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ELEKTROMAGNETISCHE MESS-SONDE
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Die Erfindung betrifft eine elektromagnetische Mess-Sonde gemäss dem
Oberbegriff des Hauptanspruchs.
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Diese Sonde soll weiterentwickelt werden1 ohne die dort beschriebenen
Eigenschaften zu opfern. Es soll also nach wie vor möglich sein, 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. Die Sonde soll nach wie vor für die Messung kleiner Gegenstände geeignet
sein. Man möchte jedoch noch zusätzlich foglendes erreichen: a) Im Bereich sehr
kleiner Schichtdicken soll die Anzeige genauer sein.
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Wenn man nämlich die bekannte Sonde auf einen nicht beschichteten
Grundwerkstoff aufsetzt, dann wird trotz fehlender Schicht eine Schichtdicke angezeigt.
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b) Man möchte bei gleicher Schichtdicke ein grösseres Ausgangssignal
erzielen, was natürlich einer besseren Anzeige zugute, kommt.
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Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe durch die aus dem kennzeichnenden
Teil des Hauptanspruchs ersichtlichen Merkmale gelöst. Die Erfindung hat u.a. folgende
Vorteile: 1. Die Oberflächen-Krümmung spielt nunmehr eine noch kleinere Rolle.
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2. Auf kleinen Gegenständen kann noch besser gemessen werden.
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3. Für sehr unterschiedliche Trägerwerkstoffe bekommt man nun nahezu
die gleiche bis sogar die ganz gleiche Kennlinie.
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4. Der Energieaufwand ist sehr gering, so dass man die Sonde in einem
Batteriegerät ohne Netzteil verwenden kann.
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5. Trotz der verbesserten Eigenschaften, muss man den Wickelraum nicht
vergrössern, vielmehr kommt man mit dem gleichen Wickelraum aus.
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6. Die Sonde ist noch weniger kippempfindlich.
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Durch die Merkmale des Anspruchs 2 erreicht man, dass die Wirkung
der Ringscheibe als Kurzschlussw icklung herabgesetzt wird.
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Durch die Merkmale des Anspruchs 3 erreicht man, dass die Ringscheibe
praktisch keine Kurzschlussw icklungs-Wirkung hat.
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Durch die Merkmale des Anspruchs 4 vermeidet man in gleicher Weise
eine Dämpfungswirkung des Topfkerns und wenn beide Schlitze miteinander fluchten,
dann vermeidet man die Nachteile einer evtl. Überbrückung, die es z.T. gestatten
würde,
dass doch Dämpfung auftritt.
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Durch die Merkmale des Anspruchs 5 ist die Entdämpfung optimal für
solche Fälle, in denen man es sich aus Materialbeanspruchungsgründen leisten kann,
den Radialschlitz ganz durchzuführen.
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Durch die Merkmale des Anspruchs 6 kommt man zu einer Optimierung
des Nebenschlusses einerseits und der Bündelung des Felds andererseits. Zu kleine
Faktoren bringen einen Nebenschluss mit sich. Zu grosse Faktoren wirken einer Bündelung
entgegen.
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Eine weiteren Verbesserung im Sinne der Aufgabe der Erfindung Durch
die Merkmale des Anspruchs 8 erreicht man eine einfach herzustellende, axialsymmetrische
Verjüngung.
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Durch die Merkmale des Anspruchs 9 erreicht man , daß man auch in
Vertiefungen, wie Nuten usw. messen kann.
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Durch die Merkmale des Anspruchs 10 erreicht man noch eine bessere
Feldbündelung ohne in den Sättigungsbereich zu kommen. Man muss ja ein möglichst
gebündeltes Feld erzielen, ohne allerdings in die Sättigung zu kommen, weil die
Sättigung das Messergebnis verfälschen würde.
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Durch die Merkmale des Anspruchs 11 erhält man auf besonders einfache
Weise während des Herstellungsvorgangs den tiefer liegenden Bereich Durch die Merkmale
des Anspruchs 12 fitermeidet man Feidlinien-Konzentrationens die bei zackigem Stanzgrat
von den Spitzen des Stanzgrats ausgehen würden.
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Durch die Merkmale des Anspruchs 13 kompensiert man diejenige Wirkung,
die die hochpermeable Scheibe 37 und der hochpermeable Zylinder 41 der Anmeldung
P 33 31 407 haben, denn diese Bauteile können ja bei der erfindungsgemässen Vorrichtung
fehlen. Man hat ja dort ein niedrigpermeables Hartmetall etwa in der Zusammensetzung
48% WC; 15% CO; 2% TiC/TaC/NbS verwendet, stattdessen man nun einen Werkstoff höherer
Permeabilität verwendet.
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Optimale Werte hinsichtlich der Genauigkeit der Schichtdicken-Anzeige
und des optimal grossen Signals geben die Merkmale des Anspruchs 15 an.
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Durch die Merkmale des Anspruchs 16 lässt sich das Optimum des Anspruchs
15 besonders gut einstellen.
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Durch die Merkmale des Anspruchs 17 lässt sich die Feineinstellung
besonders einfach bewerkstelligen. Natürlich stehen dabei - wie üblich - die Spulen
fest und der Messpol bewegt sich relativ hierzu, und zwar beim Hineinschrauben der
Madenschraube lediglich in einer Richtung, nämlich auswärts.
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Die Erfindung wird nunmehr anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele
beschrieben.
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Wegen der genauen Abmessungen sind Millimeter-Skalen angegeben.
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In der Zeichnung zeigen: Fig. 1 einen Radialschnitt durch eine aufgesetzte
Mess-Sonde eines ersten Ausführungsbeispiels, Fig. 2 einen ähnlichen Schnitt durch
ein zweites Ausführungsbeispiel, Fig. 3 einen ähnlichen Schnitt durch ein drittes
Ausführungsbeispiel, Fig. 4 einen Kurvenverlauf, der im Verhältnis zum Stand der
Technik angibt, um wie viel besser bei einem Ausführungsbeispiel die Anzeige bei
einem nicht beschichteten Trägerwerkstoff ist, auch in Abhängigkeit vom Durchmesser
des als Scheibe ausgebildeten Trägerwerkstoffs1 Fig. 5 eine Darstellung, die die
Verbesserung des Mess-Signals im Verhältnis zum Stand der Technik zeigt.
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Fig. 6 die Untersicht einer Ringscheibe bei einer Abwandlung von Fig.
1 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 in seinem unteren Bereich horizontal eine Gewindedurchgangsbohrung 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 Kern 21 aus
magnetisch hochpermeablem Material. Seine mit einer Fase 22 versehene Oberseite
23 liegt auf der Höhe einer oberhalb und parallel der Gewindedurchgangsbohrung 16
vorgesehenen zweiten Gew indedurchgangsbohrung 24. In diese ist eine Madenschraube
26 eingeschraubt, deren in die Durchgangsbohrung 18 ragender Schaftteil als kreisförmiger
Kegelstumpf 27 ausgebildet ist. Der Neigungswinkel der Fase 22 entspricht dem Kegelwinkel
des Kegelstumpfs 27,
so dass beim Einwärtsdrehen der Madenschraube
26 seine Gewindesteigung in ihrer Wirkung zur Steigung des Kegelstumpfs 27 addiert
wird und dementsprechend fein der Kern 21 nach unten aus der Bohrung gedrängt werden
kann. Dabei bleibt die ballige Druckfläche 28 der Madenschraube 17 unter Druck gegen
den Umfang des Kerns 21 anliegend und liefert so die Reibung gegen die man beim
Hineindrehen der Madenschraube 26 arbeiten muss. Auf demTopfkern 11 sitzt eine Kusntstoffscheibe
29, die ein koaxiales, deckungsgleiches Zentralloch 31 hat.
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Auf der Kusntstoffscheibe 29 sind zwei Anschlussklemmen 32 für eine
Erregerwicklung 33 vorgesehen. Zwei weitere auf der Kunststoffscheibe 29 vorgesehenen
Anschlussklemmen 34 bilden die Anschlüsse für eine Induktionswicklung 36. Die Erregerwicklung
33 und die Induktionswicklung 36 ist auf Spulenkörpern vorgesehen, die ortsfest
relativ zum Topfkern 11 sind. Durch die Wicklung hindurch lässt sich der Kern 31
bewegen.
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Um von oben die von den Anschlussklemmen 32, 34 ausgehenden Leitungen
durchführen zu können, ist ein senkrechter Schlitz 37 vorgesehen, der radial liegt,
mit der Durchgangsbohrung 18 kommuniziert, jedoch nicht ganz nach aussen reicht,
so dass gemäss Fig. 1 links vom Schlitz 37 eine Wand 38 stehen bleibt. Unterhalb
der Bodenfläche 19 befindet sich ein zur geometrischen Längsachse 12 koaxialer kreiszylindrischer
Wickelraum 39. Sein oberhalb der noch zu besprechenden Verjüngung befindliches Volumen
wird von der Erregerwicklung 33 und der Induktionswicklung 36 eingenommen. Diese
sind natürlich nicht maßstäblich gezeichnet, sondern nur symbolisch dargestellt
und haben die in dieser Technik- übliche Konfiguration.
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Die kreiszylindrische Wand 14 hat unten eine kreisringförmige Topfrandfläche
41, die überall gleiche Breite hat und glatt eben ist, so dass eine Ringscheibe
42 mit ihrem äusseren Ringbereich 43 deckungsgleich und für die magnetischen Feldlinien
praktisch verlustlos aufliegt. Die Ringscheibe 42 ist auf der Topfrandfläche 41
praktisch ohne Klebstoffspalt aufgeklebt. Noch innerhalb des Wickel raums beginnend
sitzt am Kern 21 eine Verjüngungsstufe 44 ein, die nahezu radial verläuft.
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Die Verjüngungsstufe 44 liegt unterhalb der Wicklungen und unterhalb
der oberen Stirnfläche 46 eines Stifts 47. Nach der Verjüngungsstufe 44 folgt einstückig
monolithisch ein kreiszylindrischer Mantel 48, der koaxial zur geometrischen Längsachse
12 ist. Die untere Ringfläche des Mantels 48 ist als ballige Stirnfläche 49 ausgebildet,
die auf einem Kugelradius liegt, dessen Mitte auf der geometrischen Längsachse 12
liegt. In die untere Stirnfläche des Kerns 21 ist ein Sackioch 51 eingebohrt, das
kreiszylindrisch koaxial ist.. Es reicht bis unter die Wicklungen und bis oberhalb
der Verjüngungsstufe 44. Die genauen Masse in diesem Bereich sind der Zeichnung
zu entnehmen. Der Stift 47 hat unten ebenfalls eine ballige Stirnfläche 52, die
ebenfalls auf einem Kugelradius liegt und direkt die Fortsetzung der balligen Stirnfläche
49 bildet. Von der Aussenfläche des Mantels 48 hat die Leibungs-Radiusfläche 53
den gezeichneten Abstand.
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Sie ist- koaxial zur Längsachse 12. Die Ringscheibe 42 hat eine Permeabilität
von typischerweise 1000 p0. von gröBer 1u0posDie ballige Stirnfläche 52 sitzt auf
der Oberseite einer zu messenden Schicht 54 auf, die ihrerseits auf einem Grundwerkstoff
56 aufgebracht ist.
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Nachdem die axiale Lage des Kerns 21 eingestellt worden ist, wird
der Wickelraum 39 mit einem Harz vergossen. Der Stift 47ist'nach wie vor aus einem
gesinterten Hartmetall und hat eine höhere Permeabilität als der in der Patentanmeldung
P 33 31 407 beschriebene Stift 27, nämlich im Bereich von 50 bis 200 pO.
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Das Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 2 unterscheidet sich vom Ausführungsbeispiel
nach Fig. 1 in dreierlei Richtung: Zum einen ist der Schlitz 37 nunmehr durch einen
ganz durchgehenden Schlitz 57 nach aussen hin fortgesetzt, der sich parallel zur
Längsachse 12 durch die gesamte Höhe des Topfkerns 11 erstreckt.
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Zum zweiten ist dort, beginnend wo beim ersten Ausführungsbeispiel
die Verjüngungsstufe 44 ist, eine Anspitzfläche 58 vorgesehen, die koaxial ist und
auf einem Kreiskegel liegt. Statt der sprunghaften Querschnitts-Verjüngung hat man
hier also eine stetige Querschnitts-Verjüngung. Die Anspitzfläche 58 setzt sich
mit einer Kegelstumpffläche 59 des Stifts 47 fort. Die ballige Stirnfläche 52 ist
nach wie vor vorhanden, hat jedoch einen kleineren Aussenradius. Dieses Ausführungsbeispiel
eignet sich insbesondere dann, wenn in Nuten oder dergleichen Vertiefungen gemessen
werden soll.
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Zum dritten hat die Ringscheibe 52 eine flach kegelstumpfförmige Ausprägung
61 nach unten. Um dieses Mass liegt die Topfrandfläche 41 höher, so dass man die
Sonde mehr kippen kann, ohne im äusseren, unteren Eckbereich auf der Oberseite der
Schicht 54 aufzusitzen. Die Leibungs-Radiusfläche 53 liegt auf einer solchen Höhe,
dass sie der Anspitzfläche 58 und nicht etwa der Kegelstumpffläche 59 gegenüberliegt.
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Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 ähnelt dem nach Fig. 1, aber in
gewisser Weise auch dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2. Bei der Herstellung wird
hier ein koaxiales, kreiszylindrisches Loch 52 gestanzt. Dabei bildet sich beim
Stanzen ein nach unten gerichteter Stanzgrat 63, dessen nach unten herausragende
Stirnfläche
64 überschliffen ist, so dass von dort die Feldlinien gleichmässig austreten können.
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Die in Fig. 6 gezeichnete Ringscheibe 65 unterscheidet sich von den
anderen Ringscheiben dadurch, dass sie einen ganz durchgehenden Radialschlitz 66
hat.
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Verwendet man die Ringscheibe 65 und ist der Schlitz 57 bei diesem
Ausführungsbeispiel vorhanden, dann lässt man den Radialschlitz 65 mit dem Schlitz
57 fluchten.
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Es wurde eine erfindungsgemässe Sonde auf nicht beschichteten Grundwerkstoff
aufgesetzt.Der Durchmesser der Scheiben wurde in Fig. 4 in Millimetern aufgetragen.
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Zunächst sieht man, dass man z.B. auf Scheiben mit 5 mm Durchmesser
noch messen kann. Nach rechts wurde abgetragen, welche Schichtdicke in Mikrometer
das Gerät gemäss der älteren Patentanmeldung angezeigt hat, was durch die Kurve
67 gezeigt ist. An sich müsste ja bei einem unbeschichteten Grundwerkstoff die Schichtdicke
auch mit Null angegeben werden. Der Messfehler ist deutlich sichtbar, außerdem sieht
man sehr deutlich, dass bei immer kleiner werdendem Durchmesser der Scheibe das
Problem kleiner werdender Flächen (Randproblem) wesentlich kleiner als bei der zu
verbessernden Sonde ist.
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Die erfindungsgemässe Vorrichtung liefert einen Kurvenverlauf, gemäss
der Kurve 68.
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Man sieht, dass die erfindungsgemässe Vorrichtung 5 Mikrometer anzeigt,
was gegenüber den 19 Mikrometern bei der Messung auf einer Scheibe von 10 mm Durchmesser
eine Verbesserung um den Faktor 3,8 bringt. Diese Verbesserung ist beträchtlich.
Der Tendenz nach ist zu erkennen, dass bei kleiner werdendem Scheibendurchmesser
dieser sprunghafte Fortschritt immer grösser wird. Auch bei grösseren Scheibendurchmessern
beträgt der Verbesserungserfolg bei 15 mm Scheiben sprunghafterweise immer noch
2,7 und bei 20er Scheiben liegt er mit 2,4 ebenfails noch weit über dem, was in
der Technik als üblich und orwarthal o Vorbossorunp angosohon
werden
kann.
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Die erfindungsgemässe Vorrichtung zeigt nicht nur genauer an. In der
Fig. 5 ist logarithmisch nach oben die Schichtdicke in Mikrometer abgetragen. Nach
rechts ist die normierte Ausgangsspannung an der Induktionswicklung 36 abgetragen.
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Die Kurve 69 stellt das Ergebnis bei einer Sonde gemäss der älteren
Patentanmeldung dar, während die Kurve 71 das Ergebnis der Erfindung zeigt. Schaut
man z.B. bei einer Schichtdicke von 10 Mikrometer nach, dann hat man früher eine
normierte Spannung von 0,065 am Punkt 72 erhalten. Durch die Erfindung erhält man
jedoch eine normierte Spannung von 0,18 am Punkt 73, so dass man eine 300%-ige Verbesserung
erhält, was ganz wesentlich über denjenigen Verbesserungen liegt, die man üblicherweise
erwarten kann und die (wenn überhaupt) im Bereich von einigen Prozenten liegen.
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