DE3501288A1

DE3501288A1 - Vorrichtung zum zerstoerungsfreien, absoluten messen von eigenschaften fester stoffe, die aus dem eindringverhalten eines pruefkoerpers in den stoff ableitbar sind

Info

Publication number: DE3501288A1
Application number: DE19853501288
Authority: DE
Inventors: Helmut 7032 Sindelfingen Fischer
Original assignee: Helmut Fischer GmbH and Co
Current assignee: Immobiliengesellschaft Helmut Fischer GmbH and Co KG
Priority date: 1985-01-16
Filing date: 1985-01-16
Publication date: 1986-07-17
Anticipated expiration: 2005-01-17
Also published as: JPH0313539B2; DE3501288C2; GB2169718B; SG38589G; HK101289A; GB8503109D0; JPS61167836A; GB2169718A

Description

PATENTANWALT DIPL.-ING. ULRICH KINKELIN 7032 Sindelfingen -Auf dem Goldberg- Weimarer Str. 32/34 -Telefon 07031/86501

Telex 7265509 rose d 10. Januar 1985

Firma Helmut Fischer GmbH & Co. - Institut für Elektronik und Meßtechnik 7032 Sindelf ingen - Maichingen, Industriestraße 21

VORRICHTUNG ZUM ZERSTÖRUNGSFREIEN, ABSOLUTEN MESSEN VON EIGENSCHAFTEN FESTER STOFFE, DIE AUS DEM EINDRINGVERHALTEN EINES PRÜFKÖRPERS IN DEN STOFF ABLEITBAR SIND

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Am bekanntesten dürfte es sein, aus dem Eindringverhalten eines Prüfkörpers in den Stoff dessen Härte abzuleiten. Hier gibt es eine überaus große Anzahl von Verfahren, wie Shore-Härtemessungen, Vickers-Härtemessung, Rockwell-Härtemessung, Brinell-Härtemessung, Königspendel usw. Sofern zur Messung die Schicht ganz oder teilweise zerstört wird, ist diesen Verfahren ein weiteres Anwendungsgebiet verschlossen. Wenn z.B. die Lackhärte gemessen werden soll, dann mag beim Messen vielleicht nicht einmal die gesamte Lackschicht durchstoßen werden. Trotzdem wird hier der Lack beschädigt und es kann sich sofort dort ein Ansatzpunkt für Lokalkorposion bilden, während sonst der Lack noch in Ordnung ist. Man mißt dann am fertigen Gegenstand nicht, sondern lediglich an einer Probe. Die Probe ist aber nicht der Gegenstand selbst.

Es gibt auch zerstörungsfreie Verfahren zum Messen der Eigenschaften von festen Stoffen, die aus dem Eindringverhalten herleitbar sind.

Zum Beispiel ist bekannt, einen Ultraschall-Geber aus den Stoff aufzusetzen und die hierdurch bewirkte Frequenz-Verstimmung zu messen. Dieses Verfahren ist sehr kritisch bei der Ankopplung an den Meßgegenstand. Zudem wird nicht nur die Härte bestimmt, da der Meßwert im wesentlichen vom Elastizitäts-Modul des Werkstoffes, der Dicke der Schicht und der Form des Meßgegenstandes, insbesondere der Dicke abhängt. Das Verfahren kann nur zur vergleichenden Beurteilung und nicht zur Absolut-Messung herangezogen werden.

Ein weiteres zerstörungsfreies, absolutes Meßverfahren ist in" Industrie-Anzeiger" vom 2. Dezember 1981 "Verfahren zur Prüfung der Randhärteverteilung an Schmiedestücken" beschrieben. Die Vorrichtung hiezu ist enorm teuer. Sie ist auch so groß, daß der Meßgegenstand zum Gerät gebracht werden muß. Das Umgekehrte ist nicht möglich. Hier wird Kraft induktiv aufgebracht und die Eindringtiefe mittels optischer Wegmessung bestimmt. Eine sichere Beherrschung der Eindringtiefe im Mikrometer-Bereich ist infogle der zur Messung verwendeten Gebersysteme nicht möglich. Das Verfahren ist zur Messung der Einsatzhärte mit typischen Eindringtiefen von 500 μ konzipiert. Systembedingt benötigt man ähnlich wie bei einem Mikrometer-Meßinstrument ein sehr biegesteifes Joch. Die Umrechnung der Eindringtiefe bei bekannter Kraft erfolgt über ein schwierig anzuwendendes Nomogramm, da die Meßgröße in komplizierter Weise mit der Kraft im Zusammenhang steht.

Durch die deutsche Patentanmeldung P 34 08 554.8 entsprechend der US-Patentanmeldung 606 922, der japanischen Patentanmeldung 75655/84 und der englischen Patentanmeldung 840 9155 wurde eine Vorrichtung beschrieben, die billig hergestellt werden kann, die so klein ist, daß sie zum Einsatzort gebracht werden kann, die zerstörungsfrei mißt, die /bsolut-Messungen in reproduzierbarer Weise gestattet, die tatsächlich auch die Härte der obersten

Schicht bei inhomogenen Stoffen messen kann, die zu einfachen Zusammenhängen führt, die keinerlei exotische Systeme wie Ultraschallgeber, Interferenz-Meßmethoden oder dergleichen benötigt und die auch von ungelernten Personen verwendet werden kann.

Die dort angegebene Erfindung hat folgende Vorteile:

a) Mit den an sich bekannten Sonden können Schichtdicken in einem breiten Bereich sehr genau gemessen werden. Da hochgenaue Absolut-Messungen möglich sind, ist es auch möglich, Schichtdicken -Differenzen hochgenau zu messen. Zum Beispiel lassen sich bei Schichtdicken von 20 μηη Schichtdickenänderungen von 0,05 pm leicht nachweisen. Oder es sind im Bereich von 100 bis 500 pm Schichtdicken-Änderungen von 0,1 μηη mühelos meßbar. Solche kleinen Schichtdicken-Änderungen sind mit extrem niederen Andruckkräften erzeugbar. Um hier ein Gefühl für die notwendigen Kräfte aufzubringen: Sie liegen beispielsweise im Bereich von 0,05 bis 1 N.

b) Die minimalen Kräfte zerstören auch nicht die weichste Schicht.

c) Da die notwendigen Kräfte sehr gering sind, besteht keine Gefahr, daß sich die Vorrichtung in sich selbst verbiegt und mit relativ wenig Material ist es möglich, sie für die vorliegenden Zwecke biegesteif zu machen.

d) Bei so kleinen Kräften mißt man tatsächlich nur im Oberflächenbereich, der ja für die meisten Fälle die größte Aussagekraft hat.

e) Bei so kleinen Mess kräften hinterläßt die Messung keinerlei Spuren.

f) Da keine hohen Energien aufgebracht werden müssen, sind auch keine

hohen Energien zuzuführen. Es ist deshalb ohne weiteres möglich, die Vorrichtung batteriegetrieben einzusetzen.

g) Die Messung erfolgt praktisch wegfrei, mit allen hieraus folgenden Konsequenzen.

h) Mit der Vorrichtung kann man auf sehr kleinen und/oder gekrümmten Flächen messen.

Sonden, die solche dünnen Schichten hochgenau messen, sind schon lange bekannt, wie z.B. aus dem Deutschen Gebrauchsmuster 72 43 915, dem Deutschen Gebrauchsmuster 73 36 864, der Deutschen Offenlegungsschrift 25 56 340 oder der noch nicht offengelegten Deutschen Patentanmeldung P 33 31 407.

Die Erfindung gemäß der deutschen Anmeldung P 34 08 554.8 hat jedoch folgende Nachteile:

a) Die zu messende Schicht muß auf einer Trägerschicht aufgebracht sein, so wie z.B. in Fig. 2 die Schicht 22 auf der Schicht 23 aufgebracht ist. Verwendet man dort Sonden, die auf dem magnetischen Verfahren basieren, so muß die Schicht auf Weicheisen aufgebracht sein. Verwendet man Sonden, die nach dem Wirbelstromverfahren arbeiten, so muß die Schicht z.B. auf Aluminium od. dgl. aufgebracht sein. Man möchte jedoch sehr häufig Stoffe messen, die auf keiner zweiten Schicht aufgebracht sind. Zwar sind z.B. Lacke sehr häufig auf magnetischen oder nichtmagnetischen Schichten aufgebracht. In einer Vielzahl der Fälle ist dies jedoch nicht so.

b) Die Sonden müssen Spezialanfertigungen sein, weil sie ja in ihrer Spitze den Prüfkörper aufweisen.

c) Je nachdem, ob die Schicht auf magnetisch weichem Material oder unmagnetischem Material aufgebracht ist, muß man den einen Sondentyp oder den anderen Sondentyp verwenden. Derjenige Fachmann, der jedoch z.B. die Härte oder das Kriechverhalten solcher Stoffe mißt, kennt sehr häufig nicht die Schicht, welche die zu messende Schicht trägt und hat sehr häufig gar keine oder nur verwaschene Kenntnisse über die magnetischen Eigenschaften von Trägerschichten.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung anzugeben, die sämtliche Vorteile der vorhergehenden Erfindung aufweist, mit der man jedoch in der Lage sein soll, die Eigenschaften von Stoffen in dem dortigen Sinne zu messen , ohne daß man sich darüber klar werden muß, ob oder ob nicht die zu messende Schicht auf einer Trägerschicht aufgebracht ist.

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

Es ist also nach wie vor die Führungsvorrichtung in Gestalt eines elektromotoischen Antriebs vorhanden. Es kann jedoch an ihm der Prüfkörper selbst verwendet werden und es braucht nicht die Sonde in ihrer Spitze einen Prüfkörper zu tragen. Es wird jedoch nicht ganz direkt die Dicke der zu messenden Schicht gegenüber der Trägerschicht gemessen, wie dies vorher der Fall war. Vielmehr wird in der Vorrichtung an anderer Stelle gemessen, wie weit der Prüfkörper bei

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unterschiedlichen Kräften eindringt. Durch die fliegende Abstandsmeßvorrichtung wird aber derjenige Weg nicht gemessen, den der Prüfkörper benötigt, um sich auf den Stoff abzusenken. Vielmehr wird der Ausgangspunkt der Messung fliegend an denjenigen Ort verlegt, der die Oberfläche des Stoffes darstellt. Bei der Messung geht man von einem vorgegebenen Abstand der Abstandsmeßvorrichtung aus, der natürlich größer sein muß als die zu erwartende Eindringtiefe.

Durch die Merkmale des Anspruchs 2 vermeidet man ein Zwischengetriebe mit seinem Spiel, und da die Messung praktisch wegfrei ist, führt dieDrehbewegung des elektromotorischen Antriebs zu einer quasi linearen Bewegung des Prüfkörpers.

Durch die Merkmale des Anspruchs 3 erhält man einen Prüfkörper, der sowohl aus dem härtesten bekannten Material ist als auch magnetisch indifferent ist als auch keine Piezo-Eigenschaften aufweist als auch an seinen Flanken mit hoher Oberflächengüte geschliffen werden kann, so daß er sich beim Aufbringen der veränderlichen Kraft nicht oder jedenfalls nur wenig mit den Wänden des Eindring-Grübchens verkrallt.Der Prüfkörper kann so zu einem echten Keil gemacht werden, was wegen der veränderlichen Kraft eine ganz andere Bedeutung hat als bei den bekannten Härtemessverfahren, die ja ebenfalls einen Diamanten benützen.

Durch die Merkmale des Anspruchs 4 kann man einen Teil des Erfahrungsschatzes aus der Vickers-Härtemessung übernehmen.

Durch die Merkmale des Anspruchs 5 kann man einen Teil des Erfahrungsschatzes aus der Rockwell-Härtemessung übernehmen.

Durch die Merkmale des Anspruchs 6 kann man einen Teil des Erfahrungsschatzes aus der Brinell-Härtemessung übernehmen.

Durch die Merkmale des Anspruchs 7 kann man entweder abgenutzte Prüfkörper gegen neue austauschen oder aber mit unterschiedlichen Prüfkörperformen arbeiten.

Durch die Merkmale des Anspruchs 8 erreicht man, daß der Prüfkörper zu Beginn der Messung mit Sicherheit in seiner Ausgangslage für die Messung ist, d. h. abgehoben hat.

Durch die Merkmale des Anspruchs 9 vermeidet man die Nachteile einer Feder , wie z.B. Ermüdung, Hysterese, Reibung usw. Als Magnet-Vorrichtung, die keiner zusätzlichen Energie bedarf, wird der Permanent-Magnet bevorzugt. Insbesondere werden zwei Permanent-Magnete bevorzugt, die sich je nach Lage zum im Anspruch 2 genannten Hebel rechts oder links von der Abtriebswelle befinden.

Durch die Merkmale des Anspruchs 10 üben diese Magnete keinerlei Seitenkräfte aus.

Durch die Merkmale des Anspruchs 11 kann man verhindern, daß die Magnete einander berühren, denn im Falle von Permanent-Magneten wären dann anfangs sehr große Kräfte am elektromotorischen Antrieb notwendig. Durch den Anschlag hält man die Magnete auf Abstand und ermöglicht über denjenigen Bereich, der für die Schwenkbewegung überhaupt in Frage kommt, nahezu konstante Kräfte.

Durch die Merkmale des Anspruchs 12 kann man auf die für" andere Abstands-

messungen bekannten und ausgereiften Sonden oder Sonderkonstruktionen zurückgreifen. Man führt damit die Messung der Eindringtiefe des Prüfkörpers auf eine Abstandsmessung zurück, und die Abstandsmessung wird unter stets gleichbleibenden Bedingungen durchgeführt, weil diese ja in der Vorrichtung erfolgt. Man betrachtet also gar nicht die Form des vom Prüfkörper erzeugten Grübchens, sondern schließt von einer Abstandsmessung direkt auf die Eindringtiefe. Normalerweise wird sich die Abstandsmeßvorrichtung im Innern der Vorrichtung befinden. Die Sonde hat also einen Abstand von dem zu messenden Stoff. Man kann die Sonden damit auch dann verwenden, wenn der zu messende Stoff sehr warm ist, was z.B. bei Lacken wichtig ist. Bis die Wärme zur Sonde vorgedrungen ist, hat man die Messung längst beendet, denn die für die Messung notwendigen drei bis sechs Meßpunkte des Meßzyklus benötigen bei der Härtemessung nur wenige Sekunden. Will man den Abfall der Härte über die Temperatur messen, was vor allem bei Kunststoffen außerordentlich wichtig ist, dann ist es ohne weiteres möglich, die Vorrichtung innen zu kühlen. Dem Diamanten ode einem anderen Prüfkörper macht die Wärme nichts aus. Da man die Abstandsmeßvorrichtung ins Innere der Vorrichtung verlegen kann, kann man das Innere der Vorrichtung ohne weiteres kühlen.

Durch die Merkmale des Anspruchs 13 bleiben die Meßfehle auch bei sehr harten Stoffen gering. Dringt der Prüfkörper z.B. einen Mikrometer ein und hat die Auflösung die angegebene Größe, dann liegt de von der Auflösung herrührende Fehler nur bei einigen Prozenten.

Durch die Merkmale des Anspruchs 14 kann man auf marktübliche, durchentwickelte, hochgenau auflösende Sonden zurückgreifen. Falls man eher Zugang zu kapazitiv arbeitenden Abstandsmeßgeräten hat,

kann man sich der Merkmale des Anspruchs 15 bedienen.

Wie die Abstandsmessungen gemäß Anspruch 14, 15 und 17, so arbeitet auch diejenige nach Anspruch 16 berührungslos und mit hoher Auflösung.

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Durch die Merkmale des Anspruchs 17 kann man bei der Abstandsmeßvorrichtung für die Gegenschicht Eisen verwenden.

Durch die Merkmale des Anspruchs 18 erreicht man, daß sich die Oberfläche der Gegenschicht über die Zeit nicht ändert, d. h. nicht oxydiert. Dies würde bedeuten, daß sie im Laufe der Zeit eine andere Oberflächengeometrie bekäme.

Durch die Merkmale des Anspruchs 19 verhindert man die Oxydation auf einfache Weise durch eine Schicht, die nicht springt, was z.B. der Fall sein könnte, wenn die abdeckende Schicht aus bedampftem Silizium ist.

Durch die Merkmale des Anspruchs 20 ist die Gefahr gering, daß sich auf der Gegenschicht Fremdkörper festsetzen wie z.B. Staub.

Durch die Merkmale des Anspruchs 21 benötigt man keine Korrekturfaktoren, wenn ein Eichwert der Abstandsmessung der Abstandswert Unendlich sein sollte.

Durch die Merkmale des Anspruchs 22 wirken die Zuführdrähte für die Sonde auf die Führungsvorrichtung überhaupt nicht ein, die somit nur noch Reibung als schädliche Kräfte aufweisen könnte. Die Nachführvorrichtung dient ja lediglich der Nachführung und nicht der Ermittlung irgendwelcher Kräfte.

Durch die Merkmale des Anspruchs 23 wird keine schädlich auf den elektromotorischen Antrieb und seine Lager wirkende Kraft aufgebracht, wenn die Teile der Abstandsmeßvorrichtung aufeinander aufsetzen.

Durch die Merkmale des Anspruchs 24 erhält man eine der Möglichkeiten, die Nachführung genügend fein zu machen.

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Durch die Merkmale des Anspruchs 25 vermeidet man weitere ggf. spielbehaftete Gelenke.

Durch die Merkmale des Anspruchs 26 kann man die Gewindespindel einfach und außerdem nochmals feiner in beide Drehrichtungen antreiben.

Durch die Merkmale des Anspruchs 27 kommt man mechanisch sehr direkt und auf einfache Weise spielfrei mit einem Minimum an Gelenken zu den für die Abstandsmeßvorrichtung notwendigen Bewegungsmöglichkeiten.

Durch die Merkmale des Anspruchs 28 baut die Vorrichtung klein und man hat trotzdem feine Bewegungsmöglichkeiten für die Nachführvorrichtung.

Duch die Merkmale des Anspruchs 29 erhält man einen einerseits außerordentlich steifen, andererseits aber auch sehr leichten Hebel, der zudem noch für die Spiellosigkeit sorgt.

Durch die Merkmale des Anspruchs 30 braucht man die Gewindespindel nicht exakt zu stoppen und trotzdem wird nichts zerstört.

Durch die Merkmale des Anspruchs 31 baut die Vorrichtung einerseits flach, und außerdem sind dann die Bewegungen der Abstandsmeßvorrichtungen und des Prüfkörpers besser vergleichbar.

Durch die Merkmale des Anspruchs 32 wird der Hebel einerseits optimal lang und andererseits stört das Magnetfeld des Elektromotors die Sonden nicht, sofern diese Magnetspulen aufweisen.

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Durch die Merkmale des Anspruchs 33 erhält man eine außerordentliche Spielfreiheit. Es ist dann gleichgültig, ob der Elektromotor und/oder sein elektromotorischer Antrieb mehr oder weniger Spiel haben.

Durch die Merkmale des Anspruchs 34 kann man leicht auf den Umfang gekrümmter Körper wie z.B. Rohren oder sonstigen prismatischen Gegenständen messen.

Durch die Merkmale des Anspruchs 35 kann man besser abschätzen, wo bei solchen prismatischen Gegenständen gemessen wird.

Durch die Merkmale des Anspruchs 36 hat die Vorrichtung einen besseren Stand, unabhängig von der Form des zu messenden Stoffes.

Durch die Merkmale des Anspruchs 37 ermöglicht man als letzte Handhabung an der Vorrichtung den Start. Da die Vorrichtung ohnehin einige zehntel Sekunden zur Vorbereitung der Elektronik benötigt, sind Erschütterungen bis dorthin längst abgeklungen, die vom Aufsetzen der Vorrichtung auf den Stoff herrühren könnten.

Durch die Merkmale des Anspruchs 38 wird der erste Abstandswert immer wieder ermittelt, so daß sich eventuelle Änderungen der Vorrichtungen nicht auswirken. Der zweite Wert braucht nicht gesondert ermittelt zu werden, sondern befindet sich schon in der Vorrichtung gespeichert.

Durch die Merkmale des Anspruchs 39 erreicht man, daß man den ersten Wert besonders einfach ermitteln kann.

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Durch die Merkmale des Anspruchs 40 erreicht man, daß der numerische Wert des zweiten Werts immer zur Differenzbildung für die Ermittlung der Eindringtiefe zur Verfügung steht.

Die in Anspuch 41 angegebenen Werte haben sich für die Messung in der Praxis sehr bewährt und sind ohne größeren Aufwand sowohl, elektrisch als auch mechanisch leicht in den Griff zu bekommen.

Eine Schaltung gemäß dem Anspruch 42 gestattet vollautomatisches und schnelles sowie reproduzierbares Arbeiten und kann auch von Laien bedient werden.

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

Fig. 1 eine Prinzipanordnung in der Seitenansicht, Fig. 2 eine perspektivische, teilweise aufgebrochene Ansicht der Vorrichtung

in maßstäblicher Darstellung und mit Angabe des Maßstabes, Fig. 2 a ein Querschnitt durch ein spiel loses Lager , Fig. 3 eine perspektivische Rückansicht zu Fig. 2, jedoch ohne die Deckplatte

im gleichen Maßstab wie Fig. 2,

Fig. 3 a ein Querschnitt durch eine abgebrochene Gewindespindel samt Wirkungsverbindung zu einer Blattfeder,

Fig. 4 die Untersicht zu Fig. 3,

Fig. 5 eine Detailansicht aus der Fig. 2 im gleichen Maßstab wie Fig. 2, Fig. 6 die Seitenansicht und Untersicht zu einem Vickers-Diamanten, Fig. 7 die Seitenansicht und Untersicht zu einem wahlweise verwendbaren Rockwell-Diamanten samt Fassung,

Fig. 8 einen Schnitt im Bereich der Gewindespindel, Fig. 9 eine perspektivische Ansicht aus dem Bereich des dritten Fußes

der Vorrichtung,
Fig.10 ein elektisch-mechanisches Schaltdiagramm ,

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Fig. 11 ein Diagramm im Zusammenhang mit der Härtemessung, Fig. 12 ein Diagramm im Zusammenhang mit dem Kriechverhalten, Fig. 13 ein Diagramm, das die anzulegende Kraft über die Zeit zeigt, Fig. 14 die von der Sonde abgegebene Spannung in Abhängigkeit eines der Zeitintervalle nach Fig. 13.

Eine metallische Platte 16 ist rechteckig, massiv und biegesteif. Sie steht auf zwei von unten in die Platte 16 eingeschraubte Schraubenbolzen, deren M Stirnflächen gehärtet und als Halbkugeln 17 , 18 ausgebildet sind. Sie liegen

symmetrisch zu einer Mittenebene 19 und symmetrisch in einer Querebene 21, die senkrecht zur Mittenebene 19 steht und parallel zur Vorderkante 22 der Platte 16 ist. Die Querebene 21 liegt nahe der Vorderkante 22. Nahe einer Hinterkante 23 hat die Platte 16 ein Loch 24, in dem als dritter aber unverstellbarer Fuß ein Transistor 26 vorgesehen ist, der als Wärmefühler dient und mit dem man die Temperatur desjenigen Stoffs 27 messen kann, dessen Eigenschaften vom Eindringverhalten abhängig gemessen werden soll. In den Bereichen nahe der Vorderkante 22 und der Hinterkante 23 sind senkrecht stehende Stützsäulen 28 angeschraubt. Auf diese ist von oben eine biegesteife, massive, metallische Dachplatte 29 angeschraubt. Diese bildet zusammen mit der Platte und den Stützsäulen 24 einen sehr biegesteifen, massiven, schützenden und auch genügend schweren Käfig. Im Mittenbereich ist auf der Platte 16 eine Drehmagnet-Vorrichtung 31 vorgesehen. Diese ist frei auf dem Markt käuflich. Mit einem Lagerschild 32 ist sie starr mit der Platte befestigt. Um die im wesentlichen kreiszylindrische Drehmagnetvorrichtung 31 möglichst tief zu lagern, ist unter dieser in der Platte 16 eine zylindersektorförmige Mulde 33 vorgesehen, in welcher die Drehmagnetvorrichtung 31 teilweise eingesenkt ist. Der Lagerschild 32 wird von der Abtriebswelle 34 der Drehmagnetvorrichtung 31 durchquert, wobei die Abtriebswelle 29 parallel zur Querebene 21 ist. Die Abtriebs-

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welle 34 trägt einen Hebel 36 mit einem linken Arm 37 und einem rechten Arm 38.. Der Hebel 36 ist aus Metall, massiv und in der Drehrichtung 39 wegen seiner sehr breiten Form für die vorliegenden Zwecke absolut biegesteif. Der Hebel 36 wird absolut proportional von der Abtriebswelle 34 mitgenommen.

Gebildet wird der linke und der rechte Arm 37, 38 von einem Mittelstück 41, das parallel zur Mittenebene 19 liegt und über dem Umfang des Lagerschilds und der Drehmagnetvorrichtung 31 hinausragt. Dann ist jeweils eine 90°-Abwinklung 42, 43 nach einwärts gerichtet vorgesehen, die einstückig in jeweils ein Endstück 44, 46 übergeht, wobei die Endstücke 44, 46 ebenso breit sind wie das Mittelstück 41. Die Endstücke 44, 46 stehen in Meßstellung parallel zu der Querebene und sind natürlich auch sonst parallel zueinander. Zwischen dem Mittelstück 41 und der Platte 16 ist ein mechanischer Anschlag 47 vorgesehen. Schlägt das Mittelstück 41 am Anschlag 47 an, dann hat der Hebel 36 seine am weitesten in Uhrzeigerichtung gemäß Fig. 1 liegende Stellung erreicht. Sofern keine Gegenkräfte vorhanden sind, halten zwei ungleichsinnig gepolte Permanentmagnete 48, 49 den Hebel 36 in dieser Lage fest. Ferner trägt der rechte Arm 38 mit seinem Endstück 46 ein Ausgleichsgewicht 51, das hinsichtlich der Abtriebswelle 34 das Gewicht des linken Arms 37 einschließlich der mit ihm verbundenen, später noch zu besprechenden Teile ausgleicht.

Gemäß Fig. 2 ist oben auf dem Lagerschild 32 eine elektrische Steckplatte 52 vorgesehen, an die zwei Leitungen 53, 54 führen. Die an sich bekannte Drehmagnetvorrichtung 31 ist daraufhin gezüchtet, ganz exakte, reproduzierbare Drehmomente an der Abtriebswelle 34 abzugeben, sofern der Strom in den Leitungen 53, 54 eine bestimmte Größe hat. Die Drehmagnetvorrichtung 31 kann im Dauerbetrieb ohne Schaden betrieben werden, ohne daß sich die Abtriebswelle 34 dreht.

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Das Endstück 44 ragt deutlich über die Mittenebene 19 hinaus und trägt auf der in Fig. 2 vorderen Fläche, beiderseits der Mittenebene 19 sich erstreckend, starr auf nicht dargestellte Weise befestigt einen metallenen Tragblock 56. Dieser hat die insbesondere aus Rg. 5 und dem Maßstab gemäß Fig. 2 gezeichnete Gestalt. Sein Basisbereich 57 hat kubische Form. In seine Unterseite ist ein Gewindesackloch 59 gebohrt. In dieses ist ein Gewindestutzen 61 eines Halters 62 bis zum Anschlag seines kreisscheibenförmigen Kragens 63 eingeschraubt. Der Kragen 63 hat koaxial mit einer senkrechten Achse 64, die auch die Mittenachse des Gewindesacklochs 59 und des Gewindestutzens 61 ist, eine Vertiefung 66. In die Vertiefung 66 ragt mit seiner oberen Stirnfläche und dem obersten Bereich seines Schaftes ein Rockwell-Diamant 67, der dort mit Lot 68 befestigt ist. Er ist koaxial zur Achse 64. Seine Gestalt ist in DIN 50 133 beschrieben. In seinem unteren Bereich hat er die Form einer Pyramide mit einem Öffnungswinkel von 136° . Seine Spitze ist auf zwei Mikrometer Länge abgeflacht. Durch diese Spitze hindurch geht die Achse Durch die Platte 16 hindurchtretend kann der Vickers-Diamant 67, weil in dieser fluchtend mit der Achse 64 ein Durchgangsloch 69 vorgesehen ist. Ist am Anschlag 47 der rechte Arm 38 angeschlagen, dann ist der Vickers-Diamant 67 aus dem Durchgangs loch 69 zurückgezogen und kann nicht beschädigt werden. Da beim Ausführungsbeispiel eine Drehmagnetvorrichtung und nicht ein anderer elektromotorischer Antrieb wie z.B. ein Linearmotor oder dergleichen verwendet wurde, läuft der Vickers-Diament 67 auf einem kleinen Kreisbogen.Daher ändert sich auch die Lage der Achse 64 bei dieser Bewegung ejn wenig. Dies ist jedoch nicht wesentlich. Lediglich dann, wenn die Spitze des Vickers-Diamanten 67 auf der Oberseite des Stoffes 27 aufsteht, sollte die Achse 64 senkrecht zu dem dortigen Flächensegment des Stoffes stehen.

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Figur 7 zeigt, daß auch ein Rockwell-Diamant verwendet werden könnte, der ja gemäß DIN 50 103 an seiner Spitze die Form eines Kegels von 90° oder 120° hat und dessen Spitze mit einem Radius von 0,2 mm verrundet ist.

Je nach Meßaufgabe können auch andere Formen von Prüfkörpern verwendet werden.

Der Basisbereich 57 geht oben einstückig in ein Prisma 71 über, das nach oben hin flacher wird. Symmetrisch zur Mittenebene 19 ist im Prisma 71 eine tiefe Nische 72 vorgesehen, die sich in ihrer Tiefe gemäß Fig. 5 weit über die Achse 64 hinaus nach rechts erstreckt. Oben geht das Prisma 71 in eine ebenso breite, flache Leiste 73 über. An deren oberer Stirnfläche, die horizontal verläuft, ist ein Plättchen 74 vorgesehen, das überall gleich dick ist und aus Weicheisen besteht. Hat die Vorrichtung die in Fig. 1 gezeichnete Arbeitslage, dann liegt das Plättchen 74 parallel zur Platte 16. Das Plättchen ist rechteckig und durch dieses geht sowohl die Achse 64 als auch die Mittenebene 19 als auch die Querebene 21. Die Unterseite des Plättchens 74 ist mit einer dünnen Goldschicht 76 vergoldet. Die Goldschicht hat eine Dicke von 2 p_m_

Unter dem Plättchen 74 befindet sich mit der Wirkungsrichtung nach oben und mit der Achse 64 fluchtend eine Sonde 77, die nach dem magnetischen Abstandsmeßverfahren arbeitet und schon seit Jahren von der Anmelderin unter der Bezeichnung GA 1,3H verkauft wird. Die Sonde 77 diente bislang dazu, durch zerstörungsfreie Meßverfahren die Dicke dünner Schichten zu ermitteln, die auf einem Trägermaterial aufgebracht sind.

Als Sonde 77 könnte man jedoch auch den Sondentyp T 3,3 H des Anmelders verwenden, der nach dem Wirbelstromprinzip arbeitet und mit dem man schon

seit Jahren die Dicke dünner Schichten zerstörungsfrei mißt, die auf nichtmagnetischem Werkstoff aufgebracht sind. In diesem Fall könnte das Plättchen aus Aluminium sein und an die Stelle der Goldschicht tritt die ja stets oxydierte Flächenschicht des Aluminiums.

Die räumliche Konfiguration ist so, daß der Abstand zwischen der Spitze 78 der Sonde 77 und der Goldschicht 76 im Verlauf der unterschiedlichen, noch zu erläuternden Betriebszustände sich ein Abstand zwischen 0 und einigen Millimetern einstellen kann. Die Dicke der Goldschicht beträgt 2 pm. Sie ist klein gegenüber derjenigen Strecke, mit der die Spitze des Vickers-Diamanten in den Stoff 27 eindringt. Die Dicke der Oxydschicht auf Aluminium ist aus dem Stand der Technik bekannt.

Wie später noch zu erläutern sein wird, kommt es auf den Abstand zwischen der Spitze 78 und der Unterseite des Plättchens 74 an. Es könnten deshalb auch andere, genügend fein auflösende Abstandsmeßvorrichtungen verwendet werden, wie z.B. die kapazitive Abstandsmessung, Spiegelvorrichtungen oder dergleichen.

Die Sonde 77 ist starr in einem zur Achse 64 koaxialen Loch 79 im gemäß Fig. 5 rechten Endbereich eines kurzen, biegesteifen Arms 81 gehalten, der mit seinem rechten Bereich teilweise so weit in die Nische 72 reicht, daß die Sonde mit der Achse 64 fluchten kann. Anders als in Fig. 1 gezeichnet, liegt eine horizontale Achse 82 auf der Höhe der Abtriebswelle 34, parallel zur Querebene 21 und trägt drehfest den Arm 81. Die Achse 82 ist in ihren beiden Endbereichen auf Lagerböcken 83, 84 gelagert, die aus der Platte 16 starr nach oben ragen und für die Achse 82 ein spielfreies Lager bilden. Gemäß Fig. 2 a erhält man dies auf einfache Weise, indem man in die obere Stirnseite der Lagerböcke 83, 84 einen prismatischen Einschnitt 86 vornimmt, dessen Flanken symmetrisch unter 90° stehen. Auf den Flanken dieses

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Einschnitts ruht die Achse 82. Natürlich fluchten die Einschnitte 86 in Richtung der geometrischen Längsachse 87 der Achse 82. Jeweils ein Federblech ist mit einer Schraube 89 auf die Oberseite des jeweiligen Lagerbocks 83, 84 geschraubt und gemäß Fig. 2 a doppelt abgekröpft. Der oberhalb der Achse verlaufende Lappen 91 drückt die Achse 82 spiellos nach unten gegen die Flanken des Einschnittes 86. Vor dem Lagerbock 83 ist ein Bundring 92 auf die Achse geschraubt, so daß diese nicht nach hinten weggehen kann. Auf den nach hinten über den Lagerbock 84 hinausstehenden Bereich der Achse 82 ist ein zweiter aber größerer Bundring 93 aufgeschraubt, der jedoch im Betrieb nicht am Lagerbock 84 anliegt und lediglich bei der Montage oder bei Stoßen verhindert, daß die Achse 82 sich gemäß Fig. 2 zu weit nach vorne bewegt.

An der gemäß Fig. 2 hinteren Stirnfläche 94 ist der linke Endbereich einer Blattfeder 96 befestigt, die Ffechteckquerschnitt hat. Sie ist wesentlich dünner als breit und steht mit ihrer schweren Richtung parallel zur Mittenebene 19. Folglich steht sie mit ihrer leichten Richtung senkrecht hierzu, d. h. senkrecht auch zur geometrischen Längsachse 87. Wie besonders deutlich Fig. 3 zeigt, läuft die Blattfeder 96 hinter der Rückseite der Drehmagnetvorrichtung 31 berührungslos vorbei. Sie erstreckt sich über etwa 3/4 der Länge der Platte 16 und ist damit vergleichsweise sehr lang. An ihrem gemäß Fig. 2 rechten Ende hat sie gemäß Fig. 3 a ein Durchgangsloch 97, in das ein Niet 98 eingenietet ist. Dj_e Blattfeder 96 ist aus Federstahl und etwas vorgespannt, so daß der gemäß Fig. 2 rechte Endbereich der Blattfeder 96 nach vorne gedrängt wird. Der Niet 98 hat gemäß Fig. 3 a auf seiner rechten Seite eine Kuppe 99 aus Messing, die in ihrem nach rechts ragenden Bereich die Form einer Halbkugel hat. Gemäß Fig. 3 a wird diese Halbkugel an die Flanken 101, 102 eines Gewindegngs 103 gedrückt, der insofern relativ breit ist, als teilweise die Kuppe 99 dort hineinpassen muß. Die den Gewindegang 103 tragende Spindel

ist aus Messing und ist im Abstand parallel zur Mittenebene 19 angeordnet. Sie ist um ihre geometrische Längsachse 106 drehbar. Sie muß jedoch in Längsrichtung spiellos sein. Hierzu sind zwei starr mit der Platte 16 verbundene, sich horizontal und im Abstand gemäß den Figuren sich erstreckende Lagerplatten 107 , 108 vorgesehen. Jede dieser Lagerplatten 107, 108 trägt ein Schulterlager 109, 111, wobei das Schulterlager 111 eine Bewegung der Spindel 104 nach unten und das Schulterlager 109 eine Bewegung der Spindel nach oben verhindert. Die Schulterlager 109, 111 sind als Kugellager ausgeführt. Zwecks sicherer Führung liegt die Kuppe 99 gemäß Fig. 3 a tief im Gewindegang an den 90°-Flanken 101 und 102 an und liegt außerdem in derjenigen Ebene, die zur Mittenebene 19 senkrecht steht und durch die geometrische Mittenachse 106 geht.

Oben durchquert die Spindel 104 die Lagerplatte 108 und das Schulterlager und trägt dort starr ein vergleichsweise großes Zahnrad 112, das senkrecht zur Mittenebene 19 umläuft. Das Zahnrad 112 kämmt mit einem ganz wesentlich kleineren Zahnrad 113. Das Zahnrad 113 wird von einem nicht dargestellten Untersetzungsgetriebe angetrieben, das seinerseits von einem Elektormotor angetrieben wird, der gemäß Fig. 2 im ganz hinteren rechten Eckbereich sitzt. Der Elektromotor 114 sitzt in einem Gehäuse 116, das starr mit der Platte verbunden ist und mit dem die Lagerplatten 107, 108 einstückig und starr verbunden sind.

In dem gemäß Fig. 2 vor der Stützsäule 28 liegenden Bereich ist an der Platte ein Befestigungswinkel 117 angeschraubt, dessen senkrecht stehender Schenkel eine Platine 118 trägt und diese wiederum trägt einen Start-Schalter 119.

Die seither beschriebenen Teile sitzen in einem Gehäuse, dessen Unterseite

die Unterseite der Platte 16 ist. Aus der Gehäusewand schaut der Start-Schalter 119 heraus. Wird die Vorrichtung als batteriebetriebene Vorrichtung verwendet, dann gehen von der Vorrichtung keine weiteren Drähte ab. Andernfalls sind die zur Drehmagnetvorrichtung 31, zur Sonde 77 und zum Elektromotor 114 gehörigen Drähte herausgeführt.

In der Fig. 10 erkennt man die aus der eingangs erwähnten Anmeldung ebenfalls bekannten Komponenten, nämlich: die Abstandsmeßschaltung 121, die der dortigen Schichtdickenmeßschaltung 94 entspricht.

Eine Schichtdickenmessung ist ja nichts anderes als eine Abstandsmessung.

Bei der vorliegenden Erfindung erfolgt die Auswertung nicht in Form einer Schichtdicke, sondern in Form eines Abstands, wie noch später zu zeigen sein

Fener erkennt man die Anzeige und Tastatur 122, das Interface 123, den Mikroprozessor 124, den Bus 126, die Drehmagnetschaltung 127, die programmierbare Stromregelung 128, das Drehmagnet-Stellglied 129, die Strom-Soll-Leitung 131, die Strom-Ist-Leitung 132, den Soll-Ist Vergleicher 133, die Leitung 134, die Leitung 53, 54, die Wicklung und die Temperaturmeßschaltung 137.

Neu hinzugekommen ist eine Motorsteuerung 138, von der eine Motor-EIN/AUS-Leitung 139 und eine Motor-Sollwert/Unendlich-Leitung 141 ausgeht..

Diese Leitungen 139, 141 gehen zu einem Motor-Stellglied 142. Dieses erhält ein Signal auch aus einer Soll-Ist-Vergleich-Leitung 143, die von einer Abstands-Sollwert-Schaltung 144 kommt. Dieser wird über eine Leitung 146 aus der Sonde 77 ein noch nicht digitalisierter Spannungswert zugeführt, der den Abstand

zwischen der Spitze 78 und der Sonde 77 einerseits und dem Plättchen 74 andererseits darstellt. Die Abstands-Sollwert-Schaltung 144 schickt den Abstands-Sollwert über eine Soll-Leitung 147 zu einem Soll-Ist-Vergleicher 148 und das Ergebnis des Soll-Ist-Vergleichs wird über die Leitung 143 zum richtigen Zeitpunkt dem Motor-Stellglied 142 zugeführt. Dieses steuert über eine Leitung den Motor 114 links herum oder rechts herum.

Die Vorrichtung arbeitet wie folgt, wobei zunächst einmal vorausgesetzt sei, daß sie geeicht und initialisiert wurde:

Der rechte Arm 38 schlägt wegen der Permanent-Magnete 48, 49 am Anschlag 47 an. Damit steht der Vickers-Diamant 67 in seiner obersten Stellung und hat mit Sicherheit vom Stoff 27 abgehoben. Es berührt die Spitze 78 die Goldschicht 76, was einem Abstand Null entspricht. Es wird nun der Wicklung 136 über die Leitung 53, 54 ein Strom zugeführt, der ein Gegendrehmoment zu den Permanent-Magneten 48, 49 einstellt. In der Abstands-Sollwert-Schaltung ist fest oder vom Mikroprozessor 124 aus ein Soll-Abstand von 40 pm einprogrammiert. Diesen Soll-Abstand möchte die Sonde 77 aufrechterhalten. Das Motor-Stellglied 142 steuert den Motor 114 nun so, daß die Sonde 77 abwärts fährt. Da die Wicklung 136 immer noch das Gegendrehmoment erzeugt, bleibt während dieses Regelvorgangs die Spitze 78 an der Galdschicht 76 anliegend. Es dreht sich also der linke Arm 37 im Gegenuhrzeigersinn und im Prinzipschema von Fig. 10 der Arm 81 ebenfalls im Gegenuhrzeigersinn.Bei der tatsächlichen Ausführungsform dreht sich der Arm 81 aber im Uhrzeigersinn, weil er die gleiche Richtung wie die Blattfeder 96 hat. Dieser Regelvorgang läßt die Sonde 77 und das Plättchen 74 nach unten fahren. Zu einem bestimmten Zeitpunkt setzt die Spitze des Vickers-Diamanten 67 auf der Oberseite des Stoffs 27 auf und bewegt sich jetzt nicht weiter, da zwar das Drehmoment aus der Wicklung 136

12 418 3!

dazu ausreicht, die Kraft der Permanent-Magnete 48, 49 zu überwinden, nicht jedoch ausreicht, die Spitze des Vickers-Diamanten 67 in den Stoff 27 eindringen zu lassen. Das Drehmoment der Drehmagnetvorrichtung 31 bleibt also auf niederem Niveau aufrechterhalten. Weil die Abstands-Sollwert-Schaltung einen Abstand von 40Mm verlangt, läßt das Motor-Stellglied 142 den Motor solange weiterlaufen, bis die Spitze 78 der Sonde 77 einen Abstand von 40 pm hat. Dann wird auch der Motor 114 gestoppt. Der Vickers-Diamant 67 hat völlig prellfrei aufgesetzt, weil ja stets die Spitze 78 das Plättchen 74 abgestützt hat und wegen der ersichtlichen Hebeluntersetzungen, der Spindel 104 und der hohen Untersetzung vom Elektromotor 114 auf die Gewindespindel die Sonde 77 sich sehr langsam absenkt.

Wie bei der eingangs erwähnten Anmeldung steigert man nun gemäß Fig. 12 die Kraft F stufenförmig über die Zeit t,indem die Drehmagnetschaltung 127 stufenweise größer werdende Ströme durch die Leitungen 53, 54 schickt. Die Zeitintervalle I, Il und III sind gleich und betragen typischerweise 0,8 Sekunden. Die Kraft steigt dann über die Zeit, wie in Fig. 12 gezeigt an. Die Spitze 78 dringt um einen konstanten Betrag in den Stoff 27 ein. Dieser Betrag kann etwa 2 - 0,1 pm sein. Man steigert nun die Kraft F und mißt gleichzeitig den zu jeder Kraft gehörigen Abstand zwischen der Stütze 78 und dem Plättchen 74. Beim Messen wird der Abstand immer kleiner. Ist der Abstand 39,5 μνη, so heißt dies nach einer Differenzbildung, daß die Spitze des Vickers-Diamanten 67 um 0,5 pm in den Stoff 27 eingedrungen ist. Diese Differenz wird an der Anzeige und Tastatur 122 angezeigt, eventuell über das Interface 123 weitergegeben und auch dem Mikroprozessor-System 124 zugeführt. Steigert man nun die Kraft F gemäß Fig. 12, dann erhält man aus den immer kleiner werdenden Abständen den Wert für die zu jeder Kraft gehörige

INACHQEftaOHT j

Eindringtiefe. Man erhält einen nichtlinearen Zusammenhang zwischen der Abstands-Änderung Δ d und der Kraft F. Trägt man nun gemäß Fig. 10 A d als Funktion von -γ F auf, so sieht man, daß ein linearer Zusammenhang entsteht. Die Steigung m_ , errechnet gemäß Fig. 10, ist ein eindeutiges Maß für die Härte an der Oberfläche des Stoffs 27. Man kann daher definieren

Fischer-Härte = J = d V F

"V / d

Fig. 13 zeigt die von der Sonde 77 abgegebene Spannung U (d) in Abhängigkeit von der Zeit während des Zeitintervalls I aus der Fig. 12. Da die abgegebene Spannung U (d) nicht linear mit der Abstandsdifferenz (d) verknüpft ist, wird in der Abstands-Meßschaltung 121 die Abstandsdifferenz-Änderung aus der Differenz der beiden Werte U (d1) - U (d2) so umgerechnet, daß der Meßwert der Meßgröße direkt proportional ist. Die Spannung U (d) kann aufgrund des Widerstandsmoments beim Eindringen des Vickers-Diamanten 67 in die Oberfläche des Stoffs 27 nicht spontan der Kraft F folgen. Aus diesem Grund ist das Inkrement des Stroms I₁ der durch die Leitungen 53, 54 fließt, so zu wählen, daß die Spannung U (d) beim Abfragen des Spannungswerts nahezu konstant ist. Dieser Augenblick ist in Fig. 13 rechts durch einen nach oben weisenden Pfeil angedeutet. Man sieht, daß der Abfragezeitpunkt unmittelbar vor der Periode Il liegt. In der II. und III. Periode macht man das gleiche. Die Meßwerte werden zunächst gespeichert und so weiterverarbeitet, daß der transformierte, lineare Zusammenhang gemäß Fig. 10 entsteht.

Ist der Stoff weich, dann können die maximal 40 pm Eindringtiefe eventuell nicht ausreichen. In diesem Fall gibt man der Abstands-Sollwert-Schaltung 144 einen Abstands-Sollwert von z. B. 100 pm ein oder auch entsprechend mehr.

Will man statt der Härte das Fließverhalten des Stoffs 27 feststellen, dann fragt man gemäß Fig. 11 die Abstandsdifferenz-Änderung /\ d in logarithmisch äquidistanten Zeitintervallen ab. Man verarbeitet diese Information und zeigt sie an der Anzeige und Tastatur 122 an. Die Steigung der gemäß Fig. 11 dargestellten Geraden ist ein direktes Maß für das Fließverhalten. Die Steigungsformel ist in Fig. 11 angegeben.

Der Mikroprozessor 124 steuert die Drehmagnetvorrichtung 3t mit Konstanzstrom an, der für das abgegebene Drehmoment maßgebend ist. Da der Mikroprozessor 124 den Abstand der Spitze des Vickers-Diamanten 67 von der geometrischen Längsachse der Abtriebswelle 34 kennt, kann er aus diesen Größen die Kraft F errechnen. Wegen des Konstanz-Stroms spielen Temperaturänderungen des Wicklungs-Widerstands der Drehmagnetvorrichtung 31 keine Rolle, denn das Inkrement der Kraft F ist ja konstant.

Das Interface 123 kann verschiedenen Zwecken dienen. Zum Beispiel kann dort ein Drucker angeschlossen sein, der solche Kennlinien ausgibt, wie sie Fig. 10 und Fig. 11 zeigen.

Die Spitze des Vickers-Diamanten 67 bewegt sich auf einer Radiusakrecke. Konstruktiv sei vorgesehen, daß er in einer bestimmten Lage völlig senkrecht auf der ebenen Oberfläche des Stoffes 27 stehe. Befindet sich die Oberfläche des Stoffes 27 über oder unter dieser Ideallage, so steht der Vickers-Diamant 67 natürlich nicht mehr ganz exakt senkrecht. Dies macht in der Praxis jedoch nichts aus: nimmt man an, der linke Arm 37 gemäß Fig. 1 sei 35 mm lang, und die Oberseite des Stoffes 27 liege * 1 mm von ihrer Ideallage entfernt, dann ergibt dies einen Fehler von 0,04 %, was weit jenseits jeder Meßgenauigkeit ist.

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Der Deutlichkeit halber werden die obigen Vorgänge nochmals durch das nachstehende Ablaufschema erläutert:

Ausgangszustand:

siehe "Zustand nach Initialisierung"

Elektrisches Gegendrehmoment zum Dauermagneten einstellen.
Reaktion des Systemes:

a) Sonde stößt an Plättchen.

b) Sonde will Soll-Abstand (40 μ) einhalten.

c) Sonden und Plättchen fahren nach unten.

d) Unterer Diamant setzt auf Meßgegenstand auf.

e) Sonde kann wieder auf Soll-Abstand einregeln.

Motor "STOP"

Meßreihe

Zustand nach Beendigung der Messung:
s. "Zustand nach Initialisierung".

Wie aus diesem Ablauf-Diagramm ersichtlich und wie auch früher schon gesagt, muß das System zunächst geeicht werden. Dies geht wie folgt: Nach dem Einschalten stellt man fest, daß die Spitze 78 vom Plättchen 74 einen ganz bestimmten Abstand hat, der z. B. größenordnungsmäßig bei 40μηη liegt. Nun wird der Motor 114 eingeschaltet . Das Plättchen 74 behält wegen des Anschlags 47 und der Permanent-Magnete 48, 49 seine Lage bei. Die Sonde 77 wird solange vom Plättchen 74 wegbewegt, bis die Spannungsänderung dU / dt = Null wird. Das bedeutet, daß die Sonde 77 so weit vom Plättchen entfernt ist, daß sie nicht mehr bedämpft wird. Dieser Abstand kann deshalb

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als "Unendlich" angenommen werden. Diese Spannung wird vom Mikroprozessor übernommen und gespeichert. Danach wird die Sonde 77 wieder auf den Soll-Abstand von beispielsweise 40 pm gefahren, so daß das System die beiden Werte "Unendlich" und"Sollabstand" weiß. Das System ist nunmehr meßbereit, wie am Anfang vorausgesetzt wurde. Die zum Initialisieren notwendigen Schritte werden nochmals anhand des nachfolgenden Ablaufdiagramms erläutert:

Ausgangszustand: Dreh-Magnet 31 / "Aus"

Motor 114 "Aus" Plättchen 74:. wegen Dauermagnet 48,49 am

mechanischen Anschlag 47, Sonde 77: Im Normalfall ί^40μ Abstand

OO - Punkt holen
Dazu: Motor "Ein" + Motor " " -Punkt bestimmen

Sonde 77 auf Sollabstand ( ¹Z/ 40 μ) regeln

Zustand nach Initialisierung:

Dreh-Magnet 31 "Ein" mit Kraft jD Newton Motor 14 "Ein" und auf Sollwert regeln Plättchen 74 : Wegen Dauermagnet ("elektrische"

Kraft = 0) am mechanischen Anschlag Sonde77: Auf Sollabstand ( # 40 μ).

Regelung aktiv.

Weil der Arm 81 in die gleiche Richtung sich erstreckt wie die Blattfeder 96 und damit der eine Hebel des Doppelhebels zur Drehmagnetvorrichtung 31 hin schaut, spart man einerseits Baulänge, kann andererseits den Hebel 37 genügend kurz machen, kommt zu einer übersichtlicheren Hebelanordnung und erreicht besser die Fluchtung mit dem Vickers-Diamanten 67. Wenn es auf die Baulänge nicht ankommt, kann man auch eine Hebelanordnung gemäß Fig. 1 wählen.

Der Meßbereich der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist außerordentlich breit. Man kann z.B. leicht diejenige sehr dünne Quarzschicht in ihrer Härte messen, mit der z.B. Brillengläser zwecks Entspiegelung bedampft sind. Man kann aber auch sehr weiche kautschuk-elastische Stoffe messen.

Man kann sogar feststellen, ob der zu messende Stoff an seiner Oberfläche sauber ist: wenn man z.B. die oben erwähnte Quarzschicht vorher nicht mit Spiritus wäscht, so mißt man die "Härte" der darauf befindlichen Schmutzschicht. Dies erkennt man aber leicht daran, daß die Meßpunkte viel zu sehr um die in Fig. 10 gezeigte Gerade streuen.

Ist der zu messende Stoff an seiner Oberfläche einwandfrei und die Meßpunkte streuen mehr als das Regressionsgesetz es erlaubt, dann sieht man ohne weiteres, daß es sich um eine nicht verwendbare Fehlmessung handelt, wobei die Fehler unterschiedliche Ursache haben. Die Meßpunkte müssen nämlich so nahe an der Geraden oder auf ihr liegen, wie dies die Regressionsgesetze verlangen. Fehlmessungen kann man damit leicht aussortieren.

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Claims

PATENTANWALT DIPL.-ING. ULRICH KINKELIN Sindelfingen -Auf dem Goldberg- Weimarer Str. 32/34 -Telefon 07031/86501

Telex 7265509 rose d

10. Januar 1985 12 418

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum zerstörungsfreien, absoluten Messen von Eigenschaften von festen Stoffen, die aus dem Eindringverhalten eines Prüfkörpers in den Stoff ableitbar sind, mit einer Führungsvorrichtung, die den Prüfkörper auf den Stoff zuführt sowie mit einer elektrischen Auswerteschaltung, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

a) Die Führungsvorrichtung (37) ist mit einem elektromotorischen

Antrieb (31) verbunden, der den Prüfkörper (67) mit einer bestimmten S"

aber veränderlichen Kraft (F) auf die Oberfläche des Stoffs (27) \

drückt.

b) Mit dem Prüfkörper (67) ist starr der eine Teil (74) einer fliegenden Abstandsmeßvorrichtung (74 , 77) verbunden, die Abstandsmessungen in der Bewegungsrichtung (64) des Prüfkörpers (67) gestattet und eine Auflösung wesentlich kleiner als die Eindringtiefe des Prüfkörpers (67) hat.

c) Der andere Teil (77) der fliegenden Abstandsmeßvorrichtung (74, 77) ist mit einer spiellosen Nachführvorrichtung (114, 10, 4, 96, 82, 81) verbunden, die in Bewegungsrichtung (64) fein verstellbar ist und die nach dem Aufsetzen des Prüfkörpers (67) auf den Stoff (27) abschaltbar ist, wenn die Abstandsmeßvorrichtung /74, 77) einen vorgegebenen Abstand mißt.

d) Eine von der Abstandsmeßvorrichtung (74, 77) kommende, die Eindringtiefe darstellende Spannung wird einer Auswerteschaltung (121, 122, 123, 124) zugeführt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, daß die Führungsvorrichtung ein Hebel ist, der drehfest mit der Antriebswelle des elektromotorischen Antriebs verbunden ist und der senkrecht zu seiner Drehbewegung den Prüfkörper trägt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Prüfkörper ein Diamant ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Diamant ein pyramidenförmiger Vickers-Diamant ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daßder Diamant ein kegelförmiger Rockwell-Diamantist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Prüfkörper eine Brinell-Stahlkugel ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Prüfkörper auswechselbar in die Führungsvorrichtung einschraubbar ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an der Führungsvorrichtung ein Kraftspeicher mit einer kleinen Kraft angreift, die die Führungsvorrichtung entgegen der Zuführungsrichtung des Prüfkörpers vorspannt.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftspeicher zumindest einen Magneten umfaßt.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Magnete in Zuführungsrichtung fluchtend vorgesehen sind.

11. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Anschlag für die Führungsvorrichtung vorgesehen ist, der die Bewegung der Führungsvorrichtung entgegen der Zuführrichtung des Prüfkörpers begrenzt.

12. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstandsmeßvorrichtung eine Sonde zur Messung dünner Schichten umfaßt, wobei

die Sonde am einen der beiden Teile der fügenden Abstandsmeßvor- «

richtung und ihre Gegenschicht am anderen Teil der fliegenden Abstands- ψ

meßvorrichtung befestigt ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Auflösung der Abstandsmeßvorrichtung im Bereich von mindestens einige Hundertstel Mikrometer liegt.

14. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonde eine auf dem magnetinductiven Prinzip arbeitende Sonde ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonde eine kapazitive Sonde ist.

16. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstandsmeßvorrichtung mit einem optischen Strichmaßstab, einem Lichtzeiger und einem Spiegel arbeitet.

17. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonde eine auf dem Feldplatten-Prinzip arbeitende Sonde (Hall-Sonde) ist.

18; Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegenschicht aus einer metallenen Trägerschicht bestehtj die von einer inerten dünnen Schicht abgedeckt ist;

19. Vorrichtung nach Anspruch 12j dadurch gekennzeichnet, daß die inerte dünne Schicht eine Goldschicht ist.

20. Vorrichtung nach Anspruch 12j dadurch gekennzeichnet, daß der Gegenpolkörper senkrecht über der Sonde angeordnet ist.

21. Vorrichtung nach Anspruch 12j dadurch gekennzeichnet, daß der Gegenpolkörper gegenüber dem Feld der Sonde quasi unendlich groß ist.

22; Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonde an der Nachführvorrichtung und der Gegenpolkörper an der Führungsvorrichtung vorgesehen ist.

23. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstandsmeßvorrichtung in der Bewegungsrichtung des Prüfkörper gesehen mit dem Prüfkörper fluchtet.

24. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die spiellose Nachführvorrichtung eine Gewindespindel umfaßt.

25. Vorrichtung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Gewindespindel parallel zur Bewegungsrichtung des Prüfkörpers steht.

26. Vorrichtung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Gewindespindel durch einen Elektromotor angetrieben ist, der über ein erheblich reduzierendes Untersetzungsgetriebe wirkt.

27. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bewegungsrichtung des Prüfkörpers eine Schwenkachse vorgesehen ist, die nahe der Abstandsmeßvorrichtung ist und daß an der Schwenkachse einer der beiden Teile der Abstandsmeßvorrichtung befestigt ist.

28. Vorrichtung nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß an der Schwenkachse ein einziger Hebel mit seinem einen Ende befestigt ist, dessen anderes Ende von der Gewindespindel geführt ist.

29. Vorrichtung nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß der Hebel eine breite Blattfeder ist, deren schwere Richtung parallel zu ihrer Bewegungsrichtung steht und die an ihrem anderen Ende eine Kuppe hat, die spiellos an den Flanken des Ganges der Gewindespindel anliegt und die aufgrund einer Vorspannung der Blattfeder in der leichten Richtung in den Gang gedrückt wird.

30. Vorrichtung nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorspannung so leicht ist, daß bei Ankunft der Blattfeder in ihren Endlagen die Kuppe den Gang überrastet.

31. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 27, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwenkachse und die Abtriebswelle parallel zueinander und auf gleicher Höhe angeordnet sind.

32. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektromotor von der Sonde aus gesehen jenseits des elektromotorischen Antriebs in einem Endbereich einer Vorrichtungsbasis befestigt ist.

33. Vorrichtung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Gewindespindel beidseitig gelagert ist und dort mindestens eines dieser Lager ein Schulter-Lager ist.

34. Vorrichtung nach Anspuch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtungsbasis auf drei Füßchen steht, von denen sich zwei auf einer gemeinsamen Linie mit der Spitze des Prüfkörpers befinden.

35. Vorrichtung nach Anspruch 34, dadurch gekennzeichnet, daß die Linie parallel zu einer Seitenkante der Vorrichtung ist.

36. Vorrichtung nach Anspruch 34, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei gehärteten Füßchen die Form einer Kugelkalotte haben.

37. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Startschalter aufweist.

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38. Verfahren zum Eichen einer Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Einschalten die Abstandsmeßvorrichtung in eine Stellung gebracht wird, die einem ersten Abstandswert entspricht und daß dieser erste Wert in einer Speichervorrichtung gespeichert wird und daß ein Sollabstand als zweiter Wert in die Vorrichtung eingegeben ist.

39. Verfahren nach Anspruch 38, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Wert dem Wert quasi unendlich entspricht.

40. Verfahren nach Anspruch 38, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Wert einem Wert entspricht, der sehr viel größer als die zu erwartende Eindringtiefe ist.

41. Verfahren nach Anspruch 40, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Wert im dezi-Mikrometerbereich liegt, vorzugsweise zwischen 10 und 80 pm, insbesondere 40 μ - 30 % liegt.

42. Schaltung zur Auswertung der Meßergebnisse einer Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 37, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstandsmeßvorrichtung mit einem A/D-Wandler verbunden ist, der einen Abstands-Soll-Ist-Vergleicher an seinem Ist-Eingang ansteuert, daß der SolI-Ist-Ausgang des Vergleichers ein Motor-Stellglied ansteuert, daß das Motor-Stellglied einen Stellmotor der Nachführeinrichtung ansteuert, daß eine Motor-Steuerung das Motor-Stellglied über eine "Motor EIN/AUS-Leitung" und eine "Motor Sollwert/Unendlich-Leitung" ansteuert, daß ein Mikroprozessor mit der

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Motorsteuerung verbunden ist, daß eine programmierbare Stromregelung vorgesehen ist, die einen Strom-Soll-Ist-Vergleicher aufweist^ der über ein Strom-Stellglied den elektromotorischen Antrieb steuerdaß die Stromregelung mit dem Mikroprozessor verbunden ist und daß eine Anzeige samt Tastatur vorgesehen ist, die mit dem Mikroprozessor verbunden ist;

43; Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonde eine nach dem Wirbelstromprinzip arbeitende Sonde ist.

44.· Verfahren zum Betrieb der Vorrichtung und Schaltung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche^ dadurch gekennzeichnet daß die Kraft äquidistant nach einem Quadratwurzelgesetz aufgebracht wird und ein linearer Zusammenhang zwischen der Eindringtiefe und der Wurzel der Kraft entsteht und das Verhältnis Eindringtiefe / f Kraft als Konstante das Härtemaß wiedergibt.