DE2420496B2 - Schwimmerbetaetigter sensor zur ueberwachung des spezifischen gewichts einer fluessigkeit - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen schwimmerbetätigten Sensor, der völlig in eine Flüssigkeit untertauchbar ist, deren spezifisches Gewicht Änderungen unterworfen ist, und der auf Änderungen im spezifischen Gewicht über einen vorbestimmten Minimalwert anspricht sowie einen magnetisch betriebenen Blattfederschalter, einen toroidal ausgebildeten Schwimmer, einen Ring-Permanentmagneten, der vom Schwimmer getragen und zum Betätigen des Schalters in bestimmten Stellungen des Schwimmers in bezug auf den Schalter wirksam ist und ein axiales Traggestell für den Schwimmer aufweist. Das Problem, das spezifische Gewicht einer Lösung so konstant wie möglich zu halten, wenn ein Teil der Lösung in einer Behandlungsstelle mit einem Material reagieren muß, das in die Lösung eingeführt wird, wodurch die Zusammensetzung der Lösung und damit ihr spezifisches Gewicht verändert wird, tritt gewöhnlich bei Metallätzsystemen auf, bei denen eine Ätzlösung mit einem Metallgegenstand in Kontakt gebracht wird. Das ist beispielsweise der Fall, wenn beim Abätzen eines Teils des Metalls das verbrauchte Ätzmittel durch frisches ersetzt wird, um eine annähernd gleichmäßige Dauerätzwirkung auf das Metall zu erreichen.
Genaue Kontrolle der Ätzmenge ist insbesondere bei

ίο der Herstellung gedruckter elektronischer Schaltkarten wichtig, um scharfe Begrenzungslinien des Schaltmusters zu erreichen, das auf der erhalten gebliebenen Metallfolie abgegrenzt wird. Dies ist äußerst schwierig, wenn eine Miniaturisierung der Schaltkarte wichtig ist, insofern, als die Breite der erhalten gebliebenen Leitungsteile so klein wie möglich gehalten* werden muß, ebenso wie der Abstand zwischen den Leitungsteilen. Zur gewerbsmäßigen Herstellung ist man daher bestrebt, den Ätzvorgang zu automatisieren, um eine große Anzahl von Schaltkarten in kürzester Zeit und mit geringslmöglichem Arbeitsaufwand zu bearbeiten.

Bei dem Versuch, die Konzentrationsänderungen auszugleichen und dabei Schwankungen im Grad der Ätzung zu vermeiden, sind verschiedene Sensor-Arten verwendet worden, um die Zugabe neuer Lösung zu steuern. Dazu sind sowohl fotometrische als auch gravimetrische Sensoren herangezogen worden. Diese bekannten Systeme verfügen jedoch nicht über ausreichende Empfindlichkeit, um völlig zufriedenstel-

jo lende Ergebnisse zu erreichen.

Aus der GB-PS 13 07 530 ist eine Vorrichtung zum Anzeigen der Dichte eines flüssigen oder gasförmigen Mediums bekannt, die von entgegengesetzt wirkenden Permanentmagneten zum Ergänzen oder Verändern des Auftriebs eines Schwimmers Gebrauch macht, um die Empfindlichkeit der Vorrichtung hinsichtlich Änderungen in der Dichte des Mediums zu verändern.

Die Literaturstelle aus H. Hart, »Kontinuierliche Flüssigkeitsdichtemessung«, enthält die allgemeine Angabe, daß eine durch eine bestimmte Dichteänderung (21J verursachte Gewichtsänderung ßF,)d\rekt proportional dem Volumen (V) des Meßgefäßes ist und die Empfindlichkeit durch ein Vergrößern des Meßgefäßvolumens erhöht werden kann. Weiterhin behandelt diese Literaturstelle Eintaucharäometer mit der Erklärung, daß die Aräometermasse (πια) vergrößert und der Spindelquerschnitt (As_n) verkleinert wird. In diesem Zusammenhang wird auch ausdrücklich zugegeben, daß die Nachweisempfindlichkeit über den Meßbereich nicht konstant ist.

Aus der CH-PS 2 11 330 ist ein magnetisch verändertes Aräometer mit einem nicht untergetauchten Schwimmer bekannt. Da entgegengesetzt wirkende magnetische Einrichtungen zweck Veränderns der Empfindlichkeit des Schwimmers verwendet werden, liegt eine Ähnlichkeit mit der aus der GB-PS 13 07 530 bekannten Einrichtung vor.

Die entgegengehaltenen Konstruktionen haben den Nachteil einer unvermeidlichen Änderung der Empfindlichkeit. Das heißt, daß die Effektivität der Magneten mit Bezug auf die Empfindlichkeit streng von der relativen Entfernung zwischen dem Magneten im Schwimmer und dem permanent angebrachten Magneten abhängt. Deshalb tritt eine Ungleichmäßigkeit des empfindlichkeitsändernden Effekts bei den Lehren des Standes der Technik auf, und der Effekt ist nur für eine bestimmte Stellung des Schwimmers am größten.
Da die von entgegengesetzt wirkenden Magneten

Gebrauch machenden und in den Entgegenhaltungen dargestellten Vorrichtungen oder Anordnungen die Empfindlichkeit des Geräts verändern, können derartige Anordnungen nicht ein Ergebnis erzielen, welches auf dem minimalen numerischen Verhältnis zwischen Schwimmervolumen und effektiver Dichte basiert. Ein Schwimmer mit einem Verhältnis von beispielsweise 1 :1 und einem sehr geringen Unterschied zwischen Schwimmerdichte und Dichtigkeit des gerade erfühlten flüssigen oder gasförmigen Mediums wird durch kleine Änderungen in der Dichte eines derartigen Mediums beeinträchtigt und kann (in einer besonderen Stellung) empfindlich gemacht werden, indem im Sinne der Entgegenhaltungen entgegengesetzt wirkende Magnete zur Vergrößeiung der Empfindlichkeit in einer derartigen Stellung verwendet werden. Die Stellungsänderung eines derartigen Schwimmers, d. h. seine Laufstrecke mit einer geringen Änderung der Mediumsdichte, wird jedoch relativ unbedeutend sein verglichen mit einem verschiedenartigen Schwimmer, der den gleichen sehr geringen Unterschied zwischen seiner Dichte und der Mediumsdichte besitzt, jedoch ein Volumen-zu-Dichte-Verhältnis von 200 : 1 nach dem Anmeldungsvorschlag.

Da eine ausreichende Empfindlichkeit der zum Überwachen des spezifischen Gewichtes einer Flüssigkeit beispielsweise ein Grunderfordernis für eine gute automatisierte Steuerung eines Ätzvorganges darstellt, ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine gravimetrische Sensorvorrichtung zu schaffen, die sensibler auf Veränderungen im spezifischen Gewicht der zu untersuchenden Flüssigkeit anspricht als die bisherigen, wobei dieser Sensor von vereinfachtem und robustem mechanischem Aufbau sowie insbesondere frei von vorstehenden mechanischen Verbindungen, Zapfen oder ähnlichen durch Ätzung oder Reibung angreifbaren Teilen sein soll.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird bei einem schwimmerbetätigten Sensor zur Überwachung des spezifischen Gewichts einer Flüssigkeit vorgeschlagen, daß das Traggestell eine rohrförmige Hülse aus nichtmagnetischem Material und Scheibenteile umfaßt, die an den gegenüberliegenden Enden der Hülse abnehmbar befestigt sind, daß der Schwimmer ein geschlossenes hohles Toroid ist und der Ringmagnet in konzentrischer Beziehung mit dem Schwimmer in diesem ortsfest befestigt ist und der Schwimmer und der Magnet auf der Hülse axial in freier Gleitbeziehung auf dieser zwischen den Scheibenteilen aufgenommen sind und der Blattfederschalter im Inneren der Hülse in stationärer Beziehung zu ihr angebracht ist und elektrische Leitungen aufweist, die durch wenigstens eines der Scheibenteile herausführen, daß der Schwimmer mit dem Magneten ein solches Verdrängungsvolumen und kombiniertes Gewicht hat, daß die wirksame Dichte ungefähr der der Flüssigkeit bei dem vorbestimmten minimalen spezifischen Gewichtswert entspricht, daß der Schwimmer weiterhin eine axiale Abmessung besitzt, die wesentlich kürzer als die Länge der Hülse ist, und daß das Gesamtverdrängungsvolumen in cm³ ein numerisches Verhältnis von wenigstens 200 :1 relativ zum vorbestimmten minimalen spezifischen Gewichtswert aufweist.

Die Vorteile dieses neuen Sensors sind vor allem darin zu sehen, daß der Sensor bei jedem vorgewählten spezifischen Eigengewichtswert innerhalb eines vorgebenen Grenzwertes arbeitet, wobei die Empfindlichkeit im gesamten Laufbereich gleichmäßig groß ist.

Dabei können alle elektrischen Teile des Sensors so angeordnet sein, daß sie völlig und ständig abgeschlossen sind, wodurch es möglich wird, in dem vorgewählten Arbeitsbereich des Sensors Veränderungen vorzunehmen, ohne daß sein elektrischer Teil beeinträchtigt wird.

Weitere Einzelheiten der Erfindung sind anhand des in den Zeichnungen dargestellten Ausfiihrungsbeispiels im einzelnen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine vergrößerte Ansicht eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Sensoreinheit, wobei zur Vereinfachung des Verständnisses Teile aufgebrochen und im Schnitt dargestellt sind, und

F i g. 2 eine Draufsicht, ebenfalls teilweise im Schnitt, entlang der Linie 3-3 in Fig. I mit Einzelheiten des Schwimmelements der Sensoreinheit.

Am Beispiel der Überwachung einer Ätzlösung soll die Funktion des erfindungsgemäßen Sensors dargestellt werden.

Es wird angestrebt, daß die Unterschiede zwischen den oberen und unteren Werten der vorbestimmten spezifischen Gewichte einer Ätzlösung auf Werte beschränkt werden, die dem Abzug und Ersatz von nicht mehr als 10 Vol-°/o der Gesamtmenge an Ätzlösung in dem Behälter während jedes Ergänzungsvorgangs entsprechen. Es ist ersichtlich, daß der durchschnittliche Ätzgrad abhängig ist von dem Unterschied im spezifischen Gewicht den ausgewählten Höchst- und Mindestwerten und daß infolgedessen, je kleiner der Unterschied im spezifischen Gewicht ist, um so angenäherter eine stetige Ätzrate erreicht wird. Bei bestimmten Verfahren wird eine Schwankungsbreitc von weniger als 5% des Lösungsvolumens in dem Behälter angestrebt; dies erfordert jedoch sehr viel zuverlässiger ansprechende gravimetrische Sensoren als die, die bisher vorhanden sind. Die hier beschriebene Sensoreinheit stellt daher in dieser Hinsicht eine wesentliche Verbesserung dar.

Ein Sensor 38 für spezifisches Gewicht (Fig. 1) umfaßt einen zylindrischen Käfig, der in diesem Fall aus einer mit Löchern versehenen rohrförmigen Außenwand 42 besteht, die an ihren gegenüberliegenden Enden durch Scheibenteile 44, 46 verschlossen ist. Die Gesamtheit von Wand 42 und Scheiben 44, 46 wird durch eine zentrale rohrförmige Hülse 48 zusammengehalten und bildet ein Traggestell für die Arbeitsteile des Sensors 38. Ein Ende der Hülse 48 ist in ein Gewindeloch 50 in der unteren Scheibe 46 eingeschraubt. Das obere Ende 48 ist ebenso durch eine Öffnung 52 in der oberen Scheibe 44 eingeschraubt. Das obere Ende der Hülse ragt über die Scheibe 44 vor und nimmt eine Dichtung 54 und eine Kreuzlochscheibe 56 auf. Dieses vorspringende obere Ende der Hülse 48 dient zur Befestigung eines gewöhnlichen wasserdichten elektrischen Verbindungsstöpsels 58, mit dem die obenerwähnte Leitung 40 verbunden ist.

Die Hülse 48 besteht aus nichtmagnetischem Material, z. B. stranggepreßtem Kunststoffrohr. In der Hülse 48 ist ein üblicher hermetisch abgeschlossener magnetischer Blattfederschalter ,60 axial enthalten. Dieser Blattfederschalter 60 wird an seinem unteren Ende auf einem rohrförmigen Abstandhalter 62 gehalten, der seinerseits auf einem Verschlußstöpsel 64 ruht, der in das untere Ende der Hülse 48 eingeschraubt ist. Elektrische Leitungen 66 sind mit den entsprechenden vorspringenden Enden der Blattfederteilc in jedem Ende des Schalters 60 verlötet, und diese Leitungen 66 sind mit Anschlüssen im oberen Ende der Hülse 48 verbunden und greifen in entsprechende Anschlüsse des

Stöpsels 58 ein. Wie in I'ig. 1 dargestellt, ist der Blattfederschalter 60 von einem Typ, bei den. die lilallfedcrkoiitaktc 68 bei offenem Schalter ganz normal voneinander entfernt sind, und der Schalter 60 kann den elektrischen Kreis schließen, wann immer ein magnetisches Feld um die beiden Blattfederteile des Schalters 60 herum angelegt wird, wodurch diese veranlaßt werden, sich gegenseitig gegen eine normale Federspannung anzuziehen. Dadurch wird der elektrische Kreis geschlossen, in dem sich der Schalter 60 befindet, und im vorliegenden FaI! der Kreis der Pumpe 24, so daß diese zu laufen beginnt.

Der Sensor 38 enthält einen toroidalen Schwimmer 70, der wie eine Achse um die Hülse 48 verläuft. Der Schwimmer 70 ist hohl und besteht, wie Fig. 1 und 2 erkennen lassen, aus inneren und äußeren zylindrischen Wänden 72, 74, die dureli toroidale Platten 76, 78 konzentrisch voneinander entfernt gehalten werden. Diese Platten 76, 78 verschließen die Enden des Schwimmers 70 hermetisch und bilden dadurch eine geschlossene Kammer 80. in der ein Ringmagnet 82 in geeigneter Weise an der Innenwand 72 angebracht ist.

Die Innenwand 72 hat einen ausreichend größeren Durchmesser als die Hülse 48, so daß der Schwimmer 70 leicht auf der Hülse 48 zwischen den Scheiben 44,46 auf und ab gleiten kann entsprechend den Veränderungen im spezifischen Gewicht der zu überwachenden Lösung. Fine Arrctiermultcr 84 am unteren Ende der Hülse 48 bildet eine Auflage, auf der der Schwimmer 70 normalerweise gehalten wird, bis sein Auftrieb ausreicht, um ihn an der Hülse 48 hochsteigen zu lassen. Wenn der Schwimmer 70 auf steigt, wird der Ringmagnet 82 in Verbindung mit der Überlappung der Blattfcdertcile des Schalters 60 gebracht und veranlaßt diese dadurch, sich gegenseitig anzuziehen und somit den elektrischen Kreis zu schließen.

Der Auftrieb des Schwimmers 70 ist abhängig vom spezifischen Gewicht der Lösung, in die die Sensorcinlicii eingetaucht ist. so daß Vergrößerungen und Verminderungen des spezifischen Gewichts ein Aufsteigen und ein Absinken des Schwimmers 70 innerhalb der durch den Käfig gegebenen Grenzen verursachen.

Das Gewicht des Schwimmers 70 kann verändert werden durch Hinzufügen oder Entfernen körnigen Materials wie z. B. Bleikugeln 86 in der Kammer 80 durch einen Eingangsstöpscl 88, der in der oberen Endplatte 76 des Schwimmers 70 angebracht ist. Auf diese Weise kann der Punkt, an dem der Auftrieb des Schwimmers 70 diesen zum Aufsteigen an der Hülse 48 veranlaßt, so eingestellt werden, daß er einem gegebenen spezifischen Gewicht der Lösung entspricht.

Um tier Scnsorcinhcit 38 eine Empfindlichkeit zu geben, die geeignet ist. praktisch einen Dauerzustand im Ätzgrad des vorbeschriebenen Ätzsystems zu schaffen, soll der Sensor völlig in den Behälter 18 einer Ätzkammer eingetaucht sein. Zusätzlich wird sorgfältig eine Beziehung zwischen dem Gesamtgewicht des Schwimmerteils 70 und dem Verdrängungsvolumen des ■-, Schwimmers hergestellt. Fs ist klar. daß. wenn der Schwimmer 70 in die Auflage-Stellung auf der Arretierung 84 absinken muß (Fig. 1). wenn die Sensoreinlieit 38 untergetaucht ist. die Beziehung zwischen dem Gewicht der Schwinimercinhcit 70 und seinem Gesamtvolumen eine wirksame Dichte erzeugen muß, die mindestens äquivalent oder geringfügig größer ist als das spezifische Gewicht der Lösung. Wenn das spezifische Gewicht der Lösung wechselt, z. B. wenn sein Gewicht infolge der Auflösung von Kupfermeiall in dem oben beschriebenen Ätzprozeß ansteigt, steigt das Gewicht des Konstantvolumens der Flüssigkeit, das vom Schwimmer 70 verdrängt wird, entsprechend an und erzeugt einen Netto-Auftricbs-Effckt auf den Schwimmer 70. Unter der Voraussetzung, daß das Volumen und das Gewicht des Schwimmers 70 genau gewählt sind, veranlaßt dies den Schwimmer 70 aufzusteigen, sobald ein vorbestimmtes Ansteigen im spezifischen Gewicht der Lösung eintritt. Für viele Anwendungen, z. B. das beschriebene Ätzsyslem, sollte die gewünschte Empfindlichkeit des Sensors 38 derart sein, daß eine Veränderung von ungefähr 0,002 im spezifischen Lösungsgewicht festgestellt wird. Entsprechend der vorliegenden Erfindung kann dies erreicht werden, indem zwei Faktoren miteinander verbunden

jo werden. Erstens, die wirksame Schwimmerdichte wird äquivalent zu einem vorbestimmten Minimum an spezifischem Gewicht der zu überwachenden Lösung gehalten, und zweitens, das Schwimmervolumen, ausgedrückt in cmA wird so bemessen, daß ein zahlenmäßiges

j5 Verhältnis von mindestens 200:1 zu dem derart vorgewählten Minimum an spezifischem Gewicht entsteht.

Zur Erläuterung wird nachfolgend ein praktisches Beispiel eines Kupfer-Ätzsystems beschrieben, bei dem

eine ammoniakhahigc Kupfcrchlorid-Ätzlösung mit einem pH-Wert von etwa 9,0 und einem ursprünglichen Kupfergehall von 0,135 kg/l in dem Behälter der Ätzlösung zu Beginn der Behandlung vorhanden ist. Zu ätzende Schaltkarten werden dann mit Hilfe eines Förderers durch den Spritz-Ätzer geleitet, wie oben beschrieben und dabei mit dieser Ätzlösung besprüht Unter Verwendung eines 57-Liter-Versuchsmittel-Behälters wurde eine Reihe verschiedener Schwimmerarten getestet, um Arbeitsgrenzen des Sensor Blattfcder-

^r)ii schalters in Verbindung mit einer Pumpe entsprechend der oben beschriebenen Pumpe 24 zu untersuchen. Die Ergebnisse dieser Versuche sind in folgender Tabelle dargestellt:

Tabelle \	Schwimmer-	Spezifisches Gewicht	aus	Empfindlichkeit	Volumen
Schwimmer-	volumcn	der Aulösiinj!	,155		Veränderung
t-'cwn'ht in )j	in nil1		.172		der Ätzmitlellösung
			,172		im Behälter
			,176	(spezifisches Gewicht)	(%)
	50,15	Schwimmerschalter	,186	0,013	20
58,58	50.13	in	,182	0,018	17
59,66	170.00	,168		0,015	13
201.80	240,00	,190	0,012	10
285,00	4 30,20	,187	0,004	3
r> I 2,00	454.40	,188	0,002	P/2
5.58.00		.140
		,184

Wie sich aus dieser Tabelle ergibt, wird eine angemessene Empfindlichkeit der Sensoreinheit erreicht, wenn das Schwimmervolumen, gemessen in cm^J, ein numerisches Verhältnis von etwa 200 : 1 zu dem gewählten Minimum an spezifischem Gewicht erreicht. Bessere Empfindlichkeit der Einheit wird erreicht, wenn das eben genannte Verhältnis höher ist, wobei eine gute praktische Behandlung bei einem Verhältnis von um 350 :1 bis 400 : 1 erreicht wird. Es können noch höhere Verhältnisse verwendet werden, die selbstverständlich die Empfindlichkeit steigern; dies hat jedoch den Nachteil, daß die Einheit sehr sperrig wird.

Es ist selbstverständlich klar, daß ähnliche Ergebnisse unter anderen Bedingungen für spezifisches Gewicht

erzielt werden können, indem Volumen und Gewicht des Schwimmerglieds des Sensors einem bestimmten gewählten spezifischen Gewicht zugeordnet werden. Es ist ersichtlich, daß der Sensor so geformt ist, daß das Schwimmerglied leicht ersetzt werden kann, um das Volumen des verwendeten Schwimmers zu verändern, ohne den Blattfederschalter zu beeinträchtigen. Ebenso können Veränderungen am Schwimmergewicht vorgenommen werden, indem Bleischrot in die Schwimmerkammer zugegeben oder aus ihr entfernt wird, um auf diese Weise die Anpassungfähigkeit des Sensors an verschiedene Lösungen und Grade der Empfindlichkeit so groß wie möglich zu machen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Schwinimerbetätigter Sensor, der völlig in eine Flüssigkeit untertauchbar ist, deren spezifisches Gewicht Änderungen unterworfen ist, und der auf Änderungen im spezifischen Gewicht über einen vorbestimmten Minimalwert anspricht sowie einen magnetisch betriebenen Blattfederschalter, einen toroidal ausgebildeten Schwimmer, einen Ring-Permanentmagneten, der vom Schwimmer getragen und zum Betätigen des Schalters in bestimmten Stellungen des Schwimmers in bezug auf den Schalter wirksam ist, und ein axiales Traggestell für den Schwimmer aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß das Traggestell eine rohrförmige Hülse (48) aus nichtmagnetischem Material und Scheibenteile (44,46) umfaßt, die an den gegenüberliegenden Enden der Hülse (48) abnehmbar befestigt sind, daß der Schwimmer (70) ein geschlossenes hohles Toroid is! und der Ringmagnet (82) in konzentrischer Beziehung mit dem Schwimmer (70) in diesem ortsfest befestigt ist und der Schwimmer (70) und der Magnet (82) auf der Hülse (48) axial in freier Gleitbeziehung auf dieser zwischen den Scheibenleilen (44, 46) aufgenommen sind und der Blattfederschalter (60) im Inneren der Hülse (48) in stationärer Beziehung zu ihr angebracht ist und elektrische Leitungen (66) aufweist, die durch wenigstens eines der Scheibenteile (44, 46) herausführen, daß der Schwimmer (70) mit dem Magneten (82) ein solches Verdrängungsvolumen und kombiniertes Gewicht hat, daß die wirksame Dichte ungefähr der der Flüssigkeit bei dem vorbestimmten minimalen spezifischen Gewichtswert entspricht, daß der Schwimmer (70) weiterhin eine axiale Abmessung besitzt, die wesentlich kürzer als die Länge der Hülse (48) ist, und daß das Gesamtverdrängungisvolumen in cm' ein numerisches Verhältnis von wenigstens 200 :1 relativ zum vorbestimmten minimalen spezifischen Gewichtswert aufweist.

2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das numerische Verhältnis des Gesamtverdrängungisvolumens zwischen etwa 350: I und 400 : 1 liegt.

3. Sensor nach Anspruch 1,'dadurch gekennzeichnet, daß der Blattfeder-Schalter (60) ein hermetisch abgeschlossener ist.