CH677027A5

CH677027A5 -

Info

Publication number: CH677027A5
Application number: CH2945/88A
Authority: CH
Inventors: Guenter Wahl; Thomas Fritzsche; Gerthold Listner
Original assignee: Nagema Veb K
Priority date: 1987-09-30
Filing date: 1988-08-03
Publication date: 1991-03-28
Also published as: IT1224538B; IT8848389A0; DD265223A1; DE3826024A1

Description

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Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Schichtdickenmessgerät nach denn Oberbegriff des Anspruchs 1.

Das gegenwärtig am meisten verbreitete Prinzip zum Messen dünner Schichten ist das sogenannte Wirbelstromverfahren. Dabei wird eine von Wechselstrom durchflossene Spule auf die Oberfläche der zu messenden Schicht stationär aufgesetzt.

Aus der DE-OS 2 923 066 ist eine Lösung bekannt, die auf diesem Prinzip beruht. Die Aufwertung erfolgt derart, dass die Phase des Messsignais gemessen und durch Regelung der Prüffrequenz der Spule diese Phase auf einen vorgegebenen Wert eingestellt wird. Danach wird entweder die Amplitude oder der Realteil oder der Imaginärteil des Impedanzvektors gemessen. Dieses Messprinzip ist nicht berührungslos und für viele Anwendungsfälle zu ungenau, weil das Material des Grundkörpers, hier der Walze, einen bedeutenden Einfluss auf das Ergebnis hat. Andere Werkstoffe und auch schon unterschiedliche Stärken der gehärteten Oberflächenschichten der Walzen führen zu abweichenden Messergebnissen. Bei jeder neuen Walze müsste das Messgerät neu geeicht werden. Dieses Verfahren ist für berührungsloses Messen nicht geeignet. Aus diesen Gründen gewinnen andere induktive Aufnehmersonden immer mehr an Bedeutung. Die Wirkungsweise dieser Sonden beruht darauf, dass sich das Kop-peiverhaiten zweier durch einen Ferritkern verbundener Spulen ändert, wenn sich die Lage des Kernes zur metallischen Walze ändert. Die Lage ändert sich dann, wenn der Abstand zur realen Oberfläche, d.h. der mit nichtmetällischen Schichten beaufschlagten Oberfläche, ständig nachgeregelt und so auf konstanten Abstand gehalten wird. Durch Differenzbildung dieses Messwertes mit dem in einem Referenzsystem gespeicherten Messwert zur blanken Oberfläche ergibt sich die Dicke der BeSchichtung,

Das eigentliche Problem besteht im Konstanthalten des Abstandes a zwischen der mit Schicht beaufschlagten Oberfläche der Walze und dem mit den Spulen bestückten Ferritkern.

Unter den Herstellern von Walzenstühlen für das Auswalzen von Schokolade ist eine Lösung bekannt, bei der dieser Abstand durch einen konstanten Luftstrom gehalten wird. Eine genau dimensionierte Luftdüse stellt den Abstand zur blanken Walzenoberfläche ein. Die bereits genannte induktive Aufnehmersonde misst diesen Abstand. Kommt nun Schokolade unter die Luftdüse, stellt sich der gleiche Abstand auf diese Schicht ein. Die induktive Sonde misst stets auf die metallische Walzenober-fläche, Die Differenz dieser 2 Werte ergibt die Schichtdicke.

Diese Lösung ist sehr aufwendig. Der Luftdruck muss exakt auf dem gleichen Wert gehalten werden, was technisch sehr schwer realisierbar ist. Eine genau kalibrierte Düse ist notwendig. Die Reinigung der zu verwendenden Luft ist unökonomisch.

Trotz des hohen Aufwandes kann diese Einrichtung nicht allen Anforderungen gerecht werden. Insbesondere die Genauigkeit ist unzureichend.

Die Ursache dafür ist die Rauhigkeit der zu messenden Schicht. Der auf die Oberfläche auftreffende Luftstrom wird durch diese Rauhigkeit beein-flusst. Damit wird das Messergebnis durch die undefinierbare Rauhigkeit der Oberfläche verfälscht,

Das Ziel der Erfindung besteht darin, ein mit hoher Präzision arbeitendes Schichtdickenmessgerät zu entwickeln.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Schichtdickenmessgerät zu entwickeln, durch das auch bei unterschiedlichen Strukturen der Oberfläche, wie sie sich durch unterschiedliches Material der Schichten ergeben, exakte Messergebnisse erzielbar sind.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass eine Sendediode und eine Differenzfotodiode gegenüberliegend auf der Messbrücke angeordnet sind, wobei optische Mittel zum Bündeln der von der Sendediode emittierten Lichtwellen vorgesehen sind, die optische Achse zwischen Sendediode und Differenzdiode die Oberfläche berührt und ein Differenzflussmagnet mit der Messbrücke verbunden ist.

Die erfinderische Lösung hat den Vorteil, dass der Messwert nicht durch solche Störfaktoren, wie die Lageveränderung der zu messenden Walze und des Abriebs der Walze beeinflusst wird.

Das Messverfahren ist berührungslos. Es besteht die Möglichkeit der Messung während der Rotation der Walze und dadurch eine Korrektur der Unsymmetrie.

Weiterhin besteht die Möglichkeit, die Veränderung des Messabstandes durch Veränderung des Referenzsignales zu erreichen. Ein weiterer Vorteil ist, dass nur ein Energieträger benötigt wird.

Die Erfindung soll nun an Hand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert werden.

Die dazugehörigen Zeichnungen haben folgende Bedeutung:

Fig. 1 Schematische Darstellung der Messbrücke mit Positioniereinrichtung,

Fig. 2 Schematische Darstellung der Messbrücke mit Messspulen,

Fig. 3 Aufbau der Messspule.

Als Ausführungsbeispiel wurde ein Schichtdickenmessgerät für einen Walzenstuhl, wie er für die Feinvermahlung von Schokolade, Farben u.ä. zur Anwendung kommt, gewählt. Wie aus den Figuren ersichtlich, besteht das erfindungsgemässe Schichtdickenmessgerät aus einer Positioniereinrichtung und der eigentlichen Messeinrichtung mit der Messspule.

Die Messbrücke 1 ist auf einem nicht dargestellten Maschinengestell drehbar um den Punkt A angebracht. Die Messbrücke 1 besteht aus einem Messbalken 2, an dessen Enden Optikhalteköpfe 3 angeordnet sind. Der Optikhaltekopf 3a trägt eine Sendediode 4, die als Luminiszenzdiode ausgebildet ist, und die entsprechende Optik 5a zum Bündeln der von der Sendediode 4 emittierten Lichtwellen. Die Sendediode 4 wird über einen Generator 6 mit Energie versorgt.

Auf dem Optikhaltekopf 3b ist hinter einer ent5

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sprechenden Optik 5b eine Differenzfotodiode 7 angeordnet. Die Differenzfotodiode 7 besteht aus zwei gegenpolig aufgebauten Flächendioden 7a, 7b, die eine gemeinsame Katode besitzen.

Die Messbrücke 1 ist mit einem Differenzflussmagnet 8 über einen beweglichen Pleuel 10 mit dem Magnetkern 9 verbunden. Der Differenzflussmagnet 8 besteht aus einer Hubwicklung 1t, einer Steuerwicklung 12, einem Magnetjoch 13 und dem schon genannten Magnetkern 9. Die Hubwicklung 11 ist über einen Hubverstärker 14 mit der Flächendiode 7a verbunden. Die Steuerwicklung 12 ist über einen Steuerverstärker 15 mit der Flächendiode 7b gekoppelt. Der Anlenkpunkt des Differenzflussmagneten 8 befindet sich unweit des Optikhaltekopfes 3b, während das Gelenk 16 mit dem Punkt A der Messbrücke 1 sich in der Nähe des Optikhaltekopfes 3a befindet. Das heisst, der Differenzfiussmagnet 8 greift am langen Hebelarm an. Die Mitte der Messbrücke 1 selbst würde im ausgeschalteten Zustand auf der Peripherie der Walze 17 aufliegen, aber eine andere, hier nicht beschriebene Anordnung, hebt die Messbrücke 1 in stromlosem Zustand durch Gewichte an. Durch den in Figur 1 nicht dargestellten Ferritkern 18 mit den Messspulen Li und U wird über den Luftspalt a und der Walze 17, die als Anker wirkt, ein magnetischer Kreis aufgebaut.

Es ist sichtbar, dass die Messspule hz mit dem Messverstärker 19 und einer Anzeigeeinrichtung 20 verbunden ist. Die Messspule Li ist mit einem Messgenerator 23 gekoppelt.

Eine Nachbildung dieser Anordnung ist mit dem Referenzkem 21, dem Referenzjoch 22, dem Referenzspalt b sowie den Referenzspulen L3; L* aufgebaut und ist mit dem invertierenden Eingang des Messverstärkers 19 verbunden. Das Referenzjoch 22 entspricht einer Walzennachbildung. In Figur 3 ist die elektrische Verkopplung dieser Anordnung dargestellt.

Die Spule Li und Kondensator Ci ebenso wie Spule L3 und Kondensator C2 bilden Serienresonanzkreise, die dem Messgenerator 23 zugeordnet sind.

Zur Wirkungsweise:

Im fiktiven, nicht arbeitenden Zustand würde der Messbalken 2 der Messbrücke 1 auf der Peripherie der Walze 17 aufliegen. Dabei würde das Lichtstrahlbündel durch die zu messende Schicht und durch die Walze 17 abgeschattet. Auf die Differenzfotodiode 7 fällt kein Licht. Die zwei Flächendioden 7a, 7b geben proportional zur belichteten Fläche Strom ab, d.h., die Flächendioden 7a, 7b sind abgeschaltet. Der Hubverstärker 14 gibt aber auf Grund seines invertierenden Verhaltens einen Maximalstrom an die Hubwicklung 11 des Differenzflussmagneten 8 ab. Dieser ist so bemessen, dass er allein ausreicht, um die Messbrücke 1 von der unteren Position zu einem oberen Anschlag zu heben. Im aktivierten Zustand erhält die Flächendiode 7a zunehmend Licht. Dadurch sinkt der Hubstrom ab. Bis zu diesem Zeitpunkt hat die Flächendiode 7b noch kein Signal an den Steuerverstärker 15 abgegeben. Es fliesst kein Steuerstrom.

Erreicht nun der Walzenschatten die Flächendiode 7b, gibt diese ein Signal an den sehr steilen

Steuerverstärker 15. Dieser gibt gegenläufigen Strom an die Steuerwicklung 12 des Differenzflussmagneten 8 ab. Die Wirkungsweise des Differenzflussmagneten 8 beruht darauf, dass die Hubwicklung 11 den Magnetkern 9 entsprechend des Stromflusses anhebt. Die Steuerwicklung 12 erhält einen Steuerstrom, der in entgegengesetzter Richtung fliesst. Damit entsteht bei entsprechender Steuerung ein Differenzfluss, der eine gesteuerte Magnetkraft auf den beweglichen Magnetkern 9 ausübt. Unter Einbeziehung der Gravitationskraft wird über den Pleuel 10 die Messbrücke 1 in einen Schwebezustand mit definierter Position über der Walze 17 und der Schicht eingespielt. Das geschieht, indem durch den steilen Steuerverstärker 15 in der Steuerwicklung 12 ein Gegenstrom erzeugt wird, der den Magnetkern 9 in seiner Hubbewegung abbremst und ihn in dieser Position fixiert.

Das nachfolgende Messverfahren mit den genannten Spulen Li; Lz; L3; L4 gestattet mit ausreichender Genauigkeit die Messung der Position des Ferritkerns 18 über der Oberfläche der Walze 17 ohne Berücksichtigung der aufliegenden Schichten.

Für die Nullanzeige, d.h. für die Walze 17 ohne Schicht, müssen die Induktivitäten, Kapazitäten und Widerstände des Messsystems und des Referenzsystems völlig identisch abgeglichen sein. Das bedeutet unter anderem, dass mit der Wahl des Referenzspaltes b im Referenzsystem der Luftspalt a des Messsystems zur Walze 17 hin festgelegt wird und damit dieser Abstand in relativen Grenzen frei wählbar ist.

Ferner muss beachtet werden, dass die unvermeidbare Temperaturdrift beider Systeme völlig gleichen Verlauf hat und die Messgeneratorfrequenz keine grössere Abweichung von der Resonanzfrequenz der Schwingkreise Li, Ci und Lg C2 als im Arbeitstemperaturbereich von 30 - 50°C aufweisen darf.

Die Resonanzfrequenz ist wegen zu hoher Wirbelstromverluste bei hohen Frequenzen und zu hohem materiellen Aufwand bei niedrigen Frequenzen mit ca. 300 Hz optimal. Praktisch wird der Serienresonanzkreis Li Ci für diese Frequenz aufgebaut, der Messgenerator 23 auf Resonanzfrequenz eingestellt und der zweite Serienresonanzkreis L3 C2 mit Kapazitäten abgeglichen.

So werden beide Reihenschwingkreise Li Ci und L3 C2 mit ihrer Resonanzfrequenz betrieben. Besitzt der Messgenerator 23 einen kleinen Innenwiderstand, treten an Li und L3 resonanzüberhöhte Spannungen gleicher Phase und Amplitude auf, wobei die Phasenlage 90° gegenüber der Phase des Messgenerators 23 verschoben ist. An der Spule L2 wird die Spannung mit der Phasenlage 90° + 180° und an der Spule L4 ebenfalls mit Phasenlage 180° + 90° abgegriffen. Am Messpunkt Bt zu Messpunkt B2 ist damit zu jedem Zeitpunkt die Spannungsdifferenz Null. Ändert sich der Abstand der Spule L2 zur Walze 17, wird der komplexe Widerstand des

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Reihenschwingkreises durch Änderung des Koppelfaktors zwischen Li und Ls geändert. Zwischen Punkt BVBz ist die Phasen- und Amplitudendifferenz über einen Messverstärker 19 auswertbar.

Im einfachsten und ökonomischsten Fall wird die verzerrte Differenzspannung nach Verstärkung gleichgerichtet und zur Anzeige gebracht.

Eine digitale Auswertung der Phasen der Ströme zwischen Bi und B2 bringt eine verbesserte und störungsfreie Auswertung. Der von Null abweichende, angezeigte Signalwert kann direkt als Mass für die aufliegende Schichtdicke geeicht werden,

Claims

Patentansprüche

1. Schichtdickenmessgerät zum Messen dünner Schichten, insbesondere auf Oberflächen von Walzen, Wellen und Rädern, bestehend aus einer der Oberfläche zugeordneten Messbrücke, die einen aussermittigen Drehpunkt aufweist und auf der eine Messspule angeordnet ist, die mit einer Auswerte-etektronik gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Sendediode (4) und eine Differenzfoto-diode (7) gegenüberliegend auf der Messbrücke (1) angeordnet sind, wobei optische Mittel zum Bündeln der von der Sendediode (4) emittierten Lichtwellen vorgesehen sind, die optische Achse zwischen Sendediode (4) und Differenzfotodiode (7) die Oberfläche berührt und ein Differenzfiussmagnet (8) mit der Messbrücke (1) verbunden ist.

2. Schichtdickenmessgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Differenzfiussmagnet (8) aus einer Hubwicklung (11), einer Steuerwicklung (12), einem Magnetjoch (13) und einem beweglichen Magnetkern (9) und angelenktem Pleuel (10) besteht.

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