DE4029951A1 - Messverfahren zur bestimmung von hoehe oder abstand spiegelnder und bewegter metallischer oberflaechen hoher temperatur - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Meßverfahren zur Bestim­ mung von Höhe oder Abstand spiegelnder oder bewegter metallischer Oberflächen hoher Temperatur, insbeson­ dere fließender Metallschmelzen mit einer Quelle für elektromagnetische Wellen und einem Intensitätssensor zur Erfassung derselben.

Derartige Meßverfahren finden bei der Bestimmung der Höhe des Lotes in Lötbädern Verwendung. Deren Aufgabe besteht darin, die auf der einen Seite mit elektro­ nischen Bauteilen bestückten Platinen auf der Rück­ seite mit elektrisch leitenden Verbindungen zu verse­ hen. Hierzu werden die Platinen in horizontaler Aus­ richtung durch das flüssige Lot bewegt, wobei höchstes Augenmerk darauf zu richten ist, daß die Oberfläche des Lötbades relativ zur Platine eine be­ stimmte Höhe annimmt. Übersteigt das Lot diesen Soll­ wert, wird in nachteiliger Weise auch die mit den Bauteilen bestückte Oberfläche mit dem flüssigen Lot benetzt. Ist die Höhe hingegen zu niedrig, wird die Platine nicht erreicht und die gewünschte Herstellung der elektrisch leitenden Verbindungen unterbleibt. Die Einhaltung der exakten Höhe ist aus zwei Gründen problematisch. Zum einen ist die Dicke der Platine bekanntlich sehr gering und zum anderen befindet sich die Oberfläche ständig in Bewegung, da das Lot in ständigem Fluß gehalten werden muß, da andernfalls innerhalb kürzester Zeit durch die Einwirkung der um­ gebenden Luft eine Oxidation des Lotes an der Ober­ fläche der Schmelze eintreten würde. Zu diesem Zweck fördert eine Pumpe die Schmelze etwa in vertikaler Richtung fontäneartig nach oben, berührt dort die Platine, fließt seitlich ab und wird zur Pumpe zu­ rückgeführt.

Die im Stande der Technik bekannte Messung der Höhe des Lötbades erfolgt dadurch, daß aus dem spezifi­ schen Gewicht des Lotes, welches in hohem Maße von deren Temperatur als auch von der Zusammensetzung der Schmelze abhängt und aus der Motorleistung, die Steighöhe des Lotes errechnet und über die Steuerung der Motorleistung an den gewünschten Wert angenähert wird. Dieses Meßverfahren führt zu ungenauen Ergeb­ nissen deshalb, weil zum einen die rechnerische Er­ mittlung, die notwendigerweise nicht sämtliche Ein­ flußfaktoren berücksichtigen kann, zu ungenauen Er­ gebnissern führen muß und zum anderen sich die Tempe­ ratur der Schmelze während des Betriebes (Einschaltphase, zeitliche Änderung der Arbeitslei­ stung) ständigen Schwankungen unterworfen ist.

Andere Meßmethoden sind aufgrund der speziellen und extremen Anforderungen zur Anwendung ungeeignet: So ist eine Ultraschallmessung deshalb nicht möglich, weil aufgrund der hohen Temperatur der Schmelze eine die Ultraschallmessung verfälschende Ausbildung von Luftschlieren unvermeidlich ist. Der Einsatz von In­ duktionssensoren scheidet deshalb aus, da bei glei­ cher Höhe aber wechselnden, durch Änderung der Motor­ leistung hervorgerufene Strömungsgeschwindigkeiten des Lotes unterschiedliche Meßwerte angezeigt werden. Eine Triangulationsmessung, die sich die Diffusre­ flexion an der Oberfläche der Schmelze zunutze macht, scheidet aus, da an der spiegelnden Oberfläche keine diffusen Reflexionsanteile in nennenswertem Umfang vorliegen.

Hiervon ausgehend hat sich die Erfindung die Schaf­ fung eines Meßverfahrens zur Aufgabe gemacht, das die Messung von Höhe oder Abstand spiegelnder und beweg­ ter metallischer Oberflächen hoher Temperatur, insbe­ sondere fließender Metallschmelzen, möglichst präzise erlaubt.

Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, daß eine Quelle für elektromagnetische Wellen und ein Intensitätssensor außerhalb des Hochtemperaturberei­ ches angeordnet werden, ein Leiterkabel für elektro­ magnetische Wellen mit mindestens zwei einzelnen Lei­ tern mit einem Ende oberhalb und/oder im Abstand zum Meßobjekt angeordnet wird, wobei dessen einer Leiter die Quelle speist und die elektromagnetischen Wellen in einem divergierenden Kegel abstrahlt und dessen anderer Leiter die reflektierten Strahlen erfaßt und zum Intensitätssensor leitet.

Der Kern der Erfindung besteht in dem Gedanken, die metallische Oberfläche, also insbesondere die Metall­ schmelze, mit einem divergierenden Kegel elektroma­ gnetischer Wellen zu bestrahlen und einen Anteil der an der Oberfläche reflektierten Strahlungen über einen Intensitätssensor zu erfassen. Bei zunehmendem Abstand zwischen Kegelscheitel und reflektierender Oberfläche verringert sich der Raumwinkel der abgege­ benen Strahlung, der durch den Intensitätssensor er­ faßt wird. Die gemessene Intensität ist also um so ge­ ringer, je größer der Abstand zwischen Ende des Lei­ terkabels und reflektierenden Oberfläche ist. Umge­ kehrt wird bei einem geringeren Abstand ein größerer Anteil der reflektierten Strahlung erfaßt. Die vom Sensor angezeigte Intensität ist ein unmittelbares Maß für Höhe oder Abstand der spiegelnden metalli­ schen Oberfläche hoher Temperatur. Eingehende Überle­ gungen zeigen, daß der durch entsprechende Strahlauf­ weitung und den Abstand erzeugte Intensitätsverlust mit der Entfernung in exponentiellem Zusammenhang steht. Das Leiterkabel gewährleistet, daß die tempe­ raturempfindliche Strahlungsquelle und der Intensi­ tätssensor vor negativen Auswirkungen geschützt sind und einen langen und kontinuierlichen Betrieb er­ laubt. Das Kabel muß mindestens zwei Leiter aufwei­ sen, die jeweils entweder der Zuführung der Strahlung zum Meßbereich oder der Zurückleitung zum Intensi­ tätssensor dienen.

Der mit der Erfindung erreichbare Vorteil besteht in erster Linie in der Möglichkeit der präzisen Messung von Höhe oder Abstand unter den gegebenen Bedingun­ gen. Die hierbei einzusetzenden Bauelemente sind von handelsüblicher Art. In der praktischen Realisierung wird man ein einziges Gerät herstellen, in dem sich sowohl Strahlungsquelle als auch Intensitätssensor befinden, und an welchem das Leiterkabel angebracht ist. Es verbleibt nur noch, dessen äußeres Ende in der Meßposition zu fixieren.

Verwendung finden können alle Quellen, die elektroma­ gnetische Wellen (Strahlung) erzeugen, die vom jewei­ ligen Meßobjekt (metallisches Element, Metall­ schmelze) in solcher Intensität reflektiert werden, daß im Arbeitsbereich ein Signal hinreichender Stärke zum Intensitätssensor gelangt. Hierzu empfehlen sich insbesondere Laserlichtquellen, die ohne weiteres zur Lieferung der in der Praxis erforderlichen Strah­ lungsintensität in der Lage sind.

Je nach Zusammensetzung besitzt die Lotschmelze eine Temperatur von 200 bis 300 Grad Celsius. Um auch bei den dann im Nahbereich herrschenden hohen Temperatu­ ren eine entsprechende Betriebssicherheit zu gewähr­ leisten, muß das Leiterkabel eine hinreichende Tempe­ raturfestigkeit besitzen. Zur Verwendung als Licht­ wellenleiter empfehlen sich insbesondere Glasfaser­ bündel.

Als Intensitätssensoren kommen alle photoelektrischen Bauelemente in Betracht: Hierzu zählt insbesondere die Photozelle, welche mit Hilfe des lichtelektri­ schen Effektes arbeitet. Hierbei sendet eine Kathode Elektronen aus, wenn Licht hinreichender Energie auf­ trifft. Die Zahl der ausgelösten Photoelektronen pro Zeiteinheit, d. h. der Photostrom, ist der Intensität der einfallenden Lichtstrahlung streng proportional. Die gemessene Stromstärke ist dann ein unmittelbares Maß für die Intensität des auffallenden Lichtes. Beim Photowiderstand wird die Änderung des elektri­ schen Widerstandes zwischen zwei Kontakten bei ein­ fallendem Licht genügender Energie zur Messung der Lichtintensität genutzt. Sie werden häufig auch als Widerstands- oder Halbleiterphotozelle bezeichnet. Weiterhin können Sekundäremissionsvervielfacher Ver­ wendung finden, bei denen es sich um Elektronenröhren handelt, deren Primärstrom durch den auftreffenden Lichtstrahl gesteuert wird und die ausgelösten Elek­ tronen auf eine Prallanode auftreffen, wo der Elek­ tronenstrom durch Sekundäremission vervielfacht wird. Bei einem Photoelemenmt wird durch das auftreffende Licht eine Spannung erzeugt. Bei Photodioden bewirkt das auftreffende Licht einen der Beleuchtungsstärke streng proportionalen Photostrom. Ein ähnliches Prin­ zip besitzt der in seiner Herstellung kompliziertere Phototransistor. Die verwendeten Bauelemente sind von üblicher Art und müssen hinsichtlich ihres empfindli­ chen Frequenzbereiches an die Strahlungsquelle ange­ paßt sein.

Das erfindungsgemäße Meßverfahren wurde konzipiert gemäß den speziellen Anforderungen bei der Ermittlung der Höhe des Lotes in Lötbädern. Unabhängig davon ist das Verfahren auch in anderen Bereichen mit ähnlichen physikalischen Verhältnissen einsetz- und verwendbar.

So empfiehlt sich eine Verwendung bei der Bestimmung der Füllhöhe einer in die Kokillen einfließenden Me­ tallschmelze. Auch hier liegen hohe Temperaturen, eine bewegte metallische Oberfläche und bei den mei­ sten Legierungen eine Spiegelung auftreffenden Lichtes vor. Das Meßverfahren erlaubt auch, die Füll­ höhe bereits während der Beschickung kontinuierlich zu erfassen und so die optimale Höhe während der Be­ schickung einstellen zu können.

Abgehend von den bisher beschriebenen Einsatzgebie­ ten, die sich durch das Vorhandensein metallischer Schmelzen auszeichnen, ist der Einsatz des erfin­ dungsgemäßen Verfahrens auch dann denkbar, wenn me­ tallische Werkstücke hoher Temperatur bewegt werden. Bei bestimmten Fertigungsprozessen werden der Ar­ beitsstation erwärmte flächige und, um die Bearbei­ tung zu erleichtern, erhitzte Werkstücke über ein Förderband sukzessive zugeführt. Um sicherzustellen, daß bei der Beschickung nicht mehrere Werkstücke auf­ einander gelegt wurden oder sich zumindest teilweise gegenseitig überlappen, sind Meßverfahren vonnöten, die den Abstand der Oberfläche der Werkstücke von ei­ nem Fixpunkt, der bei Anwendung des vorliegenden Meß­ verfahrens durch das Ende des Leiterkabels definiert wird, zu bestimmen. Ergibt die Messung eine Verringe­ rung des Abstandes, gilt dies als Indiz für das zu­ mindest teilweise Aufeinanderliegen mehrerer Werk­ stücke.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Er­ findung lassen sich dem nachfolgenden Beschreibungs­ teil entnehmen, in dem anhand der Zeichnung ein Aus­ führungsbeispiel der Erfindung näher erläutert wird. Sie zeigt den prinzipiellen Aufbau einer Meßanlage zur Bestimmung der Höhe eines Lötbads.

Das Lötbad ist von üblichem Aufbau: Es besteht aus einem Behältnis (1), in dem sich teilweise die Löt­ schmelze (2) befindet. Die Restmenge wird vermittels einer Pumpe (3) zugeführt, die entsprechend ihrer Leistung die Lötschmelze nach oben zu fontänenartig in das Behältnis (1) eingibt. Sofern das Lot nicht verbraucht wird, gelangt es von dort wieder zur Pumpe zurück, so daß ein geschlossener Kreislauf entsteht. Hierdurch wird sichergestellt, daß eine Oxidation an der Luft nicht auftreten kann.

Die Platinen (4) werden sukzessive in horizontaler Ausrichtung so über den durch die Pumpe (3) erzeugten Schwall der Lötschmelze (2) geführt, daß die untere, nicht mit Bauelementen (5) versehene Fläche benetzt wird. Die Leistung der Pumpe (3) ist so einzustellen, daß die Lötschmelze (2) zwar die Unterseite der Pla­ tine (4) erreicht, jedoch nicht zu der Oberfläche ge­ langen kann. Dieses Ziel zu erreichen ist Anliegen vorliegender Erfindung.

Hierzu wird oberhalb der Lötschmelze (2), und zwar dort, wo die Benetzung der Platine (4) erfolgt, das eine (äußere) Ende (6) eines Leiterkabels (7) ange­ ordnet, welches mindestens einen Leiter (8), der von einer Quelle (9) für elektromagnetische Strahlen aus­ geht und einem weiteren Leiter (10) besteht, der vom äußeren Ende (6) zu einem Intensitätssensor (11) ge­ führt ist.

Die Funktion ist wie folgt: Die Quelle (9) erzeugt elektromagnetische Wellen, beispielsweise Laserlicht, welches über den Leiter (8) zum äußeren Ende (6) des Leiterkabels hin geleitet wird und dort in der Form eines Kegels (12) abgestrahlt wird. Ein bestimmter, an der Lötschmelze (2) reflektierter Anteil wird durch das äußere Ende (6) des Leiters (10) aufgenom­ men und zum Intensitiätssensor 11 geführt und dort ausgewertet. Je größer die dort gemessene Intensität ist, um so geringer ist der Abstand des äußeren Endes (6) des Leiterkabels (7) von der darunter befindli­ chen Oberfläche der Lötschmelze (2). Bei Abweichungen vom Sollwert läßt sich durch Änderung der Leistung der Pumpe (3) die Höhe der Lötschmelze (2) verändern und beeinflussen.

Im Ergebnis erhält man ein Meßverfahren, das sich in besonderer Weise zur Messung spiegelnder und bewegter metallischer Oberflächen hoher Temperatur, insbeson­ dere fließender Metallschmelzen, eignet.

Claims (7)

1. Meßverfahren zur Bestimmung von Höhe oder Abstand spiegelnder und bewegter metallischer Oberflächen ho­ her Temperatur, insbesondere fließender Metallschmel­ zen, mit einer Quelle für elektromagnetische Wellen und einem Intensitätssensor zur Erfassung derselben, dadurch gekennzeichnet, daß Quelle (9) und Intensitätssensor (11) außerhalb des Hochtemperaturbereiches angeordnet werden, ein Lei­ terkabel (7) für die elektromagnetischen Wellen mit mindestens zwei einzelnen Leitern (8, 10) mit einem Ende (6) oberhalb und/oder im Abstand zum Meßobjekt angeordnet wird, wobei dessen einer Leiter (8) durch die Quelle (9) gespeist wird und die elektromagneti­ schen Wellen in einem divergierenden Kegel abstrahlt und dessen anderer Leiter (10) die reflektierten Strahlen erfaßt zum Intensitätssensor (11) leitet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekenn­ zeichnet durch eine Laserlicht­ quelle.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekenn­ zeichnet durch ein Glasfaserbündel.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Intensitätssensor (11) eine Photozelle oder ein Photowiderstand oder ein Sekundäremissionsvervielfa­ cher oder ein Photoelement oder eine Photodiode oder ein Phototransistor ist.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe des Lots in den Lötbädern bestimmt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Füllhöhe in Kokillen während des Einfüllens der Metallschmelze gemessen wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zu bewegten metallischen Werkstücken ho­ her Temperatur gemessen wird.