DE19721826C2 - Vorrichtung zur Prüfung von elektrisch leitfähigem Material - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Prüfung von elektrisch leitfähigem Material nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

In den Fertigungslinien unterschiedlichster Produkte ist es von erheblicher Bedeutung, optisch nicht voneinander unterscheidbare Teile, insbesondere Teile aus Metalllegierungen oder Teile mit elektrisch leitfähigen Beschichtungen, wie Steckkontakte, Zündkerzenelektroden usw., zu unterscheiden. Derartige Teile sind insbesondere nach dem Einbau voneinander kaum unterscheidbar, d. h. man benötigt zerstörungsfreie Meßmethoden, um die unterschiedlichen leitfähigen Materialien, wie z. B. Zinn oder Silber, sicher zu unterscheiden.

Derzeit wird eine solche Erkennung von Materialien beispielsweise mit Wirbelstromverfahren durchgeführt, bei denen durch Elektromagneten unter Verwendung von Wechselstrom mit hohen Frequenzen ein Wirbelstrom induziert wird. Auch die Messung der magnetischen Permeabilität bei einer magnetischen Induktion mit unterschiedlichen Wechselstromfrequenzen ist bei Beschichtungen mit ferromagnetischen Materialien anwendbar.

Diese Verfahren benötigen eine sehr aufwendige und genaue Meßelektronik, wobei die Abstandstoleranzen der Induktionsspule zum Prüfling und die Prüflingsmaßtoleranzen häufig den eigentlichen Meßeffekt überdecken. Weiterhin sind diese Verfahren nur auf ferromagnetische Basismaterialien anwendbar, d. h., daß beispielsweise von den gebräuchlichen Beschichtungsmaterialien lediglich Nickel zu vermessen ist.

In der Druckschrift SU 15 48 731 A1 ist eine Vorrichtung beschrieben, die Information über physikalische Eigenschaften aus der Größe des Thermospannungssignals gewinnt. Ein Thermoelement gemäß diesem Stand der Technik ist nicht in der Lage, Aussagen über die Geometrie, beispielsweise über die Schichtdicke des Materials im Bereich der Kontaktstellen zu treffen.

Vorteile der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Materialprüfung von Prüflingen, insbesondere von Steckkontakten, vorzuschlagen, das bei einer Vielzahl elektrisch leitfähiger Beschichtungen einsetzbar ist, mit der solche Aussagen über die Schichtdicke oder die sonstige dreidimensionale Anordnung des Materials im Bereich der Kontaktstellen möglich ist.

Diese Aufgabe wird ausgehend von einer Vorrichtung und einem Verfahren der einleitend genannten Art durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Durch die in den Unteransprüchen genannten Maßnahmen sind vorteilhafte Ausführungen und Weiterbildungen der Erfindung möglich.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Materialprüfung eines elektrisch leitfähigen Materials beruht im wesentlichen auf der meßtechnischen Nutzung des sogenannten Seebeck-Effekts. Der Seebeck-Effekt besagt, daß bei einer lokalen Erwärmung eines Leiters sich eine Potentialdifferenz zwischen den Bereichen mit entsprechender Temperaturdifferenz einstellt. In der praktischen Anwendung, beispielsweise als Thermoelement, benutzt man Vorrichtungen, die zwei Kontaktstellen unterschiedlicher Materialien aufweisen. Bei unterschiedlichen Temperaturen an diesen beiden Kontakten bildet sich eine sogenannte Thermospannung aus. Der Betrag dieser Spannung ist einerseits abhängig von der Temperaturdifferenz zwischen beiden Kontaktstellen, andererseits jedoch von der Materialbeschaffenheit an den Kontaktstellen. Besonders gut eignet sich das Verfahren daher zur Unterscheidung von Materialien, die einen entsprechenden Abstand in der Spannungsreihe der Metalle zueinander aufweisen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung nutzt diesen Effekt, indem zwei elektrisch leitfähige Prüfkontakte mit bekanntem Material vorgesehen werden, wobei ein Spannungs- und/oder Strommeßgerät zwischen die beiden Prüfkontakte geschaltet ist. Weiterhin sind Mittel zur Erzeugung einer Temperaturdifferenz zwischen den Prüfkontakten wenigstens in mit dem Prüfling kontaktierter Stellung vorhanden. Sobald sich eine Temperaturdifferenz zwischen den beiden Prüfkontakten einstellt, läßt sich anhand der Thermospannung, wie oben bereits angedeutet, die Materialbeschaffenheit des Prüflings an den Kontaktstellen bestimmen, da die Thermospannung von den Kontaktmaterialien abhängt.

Kommen beispielsweise zwei verschiedene Materialien bei einem Prüfling in Frage, so werden in einer besonders vorteilhaften Ausführung der Erfindung die Prüfkontakte aus einem der beiden Materialien gefertigt. Wird keine Spannung damit gemessen, beinhaltet der Prüfling das gleiche Material, anderenfalls das andere Material.

Eine derartige Vorrichtung ist mit einem äußerst geringen Aufwand herzustellen und einzusetzen. Das Verfahren ist völlig unabhängig von der Geometrie oder den Fertigungstoleranzen des Prüflings. Die Analyseergebnisse stehen unmittelbar zur Verfügung, d. h. die relevanten Daten können bei Bedarf innerhalb von spätestens einigen Millisekunden geliefert werden.

Eine solche Vorrichtung ist sowohl zur Prüfung einer Beschichtung eines Werkstücks als auch zur Prüfung von Vollmaterial geeignet.

Bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung werden zudem Speichermittel zum Abspeichern der Meßdaten vorgesehen. Zum einen ist hierdurch eine automatische Vermessung und Zuordnung von Kenndaten eines Werkstücks zu den Meßdaten ohne weiteres möglich, zum anderen kann hierdurch auch der zeitliche Verlauf der Meßdaten beobachtet werden.

Hierzu wird zusätzlich eine Uhr bzw. ein Taktgenerator zur zeitlichen Zuordnung gespeicherter Meßdaten vorgesehen. Aufgrund einsetzender Wärmediffusion beim Heizen bzw. Kühlen einer Kontaktstelle ergibt sich eine Zeitkurve in der Meßspannung bzw. innerhalb des Meßstroms. Die Auswertung dieser zeitlichen Zuordnung erlaubt nicht nur die Analyse des jeweiligen Materials, sondern kann je nach Anwendungsfall über die Korrelation zu der stattfindenden Wärmediffusion Aufschluß über die Schichtdicke im Falle einer vermessenen Beschichtung geben.

Hierzu wird bei der Erfindung eine Auswerteeinheit zur automatischen Auswertung der zeitabhängigen Meßkurven vorgesehen. Eine solche Auswerteeinheit, die in der Regel in Form eines herkömmlichen Computers ausgeführt wird, liefert unmittelbar die durch die Messung angestrebten Aussagen. Neben der Analyse des Materials, beispielsweise durch Vergleich mit Referenzkurven wie oben angeführt oder aber auch durch die analytische Auswertung der Spannungswerte, insbesondere des auftretenden Spannungsmaximums, kann eine derartige Auswerteeinheit über den zeitlichen Verlauf der Meßkurve die Schichtdicke einer vermessenen Beschichtung angeben. Auch diese Auswertung kann beispielsweise über Referenzkurven oder aber auch durch Anpassung analytischer Funktionen an die Meßkurve und anschließender Auswertung der entsprechenden Funktionsparameter stattfinden.

In einer anwenderfreundlichen Ausführungsvariante der Erfindung werden zusätzliche Anzeigemittel zur Darstellung wenigstens einer solchen zeitabhängigen Meßkurve vorgesehen. Eine solche Anzeigeeinheit erlaubt es dem Betrachter unmittelbar während der Messung Rückschlüsse auf den Prüfling zu ziehen. In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung werden die Anzeigemittel so ausgebildet, daß sie mehrere zeitabhängige Meßkurven zugleich darstellen können. Die Materialanalyse kann hierbei durch Vergleich der Meßdaten unterschiedlicher Prüflinge stattfinden. Besonders vorteilhaft ist hierbei die Verwendung einer Referenzkurve, die an einem bekannten Prüfling aufgenommen wird. In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform können unterschiedliche Referenzkurven für die unterschiedlichsten Materialien bzw. Schichtstärken verwendet werden.

In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird zur Herstellung der notwendigen Temperaturdifferenz eine Heizung an einem Prüfkontakt vorgesehen. Eine derartige Heizung kann in einer besonders einfachen und damit vorteilhaften Ausführung in Form eines Heizwiderstandes vorgesehen werden.

In einer Weiterbildung dieser Ausführungsform wird zudem ein Thermosensor an wenigstens einem der beiden Prüfkontakte, vorzugsweise an dem beheizten Prüfkontakt, angebracht. Hierdurch läßt sich die Temperaturdifferenz bestimmen, sofern man davon ausgeht, daß der andere Prüfkontakt eine bestimmte Temperatur, beispielsweise die Umgebungstemperatur aufweist. In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung werden beide Prüfkontakte mit Thermosensoren versehen, so daß ständig die exakte Temperaturdifferenz zwischen beiden Prüfkontakten bekannt ist. Je genauer die Information über die vorliegende Temperaturdifferenz ist, um so präziser kann die Thermospannung ausgewertet werden. Dies ist insbesondere dann sinnvoll, wenn mehr als nur zwei verschiedene Materialien voneinander unterschieden werden sollen.

Zudem ist es in einer besonderen Ausführungsform denkbar, Steuermittel vorzusehen, mittels denen auf der Grundlage der gemessenen Temperaturdifferenz die Heizmittel angesteuert werden. Auf diese Weise läßt sich eine vorgegebene Temperatur einstellen. Hierdurch wäre der Vergleich von Spannungswerten bzw. Spannungskurven für unterschiedliche Materialien bei vorgegebenen, übereinstimmenden Temperaturdifferenzen möglich.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird anhand der Figuren nachstehend näher erläutert.

Im einzelnen zeigen

Fig. 1 eine schematische Skizze zur Veranschaulichung des prinzipiellen Aufbaus einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Fig. 2 ein Beispiel für den Zeitverlauf einer mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung aufgenommene Meßspannung und

Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel für einen konstruktiven Aufbau zur Vermessung von Kontaktstiften.

Ausführungsbeispiel

Die Vorrichtung 1 zur Materialprüfung gemäß Fig. 1 umfaßt zwei Prüfspitzen 2, 3, die aus einem ersten Metall bestehen. Sie sind mit einem Voltmeter 4 zur Messung der Thermospannung verbunden.

Ein Prüfling 5, der aus einem zweiten Metall besteht, kann an seiner Oberfläche 6 mit einer Beschichtung aus einem dritten Metall versehen sein.

Zur Materialprüfung werden beide Prüfspitzen 2, 3 auf den zu prüfenden Prüfling 5 bzw. im Falle einer beschichteten Oberfläche 6 auf diese Beschichtung aufgelegt, wobei eine der Prüfspitzen, beispielsweise die Prüfspitze 2, auf eine erhöhte Temperatur gebracht wird. Hierdurch stellt sich eine Thermospannung zwischen den Prüfspitzen 2, 3 ein, die abhängig von der Temperaturdifferenz sowie der Materialbeschaffenheit der verschiedenen Metalle ist. Für eine grobe Unterscheidung von Materialien, beispielsweise dann, wenn aufgrund einer Vorauswahl nur zwei verschiedene Materialien in Frage kommen, muß die Temperaturdifferenz nicht exakt bekannt sein. Dies gilt insbesondere dann, wenn die für die Thermospannung relevanten Materialkoeffizienten größenmäßig weit auseinander liegen.

Fig. 2 zeigt den Verlauf der Meßspannung Um über der Zeit t. Zum Beginn der Messung t0 steigt die Spannung sprunghaft auf einen Wert U1 an, um innerhalb eines Zeitintervalls t1 - t0 auf einen Wert in der Nähe von einer Spannung U2 abzuklingen.

Dieser Spannungsabfall zwischen der Zeit t0 und t1 ist im Falle einer Beschichtung der Oberfläche 6 dadurch zu erklären, daß durch Wärmediffusion sich die gewünschte Temperaturdifferenz nicht nur zwischen den Kontaktstellen der Prüfspitzen 2, 3 mit der Beschichtung, sondern auch in der darunter liegenden Grenzschicht zwischen der Beschichtung und dem Substrat des Prüflings 5 ausbildet. Das im Falle einer beschichteten Oberfläche 6 durch den Kontakt zwischen der Beschichtung und Prüfling 5 gebildete Thermoelement ist in sich kurzgeschlossen, so daß sich der Seebeck-Effekt in diesem Fall im wesentlichen durch entsprechende Ströme im Material auswirkt. Aufgrund der begrenzten Leitfähigkeit bzw. des vorhandenen elektrischen Widerstandes des Materials kann jedoch davon ausgegangen werden, daß sich eine geringe Spannungsdifferenz auch zwischen diesen Kontaktstellen ausbildet.

Für die Unterscheidung der verschiedenen Materialien genügt die Auswertung der Spannung U1, d. h. die Höhe des Spannungsmaximums im Zeitintervall t0 und t1. Da jedoch der darauffolgende zeitliche Verlauf der Spannung im wesentlichen auf Wärmediffusionseffekte zurückzuführen ist, kann davon ausgegangen werden, daß bei näherer Analyse dieses Kurvenverlaufs Aussagen über die Schichtdicke getroffen werden können. Dies gilt insbesondere dann, wenn aufgrund der Auswertung des Spannungsmaximums die entsprechende Materialkonstellation bekannt ist.

Fig. 3 zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine Vorrichtung 1, die zur Vermessung von Kontaktstiften verwendbar. Ein Steckergehäuse 7 umgibt Kontaktstifte 8. Ein Prüfadapter 9 umfaßt zwei Prüfkontakte 10, 11. Die Prüfkontakte 10, 11 weisen eine gebogene Form auf, so daß bei gleichzeitiger federnder Ausbildung der Prüfkontakte 10, 11 ein zuverlässiger Kontakt am Kontaktstift 8 sichergestellt ist. Am Prüfkontakt 10 ist ein Heizdraht 12 elektrisch isoliert befestigt, so daß die notwendige Temperaturdifferenz zwischen den beiden Kontaktstellen der Prüfkontakte 10, 11 herstellbar ist.

Die beiden Prüfkontakte 10, 11 sind mit entsprechenden ausgangsseitigen Meßanschlüssen 13, 14 verbunden, so daß an diesen Meßanschlüssen 13, 14 ein entsprechendes, nicht näher dargestelltes Voltmeter angeschlossen werden kann.

Aus dem dargestellten Ausführungsbeispiel geht die schnelle und problemlose Anwendung des erfindungsgemäßen Meßverfahrens hervor. Die gewünschten Meßwerte stellen sich, wie bereits oben angeführt, innerhalb von einigen Millisekunden bzw. je nach Anwendungsfall auch in weniger als einer Millisekunde ein, so daß praktisch unmittelbar mit dem Aufstecken des Prüfadapters 9 das Ergebnis der entsprechenden Materialprüfung vorliegt.

Insbesondere in Verbindung mit einer selbsttätigen Auswerteeinheit ist durch einfaches Aufstecken eines solchen Prüfadapters 9 die sofortige Auskunft über das Material eines Prüflings wie dem Kontakt 5 bzw. dessen Beschichtung, sowie gegebenenfalls über die Schichtdicke im Falle einer beschichteten Oberfläche 6 erhältlich.

Bezugszeichenliste

1

Vorrichtung

2

Prüfspitze

3

Prüfspitze

4

Voltmeter

5

Prüfling

6

Oberfläche

7

Gehäuse

8

Kontaktstifte

9

Prüfadapter

10

Prüfkontakt

11

Prüfkontakt

12

Heizdraht

13

Meßanschluß

14

Meßanschluß

Claims (6)

1. Vorrichtung (1) zur Prüfung von elektrisch leitfähigem Material eines Prüflings, insbesondere von Kontaktstiften (8) eines Steckerkontakts, die zwei elektrisch leitfähige Prüfkontakte (2, 3), zwischen die ein Spannungs- und/oder Strommeßgerät (4) geschaltet ist, und Mittel zur Erzeugung einer Temperaturdifferenz zwischen den Prüfkontakten (2, 3) umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß Speichermittel zum Speichern von Meßdaten, daß eine Uhr oder ein Taktgenerator zur zeitlichen Zuordnung der gespeicherten Meßdaten und daß eine Auswerteeinheit zur Auswertung der zeitabhängigen Meßdaten vorgesehen ist.

2. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß Anzeigemittel zur Darstellung von zeitabhängigen Meßkurven vorgesehen sind.

3. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß eine Heizungseinrichtung an einem der Prüfkontakte (2, 3) vorgesehen ist.

4. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß an wenigstens einem der Prüfkontakte (2, 3) ein Thermosensor vorgesehen ist.

5. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß Steuermittel zur Einstellung einer definierten Temperaturdifferenz zwischen den Prüfkontakten (2, 3) vorgesehen sind.

6. Verwendung einer Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche zur Prüfung von elektrisch leitfähigem Material eines Prüflings, insbesondere von Kontaktstiften eines Steckerkontakts.