DE2851767A1

DE2851767A1 - Geraet zur messung der struktur einer leitenden oberflaeche

Info

Publication number: DE2851767A1
Application number: DE19782851767
Authority: DE
Inventors: Lanson Yatsang Shum
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1977-12-07
Filing date: 1978-11-30
Publication date: 1979-06-21
Also published as: SE431126B; US4130796A; JPS54112671A; CH636197A5; JPS6365881B2; FR2411388B2; CA1095988A; DE2851767C2; GB2009987A; IE47686B1; GB2009987B; FR2411388A2; IE782409L; SE7812564L

Description

. Ernst Stratmann

PATENTANWALT 2 8 5 I 7 D 7

D-4000 DÜSSELDORF 1 - SCHADOWPLATZ 9

-5-

.Düsseldorf, 27. Nov. 1978

47,589
7864

Westinghouse Electric Corporation
Pittsburgh, Pa., V. St. A.

Gerät zur Messung der Struktur einer
leitenden Oberfläche

Die Erfindung betrifft ein Gerät zur Messung der Struktur einer leitenden Oberfläche, nach Patent (Patentanmeldung

P 27 40 174.7).

Gleichzeitig richtet sich die Erfindung aber auch auf Eichschaltkreise und insbesondere auf verbesserte Eichschaltkreise für die Anwendung bei auf kapazitiver Basis arbeitenden Geräten zur Messung der Struktur einer Oberfläche.

Aus dem Stand der Technik sind Eich- und Meßschaltkreise bekannt. Eine dieser bekannten Anordnungen ermöglicht auch eine korrekte Linearität zwischen einer auf einer numerischen Sichtdarstellung wiedergegebenen Größe und der Größe der gemessenen Probe. Diese Anordnung umfaßt auch die Einstellung von zwei Parametern: Der eine Parameter verändert die Steigung einer geraden Linie, die durch zwei oder mehr aufgetragene Messungen geliefert wird, der andere Parameter ist eine Verschiebungseinstellung, die, im Effekt, diese gerade Linie zu einer Familie von parallelen Linien auf- und abwärts bewegt.

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0 10) 1327 36-f 09· deutsc

postscheck:Berlinwest(BLZ 10010010) 132736-109- deutsche bank (BLZ 3OO700 10) 6160253

Die Schaltung dieser bekannten Anordnung ist jedoch in gewissem Ausmaß empfindlich und ungenau aufgrund ungewünschter Netzbrummeinstreuungen (60 Hz bzw. 50 Hz) durch die Meßsonde, durch die menschliche Hand oder sogar durch das Werkstück selbst. Die erwähnte Brummeinstreuung ist meist die Folge von Streukapazitätseinkopplungen, die recht klein gemacht aber nie ganz eliminiert werden können. Der 50- oder 60 Hz-Brumm moduliert den Meßoszillator in der Weise, daß, wenn die Periode nicht genau ein Vielfaches von 1/50 oder 1/60 Sekunde ist, der Inhalt der für die Messung verwendeten Zähler in zufälliger Weise zittert und dadurch die letzte Ziffer der dreiziffrigen Darstellung unstabil macht.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt darin, diese Nachteile der Anordnung des Standes der Technik zu vermeiden.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Hauptanspruchs. Die Erfindung besteht also - grob gesprochen - in der Schaffung eines Eich- und Meßschaltkreises, der eine Wechselstromleistungsquelle für eine kapazitätsartige Meßsonde verwendet, die die Oberflächenstruktur von Proben untersucht. Die Eich- und Meßeinrichtung besteht erfindungsgemäß aus folgenden Bestandteilen: (a) mit der Kapazitätssonde verbundenen Oszillatoreinrichtungen zur Erzeugung von Impulsen mit einer einstellbaren Wiederholungsfrequenz; (b) Generatoreinrichtungen zur Erzeugung eines Signals mit einer Zeitperiode T , die ein genaues Vielfaches des Kehrwertes der Frequenz der Wechselstromleistungsversorgung ist;

(c) Zählereinrichtungen, die zur Aufnahme der Impulse angeschlossen sind, um diese Impulse digital auf- und abzuzählen, wobei die Zähleinrichtungen einen Einschalteingang, einen Zählbefehlseingang und einen Entleihausgang, der abgegeben wird, wenn die Zähleinrichtungen der Wert Null erreichen, aufweisen;

(d) Einrichtungen mit einem Einschalteingang, die an den Ausgang dieser Zähleinrichtungen angeschlossen sind, um den Digitalinhalt der Zähleinrichtungen am Ende der Periode T„ darzustellen; (e) mit den Zähleinrichtungen verbundene Einrichtungen, um eine Versetzdigitalzahl zu speichern; (f) Einrichtungen zur Erzeugung eines Digitalzahlsignals im Eichbetrieb; (g) Multiplexereinrich-

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tungen, die zur Aufnahme der Ausgänge der Digitalzahleinrichtungen und der Speichereinrichtungen während des Eichbetriebs bzw. Meßbetriebs angeschlossen sind, wobei die Multiplexereinrichtungen E-inschalteingänge für den Eichbetrieb und Meßbetrieb sowie einen Datenausgang aufweisen, der mit den Zähleinrichtungen verbunden ist? (h) logische Steuereinrichtungen, die zur Aufnahme des Zeitperiodensignals als einen Eingang angeschlossen sind, andererseits mit den Multiplexereinrichtungen verbunden sind, um die Multiplexereinrichtungen für eine Eichung und Messung entweder einzuschalten oder abzuschalten, wobei die logischen Einrichtungen mit den Einschalteingängen der Zähleinrichtungen und der Darstellungseinrichtungen verbunden sind und außerdem mit dem Zählbefehlseingang und dem Entleihausgang der Zähleinrichtungen in Verbindung stehen ■, wobei die logischen Steuereinrichtungen inen Abwärtszählbefehl an den Zählbefehlseingang bei Aufnahme des T_M~Signals und einen Aufwärtszählbefehl an den Befehlseingang bei Aufnahme des Entleihsignals abgeben, wobei die logischen Steuereinrichtungen mit den Versetzdigitalzahlspeichereinrichtungen verbunden sind, um die Speicherung des Digitalzahlinhalts der Zähleinrichtungen am Ende der Periode T_M zu veranlassen, so daß während der Messung die gespeicherte Zahl die Versetzdigitalzahl ist, um die die Zähleinrichtung zunächst bis auf Null abwärts zählen muß, bevor die von den Oszillatoreinrichtungen erhaltenen Impulse zu zählen begonnen werden.

Gemäß einer vorzugsweisen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Eich- und Meßeinrichtung für ein kapazitives Oberflächenstrukturmeßinstrument erzeugen Oszillatoreinrichtungen, die an der kapazitiven Meßsonde angeschlossen sind, Impulse von einstellbarer Frequenz. Generatoreinrichtungen erzeugen ein Signal mit einer Zeitperiode T_M, die ein genaues Vielfaches des Kehrwertes der Frequenz der LeistungsVersorgung ist. Einrichtungen, die mit dem Oszillatorausgang verbunden sind, zählen diese Impulse digital aufwärts und abwärts. Die Zähleinrichtungen besitzen einen Einschalteingang, einen Zählbefehlseingang und einen Entleihausgang, der dann abgegeben wird, wenn die Zähleinrichtungen Null

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erreichen. Einrichtungen mit einem Einschalteingang sind an dem Ausgang der Zähleinrichtungen angeschlossen, um den Digitalinhalt der Zähleinrichtungen am Ende der Zeitperiode T„ digital darzustellen. Einrichtungen sind mit den Zähleinrichtungen verbunden, um eine Versetzdigitalzahl zu speichern, und eine Digitalzahl wird im Eichbetrieb erzeugt. Multiplexereinrichtungen sind so angeschlossen, daß sie die Ausgänge der Speichereinrichtungen und der Digitalzahleinrichtungen während des Meßbetriebs bzw. Eichbetriebs aufnehmen, wobei die Multiplexereinrichtungen Einschal teingänge für den Eichbetrieb und den Meßbetrieb aufweisen und auch Datenausgangsverbindungen besitzen, die mit den Zähleinrichtungen verbunden sind. Logische Steuereinrichtungen, die bei Aufnahme des Signals der Periode T„ ausgelöst werden, sind mit den Multiplexereinrichtungen verbunden, um festzulegen, ob Daten von den Digitalzahlerzeugungseinrichtungen oder von den Digitalzahlspeichereinrichtungen weitergeleitet werden sollen. Die logischen Steuereinrichtungen sind auch mit den Einschal teingängen der Zähleinrichtungen und der digitalen Darstellungseinrichtungen verbunden. Die logischen Steuereinrichtungen erzeugen Abwärtszählsignale aufgrund der Auslösung durch die Periode T_M, welche Signale dem Zählbefehlseingang der Zähleinrichtungen zugeführt werden. Die logischen Steuereinrichtungen erhalten auch das Entleihsignal von den Zähleinrichtungen, wenn diese den Wert Null erreichen, und erzeugt Aufwärts-Zählbefehle, die dem Zählbefehlseingang übermittelt werden. Die logischen Steuereinrichtungen umfassen Schaltereinrichtungen, um vom Eichbetrieb zum Meßbetrieb zu wechseln. Die logischen Steuereinrichtungen ermöglichen den Speichereinrichtungen, die digitale Darstellung der Zähleinrichtungen während der Eichung am Ende der Periode T_M aufzunehmen und die Versetzzahl zu speichern. Während des Eichvorganges zählen die Zähleinrichtungen zunächst abwärts bis zur digitalen Eingangszahl der Digitalzahlerzeugungseinrichtung. Die Zähleinrichtungen zählen dann aufwärts bis zu einer begrenzten Zahl, die dann den Speichereinrichtungen zur Speicherung bei einer Periode T.. geliefert wird, wenn die Eichung beendet ist, und dies wird die Versetzzahl, die von den Speichereinrichtungen festgehalten wird. Bei jeder folgenden Messung

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oder Testung von unbekannten Werkstücken werden die Zähleinrichtungen zunächst abwärts bis zu dieser Versetzzahl zählen, bevor entsprechend der Anzahl von Impulsen aufwärts gezählt wird, die von den Oszillatoreinrichtungen erhalten werden.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert, das in den Zeichnungen dargestellt ist.

Es zeigt:

Fig. 1 ein elektrisches Blockdiagramm einer Ausführungsform des verbesserten Eich- und Meßschaltkreises, der für ein kapazitives Sondeninstrument benutzt wird;

Fig. 2 mehrere Wellenzüge (a), (b), (c), (d), (e) und (f) zur Erläuterung des Betriebs der Schaltung nach Fig. 1;

Fig. 3 ein Diagramm zur Erläuterung der Eichung der Schaltung gemäß Fig. 1 für direkte Ablesung; und

Fig. 4A und 4B

Diagramme zur weiteren Erläuterung der Rolle der Versetzzahl bei der Messung.

In Fig. 1 ist eine kapazitive Sonde 10 in Kontakt mit einer zu messenden Oberfläche dargestellt, wobei über einen im Diagramm bei 12 schematisch dargestellten Oszillator die kapazitive Sonde periodisch entladen wird, um eine Folge von Impulsen mit einer Frequenz f^ zu liefern, wobei die Anzahl der erzeugten Impulse eine Funktion der Oberflächenstruktur ist, d. h., je größer die Zahl dieser Impulse ist, desto gröber ist die Oberflächenstruktur, und umgekehrt.

Wie noch erläutert werden wird, ist der Zusammenhang zwischen der Anzahl der'Impulse und der gemessenen Oberflächenstruktur linear, wobei der Oszillator 12 ein Potentiometer für die Einstellung der Steigung der entsprechenden Kennlinie aufweist,

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wodurch eine Eichung möglich wird. Das Instrument kann so geeicht werden, daß sich z. B. 10 m oder auch 10 Zoll ablese] lassen. Außerdem ist ein Bereichsauswahlnetzwerk 16 vorhanden.

Ein durch N dividierender Zähler 18 liefert eine Rechteckwelle der Periode T_M zu Definition und Steuerung der Meßperiode. Durch Verwendung eines Schalters 20 kann der N-Zähler 18 mit einem Periodenoszillator 22 verbunden werden, wenn eine Versorgung mit 50 oder 60 Hz durch z. B. einen Netzanschluß nicht vorhanden ist. Bei Feldanwendungen, bei denen eine 50 oder 60 Hz-Leistungsversorgung zur Verfügung steht, wird der Schalter mit einem Schaltkreis verbunden, der allgemein mit 24 bezeichnet ist und die übliche 50 Hz, 220 V (oder auch 60 Hz, 120 V) Versorgung umwandelt in eine 50 Hz bzw. 60 Hz-Spannung mit einer Spannungshöhe von 15V Spitze-zu-Spitze, wobei diese Spannung einem Eingang des Zählers 18 zugeführt wird. Der Schaltkreis 24 umfaßt einen Eingangswiderstand 26 in Serie mit einer Para3.1elkombination, die eine Zenerdiode 28, einen Kondensator 30 und einen Widerstand 32 umfaßt. Die eingehende Signalamplitude wird durch den Widerstand 26 und die Zenerdiode 28 abgeschnitten. Der kleine Kondensator 30 und der Ableitwiderstand 32 entfernen irgendwelche Lextungsspannungsspitzen, die sonst zu falscher Auslösung des Zählers 18 führen würden.

Die Impulse f.. des Präzisionsoszillators 12 werden einem dreiziffrigen binär codierten Dezimalzähler (BCD-Zähler) 34 zugeführt, der auf- und abwärts zählen kann. Wie noch erläutert wird, tritt eine Versetz- oder Verschiebezahl entweder von einer Eichquelle, gebildet von digitalen Daumenscha!tern 36 oder von einem 12-Bitspeicher oder -verriegelung 38 über einen Multiplexer oder Schalter 40 in den Zähler 34 ein. Der Multiplexer 40 besitzt zwei Wahl- oder Einschalteingänge "Auswahl A" und "Auswahl B", die die Digitalinformation des Kanals A (das ist die Verriegelung 38) oder des Kanals B (das sind die Daumenschalter 36) einschaltet, damit diese in den Zähler 34 gelangt.

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Der Inhalt des Digitalzählers 34 wird der Verriegelung 38 und einer dreiziffrigen, lichtemittierende Dioden (LED) umfassenden numerischen Darstellung zugeführt, die bei 42 angedeutet ist.

Das Gerät steht unter der Steuerung einer Steuerlogikeinrichtung, die bei 44 dargestellt ist. Die Steuerlogik 44 umfaßt eine Schalteranordnung, allgemein mit 46 bezeichnet, ein Paar von monostabilen Multivibratoren 48, 50 sowie einen allgemein mit bezeichneten RS-Flipflop.

Die Schalteranordnung 46 umfaßt einen zwei gekoppelte Schalter (a), (b) aufweisenden Doppelschalter SW, die zwei Stellungen, nämlich für Eichung und Messung umfassen. Außerdem ist ein Inverter 54 vorhanden. Eine Fpannungsquelle Vcc ist sowohl mit dem Eich- Is auch mit den Meßpol des oberen Teils (a) des Doppelschalters SW verbunden, wie dargestellt. Der Eingang des Inverters 54 ist auch mit den beiden Polen "Eichung" bzw. "Messung" verbunden. Der monostabile Multivibrator 48 besitzt Ausgänge Q₁ und Q,, der monostabile Multivibrator 50 Ausgänge Q₂ und Q₂.

Der RS-Flipflop 52 umfaßt NAND-Verknüpfungsglieder 56, 58, die in der dargestellten Weise miteinander verbunden sind. Ein den NAND-Verknüpfungsgliedern 56 zugeführter Eingang ist ein ENTLEIH-Signal vom Zähler 34. Das NAND-Verknüpfungsglied 58 ist mit einem seiner Eingänge mit dem Q„-Ausgang des Multivibrators verbunden.

Es sei nun der Betrieb der in Fig. 1 dargestellten erläuternden Ausführungsform näher dargestellt.

Bevor das Instrument benutzt wird, sollte es zunächst geeicht werden. Mit Hilfe der in Fig. 2 dargestellten Wellenformen soll zunächst die Gesamtwirkungsweise des Eichbetriebs und dann die des Meßbetriebs beschrieben werden. Der Doppelschalter SW wird in die Eichstellung der Teilschalter (a) und (b) aufeinanderfolgend bewegt. Es sei bemerkt, daß die Eichstellung des Teilschalters (a) auf Masse liegt (niedriger Zustand, entspricht

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der logischen Null), während die Eichstellung des Teilschalters (b) mit dem Q₁-Ausgang des monostabilen Multivibrators 48 (MONO 48) verbunden ist. Die dem Inverter 54 zugeführte logische Null wird zu einer logischen Eins invertiert. Der "Auswahl A"-Eingang am Multiplexer 40 ist eine logische Null, während der "Auswahl B"-Eingang eine logische Eins darstellt. Somit wird der Kanal B des Multiplexers 40 eingeschaltet und irgendeine mittels der digitalen Daumenschalter 36 eingestellte Zahl wird in den Multiplexer 40 geladen. Der Kanal A ist zu diesem Zeitpunkt abgeschaltet.

Der Ausgang (siehe Fig. 2, Kurvenzug a) des um einen Faktor N dividierenden Zählers 18 ist eine Rechteckwelle mit einer Zeitperiode T_M, die die Meßperiode definiert und steuert. Wenn die Welle T_M nach oben geht (logische Eins), wird dies dem MONO 48 zugeführt, der die Ausgänge Q₁ = EINS (Fig. 2, Kurve b) und CL = NULL abgibt. Das Signal Q₁ = EINS läuft durch den Teil (b) des Schalters SW zur Verriegelung 38, die dann den Ausgang des Zählers 34 speichert, der den aufsummierten Wert der vorherigen Abtastperiode darstellt.

Das Signal ^₁ = NULL läuft zu zwei Stellen: (a) zur Einschaltung der numerischen Darstellung 42 und (b) zum Eingang des MONO 50 (gegenwärtig hält das Signal Q₁ = NULL die Darstellung 42 abgeschaltet) . Am Ende des Q₁-Impulses wechselt ÖL wieder zu "EINS". Das Signal Q₁ = EINS triggert MONO 50, der dann die Ausgänge Q₂ = EINS, Q₂ = NULL erzeugt.

Der Impuls Q₂ = EINS schaltet den Zähler 34 ein, um eine Versetzzahl festzulegen, die aus dem Multiplexer 40 geladen wird (diese Versetzzahl stellt jetzt die Zahl dar, die mittels der Daumenschalter 36 eingegeben wurde).

Der Impuls Q₂ = NULL wird dem RS-Flipflop 52 zugeführt, um den Flipflop durch Änderung des Ausganges des NÄND-Verknüpfungsgliedes 56 zu einem NULL-Zustand zurückzustellen, welches Signal dem Zähler 34 zugeführt wird, um ihn zu veranlassen, abwärts

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zu zählen (Fig. 2, Kurve e).

Die Versetzzahl in dem Zähler 34 ist eine positive Zahl und der Zähler 34 zählt abwärts in Richtung "NULL", zu welcher Zeit ein Signal ENTLEIH = NULL vom Zähler 34 erzeugt wird (Fig. 2, Kurve f) Dies veranlaßt das NAND-Verknüpfungsglied 56, ein Signal "EINS" abzugeben, d. h., daß seine beiden Eingänge mit "NULL" beaufschlagt sind. Diese logische EINS veranlaßt nunmehr den Zähler 34, aufwärts zu zählen (Fig. 2, Kurve d). Der Zähler 34 zählt aufwärts und die Anzahl der Aufwärtszählungen wird die Anzahl der Impulse sein, die vom Oszillator 12 aufgenommen werden.

Die numerische Zählung im Zähler 34 wird sowohl der Verriegelung 38 als auch der numerischen Darstellung 42 zugeführt. Am Ende der Eichperiode T wird der durch N dividierende Zähler 18 wieder ein Signal abgeben, das nach oben führt, wie bereits erläutert, wodurch der MONO 48 ein Signal Q₁ = EINS erzeugt, um die Verriegelung 38 einzuschalten, damit diese den Inhalt des BCD-Zählers 34 aufnimmt. Das Signal Q₁ = NULL schaltet die Darstellung 42 ein, um den Ausgang des Zählers 34 zu speichern und darzustellen. Die numerische Darstellung ist eine Funktion der Anzahl der Impulse, die von dem Präzisionsoszillator 12 erzeugt wird, wobei diese Anzahl wiederum eine Funktion der Oberflächenstruktur der gemessenen Oberfläche ist. Das Signal Q₁ = NULL

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dauert nur 100 χ 10 Sekunden.

Während die Sonde sich noch auf dem Eichstück befindet, bewegt sich der Schalter SW zur Meßstellung der Teilschalter (a) und (b), wodurch das Signal "Auswahl A" eine logische EINS wird, da es sich auf dem Potential von Vcc befindet. Nach Inversion durch den Inverter 54 wird die EINS eine NULL, so daß das Signal "Auswahl B" eine NULL ist. Der Multiplexer 40 wird nun nur die Versetzzahl über den Kanal A von dem Verriegelungsspeicher 38 aufnehmen und weiterleiten.

Wenn der Meßzyklus beginnt, ist die Rechteckwelle eine logische EINS. Dies veranlaßt den MONO 48, die Signale Q₁ = EINS, Q₁ =

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NULL zu erzeugen. Q₁, die gespeicherte Sondenmessung, wird nun von dem Verriegelungsspeicher 38 entfernt, und zwar aufgrund der an Masse liegenden Stellung des Schalters SW(b).

Q- = NULL wird nun der numerischen Darstellung zugeführt, wodurch die Darstellung veranlaßt wird, den Inhalt des Zählers 34 von der vorherigen Abtastung zu speichern. Q₁ = NULL triggert auch den MONO 50 und veranlaßt ihn, die Signale Q„ = EINS, Q₂ = NULL abzugeben.

Q₂ = EINS schaltet den Zähler 34 ein und dieser nimmt die Versetzzahl in der Verriegelung 38 über den Multiplexer 40 auf. Q₂ = NULL veranlaßt den RS-Flipflop 42, ein Signal NULL abzugeben, das den Zähler veranlaßt, abwärts zu zählen. Wenn Q₁ = NULL, Qi = EINS, triggert dies den MONO 5Oj, der die Aus gangs signale .Q₂ = EINS, Q₂ = NULL abgibt. Q₂ = NULL schaltet den Zähler 34 ab, so daß dieser nicht mehr einen Eingang vom Multiplexer 40 aufnimmt. Q₂ = NULL läuft zum RS-Flipflop 52 und veranlaßt das NAND-Verknüpfungsglied 56, ein Signal NULL abzugeben, das den Zähler 34 veranlaßt, abwärts zu zählen. Der RS-Flipflop ist nunmehr in einem Zustand, so daß dann, wenn das Signal ENTLEIH = NULL eintrifft, der RS-Flipflop 52 seinen Ausgang in eine EINS abändert, um ein Aufwärtszählen zu veranlassen.

Der Zähler 34 zählt bis Null und sendet ein Signal ENTLEIH = NULL an den RS-Flipflop 52, das ein logische EINS abgibt, die den Zähler 34 veranlaßt, aufwärts zu zählen. Der Zähler 34 setzt seine Aufwärtszählung gemäß der Zahl der vom Oszillator 12 empfangenen Impulse fort. Am Ende der Meßperiode T , gerade wenn eine neue Meßpariode beginnt, ist Q₂ = EINS und die Darstellung zeigt sichtbar den Inhalt des Zählers an. Falls die Sonde sich immer noch auf dem Eichwerkstück befindet, das den gleichen Meßwert besitzt, wie die Daumenschaltereinsteilung, sollte die Darstellung den Wert der Daumenschaltereinstellung wiedergeben.

Es sei nun das Eichverfahren beschrieben. Die Eichung kann in einfacher Weise durch Verwendung von zwei Standardstücken durch-

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geführt werden, die eine annehmbare Endbearbeitung aufweisen. Es sei angenommen, daß ein Stück mit einer Oberflächenstruktur

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von 50 χ 10 m und eines mit 125 χ 10 m zur Verfügung steht. Diese Standards können durch sorgfältige Messung mit irgendeinem anderen Instrument erhalten werden, wie beispielsweise mittels eines Stiftes oder mittels eines Laborprofilometers, oder es kann einfach ein Standardwerkstück mit einer bekannten Oberflächenrauhigkeit sein.

Die Eichung erfolgt in zwei Schritten:

Schritt 1: Wie in Fig„ 1 und 3 dargestellt ist, wird der Schalter SW zur Vornahme der Eichung in die Eichstellung bewegt. Die Werte der Eichstücke in 10~ m (oder auch 10 Zoll) wird mittels der digitalen τ" ümenschalter 36 eingegeben, z. B. der Wert 5O χ 1O m. Die Sonde iö wird auf das Werkstück mit dem Rauhigkeitswert von

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50 χ 10 m aufgesetzt. Sobald die Darstellung eine sich nicht mehr ändernde Ablesung zeigt, wird der Schalter SW auf Meßbetrieb umgeschaltet. Die Darstellung 42 sollte dann den Meßwert 50 anzeigen.

Schritt 2"! Die Sonde 10 wird auf ein zweites Werkstück gesetzt, beispielsweise eines mit einer Rauhigkeit von 125 χ 10 m. Der Schalter SW befindet sich noch in der Meßstellung. Die Darstellung sollte jetzt genau den Wert 125 anzeigen. Wenn dies nicht der Fall ist, muß die Steigung der Meßkennlinie mittels des Potentiometers 14 geändert werden, um die Ablesung je nach Erfordernis zu erhöhen oder zu erniedrigen.

Das Eichverfahren der Schritte 1 und 2 wird dann wiederholt, bis die Darstellung die Rauhigkeitswerte der zwei Werkstücke genau wiedergibt, d. h. die Werte von 50 bzw, 125 χ 10 m. Das Potentiometer 14 wird dann in dieser Stellung verriegelt.

Dieses Eichverfahren kann ungefähr einmal im Monat oder in anderen gewünschten Zeitperioden durchgeführt werden, um fortlaufend ausreichende Genauigkeit sieherzustellen. Insbesondere wäre aber

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eine Eichung durchzuführen, wenn sich die Betriebsbedingungen geändert haben, z. B. dadurch, daß eine neue Sonde verwendet wird.

Wenn das Gerät eingeschaltet wurde und nach einigen Minuten Betriebswärme erreicht hat, wird zunächst ein standardisiertes Eichwerkstück benutzt, um die Verriegelung 38 einzustellen, indem der oben beschriebene Verfahrensschritt 1 durchgeführt wird. Danach kann das Gerät für Messungen verwendet werden. Der in der Verriegelung 38 gespeicherte Wert geht wieder verloren, sobald die LeistungsVersorgung abgeschaltet wird. Ein standardisiertes Eichwerkstück von genau bekannter Oberflächenbeschaffenheit wird daher vorteilhafterweise dem Gerät beigegeben.

Um die Rolle- der Versetzzahl noch weiter zu verdeutlichen, sei noch auf zunächst Fig. 4A und dann auf Fig. 4B Bezug genommen.

Mit Bezug auf Fig. 4A sei angenommen, daß während des Eichvorganges ein Werkstück mit einer Oberflächenrauhigkeit von 10 χ 10 m benutzt und daß mittels der Daumenschalter 36 der Wert 10 eingegeben wird. Dieser Wert wird in den Zähler 34 über den Kanal B geladen,, Man nehme dann an, daß vom Oszillator 12 75 Impulse dem Zähler 34 zugeschickt werden. Der Zähler "benötigt" 10 Impulse, um bis Null zu zählen und zählt dann bis auf 65, welche Zahl er der Darstellung und dem Verriegelungsspeicher 38 zusendet, der dann den Wert 65 speichert.

Wie aus Fig. 4B hervorgeht, wird während der Messung nur der Kanal A eingeschaltet, so daß der Verriegelungsspeicher 38 die Zahl 65 in den Zähler 34 als die Versetzzahl eingibt. Der Oszillator 12 liefert weiterhin 75 Impulse an den Zähler 34, der bis auf 65 abwärts zählt und dabei 65 Eingangsimpulse "verbraucht", woraufhin er dann während der verbleibenden 10 Impulse aufwärts zählt. Der Zähler 34 wird dann die Zahl 10 der Darstellung 42 liefern, wodurch sich das gewünschte Ergebnis einstellt.

ES/jn 5

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Claims

drying. Ernst stratmann

PATENTANWALT
D-4000 DÜSSELDORF 1 ■ SCHADOWPLATZ 9

.Düsseldorf, 27. Nov. 1978 47,589
'7864

Westinghouse Electric Corporation
'Pittsburgh, Pa., V. St. A.

■Patentansprüche :

Gerät zur Messung der Struktur einer leitenden Oberfläche mittels einer Kapazitätssonde, mit einem Eich- und Meßschaltkreis, der eine Wechselstromleistungsversorgung verwendet, gekennzeichnet durch:

(a) Oszillatoreinrichtungen (12), die an der Kapazitätssonde angeschlossen sind, um Impulse von einstellbarer Frequenz (f) zu erzeugen;

(b) Generatoreinrichtungen (18 bis 32) zur Erzeugung eines Signals mit einer Zeitperiode T_M, welches ein genaues Vielfaches des Kehrwertes der Frequenz der Wechselstromleistungsversorgung ist;

(c) Zähleinrichtungen (34) , die zur Aufnahme der Impulse angeschlossen sind, um die Impulse digital auf- und abzuzählen, wobei die Zähleinrichtungen (24) einen Einschalteingang, einen Zählbefehlseingang und einen Entleihausgang besitzen, der abgegeben wird, wenn die Zähleinrichtungen den Zählwert Null erreichen;

(d) Einrichtungen (42) mit einem Einschalteingang, die

an den Ausgang der Zähleinrichtungen (34) angeschlossen sind, um den Digitalinhalt der Zähleinrichtungen (34) am Ende der Periode T darzustellen;

(e) mit den Zähleinrichtungen (34) verbundene Einrichtungen

(38) zur Speicherung einer Versetzdigitalzahl;

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(f) Einrichtungen (36) zur Erzeugung eines Digitalzahlsignals im Eichbetrieb;

(g) Multiplexereinrichtungen (40), die zur Aufnahme der Ausgänge der Digitalzahleinrichtungen (36) und der Speichereinrichtungen (38) während des Eichbetriebs bzw. Meßbetriebs angeschlossen sind, wobei die Multiplexereinrichtungen (40) Einschalteingänge (Auswahl A, Auswahl B) für den Eichbetrieb und den Meßbetrieb sowie einen Datenausgang aufweisen, der mit den Zähleinrichtungen (34) verbunden ist;

(h) logische Steuereinrichtungen (46 bis 58), die zur Aufnahme des Zeitperiodensignals (T-J als einen Eingang angeschlossen sind und mit (44) den Multiplexereinrichtungen (.40) verbunden sind, um entsprechend die Multiplexereinrichtungen (40) für die Eichung und die Messung ein- bzw. auszuschalten, wobei die logischen Einrichtungen (46 bis 58) mit den Einschalteingängen der Zähleinrichtungen (34) und der Darstellungseinrichtungen (42) verbunden sind, außerdem mit dem Zählbefehlseingang und dem Entleihausgang der Zäh!einrichtungen (34), wobei die logischen Steuereinrichtungen (46 bis 58) einen Abwärtszählbefehl an den Zählbefehlseingang bei Aufnahme des !"..-Signals und einen Abwärts zählbefehl an den Befehlseingang bei Aufnahme des Entleihsignals abgeben, wobei die logischen Steuereinrichtungen (46 bis 58) mit den Versetzdigitalzahlspeichereinrichtungen (38) verbunden sind, um die Speicherung des Digitalinhalts der Zähleinrichtungen (34) am Ende der Periode T_M zu veranlassen, so daß während der Messung die gespeicherte Zahl die Versetzzahl ist, von der die Zähleinrichtungen (34) zuerst nach Null hin zählen müssen, bevor diese die von den Oszillatoreinrichtungen (12) aufgenommenen Impulse aufwärtszählen können.

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2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Generatoreinrichtungen (18 bis 32) zur Erzeugung des Signals mit einer Zeitperiode T„ eine Netzquelle mit Wechselspannung umfassen, außerdem einen Begrenzungsschaltkreis (26 bis

32) sowie einen durch N dividierenden Zähler (18), wobei N irgendeine bequeme Zahl darstellt, daß die Netzquelle mit dem Begrenzungsschaltkreis (26 bis 32) verbunden ist und einen Ausgang aufweist, der mit dem durch N dividierenden Zähler (18) verbunden ist, und daß der Ausgang des N-Zählers (18) eine Rechteckwelle mit der Periode T darstellt, wobei T₁₁ gleich der Frequenz der Netzquelle dividiert durch N ist.
3. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gen·=»' tor einrichtungen (18 bis 32) zur Erzeugung des Signals mit der Zeitperiode T,. einen Oszillator (22) und einen durch N teilenden Zähler (18) umfassen, wobei der Oszillator (22) eine Ausgangsfrequenz erzeugt, die genau gleich der Frequenz der Wechselstromnetzversorgung ist, wobei N eine ganze Zahl ist, und daß der Ausgang des Oszillators (22) mit dem Eingang des N-Zählers (18) verbunden ist und der Ausgang des N-Zählers (18) eine Rechteckwelle darstellt, deren Periode T.. gleich der Frequenz der Wechselstromleistungsversorgung ist, dividiert durch N.
4. Gerät nach Anspruch 1,2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die logischen Steuereinrichtungen (46 bis 58) Schaltereinrichtungen (46) aufweisen, weiterhin erste und zweite monostabile Multivibratoren (48, 50) und einen RS-Flipflop (56, 58), wobei der erste monostabile Multivibrator (48) Ausgänge Q₁ und Q₁ und der zweite monostabile Multivibrator

(50) Ausgänge Q₂ und Q„ besitzt, daß der erste monostabile Multivibrator (48) mit seinem einen Eingang zur Aufnahme des Signals mit der Zeitperiode T_M angeschlossen ist, während der Ausgang Q₁ mit dem Einschalteingang der Darstellungseinrichtung (42) und mit dem Eingang des zweiten monostabilen Multivibrators (50) verbunden ist, daß der

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Ausgang Q₂ mit dem Einschalteingang der Zählereinrichtung (34) verbunden ist, daß der RS-Flipflop (56, 58) zwei Eingänge und einen Ausgang aufweist, wobei der eine Eingang mit dem Ausgang ~Q~ und der andere Eingang mit dem Entleihausgang der Zähleinrichtung (34) und der RS-Flipflopausgang mit dem Zählbefehleingang der Zähleinrichtung (34) verbunden ist, daß die Schaltereinrichtungen (46) Eich- und Meßbetriebstellungen (a, b) besitzen, die mit den Multiplexereinrichtungen (40) verbunden sind, um die Multiplexereinrichtungen (40) zu veranlassen, selektiv den Digitalinhalt der Versetzdigitalzahlspeichereinrichtung (36) bzw. der Digitalzahlgeneratoreinrichtung (38) zu der Zähleinrichtung (34) zu liefern, wobei die Schaltereinrichtungen (46) im Eichbetrieb den Ausgang Q₁ mit der Digitalzahlspeichereinrichtung (38) verbinden, um die sofortige Speicherung des Digitalinhalts der Zähleinrichtung (34) darin zu veranlassen.
5. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen (36) zur Erzeugung der Digitalzahlsignale Daumenschalter umfassen, die so gedreht werden können, daß numerische Einstellungen ausgewählt werden.

Beschreibung:

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