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Anordnung zur Messung von Schichtdicken nichtferromagnetischer Medien
auf ferromagnetischem Material Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Messung
von Schichtdicken nichtferromagnetischer Medien auf ferromagnetischen Unterlagen
mittels ein-oder mehrpoliger induktiver Taster, wobei die von der Dicke der nichtferromagnetischen
Schicht abhängige induzierte elektrische Spannung nach einer phasengesteuerten Gleichrichtung
zur Anzeige gebracht wird.
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Es sind bereits Schichtdickenmesser bekannt, bei denen die Dichte
der magnetischen Feldlinien durch ein feldempfindliches System gemessen wird. Sei
es nun, daß das feldempfindliche System, welches in der Regel sich in Form einer
Spule über einem Eisenkern befindet, als Induktivität ausgebildet ist, oder sei
es, daß das feldempfindliche System ein anderes Prinzip zur Anzeige der magnetischen
Feldliniendichte besitzt, in jedem Fall basiert das Prinzip dieser bekannten Schichtdickenmesser
auf der Tatsache, daß das ferromagnetische Grundmaterial, welches von einer nichtferromagnetischen
Schicht bedeckt ist, den Weg der Feldlinien verkürzt und somit in Abhängigkeit von
der Schichtdicke einen mehr oder minder großen Magnetfluß in dem System bewirkt.
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Im allgemeinen wird ein jochförmiger, mitunter aber auch ein stabförmiger
Taster verwendet, dessen Eisenkern durch einen Wechselstrom erregt wird. Eine auf
dem gleichen Eisenkern angebrachte Sekundärwicklung gibt eine von der Dichte der
magnetischen Feldlinien im Eisenkern abhängige Wechselspannung ab, die um so größer
ist, je dünner die zu messende Schichtdicke ist. Bei der Schichtdicke Null ergibt
sich der größtmögliche magnetische Fluß und damit auch die höchste abgegebene Spannung.
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Die bekannten Anordnungen weisen beträchtliche Mängel auf, da der
Rückschluß der magnetischen Feldlinien durch die ferromagnetische Unterlage in erheblichem
Umfang von der magnetischen Leitfähigkeit - also der Permeabilität des Unterlagematerials
- abhängt. Die Permeabilitäten gebräuchlicher Eisensorten liegen im Bereich zwischen
F = 1000 und F = 40. Bei gleicher Schichtdicke, jedoch mit so außerordentlich unterschiedlicher
Permeabilität des Träger- oder Grundmaterials schwankt die Amplitude der abgegebenen
Spannung nennenswert in Abhängigkeit der gewählten Permeabilität der Unterlage.
Bei genauer Untersuchung der abgegebenen Spannung eines zweipoligen oder einpoligen
Meßtasters läßt sich aber auch feststellen, daß neben der Amplitude auch die Phasenlage
der abgegebenen Wechselspannung, bezogen auf eine beliebige Taktphase, nennenswerten
Änderungen unterliegt, was davon herrührt, daß die abgegebene Span-
nung eine Phasendrehung
in Abhängigkeit von der Leitfähigkeit des Unterlagematerials erfährt. Da aber die
bekannten Anordnungen meistens auf reiner Amplitudenmessung basieren, wird bei einer
gewissen Einstellung eines Meßgerätes vor allem dann eine erhebliche Schichtdicke
vorgetäuscht, wenn diePermeabilität des Unterlagematerials niedrig ist, da dann
der Widerstand des gesamten magnetischen Kreises wächst.
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Zur Vermeidung dieser Nachteile wurden bei einem bekannten Verfahren
die Werte für Material niedrigerer Permeabilität jeweils mit einem entsprechenden
konstanten Faktor multipliziert, um wieder auf die Werte von Weicheisen zu kommen.
Damit wird jedoch nur für den oberen und unteren Endpunkt des Meßbereiches eine
weitgehende Deckung erreicht, für mittlere Werte treten jedoch nach wie vor größere
Meßfehler auf. Außerdem verlangt dieses Verfahren eine spezielle Einstellung für
jedes vorliegende Grundmaterial.
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Ein anderes bekanntes Verfahren benutzt den Phasenwinkel Generatorspannung-Ausgangsspannung
als Maß für die Schichtdicke, wobei durch geeignete Dimensionierung der permeabilitätsbedingte
Anzeigefehler zwar durchaus verkleinert, jedoch nicht eliminiert wird. Für genaue
Messungen ist deshalb auch in diesem Fall immer noch eine Eichung auf das vorliegende
Grundmaterial erforderlich.
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Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, unter Vermeidung der
genannten Mängel eine Anordnung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der
ein durch die unterschiedliche Permeabilität der verwendeten ferromagnetischen Unterlage
bedingter Meßfehler infolge der Amplituden- und Phasenlageänderung der induzierten
elektrischen Spannung weitgehend vermieden wird.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß bei unveränderter
Dicke der nichtferromagnetischen
Schicht die Empfindlichkeitsrichtung
der phasengesteuerten Gleichrichtung so gewählt ist, daß sie zur innerhalb eines
bestimmten Permeabilitätsbereiches eine Gerade oder nahezu eine Gerade bildenden
Verbindungslinie der Endpunkte der bei verschiedenen Permeabilitäten der ferromagnetischen
Unterlage auftretenden Spannungsvektoren verschiedener Amplitude und Phasenlage
senkrecht steht.
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Die Verschiedenheit der Phasenlage und Vektorgröße wird dabei nur
durch die Verschiedenheit der Permeabilität des Trägermaterials bedingt. Da innerhalb
eines bestimmten Permeabilitätsbereiches die geometrische Projektion dieser Spannungsvektoren
auf die Empfindlichkeitsrichtung der gesteuerten Gleichrichtung bei verschiedenen
Permeabilitäten und Leitfähigkeiten der Unterlage, jedoch unveränderter Schichtdicke
der nichtferromagnetischen Schicht stets konstant bleibt, wird eine von der Vektorgröße
und Phasenlage der Spannungsvektoren weitgehend unabhängige Messung erreicht.
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Durch die erfindungsgemäße Maßnahme wird also der Vorteil erzielt,
daß bei einem einmal vorgenommenen Abgleich der Anordnung innerhalb eines bestimmten
Permeabilitätsbereiches die Messung der Schichtdicke unabhängig von der gewählten
Permeabilität der ferromagnetischen Unterlage ist und somit die Messung eine größere
Genauigkeit aufweist als bei den bekannten Meßanordnungen für nichtferromagnetische
Schichtdicken. Da der Einfluß des Abstandes Prüfspule-Material nahezu geradlinig
verläuft, dagegen der Einfluß physikalischer Materialeigenschaften wie Leitfähigkeit
und Permeabilität auf einer wesentlich stärker gekrümmten Kurve, läßt sich die Form
dieser Kurve durch die Wahl der verwendeten Prüffrequenz beeinflussen, da diese
Kurve eine Funktion des Verhältnisses Prüffrequenz zu Grenzfrequenz darstellt, die
Grenzfrequenz ihrerseits aber eine Funktion der genannten physikalischen Eigenschaften
ist und damit in jedem einzelnen Fall einen der Anordnung entsprechenden festen
Wert besitzt.
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Die experimentellen Untersuchungen haben ergeben, daß der Bereich,
in dem die Vektorendpunkte auf einer Geraden oder nahezu auf einer Geraden liegen,
durch die Wahl einer entsprechenden Prüffrequenz (bei den untersuchten Anordnungen
zwischen 100 Hz und 1 kHz) auf die interessierenden Permeabilitäten von > 40
bis y -t oo ausgedehnt werden kann.
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Die Erfindung ist in der Zeichnung an Hand eines Ausführungsbeispiels
näher veranschaulicht.
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Ein U-förmig gebogener Eisenkern 1 trägt eine Primär- und eine Sekundärwicklung,
wobei die Schenkel dieses Tasters an deren Spitze kalottenförmig ausgebildet sind.
Wird die Primärspule dieses jochförmigen Tasters mit einem entsprechenden Wechselstrom
7 beschickt, so wird in der Sekundärspule eine bestimmte Spannung erzeugt, deren
Höhe von den geometrischen und elektrischen Daten des Tasters abhängig ist. Wird
nun dieses Joch auf ein Weicheisenmaterial 3 mit hoher Permeabilität (z.B. 1000)
aufgesetzt, wobei z. 3. die Dicke der nichtferromagnetischen Schicht 2 Null sei,
so können sich die magnetischen Feldlinien in idealer Weise schließen, wodurch ein
kräftiger Anstieg der Spannung 10 auf der Sekundärseite bewirkt wird. Diese Sekundärspannung
besitzt eine bestimmte Amplitude und - bezogen auf die Erregerstromphase - eine
gewisse Phasenver-
schiebung. Wird der gleiche Taster sodann auf eine Eisenplatte
sehr niedriger Permeabilität (z. B. ll = 40) aufgesetzt, so erfahren die magnetischen
Feldlinien einen gegenüber vorher beträchtlichen Widerstand, was einen entsprechend
kleinen magnetischen Fluß und somit eine kleine Sekundärspannung 12 zur Folge hat.
Aber auch die Phasenlage dieses letztgenannten Spannungsvektors unterscheidet sich
gegenüber jener, welche bei hochpermeablem Material auftritt.
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Erfindungsgemäß wird nun die auf diese Weise mit der Sekundärspule
gewonnene Spannung einer sogenannten phasengesteuerten Gleichrichtung 5 zugeführt,
deren Referenzphase (Empfindlichkeitsrichtung 8) mit Hilfe eines Phasenschiebers
4 beliebig um 3600 gedreht werden kann. Die Empfindlichkeitsrichtung 8 der phasengesteuerten
Gleichrichtung 5 wird nun so gelegt, daß die Verbindungslinie 9 der Endpunkte der
Spannungsvektoren 10, 11, 12 der Sekundärspule, die im interessierenden Bereich
der Permeabilitäten der gewählten Eisensorten der Unterlage 3 eine Gerade bildet,
senkrecht auf der Emfindlichkeitsrichtung 8 steht, was zur Folge hat, daß jeweils
nur die geometrische Projektion der Sekundärspannungsvektoren 10, 11, 12 auf der
Empfindlichkeitsrichtung 8 zur Anzeige 6 gelangt. Es wird somit erreicht, daß von
der Sekundärspule abgegebene Spannungen 10, 11, 12, die zufolge der Permeabilität
des Trägermaterials bei gleicher Schichtdicke verschiedene Amplituden und Phasenlagen
haben, mit dem gleichen Wert zur Anzeige gebracht werden können. Dadurch wird also
eine Unempfindlichkeit der Anzeige gegenüber Grundmaterial verschiedenster Permeabilität
erreicht, und es wird bei einem einmal vorgenommenen Abgleich des Schichtdickenmessers,
ungeachtet der Permeabilität des Trägermaterials, weitgehend der gleiche Ausschlag
des Meßinstrumentes 6 gezeitigt.