DE1792402U

DE1792402U - Vorrichtung zur messung von schichtdicken.

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Publication number: DE1792402U
Application number: DEE11697U
Authority: DE
Original assignee: Eltro GmbH and Co
Current assignee: Eltro GmbH and Co
Priority date: 1958-10-02
Filing date: 1958-10-02
Publication date: 1959-07-23

Description

ELTROGESELLSCHAFT FÜR STRAHLUNGSTEQITSS

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in Messung von Schichtdicken

Es sind bereits verschiedene Methoden zur Messung der Dicke aller

Arten von Belägen, Bahnen, Folien und ähnl. bekannt geworden.

Diese beruhen auf Intensitätsmessungen bzw. Intensitätsänderung der Strahlung radioaktive Substanzen.
Alle mit der Handhabung von strahlendem Material verbundenen Gefahren und Schwierigkeiten sind allgemein bekannt. Eine weitere Methode besteht darin, das Meßobjekt zwischen 2 Metallplatten einzuspannen und die Kapazität bzw. Kapazitätsänderung zu messen.
Der Nachteil dieser Methode besteht darin, daß das Objekt mit den Metallplatten guten Flächenkontakt dauernd haben muß. Dies ist für Punktmessungen gegeben, nicht jedoch für Produktionsüberwachungen und sonstige laufende Messungen. Ferner ist durch die DAS 1.009.400 eine Anordnung bekannt geworden, welche unmagnetische Schichten auf magnetischer Unterlage dadurch mißt, daß die Spannung eines Generators über einen Transformator mit Mittelanzapfung zur Sonde und zu einem Hilfswiderstand geführt wird, wobei die Größe des Phasenwinkels ein Maß für die Schichtdicke ist.
Um die verschiedenen Nachteile auszuschalten und im Gegensatz zu der letztgenannten bekannten Methode wird vorgeschlagen, die Phasenverschiebung von Mikrowellen, welche sich beim Durchgang dieser durch ein Medium und Reflektion an einem Hintergrund ergibt, zur Schichtdickenmessung zu benutzen. Diese Methode läßt sich für alle nicht

metallischen Stoffe, welche unmagnetisch oder magnetisch sein können,

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anwenden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens kann als Meßgerät für absolute Schichtdickenbestimmung oder als Kontrollgerät für die Einhaltung von Toleranzen laufender Produktionen ausgebildet sein. Sie beruht darauf, daß die Phasenverschiebung als Maß für die Schichtdicke bzw. die Schichtdickenänderung dient, und zwar ist die Vorrichtung aufgebaut aus einem Sender, der die Energie über Richtungskoppler und Antenne auf das zu messende Objekt strahlt und die austretende Energie über einen zweiten Richtungskoppler dem Meßgerät zugeleitet wird, auf welchem die Phasenverschiebung als Funktion der Schichtdicke bzw. Schichtdickenänderung abgelesen wird. Diese Vorrichtung eignet sich vor allem für Folien, Beläge und Bahnen. Die Folien und Bahnen müssen jedoch selbst nicht dicht sein, sondern können vlies-oder watteförmige Beschaffenheit haben, wie Filze, Pappe, Papier, Schaumstoff u. ä.
Die untere Grenze der bestimmbaren Schichtdicke ist mit dem kleinsten Abstand gegeben, welcher an der Meßleitung noch genau einstellbar ist, entsprechend : und damit eigentlich nur in apparativer Hinsicht begrenzt.
Die größte meßbare Dicke ist abhängig von dem Material selbst, d. h. von dessen Verlusten. Es kann so dick genommen werden, als noch genügend Energie für die Bestimmung der Phasenverschiebung am Austritt erhalten werden kann.
Außer der Kontrolle der Schichtdicke von Material-Bahnen bzw.

Belägen lassen sich mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung auch

Inhomogenitäten des Materials feststellen, soweit sie mit einer

Änderung der Dielektrizitätskonstante E verbunden ist.

Dies ist z. B. der Fall bei verschiedenem Füllgrad von Gummi,

Kunststoff und Lacken, Änderung des Porenvolumens von Pappen,

Vließen, Schaumstoffen u. ä.

Es sei noch bemerkt, daß diese Änderungen der Dielektrizitäts-

konstante nur mit 1f in die Messung eingehen und sich daher

wesentlich geringer auswirken als Schichtdicken-Änderungen, so

daß die Eindeutigkeit der Meßergebnisse gewahrt bleibt.

Die Methode der Dickenmessung mit Hilfe von Mikrowellen läßt

sich sinngemäß auch auf magnetische Stoffe anwenden, wobei

außer E und den dielektrischen Verlusten£ noch die Permeabili-

tät/u und die magnetischen Verluste i zu berücksichtigen sind.

Das Prinzip der mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung durchführ-

baren Meßmethode besteht darin, daß von einem Sender HF-Energie

der gewünschten Frequenz auf das Meßobjekt gesandt wird, dieses

durchdringt, am reflektierenden Hintergrund zurückgeworfen wird,

neuerlich die Probe durchläuft und am Empfänger entsprechend E

und JE der Probe mit Phasenverschiebung ankommt.

Die Dicke des Materials ergibt sich bei bekannten Stoffkon-

stanten E und JE nach Formel 1

v fr'-Tyrr

und für magnetische Stoffe sinngemäß nach Formel 2

. '<-VTT

wobei sicht'aus den dielektrischen und magnetischen Verlusten

zusammensetzt.

y = Phasenverschiebung

c= Schichtdicke

A = Wellenlänge

Die größte Empfindlichkeit des Systems ist dann gegeben, wenn jeweils am Mimimum gemessen werden kann, da die Steilheit der Kurve in Umgebung des Minimums am größten ist.

Die gemessene Schichtdicke ist dabei gleich dem Produkt aus der

tatsächlichen Schichtdicke und, was einer wesentlichen Ver-

besserung des Auflösungsvermögens des erfindungsgemäßen Ver-

fahrens gleichkommt.

Es werden im folgenden 2 Fälle der erfindungsgemäßen Vorrichtung und der mit ihr durchzuführenden Schichtdicken-Kontrollmessung besprochen, jedoch wird darauf hingewiesen, daß sich der Erfindungsgedanke nicht allein in diesen beiden Ausführungsformen erschöpft. Da der Abstand zwischen dem Meßobjekt und der Antenne immer sehr genau konstant gehalten werden muß, so ergeben sich für die Praxis folgende 2 Fälle : a) der Abstand zwischen dem Meßobjekt und der Antenne kann genügend konstant gehalten werden, b) der Abstand zwischen dem Meßobjekt und der Antenne kann nicht genügend konstant gehalten werden. a) Das zu messende Objekt befindet sich auf einem metallischen Hintergrund bzw. die zu kontrollierenden Bahnen laufen über starre Rollen oder Wellen mit blanken Metalloberflächen.

Abb. 1 zeigt den schematischen Aufbau einer für diesen Fall erforderlichen erfindungsgemäßen Meßeinrichtung.
Die Energie wird von dem Sender S geliefert, läuft über Richtungskoppler R 1 und Antenne A auf das zu messende Medium.
Dieses wird durchdrungen, die Welle am hinterliegenden metallischen Untergrund reflektiert und nach neuerlichem Durchgang durch das zu messende Medium über Richtungskoppler R 2 dem eigentlichen Meßgerät M zugeführt.
Dieses kann entweder 1. eine Meßleitung mit Dämpfungsglied oder 2. eine feststehende Sonde mit Dämpfungsglied und Phasenschieber sein.
Infolge des 2-maligen Durchgangs der Wellen durch das Medium und Reflektion am Untergrund tritt die Welle mit einer Phasenverschiebung gegenüber dem Sender in die Meßleitung.

Es gibt nun wieder 2 Möglichkeiten der Messung selbst für

jede der beiden Anordnungen und Meßleitungen :

1. Nachdrehen der Meßleitung bis f im Minimum ist

(besonders geeignet für Absolut-Messungen)

Messung der Spannungsänderung an der Sonde

(besonders geeignet für Überwachung von Toleranzen)

2. Phasenschieber nachstellen, wobei diese Nachstellung

ein Maß für die Dicke ist (besonders geeignet für

Absolut-Messungen)

Messung der Spannungsänderung an der Sonde (besonders

geeignet für Überwachung von Toleranzen).

b) Abb. 2 zeigt den schematischen Aufbau einer erfindungsgemäßen

Meßanordnung, wenn für ein System der Abstand zwischen Antenne

und Meßobjekt nicht dauernd konstant gehalten werden kann. In diesem Fall ist ein zweites System erforderlich, welches hinter dem Meßobjekt liegt und es erfolgt über ein gemeinsames Meßgerät MM Abstimmung der Änderungen des Abstandes zwischen den beiden Antennen. Bei'diesem Verfahren gehen evtl. Änderungen der tragenden und reflektierenden Metallschicht ebenfalls in die Messung ein,

jedoch sind diese Änderungen, da sie mit ihrer wahren Dicke

in die Meßwerte eingehen, gegenüber der Änderung der Dicke des

rs

Mediums, welche mit d. eingeht, gering.

Jedes der beiden Systeme 1 und 2 ist nun entsprechend dem unter

a) Gesagten aufgebaut, d. h. S 1 Sender, A 1 Antenne, R 1 bzw. R 2

Richtungskoppler und M1 Meßleitung für System 1, welches vor dem Meßobjekt gelegen ist, und entsprechend S 2, A 2, R*1, R'2 und M2 als Teile des Systems II, welches hinter dem Meßobjekt liegt.

Die Abgleichung der beiden Systeme erfolgt über das gemeinsame Meßinstrument MM.
Es sei noch ausdrücklich darauf hingewiesen, daß beide Systeme auch mit einem einzigen Sender gespeist werden können. Bei Verwendung von 2 Sendern muß deren Frequenz absolut konstant gehalten werden. Liegt die Frequenz der beiden Sender auseinander, so ist deren Phasenverschiebung bei der Auswertung der Meßergebnisse zu berücksichtigen.

Claims

S c h u t z a n s p r ü c h e

1. Vorrichtung zur Messung von Schichtdicken bzw. Schichtdickenänderungen von nicht metallischen unmagnetischen und/oder magnetischen Stoffen wie Belägen, Folien, Lacken, Anstrichen, Schaumstoffen, Vließen und ähnlichen dadurch gekennzeichnet, daß diese Vorrichtung aus einem Sender (S), einem Richtungskoppler (R 1), einer Antenne (A), einem zweiten Richtungskoppler (R 2) und einem Meßgerät (M) besteht, wobei die vom Sender (S) ausgestrahlte Energie über Richtungskoppler (R 1) und Antenne (A) auf das zu messende Objekt gestrahlt und die von dem Objekt reflektierte Energie über den zweiten Richtungskoppler (R 2) zur Bestimmung der Phasenverschiebung als Maß für die Schichtdicke bzw. Schichtdickenänderung dem Meßgerät (M) zugeleitet wird.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß das Meßgerät aus einer Meßleitung mit Dämpfungsglied besteht.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß das Meßgerät aus einer feststehenden Sonde mit Dämpfungsglied und Phasenschieber besteht.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung je ein System, vor dem Meßobjekt und hinter dem Meßobjekt angeordnet, aufweist, wobei die beiden Systeme zueinander spiegelbildlich sind und aus einem Sender (S 1 bzw. S 2), den beiden Richtungskopplern (R 1) und (R 2) bzw. (Rt1) und Rt2), den Antennen (A 1) bzw. (A 2), den Meßgeräten (M 1) und (M 2) und dem gemeinsamen Meßgerät (MM) besteht ; dieses gemeinsame Meßgerät (MM) zur Auswertung der Phasenverschiebung dient und die Abstandsänderung zwischen Meßobjekt und Antenne ausschaltet.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Sender der symmetrischen Systeme in ihrer Frequenz soweit konstant sind, daß die Meßergebnisse nicht durch Phasenverschiebung aufgrund von Frequenzänderungen beeinflußt werden können.
6. Vorrichtung nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung nur einen einzigen Sender für beide symmetrische Systemanordnungen besitzt.