电容式保温瓶玻璃毛坯自动测厚仪的研制

　　1　引　　言

　　众所周知,保温瓶是由内、外玻璃毛坯套装后封接在一起的,而玻璃毛坯壁厚是保温瓶主要质量指标之一,为了保证产品的质量,生产厂家必须具有一种方便、可靠、适合于保温瓶生产要求的检测玻璃毛坯壁厚的仪器。当前国内有的厂家采用光学法,虽然无需打破毛坯,但是方法繁琐、工人难掌握、重复性差,而多数厂家采用“厚薄卡”法,剖开毛坯后进行手工测量,像天津保温瓶厂每天抽检瓶子就达300多个,不仅造成直接和间接经济损失,而且检测工人的劳动强度大,工作环境恶劣,产品质量不可靠。为了改变检测玻璃毛坯壁厚的落后状态,天津大学在天津保温容器公司的协助下,研制成功ZhB—90型保温瓶玻璃毛坯自动测厚仪,采用电容传感器作敏感元件,在测量玻璃毛坯壁厚时,只要把电容传感器的圆柱端面与玻壳待测部位外表面严紧接触一下,仪器便马上用数字显示出该测试点的厚度并存入仪器等,操作非常简便。仪器原理方框图见图1。

　　测厚仪采用电容传感器作敏感元件,首先要克服来自传感器测量头与周围导体的所谓“寄生电容”影响。由于传感器电容很小,阻抗很高,有用信号在传感器与主放大器连接电缆中传输时很容易被电缆电容和其他杂散电容淹没,因此要采取驱动电缆技术等措施。

　　2　电容传感器

　　电容传感器如图2所示,测量头为一圆柱,以其端面作为电容一极,玻璃毛坯内表面作为另一极,并接“大地”。由于毛坯壁厚不同,电容量也有差异,当忽略边缘效应时,把它作为平行平板式电容器来处理,按电容的定义:

　　式中:C——电容传感器两极板间的电容,法;ε0——真空的介电常数,8.85×10^-12法/米,与空气的介电常数相近似;ε——电容传感器两极板之间介质的相对介电常数;s——电容传感器电极的端面面积,米2;h——电容传感器两极板之间的距离,米。

　　如果传感器两极板间的距离h是瓶壁厚度,由于介电常数ε0、电容极板有效面积s为常数,由(1)式可知,瓶壁厚度h与传感器电容c建立了对应关系,即h=ε0ε(s/c)。

　　实际上,电容器两极板之间的电力线是要产生边缘效应的,欲使h与c之间的关系按无限大平行平板电容器来处理,要在测量头外面加一测量头保护套,中间填有很薄的绝缘材料,采用特殊的电路连接方式,使测量头和保护套对“大地”的电位很接近,这样测量头端面边缘电力线与中心电力线同样垂直向下而没有弯曲,减小了边缘效应的影响。当然,这两者电位的相近程度决定于绝缘层的厚度。图2给出了示意图。图2中,测量头是电容传感器的一极,与双层屏蔽电缆的芯线连接;测量头保护套与双层屏蔽电缆的内屏蔽连接,接仪器电路“地”;夹持套筒与双层屏蔽电缆的外屏蔽连接,接“大地”,连同各绝缘层组成电容传感器。由于玻璃毛坯外表面是圆柱形的,所以测量头端面做成圆弧形,使其曲率半径与玻璃毛坯相同,这样在测量瓶壁厚度时,可以保证测量头端面与玻壳外表面严密贴紧。瓶内装水后,水与玻壳的内表面严密接触,玻壳内表面即可作为电容传感器的另一极。这样,传感器电容C与玻壳厚度是一一对应的。图1给出的测量电路可以把电容C转换成相应的模拟电压输出,使玻壳厚度h与输出电压成正比例关系。仪器采用两只电容传感器,其测量头端面的曲率半径不同,分别用于测量玻壳底部和口部。