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DICKENMESSVORRICHTUNG FÜR ZINNSCHICHTEN
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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen der Dicke der Zinnschicht
auf einem metallischen Blech, mit einer Einspannvorrichtung für das Blech, welche
Einspannvorrichtung das Blech an seinem Rand kreisringförmig flüssigkeitsdicht fasst,
mit einer Elektrolytkammer zu mindestens einer Seite des Blechs, mit einer elektrischen
Kontaktvorrichtung für das Blech, und mit einer an einer Halterung befestigten Kathode,
welche Kathode zur Mittenachse des kreisringförmig gefassten Blechs symmetrisch,
im Abstand von diesem Blech angeordnet ist und eine elektrische Zuleitung aufweist.
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Solche Vorrichtungen benötigt man z. B. um die Qualität von Konservenblech
beurteilen zu können. Zwischen der Kathode und dem Blech liegt ein Spannungsmessgerdt.
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In Reihe dazu eine Gleichstromquelle. Läßt man den Strom fließen,
dann bleibt die Spannung Uber der Zeit zundchst konstant. Wenn nun alles oder das
meiste Zinn abgelöst ist, erhöht sich die Spannung mit einem ersten Sprung, bleibt
von dort aus etwa
konstant und steigt dann wieder zu dem Zeitpunkt
in einem zweiten Sprung an, wenn auch die Diffusionsschicht des Zinns aus dem metallischen
Blech herausgelöst ist. Die Diffusionsschicht entsteht dadurch, daß das Zinn ja
nicht nur mit ganz klaren räumlichen Grenzen auf dem metallischen Blech aufliegt.
Vielmehr diffundiert ja das Zinn auch etwas in das metallische Blech hinein.
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Der erstgenannte Sprung ist leider kein Sprung mit unendlich hoher
Steigung. Vielmehr hat dieser Sprung die Gestalt eines gestreckten "S". Der Sprung
wird umso weniger definiert, je ungleichmäßiger die Zinnschicht abgelöst wird. Wird
die Zinnschicht in einem bestimmten Bereich wesentlich schneller als in anderen
Bereichen abgetragen, so tritt dort viel früher das blanke metallische Blech auf
und da doch Strom den Weg des geringsten Widerstands nimmt, werden die noch vorhandenen
Schichten kurzgeschlossen.
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Es entsteht zwar ein Sprung. Dessen zeitliches Auftreten ist jedoch
nicht repräsentativ für die Dicke der Zinnschicht. Selbst wenn etwa gleichzeitig
eine Mehrzahl von Inseln auftritt, bleibt restliches Zinn auf dem metallischen Blech
liegen und die Messung ist falsch. Man kann den Vorgang der Inselbildung auch sehen.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung der eingangs genannten
Art anzugeben, die sowohl billig ist als auch zu reproduzierbaren Ergebnissen führt
und mit der man erreichen kann, daß der erstgenannte Spannungssprung extrem steil
verläuft.
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Erfindungsgemd.ß wird diese Aufgabe durch folgende Merkmale gelöst:
a) Die Kathode hat die Form eines Kreisrings, dessen Ringebene parallel zum Blech
liegt.
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b) Es ist in der Elektrolytkammer eine Hilfselektrode vorgesehen,
die ebenfalls eine elektrische Zuleitung aufweist und an einer Stelle liegt, die
außerhalb eines von der Kathode aufsteigenden Bläschenstroms liegt.
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Durch die Merkmale des Anspruchs 2 erreicht man eine auch nach langer
Betriebszeit stets gleichbleibende Oberflächenqualität des Rings, die derjenigen
von Gold oder Silber sprunghaft überlegen ist.
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Durch die Merkmale des Anspruchs 3 kann man den Ring samt mechanischer
Befestigung und elektrischer Zuführung einstückig machen und zwar allein durch Biegen
ohne zusätzliche Technologie. Man vermeidet auch Lötstellen, die 2ersetzungsanfällig
wären, selbst wenn man Platin-Lot nimmt.
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Durch die Merkmale des Anspruchs 4 eneicht man, daß die Kupferzuleitung
überhaupt nicht in den Elektrolytbereich kommt. Der Mehrverbrauch an Platin-Draht
spielt dabei keine Rolle.
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Durch die Merkmale des Anspruchs 5 erreicht man, daß die Luftbläschen
vom Blech kurz nach ihrer Entstehung ferngehalten werden ohne die Geometrie des
Stromfeldes und Spannungsfeldes unsymmetrisch zu stören.
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Durch die Merkmale des Anspruchs 6 erreicht man wesentlich bessere
Symmetriebedingungen als bei viereckigen Trögen.
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Durch die Merkmale des Anspruchs 7 erreicht man, daß auch noch solche
Luftbläschen
abgeführt werden, die sich evtl. im obersten Scheitelbereich
bilden wUrden.
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Durch die Merkmale des Anspruchs 8 erreicht man, daß gleichzeitig
in einem einzigen Arbeitsgang beide Zinnschichtendicken gemessen werden können.
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Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung gehen aus der nachfolgenden
Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels hervor. In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 Ein Schaubild des prinzipiellen Spannungsanstiegs über der Zeit, Fig. 2 einen
schematischen Querschnitt durch die erfindungsgemäße Vorrichtung in explodierter
Darstellung, Fig. 3 die Vordersicht einer Kathode oder Hilfselektrode, Fig. 4 die
abgebrochene Seitenansicht zu Fig. 3, Fig. 5 einen Querschnitt durch eine Probe,
die Ubertrieben dick gezeichnet worden ist.
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Schaltet man bei Dickenmessvorrichtungen dieses Typs zum Zeitpunkt
t1 den Strom ein, sofort dann steigt die Spannung/auf einen Wert U1. Über der Zeit
t bleibt die Spannung U1 praktisch konstant, fängt dann wie gezeichnet bis zum Zeitpunkt
t9 an zu steigen auf schwach eine Spannung U2, steigt dann/etwa Ihear an, um nach
einem Sprung zur Zeit t3 die Spannung U3 zu erreichen.
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Man benötigt die Zeit von t1 bis t 2, da diese der Zinnschichtdicke
proportional ist.
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Zum Zeitpunkt t2 hat sich die interessierende Zinnschicht abgelöst.
Der daravffolgende Anstieg und Spannungssprung bis zur Zeit t3 rUhrt davon her,
daß auch die Diffusionsschicht noch abgelöst werden muß. Nach t3 bleibt die Spannung
wieder konstant.
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Bei den bekannten Vorrichtungen ist der Sprung bei t1 eine relativ
flache Flanke, so daß es nicht einfach ist, tl zu ermitteln. Ferner ist der Sprung
vor t2 flacher und es fällt deshalb auch schwer, t2 genau zu ermitteln. Insbesondere
eine automatische Auswertung von tl und t2 macht Schwierigkeiten. Mit der Erfindung
gelingt es, den Sprung vor t2 eher noch steiler als gezeichnet zu machen, da es
mit der Erfindung gelingt, die Zinnschicht völlig gleichmäßig abzutragen, so daß
von der einen Sekunde auf die andere am Schluß des Abtragungsvorgangs die Zinnschicht
vollständig verschwindet. Dies kann man auch mit dem Auge sehen: Von einer Sekunde
auf die andere wird die zunächst glänzende Schicht (das Zinn) matt, nämlich dann,
wenn das Eisen schlagartig unter der Zinnschicht sichtbar wird. Dies äußert sich
in einem steilen Spannungssprung vor t2.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst zwei Blockhälften 12, 11
aus durchsichtigem Kunstglas, die im wesentlichen rechtflachförmige Gestalt haben,
translatorisch aufeinander zu und voneinander weg bewegbar sind durch eine nicht
dargestellte Vorrichtung und im aneinander gepreßten Zustand einen Würfel bilden.
In die ebene Innenfläche 13 ist ein halbkugeliger Hohlraum 14 koaxial zur geometrischen
Längsachse 16 eingebracht.
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Die Oberflächenbearbeitung ist so, daß man in den Hohlraum 14 von
außen hineinschauen kann. Mit geringem radialen Abstand zum Umfangsrand 17 ist in
der Innenfläche 13 koaxial zur Längsachse 16 eine Halbrundnut 18 für einen GRing
19 vorgesehen, der mit der Blockhälfte 11 als Gegenlager flüssigkeitsdicht gegen
eine Probe 21 gedrückt werden kann. Radial senkrecht von oben und im Abstand von
der Innenfläche 13 ist in die Blockhälfte 12 eine Zylinderbohrung 22 erheblichen
Durchmessers eingebacht, deren unterster Randbereich weit in den Hohlraum 14 hineinreicht.
In diese Zylinderbohrung 22 ist ein Kunstglasrohr 23 hineingesteckt, dessen unterer
Rand 24 senkrecht zur Längsachse des Kunstglasrohres 23 abgeschnitten ist. Wie gezeichnet
hat das Kunstjasrohr 23 einen Abstand
26 von der Innenfläche 13
und geht rechts in die Wand des Hohlraums 14 Uber.
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Nahe des Umfangrands 17 in dessen nördlichster Region ist ein schräger
Stichkanal 27 in die Blockhälfte 12 hineingebohrt, der knapp hinter dem Umfangsrand
17 unten endet und oben seine Fortsetzung im Kunstgiasrohr 23 findet und damit mit
dem Inneren des Kunstglasrohres*23 kommuniziert.
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Koaxial zur Längsachse 16 ist in der Blockhälfte 12 eine Zylinderbohrung
28 vorgesehen, in der flüss gkeitsdicht ein Stöpsel 29 steckt. Dieser Stöpsel 29
wird koaxial von einer elektrischen Zuleitung 31 durchquert. Bei der Zuleitung 31
ist das Kabel 32 aus Kupfer und mit einer Lötstelle 33 - oder aber auch mit einer
anderen Verbindungsart - mit einem Platin-Draht 34 elektrisch leitend verbunden,
der koaxial zur Längsachse 16 flüssigkeitsdicht im Stöpsel 29 ist. Am linken Ende
des Stöpsels 29 tritt der Platin-Draht 34 wieder heraus und ist dort zu einer Kathode
36 gebogen. Deren Gestalt ist genau in Fig. 3 und 4 dargestellt. Der Platin-Draht
34 geht nach einem Knick 37 einstückig in einen geraden Stiel 38 über und ist dann
nach einem weiteren Knick 39 nach einer Abbiegung von rund 120 ° zu einem Ring 41
gebogen, der kreisrund ist und direkt vor dem Knick 39 stumpf endet.
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Unterhalb der Zylinderbohrung 28 ist nochmals eine Zylinderbohrung
42 vorgesehen, in der ein Stöpsel 43 flussigkeitsdicht steckt. Auch hier ist eine
Zuleitung 44 vorgesehen, die links in eine Hilfselektrode 46 übergeht, die genauso
hergestellt ist und etwa die gleichen Abmessungen hat, wie die Kathode 36.
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Ganz unten in der Blockhälfte 12 ist noch eine elektrische Zuleiturlg
47 vorgesehen, die links mit einer gefederten Spitze 48 aus der Innenfläche 13 heraustritt.
Die Spitze 48 macht im geschlossenen Zustand des Systems mit dem äußeren Randbereich
der Probe 21 galvanisch Kontakt.
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Im unteren Bereich des Hohlraums 14 ist eine Flussigkeitsbohrung 49
vorgesehen, die in einen Plastikschlauch 51 flüssigkeitsdicht übergeht, der durch
eine Schlauchklemme 52 sowohl flüssigkeitsdicht als auch - wenn er Elektrolyt enthalt
- galvanisch sperrend abgeklemmt werden kann.
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Spiegelbildlich zur Mittenebene der Probe 21 ist die Blockhöfte 11
genauso gestaltet wie die Blockhälfte 12, so daß deren Elemente nicht weiter beschrieben
werden. Eine solche Blockhälfte 11 empfiehlt sich, wenn man gleichzeitig aber voneinander
unbeainflußt eine Probe 21 messen will, bei der auf beiden Seiten vom Blech 53 jeweils
eine Zinnschicht54, 56 vorhanden ist Einige typische Maße bei der erfindungsgemäßen
Vorrichtung sind folgende: Die Probe 21 hat einen Durchmesser von etwa 46 Millimetern.
Es kann aber auch z. B. 46 Millimeter breites Bandmaterial gemessen werden. Der
Durchmesser des Platin-Drahts ist 2 Millimeter.
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Der Durchmesser des Rings 41 ist 9 Millimeter. Der Abstand der Kathode
36 von der Probe 21 ist 15 Millimeter.
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Mit der Erfindung arbeitet man wie folgt: Zwischen die Zuleitungen
32 und 47 legt rnan eine Stromquelle, die die eigentliche Arbeit zum Abtragen der
Zinrlschicht leitet Zwischen die Zuleitung 44 und 47 legt man die Auswerteelektronik,
die unter ullrlerenr
die durch Fig. 1 gegebenen Tatsachen berücksichtigt.
Wenn derdektrolytische Prozeß in Gang-kommt, dann bilden sich-an der Kathode 36
Gasbläschen, während die Hilfselektrode 46 vollstundig frei von Gasbläschen bleibt.
Da die Kathode 36 aus einem relativ dünnen PlatinPraht 34 besteht, jedoch nur einen
Ring bildet, können sich bei ihr kleine Gasbläschen nur bis zu einem bestimmten
Maße zu größeren Gasbläschen zusammenschließen. Es ist also nicht möglich, daß große
Gasblasen nach oben aufsteigen und damit eine sehr unerwünschte Turbulenz im Elektrolyten
verursachen. Diese Turbulenz könnte verursachen, daß an bestimmten Stellen die Zinnschicht
schneller abgelöst wird als an anderen, so daß der Übergang vor t2 nicht so steil
wäre. Insbesondere wird eine Erscheinung vermieden, die bei flächigen Elektroden
unvermeidlich ist: Hier rutschen die unten sich bildenden Gasbläschen an der Bektrodenfläche
nach oben und vereinigen sich in ihrem Aufwärtsrutschen mit immer weiteren Gasbläschen,
so daß am Schluß am oben Rand eine große Gasblase sich unter Wirbelbildung ablöst.
Bei der Erfindung gibt es sogar nur eine geringe Wahrscheinlichkeit dafür, daß die
vom unteren Bereich des Rings 41 aufsteigenden Gasblasen vom oberen Bereich des
Rings 41 gefangen werden.
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Die unvermeidlich auftretenden Gasbläschen sind nicht nur klein und
damit in der Turbulenz ungefährlich. Vielmehr werden sie auch noch von dem knapp
oberhalb der Elektrode 36 beginnenden Kunstglasrohr 23 aufgefangen und nach oben
herausgeleitet und an die Probe 21 gelangt daher keine Turbulenz. Das Kunstglasrohr
23 stört auch die Feldverteilung im Hohlraum 24 nicht.
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Um auch evtl. nicht eingefangene Gasbläschen schlußendlich abzuleiten,
ist der Stichkanal 27 vorgesehen, dessen unteres Ende so nah wie nur irgend möglich
an den Umfangsrand 17 geführt ist.
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Die Schlauchkiemme 52 ist bei gleichzeitigem Betrieb beider Blockhälften
11, 12 notwendig, da sonst der Elektrolyt als Kurzschlußpfad zwischen den Blockhälften
11, 12 dienen wurde.