DE1237335B - Anordnung zur Messung von Schichtdicken nichtferromagnetischer Medien auf ferromagnetischem Material - Google Patents

Anordnung zur Messung von Schichtdicken nichtferromagnetischer Medien auf ferromagnetischem Material

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DE1237335B
DE1237335B DE1963F0041450 DEF0041450A DE1237335B DE 1237335 B DE1237335 B DE 1237335B DE 1963F0041450 DE1963F0041450 DE 1963F0041450 DE F0041450 A DEF0041450 A DE F0041450A DE 1237335 B DE1237335 B DE 1237335B
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Dr Phil Friedrich Foerster
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PHIL FRIEDRICH FOERSTER DR
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PHIL FRIEDRICH FOERSTER DR
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01BMEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B7/00Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques
    • G01B7/02Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring length, width or thickness
    • G01B7/06Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring length, width or thickness for measuring thickness
    • G01B7/10Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring length, width or thickness for measuring thickness using magnetic means, e.g. by measuring change of reluctance
    • G01B7/105Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring length, width or thickness for measuring thickness using magnetic means, e.g. by measuring change of reluctance for measuring thickness of coating

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  • Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)

Description

  • Anordnung zur Messung von Schichtdicken nichtferromagnetischer Medien auf ferromagnetischem Material Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Messung von Schichtdicken nichtferromagnetischer Medien auf ferromagnetischen Unterlagen mittels ein-oder mehrpoliger induktiver Taster, wobei die von der Dicke der nichtferromagnetischen Schicht abhängige induzierte elektrische Spannung nach einer phasengesteuerten Gleichrichtung zur Anzeige gebracht wird.
  • Es sind bereits Schichtdickenmesser bekannt, bei denen die Dichte der magnetischen Feldlinien durch ein feldempfindliches System gemessen wird. Sei es nun, daß das feldempfindliche System, welches in der Regel sich in Form einer Spule über einem Eisenkern befindet, als Induktivität ausgebildet ist, oder sei es, daß das feldempfindliche System ein anderes Prinzip zur Anzeige der magnetischen Feldliniendichte besitzt, in jedem Fall basiert das Prinzip dieser bekannten Schichtdickenmesser auf der Tatsache, daß das ferromagnetische Grundmaterial, welches von einer nichtferromagnetischen Schicht bedeckt ist, den Weg der Feldlinien verkürzt und somit in Abhängigkeit von der Schichtdicke einen mehr oder minder großen Magnetfluß in dem System bewirkt.
  • Im allgemeinen wird ein jochförmiger, mitunter aber auch ein stabförmiger Taster verwendet, dessen Eisenkern durch einen Wechselstrom erregt wird. Eine auf dem gleichen Eisenkern angebrachte Sekundärwicklung gibt eine von der Dichte der magnetischen Feldlinien im Eisenkern abhängige Wechselspannung ab, die um so größer ist, je dünner die zu messende Schichtdicke ist. Bei der Schichtdicke Null ergibt sich der größtmögliche magnetische Fluß und damit auch die höchste abgegebene Spannung.
  • Die bekannten Anordnungen weisen beträchtliche Mängel auf, da der Rückschluß der magnetischen Feldlinien durch die ferromagnetische Unterlage in erheblichem Umfang von der magnetischen Leitfähigkeit - also der Permeabilität des Unterlagematerials - abhängt. Die Permeabilitäten gebräuchlicher Eisensorten liegen im Bereich zwischen F = 1000 und F = 40. Bei gleicher Schichtdicke, jedoch mit so außerordentlich unterschiedlicher Permeabilität des Träger- oder Grundmaterials schwankt die Amplitude der abgegebenen Spannung nennenswert in Abhängigkeit der gewählten Permeabilität der Unterlage. Bei genauer Untersuchung der abgegebenen Spannung eines zweipoligen oder einpoligen Meßtasters läßt sich aber auch feststellen, daß neben der Amplitude auch die Phasenlage der abgegebenen Wechselspannung, bezogen auf eine beliebige Taktphase, nennenswerten Änderungen unterliegt, was davon herrührt, daß die abgegebene Span- nung eine Phasendrehung in Abhängigkeit von der Leitfähigkeit des Unterlagematerials erfährt. Da aber die bekannten Anordnungen meistens auf reiner Amplitudenmessung basieren, wird bei einer gewissen Einstellung eines Meßgerätes vor allem dann eine erhebliche Schichtdicke vorgetäuscht, wenn diePermeabilität des Unterlagematerials niedrig ist, da dann der Widerstand des gesamten magnetischen Kreises wächst.
  • Zur Vermeidung dieser Nachteile wurden bei einem bekannten Verfahren die Werte für Material niedrigerer Permeabilität jeweils mit einem entsprechenden konstanten Faktor multipliziert, um wieder auf die Werte von Weicheisen zu kommen. Damit wird jedoch nur für den oberen und unteren Endpunkt des Meßbereiches eine weitgehende Deckung erreicht, für mittlere Werte treten jedoch nach wie vor größere Meßfehler auf. Außerdem verlangt dieses Verfahren eine spezielle Einstellung für jedes vorliegende Grundmaterial.
  • Ein anderes bekanntes Verfahren benutzt den Phasenwinkel Generatorspannung-Ausgangsspannung als Maß für die Schichtdicke, wobei durch geeignete Dimensionierung der permeabilitätsbedingte Anzeigefehler zwar durchaus verkleinert, jedoch nicht eliminiert wird. Für genaue Messungen ist deshalb auch in diesem Fall immer noch eine Eichung auf das vorliegende Grundmaterial erforderlich.
  • Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, unter Vermeidung der genannten Mängel eine Anordnung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der ein durch die unterschiedliche Permeabilität der verwendeten ferromagnetischen Unterlage bedingter Meßfehler infolge der Amplituden- und Phasenlageänderung der induzierten elektrischen Spannung weitgehend vermieden wird.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß bei unveränderter Dicke der nichtferromagnetischen Schicht die Empfindlichkeitsrichtung der phasengesteuerten Gleichrichtung so gewählt ist, daß sie zur innerhalb eines bestimmten Permeabilitätsbereiches eine Gerade oder nahezu eine Gerade bildenden Verbindungslinie der Endpunkte der bei verschiedenen Permeabilitäten der ferromagnetischen Unterlage auftretenden Spannungsvektoren verschiedener Amplitude und Phasenlage senkrecht steht.
  • Die Verschiedenheit der Phasenlage und Vektorgröße wird dabei nur durch die Verschiedenheit der Permeabilität des Trägermaterials bedingt. Da innerhalb eines bestimmten Permeabilitätsbereiches die geometrische Projektion dieser Spannungsvektoren auf die Empfindlichkeitsrichtung der gesteuerten Gleichrichtung bei verschiedenen Permeabilitäten und Leitfähigkeiten der Unterlage, jedoch unveränderter Schichtdicke der nichtferromagnetischen Schicht stets konstant bleibt, wird eine von der Vektorgröße und Phasenlage der Spannungsvektoren weitgehend unabhängige Messung erreicht.
  • Durch die erfindungsgemäße Maßnahme wird also der Vorteil erzielt, daß bei einem einmal vorgenommenen Abgleich der Anordnung innerhalb eines bestimmten Permeabilitätsbereiches die Messung der Schichtdicke unabhängig von der gewählten Permeabilität der ferromagnetischen Unterlage ist und somit die Messung eine größere Genauigkeit aufweist als bei den bekannten Meßanordnungen für nichtferromagnetische Schichtdicken. Da der Einfluß des Abstandes Prüfspule-Material nahezu geradlinig verläuft, dagegen der Einfluß physikalischer Materialeigenschaften wie Leitfähigkeit und Permeabilität auf einer wesentlich stärker gekrümmten Kurve, läßt sich die Form dieser Kurve durch die Wahl der verwendeten Prüffrequenz beeinflussen, da diese Kurve eine Funktion des Verhältnisses Prüffrequenz zu Grenzfrequenz darstellt, die Grenzfrequenz ihrerseits aber eine Funktion der genannten physikalischen Eigenschaften ist und damit in jedem einzelnen Fall einen der Anordnung entsprechenden festen Wert besitzt.
  • Die experimentellen Untersuchungen haben ergeben, daß der Bereich, in dem die Vektorendpunkte auf einer Geraden oder nahezu auf einer Geraden liegen, durch die Wahl einer entsprechenden Prüffrequenz (bei den untersuchten Anordnungen zwischen 100 Hz und 1 kHz) auf die interessierenden Permeabilitäten von > 40 bis y -t oo ausgedehnt werden kann.
  • Die Erfindung ist in der Zeichnung an Hand eines Ausführungsbeispiels näher veranschaulicht.
  • Ein U-förmig gebogener Eisenkern 1 trägt eine Primär- und eine Sekundärwicklung, wobei die Schenkel dieses Tasters an deren Spitze kalottenförmig ausgebildet sind. Wird die Primärspule dieses jochförmigen Tasters mit einem entsprechenden Wechselstrom 7 beschickt, so wird in der Sekundärspule eine bestimmte Spannung erzeugt, deren Höhe von den geometrischen und elektrischen Daten des Tasters abhängig ist. Wird nun dieses Joch auf ein Weicheisenmaterial 3 mit hoher Permeabilität (z.B. 1000) aufgesetzt, wobei z. 3. die Dicke der nichtferromagnetischen Schicht 2 Null sei, so können sich die magnetischen Feldlinien in idealer Weise schließen, wodurch ein kräftiger Anstieg der Spannung 10 auf der Sekundärseite bewirkt wird. Diese Sekundärspannung besitzt eine bestimmte Amplitude und - bezogen auf die Erregerstromphase - eine gewisse Phasenver- schiebung. Wird der gleiche Taster sodann auf eine Eisenplatte sehr niedriger Permeabilität (z. B. ll = 40) aufgesetzt, so erfahren die magnetischen Feldlinien einen gegenüber vorher beträchtlichen Widerstand, was einen entsprechend kleinen magnetischen Fluß und somit eine kleine Sekundärspannung 12 zur Folge hat. Aber auch die Phasenlage dieses letztgenannten Spannungsvektors unterscheidet sich gegenüber jener, welche bei hochpermeablem Material auftritt.
  • Erfindungsgemäß wird nun die auf diese Weise mit der Sekundärspule gewonnene Spannung einer sogenannten phasengesteuerten Gleichrichtung 5 zugeführt, deren Referenzphase (Empfindlichkeitsrichtung 8) mit Hilfe eines Phasenschiebers 4 beliebig um 3600 gedreht werden kann. Die Empfindlichkeitsrichtung 8 der phasengesteuerten Gleichrichtung 5 wird nun so gelegt, daß die Verbindungslinie 9 der Endpunkte der Spannungsvektoren 10, 11, 12 der Sekundärspule, die im interessierenden Bereich der Permeabilitäten der gewählten Eisensorten der Unterlage 3 eine Gerade bildet, senkrecht auf der Emfindlichkeitsrichtung 8 steht, was zur Folge hat, daß jeweils nur die geometrische Projektion der Sekundärspannungsvektoren 10, 11, 12 auf der Empfindlichkeitsrichtung 8 zur Anzeige 6 gelangt. Es wird somit erreicht, daß von der Sekundärspule abgegebene Spannungen 10, 11, 12, die zufolge der Permeabilität des Trägermaterials bei gleicher Schichtdicke verschiedene Amplituden und Phasenlagen haben, mit dem gleichen Wert zur Anzeige gebracht werden können. Dadurch wird also eine Unempfindlichkeit der Anzeige gegenüber Grundmaterial verschiedenster Permeabilität erreicht, und es wird bei einem einmal vorgenommenen Abgleich des Schichtdickenmessers, ungeachtet der Permeabilität des Trägermaterials, weitgehend der gleiche Ausschlag des Meßinstrumentes 6 gezeitigt.

Claims (1)

  1. Patentanspruch: Anordnung zur Messung von Schichtdicken nichtferromagnetischer Medien auf ferromagnetischen Unterlagen mittels ein- oder mehrpoliger induktiver Taster, wobei die von der Dicke der nichtferromagnetische Schicht abhängige induzierte elektrische Spannung nach einer phasengesteuerten Gleichrichtung zur Anzeige gebracht wird, dadurch gekennzeichnet, daß bei unveränderten Dicke der nichtferromagnetischen Schicht (2) die Empfindlichkeitsrichtung (8) der phasengesteuerten Gleichrichtung (4, 5) so gewählt ist, daß sie zur innerhalb eines bestimmten Permeabilitätsbereiches eine Gerade oder nahezu eine Gerade bildenden Verbindungslinie (9) der Endpunkte der bei verschiedenen Permeabilitäten der ferromagnetischen Unterlage (3) auftretenden Spannungsvektoren (10, 11, 12) verschiedener Amplitude und Phasenlage senkrecht steht.
    In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Auslegeschrift Nr. 1 009 400; Zeitschrift für Metallkunde, 1952, S. 163 bis 171; 1954, H. 4; 1963, S. 339 bis 345; Zeitschrift Metall, 1953, S. 320 bis 324; Schweizer Archiv für angewandte Wissenschaft und Technik, 1953, S. 57 bis 66.
DE1963F0041450 1963-12-03 1963-12-03 Anordnung zur Messung von Schichtdicken nichtferromagnetischer Medien auf ferromagnetischem Material Pending DE1237335B (de)

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