DE883657C - Verfahren und Messgeraet fuer die Schichtdickenmessung gehaerteter Oberflaechen - Google Patents

Verfahren und Messgeraet fuer die Schichtdickenmessung gehaerteter Oberflaechen

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DE883657C
DE883657C DEL9346A DEL0009346A DE883657C DE 883657 C DE883657 C DE 883657C DE L9346 A DEL9346 A DE L9346A DE L0009346 A DEL0009346 A DE L0009346A DE 883657 C DE883657 C DE 883657C
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DEL9346A
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Peter-Konrad Dr-Ing Hermann
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01BMEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B7/00Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques
    • G01B7/02Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring length, width or thickness
    • G01B7/06Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring length, width or thickness for measuring thickness
    • G01B7/10Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring length, width or thickness for measuring thickness using magnetic means, e.g. by measuring change of reluctance
    • G01B7/105Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring length, width or thickness for measuring thickness using magnetic means, e.g. by measuring change of reluctance for measuring thickness of coating

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)

Description

  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • In Fig. 3 ist die Magnetisierungskurve B = f(H) des gehärteten Materials und des magnetisch weicheren ungehärteten Grundmaterials dargestellt.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Durch den magnetischen Widerstand des Kernmaterials des Elektromagneten sowie durch den Luftspaltwiderstand an den Polflächen können bei dem beschriebenen Verfahren Fehler entstehen.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.

Claims (9)

  1. PATENTANSPRÜCHE: I. Verfahren zur Schichtdickenmessung für ferromagnetisch harte Schichten auf ferremagnetisch weicheren Unterlagen, dadurch ge- kennzeichnet, daß der durch den Stromstoß hervorgerufene magnetische Fluß'unterschied, der sich einer Vormagnetisierung gleichsinnig überlagert, in einem angelegten Elektromagneten gemessen wird.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromstoß durch eine Kondensatorentladung erzeugt wird.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch I und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromstoß mit einem gleichstromvormagnetisierten Stromstoßtransformator erzeugt wird.
  4. 4. Verfahren' nach Anspruch I bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der gemessene, durch Stromstoß hervorgerufene Fluß unterschied in Abhängigkeit vom Vorerregerstrom gemessen wird und als Meßwert derjenige Flußunterschied eingesetzt wird, der sich mit dem Vorerregerstrom nicht oder am wenigsten ändert.
  5. 5. Schichtdickenmsesser zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch I bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektromagnet durch zwei getrennte Joche gebildet ist, von denen das eine (2I) nur mit dem Strom für die Vormagnetisierung verkettet ist, während das zweite, kleinere (3) mit dem Stoßerregerstrom sowie mit der Wicklung für den Flußmesser verkettet ist.
  6. 6. Schichtdickenmesser nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Messung des Fluß unterschiedes ein richtkraftloses Dre;hspulinstrument dient.
  7. 7. Schichtdickenmesser nach Anspruch 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vornahme der für die Messung erforderlichen Folge der Schatterbetätigungen ein automatisches Schaltgerät und an Stelle des Flußmessers ein Drehspulinstrument mit Glättungskondensator zur Messung dient.
  8. S. Schichtdickenmesser nach Anspruch 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Messung des Fluß unterschiedes ein ballistisches Galvanometer dient.
  9. 9. Schichtdickenmesser nach Anspruch 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vormagn'etisierung Permanentmagneten dienen.
    IO. Schichtdickenmlesser nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der zur Vormagnetisierung dienende Permanentmagnet zylindrisch über dem Durchmesser magnetisiert und drehbar in einem Weicheisen joch angeordnet ist.
DEL9346A 1951-06-19 1951-06-19 Verfahren und Messgeraet fuer die Schichtdickenmessung gehaerteter Oberflaechen Expired DE883657C (de)

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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE1169158B (de) * 1959-07-24 1964-04-30 Deutsche Edelstahlwerke Ag Verfahren zum Bestimmen der Einhaertetiefe an Gegenstaenden aus ferromagnetischem Werkstoff
FR2528568A1 (fr) * 1982-06-10 1983-12-16 Westinghouse Electric Corp Sonde de jauge d'epaisseur a courants de foucault
FR2590671A1 (fr) * 1985-11-26 1987-05-29 Iveco Fiat Procede et appareil pour mesurer des parametres lies a la trempe de pieces metalliques

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FR2528568A1 (fr) * 1982-06-10 1983-12-16 Westinghouse Electric Corp Sonde de jauge d'epaisseur a courants de foucault
FR2590671A1 (fr) * 1985-11-26 1987-05-29 Iveco Fiat Procede et appareil pour mesurer des parametres lies a la trempe de pieces metalliques

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