DE1009400B

DE1009400B - Anordnung und Sonde zum Messen der Dicke nichtferromagnetischer Schichten auf ferromagnetischer Unterlage

Info

Publication number: DE1009400B
Application number: DED22689A
Authority: DE
Inventors: Karl Deutsch; Paul Hoehle
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1956-04-04
Filing date: 1956-04-04
Publication date: 1957-05-29

Description

Anordnung und Sonde zum Messen der Dicke nichtferromagnetischer Schichten auf ferromagnetischer Unterlage Zunl Messen nichtferromagnetischer Schichten auf ferromagnetischer Unterlage, z. B. zum Messen von l,ackschichten auf metallischer Unterlage, sind Anordnungen bekannt, bei denen eine von Wechselstrom durchflossene eisengefüllte Spule auf das Prüfstück gesetzt und die Änderung der Selbstinduktion oder des Verlustwinkels oder von beiden Größen der Spule als Meßgröße benutzt wird. Da jedoch die Spule an zwei Punkten mit einem gewissen Abstand der Kernschenkel auf dem Prüfstück aufsitzt, kann das Gerät stets nur den Mittelwert der Schichtdicke an den beiden Berührungspunkten der Sonde messen.
Rückt man die Berührungspunkte näher zusammen, so kann man allmählich zu einer nahezu punktförmigen Messung gelangen.
Je näher man jedoch die beiden Berührungspunkte zusammenrückt, um so geringer werden die Anderungen von Selbstinduktion und Verlustwinkel. Bei der üblichen Art, diese Größen in einer Brückenschaltung zu messen, wird die Ausgangsspannung der Brücke bald so klein, daß man zu einer Verstärkung dieser Spannung schreiten muß, um sie mit üblichen Drehspulinstrumenten zur Anzeige zu bringen.
Um eine vereinfachte Anordnung zu erreichen, wird gemäß der Erfindung vorgeschlagen, die Spannung eines Generators über einen Transformator mit Mittelanzapfung zur Sonde und zu einem Hilfswiderstand zu führen, wobei die Größe des Phasenwinkels (Generatorspannung -Ausgangsspannung) eine Größe für die Schichtdicke ergibt. Hierbei wird im Ruhezustand durch die Al>gleichung des Hilfswiderstandes die Ausgangsspannung in der Phase um 900 zur Generatorspannung verschoben. Zur Messung der Schichtdicke dient ein phasenabhängiger Gleichrichier.
Bei einer solchen Anordnung kann die Spule der Sonde nur mit einem Pol auf das Prüfstück aufgesetzt werden. Vorteilhaft wird der das Prüfstück berührende Pol der Sonde durch eine Stahlkugel gebildet, wodurch der Verschleiß weitgehend herahgesetzt wird.
Es ist an sich bekannt, die Dicke nichtferromagnetischer Überzüge mit Hilfe der Messung der der Schichtdicke entsprechenden Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung zu messen. Hierbei wird ein hochgespannter Prüfstrom benutzt. Dies hat den Nachteil, daß die Sonde unnötig erwärmt wird, wobei die Nullpunktkonstanz der Anordnung fehlt. Auch sind an sich Sonden mit einem kugeligen Pol bekannt.
In der Zeichnung sind in den Fig. 1 bis 3 schematisch die bisherige Anordnung und das Vektordiagramm und in den Fig. 4 bis 7 die Anordnung und Diagramm nach der Erfindung schematisch dargestellt.
Fig. 1 zeigt die bisherige Anordnung einer Spule 1 mit den beiden Polen 2 und 3, die auf das Prüfstück aufgesetzt werden. Das Prüfstück besteht aus einer nichtferromagnetischen Schicht4 und der ferromagnetischen Unterlage 5. Die Änderung der Selbstinduktion der Spule 1 wird hierbei gemessen. Der Abstand der beiden Pole 2 und 3 der Spule 1 ist mit a bezeichnet. Man kann somit nur den Mittelwert der Schichtdicke an den Berührungspunkten messen.
Die entsprechende Schaltanordnung zeigt die Fig. 2.
Die Spule 1, deren Selbstinduktion oder Phase gemessen werden soll, steht in Verbindung mit der Vergleichsspule 6. Der Strom wird geliefert von dem Generator 7. Zur Vervollständigung dienen die Brückenwiderstände 8 und 9. Gemessen wird hierbei die Ausgangsspannung Va. Die beiden PunkteA und B zeigen die Spannungseinspeisung, während die Punkte C und D den Spannungsausgang und die hierüber gemessene Ausgangsspannung Va angeben.
In Fig. 3 ist das zugehörige Vektordiagramm der verstisnmten Brücke unter Vernachlässigung der Verluste der Spulen 1 und 6 dargestellt, die bei kleineren Verstimmungen sehr kleine Größe Va ist angedeutet.
Zwischen den Punkten A und B ist die Brückeneingangsspannung gemäß Fig. 2 vorhanden. Diese beiden Spannungen teilen sich auf in die Vektoren A, C und B bzw. A, D und B entsprechend dem linken bzw. dem rechten Brückenzweig in Fig. 2. Die Ausgangsspannung wird, wie aus Fig. 2 ersichtlich, zwischen den Punkten C und D abgenommen und ist im Vektordiagramm eingezeichnet.
Gemäß der Erfindung sollen nun kleine Änderungen der Sonde 1 verstärkerlos gemessen werden. Fig. 4 zeigt die Schaltungsanordnung. Es liegen wieder die beiden Spannungseinspeisungspunkte A und B vor, während die Ausgangsspannung zwischen den Punkten E und M abgegriffen wird. Die Spannung vom Generator 7 wird über einen Transformator 10 mit MittelanzapfungM zur Spule 1 und zu einem Hitfswiderstand 11 geführt. Dieser Hilfswiderstand wird so abgeglichen, daß im Ruhezustand die Ausgangsspannung Va in der Phase zur Generatorspannung um 90° verschoben wird, wie dies in Fig. 5 angedeutet ist. Im Gegensatz zur Anordnung nach Fig. 2 und 3 ist hierbei die Ausgangsspannung Va immer gleich groß. Im abgeglichenen Zustand (E gemäß Fig. 5) beträgt der Winkel 900. Wird dieSpulel verstimmt, wandert der Punkt E nach E', und der Winkel ändert damit seine Größe. Wenn man diese Ausgangsspannung Va beispielsweise einem phasenabhängigen Gleichrichter zuführt, der die Größe Va cos a bildet, ist der angezeigte Meßwert ein Maß für die Dicke der Schicht 4. Man kommt mit einer solchen Anordnung meist ohne Verstärker aus, da man die Ausgangsgröße Va leicht hinreichend groß halten kann. In dem Vektordiagramm nach Fig. 5 herrscht zwischen den Punkten A und B die Brückenspannung.
DieAusgangsspannung wird abgenommen zwischen E und M. Es sind also die beiden Vektoren eingezeichnet, und zwar einmal A-E, was dem Spannungsabfall über der Prüfsonde 1 entspricht, und der Spannung E-M, die der Ausgangsspannung Va entspricht.
Bei Verstimmung der Sonde, d. h. also beim Annähern an ein ferromagnetisches Werkstück, wandert mithin im Vektordiagramm der Fig. 5 der Punkt E nach E'.
Man sieht dann, daß die gemessene Ausgangsspannung Va zwischen A und E liegt, d. h., der Phasenwinkel von Va hat sich gegenüber dem ursprünglichen Zustand von 900 geändert, er ist kleiner geworden. Die Größe der Ausgangsspannung bleibt unabhängig davon erhalten.
Bei Meßanordnungen gemäß Fig. 2 und 3 zeigt es sich, daß die Anzeige nicht nur von der Stärke der nichtferromagnetischen Schicht 4, sondern auch von der Permeabilität der Grundschicht 5 abhängig ist.
Durch geeignete Dimensionierung kann jedoch erreicht werden, daß die Abhängigkeit der Permeabilität im wesentlichen den Verlustwiderstand der Spulel beeinflußt. Die Anordnung gemäß der Erfindung nach Fig. 4 ermöglicht hier in Grenzen eine automatische Fehlerkompensation. Liegt gemäß Fig. 6 bei der Messung die Ausgangsspannung Va zwischen M (dem Mittelpunkt des Transformators) und E' und ändert sich die Permeabilität der Grundschicht5, so wird der Vektor nach E" wandern. Damit wird der Betrag von Va kleiner und cos Sg größer, so daß das Produkt näherungsweise konstant bleibt. Eine Anordnung gemäß Fig. 4 wird sich also bei verschiedenen Grund- materialien günstiger verhalten als eine solche nach Fig. 2.
Die relativ hoheampfindlichkeit der Meßanordnung nach Fig. 4 läßt nun auch die Verwendung von Sonden zu, die nur mit einem einzigen Punkt auf dem Prüfling aufliegen, wie dies in Fig. 7 dargestellt ist. Man gelangt so zu einer nahezu punktförmigen Schichtdickenmessung. Die Ausführung der Sonde gemäß Fig. 7 hat gegenüber derjenigen nach Fig. 1 mit sehr nahe zusammengerückten Polen den Vorteil, daß nur ein Meßpunkt zur Auflage gebracht werden muß.
Um den Verschleiß der Sonden gering zu halten, ist es bisher üblich, die Berührungsflächen der Sonden hart zu verchromen. Man muß dann jedoch darauf achten, daß die Chromschicht mit gleichmäßiger Stärke über die Kalotte der Sonde verteilt ist. Dies ist erforderlich, da die Ohromstärke als Schichtdicke mitgemessen wird. Da der Skalenverlauf normalerweise nicht linear ist, ergibt sich bisher je nach der Schichtdicke der Chromauflage eine andere Eichkurve. Diese Schwierigkeiten kann man gemäß der Erfindung dadurch beheben, daß in den Pol der Sonde eine harte Stahlkugel 12 eingebracht, beispielsweise eingelötet wird.
PATENTANSPRCHE: 1. Anordnung zumMessen der Dicke nichtferromagnetischer Schichten auf ferromagnetischer Unterlage, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannung eines Generators (7) über einen Transformator (10) mit Mittelanzapfung (ill) zur Sonde (t) und zu einem Hilfswiderstand (11) geführt wird, wobei die Größe des Phasenwinkels (GeneratorspannungAusgangsspannung) ein Maß für die Schichtdicke (4) ergibt.

Claims

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Ruhezustand durch Abgieichung des Hilfswiderstandes (11) die Ausgangsspannung (Va) in der Phase um 900 zur Generatorspannung verschoben ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Messung der Schichtdicke (4) ein phasenabhängiger Gleichrichter dient.

4. Anordnung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonde (1) nur mit einem auf das Prüfstück aufzusetzenden Pol versehen ist.

5. Anordnung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet. daß der das Prüfstück (4, 5) berührende Pol der Sonde (1) durch eine Stahlkugel (12) gebildet ist. ~~~~~~~~ In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 811 870, 883 656.