DE3331407A1

DE3331407A1 - Elektromagnetische mess-sonde

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Publication number: DE3331407A1
Application number: DE19833331407
Authority: DE
Inventors: Des Erfinders Auf Nennung Verzicht
Original assignee: Helmut Fischer GmbH and Co
Current assignee: Helmut Fischer GmbH and Co
Priority date: 1983-08-31
Filing date: 1983-08-31
Publication date: 1985-03-14
Also published as: DE3331407C2

Description

PATENTANWALT DIPL.-!NG. ULRICH KINKELIN 3331407 7032 Sindelfingen - auf dem Goldberg - Weimarer Str. 32/34 Telefon 07031/86501

" Telex 7265509 rose d

12 312 3. August 1983

Firma Helmut Fischer GmbH & Co., Institut für Elektronik und Messtechnik 7032 Sindelfingen-Maichingen, Industriestrasse 21

ELEKTROMAGNETISCHE MESS-SONDE

Die Erfindung betrifft eine elektromagnetische Mess-Sonde gemäss dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Eine Mess-Sonde dieser Art ist z.B. durch die deutsche Offenlegungsschrift 25 56 340 bekannt geworden.

Auch das deutsche Gebrauchsmuster 72 43 915 zeigt eine solche Gestaltung, ebenso wie das deutsche Gebrauchsmuster 73 36 864.

Mit solchen Mess-Sonden misst man die Dicke nicht magnetischer Schichten auf magnetischen Grundwerkstoffen, wie z.B. eine Lackschicht auf einem Eisenteil.

Bei allen diesen Mess-Sonden ist eine Erregerwicklung vorhanden, die an eine konstante

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Wechselstromquelle angeschlossen ist. Ferner ist eine Induktionswicklung vorhanden, die eine Spannung U abgibt. Die Spannung an der Induktionswickiung ist ein Masse für die Dicke der nicht magnetischen Schicht.

Zumindest bei dieser Art von Dickenmessung möchte man bei dünnen Schichten eine lineare Anzeige, d.h. ein Zeiger soll z.B. bei einer doppelt so dicken Schicht doppelt so weit ausschlagen, wie bei einer einfach dicken Schicht.

Man möchte in der Lage sein, dünne Schichten ohne Kennlinienbeeinflussung durch den Grundwerkstoff messen zu können. Dünne Schichten in diesem Sinne sind solche Schichten die zwischen 0 und 1/3 der später erklärten, normierten Spannung liegen.

Es ist nun ein altbekanntes Problem, dass die Zusammenhänge zwischen der abgegebenen Spannung und der Schichtdicke bei dünnen Schichten nicht linear sind. Gerade dort möchte man aber linear messen. In der Praxis sind Schichtdicken im Bereich von 0 bis grössenordnungsmässig 50 Mikrometer in einem unteren Bereich interessant.

Selbstverständlich müssen alle diese Messgeräte umschaltbar sein. Wenn man z.B. bis 1.000 Mikrometer messen will und diesen Wert eine Skala als Endausschlag angibt, dann sieht man auf ihr eine Dicke von 10 Mikrometer praktisch nicht .

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Wenn man schon das Umschalten der Messbereiche nicht vermeiden kann, dann ist es günstig, wenn die oben ep//ähnte Spannung nicht nur im unteren Bereich iiniar mit der Schichtdicke zusammenhängt sondern die gleiche Linearisierung bis zu möglichst hohen Werten gültig bleibt, damit man in oberen Messbereichen nicht anders linearisieren muss.

Die Linearisierung Im unteren Bereich, z.B. von 0 bis 50 Mikrometer darf natürlich nicht nur dann möglich sein, wenn besonders vorsichtige Personen mit der Sonde umgehen. Die Bedingungen dürfen sich nicht nur während einer Vorführung auf der Messe nicht ändern, sondern sie dürfen sich auch im rauhen industriellen Betrieb während langer Zeitperioden nicht ändern. Gerade im unteren Bereich spielt die Geometrie der balligen Aufsetzfläche eine Rolle. Gemäss dem Gebrauchsmuster 73 36 864 hat man versucht, durch Beschichtung mit Titankarbid die ballige Aufsetzfläche verschieissfest zu machen, d.h. es zu bewerkstelligen, dass die Geometrie sich nicht ändert. Die Beschichtung ist zwar sehr hart. Sie sitzt auf verhäitnismässig weichem Material. Liegt die Dicke der Beschichtung zwischen 3 und 15 Mikrometer, dann kann beim harten Aufsetzen die Titankarbid-Schicht abplatzen, weil sich der Grundwerkstoff verformt. Auch ist es nicht ganz einfach, gieichmässige Schichten auf dem Grundwerkstoff aufzubringen. Bei ungleichrnässig dicker Beschichtung erhält man aber unterschiedliche Messergebnisse, je nachdem, ob man exakt auf der Mitte der balligen Aufsetzfläche aufsetzt oder an einer anderen Stelle. An diesen realistischen Zahlen-Beispielen sieht man auch, dass man es allein hierdurch nicht richtig im Griff hat, wenn man bei dünnen Schichten messen will.

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«, O O O I 4 U

Als drittes Problem kommt noch hinzu, dass man mit der gleichen Sonde sowohl auf ebenen als auch auf stark gekrümmten Messgegenständen Schichten messen können muss. Letzteres ist z.B. bei einem kleinen Nagel, einer kleinen Feder oder dergleichen der Fall.

. Aufgabe der Erfindung ist es, eine Mess-Sonde der eingangs genannten Art anzugeben, die es gestattet vor allem im Bereich dünner Schichten linear zu messen, und zwar ; ( unter Vermeidung der Nicht-Linearitäts-Probleme, die von dsr Magnetisierungs-Kurve

als auch der Geometrie der balligen Aufsetzfiäche herkommen. Diese Aufgabe soll auch für die Messung kleiner Gegenstände gelöst werden.

Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe durch die aus dem kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs ersichtlichen Merkmale gelöst.

Erstaunlicherweise bringt eine solche Anordnung nicht nur die oben erwähnte Lineare ierung. Vielmehr sind nun auch noch die Kennlinien für magnetisch sehr harte und magnetisch sehr weiche Stoffe nahezu deckungsgleich. Z.B. fällt die Kennlinie für gehärteten Stahl und diejenige für Weicheisen über den gesamten Bereich praktisch aufeinander.

Durch die Merkmale des Anspruchs 2 erreicht man eine gieichmässigere Feldliniendichte. Ausserdem kann man auf handelsübliche Stifte zurückgreifen, die an sich für andere Zwecks bestimmt sind. Schliesslich ist der Stift hochgenau und trotzdem billig herzustellen.

Durch die Merkmale des Anspruchs 3 kann man sowohl den Messpol billig und hochexakt herstellen als auch die Ausnehmung hochexakt an die richtige, koaxiale Stelle bringen.

Durch die Merkmale des Anspruchs 4 kann man weiterhin schwach magnetisierbare Hartmetalle verwenden, kommt jedoch im Gegensatz zu den nicht gesinterten Hartmetallen auf Vickers-Harten von 1.000 bis 2.000.

Zusammensetzungen gemäss den Ansprüchen 5 und 6 haben sich in der Praxis sehr bewährt, wobei das Kobalt für die Magnetisierbarkeit verantwortlich ist.

Durch Massnahmen gemäss den Ansprüchen 7 bis 10 kann man die Linearisierung im Hinblick auf das Messen gekrümmter und kleiner Oberflächen optimieren.

Die erfindungsgemässe Vorrichtung kann man auch als einpolige Sonde verwenden. Sie ist also nicht auf zweipolige Sonden beschränkt. Wenn man jedoch eine einpolige Sonde verwendet, dann entsteht das Problem des Streufeldes. Dieses Problem kann man gemäss Anspruch 11 beseitigen. Falls man den Topfkern auch noch mit einer Folie gemäss dem Anspruch auskleidet, wird das Streufeld-Problem praktisch gelöst.

Die Erfindung wird nunmehr anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen beschrieben. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 den erheblich vergrösserten Querschnitt durch eine Sonde, die auf

Schichten aufgesetzt ist,

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Fig. 2 den Bereich um die ballige Aufsetzfläche, nochmal vergrössert

herausgezeichnet, zur besseren Darstellung des Feldlinienverlaufs,

Fig. 3 eine Kennlinie Schichtdicke/normierte Spannung für zwei sehr unter

schiedliche Materialien in einfach logarithmischer Darstellung,

Fig. 4 den linken unteren Ast der Kennlinie gemäss Fig. 3 in vergrößerter

Darstellung, in beiden Koordinaten linear,

Fig. 5 ein Querschnitt, ähnlich Fig. 1, jedoch für eine zweipolige Mess-

\ " Sonde.

Ein Topfkern 11 aus Weicheisen ist rotationssymmetrisch zur geometrischen Längsachse 12 Er hat einen Boden 13 und eine kreiszylindrische Wand 14. Im Bereich des Bodens 13 ist horizontal ei reGewi nde-Durchgangsbohrung Io vorgesehen. In diese ist eine Madenschraube 17 eingeschraubt. Koaxial zur geometrischen Längsachse 12 hat der Boden 13 eine Durchgangsbohrung 18, die jedoch im Durchmesser wesentlich kleiner ist als die innere Bodenfläche 19 des Bodens 13. In der Durchgangsbohrung 18 steckt / mit dem gemäss Fig. 1 oberen Bereich ein kreiszylindrischer Kern 21 aus magnetisch

hochpermeablem Material. Seine Oberseite 22 fluchtet mit der Oberseite 23 des Bodens 13. Auf der Oberseite 22 als auch einem Teil der Oberseite 23 sitzt eine Kunststoffscheibe 24, die u.a. die Einschubtiefe des Kerns 21 in die Durchgangsbohrung begrenzt und als Anschlag dient. Dort wird der Kern 21 durch das Einschrauben der Madenschraube 12 mit Klemmung gehalten. In seinem gemäss Fig. 1 unteren Bereich hat der Kern 21 ein koaxiales Sackloch 26. In diesem sitzt axial unbeweglich ein Stift 27 aus gesintertem Hartmetall. Er ist dort durch Klemmung oder Klebstoff festgehalten.

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Die Unterseite 28 des Stifts 27 ist als Kugelkalotte geschliffen. Sie ist symmetrisch zur geometrischen Längsachse 12. Diese Geometrie der Unterseite 28 setzt sich in der Unterseite 29 des Kerns 21 fort. Man erhält die Unterseite 28, 29 mit einer Technik wie in der Optik beim Schleifen von Konvex-Lisen oder bei der Herstellung von Uhrenschalen. Die Unterseite 28 hat damit PoIitür-Qualität.

Die Unterseite 31 der Wand 14 liegt höher als der höchste Punkt der Unterseite 29. Die Unterseite 28 ist die eigentliche Aufsetzfläche.

Die Kunststoffscheibe 24 trägt zwei Anschlussklemmen 32. Diese sind mit einer Quelle konstanten Wechselstroms verbunden. Diese Quelle gibt eine Frequenz im Bereich von 25 Hz bis 5 kHz ab. Die Frequenz ist nicht veränderlich. Sie wird vielmehr fest eingestellt. Der angelegte Wechselstrom ist konstant und beträgt etwa 3 mA. Von den Anschlussklemmen 32 aus wird eine Erregerwicklung 33 gespeist. Diese sitzt auf dem Kern 21.

Die Kunststoffscheibe 24 trägt zwei weitere Anschlussklemmen 34. Diese sind mit einer Induktionswicklung 36 verbunden, die ebenfalls auf dem Kern 21 sitzt. Beim Ausführungsbeispiel ist die Induktionswicklung 36 um den Bereich des Stifts 27 herum angeordnet, während die Erreger-Wicklung 33 um den nicht mit dem Sackloch 26 versehenen Bereich des Kernst 21 herum gewickelt ist.

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Die Bodenfläche 19 ist mit einer koaxialen kreisförmigen Scheibe 37 einer Folie aus hochpermeablern Werkstoff belegt, die etwa 20 bis 40 Mikrometer dick ist. Die Scheibe 37 hat mit der Durchgangsbohrung 18 fluchtend ein kreisförmiges Loch 38, dessen Rand an der kreiszylindrischen Aussenfläche des Kerns 21 anliegt.

Auch die Innenfläche 39 der Wand 14 ist mit einem Zylinder 41 einer solchen Folie belegt. Dieser Zylinder 41 berührt oben die Scheibe 37. Die untere Stirnfläche 41 ( fluchtet mit der radialen Unterseite 31.'

Der Kern 21 steht senkrecht auf der Oberfläche 42 einer Schicht 43, die eine zu messende Dicke hat, nicht magnetisch ist und ihrerseits auf einem magnetisierbaren Grundwerkstoff 44 aufgebracht ist.

Im Betrieb vermeidet man, dass die Kraftlinien 46 sich im Bereich der geometrischen Längsachse 12 praktisch ausschliesslich konzentrieren. Vielmehr werden die Feldlinien , . 46 gemäss der realistischen Darstellung von Fig. 2 nach aussen gedrängt, so dass man

einen im Vergleich zu bekannten Fällen praktisch konstanten Verlauf der Feldliniendichte über die Unterseite 28, 29 erhält. Die Kraftliniendichte ist nicht an der Aufsetzstelle am grössten, sondern in dem ausserhalb des Sacklochs 26 stehen gebliebenen Rohr und weiter oben natürlich im massiven Kern 21.

Der günstigste Fall des Aufsetzens ist, wenn die geometrische Längsachse 12 senkrecht auf der₍Oberflache 42 steht. Die vorrichtung ist aber weigehend unempfindlich auch

bei solchen Fällen, in denen die Oberfläche 42 von einem anderen Punkt der Unterseite 28 berührt wird.

Allerdings darf die Unterseite 29 die Oberfläche 42 nicht berühren, weil man dann die alten, ungünstigsten Verhältnisse wieder haben würde. Käme jedoch die Unterseite 29
mit der Oberfläche 42 in Berührung, dann wäre der magnetische Widerstand des Gesamtkreises um so viel niedriger, dass sich dies leicht anzeigen lässt und als Fehlmessung erkennbar gemacht werden kann.

In Fig. 3 ist nach oben die Dicke in Mikrometern logarithmisch abgetragen. Nach rechts ist eine normierte Spannung U linear abgetragen, wobei gilt

U - U

υ. - U₀

Dabei ist U diejenige Spannung, die entsteht, wenn die Sonde auf dem Grundwerkstoff 44 aufgesetzt wird und die Schicht 43 nicht vorhanden ist.

Uoo ist diejenige Spannung, die bei abgehobener Sonde entsteht, wobei der

Abstand so gross ist, dass die Sonde nicht mehr vom magnetischen Grundwerkstoff 44 beeinflusst wird.

U ist diejenige Spannung, die bei einer messbaen Schicht entsteht.

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Es liegt dann U stets zwischen der Zahl O und der Zahl 1 .

Wie man aus Fig. 3 sieht, liegt die Kennlinie 47 für gehorteten Stahl nur über einer bestimmten Länge ein klein wenig über der Kennlinie 48 für Weicheisen. Dabei ist die Abweichung so gering, dass die Kennlinie insgesamt dort nur etwas dicker wird. In den übrigen Bereichen decken sich die Kennlinien 47, 48 innerhalb der Zeichnungsgenauigkeit. Diese Deckungsgleichheit über den ganzen Bereich ist äusserst günstig.

Fig. 4 zeigt im linearen Maßstab die Fig. 3 im linken unteren Bereich. Wie man durch Anlegen eines Lineals an die Fig. 4 erkennen kann, ist die nicht lineare Abweichung sehr gering und die Kurven 47, 48 sind zu einem einzigen Strich vereint. Man hat also unabhängig von dem zu messenden Grundwerkstoff einen praktisch linearen Zusammenhang. Beim Ausführungsbeispiel hatte der Kern 21 einen Durchmesser von 1,6 mm. Der Stift 27 hatte einen Durchmesser von 0,7 mm. Der Radius der Unterseiten 28, 29 betrug 1 ,2 mm. Mit dieser Sonde kann man - natürlich nach Messbereichs-Entscheidungen - Werte bis zu 1.000 Mikrometer erfassen, wobei U bis zu 0,9 geht.

Kleidet man den Topfkern Π mit den Folien gemäss dem Ausführungsbeispiel aus, so kann man an die Erregerwicklung 33 Erregerfrequenzen bis zu 5 kHz anlegen. Die Bauform lässt sich dadurch noch weiter verkleinern. Es lassen sich dann im Bereich von 0 bis 100 Mikrometer mit geringer Formabhängigkeit noch Schichten messen, die selbst dann, wenn sie metallisch sind, in diesem Berei ch noch keine merklichen Wirbelstromverluste verursachen. Bei einer solchen Bauform kann der Kern 21 einen Durchmesser von 0,8 mm

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haben und der Stift 27 hat einen Durchmesser von 0,4 mm.

Bei Topfsonden liegt die Innenfläche 39 auf dem 1—bis 3-fachen des Durchmessers des Kerns 21 . Die Länge des Topfkerns 11 beträgt zwischen dem 0,5- bis 2-fachen des Durchmessers der Innenfläche 29.

Beim Ausführungsbeispiel einer 2-pol igen Mess-Sonde nach Fig. 5 sind analog dem Kern 21 zwei Kerne 49, 51 vorhanden. Diese sind an ihrer Oberseite durch ein weichmagnetisches Joch 52 verbunden. Auf dem Kern 49 sitzt die Erregerwicklung 53 und auf dem Kern 51 sitzt die Induktionswicklung 53. Auch hier sind die Stifte 54, 56 analog dem Stift 27 mit den erwähnten Geometrien vorgesehen.

Derartige 2-polige Mess-Sonden sind vorteilhaft, wenn auf rauhen Oberflächen gemessen wird, da die Wahrscheinlichkeit, dass beide Messpole in einer Vertiefung oder auf einer Erhebung der Schicht gleichzeitig aufsetzen, gering ist. Dadurch mittlen derartige Sonden in erwünschter Weise den Messeffekt.

Ausserdem besitzen 2-polige Mess-Sonden, wenn man sich das Kraftlinienbild zwischen beiden Polen vorstellt, ein elliptisches Messfeld, wodurch die Formabhängigkeit bei der Messung auf zylindrischen Werkstoffen geringer ist als bei einpoligen Topfkernen, die ein radialsymmetrisches Feld konstruktionsbedingt aufweisen.

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Claims

PATENTANWALT DIPL.-ING. ULRICH KINKELIN 3331407 Sindelfingen - auf dem Goldberg - Weimarer Str. 32/34 Telefon 07031/86501

Telex 7265509 rose d 12 312 3. August 1983

Patentansprüche:

f\J Elektromagnetische Mess-Sonde mit mindestens einem Messpol aus einem

magnetisch hochpermeablen Werkstoff,
mit einer Messpol-Stirnfläche

mit einer von der Messpol-Stirnfläche aus in den Messpol hineingearbeiteten Ausnehmung,

mit einem in der Ausnehmung angeordneten Stift eines anderen Materials, mit einer balligen Aufsetzfläche,
gekennzeichnet durch folgende Merkmale α) Der Stift (27) ist aus Hartmetall, das gegenüber dem Werkstoff des

Messpols (21) niederpermeabel ist
b) Die äussere Stirnfläche (28) des Stifts (27) bildet die ballige

Aufsetzfläche
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Stift (27)

kreiszylindrisch ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Messpol

(21) kreiszylindrisch ist.

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4. Vorrichtung nach Anspruch l_f dadurch gekennzeichnet, dass der Stift (27) aus

Sinterhartmetall ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4_f dadurch gekennzeichnet, dass das Sinterhartmetall Titankarbid mit einem Kobaltanteil von 2 his 20% im Volumen ist.
ό. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Sinterhartmetall Wolframkarbid mit einem Kobaltanteil von 2 bis 20% im Volumen ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abmessung des Stifts (27) in Querrichtung zur Längsachse des Messpoles (21) 1/4 bis 2/3 der Abmessung des Messpols (21) ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Stift (27) einige Millimeter lang ist und einen Durchmesser im Bereich von weniger als ein Millimeter hat.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Stift (27) 0,7 mm - 50% und der Messpol (21) 1,6 mm- 50% bei einer einpligen Mess-Sonde hat.

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10. Vorrichtung nach Anspruch I₁ dadurch gekennzeichnet, dass die ballige Aufsetzfläche (28) eine Kugel segment-F lache ist, wobei der Kugelradius das 0,6- bis 3-fache des Durchmessers des Messplols (21) ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch l_f dadurch gekennzeichnet, dass der Messpol (21) mittig in einem Topfkern (11) angeordnet ist, seine Stirnfläche (29) die Stirnfläche (31) der Topf kernwand (14) überragt und dass die Innenwand (39) der Topfkernwand (14) mit einer Folie (37) aus hochpermeablem Werkstoff ausgekleidet sind.
12. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Kerne (49) mit einem Joch (52) verbunden sind.