Verfahren und Vorrichtung zur Messung der Rauhigkeit planbearbeiteter metallischer
Oberflächen.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung der Rauhigkeit planbearbeiteter metallischer Oberflächen.
Gemäss dem Verfahren naeh der Erfin dung wird unter Ausnutzung des Skineffektes bei Hochstfrequenzen der Widerstand einer Oberflächensehicht eines Fläehenteils des zu nntersuchenden rauhen Materials mit dem einer gleich grossen Bezugsfläehe mit praktisch vernachlässigbarer Rauhigkeit verglichen.
Ausserdem wird weiterhin ein Mass des freien Luftvolumens zwischen dieser rauhen Oberfläche und einer möglichst ebenen Bezugs- fläche f Luftmass) durch eine Kapazitätsver- gaz eiehsmessung bestimmt, wobei der Quotient ans dem relativen Widerstand und der relativen Kapazität ermittelt wird, um als : NIass für die Rauhigkeit des betreffenden Werkstückes zu dienen.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vor riehtung zur Durchfiihrung des obigen Verfahrens. Sie kennzeichnet sich dadurch, dass an einen Höehstfrequenzsender eine aus kon zentrischen Leitungsstücken bestehende Er- satzantenne angesehlossen ist, wobei die offenen Enden der beiden Antennenzweige einerseits mit dem Prüfling und anderseits mit einem die Bezugsflache aufweisenden Teil abschliessbar sind, wobei Messkreise mit je einem Antennenzweig gekoppelt sind, die die Hoehfrequenzströme messend vergleichen.
In den Zeiehnungen zeigt :
Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel einer Vor- richtung zur Ausführung des erfindungsgemässen Verfahrens,
Fig. 2 eine Kapazitätsmessanordnung, die zur Bestimmung des Luftmasses der rauhen Oberfläche dient.
An der Oberfläche 1 des Prüflings werden zwei Messungen vorgenommen. Die infolge des als bekannt vorauszusetzenden Skineffektes relativ geringe Stromeindringung bei sehr hohen Frequenzen bewirkt eine scheinbare Er höhung des spezifischen Widerstandes, da nur ein relativ geringer Teil des Leiterquerschnittes vom Strom durehflossen wird. Da der nur in der äussersten Oberflächenhaut fliessende Hochstfrequenzstrom der topographischen Oberflächengestalt exakt folgen muss, wird der wirksame Stromweg gegenüber einem Leiter mit ideal glatter Oberfläche um einen definierten Betrag erhöht.
Die numerische Grosse dieses Betrages ändert sich naturgemäss mit der Achsenorientierung des Stromflusses an der zu prüfenden Oberfläche.
Es ist nur notwendig, den Widerstand der Fläche des Prüfkörpers zu vergleichen mit dem Widerstand einer ebenen Bezugsfläche mit praktisch verschwindender Rauhigkeit gleicher geometrischer Abmessungen. Aus dem Quotienten beider Widerstandswerte kann dann auf die Beschaffenheit der zu prüfenden Oberfläehe geschlossen werden.
Die Vorrichtung zur Durchführung einer solchen Messung ist in Fig. 1 dargestellt.
Als Generator kommt ein Höchstfrequenz sender 4, beispielsweise ein Magnetron mit einer Wellenlänge von beispielsweise 10 cm (3 X 109 Hz), zur Anwendung. An den Hochst frequenzsender ist eine aus konzentrischen Leitungsstücken bestehende T-formige Ersatzantenne 5 angeschlossen. Der Aussenleiter 6 in Form eines zylindrisehen Rohres umgibt konzentriseh einen Innenleiter 7 mit kreisför- migem Querschnitt. Die beiden gleich langen Antennenzweige werden an dem einen Ende mit dem Prüfling 1 und an dem andern mit dem Normal 3 abgeschlossen, indem das untere Ende auf den Prüfling 1 aufgesetzt wird, während auf das obere Ende das Normal 3 aufgelegt wird.
Zwisehen dem Aussenleiter 6 und dem Innenleiter 7 verbleibt die Messfläche 8 in Form einer Kreisringfläche. Diese Messfläche 8 wird nun sowohl beim Prüfling als auch heim Normal von hochfrequentem Wech selstrom durchsetzt. Damit erhält man unter Benutzung bekannter Schaltungen 9 und 10 am Röhren-Voltmeter 11 unmittelbar einen Vergleichswert der Wirkwiderstände der gleich grossen Flächenelemente 8.
Um die Oberflächenrauhiblkeit noch besser zu erfassen, ist noch eine zweite Grosse von Bedeutung. Sie ist das sogenannte Luftmass.
Dieses lässt sich messtechnisch erfassen mit Hilfe einer Kapazitätsmessung zwischen einer möglichst ebenen Messelektrode und der Oberfläche des Prüflings. Zlun Zwecke einer gro ssen Genauigkeit wird hierzu eine sehr dünne Glasplatte 12 verwendet, die als Dielektrikum wirkt. Auf sie ist einseitig ein Silberbelag 13 aufgebracht. 14 ist die eigentliche Messelektrode. Die Glasplatte wird, wie Fig. 2 in vergrössertem Massstab erkennen lässt, auf den Prüfling 1 aufgelegt und die Kapazität zwischen dem Silberbelag 13 und der Oberfläche gemessen. Damit kann das Luftmass zwisehen der Oberfläche des Prüflings 1 und der Messelektrode 14 bestimmt werden.
Je nach der Rauhigkeit der Oberfläche ist dieses Luftmassx- verschieden. Die Kapazität des Kondensators 1, 12,14 wird verglichen mit derjenigen eines Kondensators, bei dem die Messelektrode durch die Bezugsfläche mit ver nachlässigbarer Rauhigkeit gebildet wird. Der Quotient der beiden Kapazitäten wird dureh die Doppeltriode 15 gebildet.
Schliesslich kann am Quotientenmesser 16 der Quotient der beiden durch die Doppeltrioden 11 und 15 gebildeten relativen Widerstands-bzw. Kapazitätswerte unmittelbar abgelesen werden. Dieses Messgerät ist als Kreuz spulinstrument ausgeführt.
PATENTANSPRi' : CHE : I. Verfahren zur Messung der Rauhigkeit planbearbeiteter metallischer Oberflächen, dadurch gekennzeichnet, dass unter Ausnut zung des Skineffektes bei Höehstfrequenzen der Widerstand einer Oberflächenschicht eines Fläehenteils des zu untersuchenden rauhen Materials verglichen wird mit dem einer gleich grossen Bezugsfläche mit praktiseh ver nachlässigbarer Rauhigkeit und dass ferner ein Mass des freien Luftvolumens zwischen dieser rauhen Oberfläehe und einer mögliehst ebenen Bezugsfläehe (Luftmass) durch eine Kapazitätsvergleichsmessung bestimmt wird,
wobei der Quotient aus relativem Widerstand und relativer Kapazität ermittelt wird, um als Mass für die Rauhigkeit des betreffenden Werkstüekes zu dienen.
II. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens naeh Patentansprueh I, da dureh gekennzeichnet, dass an einen Hochst frequenzsender eine aus konzentrischen Leitungsstüeken bestehende T-formige Ersatzantenne angeschlossen ist, wobei die offenen Enden der beiden Antennenzweige einerseits mit dem Prüfling und anderseits mit einem die Bezugsfläche aufweisenden Teil abschliessbar sind, wobei Messkreise mit je einem Antennenzweig gekoppelt sind, die die Hoch frequenzstrome messend vergleichen.
Method and device for measuring the roughness of surface-machined metallic materials
Surfaces.
The invention relates to a method and a device for measuring the roughness of plane-machined metallic surfaces.
According to the method according to the invention, using the skin effect at high frequencies, the resistance of a surface layer of a surface part of the rough material to be examined is compared with that of an equally large reference surface with practically negligible roughness.
In addition, a measure of the free air volume between this rough surface and a reference area that is as flat as possible (air mass) is determined by a capacitance displacement measurement, the quotient of the relative resistance and the relative capacitance being determined as: NIass for the To serve roughness of the workpiece in question.
The invention also relates to a device for carrying out the above method. It is characterized in that a replacement antenna consisting of concentric line pieces is connected to a highest frequency transmitter, the open ends of the two antenna branches being lockable on the one hand with the test object and on the other hand with a part having the reference surface, with measuring circuits being coupled to one antenna branch each which compare the high frequency currents by measuring.
In the drawings shows:
1 shows an embodiment of a device for carrying out the method according to the invention,
2 shows a capacitance measuring arrangement which is used to determine the air mass of the rough surface.
Two measurements are made on the surface 1 of the test object. The relatively low current penetration at very high frequencies due to the skin effect, which is assumed to be known, causes an apparent increase in the specific resistance, since only a relatively small part of the conductor cross-section is permeated by the current. Since the high-frequency current flowing only in the outermost surface skin has to follow the topographical surface shape exactly, the effective current path is increased by a defined amount compared to a conductor with an ideally smooth surface.
The numerical size of this amount naturally changes with the axial orientation of the current flow on the surface to be tested.
It is only necessary to compare the resistance of the surface of the test piece with the resistance of a flat reference surface with practically vanishing roughness of the same geometric dimensions. The quality of the surface to be tested can then be inferred from the quotient of the two resistance values.
The device for performing such a measurement is shown in FIG.
A maximum frequency transmitter 4, for example a magnetron with a wavelength of 10 cm (3 × 109 Hz), for example, is used as the generator. A T-shaped replacement antenna 5 consisting of concentric pieces of line is connected to the high frequency transmitter. The outer conductor 6 in the form of a cylindrical tube concentrically surrounds an inner conductor 7 with a circular cross-section. The two antenna branches of equal length are terminated at one end with test item 1 and at the other with standard 3 by placing the lower end on test object 1 while standard 3 is placed on the upper end.
Between the outer conductor 6 and the inner conductor 7, the measuring surface 8 remains in the form of a circular ring surface. This measuring surface 8 is now penetrated by high-frequency alternating current both in the test item and at home. Using known circuits 9 and 10, a comparison value of the effective resistances of the surface elements 8 of the same size is thus obtained directly on the tube voltmeter 11.
In order to capture the surface roughness even better, a second quantity is important. It is the so-called air mass.
This can be recorded with the help of a capacitance measurement between a measuring electrode that is as flat as possible and the surface of the test object. A very thin glass plate 12, which acts as a dielectric, is used for the purpose of greater accuracy. A silver coating 13 is applied to it on one side. 14 is the actual measuring electrode. The glass plate, as shown in FIG. 2 on an enlarged scale, is placed on the test specimen 1 and the capacitance between the silver coating 13 and the surface is measured. The air mass between the surface of the test object 1 and the measuring electrode 14 can thus be determined.
This air mass is different depending on the roughness of the surface. The capacitance of the capacitor 1, 12, 14 is compared with that of a capacitor in which the measuring electrode is formed by the reference surface with negligible roughness. The quotient of the two capacitances is formed by the double triode 15.
Finally, the quotient of the two relative resistance or resistance values formed by the double triodes 11 and 15 can be measured on the quotient meter 16. Capacitance values can be read immediately. This measuring device is designed as a cross-coil instrument.
PATENT APPLICATION: CHE: I. Method for measuring the roughness of plane-machined metallic surfaces, characterized in that, taking advantage of the skin effect at high frequencies, the resistance of a surface layer of a surface part of the rough material to be examined is compared with that of an equally large reference surface with practically negligible Roughness and that a measure of the free air volume between this rough surface and a reference surface that is as flat as possible (air mass) is determined by a capacitance comparison measurement,
the quotient of the relative resistance and the relative capacitance is determined in order to serve as a measure of the roughness of the workpiece in question.
II. Device for carrying out the method according to patent claim I, characterized in that a T-shaped replacement antenna consisting of concentric line pieces is connected to a high-frequency transmitter, the open ends of the two antenna branches on the one hand with the test object and on the other hand with a reference surface Part are lockable, with measuring circuits each being coupled with an antenna branch that compare the high-frequency currents by measuring.