-
Stand der Technik
-
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Kalibrieren eines optisch arbeitenden Sensors, insbesondere für die Messung von Schmierfilmdicken.
-
Die Tribologie untersucht Reibung, Schmierung und Verschleiß an Bauteilen, wie z. B. in Kraftstoffeinspritzsystemen, Pumpen und Motoren. Die Betrachtung vor allem der Schmierung von zwei oder mehreren relativ zueinander bewegten Reibpaarungen ist Bestandteil umfangreicher tribologischer Untersuchungen. Neben der reinen computerunterstützten Simulation der Reibungs- und Schmierbedingungen ist es unerlässlich, mittels geeigneten Sensoren Messungen von z. B. Schmierfilmdicke an den vorhandenen Bauteilen durchzuführen.
-
Für den Messeinsatz der Sensoren ist es erforderlich diese zu kalibrieren. Das Kalibrieren von Sensoren zum Messen von Schmierfilmdicken ist schwierig. Ein Grund dafür ist, dass für einen Kalibriervorgang genau bekannte Schmierfilmdicken bereitgestellt werden müssen. Für die oben genannten Einsatzgebiete bewegen sich die Schmierfilmdicken zum Beispiel im Bereich von 10 nm und 100 μm. Die genaue Einstellung derart geringer Schmierfilmdicken ist sehr aufwendig und/oder sie sind bereits zu Beginn eines Kalibriervorganges ungenau oder verändern sich in zeitlicher Abhängigkeit.
-
Als Messverfahren kommen bei Sensoren zur Messung von Schmierfilmdicken unterschiedliche Verfahren zum Einsatz, so zum Beispiel Ultraschallmessung, elektrische Widerstandsmessung und kapazitive Messung. Vorzugsweise werden jedoch Sensoren mit einem optischen Messverfahren verwendet, wie zum Beispiel optische Interferometrie oder Laser induzierte Fluoreszenz (LIF). Sie zeigen charakteristisch ein hohes räumliches Auflösungsvermögen und schnelle Antwortzeiten beim Messen. Außerdem haben sie den Vorteil den Kontakt zum Fluid über eine Faser herzustellen, so dass der Sensor selber entfernt platziert werden kann. Die optischen Verfahren nutzen die Fähigkeit zur Fluoreszenz bei Fluiden aus, wenn diese bestrahlt werden. Die gemessene Intensität der Fluoreszenz korreliert mit der Fluiddicke. Die Fluoreszenz wird nochmals verstärkt, wenn fluoreszierender Farbstoff dem Fluid beigemischt wird. Ein grundlegender Nachteil dieser optisch arbeitenden Sensoren ist, dass durch den Messvorgang selbst zumindest im Bereich der Messung bzw. Kalibrierung die optischen Eigenschaften des Fluids und damit dessen Fluoreszenz verändert wird. Werden Moleküle eines Fluids durch ein optisches Verfahren wie Laser-induzierte Fluoreszenz (LIF), Infrarot oder Interferometrie bestrahlt, kommt es zu photochemischen Reaktionen im Fluid, insbesondere infolge lokaler Erwärmung des Fluids. Daraus resultiert eine lichtinduzierte Schädigung, Zerstörung bzw. Veränderung der Fähigkeit des Fluids zur Fluoreszenz. Der Effekt ist unter dem Begriff „Photobleichung” bekannt. Kalibriervorgänge, die an Stellen des Fluids durchgeführt werden, die bereits die oben beschriebene Veränderung der Fluoreszenz aufweisen, sind somit fehlerbehaftet.
-
Um den Effekt der sich verändernden Fluoreszenz zu minimieren, muss die lokale Erwärmung des Fluids infolge der Bestrahlung unterbunden werden. In dem Artikel „Calibration of the Laser Fluorescence Technique Compared With Quantum Theory” von David P. Hoult, Masaaki Takiguchi, Tribolology Transactions, Volume 34 (1991), No. 3, S. 440–444 wird eine Vorrichtung beschrieben, bei der ein Schmierfilm mit definierter Dicke nur kurzzeitig bestrahlt wird. Hierzu wird ein Shutterrad verwendet, welches im Strahlengang des Sensors angeordnet ist, und den Strahlengang kontinuierlich unterbricht. Die Fluiddicke ist festgelegt durch eine in eine Aluminiumscheibe geätzte Vertiefung, in welche das Fluid eingebracht wird. Hierbei muss die Aluminiumscheibe ausgetauscht werden, um die Kalibrierung für eine andere Fluiddicke durchführen zu können. Somit ist eine kontinuierliche Messung über eine veränderliche Fluiddicke nicht möglich.
-
In der Schrift ”Using Fiber Optics and Laser Fluorescence for Measuring Thin Oil Films with Application to Engines” von D. E. Richardson und G. L. Borman, Society of Automotive Engineers, SAE Paper No. 912388 (1991) wird eine statische Kalibriervorrichtung beschrieben, bei der zwei Metallbauteile in Öl eingetaucht sind. Mit Hilfe einer Positioniereinheit wird der Abstand des ersten Bauteils zum zweiten Bauteil eingestellt und somit auch die Dicke des dazwischen befindlichen Ölfilms festgelegt. Der Sensor ist durch eine Faser mit dem zweiten Bauteil verbunden. Somit steht als Messpunkt das Faserende in Kontakt mit dem Ölfilm. Für einen Kalibriervorgang wird das erste Bauteil in Richtung der optischen Achse der Faser verfahren, so dass neues Öl in den neu entstandenen Zwischenraum nachfliessen kann. Anschließend wird der Abstand beider Bauteile für eine erforderliche Ölfilmdicke neu eingestellt. Hierbei kann beim nächsten Kalibriervorgang noch anteilig Öl im Kalibrierbereich vorliegen, welches bereits im vorherigen Vorgang bestrahlt wurde. Dadurch besteht die Gefahr, dass infolge des Effekts der Photobleichung, wie oben beschrieben, die Fluoreszenzfähigkeit des Öls an dieser gemessenen Stelle verändert ist und somit die Kalibrierung verfälscht wird. Demzufolge ist auch eine Sensorkalibrierung bei einer kontinuierlich veränderten Fluiddicke durch konstantes Verfahren des zweiten Bauteils nicht fehlerfrei durchführbar. Außerdem erfordert die Sensorkalibrierung für ein anderes Fluid die Reinigung der ganzen Vorrichtung.
-
Im Artikel ”Calibration of an optical fluorescence method for film thickness measurement”, von A. C. Jones, M. Millington, J. Muhl, J. M. De Freitas J. S. Barton und G. Gregory, im Measurement Science and Technology Vol. 12, S. N23–N27, (2001) wird ein Kalibriersystem beschrieben, welches eine obere Stahlplatte und eine untere, mit Hilfe einer Positioniereinheit vertikal bewegliche Stahlplatte aufweist. Zwischen beiden Platten wird Öl eingebracht. Die Dicke des Ölfilms entspricht dem Abstandsmaß beider Stahlplatten und kann über die Positioniereinheit variabel eingestellt werden. Das beschriebene Kalibriersystem ist geeignet für das Kalibrieren von Sensoren nach dem Ultraschallverfahren. Dadurch, dass keine optische Bestrahlung stattfindet, ist die Problematik einer sich verändernden Fluoreszenzfähigkeit des Ölfilms nicht gegeben.
-
Aus der Schrift 'Investigation of cavitation development in the lubricant film of piston-ring assemblies' von A. Dhunput M. Teodorescu und C. Arcoumanis, Journal of Physics: Conference Series Vol. 85, (2007), No. 012005 ist eine Messvorrichtung zur dynamischen Erfassung von tribologischen Schmierfilmzuständen bekannt. Über die Vorrichtung ist die Relativbewegung eines Zylinderkolbenringes zu einer Zylinderwandung nachgebildet. Gemessen wird hierbei die sich während der Relativbewegung zwischen dem Zylinderkolbenring und der Zylinderwandung einstellende Schmierfilmdicke und der Schmierfilmdruck. Die Relativbewegung wird eingeleitet mittels eines rotatorischen Antriebes und einer Schubstange. Damit die Messergebnisse durch eingeleitete Vibrationen nicht verfälscht werden, ist der Antrieb schwingungsisoliert angeordnet. Die Schmierfilmdicke wird gemessen durch Bestrahlen des Schmierfilmes mittels Laserlicht und Erfassen der dann im Schmierfilm ausgelösten Fluoreszenzwirkung. Der zur Erfassung der Fluoreszenz vorgesehen optische Sensor kann durch die Messvorrichtung selbst kalibriert werden. Die Kalibrierung erfolgt durch Lösen und Verkippen der Schubstange um einen fixen Drehpunkt.
-
Vorteile der Erfindung
-
Die erfindungsgemäße Vorrichtung hat gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass die Kalibrierqualität und -verlässlichkeit bei Sensoren erhöht wird, welche nach einem optischen Messverfahren arbeiten und zum Messen von Fluiddicken eingesetzt werden.
-
Hierzu befindet sich ein Fluid zwischen sich relativ zueinander beweglichen Bauteilen. Der Abstand der Bauteile zueinander entspricht der Fluiddicke und lässt sich variabel einstellen. Der zu kalibrierende Sensor ist durch eine Faser mit einem der Bauteile verbunden. Somit steht als Messpunkt das Faserende in Kontakt mit dem Fluid. Die Bauteile werden derart zueinander bewegt, dass min. eine Richtungskomponente senkrecht zur Richtung der optischen Achse der Faser liegt. Hierbei wird aufgrund der Adhäsionskräfte zwischen den Oberflächen der beiden Bauteile und dem Fluid, das Fluid mitbewegt. Dadurch bewegt sich auch zuvor bestrahltes Fluid aus dem Bereich der optischen Achse der Faser heraus. Für einen neuen Kalibriervorgang ist damit sichergestellt, dass im Kalibrierbereich ein neues Fluid vorhanden ist, dessen Fluoreszenzfähigkeit unverändert ist.
-
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist, dass neben einer „statischen” Kalibrierung auch eine „dynamische” Kalibrierung erfolgen kann. Kennzeichnend hierfür ist, dass das Fluid und der Messpunkt des Sensors zum Zeitpunkt des Kalibriervorganges relativ zueinander in Bewegung sind. Dadurch ist eine zuverlässige Kalibrierung der Messdaten des optisch arbeitenden Sensors bei unterschiedlichen Fluiddicken in sehr kurzer Zeit möglich. Insbesondere ist das Kalibrieren in feinen Raster der Fluiddicken möglich.
-
Die erfindungsgemäße Vorrichtung hat weiterhin den Vorteil durch einen sehr einfachen Aufbau besonders dünne Fluiddicken für Kalibriervorgänge bereitzustellen. Insbesondere Schmierfilmdicken von Fluiden wie Öl, Diesel- und Benzinkraftstoffe in den Dickenbereichen von 1 μm bis 50 μm bei Öl, 100 nm bis 1 μm bei Dieselkraftstoff und 10 nm bis 100 nm bei Benzinkraftstoffen können gemessen werden. Derartige Bereiche kommen in den eingangs genannten Einsatzgebieten, wie Kraftstoffeinspritzsystemen, Pumpen und Motoren, vor.
-
Zusätzlich können auf einfachster Weise mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung weitere qualitative Verifizierungen von messtechnischen Anforderungen an den Sensor durchgeführt werden. Beispielsweise kann der Einfluss der Oberflächenrauhigkeiten der lateral zueinander bewegten Bauteile auf das gemessene Sensorsignal untersucht werden. Ferner ist es möglich die Wiederholgenauigkeit des Sensors bei gleichen gemessenen Fluiddicken festzustellen. Des Weiteren kann bei einer „dynamischen” Messung die Linearität des Sensors über die Fluiddicken überprüft werden.
-
Ebenfalls vorteilhaft ist die einfache Möglichkeit, die erfindungsgemäße Vorrichtung innerhalb einer Druck- und/oder Temperaturkammer einzusetzen, und damit den Kalibriervorgang an real vorherrschende Einsatzrahmenbedingungen anzupassen.
-
Zeichnung
-
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen
-
1 einen Längsschnitt durch einen vereinfachten Gesamtaufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, 2 ein Schema zur allgemeinen Funktionsweise, 3a und 3b die Krafteinleitung für eine relative Bewegung der Bauteile zueinander bei unterschiedlichen Ausbildungsformen, 4a und 4b ein Prinzipschema der Schwenkelemente, 5a, 5b und 5c verschiedene Ausführungsformen für die Anbindung der Schwenkelemente an die Bauteile, 6 eine Abwandlung nach 1.
-
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
-
In 1 ist mit 10 eine Vorrichtung zum Kalibrieren von optisch arbeitenden Sensoren, insbesondere zur Messung von Schmierfilmdicken, bezeichnet. Die Vorrichtung 10 hat ein U-förmig ausgestaltetes Sockelgestell 20, wobei auf den Stirnseiten 21 der beiden Schenkel 22 eine Sensorplatte 30 aufgeschraubt ist. Im Innenraum 23 des Sockelgestells 20 sind am Boden 24 des Sockelgestells 20 Schwenkelemente 40 beweglich befestigt, die mit ihren gegenüberliegenden Enden 41 an einer im Querschnitt T-förmig ausgestalteten Schwenkplatte 50 ebenfalls beweglich befestigt sind. Die Schwenkelemente 40 sind in der 1 als Platten ausgebildet, die oben und unten jeweils mit zwei Dehnelementen 43 befestigt sind oder elastisch aufgehängt sind. Die Oberseite 55 der Schwenkplatte 50 ist im Ausführungsbeispiel planparallel zur Unterseite 35 der Sensorplatte 30 angeordnet, ist jedoch nicht zwingend notwendig. Durch eine Öffnung 36 in der Sensorplatte 30 ist eine optische Faser 60 geführt, deren Ende bündig mit der Unterseite 35 der Sensorplatte 30 mit einem Messpunkt 61 abschließt. Am anderen Ende der optischen Faser 60 ist ein in der Zeichnung nicht dargestellter optisch arbeitender Sensor angeordnet. Zwischen der Schwenkplatte 50 und der Sensorplatte 30 befindet sich ein Fluid 70. Der senkrechte Steg 51 der im Querschnitt T-förmigen Schwenkplatte 50 ist mit Hilfe einer Schubstange 80 mit einem Stellantrieb 90 verbunden. Die Schubstange 80 führt über den Steg 51 hinaus zu einem auf der gegenüberliegenden Seite, außerhalb des Sockelgestells 20 angeordneten Positioniersensor 100.
-
Eine einfache Möglichkeit das Fluid 70 in den Spalt zwischen der Sensorplatte 30 und der Schwenkplatte 50 einzubringen ist, zum Beispiel mit Hilfe einer Pipette das Fluid 70 seitlich an den Spalt zu halten, wobei durch Kapillarwirkung das Fluid 70 eingesogen wird und an beiden Oberflächen haftet und somit den vorhandenen Spalt vollkommen ausfüllt. Alternativ kann die komplette Vorrichtung 10 in das Fluid 70 kurzzeitig eingetaucht werden. Maßgeblich für die Kalibrierung des optisch arbeitenden Sensors ist das Abstandsmaß zwischen dem Messpunkt 61 und senkrecht zur optischen Achse der Faser 60 liegenden Oberseite 55 der Schwenkplatte 50. Dieser Abstand entspricht dem Dickenmaß des dort befindlichen Fluids 70. Das Abstandsmaß und damit auch die Dicke des Fluids 70 ändert sich, wenn über den Stellantrieb 90 die Schubstange 80 in deren Achsrichtung bewegt wird und dabei eine Kraft in den Steg 51 der Schwenkplatte 50 eingeleitet wird. 2 zeigt ein Schema der allgemeinen Funktionsweise. Dargestellt ist eine Schwenkeinheit 12 als vereinfachter Teil der Vorrichtung 10 mit der Schwenkplatte 50 und den flexibel angebundenen Schwenkelementen 40 mit der Länge L. Die Schwenkplatte 50 ist im Gegensatz zur 1 ohne den Steg 51 dargestellt, um die Erläuterung für die allgemeine Funktionsweise zu vereinfachen. Die gestrichelte Darstellung in 2 zeigt die Ausgangsstellung der Schwenkeinheit 12, bei der die Schwenkelemente 40 vertikal stehen und keine Kraft auf die Schwenkplatte 50 wirkt. Mit durchgezogener Linie ist die Schwenkeinheit 12 im ausgelenkten Zustand dargestellt. Hierbei wirkt mittig auf die Stirnfläche 56 der Schwenkplatte 50 eine Kraft, die mit Pfeil F bezeichnet ist. Die Kraft F wird mit Hilfe des Stellantriebes 90 und der Schubstange 80 eingeleitet, kann jedoch auch durch eine beliebige andere technische Ausführung mit identischer Kraftwirkung erfolgen. Die Kraftrichtung zeigt dabei parallel zur Oberseite 55 der Schwenkplatte 50. Die Kraft F bewirkt, dass sich die Schwenkplatte 50 um das Maß x in Kraftrichtung bewegt. Gleichzeitig werden die Schwenkelemente 40 ebenfalls in Kraftrichtung F seitlich geneigt. Dadurch wird die Schwenkplatte 50 zusätzlich um das Maß y in Richtung lotrecht zur Oberseite 55 bewegt. Die Schwenkplatte 50, die Schwenkelemente 40 und das Sockelgestell 20 bilden zu jeder Zeit im Querschnitt gesehen ein Parallelogramm ab. Die Schwenkplatte 50 bleibt in jedem Auslenkungszustand planparallel zu ihrer Ausgangslage. Maßgeblich hierfür ist eine sehr plane Oberfläche der Oberseite 55. Ebenso die exakte Einhaltung der Seitenverhältnisse eines Parallelogramms in jeder Schwenkstellung der Schwenkeinheit 12, so dass bei einer Schwenkbewegung ein Verkippen der Schwenkplatte 50 ausgeschlossen ist. Eine bewährte Möglichkeit ist das Ende der Faser 60 sphärisch auszubilden. Damit können Ausrichtungsfehler der Oberseite 55 zur optischen Achse der Faser 60 etwas ausgeglichen werden. Ferner ist darauf zu achten, dass durch die Krafteinleitung selbst keine nachteilige Geometrieveränderung auf das erforderliche Parallelogramms einwirkt. Es wird daher vorgeschlagen die Krafteinleitung in die Schwenkeinheit 12 mit einem Drehgelenk auszuführen bzw. eine elastische Anbindung zu realisieren. Der Zusammenhang der Auslenkung der Schwenkplatte 50 um das Maß x und das sich ergebende Maß y lässt sich über nachfolgende Gleichung beschreiben: Y(x) = (C/L)·x2 (1)
-
Dabei entspricht
- – X der relativen Auslenkung der Schwenkplatte 50 in Richtung senkrecht zur plan ausgeführten Oberseite 55 der Schwenkplatte 50
- – Y der relativen Auslenkung der Schwenkplatte 50 in Richtung lotrecht zur plan ausgeführten Oberseite 55 der Schwenkplatte 50
- – L der Länge der Schwenkelemente 40
- – C einem Strukturfaktor, der von der Geometrie der Schwenkelemente 40 und der Art der Anbindung dieser an die Schwenkplatte 50 bzw. dem Sockelgestell 20 abhängt. Üblicherweise liegt C im Bereich von 0,5 bis 1
-
Damit ergibt sich, wie in 1 ersichtlich, im ausgelenkten Zustand eine zu ihrer Ausgangsstellung planparallel versetzte Schwenkplatte 50. Dies führt zu einem veränderten Abstand der Oberseite 55 bezogen auf den Messpunkt 61 der Faser 60 und somit der Dicke des dazwischen befindlichen Fluids 70. Das Maß x der Auslenkung der Schwenkplatte 50 wird durch den Positioniersensor 100 erfasst. Im Ausführungsbeispiel wird hierzu die Bewegung der Schubstange 80 durch den Positioniersensor 100 gemessen. Vergleichbar kann auch an einer anderen Stelle der Vorrichtung ein Positioniersensor 100 angeordnet sein. Die sich infolge der Schwenkbewegung hierbei einstellende Fluiddicke ergibt sich dann nach oben beschriebener Gleichung (1) und entspricht dem Maß y. Das Fluid 70 mit der Dicke y wird für einen Kalibriervorgang am Messpunkt 61 in Achsrichtung der optischen Faser 60 bestrahlt. Dadurch wird im Kalibrierbereich das Fluid 70 zur Fluoreszenz angeregt. Die Intensität der Fluoreszenz des Fluids 70 wird am Messpunkt 61 durch den an der optischen Faser 60 angeschlossenen optisch arbeitenden Sensor erfasst. Der Kalibriervorgang für die Fluiddicke y ist abgeschlossen, wenn dass Messsignal des Sensors der eingestellten Fluiddicke y zugeordnet wird.
-
Der Kalibriervorgang wiederholt sich für weitere Fluiddicken in gleicher Weise. Hierzu wird die Schwenkplatte 50 um ein Maß Δx ausgelenkt, wobei sich nach Gleichung (1) eine Fluiddicke Δy zwischen der Oberseite 55 und dem Messpunkt 61 der Faser 60 ergibt. Aufgrund der Adhäsionskräfte zwischen der Oberflächen 55 der Schwenkplatte 50, der Oberfläche 35 der Sensorplatte 30 und dem Fluid 70, wird das Fluid 70 mitbewegt. Dadurch, dass die Bewegungsrichtung der Schwenkplatte 50 in Richtung der Kraft F senkrecht zur optischen Achse der optischen Faser 60 liegt, bewegt sich das im vorherigen Kalibriervorgang bereits bestrahlte Fluid 70 aus dem Kalibrierbereich heraus. Zugleich fließt in den Kalibrierbereich anteilig neues Fluid 70 nach, welches bisher noch nicht bestrahlt wurde. Für einen dann nachfolgenden Kalibriervorgang liegt am Messpunkt 61 ein neues Fluid 70 vor, dessen Fluoreszenzfähigkeit unverändert ist. Damit kann eine fehlerfreie Kalibrierung des Messignals zur Fluiddicke Δy erfolgen. Die Schwenkeinheit 12 dient somit als Funktionselement mit dessen Hilfe das bei einer ersten Messung bestrahlte Fluid 70 für eine nachfolgende zweite Messung aus dem Kalibrierbereich bewegt wird, so dass am Messpunkt 61 dann ein unbestrahltes Fluid 70 vorliegt. Als Funktionselement mit gleicher Wirkung könnte auch ein Element vorgesehen werden, welches durch zum Beispiel eine Druck- oder Saugkraft oder ein anderes Kraftprinzip das Fluid 70 in beschriebener Weise in Richtung der Kraft F in Bewegung setzt.
-
Wird die Schwenkplatte 50 kontinuierlich um das Maß x1 verfahren, ist eine „dynamische” Kalibrierung der Messsignale des optisch arbeitenden Sensors zu der sich ebenfalls kontinuierlich ändernden Fluiddicken y1 möglich. Die Kalibrierung kann in einem sehr feinen Raster fehlerfrei erfolgen, da wie oben beschrieben, durch die Bewegung der Schwenkplatte 50 selbst bewirkt wird, dass kontinuierlich ein neuer Anteil des Fluids 70 mit unveränderter Fluoreszenzfähigkeit im Kalibrierbereich vorliegt. Damit kann in sehr kurzer Zeit eine vollständige Kalibrierung des optisch arbeitenden Sensors erfolgen. Für jeden kalibrierten optisch arbeitenden Sensor lässt sich zusätzlich auf diese Weise für den kalibrierten Bereich der Fluiddicken die Linearität der Messsignale bezogen auf die Fluiddicke y sehr schnell überprüfen. Die Messsignale können zum Beispiel zur Visualisierung als Messkurve auf einem Bildschirm dargestellt werden.
-
Ferner kann ein Einfluss der Oberflächenrauhigkeiten auf der Oberseite 55 der Schwenkplatte 50 auf das Messsignal des optisch arbeitenden Sensors geprüft werden. Dadurch, dass die Schwenkplatte 50 für jeden nachfolgenden Kalibriervorgang relativ zum Messpunkt 61 verfahren wird, wird im Kalibrierbereich ein vom vorherigen Vorgang abweichender Teil der Oberseite 55 der Schwenkplatte 50 mitbestrahlt.
-
Wird die Kalibrierung für die gleiche Fluiddicke mehrfach wiederholt, kann die Wiederholgenauigkeit der Messsignale bezogen auf die Fluiddicke y verifiziert werden. Auch hier wird für jeden nachfolgenden Kalibriervorgang die Schwenkplatte 50 um ein Maß Δx verfahren. Anschließend wird die Schwenkplatte 50 wieder auf die Ausgangsposition zurückgefahren und damit wieder die gleiche Fluiddicke y am Messpunkt 61 eingestellt. Auf diese Weise wird auch hier sichergestellt, dass für den nachfolgenden Kalibriervorgang am Messpunkt 61 ein neues Fluid 70 anliegt, dessen Fluoreszenzfähigkeit unverändert ist.
-
In 3 wird die prinzipielle Krafteinleitung in die Schwenkplatte 50 weiter erläutert. In 3a ist die Schwenkplatte 50 wie in der 2 ohne den Steg 51 ausgeführt. Die Kraft F wird mittig in die Stirnseite 56 der Schwenkplatte 50 eingeleitet. Unter Beachtung des Kräftegleichgewichts kann bei dieser Ausführungsform ein resultierendes Kippmoment auf die Schwenkplatte 50 entstehen. Dieses Kippmoment muss durch die Steifigkeit der Schwenkelemente 40 aufgenommen werden können. Andererseits kommt es zu einem Verkippen der Schwenkplatte 50 relativ zur Sensorplatte 30. Die Oberseite 55 der Schwenkplatte 50 ist dann nicht mehr senkrecht zur optischen Achse der Faser 60. Damit ist im Kalibrierbereich die sich nach Gleichung (1) einstellende Fluiddicke durch ein zusätzliches Versatzmaß infolge der Verkippung der Schwenkplatte 50 verfälscht. In 3b wird eine Ausführungsform der Schwenkplatte 50 gezeigt, wie sie bereits aus der 1 bekannt ist. Die Schwenkplatte 50 ist im Querschnitt gesehen T-förmig ausgestaltet. Die Kraft F wird hierbei in den Steg 51 auf der Höhe der halben Länge L der Schwenkelemente 40 eingeleitet. Unter Beachtung des Kräftegleichgewichts ist hier kein resultierendes Kippmoment mehr vorhanden. Demnach wird zu keinem Zeitpunkt der Auslenkung der Schwenkplatte 50 die erforderliche Planparallelität zu ihrer Ausgangstellung gefährdet und die Gleichung (1) gilt uneingeschränkt für die sich einstellende Fluiddicke y. Diese Ausführungsform wird daher bevorzugt verwendet.
-
In einer alternativen Ausführung ist die Faser 60 durch eine Öffnung 36 in der Schwenkplatte 50 geführt. Das Ende der Faser 60 schließt bündig mit der Oberseite 55 der Schwenkplatte 50 mit einem Messpunkt 61 ab. Allerdings ist zu beachten, dass bei dieser Ausführung bei der Schwenkbewegung der Schwenkeinheit 12 durch die dann mitgezogene Faser 60 in nachteiliger Weise Zusatzkräfte entstehen. Diese können sich störend auf den Bewegungsablauf auswirken sowie die Parallelogramgeometrie negativ beeinflussen.
-
Nach Gleichung (1) ist der Bewegungsablauf und damit die sich einstellende Fluiddicke y abhängig von einer Konstante, welche sich aus dem Quotienten des Strukturfaktors C und der Länge L der Schwenkelemente 40 ergibt. Der Strukturfaktor C ergibt sich für die Vorrichtung in Abhängigkeit der konstruktiven Ausführung der Schwenkelemente 40 und deren Art der Anbindung an die Schwenkplatte 50.
-
Der Strukturfaktor C wird unter Berücksichtigung der mechanischen Kinematikgesetze bzw. bei sehr komplexer Ausführung auch durch FEM (Finite Element Methode) für die Vorrichtung bestimmt. In 4 werden verschiedene Ausführungsformen der Schwenkelemente 40 dargestellt. In 4a sind die Schwenkelemente 40b als starre Platten ausgebildet. Sie sind an ihren oberen Ende 41b und unteren Enden 42b mit Hilfe von Kugellagern 45 drehbar an das Sockelgestell 20 und die Schwenkplatte 50 befestigt. Der Strukturfaktor C liegt bei dieser Ausführungsform bei etwa 0,5. Wirkt auf die Stirnfläche 56 der Schwenkplatte 50 eine Kraft F, so wird ein ausgelenkter Zustand in bereits beschriebener Weise erreicht. Die eingesetzten Kugellager 45 rufen jedoch zusätzliche Reibungskräfte hervor. Hierbei können in ungünstigem Falle Stick-Slip-Effekte auftreten, die zu einem ruckartigen Bewegungsablauf führen. In 4b sind die Schwenkelemente 40a vollständig als elastische Blattfedern ausgebildet und über ihre unteren Enden 42a und oberen Enden 41a an das Sockelgestell 20 und die Schwenkplatte 50 flexibel befestigt. Im ausgelenkten Zustand infolge der einwirkenden Kraft F auf die Stirnfläche 56 der Schwenkplatte 50 werden die Schwenkelemente 40a über ihre gesamte Länge L gebogen. Der Dickenquerschnitt der Blattfedern über ihre Länge muss dabei nicht notwendigerweise konstant bleiben. Davon abhängig ergibt sich ein Strukturfaktor C > 0,6. In 5a, b und c werden mögliche Arten der Anbindung der Schwenkelemente 40 an die Schwenkplatte 50 dargestellt. In 5a und 5b sind die Schwenkplatte 50 mit den Schwenkelemente 40 einteilig hergestellt. Das obere Ende 41 der Schwenkelemente 40 sind an ihren Übergang zur Schwenkplatte 50 elastisch und nachgiebig gestaltet, indem in diesem Bereich die Wandstärken minimiert sind. Fertigungsverfahren wie Drahterodieren oder Bohren können hier zum Einsatz kommen und gewährleisten eine hohe Fertigungsgenauigkeit. Der Übergang in 5a entspricht weitgehend einem dünnwandigen Steg, während 5b Ausbauchungen aufweist. In 5c ist das obere Ende 41 der Schwenkelemente 40 mit Hilfe eines flexiblen Verbindungselementes 43 mit der Schwenkplatte 50 verschraubt. Die Anbindung der Schwenkelemente 40 an das Sockelgestell 20 kann grundsätzlich in gleicher oder vergleichbarer Weise erfolgen.
-
In 6 ist eine Vorrichtung 10a mit einer zusätzlicher Faserlifteinheit 200 dargestellt. Hier ist keine Sensorplatte 30 auf den Schenkeln 22 des Sockelgestells 20 angeordnet. Vielmehr ist ein Faserblock 210 auf den Stirnseiten 21 der beiden Schenkel 22 des Sockelgestells 20 befestigt. Im Bereich der Schwenkplatte 50 ist der Faserblock 210 ausgespart, so dass hier die Sensorplatte 30 nun einseitig am Faserblock 210 befestigt werden kann. Im nicht ausgelenkten Zustand der Schwenkplatte 50 liegt diese mit ihrer Oberseite 55 plan an der Unterseite 35 der Sensorplatte 30 an. Die optische Faser 60 ist zusätzlich durch eine Bohrung im Faserblock 210 geführt und wird im Inneren durch eine seitlich angebrachte Verstelleinheit 220 gehalten. Mit Hilfe der Verstelleinheit 220 kann das ansonsten bündig mit der Unterseite 35 der Sensorplatte 30 abschließende Ende der optischen Faser 60 um ein Versatzmaß δy verschoben werden. Somit hat das Ende der optischen Faser 60 auch im Ausgangszustand keinen mechanischen Kontakt zur Oberseite 55 der Schwenkplatte 50. Damit wird eine mechanische Beschädigung der Faser infolge der Schwenkbewegung der Schwenkplatte 50 ausgeschlossen. Das Versatzmaß δy kann über eine Messskala an der Verstelleinheit 220 abgelesen werden. Dieses Versatzmaß δy muss dann zusätzlich in Gleichung (1) für die Kalibrierung des Sensors bezogen auf die Fluiddicke y berücksichtigt werden.
-
Um die Realbedingungen nachzubilden, unter welchen der kalibrierte Sensor zum Einsatz kommen wird, kann das Fluid 70 temperatur- und/oder druckbeaufschlagt werden. Die Temperierung des Fluids kann dabei z. B. durch Heiz- oder Kühlelemente auf der Sensorplatte 30 und/oder Schwenkplatte 50 erfolgen oder durch das Einsetzen der kompletten Vorrichtung 10 in eine Temperaturkammer. In ähnlicher Weise kann durch Verwendung der Vorrichtung 10 innerhalb einer Vakuum- oder Druckkammer der Druckzustand des Fluids variiert werden.
-
Bevor die Vorrichtung 10 erstmalig für die Kalibrierung von optisch arbeitenden Sensoren in Betrieb genommen wird, ist die fehlerfreie Funktion zu überprüfen. Da bei derart kleinen Fluiddicken < 100 μm bereits kleinste Abweichungen der für die Kalibrierung einzustellenden definierten Fluiddicken die Kalibrierung verfälschen können ist insbesondere auf eine toleranzgenaue Herstellung der verwendeten Bauelemente der Vorrichtung 10 zu achten. Vor allem wichtig ist, dass der Querschnitt der Schwenkplatte 50 zusammen mit den Schwenkelementen 40 und dem Sockelgestell 20 ein hochpräzises Parallelogramm abbilden. Weicht man z. B. durch unterschiedliche Längen L der einzelnen Schwenkelemente 40 von der Form des Parallelogramms ab, so kommt es zu einem Verkippen der Schwenkplatte 50 relativ zur Sensorplatte 30. Die Schwenkplatte 50 ist dann nicht mehr senkrecht zum Messpunkt 61. Damit ist im Kalibrierbereich die sich nach Gleichung (1) einstellende Fluiddicke durch ein zusätzliches Versatzmaß infolge der Verkippung der Schwenkplatte 50 verfälscht. Aus diesem Grund sollte die Geometrie der Vorrichtung einmalig vermessen werden. Dies kann z. B. über eine 3D-Koordinatenmessmaschine oder einem Profilprojektor erfolgen. Dabei kann die zweidimensionale Abbildung auf einem optischen Schirm präzise ausgemessen werden. Werden Fehler im Aufbau der Vorrichtung 10 festgestellt, muss in geeigneter Art und Weise die Vorrichtung nachjustiert werden. Letztendlich kann die Bewegung der Schwenkplatte 50 und somit der sich ergebenden Fluiddicke y nach der Gleichung (1) messtechnisch verifiziert werden. Dazu kann an das Ende der Faser 60 anstelle des normalerweise damit verbundenen zu kalibrierenden Sensor ein Interferometer angeschlossen werden. Mit Hilfe der optischen Faser 60 werden Strahlen bis zum Messpunkt 61 geführt und dort ausgeleitet, an der Oberseite 55 der Schwenkplatte 50 rückreflektiert und mit Hilfe des Messpunktes 61 und der optischen Faser 60 vom Interferometer erfasst. Dadurch wird eine geometrische Abstandsmessung der Schwenkplatte 50 zum Messpunkt 61 im Sub-Micro-Bereich durchgeführt. Hierzu muss sich kein Fluid 70 zwischen der Schwenkplatte 50 und der Sensorplatte 30 befinden. Wird bei einer „dynamischen” Messung die gemessenen Abstände übereinstimmend mit der Gleichung (1) bestätigt, ist die Kalibriervorrichtung 10 für einen Kalibriereinsatz abgenommen.
