DE1276338B

DE1276338B - Measuring arrangement for determining the thickness of a metallic, non-ferromagnetic layer on a ferromagnetic carrier

Info

Publication number: DE1276338B
Application number: DE1966H0058288
Authority: DE
Inventors: Dr-Ing Hans-Joachim Reifurth; Peter Schmidt
Original assignee: Hoesch AG
Current assignee: Hoesch AG
Priority date: 1966-01-20
Filing date: 1966-01-20
Publication date: 1968-08-29

Description

Meßanordnung zur Bestimmung der Dicke einer metallischen, nicht ferromagnetischen Schicht auf einem ferromagnetischen Träger Die Erfindung bezieht sich auf eine Meßanordnung zur Bestimmung der Dicke einer metallischen, nicht ferromagnetischen Schicht auf einem ferromagnetischen Träger, insbesondere einer Chromschicht auf einem Stahlstab, unter Ausnutzung des Skineflektes und Verwendung von Wechselstrom hoher Frequenz.Measuring arrangement for determining the thickness of a metallic, non-ferromagnetic Layer on a ferromagnetic carrier The invention relates to a measuring arrangement to determine the thickness of a metallic, non-ferromagnetic layer a ferromagnetic carrier, in particular a chrome layer on a steel rod, taking advantage of the skin spot and using alternating current of high frequency.

Bei einem bekannten Dickenmeßgerät wird zur Bestimmung der zu untersuchenden Schichtdicke die Tatsache ausgenutzt, daß in einem leitenden Material induzierte Wechselströme, sogenannte Wirbelströme, in Abhängigkeit von der Frequenz des Stromes in verschiedenen Tiefen eindringen. Je höher die Frequenz desto geringer ist die Eindringtiefe des Stromes und desto mehr hat der Strom die Neigung, längs der Oberfläche des Leiters oder der leitenden Fläche zu fließen. Dies ist als Skineffekt bekannt. Bei diesem bekannten Meßgerät wird die Oberfläche der zu untersuchenden Schicht von einer Prüfspule abschnittsweise abgetastet und das Ergebnis entspre chend ausgewertet. Diese Meßanordnung erlaubt ebenso wie ein anderes bekanntes zerstörungsfreies Meßverfahren, das die an z. B. einer Chromschicht entstehende Reflexion eines Betastrahles benutzt, eine gute Erfassung der Oberflächenbeschaffenheit eines kleinen Schichtflächenbereiches. Ein wesentlicher Nachteil dieses Meßgerätes tritt durch die bei induktiver Durchlaufhärtung des Trägermaterials - der Stahlstäbe - gewindeähnlich entstehende zonenunterschiedliche Permeabilität auf. Hierdurch werden im Meßgerät Schichtdickenänderungen störenden Ausmaßes vorgetäuscht. In a known thickness measuring device is used to determine the to be examined Layer thickness exploited the fact that induced in a conductive material Alternating currents, so-called eddy currents, depending on the frequency of the current penetrate at different depths. The higher the frequency, the lower the Penetration depth of the stream and the more the stream has the inclination, along the surface of the conductor or the conductive surface to flow. This is known as the skin effect. In this known measuring device, the surface of the layer to be examined is scanned in sections by a test coil and the result is evaluated accordingly. This measuring arrangement, like another known non-destructive measuring method, allows that the z. B. used a reflection of a beta ray resulting from a chrome layer, a good detection of the surface properties of a small layer surface area. A major disadvantage of this measuring device arises from the inductive hardening process of the carrier material - the steel rods - thread-like resulting zones different Permeability. As a result, changes in layer thickness in the measuring device are disruptive Faked extent.

Für eine laufende Produktionskontrolle z. B. bei der Herstellung von Kolbenstangen für hydraulische Stoßdämpfer, die im Interesse einer Verlängerung der Lebensdauer der Dichtungsstelle zwischen einer die Kolbenstange umschließenden Dichtung und der Kolbenstange mit einer Chromauflage für die Kolbenstange versehen werden, ist es nachteilig, daß die Meßgeräte jeweils nur eine wenige Quadratmillimeter große, dem Tastorgan, z. B. der Prüfspule, entsprechende Fläche erfassen. Die Messung der gesamten Oberfläche eines längeren Stabes beansprucht demzufolge eine verhältnismäßig lange Zeit. Die bekannten Meßgeräte sind daher für eine Produktionskontrolle nur unter Einschränkungen brauchbar, d. h. dann, wenn es sich um Prüfungen handelt, die für Stichproben in Betracht kommen. For an ongoing production control z. B. in manufacture of piston rods for hydraulic shock absorbers in the interest of an extension the service life of the sealing point between a piston rod enclosing Provide the seal and the piston rod with a chrome plating for the piston rod are, it is disadvantageous that the measuring devices are only a few square millimeters large, the organ of touch, z. B. the test coil, detect the corresponding area. The measurement of the entire surface of a longer rod consequently takes up a relatively large amount long time. The known measuring devices are therefore only used for production control usable under restrictions, d. H. then, when it comes to exams, which are eligible for spot checks.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, eine Meßanordnung der eingangs genannten Art anzugeben, mit der die gesamte Oberfläche des Prüflings mit einer einzigen Messung erfaßt wird, so daß unter Verzicht auf eine Kontrolle nur einzelner Stichproben die gesamte Fertigung einer solchen Messung unterworfen werden kann. The object on which the invention is based is to provide a measuring arrangement of the type mentioned at the beginning, with which the entire surface of the test object is recorded with a single measurement, so that a control is dispensed with the entire production process is subjected to such a measurement only for individual samples can be.

Nach der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der Prüfling in einem koaxialen Resonator durch Elektromagnete sowie die elektrische Verbindung zwischen Prüfling und Resonator herstellende Kontaktfedern gehalten wird, und durch eine Quotienten-Meßeinrichtung das Verhältnis der vom UKW-Generator über einen Richtkoppler und eine Kopplung dem Resonator zugeführten Leistung zu der über eine Koppelschleife und einem Richtkoppler ausgekoppelten Leistung des Resonators gebildet wird. According to the invention, this object is achieved in that the test object in a coaxial resonator by electromagnets and the electrical connection between the test object and the resonator producing contact springs is held, and by a quotient measuring device the ratio of the VHF generator via a directional coupler and a coupling to the power supplied to the resonator via a coupling loop and a directional coupler coupled out power of the resonator is formed.

Das Ergebnis der Quotienten-Meßeinrichtung kann mit Vorteil zur Steuerung einer den gemessenen Prüfling aufnehmenden Sortiereinrichtung dienen, so daß die erfindungsgemäße Meßanordnung für einen selbsttätigen Kontrollbetrieb geeignet ist. The result of the quotient measuring device can advantageously be used for control purposes serve a sorting device receiving the measured test object, so that the measuring arrangement according to the invention is suitable for an automatic control operation.

Einem weiteren Merkmal zufolge ist der Resonator mit dem Generator kapazitiv und mit der Quotienten-Meßeinrichtung induktiv gekoppelt. According to another feature, the resonator is with the generator capacitively and inductively coupled to the quotient measuring device.

Für die erfindungsgemäße Meßanordnung erscheint der Viertelwellen-Resonator wegen seiner elektrisch eindeutigen und mechnisch einfachen Verhältnisse am geeignetsten. Die Länge des Prüflings ergibt die Freqenz des Prüfstroms dadurch, daß der Prüfling im Resonator die elektrische Länge einer Viertelwelle der verwendeten Schwingung annimmt, d. h. bei einem Stab des Prüflings mit einer elektrischen Länge von etwa 25 cm müßte eine Wellenlänge von 1 m verwendet werden, sofern man den Resonator in der Viertelwellenmethode betreibt. Prinzipiell ist es jedoch möglich, den Resonator in einem Vielfachen von einer Viertelwelle, also mit einer Halbwellenlänge, mit einer Dreiviertelwellenlänge oder einer ganzen Wellenlänge zu betreiben. Vorversuche haben gezeigt, daß die Wahl einer Viertelwellenlänge bzw. einer Dreiviertelwellenlänge die günstigsten Ergebnisse liefert. The quarter-wave resonator appears for the measuring arrangement according to the invention most suitable because of its electrically clear and mechanically simple relationships. The length of the test object gives the frequency of the test current from the fact that the test object in the resonator the electrical length of a quarter wave of the oscillation used assumes d. H. in the case of a rod of the test object with an electrical length of approximately 25 cm, a wavelength of 1 m would have to be used, provided that the resonator is used operates in the quarter wave method. In principle, however, it is possible to use the resonator in a multiple of a quarter wave, i.e. with a half wavelength a three-quarter wavelength or to operate a whole wavelength. Preliminary tests have shown that the choice of a quarter wavelength or a three-quarter wavelength gives the best results.

Der Prüfling wird dem Resonator als Innenleiter zugeführt. Die Kreisgüte des Resonators ist nun im wesentlichen abhängig von dem Quadrat des elektrischen Widerstandes der äquivalenten Leitschichtdicke des Resonatorinneren. Um den Widerstand der äquivalenten Leitschichtdicke in den übrigen Resonatorteilen gering zu halten, werden diese Teile in genügender Dicke versilbert. The test item is fed to the resonator as an inner conductor. The circular quality of the resonator is now essentially dependent on the square of the electrical Resistance of the equivalent conductive layer thickness of the interior of the resonator. About the resistance to keep the equivalent conductive layer thickness in the remaining resonator parts low, these parts are silver-plated in sufficient thickness.

Die Ankopplung des Generators, der die Prüffrequenz liefert, und des Meßgeräts kann induktiv und/ oder kapazitiv in bekannter Weise erfolgen. Die Kopplung muß jedoch so lose wie möglich erfolgen, damit eine Belastung des Resonators und hierdurch eine Verschlechterung der Leerlauf-Kreisgüte des Resonators vermieden wird. Vorteilhaft ist es, den Generator kapazitiv und das Meßgerät induktiv anzukoppeln. Die das Meßergebnis störende Grundkopplung zwischen Generator und Meßgerät ist dann minimal, und die Blindanteile an der Ein- und Auskoppelseite des Resonators lassen sich einfacher kompensieren, so daß ebenfalls das Meßergebnis störende Reflektionen an den Koppelstellen vermieden werden. The coupling of the generator that supplies the test frequency, and of the measuring device can be carried out inductively and / or capacitively in a known manner. the However, the coupling must be as loose as possible, so that the resonator is stressed and thereby a deterioration in the no-load circuit quality of the resonator is avoided will. It is advantageous to couple the generator capacitively and the measuring device inductively. The basic coupling between generator and measuring device, which interferes with the measurement result, is then minimal, and leave the reactive components on the coupling-in and coupling-out side of the resonator compensate each other more easily, so that the measurement result also interfering reflections be avoided at the coupling points.

Weiterhin läßt sich der Einfluß der Änderung der Ausgangsleistung des Generators auf das Meßergebnis durch eine Quotienten-Meßeinrichtung, die nur das Verhältnis der in den Resonator eingehenden zur ausgehenden Leistung mißt, was letztlich als Ergebnis die gesuchte, von der Chromschichtdicke und dessen Homogenität abhängige Kreisgüte des Resonators ist, ausschalten. Furthermore, the influence of the change in the output power of the generator on the measurement result by a quotient measuring device, which only the ratio of incoming to outgoing power to the resonator measures what Ultimately, the result is the one you are looking for, from the chrome layer thickness and its homogeneity dependent circular quality of the resonator is, switch off.

An Hand der rein schematisch dargestellten Funktionszeichnung wird die Meßanordnung im nachfolgenden im einzelnen beschrieben. On the basis of the purely schematically shown functional drawing the measuring arrangement is described in detail below.

Von einem UKW-Generator 1 wird eine Leistung passender Frequenz, die mit der Länge und dem Durchmesser eines Prüflings 2 variiert, geliefert. Die Leistung wird zunächst einem Richtkoppler 3 über Kabel 4 zugeführt. Mit dem Richtkoppler 3 wird diejenige Leistung bestimmt, die in den Resonator 5, der z. B. die Form eines Topfes hat, über die eine Kopplung 6 zugeführt wird. Die Richtspannung des Richtkopplers 3 betätigt die eine Spule der Quotient-Meßeinrichtung 7. Die Kreis-Güte des Resonators 5 ist u. a. abhängig von der Güte des Prüflings 2. Hierdurch ist die über eine Koppelschleife 8 aus dem Resonator 5 ausgekoppelte Leistung ihrem Betrag nach bestimmt. Der Betrag der ausgekoppelten Leistung wird mit einem weiteren Richtkoppler 9 festgestellt. Um zu verhindern, daß Leistung vom Abschluß des Kabels reflektiert wird, ist der Verbraucherwiderstand 10 vorgesehen. Die Richtspannung des Richtkopplers 9 wird auf die andere Spule des Quotient-Meßwerks 7 geführt. Das Quotient-Meßwerk 7 zeigt somit das Verhältnis der in den Resonator 5 eingekoppelten, zu der auf demselben ausgekoppelten Leistung an. A power of a suitable frequency is generated by a VHF generator 1, which varies with the length and the diameter of a test object 2 is supplied. the Power is first fed to a directional coupler 3 via cable 4. With the directional coupler 3 that power is determined, which in the resonator 5, the z. B. the shape of a Has pot, through which a coupling 6 is fed. The directional voltage of the directional coupler 3 actuates one coil of the quotient measuring device 7. The circular quality of the resonator 5 is i.a. depending on the quality of the test item 2. This is via a coupling loop 8 from the resonator 5 decoupled power determined by its amount. The amount the decoupled power is determined with a further directional coupler 9. To prevent power from reflecting off the termination of the cable, the is Load resistance 10 provided. The directional voltage of the directional coupler 9 is on the other coil of the quotient measuring mechanism 7 out. The quotient measuring mechanism 7 thus shows the ratio of the coupled into the resonator 5 to that coupled out on the same Performance on.

Eine einfache, selbsttätige Beschickung des Resonators erfolgt beispielsweise mittels einer schiefen Ebene. Der Prüfling 2 rutscht in den Resonator5, ein elektrischer Endkontakt 11 bewirkt über Elektromagnete 12, daß der Prüfling 2 im Resonator 5 festgehalten wird. Gleichzeitig werden Kontaktfedern 13 angedrückt, die die erforderlichen elektrischen Verbindungen zwischen dem Prüfling 2 und dem Resonator 5 herstellen. Danach wird über einen Verzögerungsschalter der Generator 1 eingeschaltet und die Messung durchgeführt. Sodann werden die den Prüfling 2 haltenden Elektromagneten 12 abgeschaltet und der Prüfling 2 rutscht aus dem Resonator 5, und der Eingang des Resonators 5 wird für einen weiteren Prüfling freigegeben. Der aus dem Resonator 5 rutschende Prüfling 2 geht auf eine vom Meßergebnis eingestellte Sortierweiche, so daß eine Aussortierung nach guten und schlechten Prüflingen erfolgt. A simple, automatic loading of the resonator takes place, for example by means of an inclined plane. The test item 2 slides into the resonator5, an electrical one End contact 11 has the effect of electromagnets 12 that test object 2 in resonator 5 is being held. At the same time contact springs 13 are pressed, which the required Establish electrical connections between test item 2 and resonator 5. Then the generator 1 is switched on via a delay switch and the Measurement carried out. The electromagnets holding the test item 2 are then used 12 is switched off and the test item 2 slips out of the resonator 5, and the input of the resonator 5 is released for another test item. The one from the resonator 5 sliding test item 2 goes to a sorting gate set by the measurement result, so that there is a sorting out according to good and bad test items.

Claims

Claims: 1. Measuring arrangement for determining the thickness of a metallic, non-ferromagnetic layer on a ferromagnetic support, in particular a chrome layer on a steel rod, taking advantage of the skin effect and using it of alternating current of high frequency, d a - characterized in that the test object (2) in a coaxial resonator (5) by electromagnets (12) as well as the electrical Connection between test object and resonator producing contact springs (13) held is and by a quotient measuring device (7) the ratio of the VHF generator (1) fed to the resonator via a directional coupler (3) and a coupling (6) Power to that coupled out via a coupling loop (8) and a directional coupler (9) Power of the resonator is formed.

2. Measuring arrangement according to claim 1, characterized in that the Resonator with the generator (1) capacitive and with the quotient measuring device (7) is inductively coupled.

Publications considered: German Auslegeschriften No. 1,017372, 1069390; "Metall" magazine, May 1953, pp. 320 to 324; "Industrie-Anzeiger" magazine, Essen, May 18. 1962, pp. 851 to 855; "Metall" magazine, September 1964, p. 954 to 963.