DE19906442C2 - Verfahren zum Messen des Abstandes zwischen einer Sensorelektrode und einem Werkstück - Google Patents

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 C_m vom Abstand d zwischen Sensorelektrode 12 und Werkstück 15 abhängt. Parallel zur Meßkapazität C_m ist ein Widerstand R_p 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 R_ref mit einem ersten Ausgang sin eines Wechselspannungsgenerators 18 verbunden. Ein Verbindungspunkt 19 zwischen Referenzwiderstand R_ref 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 U_c(t) an einen zweiten Eingang des Schaltungsgliedes M1 während der erste Ausgang sin des Wechselspan­ nungsgenerators 18 eine sinusförmige Wechselspannung U_s(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 U_s(t) am ersten Ausgang sin des Wechselspannungsgenerators 18, die am Referenzwiderstand R_ref an­ liegt, bewirkt einen Strom, der als Meßstrom i_m(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 i_m(t) bewirkt somit am Verbindungspunkt 19 eine Meßspannung U_m(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 U_m(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 C_m zwischen Sensorelektrode 12 und Werkstück 15 betragen, ohne daß die genaue Erfassung der Meßkapazität C_m 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 R_p ≈ ∞, so wird die Meßspannung U_m(t) ausschließlich von der Meßkapazität C_m 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 U_m(t).

Unter der Voraussetzung, daß vom Verbindungspunkt 19 zwischen Refe­ renzwiderstand R_ref und Meßkondensator 16 kein Strom in den als Impe­ danzwandler geschalteten Operationsverstärker 20 fließt, läßt sich der Spannungsteiler aus Referenzwiderstand R_ref und Meßkondensator 16 in üblicher Weise nach der Formel U_s/(R_ref + R_x) = U_m/R_x beschreiben (wobei R_x = R_p - 1/jωC_m; mit j als imaginärer Einheit und ω = 2πf(f = Generator­ frequenz)).

Durch rechnerische Umformung ergibt sich hieraus für die Impedanz R_x des Meßkondensators 16 die folgende Beziehung: R_x = R_ref/(U_s/U_m - 1). Durch Real- und Imaginärteilbildung erhält man aus dieser Gleichung die folgenden Beziehungen für den kapazitiven Blindwiderstand X_Cm = 1/jωC_m und für den Plasmawiderstand R_p:

Um entsprechend diesen Beziehungen in jedem Fall aus der Meßspannung U_m(t) die Größe der Meßkapazität C_m sowie die Größe des Plasmawiderstands R_p oder zumindest diesen Größen proportionale Meß­ signale ableiten zu können, wird die Meßspannung U_m(t) im ersten Schal­ tungsglied M1 der Auswerteschaltung mit einer kosinusförmigen Wechselsspannung U_c(t) sowie im zweiten Schaltungsglied M2 mit einer sinusförmigen Wechselspannung U_s(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 U_m(t) dar. Dabei ergibt die Multiplikation oder Synchron­ gleichrichtung der Meßspannung U_m(t) im ersten Schaltungsglied M1 unter Verwendung einer kosinusförmigen Wechselspannung U_c(t) ein Maß für den Realteil U_mR der Meßspannung U_m(t) während die Synchron­ gleichrichtung oder Multiplikation unter Verwendung der auch zur Erzeugung der Meßspannung U_m(t) benutzten sinusförmingen Wechselspannung U_s(t) im zweiten Schaltungsglied M2 zum Imaginär­ teil U_mI der Meßspannung U_m(t) führt.

Da die Amplitude und Phase der vom Wechselstromgenerator 18 erzeugten Wechselspannungen, insbesondere der sinusförmigen Wechselspan­ nung U_s(t) bekannt ist, läßt sich der aus Referenzwiderstand R_ref und Meßkondensator 16 gebildete Spannungsteiler nach den obigen Gleichun­ gen berechnen und die zum Abstand zwischen Elektrode und Werkstück proportionale Kapazität C_m des Meßkondensators 16 sowie, falls ge­ wünscht, der Plasmawiderstand R_p ermitteln. Auf diese Weise kann der Abstand d zwischen Sensorelektrode 12 und Werkstück 15 unabhängig von der Existenz eines Plasmas über die Meßkapazität C_m erfaßt werden.

Zur Bestimmung des Abstandes d zwischen Werkstück 15 und Sensorelek­ trode 12 bzw. der davon abhängigen Meßkapazität C_m des Meßkondensa­ tors 16 oder zur Berechnung seines kapazitiven Blindwiderstands X_Cm kann das Rechenwerk 23 einen Mikroprozessor umfassen, dem die den Re­ al- und Imaginärteil der Meßspannung U_m darstellenden Spannungssignale U_mR, U_mI 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 U_m darstellenden Spannungssigna­ len U_mR, U_mI eine Ausgangsspannung U_A zu bilden, die eine Funktion des Blindwiderstands X_Cm 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 U_mR, U_mI 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 X_Cm angegebenen Bruchs zu ermitteln.

Außerdem werden die Spannungssignale U_mR und U_mI 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 U_s 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 U_A zu bilden.

Ein zum Plasmawiderstand R_p 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 (i_m(t)) fließt,
• - eine an der Sensorelektrode (12) anliegende Spannung als Meßspannung (U_m(t)) abgegriffen wird, und
• - aus der Meßspannung (U_m(t)) deren Realteil und Imaginärteil ermittelt werden, um die Meßkapazität (C_m) oder den Blindwiderstand (X_Cm) 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 (U_m(t)) ein den elektrischen Eigen­ schaften, insbesondere dem Widerstand (R_p) 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 (U_m(t)) zur Ermittlung ihres Realteils und Imaginärteils mit einer ersten (U_s(t)) und einer zweiten Wechselspannung (U_c(t)) kombiniert wird, die um eine viertel Periode gegeneinander phasenver­ schoben sind.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßspannung (U_m(t)) zur Ermittlung ihres Real- und Imaginärteils mit einer ersten (U_s(t)) und einer dazu um eine viertel Periode phasenverscho­ benen zweiten Wechselspannung (U_c(t)) multipliziert wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die er­ ste Wechselspannung (U_s(t)) kosinusförmig und die dazu um eine viertel Periode phasenverschobene zweite Wechselspannung (U_c(t)) sinusförmig ist.

6. Verfahren nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßspannung (U_m(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 (U_s(t)) verwendet wird, die zur Erzeugung der Meßspannung (U_m(t)) dient, während zur zweiten Sychrongleichrichtung die gleiche dazu um eine viertel Periode phasenverschobene Wechselspannung (U_c(t)) benutzt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die durch Multiplikation oder Synchrongleichrichtung erhaltenen Anteile der Meßspannung (U_m(t)) durch Tiefpaßfilterung von Wechselspannungs­ anteilen befreit werden, um dem Real- und Imaginärteil der Meßspannung (U_m(t)) entsprechende Spannungssignale (U_mI, U_mR) zu erhalten.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß aus den den Real- und Imaginärteil darstellenden Spannungssignalen (U_mR, U_mI) unter Verwendung von Real- und Imaginärteil der zur Erzeugung der Meßspannung (U_m(t)) eingesetzten Wechselspannung (U_s(t)) die Meßka­ pazität (C_m) oder der Blindwiderstand (X_Cm) des Meßkondensators (16) durch Berechnung des von Referenzwiderstand (R_ref) 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 (U_mR, U_mI) unter Verwendung von Real- und Imaginärteil der zur Erzeu­ gung der Meßspannung (U_m(t)) eingesetzten Wechselspannung (U_s(t)) der Plasmawiderstand (R_p) des Meßkondensators (16) durch Berechnung des von Referenzwiderstand (R_ref) 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 (U_m(t)) über einen Impedanzwandler (20) an die Abschirmung der Meßleitung (17) angelegt wird.