DE102017212000B3

DE102017212000B3 - Measuring device and method for determining the internal resistance of a plasma nozzle

Info

Publication number: DE102017212000B3
Application number: DE102017212000.2A
Authority: DE
Inventors: Werner Gruber; Svetislav Vukovic; Albert Geiger; Bernhard Klante; Ralph Nyilas
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2017-07-13
Filing date: 2017-07-13
Publication date: 2018-09-20
Anticipated expiration: 2037-07-14

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Messvorrichtung (1) zur Bestimmung des Innenwiderstandes (RI) einer Plasmadüse (2) umfassend mindestens eine Trägerplatte (4), mindestens eine Kondensatorschaltung (5) mit einer ersten Kondensatorplatte (6) und einer zweiten Kondensatorplatte (7), mindestens einen Sensor (9), und einen ersten Lastwiderstand (R1) und einen zweiten Lastwiderstand (R2) die jeweils mit der ersten Kondensatorplatte (6) und der zweiten Kondensatorplatte (7) elektrisch gekoppelt sind, wobei der erste Lastwiderstand (R1) und der zweite Lastwiderstand (N82) einen unterschiedlichen ohmschen Widerstand aufweisen, und wobei der Sensor einen ersten Lastzustand (V1) und einen zweiten Lastzustand (V2) zwischen der ersten Kondensatorplatte (6) und der zweiten Kondensatorplatte (7) erfasst.The invention relates to a measuring device (1) for determining the internal resistance (RI) of a plasma nozzle (2) comprising at least one carrier plate (4), at least one capacitor circuit (5) having a first capacitor plate (6) and a second capacitor plate (7), at least a sensor (9), and a first load resistor (R1) and a second load resistor (R2) respectively electrically coupled to the first capacitor plate (6) and the second capacitor plate (7), the first load resistor (R1) and the second Load resistor (N82) have a different ohmic resistance, and wherein the sensor detects a first load state (V1) and a second load state (V2) between the first capacitor plate (6) and the second capacitor plate (7).

Description

Stand der TechnikState of the art

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Messvorrichtung sowie ein Verfahren zur Bestimmung eines elektrischen Modells einer Plasmadüse, durch die der Potenzialeintrag in ein elektrisches Werkstück mithilfe eines einfachen elektrischen Modells für das Plasmastrahlen bewertet ist.The present invention relates to a measuring device and a method for determining an electrical model of a plasma nozzle, by means of which the potential input into an electrical workpiece is evaluated by means of a simple electrical model for the plasma jet.

Die Plasmabehandlung ist eine gängige und etablierte Methode zur Reinigung und Aktivierung von Oberflächen bei Werkstücken mit elektrischen Bauteilen. Die Träger für elektronische Bauteile, sogenannte Leiterplatten, sowie die elektrischen Bauteile sind partiell leitfähig und somit äußerst anfällig gegenüber einem elektrischen Potenzial, welches Kurzschlüsse erzeugt und die elektrisch leitfähigen Funktionsstrukturen auf der Leiterplatte zerstören können.Plasma treatment is a common and established method for cleaning and activating surfaces of workpieces with electrical components. The supports for electronic components, so-called circuit boards, as well as the electrical components are partially conductive and thus extremely vulnerable to an electrical potential, which generates short circuits and can destroy the electrically conductive functional structures on the circuit board.

Eine zerstörungsfreie Plasmabehandlung der elektrischen Werkstücke erfordert eine genaue Kenntnis der elektrischen Belastung dieser durch das durch den Plasmastrahl eingebrachte Potenzial. Der Potenzialeintrag in ein solches Werkstück mit einer Vielzahl von elektrischen Schaltungen wird im Stand der Technik entweder über spektroskopische Methoden oder mittels eines Multimeters zwischen dem Werkstück und der Erde bewertet.Non-destructive plasma treatment of the electrical workpieces requires a precise knowledge of the electrical load on them by the potential introduced by the plasma jet. The potential input into such a workpiece with a plurality of electrical circuits is evaluated in the prior art either by spectroscopic methods or by means of a multimeter between the workpiece and the earth.

Dieser Verfahrensablauf weist jedoch erhebliche Nachteile auf, da einerseits das Erfassen des Potenzialeintrags zwischen dem Werkstück und der Plasmadüse äußerst ungenau ist und andererseits auf den Erfahrungen des Bedienpersonals beruht und somit ebenfalls äußerst fehlerempfindlich ist. Darüber hinaus kann eine solche Erfassung des Potenzialeintrags nicht im laufenden Fertigungsprozess an einem fortlaufenden Fertigungsband ohne eine Unterbrechung der Fertigungsprozesse durchgeführt werden.However, this procedure has significant disadvantages, since on the one hand the detection of the potential input between the workpiece and the plasma nozzle is extremely inaccurate and on the other hand, based on the experience of the operator and thus also extremely sensitive to errors. In addition, such detection of the potential entry can not be performed in the ongoing manufacturing process on a continuous production line without interrupting the manufacturing processes.

Aus der Firmenschrift der Relyon Plasma GmbH („Ist atmosphärisches Plasma potentialfrei?“, Plasma Technical Note, Regensburg, 11.03.2016, S. 1 - 7) ist der Aufbau einer atmosphärischen Plasmadüse mit externer Hochspannungsquelle, innenliegender Anode und auf Masse liegender Kathode gezeigt. Mittels einer differentiellen Messsonde oder einer einfachen Sonde wird an dem Aufbau eine Potentialmessung durchgeführt. Dabei wird ein absolutes und ein differentielles Spannungssignal ortsaufgelöst gemessen und jeweils eine Spektralanalyse durchgeführt. Aus diesen Messwerten lassen sich dann bei bekannter Anregungsspannung die Werte für ein als Ersatzschaltbild angenommenes RC-Element ableiten. Die so berechnete RC-Größe beschreibt die Ladungsübertragung des Plasmastromes.From the company publication of Relyon Plasma GmbH ("Is atmospheric plasma potential-free?", Plasma Technical Note, Regensburg, 11.03.2016, p. 1-7), the construction of an atmospheric plasma nozzle with external high voltage source, internal anode and grounded cathode is shown , By means of a differential probe or a simple probe, a potential measurement is carried out on the structure. In this case, an absolute and a differential voltage signal is measured with spatial resolution and a spectral analysis is carried out in each case. From these measured values, the values for an RC element assumed as an equivalent circuit diagram can then be derived for a known excitation voltage. The calculated RC size describes the charge transfer of the plasma stream.

Aus der Offenlegungsschrift DE 102009038563 A1 ist die Überwachung eines Plasmastrahles bekannt, bei welcher zwischen dem erzeugten Plasmastrahl und dem Gehäuse des Plasmagenerators auftretende Potentialunterschiede detektiert werden. Hierzu wird ein hitzebeständiger Stromabnehmer räumlich im Bereich des erzeugten Plasmastrahles angeordnet, während das andere Ende mit dem Gehäuse des Plasmagenerators elektrisch leitend verbunden ist. Der sich einstellende Strom wird dann über einen Anpasswiderstand zu einer Messeinheit geleitet, das Signal dann an einen Messverstärker übertragen und anschließend einer Auswerteeinheit zugeführt.From the publication DE 102009038563 A1 the monitoring of a plasma jet is known in which occurring between the plasma jet generated and the housing of the plasma generator potential differences are detected. For this purpose, a heat-resistant current collector is arranged spatially in the region of the plasma jet generated, while the other end is electrically connected to the housing of the plasma generator. The self-adjusting current is then passed through a matching resistor to a measuring unit, the signal then transmitted to a measuring amplifier and then fed to an evaluation unit.

Die Offenlegungsschrift DE19756445 A1 beschreibt ein Verfahren zur Überwachung des Verschleißzustandes einer Plasmabrennerdüse. Hierfür wird ein Spannungsmittelwert und/oder ein Spannungseffektivwert sowohl anhand des analogen Lichtbogenspannungssignals als auch anhand des digitalisierten Lichtbogenspannungssignals ermittelt. Die Messung der Lichtbogenspannung erfolgt beispielsweise über eine Auswerteeinrichtung in Form einer analogen elektrischen Schaltung, umfassend zumindest einen Messwandler.The publication DE19756445 A1 describes a method for monitoring the state of wear of a plasma torch nozzle. For this purpose, a mean voltage value and / or a voltage rms value is determined both on the basis of the analog arc voltage signal and on the basis of the digitized arc voltage signal. The measurement of the arc voltage takes place, for example, via an evaluation device in the form of an analog electrical circuit, comprising at least one measuring transducer.

Ein Artikel der Zeitschrift IEEE Transactions on Plasma Science („The currentvoltage characteristics of atmospheric pressure plasma jets with the various working gases“, CHO, Guangsup [et al.], Vol. 44, Nr. 12, Dezember 2016, S. 3302 - 3310 ) zeigt verschiedene Stromspannungsdiagramme auf, die für verschiedene Prozessgase bei einer Behandlung mit atmosphärischen Plasma ermittelt wurden.An article in the journal IEEE Transactions on Plasma Science ("The current-voltage characteristics of atmospheric pressure jets with the various working gases", CHO, Guangsup [et al.], Vol. 44, No. 12, December 2016, pp. 3302-3310 ) shows various current-voltage diagrams obtained for various process gases during atmospheric plasma treatment.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine technische Lösung vorzuschlagen, welche die Bewertung eines Potenzialeintrags in ein Werkstück ohne zumindest einen oder mehrere der oben genannten Nachteile ermöglicht.The invention is based on the object to propose a technical solution which allows the evaluation of a potential entry into a workpiece without at least one or more of the disadvantages mentioned above.

Die erfindungsgemäße Messvorrichtung zur Bestimmung des Innenwiderstandes einer Plasmadüse mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass mittels der Messvorrichtung der Innenwiderstand der Plasmadüse unabhängig von dem Erfahrungsschatz des Bedienpersonals, reproduzierbar und im fortlaufenden Betrieb erfasst werden kann. In Kenntnis des Innenwiderstandes der Plasmadüse sowie der Innenspannung oder des Innenstroms der Plasmadüse lässt sich mittels eines elektrischen Modells der Potenzialeintrag präzise bewerten. Erfindungsgemäß wird hierzu die Messvorrichtung anstelle eines Werkstückes in eine Halterung eingesetzt und ein Verfahren gemäß Anspruch 7 durchgeführt. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass die Messvorrichtung zur Bestimmung des Innenwiderstandes einer Plasmadüse mindestens eine Trägerplatte, mindestens eine Kondensatorschaltung mit einer ersten Kondensatorplatte und einer zweiten Kondensatorplatte, mindestens einen Sensor und wenigstens einen ersten Lastwiderstand und einen zweiten Lastwiderstand, die jeweils mit der ersten Kondensatorplatte und der zweiten Kondensatorplatte elektrisch gekoppelt sind umfasst, wobei der Sensor einen ersten Lastzustand und einen zweiten Lastzustand zwischen der ersten Kondensatorplatte und der zweiten Kondensatorplatte erfasst. Somit kann mittels der Messvorrichtung zur Bewertung des Energieeintrages ein elektrisches Modell, bestehend aus einer Spannungsquelle oder alternativ einer Stromquelle und einem Innenwiderstand berechnet werden. Somit können Parameter eines inneren Strommodells oder Spannungsmodells für den Plasmaeintrag, umfassend eine Spannungsquelle oder Stromquelle mit entsprechendem Innenwiderstand, erfasst werden. The measuring device according to the invention for determining the internal resistance of a plasma nozzle with the features of claim 1 has the advantage that by means of the measuring device, the internal resistance of the plasma nozzle can be detected independently of the wealth of experience of the operating personnel, reproducible and in continuous operation. With knowledge of the internal resistance of the plasma nozzle as well as the internal voltage or the internal current of the plasma nozzle, the potential input can be precisely assessed by means of an electrical model. According to the invention, the measuring device is used instead of a workpiece in a holder and a method according to claim 7 carried out for this purpose. This is inventively achieved in that the measuring device for determining the internal resistance of a plasma nozzle at least one support plate, at least one capacitor circuit having a first capacitor plate and a second capacitor plate, at least one sensor and at least a first load resistor and a second load resistor, each with the first capacitor plate and the second capacitor plate are electrically coupled, wherein the sensor detects a first load state and a second load state between the first capacitor plate and the second capacitor plate. Thus, by means of the measuring device for evaluating the energy input, an electrical model consisting of a voltage source or alternatively a current source and an internal resistance can be calculated. Thus, parameters of an internal current model or voltage model for the plasma input comprising a voltage source or current source with corresponding internal resistance can be detected.

Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.The dependent claims show preferred developments of the invention.

Vorzugsweise sind die erste Kondensatorplatte und zweite Kondensatorplatte in einer Ebene parallel und beabstandet elektrisch isoliert zueinander angeordnet, wodurch das Werkstück bestmöglich nachgebildet ist.Preferably, the first capacitor plate and the second capacitor plate are arranged in a plane parallel and spaced electrically isolated from each other, whereby the workpiece is replicated as best as possible.

Darüber hinaus ist es weiterhin besonders vorteilhaft, wenn die erste Kondensatorplatte und die zweite Kondensatorplatte eingerichtet sind, in einem äquidistanten Abstand zu der Plasmadüse angeordnet zu sein und somit in gleicher Weise dem von der Plasmadüse ausgegebenen Plasmastrahl ausgesetzt zu sein. Alternativ kann der Plasmastrahl auch direkt auf nur eine der zwei Kondensatorplatten gerichtet sein.Moreover, it is furthermore particularly advantageous if the first capacitor plate and the second capacitor plate are arranged to be arranged at an equidistant distance from the plasma nozzle and thus to be exposed in the same way to the plasma jet emitted by the plasma nozzle. Alternatively, the plasma jet may also be directed directly at only one of the two capacitor plates.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung tastet der Sensor den ersten Lastzustand und den zweiten Lastzustand hochfrequent ab. Die Höhe der Abtastfrequenz erfüllt bevorzugt mindestens das Nyquist-Shannon Abtasttheorem. Als besonders vorteilhaft haben sich Absatzfrequenzen zwischen 0,5-1,5 MHz erwiesen, wobei bevorzugt eine Abtastrate von 1 MHz verwendet wird.According to a further advantageous embodiment of the present invention, the sensor scans the first load state and the second load state from high frequency. The height of the sampling frequency preferably satisfies at least the Nyquist-Shannon sampling theorem. Sales frequencies between 0.5-1.5 MHz have proven to be particularly advantageous, preferably a sampling rate of 1 MHz is used.

Weiter bevorzugt sind der erste Lastzustand und der zweite Lastzustand abwechselnd erfasst und für den ersten Lastzustand und den zweiten Lastzustand eine Vielzahl von Messungen durchgeführt. Alternativ hierzu können zunächst eine Vielzahl von Messungen des ersten Lastzustandes erfolgen und anschließend eine Vielzahl von Messungen des zweiten Lastzustandes. Der Sensor erfasst die jeweiligen Messwerte und bildet anhand der Messwerte des stochastischen Signals einen geeigneten Mittelwert, beispielsweise den arithmetischen Mittelwert. Für die Erfassung des ersten und des zweiten Lastzustandes können auch zwei unabhängige Sensoren verwendet werden.More preferably, the first load state and the second load state are detected alternately, and a plurality of measurements are made for the first load state and the second load state. Alternatively, first of all a multiplicity of measurements of the first load state can take place and subsequently a multiplicity of measurements of the second load state. The sensor records the respective measured values and uses the measured values of the stochastic signal to form a suitable mean value, for example the arithmetic mean value. Two independent sensors can also be used to detect the first and second load conditions.

Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Bestimmung des Innenwiderstandes und/oder einer inneren Spannungsquelle und/oder einer Stromquelle einer Plasmadüse mittels einer zuvor beschriebenen Messvorrichtung. In einem ersten Verfahrensschritt ist die Messvorrichtung in einem Plasmastrahl einer Plasmadüse positioniert, anschließend sind der erste Lastzustand und der zweite Lastzustand mittels mindestens eines Sensors erfasst und abschließend ist der Innenwiderstand der Plasmadüse anhand des erfassten ersten Lastzustandes und des erfassten zweiten Lastzustandes bestimmt. In Kenntnis der exakten Widerstandswerte des ersten Lastwiderstandes und des zweiten Lastwiderstandes kann nämlich ohne weiteres die Innenspannung der Plasmadüse und der Innenwiderstand der Plasmadüse für das elektrische Modell berechnet werden.Furthermore, the present invention relates to a method for determining the internal resistance and / or an internal voltage source and / or a current source of a plasma nozzle by means of a measuring device described above. In a first method step, the measuring device is positioned in a plasma jet of a plasma nozzle, then the first load state and the second load state are detected by means of at least one sensor and finally the internal resistance of the plasma nozzle is determined on the basis of the detected first load state and the detected second load state. In fact, knowing the exact resistance values of the first load resistor and the second load resistor, the internal voltage of the plasma nozzle and the internal resistance of the plasma nozzle for the electrical model can be easily calculated.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es besonders bevorzugt, wenn der Innenwiderstand der Plasmadüse mittels eines statistischen Mittelwertes des stochastischen Messsignales einer Anzahl von erfassten ersten Lastzuständen und einer Anzahl von erfassten zweiten Lastzuständen ermittelt ist. Der statistische Mittelwert aus einer Vielzahl von erfassten Lastzuständen trägt dem Umstand Rechnung, dass der Potenzialeintrag des Plasmastrahls zeitlichen Schwankungen unterliegt.According to a further embodiment of the method according to the invention, it is particularly preferred if the internal resistance of the plasma nozzle is determined by means of a statistical mean value of the stochastic measuring signal of a number of detected first load states and a number of detected second load states. The statistical average of a large number of recorded load conditions takes into account the fact that the potential entry of the plasma jet is subject to temporal fluctuations.

Weiter bevorzugt ist, wenn der Sensor zur Erfassung des ersten Lastzustandes und des zweiten Lastzustandes mit einer Abtastrate zwischen 0,5-1,5 MHz, vorzugsweise 1 MHz betrieben ist. Durch die hohe Abtastrate sind auch in kurzen Messintervallen ausreichend Messwerte zur Bildung des statistischen Mittelwertes erfasst.It is further preferred if the sensor for detecting the first load state and the second load state is operated at a sampling rate between 0.5-1.5 MHz, preferably 1 MHz. By the high Sampling rate, even at short measuring intervals, sufficient measured values are recorded to form the statistical mean value.

Darüber hinaus ist es besonders vorteilhaft, wenn die Innenspannung und/oder der Innenstrom der Plasmadüse mittels des ersten Lastzustandes oder mittels des zweiten Lastzustandes ermittelt ist. Für die Berechnung der Innenspannung und/oder des Innenstroms der Plasmadüse können die gemittelten Messwerte von einer Vielzahl von gemessenen Lastzuständen herangezogen werden.Moreover, it is particularly advantageous if the internal voltage and / or the internal current of the plasma nozzle is determined by means of the first load state or by means of the second load state. For calculating the internal voltage and / or the internal current of the plasma nozzle, the averaged measured values can be used by a multiplicity of measured load states.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es besonders vorteilhaft, wenn für die Berechnung der gemittelten Lastzustände nur Messwerte des ersten Lastzustandes und/oder des zweiten Lastzustandes berücksichtigt werden, die über einer zuvor definierten Schwelle liegen. Weiterhin kann es vorteilhaft sein, die Messsignale mittels eines Hochpass- und/oder Tiefpassfilters vor der Berechnung des Innenwiderstandes zu filtern.According to a further advantageous embodiment of the method according to the invention, it is particularly advantageous if only measured values of the first load condition and / or of the second load condition are taken into account for the calculation of the averaged load conditions, which are above a previously defined threshold. Furthermore, it may be advantageous to filter the measurement signals by means of a high-pass and / or low-pass filter before calculating the internal resistance.

Weiterhin ist es besonders vorteilhaft, wenn das elektrische Modell der Plasmadüse anhand des Innenwiderstandes und der Innenspannung und/oder des Innenstroms der Plasmadüse gebildet ist.Furthermore, it is particularly advantageous if the electrical model of the plasma nozzle is formed on the basis of the internal resistance and the internal voltage and / or the internal current of the plasma nozzle.

Figurenlistelist of figures

Nachfolgend wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:

1 eine schematische Ansicht einer Messvorrichtung zur Bestimmung des Innenwiderstandes einer Plasmadüse gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Hereinafter, a preferred embodiment of the invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the drawing is:

1 a schematic view of a measuring device for determining the internal resistance of a plasma nozzle according to a preferred embodiment of the invention.

Bevorzugte Ausführungsform der ErfindungPreferred embodiment of the invention

Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die 1 eine Messvorrichtung 1 zur Bestimmung des Innenwiderstandes RN einer Plasmadüse 2 im Detail beschrieben.The following is with reference to the 1 a measuring device 1 for determining the internal resistance RN of a plasma nozzle 2 described in detail.

Die Messvorrichtung 1 ist analog zu den Werkstücken mittels einer Halterung 11 gehalten. Die Halterung 11 ist typischerweise Teil einer Transportvorrichtung, die die Werkstücke einerseits fixiert und andererseits transportiert. Somit ist sichergestellt, dass die Messvorrichtung 1 durch die Plasmadüse 2 vergleichbar belastet ist.The measuring device 1 is analogous to the workpieces by means of a holder 11 held. The holder 11 is typically part of a transport device that fixes the workpieces on the one hand and on the other hand transports. This ensures that the measuring device 1 through the plasma nozzle 2 is charged comparably.

Die Plasmadüse 2 ist durch einen Wechselstrom 14 angeregt, dessen Frequenz beispielsweise ca. 23 kHz beträgt. Der Plasmadüse 2 ist Druckluft 12 zugeführt, welche zusammen mit dem gepulsten Lichtbogen 13 in der Plasmadüse 2 einen Plasmastrahl 3 beim Austreten aus der Plasmadüse 2 in Richtung des Werkstückes bzw. der Messvorrichtung 1 bildet. Die Plasmadüse 2 kann eine feststehende oder eine rotierende Plasmadüse sein.The plasma nozzle 2 is by an alternating current 14 excited, whose frequency is for example about 23 kHz. The plasma nozzle 2 is compressed air 12 fed, which together with the pulsed arc 13 in the plasma nozzle 2 a plasma jet 3 as it exits the plasma nozzle 2 in the direction of the workpiece or the measuring device 1 forms. The plasma nozzle 2 may be a fixed or a rotating plasma nozzle.

Die Messvorrichtung 1 umfasst eine Trägerplatte 4 und mindestens eine Kondensatorschaltung 5, die zwei in einer Ebene 8 parallel und beabstandeten Kondensatorplatten, nämlich der ersten Kondensatorplatte 6 und der zweiten Kondensatorplatte 7, die auf der der Plasmadüse 2 angeordneten Seite auf der Trägerplatte 4 angeordnet sind, aufweist. Die erste Kondensatorplatte 6 und die zweite Kondensatorplatte 7 sind elektrisch leitfähige plattenförmige Elemente.The measuring device 1 includes a carrier plate 4 and at least one capacitor circuit 5, the two in one plane 8th parallel and spaced capacitor plates, namely the first capacitor plate 6 and the second capacitor plate 7, which is on the plasma nozzle 2 arranged side are arranged on the support plate 4, has. The first capacitor plate 6 and the second capacitor plate 7 are electrically conductive plate-shaped elements.

Die erste Kondensatorplatte 6 und die zweite Kondensatorplatte 7 sind elektrisch durch einen ersten Lastwiderstand R1 und einen zweiten Lastwiderstand R2 miteinander verbunden. Der ohmsche Widerstand des ersten Lastwiderstandes R1 und des zweiten Lastwiderstand R2 ist unterschiedlich ausgelegt. Darüber hinaus weist die Messvorrichtung 1 einen Sensor 9 auf, durch den ein Lastzustand V1 des ersten Lastwiderstands R1 und ein Lastzustand V2 des zweiten Lastwiderstands R2 gemessen wird. Parallel zu dem ersten Lastwiderstand R1 oder dem zweiten Lastwiderstand R2 ist eine Diode 15 als pn-Übergang angeordnet, die beispielsweise einen Eingang eines elektronischen Bauelementes auf dem mit dem Plasmastrahl zu bearbeitenden Werkstückes darstellt.The first capacitor plate 6 and the second capacitor plate 7 are electrically connected by a first load resistor R1 and a second load resistor R2. The ohmic resistance of the first load resistor R1 and the second load resistor R2 is designed differently. In addition, the measuring device points 1 a sensor 9 by which a load state V1 of the first load resistor R1 and a load state V2 of the second load resistor R2 is measured. Parallel to the first load resistor R1 or the second load resistor R2 is a diode 15 arranged as a pn junction, which represents, for example, an input of an electronic component on the workpiece to be machined with the plasma jet.

Die Plasmadüse 2 und der Plasmastrahl 3 sollen anhand eines elektrischen Modells 10 dargestellt werden können. Das elektrische Modell 10 besteht aus einer Spannungsquelle, durch die eine Innenspannung VN gegeben ist, und einem seriellen Innenwiderstand RN der Plasmadüse 2 oder einer Stromquelle, durch die ein Innenstrom IN gegeben ist und einem entsprechenden parallelen Innenwiderstand RN der Plasmadüse 2.The plasma nozzle 2 and the plasma jet 3 should be able to be represented by an electric model 10. The electric model 10 consists of a voltage source, through which an internal voltage VN is given, and a serial internal resistance RN of the plasma nozzle 2 or a current source through which an internal current IN is given and a corresponding parallel internal resistance RN of the plasma nozzle 2 ,

Um den Innenwiderstand RN und die Innenspannung VN / Innenstrom IN der Plasmadüse 2 zu ermitteln ist jeweils von einander unabhängig mindestens ein Messwert für den ersten Lastzustand V1 und den zweiten Lastzustandes V2 ermittelt. Um die Messwerte des stochastischen Signales hinreichend mittels eines verwertbaren statistischen Mittelwertes abbilden zu können, sind die Messungen des ersten Lastzustandes V1 und des zweiten Lastzustandes V2 über einen längeren Zeitraum erfasst, wodurch sich die Anzahl Z1 der Messungen des ersten Lastzustandes V1 und die Anzahl Z2 der Messungen des zweiten Lastzustandes V2 ergeben. Der gemittelte Innenwiderstand RN kann durch folgende Gleichung beschrieben werden: $R N_{A v e r a g e} = \frac{Z 1 \times Z 2 \times (V 2_{A v e r a g e} - V 1_{A v e r a g e})}{Z 2 \times V 1_{A v e r a g e} - Z 1 \times V 2_{A v e r a g e}}$

In order to determine the internal resistance RN and the internal voltage VN / internal current IN of the plasma nozzle 2, at least one measured value for the first load state V1 and the second load state V2 is determined independently of one another. In order to be able to image the measured values of the stochastic signal sufficiently by means of a usable statistical mean value, the measurements of the first load state V1 and of the second load state V2 are recorded over a longer period of time, whereby the number Z1 of the measurements of the first load state V1 and the number Z2 of the first load state Measurements of the second load state V2 result. The average internal resistance RN can be described by the following equation:

R N_{A v e r a G e} = \frac{Z 1 \times Z 2 \times (V 2_{A v e r a G e} - V 1_{A v e r a G e})}{Z 2 \times V 1_{A v e r a G e} - Z 1 \times V 2_{A v e r a G e}}

Der Indize des ersten Lastzustandes V1 „Average“ und der Indize des zweiten Lastzustandes V2 „Average“ bedeuten, dass diese Lastzustände statistisch gemittelte Werte sind, beispielsweise mittels des arithmetischen Mittels.The indices of the first load state V1 "Average" and the indices of the second load state V2 "Average" mean that these load states are statistically averaged values, for example by means of the arithmetic mean.

Die Innenspannung VN ergibt sich demnach mittels nachfolgender Gleichungen $V N = V 1_{A v e r a g e} \times (1 - \frac{R N_{A v e r a g e}}{Z 1}) o d e r V N = V 2_{A v e r a g e} \times (1 - \frac{R N_{A v e r a g e}}{Z 2})$

The internal voltage VN is thus obtained by means of the following equations

V N = V 1_{A v e r a G e} \times (1 - \frac{R N_{A v e r a G e}}{Z 1}) O d e r V N = V 2_{A v e r a G e} \times (1 - \frac{R N_{A v e r a G e}}{Z 2})

Die maximale Innenspannung VN und der daraus resultierende maximale Kurzschlussstrom kann mittels des maximal gemessenen ersten Lastzustandes V1 oder des zweiten Lastzustandes V2 berechnet werden.The maximum internal voltage VN and the resulting maximum short-circuit current can be calculated by means of the maximum measured first load state V1 or the second load state V2.

Die alternative Darstellung des elektrischen Modelles mit dem Innenstrom IN und parallelen Innenwiderstand RN kann entsprechend aus den Werten des Spannungsmodelles errechnet werden.The alternative representation of the electrical model with the internal current IN and parallel internal resistance RN can be calculated accordingly from the values of the voltage model.

Der Verfahrensablauf zur Bestimmung des Innenwiderstandes RN und der Innenspannung VN der Plasmadüse mittels der zuvor beschriebenen Messvorrichtung 1 kann somit nachfolgend beschrieben werden: In einem ersten Verfahrensschritt ist die Messvorrichtung 1 zunächst in die Halterung 11 eingesetzt und in dem Plasmastrahl 3 der Plasmadüse 2 positioniert. Anschließend werden mindestens jeweils eine Messung des ersten Lastzustandes V1 und des zweiten Lastzustandes V2 mittels des Sensors 9 erfasst und abschließend in Kenntnis des ersten Lastwiderstandes R1 und des zweiten Lastwiderstandes R2 der Innenwiderstand RN sowie die Innenspannung VN der Plasmadüse 2 berechnet.The method sequence for determining the internal resistance RN and the internal voltage VN of the plasma nozzle by means of the measuring device 1 described above can thus be described below: In a first method step, the measuring device is 1 first in the holder 11 used and in the plasma jet 3 the plasma nozzle 2 positioned. Subsequently, at least one measurement each of the first load state V1 and the second load state V2 by means of the sensor 9 detected and finally in knowledge of the first load resistor R1 and the second load resistor R2, the internal resistance RN and the internal voltage VN of the plasma nozzle 2 calculated.

Zur Bestimmung des Innenwiderstandes RN können entweder zunächst die Anzahl Z1 von Messungen zur Bestimmung des ersten Lastzustandes V1 durchgeführt werden und anschließend die Anzahl Z2 von Messungen zur Bestimmung des zweiten Lastzustandes V2. Alternativ hierzu kann der erste Lastzustand V1 und der zweite Lastzustand V2 jeweils abwechselnd messtechnisch erfasst werden, wobei der Ablauf mehrmals zur Erfassung einer Vielzahl von Messwerten zur Bildung des statistischen Mittels wiederholt wird.To determine the internal resistance RN, either the number Z1 of measurements for determining the first load state V1 can first be carried out, and then the number Z2 of measurements for determining the second load state V2. Alternatively, the first load state V1 and the second load state V2 can each be detected alternately metrologically, wherein the sequence is repeated several times to acquire a plurality of measured values for the formation of the statistical mean.

Somit kann erfindungsgemäß eine Messvorrichtung und ein Verfahren für eine solche Messvorrichtung zur Verfügung gestellt werden, durch welches die differenzielle Impedanz gemessen ist und daraus die maximale Stromstärke errechnet werden kann, wodurch eine mögliche Schädigung von Werkstücken durch das ionisierte Prozessgas einer Plasmadüse bewertet und damit verhindert werden kann.Thus, according to the invention, a measuring device and a method for such a measuring device can be provided by which the differential impedance is measured and from which the maximum current can be calculated, whereby a possible damage to workpieces by the ionized process gas of a plasma nozzle evaluated and thus prevented can.

Claims

Measuring device (1) for determining the internal resistance (RN) of a plasma nozzle (2) comprising: - at least one support plate (4) at least one capacitor circuit (5) having a first capacitor plate (6) and a second capacitor plate (7), - At least one sensor (9), and a first load resistor (R1) and a second load resistor (R2) each electrically coupled to the first capacitor plate (6) and the second capacitor plate (7), - Wherein the first load resistor (R1) and the second load resistor (R2) have a different ohmic resistance, and - The sensor detects a first load state (V1) and a second load state (V2) between the first capacitor plate (6) and the second capacitor plate (7).

Measuring device (1) after Claim 1 , characterized in that the first capacitor plate (6) and the second capacitor plate (7) in a plane (8) are arranged parallel and spaced.

Measuring device (1) after Claim 1 or 2 , characterized in that the first capacitor plate (6) and the second capacitor plate (7) are arranged to be arranged at an equidistant distance from the plasma nozzle (2).

Measuring device (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the sampling rate of the sensor (9) is between 0.5 to 1.5 MHz.

Measuring device (1) after Claim 4 , characterized in that the sampling rate of the sensor (9) is 1 MHz.

Measuring device (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the sensor (9) detects a number (Z1) of the first load state (V1) and a number (Z2) of the second load state (V2) alternately or sequentially.

Method for determining the internal resistance (RN) of a plasma nozzle (2) by means of a measuring device (1) according to one of the preceding claims comprising the following method steps: - Positioning the measuring device (1) in a plasma jet (3) of a plasma nozzle (2) Detecting a first load state (V1) and a second load state (V2) by means of at least one sensor (9) - Calculating the internal resistance (RN) and / or a voltage of an internal voltage source (VN) and / or a current of a power source (IN) of the plasma nozzle (2) based on the detected first load state (V1) and the detected second load state (V2).

Method according to Claim 7 , characterized in that the internal resistance (RN) and / or the internal current (IN) of the plasma nozzle (2) by means of a statistical average of a number (Z1) of detected first load conditions (V1) and a number (Z2) of detected second load conditions ( V2) is calculated.

Method according to Claim 7 or 8th , characterized in that the sensor (9) for detecting the first load state (V1) and the second load state (V2) is operated at a sampling rate between 0.5 to 1.5 MHz.

Method according to Claim 9 , characterized in that the sensor (9) for detecting the first load state (V1) and the second load state (V2) is operated at a sampling rate of 1 MHz.

Method according to one of Claims 7 to 10 , characterized in that the internal voltage (VN) and / or the internal current (IN) of the plasma nozzle (2) by means of the first load state (V1) or by means of the second load state (V2) is determined.

Method according to one of Claims 7 to 11 , characterized in that for the calculation of the average load conditions only measured values of the first load state (V1) and / or the second load state (V2) are taken into account over a defined threshold and / or the measured values are processed by means of a low-pass and / or high-pass filter ,

Method according to one of Claims 7 to 12 , characterized in that an electrical model (10) of the plasma nozzle (2) based on the internal resistance (RN) and / or the internal voltage (VN) and / or the internal current (IN) of the plasma nozzle (2) is provided.