DE19623649C2 - Vorrichtung und Verfahren zum Erfassen der elektrostatischen Aufladung einer Pulverwolke - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Erfassen der elektrostatischen Ladungsvertei­ lung einer Pulverwolke.

Aus dem Stand der Technik ist bekannt, die Materialvertei­ lung innerhalb von Sprühwolken einer Pulverbeschichtungsein­ richtung mittels Sprühbildanalysen zu bestimmen. In einfa­ chen Fällen wird hierfür kurzzeitig eine ebene Testfläche besprüht, und anschließend wird die Dicke der Farbschicht pro Flächenelement der Testfläche ausgewertet. In komplexe­ ren Anlagen messen Lasersysteme direkt die Pulverdichte in­ nerhalb einer Sprühwolke.

Bei der elektrostatischen Pulverbeschichtung ist allerdings nicht nur die reine Materialverteilung innerhalb einer Sprühwolke für das Beschichtungsergebnis maßgebend, sondern insbesondere auch die Aufladung der Farbpulverpartikel und die Verteilung der Ladung innerhalb der Sprühwolke, weil die elektrostatische Aufladung wesentlich zu dem Haftvermögen des Beschichtungspulvers am zu beschichtenden Werkstück bei­ trägt. Es gibt zwar bereits verschiedene theoretische Model­ le der Ladungsverteilung im Pulverstrom, innerhalb und au­ ßerhalb einer Pulversprühpistole, es ist jedoch kein Verfah­ ren zum Messen der Ladungsverteilung in einer Sprühwolke während des Sprühens (Online) bekannt.

Die US 4,321,546 beschreibt ein Verfahren zum Bestimmen der statischen Ladung einer Aerosolwolke, welche von einer Sprühdose abgegeben wird. Hierfür wird die Aerosolwolke auf ein Gitter gesprüht, und die induziert Ladung wird über ei­ nen Kondensator geleitet, dessen Ladung dann erfaßt wird.

Die DE-195 02 439 A1 offenbart ein Verfahren zum Messen einer in Vakuum in einer gegebenen Richtung strömenden Ladungsmen­ ge, bei dem die in der besagten Richtung strömenden Teilchen simultan und kaskadiert, d. h. mit in Strömungsrichtung hin­ tereinandergeschalteten Auffängern, aufgefangen werden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erfassen der elektrostatischen Ladungs­ verteilung einer Pulverwolke anzugeben.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen von Anspruch 1 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 7 gelöst.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird eine Prüffläche mit mehreren voneinander getrennten, elektrisch leitenden Meßfeldern vorgesehen, welche über Meßleitungen mit einem Bezugspotential, vorzugsweise Masse, verbunden sind. Eine Meßeinrichtung erfaßt die Entladeströme von den Meßfeldern zu dem Bezugspotential, welche durch die Ladung der Pulver­ partikel auf den einzelnen Meßfeldern verursacht werden. Die Zwischenräume zwischen den einzelnen Meßfeldern bzw. Meß­ punkten sind leer oder bestehen aus einem nicht leitenden Werkstoff. Eine Auswerteeinrichtung ermittelt die Ladungs­ verteilung in der Pulverwolke, welche die Entladeströme ver­ ursacht, aufgrund der erfaßten Ströme. Es gilt: Strom = Ladung/Zeit.

Für eine einfache Auswertbarkeit der Entladeströme sind die Meßfelder der Prüffläche vorzugsweise in einer regelmäßigen Matrix aus Meßfeldspalten und Meßfeldzeilen angeordnet. Ein besonders günstiger Schaltungsaufbau ergibt sich, wenn die einzelnen Meßleitungen über einen Multiplexer mit der Meß­ einrichtung verbunden sind, so daß die Entladeströme der Meßfelder nacheinander von der Meßeinrichtung erfaßt werden können.

Ein Meßfeld ist beispielsweise mit einer runden leitenden Fläche, wie einer Metallfläche, und einem diese Fläche umge­ benden nicht leitenden Rahmen aufgebaut, wobei die leitende Fläche über im Rahmen integrierte Meßleitungen mit der Meß­ einrichtung verbindbar ist. Der Rahmen dient zusätzlich zur mechanischen Verbindung der einzelnen Meßfelder.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist ferner eine Auswerte­ einrichtung auf, die beispielsweise ein üblicher Computer sein kann, um ein dreidimensionales Bild der Stromwerte über der Prüffläche zu erzeugen, zu speichern und anzuzeigen.

Die Erfindung wird vorzugsweise in einer elektrostatischen Pulverbeschichtungsanlage eingesetzt, bei der eine Sprühvor­ richtung elektrostatisch aufgeladenes Pulver auf ein Werk­ stück richtet.

Erfindungsgemäß ist ferner ein Verfahren zum Erfassen der elektrostatischen Aufladung einer Pulverwolke mittels einer Prüfanordnung aus mehreren elektrisch leitenden Meßfeldern der oben beschriebenen Art vorgesehen. Die Meßfelder werden mit einem Bezugspotential, vorzugsweise Masse verbunden. Die Pulverwolke wird auf die Meßfelder gerichtet, wobei die elektrostatische Aufladung der Pulverwolke einen Entlade­ strom von den Meßfeldern zu dem Bezugspotential bewirkt.

Dieser Strom wird erfaßt und ausgewertet, um die Ladungsver­ teilung in der Pulverwolke zu bestimmen.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird zunächst der Strom eines Meßfeldes oder Flächenelements gemessen. Für die Aus­ wertung werden die Stromwerte digitalisiert und mit einem geeigneten Anwendungsprogramm, wie Microsoft Excel, als dreidimensionales Bild über, der Prüffläche dargestellt. Die entsprechende Ladung der jeweiligen Meßfelder läßt sich mit­ tels der folgenden Formel aus dem gemessenen Strom ableiten:

Strom = Ladung/Zeit.

Um die zeitliche Entwicklung der Ladungsverteilung in der Sprühwolke zu erfassen, wird der Strom für jedes Meßfeld nur während bestimmter vorgegebener Zeitintervalle Δt gemessen, zum Beispiel von 0 bis 100 ms nach dem Einschalten der Sprü­ heinrichtung, dann während 100 bis 200 ms nach dem Einschal­ ten usw. Für jedes Zeitintervall Δt werden die Stromwerte für alle Meßfelder ermittelt und gespeichert. Sie können dann auf einer geeigneten Anzeigeeinrichtung, wie dem Moni­ tor eines Computers, als dreidimensionales Bild über der Prüffläche dargestellt werden. Läßt man nun die dreidimen­ sionalen Bilder für die aufeinanderfolgenden Zeitintervalle Δt nacheinander auf dem Bildschirm erscheinen, dann ent­ spricht dies der zeitlichen Entwicklung der Ladungsvertei­ lung in der Pulverwolke.

Eine räumliche Analyse der Ladungsverteilung der Pulverwolke ist zusätzlich durch Verschieben der Prüffläche parallel und senkrecht zur Sprührichtung möglich. In diesem Fall werden die Stromwerte der Meßfelder bei verschiedenen, vorgegebenen Abständen und ggf. Winkelpositionen von Prüffläche zu Sprü­ heinrichtung erfaßt.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgen­ den Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform mit Bezug auf die Zeichnung. In den Figuren zeigen:

Fig. 1 eine schematische Ansicht einer erfindungsgemä­ ßen Ausführungsform einer Vorrichtung zum Er­ fassen der elektrostatischen Aufladung einer Pulverwolke und

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Meßfeldes aus der Vorrichtung von Fig. 1.

In Fig. 1 ist eine Prüffläche 20 mit 16 Zeilen und 16 Spal­ ten aus Meßfeldern 22 dargestellt, die ein wesentlicher Be­ standteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Erfassen der Ladungsverteilung in einer Pulverwolke ist. Ein einzelnes Meßfeld 22 ist in Fig. 2 mit weiteren Einzelheiten darge­ stellt.

Ein Meßfeld 22 gemäß der in Fig. 2 gezeigten Ausführungs­ form weist eine leitende Fläche 24, welche als Meßfläche dient, einen nicht leitenden Rahmen 26 und Kanäle 28 für Meßleitungen auf. Die leitende Fläche 24 wird z. B. von ei­ ner Metallscheibe gebildet, sie kann jedoch auch aus einem anderen leitenden Werkstoff hergestellt sein. Der Zwischen­ raum 30 zwischen der leitenden Fläche 24 und dem Rahmen 26 ist leer; Meßleitungen (nicht gezeigt), welche von der Meß­ fläche 24 zu der später noch beschriebenen Meßeinrichtung führen, verlaufen innerhalb des Kanals 28 und werden durch diesen isoliert. Die Meßleitungen verlaufen dann weiter durch den Rahmen 26, welcher auch zur mechanischen Verbin­ dung mehrerer Meßfelder dient.

Die einzelnen Meßfelder 22 sind so aufgebaut, daß sie über ihre Rahmen 26 miteinander verbunden werden können. Dadurch ist es möglich, die Prüffläche 20 nach Bedarf zu vergrößern und zu verkleinern, je nach Größe der elektrostatischen Be­ schichtungsanlage und nach gewünschter Auflösungsgenauigkeit bei der Erfassung der Ladung. Selbstverständlich müssen die Meßfelder 22 nicht in einer regelmäßigen Matrix aus Spalten und Zeilen angeordnet sein, sondern jede brauchbare Konfigu­ ration, z. B eine näherungsweise runde Prüffläche, kann aus den Meßfeldern aufgebaut werden.

Man beachte, daß die Darstellung des Meßfeldes 22 in Fig. 2 sehr schematisch ist und lediglich das Prinzip eines solchen Meßfeldes zeigen soll. Die Beschreibung bezieht sich im fol­ genden wieder auf Fig. 1.

Die aus den Meßfeldern 22 aufgebaute Prüffläche 20 dient, wie gesagt, zur Erfassung der Ladungsverteilung in einer Pulverwolke 32, welche von einer Pulverbeschichtungseinrich­ tung 34, wie einer Pulversprühpistole, abgegeben wird. Jedes Meßfeld 22 bzw. jede Meßfläche 24 ist über eine Meßleitung 36 und einen Multiplexer 38 mit einem Strommeßgerät 40 ver­ bunden, dessen Ausgangswerte an eine Auswerteeinrichtung 42, wie einen Computer, übergeben werden. Das Meßgerät 40 erfaßt einen Entladestrom von einem Meßfeld 22 bzw. einer Meßfläche 24 zu Masse. Um den Schaltungsaufwand gering zu halten, wer­ den die Meßleitungen 36 von den Meßflächen 24 nacheinander über den Multiplexer 38 zu dem Meßgerät 40 durchgeschaltet, so daß die Entladeströme von den verschiedenen Meßfeldern 22 von einem einzigen Strommeßgerät 40 erfaßt werden können.

Die Erfindung sieht vor, zunächst den Entladestrom pro Meß­ fläche, oder Flächenelement, 24 zu messen. Die Stromwerte werden bei der gezeigten Ausführungsform digitalisiert und in der Auswerteeinrichtung 42 als dreidimensionales Bild über der Prüffläche 20 dargestellt. Hierzu kann z. B. Micro­ soft Excel verwendet werden. Aus dem Strom läßt sich unmit­ telbar die entsprechende Ladung ableiten, welche jeweils auf den Meßflächen 24 abgelagert wurde. Es gilt:

Strom = Ladung/Zeit.

Um die Ladungsverteilung in der Pulverwolke nicht nur zu einem bestimmten Zeitpunkt sondern auch deren zeitliche Ent­ wicklung zu ermitteln, wird bei einer bevorzugten Ausfüh­ rungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens der Strom für jedes Flächenelement innerhalb bestimmter vorgegebener Zeit­ intervalle Δt gemessen, z. B. zwischen 0 und 100 ms nach dem Einschalten der Beschichtungseinrichtung, dann während des Intervalls von 100 bis 200 ms nach dem Einschalten usw. Die Strommeßwerte für jedes Zeitintervall Δt werden digitali­ siert und als dreidimensionales Bild abgespeichert und ggf. angezeigt. Auf dem Monitor des Computers 42 in Fig. 1 ent­ spricht die B-Achse der Breite b der Prüffläche 20, die H- Achse entspricht der Höhe h der Prüffläche 20, und die I- Achse entspricht dem Stromwert, welcher bei den entsprechen­ den Meßfeldern 22 gemessen wird.

Wenn man mehrere aufeinanderfolgende dreidimensionale Bilder für die verschiedenen Zeitintervalle Δt nacheinander auf dem Bildschirm anzeigt, erhält man eine Darstellung der zeitli­ chen Entwicklung der Ladungsverteilung in der Prüfwolke. Selbstverständlich können die Ergebnisse der Strom- bzw. Ladungsmessung zusätzlich zu deren Anzeige auf dem Bild­ schirm auch noch nach Bedarf auf andere Weise weiterverar­ beitet werden.

Um auch eine räumliche Analyse der Ladungsverteilung in der Pulverwolke zu erhalten, kann die Prüffläche 20 parallel und senkrecht zur Sprührichtung relativ zu der Beschichtungsein­ richtung 34 verschoben werden. Für bestimmte, bekannte Rela­ tivpositionen von Prüffläche 20 zur Sprüheinrichtung 34 wer­ den dann wieder die Stromwerte für die einzelnen Meßfelder 22 ermittelt. Auch hier kann eine dreidimensionale Anzeige der ermittelten Stromwerte durch die Auswerteeinrichtung 42 erzeugt werden.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der Vorrichtung ist es zum ersten Mal möglich, die Ladungsverteilung innerhalb einer Pulverwolke online, d. h. während des Sprühens, zu ermitteln, ohne daß eine theoretische Modellbildung notwen­ dig wäre. Es ist lediglich eine in ihrem Aufbau relativ ein­ fache Prüffläche 20 notwendig, welche aus mehreren Meßfel­ dern 22 besteht. Wird nun mit einer elektrostatischen Sprüh­ pistole 34 Pulver auf diese Meßflächen 22 gesprüht, dann wird von den Pulverpartikeln eine entsprechende Ladung auf den einzelnen Meßflächen abgelagert. Über die Meßleitungen 36 können diese Ladungen gegen Masse abfließen, wobei der entsprechende Entladestrom für jede einzelne Meßfläche über den Multiplexer 38 an das Strommeßgerät 40 übergeben und gemessen wird. Das Meßergebnis wird dann an einen Computer 42 zur Auswertung weitergeleitet.

Die in der vorstehenden Beschreibung, den Figuren und den Ansprüchen definierten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein.

Claims (13)

1. Vorrichtung zum Erfassen der elektrostatischen Ladungsver­ teilung einer Pulverwolke, mit einer Prüffläche (20), auf der mehrere voneinander getrennte, elektrisch leitende Meß­ felder (22) vorgesehen sind, welche einzeln über Meßleitun­ gen (36) mit einem Bezugspotential verbindbar sind, mit einer Meßeinrichtung (40) zum Erfassen von Strömen von den Meßfeldern (22) zu dem Bezugspotential und mit einer Aus­ werteeinrichtung (42) zum Ermitteln der Ladungsverteilung in einer Pulverwolke, welche auf die Prüffläche gerichtet wird, aufgrund der erfaßten Ströme.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Meßfelder (22) in einer regelmäßi­ gen Matrix aus Meßfeld-Spalten und -Zeilen auf der Prüfflä­ che (20) angeordnet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Meßfelder (22) über die Meßein­ richtung (40) mit Masse verbunden sind.

4. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Meßleitungen (36) über einen Multiplexer (38) mit der Meßeinrichtung (40) verbunden sind.

5. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Meßfeld (22) eine leitende Fläche (24) und einen diese Fläche umgebenden nichtleitenden Rahmen (26) aufweist, wobei die leitende Fläche über im Rahmen integrierte Meßleitungen mit der Meß­ einrichtung verbindbar ist.

6. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Verarbeitungsein­ richtung (42) zum Erzeugen und Anzeigen eines dreidimensio­ nalen Bildes/der Stromwerte über der Prüffläche.

7. Verfahren zum Erfassen der elektrostatischen Ladungsvertei­ lung einer Pulverwolke mittels einer Prüfanordnung (20) aus mehreren voneinander getrennten, elektrisch leitenden Meß­ feldern (22), bei dem die Meßfelder einzeln mit einem Be­ zugspotential verbunden werden, die Pulverwolke auf die Prüfanordnung gerichtet wird, wobei die elektrostatische Aufladung der Pulverwolke Ströme von den Prüffeldern zu dem Bezugspotential bewirkt, und die Ströme von den Meßfeldern (22) zu dem Bezugspotential erfaßt und ausgewertet werden.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeich­ net, daß die Meßfelder über ein Strommeßgerät (40) mit Masse verbunden werden.

9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Ströme von den Meßfeldern im Mul­ tiplexverfahren (38) zu dem Strommeßgerät (40) übertragen werden.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Ströme von den Meßfel­ dern (22) während vorgegebener Zeitintervalle aufgenommen werden und die Stromwerte für jedes Zeitintervall ausgewer­ tet werden.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch ge­ kennzeichnet, daß ein dreidimensionales Bild der Ströme über der Prüfanordnung (20) erzeugt, gespeichert und angezeigt wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Prüfanordnung (20) und eine Sprüheinrichtung (34) zum Abgeben der Pulverwolke re­ lativ zueinander bewegt werden und die Ströme für verschie­ dene Relativpositionen von Prüfanordnung und Sprüheinrich­ tung ausgewertet werden.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Prüfanordnung (20) parallel und/­ oder senkrecht zur Sprührichtung (34) verschoben wird.