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Verfahren und Meßgerät für die Schichtdickenmessung gehärteter Oberflächen
Es
sind Schichtdickenmesser bekanntgeworden, die zur Messung unmagnetischer Schichten
auf ferromagnetischen, Unterlagen dienen und auf der Messung des induktiven Widerstandes
beruhen, den ein wechseistromerregter Elektromagnet darstellt, wenn er mit seinen
Polen oder mit einem einzelnen Pol an die zu messende Schicht angelegt wird.
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Grundsätzlich hat dieses Verfahren jedoch Fehler, da der induktive
Widerstand nicht nur von dem magnetischen Widerstand der unmagnetischen Schichtdicke
bestimmt wird, sondern zum Teil auch von dem magnetischen Widerstand des Rückschlusses
für den magnetischen Fluß über die ferromagnetische Unterlage. Dieser ist eine Funktion
der magnetischen Eigenschaften des Materials sowie der Dicke der Unterlagenschicht,
sofern, diese einen gewissen Mindestwert nicht überschreitet.
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Während diese Fehler bei der Messung unmag-netischer oder paramagnetischer
Schichten auf ferromagnetischer Unterlage im allgemeinen in erträglichen Grenzen
bleiben, werden sie bei der Messung der Schichtdicke von ferromagneti sch harten
Schichten auf ferrornagnetisch weicheren Unterlagen so groß, daß man aus dem induktiven
Widerstand des Elektromagneten nicht mehr auf die Dicke der harten Schicht schließen
kann.
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Auch die Messung des remanenten magnetischen Flusses in einem angelegten
Elektromagneten, der nach einem kräftigen Erregerstromstoß verbleibt, i.st kein
eindeutiges Maß für die Schichtdicke, da dieser remanente Fluß nicht nur von der
Schichtdicke, sondern auch von der Koerzitivkraft des Grundmaterials und der zu
messenden Schicht abhängt, die beide von Fall zu Fall sehr stark streuen können.
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Die gekennzeichnete Aufgabe der Messung gehärterer Schichten auf
magnetischem Wege hat eine technisch große Bedeutung u.nd wird erfindungs-
gemäß
dadurch gelöst, daß die Änderung des magnetischen Flusses in einem an die Oberfläche
angelegten Elektromagneten gemessen. wird, die sich ergibt, wenn man einem Vorerregerstrom
einen gleichsinnigen Stromstoß überlagert. Fi,g. I erläutert diesen Erfindungsgedanken
an einem Beispiel: I sei die ferromagnetisch harte Schicht und 2 die ferromagnetisch
weichere Unterlage. 3 ist ein Weicheiseujoch (Elektromagnet), das in dem gekennzeichneten
Fall mit beiden Polenden an der Schicht 1 anliegt. Die primäre Wicklung 4 wird gemäß
dem Schaltbild nach Fig. 2 von der Gleichstromquelle 6 über den Polwender 7 und
den regelbaren Vorwiderstand 8 sowie die gegenüber der Prüfspule 4 große Induktivität
9 mit einem konstanten Vorerregerstrom gespeist. Ferner ist ein Umschalter 10 vorgesehen
mit dem eine Kapazität 11 in der gezeichneten Schalterstellung aufgeladen werden
kann und in der anderen Stellung sich stoßweise über die Wicklung 4 entlädt. Die
Induktivitätig verhindert die Entladung des Kondensators über die Batterie 6. und
den Widerstand 8. Die Schaltung kann auch mit einer gestrichelt eing;ezeichneten
weiteren Stromquelle 12 für die Korn. densatoraufladung durchgeführt werden, wobei
die Verbindungsleitung zwischen Schalter 10 und Widerstand 8 entfällt. Der Stromstoß
bei der Kondensatorentladung ii über die Wicklung 4 muß aperiodisch erfolgen. Zu
diesem Zweck wird erforderlichenfalls ein Dämpfungswiderstand 13 vorgesehen. Die
zu messende Flußänderung in dem Elektromagneten 3 (Fig. 1) wird mit Hilfe eines
Fluß.messers 14 (Fig. 2) gemessen, der über einen Polwender 15 an die Wicklung 5
des E1ektromagneten angeschlossen wird.
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Die Messung geht nun folgendermaßen vor sich: Der Schalter 10 wird
nach links eingeschaltet, der Schalter 15 in Mittelstellung offen gelassen, der
Schalter 7 nach links eingelegt, damit der Vorerregerstrom mit negativer Polarität
eingeschaltet, und mit dem Regler 8 wird ein dem Grundmaterial entsprechender Wert
eingeregelt. Dann. wird der Schalter 10 nach rechts gelegt, so daß der entstehende
Stromstoß dle Prüfstelle bis zur Sättigung auch in ihren harten Oberflächenschichten
magnetisiert. Der Schalter 10 wird nach links zurückgeschaltet, Schalter 7 wird
umgepolt, der Vorerregerstrom also in positivem Sinn eingeschaltet. Nun wird der
Flußmesser mit Hilfe des Schalters 15 eingeschaltet und auf Null justiert. Danach
wird der Schalter 10 nach rechts geschaltet und die erzeugte Flußänderung am Instrument
14 abgelesen.
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Diese Flußänderung ist ein Maß für die gesuchte Schichtdicke. Der
Versuch kann anschließend wiederholt werden, indem der Schalter 15 wieder auf Mitte
geschaltet, mit dem Schalter 7 kommutiert wird, danach der Schalter 15 mit anderer
Polarität eingelegt und nunmehr wiederum der Umschalter 10 zunächst nach links und
dann nach rechts umgelegt wird. Dabei muß dieselbe Flußänderung angezeigt werden.
Ist das nicht der Fall, so ist über die beiden und eventuell eine weitere Anzahl
von Einzelmessungen zu mitteln.
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Einem weiteren Erfindungsgedanken entsprechend kann man die beschriebene
Schaltfolge auch durch eine motorisch angetriebene Schaltwalze oder Relaiskombination
automatisieren und so rasch hintereinander mit gleichmäßiger Geschwindigkeit fortlaufend
vornehmen, daß an Stelle des Flußmessers 14 ein normales Drehspulinstrument verwendet
werden kann. Durch den gestrichelt eingezeichneten, beispielsweise elektrolytischen
Glättungskoiidensator I6 kann dafür gesorgt werden, daß die Anzeige ruhig ist. Wenn
die Schaltfolge mit z. B. drei bis zehn Zyklen pro Sekunde vorgenommen wird, läßt
sich eine solche Glättung leicht erzielen, und man kann an Stelle des empfindlichen
Flußmessers ein wesentlich unempfindlicheres Drehspulanzeigeinstrument 14 verwenden.
Die Höhe der Schaltfrequenz ist dann nur begrenzt durch die Berücksichtigung der
Wirbelstromeffekte, die bei zu hoher Schaltfolge eine zu große Sdichtdicke vortäuschen
würden.
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In Fig. 3 ist die Magnetisierungskurve B = f(H) des gehärteten Materials
und des magnetisch weicheren ungehärteten Grundmaterials dargestellt.
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Wird nun der magnetische Kreis des Elektromagneten über der Parallel
schaltung der gehärteten Schicht mit dem weicheren Grundmaterial geschlossen, so
ergibt sich als Flußabhängigkeit # von den Erregeramperewindungen J in der Primärwicklung
4 des Elektromagneten die ausgezogene Kurve, die in Fig. 3 dargestellt ist. Würde
derselbe Versuch mit ungebärteter Oberfläche durchgeführt werden, so würde sich
die in Fig. 3 gestrichelt eingetragene Kurvenform ergeben. Es neigt sich also, daß
der steile Teil der Hysteresiskurve im wesentlichen die Eigenschaften des Grundmaterials
wiedergibt, während im flachen Teil sich die magnetisch harten Bestandteile des
Rückschlusses wirksam erweisen, die in dem untersuchten Werkstück zwischen den Polen
des Elektromagneten liegen.
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Der durch Pfeile gekennzeichnete Fluß unterschied ist daher ein Maß
für den von der gebarteten Schicht geführten Fluß. D;ieser wird in der oben beschriebenen
Weise gemessen, indem der Flußmesser eingeschaltet wird, wenn der Punkt I der Hysteresiskurve
nach Fig. 3 auf dem ansteigenden Hysteresisast, von negativen Werten herkommend,
durch den kommutierten Vorerregerstrom erreicht ist und alsdann während des Stromstoßes
durch die Kondensatorentladung die Feldstärk,e kurzzeitig auf ihren positiven Höchstwert
ansteigt und anschließend auf den Punkt 2 des absteigenden Hysteresisastes wieder
abfällt. Die Flußänderung von I nach 2 kann, wie beschrieben, mit einem Fluß messer
(das ist ein richtkraftloses Drehspulinstrument) oder mit einem ballistischen Galvanometer
in an sich bekannter Weise gemessen werden.
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Da nun innerhalb der zu messenden Schicht während des Stromstoßes
eine Ummagnetisierung vom negativen bis zum positiven Remanenzpunkt erfolgt und
diese Remanenz BR nur sehr geringe Unterschiede bei den vlerschiedenen Stehelsorten
besitzt, da weiterhin auch die Breite der um.magn.etisierten Zone etwa der konstanten
Polbreite b des
El.elitromagneten in der zur Zeichenebene der Fig.
I senkrechten Richtung gleich ist, so ist die gemessene Flußänderung der gesuchten
Schichtdicke proportional. Nian kann also den Ausschlag des Flußmessers direkt in
Nlillimeter Schichtdicke eichen und eventuell noch durch ein regelbares Empfindlichkeitspotentiometer
am Flußmesser kleibere Korrelituren anbringen, je nach Art des untersuchten Stahles
zur Berücksichtigung der jeweiligen Remanenz.
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Eine weitere Schaltungsmöglichkeit zeigt Fig. 4 für die Erzeugung
der Vorerregung und des Stromstoßes mit Hilfe eines Stromstoßtransformators. l)ie
Stromquelle ( wird hierl,ei mit der Primärwicklung 4 des Elektromagneten über den
Stromwender 7 und den Regelwiderstand 8 sowie über die Sekundärwicklung 17 eines
Stromstoßtransformators verbunden, dessen Primärwicklung IS über den Ausschalter
19 und einen Vorwiderstand 20 parallel zu der Reihenschaltung von I7 und 4 liegt.
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Der Stromstoßtransformator hat primärseitig eine hohe Windungszahl
n1 und sekundärseitig, 17, eine kleine n2, Die Ströme i1 und 1 in der Primär- und
Sekundärwicklung erregen den Stoßtransformator in gleichem Sinn. Beim Öffnen des
Schalters 19 wird daher der strom i2 stoßweise um die primäre Amperewindungszahl
erhöht. Die Wirkungsweise der Schaltung ist im übrigen die gleiche wie die nach
Fig. 2.
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Durch den magnetischen Widerstand des Kernmaterials des Elektromagneten
sowie durch den Luftspaltwiderstand an den Polflächen können bei dem beschriebenen
Verfahren Fehler entstehen.
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Außerdem können noch Meßfehler dadurch auftreten, daß einige Kraftlinien
in dem magnetisch weicheren Grundmaterial eine so viel größere Länge besitzen, als
dem eigentlichen Polabstand entspricht, daß die Ummagnetisierung dieser tiefer gelegenen
Schichten bei etwa den gleichen Stromstöken erfolgt wie diejenige der zu messenden
magnetischen harten Schicht.
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Die heiden zuletzt beschriebenen Fehler lassen sich durch einen weiteren
Erfindungsgedanken beseitigen, der in Fig. 5 wiedergegeben ist. Die Prüfeinrichtung
besteht hierbei aus einem größeren Anlegejoch 21, das die Erregerwicklung 22 für
den Vorerregerstrom führt, und einem zwischen dessen Polen angelegten kleineren
Anlegejoch 3, dessen Wicklung 4 mit dem kurzzeitigen Stromstoß beschickt wird. Außerdem
ist das Meßjoch 3 mit einer Wicklung 5 versehen, die mit dem Flußmesser verbunden
wird.
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Die Wirkungsweise ist nun folgende: Durch den zunächst eingeschalteten
Vorerregerstrom wird das Grundmaterial 2 beispielsweise mit dem Vorzeichen der eingetragenen
Pfeile magnetisiert. Durch einen zusätzlichen Stromstoß der Wicklung wird auch die
gehärtete Oberflächenschicht I im gleichen Sinn aufmagnetisiert. Wird dann anschließend
der Vorerregerstrom kommutiert, so kehrt sich nur das vorzeichen der Magnetisierung
im Grundmaterial 2 um. Ein Stromstoß durch die Wicklung 4 mit umgekehrtem Vorzeichen
wird alsdann nur die gehärtete Schicht ummagn,etisieren, so daß nunmehr eine einwandfreie
Messung erfolgen kann. Vorzugsweise kann das Verfahren auch noch dahin abgewandelt
werden, daß der Sättigungszustand beider Schichten I und 2 durch eine eventuelle
stoßweise Erhöhung des Vorerregerstroms in der Wicklung 22 bewerkstelligt wird,
während der Stromstoß in der Wicklung 4 für die Messung nur die Zone der gehärteten
Schicht 1 ummagnetisiert, die zwischen den Polenden des Joches 3 liegt. Der Zyklus
bei der Messung ist dann folgender: Einschaltung des Vorerregerstroms in der Wicklung
22 im negativen Sinn; stoßweise Überhöhung dieses Stroms im gleichen Sinn; Umpolung
des Vorerregerstroms in Wicklung 22; Einschaltung des Stromkreises der Wicklung
5 auf den Flußmesser; Stromstoß in der Wicklung 4 im positiven Sinn; Ablesung am
Fluß messer, anschließend eventuell Wiederholungen.
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Das beschriebene Verfahren zeichnet sich von anderen magnetischen
Meßmethoden dadurch aus. daß lediglich eine Erhöhung der Koerzitivkräfte in der
gehärteten Schicht gegenüber dem Grundmaterial vorausgesetzt wird. Auf die Größe
dieser Koerzitivkräfte kommt es jedoch nicht an, da der remanente Fluß in der gehärteten
Zone zwischen den definierten Polflächen des Joches 3 zur Messung herangezogen wird.
Wenn bei einem unbekannten Material die Koerzitivkräfte unbekannt sind, so kann
man so vorgehen, daß die Messung bei verschiedenen Vorerregerströmen vorgenommen
wird.
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Trägt man dann die jeweils gefundenen WIelßlwerte ## der Flußänderung
über dem Vorerregerstrom J auf, so ergibt sich eine Abhängigkeit nach Art der Fig.
6, die dadurch gekennzeichnet ist, daß der Meßwert mit wachsendem Vorerregerstrom
so lange abnimmt, als die Koerzitivkraft des Grundmaterials noch nicht überschritten
wird. dann bei weiter wachsendem Strom konstant bleibt und erst bei so hohen Strömen
weiter abnimmt, bei denen auch die gehärtete Schicht durch den Vorerreberstrom ummaghnetisiert
wird. Man kann also den richtigen Vorerregerstrom experimentell bestimmen, für den
sich der konstante Meßwert ergibt entsprechend dem durch Doppelpfeil gekennzeichneten
Kurvenbereich nach Fig. 6. Die Vormagnetisierung kann auch mit Permanentmagneten
erzeugt werden, z. B. durch Wahl eines permanentmagnetischen Joches, das mit vertauschharer
Pclarität angelegt wird und dessen Wirkung durch Luftspaltzwischenlagen geregelt
werden kann. Die Regelung der permanentmagnetischen Vormagnetisierung kann auch
in an sich bekannter Weise dadurch vorgenommen werden, daß in einem aus Weicheisen
hergestellten Joch ein. perinanentmagn eti sches zylindrisches Kernstück drehbar
angeordnet ist, das in Richtung seines Durchmessers magnetisiert wird.