DE1448372A1 - Elektrisches Messinstrument - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein elektrisches Meßinstrument insbesondere zum Messen der Schichtstärke eines Filmes oder Überzuges aus im wesentlichen elektrisch nicht leitendem Material auf einem Metallkörper oder zum Messen des spezifischen Widerstandes eines Metallkörpers.

Die Erfindung geht aus von der Verwendung eines Gouriet-Oszillators, der eine in einer Richtung stromleitende Vorrichtung mit mindestens drei Elektroden enthält und bei dem zwei in Serie gelegte Kondensatoren elektrisch über den an die eine Elektrode angeschlossenen Serien-LC-Kreis geschaltet Bind. Das Kennzeichen der Erfindung wird darin gesehen, daß ein negativer RückkopplungB-Widerstand zwischen die eine Elektrode der Vorrichtung und den Verbindungspunkt der beiden Kondensatoren geschaltet ist, daß ein Abstimmkreis über die Induktanz des Serien-LG-Kreises gelegt ist, daß eine Prüfspule mit dem Abstimm-

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kreis oder dem Serien-LC-Kreis induktiv gekoppelt ist und daß die Schwingungsamplitude des Oszillators als Maß für den gewünschten Meßwert ermittelt wird.

Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend in einem Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnung näher erläutert. Die Zeichnung gibt dabei das Sehaltdiagramm eines erfindungsgemäß aufgebauten Meßinstrumentes wieder.

Das in den Zeichnungen dargestellte Meßinstrument enthält einen Oszillator, der nach dem Grundprinzip eines ffouriet-Oszillators (z.B. beschrieben in ''Wireless Engineer" April 1950, Seite 105 bis 112) aufgebaut ist und der mit einer Elektronenröhre 1 bestückt ist. Das Steuergitter der Elektronenröhre 1 ist elektrisch mit einem Serien-LG-Kreis verbunden. Dieser Serien-IG-Kreis besitzt eine Induktanz 2 mit einem variablen Eisenpulverkern und einen Kondensator 3. Über den Serien-LG-Kreis sind zwei in Serie gelegte Kondensatoren 4 und 5 geschaltet. Die Kathode der Höhre i ist mit dem Verbindungspunkt zwischen den Kondensatoren 4 und 5 verbunden, und der Kondensator 5 ist über eine Hochfrequenzdrossel 6, die einen G-leichstromweg für den Anodenstrom der Röhre 1 liefert, geshuntet. Weiterhin ist der Kondensator 5 noch durch einen variablen Kondensator 7 geshuntet. Pur die Zwecke der vorliegenden Erfindung besitzt die Röhre 1 vorzugsweise eine Kennlinie von hoher Steilheit. Insbesondere hat sich eine Röhre vom Typ E.F.184, deren Kennlinie eine Steilheit von etwa 15 mA/V aufweist, als geeignet erwiesen.

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■ ^: Der Gouriet-Kreis ist durch eine negative Rückkopplung in der Form eines Widerstandes 8, der zwischen der Kathode der Röhre 1 und dem Verbindungspunkt der Kondensatoren 4 und 5 angeordnet ist, modifiziert. Dabei ist mindestens ein Teil des Widerstandes. 8 variabel ausgestaltet. Falls eine Temperaturkompensation gewünscht wird, kann ein Teil des Widerstandes 8 ein temperaturempfindlicher Widerstand vom Typ des Thermistors sein. Diese Rückkopplung stellt eine stabile Amplitude der von dem Oszillator gelieferten Schwingung sicher.

Über die Induktanz 2 ist - unter Zwischenschaltung eines weiteren variablen Kondensators 12 - ein paralleler Abstimmkreis geschaltet. Dieser Abstimmkreis enthält die Sekundärwicklung 9 eines Transformators 10 sowie einen variablen Kondensator 11. Die Primärwicklung 13 des Transformators 10 ist mit einer Prüfspule 14 verbunden, welche in einem nicht weiter dargestellten Prüfkopf angebracht ist. Dieser Prüfkopf kann beispielsweise die Bauform gemäß der deutschen Patentschrift 1 023 817 besitzen.

Die Kathode der Röhre 1 ist über einen Widerstand 15 mit dem Widerstand 8 verbunden. Die Kondensatoren 5, 7 und 11 sowie die Induktanz 2 und die Sekundärwicklung 9 sind sämtlich mit einer Masseleitung 30 verbunden, die in der Zeichnung geerdet dargestellt ist. Die Anode der Röhre 1 ist über einen Widerstand 31 mit einer positiven Anodenspannung verbunden und zugleich über einen Kondensator 32 an Erde gelegt. Damit ist der Kathoden-Gitter-

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Kreis der Röhre 1 elektrisch über den Kondensator 4 und der Kathoden-Anoden-Kreis der Röhre 1 elektrisch über den Kondensator 5 geschaltet;

Der Verbindungspunkt zwischen den Widerständen 8 und 15 ist über einen Kondensator 16 und einen Widerstand 17 (der zur Unterdrückung parasitärer Ströme dient) mit dem Steuergitter einer weiteren Elektronenröhre 18 verbunden. Zweckmäßig ist die Röhre 18 der Röhre 1 ähnlich. Die Kathode der Röhre 18 ist an die Masseleitung 30 angeschlossen, so daß der von der Röhre 1 gelieferte Ausgang effektiv als Eingang der Röhre 18 zugeführt wird. In den Anodenkreis der Röhre 18 ist ein Widerstand 19 eingeschaltet. Über diesen Widerstand 19 wird eine Spannung entwickelt, die proportional ist der Amplitude der von dem Oszillator gelieferten Schwingungen. Die Höhe dieser Spannung wird mit einem Amperemeter 20 ermittelt, das eine Skalenbreite von 100/uA besitzt und das über den Widerstand 19 gelegt ist. Das Amperemeter 20 ist dabei zweckmäßig durch eine Diode 21 geshuntet, um bei Entstehung übergroßer Spannungen am Widerstand 19 eine Überlastung des Amperemeters 20 zu verhindern.

Zur Messung der Schichtstärke eines Filmes oder eines Überzuges aus im wesentlichen elektrisch nicht leitendem Material auf einem Metallkörper wird das vorangehend beschriebene Meßinstrument (nach einer Aufheizzeit von etwa 15 Min) so eingestellt, daß es unabhängig ist von dem spezifischen Widerstand des Metallkörpers. Um dies zu bewirken, wird zuerst der Prüfkopf auf ein

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unbeschichtetes Muster eines Metall- von niedrigem spezifischen Widerstand (z.B. reinem Aluminium) aufgesetzt. Dabei werden die Y/erte der variablen Kondensatoren 11 und 12 und der mit einem variablen Kern ausgerüsteten Induktanz 2 so einjustiert, daß Schwingungen einer bestimmten Amplitude entstehen. Diese Amplitude wird am Amperemeter 20 abgelesen. Sodann wird der Prüfkopf auf ein Muster eines Metallkörpers von höherem spezifischen Widerstand (z.B. einer Aluminiumlegierung) aufgesetzt. Die vierte des Kondensators 12 und, falls notwendig, des Kondensators 11 und der Induktanz 2 werden daraufhin so einjustiert, daß am Amperemeter 20 wiederum die gleiche ausgewählte Schwingungsamplitude abgelesen wird. Die beiden Musterkörper werden dann nochmals geprüft, um sicherzustellen, daß si*¹ beide beim Oszillator die Erzeugung der gleichen Schwingungsamplitude verursachen.

Während des vorangehend beschriebenen Binstellvorganges wird die Frequenz des aus der Induktanz 9 und dem Kondensator 11 gebildeten parallelen Abstimmkreises geringer gehalten als die dem Oszillator eigene Frequenz (die durch den Serienkreis aus Induktanz 2 und Kondensator 3 bestimmt ist.). Dabei wird die Abetimmfrequenz des parallelen AbstimmkreiBes zusammen mit einer Justierung des Wertes des Kopplungskondensators 12 so einjustiert, daß die am Eingangsgitter der Röhre 1 erscheinende Widerstandskomponente konstant bleibt und unabhängig ist von dem spezifischen Widerstand des Metallkörpers, auf den der Prüfkopf aufge

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setzt ist. Mithin verringert eine Zunahme des spezifischen Widerstandes des vom Prüfkopf abgetasteten Metallkörpers die Abstimmfrequenz des parallelen Abstimmkreises, was zu einer Vertingerung der Belastung der Öszillatorspule 2 des Oszillatorkreises und zu einer entsprechenden Impedanzzunahme dieser Spule führt. Zur gleichen Zeit wird derQ-Faktor des Prüfkopfkreises durch den erhöhten spezifischen Widerstand des Metallkörpers reduziert. Die dadurch bedingte erhöhte Dämpfung verringert wiederum die Impedanz der Oszillatorspule 2. Bei geeigneter Justierung des Kopplungskondensators 12 und der Abstimmfrequenz des parallelen Abstimmkreises kann die durch den Prüfkopfkreis bewirkte Verschiebung der Abstimmfrequenz so eingestellt werden, daß sich Änderungen des spezifischen Widerstandes des Metallkörpers auskompensieren und am Eingang zur Röhre 1 eine konstante Widerstandskomponente erscheint.

Jede Zunahme des Abstandes des die Prüfspule 14 tragenden Prüfkopfes vom Metallkörper bewirkt eine Verringerung der Abstimmfreqtuena des parallelen Abstijamkreises und eine Verringerung der Dämpfung des Prüf kopf kreises=, Diese Effekte sind additiv und führen zu einer Erhöhung der abgestimmten Impedanz der Oszillatorspule 2. Dadurch ergibt sich eine größere Schwingungsamplitude, die am Amperemeter 20 abgelesen werden kann. Auf diese Weise stellt, wenn der Prüfkopf auf einen Metallkörper aufgesetzt wird, der mit einem Film oder einem Überzug aus elektrisch nicht leitendem Material versehen ist, die am Amperemeter 20 beobachtete

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Abweichung der Sohwingungsamplitude von der während des Einstellrorganges ausgewählten Schwingungsamplitude ein Maß für die Schichtstärke des Filmes oder des Überzuges dar. Dabei kann das Amperemeter 20 so kalibriert sein, daß sich die Schichtstärke direkt am Amperemeter ablesen läßt. Vorzugsweise wird jedoch durch Nachstellung des Kondensators 7 die Schwingungeamplitude wieder auf den ursprünglichen Wert zurückgestellt, wobei dann der Kondensator 7 auf die Werte der Schichtstärke einkalibriert ist.

Das vorangehend erläuterte Meßinstrument hat sich als außerordentlich stabil und genau erwiesen* Es ermöglicht die reproduzierbare Messung von Schichtstärken, selbst in der Größenordnung Ton 1 Mikron. Damit ist das Instrument in ausgezeichneter Weise verwendbar für die Messung der Schichtstärke eines anodischen Films bei zur Kraftfahrzeugdekoration dienenden Blechen oder irgendwelchen sonstigen Körpern aus Aluminium oder Aluminiumlegierung .

Das Amperemeter 20 kann durch ein geeignetes Schreibgerät ersetzt oder mit einem solchen Schreibgerät verbunden sein, ■o daß «ich eine Aufzeichnung der gemessenen Schichtstärke ergibt. Damit kann das Meßinstrument zur Schichtstärkenmessung in kontinuierliche Verfahren xiaeinbezogen werden, wobei z.B. auch •in Alarmsignal ausgelöst werden kann, wenn die Schwingungsamplitud· und damit die gemeettnt Schichtstärke unter einen Tor- . f«Cebta*a Mindtetwert abfällt.

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Das vorangehend beschriebene Meßinstrument kann jedoch, auch sur Measung des spezifischen Widerstandes eines Metallkörpers unabhängig von der Schichtstärke eines auf dem Metallkörper angebrachten Films oder Überzuges eingesetzt werden. Zu diesem Zweck wird das Meßinstrument zunächst unabhängig von der Schichtstärke gemacht. Dazu wird der parallele Abstimmkreis auf eine höhere Frequenz als die Eigenfrequenz des Oszillatorkreises eingestellt und auch der Kopplungskondensator 12 justiert. Bei dieser Art der Einstellung des Instrumentes bewirkt jede Zunahme des Abstandes des Prüfkopfes von dem Metallkörper eine Verringerung der Frequenz des parallelen Abstimmkreises, so daß diese sieh an die Frequenz des Oszillatorkreises annähert. Dabei vermindert sich die Impedanz des Oszillatorkreises. Die Einstellung wird dabei so getroffen, daß diese Impedanzverminderung sich auskompensiert mit einer Impedanzzunähme, die auf der Erhöhung des Q-Faktors des Prüfkopfkreises infolge des vergrößerten Abstandes des Prüfkopfes vom Metallkörper beruht.

Bei der vorangehend beschriebenen Anordnung läßt sich eine optimale Kompensation allerdings nur für einen Wert des spezifischen Widerstandes des Metallkörpers erzielen. Eine bessere Kompensation kann hingegen bewirkt werden, wenn die Sekundärwicklung 9 des Transformators 10 mit der Induktanz 2 vertauscht wird, wobei die Prüfspule H über die Primärwicklung 13 des Transformators 10 mit der Sekundärwicklung 9 induktiv gekoppelt bleibt. In diesem Fall wird zur Voreinstellung der parallele Abstimmkreis

(der nunmehr aus der Induktanz und dem Kondensator 11 besteht) auf eine frequenz eingestellt, die geringer ist als die Frequenz des Serienkreises (der nunmehr aus der Sekundärwicklung 9 und dem Kondensator. 3 und den reflektiven Komponenten aus der Prüfapule 14 und der Primärwicklung 13 besteht). Als Ergebnis dieser Modifikation wird bei zunehmendem Abstand zwischen der Prüfspule 14 und dem Metallkörper die Dämpfung des Serienkreisea vermindert. Zugleich wird auch die Schwingungsfrequenz des Serienkreises vermindert, wobei sie sich der Frequenz des parallelen Abstimmkreieee annähert, eo daß eine größere Energiemenge auf den parallelen Abstimmkreis übertragen wird. Biese Änderung der auf den parallelen Abstimmkreis übertragenen Energiemenge besitzt entgegengesetztes Torseichen zu der Änderung der Energieverluste im Serienkreis infolge der geänderten Dämpfung. Bei geeigneter Einteilung können die beiden vorangehend erwähnten Energieänderungen auskompeneiert werden, so daß das Meßinstrument unempfindlich in bezug auf den Abstand zwischen der Prüfspule und dem Metallkörper (und damit unempfindlich in bezug auf die Schichtstärke eines Überzuges) wird.

Bine Zunahme des spezifischen Widerstandes des Metallkörper erhöht die Dämpfung im Serienkreis und vermindert demzufolge die Schwingung«frequenz im Serienkreis, so daß die sum parallelen Abstimmkreis übertragene Energiemenge entsprechend »unimmt. Mithin ergibt sich für diejenigen Änderungen der Änergieverluete im Serienkreis, die auf Änderungen des spezifischen

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Widerstandes des Materialkörpers zurückzuführen sind, die gleiche Richtung wie für die Energieverluete, die auf die Übertragung zum parallelen Abstimmkreis zurückzuführen sind. Demzufolge wird die Schwingungsamplitude entsprechend geändert, so daß sie als Maß für den spezifischen Widerstand des Metallkörpers unabhängig von der Schichtstärke eines auf dem Metallkörper angebrachten Überzuges angesehen werden kann.

Bei der vorangehend beschriebenen Modifikation kann der Kondensator 7 fortgelassen sein und der Wideretand θ (oder ein Teil des Widerstände· 8) kann variabel gedacht und to kalibriert sein, daß am Widerstand S der Wert dee gemessenen spezifischen Widerstandes abgelesen werden kann» wenn dureh Nachstellung des Widerstandes 8 die am Amperemeter 20 abgelesene Schwingungeamplitude konstant gehalten wird·

Bei dem vorangebend beschriebenen Meßinstrument ist die Nichtlinearität der Röhre 1 von so geringem Wert, da§ die auf die Hichtlinearität der Schaltung zurückgehende Amplitudenemp-* findliohkeit des Oszillatorkreises weitgehend durch die Hysteresis de« Biesnpulverkernea der Induktani Z gesteuert wir*·

Die Röhren 1 und 18 können im Bedarfefall ohne weiteres, auch in an ilen bekannter lsi*· durcÄ ««sigaet· sstst sein. ■ .

- Ansprüche -

Claims (9)

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1. Elektrisches Meßinstrument zum Messen der Schichtstärke eines Films oder Überzuges aus im wesentlichen elektrisch nicht leitendem Material auf einem Metallkörper oder zum Messen des spezifischen Widerstandes eines Metallkörpers, wobei ein Gouriet-Oszillator vorgesehen ist, der eine in einer Richtung stromleitende Vorrichtung mit mindestens drei Elektroden enthält und bei dem zwei in Serie gelegte Kondensatoren elektrisch über den an die eine Elektrode angeschlossenen Serien-LC-Kreis geschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, daß ein negativer Rückkopplungs-Widerstand zwischen die eine Elektrode der Vorrichtung und den Verbindungspunkt der beiden Kondensatoren geschaltet ist, daß ein Abstimmkreis über die Induktanz des Serien-LC-Kreises gelegt ist, daß eine -früfspule mit dem Abstimmkreis oder dem Serien-LC-Kreis induktiv gekoppelt ist und daß die Schwingungsamplitude des Oszillators als Maß für den gewünschten Meßwert ermittelt wird.

2. Instrument nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der über die Induktanz des LC-Kreises gelegte Abstimmkreis ein paralleler Abstimmkreis ist.

3. Instrument nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Rückkopplungs-Widerstand mit der einen Elektrode einer

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weiteren, in einer Richtung stromleitenden und mit mindestens drei Elektroden versehenen Vorrichtung verbunden ist, wobei der Ausgangskreis der weiteren Vorrichtung ein Meßinstrument zur Anzeige der Schwingungsamplitude des Oszillators enthält.

4. Instrument nach Anspruch 1,2 oder 3» dadurch gekennzeichnet, daß die Abstimmfrequenz des Abstimmkreises geringer ist als die Frequenz des Oszillators, so daß die Schwingungsamplitude unab_ hängig ist von dem spezifischen Widerstand des Metallkörpers.

5. Instrument nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstimmfrequenz des Abstimmkreises größer ist als die Frequenz des Oszillators, so daß die SchwingungSamplitude im wesentlichen unabhängig ist von dem Abstand zwischen der Prüfspule und dem Metallkörper.

6. Instrument nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Rückkopplungs-Widerstand ein temperaturempfindliches Element enthält.

7. Instrument nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Prüfspule über die Primärwicklung eines Transformators gelegt ist, dessen Sekundärwicklung einen Teil entweder des Serien-LC-Kreises oder des Abstimmkreisea bildet.

8. Instrument nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator des Serien-LC-Kreises an die •ine der drei Elektroden der in einer Richtung stromleitendeii Vorrichtung angeschlossen ist, daß die zweite dieser drei Elektroden mit der vom Kondensator abgelegenen Seite der Induktanz des Serien-LC-Kreises verbunden ist, wobei eine Hochfrequenzdros-••1 »wischen dem Verbindungepunkt der beiden über den Serien-LC-Kreis geschalteten Kondensatoren und der vom Kondensator des Serien-LC-Kreises abgelegenen Seite der Induktanz eingeschaltet ist, und dafi der an den Verbindungepunkt zwischen den beiden über den Serien-IiG-Kreis geschalteten Kondensatoren angeschlossene Hückkopplunga-Wideretand mit der dritten Elektrode der in einer Hiohtung atromleitanden Vorrichtung verbunden ist.

9. Instrument nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Elektroden der zweiten in einer Richtung •tromleitenden Vorrichtung unter Zwischenschaltung des Rückkopp- lunga-Vidaratandea über dia Hochfraquenzdroseal gelegt aind, da·

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