DE1009400B

DE1009400B - Arrangement and probe for measuring the thickness of non-ferromagnetic layers on a ferromagnetic base

Info

Publication number: DE1009400B
Application number: DED22689A
Authority: DE
Inventors: Karl Deutsch; Paul Hoehle
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1956-04-04
Filing date: 1956-04-04
Publication date: 1957-05-29

Description

Anordnung und Sonde zum Messen der Dicke nichtferromagnetischer Schichten auf ferromagnetischer Unterlage Zunl Messen nichtferromagnetischer Schichten auf ferromagnetischer Unterlage, z. B. zum Messen von l,ackschichten auf metallischer Unterlage, sind Anordnungen bekannt, bei denen eine von Wechselstrom durchflossene eisengefüllte Spule auf das Prüfstück gesetzt und die Änderung der Selbstinduktion oder des Verlustwinkels oder von beiden Größen der Spule als Meßgröße benutzt wird. Da jedoch die Spule an zwei Punkten mit einem gewissen Abstand der Kernschenkel auf dem Prüfstück aufsitzt, kann das Gerät stets nur den Mittelwert der Schichtdicke an den beiden Berührungspunkten der Sonde messen. Arrangement and probe for measuring the thickness of non-ferromagnetic layers on a ferromagnetic base to measure non-ferromagnetic layers ferromagnetic base, e.g. B. for measuring oil coatings on metallic Base, arrangements are known in which an alternating current flows through iron-filled coil is placed on the test piece and the change in self-induction or the loss angle or both sizes of the coil is used as the measured variable. However, since the coil is at two points with a certain distance between the core legs sits on the test piece, the device can only ever read the mean value of the layer thickness Measure at the two contact points of the probe.

Rückt man die Berührungspunkte näher zusammen, so kann man allmählich zu einer nahezu punktförmigen Messung gelangen.If you move the points of contact closer together, you can gradually arrive at an almost punctiform measurement.

Je näher man jedoch die beiden Berührungspunkte zusammenrückt, um so geringer werden die Anderungen von Selbstinduktion und Verlustwinkel. Bei der üblichen Art, diese Größen in einer Brückenschaltung zu messen, wird die Ausgangsspannung der Brücke bald so klein, daß man zu einer Verstärkung dieser Spannung schreiten muß, um sie mit üblichen Drehspulinstrumenten zur Anzeige zu bringen. However, the closer you get the two points of contact together the changes in self-induction and loss angle are thus smaller. In the The usual way of measuring these quantities in a bridge circuit is the output voltage the bridge soon becomes so small that this tension can be intensified must, in order to bring them to the display with conventional moving coil instruments.

Um eine vereinfachte Anordnung zu erreichen, wird gemäß der Erfindung vorgeschlagen, die Spannung eines Generators über einen Transformator mit Mittelanzapfung zur Sonde und zu einem Hilfswiderstand zu führen, wobei die Größe des Phasenwinkels (Generatorspannung -Ausgangsspannung) eine Größe für die Schichtdicke ergibt. Hierbei wird im Ruhezustand durch die Al>gleichung des Hilfswiderstandes die Ausgangsspannung in der Phase um 900 zur Generatorspannung verschoben. Zur Messung der Schichtdicke dient ein phasenabhängiger Gleichrichier. In order to achieve a simplified arrangement, according to the invention proposed the voltage of a generator via a transformer with center tap to lead to the probe and to an auxiliary resistor, the size of the phase angle (Generator voltage - output voltage) results in a parameter for the layer thickness. Here the output voltage becomes in the idle state through the Al> equation of the auxiliary resistor shifted in phase by 900 to the generator voltage. For measuring the layer thickness a phase-dependent rectifier is used.

Bei einer solchen Anordnung kann die Spule der Sonde nur mit einem Pol auf das Prüfstück aufgesetzt werden. Vorteilhaft wird der das Prüfstück berührende Pol der Sonde durch eine Stahlkugel gebildet, wodurch der Verschleiß weitgehend herahgesetzt wird. With such an arrangement, the coil of the probe can only be connected to one Pole are placed on the test piece. The one in contact with the test piece is advantageous Pole of the probe formed by a steel ball, which largely reduces wear is reduced.

Es ist an sich bekannt, die Dicke nichtferromagnetischer Überzüge mit Hilfe der Messung der der Schichtdicke entsprechenden Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung zu messen. Hierbei wird ein hochgespannter Prüfstrom benutzt. Dies hat den Nachteil, daß die Sonde unnötig erwärmt wird, wobei die Nullpunktkonstanz der Anordnung fehlt. Auch sind an sich Sonden mit einem kugeligen Pol bekannt. It is known per se, the thickness of non-ferromagnetic coatings with the help of the measurement of the phase shift corresponding to the layer thickness between Measure current and voltage. A high-voltage test current is used here. This has the disadvantage that the probe is unnecessarily heated, with the zero point constancy the arrangement is missing. Probes with a spherical pole are also known per se.

In der Zeichnung sind in den Fig. 1 bis 3 schematisch die bisherige Anordnung und das Vektordiagramm und in den Fig. 4 bis 7 die Anordnung und Diagramm nach der Erfindung schematisch dargestellt. In the drawing, the previous ones are schematically shown in FIGS. 1 to 3 Arrangement and the vector diagram and in FIGS. 4 to 7 the arrangement and diagram shown schematically according to the invention.

Fig. 1 zeigt die bisherige Anordnung einer Spule 1 mit den beiden Polen 2 und 3, die auf das Prüfstück aufgesetzt werden. Das Prüfstück besteht aus einer nichtferromagnetischen Schicht4 und der ferromagnetischen Unterlage 5. Die Änderung der Selbstinduktion der Spule 1 wird hierbei gemessen. Der Abstand der beiden Pole 2 und 3 der Spule 1 ist mit a bezeichnet. Man kann somit nur den Mittelwert der Schichtdicke an den Berührungspunkten messen. Fig. 1 shows the previous arrangement of a coil 1 with the two Poles 2 and 3, which are placed on the test piece. The test piece consists of a non-ferromagnetic layer 4 and the ferromagnetic base 5. The The change in the self-induction of the coil 1 is measured here. The distance of the two poles 2 and 3 of the coil 1 is denoted by a. So you can only get the mean measure the layer thickness at the contact points.

Die entsprechende Schaltanordnung zeigt die Fig. 2. The corresponding switching arrangement is shown in FIG. 2.

Die Spule 1, deren Selbstinduktion oder Phase gemessen werden soll, steht in Verbindung mit der Vergleichsspule 6. Der Strom wird geliefert von dem Generator 7. Zur Vervollständigung dienen die Brückenwiderstände 8 und 9. Gemessen wird hierbei die Ausgangsspannung Va. Die beiden PunkteA und B zeigen die Spannungseinspeisung, während die Punkte C und D den Spannungsausgang und die hierüber gemessene Ausgangsspannung Va angeben.The coil 1, the self-induction or phase of which is to be measured, is in communication with the comparison coil 6. The current is supplied by the Generator 7. Bridge resistances 8 and 9 are used to complete the process. Measured becomes the output voltage Va. The two points A and B show the voltage feed, while points C and D show the voltage output and the output voltage measured via it Specify Va.

In Fig. 3 ist das zugehörige Vektordiagramm der verstisnmten Brücke unter Vernachlässigung der Verluste der Spulen 1 und 6 dargestellt, die bei kleineren Verstimmungen sehr kleine Größe Va ist angedeutet. In Fig. 3 is the associated vector diagram of the bridge understood neglecting the losses of the coils 1 and 6, the smaller ones Detunings of very small size Va are indicated.

Zwischen den Punkten A und B ist die Brückeneingangsspannung gemäß Fig. 2 vorhanden. Diese beiden Spannungen teilen sich auf in die Vektoren A, C und B bzw. A, D und B entsprechend dem linken bzw. dem rechten Brückenzweig in Fig. 2. Die Ausgangsspannung wird, wie aus Fig. 2 ersichtlich, zwischen den Punkten C und D abgenommen und ist im Vektordiagramm eingezeichnet.Between points A and B is the bridge input voltage according to Fig. 2 available. These two voltages are divided into the vectors A, C and B or A, D and B corresponding to the left and the right bridge branch in Fig. 2. As can be seen from FIG. 2, the output voltage is between points C. and D and is shown in the vector diagram.

Gemäß der Erfindung sollen nun kleine Änderungen der Sonde 1 verstärkerlos gemessen werden. Fig. 4 zeigt die Schaltungsanordnung. Es liegen wieder die beiden Spannungseinspeisungspunkte A und B vor, während die Ausgangsspannung zwischen den Punkten E und M abgegriffen wird. Die Spannung vom Generator 7 wird über einen Transformator 10 mit MittelanzapfungM zur Spule 1 und zu einem Hitfswiderstand 11 geführt. Dieser Hilfswiderstand wird so abgeglichen, daß im Ruhezustand die Ausgangsspannung Va in der Phase zur Generatorspannung um 90° verschoben wird, wie dies in Fig. 5 angedeutet ist. Im Gegensatz zur Anordnung nach Fig. 2 und 3 ist hierbei die Ausgangsspannung Va immer gleich groß. Im abgeglichenen Zustand (E gemäß Fig. 5) beträgt der Winkel 900. Wird dieSpulel verstimmt, wandert der Punkt E nach E', und der Winkel ändert damit seine Größe. Wenn man diese Ausgangsspannung Va beispielsweise einem phasenabhängigen Gleichrichter zuführt, der die Größe Va cos a bildet, ist der angezeigte Meßwert ein Maß für die Dicke der Schicht 4. Man kommt mit einer solchen Anordnung meist ohne Verstärker aus, da man die Ausgangsgröße Va leicht hinreichend groß halten kann. In dem Vektordiagramm nach Fig. 5 herrscht zwischen den Punkten A und B die Brückenspannung. According to the invention, small changes to the probe 1 should now be amplified be measured. Fig. 4 shows the circuit arrangement. The two are lying again Voltage feed points A and B in front, while the output voltage is tapped between points E and M. The voltage from generator 7 is Via a transformer 10 with a center tap M to the coil 1 and to a heating resistor 11 led. This auxiliary resistor is adjusted so that the output voltage is in the idle state Va is shifted in the phase to the generator voltage by 90 °, as shown in FIG. 5 is indicated. In contrast to the arrangement according to FIGS. 2 and 3, this is the output voltage Va always the same size. In the balanced state (E according to FIG. 5) the angle is 900. If the coil is detuned, point E moves to E 'and the angle changes hence its size. If you have this output voltage Va, for example a phase-dependent Rectifier supplies, which forms the quantity Va cos a, is the displayed measured value a measure of the thickness of layer 4. You usually come with such an arrangement without an amplifier, since the output variable Va can easily be kept sufficiently large can. In the vector diagram of FIG. 5, between points A and B, the Bridge tension.

DieAusgangsspannung wird abgenommen zwischen E und M. Es sind also die beiden Vektoren eingezeichnet, und zwar einmal A-E, was dem Spannungsabfall über der Prüfsonde 1 entspricht, und der Spannung E-M, die der Ausgangsspannung Va entspricht.The output voltage is taken between E and M. So there are the two vectors are drawn, namely once A-E, which is the voltage drop across the test probe 1, and the voltage E-M, which corresponds to the output voltage Va corresponds to.

Bei Verstimmung der Sonde, d. h. also beim Annähern an ein ferromagnetisches Werkstück, wandert mithin im Vektordiagramm der Fig. 5 der Punkt E nach E'.If the probe is out of tune, i. H. so when approaching a ferromagnetic Workpiece, therefore point E moves to E 'in the vector diagram of FIG.

Man sieht dann, daß die gemessene Ausgangsspannung Va zwischen A und E liegt, d. h., der Phasenwinkel von Va hat sich gegenüber dem ursprünglichen Zustand von 900 geändert, er ist kleiner geworden. Die Größe der Ausgangsspannung bleibt unabhängig davon erhalten.It can then be seen that the measured output voltage Va between A and E lies, d. that is, the phase angle of Va has changed from the original state changed from 900, it has become smaller. The size of the output voltage remains received regardless.

Bei Meßanordnungen gemäß Fig. 2 und 3 zeigt es sich, daß die Anzeige nicht nur von der Stärke der nichtferromagnetischen Schicht 4, sondern auch von der Permeabilität der Grundschicht 5 abhängig ist. In the case of measuring arrangements according to FIGS. 2 and 3, it can be seen that the display not only from the strength of the non-ferromagnetic layer 4, but also from the permeability of the base layer 5 is dependent.

Durch geeignete Dimensionierung kann jedoch erreicht werden, daß die Abhängigkeit der Permeabilität im wesentlichen den Verlustwiderstand der Spulel beeinflußt. Die Anordnung gemäß der Erfindung nach Fig. 4 ermöglicht hier in Grenzen eine automatische Fehlerkompensation. Liegt gemäß Fig. 6 bei der Messung die Ausgangsspannung Va zwischen M (dem Mittelpunkt des Transformators) und E' und ändert sich die Permeabilität der Grundschicht5, so wird der Vektor nach E" wandern. Damit wird der Betrag von Va kleiner und cos Sg größer, so daß das Produkt näherungsweise konstant bleibt. Eine Anordnung gemäß Fig. 4 wird sich also bei verschiedenen Grund- materialien günstiger verhalten als eine solche nach Fig. 2.However, by suitable dimensioning it can be achieved that the Dependence of the permeability essentially the loss resistance of the coil influenced. The arrangement according to the invention according to FIG. 4 allows here within limits an automatic error compensation. According to FIG. 6, the output voltage is present during the measurement Va between M (the center of the transformer) and E 'and the permeability changes of the base layer 5, the vector will migrate to E " Va smaller and cos Sg larger, so that the product remains approximately constant. An arrangement according to FIG. 4 will therefore be different for different basic materials cheaper behave as such according to FIG. 2.

Die relativ hoheampfindlichkeit der Meßanordnung nach Fig. 4 läßt nun auch die Verwendung von Sonden zu, die nur mit einem einzigen Punkt auf dem Prüfling aufliegen, wie dies in Fig. 7 dargestellt ist. Man gelangt so zu einer nahezu punktförmigen Schichtdickenmessung. Die Ausführung der Sonde gemäß Fig. 7 hat gegenüber derjenigen nach Fig. 1 mit sehr nahe zusammengerückten Polen den Vorteil, daß nur ein Meßpunkt zur Auflage gebracht werden muß. The relatively high sensitivity of the measuring arrangement according to FIG now also the use of probes that only point to a single point on the Place the test specimen, as shown in FIG. 7. That is how you get to one almost punctiform layer thickness measurement. The design of the probe according to FIG. 7 has the advantage over the one according to FIG. 1 with the poles moved very close together, that only one measuring point has to be brought to bear.

Um den Verschleiß der Sonden gering zu halten, ist es bisher üblich, die Berührungsflächen der Sonden hart zu verchromen. Man muß dann jedoch darauf achten, daß die Chromschicht mit gleichmäßiger Stärke über die Kalotte der Sonde verteilt ist. Dies ist erforderlich, da die Ohromstärke als Schichtdicke mitgemessen wird. Da der Skalenverlauf normalerweise nicht linear ist, ergibt sich bisher je nach der Schichtdicke der Chromauflage eine andere Eichkurve. Diese Schwierigkeiten kann man gemäß der Erfindung dadurch beheben, daß in den Pol der Sonde eine harte Stahlkugel 12 eingebracht, beispielsweise eingelötet wird. In order to keep the wear and tear on the probes to a minimum, it has been customary to date hard chrome plating the contact surfaces of the probes. But then you have to pay attention ensure that the chrome layer is evenly thick over the cap of the probe is distributed. This is necessary because the ear thickness is also measured as the layer thickness will. Since the course of the scale is normally not linear, there has so far been each a different calibration curve according to the layer thickness of the chrome plating. These difficulties can be remedied according to the invention that in the pole of the probe a hard Steel ball 12 introduced, for example soldered.

PATENTANSPRCHE: 1. Anordnung zumMessen der Dicke nichtferromagnetischer Schichten auf ferromagnetischer Unterlage, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannung eines Generators (7) über einen Transformator (10) mit Mittelanzapfung (ill) zur Sonde (t) und zu einem Hilfswiderstand (11) geführt wird, wobei die Größe des Phasenwinkels (GeneratorspannungAusgangsspannung) ein Maß für die Schichtdicke (4) ergibt. CLAIMS: 1. Arrangement for measuring the thickness of non-ferromagnetic Layers on a ferromagnetic base, characterized in that the voltage a generator (7) via a transformer (10) with center tap (ill) for Probe (t) and to an auxiliary resistor (11), the size of the phase angle (Generator voltage output voltage) gives a measure of the layer thickness (4).

Claims

2. Arrangement according to claim 1, characterized in that at rest the output voltage (Va) in the phase by adjusting the auxiliary resistor (11) is shifted by 900 to the generator voltage.

3. Arrangement according to claim 1 and 2, characterized in that for A phase-dependent rectifier is used to measure the layer thickness (4).

4. Arrangement according to claim 1 to 3, characterized in that the The probe (1) has only one pole to be placed on the test piece.

5. Arrangement according to claim 1 to 4, characterized. that the the test piece (4, 5) touching pole of the probe (1) formed by a steel ball (12) is. ~~~~~~~~ Publications taken into consideration: German Patent Specifications No. 811 870, 883 656.