DE19906442C2 - Verfahren zum Messen des Abstandes zwischen einer Sensorelektrode und einem Werkstück - Google Patents
Verfahren zum Messen des Abstandes zwischen einer Sensorelektrode und einem WerkstückInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Messen des
Abstandes zwischen einer Sensorelektrode und einem Werkstück.
Es ist bereits bekannt, bei Bearbeitungsmaschinen, insbesondere bei
Laserbearbeitungsmaschinen, den Abstand zwischen einem Werkstück
und einem Bearbeitungskopf zur Bearbeitung des Werkstücks auf kapazi
tive Weise zu messen. Hierzu wird am Bearbeitungskopf üblicherweise
eine Sensorelektrode angebracht, die zusammen mit dem Werkstück einen
Meßkondensator bildet, dessen Kapazität vom Abstand zwischen
Sensorelektrode und Werkstück abhängt. Die Sensorelektrode liefert
dann ein Sensorsignal, aus dem sich die Kapazität des Meßkondensators
und damit der zu messende Abstand zwischen Sensorelektrode und
Werkstück für Steuerungszwecke der Bearbeitungsmaschine ableiten
läßt.
Durch die Überwachung des Sensorsignals ist es also möglich, den
Bearbeitungskopf relativ zum Werkstück genau zu positionieren, um das
Werkstück in geeigneter Weise bearbeiten zu können. Die Positionierung
erfolgt dabei über eine Regeleinrichtung, die den aus dem Sensorsignal
ermittelten, gemessenen Abstand als Ist-Wert empfängt und mit einem
vorgegebenen Soll-Wert vergleicht, um in Abhängigkeit des
Vergleichsergebnisses den Bearbeitungskopf zu steuern.
Bei Bearbeitungsmaschinen, wie Brennschneidemaschinen und
insbesondere Laserbearbeitungsmaschinen besteht jedoch die
Problematik, daß sich bei der Bearbeitung eines Werkstücks zwischen der
Sensorelektrode und dem Werkstück ein Plasma ausbildet, das im
wesentlichen wie ein ohmscher Widerstand wirkt, der zur Meßkapazität
parallel geschaltet ist. Ein derartiges Plasma, das beispielsweise
unterhalb einer Laserschneiddüse entsteht, wenn bei Schweiß- oder
Schneidarbeiten eine gewisse Schneidgeschwindigkeit erreicht wird,
wirkt sich verfälschend auf die Abstandsmessung aus.
Um den Einfluß eines Plasmas zwischen Sensorelektrode und Werkstück
auf die Abstandsmessung auszuschließen, wird bei herkömmlichen
Abstandsmeßverfahren das LC-Oszillator-Prinzip verwendet, bei dem der
Meßkondensator zusammen mit einem parallel geschalteten induktiven
Widerstand einen Schwingkreis bildet, dessen von der Meßkapazität ab
hängige Frequenz zur Bestimmung des zu messenden Abstandes
überwacht wird. Ein im wesentlichen nur als ohmscher Widerstand
wirkendes Plasma beeinflußt dabei nur die Amplitude der Schwingung des
Schwingkreises nicht jedoch deren Frequenz.
Problematisch bei diesem Verfahren ist es, daß Streukapazitäten sehr
gering gehalten werden müssen, um die für eine zuverlässige Steuerung
der Bearbeitungsmaschine erforderliche Meßgenauigkeit zu erreichen.
Zum Verringern der Streukapazitäten sind aufwendige Isolationsmaß
nahmen erforderlich.
Aus der DE 40 20 196 A1 ist ein weiteres kapazitives Abstandsmeßver
fahren bekannt, bei dem ein Meßkondensator mit einem konstanten
Wechselstrom gespeist wird, so daß die an der Sensorelektrode des
Meßkondensators abgegriffene Meßspannung ausschließlich von der
Impedanz des Meßkondensators abhängt. Solange bei der Bearbeitung des
Werkstücks kein Plasma zwischen der Sensorelektrode und dem
Werkstück existiert, wird die Impedanz praktisch ausschließlich vom
kapazitiven Widerstand des Meßkondensators gebildet, so daß die
Meßspannung proportional zum Abstand zwischen Sensorelektrode und
Werkstück ist. Tritt jedoch ein Plasma auf, so liegt parallel zur Kapazität
des Meßkondensators ein ohmscher Widerstand, der die Impedanz des
Meßkondensators beeinflußt. Das Plasma kann dabei zu einer derartigen
Verkleinerung der Impedanz des Meßkondensators führen, daß das
Sensorsignal praktisch zusammenbricht und der Regeleinrichtung ein viel
zu kleiner Abstand vorgespiegelt wird.
Bei diesem bekannten Verfahren ist es möglich, kurzzeitige Störungen
durch ein Plasma auf elektronischem Wege auszublenden oder durch
geometrische Maßnahmen beim Ausbilden der Sensorelektrode den
Einfluß einer Plasmawolke im wesentlichen auszuschließen. Es hat sich
allerdings gezeigt, daß bei einigen Arbeiten das Sensorsignal durch
kontinuierlich anstehendes Plasma ständig gestört wird und das geome
trische Maßnahmen bei der Ausbildung der Sensorelektrode die
Ortsauflösung der Messung verschlechtern.
Die DE 43 40 395 C1 betrifft ein Verfahren zur Bearbeitung eines Werk
stücks mittels eines Laserstrahls und beschreibt ein Verfahren zum Mes
sen des Abstands zwischen einer Meß- oder Sensorelektrode und einem
Werkstück, bei dem ein konstanter Wechselstrom von einer Konstant
wechselstromquelle über einen aus Sensorelektrode und Werkstück gebil
deten Meßkondensator fließt. An der Sensorelektrode wird die über den
Meßkondensator abfallende Wechselspannung abgegriffen, um durch
Gleichrichtung und Tiefpaßfilterung ein Rückkopplungssignal für eine
Abstandsregelung zwischen Sensorelektrode und Werkstück zu erhalten.
Da bei diesem Abstandsmeßverfahren, wie bei dem bekannten Abstands
meßverfahren gemäß der DE 40 20 196 A1, die an der Sensorelektrode ab
gegriffene Meßspannung von der Impedanz des Meßkondensators ab
hängt, haben Schwankungen des Plasmas Störungen der Abstandsrege
lung zur Folge oder machen diese zumindest schwierig.
Die DE 43 40 395 C1 zeigt noch ein anderes Abstandsmeßverfahren, bei
dem der Einfluß der Meßkapazität auf die Frequenz des über den Meßkon
densator fließenden Meßstrom erfaßt wird, um daraus mit Hilfe eines Fre
quenz-Spannungs-Wandlers ein Rückkopplungssignal für die Abstands
regelung zu erhalten.
Die DE 43 11 064 A1 betrifft ein Verfahren zur Messung der Schmutzbe
frachtung einer Waschflotte, das die schmutzabhängige Leitfähigkeit der
Waschflotte erfaßt, um daraus ein Signal für den Austausch der Wasch
flotte abzuleiten.
Dazu sind an der Innenwand eines Rohres, durch das die Waschflotte
fließt, zwei Elektroden angeordnet, die zusammen mit der zwischen ihnen
hindurch strömenden Waschflotte einen Kondensator bilden, dessen
Elektroden einen festen Abstand zueinander aufweisen. Der Kondensator
ist mit einer Wechselspannungsquelle und einem Widerstand in Reihe ge
schaltet. Einer Verarbeitungsschaltung wird die Wechselspannung der
Wechselspannungsquelle sowie der Spannungsabfall am Widerstand zu
geführt, um aus dem Spannungsabfall am Meßwiderstand zwei Meßwerte,
nämlich einen ersten Meßwert, der dem Realteil des Kondensatorstroms
entspricht, und einen zweiten Meßwert, der dem Imaginärteil des Konden
satorstroms entspricht, zu ermitteln.
Die jeweiligen Meßwerte werden dann mit Grenzwerten verglichen, die
während eines Probelaufs durch optische Bewertung der Waschflotte er
mittelt wurden, um festzustellen, wann die Schmutzbefrachtung der
Waschflotte deren Wechsel erforderlich macht.
Wie aus dem Spannungsabfall am Meßwiderstand der Real- und der Imagi
närteil des Kondensatorstroms ermittelt werden, wird hier ebenso wenig
erläutert, wie die Nutzung von Realteil und/oder Imaginärteil zur Bestim
mung von Kondensatordaten.
Die DE 38 32 763 A1 betrifft eine Vorrichtung zu Erfassung des Niveaus ei
ner Schlackengrenzschicht in einer Metallschmelze. Hierzu liefert ein Os
zillator ein Oszillatorsignal mit einer Frequenz von 1 kHz über einen als
Impedanzschaltkreis dienenden Reihenwiderstand und eine Koaxiallei
tung zu einem Meßstab. Wenn der Meßstab der Oberfläche der Schlacken
schicht genähert wird, ändert sich die kapazitive Kupplung zwischen dem
Meßstab und der oberen Fläche. Dies führt zu einer Impedanzänderung an
einem Punkt zwischen dem Reihenwiderstand und der Leitung.
Das am Punkt zwischen dem Reihenwiderstand und der Leitung abgegrif
fene Signal wird über eine Filter-Verstärker-Anordnung an einen ersten
Eingang eines Synchrondetektors angelegt, dem das Ausgangssignal des
Oszillators über einen Begrenzer als Bezugssignal zugeführt ist.
Um mit dieser bekannten Vorrichtung die Grenzschichten zwischen Luft
und Schlacke und zwischen Schlacke und geschmolzenem Metall zu erfas
sen, wird die Änderung der Impedanz bei der kontinuierlichen Abwärtsbe
wegung des Meßstabs, insbesondere beim Eintauchen des Meßstabs in die
Schlackenschicht und beim Erreichen des geschmolzenen Metalls mittels
eines Synchrondetektors gemessen, der die Amplitude der Phasenkompo
nente erfaßt, die in Phase oder entgegengesetzt der Phase mit dem Bezugs
signal liegt.
Wird das Bezugssignal ohne Phasenverschiebung verwendet, so gibt das
Ausgangssignal des Synchrondetektors hauptsächlich eine Amplituden
differenz wieder, während ein um 90° gegen das Ausgangssignal des Oszil
lators phasenversetztes Bezugssignals hauptsächlich die Anzeige der Pha
sendifferenz ermöglicht. In einer Phasenstellung dazwischen erhält man
im Ausgang des Synchrondetektors eine gemischte Anzeige von Phase und
Amplitude. Die Signaländerung am Ausgang des Synchrondetektors wird
dabei durch die Impedanzänderung des Meßstabs am Ende des Kabels in
folge des Einflusses der Schlacke hervorgerufen.
Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
zum Messen des Abstands zwischen einer Sensorelektrode und einem
Werkstück bereitzustellen, das den Einfluß eines Plasmas zwischen Sen
sorelektrode und Werkstück auf die Abstandsmessung eliminiert.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Verfahren nach Anspruch
1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfin
dung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Erfindungsgemäß wird also bei einem Verfahren zum Messen des
Abstandes zwischen einer Sensorelektrode und einem Werkstück, bei dem
die Sensorelektrode mit dem Werkstück einen Meßkondensator bildet,
durch den ein Wechselstrom fließt, eine an der Sensorelektrode
anliegende Spannung als Meßspannung abgegriffen. Aus dieser
Meßspannung wird deren Realteil und Imaginärteil ermittelt, um die Meß
kapazität oder den Blindwiderstand des Meßkondensators zu ermitteln
und daraus den zu messenden Abstand unabhängig vom Plasmawider
stand zu bestimmen.
Auf diese Weise läßt sich die vom Abstand zwischen Werkstück und Sen
sorelektrode abhängige Kapazität bzw. der Blindwiderstand des Meßkon
densators und damit der Abstand selbst unabhängig vom Plasmawider
stand auch bei sich ändernden Meßstrom berechnen. Somit läßt sich nicht
nur der Einfluß eines Plasmas zwischen Sensorelektrode und Werkstück
auf die Abstandsmessung eliminieren, sondern es ist auch nicht mehr er
forderlich, eine zusätzliche Stromquelle zur Erzeugung eines Wechsel
stroms mit konstanter Amplitude vorzusehen. Das erfindungsgemäße
Verfahren erübrigt somit elektronische und/oder geometrische Maßnah
men zum Ausblenden oder Unterdrücken von Störeinflüssen des Plasmas
sowie zusätzliche Stromquellen.
Die Erfindung geht also einen völlig neuen Weg, indem sie neben Änderun
gen der Meßstromamplitude die Entstehung eines Plasmas und deren
Einfluß auf die Impedanz des Meßkondensators für die Abstandsmessung
hinnimmt und statt dessen die verwendete Meßfrequenz so wählt, daß das
Plasma bei dieser Frequenz praktisch als reiner ohmscher Widerstand
wirkt. Damit wird es ermöglicht, aus Real- und Imaginärteil der
Meßspannung die Meßkapazität zu ermitteln, um dann mit entsprechen
den Folgeberechnungen oder Kalibrierungen den Abstand bzw. ein den
Abstand anzeigendes Signal zu erhalten.
Da die Eigenschaften eines Plasmas zwischen Meßelektrode und Werk
stück von den aktuellen Parametern der jeweiligen Bearbeitung abhängen,
ist es bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, daß
aus Real- und Imaginärteil der Meßspannung ein den elektrischen Eigen
schaften, insbesondere dem Widerstand des Plasmas zwischen Sensore
lektrode und Werkstück entsprechendes Signal ermittelt wird. Dieses
Signal kann dann für die Überwachung und Steuerung des jeweiligen Be
arbeitungsvorgangs und damit zur Qualitätssicherung genutzt werden.
Bei einer zweckmäßigen Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß
die Meßspannung zur Ermittlung ihres Realteils und Imaginärteils mit
einer ersten und einer zweiten Wechselspannung kombiniert wird, die um
eine viertel Periode gegeneinander phasenverschoben sind.
Dabei ist es möglich, daß die Meßspannung zur Ermittlung ihres Real- und
Imaginärteils mit einer ersten und einer dazu um eine viertel Periode pha
senverschobenen zweiten Wechselspannung, vorzugsweise mit einer kosi
nus- bzw. sinusförmigen Wechselspannung, multipliziert wird. Eine an
dere vorteilhafte Möglichkeit besteht darin, die Meßspannung zur
Ermittlung ihres Real- und Imaginärteils einer ersten bzw. einer zweiten
Synchrongleichrichtung zu unterziehen.
Besonders einfach läßt sich das Verfahren durchführen, wenn zur ersten
Synchrongleichrichtung dieselbe Wechselspannung verwendet wird, die
auch zur Erzeugung der Meßspannung dient, während zur zweiten Syn
chrongleichrichtung die gleiche dazu um eine viertel Periode phasenver
schobene Wechselspannung benutzt wird.
Für die weiteren Berechnungen werden dann zweckmäßigerweise die
durch Multiplikation oder Synchrongleichrichtung erhaltenen Anteile der
Meßspannung durch Tiefpaßfilterung von Wechselspannungsanteilen be
freit, um den Real- bzw. Imaginärteil der Meßspannung entsprechende
Spannungssignale zu erhalten.
Eine besonders zweckmäßige Weiterbildung der Erfindung zeichnet sich
dadurch aus, daß aus den den Real- und Imaginärteil darstellenden
Spannungssignalen unter Verwendung von Real- und Imaginärteil der zur
Erzeugung der Meßspannung eingesetzten Wechselspannung die Meßka
pazität oder der Blindwiderstand des Meßkondensators durch Berech
nung des von Referenzwiderstand und Meßkondensator gebildeten Span
nungsteilers ermittelt wird.
Die Erfindung hat nicht nur den Vorteil, daß eine Abstandsmeßung, die für
die Steuerung eines Bearbeitungskopfes einer Bearbeitungsmaschine
selbst bei auftretender Plasmabildung mit hoher Genauigkeit fortgeführt
werden kann, sondern ermöglicht es darüber hinaus auch den Bearbei
tungsvorgang zu überwachen, wenn aus den den Real- und Imaginärteil
darstellenden Spannungssignalen unter Verwendung von Real- und Ima
ginärteil der zur Erzeugung der Meßspannung eingesetzten Wechselspan
nung der Plasmawiderstand des Meßkondensators durch Berechnung des
von Referenzwiderstand und Meßkondensator gebildeten Spannungstei
lers ermittelt wird. Hierdurch läßt sich einerseits die Existenz oder Nichte
xistenz eines Plasmas sowie die Stärke eines zwischen Sensorelektrode
und Werkstück befindlichen Plasmas erfassen und für die Überwachung
des Bearbeitungsvorgangs nutzen.
Beispielsweise läßt sich die einwandfreie Ausführung des Laserschneidens
durch eine Beobachtung des Plasmas überwachen. Während des
normalen, einwandfreien Laserschneidens wird ein sich dabei bildendes
Plasma im wesentlichen durch den entstehenden Schnitt weggeblasen, so
daß zwischen der Sensorelektrode und dem Werkstück nur ein geringes
Plasma mit hohem ohmschen Widerstand und daher geringem Einfluß auf
die Abstandsmessung vorliegt. Bricht das einwandfreie Schneiden jedoch
aus irgendeinem Grund ab, so steigt die Plasmadichte zwischen
Sensorelektrode und Werkstück, so daß gleichzeitig der Widerstand des
Plasmas stark sinkt, was ohne weiteres festgestellt werden kann, wenn der
Plasmawiderstand laufend ermittelt wird. Ein derartiger Anstieg des
Plasmaleitwertes weist also auf einen Fehler beim Laserschneiden hin. Die
Überwachung des Plasmawiderstands ermöglicht somit Fehler frühzeitig
zu erkennen und geeignete Gegenmaßnahmen zu ergreifen.
Um die Genauigkeit der Abstandsmessung und gegebenenfalls der Plas
maüberwachung zu erhöhen, ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß die
Meßleitung zur Sensorelektrode aktiv abgeschirmt wird, wobei zweckmä
ßigerweise die über die Meßleitung abgegriffene Meßspannung über einen
Impedanzwandler an die Abschirmung der Meßleitung angelegt wird. Auf
diese Weise lassen sich Streukapazitäten, die zur Meßkapazität parallel
liegen, wesentlich verringern, wodurch nicht nur ein einfacherer Geräte
technischer Aufbau erreicht, sondern auch der Spannungsteiler und da
mit dessen Berechnung vereinfacht wird.
Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise anhand eines in der
Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein Ersatzschaltbild eines zwischen einem Bearbeitungskopf und
einem Werkstück vorgesehenen Meßkondensators,
Fig. 2 ein schematisches Blockschaltbild einer Schaltung zum Messen
des Abstandes zwischen einer Sensorelektrode und einem Werkstück und
Fig. 3 ein schematisches Blockschaltbild eines in der Schaltung nach Fig.
2 vorgesehenen Rechenwerks.
In den verschiedenen Figuren der Zeichnung sind einander entsprechende
Schaltungselemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Fig. 1 zeigt einen Bearbeitungskopf 10, beispielsweise einen Laserbear
beitungskopf, an dem ein Sensorkopf 11 angebracht ist. Der Sensorkopf
11 trägt eine Sensorelektrode 12, die durch einen rein schematisch
angedeuteten Isolator 13 gegen einen Tragkörper 14 isoliert ist. Die Sen
sorelektrode 12 kann auch in andere Weise in einer festen geometrischen
Beziehung zum Bearbeitungskopf gehalten sein. Zum Beispiel ist es mög
lich, mit Hilfe eines Bügels oder dergleichen die Sensorelektrode neben
oder unter den Bearbeitungskopf zu halten. Die Sensorelektrode 12 bildet
zusammen mit einem gegenüberliegenden Werkstück 15 einen
Meßkondensator 16 dessen Meßkapazität Cm vom Abstand d zwischen
Sensorelektrode 12 und Werkstück 15 abhängt. Parallel zur Meßkapazität
Cm ist ein Widerstand Rp dargestellt, der den ohmschen Widerstand eines
zwischen Sensorelektrode 12 und Werkstück 15 befindlichen Plasmas
beschreibt.
Wie Fig. 2 zeigt, ist die Sensorelektrode 12 über eine abgeschirmte
Leitung 17 und einen Widerstand Rref mit einem ersten Ausgang sin eines
Wechselspannungsgenerators 18 verbunden. Ein Verbindungspunkt 19
zwischen Referenzwiderstand Rref und abgeschirmter Leitung 17 ist mit
dem nicht-invertierenden Eingang eines als Impedanzwandler dienenden
Operationsverstärkers 20 verbunden, dessen Ausgang sowohl an seinen
invertierenden Eingang als auch an die Abschirmung 17' der
abgeschirmten Leitung 17 angelegt ist.
Ferner ist der Ausgang des Operationsverstärkers 20 mit ersten
Eingängen von Schaltungsgliedern M1, M2 verbunden, die vorzugsweise
als Synchrongleichrichter arbeiten, wie noch beschrieben wird. Die
Ausgänge dieser Schaltungsglieder M1 bzw. M2 sind jeweils über einen
Tiefpaß 21 bzw. 22 mit einem Rechenwerk 23 verbunden.
Ein zweiter Ausgang cos des Wechselspannungsgenerators 18 liefert eine
kosinusförmige Wechselspannung Uc(t) an einen zweiten Eingang des
Schaltungsgliedes M1 während der erste Ausgang sin des Wechselspan
nungsgenerators 18 eine sinusförmige Wechselspannung Us(t) an einen
zweiten Eingang des zweiten Schaltungsgliedes M2 liefert. An die zweiten
Eingänge der Schaltungsglieder können auch andere gegeneinander um
90° phasenverschobene Wechselspannungen mit gleicher Frequenz, z. B.
Rechteckspannungen, angelegt werden.
Die sinusförmige Wechselspannung Us(t) am ersten Ausgang sin des
Wechselspannungsgenerators 18, die am Referenzwiderstand Rref an
liegt, bewirkt einen Strom, der als Meßstrom im(t) über die abgeschirmte
Leitung 17 und weiter über den Meßkondensator 16 fließt. Der Strom vom
Verbindungspunkt 19 in den nicht-invertierenden Eingang des Opera
tionsverstärkers 20 ist hierbei praktisch Null, da der Operationsverstär
ker 20 als Impedanzwandler geschaltet ist. Der Meßstrom im(t) bewirkt
somit am Verbindungspunkt 19 eine Meßspannung Um(t), die auch am
Ausgang des Operationsverstärkers 20 anliegt.
Da durch die Verbindung des Ausgangs des Operationsverstärkers 20 mit
der Abschirmung 17' der abgeschirmten Leitung 17 sowohl die Leitung 17
selbst als auch ihre Abschirmung 17' auf dem gleichen Potential Um(t)
liegen und da die Abschirmung 17' in nicht näher dargestellter Weise mit
dem Tragkörper 14 des Sensorkopfes 11 verbunden ist, wird die Wirkung
der Kapazitäten zwischen Leitung 17 und Abschirmung 17' sowie zwischen
Sensorelektrode 12 und Tragkörper 14 beseitigt. Aufgrund dieser aktiven
Abschirmung der Meßleitung kann somit die Kapazität zwischen
Sensorelektrode 12 und Leitung 17 einerseits sowie Tragkörper 14 und
Abschirmung 17' andererseits ein mehrfaches der Meßkapazität Cm
zwischen Sensorelektrode 12 und Werkstück 15 betragen, ohne daß die
genaue Erfassung der Meßkapazität Cm dadurch beeinträchtigt wird.
Infolgedessen kann auch der Isolator 13 zwischen Sensorelektrode 12 und
Tragkörper 14 ohne Rücksicht auf eine kapazitive Abschirmung sehr dünn
ausgeführt werden.
Liegt kein Plasma zwischen Bearbeitungskopf 10 und Werkstück 15 vor,
ist also der Plasmawiderstand Rp ≈ ∞, so wird die Meßspannung Um(t)
ausschließlich von der Meßkapazität Cm des Meßkondensators 16
bestimmt.
Liegt jedoch ein Plasma vor, so beeinflußt die Impedanz des Plasmas, die
bei geeignet gewählter Generatorfrequenz als reine Resistenz aufgefaßt
werden kann ebenfalls die Meßspannung Um(t).
Unter der Voraussetzung, daß vom Verbindungspunkt 19 zwischen Refe
renzwiderstand Rref und Meßkondensator 16 kein Strom in den als Impe
danzwandler geschalteten Operationsverstärker 20 fließt, läßt sich der
Spannungsteiler aus Referenzwiderstand Rref und Meßkondensator 16 in
üblicher Weise nach der Formel Us/(Rref + Rx) = Um/Rx beschreiben (wobei
Rx = Rp - 1/jωCm; mit j als imaginärer Einheit und ω = 2πf(f = Generator
frequenz)).
Durch rechnerische Umformung ergibt sich hieraus für die Impedanz Rx
des Meßkondensators 16 die folgende Beziehung: Rx = Rref/(Us/Um - 1).
Durch Real- und Imaginärteilbildung erhält man aus dieser Gleichung die
folgenden Beziehungen für den kapazitiven Blindwiderstand
XCm = 1/jωCm und für den Plasmawiderstand Rp:
Um entsprechend diesen Beziehungen in jedem Fall aus der
Meßspannung Um(t) die Größe der Meßkapazität Cm sowie die Größe des
Plasmawiderstands Rp oder zumindest diesen Größen proportionale Meß
signale ableiten zu können, wird die Meßspannung Um(t) im ersten Schal
tungsglied M1 der Auswerteschaltung mit einer kosinusförmigen
Wechselsspannung Uc(t) sowie im zweiten Schaltungsglied M2 mit einer
sinusförmigen Wechselspannung Us(t) gemischt oder verknüpft, z. B.
durch Multiplikation oder entsprechend einer Synchrongleichrichtung.
Die Ausgangssignale der Schaltungsglieder M1 und M2 werden dann
jeweils in einem Tiefpaß 21 bzw. 22 von den Wechselspannungsanteilen
befreit und stellen nunmehr den Real- und Imaginärteil der
Meßspannung Um(t) dar. Dabei ergibt die Multiplikation oder Synchron
gleichrichtung der Meßspannung Um(t) im ersten Schaltungsglied M1
unter Verwendung einer kosinusförmigen Wechselspannung Uc(t) ein Maß
für den Realteil UmR der Meßspannung Um(t) während die Synchron
gleichrichtung oder Multiplikation unter Verwendung der auch zur
Erzeugung der Meßspannung Um(t) benutzten sinusförmingen
Wechselspannung Us(t) im zweiten Schaltungsglied M2 zum Imaginär
teil UmI der Meßspannung Um(t) führt.
Da die Amplitude und Phase der vom Wechselstromgenerator 18 erzeugten
Wechselspannungen, insbesondere der sinusförmigen Wechselspan
nung Us(t) bekannt ist, läßt sich der aus Referenzwiderstand Rref und
Meßkondensator 16 gebildete Spannungsteiler nach den obigen Gleichun
gen berechnen und die zum Abstand zwischen Elektrode und Werkstück
proportionale Kapazität Cm des Meßkondensators 16 sowie, falls ge
wünscht, der Plasmawiderstand Rp ermitteln. Auf diese Weise kann der
Abstand d zwischen Sensorelektrode 12 und Werkstück 15 unabhängig
von der Existenz eines Plasmas über die Meßkapazität Cm erfaßt werden.
Zur Bestimmung des Abstandes d zwischen Werkstück 15 und Sensorelek
trode 12 bzw. der davon abhängigen Meßkapazität Cm des Meßkondensa
tors 16 oder zur Berechnung seines kapazitiven Blindwiderstands XCm
kann das Rechenwerk 23 einen Mikroprozessor umfassen, dem die den Re
al- und Imaginärteil der Meßspannung Um darstellenden Spannungssignale
UmR, UmI über nicht dargestellte Analog-Digital-Wandler in digi
taler Form zugeführt werden. Der Mikroprozessor liefert dann je nach den
Anforderungen der nachfolgenden Steuervorrichtung entweder direkt den
Abstand oder die Kapazität bzw. den Blindwiderstand des Meßkondensa
tors, wobei aus den letzteren Werten der Abstand dann über eine entspre
chende Kalibrierungskurve oder -tabelle erhalten werden kann.
Es ist aber beispielsweise auch möglich, auf analogem Wege aus den Real-
und Imaginärteil der Meßspannung Um darstellenden Spannungssigna
len UmR, UmI eine Ausgangsspannung UA zu bilden, die eine Funktion des
Blindwiderstands XCm des Meßkondensators 16 und damit eine Funktion
des Abstands d zwischen Werkstück 15 und Sensorelektrode 12 darstellt.
Wie in Fig. 3 gezeigt ist, umfaßt hierzu das Rechenwerk 23 zwei Multipli
zierschaltungen 24, 25, in denen die Spannungssignale UmR, UmI jeweils
mit sich selbst multipliziert werden, so daß die Ausgangssignale der Multi
plizierschaltungen 24, 25, die Quadrate der Eingangsspannungen dar
stellen. Die Ausgangssignale der Multiplizierschaltungen 24, 25 werden
dann in einem Addierer 26 miteinander addiert, um auf diese Weise den
Zähler des in der Gleichung für den Blindwiderstand XCm angegebenen
Bruchs zu ermitteln.
Außerdem werden die Spannungssignale UmR und UmI weiteren Multipli
zierschaltungen 27, 28 zugeführt, in denen die Spannungssignale mit
Koeffizienten k1 bzw. k2 multipliziert werden, die dem Imaginärteil bzw.
dem Realteil der vom Wechselspannungsgenerator 18 erzeugten sinusför
migen Wechselspannung Us entsprechen. Die Ausgangssignale dieser
zweiten Multiplizierer 27, 28 werden in einem Subtrahierer 29 voneinan
der subtrahiert, um ein dem Nenner des in der Gleichung für Blindwider
stand angegebenen Bruchs entsprechendes Signal zu erhalten. Anschlie
ßend werden die Ausgangssignale von Addierer 26 und Subtrahierer 29 in
einem Dividierer 30 miteinander verknüpft, um die vom Blindwiderstand
des Meßkondensators 16 bzw. von seiner Meßkapazität abhängige Aus
gangsspannung UA zu bilden.
Ein zum Plasmawiderstand Rp proportionales Signal läßt sich in entspre
chender Weise auf digitalem oder analogem Wege bilden, wenn eine Über
wachung des Plasmawiderstandes zur Kontrolle der Schnittqualität ge
wünscht wird.
Claims (12)
1. Verfahren zum Messen des Abstandes (d) zwischen einer
Sensorelektrode (12) und einem Werkstück (16), zwischen denen sich ein
Plasma bilden kann, bei dem
- - die Sensorelektrode (12) mit dem Werkstück (15) einen Meßkondensator (16) bildet, durch den ein Wechselstrom (im(t)) fließt,
- - eine an der Sensorelektrode (12) anliegende Spannung als Meßspannung (Um(t)) abgegriffen wird, und
- - aus der Meßspannung (Um(t)) deren Realteil und Imaginärteil ermittelt werden, um die Meßkapazität (Cm) oder den Blindwiderstand (XCm) des Meßkondensators (16) zu ermitteln und daraus den zu messen den Abstand (d) unabhängig vom Plasmawiderstand zu bestimmen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß aus Re
al- und Imaginärteil der Meßspannung (Um(t)) ein den elektrischen Eigen
schaften, insbesondere dem Widerstand (Rp) des Plasmas zwischen Sen
sorelektrode (12) und Werkstück (15) entsprechendes Signal ermittelt
wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß
die Meßspannung (Um(t)) zur Ermittlung ihres Realteils und Imaginärteils
mit einer ersten (Us(t)) und einer zweiten Wechselspannung (Uc(t))
kombiniert wird, die um eine viertel Periode gegeneinander phasenver
schoben sind.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß
die Meßspannung (Um(t)) zur Ermittlung ihres Real- und Imaginärteils mit
einer ersten (Us(t)) und einer dazu um eine viertel Periode phasenverscho
benen zweiten Wechselspannung (Uc(t)) multipliziert wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die er
ste Wechselspannung (Us(t)) kosinusförmig und die dazu um eine viertel
Periode phasenverschobene zweite Wechselspannung (Uc(t)) sinusförmig
ist.
6. Verfahren nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß
die Meßspannung (Um(t)) zur Ermittlung ihres Real- und Imaginärteils
einer ersten und einer zweiten Synchrongleichrichtung unterzogen wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur
ersten Synchrongleichrichtung dieselbe Wechselspannung (Us(t))
verwendet wird, die zur Erzeugung der Meßspannung (Um(t)) dient,
während zur zweiten Sychrongleichrichtung die gleiche dazu um eine
viertel Periode phasenverschobene Wechselspannung (Uc(t)) benutzt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß
die durch Multiplikation oder Synchrongleichrichtung erhaltenen Anteile
der Meßspannung (Um(t)) durch Tiefpaßfilterung von Wechselspannungs
anteilen befreit werden, um dem Real- und Imaginärteil der Meßspannung
(Um(t)) entsprechende Spannungssignale (UmI, UmR) zu erhalten.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß aus den
den Real- und Imaginärteil darstellenden Spannungssignalen (UmR, UmI)
unter Verwendung von Real- und Imaginärteil der zur Erzeugung der
Meßspannung (Um(t)) eingesetzten Wechselspannung (Us(t)) die Meßka
pazität (Cm) oder der Blindwiderstand (XCm) des Meßkondensators (16)
durch Berechnung des von Referenzwiderstand (Rref) und Meßkondensa
tor (16) gebildeten Spannungsteilers ermittelt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß
aus den den Real- und Imaginärteil darstellenden Spannungssignalen
(UmR, UmI) unter Verwendung von Real- und Imaginärteil der zur Erzeu
gung der Meßspannung (Um(t)) eingesetzten Wechselspannung (Us(t)) der
Plasmawiderstand (Rp) des Meßkondensators (16) durch Berechnung des
von Referenzwiderstand (Rref) und Meßkondensator (16) gebildeten Span
nungsteilers ermittelt wird.
11. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Meßleitung (17) zur Sensorelektrode (12) aktiv ab
geschirmt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die
über die Meßleitung (17) abgegriffene Meßspannung (Um(t)) über einen
Impedanzwandler (20) an die Abschirmung der Meßleitung (17) angelegt
wird.
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