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Bereich der Erfindung
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Die Erfindung bezieht sich auf Sensoren und insbesondere auf ohmsche Sensoren, die Korrosion bestimmen.
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Hintergrund der Erfindung
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Eine Vielzahl von elektrische Teile enthaltenden Geräten sind während ihrer Lebensdauer anfällig für Korrosion. Bestimmte Umgebungsbedingungen wie Feuchtigkeit, Temperatur und Verunreinigungen der umgebenden Luft können den Korrosionsprozess beschleunigen. Wegen der Korrosion können elektrische Teile enthaltende Geräte defekt werden oder Betriebsstörungen haben. Auch Staub, der Kurzschlüsse verursacht, hat Wirkung auf den Zustand von elektrischen Geräten.
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Um Korrosion zu verhindern oder verlangsamen, können zum Beispiel Leiterplatten mit speziellen Schutzlacken beschichtet werden, mit denen verhindert wird, dass die Metallflächen der Leiterplatte der umgebenden Luft und Schmutz ausgesetzt werden. Der Schutzlack auf der Oberfläche der Leiterplatte kann jedoch beschädigt werden. Außerdem ist das Aufbringen oder Spritzen von Schutzlack auf alle elektrischen Komponenten oder Verbindungen unsicher oder schwierig, weshalb nicht alle korrosionsempfindlichen Metallflächen geschützt werden können.
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Der besagte Schutzlack oder eine entsprechende Beschichtung auf der Oberfläche der Leiterplatte behält zum Teil den Isolationswiderstand der Leiterplatte. Der Isolationswiderstand bezieht sich auf die Fähigkeit der Leiterplatte, Kurzschlüsse zwischen den leitenden Teilen der Leiterplatte zu verhindern. Der Isolationswiderstand verringert sich auf bekannte Weise, wenn die Leiterplatte schmutzig oder feucht wird, weil die Isolierung zerbrochen ist.
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Zur Entdeckung von Korrosion ist bekannt, eine separate Leiterplatte bereitzustellen, die mit einem langen Strompfad versehen ist. Aus Änderungen in den elektrischen Eigenschaften dieses Strompfades kann die Wirkung der Korrosion gefolgert werden. In der Regel wird der Widerstand des Strompfades durch die Korrosion größer, wenn die Querschnittsfläche des Strompfades kleiner wird. Ein Beispiel für einen korrosionsbestimmenden Sensor wird in der Veröffentlichung
US 6564620 B1 dargestellt, die eine separate Leiterplatte offenbart, die eine Stromquelle, einen langen Strompfad und einen visuellen Indikator für Korrodierung enthält.
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Der Isolationswiderstand ist seinerseits mit einem separaten Korrosionssensor bestimmt worden, wobei der Sensor aus diskontinuierlichen Leitermustern besteht. Zwischen den Mustern des Sensors wird eine Spannung erzeugt, und der durch die Spannung erzeugte Strom wird gemessen. Aus der gemessenen Stromgröße wird eine Indikation über die Wirkung der Korrosion oder die Bedingungen, die für die Korrosion anfällig machen, erhalten. Ein Beispiel für einen solchen Sensor wird in der Veröffentlichung
US 5338432 angeführt.
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Die Verwendung von separaten Sensoren für die Entdeckung von Korrosion oder Korrosionsrisiko ist unpraktisch. Außerdem weisen die separaten Sensoren nicht unbedingt die wahre Korrosion in denjenigen Leiterplatten oder Vorrichtungen auf, deren Korrosion man bestimmen will.
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Kurze Beschreibung der Erfindung
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Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung derart zu entwickeln, dass die oben erwähnten Nachteile gelöst werden können. Die Aufgabe der Erfindung wird durch eine Anordnung erreicht, die dadurch gekennzeichnet ist, was in den unabhängigen Schutzansprüchen angegeben wird. Die bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung sind der Gegenstand der abhängigen Schutzansprüche.
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Die Erfindung basiert darauf, dass Verdrahtungen für die Bestimmung sowohl des Leiterwiderstands als auch des Isolationswiderstands in demselben Korrosionssensor positioniert sind. Weiterhin werden im Sensor dieselben Kupfermuster bei der Bestimmung des Leiterwiderstands und des Isolationswiderstands benutzt. Der Sensor der Erfindung wird außerdem auf die Leiterplatte gestellt, deren Korrosionsgrad bestimmt werden soll.
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Die erfindungsgemäße Anordnung weist den Vorteil auf, dass sie einfach ist und ermöglicht, dass sowohl der Leiterwiderstand als auch der Isolationswiderstand mit teilweise demselben Kupferleiter bestimmt werden können. Die Verwendung derselben Leitungen ermöglicht, dass der Sensor in einem kleinen Raum hergestellt werden kann. Wenn sich der Sensor der erfindungsgemäßen Anordnung außerdem auf derselben Leiterplatte wie die funktionelle Leiterplatte, zum Beispiel die Steuerkarte, des elektrischen Geräts befindet, kann mit dem Sensor der Erfindung der Korrosionsgrad, der das Älterwerden der Leiterplatte oder dergleichen beschreibt, zuverlässig bestimmt werden.
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Kurze Beschreibung der Figuren
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Die Erfindung wird jetzt in Zusammenhang mit bevorzugten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung ausführlicher erläutert, in der:
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1 ein Beispiel für einen Korrosionssensor der erfindungsgemäßen Anordnung zeigt.
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Detaillierte Beschreibung der Erfindung
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1 zeigt ein Beispiel für einen Korrosionssensor einer Anordnung gemäß der Erfindung. Der Korrosionssensor ist auf einer Leiterplatte mit normalen Arbeitsverfahren ausgebildet worden. Mit anderen Worten sind auf der Leiterplatte auch andere Leiter gelegt worden, um Schaltungen eines spezifischen Geräts bereitzustellen.
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Der Sensor der erfindungsgemäßen Anordnung weist einen länglichen Leiter 1 auf, der auf der Oberfläche der Leiterplatte ausgebildet ist. Dieser Leiter weist ein erstes Ende 2 und ein zweites Ende 3 und zwischen ihnen einen Leiterabschnitt auf. Der Leiter ist somit kontinuierlich zwischen den Leiterenden.
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Wie aus 1 ersichtlich wird, ist der Leiter 1 auf der Leiterplatte derart angeordnet, dass die von dem ersten und dem zweiten Ende ausgehenden Leiterabschnitte des Leiters parallel laufen. Der Leiter verläuft auf der Leiterplatte als Leiterpaar, so dass die Fläche der den Leiter ausbildenden Schleife möglichst klein ist. Der Leiter wird derart ausgebildet, dass der Leiter von dem ersten Ende 2 ausgehend in einer ersten Richtung verläuft und in einer der ersten Richtung entgegengesetzten Richtung in einem kleinen Abstand zurückkehrt. Dieses in entgegengesetzten Richtungen verlaufende Muster wiederholt sich und ein in Bezug auf dieses Muster umgekehrtes Muster wird auf der anderen Seite der illusorischen Mittelachse der in 1 gezeigten Musterstruktur gebildet. Der Leiter macht eine Wendung 4, nachdem die Struktur wiederholt worden ist und der Leiter neben den Ausgangspunkt gelangt ist. An der Wendung 4 wendet sich der Leiter neben das schon ausgebildete Muster, folgt dem Muster, kehrt als zweites Ende 3 neben das erste Ende 2 zurück. Der Widerstand des Leiters kann an den Enden des Leiters gemessen werden.
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1 zeigt auch ein Leitermuster 5 des Sensors der Anordnung. Das Leitermuster 5, das auf der Oberfläche der Leiterplatte ausgebildet ist, ist angeordnet, der Form des länglichen Leiters derart zu folgen, dass der längliche Leiter an den Rändern des kammartigen Leitermusters umläuft. Wie aus 1 ersichtlich wird, gibt es im Leitermuster 5 nadelartige Vorsprünge, zwischen denen der längliche Leiter auf oben beschriebene Weise kreist.
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Gemäß der Idee der Erfindung weist das Leitermuster 5 ein erstes Ende 6 auf, und der Isolationswiderstand kann zwischen dem ersten Ende des Leitermusters und einem Ende des Leiters gemessen werden.
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Der längliche Leiter bildet eine Schleife, deren Fläche dadurch minimiert ist, dass der Leiter parallel gelegt ist. Die Minimierung der Fläche weist den Vorteil auf, dass dabei möglichst wenige Störungen in der ausgebildeten Schleife induziert werden und der Widerstand zuverlässig gemessen werden kann.
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Die Positionierung des Leitermusters und des länglichen Leiters in der Nähe zueinander, so dass das Leitermuster und der Leiter über möglichst weite Strecken parallel liegen, ist vorteilhaft, weil die Messung des Isolationswiderstandes dann zuverlässig ist. Der Isolationswiderstand wird zum Beispiel von leitendem Schmutz und Feuchtigkeit zwischen dem Leiter und dem Leitermuster beeinflusst. Wenn der Leiter und das Leitermuster über möglichst weite Strecken parallel laufen, gibt die Messung des Isolationswiderstands eine zuverlässigere Indikation über einen möglichen Fehler oder eine problematische Umgebung.
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Der Widerstand des länglichen Leiters ist vorzugsweise im Bereich von Ohm und der Widerstand erhöht sich wegen der Korrosion, wenn die Leiterplatte älter wird und die Querschnittsfläche des Leiters kleiner wird. Durch die Messung des Widerstands des länglichen Leiters kann die wahre Alterung der Leiterplatte bestimmt werden, auf die die Umgebungsbedingungen der Leiterplatte wie Feuchtigkeit und Verunreinigungen in der umgebenden Luft einwirken. Der Widerstand des Leiters erhöht sich auf bekannte Weise wegen der Alterung, und somit kann aufgrund der Größe des Widerstands die Lebensdauer der Leiterplatte bestimmt und die übrigbleibende Lebensdauer der Leiterplatte prognostiziert werden. Der Widerstand kann mit einem vorbestimmten Wert verglichen werden, um einen Alarm oder eine entsprechende Indikation für den Benutzer zu geben. Weiterhin kann die Erhöhung des Widerstands beobachtet werden, um die Alterung zu überwachen. Die Erhöhung des Widerstands kann direkt in dem den Sensor anwendenden Gerät interpretiert werden und das Gerät kann die geschätzte übrigbleibende Lebensdauer für den Benutzer indizieren. Ein Gerät, in dem die Sensoren benutzt werden können, ist ein Frequenzumrichter. Der Sensor kann vorzugsweise auf einer Leiterplatte mit Steuerkreisen des Frequenzumrichters, d. h. einer Steuerkarte, hergestellt werden.
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Die Temperatur hat eine wesentliche Wirkung auf den Wert des Widerstands, und somit wird gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung die Wirkung der Temperatur in der Berechnung des Widerstands berücksichtigt. Der Widerstand kann auf beliebige geeignete Weise bestimmt werden. Eine Möglichkeit für die Bestimmung des Widerstands ist, Konstantstrom in den Kreis einzuspeisen und die Größe der entstehenden Spannung zu messen. Wenn man auch die Wirkung der Temperatur auf den Widerstand aufgrund der Eigenschaften des Leiters kennt, kann die Wirkung der Temperatur auf den Widerstand kompensiert werden. Die Kompensierung kann mit dem Prozessor anhand von digitalisierten Messwerten ausgeführt werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Korrosionssensor ohne Lötstopplack oder schützenden Lack oder eine entsprechende schützende Beschichtung auf der Leiterplatte positioniert. Dabei wird der Korrosionsgrad mit dem Sensor in einer Situation gemessen, wo Schutzlack nicht alle korrosionsanfälligen Teile bedeckt.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung sind auf der Leiterplatte zwei Korrosionssensoren positioniert, der eine von welchen mit Schutzlack ähnlich wie die anderen leitenden Teile der Leiterplatte bedeckt ist und der andere von welchen ohne Schutzlack, d. h. als blankes Kupfer, vorliegt. Durch die Messung der Widerstandswerte der beiden Sensoren kann die Wirkung der Temperatur auf den Widerstand eliminiert werden, da sich die beiden Sensoren bei derselben Temperatur befinden. Dabei beschreibt der Unterschied zwischen den Widerständen die direkte Wirkung der Korrosion. Die Messung der Widerstände kann differential ausgeführt werden, wobei das Messergebnis direkt der Unterschied der Widerstände ist.
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Der Isolationswiderstand beschreibt die Fähigkeit der elektrischen Teile der Leiterplatte, Kurzschlüssen zu widerstehen. Die messbare Größe des Isolationswiderstands ist im Bereich von Megaohm. Wenn die Leiterplatte für die Komponenten anspruchsvollen Bedingungen wie Feuchtigkeit oder Schmutz ausgesetzt ist, nimmt der Isolationswiderstand stark ab. Diese Abnahme des Widerstands auf Werte, die kleiner als Megaohm sind, ist eine Indikation dafür, dass die Anlage dabei ist, defekt zu werden und das Risiko eines Kurzschlusses höher wird. Die Abnahme des Isolationswiderstands ist nicht unbedingt ein Zeichen für eine weitergehende Korrosion, aber indiziert für die Leiterplatte schwere Bedingungen, die zur Korrosion beitragen. Als Folge der Abnahme des Isolationswiderstands werden möglicherweise präventive Wartungsmaßnahmen, zum Beispiel die Reinigung der Leiterplatte und anderer Teile, benötigt.
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Der Isolationswiderstand kann mit einem beliebigen bekannten Messverfahren gemessen werden. Eine besonders geeignete Weise ist, eine Spannungsteilerschaltung einzusetzen, in der der bekannte Widerstand mit dem den Isolationswiderstand messenden Sensor in Serie geschaltet ist. Indem eine bekannte Spannung über die Schaltung in Serie geschaltet wird, kann die Größe des Widerstands aufgrund der Spannungsteilung bestimmt werden.
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Wie oben erwähnt wurde, wird der Isolationswiderstand zwischen dem zweiten Ende des länglichen Leiters des erfindungsgemäßen Sensors und dem ersten Ende des Leitermusters gemessen. Diese Punkte sind nicht miteinander galvanisch verbunden und die Abnahme des Widerstands bedeutet, dass sich die Leitfähigkeit vergrößert, was die Entstehung von Kurzschlüssen erleichtert.
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Widerstände können entweder kontinuierlich oder zeitweilig gemessen werden. Die kontinuierliche Messung ermöglicht, dass Widerstände überwacht werden können und dass man auf die veränderte Situation unmittelbar reagieren kann. Eine solche Messung heizt aber ihrerseits den Sensor und kann somit zu fehlerhaften Ergebnissen führen. Außerdem kann das ständige unter-Spannung-Stehen dazu führen, dass die Korrosion weitergeht. Die zeitweilig durchzuführende Messung, die die oben erwähnten Nachteile vermeidet, kann beispielsweise getimt in bestimmten Betriebszeitintervallen ausgeführt werden. Wenn ein Gerät oder eine Leiterplatte in Betrieb genommen wird, ist vorteilhaft, die ersten Messergebnisse der Widerstände als Referenzwerte zu speichern.
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Der Korrosionssensor der erfindungsgemäßen Anordnung kann in einem kleinen Raum ausgeführt werden, weil es möglich ist, den Sensor klein auszubilden. Ein gesamter Sensor ist etwa 12 mm × 14 mm groß.
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Für einen Fachmann ist offensichtlich, dass, wenn die Technologie Fortschritte macht, der Grundgedanke der Erfindung auf viele verschiedene Weisen verwirklicht werden kann. Die Erfindung und ihre Ausführungsformen sind somit nicht auf die oben beschriebenen Beispiele beschränkt, sondern können im Rahmen der Schutzansprüche variieren.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 6564620 B1 [0005]
- US 5338432 [0006]
