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VERFAHREN UND ANORDNUNG ZU SEINER DURCHFUHRUNG ZUR MESSUNG
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DER DICKE VON SCHICHTEN UND ELEKTRISCH LEITENDEN FOLIEN Die Erfindung
betrifft eine Anordnung zur Durchführung der Dickenmessung an elektrisch leitenden
Schichten und Folien nach dem Wirbelstromverfahren. Solche Dickenmessungen sind
deswegen wichtig, da die meist teueren Schichtwerkstoffe ihre Aufgabe, beispielsweise
den Korrosionsschutz von Werkstücken, nur bei Aufbringen einer Mindestdicke erfüllen
können. Man muss deshalb aus technischen Gründen eine zu geringe und aus wirtschaftlichen
Gründen eine zu dicke Schicht auf jeden Fall vermeinden.
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Sinngemäss das gleiche gilt für die Dickenmessung elektrisch leitender
Folien.
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Schichtdickenmessgeräte nach dem Wirbelstromverfahren sind bekannt.
Sie machen gemäss Fig. 1 von der physikalischen Tatsache Gebrauch, dass eine Spule
1, die von einem hochfrequenten Strom I durchflossen wird und die man auf eine Kombination
aus Schichtwerkstoff 2 und Grundwerkstoff 3 oder eine elektrisch leitende Folie
4 aufsetzt, in Abhängigkeit von der Schicht- bzw. Foliendicke ihre Impedanz ändert.
In Schichtwerkstoff 2 und Grundwerkstoff 3 bzw. Folie 4 werden nämlich kreisförmige,
in sich geschlossene Wirbelströme induziert, die auf die Anregespule zurückwirken.
Die Rückwirkung hängt ausser von den elektrischen Leitfähigkeiten der Werkstoffe
wesentlich auch von der Schichtdicke bzw. Foliendicke ab und kann damit als Mass
für die Dicke herangezogen
werden.
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Der mit der Spule 1 fest verbundene Kern 5 dient zur Festlegung des
Abstandes der Spule zur Oberfläche der Schicht 2 bzw. der Folie 4. So hat jeder
Werkstoff in der komplexen Impedanzebene einen bestimmten Impedanzpunkt, wie Fig.
2 zeigt. In Fig. 2 nimmt die Sondenimpedanz den durch Punkt 11 gekennzeichneten
Wert an, wenn sie auf Kupfer aufgesetzt wird, den durch Punkt 12 gekennzeichneten
Wert auf Titan und den durch Punkt 13 gekennzeichneten Wert, wenn die Sonde weit
entfernt von elektrisch leitenden Werkstoffen ist. Hat man beispielsweise eine Kupferschicht
auf Titan, so liegt die Sondenimpedanz auf der Kurve 14, die vom Titanpunkt 12 zum
Kupferpunkt 11 mit zunehmender Kupferschichtdicke in Pfeilrichtung durchlaufen wird.
Hat man umgekehrt eine Titanschicht auf Kupfer, so liegt die Sondenimpedanz auf
der Kurve 15, die vom Kupferpunkt 11 zum Titanpunkt 12 mit zunehmender Titanschichtdicke
in Pfeilrichtung durchlaufen wird. Hat man dagegen beispielsweise die Dicke einer
Kupferfolie zu messen, so liegen die Impedanzpunkte auf der Kurve 16, die ausgehend
vom Punkt 13 mit zunehmender Foliendicke in Pfeilrichtung zu Punkt 11 verläuft.
Jeder Schichtdicke und Foliendicke ist bei definierten Anfangspunkten genau ein
Punkt auf der zwischen den Anfangspunkten verlaufenden Kurve zugeordnet. Diese Tatsache
ist bekannt.
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Nach dem bisherigen Stand der Technik sind im wesentlichen drei Messverfahren
bekannt, mit denen aus der Messung der beschriebenen Impedanzwerte ein Rückschluss
auf die Schichtdicke oder Foliendicke möglich ist. Hat man beispielsweise gemäss
Fig. 3 die Aufgabe, die Dicke einer Titanschicht auf Kupfer zu messen, so entspricht
Punkt 21 dem Kupferpunkt, Punkt 22 dem Titanpunkt, die Linie 23 dem Impedanzverlauf
bei zunehmender Titanschichtdicke. Da man weiss, dass die bei konstant gehaltenem
Wechselstrom I durch die Meßsondenspule die Spannung
an der Meßsonde,
deren Impedanz proportional ist, kann man die Fig. 3 auch als komplexe Spannungsebene
auffassen. Hat man eine dem Punkt 24 entsprechende Titanschichtdicke, dann gehört
dazu die komplexe Sondenspannung 25. Legt man nun eine Hilfsspannung fest, die in
der komplexen Ebene durch den Spannungs zeiger 26 dargestellt wird und bildet die
Differenz zwischen komplexer Sondenspannung 25 und Hilfsspannung 26, so entsteht
die Spannung 27. Bei festgehaltenem Spannungs zeiger 26 ist die Länge des Spannungszeigers
27 und damit die Amplitude der zugehörigen Wechselspannung ein Mass für die Schichtdicke.
Wird diese Wechselspannung in bekannter Weise gleichgerichtet, so kann die entstehende
Gleichspannung als Mass für die Schichtdicke verwendet werden. Der Nachteil dieses
Verfahrens liegt vor allem darin, dass ausser der Schichtdicke auch die Amplitude
des Erreger stromes der Meßsonde in die Messung eingeht, da alle Spannungen 25,
26 und 27 dem Strom proportional sind. Geringe Änderungen der Amplitude des Erregerstromes
können auf diese Weise Schichtdickenänderungen vortäuschen, die tatsächlich nicht
vorhanden sind.
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Bei einem weiteren bekannten Verfahren macht man von der Tatsache
Gebrauch, dass nicht nur die Amplitude, sondern auch die Phasenlage der Sondenspannung
ein Mass für die Schichtdicke oder Foliendicke ist. In Fig. 4 ist wiederum die komplexe
Spannungsebene dargestellt. Punkt 31 ist dem Kupfer punkt zugeordnet, Punkt 32 dem
Titanpunkt, die Linie 33 verläuft mit zunehmender Titanschichtdicke vom Kupferpunkt
31 in Pfeilrichtung zum Titanpunkt 32. Hat man beispielsweise die dem Punkt 34 zugeordnete
Titanschichtdicke, so liegt an der Sonde eine Spannung, die dem Spannungszeiger
35 entspricht.
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Wählt man nun als Hilfsspannung den Spannungs zeiger 36 und bildet
die Differenz zum Spannungszeiger 35, so erhält man die Spannung, die durch den
Spannungszeiger 37 dargestellt ist. Wie man erkennt, ändert sich die Phasenlage
des Spannungszeigers 37 abhängig von der Schichtdicke, und zwar wird mit zunehmender
Titanschichtdicke der Spannungszeiger 37 nach
rechts gedreht. Dass
sich dabei auch die Amplitude verändert, stört bei dem hier beschriebenen Auswerteverfahren
nicht.
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Macht man nun eine Phasenmessung zwischen der durch den Spannungszeiger
37 definierten Spannung und einer geeignet gewählten Referenzspannung, so ist die
als Mass für die Phasendifferenz entstehende Gleichspannung ebenfalls ein Mass für
die Titanschichtdicke. Es werden zwei Phasenmessverfahren in Verbindung mit Schichtdickenmessgeräten
angewendet: 1. Aus der Spannung 37 und der Referenzspannung werden in bekannter
Weise durch Aussteuerung eines Verstärkers und Amplitudenbegrenzung Rechtecksignale
gebildet, wobei man mit dem von der Spannung 37 herrührenden Rechtecksignal einen
Flip-Flop in den Zustand 1 setzt und mit dem von der Referenzspannung abgeleiteten
Rechtecksignal den Flip-Flop zurück in den Zustand 0 setzt. Die Zeit, die der Flip-Flop
im Zustand 1 verharrt, ist die gleiche Zeit, die zwischen zwei Nulldurchgängen der
Spannung 37 und der Referenzspannung liegt. Da diese Zeit bei bekannter Messfrequenz
in direkter linearer Beziehung zur Phasenlage steht, ist der Mittelwert der Ausgangsspannung
des Flip-Flops ein lineares Mass für die Phasenlage der Spannung 37 und damit für
die Schichtdicke. Der Nachteil dieser Anordnung besteht darin, dass die Nulldurchgänge
nicht nur durch die Spannung 37 und die Referenzspannung bestimmt werden, sondern
dass überlagerte Oberwellen und in die Messeinrichtung möglicherweise eingestreute
Störspannungen zu erheblichen Verschiebungen der Nulldurchgänge und damit zu beträchtlichen
Phasenfehlern führen können, die sich in grossen Messfehlern auswirken. Man verwendet
deswegen daneben eine andere Phasenmeßschaltung.
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2. Eine weitere, bekannte Phasenmeßschaltung arbeitet nach dem bekannten
Prinzip des Ringmodulators oder Abwandlungen davon. Dabei wird sowohl die Differenz
als auch die Summe aus der Messwechselspannung und der Referenzspannung gebildet,
Summe und Differenzspannung werden jede für sich auf die beiden Teilkanäle einer
nichtlinearen Gegentaktschaltung gelegt, die Ausgangssignale werden anschliessend
voneinander
subtrahiert, so dass die Differenzspannung ein Mass für den Phasenwinkel zwischen
der Meßspannung und der Referenzspannung darstellt. Von dieser beschriebenen Grundschaltung
sind viele Abwandlungen bekannt. Das gemeinsame Merkmal ist jedoch, dass die Ausgangsspannung
nicht nur von der Phase, sondern auch von der Amplitude der Messspannung abhängt,
so dass für diese Art der Phasenmeßschaltungen der gleiche Nachteil wie für die
reinen amplitudenbewertenden Schaltungen gilt, nämlich dass die als Mass für die
Schichtdicke heranzuziehende Spannung auch von der Amplitude des Erregerstromes
abhängig ist, so dass geringe Stromänderungen bereits nichtvorhandene Schichtdickenänderungen
vortäuschen können.
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Die erfindungsgemässe, nachfolgend beschriebene Anordnung vermeidet
die genannten Nachteile.
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Fig. 5 zeigt das Prinzip der Anordnung. Die angegebenen Pfeile deuten
Wirkungsrichtungen an. Ein Hochfrequenzgenerator 41 speist über den Widerstand 42
die Sonde 43. Dabei ist der Widerstand 42 so bemessen, dass bei allen während der
Messungen auftretenden Impedanzen der Sonde 43 der Sondenstrom konstant bleibt.
Der Widerstand 42 ist also wesentlich hochohmiger als die Sonde 43. Die an der Sonde
stehende Spannung wird dem positiven Eingang des Differenzverstärkers 45 zugeführt.
Dem negativen Eingang des Differenzverstärkers 45 wird eine Spannung zugeführt,
die dem Netzwerk 44 entnommen wird. Die am Ausgang des Differenzverstärkers 45 zur
Verfügung stehende Wechselspannung ist damit die Differenz aus der Spannung an der
Sonde 43 und dem Netzwerk 44 und spielt somit die Rolle des Differenzspannungszeigers
37 in Fig. 4. Die bis hierher beschriebenen Massnahmen und Anordnungen sind bekannt
und nicht Gegenstand der Erfindung. Gegenstand der Erfindung ist die anschliessende
Auswertung, um die Phasenlage des Spannungszeigers 37 bezüglich der festen Phase
der Spannung des Oszillators 41 zu bestimmen und als Mass für die Schichtdicke heranzuziehen.
Dazu wird die Ausgangsspannung U1 des Differenzverstärkers 45 zunächst einem Phasendrehglied
46 zugeführt. Dieses Phasendrehglied besteht aus einer noch zu beschreibenden Phasenbrücke,
wobei die Phasendrehung nicht etwa konstant, sondern eine Funktion der Ausgangsspannung
des
Verstärkers 49 ist, die dem Phasendrehglied 46 zugeführt wird.
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Die am Ausgang des Phasendrehgliedes 46 zur Verfügung stehende Spannung
U3 gelangt anschliessend in den Phasendiskriminator 47, der ausserdem direkt vom
Oszillator 41 mit der Referenzspannung gespeist wird. Der Phasendiskriminator 47
ist in an sich bekannter Weise so aufgebaut, dass der zeitliche Mittelwert seiner
Ausgangsspannung dann Null wird, wenn die Spannungszeiger der vom Oszillator 41
kommenden Referenzspannung und der vom Phasendrehglied 46 kommenden Spannung U3
aufeinander senkrecht stehen, d.h. wenn die Phasenverschiebung der beiden Spannungen
900 ist. Abweichungen von dieser 900-Lage erzeugen je nach Richtung der Abweichung
eine positive oder negative Ausgangsspannung am Phasendiskriminator 47. Diese Spannung
gelangt dann zum Filter 48, welches nur den zeitlichen Mittelwert der Ausgangs spannung
des Phasendiskriminators 47 durchlässt und alle Anteile der Messfrequenz und ihrer
Oberwellen sperrt. Die Ausgangsspannung des Filters 48 wird im Gleichspannungsverstärker
49 verstärkt und dem Steuereingang des Phasendrehgliedes 46 zugeführt. Man erreicht
damit einen geschlossenen Regelkreis, wobei die Regelgrösse die Differenz zwischen
der Phasenlage der vom Oszillator 41 kommenden Referenzspannung und der vom Phasendrehglied
46 kommenden Spannung ist.
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Der Sollwert der Regelgrösse ist 900. Da die Phasenlage der Referenzspannung
vom Oszillator 41 als Bezugsphase gilt und die 900-Bedingung durch den Regelkreis
erzwungen wird, drückt sich die Phasenlage der Ausgangsspannung des Verstärkers
45 in dem zur Einhaltung der 9O0-Bedingung erforderlichen Phasendrehwinkel des Phasendrehgliedes
46 aus. Dieser Phasendrehwinkel des Phasendrehgliedes 46 ist mit einer genau definierten
Einstellung eines noch zu beschreibenden passiven Bauelementes im Phasendrehgliedes
46 verknüpft, dessen Wert über die aus dem Widerstand 50 bestehende Auswerteschaltung
und das Messinstrument 51 schliesslich als Mass für die Schichtdicke bzw. Foliendicke
herangezogen werden kann.
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Man hat mit dieser Anordnung, nämlich der durch den Regelkreis erzwungenen
Herstellung einer 9O0-Bedingung und der Auswertung der hierzu erforderlichen Regelparameter
im Phasendrehglied 46
erreicht, dass die gesuchte Phasenanzeige
unabhängig ist von der Amplitude der vom Oszillator 41 gelieferten Referenzspannung
und unabhängig von der Amplitude der vom Phasendrehglied 46 und damit vom Differenzverstärker
45 gelieferten Spannung. Ausserdem werden durch die Einbeziehung des Tiefpassfilters
48 in den Regelkreis möglicherweise vorhandene, höherfrequente Störspannungen eliminiert,
so dass die Anordnung auf Störungen von aussen und möglicherweise vorhandene Oberwellen
nicht anspricht.
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Ein Ausführungsbeispiel für das Phasendrehglied 46 und die Auswerteschaltung
zeigt Fig. 6.
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In Fig. 6 ist U1 die Spannung, welche vom Differenzverstärker 45 der
Fig. 5 kommt, U3 ist die Spannung, welche zum Phasendiskriminator 47 der Fig. 5
durchgeschaltet wird, U2 ist die Spannung, welche vom Gleichspannungsverstärker
49 der Fig. 5 geliefert wird. Der Differentialtransformator 61 dient dazu, aus der
masseunsymmetrischen Eingangsspannung U1 auf der Primärseite eine massesymmetrische
Spannung U1 auf der Sekundärseite herzustellen. Dazu dient die Anzapfung auf der
Sekundärseite des Transformators 61, welche auf Masse gelegt ist. Der Widerstand
63 und der Kondensator 65 sind die Bestandteile der Phasenbrücke. Dabei hat der
Widerstand 63 keinen konstanten Wert, sondern er ist beispielsweise als Fotowiderstand
ausgebildet, dem benachbart die Lampe 64 angeordnet ist, so dass durch Anlegen einer
bestimmten Spannung U2 an die Lampe und damit unterschiedliche Beleuchtung des Fotowiderstandes
63 dessen Widerstandswert geändert werden kann. Fotowiderstand 63 und Lampe 64 sind
in einem gemeinsamen Gehäuse 62 untergebracht; derartige kombinierte Bauelemente
sind als Optokoppler in der Technik bekannt. In Fig. 7 ist das Zeigerdiagramm der
Phasendrehschaltung der Fig. 6 dargestellt. Mit U1' ist die gesamte Spannung an
der Sekundärseite des Differentialtransformators bezeichnet, U3 ist die massebezogene
Ausgangswechselspannung, deren Phasenwinkel AW zwischen der auf Masse gelegten Anzapfung
des Differentialtransformators und dem Verbindungspunkt
von Widerstand
63 und Kondensator 65 auftritt. Für den Zusammenhang zwischen Ausgangs spannung
U3 und Eingangsspannung U1 gilt
Dabei sind U1 komplexe Amplitude der Eingangsspannung U3 komplexe Amplitude der
Ausgangsspannung w Betriebskreisfrequenz AV erzielter Phasendrehwinkel.
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Für den Phasendrehwinkel lässt sich die Beziehung angeben
Dabei ist Ap erzielter Phasendrehwinkel w Betriebskreisfrequenz R Widerstandswert
des Widerstandes 63 C Kapazitätswert des Kondensators 65 Richtet man es nun durch
Dimensionierung des Regelkreises so ein, dass die Bedingung gilt dann kann man die
obige Gleichung auch schreiben
oder nach R aufgelöst
Damit steckt die Information über den zu messenden Phasenwinkel çm mittels der über
den Regelkreis erzwungenen 9O0-Bedingung schliesslich im Widerstandswert R des Widerstandes
63.
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Da die Phasenbrücke ja in der beschriebenen Weise mit hochfrequenter
Wechselspannung arbeitet, kann leicht ein zweiter Stromkreis, der mit Gleichspannung
arbeitet, überlagert werden, um den Widerstandswert R im Gleichstromkreis zu messen.
Dazu
wird gemäss Fig. 6 über ein induktives Entkopplungslängsglied
68 und ein kapazitives Entkopplungsquerglied 67 der Widerstand 66 mit dem Wert R1
auf eine Hilfsgleichspannung UO geschaltet, am anderen Ende des Widerstandes 66
wird die Meßspannung Um abgegriffen. Die Entkopplungsglieder 67 und 68 haben die
Aufgabe, den Gleichstromkreis vom hochfrequenten Wechselstromkreis abzutrennen.
Damit entsteht der Gleichspannungskreis, beginnend mit der Hilfspannung UO über
den Widerstand 66, die gleichspannungsmässig unwirksame Induktivität 68, über den
Widerstand 63, die gleichspannungsmässig unwirksame obere Hälfte des Differentialtransformators
61 und über die tOittelanzapfung zur Masse. Die Ausgangsspannung Um ist damit
dabei ist R der Widerstandswert des Widerstandes 63 R1 der Widerstandswert des Widerstandes
66 oder
oder, wenn man den oben genannten Wert für den Widerstand R1 einsetzt,
In Fig. 8 ist der Zusammenhang zwischen der auf U bezogenen 0 Ausgangsgleichspannung
U und dem zu messenden Phasenwinkel m aufgetragen, wobei als Parameter verschiedene
Werte R1 des Widerstandes 66 verwendet worden sind. Bei theoretischer und experimenteller
Durchführung ergibt sich die überraschende Feststellung, dass in einem weiten Bereich
des zu messenden Phasenwinkels çm ein nahezu linearer Zusammenhang zwischen der
Ausgangsgleichspannung U und dem Phasenwinkel Çm besteht, d.h.
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m man hat mit dieser Anordnung eine Möglichkeit, eine für praktische
Zwecke vollkommen ausreichende lineare Phasenmessung durchzuführen. Die beste Annäherung
der Kennlinie an eine gerade Linie im Bereich von am = 600 bis Wm = 1500 ergibt
sich,
wenn R1 gemäss der Vorschrift R1 Lt) zu zu C = 0,75 gewählt wird.
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Die Vorteile gegenüber dem Bekannten werden in folgenden Punkten gesehen:
1. Die Phasenmessung und damit die Schichtdickenmessung ist unabhängig von der Amplitude
des Erregerstromes, der die Sonde speist, so dass durch zufällige Stromänderungen
vorgetäuschte Schichtdickenänderungen nicht auftreten können.
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2. Die Anordnung arbeitet so, dass Einflüsse von Oberwellen oder von
aussen eingestreute Störspannungen keine Auswirkung auf die Schichtdickenanzeige
haben können.
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3. Die Vorrichtung erfordert bei der praktischen Herstellung nur ein
Minimum an Abgleichaufwand, da sich die zu erfüllende 900 -Phasenbedingung ohne
weiteres Zutun allein durch die Anwendung eines geschlossenen Phasenregelkreises
von selbst einstellt.
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4. Aufgrund des sich bei zweckmässiger Dimensionierung ergebenden
linearen Zusammenhanges zwischen Ausgangs spannung und Phasenwinkel wird der Zusammenhang
zwischen Schichtdicke bzw. Foliendicke und Ausgangssignal nur durch die eigene Kennlinie
der Sonde bestimmt, ein Schaltungseinfluss auf die Kennlinie ist nicht vorhanden.
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5. Die Anordnung lässt sich sehr wirtschaftlich unter Verwendung nur
eines Minimum an Bauteilen realisieren.