DE102007020176B4

DE102007020176B4 - Messsystem zur Temperaturprofilmessung in Durchlauföfen

Info

Publication number: DE102007020176B4
Application number: DE200710020176
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: 2010-08-12
Anticipated expiration: 2027-04-26
Also published as: DE102007020176A1

Abstract

Messsystem zur Temperaturprofilmessung in Durchlauföfen bestehend aus einem oder mehreren Temperaturfühlern (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 und geeignet ist neben der Temperatur auch die Position des Temperaturfühlers im Durchlaufofen zu bestimmen.

Description

Die Erfindung betrifft ein 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.
Aus der OS 2 129 295 ist ebenfalls ein Messgerät zur drahtlosen Messung der Objekttemperatur in Durchlauföfen bekannt. Der Messwertaufnehmer besteht aus einem Mess-Heißleiter der in Abhängigkeit von der Temperatur die Frequenz eines gegen Wärme isolierten Sägezahngenerators verändert, die zur Modulation eines ebenfalls gegen Wärme isolierten Hochfrequenzsenders dient. Mit Hilfe eines geeigneten Empfangsgerätes kann die modulierte Sendefrequenz empfangen und aus ihr der Temperatur-Zeitverlauf des Heißleiters bzw. des zu überwachenden Werkstücks ermittelt werden.
Aus der DE 101 04 582 A1 ist des weiteren eine Einrichtung und ein Verfahren zur drahtlosen Übertragung von Funksignalen von einem Sensor zu einer Auswerteinheit, und gegebenenfalls auch umgekehrt, bekannt, das zur drahtlosen Bestimmung der Temperatur von verschiedenen Einrichtungen, insbesondere an Hüttengefäßen, vorgesehen ist. 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.
Nachteile der technischen Lösung aus der OS 2 129 295 sind ebenfalls die Notwendigkeit der thermischen Isolierung von Sägezahngenerator ,Hochfrequenzsender und Batterien bzw. die Notwendigkeit des Vorhandenseins einer Spannungsversorgung an sich. Beides führt dazu, dass eine kontinuierliche Prozessüberwachung nicht möglich ist. Zum einen schützt die thermische Isolierung nur für einen begrenzten Zeitraum die Messelektronik und die Spannungsversorgung vor Überhitzung und andererseits ist die Energiekapazität der verwendeten Batterien ebenfalls zeitlich begrenzt.
Das aus der DE 101 04 582 A1 bekannte Verfahren ist nicht geeignet, sich in einem Prozess bewegende Temperaturfühler drahtlos, lückenlos, kontinuierlich und den Prozess selbst nicht beeinflussend zu benutzen, da die Wärmekapazität der Fühler bei diesem Verfahren ebenso wie die Problematik der Fühlerfolgung nicht beachtet wurden. Dieses Verfahren ist ebenfalls nicht dazu geeignet die Position oder die Geschwindigkeit des oder der Sensoren zu ermitteln. 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 sowie die Position des Temperaturfühlers im Durchlaufofen zu bestimmen.
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. Werden mehrere Abfrageantennen benutzt und ist das System so eingestellt, dass immer nur eine Abfrageantenne ein Temperaturfühlersignal empfängt, so ist es ebenfalls möglich, nicht nur das Temperaturprofil sondern auch die Position und daraus die Durchlaufgeschwindigkeit zu ermitteln.
Wird als Temperatursensor ein Oberflächenwellenbauelement 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. verschiedene 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.

Claims

Messsystem zur Temperaturprofilmessung in Durchlauföfen bestehend aus einem oder mehreren Temperaturfühlern (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 und geeignet ist neben der Temperatur auch die Position des Temperaturfühlers im Durchlaufofen zu bestimmen.
Messsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Messsystem auch zur Geschwindigkeitsmessung des Temperaturfühlers bzw. der Temperaturfühler geeignet ist.
Messsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere Abfrageantennen (6) als Dipol ausgebildet sind und parallel zur Temperaturprofildurchlaufrichtung im Ofen (9) ausgerichtet sind.
Messsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere Abfrageantennen (6) als Monopol ausgebildet sind und quer zur Temperaturprofildurchlaufrichtung ausgerichtet sind.
Messsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere Abfrageantennen (6) als planare Antennen ausgebildet sind.
Messsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der oder die Temperaturfühler (1) ohne aktive Elektronik und elektrochemische Energieversorgung arbeiten.
Messsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere Fühlerantennen (3) als planare Antennen ausgeführt sind.
Messsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere Fühlerantennen (3) als Monopol ausgeführt sind.
Messsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der oder die Temperatursensoren (2) Oberflächenwellenbauelemente sind.
Messsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der oder die Temperatursensoren (2) als Oberflächenwellenresonatoren ausgeführt sind.
Messsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatursensoren (2) über individuell variierbare zur eindeutigen Unterscheidung geeigneten Eigenschaften verfügen.
Messsystem nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatursensoren zur Kollisionsvermeidung über unterschiedliche Arbeitsfrequenzbereiche verfügen.
Messsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Reichweite der Signalübertragung so einstellbar ist, das jeweils nur eine Abfrageantenne (6) ein Signal eines Temperaturfühlers (1) empfangen kann.