DE3720160A1 - Messung an formkoerpern aus nichtmetallischem material - Google Patents
Messung an formkoerpern aus nichtmetallischem materialInfo
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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.
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.
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.
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.
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DE3815009A1 (de) * | 1988-04-30 | 1989-11-09 | Leybold Ag | Einrichtung und verfahren zum zerstoerungsfreien messen des ohmschen widerstands duenner schichten nach dem wirbelstrom-prinzip |
DE3815011A1 (de) * | 1988-04-30 | 1989-11-16 | Leybold Ag | Einrichtung zum zerstoerungsfreien messen des ohmschen widerstands duenner schichten |
US4968947A (en) * | 1988-04-30 | 1990-11-06 | Leybold Aktiengesellschaft | Apparatus for the non-destructive measurement of the ohmic resistance of thin layers |
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Publication number | Publication date |
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CA1269711A (en) | 1990-05-29 |
JPS62298701A (ja) | 1987-12-25 |
US4870359A (en) | 1989-09-26 |
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