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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Prüfen eines Gases, die Verwendung
einer solchen Vorrichtung und ein Verfahren zum Umrüsten einer Produktionsanlage.
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In
zahlreichen Gebieten der Industrie stellt sich regelmäßig die
Aufgabe, ein Gas zu prüfen,
beispielsweise auf dessen Zusammensetzung oder dessen Druck. Eine
wichtige Anwendung ist die Prüfung von
Leuchtmitteln.
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Ein
sehr bekanntes Leuchtmittel ist eine herkömmliche Glühlampe. Ursprünglich befand
sich hier ein Kohlefaden in einem luftleeren Glaskolben. Durch Stromfluss
erwärmte
sich der Kohlefaden bis zur Weißglut,
wodurch Licht ausgesendet wurde. Der Aufbau moderner Glühlampen
unterscheidet sich hiervon zwar, das zu Grunde liegende Prinzip
ist jedoch das selbe: der Kohlefaden wurde durch einen doppelt gewendelten
Wolframfaden ersetzt, und der Glaskolben wird heutzutage nicht evakuiert,
sondern mit einem Edelgas gefüllt.
Wolfram kann viel präziser gefertigt
und somit auf höhere
Temperaturen erhitzt werden als ein Kohlefaden, ohne dass dünnere und damit
heißere
Stellen durchschmelzen. Hierdurch ergibt sich eine höhere Helligkeit.
Die Füllung
mit Edelgasen, beispielsweise Krypton, hat hingegen weitgehend fertigungstechnische
und praktische Gründe. Ein
Glaskolben lässt
sich erheblich leichter mit einem chemisch inaktiven Gas füllen als
luftleer pumpen. Bereits sehr geringe Mengen an unbeabsichtigt eingebrachtem
Sauerstoff haben zur Folge, dass die Glühwendel zumindest auf der Oberfläche verbrennt und
sich so der Glaskolben von innen leicht schwärzt. Überdies kann ein gasgefüllter Glaskolben
bei Beschädigung
nicht implodieren wie ein luftleerer, was auch in der Handhabung
moderne Glühlampen
sicherer macht.
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Halogenlampen
sind im Prinzip identisch aufgebaut wie normale Glühlampen.
Die Temperatur der Glühwendel
ist jedoch um einige hundert Grad höher. Dadurch erhöht sich
der Wirkungsgrad, also die Helligkeit bei gleicher Leistung, beträchtlich.
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Normalerweise
hätte eine
solche Glühlampe nur
eine kurze Lebensdauer, weil mit der höheren Temperatur das Wolfram
deutlich schneller abdampft. Dadurch würde sich die Temperatur der Glühwendel
an einer dünneren
Stelle innerhalb weniger Stunden dem Schmelzpunkt nähern, so
dass sie durchbrennen würde.
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Das
Abdampfen kann technisch nicht verhindert werden, aber das abgedampfte
Material kann dazu gebracht werden, sich wieder an der Wendel anzulagern.
Dies erreicht man durch Zusatz von Halogenen, vor allem Brom und
Jod. Das abgedampfte Wolfram verbindet sich mit den Halogenen zu
Wolframhalogenid, welches bei Temperaturen von einigen hundert °C gasförmig ist.
An der Glühwendel
mit einer dortigen Temperatur von etwa 2600 °C bis 2900 °C zerfällt es in Wolfram, welches
sich an der Wendel abscheidet, und freies Halogen. In einer Halogenlampe
wird also ein Kreislaufprozess betrieben, bei welchem die Glühwendel
permanent regeneriert wird.
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Metalldampflampen
werden als Niederdruck- und als Hochdrucklampen hergestellt. Niederdrucklampen
funktionieren prinzipiell wie Gasentladungslampen, so beispielsweise
wie Neonlampen bzw. Leuchtstofflampen. Ihre Bauform ist relativ
groß, während das
abgestrahlte Licht ein Linienspektrum mit meistens nur einer oder
zwei Lichtfarben besitzt, so beispielsweise bei Quecksilber Ultraviolettlicht
mit einer Wellenlänge
von 84,9 nm und 253,7 nm, bei Natrium hingegen gelbes Licht mit
589,0 und 589,6 nm.
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Die
Bauform von Hochdrucklampen ist im Vergleich zu Niederdrucklampen
deutlich kleiner. Durch die Verwendung von Metallen mit niedriger Schmelztemperatur
und vor allem niedriger Ionisierungsenergie, wie beispielsweise
Quecksilber oder Natrium, sorgt man dafür, dass die Temperatur der Elektroden
so niedrig sein kann, dass sie sich nicht nennenswert in Folge des
Abbrands abnutzen.
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Edelgas-Hochdrucklampen
sind genauso aufgebaut wie Metalldampf-Hochdrucklampen. Sie sind
jedoch mit Edelgas unter hohem Druck befüllt. Vorzugsweise kommt hierbei
Xenon zum Einsatz, welches sonnenlichtähnliches Licht ausstrahlt.
Solche Lampen sind vor allem durch den Einsatz in Kraftfahrzeugen
bekannt.
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Allen
Lampen ist gemein, dass die Qualität der einzelnen Leuchtmittel
sowohl hinsichtlich des Wirkungsgrads als auch hinsichtlich der
Lebensdauer von der Qualität
der Gasfüllung
innerhalb des Leuchtkörpers
abhängt.
Je nach Lampenausführung sind
das Gasgemisch und/oder der Gasdruck von besonderer Bedeutung.
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Dementsprechend
werden in Produktionsanlagen für
Leuchtmittel einzelne Leuchtkörper
nach statistischen Gesichtspunkten den Fertigungslinien entnommen
und unter Laborbedingungen auf Einhaltung der Toleranzwerte geprüft. Hierzu
werden die Glaskörper
zerstört
und unter anderem mittels Gasspektographie die Qualität der Füllung ermittelt.
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Bei
modernen Produktionsanlagen kommt teilweise ein zerstörungsfreies
Prüfverfahren
zum Einsatz. Grundlage einer solchen zerstörungsfreien Prüfung ist
die physikalische Eigenschaft von Gasen, durch Energiezufuhr in
ein höherwertiges
Niveau gebracht werden zu können,
wobei das hierbei entstehende Plasma optisch ausgewertet werden
kann. Die Energiezufuhr wird in der Regel durch die Beaufschlagung
mit einer Hochspannung erreicht. Diese wird in der Regel durch einen
Teslatrafo erzeugt.
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Ein
Teslatransformator besteht aus zwei locker gekoppelten Schwingkreisen
mit einem Kopplungsgrad von etwa 10 %, wobei die Schwingkreise durch
Funkenüberschlag
zu gedämpften
Schwingungen angeregt werden.
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Transformatoren
spannen die herkömmliche Netzspannung
von 230 V auf Hochspannung von mehr als 7,5 kV um. Mit dieser Spannung
wird ein Kondenstor im Primärkreis
geladen. Ist seine Spannung weit genug angestiegen, zündet die
Funkenstrecke, die wie ein Schalter wirkt. Damit sind die Eingangstransformatoren
kurzgeschlossen, also vom weiteren Geschehen zunächst völlig entkoppelt. Sie verkraften
das problemlos, weil sie einen hohen Innenwiderstand besitzen, welcher
den Maximalstrom begrenzt.
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Der
geladene Kondensator ist nun direkt mit der Primärspule verbunden und bildet
einen Schwingkreis mit ihr, der nun zu schwingen beginnt. Die Sekundärspule stellt
zusammen mit der Kopfelektrode einen Lambda/4-Dipol dar, der auf
die Frequenz des Primärkreises
abgestimmt sein muss. Die Resonanzfrequenz ergibt sich aus der Kapazität, die die
Spule mit der Umgebung bildet, und ihrer Induktivität. Durch
die Erdung des unteren Endes wird die Spannung dort auf Massepotential
gehalten, der hier fließende
Strom ist dagegen maximal. Am oberen Ende entsteht ein Spannungsbauch
bzw. Stromknoten. Daher wird die Spannung am oberen Ende der Spule
bei exakter Abstimmung maximal und ist im wesentlichen nur durch
die Güte
der Spule und die eingespeiste Leistung begrenzt. Das Windungsverhältnis zwischen
Primär-
und Sekundärspule
hat kaum Auswirkungen.
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Durch
den Widerstand im Primärkreis,
im wesentlichen also die Funkenstrecke, und die Energieaufnahme
der Sekundärspule
wird die Schwingung im Primärkreis
gedämpft
und zum Erlöschen gebracht.
Damit die nun frei schwingende Sekundärspule nicht ihrerseits wieder
den Primärkreis
zu Schwingungen anregt und dabei ihre Energie abgibt, muss dafür gesorgt
werden, dass der Primärkreis
geöffnet
wird. Dies geschieht durch eine kräftige Kühlung der Funkenstrecke mit
Pressluft, welche die Ionen des Funkenkanals rasch abtransportiert
und damit für
das Erlöschen
des Funkens unterhalb einer Mindestspannung sorgt.
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Ab
diesem Zeitpunkt wird der Kondensator wieder mit der momentan am
Speisetrafoausgang herrschenden Spannung geladen, und der Ablauf
beginnt von vorne.
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Prinzipiell
ist es also möglich,
mit Anregung der in einem Prüfling
beinhalteten Gase dessen Gasart oder Gasdruck zu prüfen. Die
Gase werden durch hochfrequente elektrische Felder derart in Schwingungen
versetzt, dass sie teilweise oder vollständig einen neuen Aggregatzustand
erreichen. Dieser als Plasma bezeichnete Aggregatzustand ist als
Leuchterscheinung zu erkennen und erlaubt aufgrund deren Farbe und
Helligkeit, die Gasart und den Druck zu bestimmen. Die Umwandlung
in das Plasma erfolgt durch die angeregte Schwingung und durch den gleichzeitigen
Effekt der Hochspannungsentladung. Im Plasma ist je nach Art der
Moleküle
und je nach Höhe
des Drucks eine andere Farbgebung erkennbar.
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Solche
Hochfrequenzprüfer
sind technisch zwar bekannt, in der Praxis aber kaum einsetzbar,
da sie durch die mechanische Unterbrechung der Hochspannung eine
freie Funkenstrecke erzeugen, womit Röntgenstrahlen freigesetzt werden.
Gleichzeitig wird der öffentliche
Funkverkehr erheblich gestört. Eine
Abschirmung der Geräte
ist in der Regel nicht möglich,
wenn es sich um manuell einzusetzende Geräte wie beispielweise Prüfpistolen
handelt. Die feste Installation in einem abgeschirmten Prüfraum ist
sehr aufwendig und somit teuer, da es sich bei den bekannten Prüfvorrichtungen
um intensive Strahlungsquellen handelt, die im Spektralbereich des
Vakuumultraviolett (VUV, 10 bis 200 nm) über das extreme Ultraviolett
(XUV, 1 bis 10 nm) bis in den Bereich der weichen Röntgenstrahlung
(SXR, 0,1 bis 1 nm) emittieren.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Prüfmöglichkeit
zur Verfügung
zu stellen.
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Nach
einem ersten Aspekt der Erfindung löst diese Aufgabe eine Vorrichtung
zum Prüfen
eines Gases unter Umwandlung des Gases in ein Plasma mittels Energiezufuhr
durch ein hochfrequentes elektrisches Feld, wobei eine elektronische
Hochspannungsunterbrechung vorgesehen ist.
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Vorteilhaft
wird bei einer elektronischen Unterbrechung der Hochspannung eine
zumindest weitestgehende, im Idealfall sogar vollständige, Strahlungsfreiheit
erreicht. Die vorzunehmenden Prüfungen
können
damit beispielsweise in geschlossenen kleinen Räumen ohne Abschirmung durchgeführt werden.
Insbesondere ist sogar der Gebrauch von Handgeräten in Pistolenform möglich.
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Bevorzugt
weist die Vorrichtung eine elektronische Schaltung zur Steuerung
der Hochspannung auf. Wenn eine solche Schaltung vorgesehen ist, kann
diese ohne weiteres auch dazu eingesetzt werden, die Hochspannung
elektronisch zu unterbrechen.
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Das
Gesamtsystem besteht vorzugsweise aus einem Transformator, einem
Hochfrequenzerzeuger und einer elektronischen Schaltung zur Steuerung
der Hochspannung. Für
den Transformator wird ein Impulsteslatransformator vorgeschlagen.
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Bei
aufwendigen Versuchen des Erfinders hat sich herausgestellt, dass
die Vorrichtung bevorzugt Mittel zum Anregen des Gases mit einer
Frequenz zwischen etwa 5 kHz und etwa 10 MHz, bevorzugt zwischen
etwa 400 kHz und 500 kHz aufweist, insbesondere zwischen 430 kHz
und 450 kHz. Bei dem äußeren genannten
Frequenzspektrum wird das Arbeiten mit etwaigen Handgeräten sicherer,
denn hinsichtlich des Skin-Effekts ist bei insbesondere etwa 5 kHz
eine Grenze zwischen niedrigeren, für den Menschen gefährlichen
Frequenzen und höheren,
eher ungefährlicheren
Frequenzen zu beobachten. Die Vorrichtung arbeitet mit einer Hochspannung,
und der relativ niedrige Innenwiderstand eines Menschen von etwa
1000 Ohm würde
bei Kontakt einen wohl tödlichen
Strom durch den Menschen erlauben. Bei den geschilderten äußeren Frequenzen setzt
allerdings ein wechselstrombekannter Effekt ein, und der Stromfluss
tritt nicht in das menschliche Gewebe ein, sondern fließt über die
Oberfläche
ab. Die inneren genannten Werte sind empirische Werte, die sich
als besonders geeignet herausgestellt haben.
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Unabhängig hiervon
hat sich auch herausgestellt, dass bevorzugt Mittel zum Erzeugen
einer Spannung von zwischen 30 kV und 100 kV vorgesehen sind.
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Weiter
hat sich eine Hochfrequenzleistung von etwa 3 W bis etwa 10 W, bevorzugt
bis etwa 5 W, in Betrieb der Vorrichtung als sehr geeignet erwiesen.
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Mit
diesen Werten ließ sich
bei den Versuchen ohne weiteres ein Vakuumspektrum von etwa 250
mbar bis etwa 0,001 mbar überstreichen
und jeweils mit hinreichender Genauigkeit erkennen.
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Nach
einem zweiten Aspekt der Erfindung löst die gestellte Aufgabe eine
Vorrichtung zum Prüfen
eines Gases unter Umwandlung des Gases in ein Plasma mittels Energiezufuhr
durch ein hochfrequentes elektrisches Feld, wobei Mittel zum Erzeugen
unterschiedlicher Erregerfrequenzen vorgesehen sind.
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Es
hat sich herausgestellt, dass die kontinuierliche Erregung mit einer
festen Frequenz an Messgrenzen stößt. Der Erfinder hat bei seinen
Versuchen herausgefunden, dass Gase durch Beaufschlagen mit differenten
Erregerfrequenzen leichter in den vierten Aggregatzustand zu versetzen
sind.
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Es
versteht sich, dass die Erfindungsaspekte der elektronischen Hochspannungsunterbrechung und
der unterschiedlichen Erregerfrequenzen sowohl einzeln von Vorteil
sind als auch gut kombiniert werden können.
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Es
wird vorgeschlagen, dass die Prüfvorrichtung
Mittel zum Aufmodulieren eines nieder- und/oder hochfrequenten Impulses
auf eine Träger frequenz
aufweist. Die Mittel können
insbesondere dazu eingerichtet sein, eine Modulationsfrequenz zwischen
100 Hz und 50 kHz zu erzeugen, insbesondere zwischen 5 kHz und 50
kHz. Auch diese Werte sind empirisch ermittelt. Es hat sich gezeigt,
dass bei diesen Grenzwerten eine sprunghafte Verbesserung der Messergebnisse
erreichbar ist. Auch können
mit den kurzen Pulsen Gase besser zündwillig gemacht werden, beispielsweise
Neongas. Die Moleküle
werden hierzu durch die genannten Pulse sehr gut angestoßen und
können
anschließend
in ihrer Resonanzfrequenz schwingen.
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Unabhängig davon,
ob die Prüfvorrichtung eine
elektronische Hochspannungsunterbrechung, Mittel zum Erzeugen unterschiedlicher
Erregerfrequenzen oder beides aufweist, wird vorgeschlagen, dass
sie als Handgerät
ausgebildet ist, insbesondere in Pistolenform. Eine insbesondere
elektronische Steuerungseinheit zum Erzeugen einer hochfrequenten
Hochspannung kann ohne weiteres auf einen speziellen Wandler in
Form einer Prüfpistole
geleitet und hierüber
dem Prüfling
zugeführt
werden. Im Prüfling
entsteht dadurch das Plasma, und die Prüfpistole kann von einer Bedienperson
ohne Schwierigkeit gehandhabt werden. Die Bedienperson kann die
Prüfung
auf diese Weise manuell durchführen.
Sie lässt hierzu
einen Prüfling
mit der Prüfpistole
erleuchten, wobei die Leuchterscheinung des Plasmas als Qualitätsmaßstab verwendet
werden kann, so dass die Bedienperson in der Lage ist, nach dem
optischen Eindruck darüber
zu entscheiden, ob der Prüfling
die Qualitätsanforderung
erfüllt
oder als Ausschuss einzustufen ist.
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Hinsichtlich
des Impulsteslatransformators wird vorgeschlagen, dass dieser primärseitig
etwa 10 bis 15 Windungen und sekundärseitig etwa 5000 bis 6000
Windungen aufweist. Ein solcher Aufbau hat sich bei den durchgeführten Versuchen
als besonders vorteilhaft erwiesen.
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Es
wurde bereits erläutert,
dass eine Prüfvorrichtung
der vorbeschriebenen Ausgestaltungen technisch wie wirtschaftlich
besonders gut zum Prüfen
der Gasart eines Gases und/oder zum Prüfen des Gasdrucks eines Gases
eingesetzt werden kann.
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Bei
einer Vorrichtung mit unterschiedlichen Erregerfrequenzen wird vorgeschlagen,
dass eine Modulationsfrequenz nach der Gasresonanzfrequenz eines
zu ermittelnden Gases festgelegt wird. Es wurde bereits erläutert, dass
eine neuartige elektronische Schaltung ohne weiteres ermöglicht,
unterschiedliche Gase optimal zu erregen. Erreicht wird dies durch
eine Aufmodulation von gasabhängigen niederfrequenten
bis hochfrequenten Impulsen auf eine Trägerfrequenz. Die Modulationsfrequenz
wird hierbei bevorzugt durch das zu erregende Gas bestimmt, konkret
durch die Gasresonanzfrequenz. Die Trägerfrequenz ist bevorzugt die
Resonanzfrequenz des Teslatransformators. Auf diese Weise kann eine optimale
Anpassung des Transformators an die Testumgebung erreicht werden.
Hieraus kann auch die primäre
Gleichstromversorgung optimal geregelt werden, ebenso wie die Energie
des zum Erregen des Gases optimalen Hochspannungsfunkens berechnet
werden kann.
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Bei
einer Verwendung einer Prüfvorrichtung zum
Prüfen
von Gasart und/oder Gasdruck wird vorgeschlagen, dass diese Werte
anhand von Farbe und/oder Helligkeit des Plasmas ermittelt werden.
So lässt
sich anhand dieser beiden Werte relativ genau auf die vorhandenen
Gasarten und ihren Druck rückschließen. Dies
ist sogar bis zu Drücken
unter 0,001 mbar möglich,
wobei bei diesem Grenzdruck und bei geringeren Drücken in
der Regel jegliche Leuchterscheinung endet. Bei höheren Drücken können die Farben
und die Leuchtstärke
jedoch unmittelbar in die zu ermittelnden Werte anhand einer Tabelle übertragen
werden.
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Das
Plasmaleuchten kann von einem Spektroskop und/oder von einem Helligkeitssensor
erfasst werden, und Daten über
das Leuchten können
an eine Datenverarbeitungsanlage weitergegeben werden. Die spektrale
Leuchterscheinung der Testobjekte lässt sich nicht nur vom Auge
einer Bedienperson erkennen, sondern auf diese Weisen auch automatisch
erkennen und auswerten. So wird sichergestellt, dass die Leuchterscheinung
aller Gastypen spezifizierbar ist und fehlerfrei erkannt werden
kann. Durch die elektronische Erkennbarkeit können beispielsweise zerstörungsfreie
Endkontrollen an allen geschlossenen Behältnissen wie insbesondere Leuchtmitteln oder
pharmazeutischen und chemischen Behältnissen direkt an einem Fließband mit
hohen Durchlaufgeschwindigkeiten ohne menschlichen Einsatz vorgenommen
werden. Hierzu gehört
zum einen die automatische Erkennung der Leuchterscheinung und zum
anderen die automatische Auswertung der Erkennung.
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Neben
den bisher genannten Einsatzmöglichkeiten
eignet sich eine Prüfvorrichtung
der vorgeschlagenen Art insbesondere zur Lecksuche und zur Überprüfung einer
Oberfläche
auf Porenfreiheit. So werden auch Leckagen an leitenden oder nicht
leitenden Oberflächen
von Apparaturen oder Behältnissen sichtbar
und damit automatisch prüfbar,
indem der Funke zu der Pore in der Wand schlägt und in dieser eine hell
leuchtende Bahn erzeugt. Ebenso können Wasserstoffverunreinigungen
an Testobjekten festgestellt werden, beispielsweise durch Einsatz
von mobilen Geräten
vor Ort.
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Um
die Auswertung vom Ort der Plasmamessung verlustfrei trennen zu
können,
wird vorgeschlagen, dass das Plasmaleuchten über ein Lichtleitkabel aufgegriffen
und transportiert wird.
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Insgesamt
wird erkennbar, dass die vorgeschlagenen Vorrichtungen eine sehr
kostengünstige und
qualitätssteigernde
Produktionskontrolle an Prüfkörpern möglich machen,
insbesondere an geschlossenen Behältnissen, und dort vor allem
aus Glas oder glasähnlichem
Werkstoff.
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Nach
einem weiteren Aspekt der Erfindung wird demgemäß vorgeschlagen, dass bei einem
Verfahren zum Umrüsten
einer Produktionsanlage eine solche Prüfvorrichtung installiert und
wie vorgeschlagen verwendet wird, wobei eine Taktfrequenz der Produktionsanlage
erhalten oder sogar erhöht
wird. Dieser Aspekt der Erfindung macht deutlich, dass die Erfindung
eine Verbesserung der Produktionskontrolle ermöglicht und dabei keine Reduzierung
der Taktfrequenz erfordert.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand einer Ausführungsbeschreibung unter Bezugnahme auf
die Zeichnung näher
erläutert.
Dort zeigen
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1 ein
Prinzipschaltbild eines Hochfrequenz-Vakuumtesters mit einer elektronischen
Unterbrechung der Hochspannung und
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2 ein
Prinzipschaltbild eines solchen Testers mit einer zusätzlichen
Hochspannungs-Modulation.
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Es
wurde ein Testgerät
zu Versuchszwecken gebaut, welches zur Lecksuche und Vakuumprüfung sowie
zur Überprüfung auf
Porenfreiheit von leitenden oder nicht leitenden Oberflächen, wie
beispielsweise Glas, Gummi, Kunststoff oder Lackierungen, durch
Beaufschlagung mit einer hochfrequenten Hochspannung einsetzbar
ist. Die hochfrequente Hochspannung wird durch einen Teslatransformator erzeugt
und entlädt
sich über
eine Bürstenelektrode.
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Das
Prüfgerät ist mit
einer elektronischen Unterbrechung der Hochspannung ausgestattet
und besteht hierzu aus einem Transformator, einem Hochfrequenzerzeuger,
einer elektronischen Schaltung zur Steuerung der Hochspannung, einer
Abschirmung und einer Detektoreinheit. Das Prüfgerät kann hiermit in einem Vakuumbereich
von etwa 250 mbar bis 0,001 mbar arbeiten. Die Testreihen bezogen
sich auf eine Auswertung des Vakuums in diesem Bereich.
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Zunächst wurden
Gerätemodule
von Hochfrequenzprüfern
bei einer einstellbaren Grundfrequenz zwischen 400 kHz und 500 kHz
verwendet. Dies entspricht der Resonanzfrequenz des Teslatransformators.
Hierdurch wurden Spannungen von etwa 30 kV bis etwa 100 kV erreicht.
Die Hochfrequenznennleistung pegelte sich entsprechend auf etwa
3 W bis 5 W ein.
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Durch
ein Pulsen der Trägerfrequenz
mit 100 % Trägertastung
bei variablem Puls-Pausenverhältnis
von 10 % bis 90 % wurde eine Aufmodulation von Niederfrequenzen
zum Erleichtern der Gaszündung erreicht.
Die Modulationsfrequenz lag bei etwa 50 Hz bis etwa 5 kHz.
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Die
Versuche in Bezug auf reine Vakuumbestimmung zeigten ihr Optimum
in nicht moduliertem Betriebszustand. Eine Verfeinerung der Messergebnisse
konnte durch kombinierte Einstellung von Leistung und Resonanzfrequenz
erreicht werden. Besonders wirksam waren diese Einstellungen bei
Drucktests von Medikamentenflaschen. Bei kleineren Behältnissen,
insbesondere mit einem Durchmesser von 8 mm bis 15 mm, wurde der
Leistungssteller auf minimale Leistung gestellt, und die abgegebene
Leistung wurde durch Änderung
der Resonanzfrequenz bestimmt. Bei größeren Behältnissen, insbesondere mit
15 mm bis 30 mm Durchmesser, wurde die Resonanzfrequenz optimal
eingestellt und die Leistungsabgabe wurde durch den Leistungsregler
bestimmt, konkret durch die Vorgabe der primärseitigen Betriebsspannung
der Teslatransformatorsteuerung von 100 V bis 800 V.
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Nach
Vorgaben aus der Industrie sollen Leuchtmitteltests hauptsächlich den
korrekten Gasanteil bestätigen
oder verneinen. Aus diesem Grund wurden hier jeweils die Tests mit
optimal eingestellter Resonanzfrequenz und niedrigster Zündleistung durchgeführt. Ein
Plasma entsteht auf diese Weise erst nach einer Energiezufuhr von
1 bis 2 Sekunden. Hier führte
jedoch das Trägertasten
zur beschleunigten Entstehung von Plasma. Besonders deutlich wurde
hierbei die Frequenzabhängigkeit
der Gase im Vergleich von Halogen- und Kryptonlampen sichtbar. Während Halogen
bei einer Pulsfrequenz von 200 Hz bis 400 Hz optimal zündete, war
bei Krypton eine optimale Zündung
bei einer Pulsfrequenz zwischen 2 kHz und 3 kHz feststellbar. Das
Zündverhalten
konnte zusätzlich
durch Änderung
des Puls-Pausenverhältnisses
optimiert werden. Die bisherigen Tests zeigten bei einem Verhältnis von
etwa 30 % Puls zu 70 % Pause ein optimales Zündverhalten.
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Ebenfalls
wurde der Füllgrad
von Thermopenglasscheiben geprüft.
Auch hierzu wurden die Resonanzfrequenz optimal abgestimmt und die
Energiezufuhr minimiert. Ein optimales Zünden der mit Argon befüllten Scheiben
stellte sich hier bei einer Modulation von 100 Hz bis 200 Hz und
ebenfalls 30 % Pulszeit ein.
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Um
größere Behältnisse
testen zu können, wurde
eine Überarbeitung
des Teslatransformators bei gleichzeitigem Einsatz hochfrequenztauglicher Leistungsthyristoren
durchgeführt.
Das derzeitige Optimum des Teslatransformators liegt bei einer lose gekoppelten
Ausführung
mit primärseitig
zwölf Windungen
von 1,65 mm starkem Kupferdraht bei 6,5 cm Durchmesser und 3 mm
Steigung bzw. sekundärseitig
bei 5600 Windungen mit 0,005 mm isoliertem Kupferdraht, doppelt
gelegt auf 2,25 mm Papierisolationskörper. Mit einer solchen Einheit
können
Gase in Behältnissen
von 50 mm Durchmesser leicht ins Plasma versetzt werden.
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Die
Pulsform des Plasmas, hervorgerufen durch die Modulation und die
Trägerfrequenz
der plasmaerzeugenden Hochspannung, ermöglichte erstmals durch eine
spezielle Sensorik die automatische fremdlichtunabhängige Detektion
des erzeugten Plasmas. Das Erkennungssystem ist sogar in der Lage,
auch extrem energiearmes Plasma zu detektieren, auch beispielsweise
bereits verpackte Leuchtmittel.
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Zur
Plasmaerkennung wurde im Versuchsaufbau per Lichtleitkabel die Leuchterscheinung
des Plasmas abgegriffen und zu einem extrem empfindlichen Helligkeitssensor
geleitet. Dieser wurde in Form eines Fotodiodenarrays bereitgestellt.
Der durch das eingeleitete Licht hervorgerufene Fotostrom innerhalb
des Diodenarrays wurde zunächst
in einen Spannungspegel umgewandelt. In einer ersten Verstärkerstufe
mit einem sehr hohen Verstärkungsfaktor
von 1,5 Mio. wurde der Wechselspannungsanteil vom Grundsignal getrennt
und zur weiteren Verarbeitung zur Verfügung gestellt. Der Wechselspannungsanteil
enthält
die Grund- und die Modulationsfrequenz der plasmaerzeugenden Hochspannung.
Ein elektronischer Filter ließ nur
diejenigen Signalanteile passieren, welche durch den Hochfrequenztester
erzeugt wurden. Eine Auswerteinheit zeigte das Ergebnis der Messung
an oder stellte ein Signal zur Weiterverarbeitung bereit. Hierdurch
konnten defekte Leuchtmittel automatisch sofort aussortiert werden.
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Es
wurde bereits erläutert,
dass die Auswertung einer Plasmaerkennung bislang nur durch den visuellen
Eindruck von Bedienpersonal möglich
war. Standards über
die optischen Eindrücke
waren nur begrenzt aussagefähig,
da diese nicht fremdlichtunabhängig
arbeiten können.
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Das
neu entwickelte Verfahren erreicht demgegenüber ein höchstes Maß an Fremdlichtunabhängigkeit.
Hierzu wird ein marktübliches
Kamerasystem mit Referenzlichtquellen mit einer neuen Softwareauswertung
der aufgenommenen Plasmafarben kombiniert. Im Test wurde eine Maschinen-Technologie entwickelt
und erfolgreich getestet, welche mittels der Hochfrequenz-Vakuumprüfung eine
automatische Auswertung vornehmen kann. Die Grenzwerte der Auswertungen
beruhen auf den operativen Anforderungen der jeweiligen Industriezweige.
Hier sind insbesondere die Leuchtmittel-, Pharma-, Solar-, Glas-,
Kunststoff- und die Metallindustrie zu nennen. Darüber hinaus
sind vor allem Anwendungsgebiete in der chemischen Industrie zu
finden.
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Ziel
ist jeweils eine schnelle und gleichzeitig sichere Auswertung über eine
Integration der Prüfanlage
in eine bestehende Produktionsanlage, ohne deren Taktfrequenz zu
reduzieren. Es wurde bereits erläutert,
dass dies ohne weiteres durch die Erfindung ermöglicht wird.
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Damit
alle Anwendungsbereiche der Prüftechnik
abgedeckt werden können,
ohne jeweils eine spezielle Anfertigung der Messausrüstung durchführen zu
müssen,
ist die nun vorgestellte Technologie bevorzugt modular aufgebaut.
Alle Funktionseinheiten sind hierbei als autark arbeitende Einheiten
in einer Anlage komprimiert untergebracht und verfügen über eine
modulübergreifende,
systemeigene Schnittstelle.
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Die
Module können,
je nach der konkreten Anforderung, mit entsprechenden Sensoren und
Aktoren ausgerüstet
und als Prüfanlage
in be stehende Fertigungs- oder Abfüllanlagen integriert werden. Durch
die untereinander kompatible Modultechnik ist eine Auf- oder Umrüstung auch
nachträglich
ohne Probleme durchführbar,
so beispielsweise die Aufrüstung
einer bestehenden Druckerkennung zu einer Gaserkennung oder einer
Kamerasensorik mit einem Spektroskop.
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Es
sei ausdrücklich
darauf hingewiesen, dass eine solche modulförmige Ausgestaltung bzw. ein
sich hieraus ergebendes Aufrüstungsverfahren von
Produktions- und Prüfanlagen
auch unabhängig von
den übrigen
Aspekten der Erfindung vorteilhaft und erfinderisch ist.
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Mit
der vorgestellten Technologie ist es erstmals möglich, ganze Produktpaletten
bis hin zu den einzelnen Einheiten zu prüfen, zu bewerten, zu kennzeichnen
und zu archivieren. Der Qualitätsstandard wird
hierdurch extrem angehoben, was insbesondere die Produktion in Ländern mit
niedrigem Preisniveau ohne Qualitätsverlust in der Produktion
ermöglicht.
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Nach
den erfolgreichen Vorversuchen wurde ein Vorserienmodell für den Einsatz
in der pharmazeutischen Industrie zur Medikamentenüberwachung aufgebaut.
Die Prüflinge
wurden hierzu über
ein flexibles Bandsystem aus dem Fertigungsprozess entnommen und
dem Prüfautomaten
zugeführt.
Sie wurden dabei in mehrere Kanäle
oder Reihen positioniert. Pro Reihe bestromte eine Hochfrequenzpistole die
Prüflinge.
Die Leuchterscheinungen in der Glasverpackung wurden jeweils mit
einer speziellen Kamera erfasst und per Software ausgewertet. Parallel zur
Kameraerfassung fand eine spektroskopische Erkennung statt, welche
ebenfalls über
die Software ausgewertet wurde. Die Software verifizierte den Qualitätszustand
nach vordefinierten Grenzwerten. Die Prüflinge wurden markiert und
die erfassten Daten archiviert. Danach wurden die Prüflinge über das flexible
Bandsystem dem Fertigungsprozess wieder zugeführt. Die Geschwindigkeit der
Auswertung der Anlage spielte hierbei eine besondere Rolle, da eine Taktfrequenz
erreicht werden musste, welche den schnellsten industriellen Fertigungsanlagen
entsprach.
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Hinsichtlich
der Vakuumprüfung
ließ sich
die Güte
des Vakuums je nach der Leuchterscheinung im Inneren des Prüflings wie
folgt beurteilen:
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Bei
einem Druck zwischen 250 mbar und 0,1 mbar trat ein rotes bzw. violettes
Leuchten im Gasraum auf, welches mit abnehmendem Druck den Querschnitt
immer mehr füllte.
Es wird davon ausgegangen, dass dies vor allem von Wasserstoff,
Stickstoff und Kohlenwasserstoff herrührte.
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Im
Bereich zwischen 0,1 mbar und 0,01 mbar war eine grünlichblaue
Fluoreszenz auf der Elektrode der gegenüberliegenden Glaswand erkennbar,
ebenso wie ein blassrosafarbenes oder violettes Leuchten.
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Im
Bereich zwischen 0,01 und 0,001 mbar ging das Leuchten immer weiter
zurück,
bis bei 0,001 mbar nur noch eine grüne Wandfluoreszenz sichtbar war.
Erst bei niedrigen Drücken
hörte die
Leuchterscheinung auf.
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Ebenso
ließ sich
die Gasart erkennen: eine rötlich-violette
Leuchterscheinung wies auf das Vorkommen von Luft hin, eine hellrot-hellblaue
Leuchterscheinung auf Wasserstoff, eine bläulich-weiße Leuchterscheinung auf Wasserdampf
und viele organische Dämpfe,
eine grün-blaue
Leuchterscheinung auf Quecksilber und eine grün-graue Leuchterscheinung auf Öldämpfe. Dabei
wurde zur Lecksuche an Apparaturen und Behältnissen kein Testgas benötigt.
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Bei
ersten stichprobenartigen Prüfungen
zu Versuchzwecken bei verschiedenen Produzenten war etwa ein Drittel
der Ampullen oder Leuchtmittel schadhaft. Es liegt auf der Hand,
dass die Produktionsqualität
durch die vorgestellte Erfindung erheblich verbessert werden kann.