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Vorrichtung zur magnetischen Bestimmung der Stärke einer aus unmagnetischem
oder schwach magnetischem Material bestehenden Schicht
Die Erfindung bezieht sich
auf eine Vorrichtung zur Bestimmung der Stärke einer aus unmagnetischem oder wenig
magnetischem Material bestehenden Schicht auf magnetischem Wege.
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Zur magnetischen Bestimmung der Stärke einer auf einem ferromagnetischen
Material vorhandenen Schicht von etwa 1 bis 5000 Mikron, die z. B. aus Lack, Papier,
Gummi, Metalloxyden, einem unmagnetischen Material, wie z. B. Aluminium, oder aber
aus einem Metall geringer Permeabilität, z. B. Nickel, bestehen kann, sind Vorrichtungen
bekannt, bei denen eine auf einem hufeisenförmigen Eisenkern angeordnete Spule benutzt
wird. Zur bestimmung der Stärke wird dabei der genannte Eisenkern zunächst zwecks
Erhaltung eines Eichwertes auf einem unbedeckten Teil der ferromagnetischen Unterlage
oder auf einer mit einer Schicht bekannter Stärke versehenen Unterlage und dann
auf der Schicht gestellt, deren Stärke zu ermitteln ist; im letzteren Fall durchlaufen
die magnetischen Kraftlinien die Schicht unbekannter Stärke sowie die ferromagnetische
Unterlage. Aus dem Unter-
schied der in den beiden Fällen an der
Eisenkernspule vorgenommenen Messungen läßt sich dann die unbekannte Stärke der
Schicht ableiten.
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Die genannte Messung, die gleichfalls bei nicht auf eine ferromagnetische
Unterlage aufgebrachten Schichten, z. B. einem Papierband u. dgl., in der Weise
vorgenommen werden kann, daß sie auf eine ferromagnetische Unterlage gelegt werden,
kann z. B. in der Messung der an der Spule herrschenden Spannung bestehen, wenn
diese Spule in beiden Fällen, d. h. bei der Eichung und bei der Messung, von einem
Wechselstrom gleicher Größe erregt wird.
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Außerdem ist es möglich, die Stärke der Schicht dadurch zu bestimmen,
daß die Spule in eine wechselstromgespeiste Brückenschaltung eingeschaltet wird.
Bei der Eichmessung wird dann das Gleichgewicht der Brückenschaltung eingestellt,
während die Messung mit Hilfe eines in einer Diagonale der Brückenschaltung liegenden
Anzeigeinstruments erfolgt.
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Ferner ist es gleichfalls bekannt, einen an einer Zugfeder befestigten
Eisenkern zu benutzen und den die Spule durchfließenden Erregerstrom allmählich
herabzusetzen, bis der Kern von der Feder von der magnetischen Unterlage bzw. von
der auf letzterer vorhandenen Schicht abgezogen wird, wobei der in diesem Augenblick
herrschende Erregerstrom eine Anzeige über die gesuchte Stärke liefert.
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Bei einer weiteren bekannten Vorrichtung der beschriebenen Art wird
die Stärke der Schicht nicht mit Hilfe einer einfachen Spule, sondern mittels einer
auf dem Eisenkern angeordneten Sekundärwicklung ermittelt, z. B. durch Messen der
darin induzierten Spannung.
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Bei den obengenannten bekannten Vorrichtungen wird zur Erhaltung eines
Eichwertes mit Hilfe eines Anzeigeinstruments entweder die Spannung an der auf dem
Eisenkern angeordneten Spule oder der Erregerstrom auf einen bestimmten Wert eingestellt
oder aber, falls die Spule einen Teil einer Brückenschaltung bildet, das Gleichgewicht
der letzteren z. B. durch Änderung eines in einem der Zweige der Brückenschaltung
liegenden Widerstands eingestellt.
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Bei den Vorrichtungen der beschriebenen Art, die ein Zeigerinstrument,
z. B. einen Drehspulmesser, aufweisen, ist der Zeigerausschlag der zu ermittelnden
Schichtstärke zwar proportional, aber der Zeigerausschlag je Einheit der Schichtstärke,
z. B. je Mikron, ist in hohem Maß von der magnetischen Permeabilität der ferromagnetischen
Unterlage abhängig, die für verschiedene Eisen- oder Stahlsorten naturgemäß sehr
verschieden ist und außerdem für jede Eisen- oder Stahlsorte von deren mechanische@
und Wärmebehandlung abhängig ist.
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Außerdem ist der je Einheit der Schichtstäre erhaltene Zeigerausschlag
gleichfalls von der Stärke der ferromagnetischen Unterlage abhängig.
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Infolge dieser Abhängigkeit der erhaltenen Anzeige von den magnetischen
Eigenschaften der Unterlage eignen sich die bekannten Vorrichtungen zwar zur Durchführung
von absoluten Messungen, aber die Vornahme von solchen absoluten Messungen ist mit
diesen bekannten Vorrichtungen erst nach langwierigen Eichungsmessungen durchzuführen
und daher praktisch nicht durchführbar.
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Gemäß der Erfindung können bei Vorrichtungen der beschriebenen Art
die genannten Überlstände durch Anwendung eines U-förmigen Eisenkerns mit einer
einfachen Spule vermieden werden, wobei der magnetische Widerstand des Weges, dem
die sich von einem Kernende zum anderen und durch die Spule hindurch erstreckenden
Kraftlinien beim Ausführen einer Messung folgen, einstellbar ist.
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Unter U-förmigen Eisenkernen sind hier und im nachstehenden derart
ausgestaltete Kerne zu verstehen, bei denen der weg, den die magnetischen Kraftlinien
im Eisenkern der Spule durchlaufen, im wesentlichen U-förmig ist.
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Die Einstellung des magnetischen Widerstandes kann mit verschiedenen
an sich bekannten Mitteln bewerkstelligt werden. Ist ein großer Einstellbereich
erforderlich, so erfolgt die Einstellung vorzugsweise durch Einstellung der Länge
eines sich über den ganzen Kernquerschnitt erstreckenden Luftspaltes, falls jedoch
nur ein kleiner Einstellbereich erforderlich ist, wird, um den magnetischen Widerstand
des Kerns genau einstellen zu können, ein Luftspalt einstellbarer Größe benutzt,
dessen Oberfläche kleiner als der Kernquerschnitt ist.
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Gemäß einer günstigen Ausführungsform der Vorrichtung nach der Erfindung
besteht der Kern aus zwei am einen Ende miteinander verbundenen konzentrischen Teilen,
wodurch eine Beeinflussung der Messung durch die Abhängigkeit des magnetischen Widerstands
der Unterlage von der Richtung, in der die aus dem Kern heraustretenden magnetischen
kraftlinien die Unterlage durchlaufen, vermieden wird und weist der innere Kernteil
einen Luftspalt einstellbarer Größe auf.
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Durch Anwendung der vorliegenden Erfindung wird erreicht, daß die
erhaltene Anzeige über die gesuchte Schichtdstärke nahezu ausschließlich vom Luftspalt
und nicht von den magnetischen Eigenschaften der benutzten Unterlage abhängig ist.
Im Zusammenhang damit kann die Vorrichtung gemäß der Erfindung im Gegensatz zu bekannten
Vorrichtungen mit einem Anzeigeinstrument mit einer in Schichtstärken geeichten
Skaleneinteilung versehen werden.
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Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung näher erläutert, in der eine
besonders günstige Ausführungsform einer Vorrichtung gemäß der Erfindung schematisch
dargestellt ist.
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In der dargestellten Vorrichtung zur magnetischen Bestimmung der Stärke
einer auf einer ferromagnetischen Unterlage vorhandenen Schicht bezeichnet 1 eine
wechselstromgespeiste Brückenschaltung, deren Ausgangsspannung nach Verstärkung
2 und Gleichrichtung 3 einem Zeigerinstrument 4 zugeführt wird. In einen der Brückenzweige
ist eine Spule 5 eingeschaltet, die auf einem aus zwei konzentrischen, zylindrischen
und am einen Ende mittels einer Platte 6 verbundenen Teilen 7 und 8 bestehenden
Eisenkern angeordnet
ist. Die freien Enden des Kerns oder lediglich
der mittlere Kern sind auf der Oberfläche einer auf einem Eisenband 9 vorhandenen
Lackschicht 10 angeordnet, deren Stärke zu ermitteln ist. Im inneren Kernteil 8
ist ein mit einem Schraubengewinde versehener Hohlraum 11 vorhanden, in dem ein
gleichfalls mit einem Schraubengewinde versehener Einstellkern 12 mit einem Bedienungsknopf
13 angeordnet ist, mit dessen Hilfe der magnetische Widerstand des Eisenkerns eingestellt
werden kann.
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In der Figur ist ferner mit 14 der Weg der magnetischen Kraftlinien
bezeichnet, woraus ersichtlich ist, daß der Weg, dem diese Linien im Eisenkern 7,
6, 8 folgen, U-förmig ist.
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Zum Eichen der Vorrichtung werden die freien Enden des Eisenkerns
unmittelbar auf die Oberfläche der Unterlage 9 gesetzt, und der Einstellkern wird
gedreht, bis der Zeiger des Instruments 4 auf Null steht. Das Gleichgewicht der
Brückenschaltung ist nun eingestellt.
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Bei Anordnung des Eisenkerns auf der Oberfläche der Schicht 10 wird
das Gleichgewicht der Brückenschaltung infolge der Änderung des magnetischen Widerstands
des kreises der Kraftlinien gestört, und am Instrument 4 kann die Stärke der Schicht
10 unmittelbar abgelesen werden, da die erhaltene Anzeige von den magnetischen Eigenschaften
der Unterlage 9 nahezu unabhängig ist, wie aus nachstehendem hervorgeht: Die Spannung
an der Spule 5, die für das Gleichgewicht der Brückenschaltung maßgebend ist, ist
dem Kraftlinienfluß # im Kern proportional. Für die Größe des Kraftlinienflusses
# gilt, wenn die Permeabilität der Schicht 10 derjenigen der Luft gleich ist:
wobei: MMK = die im magnetischen Kreis wirksame magnetomotorische Kraft, lx = die
zu ermittelnde Stärke der Schicht 10, lk = die Länge des Weges des kraftlinienflusses
im Kern 7, 6, 8, lo die Länge des Weges des Kraftlinienflusses in der Unterlage
10, µk = die magnetische Permeabilität des Kerneisens, µo = die magnetische Permeabilität
der Unterlage 9, Qx = der mittlere Querschnitt des Weges des Kraftlinienflusses
in der Schicht 10, Qk = der mittlere Querschnitt des Weges des Kraftlinienflusses
im Eisenkern 7, 6, 8, Qo = der mittlere querschnitt des Weges des Kraftlinienflusses
in der Unterlage 9.
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Es ist zu bemerken, daß die Faktoren Qx, lk, lo und µk einen durch
die Abmessungen des Eisenkerns bzw. das Kerneisen bedingten unveränderlichen Wert
besitzen.
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Bei der Eichung der Vorrichtung werden die freien Enden des Kerns
unmittelbar auf die Oberfläche der Unterlage 9 gesetzt und ist also lx = 0 und somit
das erste Glied im Nenner der obigen Formel gleich Null. Wird dann mit Hilfe des
Einstellkerns 12 das Gleichgewicht der Brückenschaltung eingestellt, so wird, da
beim Gleichgewicht der Brückenschaltung der Kraftlinienfluß und die MMK einen vorherbestimmten
Wert besitzen, bewerkstelligt, daß die Summe der beiden letzten Glieder im Nenner
der Formel einen bestimmten, von den magnetischen Eigenschaften der angewendeten
Unterlage 9 unabhängigen Wert annimmt.
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Auf diese Weise wird der Einfluß der magnetischen Eigenschaften und
der Abmessungen der Unterlage 10 durch Einstellung des magnetischen Widerstands
des Eisenkerns ausgeglichen.
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Bei der Bestimmung der Stärke einer Schicht ist dann die Störung des
Brückengleichgewichts und mithin die Anzeige auf dem Instrument 4 nahezu ausschließlich
von dem durch die Schicht 10 verursachten Luftspalt (2 lx) abhängig, und das Instrument
kann in Schichtstärken, z. B. in Mikrons, geeicht werden.
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Es ist zu bemerken, daß die Vorrichtung gemäß der Erfindung auch mit
Vorteil bei der Bestimmung der Abweichung der Stärke einer Schicht von einem vorgeschriebenen
Wert anwendbar ist, wenn die Eichung mit Hilfe einer Schicht der erforderlichen
Stärke erfolgt.
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Schließlich sei darauf hingewiesen, daß die Vorrichtung gemäß der
Erfindung außerdem zur Bestmmung der Stärke einer Schicht angewendet wer@ den kann,
die aus einem Material mit einer geringen magnetischen Permeabilität, wie z. B.
Nickel, besteht.
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Bei der Bestimmung der Stärke ist natürlich die Permeabilität der
Schicht zu berücksichtigen, aber auch in diesem Fall hat die Vorrichtung gemäß der
Erfindung den Vorzug, daß die erhaltene Anzeige von den Eigenschaften der Unterlage
unabhängig ist.