DE2923066C3 - Verfahren zur Schichtdickenmessung von elektrisch nicht leitenden Schichten auf elektrisch leitenden Material nach dem Wirbelstromverfahren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs.

Aufgabe der Erfindung ist die Entwicklung eines Verfahrens zur Vermessung von nichtleitenden Schichten auf leitenden und magnetischen Trägern, wobei das Ergebnis unabhängig von den Materialeigenschaften des Trägers sein muß.

Dies wird beim Verfahren zur Schichtdickenmessung noch dem Oberbegriff des Patentanspruchs erfindungsgemäß durch die Merkmale seines kennzeichnenden Teiles gelöst.

Da sich die zu vermessende nicht leitende Schicht bei den verwendeten Prüffrequenzen wie Luft verhält, gibt bei aufgesetzter Sonde eine Abstandsmessung zwischen Sonde und Trägermaterial direkt die Schichtdicke an.

Selbst bei einer Prüffrequenz von 100 MHz sind wegen des weiten Bereiches der Materialdaten des Trägers von Kupfer bis Stahl Fehler bei der Schichtdickenmessung bis zu 30% möglich.

Die Erfindung beruht darauf, die Prüffrequenz so zu variieren, daß unabhängig von den Materialeigenschaften des Trägers immer der gleiche Punkt in der normierten Impedanzebene der A b b. 1 erreicht wird.

Bei unmagnetischem Material ist das auch bei relativ niedrigen Prüffrequenzen bis maximal 1 MHz möglich, denn die Impedanz der Spule verläuft auf einer eindeutigen Kurve; der Arbeitspunkt auf dieser Kurve ist durch die Konstellation der Prüffrequenz und der Materialdaten gegeben. Umgekehrt kann durch Veränderung der Prüffrequenz ein vorgegebener Arbeitspunkt unabhängig von den Materialdaten und ohne deren Kenntnis eingestellt werden.

In Abb. 2 wurde für 3 Trägermaterialien die impedanz der Spule im Bereich von 10 KHz bis 2 MHz durchgefahren. Die drei Kurven (a für Austenit, b für Aluminium und cfür Kupfer) verlaufen übereinander.

Höhere Prüffequenzen sind notwendig, um den Bereich der magnetischen Materialien abzudecken. Aus A b b. 2 geht hervor, daß alle Ortskurven je nach dem

ίο Wert der magnetischen Permeabilität bei mehr oder weniger hohen Prüffrequenzen in die Ortskurve für den unmagnetischen Fall einmünden, bei tieferen Frequenzen aber sehr stark aufspalten. Bei magnetischen Trägermaterial sind insgesamt Frequenzen bis 10 MHz notwendig. Bei der Messung, deren Ergebnis in A b b. 3 dargestellt ist, mündet die Impedanzkurve für Stahl mit μ = 300 in die Kurve für einen Austenit etwa bei einer Frequenz von 3 MHz.

Prinzipiell wäre es möglich, den gesamten Bereich der Materialdaien mit einer einzigen Spule abzudecken,-wenn nur der Arbeitspunkt in den Bereich gelegt wird, in dem die Ortskurven für magnetisches und unmagnetisches Material zusammenfallen. Praktisch ist es aber kaum möglich, eine Spule zu realisieren, die für den gesamten Frequenzbereich von 10 KHz bis 10 MHz geeignet ist. Mit zwei Spulen ist es allerdings möglich, den gesamten Anwendungsbereich zu überstreichen. Nach Tabelle 4 wird die hochfrequente Spule 1 für Stahl und die Spule 2, für nichtmagnetisches Material eingesetzt.

Realisierung des Konzeptes

Der Aufbau eines entsprechenden Gerätes ist in Abb. 5 skizziert. Die eigentliche Meßspule wird zusammen mit einer Vergleichsspule in einer Brückenschaltung betrieben. Dadurch erfolgt die Messung der Schichtdicke und des Phasenwinkels φ, dem der Arbeitspunkt zugeordnet ist, von der »1« der vertikalen Achse in A b b. 2.

Die Brücke wird von einem Oszillator gespeist, dessen Frequenz kontinuierlich über einen VCO-Eingang variieri werden kann. Gemessen wird gleichzeitig der Phasenwinkel ψ der Meßspannung zu einer Referenz und die Amplitude der Meßspannung.

Die Frequenz wird so lang variiert, bis ein markierter Phasenwinkel erreicht wird, der den Arbeitspunkt bestimmt. Unter dieser Voraussetzung gibt dann die gemessene Amplitude der Meßspannung geeicht die Schichtdicken ab.

Hierzu S Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Verfahren zur Schichtdickenmessung von elektrisch nicht leitenden Schichten auf elektrisch leitendem Material nach dem Wirbelstromverfahren, wobei eine von Wechselstrom durchflossene Spule auf den Prüfkörper aufgesetzt wird,dadurch gekennzeichnet, daß in an sich bekannter Weise die Phase des Meßsignals gemessen wird, durch Regelung der Prüffrequenz der Spule die Phase des Meßsignals auf einen vorgegebenen Wert eingestellt wird und danach entweder die Amplitude oder Real- oder Imaginäranteil des Impedanzvektors gemessen wird.