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Schichtdickenmesser
Es ist naheliegend, die Dicke nichtferromagnetischer
Schichten auf ferromagnetischer Unterlage durch die Haftkraft eines Magneten zu
messen; so wurde auch eine Ausführungsform bekannt, bei der ein stabförmiger Permanentmagnet,
in eine Spitze auslaufend, benutzt wird; er hängt an einem Waagebalken und wird
durch Spannen einer am Drehpunkt der Waage angreifenden Spiralfeder von der Unterlage
abgerissen.
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Die dazu notwendige Drehung der Spiralfeder ist ein Maß der Haftkraft
und damit der Schichtdicke.
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Die der Erfindung zugrunde liegenden Überlegungen und Versuche ergaben,
daß sich die Empfindlichkeit des Verfahrens wesentlich steigern läßt, wenn der stabförmige
Permanentmagnet nicht direkt, sondern über einen nicht permanentmagnetischen Polschuh
hoher Permeabilität auf den Prüfling aufgesetzt wird. Die Haftkraft eines Magneten
gehorcht nämlich der Beziehung K= 1/21£.2.F, wobei g die Feldstärke oder Kraftliniendichte
in Luft, ,t4 die Permeabilität und F den vom Magnetfeld durchsetzten wirksamen Querschnitt
bedeuten. Setzt man nun einen Stabmagneten einpolig auf einen Prüfkörper auf, so
haben kleine Luftspaltänderungen (Schichtdicken) von einigen Zehntelmillimeter praktisch
keinen Einfluß auf den gesamten Kraftfluß weil der magnetische Widerstand des äußeren
Luftweges fast ausschließlich den Kraftlinienfluß bestimmt.
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Wenn trotzdem mit zunehmendem Luftspalt die Haftkraft kleiner wird,
so ist dies die Folge dergleichzeitig eintretenden Vergrößerung des wirksamen Übergangsquerschnittes.
Bei konstantem Kraftfluß
wird nämlich zugleich die Kraftliniendichte
!> kleiner (wenn wir zunächst annehmen, daß ,u unverändert bleibt). Damit aber
verringert sich die Haftkraft, weil sie sich quadratisch mit der Kraftliniendichte
und nur linear mit dem wirksamen Querschnitt ändert. Die Empfindlichkeit des Verfahrens
ist also durch Änderung des Übergangsquerschnittes bei Anwachsen des Luftspaltes
bestimrht.
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Aus diesem Grund soll bei unmittelbarer Berührung der Eisenunterlage
(Luftspalt = o) der Kraftfluß durch eine möglichst kleine Fläche in die Unterlage
hineingeleitet werden, um dadurch höchstmögliche Kraftliniendichte zu erreichen.
Dieses Zusammendrängen des Flusses auf einen kleinen Querschnitt ist aber nur möglich,
wenn das Polschuhmaterial nicht schon über den ganzen Querschnitt gesättigt ist,
also überhaupt keine weitere Kraftlinienkonzentration zuläßt. Gerade dies aber ist
der Fall bei einem hochwertigen Permanentmagneten, bei dem alle oder fast alle Elementarteilchen
von vornherein magnetisch ausgerichtet sind.
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Mit wachsendem Luftspalt tritt somit bei einem Permanentmagneten keine
wesentliche Änderung der Kraftliniendichte im Übergangsquerschnitt auf; aber er
vergrößert sich rasch bei einem Material hoher Permeabilität und geeigneter Formgebung.
Diese Überlegungen wurden durch vergleichende Messungen bestätigt.
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Schematisch ist dieser Vorgang in Fig. I dargestellt.
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Darin bedeuten I den Permanentmagneten ohne bzw. mit hochpermeablem
Polschuh 2, wobei beide Ausführungsformen mehr oder weniger weit von einer Eisenunterlage
3 entfernt sind.
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Wie schon angedeutet, soll auch die Form des Polschuhs die Vergrößerung
des Übergangsquerschnittes erleichtern. Deshalb muß der Polschuh aus hochpermeablem
Werkstoff so ausgebildet sein, daß sich die Kraftlinien ausbreiten und an der Übergangsstelle
zusammenziehen können. Das dem Prüfling zugekehrte Ende des Polschuhs soll also
eine kugelig gekrümmte Fläche bilden; damit wird zugleich erreicht, daß die Übergangsverhältnisse
unabhängig vom Winkel zwischen Magnetstabachse und Werkstückoberfläche werden. Fig.
2 zeigt einen Permanentmagneten 1 mit kegeligem Polschuh 2, Fig. 3 einen Permanentmagneten
I mit kugeligem Polschuh 2.
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Die praktische Anwendbarkeit wird dadurch erweitert, daß verschieden
starke Permanentmagnete vorgesehen werden, die leicht austauschbar sind und verschiedene
Meßbereiche ermöglichen.
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Bei sehr dicken Schichten (größer als etwa IOO zur ist es notwendig,
die Haftkraft von vornherein höher zu wählen, als sie üblicherweise mit einpolig
aufgesetzten Stabmagneten erreichbar ist. Deshalb ist vorgesehen, den permanenten
Magnet stab an beiden Enden mit Polschuhen zu versehen und beide auf den Prüfling
aufzusetzen. Dabei wird zweckmäßigerweise das Magnetsystem drehbar gelagert, um
nicht durch ungleichmäßiges Abziehen des Magneten von seiner Unterlage die Meßergebnisse
zu beeinflussen. Zu der größeren Haftkraft tritt als weiterer Vorteil, daß nun die
Schichtdickenänderung doppelt in die Messung eingeht. Fig. 4 zeigt eine solche Anordnung.
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Eine weitere Verbesserung des Gerätes bedeutet das Anbringen einer
Sperraste, durch die der Federauszug in der Stellung festgehalten wird, in der er
sich beim Abreißen des Magneten von seiner Unterlage befindet.
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Endlich ist vorgesehen, die Teilung der Raste ungleichmäßig vorzunehmen,
und zwar derart, daß sie sich der nichtproportionalen Abhängigkeit der Haftkraft
(= Federauszug) von der Schichtdicke anpaßt.
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Dies entspricht etwa der ungleichmäßigen Gradeinteilung elektrischer
Meßinstrumente, deren Anschlag nicht proportional der Stromstärke ist.
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PATENTANSPROCHE: I. Gerät zum Messen der Dicke nichtferromagnetischer
Schichten auf ferromagnetischer Unterlage mit Hilfe der Haftkraft eines permanenten,
federnd aufgehängten Stabmagneten, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnet mit einem
Polschuh aus nichtpermanent-magnetischem, hochpermeablem Werkstoff versehen ist.