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In
der Vergangenheit wurden einige Verfahren zur Bestimmung der Stromdichte
in Elektrolytbädern
vorgeschlagen. Diese Verfahren sind entweder sehr aufwendig und
teuer oder sehr ungenau und unflexibel, deshalb können sie
nur für
spezielle Anwendungen infrage kommen.
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Beispielhaft
ist das Verfahren von
US 4 956 610 ,
das eine mäßige Genauigkeit
von 0,9 mA/cm
2 liefert, jedoch für viele
Anforderungen nicht ausreichend ist. Des Weiteren ist dieses Verfahren
unflexible, unhandlich und bietet keine Möglichkeit für ein Scanning des ganzen Elektrolytbades.
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In
der Offenlegungsschrift
DE
631 76 1 (nicht patentiert) wird die Idee der Stromdichtenmessung über eine
Magnetfeldmessung mittels einer ringförmigen Sonde, die einen Magnetfeldsensor
enthält, vorgeschlagen.
Dort ist jedoch die Problematik der Unterdrückung vieler Arten von Rauschsignalen
und thermischen Instabilitäten
nicht behandelt. Die dort erwarteten Empfindlichkeiten sind im Bereich
von 0,5 A/cm
2 für viele Anforderungen sehr
ungenau.
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In
DE 10 2005 062 728
A1 wurde von einem Verfahren zur direkten und präzisen Echtzeitmessung
der Stromdichtenverteilung in einem Elektrolytbad berichtet. Dort
wird die Stromdichtenverteilung mittels eines mit einem Magnetfeldsensor
ausgerüsteten
Stromsensors ermittelt, wobei das Elektrolytbad automatisch von
einer mit dem Stromsensor versehenen Messsonde durchgescannt wird.
Die hierdurch ermittelten Strommessdaten des dreidimensionalen Raumes
werden über
eine Computersoftware unter Verwendung des dort vorgeschlagenen
Algorithmus ausgewertet.
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Zwar
bietet das Verfahren von
DE 10 2005 062 728 A1 eine sehr präzise lokale
Auflösung
der Stromdicht, in meisten Fällen
ist diese Präzision
jedoch nicht notwendig, vor allem, wenn eine schnelle und nicht
zu anspruchsvolle Messung ausreichend ist. Zudem wird in
DE 10 2005 062 728
A1 keine präzise
elektronische Messtechnik vorgeschlagen.
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In
der vorliegenden Erfindung wird ein manuell betriebenes System vorgeschlagen,
in dem die Messsonde von
DE 10 2005 062 728 A1 mit einigen Modifikationen
verwendet wird. Es wird eine Vorrichtung zum Ausgleich des störenden Antenneneffektes und
zur Minimierung der Störwirkungen
wegen der geometrisch inhomogenen Antwort des Stromsensors sowie
zur Unterdrückung
der Empfindlichkeit auf die außerhalb
des Stromsensors fließenden
Ionenströme,
vorgelegt. Diese Maßnahmen
ermöglichen eine
hoch präzise
und rauscharme Messung der Stromdicht.
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Die
im vorliegenden Verfahren angewendeten kommerziellen Stromsensoren
oder Stromwandler beinhalten interne Vorverstärker, deren Ausgangsspannungen
ein Maß für die durch
die Sensor öffnungen
fließenden
Ströme
sind. Obwohl die kommerziellen Stromsensoren zur Messung von hohen Strömen im Ampere-Bereich
konzipiert werden, zeigen sie eine ausreichende Empfindlichkeit
zur Messung von μA-Strömen, wenn
ein zusätzlicher
und geeigneter Verstärker
verwendet wird.
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Die
Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der
zugehörigen
Zeichnungen erläutert.
Sie zeigen:
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1 Schematische
Anordnung, Schaltkreis und Messstand,
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2 a)
Messsonde bestehend aus nur einem Stromsensor, b) Messsonde aus
zwei in entgegengesetzten Aufnahmerichtungen miteinander befestigten
Stromsensoren gleicher Bauart zum Ausgleich der Störeffekte,
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3 Signalverarbeitung
und Mischung der Ausgänge
beider Stromsensoren.
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In 1 wird
eine Anordnung (1) mit einem Elektrolytbad (2)
samt Kathode (3) und Anode (4) dargestellt. Zwischen
den beiden Elektroden (3) und (4) liegt eine Spannung,
die aus der Summe eines Gleich- und eines Wechselspannungsanteils
besteht. Die Gleichspannung wird vom Netzteil (5) und die Wechselspannung
vom Oszillator (6) versorgt. Der Spannungsaddierer (7)
erhält
die Spannungen aus (5) und (6) in seinem Eingang
und liefert ihre Summe in seinem Ausgang. Die Frequenz der von Sinusoszillator
(6) versorgten sinusförmigen
Wechselspannung beträgt
ca. 1 kHz.
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Die
Elektroden (3) und (4) werden mit der Ausgangsspannung
vom Spannungsaddierer (7) beaufschlagt, d.h. von der Summe
der Spannungsausgänge
vom Netzteil (5) und Oszillator (6). Die Gleichspannung
vom Netzteil (5) ist nötig,
um die Galvanisierungsprozesse in Gang zu setzen. In der vorliegenden
Erfindung ist die symmetrische Wechselspannung vom Oszillator (6)
zur hochpräzisen
Messung der im Elektrolytbad (2) durchfließenden Ströme unerlässlich.
Während
eine symmetrische Wechselspannung die verschiedenen Störeffekte,
wie z.B. die Einflüsse
des Erdmagnetfeldes und der temperaturabhängigen Schwankungen in der
Messelektronik effizient auszufiltern hilft, beeinflusst sie die
Galvanisierungsprozesse nicht.
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Durch
die angelegte Gleichspannung wandern die positiven Ionen zur Kathode
und die negativen Ionen zur Anode, während sie durch die Wechselspannung
räumlich
in Bewegungsrichtung oszillieren. Diese Mischbewegung erzeugt im
Elektrolytbad (2) einen elektrischen Strom, der aus einem
Gleich- und einem Wechselanteil besteht. Der Mischstrom fließt durch
die Sensoröffnung
der Messsonde (8) und erzeugt am Ausgang des Stromsensors
eine Spannung, deren Gleich- und Störanteile vom Bandpassfilter
(9) eliminiert werden. Nur Signale innerhalb der schmalen
Bandbreite des Filters (9), um die Mittenfrequenz vom Oszillator
(6), sind durchlässig.
Die Mittenfrequenz des Filters (9) ist gleich der Frequenz vom
Oszillator (6).
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Obwohl
jede beliebige symmetrische Wechselspannung verwendet werden kann,
hilft eine sinusförmige
Wechselspannung zum effizienteren Herausfiltern von Störsignalen
durch Filter (9). Nach der Signalverstärkung durch den Vorverstärker (10)
und der Reduzierung von nicht gleichphasigen Anteilen, wie z.B.
dem weißen
Rauschen, durch den Lock-in-Verstärker (11) ist das
rauscharme Signal bereit zum Anzeigen durch die Anzeige (12)
oder zu weiteren Behandlungen. Der Lock-in-Verstärker (11) erhält sein
Referenzsignal (13) direkt vom Oszillator (6).
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Der
Ausgang vom Lock-in-Verstärker
(11) ist der Amplitude des durch die Sensoröffnung der Messsonde
(8) fließenden
Wechselstroms proportional. Die Amplitude des durch die Sensoröffnung der Messsonde
(8) fließenden
Wechselstroms kann also durch die Kalibrierung des Ausgangs vom Lock-in-Verstärker (11)
ermittelt werden. Die lokale Wechselstromdichte lässt sich über die
Division dieses Wechselstromwertes durch den Flächeninhalt der Öffnung der
Messsonde (8) berechnen. Die lokale Auflösung der
Stromdichtenmessung ist also dem Flächeninhalt der Sensoröffnung direkt
proportional.
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Zur
Erhöhung
der lokalen Auflösung
kann das aufwendige Verfahren von
DE 10 2005 062 728 A1 dienen,
wobei der gesamte Querschnitt des Elektrolytbades senkrecht zum
Stromfluss mit der Messsonde gescannt wird. Die abgetasteten Messdaten der
Stromdichte werden dann durch eine Computersoftware, gemäß dem Algorithmus
von
DE 10 2005 062
728 A1 , ausgewertet, um sehr feine lokale Messauflösungen zu
erlangen.
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Bei
der weniger aufwendigeren Methode (aber mit begrenzter Wirkung)
der vorliegenden Erfindung kann die Sensoröffnung durch Durchstecken von
chemisch neutralen festen Stoffen, wie Teflon, gezielt verengt werden,
um den Flächeninhalt
zu reduzieren und folglich die lokale Auflösung zu erhöhen. Es ist darauf zu achten,
dass die Sensoröffnung nicht übermäßig verengt
wird, sonst führt
es zum Ionenverlust.
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Gleichrichter
(14), Chopper (15) und Anzeige (16) werden
möglicherweise
notwendig, um den durch das Elektrolytbad (2) fließenden Gesamtwechselstrom
zu messen. Dadurch lässt
sich der von der Anzeige (12) ausgegebene Wert der Stromdichte
in Bezug auf den von Anzeige (16) ausgegeben Wert des Gesamtwechselstroms
normieren.
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Die
ausgegebenen Signalamplituden von den Anzeigen (12) und
(16) müssen
kalibriert werden, damit daraus die lokale Stromdichte und der Gesamtstrom
des Elektrolytbads ermittelt werden können. Die Gleichspannung von
(5) wird mit der symmetrischen Wechselspannung von (6)
moduliert. Die Amplitude der Wechselspannung von (6) soll
weniger als die Gleichspannung von (5) sein. Das Verhältnis der
Amplitude der Wechselspannung von (6) zur Gleichspannung
von (5) wird also ein konstanter Systemparameter und somit
bekannt sein. Es lässt
sich deshalb durch die Messung der Wechselstromdichte die Gleichstromdichte
bestimmen.
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Das
durch den Ionenstrom erzeugte oszillierende Magnetfeld induziert
im Stromsensor, wie in
DE
10 2005 062 728 A1 diskutiert, ein Signal, das gemäß Ampèregesetz
der Ionenstromstärke
proportional ist. Es gibt aber auch einen vom Ionenstrom unabhängigen störenden elektromagnetischen
Antenneneffekt, der ein Störsignal
im Ausgang des Stromsensors erzeugt, dessen Effekt kompensiert werden muss.
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Der
elektromagnetische Antenneneffekt verursacht in der Ausgangsspannung
vom Stromsensor eine Spannung, die unabhängig von der Aufnahmerichtung
des Stromsensors ist. Nach einer 180°-Drehung des Stromsensors um
eine zur Stromrichtung senkrechte Achse ändert sich die Phase der Ausgangsspannung
nicht.
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Die
durch die Öffnung
des Stromsensors fließenden
Ionenströme
erzeugen am Ausgang vom Stromsensor eine Spannung, die abhängig von
der Aufnahmerichtung des Stromsensors ist. Durch Umdrehung der Stromrichtung
oder eine 180°-Drehung des
Stromsensors um eine zur Stromrichtung senkrechte Achse ändert sich
die Phase der Ausgangsspannung um 180°.
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2 zeigt
zwei Messsonden, eine aus einem Stromsensor (a) und eine, welche
aus zwei Stromsensoren besteht, welche in entgegengesetzten Aufnahmerichtungen
hintereinander liegenden Sensoröffnungen
miteinander befestigt sind (b). Dadurch, dass die Stromsensoren
in 2b gegeneinander stehen, haben
ihre durch den Ionenstrom erzeugten Signale fast gleiche Absolutwerte
aber ungleiche Vorzeichen. Um den Signalanteil vom Antenneneffekt
zu eliminieren, sollen die Absolutwerte der beiden Sensorsignale
vor dem Bandpassfilter (9) miteinander durch einen Spannungsaddierer
(nicht in 1 enthalten) addiert werden.
Falls die Antworten der beiden Sensoren aufgrund der herstellungsspezifischen
Toleranzen nicht gleich sind, soll eine Abstimmung über den
Spannungsaddierer vorgenommen werden. Dadurch verschwindet der Signalanteil
des Antenneneffektes, während
der Anteil der durch die Sensoröffnungen
fließenden
Ionenströme
fast verdoppelt wird.
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Durch
Einsatz von zwei Stromsensoren gleicher Bauart in entgegengesetzten
Aufnahmerichtungen (2b) lässt sich
auch einen Störeffekt
zu kompensieren, der durch eine inhomogen konstruktionsabhängige Antwort
der Stromsensoren verursacht wird.
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Die
Stromsensoren beinhalten in der Regel einen Magnetfeldsensor (z.B.
Hallsensor), der in einem hochpermeablen Joch platziert ist. Eine
hohe magnetische Permeabilität
des Joches soll dafür
sorgen, dass erstens der Einfluss der außerhalb der Sensoröffnung fließenden Ströme unterdrückt wird. Zweitens
soll dadurch die Sensorantwort auf die durch die Öffnung fließenden Ströme geometrisch homogen
werden, d.h. unabhängig
davon sein, wo der Strom durch die Öffnung fließt.
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Trotz
der hohen Permeabilität
des Jochmaterials beeinflussen die außerhalb der Sensoröffnung fließenden Ströme die Sensorantwort
geringfügig. Die
hohe Permeabilität
garantiert auch keine geometrieunabhängige Antwort auf die durch
die Sensoröffnung
fließenden
Ströme.
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In 2b werden die Aufnahmerichtungen der Stromsensoren
(17) und (18) mit den kombinierten Buchstaben
A und B definiert. Die Antwort vom Sensor (17) mit der
Orientierung AB auf die durch seine Öffnung fließenden Ionenströme und folglich seine
Ausgangsspannung sind gegensätzlich
zu denen vom Sensor (18) mit der Orientierung BA.
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Auf
der anderen Seite sind in 2b die Antworten
der beiden Stromsensoren auf die außerhalb ihrer Öffnungen
fließenden
Ionenströme
und, wie oben erwähnt,
auf den Antenneneffekt identisch.
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Die
unerwünschten
und störenden
Anteile der Spannungsausgänge
der Stromsensoren (17) und (18) sind die Anteile
vom Antenneneffekt und von außerhalb
fließenden
Strömen
sowie von geometrie- und
konstruktionsabhängigen
Effekten. Zur Unterdrückung
dieser drei unerwünschten
Anteile wird der Spannungsausgang eines der Stromsensoren, z.B. (18)
durch einen Invertierer (19) (s. 3) invertiert und
mit dem Spannungsausgang des anderen Stromsensors durch einen Spannungsaddierer
(20) addiert. In dem Spannungsausgang des Spannungsaddierer
(20) werden dann, durch eine Abstimmung des Spannungsaddierers,
alle drei unerwünschten Störeffekte
stark minimiert.
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Die
vorliegende Erfindung nutzt also die Abhängigkeit der Ausgangsspannung
des Stromsensors von seiner Aufnahmerichtung.
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Die
vorliegende Erfindung nutzt auch die Unabhängigkeit der Anteile des Antenneneffektes
im Ausgang vom Stromsensor von der Aufnahmerichtung des Stromsensors,
um die Einflüsse
vom Antenneneffekt zu unterdrücken.
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Die
außerhalb
der Sensoröffnung
fließenden Ströme beeinflussen
den Ausgang vom Stromsensor geringfügig. In der vorliegenden Erfindung
wird auch die symmetrie- und konstruktionsbedingten Ab hängigkeit
des Spannungsausgangs des Stromsensors genutzt, um die Einflüsse der
außerhalb
des Sensorsensors fließenden
Ströme
zu minimieren.
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Die
Antwort des Stromsensors auf die innerhalb seiner Öffnung strömenden Ionen
ist nicht homogen, ist geringfügig
abhängig
vom Ort der Ionenströmung.
In der vorliegenden Erfindung wird auch von der symmetrie- und konstruktionsbedingten
Abhängigkeit
des Spannungsausgangs des Stromsensors Gebrauch gemacht, um die
Inhomogenitäten
in der Sensorantwort auf die innerhalb der Sensoröffnung fließenden Ströme zu minimieren.
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Es
kann prinzipiell anstatt zweier Stromsensoren in entgegengesetzten
Aufnahmerichtungen auch nur ein Sensor verwendet werden, wenn er
speziell für
diese Aufgabe konstruiert worden ist. Ein solcher Sensor (kommerziell
nicht vorhanden) sollte mindestens zwei Magnetfeldsensoren beinhalten,
die symmetrisch in Bezug auf den Mittelpunkt des Sensors im Sensorjoch
platziert sind. Je höher
die Anzahl der Magnetfeldsensoren, umso effizienter ist die Minimierung
der oben diskutierten Störeffekte.
In der Regel ist eine gerade Anzahl von Magnetfeldsensoren nötig, die
gleichmäßig und
symmetrisch um den Mittelpunkt des Sensors im Sensorjoch verteilt
sind.
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Durch
die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung lässt sich die Stromdichte in
einem Elektrolytbad life, d.h. in Echtzeit bestimmen. Die Anordnung ist
von Bedeutung, wenn eine schnelle und auch relativ genaue Messung
der Stromdichtenverteilung benötigt
wird. Der Anwender steckt die Messsonde (8) per Hand ins
Elektrolytbad und bewegt sie dort beliebig in verschiedenen Richtungen
und Haltungen. Die lokale Stromdichte lässt sich aus der Division vom
Ausgang (12) durch den Flächeninhalt der Sensoröffnung berechnen.
Eine Normierung der Stromdichte kann nach Bedarf durch die Division vom
Ausgang (12) durch den Gesamtstrom vom Elektrolytbad (Ausgang
(16)), bestimmt werden.
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Diese
flexible Methode liefert eine lokale Auflösung von weniger als 3mm2 und eine relativ hohe Empfindlichkeit von
weniger als 10 μA/cm2.
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Empfehlenswert
ist eine Kombination der präzisen
Messtechnik der vorliegenden Erfindung und dem Verfahren zur Bestimmung
der präzisen
lokalen Auflösung
in
DE 10 2005
062 728 A1 .
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- 1
- Anordnung
- 2
- Elektrolytbad
- 3
- Kathode
- 4
- Anode
- 5
- Netzteil
- 6
- Sinusoszillator
- 7
- Spannungsaddierer
- 8
- Messsonde
- 9
- Bandpassfilter
- 10
- Vorverstärker
- 11
- Lock-in-Verstärker
- 12
- Anzeige-Stromdichte
- 13
- Referenzsignal
- 14
- Gleichrichter
- 15
- Chopper
- 16
- Anzeige-Gesamtstrom
- 17
- Stromsensor
- 18
- Stromsensor
- 19
- Invertierer
- 20
- Spannungsaddierer