DE3404720C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schichtdickenmeßvorrichtung zur Messung der Dicke von nichtmagnetischen Werkstoff­ schichten auf ferromagnetischem Grundwerkstoff nach dem magnetinduktiven Verfahren oder von nichtmetallischen Schichten auf leitendem Grundwerkstoff nach dem Wirbel­ stromverfahren mit einem Oszillator zum Speisen der Spule einer auf das Meßobjekt aufzusetzenden Sonde, einer Meßeinrichtung zum Messen von Induktivitätsmerkmalen der Spule und einer Auswerteeinheit zum auswertenden Vergleich dieser Meßdaten mit einem Nullpunktswert, die einen Mikrorechner aufweist, in dessen Halbleiter­ speicher eine Eichkurve in Form einer Wertetabelle ab­ gelegt ist oder abzulegen ist, sowie mit einer der Auswerte­ einheit nachgeschalteten Dicken-Anzeigeeinheit.

Schichtdickenmeßgeräte sind seit langem in betrieblichem Einsatz, vor allem in Galvanisieranstalten, in Lackie­ rereien, in Metallspritzereien, in Schweiß- und Kessel­ baubetrieben (zum Vermessen von austhenitischen Plattie­ rungen, Verbleiungen und Bitumen-Überzügen) sowie in Emaillierwerken, Feuerverzinkereien und ähnlichen Fa­ brikationsbetrieben, in denen Schutzschichten auf Gegen­ ständen angebracht werden.

Die Erzeugnisse der erwähnten Herstellerbetriebe werden vor allem in der Automobil-Industrie und in der Chemie- Industrie verwendet.

Die Schutzschichten oder Plattierungen, deren Dicke mit Schutzdickenmeßgeräten gemessen werden soll, dienen zumeist dem Korrosionsschutz, der im allgemeinen nur durch eine Mindestdicke der Oberflächenschicht gewähr­ leistet ist. Dem entgegen steht die wirtschaftliche Forderung, von dem häufig wertvollen Schutzwerkstoff möglichst wenig aufzutragen. Die einander entgegenlau­ fenden Forderungen des Korrosionsschutzes und der Wirt­ schaftlichkeit lassen sich nur durch eine exakte Schicht­ dickenmessung in Einklang bringen. Daraus ergibt sich die Aufgabe der Schichtdickenmessung, die dünnste Stelle des Überzugs zu ermitteln. Denn nur wenn auch an der dünnsten Stelle die geforderte Mindestschichtdicke vor­ liegt, kann der vorgesehene betriebliche Einsatz ohne Schaden überstanden werden. Hieraus ergibt sich die Forderung nach einpoliger Ausführung der Schichtdicken­ messung. Daher arbeitet man bei dieser mit einer auf das Meßobjekt aufzusetzenden Sonde mit einer wechsel­ stromgespeisten Spule, die einen offenen magnetischen Kreis darstellt. Durch Veränderung des Abstands der Sonde von der Oberfläche des Grundwerkstoffs ändert sich die Induktivität der Sonden-Meßspule. Diese Erschei­ nung wird zu einer präzisen Abstandsmessung zwischen Sonde und Grundwerkstoff ausgenutzt. Nichtmagnetische bzw. nichtleitende Schichtwerkstoffe zwischen Sonde und Grundwerkstoff ändern an dem Meßeffekt nichts. Setzt man daher die Sonde auf die magnetische Schicht auf, so ergibt sich aus der Abstandsmessung zwischen Sonde und Grundmaterial eine Schichtdickenbestimmung.

Um trotz des Einflusses von magnetischen bzw. elektrischen Eigenschaften des Grundwerkstoffs sowie von Form und Größe des Prüflings auf die Messung stets mit hoher Genauigkeit messen zu können, muß beim Arbeiten mittels der bekannten Geräte eine sog. Zwei-Punkt-Eichung durchge­ führt werden. Hierzu wird ein schichtfreier Prüfling oder ein unbeschichtetes Teststück mit gleichen magneti­ schen bzw. elektrischen Eigenschaften und gleicher Form wie die zumessenden Prüflinge benötigt. Beim Arbei­ ten mit den üblichen Geräten wird die Sonde zunächst auf das unbeschichtete Werkstück aufgesetzt und die Anzeige mit einem Regelpotentiometer auf Null gestellt. Danach wird zwischen Sonde und nicht beschichtete Ober­ fläche eine Folie bekannter Dicke eingelegt und deren Dickenwert mit einem zweiten Regler auf dem Instrument eingestellt. Anschließend ist der Nullpunkt erneut zu überprüfen und ggfs. nachzuregeln. In Meßbereichen mit unterdrücktem Nullpunkt ist dieser Zweipunkt-Ju­ stiervorgang sinngemäß ähnlich mit zwei Folien bekannter Dicke auszuführen, wobei die Dicke der einen im Anfangs- und die der anderen im Endbereich der Anzeigeskala liegen sollte. Steht kein unbeschichtetes Werkstück zur Verfügung, so muß am Prüfling selbst die Schicht teilweise entfernt und dadurch das Teil beschädigt werden.

In der US-PS 37 57 208 ist ein Verfahren zur Messung der Dicke einer isolierenden Schicht auf einem Metall­ körper beschrieben worden, zu dessen Durchführung es außer eines unbeschichteten Kalibrierteiles noch einer Referenzsonde zusätzlich zur Meßsonde in der Meßvor­ richtung bedarf. Mittels der Meßsonde wird ein dem Abstand der Sonde vom Metallkörper entsprechendes Meß­ signal erzeugt und dieses mit einem mittels der Refe­ renzsonde erzeugten Referenzsignal kombiniert. Die Meßsonde wird daraufhin aus dem Bereich des Metallkörpers entfernt und ein das kombinierte Signal empfangender Detektorkreis auf Null abgeglichen, indem eines der kombinierten Signale verändert wird, während das andere Signal auf einem vorgegebenen Referenzwert gehalten wird. Anschließend wird die Meßsonde auf ein Kalibrierteil in einem Abstand vom metallischen Werkstoff aufgesetzt, welcher der Soll-Dicke der zu messenden Isolierschicht entspricht und der Detektorkreis erneut auf Null abge­ glichen durch Veränderung des anderen Signals unter Aufrechterhaltung der Einstellung des zuerst veränderten Signals, jedoch unter Offenhaltung der Möglichkeit, daß sich das Meßsignal infolge der Nähe des metallischen Kalibrierteiles entsprechend ändert, wonach dann die Meßsonde mit der zu messenden Schicht in Berührung gebracht wird und die Veränderung des Meßsignals infolge der Nähe des Metallkörpers ermittelt wird. Während der Messung wird die Sonde wiederholt aus dem Einflußbe­ reich des Metallkörpers herausgebracht und der Detektor­ kreis auf Null abgeglichen durch Veränderung des einen Signals unter Aufrechterhaltung des Referenzwertes des anderen Signals. Dieses bekannte Verfahren, bei dem eine absolute Eichung vorzunehmen ist, ist umständ­ lich und zeitaufwendig und die Vorrichtung zu seiner Durchführung bedarf zweier Sonden.

Eine Vorrichtung, bei welcher für die Eichung ein unbe­ schichteter Normkörper, dessen Abmessungen und Eigen­ schaften genau denjenigen des Prüflings entsprechen, benötigt wird, ist auch in der DE-OS 28 04 678 beschrie­ ben. Beim Arbeiten mittels dieser Vorrichtung wird die Meßsonde mittels eines Schrittmotors nacheinander in verschiedenen Abständen vom Normstück angeordnet und dabei mittels einer Eichlogik eine Wertetabelle erstellt und gespeichert, die speziell nur für den jeweiligen Normkörper gilt und mittels der demnach nur die Schichtdicke auf diesem Normkörper entsprechen­ den beschichteten Prüflingen gemessen werden kann. Wenn die Schichtdickenmessung an beschichteten Prüf­ lingen anderer Form und Eigenschaften erfolgen soll, wird für die Justierung erneut ein unbeschichteter Normkörper für jede Art von Prüfling benötigt, mit dessen Hilfe eine neue Eichkurve erstellt werden muß, nach deren Speicherung die Schichtdicke auf den ent­ sprechenden Prüflingen gemessen werden kann.

Die bekannten Schichtdickenmeßgeräte können nur mit Sonden vorgegebener Größe für einen bestimmten Schicht­ dickenbereich betrieben werden.

Der Erfindung hat die Aufgabe zugrunde gelegen, ein Schichtdickenmeßgerät zu schaffen, das mit Spulen unter­ schiedlicher Größe und für verschiedene Schichtdicken­ bereiche betrieben werden kann und damit universell in jedem gewünschten Schichtdickenbereich verwendbar ist und das für die Justierung keines unbeschichteten Teststückes oder schichtfreien Oberflächenstückes bedarf.

Diese Aufgabe ist gemäß der Erfindung durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst worden.

Weitere Merkmale der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Erfindung ist nachstehend anhand eines Ausführungs­ beispieles, das in den Zeichnungen veranschaulicht ist, erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Blockschaltbild für das Schichtdickenmeßgerät und

Fig. 2 eine graphische Darstellung zur Veranschaulichung der Nullpunktjustierung.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 handelt es sich um ein nach dem magnetinduktiven Verfahren arbei­ tendes Gerät, bei welchem der als Merkmal der Indukti­ vitätsänderung ausgewertete Meßwert aus der Phasen­ verschiebung zwischen Strom und Spannung abgeleitet wird.

Das Gerät weist eine Sonde 4 auf, deren Spule mit einer sinusförmigen Spannung aus einem mittels eines Schalters S umschaltbaren Oszillator 5 über eine Konstantstromquelle 6 gespeist wird. Die auf das Meßobjekt aufgesetzte Sonde 4 stellt einen offenen magnetischen Kreis dar, der durch Veränderung des Abstandes der Sonde 4 von dem magnetischen Grundmaterial mehr oder weniger geschlossen wird. Dabei ändert sich der magnetische Widerstand und damit die In­ duktivität der Spule. Die Induktivitätsänderung der Spule bewirkt eine Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung. Um Sonden mit Spulen unterschiedlicher Induktivität be­ treiben zu können, ist der Oszillator 5 durch den Schalter S über eine Tastatur 3 des Mikrorechners 1 in der Frequenz umschaltbar.

Die Meßeinrichtung für die Erfassung der Induktivitäts­ kriterien der Spulensonde weist eine Baugruppe 9 auf, in welcher ein phasengleiches Oszillatorsignal 7 mit einem phasenverschobenen Stromsignal 8 verglichen wird. Die dabei erzeugte Meßgröße, die ein Kriterium für die Größe der Induktivitätsänderung ist, wird einem Nulldurchgangs­ detektor 10 zugeleitet, der ein zur Meßgröße proportionales Meßtor erzeugt, dessen Länge durch Zählimpulse von einem Oszillator 11 ausgemessen wird. Diese Zählimpulse werden über ein UND-Gatter 12 dem Timereingang 13 des Mikrorechners 1 zugeführt.

Im Speicher 2 des Rechners 1 sind die Dickenwerte F 1 und F 2 von dem Gerät beigegeben, bei der Justierung als Zwischenlagen zu verwendenden Kalibrierfolien gespeichert bzw. die Dickenwerte von beliebigen als Zwischenlagen bei der Justierung zu benutzenden Folien mittels der Tastatur 3 zu speichern.

Im Speicher 2 ist auch der Zusammenhang zwischen der Induktivität von Sondenspule(n) und dem Abstand zwischen Sonde 4 und Grundwerkstoff in Form einer Wertetabelle bzw. mehrerer Wertetabellen abgelegt, welch letztere zu Spulen unterschiedlicher Größe und für unterschiedliche Dickenmeßbereiche gehören.

Die Möglichkeit der Ablage mehrerer Wertetabellen für unterschiedliche Sonden gestattet es, in Verbindung mit der Umschaltung des Oszillators 5, das Gerät mit Sonden unterschiedlicher Größe und Spulen-Induktivität zu be­ treiben, so daß Messungen über den gesamten infrage kom­ menden Schichtdickenbereich mit ihm durchgeführt werden können. Überdies kann infolge der Möglichkeit des An­ schlusses von sehr kleinen Sonden auch die Schichtdicke an geometrisch komplizierten Oberflächen(bereichen) mit einem Gerät gemäß der Erfindung gemessen werden. Diese Möglichkeiten bieten die bekannten Geräte nicht, da diese nur mit Sonden einer vorgegebenen Größe bzw. Induktivität betrieben werden können und daher nur zu Messungen inner­ halb eines bestimmten, vorgegebenen Schichtdickenbereichs geeignet sind.

Es besteht auch die Möglichkeit, Abweichungen des durch die Wertetabellen wiedergegebenen Kurvenverlaufs A (Fig. 2) infolge anderer Materialeigenschaften oder Geometrie­ einflüssen dadurch zu eliminieren, daß über die Tastatur 3 Korrekturfaktoren in den Speicher 2 eingegeben werden, die dann bei der Errechnung des Meßwertes durch den Mikro­ rechner 1 berücksichtigt werden.

Der Mikrorechner 1 errechnet aus den über den Timereingang 13 eingegebenen Zählimpulsen (als Meßgröße für die Induk­ tivität der Meßspule) unter Berücksichtigung der gespei­ cherten Werte (Kurve A, etwaige Korrekturfaktoren zur Kurve A, Dickenwerte der bei der Nullpunktjustierung verwendeten Folien) den Dickenwert x der zu messenden Schicht auf dem Grundwerkstoff und bringt ihn auf der Digitalanzeige 14 zur Anzeige. Für eine Meßwertausgabe vom Rechner 1 werden mindestens 100 Einzelmessungen vom Rechner 1 vorgenommen, aus denen der Rechner 1 den Mittel­ wert bildet, den er auf der Digitalanzeige 14 zur Anzeige bringt.

Die Nullpunktjustierung geht beim Arbeiten mit dem Schichtdickenmeßgerät gemäß der Erfindung in der Weise vor sich, daß zunächst auf das Werkstück mit zu messender Schicht unbekannter Dicke x hintereinander zwei Folien bekannter Dicke F 1 und F 2 werden und nach jedem Folien-Auflegen die Sonde (4) aufgesetzt wird. Die beim Auflegen der Sonde gemessenen Meßspuleninduk­ tivitäts-Merkmale, bei der dargestellten Ausführungsform also die Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung, werden durch die Meßeinrichtung 9, 10, 11, 12 zu Zähl­ impulsen verarbeitet, die dem Timereingang 13 des Rechners zwecks Auswertung zugeführt werden. Der Rechner errechnet aus den Zählimpulsen die Meßgrößen M 1 und M 2 als Induk­ tivitätsmeßwert für die Messungen bei aufgelegter Folie mit der Dicke F 1 bzw. F 2. Die Dicke F 1 und F 2 der Folien wird in der Weise in den Auswertevorgang einbezogen, daß sie - bei Verwendung von dem Meßgerät beigefügten, verschieden dicken Kalibrierfolien - im Speicher 2 des Rechners 1 gespeichert ist. Es können aber auch beliebige Folien bekannter Dicke F 1 bzw. F 2 verwendet werden. In diesem Fall muß die Foliendicke über die Tastatur 3 in den Speicher 2 eingegeben werden. Die überdies im Speicher 2 abgelegte Wertetabelle für den nichtlinearen Zusammenhang zwischen Induktivitätsänderung der Meßspule und dem Abstand der Sonde 4 vom Grundmaterial läßt sich durch die in Fig. 2 wiedergegebene Kurve A graphisch darstellen, deren Verlauf durch Eingabe von Korrekturdaten über die Tastatur 3 zu beeinflussen ist, wie bereits vorstehend erwähnt.

Wenn x als unbekannte Dicke der zu messenden Schicht angenommen wird, so entspricht die Meßgröße M 1 einem Abstand Sonde-Grundmaterial vom x + F 1 und die Meßgröße M 2 dem Abstand x + F 2. Die Differenz von M 1 und M 2 ent­ spricht der Dickendifferenz F 1-F 2. Demzufolge müßten die den Meßgrößen M 1 und M 2 entsprechenden Punkte der Kurve A in Richtung der Schichtdickenachse der Fig. 2 einen der Dickendifferenz F 1-F 2 entsprechenden Abstand voneinander haben. Dies ist jedoch nur bei erfolgtem Nullpunktabgleich der Fall. Wenn diese Bedingungen des Nullabgleichs nicht gegeben sind, die den Meßgrößen M 1 und M 2 entsprechenden Punkte der Kurve A also nicht einen den gespeicherten Werten für F 1 und F 2 entspre­ chenden Abstand in Richtung der Schichtdickenachse der Fig. 2 voneinander haben, was der Rechner 1 durch Ver­ gleich feststellt, läßt die Logikschaltung des Rechners 1 die Werte der gespeicherten Tabelle eine Werteskala durchlaufen, die einer Parallelverschiebung der Kurve A in Richtung der Meßgrößenachse der Fig. 2 entspricht, solange, bis eine Wertetabelle entsprechend der zur Kurve A parallel verschobenen Kurve B gemäß Fig. 2 zu­ stande gekommen ist, bei welcher die beiden Meßgrößenwerte M 1 und M 2 in Richtung der Schichtdickenachse einen Abstand von F 1-F 2 voneinander haben, wobei sie einem Schicht­ dickenwert von F 1 + x bzw. F 2 + x entsprechen, so daß der Rechner den Differenzwert x hieraus errechnen und auf der Digitalanzeige 14 anzeigen kann. Auf diese Weise ist die Nullpunktjustierung und gleichzeitig die erste Messung erfolgt. Der der Kurvenparallelverschiebung entsprechende Offset-Wert OW wird vom Rechner 1 auto­ matisch bei jeder folgenden Messung verrechnet, so daß die weiteren Messungen bei gleichem Werkstoff und gleicher Werkstückgeometrie ohne erneutes Auflegen von Folien od. dgl. Zwischenlagen erfolgen können.

Die Meßwertbildung kann durch Mehrfachmessung und an­ schließende statistische Mittelwertbildung im Rechner erfolgen.

Statt, wie bei der vorstehend beschriebenen Ausführungs­ form, den Meßwert aus der Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung herzuleiten, kann man auch mit der Auswertung der Amplitudenveränderung arbeiten oder mit einem gemischten Auswerteverfahren.

Claims (7)

1. Schichtdickenmeßvorrichtung zur Messung der Dicke von nichtmagnetischen Werkstoffschichten auf ferromagne­ tischem Grundwerkstoff nach dem magnetinduktiven Verfahren oder von nichtmetallischen Schichten auf leitendem Grund­ werkstoff nach dem Wirbelstromverfahren
mit einem Oszil­ lator (5) zum Speisen der Spule (4) einer auf das Meß­ objekt aufzusetzenden Sonde,
einer Meßeinrichtung zum Messen von Induktivitätsmerkmalen der Spule (4) und
einer Auswerteeinheit zum auswertenden Vergleich dieser Meßdaten mit einem Nullpunktswert, die einen Mikrorechner aufweist, in dessen Halbleiterspeicher eine Eichkurve in Form einer Wertetabelle abgelegt ist oder abzulegen ist, sowie
mit einer der Auswerteeinheit nachgeschalteten Dicken-Anzeigeeinheit (14),
gekennzeichnet durch

• - mindestens eine nichtmagnetische oder nichtleitende Justierungsfolie (F 1, F 2) bekannter Dicke, in der Regel jedoch deren zwei oder drei, zum Einlegen zwischen den beschichteten Prüfling und die Sonde bei der Justierung,
• - Mikrorechner-Speichereinheiten zum Speichern sowohl des Dickenwertes bzw. der Dickenwerte (F 1, F 2) der Folie(n) in Zuordnung zu den bei der Justierung unter Einlegung der Folie(n) von der Meßeinrichtung gemessenen Induktivi­ tätsmerkmalen der Sondenspule (4) als auch mindestens einer Wertetabelle, welche die nichtlineare Beziehung zwischen der Induktivität der zugeordneten Sondenspule (4) und dem Abstand dieser vom Grundwerkstoff wiedergibt,
• - eine Mikrorechner-Schaltungseinheit zum Berechnen der durch die Dicke (F 1, F 2) der für die Justierung verwendeten Folie(n) bestimmten Abstandsdifferenz (F 1 bzw. F 1-F 2) zwischen den einzelnen Justierungsmessungen und der sich daraus ergebenden Beziehung zu den für diese Abstandsdifferenz gemessenen Induktivitätswerten (M 1, M 2),
• - eine Mikrorechner-Schaltungsvorrichtung zum Vergleich der so ermittelten Beziehung mit der Beziehung gemäß der gespeicherten Wertetabelle,
• - eine von der Vergleichervorrichtung gesteuerte Mikro­ rechner-Logikschaltung, welche bei Nichtübereinstimmung der Beziehung gemäß den Justierungsmeßdaten mit der Beziehung gemäß der gespeicherten Wertetabelle deren Induktivitätswerte eine Werteskala durchlaufen läßt, die einer Parallelverschiebung der die gespeicherte Beziehung wiedergebenden Kurve (A) gleichkommt bis zum Erreichen einer um den Offsetwert (OW) parallel ver­ schobenen Kurve (B), für die eine gleiche Beziehung zwischen ihren den zugeführten Meßgrößen (M 1, M 2) ent­ sprechenden Induktivitätswerten und dem zwischen diesen liegenden Abstandsintervall (x + F 2-<x + F 1<) gegeben ist,
• - eine Mikrorechner-Schaltungsvorrichtung zum Berechnen der Schichtdicke (x) an der Justierungsstelle anhand der eingebenen Foliendickenwerte (F 1, F 2) aus den Tabel­ len-Abstandswerten (x + F 1, x + F 2), und
• - eine Mikrorechner-Schaltungsvorrichtung zum automa­ tischen Verrechnen des Offsetwertes (OW) mit den bei den der Justierung folgenden Dickenmessungen von der Meßeinrichtung gemessenen Induktivitätswerten (M 1, M 2) und zum Abrufen der den sich daraus ergebenden Induk­ tivitätswerten entsprechenden Schichtdickenwerte aus der gespeicherten Wertetabelle.

2. Schichtdickenmeßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Mikrorechner eine Schaltung für die statistische Mittelwertbildung im Anschluß an eine Mehrfachmessung aufweist.

3. Schichtdickenmeßvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Speise-Oszillator (5) für die Meßspule der Sonde (4) mittels eines Schalters (1) in der Frequenz umschaltbar ist und daß der Mikro­ rechner (1) eine Baugruppe zur Erzeugung von Steuer­ signalen für die Umschaltvorgänge aufweist, die mit ihrem Ausgang auf den Steuereingang des Schalters (S) geschaltet und mittels der Tastatur (3) des Rechners (1) zu betätigen ist.

4. Schichtdickenmeßvorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine mittels der Tastatur (3) des Mikrorechners (1) zu betätigende Baugruppe des Rechners (1) für die Korrektur der im Speicher (2) abgelegten Wertetabelle.

5. Schichtdickenmeßvorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtung die Meßdaten aus der Spulenstrom- bzw. -spannungsamplitude ableitet.

6. Schichtdickenmeßvorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl das phasenverschobene Stromsignal (8) der Meßspule der Sonde (4) als auch ein phasengleiches Signal (7) des Speise-Oszillators (5) der Meßspule dem Eingang einer Baugruppe (9) der Meßeinrichtung zugeleitet werden, die diese Signale (7, 8) miteinander vergleicht und eine der Phasenverschiebung proportionale Meßgröße ausgibt.

7. Schichtdickenmeßgerät nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch einen Nulldurchgangsdetektor (10) in der Meßeinrich­ tung für die Erzeugung eines der Induktivitätsänderung der Meßspule der Sonde (4) proportionalen Meßtores, dessen Länge durch die Zählimpulse eines Oszillators (11) ausgemessen wird, die über ein Und-Gatter (12) dem Timereingang (13) des Mikrorechners (1) zugeführt werden.