DE19543362C2 - Kombinierte Meßsonde zur Schichtdickenmessung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine kombinierte Meßsonde für ein Meßge­ rät zur Messung der Dicke einer elektrisch nicht-leitenden Schicht auf einem metallischen Träger nach dem magnetinduktiven Meßverfahren und Wirbelstrommeßverfahren, mit einem Permanent­ magneten, einem einzigen von diesem magnetisch durchfluteten Hall-Element, dessen vom Permanentmagneten wegweisende Seite den Meßpol bildet, und mit einer die Nord-Süd-Achse des Perma­ nentmagneten umgreifenden Hochfrequenzspule.

Eine derartige Meßsonde ist beispielsweise aus der DE 42 10 689 A1 bekannt. Das Wirbelstrommeßverfahren wird zur Messung der Dicke von nicht-leitenden Schichten auf einem Untergrund bzw. Träger aus einem Nichteisen-Metall bzw. einem diamagnetischen Material angewandt. Bei diesem Verfahren werden von der über die Hoch­ frequenzspule mit hochfrequentem Wechselstrom gespeiste Meß­ sonde am Meßpol schnell wechselnde magnetische Felder erzeugt, die in dem elektrisch leitfähigen Träger der nicht-leitenden Schicht, deren Dicke gemessen werden soll, Wirbelströme erzeu­ gen, deren begleitende Magnetfelder dem von der Meßspule er­ zeugten Magnetfeld entgegenwirken, wobei deren Rückwirkungen auf die Meßspule zur Erzeugung eines elektrischen Meßsignals ausgewertet werden, welches der zu messenden Dicke der nicht-leitenden Schicht entspricht. Soll dagegen die Dicke einer nicht-leitenden Schicht und galvanischer Schichten auf einem magnetisch leitenden Untergrund bzw. Träger gemessen werden, so wird das magnetinduktive Verfahren angewandt, bei dem die Hoch­ frequenzspule keine Rolle spielt. Hierbei wird in Abhängigkeit der zu messenden Schichtdicke die Verteilung des magnetischen Flusses, der durch den Permanentmagneten erzeugt wird, auf einen magnetischen Hauptflußpfad und einen magnetischen Neben­ flußpfad geändert, wobei die Höhe des magnetischen Hauptflusses mit Hilfe des Hall-Elements erfaßt und in ein entsprechendes elektrisches Signal umgewandelt wird, welches der zu messenden Schichtdicke entspricht.

Die bekannte kombinierte Meßsonde ist jedoch relativ aufwendig und teuer konstruiert und trägt nicht dem Bedürfnis nach immer kleiner werdenden Meßsonden in ausreichendem Maße Rechnung.

Bei einer aus der DE 43 33 419 A1 bekannten kombinierten Meß­ sonde zur Schichtdickenmessung ist ein Hall-Sensor durch einen Temperatursensor getrennt in der Nähe eines Permanentmagneten befestigt, wobei zur Erfüllung der erforderlichen Funktion mög­ licherweise ein nicht dargestelltes oder beschriebenes Kern­ stück vorgesehen sein muß. Weiterhin liegt eine Hochfrequenz­ spule außerhalb des Längenbereichs des Permanentmagneten, wo­ durch zwar das Meßsignal relativ groß ist und nicht vom perma­ nentmagnetischen Kreis beeinflußt werden kann, jedoch treten bei einer solchen Anordnung Meßfehler beispielsweise bei der Messung einer Lackschicht auf einer verzinkten Eisenfläche mit dem Wirbelstromverfahren auf, insbesondere bei sehr dünnen Zinkschichten von einigen µm Dicke, wobei es kaum möglich ist, störungsfrei ohne Beeinflussung der magnetinduktiven Messung mit dem Wirbelstromverfahren eine solche Lackschicht auf ver­ zinkten Teilen zu messen.

Eine aus der DE 30 19 540 A1 bekannte Meßsonde eignet sich nur zur Messung von Schichten auf einem ferromagnetischen Trägermate­ rial und benötigt zwei Magnetfeldsensoren an den beiden Polen des Permanentmagneten, wodurch trotz der Einschränkung der Meß­ möglichkeiten die Kosten und der Aufwand kaum reduziert werden können.

Aus der DE 24 10 047 A1 ist eine kombinierte Meßsonde für beide Meßverfahren bekannt, die jedoch eine Spule mit drei Wicklungen und eine sehr aufwendige Meß- und Auswerteschaltung benötigt, was die Herstellung sehr kleiner Meßsonden sehr erschwert.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, eine kombinierte Meßsonde für beide Meßverfahren zu schaffen, die bei einfachstem Aufbau und geringen Kosten in sehr kleinen Baugrößen realisiert werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Hall-Element direkt an einem der beiden Pole des Permanentma­ gneten angeordnet ist, und daß die Hochfrequenzspule im Längen­ bereich des Permanentmagneten positioniert ist oder in diesen Längenbereich ragt.

Bei der erfindungsgemäßen Anordnung werden nur noch die für die Meßfunktion wichtigen Bauteile, nämlich Hall-Element, Perma­ nentmagnet und Hochfrequenzspule benötigt, wobei durch die di­ rekte Anordnung des Hall-Elements am Permanentmagneten bei ein­ fachstem Aufbau kleinste Baugrößen realisiert werden können, so daß neben sehr kleinen Baugrößen nur noch sehr geringe Herstel­ lungs- und Montagekosten anfallen.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Anspruch 1 angegebenen Meßsonde möglich.

Das Hall-Element ist zweckmäßigerweise konzentrisch zum insbe­ sondere zylindrisch ausgebildeten Permanentmagneten an einer dessen Stirnseiten angeordnet. In vorteilhafter Weise dient ein nichtmetallischer Trägerkörper zur Aufnahme und/oder als Halter des Permanentmagneten, des Hall-Elements und der Hochfrequenz­ spule. Ein solcher Trägerkörper kann in einfachster Weise bei­ spielsweise als Spritzgußteil hergestellt werden, wobei die für die Messung erforderlichen Bauteile nur noch auf-, an- oder eingesteckt werden müssen. Insbesondere ist dabei die Hochfre­ quenzspule in einer Umfangsnut des Trägerkörpers und der Perma­ nentmagnet sowie das Hall-Element in konzentrischen Ausnehmun­ gen des Trägerkörpers angeordnet.

Für die Zuführungsleitungen zu den elektrischen Anschlüssen des Hall-Elements und der Hochfrequenzspule besitzt der Trägerkör­ per in vorteilhafter Weise Leitungskanäle, in die diese Leitun­ gen lediglich eingeführt werden müssen.

Zum Schutz des Hall-Elements und zur Vorgabe eines geringen Meßabstands ist die als Meßpol ausgebildete Seite des Hall-Ele­ ments mit einem unmagnetischen Polelement versehen, das vor­ zugsweise als flaches Saphirelement ausgebildet sein kann. Der axiale Durchmesser des Hall-Elements zusammen mit dem Polele­ ment beträgt weniger als 1 mm, so daß sich bei der magnetinduk­ tiven Messung ein sehr kleiner Streubereich für den magne­ tischen Rückschluß ergibt. Somit kann man mit einer einmaligen Kalibrierung der Meßsonde auf ebenen Flächen auch auf Radien bis 1,5 mm Messungen durchführen, ohne daß eine auf den Radius abgestimmte Kalibrierung, wie dies bei den bekannten Meßverfah­ ren notwendig ist, durchgeführt werden muß. Um bei der Messung von dickeren Schichten eine ausreichende magnetische Feldstärke zur Verfügung zu haben, weist der Trägerkörper Mittel zur Auf­ nahme und/oder zum Anbringen wenigstens eines weiteren Perma­ nentmagneten am ersten Permanentmagneten auf, wobei die beiden Permanentmagneten stirnseitig aneinanderliegen. Hierdurch kann die magnetische Feldstärke nach Erfordernis erhöht werden.

Als Permanentmagnet eignet sich insbesondere ein SmCo- oder ein Neodym-Permanentmagnet.

Die Hochfrequenzspule ist vorzugsweise im Längenbereich des Hall-Elements, also im Bereich des Meßpols angeordnet.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dar­ gestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Die einzige Figur zeigt ein Ausführungsbeispiel einer kombi­ nierten Meßsonde in einer Längsschnittdarstellung.

Bei dem in der einzigen Figur dargestellten Ausführungsbeispiel einer kombinierten Meßsonde enthält ein zylindrischer Träger­ körper 10 aus einem nichtmetallischen Werkstoff, beispielsweise aus Kunststoff, eine konzentrische zylindrische Ausnehmung 11 zur Aufnahme eines entsprechend zylindrisch ausgebildeten Per­ manentmagneten 12. Dieser Permanentmagnet 12 ist in axialer Richtung magnetisiert. An einer Stirnseite des Permanentmagne­ ten 12, gemäß dem Ausführungsbeispiel die untere, als Nordpol magnetisierte Stirnseite, ist ein Hall-Element 13 in einer ent­ sprechend geformten konzentrischen Ausnehmung 14 des Trägerkör­ pers 10 mit kleinerem Durchmesser angeordnet. Die vom Perma­ nentmagnet 12 wegweisende Seite des Hall-Elements 13 ist als Meßpol ausgebildet und mit einem unmagnetischen Polelement 15 versehen, das beispielsweise als flaches scheibenartiges Sa­ phirelement ausgebildet ist. Dieses Polelement weist im mittle­ ren Bereich die größte Dicke auf und ist zu den Seiten hin ab­ geflacht.

Die Dicke des Hall-Elements 13 kann zusammen mit dem Polelement 15 weniger als 1 mm betragen. Der Permanentmagnet 12 weist bei­ spielsweise einen Durchmesser von 2 mm und eine Länge von 6 mm auf, so daß die Meßsonde insgesamt sehr klein ausgebildet ist.

In einer Umfangsnut des Trägerkörpers 10 ist eine Hochfrequenz­ spule 16 angeordnet, die im wesentlichen das Hall-Element 13, also den Meßpol der Meßsonde umgibt. Diese Hochfrequenzspule 16 ragt noch in den Längenbereich des Permanentmagneten 12 hinein und kann auch vollständig in dessen Längenbereich angeordnet sein.

An der vom Meßpol abgewandten Stirnseite besitzt der Trägerkör­ per 10 eine einstückig angeformte scheibenartige Halterung 17. Ebenfalls gegenüberliegend zum Meßpol ist eine konzentrische scheibenartige Einformung 18 im Trägerkörper 10 vorgesehen, die zur Aufnahme eines Endbereichs eines weiteren nicht dargestell­ ten Permanentmagneten dient, der mit dem ersten Permanentmagne­ ten 12 in Reihe angeordnet wird, um das Magnetfeld zur Messung dickerer Schichten zu verstärken.

Zwei axiale Kanäle 19, 20 im Trägerkörper 10 dienen zur Auf­ nahme von elektrischen Leitungen zum Hall-Element 13 und zur Hochfrequenzspule 16. Der meßpolseitige Endbereich des Kanals 19 weist dabei noch eine radiale, zum Hall-Element 13 hinfüh­ rende Fortsetzung 21 auf.

Bei der Schichtdickenmessung nach dem Wirbelstromverfahren ha­ ben der Permanentmagnet 12 und das Hall-Element 13 keine Funk­ tion. Die Meßsonde wird mit ihrem Polelement 15 auf die zu mes­ sende, elektrisch nicht-leitende Schicht aufgesetzt, und die Hochfrequenzspule 16 wird mit hochfrequentem Wechselstrom ge­ speist, wodurch schnell wechselnde magnetische Felder erzeugt werden, die in dem elektrisch leitfähigen, jedoch nicht ferro­ magnetischen Träger der zu messenden nicht-leitenden Schicht Wirbelströme erzeugen, deren Magnetfelder dem von der Hochfre­ quenzspule erzeugten Magnetfeld entgegenwirken. Die Rückwirkun­ gen auf die Meßspule werden in bekannter Weise zur Erzeugung eines elektrischen Meßsignals ausgewertet, welches der zu mes­ senden Dicke der nicht-leitenden Schicht entspricht.

Soll dagegen die Dicke einer nicht-leitenden Schicht oder einer galvanischen Schicht auf einem magnetisch leitenden, also fer­ romagnetischen Untergrund bzw. Träger gemessen werden, so wird das an sich bekannte magnetinduktive Verfahren angewandt, bei dem die Hochfrequenzspule 16 keine Bedeutung hat. Der Perma­ nentmagnet 12 erzeugt im ferromagnetischen Untergrund einen ma­ gnetischen Fluß, der mit Hilfe des auf die magnetische Fluß­ dichte ansprechenden Hall-Elements 13 erfaßt und in ein ent­ sprechendes elektrisches Signal umgewandelt wird, das der zu messenden Schichtdicke entspricht. Weitere Einzelheiten der beiden bekannten Meßverfahren können dem eingangs angegebenen Stand der Technik entnommen werden.

Die Hochfrequenzspule 16 kann entweder in die Umfangsnut des Trägerkörpers 10 gewickelt werden oder aber sie wird von unten her, also meßpolseitig aufgeschoben und durch eine polseitige Abschlußplatte oder einen polseitigen Abschlußring 22 gesi­ chert. Hierzu kann die stirnseitige Wandung des Trägerkörpers 10 auf der Meßpolseite als abnehmbare Scheibe, beispielsweise Ringscheibe ausgebildet sein.

Claims (13)

1. Kombinierte Meßsonde für ein Meßgerät zur Messung der Dicke einer elektrisch nicht-leitenden Schicht auf einem metal­ lischen Träger nach dem magnetinduktiven Meßverfahren und Wir­ belstrommeßverfahren, mit einem Permanentmagneten, einem einzi­ gen von diesem magnetisch durchfluteten Hall-Element, dessen vom Permanentmagneten wegweisende Seite den Meßpol bildet, und mit einer die Nord-Süd-Achse des Permanentmagneten umgreifenden Hochfrequenzspule, dadurch gekennzeichnet, daß das Hall-Element (13) direkt an einem der beiden Pole des Permanentmagneten (12) angeordnet ist, und daß die Hochfrequenzspule (16) im Längenbe­ reich des Permanentmagneten (12) positioniert ist oder in die­ sen Längenbereich ragt.

2. Meßsonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Hall-Element (13) konzentrisch zum insbesondere zylindrisch ausgebildeten Permanentmagneten (12) angeordnet ist.

3. Meßsonde nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß ein nichtmetallischer Trägerkörper (10) zur Aufnahme und/oder als Halterung des Permanentmagneten (12), des Hall-Elements (13) und der Hochfrequenzspule (16) ausgebildet ist.

4. Meßsonde nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochfrequenzspule (16) in einer Umfangsnut des Trägerkör­ pers (10) angeordnet ist.

5. Meßsonde nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeich­ net, daß der Permanentmagnet (12) und das Hall-Element (13) in konzentrischen Ausnehmungen (11, 14) des Trägerkörpers (10) an­ geordnet sind.

6. Meßsonde nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Trägerkörper (10) Leitungskanäle (19 ­ 21) für Leitungen zu den elektrischen Anschlüssen des Hall-Ele­ ments (13) und der Hochfrequenzspule (16) aufweist.

7. Meßsonde nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die als Meßpol ausgebildete Seite des Hall-Elements (13) mit einem unmagnetischen Polelement (15) versehen ist.

8. Meßsonde nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Polelement (15) als flaches Saphirelement ausgebildet ist.

9. Meßsonde nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeich­ net, daß der axiale Durchmesser des Hall-Elements (13) zusammen mit dem Polelement (15) weniger als 1 mm beträgt.

10. Meßsonde nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Trägerkörper (10) Mittel (18) zur Auf­ nahme und/oder Anbringung wenigstens eines weiteren Permanent­ magneten am ersten Permanentmagneten (12) aufweist, wobei die beiden Permanentmagneten stirnseitig aneinanderliegen

11. Meßsonde nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge des Permanentmagneten (12) weni­ ger als 10 mm und der Durchmesser weniger als 5 mm beträgt.

12. Meßsonde nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß der Permanentmagnet aus einem SmCo- oder einem Neodym-Magnetmaterial besteht.

13. Meßsonde nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Hochfrequenzspule (16) im Längen­ bereich des Hall-Elements (13) angeordnet ist.