DE102007020176A1

DE102007020176A1 - Messsystem zur Temperaturmessung in Durchlauföfen

Info

Publication number: DE102007020176A1
Application number: DE102007020176A
Authority: DE
Inventors: Jens Kuhn
Original assignee: Heinz Meßtechnik GmbH; HEINZ MESTECHNIK GmbH
Current assignee: Heinz Meßtechnik GmbH; HEINZ MESTECHNIK GmbH
Priority date: 2007-04-25
Filing date: 2007-04-25
Publication date: 2008-10-30
Anticipated expiration: 2027-04-26
Also published as: DE102007020176B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Messsystem zur Temperaturprofilmessung in Durchlauföfen, bestehend aus einem Temperaturfühler (1) und einer Abfrageeinheit (5), dadurch gekennzeichnet, dass der Temperaturfühler (1) aus einem Temperatursensor (2), verbunden mit einer impedanzangepassten Fühlerantenne (3), besteht, passiv betrieben wird, frei beweglich ist und eine sehr kleine Wärmekapazität besitzt und dass die Abfrageeinheit (5) aus einer Abfrageelektronik (7), außerhalb des Ofenraums angeordnet, und einer oder mehreren Abfrageantennen (6), im Inneren des Ofens (9) angeordnet, besteht.

Description

Die Erfindung betrifft eine Messsystem zur drahtlosen, lückenlosen, kontinuierlichen und unverfälschten Temperaturprofilmessung in Durchlauföfen.
Die Messung, Einstellung und Kontrolle der Einhaltung eines bestimmten Temperaturprofils ist bei vielen Durchlauföfen von großer Bedeutung.
Gelöst wird diese Aufgabe bei Prozesstemperaturen über 125°C bisher mit Hilfe von Thermoelementschleppelementen, thermisch hochisolierte Temperaturloggern oder mit Hilfe von Infrarotthermometern.
Thermoelementschleppelemente, z. B. Stannol Thermologger 5000, bestehen aus einem i. a. mehrkanaligen Thermoelementlogger und diversen Mantelthermoelementen. Zur Messung des Temperaturprofils werden die Thermoelemente an einem Prüfgegenstand befestigt und anschließend dem Temperaturprofil ausgesetzt. Die von den Thermoelementen gelieferten Temperaturwerte werden in dem Logger als Temperatur-Zeitverläufe abgespeichert.
Die Funktion eines thermisch hochisolierten Datenloggers, z. B. Elcometer 215 Ofentemperatur Datenlogger, beruht darauf, dass die sich im Inneren befindliche Messelektronik aufgrund der hohen thermischen Trägheit des Gesamtsystems nur sehr langsam erhitzt oder abkühlt. Beim Durchlaufen des Temperaturprofils erfasst der Logger die Temperaturen der sich außerhalb der Isolierung befindlichen Temperatursensoren und zeichnet sie auf.
Mit Hilfe von Infrarotthermometern ( EP 0862 962 A3 ) kann man punktuell die Oberflächentemperaturen der im Temperaturprofil bewegten Gegenstände messen. Aus der DE 37 29 644 A1 ist ein Verfahren zur drahtlosen, kontinuierlichen Temperaturmessung an einem Werkstück beim Durchlaufen eines Bearbeitungsprozesses bekannt.
Schleppelemente sind aufwendig in ihrer Handhabung, da die Thermoelemente an den Prüfgegenständen befestigt werden müssen. Beim Durchlaufen durch den Prozess ist darauf zu achten, dass die Thermoelemente nicht von den Messstellen gelöst oder die Elemente selbst zerrissen oder kurzgeschlossen werde. Es kann oft nur der Prüfkörper allein gemessen werden. Dieses Verfahren ist nicht für einen Dauereinsatz geeignet.
Thermisch hochisolierte Temperaturlogger haben i. a. nicht die selben thermisch, dynamischen Eigenschaften wie die Gegenstände die das Temperaturprofil eigentlich durchlaufen sollen und verfälschen somit das zu messende Profil. Sie können nur für einen gewissen Zeitraum Temperaturen oberhalb der Arbeitstemperatur der aktiven Elektronik und der Energiespeicher, i. a. max. 125°C, ausgesetzt werden und sind deshalb auch nicht für einen ständigen Einsatz geeignet. Aufgrund ihrer Größe können sie für Durchlauföfen mit geringer Durchlaufhöhe nicht eingesetzt werden.
Infrarotthermometer sind nur für eine punktuelle Erfassung der Profiltemperatur geeignet und benötigen wie alle optischen Verfahren eine freie Sicht auf die Gegenstände die das Temperaturprofil durchlaufen sollen. Sie ermitteln prinzipbedingt immer nur die Oberflächentemperatur der anvisierten Oberflächen. Bei vielen Prozessen ist aber die Kenntnis der Volumentemperatur sehr wichtig. Sollen größere Bereiche des Durchlaufofens überwacht werden, so ist ein großer Abstand des Infrarotthermometers vom Transportband notwendig. Dieser ist jedoch oft aufgrund einer geringen Durchlaufhöhe nicht realisierbar. Das aus der DE 37 29 644 A1 bekannte Verfahren zur kontinuierlichen, drahtlosen Temperaturmessung beruht auf der Verwendung einer autarken Funksensorik. Da diese Funksensorik jedoch mit konventioneller, aktiver Elektronik arbeitet ist ihr Einsatztemperaturbereich auf den Funktionstemperaturbereich der Elektronik, i. a. –40°C bis 125°C, beschränkt.
Aufgabe der Erfindung ist es ein Messsystem zu schaffen, dass es ermöglicht das Temperaturprofil eines Durchlaufofens bei sehr niedrigen oder sehr hohen Temperaturen drahtlos, lückenlos, kontinuierlich und unverfälscht zu messen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Temperaturprofilmesssystem mit einer Abfrageeinheit und einem passiven Temperaturfühler gelöst. Die Abfrageeinheit besteht aus einer Abfrageelektronik und einer oder mehreren Antennen, die mittels Koaxialleitungen verbunden sind. Der passive Temperaturfühler wird aus einem Temperatursensor und einer Antenne gebildet. Sensor und Antenne besitzen eine so geringe Masse, dass sie das zu messende Temperaturprofil nicht verfälschen. Als Temperatursensor kommt ein Oberflächenwellenbauelement, das als ein Resonator oder eine Verzögerungsleitung, z. B. auch mit individuellen Eigenschaften zur eindeutigen Unterscheidung, ausgebildet ist, zum Einsatz. Dieses Oberflächenwellenbauelement wird durch einen Hochfrequenzsignal, das durch die Abfrageeinheit erzeugt und ausgesendet wird, angeregt und strahlt selbst nach Beendigung der Anregung über die Fühlerantenne ein Hochfrequenzsignal aus, das zumindest eine Temperaturinformation über seine Substrattemperatur enthält. Aus dem zurückgesendeten Signal wird die Eigenfrequenz des Oberflächenbauelements ermittelt und daraus die Temperatur des Sensors errechnet.
Mit Hilfe dieses Temperaturprofilmesssystems ist es möglich, Temperaturprofile drahtlos, lückenlos, kontinuierlich und unverfälscht, sowohl bei sehr niedrigen als auch bei sehr hohen Umgebungstemperaturen, zu messen. Ist es bei langen Temperaturprofilen notwendig mehrere Abfrageantennen zu benutzen und ist das System gleichzeitig so eingestellt, dass immer nur eine Abfrageantenne ein Temperaturfühlersignal empfängt, so ist es ebenfalls möglich, nicht nur das Temperaturprofil sondern auch die Position und somit auch die Durchlaufgeschwindigkeit zu ermitteln.
Wird als Temperatursensor ein Oberfächenwellenbauelement mit individueller Kennung, z. B. durch verteilte Reflektoren oder mit verschiedenen Arbeitsfrequenzbereichen oder Kennlinien verwendet, so kann man auch mehrere verschiedene Temperaturfühler gleichzeitig individuell erfassen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben.
Es zeigen:
1: einen Temperaturfühler mit einem Oberflächenbauelement und einer planaren Antenne auf einer Platine
2: einen Temperaturfühler und eine Abfrageeinheit mit Abfragedipolantenne in einem Durchlaufofen
3: mehrere Temperaturfühler unter einer als Monopol ausgebildeten Abfrageantenne in einem Durchlaufofen
4: einen Temperaturfühler unter einem Abfrageantennenarray aus Monopolen in einem Durchlaufofen
5: einen Temperaturfühler als Einschraubfühler ausgeführt
Soll das Temperaturprofilmesssystem in einem kurzen Durchlaufofen 9 mit niedriger Durchlauföffnung verwendet werden, z. B. in einem Reflowofen, so ist es sinnvoll den Temperaturfühler 1 als planare Anordnung wie in 1 gezeigt auszuführen. Der Temperatursensor 2 wird hierzu zusammen mit einer planaren Fühlerantenne 3 auf einer Platine 4 angeordnet.
Die Abfrageantenne 6, als Dipol ausgeführt, wird hierzu parallel zum Transportband 10 im Ofen 9 montiert (2). Die Abfrageelektronik 7 der Abfrageeinheit 5 ist vor den Prozesstemperaturen abgeschirmt außerhalb des Ofenraums im Ofen 9 platziert. Die Verbindung zwischen der Abfragelektronik 7 und der Abfrageantenne 6 wird durch eine Koaxialleitung 8 hergestellt.
Falls die Abfrageantenne 6 nicht parallel zum Band 10 montiert werden kann, so kann man die Abfrageantenne 6 auch als Monopol quer zur Bandlaufrichtung ausführen (3). Besitzen die verwendeten Temperatursensoren 2 individuelle Eigenschaften, z. B. verschiedenen Arbeitsfrequenzbereiche, so kann man den Temperaturverlauf von mehreren Temperaturfühlern 1 gleichzeitig erfassen.
Ist das Temperaturprofilmesssystem mit mehreren Abfrageantennen 6 so konfiguriert worden, dass das Temperaturfühlersignal immer nur von einer Abfrageantenne 6 empfangen werden kann, so ist es möglich neben der Temperatur auch die Position des Temperaturfühlers 1 zu erfassen (4).
Bei Öfen 9 mit großer Durchlauföffnung kann man den Temperaturfühler 1 auch als Einschraubfühler 11 und die Fühlerantenne 3 als Monopol gestalten (5).
Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele begrenzt. Sie ist prinzipiell bei allen Durchlauföfen mit Temperaturen unterhalb oder oberhalb des Arbeitstemperaturbereiches konventioneller Elektronik vorteilhaft anwendbar.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- EP 0862962 A3 [0006]
- DE 3729644 A1 [0006, 0009]

Claims

Messsystem zur Temperaturprofilmessung in Durchlauföfen bestehend aus einem Temperaturfühler (1) und einer Abfrageeinheit (5) dadurch gekennzeichnet, dass der Temperaturfühler (1) aus einem Temperatursensor (2) verbunden mit einer impedanzangepassten Fühlerantenne (3) besteht, passiv betrieben wird, frei beweglich ist und eine sehr kleine Wärmekapazität besitzt und das die Abfrageinheit (5) aus einer Abfrageelektronik (7), außerhalb des Ofenraums angeordnet, und einer oder mehreren Abfrageantennen (6), im Inneren des Ofens (9) angeordnet, besteht.
Messsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abfrageantenne (6) als Dipol ausgebildet ist und parallel zur Temperaturprofildurchlaufrichtung im Ofen (9) ausgerichtet ist.
Messsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abfrageantenne (6) als Monopol ausgebildet ist und quer zur Temperaturprofildurchlaufrichtung ausgerichtet ist.
Messsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abfrageantenne (6) als planare Antenne ausgebildet ist.
Messsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperaturfühler (1) ohne aktive Elektronik und elektrochemische Energieversorgung arbeitet.
Messsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fühlerantenne (3) als planare Antenne ausgeführt ist.
Messsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fühlerantenne (3) als Monopol ausgeführt ist.
Messsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperatursensor (2) ein Oberflächenwellenbauelement ist.
Messsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperatursensor (2) als Oberflächenwellenresonator ausgeführt ist.
Messsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperatursensor (2) über individuell variierbare zur eindeutigen Unterscheidung geeigneten Eigenschaften verfügt.
Messsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Reichweite der Signalübertragung so einstellbar ist, das jeweils nur eine Abfrageantenne (6) ein Signal des Temperaturfühlers (1) empfangen kann.