DE4340430A1

DE4340430A1 - Verfahren zum berührungslosen Messen einer Teiletemperatur

Info

Publication number: DE4340430A1
Application number: DE4340430A
Authority: DE
Inventors: Werner Mueller; Gunter Dipl Phys Dr Funk; Claus Dipl Phys Westphal; Klaus-Dieter Dr Ing Frederking
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1993-11-27
Filing date: 1993-11-27
Publication date: 1995-06-01

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum berührungslosen Messen einer Teiletemperatur nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs. Es ist bekannt, daß die von einem Körper abgegebene elektromagnetische Strahlung abhängig ist von der Temperatur des Körpers. Diese Wärme strahlung, insbesondere deren Intensität, kann deshalb gemessen und zur Temperaturbestimmung herangezogen werden. Es hat sich jedoch bei Vergleichsmessungen mit auf der Oberfläche des Körpers aufgelegten Temperaturfühlern gezeigt, daß die durch die Strahlungsdetektoren bestimmte Temperatur häufig zu niedrig ist. Dies findet seinen physikalischen Ursprung darin, daß der zu messende Körper keinen sogenannten idealen "schwarzen Körper" darstellt ("Physik", 14. Auflage, von Gerthsen, Kneser und Vogel, 11.2.9 Pyrometrie). Doch auch wenn man diesen physikalischen Effekt berücksichtigt, streuen die Temperaturmeßwerte bei sonst gleichen Teilen.

Es ist bereits bekanntgeworden, insbesondere metallische Teile einer Laserbehandlung zu unterziehen, um die dann anschließenden Bear beitungsschritte in ihrer Wirkung zu verbessern (Optoelektronik magazin, Vol. 4, Nr. 4, 1988, Seiten 380ff, "Behandlung von Metallen mit einem Exzimerlaser"). Ein Hinweis darauf, wie hierdurch die berührungslose Temperaturmessung mittels eines Detektors verbessert werden könnte, findet sich jedoch nicht.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen des Hauptanspruchs hat den Vorteil, daß die gemessene Intensität der von einem Detektor aufgenommenen Wärmestrahlen bei einer Serie nacheinander gemessener Teile gleicher Temperatur eine geringere Streuung aufweist. Dies folgt daraus, daß durch die Erhöhung des Strahlungsemissionsgrades der einzelne Meßwert näher bei der tatsächlichen Temperatur des Teils liegt und auch näher bei der für einen schwarzen Körper theoretisch berechenbaren. Unter Stahlungsemissionsgrad ist die tatsächlich von einem Teil emittierte Strahlungsintensität bei einer bestimmten Temperatur, bezogen auf die eines "idealen schwarzen Körpers" mit derselben Temperatur zu verstehen.

Ferner wird es durch dieses Verfahren aufgrund der Emissionserhöhung möglich, die Teiletemperatur bereits bei tieferen Temperaturen berührungslos zu messen.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Merkmale sind vorteil hafte Weiterbildungen des Verfahrens nach dem Hauptanspruch möglich. So kann die Emission einfach durch Einwirken einer Laserstrahlung erhöht werden, die kostengünstig durch einen Neodym-Yag-Laser er zeugt wird. Hier kann zusätzlich mittels des Lasers eine Reinigung der zu bearbeitenden Oberfläche, beziehungsweise der durch den Detektor erfaßten Oberfläche erfolgen.

Da das Emissionsverhalten linear mit dem Absorptionsverhalten ver bunden ist, ist es besonders vorteilhaft, wenn die für eine Er wärmung der Teile einzukoppelnde Energie in dem behandelten Ober flächenbereich erfolgt.

Zeichnung

In der Zeichnung sind zwei Verfahrensabläufe dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen die Fig. 1 und 2 zwei Verfahrensschritte gemäß einem ersten Beispiel, die Fig. 3 und 4 zwei Verfahrensschritte gemäß einem zweiten Beispiel und die Fig. 5 ein Diagramm, welches die tatsächliche Teiletem peratur T bei einer über einen Strahlungsdetektor ermittelten Tem peratur T_T in Abhängigkeit des Emissionsgrades R eines Teils dar stellt.

Beschreibung

In Fig. 1 ist ein zylinderförmiges Teil 10 gezeigt, das in einem späteren Verfahrens schritt einer Wärmebehandlung unterzogen werden soll und dessen Temperatur während der Wärmebehandlung zu bestimmen ist. Auf den Mantel 12 des Teils 10 ist ein Laser 14 fokusiert. Das Teil 10 rotiert um seine Symmetrieachse 16, so daß ein vom Laser 14 getroffener ringförmiger Oberflächenbereich 18 entsteht.

Im zweiten Verfahrensschritt (Fig. 2), bei dem das Teil 10 gemäß diesem Ausführungsbeispiel gehärtet wird, ist eine Heizspirale 20 über den Mantel 12 des Teils 10 angeordnet, die von einem HF-Genera tor 22 gespeist wird. Mit einem Pyrometer 24, das auf den Ober flächenbereich 18 gerichtet ist, wird die Temperatur des rotierenden Teils 10 berührungslos gemessen.

In den Fig. 3 und 4 ist eine Grundplatte 30 dargestellt, die ein aufzulötendes (SMD-)Bauteil 32 sowie eine Lötfläche 34 trägt, wobei das Bauteil 32 mit einer Stirnseite 36 an eine Längsseite der Löt fläche 34 grenzt.

Die Lötfläche 34 wird an einem Oberflächenbereich 38, der nicht direkt vor der Stirnseite 36 des Bauteils 32 liegt, von einem Energiestrahl 40 beaufschlagt.

Der Energiestrahl 40 kann beispielsweise ein Laser oder Elektronen strahl sein, und ist in einer bevorzugten Ausführung ein Neodym-YAG-Laser. Dieser Lasertyp ist durch die ihm eigene Wellen länge und die kostengünstig zu erreichende hohe Energiedichte beson ders gut geeignet. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wirkt auf einen Oberflächenbereich 38 von ungefähr 2 mm² ein Q-Switch betriebener cw-Neodym-YAG-Laser mit einer mittleren Leistung von 40 W zwischen 0,1 Sekunden und 0,3 Sekunden ein.

Beim zweiten Verfahrens schritt gemäß Fig. 4 wird das Bauteil 32 auf die Grundplatte 30 aufgelötet. Dazu wird ein Laserstrahl 42 auf den Oberflächenbereich 38 fokusiert und die Lötfläche 34 insgesamt er wärmt. Kurz vor Erreichen der Löttemperatur wird mittels eines Lot stabs 44 eine bestimmte Menge Lot auf die Lötfläche 34 und damit auf die mit dieser in Wärmekontakt stehenden Stirnseite 36 aufgebracht.

Um die Temperatur während des Erwärmungs- und Lötvorgangs zu messen, ist ein Pyrometer 46 seitlich neben dem Strahlengang des Laser strahls 42 angeordnet. Mittels eines halbdurchlässigen Spiegels 48, der für die Laserstrahlen durchgängig, für die vom Oberflächen bereich 38 abgegebene Wärmestrahlung jedoch reflektierend ist, wird die Wärmestrahlung 50 auf das Pyrometer 46 geleitet.

Durch die durch den Energiestrahl 40 erreichte Emissionserhöhung des Oberflächenbereichs 38 wird auch das Absorptionsverhalten gegenüber elektromagnetischer Strahlung in diesem Oberflächenbereich 38 ver bessert, so daß die Energie des Laserstrahls 42 effektiver in die Lötfläche 34 eingekoppelt werden kann als ohne Vorbehandlung. Es ist auch möglich, zur Erhöhung des Emissionsgrades und zum Einbringen der für den Erwärmungsprozeß erforderlichen Energie den gleichen Laser zu verwenden, wobei Leistung und Fokuslage sowie -größe ent sprechend anzupassen sind.

Eine weitere Erhöhung des Emissionsverhalten des Teils wird er reicht, wenn nach dem Einwirken des Energiestrahls 40 zumindest der Oberflächenbereich 38 getempert, das heißt einer Wärmebehandlung ausgesetzt wird, die aber teilespezifisch ist und stark vom Ober flächenzustand (glatt, gebeizt, rauh, etc.) abhängt. So ergibt sich bei einer glatten Oberfläche durch ein 30minütiges Erwärmen im Ofen auf 150 bis 250°C eine Erhöhung der Emission um 0,2 bis 0,5. Es ist auch möglich, den Temperaturprozeß mittels des Lasers mit defoku siertem Strahl in weniger als 1 Sekunde durchzuführen.

Durch die Erhöhung der Strahlungsemission wird unter anderem er reicht, daß der Detektor genauer und besser reproduzierbar die Teiletemperatur anzeigt. Je schlechter die Emission beziehungsweise der Emissionsgrad R (Fig. 5) ist, umso höher ist die Temperatur des zu messenden Teils, obwohl der Detektor den Wert T_T des Diagramms "mißt". Das Erhöhen des Emissionsgrades eines Oberflächenbereichs mittels Laserstrahlung wird bewirkt, indem einerseits Schmutz schichten entfernt werden und andererseits die Oberfläche derart beeinflußt wird, daß glatte Oberflächen leicht aufgerauht und rauhe Oberflächen gleichmäßig angeschmolzen werden. In beiden Fällen wird das Emissionsverhalten verbessert und folglich die Meßgenauigkeit erhöht.

Ferner wird es möglich, bereits bei tieferen Temperaturen be rührungslos zu messen, da die Teile bereits bei tieferen Tempera turen auswertbare Wärmeintensitäten emittieren.

Claims

1. Verfahren zum berührungslosen Messen einer Teiletemperatur mittels eines auf einen Oberflächenbereich des Teils gerichteten Detektors, insbesondere während des Ablaufs thermischer Prozesse, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest der vom Detektor (24, 46) erfaßte Oberflächenbereich (18, 38) vor dem Meßvorgang einem den Strahlungsemissionsgrad beeinflussenden, insbesondere erhöhenden, Prozeß unterworfen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Beein flussung, insbesondere Erhöhung des Emissionsgrades, der Ober flächenbereich (18, 38) einer Laserstrahlung (14, 40) ausgesetzt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Beein flussung, insbesondere Erhöhung des Emissionsgrades der Oberflächen bereich (18, 38) der Strahlung eines Neodym-YAG-Lasers ausgesetzt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Oberflächenbereich (18, 38) eine Energieeinkopplung in das Teil (10, 30) zum Zwecke einer thermischen Behandlung erfolgt.

5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest der Oberflächenbereich (18, 38) nach dem Einwirken der Laser strahlung (14, 40) getempert wird.