DE102014003118B4

DE102014003118B4 - Messvorrichtung zur simultanen ortsgleichen Messung von Kräften geladener und ungeladener Teilchen und elektrischen Strömen

Info

Publication number: DE102014003118B4
Application number: DE102014003118.7A
Authority: DE
Inventors: gleich Patentinhaber Erfinder
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2014-03-11
Filing date: 2014-03-11
Publication date: 2023-06-29
Anticipated expiration: 2034-03-12
Also published as: DE102014003118A1

Abstract

Messvorrichtung zur simultanen ortsgleichen Messung ortsaufgelöst in einem Teilchenfluss von auf deren Messfläche einwirkenden Kraftkomponenten geladener und/oder ungeladener Teilchen und von mindestens einem durch elektrisch geladene Teilchen generierten elektrischen Strom aufweisend eine Messvorrichtung mit- einem Stator mit mindestens zwei unterschiedlichen stromdurchflossenen Spulenwicklungen mit unterschiedlichen Windungszahlen, die so am Stator befestigt sind, dass das durch den Strom in der Spule erzeugte Magnetfeld von der Verbindungsachse zwischen zwei Lagerbuchsen durchstossen wird und einer Halterung mit den zwei sich gegenüberliegenden und gegenüber der Halterung elektrisch isolierten Lagerbuchsen für die Drehachse eines Rotors,- einem in dem Stator drehbar gelagerten Rotor mit einer Pendelachse, die aus zwei voneinander elektrisch isolierten Hälften besteht, mit mindestens zwei zueinander gegensinnig gepolten Permanentmagneten, einem daran befestigten leitenden und isolierten Pendelarm mit mindestens einer am freien Ende des Pendels befestigten Messfläche, die leitend mit jeweils einer Hälfte der Pendelachse verbunden ist, und an seinem anderem Ende ein entlang der Pendelachse befestigtes verstellbares Gewicht,- einem Sensorfeld, bestehend aus mehreren Sensorelementen und einer diesem gegenüberliegenden Licht emittierenden Quelle, zur Erfassung der Auslenkung des Pendels in seiner Schwingebene zwischen den Sensorelementen und der Licht emittierenden Quelle und- einer Mess- und Auswerteelektronik.

Description

Stand der Technik
Allgemein sind Kraftmessungen mit piezoelektrischen, piezoresistiven, magnetoelastischen, kapazitiven und induktiven Kraftsensoren, wie auch Kraftsensoren mit Schwingsaiten- und Dehnungsmeßstreifen bekannt.
Im speziellen werden derzeit Schübe von elektrischen Antrieben für die Raumfahrt mit Schubwaagen nach dem Pendelprinzip gemessen,wobei der elektrische Antrieb selbst ein Teil des Pendels ist. Die Aufnahme eines räumlichen Profiles des durch den elektrischen Antrieb erzeugten Strahles ist systembedingt nicht möglich.
Für die Strahldiagnostik werden Messungen der im Strahl auf eine Messfläche gerichteten Ströme mittels elektrostatischer Sonden, z.B. Faraday-Becher, durchgeführt. Die Messungen ermöglichen eine ortsaufgelöste Erfassung des Strahlprofils in axialer und radialer Richtung.
Des Weiteren sind Experimente mit an passiven Pendeln befestigte Messflächen für die Kraftmessung in strömenden Plasmen bekannt.
Bei den ohne Kompensation verwendeten passiven Pendel verändert sich systembedingt die Schrägstellung der Messfläche und deshalb auch der Auftreffwinkel der Strahlteilchen auf die Messfläche. Abhängig von der Schräglage der Messfläche ändert sich infolge des Sputtereffektes die gemessene Kraft.
Ebenfalls ist auch eine kraftkompensierende Pendel-Messvorrichtung mit angehängter Messfläche für Messungen im Strahl einer EZR-Ionenquelle bekannt. Sie funktioniert nach dem Prinzip eines Drehspulmessgerätes. Das Pendel hat gegenüber passiven Messvorrichtungen den Vorteil, dass die Messfläche infolge Kompensation während der Aufnahme der Messwerte dauernd in einer senkrechten Lage bleibt. Mit ihm können in Strahlprofilen auch ortsaufgelöste Kraft-Messungen durchgeführt werden. In axialer Richtung ist jedoch die Messung insofern in der Praxis begrenzt, da in Richtung EZRlonenquelle konstruktionsbedingt das Magnetfeld stärker wird und bei einer Messung zusätzlich kompensiert werden muss. Deshalb ergibt sich in Richtung EZR-Ionenquelle eine stetige Verkleinerung des nutzbaren Messbereiches beim messenden Pendel. Weiterhin entsteht infolge der Erwärmung der Spiralfedern wegen der in ihnen fliessenden Ströme eine gewisse Messungenauigkeit.
Mit passiven und aktiven, d.h. kompensierenden Pendeln, ist eine Differenzierung von geladenen und ungeladenen Teilchen konstruktionsbedingt nicht möglich. Mit elektrostatischen Sonden können zwar geladene Teilchenströme gemessen werden, jedoch sind gemeinsame zeit- und ortsgleiche Messungen mit einem aktiven Pendel nicht möglich. Insofern sind bei kombinierten Messungen immer unterschiedliche Randbedingungen gegeben, wie z.B. Druck, Zusammensetzung des Gases oder des Plasmas in der Vakuumkammer und Temperaturen der Messfläche und der lonenquelle.
Kritik
Nach dem Stand der Technik sind wegen der oben genannten Mängel zeit- und ortsgleiche Messungen von Kräften und Strömen nicht realisierbar.
Aufgabe
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde diese Mängel zu beheben.
Lösung der Aufgabe
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 der erfindungsgemäßen Messvorrichtung gelöst.
Vorteile der Erfindung
Die Erfindung ermöglicht simultane ortsgleiche Messungen von Kräften und Strömen mit variabel posititionierbarem Messbereich bei gleichbleibender Größe des Messbereiches. Dabei wird die senkrechte Kraftkomponente eines aus ungeladenen und/oder geladenen Teilchen bestehenden Teilchenflusses und die durch geladene Teilchen generierten elektrischen Ströme gemessen.
Die simultane Messung von Kraft und Strom ist möglich, weil bei der Erfindung die Spulen auf dem Stator angeordnet sind und damit die Achse des Rotors frei für die Leitung von Strömen ist. Eine Leitung des Stromes über Spiralfedern würde eine Erwärmung der Federn selbst und damit eine Änderung der Federkonstanten bewirken, was ungenaue Messergebnisse zur Folge hätte. Bei der galvanisch zwei-geteilten Achse können von bis zu zwei Messflächen stammende elektrische Ströme weitergeleitet werden.
Damit wird eine Differenzierung von geladenen und ungeladenen Teilchen zu einem beliebigen Zeitpunkt möglich. Wegen der Simultanität und der Ortsgleichheit sind bei Kraft- und Strommessungen immer gleiche Randbedingungen gegeben.
Weil bei der Messvorrichtung Spulen (hier Helmholtz-Spulen) auf dem Stator und nicht wie beim bisherigen Stand der Technik auf dem Rotor angeordnet sind, ist eine elektrische Verbindung über Spiralfedern nicht erforderlich. Deshalb kann eine beliebige Anzahl von Spulen mit jeweils unterschiedlicher Windungszahl eingebaut werden. Unterschiedliche Windungszahlen der Spulen machen schließlich variable Messbereiche bei gleichbleibender Messbereichsgröße möglich. Durch die größeren Spulen kann der Messbereich z.B. von kleineren Spulen verschoben werden.
Weitere Vorteile
Bei der Erfindung ist eine höhere Messempfindlichkeit gegeben, da beim Lager der Messeinrichtung nur eine Rollreibung und nicht wie bei einem Drehspulmessgerät eine vergleichsweise höhere Gleitreibung zusätzlich zur zu messenden Kraft überwunden werden muss.
Die mittels Gewinde verstellbare Lagerung der Achse des Rotors ermöglicht ein leichtes Austauschen des Pendels, wenn ein Umrüsten erforderlich wird, z.B. für den Einbau eines längeren Pendels und/oder den Einbau einer anderen Messfläche.
Mittels Foto-Dioden-Sensorarray kann die Schwingdynamik des Pendels erfasst werden.
Durch Variation des Abstandes des Foto-Dioden-Sensorarrays von der Drehachse des Pendels und der Wahl der Pendellänge ist der Messbereich bzw. die Empfindlichkeit wählbar.
Durch das am Pendel mittels Gewinde verstellbare Gegengewicht kann die Schwingdynanmik des Pendels eingestellt werden.
Die Einstellung der räumlichen Lage der Messeinrichtung wird durch die Aufstellung des Stators mittels dreier Rändelschrauben möglich.
Ausführungsbeispiel
Die in den Anlagen 1 und 2 enthaltenen Prinzipskizzen zeigen eine seitliche Ansicht (1) und einen Querschnitt (2) der Messvorrichtung, die aus einem Stator und einem Rotor besteht.
Der Stator setzt sich wie folgt zusammen: In 1 + 2 werden zwei übereinander gewickelte Helmholtz-Spulen (1) mit ihren jeweiligen Wicklungen (2) bzw. (3) gezeigt. Sie sind auf einem gemeinsamen hohlzylinderförmigen nicht leitfähigen mit seiner Symetrieachse senkrecht angeordneten Spulenkörper (4) gewickelt. Ihre Windungszahlen stehen zueinander im Verhältnis 1:3. Die Helmholz-Spule mit der Wicklung (3) hat drei Wicklungslagen und die mit der Wicklung (2) eine Wicklungslage aus isoliertem Kupferdraht.
Der aus nicht leitfähigem Material bestehende gemeinsame Spulenkörper (4) besitzt zwei bezüglich seiner Länge und seines Durchmessers mittig und auf einer horizontalen Linie angeordnete Bohrungen (5) und (6). Bei (7) und (8) befinden sich aus nicht leitfähigem Material gefertigte zylindrische Buchsen mit Innengewinde, in denen die Gewindebuchsen (9) und (10) geschraubt und durch Verdrehen horizontal verstellbar sind. Der Stator ist bei (11) geerdet. Die Gewindebuchsen (9) und (10) sind jeweils durch isolierte Kapseln (12) und (13) abgeschirmt.
Der Rotor enthält eine zweigeteilte Achse (1 + 2 + 3) aus den voneinander elektrisch isolierten Teilen (14) und (15). Ferner besteht er aus zwei Permanentmagneten (16) und (17) mit zueinander entgegengerichteter Polarisation und einem Pendel (18) aus einem Keramikröhrchen, an dessen oberen Ende ein Gewicht (43) und an dessen unteren Ende zwei gegeneinander isolierte mit ihren Flächennormalen (19) und (20) in entgegengesetzte Richtungen weisende kreisrunde dünne Messflächen (21) und (22) befestigt sind.
Die Messflächen (21) und (22) sind jeweils über einen Draht (23) und (24) elektrisch leitfähig mit jeweils einer Hälfte (14) bzw. (15) der zweiteiligen Achse verbunden, wobei die Drähte (23) und (24) gegeneinander isoliert durch das Keramikröhrchen des Pendels (18) verlaufen. In Verlängerung des Pendels (18) befindet sich oberhalb der beiden Halbachsen (14) und (15) ein mittels Feingewinde höhenverstellbares Gewicht (43), mit dem die Lage des zwischen den Halbachsen (14) und (15) und den Messflächen (21) und (22) liegenden Schwerpunktes des Rotors und damit auch die Rückstellkraft des Pendels (18) bei Auslenkung eingestellt werden kann.
Wie 3 zeigt, sind die Halbachsen (14) und (15) insofern drehbar gelagert, als sie an ihren Enden kegelförmig sind und die Kegelmäntel bei einer Bewegung des Pendels (18) auf der Kante der zylindrischen Bohrungen (25) und (26) abrollen. Im Falle einer durch äußere Einwirkung entstandene Abweichung der Achse von ihrer Solllage erfolgt bei dieser Konstruktion bei Bewegungungen des Pendels eine automatische Rückführung der Achse des Rotors in seine Solllage.
Über die Berührkontakte der Kegelmäntel mit den Kanten der zylindrischen Bohrungen (25) und (26) ist die jeweils die Leitung elektrischer Ströme von den Messflächen (21) und (22) und der Abgriff durch ein Amperemeter (33) und (34) und einer elektrischen Vorspannung durch (35) und (36) der Messflächen möglich.
Die Leuchtdiode (27) (1 + 2) beleuchtet das Foto-Dioden-Sensorarray (Diodenarray) (28) derart, dass der Schatten des im Lichtstrahl der Leuchtdiode (27) befindlichen Pendels (18) das Diodenarray (28) partiell abdunkelt und dadurch die Auslenkung des Pendels (18) durch das Diodenarray (28) elektronisch detektierbar macht.
Ein auf die Messfläche (21) treffender Teilchenfluss (29) übt auf die Messfläche eine Kraft aus und bewirkt somit beim Rotor ein Drehmoment um die Halbachsen (14) und (15). Der Stromfluss in beiden oder einer der beiden Helmholtz-Spulen mit den Wicklungslagen (2) und/oder (3) erzeugt ein Magnetfeld, welches die auf die Messfläche wirkende Kraft kompensiert, wobei die Auflösung der einwirkenden Kraft von der Wahl beider oder einer der beiden Helmholtz-Spulen (2) und/oder (3) abhängt.
Die Helmholtz-Spule mit drei Wicklungslagen (3) bewirkt bei gleicher Spannung eine größere Schrittweite als die mit einer Wicklungslage (2). Insofern ist grundsätzlich eine Spreizungen des Messbereiches wählbar.
Die Sollposition (30) des Pendels (18) ist bei seiner vertikalen Ausrichtung gegeben, bei der das Diodenarray (28) mittig zum Pendel (18) angeordnet ist. Der Abstand des Diodenarrays (28) von den Halbachsen (14) und (15) ist variierbar. Damit kann mit zunehmenden oder abnehmenden Abstand des Diodenarrays (28) der Messbereich kleiner bzw. größer und dadurch die Empfindlichkeit der Messung größer bzw. kleiner gewählt werden.
Die Ruheposition (39) des Pendels (18) stellt sich durch Einwirkung des Erdmagnetfeldes auf die Permanentmagnete (16) und (17) ein. Dabei ist die Anordung der Permanentmagnete (16) und (17) so gewählt, dass das Pendel bei der gegebenen Ausrichtung der örtlichen Vektoren des Erdmagnetfeldes in 1 links der Sollposition (30) bei (39) ihre Ruheposition einnimmt.
Das Programm eines Mikrocontrollers (32) detektiert über das Diodenarray (28) die aktuelle Ausrichtung des Pendels (18). Entsprechend der Richtung und Größe der Abweichungen von der Sollposition (30) des Pendels (18), d.h. exempl. bei Position (40) und (31), steuert ein Regelalgorithmus das Pendel (18) durch spontane Erhöhung bzw. Erniedrigung des Stromflusses in der Helmholtz-Spule (1) zurück in die Sollposition (30) des Pendels. Die auf die Messfläche (21) wirkende Kraft wird dabei kompensiert.
Das seitens der Helmholtz-Spulen (1) kompensierende Drehmoment ist von solcher Größe, dass es das Pendel (18) in eine vertikale Ausrichtung, d.h. in die Sollposition (30) steuert. Die ihm entgegenwirkende kompensierte Kraft des Teilchenflusses auf die Messfläche (21) entstammt dem gesamten Teilchenfluss (29) sowohl geladener (37) als auch ungeladener (38) Teilchen.
4 der Anlage 2 zeigt den prinzipiellen Verlauf einer Kallibrierkurve der Messvorrichtung mit den Messpunkten (41) und einer zugehörigen Ausgleichsgeraden (42).
Die geladenen Teilchen (37) werden jeweils über ein Amperemeter (33) und/oder (34) gemessen. Gegebenenfalls werden die Messflächen (21) und/oder (22) über die Buchsen (9) und/oder (10) elektrisch vorgespannt, was die Möglichkeit ergibt geladene Teilchen fernzuhalten, sodass sie nicht über die jeweilige Messfläche abfließen können.

Claims

Messvorrichtung zur simultanen ortsgleichen Messung ortsaufgelöst in einem Teilchenfluss von auf deren Messfläche einwirkenden Kraftkomponenten geladener und/oder ungeladener Teilchen und von mindestens einem durch elektrisch geladene Teilchen generierten elektrischen Strom aufweisend eine Messvorrichtung mit - einem Stator mit mindestens zwei unterschiedlichen stromdurchflossenen Spulenwicklungen mit unterschiedlichen Windungszahlen, die so am Stator befestigt sind, dass das durch den Strom in der Spule erzeugte Magnetfeld von der Verbindungsachse zwischen zwei Lagerbuchsen durchstossen wird und einer Halterung mit den zwei sich gegenüberliegenden und gegenüber der Halterung elektrisch isolierten Lagerbuchsen für die Drehachse eines Rotors, - einem in dem Stator drehbar gelagerten Rotor mit einer Pendelachse, die aus zwei voneinander elektrisch isolierten Hälften besteht, mit mindestens zwei zueinander gegensinnig gepolten Permanentmagneten, einem daran befestigten leitenden und isolierten Pendelarm mit mindestens einer am freien Ende des Pendels befestigten Messfläche, die leitend mit jeweils einer Hälfte der Pendelachse verbunden ist, und an seinem anderem Ende ein entlang der Pendelachse befestigtes verstellbares Gewicht, - einem Sensorfeld, bestehend aus mehreren Sensorelementen und einer diesem gegenüberliegenden Licht emittierenden Quelle, zur Erfassung der Auslenkung des Pendels in seiner Schwingebene zwischen den Sensorelementen und der Licht emittierenden Quelle und - einer Mess- und Auswerteelektronik.
Messvorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Strom in mindestens einer Spule sich aus mindestens zwei regelbaren Strömen zusammensetzt.
Messvorrichtung nach Ansprüchen 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass der Stator aus einer Halterung besteht, an der mindestens eine Helmholtz-Spule so befestigt ist, dass ihre geometrische Achse senkrecht auf der Verbindungslinie zwischen den Lagerbuchsen und ihr punktsymmetrisches Zentrum auf der Verbindungslinie zwischen den Lagerbuchsen liegt.
Messvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine weitere Helmholtz-Spule so befestigt ist, dass die geometrischen Achsen und punktsymmetrieschen Zentren der Helmholtz-Spulen sich decken und die Wicklungen der Helmholtz-Spulen voneinander elektrisch isoliert sind.
Messvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass in ihr eine Licht emittierende Quelle und ein ihr gegenüber angeordnetes Licht empfangendes Sensorelement befestigt sind, die beide einander gegenüber und in ihrer Höhe verstellbar sind.
Messvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass mindestens über ein Ende der Achse des Rotors und mindestens einer Lagerbuchse eine elektrisch leitfähige Verbindung zwischen mindestens einer Messfläche und der Mess- und Auswerteelektronik gegeben ist.
Messvorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass an dem freien Ende des Pendels zwei einander rückseitig gegenüberliegende elektrisch gegeneinander isolierte Messflächen befestigt sind, wobei mit einer Messfläche die auf sie einwirkende Kraft gemessen und mit der anderen mittels elektrischer Vorspannung und Messung der elektrischen Ströme für Diagnostikzwecke genutzt werden kann.