DE3135263C2

DE3135263C2 - Verfahren und Vorrichtung zum zerstörungsfreien Messen von Werkstoffanhäufungen oder Schichtdicken an folienartigen dielektrischen Werkstoffen, insbesondere Kunststoff

Info

Publication number: DE3135263C2
Application number: DE3135263A
Authority: DE
Inventors: Friedhelm Dipl.-Ing. 4630 Bochum Caspers; Thomas Dipl.-Ing. 5882 Meinerzhagen Rohde
Original assignee: Elektro-Physik Hans Nix & Dr-Ing E Steingroever & Co Kg 5000 Koeln De GmbH; Elektro Physik Hans Nix & Dr Ing E Steingroever & Co Kg 5000 Koeln GmbH
Current assignee: Elektro-Physik Hans Nix & Dr-Ing E Steingroever
Priority date: 1981-09-05
Filing date: 1981-09-05
Publication date: 1986-11-06
Also published as: US4520308A; DE3135263A1

Abstract

Es handelt sich um ein Verfahren und eine Vorrichtung zum zerstörungsfreien Messen von Werkstoffanhäufungen oder Schichtdicken an aus dielektrischen Werkstoffen, insbesondere Kunststoff, bestehenden folienartigen, bandförmigen oder profilhaften Materialien mit geschlossenem oder offenem Querschnitt mittels Mikrowellen, wobei die Laufzeitänderung einer ausgesandten Mikrowelle auf einer Mikrowellen-Streifenleitung (4a, 4b, 4c) durch die Anwesenheit des Meßgutes (8) als Maß für die jeweils auszumessende Schichtdicke bzw. den jeweils auszumessenden Füll- oder Volumenfaktor des Meßgutes dient. Es können zerstörungsfreie und kontinuierliche Messungen ohne eine Gefährdung des Bedienungspersonals bei unsachgemäßer Bedienung oder Beschädigung der Meßapparatur durchgeführt werden. Insbesondere ist die Messung von geschlossenen stranggepreßten Hohlprofilen schon bei deren Austritt aus dem Extruder und vor dem Aufwickeln zerstörungsfrei, kontinuierlich und ohne Eingriff in das Innere des Profils möglich, und zum Meßzeitpunkt noch plastische Werkstoffe können ohne Ausübung von mechanischem Druck durch den Meßkopf vermessen werden, so daß keine Verformung des Meßgutes durch die Meßapparatur auftritt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum zerstörungsfreien Messen von Werkstoffanhäufungen oder Schichtdicken an folienartigen, bandförmigen oder profilhaften Materialien mit geschlossenem oder offenem Querschnitt mittels einer Mikrowellen-Streifenleitung und bezieht sich ferner auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Zur zerstörungsfreien Messung von Materialien mit offenem Querschnitt, wie z. B. Folien, Bänder oder dergleichen, sind zerstörungsfreie Meßverfahren bekannt, die auf der Absorption von Röntgenstrahlen beruhen oder mit der Strahlung radioaktiver Quellen arbeiten. Diese Verfahren haben den Nachteil, daß eine Gefährdung des Bedienungspersonals, insbesondere bei Beschädigung der Meßapparatur, möglich ist und bedürfen daher besonderer kostspieliger Vorsichtsmaßnahmen, die gesetzlichen Vorschriften genügen müssen.
Weiterhin sind zur zerstörungsfreien Messung von Materialien mit offenem Querschnitt Verfahren bekannt, die auf dem Prinzip der mechanischen Weggeber, dem magnetinduktiveD oder dem Wirbelstroinprinzip beruhen. Diese Verfahren erfordern einen Andruck des

ίο Meßgutes gegen eine Unterlage durch die Meßsonde; sie sind daher zur Messung von zum Meßzeitpunkt plastischen Meßgütern wenig geeignet

Bei der Messung von Materialien mit geschlossenem Querschnitt wie z. B. Hohlprofile, Blasfolien oder dergleichen, mit Hilfe von herkömmlichen Verfahren, tritt, insbesondere bei engen Querschnitten, eine Verfälschung des Meßergebnisses durch der zu messenden Schicht benachbarte — z.B. gegenüberliegende — Schichten auf. Das Anordnen einer zweiten Meßsonde im Inneren des Profils zur Vermeidung dieses Effektes ist in den meisten Fällen aus mechanischen Gründen nicht realisierbar.

Aus der DE-OS 27 18 160 ist eine Anordung zur Dikkenmessung magnetischer, epitaktisch hergestellter Schichten bekannt, bei der der Ausgang eines HF-Wobbel-Generators übe* einen Zirkulator mit einer auf einem Substrat angeordneten Mikrostreifenleitung verbunden ist, auf der sich die magnetische Schicht befindet, und ein zweiter Ausgang des Zirkulator ist mit dem Eingang eines Empfängers verbunden. Bei dieser bekannten Anordnung werden die Frequenzabstände der möglichen ferrimagnetischen Resonanzen im Meßgut als Maß für die Materialdicke herangezogen.
Demgegenüber dient das erfindungsgemäße Meßverfahren zur Dickenmessung an dielektrischen, nichtmagnetischen Schichten, und somit für eine andersartige Werkstoffklasse und zeigt dementsprechend ein andersartiges Verhalten bei Annäherung des Werkstoffes an die Streifenleitung.

Die Fachzeitschrift »Electronics« vom 23. August 1965, Seiten 65 bis 69, beschreibt mögliche Meßvorrichtungen für die Mikrowellen-Interferometrie. Dieser Bereich der Mikrowellentechnik beschäftigt sich mit der Entfernungs- und Vibrationsmessung mit Hilfe von Mikrowellen und steht in keinem Zusammenhang mit der Schichtdicken-Meßtechnik nach der vorliegenden Erfindung.

Bei der Mikrowellen-Interferometrie wird eine Phasenänderung in den beschriebenen Meßvorrichtungen zur Messung herangezogen. Weil jedoch im gesamten Pereich der Mikrowellentechnik die beiden Größen Amplitude und Phase die entscheidende Rolle spielen, müssen sie notwendigerweise sowohl bei der bekannten Meßvorrichtung für die Mikrowellen-Interferometrie als auch für die dem Anmeldungsgegenstand zugrundeliegende Dickenmessung an dielektrischen, nichtmagnetischen Schichten auftreten, obwohl sich beide Meßverfahren grundlegend voneinander unterscheiden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren sowie eine Vorrichtung zum zerstörungsfreien Messen von Werkstoffanhäufungen oder Schichtdicken an dielektrischen folienartigen, bandförmigen oder profilhaften Materialien mit geschlossenem oder offenem Querschnitt mittels einer Mikrowellen-Streifenleitung anzugeben, die eine vergleichsweise unkomplizierte und sichere Durchführung dieser Messung mit zuverlässig fehlerfreien Ergebnissen ermöglichen.
Diese Aufgabe wird mit dem Verfahren gemäß der

Erfindung dadurch gelöst, daß die durch die Anwesenheil des air dielektrischen Werkstoffen, insbesondere Kunststoff, bestehenden Meßgutes verursachte Laufzeitänderung einer ausgesandten Mikrowelle auf einer Mikrowellen-Streifenleitung als Maß für die jeweils auszumessende Schichtdicke bzw. den jeweils auszumessenden Füll- oder Volumenfaktor des Meßgutes dient. Weitere besonders zweckmäßige und vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Ansprüchen 2 und 3 gekennzeichnet

Die Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Einrichtung zur Ermittlung der Laufzeitänderung auf der Mikrowellen-Streifenleitung enthält Weitere zweckmäßige und besonders vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung sind in den Ansprüchen 5 bis 8 enthalten

Bei dem erfindungsgemäßen Meßverfahren wird der Effekt ausgenutzt, daß sich die Laufzeit einer Mikrowelle auf einer Mikrowellen-Streifenleitung bei Annäherung von Objekten aus dielektrischem Werkstoff ändert Bei konstanter Arbeitsfrequenz ist die Laufzeitänderung auf der Mikrowellen-Streifenleitung proportional zur Phasenverschiebungsänderung gegenüber einer Bezugsphase, die eine Mikrowelle, die die Mikrowellen-Streifenleitung durchlaufen hat, erhält

Der Zusammenhang zwischen Phasenverschiebungsänderung und Schichtdicke bzw. Füllfaktor des Meßguts läßt sich folgendermaßen darstellen:

a<p=l-h (D) ■ h (F) ■ h (A) ■ h (e_r)

Δφ	= Phasenverschiebungsänderung
I	= Länge der Streifenleitung
D	= Schichtdicke des Meßguts
F	= Füllfaktor des Meßguts
A	= Abstand der Oberfläche des Meßguts von
	der Streifenleitung
Sr	= Dielektrizitätszahl des Meßguts
/·,... Γα	= reele Funktionen.

Die Funktionen f\ bis /4 sind nicht geschlossen angebbar; durch raathemEtisch-numerische Verfahren lassen sie sich jedoch mit beliebiger Genauigkeit annähern. Die Funktionen f\ bis /4 sind monoton; es sind folgende Aussagen möglich:

Δφ steigt

eigt

— ε, steigt

— D steigt

— F steigt

— A steigt ==y Δφ fällt

Δφ steigt

D.h. /Ί, /2, /"4 sind monoton steigend, /j ist monoton fallend.

Hält man alle Größen außer der Schichtdicke D konstant, so ist die Phasenverschiebungsänderung Δφ ein Maß für die Schichtdicke D der zu messenden Schicht. Hält man alle Größen außer dem Füllfaktor Fkonstant, so ist die Phasenverschiebungsänderung Δφ ein Maß für den Füllfaktor Fderzu messenden Schicht.

Die Vorteile des erfincVngsgemäßen Verfahrens liegen darin, daß eine zerstörungsfreie und kontinuierliche Messung von Schichtdicken und Füllfaktoren an aus dielektrischen Werkstoffen, insbesondere Kunststoff, bestehenden folienartigen, bandförmigen oder profi·¹-haften Materialien mit geschlossenem oder offenem Querschnitt möglich ist, ohne daß eine GefährduHg des Bedienungspersonals bei unsachgemäßer Bedienung oder Beschädigung der Meßapparatur auftritt. Insbesondere ist die Messung von geschlossenen stranggepreßten Hohlprofilen schon bei deren Austritt aus dem Extruder und vor dem Aufwickeln zerstörungsfrei, kontinuierlich und ohne Eingriff in das Innere des Profils möglich.

Ein weiterer Vorteil liegt darin, daß eine Vermessung von zum Meßzeitpunkt plastischen Werkstoffen ohne Ausübung von mechanischem Druck durch den Meßkopf möglich ist, so daß keine Verformung des Meßgutes durch die Meßapparatur auftritt

Die Messung erfolgt bei harten Materialien berührend oder berührungslos mit einem konstanten Abstand zwischen Mikrowellen-Streifenleitung und Meßgut von einigen ujn. Bei plastischen Materially erfolgt die Messung ganzflächig berührend.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen -.-on Meßanordnungen zum Durchführen des erfindungsgemäßen Meßverfahrens. Es zeigt

F i g. 1 eine Meßanordnung an einem HohlprofiL wobei die Meßanordnung gemäß Schnittlinie I-I von F i g. 2 geschnitten dargestellt ist

F i g. 2 eine Draufsicht auf den Meßkopf der Anordnung von F i g. 1 ohne Meßobjekt,

F i g. 3 einen weiteren Schritt durch den Meßkopf der Anordnung gemäß Schnittlinie III—III von F i g. 2,

F i g. 4 eine Teildarstellung einer gegenüber F i g. 1 bis 3 abgewandelten weiteren Ausführungsform des Meßkopfes einer derartigen Meßanordnung,

F i g. 5 eine gegenüber F i g. 1 bis 3 weiterhin abgewandelte Meßanordnung und

F i g. 6 eine perspektivische Darstellung einer besonders günstigen Positionierung des Meßkopfes einer Mebanordnung von Fi g. 1 bis 4 oder 5 bei Messung bei einem Hohlprofil, das aus darstellungstechnischen Gründen aus einem durchsichtigen oder zumindest durchscheinenden Material besteht.
Bei den in der Zeichnung gezeigten Meßanordnungen dient die Laufzeitänderung einer ausgesandten Mikrowelle auf einer Mikrowellen-Streifenleitung durch die Anwesenheit eines Meßgutes als Maß für die jeweils auszumessende Schichtdicke »D« bzw. den jeweils auszumessenden Füll- oder Volumenfaktor »F« des Meßgutes, wie dies im folgenden näher beschrieben ist.

Die in F i g. 1 bis 3 gezeigte Meßanordnung besteht im einzelnen aus einem Hochfrequenzoszillator 1 als Signalquelle, einem Leistungsteiler 2, einem einstel'baren Phasenschieber 3, einem Meßkopf 4 mit einer Mikrowellen-Streifenleitung 4a auf einem elektrisch isolierenden und verlustfreien Substrat 46, das von unten vollständig mit ein-r elektrisch gut leitfähigen Metallschicht 4c versehen ist, einem Mischer 5 und einer Verarbeitungs- und Anzeigeeinheit 6 für die erhaltenen Meßsignale. Der Hochfrequenzoszillator 1 hat eine Schwingfrequenz zwischen 0,1 bis 100 GHz, vorzugsweise 8 bis 18 GHz. Zur besseren Auswertung des Meßsignals kann er mit e^;jier Frequenz von etwa 10 bis 10⁷Hz, vorzugsweise 1 bis 10 kHz, amplitudenmoduliert sein.

Die verschiedenen Teile der Meßanordnung sind durch koaxiale Leitungen 7a. Tb. Tc. Td. Te. 7/miteinan-

der verbunden, und das Meßgut oder Meßobjekt ist mit »8« bezeichnet. Die zu messende Schichtdicke ist »D«.

Die Teile 1, 2, 3, 5 und 6 der Meßanordnung dienen zur Ermittlung der Laufzeitänderung einer Mikrowelle auf der Mikrowellen-Streifenleitung 4a. Die Signalverläufe in der Meßanordnung seien im folgenden beschrieben. Das Ausgangssignal des Hochfrequenzoszillators 1 wird im Leistungsteiler 2 aufgespalten und zu gleichen Teilen der Mikrowellen-Streifenleitung Aa sowie dem einstellbaren Phasenschieber 3 zugeführt. Die Ausgangssignale der Mikrowellen-Streifenleitung 4a und des Phasenschiebers 3 werden den beiden Eingängen des Mischers 5 zugeführt. Das Ausgangssignal des Mischers 5 gelangt dann zur Weiterverarbeitung und Anzeige auf die Verarbeitungs- und Anzeigeeinheit 6.

Durch entsprechenden einmaligen Abgleich des Phasenschiebers 3 kann man erreichen, daß gilt:

O₁ = k ■ sin (Δφ)

bar erfaßt und beeinflussen das Meßergebnis nicht.

Bei der Vermessung von engen Hoklprofilen wird eine Ausblendung nicht zu erfassender Profilbestandteile des Meßgutes oder Meßobjektes 8 durch eine Ausrichtung der Mikrowellen-Streifenleitung 4a parallel zur Längsstruktur des vorzugsweise stranggepreßten Hohlprofils erreicht, wie in F i g. 6 dargestellt ist. Bei der Vermessung von folienartigen und bandförmigen Materialien ohne ausgeprägte Längsstruktur ist eine solche Ausrichtung nicht erforderlich.

Q₁ = Mittelwert der Ausgangsspannung des Mischers 5,

Δφ = durch das Meßgut verursachte zusätzliche Phasenverschiebung im Meßzweig Tb, Aa, Tc und

Jt = Konstante bzw. Eichfaktor.

Bei sehr kleinen Phasenänderungen gilt näherungsweise

O₁ μ k ■ Δφ

Somit ist bei konstantem Abstand des Meßgutes oder Meßobjektes 8 von der Mikrowellen-Streifenleitung 4a. z. B. Abstand gleich Null, und konstanter Dielektrizitätszahl e_r des Meßgutes die Ausgangsspannung Q, ein Maß für die Schichtdicke »D« der direkt aufliegenden Begrenzungsfläche bzw. den Füllfaktor F.

Ein mechanischer Verschleiß des Meßkopfes 4 durch das darübergleitende Meßgut 8 im berührenden Betrieb wird durch eine aufgebrachte harte, elektrisch isolierende Schicht Ad, z. B. Quarzglas, vermieden, wie in F i g. 4 dargestellt ist.

Die Ausgangsspannung Q₁ ist abhängig von der Ausgangsamplitude des Hochfrequenzoszillators 1. Um diesen Effekt auszuschalten, wird, wie in F i g. 5 gezeigt ist, die Ausgangsamplitude des Hochfrequenzoszillators 1 als Bezugsnorms; für die Ausgangsspannung 0, des Mischers 5 verwendet. Hierzu wird dem Ausgangssignal des Hochfrequenzoszillators 1 über den Leistungsteiler 2 ein Teil der Leistung entnommen, über eine Leitung Tg einem Detektor 9 zur Gleichrichtung zugeführt und über eine Leitung 7 A zur Verarbeitungs- und Anzeigeeinheit 6 zusätzlich weitergeleitet.

Eine charakteristische Eigenschaft der Erfindung besteht darin, daß die Messung von einer Seite aus erfolgen kann, so daß insbesondere geschlossene Profile vermessen werden können. Durch entsprechende Gestaltung der geometrischen Abmessungen der Mikrowellen-Streifenleitung 4a, Ab, Ac kann der Einflußbereich des elektromagnetischen Feldes der Mikrowellen-Streifenleitung variiert werden, so daß nur die Schichtdicke »D« bzw. der Füllfaktor »F« der zu messenden Schicht erfaßt wird: benachbarte oder gegenüberliegende Schichten werden durch das elektromagnetische Feld der Mikrowellen-Streifenieitung 4a, Ab, Ac nicht merk-Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum zerstörungsfreien Messen von Werkstoffanhäufungen oder Schichtdicken an folienartigen, bandförmigen oder profilhaften Materialien mit geschlossenem oder offenem Querschnitt mittels einer Mikrowellen-Streifenleitung dadurch gekennzeichnet, daß die durch die Anwesenheit des aus dielektrischen Werkstoffen, insbesondere Kunststoff, bestehenden Meßgutes verursachte Laufzeitänderung einer ausgesandten Mikrowelle auf einer Mikrowellen-Streifenleitung als Maß für die jeweils auszumessende Schichtdicke bzw. den jeweils auszumessenden Füll- oder Volumenfaktor des Meßgutes dient

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die auf der Mikrowellen-Streifenleitung sich ausbreitende Mikrowelle eine Frequenz von 0_;l bis iOO GHz. vorzugsweise 8 bis 18 GHz, hat.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikrowelle mit einer Frequenz von etwa 10 bis 10⁷ Hz, vorzugsweise 1 bis 10 kHz, amplitudenmoduliert wird.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Einrichtung (1,2,3,5,6) zur Ermittlung der Laufzeitänderung auf der Mikrowellen-Streifenleitung (4a, 4b, 4c) enthält. (F i g. 1)

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikrowellen-Streifenleitung (4a) auf einem Substrat (4d) aus elektrisch isolierendem, verlustfreiem Material angebracht ist, das von unten vollständig mit einer elektrisch gut leitfähigen Metallschicht (4c) versehen ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikrowellen-Streifenleitung (4a, 4b, 4c) mit einer abriebfesten, elektrisch isolierenden, verlustfreien Schutzschicht (4d), wie z. B. Quarzglas, versehen ist. (F i g. 4)

7. Vorrichtung nach Anspruch 4 und 5 oder 6, mit einem Hochfrequenzoszillator als Signalquelle, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsamplitude des Hochfrequenzoszillators (1) als Bezugsnormal für die Meßwerte verwendet wird.

8. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Einflußbereich des elektromagnetischen Feldes der Mikrowellen-Streifenleitung (4a, 4b, 4c^durch Änderung der Abmessungen der Mikrowellen-Streifenleitung variierbar ist.