DE4325767A1 - Schichtdickenmeßvorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung der Dicke von nichtmagnetischen Werkstoffschichten auf ferro­ magnetischem Grundwerkstoff nach dem magnetinduktiven Verfahren oder von nichtmetallischen Schichten auf leiten­ dem Grundwerkstoff nach dem Wirbelstromverfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Es sind drei verschiedene Verfahren bekannt, um zerstörungs­ frei die Dicke von nichtmagnetischen Schichten auf ferro­ magnetischem Grundmaterial (Eisen und Stahl) zu messen, nämlich das Haftverfahren und zwei physikalisch unter­ schiedliche magnetinduktive Verfahren. Diese drei Verfahren sind in DIN 50 981 und DIN 50 982 Teil 2 beschrieben.

Das älteste Verfahren ist das Haftkraftverfahren. Bei ihm wird als Meßgröße die Haftkraft eines Dauermagneten benutzt, die mit größer werdender Schichtdicke, d. h. bei zunehmendem Abstand vom Grundmaterial, abnimmt.

Bei einem der beiden bekannten magnetinduktiven Verfahren wird ebenfalls ein Dauermagnet in Stabform als Meßelement benutzt, unter Ausnutzung der Abhängigkeit des Feldlinien­ verlaufs des Magneten von seinem Abstand vom ferromagne­ tischen Grundmaterial. Beim Aufsetzen des Magnetpols auf das beschichtete Material wird unterhalb des Pole eine höhere magnetische Induktion wirksam, als im Falle, daß sich die Feldlinien frei im Luftraum schließen. Zur Messung der magnetischen Induktion dient ein Hall- Element, dessen Ausgangssignal, sich in Schichtdicken eichen läßt.

Bei dem anderen bekannten magnetinduktiven Verfahren zur Dickenbestimmung von nichtmagnetischen Schichten auf ferromagnetischem Grundmaterial (V. Deutsch: Elek­ tronik 6, 1959, S. 21-22) werden Sonden benutzt, die Spulensysteme mit hochpermeablen, zumeist weich­ magnetischen Kernen enthalten. Durch Annäherung an Stahl ändern sich die Induktivität oder die Indukti­ vitätsmerkmale der Spule, so daß sich sowohl über Ampli­ tudenveränderung als auch Phasenverschiebung oder eine Frequenzänderung eines entsprechenden LC-Schwingkreises mit der Spuleninduktivität L als frequenzbestimmendem Glied Schichtdicken abhängige Meßgrößen erfassen lassen. Derartige Systeme werden mit relativ niedrigen Fre­ quenzen im Bereich 50-350 Hz betrieben, damit elek­ trisch leitende und isolierende unmagnetische Schichten mit gleicher Eichung und Genauigkeit erfaßt werden können. Bei höheren Frequenzen würden sich Wirbelströme in den leitenden Schichten ausbilden, so daß mit der elektrischen Leitfähigkeit ein werkstoffabhängiger Einfluß die Meßwerte beeinflußt.

Die beiden letztgenannten Verfahren werden in DIN 50 981 und DIN 50 982 Teil 2 unter dem Oberbegriff "magnetinduk­ tive Verfahren" geführt und begrifflich nicht weiter differenziert, obwohl sie sich physikalisch grundsätzlich durch die Tatsache unterscheiden, daß in dem einen Fall statisch, d. h. mit magnetischen Gleichfeldern, gearbeitet wird, in dem anderen Fall mit magnetischen Wechselfeldern, die durch Induktionsspulen erzeugt und nachgewiesen werden. Zur begrifflichen Unterscheidung wird daher im folgenden das mittels eines Dauermagneten durchgeführte Verfahren als "magnetostatisches magnet­ induktives Verfahren", kurz "magnetostatisches Verfahren" bezeichnet und das mit Spulen arbeitende Verfahren als "dynamisches magnetinduktives Verfahren".

Beim dynamischen magnetinduktiven Verfahren muß der Aufsatzpol der Sonde, den die Meßwicklung umschließt, neben der hohen Permeabililtät neben den für diese Verfahren typischen Meßfrequenzen geringe Magnetisie­ rungsverluste aufweisen. Darüber hinaus muß der Auf­ satzpol mit einem harten Werkstoff geschützt werden. Das geschieht entweder durch Hartverchromen, Einlassen von Hartkeramik, Sephir- oder Rubinstiften oder vorteil­ haft durch Einpressen einer gehärteten ferromagnetischen Kugel, etwa wie sie in Kugellagern verwendet werden. Das Sondensystem bleibt dabei ähnlich wie beim Dauer­ magneten stabförmig ausgebildet. Aus Gründen der magne­ tischen Abschirmung und der Dimensionierung der magne­ tischen Feldstärke ist es vorteilhaft, den Mittelpol mit einem äußeren topfförmigen, weichmagnetischen Rohrpol zu versehen, der eine Rückführung des magnetischen Flusses bewirkt. Der Abstand dieses zweiten ringförmigen Pols ist im Gegensatz zu den beiden Polen hufeisenförmig gestalteter sogenannter Zweipolsonden (im wesentlichen) nur von der Schichtdicke an der Aufsetzstelle des Mit­ telpols abhängig. Damit läßt sich eine Einpunktmessung durchführen und die für die Funktion der Beschichtung wichtige Stelle geringster Schichtdicke ermitteln.

Zur Messung nichtleitender Schichten auf elektrisch leitenden Metallen sind Wirbelstrom-Verfahren bekannt (DIN 50 984). Hierbei werden Sonden benutzt, deren Spulen bzw. Spulensysteme mit weit höheren Frequenzen im MHz-Bereich betrieben werden. Das hochfrequente Wechselfeld des Spulensystems, das zusätzlich durch einen Ferritkern gebündelt werden kann, induziert in dem leitenden Grundmaterial Wirbelströme, die dem erregenden Feld entgegen gesetzt sind und es schwächen. Dieser Effekt ist wiederum vom Abstand der Spule vom Grundmaterial und damit von der Schichtdicke abhängig (P. G. Berrie: Kontrolle 1-2 (1987)).

In ähnlicher Weise können auch dünne leitende Schichten auf nicht leitenden Grundmaterialien gemessen werden (W. Staib, P. Neumaier, P. G. Berrie: Productronic 9 (89), S. 53-58). Hierbei wird ausgenutzt, daß die Dicke der leitfähigen Schicht die Ausbildung von Wir­ belströmen in einer für das jeweilige leitfähige Mate­ rial charakteristischen Weise beeinflußt.

Es sind Schichtdickenmeßgeräte bekannt, mit denen sowohl das magnetinduktive als auch das Wirbelstrom­ verfahren ausgeübt werden kann. Gebräuchliche Geräte dieser Art sind mit zwei verschiedenen Sonden ausge­ rüstet, die an verschiedene Geräte oder auch wahlweise an ein und dasselbe Gerät angeschlossen werden können (H. F. Nix: Materialprüfung 31 (1989), S. 63-66). Weiterhin sind Geräte bekannt geworden, bei denen die zwei getrennten Sonden fest mit dem Gehäuse des Gerätes verbunden sind, etwa indem sie auf Vorder- und Rückseite des Gerätes montiert sind. Zum Gebrauch auf ferromagnetischem und nichtferromagnetischem Grund­ material muß der Anwender die passende Sonde auswählen, indem er das Gerät um 180° dreht.

Es ist auch vorgeschlagen worden, die Sonden für Schichtdickenmessungen nach dem magnetostatischen Verfahren und dem Wirbelstromverfahren in einer Kom­ binationssonde zu vereinigen, wobei der Benutzer am Gerät die gewünschte Betriebsart, nämlich Schicht­ dickenmessung auf ferromagnetischem oder nichtferro­ magnetischem Grundmaterial, vorwählen muß. Bei diesen Geräten weist die Sonde eine Wirbelstrommeßspule, einen konzentrisch zu dieser angeordneten Permanentmag­ neten für die magnetostatische Messung sowie ein Meß­ element für die magnetische Flußdichte auf.

Beim Aufsetzen von Geräten bzw. Sonden mit Dauermagneten wird der Untergrund polförmig aufmagnetisiert. Dadurch entsteht im Grundmaterial ein veränderter magnetischer Zustand, so daß beim erneuten Messen an gleicher Stelle trotz gleicher Schichtdicke ein unterschiedlicher Wert angezeigt wird. Wiederholungs- und Kontrollmessungen sind dadurch nicht möglich. Auch ist es nicht möglich, an ein- und derselben Stelle mehrfach zu messen, um durch Mittelung mehrerer aufeinander folgender Meßwerte die Meßunsicherheit zu verringern.

Der Erfindung hat die Aufgabe zugrunde gelegen, eine Schichtdickenmeßvorrichtung anzugeben, die eine Kombi­ nationssonde für die Messung sowohl nichtmagnetischer Schichten auf magnetischem Grundmaterial als auch elek­ trisch nicht leitender Schichten auf leitendem Grundmate­ rial bzw. leitender Schichten auf nichtleitendem Grund­ material aufweist, wobei Wiederholungs- und Kontroll­ messungen auf magnetischem Grundmaterial unbeschränkt möglich sind und darüber hinaus noch das Gerät die Art des beschichteten Materials (Eisen- oder Nicht­ eisenmetalle) selbständig erkennen kann und damit die Wahl des für die Schichtdickenmessung notwendigen Ver­ fahrens selbst vornehmen kann.

Der der Lösung dieser Aufgabe zugrunde liegende Erfin­ dungsgedanke beruht darauf, unter Überwindung von für den Fachmann auf der Hand liegender Bedenken hinsichtlich der anzunehmenden gegenseitigen Beeinträchtigung von benachbarten Spulensystemen eine Kombinationssonde für sowohl das dynamisch magnetinduktive als auch das Wirbelstrom-Verfahren vorzuschlagen.

Gegenstand der Erfindung sind die Merkmale des Kenn­ zeichens des Anspruchs 1. Weitere Erfindungsmerkmale sind Gegenstand der Unteransprüche.

Beispielsweise Ausführungsformen von Vorrichtungen gemäß der Erfindung sind nachstehend beschrieben, unter Bezugnahme auf die Zeichnungen. Diese zeigen:

Fig. 1, 2a, 2b, 3 und 4 schematische Darstellungen verschiedener Ausführungsformen von Kombinationssonden bzw. Kombinations-Sondensystemen für Schichtdickenmeßvorrich­ tungen und

Fig. 5 ein Blockschaltbild für eine Schichtdicken­ meßvorrichtung.

Die Kombinationssonde bzw. das Sondensystem gemäß Fig. 1 weist mindestens zwei Spulen oder Spulensysteme 10, 11 (dargestellt ist nur jeweils eine Spule bzw. ein Spulensystem) auf, die um einen gemeinsamen Spulenkern 13 aus einem hochpermeablen Material mit einer relativen Permeabilität <100 und geringen Ummagnetisierungs­ verlusten, z. B. Ferrit oder Weicheisen, gewickelt sind. Es kann jedoch auch, in Abweichung von den Zeichnungen, der der Erhöhung der Spuleninduktivität für die dynamisch magnetinduktive Messung dienende Kern 13 nur in der Spule bzw. dem Spulensystem (hier: 10) für die dynamisch magnetinduktive Messung vorhanden sein. Die Spule bzw. die Spulensysteme 10, 11 sind elektrisch voneinander getrennt auf einer gemeinsamen Achse 12 angeordnet und über elektrische Anschlußklemmen 101, 102, 111, 112 an eine Wechselstromquelle anschaltbar bzw. ange­ schaltet. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Spule bzw. das Spulensystem 11 durch entspre­ chende Auslegung der Wicklungszahl und des Drahtquer­ schnittes für Messungen nach dem Wirbelstromverfahren im Frequenzbereich oberhalb 100 kHz betreibbar, während die andere Spule bzw. das andere Spulensystem 10 für dynamisch magnetinduktive Messungen mit einer Frequenz betreibbar ist, die mindestens 10fach kleiner ist als die für das Wirbelstromverfahren gewählte Frequenz, z. B. in einem Bereich bis etwa 3 kHz liegt. Die Spulen bzw. Spulensysteme können entweder miteinander fluchtend oder, wie dargestellt, in Achsenrichtung verschoben angeordnet sein.

Zur Verdeutlichung der Wirkungsweise ist in Fig. 1 eine zu messende Beschichtung 15 auf einem Grundwerkstoff 16 eingezeichnet.

Bei den Ausführungsformen gemäß Fig. 2a und 2b ist die entsprechend Fig. 1 aufgebaute Kombinationssonde mit einem zusätzlichen Verschleißschutz in Form eines in den Kern 13 eingelassenen Stiftes 17 (Fig. 2a) aus hartkeramischem Material oder einer dünnen hartkera­ mischen Beschichtung 18 (Fig. 2b) an der Aufsatzspitze des Kernes 13 ausgerüstet.

Fig. 3 zeigt eine gemäß Fig. 1 aufgebaute Sonde mit einem Spulenkern 13 aus einem hochpermeablen Weicheisen, das an der Seite, an der die Sonde aufgesetzt wird, mit einer Kugel 19 aus gehärtetem Stahl versehen ist, wobei die Stahlkugel 19 einen verschleißfesten Auf­ satzpunkt bildet und für die im Bereich der Stahlkugel 19 angeordnete Wirbelstromspule 11 die magnetischen Eigenschaften der Stahlkugel 19 wirksam sind.

Die Fig. 4 zeigt eine Sondenausführung gemäß Fig. 3 - es könnte jedoch auch eine solche gemäß Fig. 1 oder 2 vorgesehen sein - bei der zusätzlich zur Rückführung des magnetischen Flusses bei der magnetinduktiven Messung ein hochpermeabler Topf 20, vorzugsweise aus Weicheisen oder Ferrit, vorgesehen ist.

Die beiden Spulensysteme 10 und 11 der in Fig. 5 mit 21 bezeichneten Kombinationssonde sind über ihre elek­ trischen Anschlußklemmen 101, 102, 111, 112 mit je einer Signalvorverarbeitungseinheit 30, 31 des Meß- und Auswertegerätes 35 verbunden, welcher die jeweiligen Meßsignale der beiden getrennten Spulensysteme 10 und 11 für das dynamisch magnetinduktive Verfahren und das Wirbelstromverfahren zugeleitet werden. In den Einheiten 30 und 31 werden die Meßsignale zu schicht­ dickenabhängigen Signalen verarbeitet, entweder durch Bestimmung der Induktivität oder der Induktivitäts­ merkmale (Amplituden- und Frequenzveränderung, Phasen­ verschiebung) bei den Signalen der Sonde für das dyna­ misch magnetinduktive Verfahren oder Bestimmung der Schwächung des Erregerfeldes bei den Signalen von der Spule für das Wirbelstromverfahren. Der Signalausgang der Vorverarbeitungseinheiten 30, 31 ist an je einen Signaleingang einer Mikroprozessoreinheit 32 angeschal­ tet, in der die Signale unser Vergleich mit Nullpunkts­ werten und einer gesicherten Eichkurve zu Schicht­ dickenmeßwerten umgerechnet werden. Die vom Prozessor 32 ermittelten Schichtdickenwerte werden auf einem Display 33 zur Anzeige gebracht.

Die Mikroprozessoreinheit 32 weist auch Schaltungs­ vorrichtungen auf, um die von den Vorverarbeitungs­ einheiten 30, 31 ankommenden Signale auf Entscheidungs­ kriterien für die Art des Grundmaterials hin zu über­ prüfen, und entsprechend dem Ergebnis dieser Überprüfung die Gerätebetriebsart selbsttätig auf die für das je­ weilige Grundmaterial geeignete Betriebsart zu schalten.

Die Umschaltung der Betriebsart ist dabei so zu verstehen, daß in jedem Meßtakt nur das von dem für das jeweilige Grundmaterial maßgeblichen Spulensystem kommende Meßsignal hinsichtlich der Schichtdicke ausgewertet und vom Gerät als Dickenwert angezeigt wird.

Die Entscheidungskriterien für die Betriebsart können auf folgende Weise erhalten werden:

• - entweder schalten die Wechselstromquellen für die Spulen bzw. Spulensystem 10, 11 die Meßspulen für die magnetinduktive Prüfung und die für das Wirbelstrom­ verfahren abwechselnd an, z. B. mit einer Taktrate von einer halben Sekunde. Bei einem nichtmagnetischen metallischen Grundmaterial liefert nur die Wirbelstrom­ spule ein Signal, wogegen bei einem ferromagnetischen Grundmaterial an beiden Spulen ein Meßsignal anliegt, da in einem ferromagnetischen Grundmaterial bei hin­ reichend hohen Frequenzen sehr wohl auch Wirbelströme induziert werden. Das Entscheidungskriterium für die Betriebsart ist somit eindeutig: bei Anliegen eines Signale von beiden Vorverarbeitungseinheiten 30, 31 ist auf die Betriebsart dynamisch magnetinduktives Verfahren zu schalten mit Auswertung der Signale von der entsprechenden Spule bzw. dem entsprechenden Spulen­ system 10 bezüglich der Spuleninduktivität bzw. der Induktivitätsmerkmale, wogegen, wenn nur an der Vorver­ arbeitungseinheit 31 für die Signale von der Wirbel­ stromspule 11 bzw. dem Wirbelstromspulensystem 11 ein signifikantes Signal anliegt, auf die Betriebsart Wirbelstromverfahren zu schalten ist, bei der die Signale der Wirbelstromspule 11 bzw. des Wirbelstromspulensystems 11 bezüglich der Feldschwächung auszuwerten und zu schichtdickenabhängigen Meßgrößen zu verarbeiten sind;
• - oder beide Spulen bzw. Spulensysteme 10, 11 werden zeitgleich betrieben und das Entscheidungskriterium für die Betriebsart bei gleichzeitiger Auswertung der Signale gewonnen. Dies wird dadurch ermöglicht, daß sich die Meßsignale in ihrer Frequenz deutlich unter­ scheiden.

Das Umschalten auf die jeweilige Betriebsart erfolgt in jedem Meßtakt neu, so daß eine Änderung des Grund­ werkstoffes sofort erkannt und jederzeit nur der zuge­ hörige richtige Schichtdickenwert angezeigt wird.

Claims (8)

1. Vorrichtung zur Messung der Dicke von nichtmagne­ tischen Schichten auf ferromagnetischem Grundwerkstoff nach dem magnetinduktiven Verfahren oder von nicht­ metallischen Schichten auf leitendem Grundwerkstoff nach dem Wirbelstromverfahren mittels einer auf die zu messende Schicht aufzusetzenden Sonde, die einen Meßpol für die Durchführung magnetinduktiver Messungen bzw. eine Wirbelstromspule aufweist und an ein Meß- und Auswerte-Gerät für die Vorverarbeitung der Sonden­ meßsignale in schichtdickenabhängige Meßdaten ange­ schaltet bzw. anschaltbar ist, das einen Mikroprozessor zum Umrechnen der Meßdaten in Schichtdickenwerte auf­ weist und mit einer Anzeigeeinheit für Schichtdicken­ werte verbunden ist, dadurch gekennzeichnet,

• - daß die Sonde als Kombinationssonde (21) für die Anwendung sowohl des Wirbelstromverfahrens als auch des dynamisch magnetinduktiven Verfahrens ausgebildet ist, indem sie sowohl mindestens eine Spule(neinheit) (11) aufweist, die für Wirbelstrommessungen ausgelegt und im Frequenzbereich oberhalb 100 kHz betreibbar ist, als auch mindestens eine Spule(neinheit) (10) mit einem Kern (13) aus einem hochpermeablen Material mit einer relativen Permeabilität <100 und geringen Ummagnetisierungsverlusten, die für dynamisch magnet­ induktive Messungen ausgelegt und mit einer Frequenz betreibbar ist, die mindestens 10fach kleiner ist als die für das Wirbelstromverfahren gewählte Frequenz, wobei das Auswerte-Gerät gesonderte Signalvorverar­ beitungseinheiten (30, 31) für die Spulen für unter­ schiedliche Betriebsart aufweist
• - und daß der Mikroprozessor eine Schaltungsvorrich­ tung zum Auswerten der Meßdaten hinsichtlich ihrer durch die Art des Grundwerkstoffs bzw. der erzeugenden Spule(n) bestimmten Kriterien aufweist sowie eine durch die so gewonnenen Kriteriumsdaten betätigbare Schal­ tungsvorrichtung zum automatischen Schalten des Geräts auf die dem Grundwerkstoff entsprechende Betriebs- bzw. Auswerte- und Anzeigeart.

2. Schichtdickenmeßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule(n) (10) für magnetinduk­ tive Messungen im Frequenzbereich bis etwa 3 kHz be­ treibbar sind.

3. Schichtdickenmeßvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen bzw. Spulen­ systeme für unterschiedliche Betriebsart in Achsen­ richtung verschoben angeordnet sind.

4. Schichtdickenmeßvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen bzw. Spulen­ systeme für unterschiedliche Betriebsart in Achsen­ richtung fluchtend angeordnet sind.

5. Schichtdickenmeßvorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1-3 bzw. 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen bzw. Spulensysteme für unterschiedliche Betriebsart um einen gemeinsamen Kern (13) gewickelt sind, der aus hochpermeablem Ferrit besteht.

6. Schichtdickenmeßvorrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen bzw. Spulensysteme für unterschiedliche Betriebsart zeitgleich betreibbar sind und daß die Schaltungsvorrichtung für die Auswertung der Meßdaten hinsichtlich der Kriterien für die Art des Grundwerk­ stoffs bzw. die erzeugende Spulenart frequenzselektiv arbeitet.

7. Schichtdickenmeßvorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen bzw. Spulensysteme für unterschiedliche Betriebsart abwechselnd betreibbar sind und die Schal­ tungsvorrichtung für die Auswertung der Meßdaten hin­ sichtlich der Kriterien für die Art des Grundwerkstoffs bzw. die erzeugende Spulenart eine Signalbewertungs­ vorrichtung aufweist, welche bei Anliegen eines signi­ fikanten Signals nur von der (den) Wirbelstromspule(n) die Gerätebetriebsart für das Wirbelstromverfahren anschaltet und bei Anliegen von Signalen beider Spulen­ arten die Betriebsart für das dynamisch magnetinduktive Verfahren anschaltet.

8. Sonde zur Verwendung in Verbindung mit einer Schicht­ dickenmeßvorrichtung gemäß dem Oberbegriff das Anspruchs 1, gekennzeichnet durch

• - mindestens zwei Spulen bzw. Spulensysteme (10, 11) von denen mindestens eine bzw. eins (10) für dynamische magnetinduktive Messungen ausgelegt ist, während min­ destens eine andere Spule bzw. ein anderes Spulensystem (11) für Wirbelstrommessungen ausgelegt ist, sowie durch
• - mindestens einen Kern (13) aus hochpermeablem Material mit geringen Ummagnetisierungsverlusten für zumindest die Spule(n) (10) für dynamisch magnetinduktive Mes­ sungen.