用于非接触型电容式厚度测量的方法技术

一种用于对放置于电容器（Ｃ１、Ｃ２）的散射场（３２）内的平面材料（１０）进行非接触型电容式厚度测量、并同时测量平面材料和电容器极板之间的空气间隙（１６）的宽度Ｌ的方法，其特征在于，对两个电容器（Ｃ１、Ｃ２）的电容ｇＬ、ｋＬ进行测量，其中电容器的散射场（３２）在趋向平面材料（１０）的过程中以不同的速率衰减，以及对于每个电容器（Ｃ１、Ｃ２），都根据测量到的电容ｇＬ、ｋＬ等于电容梯度ｇ′、ｋ′在平面材料（１０）的厚度上的积分的条件，来确定平面材料（１０）的厚度Ｄ和空气间隙（１６）的宽度Ｌ。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及用于对放置于电容器散射场内的平面材料进行非接触型电容式厚度测量、并同时测量该平面材料和电容器极板之间间的空气间隙宽度的方法。
技术介绍
这种类型的方法在EP 1 681 531 Al中被描述。这种方法的典型应用实例是在平 面薄膜或膜泡的挤压过程中对薄膜的厚度进行测量和反馈控制。由于测量发生在电容器的 散射场中，并且因此，电容器的两个极板均位于薄膜的同一侧，对封闭膜泡的测量也可以容 易地实现。由于在载有电容器极板的测量头和薄膜表面之间总是存在一定的空气间隙，因 此非接触型测量具有避免破坏薄膜表面的优势。然而，在这种情形下，测得的电容不仅取决 于薄膜厚度而且还取决于空气间隙的宽度，这是因为随着距电容器的距离的增大散射场变 得更加微弱。由于这个原因，为了能够根据测得的电容计算薄膜厚度，还必须测量空气间隙 的宽度。为此，已知的方法需要额外的光学传感器。 EP 1 318 376 A2公开了一种方法，其中，测量极板距离不同的两个电容器的电 容，以使它们的散射场随着距电容器的距离增大以不同的速率变弱。薄膜的厚度由这两个 测量到的电容之间的比值来计算。因为这个比值在很大程度上独立于薄膜材料的介电常 数，所以测量时不需要知道材料的成分。然而这种方法不适用于空气间隙宽度未知时的非 接触型测量，因为电容的比值不取决于空气间隙的宽度。
技术实现思路
本专利技术的一个目标是提供容许更加容易地对薄膜厚度进行非接触型测量的方法。 这个目标是通过上文所述类型的方法来实现的，其中对两个电容器的电容进行测 量，在趋向平面材料的过程中，这两个电容器的散射场以不同的速率衰减，并且其中，针对 每个电容器，根据测量到的电容等于电容梯度在平面材料厚度上的积分的条件，确定平面 材料的厚度和空气间隙的宽度。 在本文中，电容梯度被如下定义如果金属薄片与电容器极板的一侧直接接合，那 么测量到的电容是薄膜厚度的函数，即是电容器极板和背对电容器的薄膜表面之间的距离 x的函数。接着，电容梯度被定义为这个函数关于x的导数。测量到的电容是这个电容梯度 在平面材料的厚度上的积分。这个关系式对于平面材料不直接接合电容器而是通过空气间 隙与其分隔开的情形下通常也是有效的。在这种情况下，在平面材料厚度上进行的积分被 定义为在距离x上的积分，以面向电容器的平面材料的表面为积分下界并且以背对电容器 的平面材料的表面为积分上界。 由于测量具有不同电容梯度的两个电容器的电容，因此每个电容必须等于相应的 积分，其中积分区间的长度表示平面材料的厚度，而积分下界的轨迹表示空气间隙的宽度。 从而，获得两个能够计算出两个未知数(即，平面材料的厚度和空气间隙的宽度)的独立方 程，其中这些方程在特定条件下在实际中通常可以实现。于是，不需要额外的传感器工具来测量空气间隙的宽度。 本专利技术还涉及适于执行这种方法的装置。 本专利技术的有益其它开发在从属权利要求中进行了示出。 在两个电容器的电容梯度至少可以通过代数函数项(比如多项式)近似描述时， 相应的积分也通过代数项给出，方程组可以被代数求解。 根据另一个实施例，方程组被数值求解。这可以通过比如以下方式实现首先针对 假定为已知的空气间隙的特定宽度对这两个积分进行数值计算，接着改变空气间隙的宽度 直至两个积分都等于测量到的电容。在这个过程中，根据二分查找方法可以方便的改变空 气间隙的宽度。 在测量前，可以对电容式传感器进行标定以消除空气对电容器电容的作用量。 在改进形式中，本方法的应用领域也可以被扩展至双层薄膜的厚度测量，其中通 过相应的积分将第二薄膜的影响纳入考虑。本方法的这种变体是独立权利要求11的主题。附图说明 现在将结合附图来阐明本专利技术的实施例示例，其中 图1是根据本专利技术的装置的示意截面图； 图2是根据图1装置中的电容器阵列的主视图； 图3是被电容器的散射场穿透的薄膜的示意截面图； 图4和图5示出了针对根据图1和图2的电容器阵列中的两个电容器的电容曲 线； 图6和图7示出了描述两个电容器的电容梯度的函数曲线图； 图8是通过空气间隙与测量电容器分离的薄膜的示意截面图； 图9是说明根据本专利技术的方法的唯一性条件的曲线图。具体实施例方式图1以示意截面示出了薄膜10的一部分，例如膜泡，其是由膜泡挤压机挤出的。该 薄膜10的厚度将通过电容式测量装置12进行非接触测量。为此，测量装置的测量头14被 以以下方式布置于膜泡的外围与不停地向上移动的薄膜形成窄空气间隙16。为稳定空气 间隙16，测量头14被连接至吹风机18，通过吹风机，空气沿薄膜10的方向经开口 20由测 量头14吹出。测量头可以轻微地偏离薄膜，以使薄膜将悬浮在空气垫上。 集成在测量头14的面向薄膜10的器壁中的是形成两个电容器Cl和C2的电容器 阵列。该电容器阵列已经被示于图2中的正视图。由于对称的原因，电容器C1是由关于电 容器C2对称配置的两个电容器部分构成的。外部电容器极板22为两个电容器共用，并且 对于两个电容器部分C1具有两个较大图样(cut-out)以及对于电容器C2具有较小图样。 这两个较大图样提供内部电容器极板24，其中每个内部电容器极板都与外部极板形成较宽 的框形极板间隙26。电容器极板22和24之间的电容形成电容器Cl。在电容器极板22的 较小图样中提供的是内部电容器极板28，它与外部极板形成同样是框形但是明显较窄的极 板间隙20。电容器极板22和28之间的电容形成电容器C2。 图1示出了穿过薄膜10的电容器C1和C2的散射场32，从而电容器的电容受到作为电介质的薄膜的影响。还可以看到，电容器C1的散射场由于较宽的极板间隙26而比电 容器C2的散射场对薄膜10穿透得更深。因此，这两个电容器的电容以不同方式受到薄膜 IO的影响。 电容器极板22、24和28被布置在电路板34上，其中电路板34被置于测量头14 内部并且还载有电子测量电路36。测量电路36以已知方式测量两个电容器C1和C2的电 容，并且测量信号被传送至数据处理系统38，信号在数据处理系统38中被进一步处理以根 据测得的数据确定空气间隙16的宽度和薄膜10的厚度。下面将更具体地说明这个过程。 图3以放大的截面图示出了电容器C1的一部分、以及与电容器极板直接接合并且 具有厚度xl的薄膜40。具有较大极板间隙的电容器Cl的电容现指定为g。图4示出此电 容g为薄膜厚度x的函数。电容随着薄膜厚度的增大而增大，但是增长速率不断变小，这是 因为散射场32随着与电容器距离的增大在衰减。 采用类似方式，图5示出了具有较小极板间隙的电容器C2的电容k，其作为薄膜厚 度x的函数。在这里，由于在小极板间隙处的场强较大，曲线的初始部分比较陡；但是接着， 由于电容器C2的散射场不能穿透足够深的空间并且从而在薄膜很厚的情况下不再到达距 电容器更远的区域，因此曲线更快地变浅。由于这个原因，图5中的曲线k(x)具有较大的 曲率，而图4中的曲线g(x)更类似于直线。 如果图3中的薄膜40被看作为由多个薄层组成，那么该薄膜的总电容g是由被各 层提供的份额的和组成的。于是，对于具有厚度xl的薄膜40，电容g可以通过对电容梯度 g' (x)(即g(x)关于x的导数)从O至xl进行积分来计算。同样的计算适用于具有较小 极板间隙的电容本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于对放置于电容器（Ｃ１、Ｃ２）的散射场（３２）内的平面材料（１０）进行非接触型电容式厚度测量、并同时测量所述平面材料和电容器极板之间的空气间隙（１６）的宽度Ｌ的方法，其特征在于，对两个所述电容器（Ｃ１、Ｃ２）的电容ｇ↓［Ｌ］、ｋ↓［Ｌ］进行测量，其中所述电容器的散射场（３２）在趋向平面材料（１０）的过程中以不同的速率衰减，并且其中对于每个所述电容器（Ｃ１、Ｃ２），根据测量到的所述电容ｇ↓［Ｌ］、ｋ↓［Ｌ］等于电容梯度ｇ′、ｋ′在所述平面材料（１０）的厚度上的积分的条件，来确定所述平面材料（１０）的厚度Ｄ和所述空气间隙（１６）的宽度Ｌ。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】DE 2007-8-30 102007040940.2一种用于对放置于电容器(C1、C2)的散射场(32)内的平面材料(10)进行非接触型电容式厚度测量、并同时测量所述平面材料和电容器极板之间的空气间隙(16)的宽度L的方法，其特征在于，对两个所述电容器(C1、C2)的电容gL、kL进行测量，其中所述电容器的散射场(32)在趋向平面材料(10)的过程中以不同的速率衰减，并且其中对于每个所述电容器(C1、C2)，根据测量到的所述电容gL、kL等于电容梯度g′、k′在所述平面材料(10)的厚度上的积分的条件，来确定所述平面材料(10)的厚度D和所述空气间隙(16)的宽度L。2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过代数函数项来近似作为距离所述电容器(C1、C2)的距离x的函数的所述电容梯度g' 、k'，并且对方程<formula>formula see original document page 2</formula>进行代数求解。3. 根据权利要求l所述的方法，其特征在于，对所述电容梯度g' 、k'的积分进行数值计算。4. 根据权利要求3的所述方法，其特征在于，对所述方程<formula>formula see original document page 2</formula>进行数值求解。5. 根据权利要求4所述的方法，其特征在于，根据二分查找原理找出数值解。6. —种用于对平面材料(10)进行非接触型电容式厚度测量的设备，包括与所述平面材料(10)形成空气间隙(16)的测量头(14)，其特征在于，其散射场(32)在趋向所述平面材料(10)的过程中以不同的速率衰...

【专利技术属性】
技术研发人员：斯特凡科纳曼，马库斯施泰因，
申请(专利权)人：塑料控制有限公司，
类型：发明
国别省市：DE[德国]