DE102017204441A1

DE102017204441A1 - Füllstandsmessung für Ausgangsmaterial in einem 3D-Druckkopf

Info

Publication number: DE102017204441A1
Application number: DE102017204441.1A
Authority: DE
Inventors: Sebastian Herbster
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2017-03-16
Filing date: 2017-03-16
Publication date: 2018-09-20

Abstract

Vorrichtung (1) zur Messung des Füllstands h, und/oder einer sonstigen Zustandsgröße, eines schmelzbaren Materials (2) in einem Tiegel (3), wobei eine Heizung (4) für den Tiegel (3), und/oder für das schmelzbare Material (2) selbst, vorgesehen ist, die mindestens eine Wechselspannungsquelle (4a) und mindestens eine Induktionsspule (4b) umfasst, wobei der Tiegel (3) und die Induktionsspule (4b) so zueinander angeordnet sind, dass der Innenraum (3a) des Tiegels (3) von einer magnetischen Flusskomponente Φ der Induktionsspule (4b) durchsetzt ist, und wobei Messmittel (5) zur Messung einer von der Induktivität L der Induktionsspule (4b) abhängigen physikalischen Messgröße M vorgesehen sind.
Verfahren (100) zur Messung des Füllstands h, und/oder einer sonstigen Zustandsgröße, eines schmelzbaren Materials (2) in einem Tiegel (3), wobei eine Heizung (4) für den Tiegel (3), und/oder für das schmelzbare Material (2) selbst, vorgesehen ist, die mindestens eine Wechselspannungsquelle (4a) und mindestens eine Induktionsspule (4b) umfasst, wobei der Innenraum (3a) des Tiegels (3) von einer magnetischen Flusskomponente Φ der Induktionsspule (4b) durchsetzt wird (110), wobei eine physikalische Messgröße M, die von der Induktivität L der Induktionsspule (4b) abhängt, gemessen wird (120), und wobei der Füllstand h, und/oder die sonstige Zustandsgröße, aus der physikalischen Messgröße M ausgewertet wird (130).
Zugehöriges Computerprogrammprodukt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Füllstandsmessung, die für flüssige metallische Ausgangsmaterialien in 3D-Druckköpfen konzipiert wurde, jedoch allgemein für schmelzbare Materialien in Tiegeln anwendbar ist.
Stand der Technik
Ein 3D-Drucker für ein thermoplastisches Material erhält eine feste Phase dieses Materials als Ausgangsmaterial, erzeugt daraus eine flüssige Phase und bringt diese flüssige Phase selektiv an den Stellen, die zu dem zu erzeugenden Objekt gehören, auf. Ein solcher 3D-Drucker umfasst einen Druckkopf, in den das Ausgangsmaterial geschmolzen wird. Weiterhin sind Mittel zur Erzeugung einer Relativbewegung zwischen dem Druckkopf und der Arbeitsfläche, auf der das Objekt entstehen soll, vorgesehen. Dabei können entweder nur der Druckkopf, nur die Arbeitsfläche oder aber sowohl der Druckkopf als auch die Arbeitsfläche bewegt werden.
Derzeit befinden sich Druckköpfe in der Entwicklung, die auch metallische Ausgangsmaterialien verarbeiten können. Auf Grund des im Vergleich zu thermoplastischen Kunststoffen wesentlich höheren Schmelzpunktes von Metallen ist es in der Regel nicht möglich, das Metall on-demand genau in dem Moment, in dem es aufgebracht werden soll, zur flüssigen Phase aufzuschmelzen. Daher umfassen Druckköpfe für Metalle in der Regel einen Tiegel, in dem die flüssige Phase des Metalls bevorratet wird.
Bei derartigen Tiegeln stellt sich die Frage, wie der Füllstand h zu kontrollieren ist, damit der Nachschub der festen Phase des Metalls entsprechend koordiniert werden kann. Sensoren, die im Tiegel selbst angebracht sind, sind auf Grund der hohen Temperaturen stark verschleißanfällig, insbesondere, wenn das Metall zusätzlich noch chemisch reaktiv ist. Messvorrichtungen mit eine optischen oder akustischen Abstandssensor benötigen viel Bauraum und noch dazu ein Zugangsfenster zum Tiegel, das beschlagen und die Messung unterbrechen kann.
Aus der DE 34 23 868 A1 , aus der DE 34 27 563 C2 , aus der DE 10 2009 011 849 A1 sowie aus der EP 0 111 228 B1 sind elektromagnetische Vorrichtungen zur Füllstandsmessung bekannt. Diese Vorrichtungen benötigen ebenfalls mehr Bauraum, als am Druckkopf für einen 3D-Drucker typischerweise zur Verfügung steht. Zudem ist ihre Messempfindlichkeit für großtechnische Anwendungen dimensioniert und nicht ohne weiteres auf den Tiegel eines Druckkopfes skalierbar.
Offenbarung der Erfindung
Im Rahmen der Erfindung wurde eine Vorrichtung zur Messung des Füllstands h, und/oder einer sonstigen Zustandsgröße, eines schmelzbaren Materials in einem Tiegel entwickelt. Dabei wird vorausgesetzt, dass der Tiegel, und/oder für das schmelzbare Material selbst, mit einer Heizung beheizbar ist, die mindestens eine Wechselspannungsquelle und mindestens eine Induktionsspule umfasst.
Dieser Heizung wird gemäß der Erfindung eine zusätzliche Funktion als Füllstandssensor verliehen. Hierzu sind der Tiegel und die Induktionsspule so zueinander angeordnet, dass der Innenraum des Tiegels von einer magnetischen Flusskomponente Φ der Induktionsspule durchsetzt ist. Weiterhin sind Messmittel zur Messung einer von der Induktivität L der Induktionsspule abhängigen physikalischen Messgröße M vorgesehen.
Bei der magnetischen Flusskomponente Φ kann es sich insbesondere um den gleichen magnetischen Fluss handeln, der auch zum Heizen des Tiegels, und/oder des schmelzbaren Materials, verwendet wird. Dann besteht der Tiegel vorteilhaft aus einem Material, das den Innenraum nicht zu stark von dem zum Heizen verwendeten magnetischen Fluss der Induktionsspule abschirmt.
Die magnetische Flusskomponente Φ kann aber auch beispielsweise eigens für die Zwecke der Messung zusätzlich zu dem zum Heizen verwendeten magnetischen Fluss eingebracht sein. Beispielsweise kann zum Heizen eines elektrisch leitfähigen Tiegels ein hochfrequenter magnetischer Fluss verwendet werden, der nicht sehr tief in das Material des Tiegels eindringt. Der Tiegel kann beispielsweise aus einem Metall oder auch aus Graphit bestehen. Ein hochfrequenter magnetischer Fluss kann dann beispielsweise nur die Randschicht mit einer Eindringtiefe von ca. 2 mm aufheizen, wobei die Wärme dann durch Wärmeleitung an das Innere des Tiegels und an das darin befindliche schmelzbare Material abgegeben wird. Eine niederfrequente Flusskomponente Φ kann das Material des Tiegels jedoch durchdringen und das schmelzbare Material im Inneren des Tiegels durchsetzen. Beispielsweise kann zusätzlich zu dem zum Heizen verwendeten hochfrequenter Strom ein niederfrequenter Strom zur Erzeugung der Flusskomponente Φ auf die Induktionsspule aufmoduliert werden.
Unter einer Durchsetzung des schmelzbaren Materials mit der magnetischen Flusskomponente Φ der Induktionsspule wird verstanden, dass ein nennenswerter Umfang, d.h. insbesondere mindestens 10 %, bevorzugt mindestens 50 %, und ganz besonders bevorzugt mindestens 75 %, des magnetischen Flusses der Flusskomponente Φ durch das schmelzbare Material geführt sind. Insbesondere kann das schmelzbare Material den Kern der Induktionsspule bilden.
Beispielsweise ist die Induktivität L einer Zylinderspule näherungsweise gegeben durch $L = μ_{0} \cdot μ_{r} \cdot n^{2} \cdot \frac{A}{l},$
worin n die Windungszahl, A der Querschnitt und l die Länge der Spule sind. µ₀ ist die magnetische Permeabilität des Vakuums, und µ_r ist die relative magnetische Permeabilität des Kernmaterials. Das Vorhandensein oder NichtVorhandensein des Metalls im Innenraum des Tiegels kann somit die relative magnetische Permeabilität µ_r maximal ausgehend von 1 (bei leerem Tiegel) bis hin zum Wert für das Metall (bei vollständig ausgefülltem Tiegel) ändern. Diese Änderung verläuft je nach Füllstand des Metalls in dem Tiegel graduell.
Beispielsweise ist Aluminium mit µ_r=1+2,2·10^-5 leicht paramagnetisch. Erheblich stärker ist der Effekt bei ferromagetischen Materialien wie Eisen (µ_r ab 300).
Es wurde erkannt, dass die Verwendung ein und derselben Spule als Heizung einerseits und als Füllstandssensor andererseits einen doppelten synergistischen Effekt zwischen diesen beiden Funktionen hervorruft. Zum einen wird durch die Mehrfachnutzung der Spule sowohl Hardware als auch Bauraum eingespart. Insbesondere können bestehende Induktionsheizungen, bei denen der Innenraum des Tiegels von der magnetischen Flusskomponente Φ der Induktionsspule durchsetzbar ist, durch eine reine Änderung der Beschaltung zum Füllstandssensor aufgewertet werden. Zum anderen ist gerade bei einer Verwendung als Heizung der aus der Induktionsspule, dem Tiegel und dem Metall gebildete Magnetkreis dahingehend dimensioniert, dass beispielsweise bereits das vergleichsweise schwach paramagnetische, als Ausgangsmaterial für 3D-Drucker sehr interessante Aluminium ein hinreichend starkes Messsignal erzeugt, so dass nicht nur zwischen einem vollständig leeren und einem vollständig gefüllten Reservoir unterschieden werden kann, sondern auch beliebige Zwischenstände erfasst werden können. Neben Aluminium sind auch beispielsweise Kupfer, Silber, Zinn und Gold aus Ausgangsmaterialien für 3D-Drucker interessant, wobei diese Metalle stärker paramagnetisch sind als Aluminium, also bei der Füllstandsmessung ein stärkeres Messsignal liefern. Für die Auswahl des Ausgangsmaterials ist der Schmelzpunkt ein wesentlicher Faktor.
Es kann weiterhin nicht nur der Füllstand h erfasst werden, sondern auch jede andere Zustandsgröße, die einen Einfluss auf die relative magnetische Permeabilität µ_r des Metalls hat. Beispielsweise kann auf diese Weise kontrolliert werden, ob das schmelzbare Material vollständig aufgeschmolzen und der Druckkopf somit druckbereit ist, bzw. ob von kürzlich frisch zugeführtem schmelzbaren Material noch eine feste Phase übrig ist, deren Aufschmelzen abgewartet werden sollte.
Das schmelzbare Material kann insbesondere ein Metall sein. Bei Metallen weicht die relative magnetische Permeabilität µ_r tendenziell stärker von 1 ab als bei Nichtmetallen, d.h., ein Diamagnetismus, Paramagnetismus oder Ferromagnetismus ist tendenziell ausgeprägter. Prinzipiell ist jedoch der Füllstand h jedes schmelzbaren Materials, dessen relative magnetische Permeabilität µ_r wie schwach auch immer von 1 abweicht, erfassbar. Es ist lediglich ein umso größerer Aufwand für die Messung erforderlich, je näher die relative magnetische Permeabilität µ_r des Materials an 1 liegt.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Induktionsspule mit einem Kondensator in einen LC-Schwingkreis geschaltet, und die Messmittel umfassen ein Amplitudenmessgerät zur Messung der Amplitude einer durch die Wechselspannungsquelle angeregten Schwingung in dem LC-Schwingkreis als Messgröße M. Dabei kann das Amplitudenmessgerät beispielsweise dazu ausgebildet sein. die Amplitude der über dem Kondensator anliegenden Spannung oder auch die Amplitude des durch die Induktionsspule fließenden Stroms zu messen.
Die Eigenfrequenz f₀ eines LC-Schwingkreises ist gegeben durch $f_{0} = \frac{1}{2 π \cdot \sqrt{L \cdot C}},$
worin C die Kapazität des Kondensators ist. Es gibt mehrere Möglichkeiten zur Messungen der erzwungenen Schwingung in dem LC-Schwingkreis mit abgestuftem Aufwand und dementsprechend unterschiedlicher Messgenauigkeit.
Die Resonanzkurve der Amplitude in Abhängigkeit der Anregungsfrequenz f hat in der Regel ein definiertes Maximum, wenn die Anregungsfrequenz f der Eigenfrequenz f₀ entspricht, und fällt zu anderen Frequenzen hin stetig ab. Ändert sich auf Grund des veränderten Füllstandes h im Tiegel die relative magnetische Permeabilität µ_r, und in der Folge die Induktivität L und schließlich die Eigenfrequenz f₀, so wird die Amplitude der Schwingung in dem LC-Kreis größer, wenn sich f₀ näher an die Anregungfrequenz f heranbewegt, und kleiner, wenn sich f₀ weiter von der Anregungsfrequenz f entfernt. Der Füllstand kann also bereits durch Messung bei nur einer festen Anregungsfrequenz f näherungsweise bestimmt werden. Zumindest kann verfolgt werden, in welcher Richtung der Füllstand sich ändert.
Die Genauigkeit lässt sich deutlich steigern, wenn die Wechselspannungsquelle frequenzvariabel ist. So lässt sich zum Beispiel die feste Anregungsfrequenz f dergestalt wählen, dass zu Beginn der Messung die Amplitude der Schwingung maximal ist, so dass sich ein maximaler Signalhub ergibt. Weiterhin kann die Amplitude auch frequenzabhängig gemessen werden zwecks eindeutiger Unterscheidung, welche Änderungen der Amplitude von einer Änderung der Induktivität L (und damit der Eigenfrequenz f₀) herrühren und welche Änderungen der Amplitude auf andere Einflüsse zurückzuführen sind.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Messmittel dazu ausgebildet, die Eigenfrequenz f₀ des LC-Schwingkreises als Messgröße M zu bestimmen. Zum einen minimiert dies die Messunsicherheit, denn die Anregungsfrequenz f kann entweder f₀ entsprechen oder eben nicht; hier gibt es keine Zwischenwerte. Zum anderen kann aus der Eigenfrequenz fo auf die Induktivität L zurückgerechnet werden. Ist eine Eichung verfügbar, welche Induktivität L für das verwendete schmelzbare Material welchem Füllstand entspricht, kann der Füllstand quantitativ exakt ermittelt werden. Damit kann beispielsweise abgeschätzt werden, ob der aktuelle Vorrat an schmelzbarem Material im Tiegel noch ausreicht, um den aktuellen Druckauftrag des 3D-Druckers ohne Unterbrechung zum Nachfüllen und Aufschmelzen frischen schmelzbaren Materials abarbeiten zu können. Die erste nach einer solchen Unterbrechung aufgetragene Schicht würde sich von den anderen Schichten dahingehend unterscheiden, dass sie auf bereits vollständig erkaltetes schmelzbares Material aufgebracht wird. Hier könnte sich in Bezug auf die Festigkeit des hergestellten Objekts eine Schwachstelle bilden.
In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfassen die Messmittel ein Phasenmessgerät zur Messung der Phasenbeziehung φ zwischen dem Strom I durch die Induktionsspule und der Wechselspannung U* der Wechselspannungsquelle als Messgröße M. Diese Phasenbeziehung ist damit verknüpft, wie sich die Gesamtimpedanz der Induktionsspule aus Realteil und Imaginärteil zusammensetzt. Der Realteil geht auf den ohmschen Widerstand der Induktionsspule zurück. Der Imaginärteil gibt die Induktanz an, die das Produkt aus der Kreisfrequenz ω und der gesuchten Induktivität L ist. Analog zur Messung der Eigenfrequenz f₀ kann aus L mit einer entsprechenden Eichung quantitativ auf den Füllstand zurückgeschlossen werden.
In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfassen die Messmittel eine Maxwellsche Messbrücke, in die die Induktionsspule als unbekannte Induktivität geschaltet ist. Eine solche Messbrücke basiert auf dem Nullabgleich einer Spannung zwischen zwei Punkten, an denen ein Referenzstromkreis mit einer bekannten Referenzinduktivität und zwei regelbaren Widerständen einerseits und ein Stromkreis mit der unbekannten Induktivität und einem weiteren bekannten Widerstand andererseits miteinander in Kontakt stehen. Ein solcher Nullabgleich ist etwas aufwändiger als eine rein passive Messung, da er aktiv eingeregelt werden muss. Dafür ist das Messergebnis für die Induktivität sehr präzise. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn die zu messende Füllstandsänderung sehr klein ist und/oder wenn das verwendete schmelzbare Material eine nur sehr wenig von 1 abweichende relative magnetische Permeabilität µ_r hat.
In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfassen die Messmittel einen Lock-In-Verstärker. Dabei beinhaltet ein Referenzausgang des Lock-In-Verstärkers die Wechselspannungsquelle, und/oder der Referenzausgang steuert diese Wechselspannungsquelle an. Alternativ oder in Kombination hierzu ist ein Referenzeingang des Lock-In-Verstärkers mit der Wechselspannungsquelle synchronisiert. Die Messung mit einem Lock-In-Verstärker ist besonders schmalbandig und rauscharm. Selbst Signal-Rausch-Verhältnisse in der Größenordnung 10^-5 sind noch beherrschbar.
Die Vorrichtung eignet sich prinzipiell für die Füllstandsmessung in jeder Art von Tiegel, die mit einer Induktionsheizung beheizbar ist. Besonders vorteilhaft ist nach dem zuvor Gesagten der Tiegel jedoch in einem Druckkopf eines 3D-Druckers für metallische Ausgangsmaterialien, und/oder in der Zuführung des metallischen Ausgangsmaterials zu dem Druckkopf, angeordnet.
Die doppelte Nutzung der Induktionsheizung als Heizung und als Füllstandssensor ermöglicht es, den Druckkopf nach wie vor klein und kompakt zu bauen, so dass er schnell und mit hoher Präzision relativ zum herzustellenden Objekt bewegt werden kann.
Nach dem zuvor Gesagten bezieht sich die Erfindung auch auf ein Verfahren zur Messung des Füllstands, und/oder einer sonstigen Zustandsgröße, eines schmelzbaren Materials in einem Tiegel. Es ist eine Heizung für den Tiegel, und/oder für das schmelzbare Material selbst, vorgesehen, die mindestens eine Wechselspannungsquelle und mindestens eine Induktionsspule umfasst.
Erfindungsgemäß wird der Innenraum des Tiegels von einer magnetischen Flusskomponente Φ der Induktionsspule durchsetzt. Eine physikalische Messgröße M, die von der Induktivität L der Induktionsspule abhängt, wird gemessen. Der Füllstand h, und/oder die sonstige Zustandsgröße, wird aus der physikalischen Messgröße M ausgewertet.
Vielfach sind Induktionsheizungen bereits mit Messmitteln insbesondere für elektrische Größen ausgestattet, um den Heizprozess zu überwachen. Auch werden viele Induktionsheizungen bereits als LC-Schwingkreise betrieben, d.h., die Wechselspannungsquelle wird nahe der Eigenfrequenz f₀ betrieben, die sich aus dem Zusammenspiel der Induktivität L der Induktionsspule mit der Kapazität C der Wechselspannungsquelle ergibt. Das Verfahren kann dann an einer bestehenden Apparatur, die den Tiegel und die Induktionsspule enthält, ohne Änderung der Hardware umgesetzt werden. Der Betrieb der Induktionsheizung nahe der Eigenfrequenz f₀ maximiert zum einen die Amplitude in dem LC-Schwingkreis, so dass entsprechend viel Energie übertragen werden kann. Zum anderen wirkt sich dann eine Änderung der Induktivität L auch besonders stark auf die Phasenbeziehung φ zwischen dem Strom I durch die Induktionsspule und der Wechselspannung U* der Wechselspannungsquelle aus.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Temperatur T des schmelzbaren Materials gemessen und bei der Auswertung des Füllstands h, und/oder der sonstigen Zustandsgröße, berücksichtigt. Die relative magnetische Permeabilität µ_r, über die die Induktivität L der Induktionsspule mit dem Füllstand h , und/oder der sonstigen Zustandsgröße, zusammenhängt, ist insbesondere bei Metallen als schmelzbare Materialien temperaturabhängig. Da eine Induktionsheizung nicht selbstlimitierend ist, haben die meisten Apparaturen, die einen Induktionsheizer enthalten, eine Sensorik für die Temperatur.
In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird der Wert des Füllstands h, und/oder der sonstigen Zustandsgröße, anhand des Werts der physikalischen Messgröße M aus einer Eichtabelle abgerufen. Die Eichtabelle kann beispielsweise ermittelt werden, indem die physikalische Messgröße in einem ersten Schritt mit leerem Tiegel und anschließend für verschiedene Füllstände des Tiegels ermittelt wird.
Da das Verfahren insbesondere auch an bereits existierenden Apparaturen ohne Änderung der Hardware umgesetzt werden kann, kann es insbesondere ganz oder teilweise in Software implementiert sein. Diese Software ist als eigenständiges Produkt, das beispielsweise einen existierenden Druckkopf oder 3D-Drucker um die Füllstandsmessung erweitert, vermarktbar und kann beispielsweise als vom Benutzer einspielbarer Download verkauft werden. Daher bezieht sich die Erfindung auch auf ein Computerprogrammprodukt mit maschinenlesbaren Anweisungen, die, wenn sie auf einem Computer ausgeführt werden, den Computer dazu veranlassen, ein Verfahren gemäß der Erfindung auszuführen und/oder dessen Ausführung zu steuern.
Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Figuren näher dargestellt.
Figurenliste
Es zeigt:

1 Ausführungsbeispiel der Vorrichtung 1 und des Verfahrens 100;
2 Beispielhafte Abhängigkeit der physikalischen Messgröße M und der Phasenbeziehung φ zwischen Strom I und Anregungsspannung U* von der Anregungsfrequenz f;
3 Messung der Induktivität L der Induktionsspule 4b mit einer Maxwellschen Messbrücke 53.

Nach 1 beherbergt ein Tiegel 3 in seinem Innenraum 3a beispielhaft flüssiges Metall als schmelzbares Material 2. Der Tiegel 3 ist oben mit einem Deckel 3c verschlossen und hat in seinem Boden eine Austrittsöffnung 3b, aus der das flüssige Metall 2 beim 3D-Druck mit einem Druckkopf, in den der Tiegel 3 integriert ist, austreibbar ist. Der Druckkopf und die Mittel zum Austreiben des flüssigen Metalls 2 in Tropfenform sind in 1 der Übersichtlichkeit halber nicht eingezeichnet.
Der Tiegel 3 ist mit einer Heizung 4 heizbar. Die Heizung 4 umfasst eine Wechselspannungsquelle 4a und eine Induktionsspule 4b. Die Induktionsspule 4b ist zusammen mit einem Kondensator 6a in einen LC-Schwingkreis 6 geschaltet. Die Heizung 4 einschließlich des Schwingkreises 6 bildet gemeinsam mit den Messmitteln 5 die Vorrichtung 1 zur Messung des Füllstands h.
Die Messmittel 5 beinhalten einen Lock-In-Verstärker 54 mit einem Referenzausgang 54a, einem Referenzeingang 54b sowie zwei Eingängen 54c und 54d. Der Referenzausgang 54a gibt die Frequenz und Phase der Wechselspannung vor, mit der die Induktionsspule 4b beaufschlagt wird. Zu diesem Zweck steuert der Referenzausgang 54a die Wechselspannungsquelle 4a an, die wiederum die zum Heizen des Tiegels 3 nötige Leistung bereitstellt. Die über dem Kondensator 6a anliegende Spannung U wird mit dem Voltmeter 51a gemessen und dem Eingang 54c des Lock-In-Verstärkers 54 zugeleitet. Der durch die Induktionsspule 4b fließende Strom I wird mit dem Amperemeter 51b gemessen und dem Eingang 54d des Lock-In-Verstärkers 54 zugeleitet. Das Voltmeter 51a und das Amperemeter 51b messen somit jeweils die Amplitude der durch die Wechselspannungsquelle 4a angeregten Schwingung in dem LC-Schwingkreis 6 und sind somit Amplitudenmessgeräte 51. Zugleich ist das Amperemeter 51a auch dazu ausgebildet, die Phasenbeziehung zwischen dem Strom I und der Wechselspannung U* aus der Wechselspannungsquelle 4a zu messen. Es ist somit auch ein Phasenmessgerät 52. In dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel werden jedoch nur Amplituden ausgewertet. Daher ist die weitere Auswertung von Phaseninformation in 1 nicht eingezeichnet.
Der Kondensator 6a, die Amplitudenmessgeräte 51 und das Phasenmessgerät 52 sind in 1 jeweils zur Verdeutlichung ihrer Funktion in der Vorrichtung 1 als eigenständige Einheiten eingezeichnet. Sie können jedoch auch ganz oder teilweise bereits in der Wechselspannungsquelle 4a integriert sein.
Im Strom U und in der Spannung I steckt die Information über den Füllstand h des flüssigen Metalls 2 im Tiegel 3, weil das flüssige Metall 2 den Kern der Induktionsspule 4b bildet und von der magnetischen Flusskomponente Φ der Induktionsspule 4b durchsetzt ist. In dem in 1 gezeigten Beispiel entspricht diese Flusskomponente Φ dem zum Heizen verwendeten magnetischen Fluss, d.h., dieser Fluss dringt durch das Material des Tiegels 3 in das flüssige Metall 2 ein und heizt nicht nur den Tiegel 3, sondern auch das Metall 2 direkt. Die relative magnetische Permeabilität µ_r des flüssigen Metalls 2 beeinflusst die Induktivität L der Induktionsspule 4b. Von dieser Induktivität L hängt wiederum die Eigenfrequenz f₀ des Schwingkreises 6 ab. Die Lage der Eigenfrequenz f₀ ist das wesentliche Kriterium, das über die Antwort des Schwingkreises 6 in Strom I und Spannung U auf eine Anregung mit einer beliebigen Frequenz f entscheidet. Sie entscheidet insbesondere darüber, inwieweit sich die Spannung U über die von der Wechselspannungsquelle 4a gelieferte Anregungsspannung U* hinaus aufschaukelt.
Der Lock-In-Verstärker 54 misst die Komponente der Spannung U, bzw. des Stroms I, die genau mit der vom Referenzausgang 54a vorgegebenen Frequenz f moduliert ist. Diese Komponente stellt die physikalische Messgröße M dar, die an eine Auswerteeinheit 55 zur Ermittlung des Füllstands h weitergeleitet wird.
Das Durchsetzen 110 des Metalls 2 mit der magnetischen Flusskomponente Φ der Induktionsspule 4b sowie die Ermittlung von M mit dem Lock-In-Verstärker 54 bilden die ersten Schritte des Verfahrens 100 zur Messung des Füllstands h. Der Rückschluss 130 von der Messgröße M auf den Füllstand h wird in der Auswerteeinheit 55 durchgeführt. Zu diesem Zweck berücksichtigt die Auswerteeinheit 55 in Schritt 140 den Einfluss der Temperatur T auf die relative magnetische Permeabilität µr des flüssigen Metalls 2. Die Temperatur T wird mit dem Temperatursensor 3d, der Teil des Tiegels 3 ist, gemessen. Anschließend wird in Schritt 150 anhand des Werts der Messgröße M der dazu passende Wert für den Füllstand h aus der Eichtabelle 7 in der Auswerteeinheit 55 abgerufen.
2 zeigt beispielhaft die Abhängigkeit der physikalischen Messgröße M (linke Skala) sowie der Phasenbeziehung φ zwischen dem Strom I durch die Induktionsspule 4b und der Anregungsspannung U* von der Anregungsfrequenz f. Für die Messgröße M zeigt sich ein scharfes Maximum bei der Eigenfrequenz f₀. Die Lage dieses Maximums entscheidet auch über den Wert von M bei allen anderen Frequenzen f als f₀. Am genauesten lässt sich der Füllstand h bestimmen, wenn f₀ bestimmt und hieraus dann die Induktivität L der Induktionsspule 4b ausgewertet wird. Die Phasenbeziehung φ verharrt bis kurz vor Erreichen der Eigenfrequenz f₀ bei +90°, geht genau bei der Eigenfrequenz f₀ durch Null und wechselt auf -90°.
3 zeigt die Messung der Induktivität L, sowie auch des ohmschen Widerstands R, der Induktionsspule 4b mit einer Maxwellschen Messbrücke 53. Das Ersatzschaltbild für die Induktionsspule 4b ist hier eine Reihenschaltung aus der Induktivität L und dem ohmschen Widerstand R. Ansonsten enthält die Maxwellsche Messbrücke 53 eine Referenzinduktivität 53a mit dem Wert L_R, zwei regelbare Widerstände 53b und 53c mit Widerstandswerten R₁ und R₂ sowie ein Voltmeter 53e. Die Messbrücke 53 wird von einer Wechselspannungsquelle 53f gespeist.
Die regelbaren Widerstände 53b und 53c sind so abzugleichen, dass die Spannung U' am Voltmeter 53e zu Null wird. Dann ist der Widerstand R der Induktionsspule 4b gegeben durch $R = R_{3} \cdot \frac{R_{1}}{R_{2}},$
und die Induktivität L der Induktionsspule 4b ist gegeben durch $L = R_{3} \cdot \frac{L_{R}}{R_{2}} .$
Für diese Messung ist eine Anregung der Messbrücke mit Wechselspannung erforderlich. Jedoch fällt die Anregungsfrequenz bei der Berechnung von R und L jeweils heraus.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 3423868 A1 [0005]
DE 3427563 C2 [0005]
DE 102009011849 A1 [0005]
EP 0111228 B1 [0005]

Claims

Vorrichtung (1) zur Messung des Füllstands h, und/oder einer sonstigen Zustandsgröße, eines schmelzbaren Materials (2) in einem Tiegel (3), wobei eine Heizung (4) für den Tiegel (3), und/oder für das schmelzbare Material (2) selbst, vorgesehen ist, die mindestens eine Wechselspannungsquelle (4a) und mindestens eine Induktionsspule (4b) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass der Tiegel (3) und die Induktionsspule (4b) so zueinander angeordnet sind, dass der Innenraum (3a) des Tiegels (3) von einer magnetischen Flusskomponente Φ der Induktionsspule (4b) durchsetzt ist, und Messmittel (5) zur Messung einer von der Induktivität L der Induktionsspule (4b) abhängigen physikalischen Messgröße M vorgesehen sind.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Induktionsspule mit einem Kondensator (6a) in einen LC-Schwingkreis (6) geschaltet ist und die Messmittel (5) mindestens ein Amplitudenmessgerät (51) zur Messung der Amplitude einer durch die Wechselspannungsquelle (4a) angeregten Schwingung in dem LC-Schwingkreis (6) als Messgröße M umfassen.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wechselspannungsquelle (4a) frequenzvariabel ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Messmittel (5) dazu ausgebildet sind, die Eigenfrequenz f₀ des LC-Schwingkreises (6) als Messgröße M zu bestimmen.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Messmittel (5) ein Phasenmessgerät (52) zur Messung der Phasenbeziehung φ zwischen dem Strom I durch die Induktionsspule (4b) und der Wechselspannung U* der Wechselspannungsquelle (4a) als Messgröße M umfassen.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Messmittel (5) eine Maxwellsche Messbrücke (53) umfassen, in die die Induktionsspule (4b) als unbekannte Induktivität geschaltet ist.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Messmittel (5) einen Lock-In-Verstärker (54) umfassen, wobei ein Referenzausgang (54a) des Lock-In-Verstärkers (54) die Wechselspannungsquelle (4a) beinhaltet und/oder ansteuert, und/oder wobei ein Referenzeingang (54b) des Lock-In-Verstärkers (54) mit der Wechselspannungsquelle (4a) synchronisiert ist.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Tiegel (3) in einem Druckkopf eines 3D-Druckers für metallische Ausgangsmaterialien, und/oder in der Zuführung des metallischen Ausgangsmaterials zu dem Druckkopf, angeordnet ist.
Verfahren (100) zur Messung des Füllstands h, und/oder einer sonstigen Zustandsgröße, eines schmelzbaren Materials (2) in einem Tiegel (3), wobei eine Heizung (4) für den Tiegel (3), und/oder für das schmelzbare Material (2) selbst, vorgesehen ist, die mindestens eine Wechselspannungsquelle (4a) und mindestens eine Induktionsspule (4b) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenraum (3a) des Tiegels (3) von einer magnetischen Flusskomponente Φ der Induktionsspule (4b) durchsetzt wird (110), dass eine physikalische Messgröße M, die von der Induktivität L der Induktionsspule (4b) abhängt, gemessen wird (120), und dass der Füllstand h, und/oder die sonstige Zustandsgröße, aus der physikalischen Messgröße M ausgewertet wird (130).
Verfahren (100) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur T des schmelzbaren Materials (2) gemessen und bei der Auswertung (130) des Füllstands h, und/oder der sonstigen Zustandsgröße, berücksichtigt wird (140).
Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 9 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Wert des Füllstands h, und/oder der sonstigen Zustandsgröße, anhand des Werts der physikalischen Messgröße M aus einer Eichtabelle (7) abgerufen wird (150).
Computerprogrammprodukt, enthaltend maschinenlesbare Anweisungen, die, wenn sie auf einem Computer ausgeführt werden, den Computer dazu veranlassen, ein Verfahren (100) nach einem der Ansprüche 9 bis 11 auszuführen und/oder dessen Ausführung zu steuern.