DE3331407C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine elektromagnetische Dicken-Meß-Sonde gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine Meß-Sonde dieser Art ist durch die DE 25 56 340 A1, das DE-U 72 43 915 und das DE-U 73 36 864 bekannt geworden. Bei diesen Meß-Sonden wird die Erregerwicklung mit konstantem Wechselstrom versorgt und an der Induktionswicklung wird eine Meßspannung abgegriffen, die vom Zustand des Magnetkreises und somit auch von der Dicke der nichtmagnetischen Schicht abhängt. Die nichtmagnetische Schicht kann beispielsweise eine Lackschicht sein, und da man deren Dicke an möglichst kleinen Meßstellen (Meßpunkten) feststellen möchte, erhält der Meßpol eine ballige Aufsetzfläche. Dies hat auch den Vorteil, daß man den Meßpol nicht akkurat senkrecht zur Meßfläche halten muß und wenn an gekrümmten Meßflächen gemessen wird, verursacht dies weniger signifikante Änderungen im Magnetkreis. Diese ballige Aufsetzfläche bedeutet eine Art Punktbelastung beim Aufsetzen an der Meßfläche, mit der Folge einer Deformation im Lauf des Gebrauchs. Infolgedessen wird die ballige Aufsetzfläche durch die äußere Stirnfläche eines auswechselbaren Stiftes gebildet. Man kann so auch durch Einsetzen von Stiften mit unterschiedlich gestalteten Stirnflächen eine Anpassung an die jeweilige Meßaufgabe vornehmen.

Der magnetische Fluß konzentriert sich auf den Weg des geringsten Widerstandes, was bedeutet, daß an der balligen Aufsetzfläche (praktisch am Aufsetzpunkt) eine hohe Feldlinienkonzentration auftritt. Dabei kann der magnetische Werkstoff in diesen Konzentrationszonen den Bereich der magnetischen Sättigung erreichen, wodurch die Meßspannung zunehmend nichtlinearer mit der Dicke der nichtmagnetischen Schicht korreliert ist, je geringer deren Dicke ist.

Insbesondere variieren die magnetischen Eigenschaften der vorkommenden Grundwerkstoffe in unvorhersehbarer Weise, so daß ein Ausgleich der Nichtlinearität der Meßskala etwa durch spiegelbildlich nichtlineare Verstärkung der Meßspannung bei Meß-Sonden für Universaleinsatz ausscheidet. Man kann daher die Nichtlinearität der Meßskala nur dadurch in Grenzen halten, indem im unteren Meßbereich (z. B. von 0 bis 50 µm) der Erregerstrom reduziert wird, um so eine Sättigung im Magnetkreis zu vermeiden. Damit sinkt aber die Meßempfindlichkeit.

Die vorstehend dargelegten Nachteile gelten gleichermaßen für die aus der US-PS 29 33 677 bekannte Meß-Sonde, da auch hier der Meßpol eine ballige Aufsetzfläche unmittelbar aufweist. Daß kein die Aufsetzfläche bildender Stift in den Meßpol eingesetzt wird, führt lediglich zu dem zusätzlichen Nachteil der geringeren Anpassungsfähigkeit an Meßaufgaben.

Gemäß der DE-OS 19 51 179 ist der Meßpol mit einer Tastkugel versehen, die also etwa vergleichbar dem gattungsgemäßen Stift die ballige Aufsetzfläche bildet. Die vorhin dargelegte Problematik der Materialsättigung besteht hier gleichermaßen.

Gemäß der US-PS 29 03 645 sind zwei Meßpole ausgebildet, und jeder besteht aus einem Joch und einem daran angeschraubten Eisenbolzen (vergleichbar dem gattungsgemäßen Stift), dessen äußere Stirnfläche eine ballige Aufsetzfläche bildet. Grundsätzlich besteht auch hier dieselbe Sättigungsproblematik.

Aus der DE-OS 28 29 264 ist eine gattungsfremde Dicken-Meßvorrichtung bekannt geworden, bei der der Meßpol mittels eines Luftpolsters berührungslos in einem konstanten Abstand zum Meßobjekt gehalten wird. Auch gibt es keine ballige Auftrittsfläche für die Feldlinien. Dieses Meßprinzip liefert eine Aussage nur über die durchschnittliche Schichtdicke gemittelt über eine relativ große Fläche, und die Messung ist nicht sehr empfindlich. Zufolge des hohen Anteils des Luftspalts am Magnetkreis treten Sättigungsprobleme nicht auf.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Meß-Sonde der eingangs gannten Art anzugeben, die es gestattet, vor allem im Bereich dünner Schichten linear zu messen, und zwar unter Vermeidung der Nicht-Linearitäts-Probleme, die von der Magnetisierungs-Kurve als auch der Geometrie der balligen Aufsetzfläche herkommen. Diese Aufgabe soll auch für die Messung kleiner Gegenstände gelöst werden.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die aus dem kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs ersichtlichen Merkmale gelöst.

Erstaunlicherweise bringt eine solche Anordnung nicht nur die oben erwähnte Linearisierung. Vielmehr sind nun auch noch die Kennlinien für magnetisch sehr harte und magnetisch sehr weiche Grundwerkstoffe nahezu deckungsgleich. Zum Beispiel fällt die Kennlinie für gehärteten Stahl und diejenige für Weicheisen über den gesamten Meßbereich praktisch aufeinander.

Durch die Merkmale des Anspruchs 2 erreicht man eine gleichmäßigere Feldliniendichte. Außerdem kann man auf handelsübliche Stifte zurückgreifen, die an sich für andere Zwecke bestimmt sind. Schließlich ist der Stift hochgenau und trotzdem billig herzustellen.

Durch die Merkmale des Anspruchs 3 kann man sowohl den Meßpol billig und hochexakt herstellen als auch die Ausnehmung hochexakt an die richtige, koaxiale Stelle bringen.

Durch die Merkmale des Anspruchs 4 kann man weiterhin schwach magetisierbare Hartmetalle verwenden, kommt jedoch im Gegensatz zu den nicht gesinterten Hartmetallen auf Vickers-Härten von 1000 bis 2000.

Zusammensetzungen gemäß den Ansprüchen 5 und 6 haben sich in der Praxis sehr bewährt, wobei das Kobalt für die Magnetisierbarkeit verantwortlich ist.

Durch Maßnahmen gemäß den Ansprüchen 7 bis 9 kann man die Linearisierung im Hinblick auf das Messen gekrümmter und kleiner Oberflächen optimieren.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann man im Rahmen einer einpoligen oder zweipoligen Sonde verwenden. Wenn man jedoch eine einpolige Sonde verwendet, dann entsteht das Problem des Streufeldes. Dieses Problem kann man gemäß Anspruch 10 beseitigen. Falls man den Topfkern auch noch mit einer Folie gemäß dem Anspruch 10 auskleidet, wird das Streufeld-Problem praktisch gelöst.

Die Erfindung wird nunmehr anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen beschrieben. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 den erheblich vergrößerten Querschnitt durch eine Sonde, die auf Schichten aufgesetzt ist,

Fig. 2 den Bereich um die ballige Aufsetzfläche, nochmal vergrößert herausgezeichnet, zur besseren Darstellung des Feldlinienverlaufs,

Fig. 3 eine Kennlinie Schichtdicke/normierte Spannung für zwei sehr unterschiedliche Grundwerkstoffe in einfach logarithmischer Darstellung,

Fig. 4 den linken unteren Ast der Kennlinie gemäß Fig. 3 in vergrößerter Darstellung, in beiden Koordinaten linear,

Fig. 5 einen Querschnitt, ähnlich Fig. 1, jedoch für eine zweipolige Meß-Sonde.

Ein Topfkern 11 aus Weicheisen ist rotationssymmetrisch zur geometrischen Längsachse 12. Er hat einen Boden 13 und eine kreiszylindrische Wand 14. Im Bereich des Bodens 13 ist horizontal eine Gewinde-Durchgangsbohrung 16 vorgesehen. In diese ist eine Madenschraube 17 eingeschraubt. Koaxial zur geometrischen Längsachse 12 hat der Boden 13 eine Durchgangsbohrung 18, die jedoch im Durchmesser wesentlich kleiner ist als die innere Bodenfläche 19 des Bodens 13. In der Durchgangsbohrung 18 steckt mit dem gemäß Fig. 1 oberen Bereich ein kreiszylindrischer Meßpol 21 aus magnetisch hochpermeablem Material. Seine Oberseite 22 fluchtet mit der Oberseite 23 des Bodens 13. Auf der Oberseite 22 als auch einem Teil der Oberseite 23 sitzt eine Kunststoffscheibe 24, die u. a. die Einschubtiefe des Meßpols 21 in die Durchgangsbohrung 18 begrenzt und als Anschlag dient. Dort wird der Meßpol 21 durch das Einschrauben der Madenschraube 17 mit Klemmung gehalten. In seinem gemäß Fig. 1 unteren Bereich hat der Meßpol 21 ein koaxiales Sackloch 26. In diesem sitzt axial unbeweglich ein Stift 27 aus gesintertem Hartmetall. Er ist dort durch Klemmung oder Klebstoff festgehalten.

Dessen äußere Stirnfläche bildet eine Aufsetzfläche 28 und ist als Kugelkalotte geschliffen. Sie ist symmetrisch zur geometrischen Längsachse 12. Diese Geometrie der Aufsetzfläche 28 setzt sich in der Stirnfläche 29 des Meßpols 21 fort. Man erhält die Flächen 28, 29 mit einer Technik wie in der Optik beim Schleifen von Konvex-Linsen oder bei der Herstellung von Uhrenschalen. Die Aufsetzfläche 28 hat damit Politur-Qualität.

Die Unterseite 31 der Wand 14 liegt höher als der höchste Punkt der Stirnfläche 29.

Die Kunststoffscheibe 24 trägt zwei Anschlußklemmen 32. Diese sind mit einer Quelle konstanten Wechselstroms von 25 Hz bis 5 kHz verbunden. Die Frequenz wird festeingestellt. Von den Anschlußklemmen 32 aus wird eine Erregerwicklung 33 mit etwa 3 mA gespeist. Diese sitzt auf dem Meßpol 21.

Die Kunststoffscheibe 24 trägt zwei weitere Anschlußklemmen 34. Diese sind mit einer Induktionswicklung 36 verbunden, die ebenfalls auf dem Meßpol 21 sitzt. Beim Ausführungsbeispiel ist die Induktionswicklung 36 um den Bereich des Stifts 27 herum angeordnet, während die Erregerwicklung 33 um den nicht mit dem Sackloch 26 versehenen Bereich des Meßpols 21 herum gewickelt ist.

Die Bodenfläche 19 ist mit einer koaxialen kreisförmigen Scheibe 37 einer Folie aus hochpermeablem Werkstoff belegt, die etwa 20 bis 40 µm dick ist. Die Scheibe 37 hat mit der Durchgangsbohrung 18 fluchtend ein kreisförmiges Loch 38, dessen Rand an der kreiszylindrischen Außenfläche des Meßpols 21 anliegt.

Auch die Innenfläche 39 der Wand 14 ist mit einem Zylinder 41 einer solchen Folie belegt. Dieser Zylinder 41 berührt oben die Scheibe 37. Die untere Stirnfläche fluchtet mit der radialen Unterseite 31.

Der Meßpol 21 steht senkrecht auf der Oberfläche 42 einer Schicht 43, die eine zu messende Dicke hat, nicht magnetisch ist und ihrerseits auf einem magnetisierbaren Grundwerkstoff 44 aufgebracht ist.

Im Betrieb vermeidet man, daß die Kraftlinien 46 sich im Betrieb der geometrischen Längsachse 12 praktisch ausschließlich konzentrieren. Vielmehr werden die Feldlinien 46 gemäß der realistischen Darstellung von Fig. 2 nach außen gedrängt, so daß man einen im Vergleich zu bekannten Fällen praktisch konstanten Verlauf der Feldliniendichte über die Flächen 28, 29 erhält. Die Kraftliniendichte ist nicht an der Aufsetzstelle am größten, sondern in dem außerhalb des Sacklochs 26 stehen gebliebenen Rohr des Meßpols 21.

Der günstigste Fall des Aufsetzens ist, wenn die geometrische Längsachse 12 senkrecht auf der Oberfläche 42 steht. Die Vorrichtung ist aber weitgehend unempfindlich auch bei solchen Fällen, in denen die Oberfläche 42 von einem anderen Punkt der Aufsetzfläche 28 berührt wird.

Allerdings darf die Stirnfläche 29 die Oberfläche 42 nicht berühren, weil man dann die alten, ungünstigen Verhältnisse wieder haben würde. Käme jedoch die Unterseite 29 mit der Oberfläche 42 in Berührung, dann wäre der magnetische Widerstand des Gesamtkreises schlagartig viel niedriger, so daß sich dies leicht anzeigen läßt und als Fehlmessung erkennbar gemacht werden kann.

In Fig. 3 ist nach oben die Dicke in µm logarithmisch abgetragen. Nach rechts ist eine normierte Spannung U_n linear abgetragen, wobei gilt

Dabei ist U₀ diejenige Spannung, die entsteht, wenn die Sonde unmittelbar auf dem Grundwerkstoff 44 aufgesetzt wird und die Schicht 43 nicht vorhanden ist.

U_∞ ist diejenige Spannung, die bei abgehobener Sonde entsteht, wobei der Abstand so groß ist, daß die Sonde nicht mehr vom magnetischen Grundwerkstoff 44 beeinflußt wird.

U ist diejenige Spannung, die bei einem regulären Abstand, wie er bei den auftretenden Schichten 43 vorliegt, entsteht.

Es liert dann U_n stets zwischen der Zahl 0 und der Zahl 1.

Wie man aus Fig. 3 sieht, liegt die Kennlinie 47 für gehärteten Stahl als Grundwerkstoff nur über einer bestimmten Länge ein klein wenig über der Kennlinie 48 für Weicheisen als Grundwerkstoff. Dabei ist die Abweichung so gering, daß die Kennlinie insgesamt dort nur etwas dicker wird. In den übrigen Bereichen decken sich die Kennlinien 47, 48 innerhalb der Zeichnungsgenauigkeit. Diese Deckungsgleichheit über den ganzen Bereich ist äußerst günstig.

Fig. 4 zeigt im linearen Maßstab den linken unteren Bereich aus Fig. 3. Wie man durch Anlegen eines Lineals an die Fig. 4 erkennen kann, ist die nicht lineare Abweichung sehr gering und die Kurven 47, 48 sind zu einem einzigen Strich vereint. Man hat also unabhängig vom Grundwerkstoff einen praktisch linearen Zusammenhang. Beim Ausführungsbeispiel hatte der Meßpol 21 einen Durchmesser von 1,6 mm. Der Stift 27 hatte einen Durchmesser von 0,7 mm. Der Radius der Flächen 28, 29 betrug 1,2 mm. Mit dieser Sonde kann man - natürlich noch Meßbereichs- Entscheidungen - Werte bis zu 1000 µm erfassen, wobei U_n bis zu 0,9 geht.

Kleidet man den Topfkern 11 mit den Folien gemäß dem Ausführungsbeispiel aus, so kann man an die Erregerwicklung 33 Erregerfrequenzen bis zu 5 kHz anlegen. Die Bauform läßt sich dadurch noch weiter verkleinern. Es lassen sich dann im Bereich von 0 bis 100 µm mit geringer Formabhängigkeit noch Schichten messen, die selbst dann, wenn sie metallisch sind, in diesem Bereich noch keine merklichen Wirbelstromverluste verursachen. Bei einer solchen Bauform kann der Meßpol 21 einen Durchmesser von 0,8 mm haben und der Stift 27 hat einen Durchmesser von 0,4 mm.

Bei Topfsonden liegt die Innenfläche 39 auf dem 1- bis 3fachen des Durchmessers des Meßpols 21. Die Länge des Topfkerns 11 beträgt zwischen dem 0,5- und 2fachen des Durchmessers der Innenfläche 39.

Beim Ausführungsbeispiel einer 2poligen Meß-Sonde nach Fig. 5 sind analog dem Meßpol 21 zwei Meßpols 49, 51 vorhanden. Diese sind an ihrer Oberseite durch ein weichmagnetisches Joch 52 verbunden. Auf dem Meßpol 49 sitzt die Erregerwicklung 53 und auf dem Meßpol 51 sitzt die Induktionswicklung 53. Auch hier sind die Stifte 54, 56 analog dem Stift 27 mit den erwähnten Geometrien vorgesehen.

Derartige 2polige Meß-Sonden sind vorteilhaft, wenn auf rauhen Oberflächen gemessen wird, da die Wahrscheinlichkeit, daß beide Meßpole in einer Vertiefung oder auf einer Erhebung der Schicht gleichzeitig aufsetzen, gering ist. Dadurch mitteln derartige Sonden in erwünschter Weise den Meßeffekt.

Außerdem besitzen 2polige Meß-Sonden, wenn man sich das Kraftlinienbild zwischen beiden Polen vorstellt, ein elliptisches Meßfeld, wodurch die Formabhängigkeit bei der Messung auf zylindrischen Werkstoffen geringer ist als bei einpoligen Topfkernen, die ein radialsymmetrisches Feld konstruktionsbedingt aufweisen.

Claims (11)

1. Elektromagnetische Dicken-Meß-Sonde zur Messung der Dicke einer nichtmagnetischen Schicht auf einem magnetischen Grundwerkstoff mit mindestens einem Meßpol aus hochpermeablem magnetischem Material, auf dem eine von Wechselstrom durchflossene Erregerwicklung und eine Induktionswicklung sitzt und von dessen freier Stirnfläche aus eine Ausnehmung in den Meßpol hineingearbeitet ist, in der ein Stift aus anderem Material angeordnet ist, dessen äußere Stirnfläche eine ballige Aufsetzfläche bildet,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Stift (27) aus Hartmetall mit gegenüber dem Material des Meßpols niedrigerer Permeabilität besteht
und daß die Geometrie der balligen Aufsetzfläche (28) des Stifts (27) in der den Stift umgebenden Stirnfläche (29) des Meßpols (21) fortgesetzt wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stift (27) kreiszylindrisch ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßpol (21) kreizylindrisch ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stift (27) aus Sinterhartmetall ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Sinterhartmetall Titankarbid mit einem Kobaltanteil von 2 bis 20% im Volumen ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Sinterhartmetall Wolframkarbid mit einem Kobaltanteil von 2 bis 20% im Volumen ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abmessung des Stifts (27) in Querrichtung zur Längsachse des Meßpoles (21) ¼ bis ²/₃ der Abmessung des Meßpols (21) ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stift (27) einige Millimeter lang ist und einen Durchmesser im Bereich von weniger als ein Millimeter hat.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ballige Aufsetzfläche (28) eine Kugelsegment-Fläche ist, wobei der Kugelradius das 0,6- bis 3fache des Durchmessers des Meßpols (21) ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßpol (21) mittig in einem Topfkern (11) angeordnet ist, seine Stirnfläche (29) die Stirnfläche (31) der Topfkernwand (14) überragt und daß die Innenwand (39) der Topfkernwand (14) mit einer Folie (37) aus permeablem Werkstoff ausgekleidet sind.

11. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Kerne (49) mit einem Joch (52) verbunden sind.