DE2747539A1

DE2747539A1 - Elektrodenanordnung zur induktiven abstandsmessung

Info

Publication number: DE2747539A1
Application number: DE19772747539
Authority: DE
Inventors: Karl Heinz Schmall
Original assignee: Precitec GmbH and Co KG
Current assignee: Ca Weidmueller & Co 4930 Detmold De GmbH
Priority date: 1977-10-22
Filing date: 1977-10-22
Publication date: 1979-04-26
Also published as: DE2747539C2

Description

Elektrodenanordnung zur induktiven Abstandsmessung
Die Erfindung betrifft eine Elektrodenanordnung zur induktiven Messung des Abstands zwischen der Brennerdüse einer Schweissanlage und dem bearbeiteten Werkstück, bestehend aus einer Induktionsschleife mit wenigstens einer Teilwindung.
Bekannte Anordnungen zur Messung des Abstands zwischen einer Brennerdüse und dem zu bearbeitenden Werkstück basieren auf dem Prinzip der kapazitiven Abstandsmessung. Dabei wird der Kapazitätswert zwischen einer flächigen in der Nähe der Brennerdüse angeordneten Elektrode und dem Werkstück laufend überprüft und daraus der Abstandswert ermittelt. Kapazitive Anordnungen zur Abstandsmessung weisen verschiedene Nachteile auf und sind insbesondere vielfachen Störeinflüssen durch beim Bearbeitungsvorgang wechselnde Dielektrizitätskonstanten ausgesetzt.
Es wurde deshalb vorgeschlagen, statt der kapazitiven Messung eine induktive Abstandsmessung vorzusehen. Dabei soll eine Ringelektrode im Abstand um die Brennerdüse angeordnet werden, wobei die Induktivität der Ringelektrode durch das metallische Werkstück beeinflusst wird.
Es hat sich herausgestellt, dass die Empfindlichkeit einer derartigen Anordnung und insbesondere auch die von der Elektrode ableitbaren Messwerte geringer und schwerer zu beherrschen sind, als im Fall der kapazitiven Anordnung. Dabei hat sich insbesondere auch herausgestellt, dass die ringförmige Anordnung im Abstand und frei im Raum um die Brennerdüse zu Messungenauigkeiten führt.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Elektrodenanordnung zur induktiven Abstandsmessung zu schaffen, die die Messungenauigkeit bekannter Elektroden vermeidet, optimal an spezifische Anforderungen anpassbar ist und darüber hinaus mechanisch stabil und gegenüber Umgebungseinflüssen unempfindlich ist.
Erfindungsgemäss wird dies in erster Linie dadurch erreicht, dass die Induktionsschleife auf einem Trägerkörper befestigt ist, welcher etwa in Höhe der Düsenaustrittsöffnung um letztere herum angeordnet ist. Zwar wird durch die nahe Anordnung der Induktionsschleife an der Brennerdüse die Induktivität beeinflusst, sofern die Düse aus einem metallischen Werkstoff besteht. Es hat sich jedoch gezeigt, dass diese konstante Beeinflussung ohne weiteres kompensierbar ist und dass dabei wesentlich exaktere Messergebnisse erzielbar sind, als bei einer Anordnung der Elektrode in grösserem Abstand von der Brennerdüse.
Ausserdem wird durch die mechanische Verbindung von Trägerkörper und Induktionsschleife die Stabilität der Anordnung sichergestellt, was die bei bekannten Anlagen häufig auftretenden Messfehler z.B. durch ein Verbiegen der Elektrode im praktischen Einsatz ausschaltet. Gleichermassen wird es ermöglicht, durch entsprechende Materialwahl für den Trägerkörper zu erreichen, dass die Plazierung der Elektrode auch im heissen Bereich der Brennerflamme erfolgen kann, sofern dies aufgrund von Genauigkeitsanforderungen nützlich sein sollte.
Vorteilhafterweise kann dabei die Induktionsschleife auf einer elektrisch nicht leitfähigen Trägerschicht befestigt werden, die ihrerseits am unteren Ende der Brennerdüse angeordnet ist.
Es ist jedoch auch denkbar, die Brennerdüse selbst entweder aus nicht leitendem Material herzustellen und darauf die Induktionsschleife zu befestigen, oder aber die Brennerdüse abschnittsweise zu isolieren und selbst als Induktionsschleife zu verwenden. besonders vorteilhaft ist es, wenn die Brennerdüse durch einen Ring aus nicht leitendem Material fest umgeben ist, auf dessen dem Werkstück zugewandter unterer Stirnseite die Induktionsschleife angebracht ist. Dabei haben sich optimale Messergebnisse erzielen lassen, wenn die Induktionsschleife auf der planen Unterseite des Trägers spiralförmig angeordnet ist und damit relativ hohe Induktivitätswerte aufweist. Trotzdem wird dabei mechanische Festigkeit der Anordnung gewährleistet.
In bestimmten Anwendungsfällen ist es wünschenswert, wenn das Induktionsfeld an wenigstens einer Seite der Elektrode geschwächt ist, um unterschiedliche Charakteristik der Abstandsregelung zu erreichen.
Ein solches Bedürfnis ergibt sich z.B. beim Plasma-Schneiden im Zusammenhang mit dem "Anschneiden" einer Stahlplatte. Bei diesem Vorgang wird nämlich vor dem Schneid-Strahl zunächst ein Materialwulst aufgebaut, welcher zu einer vorübergehenden Verringerung des Werkstück-Elektrodenabstands im vordersten Bereich einer Ringelektrode führt.
Ersichtlicherweise ist es dabei unerwünscht, dass eine derartige kurzzeitige und nur stellenweise Verringerung dazu führt, dass der Brenner vom Werkstück weggefahren wird. Erfindugsgemäss ist es deshalb vorgesehen, die Induktionsschleife an vorbestimmbaren Stellen zu schwächen. Dies wird insbesondere dadurch realisiert, dass die Induktionsschleife seitlich am Brenner hochgezogen und in diesem Bereich überkreuzt wird.
Dies führt zu einer starken Schwächung des Felds, sodass Abstandsänderungen in diesem Bereich nur in geringem Umfang oder gar nicht zu einer Hochregelung der Brennerdüse führen.
Als besonders robust und einfach in der Fertigung hat es sich erwiesen, wenn die Induktionsschleifen in den Vertiefungen eines Keramikträgers verlegt werden. Dabei wird jede Störung durch Verschmutzung oder Ueberbrückung der Leiter der Induktionsschleife ausgeschaltet, wenn die Vertiefungen über den Leitern durch Isoliermaterial abgedeckt sind. Auf diese Weise wird die Induktionsschleife von sämtlichen Umgebungseinflüssen und insbesondere auch hochspritzendem Metall freigehalten. In der Praxis hat sich als Isolationsmaterial besonders hochfester Keramik-Werkstoff bewährt. Dieser kann nach dem Einlegen der Induktionsschleife in die Vertiefungen über- die gesamte Oberseite des Keramikträgers gestrichen oder gegossen und anschliessend eingesintert werden. Durch diese verdeckte und isolierte Anordnung kann die Brennerdüse mit der Elektrodenanordnung sogar unter Wasser gefahren werden, ohne dass die Abstandsmessung beeinflusst wird.
Vorteilhaft lässt sich dabei eine auf einer ringförmigen Trägeranordnung befestigte Induktionsschleife vertikal justieren, wenn der Trägerkörper mittels einer einstellbaren Befestigungsanordnung an der Brennerdüse befestigt ist.
Ersichtlicherweise werden der erfinderische Inhalt und der technische Fortschritt des Anmeldungsgegenstands sowohl durch die neuen Einzelmerkmale als auch insbesondere durch Kombination und Unterkoinbination aller Verwendung findenden merkmale gewährleistet. Die Erfindung ist im folgenden in Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen: Fig. 1 Die schematische Darstellung einer Elektrodenanordnung mit den iderkmalen der Erfindung im Querschnitt, Fig. 2 die Elektrodenanordnung gemäss Fig. 1 in der Draufsicht von unten, Fig. 3 ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel der Erfindung im Längsschnitt, Fig. 4 einen Querschnitt durch die Elektrodenanordnung gemäss Fig. 3 längs der Linie A-A, Fig. 5 die schematische Darstellung einer erfindungsgemässen Induktionsschleifen-Anordnung mit seitlich hochgezogenem Abschnitt, Fig. 6 eine Elektrodenanordnung mit seitlich hochgezogener Induktionsschleife gemäss der schematischen Darstellung in Fig. 5, und Fig. 7 ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel mit vertikal verstellbarem Trägerkörper.
Gemäss Fig. 1 ist eine Brennerdüse 1 im unteren Bereich durch einen Keramik-Zylinder 2 umgeben. Der Zylinder 2 ist dabei mittels nicht dargestellter Schrauben mechanisch fest an der Brennderdüse 1 befestigt und stellt mit dieser eine bauliche Einheit dar.
Wie auch aus Fig. 2 ersichtlich ist, ist an der Unterseite des Keramik-Zylinders 2 eine spiralförmige Anordnung von nutartigen Vertiefungen 3 vorgesehen, in welche eine Induktionsschleifen-Anordnung 4 verlegt ist.
Die Induktionsschleifen-Anordnung 4 besteht dabei aus einem in der beschriebenen Weise spiralförmig versenkten elektrischen Leiter 5, der durch Bohrungen 6 im Zylinder 2 hochgeführt wird und an dessen Oberseite zum Anschluss an eine nicht dargestellte elektronische Steuereinrichtung herausgeführt wird.
Durch die dargestellte geometrische Anordnung der Induktionsschleifen-Anordnung 4 in unmittelbarer Nähe der Oeffnung 7 der Brennerdüse 1 wird einmal erreicht, dass die Einflüsse eines zu bearbeitenden metallischen Werkstücks auf den Induktivitätswert der Induktionsschleifen-Anordnung 4 relativ gross ist und zudem der ermittelte Wert weitestgehend proportional der Lage der Oeffnung 7 der Brennerdüse 1 ist.
Ausserdem wird durch die Befestigung der Induktionsschleifen-Anordnung II senkrecht zur metallischen Brennerdüse 1 sichergestellt, dass deren Einfluss auf den Induktivitätswert der Induktionsschleifen-Anordnung 4 relativ gering ist.
Selbstverständlich lässt sich die Konfiguration des KeramikZylinders 2 sowie der Neigungswinkel und die Höhe der Induktionsschleifen-Anordnung 4 durch entsprechende Formgebung des Keramik-Zylinders 2 allen spezifischen Erfordernissen anpassen, ohne dass dabei die mechanische Festigkeit des Aufbaus, sowie die vorteilhaften elektrischen Eigenschaften leiden. So ist z.B. auch die gewölbte oder abgeschrägte Ausbildung der Unterseite des Keramik-Zylinders 2 und damit des Verlaufs der Induktionsschleifen-Anordnung 4 zur Erreichung bestimmter Mess- und Regelcharakteristiken denkbar.
Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei welchem die Brennerdüse 1 selbst aus einem elektrisch nicht leitenden keramischen Werkstoff besteht. Im Bereich der Oeffnung 7 ist dabei eine metallische Düsen-Spitze 8 aufgesetzt, welche jedoch seitlich durch einen mit Keramik-Material gefüllten Schlitz 9 aufweist. Die Düsen-Spitze 8 bildet damit eine Induktionsschleife von etwa 3500 und dient somit selbst als Elektrode. Ein Kurzschluss der Induktionsschleife wird durch die Verwendung von Keramik-Werkstoff im oberen Bereich der Brennerdüse 1, sowie im Bereich des Schlitzes 9 vermieden. Die Verbindung der als Induktionsschleife dienenden Düsen-Spitze 8 mit einem an sich bekannten Auswertungs- und Ueberwachungskreises geschieht über zwei Anschlüsse 10.
Selbstverständlich wäre es auch denkbar, die Brennerdüse 1 bis in den Bereich der Düsenöffnung vollständig aus Keramik-Material oder einem anderen geeigneten nicht leitenden und hitzebeständigen Werkstoff zu fertigen und die Induktionsschleife an der Unterseite und/oder der Aussenseite durch geeignet angebrachte Leiterbahnen vorzusehen.
Fig. 5 und 6 zeigen ein Ausführungsbeispiel, bei dem eine ebenfalls spiralförmig ausgebildete Induktionsschleifen-Anordnung 4 seitlich am Keramik-Zylinder 2 hochgezogen ist und dabei im Kantenbereich überkreuzt verläuft. Dadurch wird erreicht, dass in Richtung des Vorschubs a durch das seitliche Hochziehen, sowie insbesondere auch durch das Ueberkreuzen der Leiter Einflüsse durch ein darunterliegendes metallisches Werkstück weitgehend neutralisiert werden. Dies führt dazu, dass besonders beim Plasma-Brennschneiden vor dem eigentlichen Schneidspalt entstehende Erhebungen 11 am Werkstück 12 nicht zu einer Induktivitätsänderung in der Induktionsschleifen-Anordnung ii führen.
Dies gilt jedoch nur für Erhebungen, die exakt in der Vorschubrichtung a liegen, wogegen eine generelle Durchbiegung oder sonstige Abstandsänderung des Werkstücks 12 unverändert die Induktionsschleife im restlichen Bereich beeinflusst und deren Induktivität derart verändert, dass entsprechende Nachregelung erfolgen kann. Zum Schutz der Induktionsschleifen 4 sind letztere dabei wie beim Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 1 in Vertiefungen 3 im Keramik-Zylinder 2 eingebettet und an der Oberseite durch eine Schutzschicht 13 aus Glasfluss abgedeckt und isoliert. Dadurch wird insbesondere sichergestellt, dass hochspritzendes flüssiges Metall oder sonstige Verunreinigungen nicht zu einem Kurzschluss zwischen den einzelnen Windungen der Induktionsschleife führen.
Fig. 7 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei welchem der als Trägerkörper ausgebildete Kerarnikzylinder 2 über eine Befestigungsanordnung 14 an der Brennerdüse 1 befestigt ist. Die Befestigungsanordnung 14 besteht -dabei aus einer Mehrzahl von Tragarmen 15, (von denen in der Schnittdarstellung lediglich zwei sichtbar sind), die einerseits am Keramikzylinder 2 befestigt sind und die andererseits an einer Kleminringanordnung 16 befestigt sind. Diese weist einen äusseren Isolierring 17 auf, welcher gegenüber der Brennerdüse 1 isoliert ist. Auf diese Weise lassen sich die Verbindungsleitungen, bzw. Leiter 5 zur Verbindung der Induktionsschleife 4 mit einer nicht dargestellten Ueberwachungseinrichtung an die Tragarme 15 legen, von denen zwei mit der Induktionsschleife 4 verbunden sind, ohne dass über die Brennerdüse 1 ein Kurzschluss entsteht.
Die Klemmringanordnung 16 weist ausserdem Klemmschrauben 18 auf, welche in bekannter Weise die Fixierung an der Brennerdüse 1 erlauben. Ersichtlicherweise lässt sich dadurch die Elektrodenanordnung beliebig in der Höhe in Bezug auf die Düsenöffnung 7 justieren. Dabei kommen die Vorteile der Erfindung besonders deutlich zur Geltung. Einerseits lässt sich die isolierte und im Keramikkörper 2 vergossene Anordnung der Induktionsschleife erforderlichenfalls auch über die Düsenöffnung 7 hinaus in den Einflussbereich der heissen Brennergase verschieben, ohne dass eine Beschädigung zu befürchten wäre. Andererseits gewährleistet die stirnseitige Anordnung der Induktionsschleife 4, sowie deren Abschirmung durch das Keramikmaterial auch einwandfreie Funktion, wenn der Keramikring höher an der Brennerdüse 1 befestigt wird.
Ersichtlicherweise schafft die Erfindung eine einfachst herstellbare und vor allem störungssichere, an spezifische Verhältnisse anpassbare und mechanisch stabile Elektrodenanordnung von hoher Empfindlichkeit. Abwandlungen der Konfiguration sind dem Fachmann ebenso geläufig wie weitere Aspekte z.B. der mechanischen Verbindung mit der Brennerdüse 1, der Auswahl von Verbindungen oder Verbindungselementen, die ein schnelles und einfaches Auswechseln ermöglichen und dergleichen fachmännische Abwandlungen.
Leerseite

Claims

Patentansprüche 1. Elektrodenanordnung zur induktiven Messung des Abstands zwischen der Brennerdüse einer Schweissanlage und dem bearbeiteten Werkstück, bestehend aus einer Induktionsschleife mit wenigstens einer Teilwindung, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , d a s s die Induktionsschleife auf einem Trägerkörper befestigt ist, welcher etwa in Höhe der Düsenaustrittsöffnung um letztere herum angeordnet ist.
2. Elektrodenanordnung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , d a s s der Trägerkörper und die Induktionsschleife als mechanische Einheit mit der Brennerdüse ausgebildet sind.
3. Elektrodenanordnung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , d a s s wenigstens das untere Ende der Brennerdüse als induktive Ringelektrode ausgebildet ist.
Elektrodenanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s die Brennerdüse mit einer elektrischen isolierenden Materialschicht versehen ist, die als Trägerkörper dient und die Induktionsschleife an der Brennerdüse elektrisch begrenzt.
5. Elektrodenanordnung nach Anspruch 4, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , d a 9 S die Brennerdüse durch einen Ring aus Isoliermaterial umgeben ist, auf welchem die Induktionsschleife angeordnet ist.
6. Elektrodenanordnung nach Anspruch 4, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , d a s s die Brennerdüse am unteren Ende einen durch Isoliermaterial vom oberen Düsenteil getrennten Ring aufweist, der als Induktionsschleife ausgebildet ist.
7. Elektrodenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s die Brennerdüse wenigstens abschnittsweise aus elektrisch isolierendem Material besteht, auf welchem die Induktionsschleife vorgesehen ist.
8. Elektrodenanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s die Induktionsschleife stirnseitig am Trägerkörper angeordnet ist.
9. Elektrodenanordnung nach Anspruch 8, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , d a s s der Trägerkörper die Brennerdüse ringförmig umgibt und dass die Induktionsschleife spiralförmig an der Stirnseite der Trägeranordnung vorgesehen ist.
10. Elektrodenanordnung nach Anspruch 8 oder 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s zur streckenweisen Schwächung, bzw. Verformung des Induktionsfelds die Induktionsschleife an wenigstens einer Seite von der Stirnseite weg seitlich hochgezogen ist.
11. Elektrodenanordnung nach Anspruch 10, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , d a s s die Leiter der Induktionsschleife im hochgezogenen Abschnitt überkreuzt angeordnet ist.
12. Elektrodenanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t d a s s ein Träger aus Keramik-Katerial vorgesehen ist, in welchem Vertiefungen zur Aufnahme der Induktionsschleife ausgebildet sind.
13. Elektrodenanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t d a s s die Induktionsschleifen durch Isoliermaterial abgedeckt und geschützt sind.
14. Elektrodenanordnung nach Anspruch 13, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , d a s s das Isoliermaterial ein Glaswerkstoff ist.
15. Elektrodenanordnung nach Anspruch 9 bis 14, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s der Trägerkörper mittels einer Befestigungsanordnung vertikal justierbar an der Brennderdüse befestigt ist.