DE10303250A1

DE10303250A1 - Verfahren zur Vermessung eines Innenraums mittels eines in den Innenraum einströmenden Fluids

Info

Publication number: DE10303250A1
Application number: DE2003103250
Authority: DE
Inventors: Karsten Hage; Franz Xaver Wagner; Rainer Drexlmaier
Original assignee: Delphi Technologies Inc
Current assignee: Delphi Technologies Inc
Priority date: 2003-01-28
Filing date: 2003-01-28
Publication date: 2004-08-05

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Vermessung eines Innenraums, bei dem ein Sondenkörper in den Innenraum eingeführt wird und ein Fluid mit einem vorbestimmten Druck in den Innenraum eingeleitet wird, wobei durch den Sondenkörper ein fluiddurchströmter Zwischenraum zwischen dem Sondenkörper und einer den Innenraum begrenzenden Wand derart verengt wird, dass sich in dem einströmenden Fluid ein von dem Ausmaß der Verengung des Innenraums abhängiger Gegendruck aufbaut, der erfasst und ausgewertet wird. Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Vermessung einen Innenraums eines Probenkörpers sowie einen Sondenkörper und ein Verfahren zur Herstellung des Sondenkörpers.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Vermessung eines Innenraums, bei dem ein Sondenkörper in den Innenraum eingeführt wird und ein Fluid mit einem vorbestimmten Druck in den Innenraum eingeleitet wird, wobei durch den Sondenkörper ein fluiddurchströmter Zwischenraum zwischen dem Sondenkörper und einer den Innenraum begrenzenden Wand derart verengt wird, dass sich in dem einströmenden Fluid ein von dem Ausmaß der Verengung des Innenraums abhängiger Gegendruck aufbaut, der erfasst und ausgewertet wird. Die Erfindung betrifft außerdem eine Vorrichtung zur Vermessung eines Innenraums sowie einen Sondenkörper.

Das Verfahren der eingangs genannten Art ist in Fachkreisen unter dem Begriff "Airgage-Messung" grundsätzlich bekannt. Dieses Messverfahren wird angewandt, um einen Innendurchmesser eines mechanischen Bauteils, beispielsweise eines Rohrs oder einer Lagerbohrung, zu überprüfen. Üblicherweise erfolgt die Messung im Rahmen einer Qualitätskontrolle, das heißt der in dem Fluid gemessene Gegendruck wird mit einem Sollwert verglichen. Stimmt der gemessene Gegendruck im Rahmen einer vorgegebenen Toleranz mit dem gewünschten Sollwert überein, so erfüllt das vermessene Bauteil eine gewünschte Spezifikation.

Bei bekannten "Airgage"-Messvorrichtungen strömt das Fluid durch den Sondenkörper hindurch in den Innenraum ein und durch den Zwischenraum zwischen dem Sondenkörper und einer den Innenraum begrenzenden Wand aus dem Innenraum wieder hinaus. Zu diesem Zweck weisen bekannte Sondenkörper einen im Inneren des Sondenkörpers verlaufenden Fluidzufuhrkanal und wenigstens eine Fluidaustrittsöffnung auf.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Vermessung eines Innenraums zu schaffen, das nicht nur flexibel anwendbar ist, sondern insbesondere auch zur Vermessung von Bohrungen mit einem Durchmesser im Submillimeterbereich geeignet ist.

Zur Lösung der Aufgabe sind ein Verfahren, eine Vorrichtung und ein Sondenkörper gemäß den unabhängigen Ansprüchen vorgesehen.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Vermessung eines Innenraums nach Anspruch 1 wird ein Sondenkörper mit geschlossener Oberfläche in den Innenraum eingeführt und ein Fluid mit einem vorbestimmten Druck an dem Sondenkörper vorbei – und nicht durch den Sondenkörper hindurch – in den Innenraum eingeleitet, wobei durch den Sondenkörper ein fluiddurchströmter Zwischenraum zwischen dem Sondenkörper und einer den Innenraum begrenzenden Wand derart verengt wird, dass sich in dem einströmenden Fluid ein von dem Ausmaß der Verengung des Innenraums abhängiger Gegendruck aufbaut, der erfasst und ausgewertet wird.

Dadurch, dass das Fluid an dem Sondenkörper vorbei – und nicht durch den Sondenkörper hindurch – in den Innenraum eingeleitet wird, ist es nicht erforderlich, in dem Sondenkörper einen oder mehrere Fluidkanäle vorzusehen. Der Sondenkörper kann deshalb eine zumindest im Bereich des Innenraums geschlossene Oberfläche aufweisen, er kann beispielsweise massiv ausgebildet sein. Dies ermöglicht es, sehr filigrane Sondenkörper zu verwenden, die sich auch in sehr kleine Innenräume einführen lassen, beispielsweise in Bohrungen mit einem Durchmesser von unter 1 mm. Dies erlaubt zum Beispiel die Vermessung einer Bohrung einer Düse zur Einspritzung von Kraftstoff in einen Motorzylinder. Dabei handelt es sich erfindungsgemäß um ein zerstörungsfreies Messverfahren. So kann der Sondenkörper nach erfolgter Messung wieder aus dem Innenraum entfernt werden und die vermessene Probe in einem intakten Zustand ihrem vorbestimmten Einsatz zugeführt werden.

Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Sondenkörper relativ zu dem Probenkörper in dem Innenraum bewegt und der Gegendruck in wenigstens einer Dimension ortsaufgelöst erfasst. Dadurch ist das Verfahren nicht nur in der Qualitätskontrolle anwendbar, wo die Messung stets an einer gleichen Stelle des Innenraums durchgeführt wird, sondern das Verfahren kann auch als Analyseverfahren, mit anderen Worten zur Untersuchung unbekannter Innenraumformen, verwendet werden.

Der Sondenkörper kann in der Richtung einer Tiefenerstreckung des Innenraums innerhalb des Innenraums bewegt werden und der Gegendruck in verschiedenen Tiefen des Innenraums erfasst werden. Dies ermöglicht die Erstellung eines Innenraumprofils in der Tiefenrichtung des Innenraums. Auf diese Weise ist beispielsweise eine Verjüngung oder eine Aufweitung einer Bohrung in zunehmender Tiefe feststellbar.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Vermessung eines Innenraums eines Probenkörpers weist eine an den Probenkörper ankoppelbare Fluidversorgungsanordnung und einen in den Innenraum einführbaren Sondenkörper mit einer geschlossenen Oberfläche auf, der mit einer den Innenraum begrenzenden Wand eine Verengung bildet, so dass sich in einem mit einem vorbestimmten Druck an dem Sondenkörper vorbei – und nicht durch den Sondenkörper hindurch – in dem Innenraum eingeleiteten Fluid ein Gegendruck aufbaut, dessen Betrag von dem Ausmaß der Verengung des Innenraums abhängt und der durch einen Druckaufnehmer erfassbar und auswertbar ist.

Die Vorrichtung ist zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens besonders gut geeignet, und es lassen sich die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren genannten Vorteile erzielen.

Gemäß einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist der Sondenkörper einen Schaft auf, an dessen in den Innenraum einzuführendem Ende eine Verbreiterung vorgesehen ist. Durch die Verbreiterung ist die Verengung auf den Bereich der Verbreiterung begrenzt und somit wohldefiniert. Je geringer die Ausdehnung der Verbreiterung in axialer Richtung des Schafts ist, desto höher ist die Ortsauflösung bei einer tiefenaufgelösten Vermessung einer Bohrung.

Der Durchmesser der Verbreiterung kann um wenige 10 μm kleiner sein als der Durchmesser des Innenraums in dem zu vermessenden Abschnitt des Innenraums. Die in diesem Fall resultierende Verengung führt dazu, dass sich ein ausreichend hoher Gegendruck in dem Fluid aufbaut, durch den eine zuverlässige Vermessung des Innenraums sichergestellt ist.

Gleichzeitig erhöht sich die Messempfindlichkeit der Anordnung, da sich bereits geringe Veränderungen im Innenraumdurchmesser bezogen auf die kleine Verengung stark auf den Gegendruck auswirken.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Vorrichtung weist die Fluidversorgungsanordnung einen Messkopf auf, der über eine Fluidleitung mit einem Druckerzeuger zur Erzeugung des vorbestimmten Fluiddrucks verbunden ist und der unter Bildung einer abgedichteten Fluidverbindung zwischen Messkopf und Probenkörper an den Probenkörper ankoppelbar ist. Dadurch ist sichergestellt, dass das zugeführte Fluid vollständig in den Innenraum eingeleitet wird. Eine Verfälschung des ermittelten Gegendrucks aufgrund von entweichendem Fluid ist somit ausgeschlossen.

Der Sondenkörper kann an dem Messkopf gehalten und insbesondere verschiebbar an dem Messkopf gelagert sein. Der Messkopf und der Sondenkörper bilden somit eine kompakte Einheit, wodurch die Handhabbarkeit der Messvorrichtung erleichtert ist.

Gemäß einer weiteren Ausbildung der Vorrichtung ist am Messkopf eine Stelleinrichtung zur definierten Bewegung des Sondenkörpers relativ zum Messkopf und insbesondere zur definierten Einführung des Sondenkörpers in den Innenraum vorgesehen. Die Stelleinrichtung kann manuell oder automatisch bedienbar sein. In beiden Fällen ermöglicht sie eine exakte und reproduzierbare Positionierung des Sondenkörpers in dem Innenraum bzw. eine exakte und reproduzierbare Bewegung des Sondenkörpers relativ zum Innenraum. Dadurch wird die Messgenauigkeit erhöht.

Der Messkopf kann an einer Justiervorrichtung gehalten und zur exakten Ankopplung an einen Probenkörper in drei Raumrichtungen bewegbar und zusätzlich um zwei Achsen verschwenkbar sein. Die exakte Ankopplung des Messkopfes an den Probenkörper ermöglicht eine genaue Einführung des Sondenkörpers in den Innenraum. Dadurch ist zum einen die Genauigkeit und Reproduzierbarkeit der Messung weiter erhöht, und zum anderen wird eine Beschädigung des Sondenkörpers durch eine ungenaue Einführung in den Innenraum vermieden. Dies ist insbesondere in solchen Fällen relevant, in denen der zu vermessende Innenraum einen Durchmesser im Bereich von einigen 10 μm bis einigen 100 μm aufweist.

Weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Sondenkörper mit einem Schaft, in dessen einem Endbereich eine Verbreiterung vorgesehen ist, wobei ein Durchmesser des Schafts und ein Durchmesser der Verbreiterung im Bereich von einigen 10 μm bis einigen 100 μm liegen. Erst ein derartiger Sondenkörper ermöglicht die Vermessung von Bohrungen, deren Durchmesser im Mikrometerbereich liegen, beispielsweise von Bohrungen in Düsen zur Einspritzung von Kraftstoff in Verbrennungsmotoren, nach dem erfindungsgemäßen Verfahren.

Gegenstand der Erfindung ist ferner ein Verfahren zur Herstellung des voranstehend genannten Sondenkörpers, bei dem der Sondenkörper mittels einer Erodiertechnik und insbesondere durch ein funkenerosives Abtragsverfahren aus einem Metalldraht geformt wird, wobei der Metalldraht während des Abtragsprozesses um seine Längsachse gedreht und gleichzeitig in seiner Längsrichtung relativ zu einer Funkenerosionselektrode bewegt wird. Dieses Verfahren stellt eine einfache Möglichkeit zur Herstellung eines Sondenkörpers mit geringem wirtschaftlichen Aufwand dar.

Nachfolgend wird die Erfindung rein beispielhaft anhand bevorzugter Ausführungsformen und unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines an einen Probenkörper angekoppelten Messkopfes;
2A – 2C schematische Darstellungen verschiedener Innenräume, in die ein Sondenkörper eingeführt ist;
3A – 3E schematische Darstellungen unterschiedlicher Sondenkörper; und
4 eine schematische Darstellung einer Funkenerosionsanordnung zur Herstellung eines Sondenkörpers.
1 zeigt einen zylindrisch ausgebildeten Messkopf 10 einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Vermessung einer Durchgangsbohrung 12 in einem Probenkörper 14.
An einer zum Probenkörper 14 weisenden Stirnseite weist der Messkopf 10 eine Vertiefung 16 auf, durch die im an den Probenkörper 14 angekoppelten Zustand des Messkopfes 10 ein Hohlraum 18 gebildet ist, der durch den Messkopf 10 einerseits und durch den Probenkörper 14 andererseits begrenzt ist.
In dem Messkopf 10 ist ein Fluidkanal 20 vorgesehen, dessen eines Ende in den Hohlraum 18 mündet. An seinem anderen Ende geht der Fluidkanal in eine Fluidleitung 22 über, die mit einem Druckerzeuger einer Fluidquelle (nicht gezeigt) verbunden ist und durch die dem Messkopf 10 ein Fluid, beispielsweise Luft, mit einem vorbestimmten Druck zuführbar ist.
Von der Fluidquelle stammendes und durch den Druckerzeuger mit einem vorbestimmten Druck versehenes Fluid kann durch die Fluidleitung 22 und den Fluidkanal 20 in den Hohlraum 18 einströmen. Damit in den Hohlraum 18 eingeströmtes Fluid nicht unkontrolliert aus dem Hohlraum 18 entweichen kann, ist zwischen dem angekoppelten Messkopf 10 und dem Probenkörper 14 eine Dichtung 24, beispielsweise in Form eines O-Ringes oder einer Gummidichtung, vorgesehen. Zur Erreichung einer optimalen Dichtwirkung der Dichtung 24 wird der Messkopf 10 mit einer vorbestimmten Kraft an den Probenkörper 14 angedrückt, wobei die Anpresskraft so groß sein sollte, dass sie zumindest zu einer leichten Verformung der Dichtung 24 führt und dem Innendruck eine adäquate Gegenkraft entgegensetzt.
Der Messkopf 10 weist ferner eine sich axial im Inneren des Messkopfes 10 erstreckende Führung 26 auf, in der ein Sondenschlitten 28 verschiebbar gelagert ist. Der Sondenschlitten 28 dient als Halterung für einen in die Bohrung 12 des Probenkörpers 14 einzuführenden Sondenkörper 30. Damit der Sondenkörper 30 durch eine Verschiebung des Sondenschlittens 28 in die Bohrung 12 einführbar ist, muss die Verschiebung des Sondenschlittens 28 in einer Richtung erfolgen, die wenigstens annähernd parallel zu einer Tiefenerstreckung der Bohrung 12 ist.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel erstreckt sich die Bohrung 12 senkrecht zu einer zum Messkopf 10 weisenden Oberfläche 32 des Probenkörpers 14, so dass auch die Bewegungsrichtung 34 des Sondenschlittens 28 und somit des Sondenkörpers 30 senkrecht zu der Probenoberfläche 32 und somit parallel zur Bohrung 12 ausgerichtet ist. Bei einer schräg zur Probenoberfläche verlaufenden Bohrung ist eine entsprechend schräg orientierte Verschiebungsrichtung des Sondenkörpers erforderlich.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist eine automatische, vorzugsweise computergesteuerte Verschiebung des Sondenschlittens 28 vorgesehen. Zu diesem Zweck ist der Sondenschlitten 28 mit einer Gewindespindel 36 verbunden, die über ein entsprechend ausgebildetes Getriebe 37 mit einem Stellmotor 38, beispielsweise einem elektrisch angetriebenen Schrittmotor, in Eingriff steht. Es ist grundsätzlich aber ebenso möglich, die Bewegung des Sondenschlittens 28 manuell zu bewirken und den Sondenschlitten 28 beispielsweise mittels einer Mikrometerschraube zu verschieben.
Die Vermessung eines Innenraums eines Probenkörpers, im dargestellten Ausführungsbeispiel der Bohrung 12, erfolgt folgendermaßen:
Zunächst wird der Messkopf 10 bezüglich des Probenkörpers 14 ausgerichtet und derart relativ zum Probenkörper 14 positioniert, dass sich der Sondenkörper 30 exakt über der zur vermessenden Bohrung 12 befindet. Zu diesem Zweck kann der Messkopf 10 an einer nicht gezeigten Justiervorrichtung, beispielsweise einer 3D-Koordinatenmessmaschine, gehalten und zur exakten Ankopplung an den Probenkörper 14, beispielsweise computergesteuert, in drei Raumrichtungen bewegbar und zusätzlich um zwei Achsen verschwenkbar sein. Grundsätzlich ist aber auch eine manuelle Positionierung des Messkopfes 10 bezüglich des Probenkörpers 14 und Ankoppelung möglich.
Die Justage des Messkopfes 10 an dem Probenkörper 14 kann unter Zuhilfenahme eines optischen Justiersystems erfolgen, zum Beispiel unter Verwendung einer Videokamera und/oder durch Ausrichtung des Messkopfes 10 an einem Lichtstrahl, der von einer Rückseite 40 des Probenkörpers 14 durch die Bohrung 12 hindurch tritt und bei korrekter Ausrichtung des Messkopfes 10 auf einen entsprechenden Detektor des Messkopfes 10 trifft.
Wenn der Messkopf 10 korrekt ausgerichtet ist, wird er an den Probenkörper 14 angedrückt, um den von Messkopf 10 und Probenkörper 14 gebildeten Hohlraum 18 abzudichten.
Als nächstes wird dem Hohlraum 18 über die Fluidleitung 22 und durch den Fluidkanal 20 Fluid, im dargestellten Ausführungsbeispiel Luft, mit einem definierten Druck zugeführt. Die zugeführte Luft kann durch die Bohrung 12 aus dem Hohlraum 18 ausströmen. Dabei wirkt die Bohrung 12 als Drossel, so dass sich in dem in den Hohlraum einströmenden Fluid ein Gegendruck aufbaut, der durch einen, beispielsweise im Druckerzeuger vorgesehenen, Drucksensor gemessen und durch eine entsprechende Auswerteeinheit ausgewertet wird. Der Gegendruck, der bei ungestört durch die Bohrung 12 entweichender Luft gemessen wird, stellt einen Anfangsgegendruck dar.
Danach wird der Sondenkörper 30 durch eine Verschiebung des Sondenschlittens 28 gezielt in die Bohrung 12 eingeführt. Durch das Eindringen des Sondenkörpers 30 in die Bohrung 12 wird der fluiddurchströmte Querschnitt der Bohrung 12 verkleinert und die Drosselwirkung der Bohrung 12 erhöht. In der Folge steigt der Gegendruck im Fluid an. Der erhöhte Gegendruck wird von dem Drucksensor erfasst und mit dem anfangs gemessenen Gegendruck verglichen. Bei Kenntnis der Abmessungen des Sondenkörpers 30 lässt sich durch eine erfasste Gegendruckerhöhung auf eine Verringerung des fluiddurchströmten Innenraumdurchmessers zurückschließen und daraus eine Information über den Querschnitt der Bohrung 12 in einer bestimmten Tiefe der Bohrung 12 erhalten.
Anstatt den Sondenkörper 30 wie bei der voranstehend beschriebenen Methode in Fluidströmungsrichtung in die Bohrung 12 einzuführen, ist es grundsätzlich ebenso möglich, den Sondenkörper 30 entgegen der Fluidströmungsrichtung in die Bohrung 12 einzuführen. Auftretenden Vibrationen des Sondenkörpers 30, sogenanntem "Flattern", kann dabei durch eine besondere Ausgestaltung des Sondenkörpers 30, beispielsweise durch einen stärkeren Schaft 42 und/oder eine strömungsgünstige Form der Spitze des Sondenkörpers 30 (vgl. 3E), und/oder dadurch entgegengewirkt werden, dass der Sondenköper 30 mit der die Bohrung 12 begrenzenden Wand 46 (vgl. 2) in Kontakt gebracht wird.
Sowohl Messungen, bei denen der Sondenköper 30 die Wand 46 der Bohrung 12 nicht berührt, als auch Messungen, bei denen der Sondenkörper mit der Wand 46 der Bohrung 12 in Kontakt steht, sind jeweils für sich genommen kalibrierbar und reproduzierbar durchführbar. Aus nicht genau verstandenen strömungsdynamischen Gründen lassen sich die "in Kontakt" bzw. "kontaktlos" ermittelten Gegendrücke jedoch nicht direkt miteinander vergleichen.
Grundsätzlich sind bei beiden Methoden zwei Messvarianten möglich. Bei einer ersten Variante wird der Sondenkörper 30 bei jedem zu vermessenden Innenraum in dieselbe Relativlage bezüglich des Innenraums gebracht, so dass alle Innenräume an derselben Stelle vermessen werden. Diese Variante eignet sich besonders gut für eine einfach und schnell durchführbare Qualitätskontrolle von Innendurchmessern.
Bei der zweiten Messvariante wird der Sondenkörper 30 schrittweise oder kontinuierlich immer tiefer in einen Innenraum eingeführt. Während des Eindringens des Sondenkörpers 30 in den Innenraum wird der sich in dem Fluid aufbauende Gegendruck schrittweise oder kontinuierlich ortsaufgelöst erfasst. Der Gegendruck lässt sich somit in Abhängigkeit von der Relativlage des Sondenkörpers 30 bezüglich des Innenraums darstellen.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel wird der Gegendruck tiefenaufgelöst aufgezeichnet, das heißt man gewinnt eine Information über den Querschnitt der Bohrung 12 als Funktion der Tiefe der Bohrung 12. Bei entsprechender Eichung der Drucksensoren und der Druckauswerteeinheit ist eine Bestimmung der absoluten Durchmesser der Bohrung 12 in verschiedenen Tiefen der Bohrung 12 möglich. Die zweite Messvariante eignet sich daher nicht nur zur Qualitätskontrolle sondern insbesondere auch für eine Untersuchung von unbekannten Tiefenprofilen.
In 2 sind verschiedene Profile von Bohrungen 12 gezeigt, die sich mit den voranstehend beschriebenen Verfahren, insbesondere nach der zweiten Messvariante, vermessen lassen. In 2A ist eine Bohrung 12 dargestellt, die sich mit zunehmender Tiefe verjüngt. Diese Verjüngung der Bohrung 12 führt dazu, dass sich der in dem Fluid aufbauende Gegendruck bei tiefer in die Bohrung eindringendem Sondenkörper 30 zunehmend erhöht.
2B zeigt den umgekehrten Fall, nämlich eine Bohrung 12, die sich in zunehmender Tiefe immer weiter aufweitet. Bei einer Bewegung des Sondenkörpers 30 in die Tiefe dieser Bohrung 12 nimmt der Gegendruck folglich kontinuierlich ab.
2C zeigt eine Bohrung 12, deren Durchmesser mit zunehmender Tiefe abwechselnd größer und wieder kleiner wird. Bei der Vermessung dieser Bohrung 12 wird der Gegendruck mit zunehmendem Durchmesser der Bohrung 12 größer und mit abnehmendem Durchmesser entsprechend wieder kleiner.
Wie in den 2A bis 2C zu sehen ist, weist der Sondenkörper 30 einen Schaft 42 auf, an dessen in den Innenraum 12 einzuführendem Ende eine Verbreiterung 44 vorgesehen ist. Das andere Ende des Schafts 42 dient zur Verbindung des Sondenkörpers 30 mit dem Sondenschlitten 28.
Die Verbreiterung 44 bildet mit einer den Innenraum 12 begrenzenden Wand 46 des Probenkörpers 14 eine, insbesondere in Tiefenrichtung des Innenraums 12 gesehen, örtlich begrenzte Verengung 48. Diese Verengung 48 trägt maßgeblich dazu bei, dass sich in dem durch die Bohrung 12 und an dem Sondenkörper 30 vorbei strömenden Fluid ein Gegendruck aufbaut. Je schärfer die Verengung 48 definiert ist, mit anderen Worten je geringer die Ausdehnung der Verbreiterung 44 in axialer Richtung, das heißt in Tiefenrichtung gesehen, ist, desto höher ist die Genauigkeit einer tiefenaufgelösten Vermessung des Innenraums 12.
Die Abmessung der Verbreiterung 44 quer zum Schaft 42, also ihr Durchmesser, ist so gewählt, dass die Verengung 48 im kleinsten Fall wenige 10 μm und vorzugsweise ungefähr 10 μm bis 20 μm beträgt. Auf diese Weise wird eine hohe Messempfindlichkeit der Messanordnung erreicht.
In 2 ist ein Sondenkörper 30 mit einer platten- oder scheibenartigen Verbreiterung 44 dargestellt. Es sind aber auch andere Ausgestaltungen der Verbreiterung 44 möglich. So zeigt 3A einen Sondenkörper 30 mit einer kugelartigen Verbreiterung 44 und 3B einen Sondenkörper 30 mit einer würfelförmigen oder zylindrischen Verbreiterung 44. Denkbar sind aber auch kegelstumpfartige oder pyramidale Verbreiterungen 44 (3C) oder Verbreiterungen 44 mit einem rautenförmigen Querschnitt (3D).
3E zeigt außerdem eine strömungsgünstige Ausgestaltung der Verbreiterung 44 eines Sondenköpers 30, die bei der Messmethode, bei welcher der Sondenkörper 30 entgegen der Fluidströmungsrichtung in die Bohrung eingeführt wird, Vibrationen bzw. einem "Flattern" des Sondenkörpers entgegenwirken kann.
Grundsätzlich ist es vorteilhaft, wenn die Grundform des Querschnitts der Verbreiterung 44 des Sondenköpers 30 an die Grundform des Querschnitts der zu vermessenden Bohrung 12 angepasst ist.
Da das in die Bohrung 12 eingeleitete Fluid bei dem voranstehend beschriebenen Verfahren nicht durch den Sondenkörper 30 hindurch sondern an diesem vorbei durch die Bohrung 12 hindurch geleitet wird, weist der Sondenkörper 30 zumindest in dem Abschnitt, der in die Bohrung 12 eingeführt wird, eine geschlossene Oberfläche auf. In den dargestellten Ausführungsbeispielen sind die Sondenkörper 30 jeweils massiv ausgebildet.
Die in 2 und 3 gezeigten Sondenkörper 30 lassen sich daher besonders filigran, das heißt mit sehr geringen Abmessungen ausbilden. So kann der Schaft 42 des Sondenkörpers 30 eine Länge von mehreren 10 μm bis zu einigen Millimetern und einen Durchmesser von einigen 10 μm bis wenigen 100 μm aufweisen. Auch die Verbreiterung 44 des Sondenkörpers 30 kann einen Durchmesser im Bereich von einigen 10 μm bis wenigen 100 μm aufweisen. Derartig dimensionierte Sondenkörper 30 ermöglichen eine Vermessung von Bohrungen 12, deren Durchmesser im Mikrometerbereich, das heißt im Bereich von einigen 10 μm bis einigen 100 μm liegen. Somit eignet sich das Verfahren beispielsweise zur Vermessung von Bohrungen in Düsen zur Einspritzung von Kraftstoff in einen Verbrennungsmotor.
Der Sondenkörper 30 lässt sich mittels einer Erodiertechnik und insbesondere durch ein funkenerosives Abtragsverfahren aus einem Metalldraht formen, der beispielsweise ein Hartmetall, einen karbonisierten Stahl oder einen Sinterstahl aufweist. Wie in 4 dargestellt ist, wird der Metalldraht 50 bei diesem Verfahren in die Nähe einer Elektrode 52 gebracht, so dass durch Funkenerosion Material von dem Metalldraht 50 abgetragen wird. Während des Materialabtrags wird der Metalldraht 50 zum einen um seine Längsachse rotiert, in 4 dargestellt durch den Pfeil 54, und zum anderen in seiner Längsrichtung relativ zu der Funkenerosionselektrode 52 bewegt, dargestellt durch den Pfeil 56.
Eine entsprechende Rotationsbewegung 54 und Längsbewegung 56 des Metalldrahts 50 bezüglich der Elektrode 52 ermöglicht eine gezielte Herstellung eines Sondenkörpers 30 mit einer gewünschten Länge des Schafts 42 und mit gewünschten Durchmessern des Schafts 42 und der Verbreiterung 44. Auf diese Weise wurde aus einem Metalldraht 50 mit einem Durchmesser von über 1 mm ein Sondenkörper 30 mit einer Schaftlänge von 1,3 mm und einem Schaftdurchmesser von etwa 80 μm hergestellt, der eine kugelförmige Verbreiterung mit einem Radius von etwa 55 μm aufwies.

10: Messkopf
12: Innenraum
14: Probenkörper
16: Vertiefung
18: Hohlraum
20: Fluidkanal
22: Fluidleitung
24: Dichtung
26: Führung
28: Sondenschlitten
30: Sondenkörper
32: Oberfläche
34: Bewegungsrichtung
36: Gewindespindel
37: Getriebe
38: Stellmotor
40: Rückseite
42: Schaft
44: Verbreiterung
46: Wand
48: Verengung
50: Metalldraht
52: Elektrode
54: Rotationsbewegung
56: Längsbewegung

Claims

Verfahren zur Vermessung eines Innenraums (12), bei dem ein Sondenkörper (30) mit geschlossener Oberfläche in den Innenraum (12) eingeführt wird und ein Fluid mit einem vorbestimmten Druck an dem Sondenkörper (30) vorbei – und nicht durch den Sondenkörper (30) hindurch – in den Innenraum (12) eingeleitet wird, wobei durch den Sondenkörper (30) ein fluiddurchströmter Zwischenraum zwischen dem Sondenkörper (30) und einer den Innenraum (12) begrenzenden Wand (46) derart verengt wird, dass sich in dem einströmenden Fluid ein von dem Ausmaß der Verengung (48) des Innenraums abhängiger Gegendruck aufbaut, der erfasst und ausgewertet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sondenkörper (30) relativ zu dem Innenraum (12) bewegt und der Gegendruck in wenigstens einer Dimension ortsaufgelöst erfasst wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Sondenkörper (30) in der Richtung einer Tiefenerstreckung des Innenraums (12) innerhalb des Innenraums (12) bewegt wird und der Gegendruck in verschiedenen Tiefen des Innenraums (12) erfasst wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Bohrung (12) mit einem Durchmesser im Bereich von einigen 10 μm bis einigen 100 μm vermessen wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sondenkörper (30) in oder entgegen der Fluidströmungsrichtung in den Innenraum (12) eingeführt wird, ohne dabei die Wand (46) zu berühren.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Sondenkörper (30) entgegen der Fluidströmungsrichtung in den Innenraum (12) eingeführt wird und dabei die Wand (46) berührt.
Vorrichtung zur Vermessung eines Innenraums (12) eines Probenkörpers (14), mit einer an den Probenkörper (14) ankoppelbaren Fluidversorgungsanordnung und einem in den Innenraum (12) einführbaren Sondenkörper (30) mit einer geschlossenen Oberfläche, der mit einer den Innenraum (12) begrenzenden Wand (46) eine Verengung (48) bildet, so dass sich in einem, mit einem vorbestimmten Druck an dem Sondenkörper (30) vorbei – und nicht durch den Sondenkörper (30) hindurch – in den Innenraum (12) eingeleiteten Fluid ein Gegendruck aufbaut, dessen Betrag von dem Ausmaß der Verengung (48) des Innenraums (12) abhängt und der durch einen Druckaufnehmer erfassbar und auswertbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Durchmesser des Sondenkörpers (30) und ein Durchmesser des Innenraums (12) in einem zu vermessenden Abschnitt des Innenraums (12) im Bereich von einigen 10 μm bis einigen 100 μm liegen.
Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Sondenkörper (30) einen Schaft (42) aufweist, an dessen in den Innenraum (42) einzuführendem Ende eine Verbreiterung (44) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser der Verbreiterung (44) um wenige 10 μm und vorzugsweise um ungefähr. 10 – 20 μm kleiner ist als der Durchmesser des Innenraums (12) in dem zu vermessenden Abschnitt des Innenraums (12).
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluidversorgungsanordnung einen Messkopf (10) aufweist, der über eine Fluidleitung (22) mit einem Druckerzeuger zur Erzeugung des vorbestimmten Fluiddrucks verbunden ist und der unter Bildung einer abgedichteten Fluidverbindung zwischen Messkopf (10) und Probenkörper (14) an den Probenkörper (14) ankoppelbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Sondenkörper (30) an dem Messkopf (10) gehalten und insbesondere verschiebbar an dem Messkopf (10) gelagert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass am Messkopf (10) eine Stelleinrichtung (38) zur definierten Bewegung des Sondenkörpers (30) relativ zum Messkopf (10) und insbesondere zur definierten Einführung des Sondenkörpers (30) in den Innenraum (12) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Messkopf (10) an einer Justiervorrichtung gehalten und zur exakten Ankopplung an den Probenkörper (14) in drei Raumrichtungen bewegbar und zusätzlich um zwei Achsen verschwenkbar ist.
Sondenkörper (30) mit einem Schaft (42), gekennzeichnet durch eine Verbreiterung (44) in einem Endbereich des Schafts (42), wobei ein Durchmesser des Schafts (42) und ein Durchmesser der Verbreiterung (44) im Bereich von einigen 10 μm bis einigen 100 μm liegen.
Sondenkörper (30) nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Sondenkörper (30) aus einem Draht (50) gebildet ist, der ein Hartmetall, einen karbonisierten Stahl oder einen Sinterstahl aufweist.
Sondenkörper (30) nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Sondenkörper (30) mittels einer Erodiertechnik und insbesondere durch ein funkenerosives Abtragsverfahren hergestellt ist.
Verfahren zur Herstellung eines Sondenkörpers (30) nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Sondenkörper (30) mittels einer Erodiertechnik und insbesondere durch ein funkenerosives Abtragsverfahren aus einem Metalldraht (50) geformt wird, wobei der Metalldraht (50) während des Abtragprozesses um seine Längsachse gedreht und gleichzeitig in seiner Längsrichtung relativ zu einer Funkenerosionselektrode (52) bewegt wird.
Verwendung eines Sondenkörpers (30) nach einem der Ansprüche 15 bis 17 bei einem Verfahren nach Anspruch 1 zur Vermessung einer Bohrung (12) mit einem Durchmesser im Bereich von einigen 10 μm bis einigen 100 μm.