DE102005062728A1

DE102005062728A1 - Verfahren und Anordnung zur Bestimmung der Stromdichtenverteilung in einem Elektrolytbad

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Publication number: DE102005062728A1
Application number: DE200510062728
Authority: DE
Inventors: Hooshiar Mahdjour
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2005-12-22
Filing date: 2005-12-22
Publication date: 2007-07-05
Anticipated expiration: 2025-12-23
Also published as: DE102005062728B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung (9) für ein Elektrolytbad (13) zur Bestimmung der Stromdichtenverteilung in der Elektrolytlösung (12), bestehend aus einer Messsonde (5), die mit einem hochpermeablen paramagnetischen Joch und einem Magnetfeldsensor, versehen ist. Die im Elektrolytbad (13) eingetauchte Messsonde (5) wird mit Hilfe von Ansteuermotoren (14), (20) und (21) über die Ansteuerungsachsen (15), (16), (22) und (23) gezielt in der Region zwischen der Anode (10) und Kathode (11) bewegt. Es ist beabsichtigt, dass der elektrische Strom optimal durch die Messfläche der Messsonde (5) fließt. DOLLAR A Die Erfindung betrifft ein Verfahren und dessen Algorithmus zur Stromerfassung im Elektrolytbad (13). Der durch die Messfläche der Messsonde (5) fließende elektrische Strom induziert im Joch der Messsonde (5) ein magnetisches Feld, das mittels des Magnetfeldsensors der Messsonde (5) messbar ist. Dieses Magnetfeld ist ein Maß für die Stromstärke. DOLLAR A Durch die horizontale und vertikale Bewegung der Messsonde (5) lässt sich der ganze Raum zwischen der Anode (10) und Kathode (11) durchscannen, währen die Stromstärke sequentiell abgetastet wird und dessen Messwerte elektronisch gespeichedrt werden. Dadurch lässt sich die ortsaufgelöste Stromstärke im ganzen dreidimensionalen Raum zwischen der Anode (10) und Kathode (11), und folglich die Stromdichtenverteilung bestimmen.

Description

Unter Galvanotechnik sind alle Verfahren zur Oberflächenbehandlung von Metallen und Nichtmetallen zu verstehen, die zur Herstellung metallischer Überzüge aus Elektrolytlösungen und Salzschmelzen durch den Transport von Ionen und Elektronen dienen. Galvanotechnisch erzeugte Metallschichten und Überzüge besitzen, ihrem Verwendungszweck entsprechend, bestimmte Eigenschaften und sind in der Lage, unterschiedlichste Anforderungen ästhetischer oder technischer Art zu erfüllen. Heutzutage ist kaum vorstellbar, dass ein Industriebereich ohne Einsatz galvanotechnisch beschichteter Teile auskommen kann.

Hinsichtlich der Qualität und den damit verbundenen wirtschaftlichen Überlegungen werden seitens der Konstrukteure und Ingenieure Forderungen an die galvanotechnisch erzeugten Schichten gestellt. Eine wichtige Anforderung ist, dass die Überzüge möglichst geringe und gleichmäßige Dicke haben. Diese Anforderung hängt unter anderem von der Galvanisierdauer und der durchgesetzten Strommenge ab. Somit ist die Dicke einer galvanischen Schicht proportional der Stromdichte und der Expositionszeit. Während nun die Expositionszeit relativ leicht überwacht werden kann, ist dies für die Stromdichte, die tatsächlich auf der örtlichen Oberfläche wirkt, nicht so einfach. Der Grund dafür ist, dass die örtliche Stromdichte ihrerseits abhängig von den Feldlinien ist, die sich zwischen Anode und Kathode bilden. Diese Feldlinien konzentrieren sich an Spitzen, Ecken und Kanten eines Bauteils, während sie sich in Hohlräumen und Vertiefungen vermindern. Da nun eine hohe Feldliniendichte eine hohe Kathodenstromdichte zur Folge hat, herrscht zwar an den Spitzen eine große Niederschlagsdichte, in den Hohlräumen tritt dagegen nur eine geringe oder überhaupt keine Metallabscheidung auf. Diese örtlichen Schichtdickenunterschiede können beträchtlich sein und sind umso ausgeprägter, je stärker profiliert die Bauteile sind. Zusätzlich zur Dicke des Niederschlags beeinflusst die Stromdichte aber auch die Struktur und die Zusammensetzung der Überzüge, so dass sie einen entscheidenden Einfluss auf die Bauteileigenschaften hat. Durch eine ungleichmäßige Beschichtung besteht die Gefahr von Poren und Rissen. Die Stromdichtenverteilung wird vor allem durch die Geometrie von Kathode, Anode und Elektrolytbehälter sowie deren Anordnung zueinander bestimmt. Nur in einem idealisierten Elektrolytbad, in dem Anode und Kathode die zwei gegenüberliegenden Wände vollkommen bedecken herrscht eine relativ gleichmäßige Stromdichtenverteilung. Dieser Zustand wird allerdings in der Praxis selten erreicht. Das grundsätzliche Problem ist die Ermittlung der zwei- oder dreidimensionalen Stromdichtenverteilung innerhalb des Elektrolytbads, damit eine ungleichförmige Verteilung durch herkömmliche Verfahren gezielt kompensiert werden kann.

Eine wirksame Abhilfe gegen die ungleichmäßige Schichtdickenverteilung besteht darin, das Einebnungsvermögen des Elektrolyten, d.h. deren Fähigkeit, die Unregelmäßigkeiten der Substratoberfläche durch Abscheidung einer glatten Schicht auszugleichen, mit Hilfe spezieller Zusätze zu verbessern. Bei der herkömmlichen Methode lasst sich die gesamte Stromdichtenverteilung und speziell die Stromdichtenverteilung im Bereich der Bauteilsoberfläche durch eine geeignete Anodengeometrie oder durch leitende und nichtleitende Hilfskathoden bzw. Blenden gleichförmiger gestalten.

In der Praxis wird oft versucht eine unhomogene Stromdichtenverteilung durch langjährige Erfahrung der Galvaniseure qualitativ vorherzusagen, um notwendige Gegenmaßnahmen zu ergreifen. Diese erfahrungsabhängige Methode ist jedoch als nichtquantitativ und schwer reproduzierbar zu bewerten. Eine weitere Methode ist der Einsatz von Computern und Simulationsprogammen. Hierbei werden der Simulationssoftware verschiedene notwendige Daten und Parameter, wie die Dimensionen der Elektroden, deren Abstände zueinander sowie die Elektrolyteigerschaften, zur Berechnung der Stromdichtenverteilung eingegeben. Die letzte Methode ist im Gegensatz zum ersten Verfahren sehr theoretisch. Beiden Methoden fehlt die experimentelle und quantitative Ermittlung der Stromdichtenverteilung, damit gezielte, im ganzen Herstellungsprozess reproduzierbare und zu verallgemeinernde Maßnahmen zur Homogenisierung der Stromverteilung eingesetzt werden können.

Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Sie zeigen:
1 Unendliches geradliniges zylindrisches stromdurchflossenes Kabel und das von ihm erzeugte Magnetfeld,
2 Messung von Gleichströmen mit Magnetfeldsensoren,
3 Eine Messsonde aus einem hochpermeablen paramagnetischen Joch und einem Magnetfeldsensor,
4 Eine alternative und bessere Form für die Messsonde der 3,
5 Schematische Darstellung einer Messanordnung,
6 Schematische Darstellung einer Messanordnung mit Einsatz von Robotik,
7 Vereinfachte Betrachtungen des Elektrolytbads von 5 oder 6 aus der seitlichen (a) und oberen (b) senkrechten Perspektive,
8 Eine seitliche Perspektive des Elektrolytbads,
9 Eine sich nach rechts bewegende Messsonde mit deren Rasterzellen,
10 Ergebnis einer zweidimensionalen Messung, das auf dem Bildschirm des ansteuernden Rechners grafisch erscheinen kann.
In der vorliegenden Erfindung wird die Tatsache zugrunde gelegt, dass die von einem beströmten elektrischen Leiter an einem bestimmten Ort erzeugte Magnetfeldstärke H der Stromstärke I direkt proportional ist. Eine Messung der Magnetfeldstärke H führt also zur direkten Bestimmung der Stromstärke I. Zur Messung des Magnetfeldes sind unterschiedliche Methoden anwendbar, wobei die Anwendung von Magnetfeldsensoren heutzutage, wegen deren Flexibilität, industriell sehr verbreitet ist.
In 1 ist ein unendliches, geradliniges, zylindrisches, stromdurchflossenes Kabel (1) aufgezeichnet. Aus den Maxwell-Gleichungen ergibt sich für die magnetische Feldstärke dieses Kabels die Gleichung
Das vom Kabel erzeugte Magnetfeld H fällt also mit zunehmendem Abstand r zum Stromkabel ab.
Kommerziell sind vor allem drei Arten von Magnetfeldsensoren erhältlich: Feldplatten, Hallgeneratoren und magnetoresistiven Sensoren. 2 zeigt eine Anordnung zur Strommessung. Durch den Gleichstrom I wird ein Magnetfeld senkrecht auf der Sensorfläche erzeugt. Der Übersichtlichkeit halber sind die Zuführungskabel des Sensors nicht eingezeichnet. Hierbei lässt sich der durch die Stromschiene (3) fließende Strom nach einer Magnetfeldmessung mit Hilfe eines Magnetfeldsensors (2) gemäß Gl. 1 errechnen.
Im Elektrolytbad hat man nicht das Stromkabel (1) oder die Stromschiene (3), wie in 1 bzw. 2, als Strommedium, sondern eine Elektrolytlösung. Die elektrische Leitfähigkeit der wässerigen Elektrolyte beruht, im Gegensatz zu Elektron leitenden Metallen, auf der Bewegung der Ionen. Da Gl. 1 keine prinzipielle Einschränkung zur Art oder Beschaffenheit des leitenden Mediums enthält, kann sie auch für das flüssige leitende Medium der Galvanik, d.h. den Elektrolyten oder die Elektrolytlösung herangezogen werden.
Das Herzstück der vorliegenden Erfindung – die Messsonde – besteht aus einem hochpermeablen paramagnetischen Joch (4) und einem Magnetfeldsensor (2). 3 demonstriert das schematische Bild einer Messsonde (5). Der Magnetfeldsensor (2) ist so im Arm vom Joch (4) platziert, dass der Magnetfeldsensor (2) der hochmöglichsten Magnetfeldstärke ausgesetzt ist und folglich in der Lage ist mit hoher Präzision die Magnetfeldstärke zu messen. Die Messsonde (5) soll gänzlich mit einem nicht leitenden Material (nicht in 3 aufgezeichnet) dünn beschichtet sein, das zugleich im chemisch aggressiven Medium des Elektrolytbads sehr beständig ist. Ein guter Kandidat für das Beschichtungsmaterial wäre das Teflon. Wenn die Messsonde (5) in der Elektrolytlösung in eine Position gebracht wird, so dass der elektrische Elektrolytstrom I durch die Messfläche (6) fließt, erfährt der Magnetfeldsensor (2) eine Magnetfeldstärke H, das gemäß Gl. 1 dem Strom I proportional ist. Die Feldstärke H wird nur von dem durch die Messfläche (6) fließenden Anteil des Elektrolytstroms verursacht. Die Magnetfeldbeiträge aller sich außerhalb des Jochs bewegenden Ionen bzw. Ströme heben sich laut der elektromagnetischen Theorie exakt auf. Diese Ströme haben also keinen Einfluss auf die vom Magnetfeldsensor (2) erfassten Magnetfelder. Infolgedessen ist die Feldstärke H ein Maß für die Höhe der durch die Messfläche (6) fließenden elektrischen Ströme. Da der Magnetfeldsensor (2) vom hochpermeablen Joch (4) umgeben ist erfährt er in der Tat die Feldinduktion B = μH, wobei μ die Permeabilität des Jochmaterials ist. In einem guten paramagnetischen Stoff gilt μ >> 1. Die hohe Permeabilität des Jochmaterials hilft zur besseren Bündlung und Feldverstärkung in unmittelbarer Nähe des Magnetfeldsensors (2) und infolgedessen zur Erhöhung der Messgenauigkeit.
4a zeigt eine alternative Form für die Messsonde (5) der 3. Die Arme des Jochs (4) sind aus der senkrechten Perspektive zur Stromrichtung schmal, was eine geringere Beeinflussung und Verformung der Stromlinien durch die Messsonde (5) selbst und eine höherer Mess- und Rasterauflösung (s. folgenden Text) verspricht. Der Magnetfeldsensor (2) ist im Arm des Jochs (4) der Messsonde (5) platziert. 4a zeigt die Frontseite senkrecht auf der Stromrichtung, während 4b eine 3D-Darstellung der Messsonde (5) zum besseren Verständnis zeigt. Das Beschichtungsmaterial ist nicht dargestellt. In 4c ist die Messsonde (5) mit einem elektrisch nicht leitenden Material beschichtet. Da der Magnetfeldsensor (2) in einer Ecke der Messsonde (5) liegt, wird sowohl die Kabeldurchführung (7) als auch die Halterung (8) vereinfacht. Eine Seitenlänge und frontale Dicke von ca. 4 cm bzw. 1,5 mm sind für die Messsonde (5) denkbar.
Wird eine in einem Elektrolytbad eingetauchte Messsonde (5) in dem Raum zwischen der Anode und Kathode so bewegt, dass der elektrische Strom durch die Messfläche (6) fließen kann, lässt sich die Stromdichte ortsabhängig, wie oben beschrieben, bestimmen. Im Optimalfall ist die Messfläche (6) parallel zu der Kathode, damit der höchste Strom durch die Messfläche (6) fließt. Durch eine geeignete horizontale und vertikale Bewegung der Messsonde (5), idealerweise senkrecht auf der Stromrichtung, kann die Stromdichte entlang der x-, y- und z-Achse des dreidimensionalen Raums gemessen und folglich die dreidimensionale Stromdichtenverteilung bestimmt werden.
Die Messanordnung (9) in 5 ist ein Ausführungsbeispiel des Verfahrens der vorliegenden Erfindung.
Die Messsonde (5) hängt zwischen der Anode (10) und Kathode (11) bzw. dem zu beschichtenden Werkstück in der Elektrolytlösung (12) des Elektrolytbads (13) auf. Der ganze Volumenbereich zwischen der Anode (10) und Kathode (11) kann mithilfe eines mechanischen Ansteuersystems, wie in 5 dargestellt, erfasst werden. Der Ansteuermotor (14) dreht die horizontale Ansteuerungsachse (15) und schiebt die vertikale Ansteuerungsachse (16) unabhängig voneinander. Mithilfe der Gewinde und Zähne der Ansteuerungsachsen (15) bzw. (16) kann der Ansteuermotor (14) sich selbst und die an der Ansteuerungsachse (16) aufgehängte Messsonde (5) entlang der x-Achse (17) und z-Achse (18) bewegen. Eine horizontale Bewegung der Messsonde (5) entlang der y-Achse (19) kann mithilfe von Ansteuermotoren (20) und (21) realisiert werden. Die Ansteuermotoren (20) und (21) drehen synchron die Ansteuerungsachsen (22) und (23), und die Ansteuermotoren (20) und (21) bewegen sich über den Schienen (24) bzw. (25). Folglich wird die Messsonde (5) entlang der y-Achse (19) bewegt.
Zur Sicherheit und zum Schutz vor Korrosion empfiehlt sich ein Ansteuerungssystem, d.h. Teile mit Bezugszeichen von (14) bis einschließlich (25), aus Materialen, die sich im Elektrolytbad (13) chemisch neutral verhalten. Dies betrifft vor allem die Ansteuerungsachse (16), wenn sie zusammen mit der Messsonde (5) in der Elektrolytlösung (12) eintauchen muss. In diesem Fall muss die Ansteuerungsachse (16) zusätzlich elektrisch nicht leitend sein.
Es ist prinzipiell und praktisch in den meisten Fällen eine zweidimensionale Messung auf der xz-Ebene ausreichend, um sich ein Bild von der Stromdichtenverteilung zu verschaffen. Aus diesem Grund und auch der Einfachheit halber wird in der folgenden Beschreibung eine zweidimensionale Messung hervorgehoben.
Das in 5 dargestellte mechanische Ansteuerungssystem zur Bewegungen der Messsonde (5) kann auch durch ein pneumatisches, hydraulisches oder irgendein anderes unter Einsatz von Robotik erfolgen. 6 zeigt schematisch ein anderes Ausführungsbeispiel des Verfahrens der vorliegenden Erfindung. Das Ansteuerungssystem in 5, d.h. Teile mit Bezugszeichen von (14) bis einschließlich (25), kann durch das Robotikmodul (26), wie in 6 dargestellt, ersetzt werden. Dieses Ausführungsbeispiel ist sehr einfach und flexibel. Das Robotikmodul kann als Modul, unabhängig vom Typ des Elektrolytbads, in unterschiedlichen Elektrolytbädern eingesetzt werden. Die Messsonde (5) wird mit Hilfe von einem kompakten Robotikmodul (26) in der Elektrolytlösung (12) bewegt. Eine computergesteuerte Bewegung der Messsonde (5) ermöglicht, dass zusätzlich die Krümmungen der Kathode (11) berücksichtigt werden. Hierbei wird auch eine Drehung des Robotikarms (27) um die z-Achse (18) möglich, damit die Messfläche (6) stets parallel zu der Fläche der Kathode (11) hängt. Dadurch wird eine Messung der Stromverteilung im 360°-Raum um die Kathode (11), in ihrer unmittelbaren Nähe, realisierbar. Der Algorithmus des Verfahrens der vorliegenden Erfindung zur Bewegung der Messsonde (5) und Erfassung der Region zwischen der Anode (10) und Kathode (11) ist unabhängig von den Ansteuerungssystemen der beiden oben erwähnten Ausführungsbeispiele.
Die Messauflösung beschränkt sich anfangs auf die Abmessungen der Messsonde (5), da es sich zunächst um die Messung des elektrischen Stroms handelt, der durch die Messfläche (6) fließt. Um die Messauflösung zu erhöhen wird die Bewegung der Messsonde (5) nach dem Mess- und Abtastalgorithmus der vorliegenden Erfindung erfolgen. Dadurch lasst sich die Messauflösung erheblich erhöhen.
Die Voraussetzung für den Mess- und Abtastalgorithmus der vorliegenden Erfindung ist, dass in den zwei seitlich links und rechts parallel zur Messsonde sowie in den zwei oben und unten senkrecht auf der Messsonde am Rande des Elektrolytbads stehenden Elektrolytregionen kein elektrischer Strom fließt.
Diese Voraussetzung kann v. a. dadurch realisiert werden, dass die Abmessungen des Elektrolytbads (13) im Vergleich zu den Elektroden groß genug sind, so dass solche Nullstromregionen entstehen können. 7a und 7b stellen vereinfachte Betrachtungen des Elektrolytbads von 5 aus der seitlichen senkrechten bzw. oberen senkrechten Perspektive dar. Die Stromlinien (28) fangen von der Anode (10) an und enden in der Kathode (11). Die Nullstromregionen (29), in 7 schattiert, sind mindestens so breit oder hoch wie die Messsonde (5), so dass die Messsonde (5) im Ganzen in einer Nullstromregion (29) enthalten und keinem elektrischen Strom ausgesetzt werden kann. Während der Fahrt auf der Streck (30), erfasst die Messsonde (5) die örtliche Stromstärke. In meisten Fällen ist der durchgescannte Querschnitt (32) der Stromregion (31) vergleichbar mit dem Querschnitt der Kathode (11) (d.h. des Werkstücks) oder der Anode (10). In dem in 7 darstellten Beispiel ist der erfasste Querschnitt (32) der Stromregion (31) größer als der Querschnitt der Kathode (11).
8 zeigt eine seitliche Perspektive des Elektrolytbads. Bezogen auf 7 überschreitet der erfasste Querschnitt (32) der Stromregion (31) den Kathodenquerschnitt. Die Helligkeit der Stromregion (31) wird in 8 als ein Maß für die Stromstärke definiert: Je heller ein Bereich der Stromregion (31) ist, umso höher ist die Stromstärke. Demzufolge fließt in den ganz dunklen Regionen kein elektrischer Strom.
In 8 sind drei verschiedene Positionen (34), (35) und (36) der Messsonde (5) aufgezeichnet worden. In Position (34) befindet sich die Messsonde (5) in der obersten linken Nullstromregion (29) und wird mit Hilfe vom Ansteuermotor (14) mit konstanter Geschwindigkeit V nach rechts gefahren. Die Stromstärke wird sequentiell nach Ablauf eines Zeitfensters ΔT laut der oben beschriebenen Methode durch Messung des Magnetfeldes bestimmt. Die Abtastrate ist somit gleich 1/ΔT pro Zeiteinheit. Während des Zeitfensters ΔT hat die Messsonde (5) dann die Distanz Δx = V/ΔT zurückgelegt (s. 8). Solange die Messsonde (5) sich in der Nullstromregion (29) befindet, sollen alle abgetasteten Messwerte im Rahmen der Messgenauigkeit gleich Null oder einem bekannten Hintergrundwert sein. Folglich wird keine Änderung der Strommesswerte während der ersten Fahrt nach rechts bis zu der rechten Wand des Elektrolytbads detektiert. Nach Erreichung der rechten Wand des Elektrolytbads bevor die Messsonde (5) wieder nach links zur linken Wand des Elektrolytbads (33) fährt wird sie vom Ansteuermotor (14) vertikal um den Abstand Δz nach unten verlegt. Somit ist die zweite Fahrt nach links, bezogen auf der ersten Fahrt, um einen Abstand Δz tiefer.
Jedes Mal, wenn die Messsonde die linke oder rechte Wand des Elektrolytbads (33) erreicht, wird sie um einen Abstand Δz nach unten versetzt. Die Linksrechts- und Rechtslinksfahrten wiederholen sich bis die Messsonde Position (35) erreicht, wo sie sich zum ersten Mal nicht mehr gänzlich in der Nullstromregion (29) befindet. Sobald die Messsonde in Position (35) in die Stromregion (31) eintritt, wird die unterste rechte Ecke (37) der Messsonde, mit der Breite Δx, einem höheren Strom ausgesetzt, es wird folglich ein stärkerer Strom gemessen. Während einer Rechtslinksfahrt tritt die unterste linke Ecke (38) der Messsonde (5) in Position (35) als erster Bereich der Messsonde in die Stromregion (31) ein.
Die Messauflösung ist demzufolge gleich der rechteckigen Rasterzelle (39) mit der Flächengröße Δx × Δz. Bei einer Linksrechtsfahrt ist der Strombeitrag der Rasterzelle in der untersten rechten Ecke (37) der Messsonde der einzige unbekannt Strombeitrag innerhalb der Messsonde. Bei einer Rechtslinksfahrt wird im Gegenteil die unterste linke Ecke (38) der Messsonde der einzige zu ermittelnde unbekannte Strombeitrag innerhalb der Messzelle.
Bei einer Linksrechtsfahrt ist der Strombeitrag der Messsondenecke (37) beim ersten Eintrittt der Messsonde von der Nullstromregion (29) in die Stromregion (31) der einzige Strombeitrag. Bei einer Rechtslinksfahrt ist der Strombeitrag der Messsondenecke (38) beim ersten Eintritt der Messsonde (5) von der Nullstromregion (29) in die Stromregion (31) der einzige Strombeitrag. Im allgemeinen Fall, wenn die Messsonde (5) sich gänzlich in der Stromregion (31) befindet und bewegt, müssen die Strombeiträge aller Bereiche der Messsonde (5) berücksichtigt werden. Mit Hilfe des Algorithmus der vorliegenden Erfindung lässt sich die Beiträge der Messsondenecken (37) und (38) ermitteln.
Es wurde in dieser Beschreibung davon ausgegangen, dass die vertikalen Versetzungen der Messsonde (5) entlang der z-Achse (18) von oben nach unten erfolgen. Wenn aber bei einer Anwendung eine vertikale Bewegung von unten nach oben notwendig wird, sind die Strombeiträge der obersten linken und obersten rechten Ecke der Messsonde (5) die relevanten Beiträge, die bestimmt werden.
9 zeigt eine sich nach rechts bewegende Messsonde (5) in der Position (40) und in der darauf folgenden Position (41). Die Messfläche (6) besteht aus 5 × 5 = 25 Rasterzellen. Da in Position (41) die Summe der Strombeiträge I_S aller Rasterzellen und der Strombeitrag I_E jeder einzelnen Rasterzelle, außer dem Strombeitrag i der untersten rechten Messsondenecke (37) aus den früheren Messungen bekannt sind, lässt sich der unbekannte Strombeitrag der untersten rechten Messsondenecke (37) durch die simple Operation i = I_S – I_E ermitteln.
Im Zuge vom Hin- und Herscannen durch die Messsonde (5) werden die Strombeiträge aller Rasterzellen (39) bestimmt. Der Strombeitrag jeder Rasterzelle (39) wird gleich nach der Ermittlung elektronisch z.B. in einem Computer gespeichert. Somit wird die zweidimensionale Stromdichtenverteilung des gesamten bereits durchgescannten Querschnittes des Elektrolytbads ermittelt.
10 zeigt schematisch das Ergebnis einer zweidimensionalen Messung, das auf dem Bildschirm (42) eines Rechners grafisch erscheinen kann. Die helleren Graustufen repräsentieren Rasterzellen (39) mit höheren Stromstärken. Hierbei ist der Übersichtlichkeit halber eine Messsonde (5) verwendet worden, deren Messauflösung niedrig ist. Die Messfläche (6) ist gleich der Fläche von nur 3 × 3 = 9 Rasterzellen (39).
Um die dreidimensionale Stromdichtenverteilung zu ermitteln, muss die Messsonde (5) nach dem Abschluss der Bestimmung einer zweidimensionalen Stromdichtenverteilung um die Länge Δy entlang der y-Achse (19) (s. 5) verlegt werden. Daraufhin wird die nächste zweidimensionale Messung, wie oben geschildert, durchgeführt. Dieser Prozess wiederholt sich bis das erwünschte Volumen vollständig erfasst wird. Die dreidimensionale Messauflösung ist in dem Fall gleich der Volumengröße Δx × Δy × Δz der dreidimensionalen Rasterzelle.
Durch die Anordnung und das Verfahren der vorliegenden Erfindung lässt sich eine genaue quantitative Information über die Stromdichtenverteilung in einem Elektrolytbad verschaffen und die Basisqualität der Produkte vor dem Beginn einer Produktionscharge überprüfbar machen. Eine stark inhomogene Stromdichtenverteilung kann v.a. zur Beeinträchtigung der Qualität der galvanisierten Werkstücke mit unvorhersehbaren und kostenintensiven Konsequenzen führen. Durch die einfache Visualisierung der Stromdichtenverteilung lassen sich gezielte Gegenmaßnahmen, z.B. der Einsatz von leitenden und nicht leitenden Hilfskathoden oder Blenden ergreifen und das Resultat der Maßnahmen in relativ kurzer Zeit überprüfen.
Vorteilhaft ist das vorliegende Verfahren auch bei der Qualitätssicherung, wenn ein zu beauftragender Galvaniseur seinen Kunden die Güte seiner Produktionsprozesse bzw. seines Produkts vorweisen möchte, bevor der Auftrag erteilt wird.
Vorteilhaft ist das vorliegende Verfahren auch, wenn eine gezielte Schichtdickenverteilung gefragt ist. Diese lasst sich relativ einfach durch die Daten der Stromdichtenverteilung ermitteln, da die Schichtdicke der elektrischen Stromstärke proportional ist.

1: zylindrisches stromdurchflossenes Kabel
2: Magnetfeldsensor
3: Stromschiene
4: Joch
5: Messsonde
6: Messfläche
7: Kabelzu- & -ausführung
8: Halterung
9: Anordnung
10: Anode
11: Kathode
12: Elektrolytlösung
13: Elektrolytbad
14: Ansteuermotor
15: Ansteuerungsachse entlang der x-Achse
16: Ansteuerungsachse entlang der z-Achse
17: x-Achse
18: z-Achse
19: y-Achse
20, 21: Ansteuermotor
22, 23: Ansteuerungsachse entlang der y-Achse
24, 25: Schiene
26: Robotikmodul
27: Robotikarm
28: Stromlinie
29: Nullstromregion
30: Fahrstrecke
31: Stromregion
32: Querschnitt der erfassten Stromregion
33: Wand des Elektrolytbads
34, 35, 36: Messzellenposition
37: Unterste rechte Messzellenecke
38: Unterste linke Messzellenecke
39: Rasterzelle
40, 41: Messzellenposition
42: Bildschirm des ansteuernden Rechners
Δx: Breite einer Rasterzelle
Δy: Tiefe einer Rasterzelle
Δz: Höhe einer Rasterzelle

Claims

Anordnung (9) zur Bestimmung der Stromdichtenverteilung in einem Elektrolytbad, umfassend eine von der Halterung (8) aufgehängte und in einem Elektrolytbad (13) eingetauchte Messsonde (5), dadurch gekennzeichnet, dass die Messsonde (5) in der Region zwischen der Anode (10) und Kathode (11) bewegt wird, während die Stärke des in der Elektrolytlösung (12) zwischen der Anode (10) und Kathode (11) fließenden Stroms sequentiell abgetastet und ausgemessen wird.
Die Messsonde (5) nach Anspruch 1, umfassend ein hochpermeables paramagnetisches Joch (4) und einen Magnetfeldsensor (2), dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetfeldsensor (2) im Arm des Jochs (4) platziert ist.
Verfahren zur Bestimmung der Stromdichtenverteilung in einem Elektrolytbad, dadurch gekennzeichnet, dass der durch die Messfläche (6) fließende elektrische Strom der Elektrolytlösung (12) durch die Messung des vom elektrischen Strom selbst induzierten Magnetfelds ermittelt wird.
Verfahren zur Bestimmung der Stromdichtenverteilung in einem Elektrolytbad, umfassend die folgenden sequentiellen Verfahrensschritte: 4.1 Dimensionierung des Elektrolytbads (13), so dass im mindestens einer der zwei seitlich links und rechts parallel zur Messsonde (5) sowie im mindestens einer der zwei oben und unten senkrecht auf der Messsonde (5) am Rande des Elektrolytbads stehenden Elektrolytregionen, Nullstromregionen (29), kein elektrischer Strom fließt. 4.2 Dimensionierung des Elektrolytbads (13), so dass die Nullstromregionen (29) mindestens so breit und hoch wie die Messsonde selbst sind. 4.3 Bewegung der Messsonde (5) entlang der x-Achse (17) mit konstanter Geschwindigkeit V mittels einer Anordnung wie im Anspruch 1. 4.4 Bewegung der Messsonde (5), angefangen von Nullstromregion (29), zunächst in einer Richtung (z. B. von der oberen linken Rand des Elektrolytbads nach rechts) entlang der x-Achse (17), gefahren bis die Wand des Elektrolytbads (33) erreicht wird. 4.5 Sequentielle Messung der Stromstärke laut Anspruch 2 während der Fortbewegungen der Messsonde (5), nach Ablauf eines Zeitfensters ΔT bzw. nach Zurücklegen der Strecke Δx = V × ΔT und sequentielle elektronische Speicherung der Strommesswerte. 4.6 In Verfahrensschritt 4.5, bei einer Linksrechtsfahrt, rechnerische Bestimmung des Strombeitrags a (des einzigen unbekannten Strombeitrags) der untersten rechten Ecke (37) der Messsonde (5), durch die Relation i = I_S – I_E, wobei I_S die Summe der Strombeiträge aller Rasterzellen ist und I_E der Strombeitrag jeder einzelnen Rasterzellen, außer dem Strombeitrag i. 4.7 In Verfahrensschritt 4.5, bei einer Rechtslinksfahrt, rechnerische Bestimmung des Strombeitrags i (des einzigen unbekannten Strombeitrags) der untersten linken Ecke (38) der Messsonde (5), durch die Relation i = I_S – I_E, wobei Z_S die Summe der Strombeiträge aller Rasterzellen ist und I_E der Strombeitrag jeder einzelnen Rasterzellen, außer dem Strombeitrag i. 4.8 Verlegung der Messsonde (5) nach unten um den Abstand Δz entlang der z-Achse (18), d.h. parallel zur Halterung (8) der Messsonde (5), jedes Mal, wenn die rechte oder linke Wand des Elektrolytbads (33) in der Nullstromregion (29), während der Verfahrensschritte 4.6 und 4.7 erreicht werden. 4.9 In Verfahrensschritten 4.6 und 4.7 werden die Strombeiträge der obersten linken und rechten Ecke der Messsonde (5) gemessen, wenn die Messung im Verfahrensschritt 4.4 von unten, d.h. vom Boden des Bads gestartet wird und folglich die Verlegungen der Messsonde (5) in Verfahrensschritt 4.8 entlang der z-Achse von unten nach oben sind. 4.10 Wiederholung der Verfahrensschritte 4.4 bis einschließlich 4.9, bis eine zweidimensionale (im xz-Raum) Stromdichtenverteilung des gesamten bereits durchgescannten Querschnittes (32) des Elektrolytbads (13) ermittelt und elektronisch gespeichert wird. 4.11 Zur Bestimmung einer dreidimensionalen Stromdichtenverteilung, nach Abschluss des Verfahrensschritts 4.10, Verlegung der Messsonde (5) entlang der y-Achse (19) um den Abstand Δy und anschließend Wiederholung der Verfahrensschritte 4.4 bis einschließlich 4.10. 4.12 Wiederholung der Verfahrensschritte 4.4 bis einschließlich 4.11 bis der gewünschte dreidimensionale Raum vollständig erfasst wird.
Verfahren zur Bestimmung der Stromdichtenverteilung in Elektrolytlösungen, dadurch gekennzeichnet, dass die laut Anspruch 4 ermittelte Stromdichtenverteilung visualisiert wird, z.B. auf dem Bildschirm eines Rechners oder als Druckerausgabe.