DE2309518C3 - Meßanordnung zur Ermittlung elektrischer Parameter von Bindemitteln für die Elektrotauchlackierung - Google Patents

Description

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Die Erfindung befaßt sich mit dem Ermitteln elektrischer Parameter von zum Elektrotauchlackieren bestimmten Überzugs- bzw. Beschichtungsmitteln, wie Lackfilmen, und insbesondere deren Bindemitteln.

Dabei geht die Erfindung aus von einer bekannten (DT-AS 12 82 685) Meßanordnung zur Ermittlung von elektrischen Parametern, bei der eine Meßwertverarbeitungsanlage einen Widerstand, einen daran angeschlossenen Spannungsfrequenzwandler sowie eine für Digitalwerte bestimmte Zähleinheit und einen Zwischenspeicher aufweist. Dieser Analog-Digital-Umsetzer arbeitet nach dem Ladungsmengenkompensationsverfahren.

Die Erfindung bezweckt das rasche und sichere Ermitteln so wichtiger elektrischer Parameter, wie der Coulombausbeute (auch Abscheidungsäquivalent genannt), der zu Beginn der Abscheidung auftretenden Abscheidungsspitzenströme sowie der zur Beschichtung im Eleklrotauchverfahren aufgewendeten elektrischen Energie.

Die Bedeutung dieser Kennzahlen sei im folgenden kurz zusammengefaßt:

Das elektrochemische Abscheidungsäquivalent gibt an, welche Ladungsmenge aufgewendet werden muß, um ein Milligramm eines Bindemittels abzuscheiden (Cb/mg). Der Kehrwert wird als Coulombausbeute bezeichnet. Hieraus läßt sich die Wirtschaftlichkeit der Abscheidung, aber auch der Neutralisationsgrad des Harzes ermitteln. Ebenso kann die Messung 2ur Produktionskontrolle, d. h. 2ur Feststellung abweichender Kochungen mit z. B. höherer und niedrigerer Säurezahl oder Anwesenheit von Fremdelektrolyten, benutzt werden.

Die Kenntnis des bei Beschichtungsbeginn auftretenden Abscheidungsspitzenstromes ist bei Vergleich von EC-Harzen unter unterschiedlichen Bedingungen von entscheidender Bedeutung und dient z. B. zur Bestimmung der kritischen Stromdichte, bei der es bei der Beschichtung zum Filmaufbruch kommt. Der Abscheidur.gsspilzenstrom ist auch für die Dimensionierung von elektrischen Anlagen wichtig (z. B. für Gleichrichterelemente, Thyristoren, Stoßstrombelastung von elektrischen Anlagen wie Laborgleichrichter).

Die Kenntnis des zur Beschichtung notwendigen Verbrauchs elektrischer Energie erlaubt die Berechnung der Stromkosten sowie die Kosten bei Installationen von ETL-Anlagen, wie Transformatoren und Kühlanlagen.

Die Coulombmessung, d. h. die meßtechnische Bestimmung der geflosseneti Ladungsmenge war bisher mit «roPen Schwierigkeiten verbunden. Bei Beschichtung unter konstanter Spannung kommt es am Beginn der Abscheidung zu einer Stromspitze und danach durch den Aufbau des isolierenden Lackfilmes zu einer raschen Stromverringerung, wobei man annähernd von einem exponentiellen Abfall des Stromflusses sprechen kann.

Die klassische Methode der Coulombmessung mit Hilfe des Silbercoulometers mußte von vornherein ausgeschieden werden, da die Silberabscheidung bei den auftretenden hohen Strömen (bis zu 20 A bei zu beschichtenden Flächen von 200 cm²) meßtechnisch nicht exakt erfaßbar und die Auswertung der Meßergebnisse umständlich und zeitraubend ist.

Als weitere Meßmethode bot sich der XY-Schreiber an, der die Stromänderung auf einem laufenden Papierstreifen registriert. Hier zeigte sich jedoch, daß die mechanische Aufzeichnung der Strom-Zeit-Kurve zu trag j erfolgt, so daß die erste Abschddungsphase nur ungenau erfaßt wird. Außerdem war man gezwungen, durch Ausschneiden der Kurve und Wiegen des Papiergewichtes im Vergleich mit dem Papiergewicht bekannter Coulombmengen, die Zahl der geflossenen Coulomb zu bestimmen, wobei ein Meßfehler bis zu 10% nicht zu vermeiden war.

Bei integrierenden Schreibern fiel zwar das umständliche Ausschneiden und Abwiegen weg, jedoch war die mechanische Trägheit des Schreibsystems immer noch zu berücksichtigen und eine nicht zu vernachlässigende Fehlerquelle, da ein solcher Schreiber mindestens 1 see benötigt, um den Maximalausschlag zu erreichen.

Eine häufig angewandte Methode, die Zahl der Coulomb durch eine Abscheidung unter konstanter Stromstärke zu bestimmen, hat den Nachteil, daß der Filmaufbau unter grundsätzlich anderen Voraussetzungen erfolgt. Die Meßdauer ist überdies zeitlich begrenzt, da mit zunehmender Beschichtung aufgrund des sich aufbauenden isolierenden Lackfilmes die Abscheidungsspannung wächst, bis es beim Überschreiten einer gewissen Spannung zum Aufbruch des Filmes kunirnt und danach keine definierte Abscheidung mehr erfolgt.

Die Messung des bei Beschichtungsbeginn auftretenden Abscheidungsspitzenstromes ist mit besonderen Schwierigkeiten verbunden, da schon nach kurzer Zeit

der Stromzufluß durch den sich aufbauenden Filmwiderstand äußerst stark herabgesetzt wird.

Erfahrungswerte zeigen, daß bei üblichen Spannungen der Abscheidestrom nach 2 —3 see Reschichtungsdauer nur mehr die Hälfte seines Anfangswertes erreicht. Eine genaue Messung dieses Spitzenstromes konnte bisher nur mit Hilfe eines Speicheros7.illogn phen vorgenommen werden, der allein in der Lage ist, einmalige Vorgänge, wie Abscheidungen von ETL-Bindemitteln, auf dem Bildschirm festzuhaken. Die Aufzeichnung der Stromänderung mit dem Elektronenstrahl-Oszillographen ^:st zwar beinahe trägheitslos, das Arbeiten mit einem solchen Oszillographen ist aber sehr aufwendig und zeitraubend und erfordert geübtes Fachpersonal. Abgesehen davon können oszillographisehe Spitzenstrommessungen nur mit stabilisierter Gleichspannung durchgeführt werden, da die Helbwellen der gleichgerichteten Wechselspannung eines für ETL-Beschichtung üblicherweise verwendeten Gleichrichters von fast gleicher Größenordnung wie die Dauer des Spiizenstromes selbst, sind (Halbwellenbreite: 10 msec, Spitzenstromdauer: 200—100 msec).

Die zur Beschichtung aufzuwendende Energie kann auch aus der Abscheidungsspannung und der dabei geflossenen Coulombmenge ermittelt werden. Obwohl dies für den Fall einer Beschichtung unter konstanter Gleichspannung problemlos ist, steht jedoch fast nie eine solche zur Verfügung, da für die hohen Spannungen und Ströme, die bei der ETL-Beschichtung auftreten, die hierzu notwendigen Geräte viel zu kostspielig sind. Außerdem wäre eine Abscheidung unter solchen Voraussetzungen viel zu wenig praxisnah.

Die im Gebrauch befindlichen Gleichrichteranlagen haben zum Teil nicht zu vernachlässigende Innenwiderstände und außerdem treten Spannungs- und Stromver-Zerrungen auf, die mit Volt- und Amperemeter nicht erfaßt werden können, wenn die elektrische Regelung über eine Thyristorsteuerung erfolgt. In der Praxis wird daher die elektrische Energie, die bei der Beschichtung aufgewendet wird, nur näherungsweise bestimmt werden.

Die Aufgabe der Erfindung besteht nun darin, eine Meßanordnung bzw. eine Meßmethode zu schaffen, die mit einfachen Mitteln eine rasche und genaue Bestimmung der genannten Größen ohne die o. a. Nachteile erlaubt.

Gemäß der Erfindung wird die eingangs genannte bekannte Meßanordnung mit der Maßgabe zu den obenerwähnten Zwecken angewendet, daß dem aus dem Spannungsfrequenzwandler, der Zähleinheit, eiern Zwischenspeicher und einer Anzeigeeinheit bestehenden, in den Abscheidungsstromkreis eingeschalteten und für die Anzeige der Coulombausbeute bestimmten Meßkreis ein zweiter Meßkreis, bestehend aus einem zum Unterbrechen der vom Spannungsfrequenzwandler kommenden Impulsfolge dienenden Zeitglied, einer weiteren Zähleinheit, einem weiteren Zwischenspeicher und einer weiteren Anzeigeeinheit zur Anzeige des Abscheidungsspitzenstromes, und ein dritter, zur Anzeige des Energieverbrauchs dienender Meßkreis zugeordnet ist, der einen Multiplikator, der die am Meßwiderstand und an einem Spannungsteiler auftretenden Spannungen analog miteinander multipliziert, einen weiteren Spannungsfrequenzwandier, eine dritte Zähleinheit, einen dritten Zwischenspeicher und eine dritte Anzeigeeinheit aufweist.

Hierbei empfiehlt es sich vor allem eine solche Ausbildung, bei der das Zeitglied die vom ersten Spannungsfrequenzwandier kommende Impulsfolge jeweils nach 50— 100 msec unterbricht.

Für die Messung der verschiedenen Größen werden in allen Fällen die der zeitlichen Änderung des Stroms oder der Spannung analogen Signale in Impulse umgewandelt, die dann gezählt und gespeichert werden. Als Analogsignal wird eine sich mit der zeitlichen Änderung des Stromes an einem Meßwiderstand ändernde Spannung gewählt. Diese wird dann zweckmäßigerweise dazu verwendet, die Rückkopplung eines Rechteckgenerators derart zu steuern, daß die Frequenz seiner Impulse proportional zur Spannung und damit zum Strom ist.

Die Impulse werden gezählt, gespeichert und beispielsweise auf Ziffernanzeigeröhren sichtbar gemacht, so daß unmittelbar mit Abschluß der Messung die Strommenge in Coulomb, der aufgetretene Abschaltungsspitzenstrom in Ampere und/oder die aufgewendete Leistung in Wattsekunden abgelesen werden können. Diese Werte können auch direkt verarbeitet werden und durch Ansteuern von Regelkreisen oder durch Einspeisen in einen Computer zur Prozeßsteuerung dienen.

Im folgenden werden die einzelnen Meßfunktionen des Gerätes an Hand des Blockschaltbildes (Abbildung) erläutert.

a) Coulombmessung

Die am Meßwiderstand R/1 abfallende Spannung erzeugt im DC-AC-Wandler 2 eine frequenzproportionale Impulsfolge. Die am Ausgang des Wandlers erscheinenden negativen Impulse werden in einem Gatter in positive Impulse umgewandelt, dann in Dezimalzählereinheiten, bestehend aus Dezimalzählern 3, Zwischenspeichern 4, Decoder/Treibern und Anzeigeröhren 5 gezählt und die Summe nach Beendigung der Messung festgehalten. Die Zählfrequenz wird vorteilhaft so gewählt, daß einer Ladungsmenge von 1 Coulomb, entsprechend einem vorgewählten Spannungsabfall am Meßwiderstend /?/1, eine Frequenz von 100 Hz gleichkommt. Die kleinste angezeigte Ladungsmenge beträgt daher 0,01 Coulomb.

b) Spitzenstrommessung

Die Spitzenstrommessung beruht im Prinzip auf der gleichen Methode wie die Coulombmessung. Die am Meßwiderstand R/1 abfallende Spannung erzeugt im Wandler 2 Impulse, und diese werden gezählt. Zum Unterschied zur Coulombmessung wird jedoch der Zählvorgang nach 50—100 msec abgebrochen. Die am Anzeigesystem erscheinende Zahl gibt nun die in den ersten 50—100 msec geflossene Ladungsmenge an. Diese Ladungsmenge (Coulomb), die in den ersten 50—100 msec geflossen ist, ist der mit dem Faktor 10 zu multiplizierende Spitzenstrom. Bei einer gewählten Frequenz von 100 Hz pro 1 Asec entspricht einem Spitzenstrom von 1 A eine am Anzeigesystem angezeigte 10. Der kleinste Spitzenstrom, der erfaßt werden kann, ist 100 mA. Die Zeitkonstante von 50—100 msec wurde gewählt, weil Spitzenstrommessungen mit Hilfe eines Speicheroszillographen ergeben haben, daß die Dauer des Spitzenstromes in der Größenordnung von 50—200 msec liegt.

Das Zcitgücd 6 funktioniert in folgender Weise: Vor Beginn der Messung muß ein bistabiler Multivibrator in den Zustand versetzt werden, daß an seinem Ausgang das Potential 1 (s+5V) erscheint. Durch dieses Potential wird der Eingang eines Gatters geöffnet.

Beginnt der Strom am Meßwiderstand Rj 1 zu fließen und erscheint der erste Impuls am Ausgang dieses Gatters, so kann dieser über ein weiteres Gatter hindurch und eine monostabile Kippstufe einschalten. Diese springt an ihrem Ausgang vom Potential 0( = 0 V) auf 1 und öffnet damit ein 3. Gatter. Die Strecke zwischen dem 1. Gatter und 3. Gatter ist somit für die Zeit, für die die monostabile Kippstufe eingestellt wurde (50—100 msec), für vom Wandler 2 kommende Impulse durchlässig und diese mit Dezimalzählern 7, Zwischenspeichern 8, Decoder/Treiber und Anzeigeröhren 9 gezählt werden.

Um jedoch zu verhindern, daß nach Abschalten der monostabilen Kippstufe diese durch einen neuen vom Eingang kommenden Impuls wieder eingeschaltet wird, wird schon der erste Impuls, welcher zum Einschalten verwendet wurde, dazu benutzt, die bistabile Kippstufe so umzuschalten, daß dadurch das 2. Gatter für weitere Impulse gesperrt wird. Eine neue Inbetriebnahme des Zeitgliedes 6 kann nur extern durch die Betätigung einer Taste erfolgen.

c) Energiemessung

Die Energiemessung erfolgt in der Weise, daß mit Hilfe einer Multiplikatorstufe 11 die dem Abscheidungsstrom und -spannung proportionalen, am Meßwiderstand Rj 1 und am Spannungsteiler Rus 10 abfallenden Spannungen miteinander multipliziert werden. Das Produkt, welches wieder in Form einer Spannung am Ausgang der Multiplikatorstufe 11 erscheint, wird in einem Wandler 12 in Impulse umgewandelt, welche in Dezimalzählereinheiten, bestehend aus Dezimalzählern 13, Zwischenspeicher 14, Decoder/Treibern und Anzeigeröhren 15 gezählt werden und die Summe nach Beendigung der Messung festgehalten wird.

ίο Die Energiemeßstufe kann z. B. so ausgelegt werden, daß eine Energie von maximal 6000 Ws in der Sekunde entsprechend einer Spannung von 300 V und einem Strom von 20 A gemessen werden kann. Die geringste noch meßbare Energie beträgt 10 Ws pro Sekunde. Um diese Meßwerte zu erzielen, wird ein Eingang der Multiplikatorstufe 11 mit dem Meßwiderstand Rj 1 verbunden, der andere an einen Spannungsteiler Rus 10 angeschlossen. Hierbei erfolgt die Strommessung am Meßwiderstand R₁ 1, die Spannungsmessung über den Spannungsteiler Rus 10.

Die Energiemessung nach der erfindungsgemäßen Methode erfolgt unter Ausschaltung von Spannungsschwankungen und Verzerrungen durch den Innenwiderstand von Gleichrichteranlagen und Sägezahnimpulsen, die bei Thyristorsteuerungen auftreten.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

A /i Patentansprüche:

1. Anwendung einer aus einem Meßwi' ^r<;tand, einem daran angeschlossenen Spannungs^! ,uenzwandler sowie einer für Digitalwerte bestimmten Zähleinheit und einem Zwischenspeicher bestehenden Meßwertverarbeitungsanlage zur Ermittlung der Coulombausbeute und weiterer elektrischer Parameter von zum Elektrotauchlackieren bestimm- <o ten Überzugs- bzw. Beschichtungsmitteln, wie Lackfilmen, insbesondere deren Bindemitteln, dadurch gekennzeichnet, daß dem aus dem Spannungsfrequenzwandler (2), der Zähleinheit (3), dem Zwischenspeicher (4) und einer Anzeigseinheit (5) besiehenden, in den Abscheidungsstromkreis eingeschalteten und für die Anzeige der Coulombausbeute bestimmten Meßkreis ein zweiter Meßkreis, bestehend aus einem zum Unterbrechen der vom Spannungsfrequenzwandler (2) kommenden Impulsfolge dienenden Zeitglied (6), einer weiteren Zähleinheit (7), einem weiteren Zwischenspeicher (8) und einer weiteren Anzeigeeinheit (9) zur Anzeige des Abscheidungsspitzenstromes, und ein dritter zur Anzeige des Energieverbrauchs dienender Meßkreis zugeordnet ist, der einen Multiplikator (11), der die am Meßwiderstand (1) und an einem Spannungsteiler (10) auftretenden Spannungen analog miteinander multipliziert, einen weiteren Spannungsfrequenzwandler (12), eine dritte Zähleinheit (13), einen dritten Zwischenspeicher (14) und eine dritte Anzeigeeinheit (15) aufweist.

2. Anwendung der im Anspruch 1 genannten Meßwertverarbeitungsanlage für den im Anspruch 1 genannten Zweck, dadurch gekennzeichnet, daß das Zeitglied (6) die vom ersten Spannungsfrequenzwandler (2) kommende Impulsfolge jeweils nach 50 bis 100 msec unterbricht.