DE3720160A1 - Messung an formkoerpern aus nichtmetallischem material - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf das Messen von Dimensionen von Formkörpern aus nichtmetallischem Material mit einer Form, bei der das Messen mittels der üblichen Vorrichtungen wie Schublehren, Mikrometerschrauben oder dergl. nicht möglich ist.

Als Vorrichtung zum Messen einer Dimension insbesondere der Dicke bzw. Stärke eines Körpers werden zumeist in breitem Ausmaß Schublehren und Mikrometerschrauben ver­ wendet. Es ist jedoch offensichtlich, daß bei der üblichen Gestaltung der Schublehren oder Mikrometerschrauben die Messung der Dicke eines Körpers unmöglich ist, wenn der Körper derart geformt ist, daß er nicht zwischen die Backen der Schublehre gesetzt werden kann. Beispielsweise kann mit Schublehren nicht die Wandstärke eines mittleren Be­ reichs einer schlanken Hohlröhre, die Wandstärke eines geschlossenen Endbereichs einer Sackröhre, nämlich einer Hohlröhre mit einem geschlossenen Ende usw. gemessen wer­ den, da in diese Röhren die Meßspitzen der Schublehren oder Mikrometerschrauben nicht eingeführt werden können.

Von Formkörpern aus nichtmetallischem Material werden Keramikprodukte im allgemeinen dadurch hergestellt, daß ein mit einem Bindemittel oder dergl. versetztes Aus­ gangspulver zerkörnt wird, daß das dermaßen zerkörnte Pulver nach einem Formungsverfahren wie durch Formpressen, isostatisches Pressen oder dergl. zu einem keramischen Rohformkörper geformt wird und daß danach der keramische Rohformkörper bei einer vorbestimmten Temperatur in einem Elektroofen oder dergl. gebrannt wird. Die Dimensionen der Produkte sind von den Bedingungen bei dem Brennen abhängig, das von einer Schrumpfung begleitet ist; übli­ cherweise sind die Bedingungen bei dem Brennen konstant, so daß die Dimensionen der Produkte von denjenigen der keramischen Rohformkörper bei dem Formungsprozeß abhängig sind. Infolge dessen sind bei der Keramikherstellung genaue Messungen und Steuerungen der Dimensionen der keramischen Rohformkörper von großer Bedeutung, um die Streuung der Dimensionen der Produkte nach dem Brennen zu verringern.

Daher betrifft die Erfindung insbesondere die hier als keramische Rohformkörper bezeichneten Keramikformkörper vor dem Brennen, obwohl das Keramikprodukt nach dem Brennen gleichfalls als eine Art Formkörper aus nichtmetallischem Material anzusehen ist, an dem das erfindungsgemäße Verfahren angewandt wird.

Als Verfahren zur Dickenmessung keramischer Rohformkörper wurde im allgemeinen das vorangehend beschriebene direkte Verfahren angewandt, bei dem eine Meßvorrichtung wie eine Schublehre, eine Mikrometerschraube oder dergl. benutzt wurde. Wenn jedoch gemäß den vorstehenden Ausführungen ein zu messender keramischer Rohformkörper eine Hohlröhre oder eine Sackröhre, nämlich eine Hohlröhre mit einem abgeschlossenen Ende ist, ist es infolge der ungeeigneten Gestalt der Schublehre oder Mikrometerschraube nahezu unmöglich, die Wandstärke des mittleren Bereichs oder in der Nähe des geschlossenen Endbereichs zu messen. Da ferner keramische Rohformkörper im allgemeinen spröde und zerbrechlich sind, weil die Teilchen des Pulvermate­ rials lediglich durch das Bindemittel zusammengehalten sind, entstanden an solchen hohlen rohrförmigen Körpern mit dünner Wandstärke bei der Dickenmessung häufig Beschä­ digungen wie Risse, Sprünge oder dergl.

Wenn darüber hinaus wie beispielweise bei einem durch­ sichtigen, durch Blasen geformten Tonerde-Keramikteil, das als Leuchtröhre in einer Hochdruck-Natriumdampflampe oder dergl. eingesetzt wird, die Hohlröhre wulstförmig ist, wobei ein mittlerer Bereich einen Durchmesser (von ungefähr 5 mm) hat, der größer als derjenige an dem End­ bereich (mit ungefähr 3 mm) ist, kann die Schublehre nicht in die Röhre eingeführt werden, so daß die Messung der Wandstärke (von ungefähr 0,2 mm) an dem mittleren Bereich absolut unmöglich ist. Dabei ist es bei den Keramikproduk­ ten mit einer solchen Form im Hinblick auf ihren Einsatz sehr wichtig, eine kleine Streuung der Wandstärken, ins­ besondere an dem mittleren Bereich zu erzielen.

Andererseits wurde zwar ein indirektes Verfahren zum Messen der Dicke unter Verwendung von Ultraschall vorgeschlagen, jedoch ist die Dämpfung der Ultraschallwellen im allgemei­ nen infolge der vorstehend beschriebenen Zerbrechlichkeit und Mürbigkeit der keramischen Rohformkörper unmittelbar nach dem Formen hoch, so daß die Dickenmessung mit hoher Genauigkeit schwierig ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Messung einer Dimension zu schaffen, mit dem auf ein­ fache Weise eine Dicke eines Formkörpers aus nichtmetalli­ schem Material mit einer Form gemessen werden kann, bei der die Messung mit einer herkömmlichen Vorrichtung wie einer Schublehre, einer Mikrometerschraube oder dergl. schwierig war. Das heißt, nach dem erfindungsgemäßen Ver­ fahren zur Lösung dieser Aufgabe kann insbesondere bei einem Keramikformungsschritt mit hoher Genauigkeit die Dicke eines keramischen Rohformkörpers an einem Bereich ermittelt werden, an dem mit einer herkömmlichen Vorrich­ tung die Messung schwierig war.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird beispielsweise eine elektrisch leitende Metallpreßform bzw. Metallform benutzt, die unmittelbar nach dem Formen im wesentlichen in enger Berührung mit dem keramischen Rohformkörper steht.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den im kennzeichnen­ den Teil des Patentanspruchs 1 genannten Maßnahmen gelöst.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbei­ spielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.

Fig. 1 ist eine Schnittansicht, die schematisch die Dickenmessung gemäß einem Ausführungsbeispiel an einem keramischen Rohformkörper veranschaulicht.

Fig. 2A, 2B und 2C sind Schnittansichten, die ein Ausführungsbeispiel für das Meßverfahren zeigen.

Fig. 3 ist eine graphische Darstellung, die den Zusammenhang zwischen einer Dicke eines Formkörpers und einer Anzeigespannung einer Brückenschaltung bei dem in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel zeigt.

Fig. 4 ist eine Schnittansicht, die ein weiteres Ausführungsbeispiel für das Meßverfahren veranschau­ licht.

Das vorstehend beschriebene Verfahren ist für das Messen der Dicken eines Körpers nutzvoll, der aus einem nicht­ metallischen Material besteht und der Hohlform oder dergl. hat. An einem Körper aus einem metallischen Material ist das Verfahren aus nachfolgend erläuterten Gründen theore­ tisch nicht anwendbar. Als nichtmetallisches Material sind organische Materialien wie Kunststoffe oder dergl. und anorganische Materialien wie keramische Materialien oder dergl. zu nennen. Ferner ist als Körper aus nicht­ metallischem Material allgemein ein Formkörper, dessen Material nach irgendeinem bestimmten Verfahren verarbeitet wurde, unabhängig davon bezeichnet, ob es sich um ein Zwischenprodukt bei Herstellungsschritten oder um ein Endprodukt handelt.

Nachstehend wird das bei dem Verfahren angewandte Meß­ prinzip erläutert. Es ist bekannt, daß dann, wenn in einem magnetischen Wechselfeld ein guter Leiter wie ein solcher aus Metall oder dergl. liegt, in dem Leiter entsprechend dem magnetischen Wechselfeld ein Wirbelstrom induziert wird. Dabei wird ein Teil der Energie des magnetischen Wechselfelds in dem guten Leiter in Wärmeenergie umgesetzt, was letztlich einen Energieverlust ergibt. Die Höhe des Verlustes hängt allgemein von der Frequenz des magnetischen Wechselfelds, der Magnetfeldstärke und der elektrischen Leitfähigkeit des guten Leiters ab.

Im Gegensatz dazu ist in einem elektrischen Isolator, der das magnetische Wechselfeld nicht stört, der Verlust im wesentlichen vernachlässigbar gering. Die meisten nicht­ metallischen Materialien wie Kunststoffe, Keramikmateria­ lien und dergl. sind elektrisch isolierend. Da normaler­ weise keramische Rohformkörper gleichfalls elektrisch isolierend sind, verursachen sie keine Verluste. Ferner können die keramischen Rohformkörper selbst dann, wenn sie halbleitend sind, verhältnismäßig als elektrische Isolatoren angesehen werden, da ihr spezifischer Widerstand bei bzw. in der Nähe der Raumtemperatur 10⁰ bis 10¹ Ohm× cm oder mehr beträgt und damit um 6 bis 7 Zehnerpotenzen höher als derjenige von Metallen, nämlich guten Leitern liegt, die im allgemeinen einen spezifischen Widerstand in der Größenordnung von 10^-6 Ohm × cm haben.

Bei dem Meßverfahren wird das vorstehend erläuterte Prinzip folgendermaßen angewandt: Bei einem Formungsschritt für ein übliches Keramikprodukt wird gemäß Fig. 1 eine Meßsonde 3, die ein magnetisches Wechselfeld 4 erzeugt, mit einem keramischen Rohformkörper 1 in Berührung gebracht, der unmittelbar nach dem Formen im wesentlichen in enger Be­ rührung zu einer Metallpreßform bzw. Metallform 2 steht. Da die Materialien der Metallform 2 und des keramischen Rohformkörpers 1 normalerweise die gleichen bleiben und darüber hinaus die Stärke und Frequenz des von der Meßsonde 3 erzeugten magnetischen Wechselfelds 4 konstant gehalten werden können, ist ein Verlust an dem magnetischen Wechsel­ feld 4 von dem Abstand zwischen der Meßsonde 3 und der Metallform, nämlich von der Dicke des keramischen Rohform­ körpers 1 abhängig. Je dicker der Rohformkörper 1 ist, um so geringer ist der Verlust, und je dünner der Rohform­ körper ist, um so höher ist der Verlust. Dieser Zusammen­ hang zwischen dem Verlust und der Dicke ist zwar im allge­ meinen nicht linear, jedoch kann die Dicke aus der Verlust­ größe ermittelt werden, wenn der Zusammenhang im voraus ermittelt wird.

Die Sonde 3, die das magnetische Wechselfeld erzeugt, ist grundlegend mit einer sogenannten Solenoidwicklung aufgebaut. Die Solenoidwicklung kann einen Magnetkern haben. Zum Erreichen einer engen elektromagnetischen Kopplung des magnetischen Wechselfelds 4 mit der Metallform ist es im Prinzip anzustreben, daß die Symmetriemittelachse der Wicklung senkrecht zu einer Oberfläche der Metallform 2 steht. Wenn der Zusammenhang zwischen dem Verlust und der Dicke im voraus ermittelt worden ist, muß die Ober­ fläche der Metallform 2 nicht unbedingt eben sein, sondern kann eine gewölbte Oberfläche sein. Zum Erreichen einer engen elektromagnetischen Kopplung ist es aber wichtig, daß der keramische Rohformkörper 1 nicht zu dick in bezug auf den Durchmesser der Solenoidwicklung ist. Allgemein wird vorzugsweise eine Dicke gemessen, die etwa nicht größer als der Durchmesser der Wicklung ist.

Vorstehend wurde zwar die Messung an keramischen Rohform­ körpern beschrieben, jedoch ist das Prinzip des Verfahrens, bei dem ein Metall in enge Berührung mit einer Seite eines nichtmetallischen Formkörpers gebracht wird, dessen Dicke zu messen ist, theoretisch bei irgendwelchen beliebigen Formkörpern aus nichtmetallischem Material anwendbar, wie gebrannten Keramikkörpern oder Formkörpern aus orga­ nischem Material wie Kunststoff oder dergl., wenn ein Metall wie beispielsweise flüssiges Metall wie Quecksilber in enge Berührung mit dem Körper gebracht wird.

Das Messen der Verluste des magnetischen Wechselfelds, nämlich der in der Wicklung verursachten Verluste erfolgt im allgemeinen dadurch, daß eine Wechselstrom-Brücken­ schaltung mit der Wicklung als eine Komponente derselben aufgebaut wird. In der Wechselstrom-Brückenschaltung kann durch Abwandlung einer bekannten elektronischen Schaltung der Verlust, nämlich eine Änderung der Impedanz der Wicklung verhältnismäßig leicht als Spannungsänderung erfaßt werden. Die Frequenz des magnetischen Wechselfelds, nämlich die Frequenz an der Brückenschaltung beträgt vorzugsweise 1 kHz bis 100 kHz, noch günstiger 10 kHz bis 30 kHz. Der Grund für das vorzugsweise Wählen des Frequenzbereichs zwischen 1 kHz und 100 kHz liegt darin, daß bei einer Frequenz unterhalb von 1 kHz die Impedanz­ änderung so gering ist, daß Meßfehler größer werden, und bei einer Frequenz über 100 kHz gleichfalls infolge einer Streukapazität der Wechselstrom-Brückenschaltung die Meßfehler größer werden. Der Bereich von 10 kHz bis 30 kHz ist günstiger, da in diesem Bereich die vorstehend genannten Fehlerfaktoren vermindert sind.

Das Meßverfahren wird im weiteren anhand von Beispielen erläutert.

Beispiel 1:

Das Verfahren wurde zur Dickenmessung an einem Zirkon­ erde-Rohformkörper in der Form eines Blind- bzw. Sackrohrs, nämlich einer Hohlröhre mit einem abgeschlossenen Ende bei einem Formungsschritt an dem Zirkonerde-Keramikmaterial angewandt. Dieser Zirkonerde-Rohformkörper wurde gebrannt und als elektrolytischer Festkörper-Sauerstoffsensor für ein Sauerstoffdichtemeßgerät verwendet. Für den Festkörper­ elektrolyt, in welchem sich Ionen in der Richtung der Dicke bewegen, ist eine Steuerung der Dicke besonders wichtig.

Gemäß der Darstellung in Fig. 2A wurde eine zylinderförmige Gummihülse 7 an einer stabförmigen Edelstahl-Metallform 2 mit einem Zwischenbereich für ein Granulatpulver mit 15 mm Durchmesser und 285 mm Länge befestigt; der Zwischen­ raum zwischen der Gummihülse 7 und der Metallform 2 wurde mit Zirkonerde-Granulatpulver 5 gefüllt. Dann wurde gemäß Fig. 2B ein Gummideckel 6 aufgesetzt, wonach die oberen und unteren Anschlußteile der Gummihülse 7 mit einem darum gewickelten Vinylband oder dergl. abgedichtet wurden, um das Eindringen von Druckwasser zu verhindern, und das Formen in einer isostatischen Presse mit einem Druck von 200 kg/cm² ausgeführt wurde. Als nächstes wurden gemäß Fig. 3C der Gummideckel 6 und die Gummihülse 7 entfernt, wonach an eine Seitenfläche eines freigelegten Zirkonerde- Rohformkörpers 8 eine Meßsonde 3 mit 5 mm Durchmesser angesetzt wurde. Es wurde die Anzeigespannung einer elek­ trisch an die Meßsonde 3 angeschlossenen Brückenschaltung abgelesen. Danach wurde der Zirkonerde-Rohformkörper 8 zerbrochen und mit einer Mikrometerschraube die Dicke desjenigen Bereichs gemessen, mit dem die Sonde in Berüh­ rung gebracht war. Diese Vorgänge wurden 25mal wiederholt, um den Zusammenhang zwischen der Dicke des Zirkonerde- Rohformkörpers 8 und der Anzeigespannung der Brückenschal­ tung zu ermitteln. Auf diese Weise wurde gemäß Fig. 3 ein sehr linearer Zusammenhang in dem Bereich von 0 mm bis 3 mm festgestellt. Der bei diesem Beispiel benutzten Brückenschaltung wurde eine Nichtlinearität-Korrektur­ schaltung hinzugeschaltet; die Frequenz betrug 20 kHz. Die Dicke des Zirkonerde-Rohformkörpers 8 soll normaler­ weise auf 2 mm ±0,1 mm gesteuert werden, so daß die Messung gemäß diesem Ausführungsbeispiel ausreichend genau und praktisch nutzvoll war.

Beispiel 2:

Das Verfahren wurde zur Dickenmessung eines hohlen rohr­ förmigen gebrannten Tonerde-Keramikkörpers angewandt.

Gemäß Fig. 4 wurde ein hohler gebrannter Tonerde-Keramik­ körper 9 mit 20 mm Außendurchmesser, 15 mm Innendurchmesser und 200 mm Länge senkrecht auf eine Unterlage 11 aufge­ stellt, wonach an dem oberen offenen Ende in die Höhlung ein flüssiges Metall, nämlich Quecksilber 10 eingegossen wurde. Mit einem mittleren Bereich der Außenfläche des gebrannten Tonerde-Keramikkörpers 9 wurde eine Meßsonde 3 mit 5 mm Durchmesser in Berührung gebracht und eine Anzeigespannung einer Brückenschaltung abgelesen. Dann wurde der gebrannte Tonerde-Keramikkörper 9 zerbrochen und die Dicke des Bereichs, mit dem die Sonde in Berührung gebracht war, mit einer Mikrometerschraube gemessen. Der Zusammenhang zwischen der Dicke des gebrannten Körpers und der Anzeigespannung der Brückenschaltung entsprach der in Fig. 3 gezeigten geraden Linie, so daß er damit praktisch nutzbar war.

Beispiel 3:

Die gleiche Dickenmessung wie die bei dem Beispiel 2 be­ schriebene wurde bei einem Keramik-Rohformkörper in Sack­ röhrenform für das Bilden eines Festelektrolyts aus ß-Ton­ erde und auch bei einem Keramik-Rohformkörper für das Bilden eines porösen Hohlrohr-Tonerde-Keramikfilters zur Flüssigkeits- oder Gasfilterung ausgeführt. Es wurden gleichartige Ergebnisse wie die in Fig. 3 dargestellten erreicht.

Gemäß der vorstehenden Beschreibung kann durch die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens für das Messen an einem Formkörper aus nichtmetallischem Material auf einfache Weise das Messen und Ermitteln der Dicke mit hoher Genauig­ keit an einem mittleren Bereich einer Hohlröhre oder an einem Abschlußendbereich einer Blind-Sackröhre als kera­ mischer Rohrformkörper ausgeführt werden, ohne daß der keramische Rohformkörper beschädigt wird, an dem es bisher nahezu unmöglich war, die Wanddicke zu messen.

Eine Dickenmessung an Formkörpern aus nichtmetallischem Material, insbesondere an Wänden von röhrenförmigen Kera­ mik- oder Kunststoffkörpern kann auf einfache Weise mit hoher Genauigkeit dadurch ausgeführt werden, daß ein sol­ cher Formkörper zwischen ein Metall und eine Meßsonde wie eine Solenoidwicklung gesetzt wird, die ein magneti­ sches Wechselfeld erzeugt, und daß ein Energieverlust des Magnetfelds gemessen wird, der von der Dicke des Form­ körpers abhängig ist. Der Energieverlust kann durch Er­ mitteln einer Spannungsänderung an einer Wechselstrom- Brückenschaltung gemessen werden, die die Wicklung als eine Komponente enthält.

Claims (9)

1. Verfahren zum Messen einer Dimension eines Formkörpers aus nichtmetallischem Material, dadurch gekennzeichnet, daß der Formkörper aus dem nichtmetallischen Material zwischen ein Metall und eine Meßsonde gesetzt wird, die ein magnetisches Wechselfeld erzeugt, und daß ein Energie­ verlust des magnetischen Wechselfelds gemessen wird, der von der Dicke des Formkörpers aus dem nichtmetallischen Material abhängig ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Formkörper aus dem nichtmetallischen Material eine Hohlröhre ist.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlröhre eine Sackröhre mit einem geschlossenen Ende ist.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Formkörper aus dem nichtmetalli­ schen Material ein keramischer Rohformkörper oder ein gebrannter Keramikkörper ist.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als magnetisches Wechselfeld ein Wechselfeld mit einer Frequenz im Bereich von 1 kHz bis 100 kHz erzeugt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Frequenz im Bereich von 10 kHz bis 30 kHz gewählt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Metall ein flüssiges Metall ver­ wendet wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßsonde mit einer Solenoidwicklung ausgebildet wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine Dicke gemessen wird, die nicht größer als der Durchmesser der Solenoidwicklung ist.