DE69224193T2 - Kapazitiever sensor zum schichtdickenmessen - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft kapazitive Sensoren zum Messen der Dicke von Filmen.
• Die Grundregeln der kapazitiven Filmdickenmessung sind weithin bekannt. Der Film gleitet über eine Anordnung von Meßelektroden, die eine Seite der Filmoberfläche berühren. Das kapazitive Randfeld der Elektroden wölbt sich durch den Film und wieder zurück und die Kapazität der Elektrodenanordnung wird im Verhältnis zu dem Wert der Dielektrizitätskonstante des Films und seiner Dicke erhöht. Diese Kapazitätsveränderung wird durch eine geeignete, im Stand der Technik weithin bekannte elektronische Schaltung abgetastet und in ein geeignetes Signal umgewandelt, das auf die Filmdicke schließen läßt. Derartige Sensoren messen die Dicke nicht absolut, da der Wert der Dielektrizitätskonstante des Films in der Praxis nicht bekannt ist und sich mit der Temperatur verändern kann. Deshalb wird der Sensor durch Abgleichen des Verstärkungsgrads eines elektronischen Verstärkers, der mit dem Sensor verbunden ist, kalibriert, bis die kapazitive Messung mit der eines absoluten Meßinstruments zusammenpaßt, wie beispielsweise eines Mikrometers. Einmal kalibriert, kann der Sensor die Filmdicke mit einem hohen Genauigkeitsgrad messen und ist so in der Lage, beispielsweise eine Rückkopplung zum Steuern/Regeln eines Filmerzeugungsverfahrens bereitzustellen.
• Damit die Sensoren Messungen von wiederholbarer Genauigkeit liefern, müssen die Elektroden und der Film in fester Beziehung zueinander bleiben, da ihre Relativbewegung sich auf die Kapazitätsablesungen auswirken würde. Ferner müssen der Sensor und der Film aufgrund der schnellen Abnahme der intensität des kapazitiven Feldes mit Abstand von den Elektroden recht nahe zueinander gehalten werden. Dies bedeutet, daß in der Praxis entweder die Elektroden der Sensoren des Stands der Technik den Film direkt berühren müssen oder, daß die Sensoren Führungsvorrichtungen aufweisen müssen, die den Film berühren, welche Führungsvorrichtungen die Elektroden und den Film in einem festen und kurzen Abstand auseinander halten. Es wäre unpraktisch, die Sensoren des Stands der Technik genau in einem festen Abstand von dem Film zu halten, ohne Berührungsvorrichtungen zu verwenden und in vielen Fällen, wie beispielsweise, wenn die Filmdicke einer Druckblase gemessen wird, muß der Punkt an der Filmoberfläche, an dem der Sensor seine Ablesungen machen soll, geringfügig aus seiner normalen Gestalt deformiert werden, so daß der Film in einer konstanten Entfernung über den Elektrodenoberflächen bleiben kann. Wenn man den Sensor lediglich außer Kontakt mit der Filmblase halten soll, dann würden die konvexe Gestalt der Filmoberfläche und Veränderungen ihrer Position eine nicht konstante Spaltweite erzeugen.
• Obwohl derartige Kontaktsensoren für viele Materialien, die zur Filmerzeugung verwendet werden, befriedigend sein kännen, wie beispielsweise Hochdruckund Niederdruck-Polyethylene und einige Polypropylene und PVC-Arten, sind die Sensoren zum Messen mehrerer Filme, wie beispielsweise eines Films mit klebriger Oberfläche, der nicht leicht über die Elektroden oder Führungsvorrichtungen gleitet, und eines BOPP-Films (biaxial orientierte Polypropylene), der als optisch klar verkauft wird und leicht zu zerkratzen ist, ungeeignet.
• Desweiteren scheiden einige Kunststoffe geringe Festkörper oder Flüssigkeitsmengen aus, die an den Kontaktelektrodenoberflächen oder an den Führungsvorrichtungen abgelagert werden kännen und die kapazitiven Ablesungen verändern können.
• Die WO-A-91/15730, die DE-A-36 12 914 und die EP-A-78095 offenbaren Systeme zum Messen der Dicke von Materialien, indem sie durch das Hauptfeld eines Paars von gegenüberliegenden Elektroden hindurchgeführt werden, d.h. mit einer an jeder Seite des Materials angebrachten Elektrode, und offenbaren die Verwendung von Luftkissen zwischen den Elektroden und dem Material. Die US-A-4498045 offenbart eine Vorrichtung zum Bestimmen der Oberfächenkonturen einer piezoelektrischen Platte, bei dem die Platte auf einer geerdeten Basis angebracht ist und eine Elektrode quer zur Oberseite der Platte kontaktlos bewegt wird.
• Die vorliegende Erfindung stellt einen Sensor und ein Verfahren zum kontaktlosen Messen der Dicke eines Films oder einer Lage bereit, wie in den Ansprüchen 1 und 1 6 definiert.
• Die Gasschicht stellt ein Schutzkissen zwischen dem Film und der Elektrodenanordnung des Sensors bereit und ermöglicht, daß die Entfernung zwischen dem Film und dem ensor klein und konstant ist, während sichergestellt wird, daß kein Kontakt zwischen dem Sensor und dem Film hergestellt wird. Dieses Fehlen eines direkten Kontakts und die Fähigkeit, einen kleinen konstanten Trennabstand bereitzustellen, ermöglicht die Verwedung des Sensors mit klebrigen Filmen, verhindert ein Verkratzen des Films und verhindert die Bildung von Ablagerungen an den Elektroden.
• Wird der Sensor ferner an einem Film in Form einer Druckblase verwendet, beispielsweise bei der Online-Prüfung der Herstellung eines BOPP-Films, kann der Sensor die Gestalt des Films deformieren, um ihn an die der Elektroden anzupassen, wobei der Druck der Schutzgasschicht den Druck innerhalb der Filmblase ausgleicht.
• Der Druck des Gases, das dem Sensor zugeführt wird, und die Gesamtquerschnittsfläche der Gasauslaßmittel legen die Durchschnittsgasschichtdicke fest, so daß beispielsweise der Luftdruck, der einem Sensor zugeführt wird, im Bereich von 6,9 KPa (1 psi) liegen kann, wobei die Gasauslaßmittel eine Beschränkunq bereitstellen, um den Druck auf einen Wert zu senken, der mit dem der Filmbase übereinstimmt. Der Filmblasendruck ist im vorstehenden Fall typischerweise unter 10 mm Wassersäule und das meiste des Drucks der Gasschicht fällt über den Bereich der Gasauslaßmittel. Wenn sich die Gaslücke lokal weitet, ist der Druck der Gasschicht an diesem Punkt geringer und der Film wird zu dem Sensor gedrückt. Ein derartiges System ist deshalb selbstausgleichend und neigt dazu, eine gleichförmige Gasschichtdicke zwischen dem Film und dem Sensor beizubehalten.
• Die Verwendung einer Mittelelektrode, die von einer Außenelektrode umgeben ist, ermöglicht eine kompakte und empfindliche Vorrichtung.
• Die Gasauslaßmittel umfassen vorzugsweise eine Anzahl von Öffnungen, die um die Mittelelektrode angeordnet sind und vorteilhafterweise in der Außenelektrode ausgebildet sein können. Es wäre jedoch möglich, daß die Öffnungen anderswo ausgebildet sind, beispielsweise in einem zwischen den Elektroden vorgesehenen Isolator oder zwischen den Elektroden selber.
• Bei einer Anordnung des Sensors sind die Mittel- und Außenelektroden an einer Rückplatte angebracht, wobei die Mittelelektrode die Form eines zylindrischen Stabs aufweist, der sich von der Rückplatte erstreckt, und die Außenelektrode ein Gehäuse um die Mittelelektrode herum bildet, um eine Innenringkammer zu bilden. Die Elektroden sind durch einen Isolator bei der Fühloberfläche des Sensors getrennt und eine Elektronik für den Sensor kann an der Rückplatte angebracht sein. Wenn der Sensor diese Form annimmt, kann das unter Druck gesetzte Gas über die Innenringkammer den Gasauslaßmitteln zugeführt werden. Diese Anordnung weist jedoch den Nachteil auf, daß Öl- und Wasserschmutzstoffe aus dem Gas die Verbindungen zwischen der Elektronik kurzschließen und trennen können, da sich die Verbindungen an der Oberfläche der Rückplatte befinden, die der Innenkammer zugewandt ist. Deshalb kann es notwendig sein, Extravorsichtsmaßnahmen, wie Filter, vorzusehen.
• Bei einer bevorzugten Ausbildung umfaßt die Außenelektrode eine innenhaut und eine Außenhaut, zwischen denen ein Gasdurchlaß zur Versorgung der Gasauslaßmittel mit Druckgas festgelegt ist. Dies bietet den Vorteil, daß das Gas die elektrischen Verbindungen umgeht und so Vorsichtsmaßnahmen, wie ein Filtern der Gaszufuhr nicht so wichtig sind. Überdies kann die Außenhaut derart ausgeführt sein, daß sie von der innenhaut entfernbar ist, beispielsweise indem sie über ein Schraubengewinde mit der Innenhaut verbunden ist. Dieses macht den Gasdurchlaß zu Reinigungszwecken leicht zugänglich.
• Bei einer bevorzugten Ausbildung umfassen die Gasauslaßmittel eine ringförmige Öffnung zwischen den Außen- und Innenhäuten der Außenelektroden, obwohl sie gleichermaßen Öffnungen umfassen können. Vorzugsweise weist der Gasdurchlaß eine größere Querschnittsfläche als die Gasauslaßmittel auf, um zu ermöglichen, daß sich der lnnengasdruck und der Gasdruck der Schicht stabilisieren.
• Vorzugsweise wird das Gasauslaßmittel mit einem regulierten Druck versorgt. Dies kann erreicht werden, indem ein Drucksensor eingesetzt wird, um den Druck des Gases zu erfassen, das den Gasauslaßmitteln zugeführt wird und eine Quelle von Druckgas in Abhängigkeit von dem erfaßten Druck zu steuern/regeln.
• Alternativ kann ein Druckregulator, z.B. ein federbelastetes Ventil, in den Sensor eingebaut werden.
• Vorzugsweise ist die Fühloberfläche des Sensors, die im Gebrauch dem Film zugewandt ist, von dem Film weg gewölbt, wenigstens im Randbereich dieser Oberfläche, um der Deformation des Films in dem Gasstrom Rechnung zu tragen, die zum Zentrum der Gasschicht hin dazu neigt, größer zu sein.
• Erfindungsgemäße Sensoren können an vielen Filmarten verwendet werden und überall dort, wo ein direkter Kontakt mit einem Film unerwünscht ist. Die Elektroden können in einer Reihe von Arten angeordnet sein und jede eine Vielzahl von Gestalten annehmen, wie oval oder rechtwinklig.
• Wo der Film die Gestalt einer ebenen steifen Lage hat, die sich nicht biegen kann, um sich an die Sensorelektroden anzupassen, und deshalb keinen guten Kontakt eingeht, kann vorteilhafterweise ein erfindungsgemäßer Sensor verwendet werden, vorzugsweise mit Elektroden, die ebene Fühloberflächen und flexible Befestigungsbügel aufweisen, da er auf der Oberfläche dieser ebenen Lage gleiten würde und die Elektroden würden parallel zu der Oberfläche der Lage bleiben, selbst wenn der Sensor selbst in einem Winkel geneigt wäre. Ferner würde das Nichtvorhandensein von Reibung Drehmomente daran hindern, die Stabilität des Sensors zu stören.
• Ausführungsformen der Erfindung werden nun lediglich beispielsweise mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in welchen:
• Figur 1 eine Querschnittsansicht eines Sensors gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt; und
• Figur 2 eine Querschnittsansicht eines Sensors gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
• Wendet man sich zuerst Figur 1 zu, umfaßt der Sensor 1 eine Mittelelektrode 2, eine Außenelektrode 3, einen Isolator 4 und eine Rückplatte 5, auf der eine elektronische Schaltung 6 angebracht ist, die über Leiterbahnen 7 verbunden ist.
• Die Mittelelektrode 2 erstreckt sich von der Rückplatte 5 und ist an ihrer Rückplattenbefestigung mit der Sensorelektronik 6 verbunden. Die Mittelelektrode 2 weist einen zylindrischen Abschnitt 2a sowie einen erweiterten Fühloberflächenabschnitt 2c auf. Der zylindrische Abschnitt 2a weist ein Innengewinde (nicht gezeigt) auf, mit dem er über eine Schraube 20 an der Rückplatte 5 gesichert werden kann.
• Die Außenelektrode 3 bildet das Gehäuse des Sensors 1 und umfaßt eine Fühloberfläche 3a, die sich um die Fühloberfläche 2c der Mittelelektrode erstreckt, sowie einen Wandabschnitt 3b, der beispielsweise durch Schraubengewinde oder Bolzen mit einem Sicherungsring 3c verbunden ist, um so die Rückplatte 5 dazwischen schichtweise anzuordnen. Die Außenelektrode 3 ist verbunden, um über einen ringförmigen Kontakt (nicht gezeigt), der zwischen dem Ende des Wandabschnitts 3b und der Rückplatte 5 angeordnet ist, zu erden.
• Luftauslaßmittel sind durch Öffnungen 8 vorgesehen, die in der Außenelektrode 3 ausgebildet sind und radial um die Mittelelektrode 2 angeordnet sind. Die Öffnungen 8 sind mit einer Innenkammer 9 verbunden, die durch die Mittel- und Außenelektroden 2, 3 festgelegt ist. Über eine Einlaßöffnung 10 wird dem Sensor 1 Luft zugeführt und die Luft strömt über die Kammer 9 durch die Öffnungen 8, um eine Luftschicht 11 zwischen dem Sensor 1 und dem Film 12 zu erzeugen, dessen Dicke gemessen wird.
• Die Luftschicht 11 verhindert einen Kontakt mit dem Film 12 und dient ferner dazu, einen konstanten Zwischenraum zwischen den Sensorelektrodenoberflächen 2c, 3a und dem Film 12 beizubehalten.
• Sowohl die Mittelelektrodenfühloberfläche 2c als auch die Außenelektrodenfühloberfläche 3a sind gewölbt.
• Wendet man sich nun Figur 2 zu, ist der gezeigte Sensor in vieler Hinsicht dem Sensor von Figur 1 ähnlich. Deshalb werden die gleichen Bezugszeichen für gleiche Elemente verwendet.
• Bei dieser Ausführungsform umfaßt die Außenelektrode 3 eine Innenhaut 13 und eine Außenhaut 14, zwischen denen ein ringförmiger Luftdurchlaß 15 festgelegt ist, welchem über einen Einlaß 16 Luft zugeführt wird und welcher bei Luftauslaßmitteln endet, die eine ringförmige Öffnung 17 umfassen, die die Fühloberfläche 13a der Innenhaut 13 umgibt. Der Sensor 1 arbeitet auf die gleiche Weise wie bei der letzten Ausführungsform, jedoch wird verhindert, daß die Druckluft die in der Kammer 9 angebrachten Leiterbahnen 7 berührt.
• Um zu ermöglichen, daß sich der Innendruck ausgleicht und um einen gleichförmigen Luftvorhang zu erzeugen, ist die Querschnittsfläche des Luftdurchlasses 15 viel größer als die der ringförmigen Öffnung 17. Somit sehen die Luftauslaßmittel eine Begrenzung in dem Luftstrom vor.
• Auch bei dieser Ausführungsform weist die Wölbung der Fühloberfläche 2c der Mittelelektrode 2 einen viel größeren Radius auf als bei der ersten Ausführungsform Bei jeder Ausführungsform könnte die Fühloberfläche 2c selbst unter gewissen Umständen eben sein.
• Bei beiden Ausführungsformen ist der dem Sensor zugeführte Luftdruck zwischen etwa 6,9 bis 20,7 KPa (1 bis 3 P5i) reguliert, um einen kleinen konstanten Luftspalt zwischen dem Sensor 1 und dem Film 11 beizubehalten. Der Druck wird auf einen Wert eingestellt, daß er gerade das Niveau überschreitet, bei dem ein direkter physischer Kontakt mit dem Film verloren ist und obwohl dies einen Messungsempfindlichkeitsverlust im Bereich von zwischen etwa 10 bis 20 % zur Folge hat, kann dies wieder hergestellt werden, indem die Kalibrationsempfindlichkeit der mit dem Sensor verwendeten elektronischen Schaltung eingestellt wird.
• Hinsichtlich der elektronischen Schaltung 6 sind viele Schaltungen zum Messen der Kapazität bekannt. Beispielsweise können die Fühlelektroden den Frequenzbestimmungskondensator einer Oszillatorschaltung bilden, wobei eine Bezugsoszillatorschaltung eine ähnliche induktivität aufweist, wie die erste Oszillatorschaltung und eine Frequenz aufweist, die während eines Selbsteichungszykluses durch eine Diode mit variabler Kapazität fixiert ist. Bei diesem Beispiel überwacht ein Computer während des Selbsteichungszykluses die Schwebungsfrequenz zwischen den zwei Oszillatoren, während sich kein Film zwischen den Elektronen befindet und steuert/regelt dann die Spannung an der Diode mit variabler Kapazität, um eine niedrige Anfangsschwebungsfrequenz zu erhalten. Während dem Meßzyklus wird die Rückkopplungsspannung zu der Diode mit variabler Kapazität konstant gehalten und die Schwebungsfrequenz steigt mit der Dicke des gemessenen Films. Natürlich können andere Techniken wie die Verwendung einer Wechselstrombrücke, angewendet werden.

Claims (21)

1. Kapazitiver Sensor (1) für das berührungslose Messen der Dicke eines Films oder einer Lage (12), wobei der Sensor (1) umfaßt:

eine Mittelelektrode (2) und eine Außenelektrode (3), die die Mittelelektrode (2) umgibt, wobei die Kapazität zwischen den Elektroden (2, 3) von dem Vorhandensein eines Films oder einer Lage (12) in dem kapazitiven Randfeld der Elektroden (2, 3) abhängt;

Gasauslaßmittel (8, 17) zum Bereitstellen einer Schicht von Druckgas (11) zwischen dem Sensor (1) und dem Film oder der Lage (12) im Gebrauch, wenn Gas den Auslaßmitteln (8, 17) zugeführt wird; und elektronische Mittel (6) zum Bestimmen der Dicke des Films oder der Lage (12) aus einer Kapazität, die zwischen den Elektroden (2, 3) gemessen wird, wenn der Film oder die Lage (12) durch die Schicht von Druckgas (11) von den Elektroden (2, 3) weggehalten wird.

2. Sensor nach Anspruch 1, bei welchem die Gasauslaßmittel (8, 17) eine Begrenzung in dem Gasstrom vorsehen.

3. Sensor nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei welchem die Mittelelektrode (2) kreisförmig ist.

4. Sensor nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, bei welchem die Gasauslaßmittel mehrere Öffnungen (8) aufweisen, die um die Mittelelektrode (2) herum angeordnet sind.

5. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Gasauslaßmittel (8, 17) in der Außenelektrode (3) ausgebildet sind.

6. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Elektroden (2, 3) durch einen Isolator (4) an der Fühloberfläche (2c, 3a) des Sensors (1) getrennt sind.

7. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Mittel- und Außenelektroden (2, 3) an einer Rückplatte (5) angebracht sind, wobei die Mittelelektrode (2) die Form eines zylindrischen Stabs (2a) aufweist, der sich von der Rückplatte (5) erstreckt, und die Außenelektrode (3) ein Gehäuse um die Mittelelektrode (2) herum bildet, um eine lnnenringkammer (9) festzulegen.

Sensor nach Anspruch 7, bei welchem das Druckgas den Gasauslaßmitteln (8, 17) über die lnnenringkammer (9) zugeführt wird.

9. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei welchem die Außenelektrode (3) eine Innenhaut (13) und eine Außenhaut (14) umfaßt, zwischen denen ein Gasdurchlaß (15) zum Versorgen der Gasauslaßmittel (17) mit Druckgas festgelegt ist.

10. Sensor nach Anspruch 9, bei welchem die Außenhaut (14) derart ausgeführt ist, daß sie von der Innenhaut (13) entfernbar ist.

11. Sensor nach Anspruch 9 oder 10, bei welchem die Gasauslaßmittel eine Ringöffnung (17) zwischen den Außen- und Innenhäuten (13, 14) der Außenelektrode (3) umfassen.

12. Sensor nach Anspruch 9, 10 oder 11, bei welchem der Gasdurchlaß (15) eine größere Querschnittsfläche aufweist als die Gasauslaßmittel (17).

13. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Fühloberfläche (2c, 3a) des Sensors (1), die dem Film oder der Lage (12) zugewandt ist, in Gebrauch wenigstens im Randbereich (2c) dieser Oberfläche (2c, 3a) von dem Film oder der Lage (12) weggewölbt ist.

14. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 12, bei welchem der Sensor (1) Elektroden (2, 3) umfaßt, die ebene Fühloberflächen (2c, 3a) und flexible Befestigungsbügel aufweisen.

15. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend Mittel zum Regulieren des Drucks von Gas, das den Gasauslaßmitteln (8, 17) zugeführt wird.

16. Verfahren zum kapazitiven Messen der Dicke eines Films oder einer Lage (12), ohne den Film oder die Lage (12) zu berühren, wobei das Verfahren die Schritte umfaßt:

Anordnen eines kapazitiven Sensors (1) benachbart einer Oberfläche des Films oder der Lage (12), wobei der Sensor (1) eine Fläche aufweist, die dem Film oder der Lage (12) gegenüberliegt, und eine Mittelelektrode (2) und eine Außenelektrode (3) aufweist, die die Mittelelektrode (2) umgibt;

konstantes Durchführen von Druckgas zwischen dem Film oder der Lage (12) und den Elektroden (2, 3) des kapazitiven Sensors (1), um den Film oder die Lage (12) und die Elektroden (2, 3) in einem eingestellten Abstand voneinander entfernt zu halten; und

Bestimmen der Dicke des Films oder der Lage (12) durch Erfassen einer Veränderung in der Kapazität in dem Randfeld zwischen den Elektroden (2, 3), wenn der Sensor (1) benachbart zu dem Film oder der Lage (12) angeordnet wird.

17. Verfahren nach Anspruch 16, bei welchem Gas durch Gasauslaßmittel (8, 17) bereitgestellt wird, die in oder zwischen den Elektroden (2, 3) des Sensors (1) vorgesehen sind.

18. Verfahren nach Anspruch 17, bei welchem die Gasauslaßmittel (8, 17) eine Begrenzung in dem Gasstrom vorsehen.

19. Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, bei welchem Gas bei einem regulierten Druck den Gasauslaßmitteln (8, 17) zugeführt wird.

20. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 19, umfassend den Schritt des Formens des Films oder der Lage (12) zu einem Teil einer Blase, wobei der Sensor (1) benachbart der Oberfläche der Blase (12) angeordnet wird.

21. Verfahren zum Online-Prüfen der Erzeugung eines Films oder einer Lage, wobei das Verfahren das Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 20 anwendet.