DE3050619C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Bestimmen von Oberflächenfehlern fadenförmiger Erzeugnisse gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches. Eine derartige Einrichtung ist aus der DE-OS 25 08 805 bekannt.

Die Einrichtung zum Bestimmen von Oberflächenfehlern fadenförmiger Erzeugnisse kann zur Qualitätskontrolle fadenförmiger Erzeugnisse, wie z. B. von Bor- und Siliziumkarbidfäden, Kunstfasern usw., bei deren Herstellung in der chemischen Industrie sowie bei der Herstellung von Mikrodraht in der Hüttenindustrie eingesetzt werden.

Als eine der wichtigsten Kenngrößen dünner und äußerst dünner fadenförmiger Erzeugnisse, auf die sich deren elektrische Kennwerte und deren Festigkeitskennwerte zu­ rückführen lassen, gelten Oberflächenfehler, d. h.: Änderun­ gen der Dicke über kurze Abschnitte von 10 bis 100 µ Länge, ungleichmäßige Dicke in der Länge, Wülste, kristalline Einschlüsse usw. Zur Feststellung der ge­ nannten Fehler in fadenförmigen Erzeugnissen werden kapazitive Geber verwendet, die sich durch hohe metrologische und betriebliche Kennwerte aus­ zeichnen. Der Vorzug, den man kapazitiven Gebern gibt, ist im wesentlichen durch deren einfachen Auf­ bau und dadurch bedingt, daß die Anzeigen von der Änderung physikalisch-mechanischer Parameter des zu prüfenden Erzeugnisses (elektrische Leitfähigkeit, Dichte usw.) sowie vom Ort des Fehlers auf der Ober­ fläche unabhängig sind.

Diese bekannten kapazitiven Geber enthalten zwei Elektroden, die an einem dielektrischen Grundkörper befestigt und in einem geerdeten Metallgehäuse untergebracht und in der Regel in den Kreis eines Hochfrequenzgenerators und eines Geräts zum Messen eines durch den kapazitiven Geber fließenden Stromes in Reihe geschaltet sind.

Jedoch können die kapazitiven Geber der obenbe­ schriebenen Bauart im wesentlichen zur Feststellung der obengenannten Fehler auf Abschnitten großer Länge benutzt werden, d. h. wenn die Beziehung T»S erfüllt wird, worin T eine Fehlerlänge, S die Dicke des zu prüfenden fadenförmigen Erzeugnisses auf diesem Ab­ schnitt bedeutet.

Die Überprüfung von fadenförmigen Erzeugnissen im Hinblick auf Fehler, deren Länge T mit der Dicke S des Erzeugnisses vergleichbar ist, läßt sich mit Hilfe der obenerwähnten kapazitiven Geber schwer durchführen, weil zwischen den Elektroden elek­ trische Randfelder auftreten, die das Auflösungsver­ mögen des Gebers vermindern und zu einer Ungenauigkeit während der Überprüfung der Erzeugnisse auf Fehler führen. Prak­ tisch läßt sich die Länge eines Abschnittes des zu prüfenden Erzeugnisses, der durch das Feld des kapa­ zitiven Gebern erfaßt wird, vereinfacht definieren zu:

L = l + H,

worin l eine Länge der Elektrode des Gebers und H einen Abstand zwischen den Elektroden bedeuten.

Bei der Verkürzung der Länge l der Elektroden (l→S) bis auf die Fehlergröße, die mit der Werk­ stoffdicke vergleichbar ist, wird das Feldgebiet, durch das auf den zwischen den Elektroden des Gebers liegenden Abschnitt des zu prüfenden Erzeugnisses eingewirkt wird, praktisch durch den Elektrodenab­ stand bestimmt. Der Versuch, den Elektrodenabstand des Gebers zu verkürzen, ruft eine Senkung seiner Betriebskennwerte hervor (es wird die Einführung des zu prüfenden Werkstoffes in den Geber komplizierter, die Wahrscheinlichkeit einer mechanischen Einwirkung der Geberelektroden auf die Oberfläche des Werkstof­ fes erhöht usw.). Außerdem tritt mit abnehmendem Elektrodenabstand des kapazitiven Gebers ein Fehler zum Vorschein, der durch Querschwingungen des zu prüfenden Erzeugnisses während dessen Bewegung und durch im Elektrodenzwischenraumn vorhandene Fremd­ teilchen bedingt ist.

Das Vorhandensein von Randfeldern zwischen den Elektroden des kapazitiven Gebers senkt darüber hinaus die Relativempfindlichkeit des letzteren, welche sich ergibt zu:

wobei Δ C einen Zuwachs der Kapazität C _o des Gebers, der durch Änderung der Dicke S des zu prüfenden Werkstoffes um einen Betrag Δ S hervorgerufen wird, C _o =C _p +C _k eine Kapazität des Gebers bedeutet, die sich aus einer Betriebskapazität C _p und einer Rand­ kapazität C _k zwischen den Elektroden zusammensetzt.

Aus der obenangeführten Beziehung folgt, daß zur Erhöhung der Relativempfindlichkeit K die Randkapa­ zität C _k zwischen den Elektroden des Gebers zu ver­ ringern ist, was jedoch, wie schon erwähnt, zur Sen­ kung der metrologischen und betrieblichen Kennwerte führen kann.

Somit läuft das Problem der Bestimmung von Fehlern fadenförmiger Erzeugnisse auf die Bestimmung von Mikrofehlern hinaus.

Das genannte Problem wird zum Teil durch Verwen­ dung eines kapazitiven Gebers zur Ermittlung von Fehlern gelöst (siehe den SU-Urheberschein Nr. 3 21 739), der an einem dielektrischen Grundkörper befestigte gebogene Elektroden mit einer Dicke ent­ hält, die zum Grundkörper hin gleichmäßig zunimmt. Das zu prüfende Erzeugnis kommt bei diesem Geber mit den Elektroden in einem Bereich in Berührung, der die höchste elektrische Feldstärke (im Gebiet des minima­ len Elektrodenzwischenraums) aufweist. Bei einer sol­ chen konstruktiven Ausführung ist die Bestimmung von Fehlern möglich, deren Mindestlänge durch die Größe des erwähnten Elektrodenzwischenraums festgelegt wird. Dabei wird die Mindestgröße dieses Zwischen­ raums durch die Anforderung an die elektrische Festigkeit des Gebers festgelegt und beträgt 0,1 bis 0,2 mm.

Die beschriebene Bauart des kapazitiven Gebers liefert eine maximale elektrische Feldstärke im Zwi­ schenraum zwischen den Elektroden, was es gestattet, die Relativempfindlichkeit gegen die Änderung der Dicke des zu prüfenden Erzeugnisses zu verbessern. Zum Betrieb des genannten kapazitiven Gebers ist es erforderlich, daß seine Elektroden mit dem zu prü­ fenden Erzeugnis in Berührung stehen, andernfalls nimmt der Fehler durch Querschwingungen des Erzeug­ nisses wegen beträchtlicher Inhomogenität der elek­ trischen Felder zwischen den Elektroden sprunghaft zu. Da in den meisten Fällen das Vorhandensein einer mechanischen Einwirkung auf die Oberfläche des zu prüfenden Erzeugnisses unerwünschst ist, findet der beschriebene kapazitive Geber keine breite Anwendung.

Aus der eingangs erwähnten DE-OS 25 08 805 ist ferner eine Einrichtung zum Bestimmen von Oberflächenfehlern fadenförmiger Erzeugnisse bekannt, bei der zwischen zwei Fadenführungen eine Kondensator-Meßzelle angeordnet ist. Diese Meßzelle enthält zwei längliche, spiralförmige gewundene Elektrodenstreifen mit gleichen Abmessungen, zwischen denen zwei spiralförmige Schlitze ausgebildet sind. Einer dieser Schlitze ist mit einem Isoliermaterial gefühlt, während der andere Schlitze ist mit einem Isoliermaterial gefühlt, während der andere Schlitz offen ist und einen Einfädelungsspalt für den Faden bildet. Diese Meßzelle wird teilweise von einer metallenen, geerdeten Platte umschlossen, die als Abschirmung dient und den Einfädelungsspalt über dessen ganze Länge zugänglich läßt. Auf Grund des vorstehend beschriebenen Aufbaus kann ein elektrischen Feld in einer Vielzahl von Richtungen gleichzeitig um den Faden herum aufgebaut werden, so daß eine Kompensation hinsichtlich der senkrecht zur Achse der Meßzelle erfolgenden Schwingungen des Fadens beim Durchgang des Fadens durch die Meßzelle sowie der Änderungen der Querschnittsform des Fadens erzielt werden kann.

Ferner ist eine Einrichtung zum Erkennen von Oberflächenfehlern fadenförmiger Erzeugnisse bekannt (US-PS 29 50 436), die eine Transformator-Meß­ brücke enthält, in deren einen Brückenzweig ein ka­ pazitiver Geber geschaltet ist. Der Geber enthält ein Gehäuse, in dem zwei Hauptelektroden untergebracht sind, wobei zusätzliche Elektroden vorgesehen sind, die in derselben Ebene liegen, die die Hauptelektro­ den bilden. Bei diesem Geber ist das zu prüfende Er­ zeugnis zwischen den Hauptelektroden und den zusätz­ lichen Elektroden angeordnet, die an den gemeinsamen Punkt der Transformator-Meßbrücke angeschlossen sind.

Durch Anwendung der zusätzlichen Elektroden werden die Randfelder zwischen den Hauptelektroden beseitigt, ohne daß die Felder zwischen diesen Elektroden um­ verteilt werden. Darüber hinaus verkleinert das Vorhanden­ sein der zusätzlichen Elektroden das Gebiet des elektrischen Feldes, durch welches auf einen Abschnitt des zu prüfenden Erzeugnisses eingewirkt wird, der sich zwischen den Elektroden des kapazitiven Gebers befindet, was das Auflösungsvermögen erhöht. Jedoch wird eine weitere Erhöhung des Auflösungsvermögens praktisch durch die Länge der Hauptelektroden und die Zwischenräume zwischen der Hauptelektrode und den zugehörigen zusätzlichen Elektroden (die in derselben Ebene liegen, die die Hauptelektroden bilden) begrenzt. Eine Verkleinerung der Länge der Hauptelektrode und der Zwischenräume ist mit einigen technologischen Schwierigkeiten verbunden, und zwar müssen in erster Linie minimale Zwischenräume zwischen den Haupt- und den zusätzlichen Elektroden sichergestellt werden. In der Praxis werden ausgehend von den Forderungen an die elektrische Festigkeit der Konstruktion die Zwi­ schenräume zwischen der Hauptelektrode und den zu­ sätzlichen Elektroden mindestens 0,1 . . . 0,2 mm ge­ wählt. Somit beträgt die Länge das Feld, das auf den zwischen den Elektroden des Gebers liegenden Abschnitt des zu prüfenden Erzeugnisses einwirkt, bei den bekannten Einrichtungen 0,1 . . . 0,2 mm oder mehr, was zur Erkennung von Mikrofehlern nicht ausreichend ist.

Die Anwendung der Hauptelektrode mit einer Mindest­ länge, die gleich der Länge von zu überwachenden Fehlern, d. h. höchstens gleich 50 . . . 100 µ ist, führt außerdem neben den technologischen Schwierigkeiten, die mit der Herstellung des Gebers verknüpft sind, zur Senkung der metrologischen Charakteristika und vor allem zur Verringerung der Genauigkeit. Eine wei­ terte Verringerung der Genauigkeit der Kontrolle fin­ det beim Auftauchen von kleinen Fremdteilchen, z. B. Staubteilchen an der Hauptelektrode oder in den Zwischenräumen zwischen der Hauptelektrode und den zusätzlichen Elektroden statt. In der Tat ruft ein an einem Ende der Hauptelektrode auftauchendes Staub­ teilchen mit einer Größe von 50 . . . 100 µ eine Ver­ größerung der Länge des im Feld des kapazitiven Gebers liegenden Abschnittes des zu prüfenden Erzeug­ nisses um das 2fache hervor.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Einrichtung der eingangs genannten Art so weiterzubilden, daß bei einfachem Aufbau des kapazitiven Gebers Mikrofehler mit einer Länge von unter 100 µ festgestellt werden können.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches gelöst.

Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Einrichtung lassen sich Fehler verschiedener Größe bestimmen: z. B. Fehler, die mit der Dicke des zu prüfenden Erzeugnisses vergleichbar sind, sowie Fehler, deren Länge erheblich größer als die Dicke des Erzeugnisses ist.

Da die zylinderförmigen Abschirmung des kapazitiven Gebers auf dem Potential des gemeinsamen Verbindungspunkts zwischen Hochfrequenzgenerator und Meßschaltung liegt, kommt es zu einer Umverteilung des elektrischen Feldes zwischen der Elektrode und der Abschirmung. Dabei wird der größte Teil des Feldes zur Abschirmung hin gerichtet, so daß das Feldgebiet verkleinert wird, das auf den zwischen den Elektroden des Gebers liegenden Abschnitt des zu prüfenden Erzeugnisses einwirkt.

Darüber hinaus zeichnet sich der erfindungsgemäße Geber durch eine bessere Technologiegerechtigkeit gegenüber dem bekannten aus, d. h. es entfallen die Anwendung von Mikrozwischenräumen sowie die Elektroden mit äußerst kleiner Länge. Da die Elektroden des erfindungsgemäßen Gebers ausreichend große Abmessungen aufweisen können, senken die auf diese auftreffenden Staub- und Schmutzteilchen das Auflösungsvermögen nicht.

Nachstehend wird die Erfindung an Hand von konkre­ ten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Funktionsschaltbild der Einrichtung zum Bestimmen von Oberflächenfehlern fadenförmiger Erzeugnisse;

Fig. 2 (a, b, c, d, e, f) Diagramme der elektrischen Feldverteilung bei kapazitiven Gebern ohne Ab­ schirmung, mit zusätzlichen Elektroden bzw. mit einer Abschirmung;

Fig. 3 eine Gesamtansicht eines zylinderförmigen Gebers;

Fig. 4 eine Gesamtansicht eines Gebers rechteckiger Gestalt (ohne Gehäuse);

Fig. 5 (a, b) Diagramme der elektri­ schen Feldverteilung bei kapazitiven Geber mit zu prüfendem Erzeugnis ohne Fehler und mit einem Fehler.

Die Einrichtung zum Bestimmen von Oberflächen­ fehlern fadenförmiger Erzeugnisse enthält einen Geber, bei der hier zu beschreibenden Ausführungsform mit einem Gehäuse 1 (Fig. 1), in dem eine zylinderförmige Abschirmung 2 aus elektrisch leitendem Werkstoff un­ tergebracht ist. Im Inneren der Abschirmung 2 finden Elektroden 3, 4 Platz. Die Elektrode 3 ist an einen Hochfrequenzgenerator 5 angeschlossen und führt ein hohes Potential. Die Elektrode 4 ist mit einer Meß­ schaltung 6 verbunden und stellt eine Niederpotentialelektrode dar. Die Meßschaltung 6 weist einen gemeinsamen Ver­ bindungspunkt "0" mit dem Hochfrequenzgenerator 5 auf, und mit dem Potential dieses Punktes "0" steht die Ab­ schirmung 2 des kapazitiven Gebers in Verbindung.

Das dargestellte Schaltschema des kapazitiven Gebers ist für alle möglichen Varianten elektrischer Schaltschemen wie Meßbrücken, Kompen­ sationsschaltungen u. a. gemeinsam.

Bei der vorliegenden Ausführungsform ist die Ab­ schirmung 2 mit dem Punkt "0" verbunden, während die Meßschaltung 6 einen Reihenkreis aus einem Hochfre­ quenzverstärker 7, einem Schwellenwertglied 8 und einem Impulszähler 9 enthält.

Das zu prüfende fadenförmige Erzeugnis 10 ist zwischen den Elektroden 3, 4 des kapazitiven Gebers angeordnet, und die Erkennung von Fehlern auf einem im elektrischen Feld des Gebers befindlichen Abschnitt erfolgt auf Grund einer Änderung der Kapazität zwischen diesen Elektroden 3, 4.

Möglich ist eine Ausführungsform des kapazitiven Gebers, bei der das Gehäuse und die Abschirmung als Ganzes ausgebildet sind.

Es ist bekannt, daß in einem kapazitiven Geber neben dem elektrischen Hauptfeld zwischen den Elek­ troden Randfelder bestehen, die die Länge L (Fig. 2, a) des Erzeugungsabschnittes vergrößern, auf dem die Fehlerermittlung vorgenommen wird. Bei einer Ver­ größerung des Elektrodenzwischenraums wird die Länge L (Fig. 2) größer. Das Vorhandensein zusätzlicher Elektroden im obenbeschriebenen kapazitiven Geber beseitigt teilweise den Einfluß der Randfelder im Zwischenraum einer Länge m (Fig. 2, c-d) bei einem beliebigen Elektrodenabstand.

Die hohe Empfindlichkeit der vorstehend beschriebenen Einrichtung beruht auf der Umverteilung des elek­ trischen Feldes zwischen den Elektroden 3, 4 (Fig. 2, e-f) und der Abschirmung 2, wodurch die Länge L des im Feld des kapazitiven Gebers liegenden Ab­ schnittes des zu prüfenden Erzeugnisses viel kleiner wird gegenüber den Abmessungen der Elektroden, be­ sonders bei Vergrößerung des Zwischenraums zwischen den Elektroden 3, 4.

So wird beispielsweise beim vorstehend beschriebenen kapazi­ tiven Geber bei einem Verhältnis H/l=2, wobei H einen Elektrodenabstand, l eine Länge der Elektro­ den bedeuten, die Länge eines im elektrischen Feld des Gebers befindlichen Abschnittes des zu prüfenden Erzeugnisses zum Vergleich mit dem mit zusätzlichen Elektroden versehenen Geber um das 5fache verkürzt.

Der kapazitive Geber verfügt, wie oben erwähnt, über ein Gehäuse 1 (Fig. 3) aus elektrisch leitendem Werkstoff, bei dieser Ausführungsform über ein zylin­ derförmiges Gehäuse. Die im Inneren des Gehäuses 1 angeordnete Abschirmung 2 hat eine Form, die der Form des Gehäuses 1 entspricht, und ist von diesem mittels dielektrischer Becher 11 isoliert. Bei der angegebenen Ausführungsform sind die Elektroden 3, 4 in Form von Scheiben ausgebildet, die an den Stirn­ seiten der Abschirmung befestigt und von dieser mittels dielektrischer Zwischenlagen 12 isoliert sind.

Das fadenförmige Erzeugnis 10 bewegt sich zwischen den Elektroden 3, 4 durch die Öffnungen 13, 14 hin­ durch, welche jeweils in den Mantelflächen des Gehäu­ ses 1 und der Abschirmung 2 ausgeführt sind (Fig. 1).

Die Elektroden 3, 4 sind jeweils an den Hochfre­ quenzgenerator 5 und die Meßschaltung 6 mit Hilfe von Anschlüssen 15, 16 (Fig. 3) angeschlossen.

Damit der gemeinsame Verbindungspunkt "0" des Hochfrequenzgenerators und der Meßschaltung 5 und die Abschirmung 2 auf gleichem Potential stehen, ist die letztere mit diesem Punkt mittels eines Anschlusses 17 verbunden. Die Erdung des Gehäuses 1 wird mit Hilfe eines Anschlusses 18 verwirklicht.

Bei der Bewegung des zu prüfenden Erzeugnisses zwischen den Elektroden 3, 4 ist eine Querverschie­ bung desselben in einer Ebene möglich, die zu den Elektroden parallel verläuft, was eine Ungenauigkeit bei der Bestimmung der Fehlergröße hervorrufen kann. Um diese mögliche Ungenauigkeit zu vermeiden, ist es zweckmäßig, der Abschirmung 19 (Fig. 4) und dem Ge­ häuse (nicht gezeigt) eine rechteckige Gestalt zu verleihen und die Elektroden 20, 21 in Form rechtwink­ ligen Platten auszuführen.

Der angegebene kapazitive Geber rechteckiger Ge­ stalt wird zweckmäßigerweise zur Erkennung von Feh­ lern fadenförmiger Flacherzeugnisse 22 verwendet.

Die Wirkungsweise der Einrich­ tung zum Bestimmen von Oberflächenfehlern fadenför­ miger Erzeugnisse besteht im folgenden.

Dadurch, daß der kapazitive Geber in den Kreis des Hochfrequenzgenerators 5 (Fig. 1) und der Meß­ schaltung 6 in Reihe geschaltet, und dafür gesorgt wird, daß die Abschirmung 2 und der gemein­ same Verbindungspunkt "0" des Generators 5 und der Meßschaltung 6 auf gleichem Potential liegen, wird das Feld zwischen den Elektroden 3, 4 in Axialrich­ tung der Abschirmung 2, wie es in Fig. 2, a-f gezeigt ist, fokussiert, wobei die Breite des fokussierten Feldes umgekehrt proportional dem Abstand zwischen den Elektroden 3, 4 (Fig. 1, 3) ist. Dementsprechend kann durch Auswahl des Verhältnisses der Breite der Abschirmung 2 zu deren Länge das elektrische Feld im zentralen Teil der Abschirmung 2 so fokussiert werden, daß seine Abmessungsen mit der Länge der Fehlerstelle auf dem zu prüfenden Erzeugnis 10 vergleichbar sind.

Das zu prüfende Erzeugnis 10 bewegt sich zwischen den Elektroden 3, 4 senkrecht zur Längsachse der Ab­ schirmung 2. Ein durch den Geber fließender elektri­ scher Strom ist von der Dicke des zu prüfenden Er­ zeugnisses abhängig, das sich im elektrischen Feld zwischen diesen Elektroden 3, 4 befindet. Das Auf­ treten eines Oberflächenfehlers im Arbeitsbereich des Gebers ruft eine Änderung der Feldstärke dieses Fel­ des und damit des durch diesen Geber fließenden Stromes hervor. Da das elektrische Feld zwischen den Elektroden 3, 4 im Anordnungsbereich des zu prüfenden Erzeugnissen 10 eine gleichbleibende Feldstärke auf­ weist, beeinflußt eine eventuelle Verschiebung des zu prüfenden Erzeugnisses zwischen den Elektroden in der zu den Elektroden senkrechten Ebene die Genauig­ keit der Kontrolle nicht.

In Fig. 5 ist ein Diagramm eines elektrischen Feldes für einen Geber gezeigt, durch das die Arbeitsweise des letzteren veranschaulicht wird. Bewegt sich das zu prüfende Erzeugnis ohne Fehler (Fig. 5a), so wird die Feldstärke des elektrischen Feldes durch die geometrischen Abmessungen des kapazitiven Gebers und die Spannung des Hochfrequenzgenerators bestimmt. Sobald ein Oberflächenfehler, z. B. eine Verdickung, auftritt, wird die elektrische Feld­ stärke (Fig. 5b) erhöht, was wiederum eine Erhöhung des durch den kapazitiven Gebers fließenden Stromes bewirkt.

Claims (1)

1. Einrichtung zum Bestimmen von Oberflächenfehlern fadenförmiger Erzeugnisse, die einen kapazitiven Geber enthält, zwischen dessen zwei Elektroden, die mit einem Hochfrequenzgenerator und einer mit dem Generator einen gemeinsamen Verbindungspunkt aufweisenden Meßschaltung in Reihe geschaltet und von einer Abschirmung aus elektrisch leitendem Werkstoff umgeben sind, ein zu prüfendes Erzeugnis angeordnet ist, wobei man entsprechend der Änderung der Kapazität zwischen diesen Elektroden über das Vorhandensein eines Oberflächenfehlers auf dem zu prüfenden Erzeugnis urteilt, dadurch gekennzeichnet,
daß die Abschirmung (2) mit dem gemeinsamen Verbindungspunkt von Hochfrequenzgenerator (5) und Meßschaltung (6) elektrisch verbunden ist und
daß in der Mantelfläche der Abschirmung (2) zwischen den Elektroden (3, 4) Öffnungen (14) zur Anordnung des zu prüfen­ den fadenförmigen Erzeugnisses vorgesehen sind.