DE4210689C2 - Meßsonde zur Schichtdickenmessung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Meßsonde für ein Meßgerat zur Messung der Dicke einer elektrisch nicht-leitenden Schicht auf einem Träger aus einem Nichteisen-Metall oder einem diamagnetischen Material nach dem Wirbelstromverfahren und zur Messung der Dicke einer elektrisch nicht-leitenden oder galvanischen Schicht auf einem magnetisch leitenden Träger nach dem magnetinduktiven Verfahren nach der Gattung des Anspruchs 1.

Eine derartige Meßsonde ist beispielsweise in der DE 24 10 047 A1 beschrieben. Bei der Messung der Dicke von nicht-leitenden Schichten auf einem Träger aus einem Nichteisen-Metall oder einem diamagnetischen Material nach dem Wirbelstromverfahren werden von der mit hochfrequentem Wechselstrom gespeisten Meßspule schnell wechselnde ma­ gnetische Felder erzeugt, die in dem elektrisch leitenden Träger Wirbelströme erzeugen, deren begleitende Magnet­ felder dem von der Meßspule erzeugten Magnetfeld entgegen­ wirken und deren Rückwirkungen auf die Meßspule zur Er­ zeugung eines elektrischen Meßsignals ausgewertet werden, welches der zu messenden Dicke der nicht-leitenden Schicht entspricht, da diese gewissermaßen als Distanzelement zwischen der Meßsonde und dem Träger liegt und damit primär die Stärke der in dem Träger erzeugten Wirbelströme und sekundär die dadurch hervorgerufenen Rückwirkungen auf die Meßspule beeinflußt.

Wird dagegen die Dicke einer elektrisch nicht-leitenden oder galvanischen Schicht auf einem magnetisch leitenden Träger nach dem magnetinduktiven Verfahren gemessen, so ist die hochfrequente Meßspule ohne Funktion. Dieses magnetinduktive Verfahren basiert darauf, daß in Abhängig­ keit von der zu messenden Dicke einer Schicht auf einem magnetisch leitenden Träger die Verteilung des magneti­ schen Flusses, welcher durch ein magnetisches Wechselfeld von weniger als 300 Hz mittels einer zusätzlichen Wicklung erzeugt wird, auf einen magnetischen Hauptflußpfad und einen magnetischen Nebenflußpfad geändert wird, wobei die Höhe des magnetischen Hauptflusses mit Hilfe eines auf die magnetische Flußdichte ansprechenden Meßelements erfaßt und in ein entsprechendes elektrisches Signal umgewandelt wird, welches der zu messenden Schichtdicke entspricht.

Dieses Meßelement wird durch weitere Meßwicklungen ge­ bildet. Der Permanentmagnet am Polleitstück dient ledig­ lich der Vormagnetisierung der Meßsonde, um den Skalen­ verlauf zu beeinflussen, er erzeugt also nicht das Meßfeld selbst.

Die Vielzahl der verschiedenen erforderlichen Wicklungen und die erforderliche Erzeugung zweier unterschiedlicher Wechselfelder führen zu einer technisch komplizierten und teuren Anordnung, die zudem einen relativ großen Platz­ bedarf hat.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine nach dem magnetinduktiven Meßverfahren und Wirbelstrommeß­ verfahren arbeitende Meßsonde zu schaffen, die einfacher und kostengünstiger bei geringerer Baugröße realisiert werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

In vorteilhafter Weise wird erfindungsgemäß als Meßelement eine Feldplatte oder ein Hall-Element verwendet, um zum einen eine geringere Baugröße bei geringeren Kosten realisieren zu können, und zum anderen, um beim magnet­ induktiven Verfahren eine größere Empfindlichkeit und Genauigkeit zu erreichen. Weiterhin ist es besonders günstig, das Meßelement zwischen dem Polleitstück und dem separat vorgesehenen Polstück anzuordnen, da an dieser Stelle einerseits der magnetische Hauptfluß besonders gut erfaßt werden kann und andererseits das Polstück für eine mechanische Abstützung des Meßelements und einen Schutz desselben gegen mechanische Beschädigungen sorgt. Schließ­ lich bewirkt der zum Träger hin offene Topfkern eine Verstärkung der jeweils erzeugten Felder, so daß entweder die Empfindlichkeit erhöht wird oder die Baugröße ver­ ringert werden kann.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Anspruch 1 angegebenen Meßsonde möglich. Weiterhin hat es sich in Ausgestaltung der Erfindung als vorteilhaft erwiesen, wenn am Meßpol ein Saphirpolstück vorgesehen ist, welches eine definierte, verschleißfeste Auflagefläche für die Meßsonde bildet.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung hat es sich auch als günstig erwiesen, wenn das Polleitstück an seinem dem Permanentmagneten zugewandten Ende mit einem zwischen dem Permanentmagneten und dem Boden des Topfkerns liegenden Kopfteil vergrößerten Durchmessers versehen ist, um den von dem axial polarisierten Permanentmagneten aus­ gehenden magnetischen Fluß zuverlässig in dem Polleitstück zu bündeln.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden nachstehend anhand von Zeichnungen noch näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 einen axialen Längsschnitt durch eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßem Meß­ sonde;

Fig. 2a bis 2c schematische Darstellungen der wesentlichen Teile der Meßsonde gemäß Fig. 1 zur Erläuterung der Arbeitsweise derselben beim Einsatz zur Durchführung von Messungen nach dem magnetinduktiven Verfahren und

Fig. 3a und 3b schematische Darstellungen der wesentlichen Teile der Meßsonde gemäß Fig. 1 zur Erläuterung der Arbeitsweise derselben beim Einsatz zur Durchführung von Messungen nach dem Wirbelstromverfahren.

Im einzelnen zeigt Fig. 1 einen axialen Längsschnitt durch eine bevorzugte Ausführungsform einer Meßsonde 10 gemäß der Erfindung. Diese Meßsonde 10 ist im Betrieb über eine Verbindungsleitung mit einer Versorgungs-, Auswerte- und Anzeigeeinheit (nicht dargestellt) verbunden. Diese Einheit umfaßt weitgehend übliche Einrichtungen, wie sie für die Speisung der aktiven Teile einer Meßsonde, für die Auswertung der von der Meßsonde gelieferten Signale und für die Anzeige der Meßergebnisse erforderlich sind, wobei im vorliegenden Fall, wie dies aus der nachstehenden Beschreibung noch deutlich werden wird, einerseits die geeigneten Einrichtungen für die Durchführung von Messungen nach dem magnetinduktiven Verfahren vorgesehen sein müssen, und andererseits die Einrichtungen für die Durchführung von Messungen nach dem Wirbelstromverfahren und überdies geeignete Umschalteinrichtungen zum Umschalten zwischen den beiden Betriebsarten.

Die Meßsonde 10 gemäß der vorliegenden Erfindung umfaßt im Inneren einer aus nicht-magnetisierbarem Material, insbesondere einem geeigneten Kunststoffmaterial, bestehenden Schutzhülse 16 eine zu einer Längsachse 18 im wesentlichen rotationssymmetrische Meßanordnung 20 mit einem Topfkern 22, in dem eine Erregerwicklung bzw. Meßspule 24 angeordnet ist. Der Topfkern 22 ist auf seiner im Gebrauch dem Meßobjekt zugewandten Vorderseite offen und besitzt an seiner Rückseite einen geschlossenen Boden. Ferner ist der Topfkern 24 mit einer zu der Achse 18 konzentrischen Mittelbohrung versehen, in die der Schaft eines Polleitstücks 26 eingesetzt ist, welches auf der Rückseite des Topfkerns 24, angrenzend an den geschlossenen Boden desselben, einen Kopf vergrößerten Durchmessers aufweist. Das Polleitstück 26, welches aus magnetisch leitendem Material besteht, ist also pilzförmig ausgebildet. Auf der von dem Topfkern 22 abgewandten Oberseite des Kopfes des Polleitstücks 26 ist ein axial in Richtung der Achse 18 polarisierter, zweipoliger Permanentmagnet 28 angeordnet, dessen Südpol S beim Ausführungsbeispiel dem Polleitstück 26 zugewandt ist. Angrenzend an das freie in Fig. 1 untere Ende des Schaftes des Polleitstücks 26, welches auf der offenen Seite des Topfkerns im Inneren der dafür vorgesehenen Bohrung des Topfkerns endet, ist am Mittelteil des Topfkerns 22 eine Feldplatte 30 bzw. allgemein ein auf einen magnetischen Flug ansprechendes Meßelement angeordnet. Auf der Außenseite der Feldplatte 30 befindet sich ein Polstück 32 in Form eines Saphir-Polstücks oder in Form eines Stahl-Polstifts, der eine variable Dicke aufweisen kann.

Bei der Durchführung einer Messung bildet das Polstück 32 einen definierten, verschleißfesten Meßpol, welcher die dahinterliegende Feldplatte 30 oder dgl. gegen mechanische Beschädigungen schützt.

Wenn die erfindungsgemäße Meßsonde 10 zur Schichtdickenmessung nach dem magnetinduktiven Verfahren eingesetzt wird, dann wird gemäß der schematischen Darstellung gemäß Fig. 2a meßtechnisch die Tatsache genutzt, daß das freie Ende des Schaftes des Polleitstücks 26 bzw. der zentrale Teil des Topfkerns 22 einen Meßpol mit einer vorgegebenen magnetischen Polarität - im betrachteten Ausführungsbeispiel einen magnetischen Südpol - bildet und daß die umlaufende Wand des Topfkerns 22 einen magnetischen Pol derselben Polarität, d. h. also ebenfalls einen Südpol bildet. Auf der im Gebrauch dem zu untersuchenden Bauteil bzw. der zu messenden Schicht zugewandten Seite der erfindungsgemäßen Meßsonde 10 sind also für die Durchführung einer Schichtdickenmessung nach dem magnetinduktiven Verfahren von vornherein zwei gleichnamige magnetische Pole vorhanden, nämlich ein innen liegender Meßpol und ein diesen Meßpol ringförmig umgebender zweiter Meßpol derselben Polarität, der durch den umlaufenden Rand des Topfkerns 22 auf der offenen Seite desselben gebildet wird. Hierdurch ergibt sich ein magnetischer Hauptfluß von dem Meßpol zur Rückseite des Permanentmagneten und ein magnetischer Nebenfluß vom Rand des Topfkerns 22 zu der Rückseite des Permanentmagneten 28. Das Verhältnis von magnetischem Hauptfluß zu magnetischem Nebenfluß wird dabei bei im übrigen gleichen Bedingungen von dem Verhältnis d1/d2 bestimmt, wobei dl als der Abstand zwischen dem Permanentmagneten 28 und dem Boden des Topfkerns 22 definiert ist und gleich der axialen Höhe des Kopfes vergrößerten Durchmessers des Polleitstücks 26 ist, während d2 gleich der Dicke des Polstücks 32 ist. Das günstigste Verhältnis von magnetischem Hauptfluß zu magnetischem Nebenfluß wird im Einzelfall empirisch derart bestimmt, daß sich, wenn überhaupt, nur eine außerordentliche geringe Abhängigkeit der Meßergebnisse von der Krümmung der Oberfläche eines Gegenstandes ergibt, der mit einer Beschichtung versehen ist, deren Dicke gemessen werden soll.

Das magnetische Feld für die Durchführung der Messungen ist ein magnetisches Gleichfeld, welches allein durch den Permanentmagneten 28 erzeugt wird, während die Meßspule 24 für das magnetinduktive Meßverfahren ohne Funktion ist.

Wenn die Meßsonde 10 nunmehr gemäß Fig. 2b mit dem Polstück 32 auf die mit einer Beschichtung 34 versehene Oberfläche eines magnetisch leitenden Trägers 36 aufgesetzt wird, dann ergibt sich ein magnetischer Hauptfluß längs eines Pfades 38, welcher rotationssymmetrisch zur Achse 18 zwischen dem Polstück 32 und dem Nordpol auf der Rückseite des Permanentmagneten 28 verläuft. Weiterhin ergibt sich längs eines Pfades 40 ein magnetischer Nebenfluß vom Rand des Topfkerns 22 zur Rückseite des Permanentmagneten 28. Der von dem Permanentmagneten 28 ausgehende magnetische Fluß teilt sich also in einen Hauptfluß und einen Nebenfluß, wobei die Anteile von Hauptfluß und Nebenfluß bei im übrigen gleichen Verhältnissen von der Dicke der Beschichtung 34 abhängig sind. Da von der Feldplatte 30 lediglich der Hauptfluß erfaßt wird, stellt die von der Feldplatte erzeugte elektrische Spannung folglich ein Signal dar, welches der Dicke der Beschichtung 34 entspricht.

Aufgrund der vorstehend erläuterten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Meßsonde 10 ist diese sowohl für die Schichtdickenmessung auf flachen Trägern als auch für die Schichtdickenmessung auf runden Trägern geeignet, wie dies in Fig. 2c dargestellt ist, wobei es ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Meßsonde ist, daß die Meßergebnisse weitgehend unabhängig von der Wölbung des Trägers, d. h. von dessen Durchmesser, sind, so daß keine neue Kalibrierung vorgenommen werden muß, wenn die Schichtdickenmessung auf Trägern mit unterschiedlichen Wölbungen oder Durchmessern durchgeführt wird. Die besonders geringe Empfindlichkeit gegen eine Krümmung der Oberfläche des Trägers ist dabei darauf zurückzuführen, daß die Aufteilung in Haupt- und Nebenfluß praktisch allein von dem Abstand zwischen der Kontaktfläche des Polstücks 32 und dem unter der Beschichtung 34 vorhandenen magnetisch leitenden Werkstoff des Trägers 36 abhängig ist, wie dies aus dem in Fig. 2c gezeigten Feldlinienverlauf deutlich wird.

Bei der Schichtdickenmessung nach dem Wirbelstromverfahren haben der Permanentmagnet 28 und die Feldplatte 30 keine Funktion. Vielmehr wird die Meßspule 24 in üblicher Weise mit hochfrequentem Wechselstrom gespeist, so daß das Mittelstück des Topfkerns 22 einen Pol der einen Polarität bildet - in Fig. 3a und 3b einen Südpol S -, während der Rand des Topfkerns bzw. dessen Außenwand einen magnetischen Pol entgegengesetzter Polarität bildet - in Fig. 3a und 3b einen Nordpol N. Das von dem Permanentmagneten 28 erzeugte magnetische Gleichfeld hat bei der Messung nach dem Wirbelstromverfahren keinen Einfluß auf die entstehenden Wirbelströme und damit auch keinen Einfluß auf die dadurch verursachten, dem Magnetfeld der Spule entgegenwirkenden magnetischen Flußänderungen, die allein zur Bildung eines Meßsignals herangezogen werden, welches der Schichtdicke einer nichtleitenden Beschichtung 34′ auf einem elektrisch leitenden Träger 36 entspricht.

Claims (3)

1. Meßsonde für ein Meßgerät zur Messung der Dicke einer elektrisch nicht-leitenden Schicht auf einem Träger aus einem Nichteisen-Metall oder einem diamagnetischen Material nach dem Wirbelstromverfahren und zur Messung der Dicke einer elektrisch nicht-leitenden oder galvanischen Schicht auf einem magnetisch leitenden Träger nach dem magnetinduktiven Verfahren, mit einer mit hochfrequentem Wechselstrom speisbaren Meßspule und einem konzentrisch zur Meßspule angeordneten, einen Meßpol bildenden Polleitstück aus magnetisch leitendem Material, mit einem Perma­ nentmagneten am rückwärtigen Ende des Polleitstücks, durch den das Polleitstück in axialer Richtung magnetisch derart polari­ sierbar ist, daß sich am vorderen Ende des Polleitstücks und damit am Meßpol ein magnetischer Pol ergibt und daß ein Meßele­ ment zur Erzeugung eines der magnetischen Flußdichte am Meßpol entsprechenden elektrischen Signals vorgesehen ist, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Meßspule (24) in einem beim Meßvorgang zum Träger (36) hin offenen Topfkern (22) angeordnet ist, und daß als Meßelement eine Feldplatte (30) oder ein Hallelement vorgesehen ist, das zwischen dem Polleitstück (26) und einem Polstück (32) am Meßpol angeordnet ist.

2. Meßsonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Polstück (32) aus einem Saphir besteht.

3. Meßsonde nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Polleitstück (26) an seinem dem Permanentmagneten (28) zugewandten Ende mit einem zwischen dem Permanentmagneten (28) und dem Boden des Topfkerns (22) liegenden Kopf vergrößerten Durchmessers versehen ist.