной центрирующей втулке датчика, а фланец базирования расположен на эталонном усеченном конусе со стороны большего диаметра и содержит на своей нижней горизонтальной поверхности тангенциальные и радиальные ряды тонкопленочных металлических электродов, внешняя поверхность которых покрыта диэлектрическим изоляционным слоем и образует поверхность базирования датчика.

На фиг.1 представлен разрез предлагаемого датчика;

На фиг.2 показано сечение запорного сильфонного клапана с измеряемой уплотняющей фаской седла и центрирующим проточным каналом;

На фиг.3 показан аксонометрический вид датчика;

На фиг.4 показан случай совпадения фасок седла и датчика;

На фиг.5 показан случай, когда фаска седла существенно меньше эталонной;

На фиг.6 показан случай, когда внешний диаметр и угол фаски седла больше эталонного;

На фиг.7 показан случай, когда внешний диаметр фаски близок к эталонному, а угол фаски седла меньше эталонного;

На фиг.8 показан случай, когда внешний диаметр фаски седла больше эталонного, а угол близок к эталонному.

Емкостный датчик состоит из выполненного из диэлектрического материала корпуса 1, содержащего эталонную с углом коническую поверхность 2, центрирующую цилиндрическую поверхность втулки 3 и базирующую плоскую поверхность 4, образованные покрытыми тонким диэлектрическим изоляционным слоем радиальными и тангенциальными рядами металлических (клеточных) электродов 5, 6, 7, например из серебра или алюминия. Эти радиальные и тангенциальные ряды тонкопленочных металлических (клеточных) электродов 5, 6, 7 нанесены с помощью вакуумного напыления через шаблон на исходные шлифованные и метрологически аттестованные коническую, цилиндрическую и плоскую поверхности датчика.

Во внутренней части выполненной из диэлектрического материала втулки 3, соосно оси датчика размещен пленочный электрод 8, напыленный в вакууме на цилиндрический, выполненный из того же диэлектрического материала что и втулка 3 стержень 9, на тугой посадке вставленный в глухой осевой канал датчика сверху.

Под конической поверхностью 2 датчика (клеточные) электроды 5 нанесены в виде тангенциальных и радиальных рядов, под вертикальной центрирующей поверхностью втулки 3 (клеточные) электроды 6 нанесены в виде тангенциальных и находящихся на одном радиусе радиальных рядов, под горизонтальной опорной поверхностью базирования 4 (клеточные) электроды 7 нанесены в виде радиальных и тангенциальных рядов, внутренние и внешние боковые стороны которых выполнены параллельно радиусу окружности, лежащей в плоскости базирования с центром на продольной оси датчика. Внешняя цилиндрическая поверхность центрирующей втулки 3 образует вторую эталонную поверхность датчика. Максимальная толщина диэлектрического износостойкого покрытия, выполненного, например, из нитрида бора или плавленного кварца, на всех измерительных электродах датчика не превышает 0.3-0.5 мкм.

Закрывание трубопроводной арматуры, в частности запорных сильфонных клапанов, производится путем соприкосновения уплотнительной поверхности золотника 10, фиг.2, с глубоко расположенной в корпусе 11 трубопроводной арматуры уплотняющей фаской седла 12, обрамляющей проточный канал 13. При этом центрирование золотника осуществляется, например, с помощью перьев 14, перемещающихся в проточном канале 13 арматуры на скользящей посадке. От совершенства геометрической формы, соосности образующей поверхности перьев и проточного канала, уплотняющих поверхностей фасок золотника и седла, пористости, величины шероховатости и качества этих наплавленных уплотняющих поверхностей во многом зависит работа арматуры. При использовании запорной сильфонной

арматуры небольших проходов, например DN 10-30 мм, величина фаски наплавленного седла не превышает 0.5-1 мм.

Длина цилиндрической втулки 3, предназначенной для центрирования датчика в цилиндрическом проточном канале 13 запорного клапана, должна быть порядка длины вертикальной цилиндрической части проточного канала клапана и не менее диаметра канала.

К каждому измерительному (клеточному) электроду конической, цилиндрической и плоской поверхностей датчика, включая внутренний пленочный электрод 8, подведен сигнальный одножильный провод в лаковой изоляции, надежный электрический контакт которого с электродом обеспечен при напылении последнего.

На выходе из датчика провода собраны в экранированные жгуты 15, подсоединенные к электронному коммутатору (не показан), который, в свою очередь, программно-управляемым способом подключает каждый (клеточный) электрод порознь, отдельные ряды или электрически объединив их в коническую, цилиндрическую или плоскую группу (обкладку конденсатора) к цифровому измерительному мосту (не показан).

Все (клеточные) электроды датчика порознь, объединенные в тангенциальные или радиальные ряды, в коническую, цилиндрическую или плоскую группы целиком являются одной из обкладок измерительного конденсатора, другой обкладкой которого является корпус арматуры. Таким образом, датчик в корпусе арматуры представляет собой конический С ₅, цилиндрический С₆ и плоский С ₇ конденсаторы, суммарные емкости которых состоят из емкостей радиальных и тангенциальных рядов или емкостей отдельных (клеточных) электродов.

После изготовления датчик прокалиброван на эталонном отверстии корпуса арматуры, выполненном из стали 12Х18Н10Т, определены суммарные эталонные емкости конического конденсатора C₅, цилиндрического конденсатора С₆, и плоского конденсатора С₇ емкостного датчика, а также емкости каждого радиального и тангенциального ряда всех трех конденсаторов (обкладок) и каждого (клеточного) электрода в отдельности.

Все измерительные (клеточные) электроды, составляющие радиальные и тангенциальные ряды электродов внутри каждого из конденсаторов (обкладок) емкостного датчика одинаковы в пределах погрешности изготовления.

Количество рядов (клеточных) электродов в радиальном и тангенциальном направлениях на конической, цилиндрической и горизонтальной поверхностях датчика определяется в зависимости от размеров контролируемой фаски, качества наплавленного металла и особенностей напыления и сборки датчика, и варьируется от 1 до 25.

Датчик работает следующим образом. Центрирующая цилиндрическая втулка 3 датчика вставляется в обрамленный седлом 12 проточный канал 13 клапана, поворачивается несколько раз по и против часовой стрелки, и реализуется одна из возможностей, показанная на фиг.4 - фиг.8.

При совпадении эталонной конической поверхности 2 датчика с контролируемой уплотняющей поверхностью фаски седла, как это изображено на фиг.4, максимальный измеряемый сигнал конического конденсатора будет близок к суммарной эталонной емкости конического конденсатора С₅˜С₅. Если при этом суммарные емкости цилиндрического и плоского конденсаторов также близки к эталонным значениям С ₆˜С₆ и С₇˜С ₇, то это означает, что линейные и угловые размеры уплотняющей фаски седла, цилиндрического канала и плоской поверхности проточной камеры клапана совпадают с эталонными линейными и угловыми размерами датчика, а кроме того, что качество наплавленного металла конической уплотняющей поверхности фаски седла в арматуре, цилиндрической поверхности проточного канала и плоской поверхности проточной камеры соответствует нормативам, а количество поверхностных пор и раковин не превышает допустимые.

При возникновении случая, изображенного на фиг.5, когда уплотняющая фаска седла существенно меньше эталонной, суммарная емкость конического конденсатора C₅ будет существенно меньше эталонной, цилиндрического С₆ - близкой к эталонной, плоского конденсатора C₇ - существенно меньше эталонной по формуле (1):

По разности эталонных и измеренных емкостей конического С₅-C₅ и плоского С ₇-С₇ конденсаторов можно судить о величине поднятия датчика над плоскостью канала в арматуре.

При возникновении случая, изображенного на фиг.6, когда внешний диаметр и угол уплотняющей фаски седла больше эталонного, суммарная емкость конического конденсатора C₅ будет существенно меньше эталонной, цилиндрического С₆ - близка к эталонной, плоского конденсатора С₇ меньше эталонной на величину емкости нескольких внутренних радиальных рядов по формуле (2):

По разности эталонных и измеренных емкостей конического C₅-С₅ и плоского С ₇-C₇ конденсаторов можно судить о внешнем диаметре и угле а уплотняющей фаски седла.

При возникновении случая, изображенного на фиг.7, когда внешний диаметр уплотняющей фаски седла близок к эталонному, а угол фаски меньше эталонного значения, суммарная емкость конического конденсатора C₅ будет меньше эталонной, цилиндрического С₆ - меньше эталонной на величину емкости нескольких верхних радиальных рядов, плоского конденсатора С₇ близка к эталонной по формуле (3):

По разности эталонных и измеренных емкостей конического C₅-C₅ и цилиндрического С ₆-С₆ конденсаторов можно судить об угле уплотняющей фаски седла.

При возникновения случая, изображенного на фиг.8, когда внешний диаметр уплотняющей фаски седла существенно больше эталонного, а угол близок к эталонному значению, суммарная емкость конического конденсатора C₅ будет существенно меньше эталонной, цилиндрического С₆ меньше эталонной на величину емкости нескольких верхних радиальных рядов, плоского конденсатора С₇ меньше эталонной на величину емкости нескольких внутренних радиальных рядов по формуле (4):

По разности эталонных и измеренных емкостей цилиндрического С₆-С₆ и плоского С ₇-С₇ конденсаторов можно судить о внешнем диаметре и угле уплотняющей фаски седла.

Контроль качества наплавленного металла конической уплотняющей поверхности фаски седла клапана, цилиндрической поверхности проточного канала и плоской поверхности проточной камеры клапана осуществляется как измерениями полной емкости обкладок С₅, С₆ , С₇ датчика, так и отдельных радиальных и тангенциальных рядов, а также отдельных (клеточных) электродов, хотя относительная погрешность измерения емкости последних является наибольшей.

В случае выполнения диаметра проточного канала 13 клапана большим, чем диаметр центрирующей втулки 3 датчика, цилиндрический конденсатор С₆ и составляющие его емкости радиальных и тангенциальных рядов покажут меньшее значение емкости как всей обкладки С₆, так и рядов электродов. Кроме того, произойдет уменьшение электроемкости конического конденсатора С₅. По разности измеренных и эталонных значений конического и цилиндрического конденсаторов можно судить о величине превышения диаметра проточного канала над диаметром центрирующей втулки датчика.

В случае несоосности проточного канала 13 и контролируемой уплотняющей фаски седла 12 клапана, величина эксцентриситета цилиндрической втулки 3 датчика и проточного канала 13 полностью контролируется тангенциальными рядами цилиндрического конденсатора С ₆.

При этом емкость горизонтального конденсатора (обкладки) С₇ датчика благодаря выполнению внутренних и внешних боковых поверхностей электродов из этой обкладки параллельными радиусу окружности, лежащей в плоскости базирования с центром на оси датчика, практически не зависит от эксцентриситета горизонтальных электродов.

Таким образом, выполнение базирующей горизонтальной поверхности 4 датчика, фиг.1, непосредственно продолжающей основную эталонную коническую поверхность 3 со стороны большего диаметра приводит к тому, что длина юстировки L в заявляемом датчике становится минимально возможной. Эта длина L равна толщине внешнего изоляционного покрытия на горизонтальных электродах датчика _ПОКР и проекции на вертикальную ось ширины крайнего изоляционного зазора _ЗАЗОР между ближайшими тангенциальными рядами электродов конической и горизонтальной поверхностей датчика

и учитывается при калибровке емкостного датчика. Поэтому погрешность установки датчика в седле корпуса арматуры также близка к минимально возможной, что в свою очередь ведет к повышению точности измерений емкости датчика, и, как следствие, к повышению точности контроля конической уплотняющей фаски седла арматуры.

Центрирование датчика в проточном канале корпуса арматуры с помощью второй эталонной поверхности цилиндрической втулки датчика, на метрологическом уровне соосной основной конической эталонной поверхности датчика, также позволяет повысить точность установки датчика в седле корпуса арматуры. Что в свою очередь также ведет к

повышению точности измерений емкости датчика, и, как следствие, к повышению точности контроля конической уплотняющей фаски седла.

Введение цилиндрической втулки с тангенциальными и радиальными рядами электродов, которые нанесены и на нижнюю горизонтальную поверхность фланца базирования позволяет не только контролировать непосредственно уплотняющую фаску седла арматуры, но и более точно судить о ее линейных и угловых размерах, см. формулы (1)-(4), что ведет к повышению точности контроля конической уплотняющей фаски седла арматуры.

Кроме того, сравнивая емкости отдельных электродов, тангенциальных и радиальных рядов электродов в цилиндрической втулке и горизонтальной базирующей плоскости датчика, можно судить о качестве наплавленного металла, количестве поверхностных пор и раковин, шероховатости и волнистости поверхностей, примыкающих к уплотняющей фаске, что ведет к повышению информативности контроля конической уплотняющей фаски седла арматуры.

При подключении к коническому конденсатору датчика С ₅ нескольких (одного-трех) верхних тангенциальных рядов электродов цилиндрического конденсатора С₆¹, С₆ ², С₆³ и внутренних тангенциальных рядов горизонтального базирующего конденсатора С₇¹, С ₇², С₇ ³ и их совместном измерении с последующим вычитанием емкости всех дополнительных тангенциальных рядов С₆¹, С₆ ², С₆³ и С ₇¹, С₇ ², С₇³ оказывается возможным скомпенсировать краевые эффекты конической обкладки. Что также ведет к повышению точности контроля конической уплотняющей фаски седла арматуры.

Учет влияния температуры на все измеряемые показания емкости электродов, рядов и обкладок датчика производится с помощью введения поправок. При этом собственно температура датчика определяется из измерений взаимной емкости внутреннего пленочного электрода 8 и цилиндрической обкладки 6. При изготовлении в процессе калибровки определяется температурная зависимость взаимной емкости внутреннего пленочного электрода 8 и цилиндрической обкладки 6 C₈⁶(t°C) датчика при размещении последнего в эталонном корпусе клапана.

Для повышения чувствительности контролирующий датчик может быть выполнен в дифференциальном варианте: измерительные электроды двух идентичных датчиков включаются в противоположные плечи мостовой схемы. Один датчик помещают в эталонное отверстие с эталонной фаской в корпусе арматуры, другой - в контролируемое.

Таким образом, применение емкостного датчика позволяет решить поставленную задачу, а именно повысить точность и информативность контроля конических фасок, например уплотняющих поверхностей седел трубопроводной арматуры.

Емкостный датчик контроля фасок, содержащий диэлектрический корпус, выполненный в виде эталонного усеченного конуса с углом , на боковой поверхности которого расположены покрытые слоем диэлектрика и образующие эталонную поверхность тангенциальные и радиальные ряды тонкопленочных металлических электродов, электронный коммутатор, электрически соединяющий электроды с измерителем емкости, и фланец базирования, отличающийся тем, что со стороны меньшего диаметра эталонного усеченного конуса датчик содержит цилиндрическую втулку, на внешней поверхности которой нанесены тангенциальные и расположенные на одном радиусе радиальные ряды тонкопленочных металлических электродов, внешняя поверхность которых, покрытая слоем диэлектрика, задает радиус эталонной центрирующей втулке датчика, а фланец базирования расположен на эталонном усеченном конусе со стороны большего диаметра и содержит на своей нижней горизонтальной поверхности тангенциальные и радиальные ряды тонкопленочных металлических электродов, внешняя поверхность которых покрыта диэлектрическим изоляционным слоем и образует поверхность базирования датчика.