DE19949977A1 - Determining presence of inorganic, organic or oxide layers on metallic substrates comprises arranging electrode at distance to surface, and measuring frequency change as consequence of temperature change - Google Patents
Determining presence of inorganic, organic or oxide layers on metallic substrates comprises arranging electrode at distance to surface, and measuring frequency change as consequence of temperature changeInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des Vorhandenseins von anorganischen, organischen oder Oxidschichten auf metallischen Substraten oder der Messung von Oberflächentemperaturen von Kunst stoffsubstraten. Die Erfindung kann insbesondere bei der Überprüfung von Halbzeugen, die weiter nachbear beit werden müssen, eingesetzt werden. So kann fest gestellt werden, ob eine Reinigung von Oberflächen, auf denen Öl, Schmiermittel oder Farbreste entfernt werden sollten, in ausreichendem Maß erfolgt ist, so dass nachfolgende Fügeverfahren, wie z. B. Schweißen oder der Auftrag von Schutzschichten mit ausreichen der Haftung ohne weiteres erfolgen kann. Außerdem können Oxidschichten, insbesondere solche die sich auf Aluminium ausgebildet haben und die ebenfalls häufig störend sind, erkannt werden.The invention relates to a method for determination the presence of inorganic, organic or oxide layers on metallic substrates or the measurement of surface temperatures of art fabric substrates. The invention can in particular the review of semi-finished products that continue to be processed must be used. So can firmly whether cleaning of surfaces, on which oil, lubricant or paint residues are removed should be done to a sufficient extent, so that subsequent joining processes, such as. B. welding or the application of protective layers is sufficient liability can take place without further notice. Moreover can oxide layers, especially those that have trained on aluminum and the same are often distracting.
Die Erfindung kann aber auch ausgenutzt werden, um eine erforderliche Beschichtung von Substraten zu detektieren, wie dies z. B. bei der Benetzung von Tiefziehblech vor dem Umformen der Fall ist, um Ver schleiß und Beschädigungen an Werkzeugen zu verrin gern oder zu vermeiden.The invention can also be used to a necessary coating of substrates detect how this z. B. in the wetting of Thermoformed sheet before forming is the case to Ver to reduce wear and damage to tools like to avoid.
Für Kunststoffoberflächen kann die Erfindung eben falls eingesetzt werden, da sich die Dieelektrizitäts konstante vieler Kunststoffe temperaturabhängig än dert.The invention can be used for plastic surfaces if used, because the electricity constant of many plastics depending on temperature different.
Bei der berührungslosen Detektion von Verunreinigun gen auf verschiedenen Oberflächen haben sich in vie len Fällen optische Verfahren bewährt, bei denen eine spektrometrische Auswertung durchgeführt wird. Pro blematisch sind dabei aber Schichten, die für das verwendete Licht zumindest teilweise transparent sind und kleine von der Umgebung abweichende Brechungsin dize aufweisen. In jedem Fall wirkt sich der Streu- und Fremdlichteinfluß negativ aus, so dass optische Verfahren nicht in jedem Fall mit ausreichender Ge nauigkeit verwendet werden können. Gegenwärtig sind optische Meßaufbauten nicht überall einsetzbar und insbesondere bei Verwendung von Spektrometern noch teuer.In the contactless detection of contamination conditions on different surfaces have len cases, optical methods have been proven in which a spectrometric evaluation is carried out. Per However, layers that are relevant for the light used are at least partially transparent and small refractive index deviating from the environment dize. In any case, the scatter and external light influence negative, so that optical Procedure not always with sufficient Ge accuracy can be used. Are currently optical measurement setups not applicable everywhere and especially when using spectrometers expensive.
Daneben ist aus US 5,293,132 eine Meßvorrichtung be kannt, mit der Schichtdicken auf Substraten bestimmt werden können, wobei LC- oder RC-Schwingkreise ver wendet und deren Verstimmung ausgenutzt werden, um Aussagen über die punktweise ermittelte Dicke einer Schicht durch Bestimmung der Frequenzänderung des Schwingkreises zu erhalten.In addition, a measuring device is from US 5,293,132 knows, with the layer thicknesses determined on substrates can be, with LC or RC resonant circuits ver applies and their disgruntlement can be exploited to Statements about the thickness of a point determined Layer by determining the frequency change of the To maintain the resonant circuit.
Hierzu wird ein mechanisches System verwendet, das unmittelbar mit der jeweiligen Oberfläche definiert kontaktiert wird, wobei eine Spule oder ein kapaziti ves Element mit dem mechanischen, aufwändig konstru ierten System entsprechend ausgelenkt und bei bekann ter Schichtzusammensetzung, also bekannter Dielektri zitätskonstante der jeweiligen Schicht deren Dicke bestimmt werden soll.A mechanical system is used for this, the directly defined with the respective surface is contacted, with a coil or a kapaziti ves element with the mechanical, complex construction system accordingly deflected and known ter layer composition, ie known dielectric constant of the respective layer and its thickness should be determined.
Diese Lösung ist aber insbesondere für die Anwendung großformatiger Substrate, die in kurzer Zeit be mustert werden müssen ungeeignet, da Messungen, wie bereits erwähnt nur Punktweise erfolgen können und bei einer Relativbewegung Gerät und Substrat nicht nur Verschleiß sondern auch infolge wirkender Quer kräfte Meßfehler auftreten. Da für die Mechanik hohe Fertigungsgenauigkeit erforderlich ist, sind auch hier relativ hohe Kosten zu verzeichnen.This solution is especially for the application large format substrates that can be in a short time must be unsuitable because measurements such as already mentioned can only be done point by point and with a relative movement, the device and the substrate are not only wear but also as a result of the transverse action force measurement errors occur. Because for the mechanics high Manufacturing accuracy is also required relatively high costs.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine einfache und kostengünstige Lösung vorzuschlagen, mit der in kur zer Zeit organische oder Oxidschichten auf metalli schen Substraten detektiert oder Temperaturen auf Oberflächen von Kunststoffsubstraten gemessen werden können.It is therefore an object of the invention to provide a simple and to propose cost-effective solution with which in cure time organic or oxide layers on metallic Detected substrates or temperatures on Surfaces of plastic substrates can be measured can.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind mit den Merk malen der untergeordneten Ansprüche erreichbar.According to the invention, this object is achieved with the features of claim 1 solved. Advantageous configurations and developments of the invention are marked paint the subordinate claims achievable.
Erfindungsgemäß wird so verfahren, dass mindestens eine Elektrode in einem bekannten Abstand d, im Be reich zwischen 0,1 bis 10 mm zur zu detektierenden Oberfläche angeordnet wird. Dabei kann die Elektrode als kapazitives oder auch induktives Element mit ei nem Oszillator zu einem Schwingkreis verschaltet sein. Der Oszillator kann mit einer definierten kon stanten Gleichspannung gespeist und mit einer Frequenz im Bereich 100 bis 500 MHz, bevorzugt bei ca. 400 MHz betrieben werden, wobei möglichst im Be reich der jeweiligen Resonanz gearbeitet werden soll.The procedure according to the invention is such that at least an electrode at a known distance d, in loading range between 0.1 to 10 mm to be detected Surface is arranged. The electrode as a capacitive or inductive element with egg nem oscillator connected to a resonant circuit his. The oscillator can with a defined con constant DC voltage and with a Frequency in the range 100 to 500 MHz, preferably at 400 MHz are operated, where possible in loading should be worked richly in the respective resonance.
Durch eine auf dem metallischen Substrat vorhandene oder dort ausgebildete Schicht wird der Schwingkreis verstimmt, was zu einer Änderung der Frequenz führt, die mittels eines Frequenzzählers erfaßt und demzu folge eine entsprechende anorganische oder organische Schicht als Verunreinigung bzw. eine ausgebildete Oxidschicht erkannt werden kann. Es besteht lediglich das Erfordernis, dass das Schichtmaterial eine rela tive Dielektrizitätskonstante aufweist, die von Luft abweicht.Due to an existing on the metallic substrate or the layer formed there becomes the resonant circuit out of tune, which leads to a change in frequency, which is detected by means of a frequency counter and accordingly follow a corresponding inorganic or organic Layer as an impurity or a trained one Oxide layer can be recognized. It just exists the requirement that the layer material have a rela tive dielectric constant that of air deviates.
Die ggf. vorhanden Schicht und die Luft im Spalt zwi schen Oberfläche des Substrates und der Elektrode bilden ein geschichtetes Dielektrikum.The existing layer and the air in the gap between surface of the substrate and the electrode form a layered dielectric.
Es kann aber auch ein spannungsgeregelter Oszillator verwendet werden, der in Abhängigkeit von der gemes senen Frequenzänderung auf eine vorgegebene Schwing frequenz geregelt wird. In diesem Fall kann auch die für die Regelung erforderliche Spannungsdifferenz als Meßwert für die gewünschte Aussage, ähnlich wie dies bei der Nutzung der Frequenzänderung erfolgt, genutzt werden.But it can also be a voltage controlled oscillator be used depending on the mes frequency change to a predetermined vibration frequency is regulated. In this case, the voltage difference required for control as Measured value for the desired statement, similar to this when using the frequency change, used become.
Die relative Dielektrizitätskonstante ändert sich bei Kunststoffen häufig ebenfalls bei wechselnden Tempe raturen, so dass auch eine Temperaturmessung an sol chen Oberflächen mit der Erfindung möglich ist.The relative dielectric constant changes at Plastics often also with changing tempe fittings, so that a temperature measurement on sol Chen surfaces is possible with the invention.
Bei der Erfassung von Schichten auf Substraten genügt es in der Regel eine Gut-Schlecht-Aussage zu treffen. When recording layers on substrates, it is sufficient it usually makes a good-bad statement.
Hierfür kann eine obere bzw. ggf. eine untere Grenz frequenz festgelegt werden und nach Überschreitung dieses Intervalls erkannt werden, dass z. B. eine Rei nigung nicht in ausreichendem Mass erfolgt ist und ggf. wiederholt werden muss, bevor eine weitere Be arbeitung möglich ist. So kann beispielsweise erkannt werden, ob ein tiefgezogenes Blech frei von Schmier mittel (Tiefziehöl) ist und problemlos nachfolgend geschweißt oder beschichtet werden kann oder noch nicht.There can be an upper or lower limit for this frequency can be set and after exceeding this interval can be recognized that z. B. a Rei was not carried out to a sufficient extent and may need to be repeated before another Be work is possible. For example, it can be recognized whether a deep-drawn sheet is free of grease medium (deep-drawing oil) and easily followed can be welded or coated or still Not.
Bei bekannter stofflicher Schichtzusammensetzung kann auch eine Aussage über die Dicke der jeweiligen Schicht getroffen werden.With a known material layer composition can also a statement about the thickness of each Shift.
Günstig ist es, den Abstand zwischen Elektrode und Oberfläche bevorzugt ebenfalls berührungslos zu mes sen und den jeweils gemessenen Abstand bei der Aus wertung zu berücksichtigen. Dies wirkt sich insbeson dere dann aus, wenn konturierte Oberflächen detek tiert werden sollen oder eine Relativbewegung zwischen Substrat und Elektrode zu verzeichnen ist, wenn beispielsweise großformatige Substrate detek tiert werden sollen, wobei auch Schwingungen auftre ten können, die berücksichtigt werden müssen.It is convenient to set the distance between the electrode and Surface also prefers non-contact to mes sen and the respective measured distance at the off to be considered. This affects in particular then when contoured surfaces are detected should be tiert or a relative movement between the substrate and the electrode, if, for example, large format substrates detec should be tiert, with vibrations also occur can be considered.
Bei der Detektion größerer Oberflächen kann z. B. eine Elektrode in zumindest einer Achse ausgelenkt und gleichzeitig das jeweilige Substrat gleichförmig an der Elektrode vorbeibewegt werden, um eine ortsaufge löste Messung zu ermöglichen. Dies kann aber auch mit einer in mindestens zwei Achsen in Bezug zur Oberflä che beweglichen Elektrode erreicht werden.When detecting larger surfaces, e.g. Legs Electrode deflected in at least one axis and simultaneously the respective substrate be moved past the electrode to locate one to enable solved measurement. But this can also be done with one in at least two axes in relation to the surface che movable electrode can be reached.
So kann es genügen bestimmte Oberflächenbereiche ei nes Substrates zu detektieren, indem eine ent sprechend gesteuerte Relativbewegung durchgeführt wird. In diesem Fall können beispielsweise lediglich Bereiche detektiert werden, die in einer nachfolgen den Bearbeitung kritisch sind, wie dies beispielswei se beim Schweißen von Blechen der Fall ist.So certain surface areas may be sufficient Detect nes substrate by an ent speaking controlled controlled relative movement performed becomes. In this case, for example, only Areas are detected that follow in a the processing are critical, such as this This is the case when welding sheet metal.
Eine weitere Alternative ist die Verwendung mehrerer Elektroden, die zueinander parallel geschaltet sind. In diesem Fall kann für jede Elektrode ein gesonder ter Frequenzzähler verwendet werden. Bei Verwendung lediglich eines Frequenzzählers kann eine sequentiel le Erfassung der Meßwerte der einzelnen Elektroden mittels eines Multiplexers erreicht werden.Another alternative is to use several Electrodes that are connected in parallel to each other. In this case there can be a separate one for each electrode ter frequency counter can be used. Using only one frequency counter can be sequential le Acquisition of the measured values of the individual electrodes can be achieved by means of a multiplexer.
Es kann auch günstig sein, den Abstand der Elektro de(n) in Bezug zu einem Punkt auf der Oberfläche zu variieren, wobei sich die relative Dieelektrizitätskon stante abstandsabhängig und ggf. durch eine Zwischen schicht zusätzlich noch sprunghaft ändert, so dass eine höhere Signifikanz bei der Messung erreicht wer den kann.It can also be convenient to distance the electrical de (n) in relation to a point on the surface vary, the relative Dieelektrizitätskon constant depending on distance and if necessary by an intermediate layer also changes by leaps and bounds so that who achieves a higher significance in the measurement that can.
Vorteilhafterweise sollten die Elektroden so gestal tet sein, dass sie an die jeweilige zu detektierende Oberfläche und ggf. an die erforderliche Meßgenauig keit angepaßt sind. So liefern großformatige Elektro den in Plattenform ein entsprechend integrales Meß ergebnis über eine größere Fläche. Ähnlich verhält es sich bei Spulen, deren mindestens eine Wicklung dann parallel zur jeweiligen Oberfläche ausgerichtet sein sollte.The electrodes should advantageously be designed in this way be that it is to the respective to be detected Surface and, if necessary, to the required measurement accuracy speed are adjusted. This is how large-format electronics deliver the correspondingly integral measurement in plate form result over a larger area. It is similar itself with coils whose at least one winding then be aligned parallel to the respective surface should.
In jedem Fall sollten die Elektroden so gestaltet und dimensioniert sein, dass zwischen ihnen und der je weils zu detektierenden Oberfläche ein möglichst ho mogenes elektromagnetisches Feld ausgebildet wird. So kann eine Elektrode auch die entsprechende Oberfläche überragen und über deren Ränder überstehen.In any case, the electrodes should be designed and be dimensioned that between them and each one because the surface to be detected is as high as possible mogeneous electromagnetic field is formed. So an electrode can also have the appropriate surface protrude and protrude beyond the edges.
Stabförmige Elektroden sind besonders zur relativ feinen Detektion von Randbereichen oder Wölbungen geeignet.Rod-shaped electrodes are particularly relative to fine detection of edge areas or bulges suitable.
Ringförmig ausgebildete Elektroden können beispiels weise für Rohre oder Rundprofile eingesetzt werden, die dann definiert, möglichst zentriert durch den Ring geführt werden.Annular electrodes can for example can be used for pipes or round profiles, which then defines, if possible centered by the Ring.
Wird beispielsweise mindestens eine Elektrode, als kapazitives Element verwendet, führt eine auf einem Substrat vorhandene Schicht oder auch eine andere Verschmutzung zur Änderung der Kapazität im elektro magnetischen Wechselfeld und somit auch zur Änderung der Frequenz.If, for example, at least one electrode is used as capacitive element used, leads one on one Substrate existing layer or another Contamination to change the capacity in the electro alternating magnetic field and thus also for change the frequency.
Wird beispielsweise eine Ölschicht auf einem Substrat
detektiert ändert sich die Kapazität entsprechend
Gleichung:
If, for example, an oil layer is detected on a substrate, the capacitance changes according to the equation:
Dabei sind:
Luft, Öl die rel. Dielektrizitätskonstanten von
Luft und Öl und
dLuft, dÖl die jeweilige Schichtdicke bzw. der Luft
spalt, ausgegangen von einem konstanten Abstand Elek
trode - Oberfläche gilt:
Here are:
Air , oil the rel. Dielectric constants of air and oil and
d air , d oil the respective layer thickness or the air gap, assuming a constant distance between the electrode and the surface:
dLuft = dges - dÖl.d air = d total - d oil .
Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft beschrie ben werden.The invention is described below by way of example be.
Dabei zeigen:Show:
Fig. 1 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäß verwendbaren Vorrichtung; Fig. 1 is a block diagram of a device according to invention;
Fig. 2 in schematischer Darstellung eine kapaziti ve Elektrode zur Erfassung einer auf einem Substrat vorhandenen Schicht; Fig. 2 is a schematic representation of a kapaziti ve electrode for detecting a present on a substrate layer;
Fig. 3 Beispiele für Elektrodengeometrien und Fig. 3 examples of electrode geometries and
Fig. 4 ein Blockschaltbild eines weiteren Bei spiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. Fig. 4 is a block diagram of a further example of a device according to the invention.
In Fig. 1 ist ein Blockschaltbild einer Vorrichtung gezeigt, mit der erfindungsgemäß gearbeitet werden kann und bei der lediglich eine Elektrode 2, als ka pazitives Element verwendet wird, die, wie in Fig. 2 dargestellt in einem Abstand d zu einer Oberfläche eines Substrates 1 angeordnet ist. Das elektromagneti sche Wechselfeld wird durch eine auf der Substrat oberfläche vorhandene Schicht 4, die mit der Luft ein geschichtetes Dielektrikum bildet, beeinflußt, was unter anderem zur Änderung der Frequenz des Schwing kreises führt, die mit einem Frequenzzähler 5 erfaßt werden kann. Der Frequenzzähler 5 kann an eine elek tronische Auswerteeinheit angeschlossen sein, mit der das Detektionsergebnis auch visuell oder akustisch, als Warnung angezeigt bzw. hörbar gemacht werden kann.In Fig. 1 is a block diagram of a device is shown, can be used according to the invention with and is used in only one electrode 2, as ka pazitives element, which, as shown in Fig. 2 at a distance d to a surface of a substrate 1 is arranged. The electromagnetic alternating field is influenced by an existing on the substrate surface layer 4 , which forms a layered dielectric with the air, which among other things leads to a change in the frequency of the resonant circuit, which can be detected with a frequency counter 5 . The frequency counter 5 can be connected to an electronic evaluation unit with which the detection result can also be displayed visually or acoustically as a warning or made audible.
In Fig. 3 sind Beispiele für mögliche Elektrodengeo metrien gezeigt, wobei die links dargestellte quadra tische Form insbesondere integrierende Meßergebnisse liefern kann. Die mittig dargestellte stabförmige Elektrode ist besonders zur Detektion in Randberei chen eines Substrates 1 und auch mit großem Auf lösungsvermögen, z. B. für die Erkennung von sprunghaften Änderungen auf der Oberfläche, geeignet.In Fig. 3 examples of possible electrode geometries are shown, the square shape shown on the left can in particular deliver integrating measurement results. The rod-shaped electrode shown in the center is particularly suitable for detection in peripheral areas of a substrate 1 and also with high resolution, for. B. for the detection of sudden changes on the surface, suitable.
Allgemein kann aber festgehalten werden, dass auch andere Geometrien eingesetzt werden können, wobei generell festgestellt werden soll, dass das erzeugte elektromagnetische Wechselfeld maßgeblich von der Elektrodengeometrie und deren Ausdehnung beeinflußt wird.In general, however, it can be said that also other geometries can be used, whereby generally it should be determined that the generated electromagnetic alternating field significantly from the Electrode geometry and its expansion influenced becomes.
Das Beispiel nach Fig. 4 ist eine alternative Mög lichkeit zur Verwendung der Erfindung. Hier wird ein spannungsgeregelter Oszillator 3 verwendet, an den ein Spannungsregler 6 angeschlossen ist. Mit dem Spannungsregler 6 wird die Schwingfrequenz konstant gehalten, wobei an Stelle der gemessenen Frequenzän derung, die jeweilige Spannungsänderung, die für die Regelung des Oszillators 3 auf die konstante Frequenz erforderlich ist, ausgewertet wird. Auch hier können Spannungsgrenzwerte festgelegt werden, mit denen zu mindest eine Gut-Schlecht-Aussage und nach Überschreiten einer vorgegebenen Toleranzen in einen Prozeß steuernd eingegriffen werden kann.The example of FIG. 4 is an alternative way to use the invention. Here, a voltage-controlled oscillator 3 is used, to which a voltage regulator 6 is connected. With the voltage regulator 6 , the oscillation frequency is kept constant, and instead of the measured frequency change, the respective voltage change that is required for the control of the oscillator 3 to the constant frequency is evaluated. Here, too, voltage limit values can be defined, with which at least one good-bad statement and after a predetermined tolerance has been exceeded can be intervened in a controlling manner.
Ein Spannungsregler 6 ist mit einem A/D-Wandler 7 und über diesen mit einer elektronischen Auswerte- und Steuereinheit, die wie gezeigt aus einem Mikrokon troller 8 mit einer Anzeige 9 und verschiedenen Aus gängen 10 und 11 bestehen kann, verbunden.A voltage regulator 6 is connected to an A / D converter 7 and via this to an electronic evaluation and control unit, which, as shown, can consist of a microcontroller 8 with a display 9 and various outputs 10 and 11 .
Dabei kann zumindest einer der Ausgänge 10 oder 11 mit einer Steuerung für einen Bearbeitungsprozeß ver bunden sein, um Einfluß auf diesen zu nehmen, wenn dies beispielsweise zur Sicherung der Qualität erfor derlich ist. So kann der Prozeß unterbrochen werden, wenn eine Schicht 4 auf dem Substrat 1 detektiert worden ist oder es kann beispielsweise eine erneute Reinigung eines so beeinflußten Substrates 1 vor der weiteren Bearbeitung automatisch initiiert werden.In this case, at least one of the outputs 10 or 11 can be connected to a control for a machining process in order to influence this, for example if this is necessary to ensure the quality. Thus, the process can be interrupted when a layer 4 has been detected on the substrate 1 or, for example, a renewed cleaning of a substrate 1 influenced in this way can be initiated automatically before further processing.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
8364 | No opposition during term of opposition | ||
R071 | Expiry of right |