DE202009012483U1

DE202009012483U1 - Vorrichtung zur Schichtdickenmessung mittels Mikrowellen

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Publication number: DE202009012483U1
Application number: DE200920012483
Authority: DE
Original assignee: Airbus Operations GmbH
Current assignee: Airbus Operations GmbH
Priority date: 2009-09-14
Filing date: 2009-09-14
Publication date: 2009-12-31
Anticipated expiration: 2019-09-15
Also published as: US20110062965A1; US8866496B2

Abstract

Vorrichtung (1) zur Schichtdickenmessung mittels Mikrowellenstrahlung (5, 11), insbesondere zur Schichtdickenmessung mindestens einer polymeren Beschichtung (7), die auf einem, insbesondere mit einem elektrisch leitfähigen Verbundmaterial gebildeten, Substrat (10) aufgebracht ist, mit einem Sende- und Empfangsmodul (4), einer Rechnereinheit (15) und mit einer Sonde (2) mit einem Flansch (20), dadurch gekennzeichnet, dass ein von einem Außenleiter (19) der Sonde (2) koaxial umgebener Innenleiter (18) mindestens eine Verdickung (32) aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Schichtdickenmessung mittels Mikrowellenstrahlung, insbesondere zur Schichtdickenmessung mindestens einer polymeren Beschichtung, die auf einem, insbesondere mit einem elektrisch leitfähigen Verbundmaterial gebildeten, Substrat aufgebracht ist, mit einem Sende- und Empfangsmodul, einer Rechnereinheit und mit einer Sonde mit einem Flansch. Daneben betrifft die Erfindung eine weitere Ausführungsform der Vorrichtung.
Im modernen Flugzeugbau ist es üblich, unter anderem aus ästhetisch-optischen Gründen sowie zur Verhinderung von Korrosionseffekten, die Primärstruktur von Flugzeugen mit mindestens einer Polymerschicht, beispielsweise in der Form einer Lackierung, zu beschichten. Die polymere Schicht bzw. die polymeren Schichten können eine Vielzahl von unterschiedlichen Funktionen erfüllen. Beispielsweise kann eine Polymerschicht ein Dekorlack, ein Decklack, ein Haftvermittler, ein Fülllack, ein Antistatiklack oder ein Antierosionslack sein.
Im Fall von großen Passagierflugzeugen, deren Primärstruktur eine Oberfläche von mehreren 1.000 m² erreichen kann, kann die Masse einer aufgebrachten polymeren Beschichtung eine Größenordnung von bis zu mehreren 100 kg erreichen. Um das Gewicht der Primärstruktur nicht unnötig zu erhöhen, muss zum einen die Materialstärke einer aufgebrachten Beschichtung über die gesamte Oberfläche der Primärstruktur hinweg möglichst gleichmäßig sein. Abgesehen vom Erfordernis des Auftrags mit gleichmäßiger Schichtdicke, darf die Materialstärke der Beschichtung nicht zu hoch werden, um den Aushärtungsprozess nicht zu beeinträchtigen und eine Runzeln-, Blasen- und/oder Tröpfchenbildung und die Entstehung anderer Beschichtungsfehler zu vermeiden. Andererseits darf die Schichtdicke der Lackierung auch nicht zu gering ausfallen, um die gewünschten funktionalen Effekte zu erreichen. Im Allgemeinen wird daher für eine vollständige Beschichtung der Primärstruktur eines Flugzeugs, die in der Regel mit einer Vielzahl jeweils unterschiedliche Funktionen erfüllenden Polymerschichten bzw. polymeren Beschichtungen gebildet ist, eine Materialstärke zwischen 0,05 mm und 0,5 mm gewählt. Um die Einhaltung dieses eng tolerierten Erfordernisses überwachen zu können, ist der Einsatz von Schichtdickenmessgeräten unumgänglich.
Aus dem Stand der Technik bekannt sind zunächst rein mechanisch wirkende Schichtdickenmessgeräte, bei denen die Ermittlung der Materialstärke der aufgebrachten Polymerbeschichtung zum Beispiel durch die Messung des Eindringweges eines Messkörpers erfolgt. Solche Schichtdickenmessgeräte erlauben zum einen keine zerstörungsfreie Messung und zum anderen ist die erreichbare Messgenauigkeit, insbesondere bei geringen Materialstärken der polymeren Beschichtung, prinzipbedingt begrenzt.
Weiterhin sind Schichtdickenmessgeräte bekannt, bei denen die Messung der Materialstärke einer polymeren Beschichtung mit Wirbelstrommessungen unter Einsatz von elektrischen Spulen erfolgt. Derartige Messgeräte erlauben zwar eine zerstörungsfreie Messung mit einer nach erfolgter Kalibrierung auch hinreichend hohen Genauigkeit, jedoch weisen sie den Nachteil auf, dass das Substrat mit der polymeren Beschichtung über eine recht hohe elektrische Leitfähigkeit verfügen muss. Demzufolge sind diese Geräte zur Messung der Materialstärke einer Polymerbeschichtung auf einem mit einem, in der Regel elektrisch relativ schlecht leitenden Verbundmaterial gebildeten Substrat, wie zum Beispiel einem kohlefaserverstärkten Epoxidharz, nur bedingt geeignet.
Aus dem deutschen Gebrauchsmuster DE 1 792 402 ist ferner eine Vorrichtung zur zerstörungsfreien Messung einer Schichtdicke eines Mediums auf einem Trägermaterial bekannt, bei der die Messung auf der Auswertung der Phasenverschiebung beruht, die sich beim Durchgang von Mikrowellen durch das Medium und deren an schließende Reflektion am Trägermaterial ergibt. Das vorbekannte Schichtdickenmessgerät erlaubt jedoch nur eine Messung der Dicke einer auf einem rein metallischen Trägermaterial befindlichen Schicht. Darüber hinaus geht die Dielektrizitätskonstante ε der zu vermessenden Schicht mit dem Faktor √ε in das Ergebnis der Messung ein.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung zur verlässlichen Schichtdickenmessung auf einem Substrat mit einer ortsvariablen elektrischen Leitfähigkeit zu schaffen, die gleichermaßen eine hohe Messgenauigkeit, eine kompakte Bauweise und eine weitgehende Unabhängigkeit von der Materialzusammensetzung des Substrates, dessen Anisotropie und/oder der polymeren Beschichtung gewährleistet.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird zunächst durch eine Vorrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Schutzanspruchs 1 gelöst.
Dadurch, dass ein von einem Außenleiter der Sonde koaxial umgebener Innenleiter mindestens eine Verdickung aufweist, kann die Materialstärke einer Polymerschicht, wie zum Beispiel einer Lackschicht, auf einem Substrat in einem Bereich zwischen 50 μm und 800 μm mit bisher unerreichter Genauigkeit gemessen werden. Bei dem Substrat handelt es sich vorzugsweise um ein elektrisch schwach leitfähiges kohlefaserverstärktes Epoxidharz, das zusätzlich mit einer Kupferkaschierung versehen sein kann. Der Begriff der schwachen Leitfähigkeit definiert eine Leitfähigkeit, die zwischen der elektrischen Leitfähigkeit eines Isolators und der eines metallischen Materials liegt. Die Kupferkaschierung zum Blitzschutz und/oder als Masseleitung weist in der Regel eine Materialstärke von bis zu 0,1 mm auf und kann zum Beispiel durch das Strecken einer längsgeschlitzten Kupferfolie (so genannte „expandierte Kupferfolie”) hergestellt werden. Die bevorzugt als leichtes und mobiles Handgerät ausgestaltete Vorrichtung erlaubt eine berührungslose, mobile und zudem genaue Bestimmung einer Schichtdicke mindestens einer polymeren Beschichtung, wobei die zur Messung benutzte Sonde einen kompakten Aufbau aufweist und Messungen auch in beengten Einbauräumen erlaubt. Darüber hinaus ist die Messung, insbesondere im Vergleich zu konkurrierenden kapazitiven Messverfahren, weitgehend unabhängig von der Materialzusammensetzung des Substrates und der polymeren Beschichtung. Die Sonde ist an ein kombiniertes Sende- und Empfangsmodul angeschlossen und gibt ein komplexes Messsignal mit einem Realteil Q und einem Imaginärteil i aus, aus denen in einer nachgeschalteten Rechnereinheit eine Phasenverschiebung Δφ zwischen der ausgestrahlten Mikrowellenstrahlung und der vom Substrat reflektierten Mikrowellenstrahlung mittels umfangreicher Algorithmen in Echtzeit errechnet wird. Aus der Phasenverschiebung Δφ lässt sich schließlich in der Rechnereinheit durch weitere Algorithmen die Schichtdicke einer auf dem Substrat aufgetragenen polymeren Beschichtung ableiten und auf einer der Rechnereinheit nachgeschalteten Anzeigeeinheit direkt in Millimetern oder Mikrometern visualisieren. In der Regel muss die Vorrichtung mit mindestens drei Referenzsubstraten, bei denen eine Materialstärke der aufgetragenen polymeren Beschichtung sowie die Materialzusammensetzung der polymeren Beschichtung und des Substrates exakt bekannt sind, kalibriert werden. Die vom kombinierten Sende- und Empfangsmodul emittierte Mikrowellenstrahlung liegt vorzugsweise bei einer Frequenz von 24 GHz bei einer Sendeleistung von bis zu 10 Milliwatt, bevorzugt bei einem Milliwatt. Die am Innenleiter vorgesehene Verdickung stellt im Zusammenwirken mit der Innenwandung des Außenleiters eine Parallel-Kapazität dar, die zu Resonanzeffekten führt. Infolge dieser speziellen Sondengeometrie und der hierdurch hervorgerufenen Resonanzeffekte wird zum einen der Materialeinfluss auf das Ergebnis der Schichtdickenmessung verringert und zum anderen wird die Phasenauflösung und damit die Messgenauigkeit der Vorrichtung insgesamt erhöht.
Eine weitere Ausgestaltung der Vorrichtung sieht vor, dass der Innenleiter der Sonde eine im Wesentlichen zylindrische Formgebung und der Außenleiter der Sonde eine im Wesentlichen hohlzylindrische Formgebung aufweist.
Infolge des – bis auf die Verdickung des Innenleiters – zylindrischen Aufbaus des Innenleiters und des Außenleiters ist eine einfache Fertigung der Sonde bei einer zugleich hohen Maßhaltigkeit möglich, so dass die im Mikrowellenbereich für definierte elektrische Eigenschaften möglichst exakt einzuhaltende Sondengeometrie mit hoher Genauigkeit erreicht wird. Darüber hinaus ermöglicht der hohe Symmetriegrad der Sonde eine verlässliche Messung der Schichtdicke einer polymeren Beschichtung auf einem Substrat, wie beispielsweise einem kohlefaserverstärkten Epoxidharz, das aufgrund lokal unterschiedlicher Verstärkungsfaserverläufe und/oder -dichten über eine räumlich variierende elektrische Leitfähigkeit verfügt.
Die Sonde ist bevorzugt mittels eines flexiblen Koaxialkabels mit dem Sende- und Empfangsmodul verbunden, so dass eine Schichtdickenmessung auch in eng begrenzten Einbauräumen erfolgen kann. Alternativ kann die Sonde auch als integraler Bestandteil der Vorrichtung ausgeführt sein, wodurch ein Verbindungskabel entbehrlich wird.
Nach Maßgabe einer weiteren Fortentwicklung der Vorrichtung ist vorgesehen, dass zwischen dem Innenleiter und dem Außenleiter der Sonde zumindest bereichsweise ein mit einem Kunststoffmaterial, insbesondere mit Polytetrafluoräthylen, mit Polyetheretherketon oder dergleichen, gebildetes Dielektrikum angeordnet ist.
Durch den Einsatz eines Kunststoffmaterials als hohlraumfüllendes Dielektrikum zwischen dem Innenleiter und dem Außenleiter wird die mechanische Stabilität der Sonde im Messbetrieb erhöht und zudem die Herstellung erleichtert bzw. ermöglicht. Daneben wird das Eindringen von Feuchtigkeit und/oder Schmutzpartikeln in Zwischenräume zwischen dem Innenleiter und dem Außenleiter der Sonde verhindert. Geeignete Materialien für das Dielektrikum sind zum Beispiel Polytetrafluoräthylen (PTFE) mit einer Dielektrizitätskonstanten im Bereich von ε_r ≈ 2 oder Polyetheretherketon (PEEK) mit einer Dielektrizitätskonstanten im Bereich von ε_r ≈ 3. Die im Vergleich zu reiner Luft (ε_r ≈ 1) erhöhten Dielektrizitätskonstanten der genannten Kunststoffmaterialien müssen jedoch bei der Festlegung der Sondengeometrie Berücksichtigung finden.
Der Außen- und der Innenleiter der Sonde sind mit einem metallischen Material, insbesondere mit einer Messinglegierung MS60, gebildet. Hierdurch ist eine einfache, schnelle und maßhaltige Herstellung der Sonde mittels der üblichen spanenden Fertigungstechniken möglich. Alternativ können Metalle oder Metalllegierungen, wie zum Beispiel Aluminium oder Edelstahl zum Einsatz kommen.
Gemäß einer Weiterbildung der Vorrichtung ist die Rechnereinheit mit einer Anzeigeeinheit verbunden, die eine unmittelbare Ablesbarkeit einer gemessenen Schichtdicke erlaubt.
Hierdurch wird die Handhabbarkeit der Vorrichtung für einen Benutzer deutlich vereinfacht. Bevorzugt erlaubt die Vorrichtung eine unmittelbare digitale Ablesbarkeit einer gemessenen Schichtdicken beispielsweise in Millimetern und/oder in Mikrometern.
Darüber hinaus wird die erfindungsgemäße Aufgabe durch eine weitere Ausführungsvariante der Vorrichtung mit einer alternativen Sondengeometrie nach Maßgabe des Kennzeichens des Schutzanspruchs 5 gelöst, wonach ein von einem Außenleiter der Sonde bereichsweise koaxial umgebener Innenleiter in einem Abstand zu einem gleichfalls koaxial im Außenleiter positionierten Elektrodenzapfen angeordnet ist.
Hierdurch kann die Messgenauigkeit der Schichtdickenmessung, insbesondere im Vergleich zur ersten Ausführungsvariante der Vorrichtung, weiter gesteigert werden. Infolge des Abstandes zwischen dem Innenleiter und dem Elektrodenzapfen des Außenleiters entsteht im Bereich des Innenleiters eine Reihen-Kapazität, die ebenfalls zu definierten Resonanzeffekten führt. Infolge des Effektes dieser Reihen-Kapazität wird entsprechend zur Wirkung im Zusammenhang mit der ersten Ausführungsform der Vorrichtung bereits erläuterten Parallel-Kapazität sowohl der Materialeinfluss auf das Ergebnis der Schichtdickenmessung minimiert, als auch das Phasenauflösungsvermögen der Vorrichtung erhöht, so dass Materialstärken einer polymeren Beschichtung auf einem CFK-Substrat in einem Bereich zwischen etwa 80 μm und 800 μm mit hoher Messgenauigkeit bestimmt werden können.
Nach Maßgabe einer Fortentwicklung dieser zweiten Ausführungsform der Vorrichtung ist vorgesehen, dass der Innenleiter eine im Wesentlichen zylindrische Formgebung und der Außenleiter eine im Wesentlichen hohlzylindrische Formgebung aufweisen, wobei vorzugsweise ein Innenleiterdurchmesser einem Elektrodenzapfendurchmesser entspricht.
Infolge dieser geometrischen Ausgestaltung ergibt sich eine optimale elektrische Wirkung der Reihen-Kapazität im Hochfrequenzkreis sowie eine vereinfachte Herstellbarkeit der Sonde.
Gemäß einer Weiterentwicklung der Vorrichtung ist vorgesehen, dass der Elektrodenzapfen mittels mindestens eines Steges elektrisch leitend mit dem Außenleiter verbunden ist.
Infolge des sich hierdurch ergebenden Stromdurchgangs durch den mindestens einen Steg bildet dieser eine Induktivität, die im Zusammenwirken mit der durch den Abstand gebildeten Reihen-Kapazität den Materialeinfluss auf die Schichtdickenmessung weiter minimiert. Vorzugsweise sind zwischen dem zentrisch im Außenleiter angeordneten Elektrodenzapfen und dem Außenleiter mindestens vier jeweils um 90° zueinander versetzt angeordnete Stege vorgesehen. Die Stege sind vom Elektrodenzapfen speichenartig, radial nach außen gerichtet angeordnet und erstrecken sich jeweils vom Elektrodenstumpf bis zur kreisförmigen Flanschausnehmung der Sonde. Die Stege können beispielsweise über eine quadratische Querschnittsgeometrie mit einer Kantenlänge von 0,5 mm verfügen.
Hinsichtlich weiterer vorteilhafter Ausgestaltungformen der zweiten Ausführungsform der Vorrichtung, die in den Schutzansprüchen 8 und 9 niedergelegt sind, wird auf die Ausführungen zu den Schutzansprüchen 3 und 4, die entsprechende Ausgestaltungen der ersten Ausführungsform beinhalten, verwiesen.
In der Zeichnung zeigt:
1 Eine Darstellung des prinzipiellen Aufbaus der Vorrichtung,
2 eine detaillierte Ansicht der Sonde nach 1,
3 eine schematische Schnittdarstellung durch eine weitere Ausführungsvariante der Sonde, und
4 einen Querschnitt durch die Sonde entlang der Linie IV-IV in 3.
In der Zeichnung weisen dieselben konstruktiven Elemente jeweils dieselbe Bezugsziffer auf.
Die 1 illustriert eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Messung von Schichtdicken.
Eine Vorrichtung 1 umfasst unter anderem eine mobile Sonde 2 sowie ein Gehäuse 3, dessen räumliche Abmessungen so gewählt sind, dass es vorzugsweise einhändig von einem Benutzer gehalten werden kann. Im Gehäuse 3 befindet sich unter anderem ein kombiniertes Sende- und Empfangsmodul 4 für Mikrowellenstrahlung. Die vom Sende- und Empfangsmodul 4 emittierte Mikrowellenstrahlung 5 wird über ein Koaxialkabel 6 zur Sonde 2 geleitet. Die emittierte Mikrowellenstrahlung 5 durchdringt dort eine polymere Beschichtung 7, deren Materialstärke bzw. Schichtdicke 8 ermittelt werden soll, wird im Bereich einer Oberfläche 9 eines Substrates 10 zurück geworfen und gelangt schließlich als reflektierte Mikrowellenstrahlung 11 wieder an das kombinierte Sende- und Empfangsmodul 4 zu rück. Das hochflexible Koaxialkabel 6 ist über zwei, im Bedarfsfall lösbare Standard-Steckverbindungen 12, 13 mit der Sonde und dem Gehäuse 3 verbunden und ermöglicht eine weitgehend freie Beweglichkeit der Sonde 2 auf der polymeren Beschichtung 7. Als Steckverbindung können zum Beispiel Standard SMA 3,5 mm (female/male) HF-Steckverbinder mit einem Verriegelungsmechanismus zur Sicherung verwendet werden. Als kombiniertes Sende- und Empfangsmodul 4 kommt beispielsweise ein so genanntes ”FMCW-Modul” (”Frequency Modulated Continuous Wave”) von der Firma Innosent zum Einsatz.
Das Sende- und Empfangsmodul 4 emittiert Mikrowellenstrahlung 5 mit einer konstanten Frequenz von ca. 24 GHz bei einer Sendeleistung von bis zu 5 Milliwatt, die über das Koaxialkabel 6 und die Sonde 2 auf das Substrat 10 bzw. die polymere Beschichtung 7 abgestrahlt wird. Zudem empfängt das Sende- und Empfangsmodul 4 die vom Substrat 10 bzw. der polymeren Beschichtung 7 zurückreflektierte Mikrowellenstrahlung 11. Das Sende- und Empfangsmodul 4 generiert ferner ein komplexes Messsignal 14 (i, Q), das mit der zu messenden Schichtdicke 7 der polymeren Beschichtung 8 korreliert. Hierbei entspricht ein Anteil i dem Imaginärteil und eine Signalkomponente Q dem Realteil des komplexen Messsignals 14. Aus dem komplexen Messsignal 14 wird in einer Rechnereinheit 15 mittels mathematischer Algorithmen die Phasenverschiebung Δφ zwischen der emittierten Mikrowellenstrahlung 5 und der reflektierten Mikrowellenstrahlung 11 berechnet. Zu diesem Zweck befinden sich in der Rechnereinheit 15 ein leistungsfähiger Mikroprozessor, ein RAM-Speicher, ein ROM-Speicher, elektronische Messverstärker, Analog-Digital-Umsetzer und weitere nicht dargestellte Komponenten. Aus der Phasenverschiebung Δφ lässt sich dann unter Anwendung weiterer mathematischer Schritte die Schichtdicke 8 der auf das Substrat 10 aufgetragenen polymeren Beschichtung 7 exakt ermitteln. Der Rechnereinheit 15 ist ferner mindestens eine optische Anzeigeeinheit 16 nachgeschaltet. Als optische Anzeigeeinheit 16 kommen beispielsweise numerische (7-Segement-Anzeigen) oder alphanumerische LED- und/oder LCD-Displays (Punktmatrix-Anzeigen) in Betracht. Auf der Anzeigeeinheit 16 kann der gemessene Wert der Schichtdicke 8 bevorzugt unmittelbar digital in Millimetern oder Mikrometern vom Anwender abgelesen werden.
Darüber hinaus ist in das Gehäuse 3 eine Energieversorgung 17 integriert, die einen lang andauernden mobilen Einsatz der Vorrichtung 1 vor Ort erlaubt. Die Energieversorgung 17 ist wahlweise mit Primärelementen oder mit Sekundärzellen aufgebaut, die einen kostengünstigen Betrieb erlauben.
Bei der polymeren Beschichtung 7 kann es sich um beliebige Kunststoffmaterialien auf einer Einkomponenten- oder einer Zweikomponentenbasis, wie zum Beispiel einen Decklack, Haftlack, Grundierungslack, Fülllack, Antistatiklack, Antierosionslack, Dekorlack oder eine beliebige Kombination von mindestens zwei der genannten Lacktypen, handeln. Alternativ kann die polymere Beschichtung 7 auch hiervon abweichende Funktionen erfüllen und mit einer Faserarmierung und/oder beliebigen Füllstoffen, wie zum Beispiel Mikroballons versehen sein. Vorrangig ist die Vorrichtung 1 jedoch zur Schichtdickenmessung von Polyurethan-Decklacken auf CFK-Substraten vorgesehen.
Bei dem Substrat 10 handelt es sich in der Regel um ein faserverstärktes, flächenhaftes Verbundmaterial, wie zum Beispiel ein kohlefaserverstärktes Epoxidharz, das zumindest bereichsweise mit einer elektrisch leitfähigen Beschichtung versehen sein kann. Alternativ kann das Substrat bzw. das Verbundmaterial auch mit metallischen Materialien und mit einem Faserverbundmaterial, wie zum Beispiel Glare^®, hergestellt sein. Glare^® besteht aus einer Abfolge von Aluminiumlegierungsfolien, die mit glasfaserverstärkten Epoxidharzen vollflächig verklebt sind. Darüber hinaus erlaubt die Vorrichtung 1 auch die Messung der Schichtdicke von polymeren Beschichtungen auf rein metallischen Substraten, wie zum Beispiel Aluminiumlegierungs- oder Titanlegierungsblechen.
Die 2 illustriert eine detaillierte Innenansicht der Sonde aus der 1.
Die insgesamt resonant ausgelegte Sonde 2 umfasst unter anderem einen Innenleiter 18 mit einer im Wesentlichen zylinderförmigen Formgebung und einen diesen koaxial umschließenden Außenleiter 19 mit einer näherungsweise hohlzylindrischen Geometrie. Der besseren zeichnerischen Übersicht halber ist der Innenleiter 18 neben der Sonde 2 nochmals isoliert dargestellt. Der Außenleiter 19 umfasst einen scheibenförmigen Flansch 20 sowie einen hieran anschließenden Grundkörper 21, der auch zum Führen bzw. Halten der Sonde 2 dient. In einer weiteren, alternativen Ausführungsform der Vorrichtung 1 kann diese mehrere, insbesondere matrixförmig angeordnete Sonden umfassen, die mittels einer automatischen Handhabungsvorrichtung über das Substrat 10 geführt werden. Hierdurch können polymere Beschichtungen 7 auf großflächigen, unter Umständen ein- oder zweidimensional gekrümmten, Substraten 10 vollautomatisch in kurzer Zeit vermessen werden. Die Rechnereinheit 15 kann ferner Algorithmen enthalten, die eine direkte Masse- bzw. Gewichtsbestimmung der polymeren Beschichtung 7 in einem definierten Flächenbereich des Substrates erlauben. Die Gewichtswerte können auf der Anzeigeeinheit 16 visualisiert werden. Der Bereich, in dem die Gewichtsbestimmung erfolgt, kann zum Beispiel auf der Grundlage der Verfahrwege der Handhabungsvorrichtung automatisch oder durch manuelles Ausmessen und anschließende Berechnung der mit der Vorrichtung 1 bzw. mit der Sonde 2 überfahrenen Fläche des Substrates 10 bestimmt werden.
In einem oberen Bereich des Grundkörpers 21 ist die Steckverbindung 12 (so genannte ”female”) integriert, die das Einstecken des Koaxialkabels 6 und die Schaffung einer im Bedarfsfall wieder lösbaren elektrischen Verbindung erlaubt. Hierdurch kann die Vorrichtung 1 mit einer Vielzahl unterschiedlicher Sonden 2 zum Einsatz kommen, die speziell an das jeweilige Messobjekt und/oder unterschiedliche Schichtdickenbereiche, angepasst sind. Beispielsweise können die Sonden für die Schichtdickenbereiche 0–300 μm und 300–600 μm ausgelegt sein. Die elektrische Verbindung zwischen einem Innenleiter 22 der Steckverbindung 12 und dem Innenleiter 18 der Sonde 2 erfolgt durch eine Lötverbindung 23. Ein Außenleiter 24 der Steckverbindung 12 ist zur Schaffung einer elektrisch leitfähigen Verbindung in den Grundkörper 21 bzw. den Außenleiter 19 der Sonde 2 eingeschraubt. Zwischen dem Außenleiter 24 und dem Innenleiter 22 der Steckverbindung ist bevorzugt ein Dielektrikum 24a aus Polytetrafluorethylen (PTFE) mit einer hohlzylindrischen Geometrie eingeschoben.
Zwischen dem Innenleiter 18 und dem Außenleiter 19 der Sonde 2 ist ein Dielektrikum 25 mit einer angenähert hohlzylindrischen Formgebung angeordnet. Das Dielektrikum 25 ist zweigeteilt mit einem oberen Abschnitt 26 und einem unteren Abschnitt 27 ausgeführt, um die Montage der Sonde 2 zu ermöglichen. Beide Abschnitte 26, 27 des Dielektrikums 25 sind vorzugsweise mit Polyetheretherketon (PEEK) mit einer Dielektrizitätskonstanten ε_r in einem Bereich von etwa drei hergestellt. Alternativ kann auch Polytetrafluoräthylen (PTFE) mit einer Dielektrizitätskonstanten ε_r in einem Bereich von etwa zwei zum Einsatz kommen. Beide Abschnitte 26, 27 des Dielektrikums 25 können alternativ auch einstückig sein. Ein Dielektrikum 25 aus PEEK verfügt im Vergleich zu einem Dielektrikum 25 aus PTFE über eine höhere mechanische Belastbarkeit.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel der 2 beträgt eine Flanschdicke 28 der Sonde 2 3,5 mm, ein Flanschdurchmesser 29 15,0 mm und ein Steckverbindungsdurchmesser 30 6,0 mm.
Ein Innendurchmesser 31 des Außenleiters 19 liegt bei 3,0 mm. Der Innenleiter 18 verfügt über eine Verdickung 32, die im Zusammenwirken mit dem Außenleiter 19 eine Parallel-Kapazität darstellt, die zu den gewünschten Resonanzeffekten führt. Diese steigern das Phasenauflösungsvermögen und die Messgenauigkeit der Vorrichtung 1. Die Verdickung 32 verfügt gleichfalls über eine zylindrische Gestalt und ist symmetrisch in Bezug auf den Innenleiter 18 angeordnet. Ein Verdickungsdurchmesser 33 liegt bei 2,0 mm und eine Verdickungshöhe 34 beträgt 0,4 mm. Ein Innenleiterdurchmesser 35 beträgt 1,2 mm und ein oberer Innenleiterdurchmesser 36 liegt bei 0,93 mm. Eine Länge 37 des Innenleiters 18 unterhalb der Verdickung 32 liegt bei 11,4 mm, während eine Länge 38 des Innenleiters 18 oberhalb der Verdickung 32 in der Größenordnung von 2,2 mm liegt und ein oberer Endabschnitt 39 des Innenleiters 18 5,0 mm lang ist. Im Bereich der Längen 37, 38 ist der Innenleiterdurchmesser 35 vorzugsweise gleich groß mit 1,2 mm gewählt. Eine in 2 nicht bezeichnete Gesamtlänge des Innenleiters 18 (= Länge 37 + Verdickungshöhe 34 + Länge 38 + oberer Endabschnitt 39) beläuft sich auf 19,0 mm. Ein Zahlenverhältnis zwischen dem Innendurchmesser 31 des Außenleiters 24 liegt im konkreten Ausführungsbeispiel der 2 bei etwa 2,5. Ein Zahlenverhältnis zwischen der Länge 37 und der Länge 38, jeweils abzüglich der Hälfte der Verdickungshöhe 34, die hier bei 0,4 mm liegt, beträgt etwa 5,0.
Der Flanschdurchmesser 29 der Sonde 2 wird im Allgemeinen doppelt so groß wie ein Außenleiterdurchmesser 39a der Sonde 2 gewählt. Prinzipiell bestimmt der Außenleiterdurchmesser 39a eine Eindringtiefe eines von der Sonde 2 emittierten, nicht näher dargestellten Mikrowellenfeldes in das Messobjekt, während durch den Innenleiterdurchmesser 35 der Sonde 2 eine Größe eines gleichfalls nicht eingezeichneten Messfleckes festgelegt wird, in dem die Ermittlung der Schichtdicke 8 der polymeren Beschichtung 7 auf dem Substrat 10 erfolgt. Im gezeigten, rotationssymmetrischen Ausführungsbeispiel der Sonde 2 nach 2 hat der Messfleck eine angenähert kreisförmige geometrische Gestalt. Die vorstehenden Designkriterien für die Sonde 2 gelten entsprechend auch für eine zweite Ausführungsvariante nach Maßgabe der 3, 4.
Sowohl der Innenleiter 18 als auch der Außenleiter 19 sind mit einem elektrisch gut leitfähigen Material, zum Beispiel der Messinglegierung MS60 gebildet, die darüber hinaus eine gute spanende Verarbeitbarkeit aufweist. Eine nicht bezeichnete Unterseite des Flansches 20 kann mit einer Gleitbeschichtung, zum Beispiel mit PTFE versehen sein, um eine mechanische Beschädigung der polymeren Beschichtung 7 zu vermeiden.
Die genannten Maße stellen lediglich ein Ausführungsbeispiel der Sonde 2 dar und haben keine einschränkende Wirkung. In Abhän gigkeit vom jeweiligen Messobjekt, das heißt der Kombination aus dem Substrat und der darauf befindlichen polymeren Beschichtung, können erhebliche von der Darstellung der 2 abweichende Sondengeometrien und/oder Abmessungen erforderlich sein, um mit der Vorrichtung optimale Messeigenschaften zu erreichen.
Die 3, 4, auf die im weiteren Fortgang der Beschreibung zugleich Bezug genommen wird, veranschaulichen eine alternative Ausführungsform der Sonde nach 1.
Eine Sonde 40 umfasst unter anderem einen im Wesentlichen hohlzylindrischen Außenleiter 41 mit einem Grundkörper 42 und einem sich daran nach unten hin anschließenden scheibenförmigen Flansch 43. Der Außenleiter 41 umgibt koaxial einen Innenleiter 44. Der Innenleiter 44 ist mit einem vertikalen Abstand 45 in Relation zu einem Elektrodenzapfen 46 innerhalb des Außenleiters 41 angeordnet. Der Innenleiter 44 und der Elektrodenzapfen 46 weisen jeweils eine zylindrische Gestalt mit vorzugsweise gleichem Durchmesser auf. Sowohl der Innenleiter 44 als auch der Elektrodenzapfen 46 sind zentrisch, das heißt koaxial im Außenleiter 41 positioniert. Die mechanische Anbindung des Elektrodenzapfens 46 an den Außenleiter 41 erfolgt im gezeigten Ausführungsbeispiel der 3, 4 durch insgesamt vier Stege 47 bis 50, die im Bereich des Flansches 43 vorgesehen sind. Die vier Stege 47 bis 50 sind gleichmäßig unter einem Winkel von jeweils 90° zueinander um den Umfang einer angenähert kreisförmigen Flanschausnehmung 51 herum angeordnet (vgl. insb. 4). Die Stege 47 bis 50 verfügen bevorzugt über eine quadratische Querschnittsgeometrie mit einer Kantenlängen von etwa 0,5 mm. Die Anzahl und die Anordnung der Stege können variieren. Grundsätzlich ist das Vorhandensein eines Steges zur mittigen Lagefixierung des Elektrodenzapfens 46 im Außenleiter 41 ausreichend, jedoch ist eine symmetrische Anordnung der Stege zu bevorzugen, so dass in der Regel eine gerade Steganzahl vorzusehen ist. Der Außenleiter 41, die Stege 47 bis 50 sowie der Elektrodenzapfen 46 der Sonde 40 sind vorzugsweise einstückig mit einem elektrisch gut leitfähigen Material, wie zum Beispiel der Messinglegierung MS60, hergestellt. Alternativ können die genannten Kom ponenten getrennt hergestellt werden, wodurch sich die Montage in der Sonde 40 vereinfacht, jedoch zusätzliche Lötstellen zur Herstellung einer elektrisch leitfähigen Verbindung zwischen den erwähnten Sondenbestandteilen erforderlich sind. In dieser Konstellation ist jedoch auf eine dauerhaft gute, elektrisch leitfähige Verbindung zwischen den Komponenten zu achten, um die Funktionsfähigkeit der Sonde 40 zu gewährleisten. Zwischen dem Innenleiter 44 und dem Außenleiter 41 sowie zwischen den Stegen 47 bis 50 befindet sich ein Dielektrikum 52, hinsichtlich dessen elektrischer und mechanischer Eigenschaften sowie dessen konstruktiven Aufbau auf die bereits im Rahmen der Beschreibung der 2 gemachten Ausführungen verwiesen wird. Ein Flanschdurchmesser 53 kann zum Beispiel 15,0 mm betragen, während ein Innendurchmesser 54 bzw. die Flanschausnehmung 51 des Außenleiters 41 in Anlehnung zu den Dimensionen der Sonde 2 nach Maßgabe der 2 bei 3,0 mm liegt.
Eine Stegdicke 55 der Stege 47 bis 50 ist, wie aus der 3 ersichtlich, geringfügig kleiner als eine Flanschdicke 56, kann aber alternativ genauso so groß gewählt werden. Eine Länge 57 des Innenleiters 44, eine Länge 58 des Elektrodenzapfens 46, der Abstand 45 einschließlich der Stegdicke 55 können sich zusammen, wiederum in Anlehnung zur mechanischen Dimensionierung der Sonde 2 nach 2, zum Beispiel auf 19 mm belaufen. Ein Innenleiterdurchmesser 59, der bevorzugt mit einem nicht bezeichneten Elektrodenzapfendurchmesser korrespondiert, kann zum Beispiel 1,2 mm betragen. Die genauen Abmessungen der Sonde 40 müssen – entsprechend zur Sonde 2 nach 1, 2 – in der Regel an die konkreten Gegebenheiten des jeweiligen Messobjektes angepasst werden. Ein Elektrodenzapfendurchmesser 60 entspricht bevorzugt einem Innenleiterdurchmesser 59.
Der Abstand 45 zwischen dem Innenleiter 44 und dem Elektrodenzapfen 46 bildet im Gegensatz zur Ausführungsform der Sonde 2 nach Maßgabe der 2 eine Reihen-Kapazität, die wiederum Resonanzeffekte in der Sonde 40 zur Folge hat, wodurch sich das Phasenauflösungsvermögen und die Materialinvarianz der Vorrichtung 1 erhöht. Darüber hinaus fließt durch die vier massiven Stege 47 bis 50 ein hochfrequenter Strom, so dass diese im Hochfrequenzbereich als Induktivitäten wirken, die im Zusammenspiel mit der durch den vertikalen Abstand 45 gebildeten Reihen-Kapazität die Resonanzeffekte in der Sonde 40 weiter steigern.
Hierdurch verfügt die Sonde 40 im Vergleich zur ersten Ausführungsform der Sonde 2 nach 2 unter Inkaufnahme einer insgesamt aufwändigeren Konstruktion über eine nochmals gesteigerte Messgenauigkeit und eine zugleich weiter minimierte Abhängigkeit von der Materialzusammensetzung der polymeren Beschichtung 7 und/oder des Substrates 10.
Aus dem vom Sende- und Empfangsmodul 4 abgegebenen komplexen Messsignal 14 wird in der Rechnereinheit 15 mittels mathematischer Algorithmen die Phasenverschiebung Δφ zwischen der emittierten Mikrowellenstrahlung 5 und der reflektierten Mikrowellenstrahlung 11 berechnet. Aus der Phasenverschiebung Δφ lässt sich dann unter Anwendung weiterer mathematischer Schritte die Schichtdicke 8 der auf das Substrat 10 aufgetragenen polymeren Beschichtung 7 exakt ermitteln und für einen Anwender in direkt ablesbarer Weise, zum Beispiel in μm oder mm, digital visualisieren.

1: Vorrichtung
2: Sonde
3: Gehäuse
4: Sende- und Empfangsmodul
5: emittierte Mikrowellenstrahlung
6: Koaxialkabel
7: polymere Beschichtung
8: Schichtdicke (polymere Beschichtung)
9: Oberfläche (Substrat)
10: Substrat
11: reflektierte Mikrowellenstrahlung
12: Steckverbindung
13: Steckverbindung
14: komplexes Messsignal (i, Q)
15: Rechnereinheit
16: Anzeigeeinheit
17: Energieversorgung
18: Innenleiter
19: Außenleiter
20: Flansch (scheibenförmig)
21: Grundkörper
22: Innenleiter (Steckverbindung)
23: Lötverbindung
24: Außenleiter (Steckverbindung)
24a: Dielektrikum (Steckverbindung)
25: Dielektrikum (Sonde)
26: oberer Abschnitt (Dielektrikum)
27: unterer Abschnitt (Dielektrikum)
28: Flanschdicke
29: Flanschdurchmesser
30: Steckverbindungsdurchmesser
31: Innendurchmesser (Außenleiter Sonde)
32: Verdickung (Innenleiter)
33: Verdickungsdurchmesser
34: Verdickungshöhe
35: Innenleiterdurchmesser
36: oberer Innenleiterdurchmesser
37: Länge (Innenleiter)
38: Länge (Innenleiter)
39: oberer Endabschnitt (Innenleiter)
39a: Außenleiterdurchmesser
40: Sonde (zweite Ausführungsvariante)
41: Außenleiter
42: Grundkörper
43: Flansch (scheibenförmig)
44: Innenleiter
45: vertikaler Abstand
46: Elektrodenzapfen
47: Steg
48: Steg
49: Steg
50: Steg
51: Flanschausnehmung
52: Dielektrikum
53: Flanschdurchmesser
54: Innendurchmesser (Außenleiter Sonde)
55: Stegdicke
56: Flanschdicke
57: Länge (Innenleiter)
58: Länge (Elektrodenzapfen)
59: Innenleiterdurchmesser
60: Elektrodenzapfendurchmesser

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 1792402 U [0006]

Claims

Vorrichtung (1) zur Schichtdickenmessung mittels Mikrowellenstrahlung (5, 11), insbesondere zur Schichtdickenmessung mindestens einer polymeren Beschichtung (7), die auf einem, insbesondere mit einem elektrisch leitfähigen Verbundmaterial gebildeten, Substrat (10) aufgebracht ist, mit einem Sende- und Empfangsmodul (4), einer Rechnereinheit (15) und mit einer Sonde (2) mit einem Flansch (20), dadurch gekennzeichnet, dass ein von einem Außenleiter (19) der Sonde (2) koaxial umgebener Innenleiter (18) mindestens eine Verdickung (32) aufweist.
Vorrichtung (1) nach Schutzanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenleiter (18) der Sonde (2) eine im Wesentlichen zylindrische Formgebung und der Außenleiter (19) der Sonde (2) eine im Wesentlichen hohlzylindrische Formgebung aufweist.
Vorrichtung (1) nach Schutzanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Innenleiter (18) und dem Außenleiter (19) der Sonde (2) zumindest bereichsweise ein mit einem Kunststoffmaterial, insbesondere mit Polytetrafluoräthylen, mit Polyetheretherketon oder dergleichen, gebildetes Dielektrikum (25) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Schutzansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Rechnereinheit (15) mit einer Anzeigeeinheit (16) verbunden ist, die eine unmittelbare Ablesbarkeit einer gemessenen Schichtdicke (8) erlaubt.
Vorrichtung (1) zur Schichtdickenmessung mittels Mikrowellenstrahlung (5, 11), insbesondere zur Schichtdickenmessung mindestens einer polymeren Beschichtung (7), die auf einem, insbesondere mit einem elektrisch leitfähigen Verbundmaterial gebildeten, Substrat (10) aufgebracht ist, mit einem Sende- und Empfangsmodul (4), einer Rechnereinheit (15) und mit einer Sonde (40) mit einem Flansch (43), dadurch gekennzeichnet, dass ein von einem Außenlei ter (41) der Sonde (40) bereichsweise koaxial umgebener Innenleiter (44) in einem Abstand (45) zu einem gleichfalls koaxial im Außenleiter (41) positionierten Elektrodenzapfen (46) angeordnet ist.
Vorrichtung (1) nach Schutzanspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenleiter (44) eine im Wesentlichen zylindrische Formgebung und der Außenleiter (41) eine im Wesentlichen hohlzylindrische Formgebung aufweist, wobei vorzugsweise ein Innenleiterdurchmesser (59) einem Elektrodenzapfendurchmesser (60) entspricht.
Vorrichtung (1) nach Schutzanspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrodenzapfen (46) mittels mindestens eines Steges (47–50) elektrisch leitend mit dem Außenleiter (41) verbunden ist.
Vorrichtung (1) nach einem der Schutzansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Innenleiter (44) und dem Außenleiter (41) der Sonde (40) zumindest bereichsweise ein mit einem Kunststoffmaterial, insbesondere mit Polytetrafluoräthylen, mit Polyetheretherketon oder dergleichen, gebildetes Dielektrikum (52) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Schutzansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Rechnereinheit (15) mit einer Anzeigeeinheit (16) verbunden ist, die eine unmittelbare Ablesbarkeit einer gemessenen Schichtdicke (8) erlaubt.