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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur direkten Überwachung
eines Plasmastrahls, insbesondere eines unter Atmosphärendruck
erzeugten, kalten Plasmastrahls. Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin
ein für die Überwachung des kalten Plasmastrahls
geeignetes Verfahren.
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Plasma,
auch bekannt als der „vierte Aggregatszustand”,
entsteht, wenn man einem gasförmigen System kontinuierlich
Energie zuführt, bis sich eigenständig große
Mengen an freien Elektronen bilden. Dadurch werden in dem System
einige neutralen Atome oder Moleküle des Gases aktiviert,
um negativ geladene Elektronen, positiv oder negativ geladene Ionen
und andere Spezies zu entwickeln. Der hohe wirksame Energiehaushalt
von Plasmen erlaubtes, Anwendungsprozesse zu fahren, die während
der üblich bekannten Zustände von Materie schwierig
oder gar unmöglich sind.
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Insbesondere
eignet sich „kaltes” Plasma, bei dem die Neutralgastemperatur
relativ gering ist und sich dabei bevorzugt im Zimmertemperaturbereich
bewegt, die Oberflächen von thermisch empfindlichen Substraten
zu behandeln bzw. diese chemisch-physikalisch zu verändern.
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Unter
Oberflächenbehandlung wird in diesem Zusammenhang ein Prozess
verstanden, bei dem die Oberfläche eines Substrats mittels
Plasma konditioniert, aktiviert, beschichtet oder in sonstiger Weise
durch das Plasma modifiziert oder gereinigt wird. Erforderlich ist
eine derartige Oberflächenbehandlung mittels Plasma beispielsweise
bei vielen thermoplastischen Kunstoffen, aber auch bei anderen thermisch
sensiblen Substraten, deren Oberflächen eine sehr geringe
Oberflächenenergie aufweisen, so dass eine Benetzung mit
einer Flüssigkeit mit höherer Oberflächenspannung
erschwert wird. In Folge dessen kommt es zum Abperlen der Flüssigkeit
und somit auch zu einem schlechten Aufbau einer Verbundfestigkeit
wie z. B. zu Klebstoffen. Entscheidend für eine erfolgreiche
Oberflächenbehandlung ist es, die Oberflächen
von Substraten nicht ungewollt zu schädigen z. B. die Materialfestigkeit
oder Zähigkeit zu schwächen. Dabei muss verhindert
werden, dass die Oberfläche der Substrate auf Grund von
zu hohen thermischen Einwirkungen an- oder aufgeschmolzen wird oder
es zu sonstigen unbeabsichtigten chemischen Reaktionen kommt. Dazu
eignet sich insbesondere „kaltes” Plasma.
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Die
Prozessführung der Oberflächenbehandlung ist von
zahlreichen, von außen einstellbaren, Parametern, wie Stromstärke,
Spannung, Gasfluss etc., abhängig und bedarf einer kontinuierlichen Prozessüberwachung.
Ausschlaggebend für die tatsächliche Oberflächenmodifikation
ist jedoch neben den in der Peripherie einstellbaren Prozessparametern
auch der erzeugte Plasmastrahl selbst. Daher ist es für
eine wünschenswert zuverlässige Oberflächenbehandlung
auch notwendig, die Intensität, bzw. Eigenschaften des
eigentlichen Plasmastrahls zu detektieren und zu überwachen.
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Hierfür
finden sich im Stand der Technik zahlreiche Anregungen: Beispielsweise
offenbart die
DE 101
40299 A1 ein Verfahren zur Messung charakteristischer Eigenschaften
eines Plasmastrahls in einem thermischen Spritzprozess, wobei dem
Plasma Spritzmaterialien zugeführt werden und die vom Plasma
ausgesandte Lichtstrahlung auf Lichtleitfasern abgebildet wird.
Die Lichtstrahlung wird dabei auf das eine Ende der in einem ein-
oder zweidimensionalen Array angeordneten Lichtleitfasern abgebildet.
Mittels eines am anderen Ende der Lichtleitfaser angeordneten Spektrometers
wird eine Spektralzerlegung der in der Lichtleitfaser geführten
Lichtstrahlung durchgeführt. Zudem werden die Frequenzspektren
zur Ermittlung des momentanen Zustandes des Spritzprozesses in einem
Prozessor ausgewertet. Ein weiteres Verfahren, das eine Spektralanalyse von
Plasmen vorschlägt, ist aus der
DE 197 08 462 A1 bekannt
geworden.
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Als
Alternative zu den optischen Analysen ist es aus dem Stand der Technik
auch bekannt, indirekte Rückschlüsse auf die Plasmaintensität
des erzeugten Plasmastrahles zu ziehen, indem die Veränderungen
der Oberflächentemperatur der zu behandelnden Güter
als Maß für die Plasmaqualität herangezogen
wird. Ein derartiges Verfahren wird beispielsweise in der
EP 1 270 095 beschrieben.
Kerngedanke dieser Publikation ist es, die mit der Zeitdauer der
Plasmabehandlung ansteigende Temperatur der Oberfläche
zu erfassen und für die Beurteilung der Qualität
der Vorbehandlung heranzuziehen. Maßgeblich ist dabei der
Temperaturanstieg im Vergleich zur Temperatur der Oberfläche
vor der Vorbehandlung und nicht die absolute Temperatur. Die Temperaturerfassung
soll zudem zeitnah zur Vorbehandlung der Oberfläche erfolgen,
da sich die Oberfläche ansonsten wieder abkühlt.
Dieses Verfahren lässt jedoch keine direkte Aussage über
den eigentlichen Plasmastrahl zu, sondern zieht indirekte Rückschlüsse
auf das Ergebnis der Vorbehandlung aus einer Qualitätskontrolle
der vorbehandelten Substrate.
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Die
in der
DE 101 40299
A1 ,
DE 197
08 462 A1 oder der
EP
1 270 095 beschriebenen diagnostischen Verfahren, die auf
optischer Basis arbeiten oder eine Temperaturerfassung vornehmen,
sind mit einem hohen anlagentechnischen Aufwand verbunden, der zudem
durch eine große Störanfälligkeit der eingesetzten
Systeme gekennzeichnet ist. Dies kann beispielweise an einer Verschmutzung
der verwendeten Sensoren liegen, die in Folge dessen falsche Messergebnisse
liefern. Auch handelt es sich insgesamt betrachtet bei den derzeit
erhältlichen diagnostischen Systemen um sehr kostenintensive
und hochkomplexe Anlagen, die dennoch keine zuverlässige
Aussage für eine Überwachung eines Plasmastrahls
liefern.
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Unter Überwachung
wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung sowohl eine quantitative Feststellung
des Vorhandenseins eines Plasmastrahls, also eine Ein-/Aus-Detektion
des Plasmastrahls, als auch eine qualitative Feststellung für
Kriterien des Plasmastrahls, wie die Intensität, Homogenität
oder die Strömungsgeschwindigkeit, verstanden.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es demnach, eine Vorrichtung zur
direkten Überwachung eines Plasmastrahls anzugeben, bei
der der anlagentechnische Aufwand minimiert ist und die trotz eines
nur mehr geringen apparativen Aufwandes eine zuverlässige
Aussage über den erzeugten Plasmastrahl zulässt
und sich zudem unanfällig für Verschmutzung oder
andere äußere Einflüsse zeigt. Weiterhin
ist es Aufgabe der Erfindung, ein möglichst einfaches Verfahren
anzugeben, das mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
durchgeführt werden kann.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zur Überwachung eines
Plasmastrahls mit den Merkmalen des ersten Patenanspruches sowie
mit einem Verfahren des nebengeordneten siebten Patentanspruches
gelöst. Die Unteransprüche betreffen jeweils besonders
bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung, bezogen auf die Vorrichtung
bzw. das Verfahren.
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Die
allgemeine erfinderische Idee besteht darin, den zwischen dem erzeugten
Plasmastrahl und dem Gehäuse des Plasmagenerators auftretenden
Potentialunterschied zu detektieren und den daraus resultierenden
Stromfluss zur Überwachung, d. h. als Indikator für
das Vorhandensein oder den Zustand des Plasmas, heranzuziehen. Es
hat sich gezeigt, dass dieser Potenzialunterschied, bzw. der daraus
resultierende Stromfluss, eine zuverlässige Auswertung
des Plasmastrahlzustandes mit nur geringen anlagentechnischem Aufwand
ermöglicht. Auf besonders vorteilhafte Weise wird dafür
ein hitzebeständiger Stromabnehmer, beispielsweise in Form
eines Wolframdrahtes, räumlich im Bereich des erzeugten
Plasmastrahls angeordnet, während das andere Ende mit dem
Gehäuse des Plasmagenerators elektrisch leitend verbunden
ist, der Storm über einen Anpasswiderstand zu einer Messeinheit
geleitet, das Signal an einen Messverstärker übertragen
und anschließend einer Auswerteeinheit zugeführt.
Ob es sich bei dem zu überwachenden Plasmastrahl um einen
Plasmagenerator handelt, der mittels einer Bogenentladung, einem
Piezoelement, einer dielektrisch behinderten Entladung oder eine
Koronaentladung arbeitet, ist unerheblich. Die erfindungsgemäße Vorrichtung
bzw. das erfindungsgemäße Verfahren zur direkten Überwachung
eines Plasmastrahls lässt sich gleichermaßen für
alle physikalischen Plasmaerzeugungsarten einsetzen, da in allen
aufgezählten Fällen ein Potentialunterschied zwischen
dem erzeugten Plasmastrahl und dem Gehäuse des Plasmagenerators
detektierbar ist. Weiterhin ist es für das Wesen der Erfindung
unerheblich, ob der Plasmastrahl mittels Gleich- oder Wechselspannung
betrieben wird. Dies ergibt sich daraus, dass die Erzeugung eines
Plasmas – auf welche Weise auch immer- unter der Voraussetzung
eines Potentialunterschiedes geschieht.
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Der
jeweilige Plasmastrahl von mehreren Plasmageneratoren, die zu einer
einzigen Anlage verschaltet werden, kann auf einfache Weise überwacht
werden, indem jeweils eine erfindungsgemäße Vorrichtung
an jedem einzelnen Plasmageneratoren angeordnet wird. Das erfindungsgemäße
Verfahren lässt dann eine direkte Aussage über
den Plasmastrahl jedes einzelnen Plasmagenerators und damit der
ganzen Anlage zu, wobei die Daten der Überwachung an einer
einzigen Auswerteeinheit angezeigt werden können.
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Da
die erfindungsgemäße Vorrichtung auf besonders
einfache Weise außen an dem Plasmagenerator befestigbar
ist, und nicht in den inneren konstruktiven Aufbau eingreift, ist
die Vorrichtung mit nur wenig notwenigen Anpassungen an handelsüblichen Plasmageneratoren
nachrüstbar.
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Die
Erfindung soll nachstehend an Hand von Zeichnungen noch näher
erläutert werden.
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Es
zeigen:
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1 eine
erfindungsgemäße Vorrichtung zur direkten Überwachung
eines Plasmastrahls
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2 einen
schematischen Ablaufplan eines erfindungsgemäßen
Verfahrens zur direkten Überwachung eines Plasmastrahls.
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Nachstehend
soll die in 1 schematisch dargestellte erfindungsgemäße
Vorrichtung zur direkten Überwachung eines Plasmastrahls
näher erläutert werden. Sie zeigt einen Plasmagenerator
mit einem elektrisch leitenden Gehäuse 1, in dessen
Inneren eine zentrale Mittelelektrode 2 angeordnet ist, die
gleichzeitig eine vertikale Mittelachse verkörpert. Das
leitende Gehäuse 1 ist dabei besonders bevorzugt
rotationssymmetrisch ausgebildet und weist an seiner Stirnseite
eine Öffnung für einen erzeugten Plasmastrahl 5 auf.
Durch die geometrischen Abmessungen der massiv ausgebildeten Mittelelektrode 2 und
dem leitenden Gehäuse 1 entsteht zwischen den
beiden Bauteilen eine Kammer 10, in die, während
des Betriebes des Plasmagenerators, ein Prozessgas 4 über
eine nicht dargestellte Einlassöffnung in Pfeilrichtung
strömt.
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Für
eine Zündung des Plasmagenerators wird die zentrale Mittelelektrode 2 mittels
einer Spannungsquelle 3 auf Hochspannung gelegt, während das
als Gegenelektrode wirkende Gehäuse 1 geerdet
ist. Es bildet sich in Folge dessen zwischen der Mittelelektrode 2 und
dem geerdeten Gehäuse 1 eine Bogenentladung aus.
Der Plasmagenerator kann wahlweise mit hochfrequenter Wechselspannung, Gleichspannung
oder aber auch gepulster Gleichspannung betrieben werden. Während
des Betriebes wird zudem über die nicht dargestellte Einlassöffnung das
Prozessgas 4 in das Innere des Gehäuses 1 eingeleitet,
welches in Pfeilrichtung an der Mittelelektrode 2 vorbeiströmt
und das geerdete Gehäuse 1 an dessen offenen Stirnseite
in Form eines erzeugten Plasmastrahls 5 verlässt.
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Dieser
seit langem bekannte Aufbau eines Plasmagenerators nach dem Entladungsprinzip
der physikalischen Bogenentladung ist nur exemplarisch dargestellt,
um nachfolgend das Wesen der Erfindung bzw. die erfindungsgemäße
Vorrichtung zu erklären. Die erfindungsgemäße
Vorrichtung zur direkten Überwachung eines kalten Plasmastrahls
ist jedoch auch auf andere Plasmaerzeugungsarten, wie die dielektrisch
behinderte Entladung, die Koronaentladung oder die Plasmaerzeugung
mittels eines Piezoelements, anwendbar.
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Um
direkte Rückschlüsse auf den Zustand des Plasmastrahls 5 zu
detektieren, ist in dem räumlichen Bereich des Plasmastrahls 5,
an der stirnseitigen Öffnung des geerdeten Gehäuses 1,
ein Stromabnehmer 9 angeordnet, während das andere
Ende des Stromabnehmers 9 mit dem Gehäuse 1 leitend
in Verbindung steht. Anstatt des hier dargestellten Stromabnehmers 9 ist
im Rahmen der Erfindung auch jede andere Bauform einer Detektor-Elektrode möglich,
die die Erfassung eines Stromes gestattet. Bei dem Stromabnehmer 9 kann
es sich beispielweise auch um einen gewöhnlichen hitzebeständigen Wolframdraht
oder einen als Ringdüse ausgebildeten Stromabnehmer 9 handeln.
Im Rahmen der Erfindung ist es auch möglich, den Stromabnehmer 9 innerhalb
des Gehäuses 1 zu positionieren. Der während
des Betriebes im Inneren des Gehäuses 1 erzeugte
Plasmastrahl 5 ist elektrisch hoch leitend. Diese Eigenschaft
wird erfindungsgemäß verwendet, um über
den Potenzialunterschied zwischen der zentralen Mittelelektrode 2 und
dem geerdetem Gehäuse 1 und dem in dem erzeugten
Plasmastrahl 5 positionierten und am anderen Ende mit dem
Gehäuse 1 elektrisch verbundenen Stromabnehmer 9 einen
detektierbaren Stromfluss in diesem damit geschlossenen Stromkreis
für direkte Rückschlüsse auf den Plasmastrahl
zu nutzen. In diesem Stromkreis sind zudem ein Anpasswiderstand 8 und
eine Strommesseinrichtung 6 eingeschleift, wobei die Strommesseinrichtung 6 ihrerseits
wiederum mit einem Messverstärker 7 verbunden
ist, der seinerseits mit einer Ausgabeeinheit 11 zusammenwirkt.
Durch den Anpasswiderstand 8 wird der Strom auf für
die Strommesseinrichtung 6 geeignete Werte begrenzt.
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2 zeigt
in einem schematischen Ablaufplan die einzelnen Verfahrensschritte
eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur direkten Überwachung
eines Plasmastrahls. In einem ersten Verfahrensschritt wird zunächst
ein Plasmastrahl erzeugt. Es ist nach dem Wesen der Erfindung unerheblich, auf
welche Art und Weise der Plasmastrahl erzeugt wird und ob es sich
um ein kaltes oder heißes Plasma handelt.
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In
einem nächsten Verfahrensschritt wird ein elektrischer
Strom auf einen in dem erzeugten Plasmastrahl positionierten Stromabnehmer übertragen. Verursacht
wird der messbare elektrische Strom durch einen auftretenden Potentialunterschied
in einem geschlossenen Stromkreis zwischen geerdetem Gehäuse
und erzeugtem Plasmastrahl während des Betriebes des Plasmagenerators.
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Nachfolgend
findet eine Anpassung des elektrischen Stroms auf den Messbereich
einer Strommesseinrichtung mittels eines Anpasswiderstandes statt.
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Wiederum
nachfolgend wird der zwischenzeitlich angepasste elektrische Strom
mittels einer Strommesseinrichtung gemessen. Bei der Strommesseinrichtung
kann es sich um ein gewöhnliches Amperemeter mit geeignetem
Signalausgang handeln.
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In
einem nochmals nachfolgenden Verfahrensschritt wird der gemessene
elektrische Strom mittels eines Messverstärkers verstärkt
und abschließend einer Ausgabeeinheit zugeführt.
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Bei
vielen industriellen Anwendungen, die typischerweise ohne Beobachtung
laufen, ist eine quantitative Ein-Aus-Detektion ausreichend, da
eine wesentliche Fehlermöglichkeit das Nicht-zünden oder
Verlöschen des Plasmastrahls ist. Kann dies mit einer Vorrichtung
zum Überwachen eines Plasmastrahls sicher erkannt werden,
wird bereits eine zwingende Anforderung der industriellen Anwender
erfüllt. In zweiter Linie erst geht es den industriellen
Anwendern um eine qualitative Feststellung der Kriterien des Plasmastrahls,
wie die Intensität, Homogenität oder die Strömungsgeschwindigkeit.
Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung können
jedoch sowohl quantitative, als auch qualitative Aussagen über
den erzeugten Plasmastrahl getroffen werden.
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Auf
besonders vorteilhafte Weise können in der Ausgabeeinheit
bestimmte Grenzwerte oder Kennfelder nichtflüchtig gespeichert
werden, wodurch ein Soll-Ist-Vergleich, d. h. ein Vergleich des aktuell
in der Ausgabeeinheit stehenden Wertes mit nichtflüchtig
gespeicherten Grenzwerten, ermöglicht wird. Daraus wiederum
kann ein Warnsignal sowohl für die quantitative Feststellung
des Vorhandenseins eines Plasmastrahls, also eine Ein-/Aus-Detektion des
Plasmastrahls, als auch die qualitative Feststellung für
Kriterien des Plasmastrahls, wie die Intensität, Homogenität
oder die Strömungsgeschwindigkeit, abgeleitet und für
eine Regelung typischer Parameter des Plasmastrahls, wie z. B. Stromstärke
oder Gasdurchfluss, herangezogen werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10140299
A1 [0006, 0008]
- - DE 19708462 A1 [0006, 0008]
- - EP 1270095 [0007, 0008]
