DE102010004083A1

DE102010004083A1 - Vorrichtung zum zerstörungsfreien Bestimmen von Gaseigenschaften in einem geschlossenen Gefäß, zugehöriges Verfahren und Gefäß, welches mit dem Verfahren bearbeitet wurde

Info

Publication number: DE102010004083A1
Application number: DE102010004083A
Authority: DE
Inventors: Peter Skaliks
Original assignee: GLOBAL NAVIGATION SYSTEMS GNS; GLOBAL NAVIGATION SYSTEMS GNS - GmbH
Current assignee: GLOBAL NAVIGATION SYSTEMS GNS; GLOBAL NAVIGATION SYSTEMS GNS - GmbH
Priority date: 2009-06-03
Filing date: 2010-01-06
Publication date: 2010-12-09
Also published as: WO2010139300A1; DE112010002259A5

Abstract

In der modernen Verpackungstechnik, zum Beispiel in der Lebensmittel- und Pharmaindustrie, aber auch in der Leuchtmittel- und Flachglasfertigung stellt sich oftmals die Aufgabe, den Innenraum von transparenten Hohlkörpern (Lampen, Glasbehälter, Isolierglas) mit definierten Gasfüllungen zu versehen.
In der Qualitätssicherung stellt sich dann das Problem, diese Gasfüllungen im Zuge der Endkontrolle zuverlässig und vor allem, ohne das Gefäß zu öffnen und damit zerstören zu müssen, zu verifizieren.
Die Erfindung sieht vor, den Energieeintrag genau so zu optimieren, dass der zeitliche Verlauf der Energie für die Bildung des Plasmas optimiert wird und durch die permanente optische Überwachung des gebildeten Plasmas ein Regelkreis gebildet wird, welcher die Stellgröße Energiezufuhr derart steuert, dass das Ergebnis zum Beispiel einer Gasdruckprüfung mit dem geringstmöglichen Energieeintrag ermittelt werden kann.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum zerstörungsfreien Bestimmen von Gaseigenschaften in einem geschlossenen Gefäß, ein zugehöriges Verfahren und ein Gefäß, welches mit dem Verfahren bearbeitet wurde
Insbesondere betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum zerstörungsfreien Bestimmen von Gaseigenschaften in einem geschlossenen Gefäß, wobei die Vorrichtung einen Plasmagenerator und eine ein Plasma analysierende Detektionseinrichtung aufweist, wobei der Plasmagenerator so ausgebildet ist, dass dieser das Plasma innerhalb des geschlossenen Gefäßes erzeugt und die Detektionseinreichtung so ausgebildet ist, dass das durch den Plasmagenerator erzeugte Plasma detektierbar ist.
In der modernen Verpackungstechnik, zum Beispiel in der Lebensmittel- und Pharmaindustrie, aber auch in der Leuchtmittel- und Flachglasfertigung stellt sich oftmals die Aufgabe, den Innenraum von transparenten Hohlkörpern (Lampen, Glasbehälter, Isolierglas) mit definierten Gasfüllungen zu versehen.
In der Qualitätssicherung stellt sich dann das Problem, diese Gasfüllungen im Zuge der Endkontrolle zuverlässig und vor allem ohne das Gefäß zu öffnen, und damit zerstören zu müssen, zu verifizieren.
Neben anderen Verfahren ist dies durch das Anlegen einer Hochspannung möglich, da sich hierdurch insbesondere bei niedrigen Gefäßdrücken charakteristische Plasmen ausbilden.
Diese Plasmen beruhen auf einer Ionisierung des Gasgemisches, was im Bereich bis hinunter zu ca. 1 Millibar umso leichter geschieht, je geringer der Druck ist. Eine geeignete Anordnung wurde in der Patentschrift DE 10 2006 027 968 A1 beschrieben.
Nachteilig ist jedoch, dass empfindliche Produkte, die sich in den Gefäßen befinden, zum Beispiel pharmazeutische Produkte, durch den Energiefluss im Plasma Schaden nehmen können, wenn das Plasma unter Einbringung unnötig hoher Energiemengen gebildet wird.
Auch können sich auf empfindlichen Oberflächen Wärmeschädigungen zeigen.
Aufgabe der Erfindung ist es, den Stand der Technik zu verbessern.
Gelöst wird die Aufgabe durch eine Vorrichtung zum zerstörungsfreien Bestimmen von Gaseigenschaften in einem geschlossenen Gefäß, wobei die Vorrichtung einen Plasmagenerator und eine ein Plasma analysierende Detektionseinrichung aufweist, wobei der Plasmagenerator so ausgebildet ist, dass dieser das Plasma innerhalb des geschlossenen Gefäßes erzeugt, und die Detektionseinrichtung so ausgebildet ist, dass das durch den Plasmagenerator erzeugte Plasma detektierbar ist, wobei die Vorrichtung einen Regler aufweist, welcher den Plasmagenerator anhand einer durch die Detektionseinrichtung gemessenen Größe so regelt, dass ein Energieeintrag zum Erzeugen des Plasmas beeinflussbar, insbesondere minimierbar, ist.
Somit liegt eine Vorrichtung vor, mit der der Energieeintrag so optimierbar ist, dass der zeitliche Verlauf der Energie für die Bildung des Plasmas einstellbar ist und durch die permanente Überwachung des gebildeten Plasmas durch die Detektionseinrichtung ein Regelkreis gebildet wird, welcher eine Stellgröße „Energiezufuhr” derart steuert, dass als Ergebnis zum Beispiel eine Gasdruckprüfung mit dem geringstmöglichen Energieeintrag vorliegt.
Das „geschlossene Gefäß” zeichnet sich dadurch aus, dass es einen Hohlraum aufweist, in dem ein Gas mit einem bestimmten Druck eingebracht ist. Weiterhin können in dem Gefäß bestimmte Produkte eingebracht sein. Auch kann das Gefäß aus einem Material bestehen, welches für das Signal transparent ist, welches durch die Detektionseinrichtung aufgenommen wird.
Der „Plasmagenerator” kann von einem Mikrocontroller gesteuert sein, welcher in der Lage ist, den Energieeintrag zum Erzeugen des Plas mas zu steuern und somit diesen Energieeintrag in Höhe und Abfolge definiert verändern kann.
In einer weiteren Ausprägungsform der Erfindung kann der Plasmagenerator als Hochfrequenzgenerator, Tesla-Transformator, Mikrowellengenerator und/oder Laser ausgebildet sein. Dadurch können Alternativen zur Plasmaerzeugung bereitgestellt werden.
Während der Hochfrequenzgenerator und der Tesla-Transformator eine hohe Spannung erzeugen, kann beispielsweise das Laserlicht so fokussiert werden, dass sich in dem Gefäß ein Plasma ausbildet. Dies kann vorteilhafterweise dazu führen, dass Schäden an dem Produkt vermieden werden, welches sich in dem geschlossenen Gefäß befindet.
Um das Plasmasignal einzufangen, kann die Detektionseinrichtung eine Optik aufweisen, durch die das Plasma optisch analysierbar ist.
In einer diesbezüglichen Ausprägungsform kann die Detektionseinrichtung einen Intensitätssensor und/oder eine Fotodiode und/oder einen Ortssensor und/oder ein Spektrometer, insbesondere mit ortsauflösenden Eigenschaften, aufweisen, wodurch ein mittels der Optik eingefangenes Plasmasignal in eine elektrische Größe transformierbar ist.
Dadurch kann sowohl die Intensität des Signals, des zu analysierenden (Plasma-)Signals als auch der Ort der Entstehung des Plasma bestimmt werden. Durch die Einflussnahme der Regelung auf den Plasmagenerator kann der Energieeintrag beeinflusst werden.
Um unterschiedliche Regler einzusetzen, kann der Regler als P-Regler, I-Regler, D-Regler, 2-Punkt-Regler, Fuzzy-Regler oder PID-Regler ausgestaltet sein. Vorteilhafterweise wird ein solcher Regler als elektronisches Bauteil, insbesondere als FPGA (Field Programmable Gate Array), hinterlegt oder vermittels eines digitalen Signalverarbeitungsalgorithmus' auf einem geeigneten Mikroprozessor implementiert.
In einer weiteren Ausprägungsform kann die Vorrichtung das geschlossene Gefäß aufweisen, wobei das geschlossene Gefäß insbesondere transparent ausgestaltet ist. Dadurch können optisch detektierbare Signale innerhalb des geschlossenen Gefäßes außerhalb durch die Detektionseinrichtung empfangen und/oder umgelenkt werden. Der hier beschriebene transparente Bereich umfasst sowohl den sichtbaren Bereich als auch den ultravioletten und nahen Infrarotbereich.
In einer diesbezüglichen Ausgestaltungsform kann das Gefäß einen Gasdruck von etwa 0,1 mbar bis etwa 1000 mbar, insbesondere zwischen 1 mbar und 100 mbar, aufweisen. Je nach Auswahl kann somit das Plasma mit geringerem oder höherem Energieeintrag erzeugt werden.
Um die Qualität des Innendrucks des zu untersuchenden Gefäßes zu bestimmen, kann die elektrische Größe in einen ausgebbaren Wert transformiert werden, wobei der ausgebbare Wert insbesondere eine Qualitätsmaßzahl repräsentiert.
In einer weiteren Ausprägungsform des Erfindungsgedankens kann die Aufgabe gelöst werden durch ein Verfahren zum zerstörungsfreien Bestimmen von Gaseigenschaften in einem geschlossenen Gefäß, wobei eine Vorrichtung eingesetzt wird, wie sie zuvor beschrieben wurde, wobei ein Energieeintrag, welcher insbesondere zum Erzeugen des Plasmas dient, durch eine oder mehrere Regelungen optimiert wird. Somit kann mit der Vorrichtung auch ein Verfahren zur zerstörungsfreien Bestimmung von Gaseigenschaften in einem geschlossenen Gefäß bereitgestellt werden.
In einer diesbezüglichen Ausführungsform kann die Regelung des Energieeintrages mittels des Plasmagenerators als Stellglied erfolgen. Beispielsweise kann die Regelung auf die Höhe der Hochspannung oder die Intensität des Laserstrahls oder die Repetitionsrate eines gepulsten Lasers eingreifen.
Um unterschiedliche Parameter zur Regelung des Plasmagenerators zu verwenden, kann die Regelung des Plasmagenerators anhand einer Stellgröße erfolgen, insbesondere anhand eines Betrages und/oder anhand einer Impulsfrequenz und/oder anhand einer Zeitdauer.
In einer weiteren Ausprägungsform des Verfahrens kann die Regelung einen oder mehrere Parameter zur Bestimmung einer Stellgröße heranziehen. So können beispielsweise in einem ermittelten Spektrum unterschiedliche Frequenzbereiche zur Regelung herangezogen werden.
In einer weiteren Ausprägungsform kann eine zusätzliche Regelung für einen Ort des Energieeintrags im geschlossenen Gefäß erfolgen. Somit kann die Regelung dahingehend eingreifen, dass der Ort der Entstehung des Plasmas verändert wird und somit beispielsweise Materialschäden am Gefäß oder am Produkt vermieden oder verringert werden.
Um die Regelung unterschiedlichen Betriebszuständen, insbesondere unterschiedlich gearteten Gefäßen anzupassen, können ein oder mehrere Parameter von einem Benutzer permanent in einem Speicher der Regelung hinterlegt werden.
In einer weiteren Ausprägungsform des Verfahrens kann eine Qualitätsmaßzahl bestimmt werden. Diese Qualitätsmaßzahl wird insbesondere dann bestimmt, wenn in dem zu untersuchenden Gefäß ein Plasma ausgebildet ist. Somit kann ein Qualitätskontrolle erfolgen, bei der die Qualität des Innendrucks anhand der Qualitätsmaßzahl bestimmbar ist.
Um vergleichbare Qualitätsmaßzahlen zu bestimmen, kann die Qualitätsmaßzahl an dem Punkt bestimmt werden, an dem der Energieeintrag minimal ist. Dieser Punkt ist insbesondere dann gegeben, wenn die Existenz des Plasmas gerade noch bestimmbar ist.
Weiterhin wird die Aufgabe gelöst durch ein Gefäß, welches einen geschlossenen Gefäßbereich aufweist, wobei der Gasdruck mittels des zuvor vorgestellten Verfahrens optimiert wurde.
Als geschlossener Gefäßbereich ist insbesondere ein Gefäßbereich zu betrachten, in dem ein Gas eingebracht ist, welches im Wesentlichen nicht aus diesem Bereich heraustreten kann.
Im Weiteren wird die Erfindung anhand eines Ausfertigungsbeispiels näher erläutert.
Dabei zeigt die einzige 1 eine schematische Darstellung der erfinderischen Vorrichtung.
In 1 ist in einem geschlossenen Bereich 102 eines transparenten Gefäßes 101 ein zu transportierendes Produkt 103 und ein Gas eingebracht. Ein Plasmagenerator 105 ist als Tesla-Transformator ausgestaltet. Alternativ kann dies auch ein gepulster Laser sein. Über eine leitende Verbindung 106 wird ein transparentes Gefäß 101 mit einer Hochspannung beaufschlagt, sodass sich ein Plasma 107 ausbildet.
Das optische Signal des Plasmas wird über eine Linse 109 auf eine Fotodiode 110 geleitet. Das Signal der Fotodiode 110 wird über eine Leitung 111 an einen Regler 113 weitergeleitetet. In dem Regler 113 erfolgt eine Signalaufbereitung und die Bestimmung eines Stellsignals, welches mittels einer Leitung 115 an den Plasmagenerator 105 weitergeleitet wird. Der Plasmagenerator 105 reduziert oder erhöht anhand des Stellsignals den Energieeintrag, welcher zur Erzeugung des Plasmas 107 notwendig ist.
In dem transparenten Gefäß 101 wird das zu transportierende Produkt 103 zusammen mit einem inerten Gas aufbewahrt. Der Gasdruck des inerten Gases beträgt etwa 10 mbar, wobei auch Drücke zwischen 1 mbar und 300 mbar möglich sind.
Der Plasmagenerator 105 erzeugt im Betrieb eine Hochspannung. Diese Hochspannung wird an das transparente Gefäß 101 angelegt. Ist die Hochspannung für die Erzeugung des Plasmas noch nicht ausreichend, wird über den Regler 113 die Hochspannung, welche der Plasmagenerator erzeugt, solange erhöht, bis sich das Plasma ausbildet. Die Detektion des Plasmas erfolgt jeweils über die Fotodiode 110, da das Plasma ein charakteristisches Leuchten erzeugt.
Der ermittelte Wert der Hochspannung repräsentiert für ein gegebenes Gasgemisch in einem gegebenen Gefäß den Innendruck, sodass er sowohl für eine Gut-Schlecht Entscheidung als auch für eine quantitaive Bestimmung des Innendruckes herangezogen werden kann. Dieser Innendruck kann ein Maß für die Qualität des zu untersuchenden Gegenstandes darstellen.
Weicht die zur Erzeugung des Plasmas benötigte Spannung von einem Referenzwert ab, kann das Produkt aus der Charge entfernt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102006027968 A1 [0006]

Claims

Vorrichtung zum zerstörungsfreien Bestimmen von Gaseigenschaften in einem geschlossenen Gefäß, wobei die Vorrichtung einen Plasmagenerator und eine ein Plasma analysierende Detektionseinrichtung aufweist, wobei der Plasmagenerator so ausgelegt ist, dass dieser das Plasma innerhalb des geschlossenen Gefäßes erzeugt, und die Detektionseinrichtung so ausgebildet ist, dass das durch den Plasmagenerator erzeugte Plasma detektierbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung einen Regler aufweist, welcher den Plasmagenerator anhand einer durch die Detektionseinrichtung gemessenen Größe so regelt, dass ein Energieeintrag zum Erzeugen des Plasmas beeinflussbar, insbesondere minimierbar, ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Plasmagenerator als Hochfrequenzgenerator, Tesla-Transformator, Mikrowellengenerator oder Laser ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionseinrichtung eine Optik aufweist, durch die das Plasma optisch analysierbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionseinrichtung einen Intensitätssensor und/oder eine Fotodiode und/oder einen Ortssensor und/oder ein Spektrometer, insbesondere mit ortsauflösenden Eigenschaften, aufweist, wodurch ein mittels der Optik eingefangenes Plasmasignal in eine elektrische Größe transformierbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Regler als P-Regler, I-Regler, D-Regler, 2-Punkt-Regler, Fuzzy-Regler oder PID-Regler ausgestaltet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung das geschlossene Gefäß aufweist, wobei das geschlossene Gefäß insbesondere transparent ausgestaltet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Gefäß einen Gasdruck von 0,1 mbar bis 1000 mbar, insbesondere von 1 mbar und 100 mbar, aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Größe in einen ausgebbaren Wert transformiert wird, wobei der ausgebbare Wert insbesondere eine Qualitätsmaßzahl repräsentiert.
Verfahren zum zerstörungsfreien Bestimmen von Gaseigenschaften in einem geschlossenen Gefäß, wobei eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8 eingesetzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein Energieeintrag, welcher insbesondere zum Erzeugen eines Plasmas dient, durch eine oder mehrere Regelungen optimiert wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung des Energieeintrags mittels eines Plasmagenerators oder eines externen Reglers, welcher auf den Plasmagenerator einwirkt, erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung des Plasmagenerators anhand einer Stellgröße, insbesondere anhand eines Betrags und/oder anhand einer Impulsfrequenz und/oder anhand einer Zeitdauer erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung einen oder mehrere Parameter zu einer Bestimmung einer Stellgröße heranzieht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine zusätzliche Regelung für einen Ort des Energieeintrags im geschlossenen Gefäß erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere Parameter von einem Benutzer permanent in einem Speicher der Regelung hinterlegbar sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass eine Qualitätsmaßzahl bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Qualitätsmaßzahl an dem Punkt bestimmt wird, an dem der Energieeintrag minimal ist.
Gefäß, welches einen geschlossenen Gefäßbereich aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasdruck mittels des Verfahrens nach einem der Ansprüche 9 bis 16 bestimmt ist.