DE3720160C2

DE3720160C2 -

Info

Publication number: DE3720160C2
Application number: DE3720160A
Authority: DE
Inventors: Nobuo Nagoya Aichi Jp Takahashi
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1986-06-18
Filing date: 1987-06-16
Publication date: 1990-08-23
Also published as: CA1269711A; DE3720160A1; JPS62298701A; US4870359A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Messung der Wandstärke eines röhrenförmigen Formkörpers aus nicht metallischem Material.

Zum Messen der Dicke bzw. Wandstärke eines röhrenförmigen Körpers werden bislang Schublehren und Mikrometer schrauben verwendet. Bei der üblichen Gestaltung der Schub lehren oder Mikrometerschrauben ist die Messung der Dicke eines Körpers jedoch schwierig oder gar unmöglich, 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 Bereichs einer schlanken Hohlröhre, die Wandstärke eines geschlossenen Endbereichs einer Sackröhre, d. h. einer Hohlröhre mit einem geschlossenen Ende usw. gemessen werden, da in diese Röhren die Meßspitzen der Schublehren oder Mikrometer schrauben nicht eingeführt werden können.

Formkörper aus nichtmetallischem Material in Form von Keramikprodukten werden im allgemeinen in der Weise herge stellt, daß ein mit einem Bindemittel oder dergl. versetztes Ausgangspulver zerkörnt wird, das dermaßen zerkörnte Pulver nach einem Formungsverfahren, wie Formpressen, isostatisches Pressen oder dergl. zu einem keramischen Roh formkörper geformt wird und danach der keramische Rohform körper bei einer vorbestimmten Temperatur in einem Elektro ofen oder dergl. gebrannt wird. Die Dimensionen der Produkte sind von den Bedingungen bei dem Brennen abhängig, das von einer Schrumpfung begleitet ist; üblicherweise sind die Bedingungen bei dem Brennen konstant, so daß die Dimensionen der Produkte von denjenigen der keramischen Rohformkörper bei dem Formungsprozeß abhängig sind. Infolgedessen sind bei der Keramikherstellung genaue Messungen und Steue rungen der Dimensionen der keramischen Rohformkörper von großer Bedeutung, um die Streuung derDimensionen 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 ist, ist es infolge der Gestalt der Schub lehre oder Mikrometerschraube nahezu unmöglich, die Wand stärke 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 Pulvermaterials lediglich durch das Bindemittel zusammengehalten werden, entstanden an solchen hohlen röhrenförmigen Körpern mit dünner Wandstärke bei der Dickenmessung häufig Beschädigungen 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 Endbereich (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 unmöglich ist. Dabei ist es bei den Keramikprodukten mit einer solchen Form im Hinblick auf ihren Einsatz sehr wichtig, eine kleine Streuung der Wandstärken, insbesondere 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 eine Dickenmessung mit hoher Genauigkeit bei diesem Verfahren schwierig ist.

Relativ ebene, ausgedehnte Flächen dagegen ermöglichen wegen ihrer einfachen Zugänglichkeit eine Schichtdicken messung mittels elektromagnetischer Methoden. Gemäß der DE-AS 10 09 400 wird die Dicke einer nichtferromagnetischen Schicht auf einer ferromagnetischen Unterlage dadurch gemessen, daß eine Sonde mit einer Spule aufgesetzt und der Phasenwinkel zwischen einer Generatorspannung und einer Ausgangsspannung ausgewertet wird.

In ähnlicher Weise wird auch gemäß der DE-OS 27 05 625 und der GB-PS 14 10 301 eine elektromagnetische Dickenmessung an der Beschichtung einer flachen, metallischen Oberfläche durchgeführt.

Solche günstigen Meßbedingungen liegen aber bei den vor stehend beschriebenen röhrenförmigen Formkörpern nicht vor, weswegen solche Meßverfahren bei der Messung an röhren förmigen Körpern problematisch sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Messung der Wandstärke eines röhrenförmigen Formkörpers aus nichtmetallischem Material zu schaffen, mit dem auch an schwer zugänglichen Stellen des Formkörpers eine einfache, schnelle und zugleich zuverlässige Messung der Wandstärke möglich ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den im Patentan spruch 1 und alternativ mit den im Patentanspruch 2 genannten Merkmalen gelöst.

Hierdurch werden nicht nur zuverlässige Meßergebnisse erhalten, sondern es wird auch der Gefahr einer Beschädigung der häufig sehr empfindlichen Formkörper vorgebeugt. Ferner sind diese Maßnahmen auch geeignet, eine Automati sierung der Meßvorgänge relativ einfach durchzuführen.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

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

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

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

Fig. 3 ist eine graphische Darstellung, die den Zusammenhang zwischen der Wandstärke 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 bzw. Wandstärken eines Körpers nutzvoll, der aus einem nicht metallischen Material besteht und Hohlform 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 wird 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, wodurch letztlich ein Energieverlust auftritt. 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, annähernd als elektrische Isolatoren angesehen werden, da ihr spezifischer Widerstand bei Raumtemperatur 10⁰ bis 10¹ Ohm · cm oder mehr beträgt und damit um 6 bis 7 Zehnerpotenzen höher als derjenige von Metallen, d. h. 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 mit 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 in dem magnetischen Wechsel feld 4 von dem Abstand zwischen der Meßsonde 3 und der Metallform, d. h. von der Wandstärke 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 bestimmt wird.

Die Sonde 3, die das magnetische Wechselfeld erzeugt, ist grundlegend mit einer sogenannten Solenoidwicklung aufgebaut. Die Solenoidwicklung kann einen Magnetkern besitzen. 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 bzw. Wandstärke 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, namentlich 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, d. h. eine Änderung der Impedanz der Wicklung verhältnismäßig leicht als Spannungsänderung erfaßt werden. Die Frequenz des magnetischen Wechselfelds, d. h. die Frequenz an der Brückenschaltung beträgt vorzugsweise 1 kHz bis 100 kHz, noch günstiger 10 kHz bis 30 kHz. Der Grund für die Bevorzugung 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, d. h. 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 bzw. Wandstärke 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 um diese 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 in guter Näherung 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 nutzbar 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 Rohformkörper ausgeführt werden, ohne daß der keramische Rohformkörper beschädigt wird, an dem es bisher nahezu unmöglich war, die Wanddicke zu messen.

Claims

1. Verfahren zur Messung der Wandstärke eines röhrenförmigen Formkörpers aus nichtmetallischem Material, der nach im Formen mit seiner Metallform in seinem Inneren in enger Berührung steht, durch Aufsetzen einer Meßsonde auf seine Außenseite, die ein magnetisches Wechselfeld erzeugt und die den Energieverlust des Wechselfeldes als Maß für die Wandstärke erfaßt.

2. Verfahren zur Messung der Wandstärke eines röhrenförmigen Formkörpers aus nichtmetallischem Material durch Füllen des Formkörpers mit Quecksilber und durch Aufsetzen einer Meßsonde auf seine Außenseite, die ein magnetisches Wechsel feld erzeugt und die den Energieverlust des Wechselfeldes als Maß für die Wandstärke erfaßt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der röhrenförmige Formkörper aus dem nichtmetallischen Material ein keramischer Rohformkörper ist.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der röhrenförmige Formkörper ein gebrannter Keramikkörper ist.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der röhrenförmige Formkörper eine Sackröhre mit einem geschlossenen Ende ist.

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

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