CN107532883A - 用于测量条状体的直径和/或壁厚的设备和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于测量条状体的直径和/或壁厚的设备，所述条状体在横截面中基本上是圆形的并借助导向机构沿其纵轴线的方向被引导通过所述设备，所述设备包括至少一个用于发射太赫兹辐射的发射器，设有至少一个辐射光学器件，该辐射光学器件将由发射器发射的太赫兹辐射引导到被引导通过所述设备的条状体上，与至少一个发射器相对置地沿由至少一个发射器发射的太赫兹辐射的发射方向在条状体后面设置用于太赫兹辐射的反射器，所述设备还包括至少一个接收器，该接收器用于接收由所述至少一个发射器发射的并且在条状体上和/或反射器上反射的太赫兹辐射，并且所述设备还包括评价装置，所述评价装置设置成，借助由所述至少一个接收器接收的测量信号确定条状体的直径和/或壁厚。此外，本发明还涉及一种相应的方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于测量条状体的直径和/或壁厚的设备和方法，所述条状体在横截面中基本上是圆形的。已知超声测量装置用于测量条形物体、例如电缆、软管或管的壁厚。超声测量装置的缺点的是要求要测量的条状体与接触介质发生接触。所述介质(通常是水)的密度、温度以及质量对测量结果有很大的影响。此外，这种超声测量装置的测量结果与条状体的温度、尤其是与要测量的壁厚有关。此外，已知的超声测量仪器不能给出关于条状体的直径或不圆度信息。发泡的或部分发泡的产品对于超声波有过高的吸收率并且因此同样不能用超声测量仪器测量。
背景技术
还已知所谓的太赫兹测量仪器，在这些太赫兹测量仪器中发射器发射在大约0.05太赫兹至3太赫兹的频率范围内的太赫兹辐射，所述辐射在要测量的产品上反射并且经反射的辐射由合适的接收器接收。当然，利用已知的太赫兹测量仪器仅能测量平面的产品、例如板件的距离或壁厚。为此，太赫兹辐射被聚焦到要测量的板件的表面上。用于确定距离或壁厚的反射测量因此较为简单。当然，如果应利用这种测量仪器测量圆柱形的条状产品、即例如线缆、管或软管的直径或壁厚，则需要校正(Nachführung)传感器，以便实现最佳地聚焦到要测量的条状体的表面上。这特别适合于要测量条状体具有可变直径的情况。这会带来很高的测量技术上的花费。此外，不利的是，对于要测量的条状体的每个曲率半径都要重新适配用于评价测量信号的算法。这会带来很高的评价技术上的花费。此外，尤其是对于(部分)透明的条状体存在对多次反射的辐射分量进行评价的问题。
发明内容
从所述的现有技术出发，本发明的任务是，提供一种开头所述类型的设备和方法，利用该设备和方法能够以在测量技术上以及评价技术上简单的方式可靠地并且在外部参数、如温度的影响尽可能小的情况下测量在横截面中基本上为圆形的条状体的直径和/或壁厚。
本发明通过独立权利要求1和14的技术方案来解决所述任务。有利的实施方案在从属权利要求、说明书和附图中给出。
一方面，本发明通过一种用于测量条状体的直径和/或壁厚的设备来解决该任务，所述条状体在横截面中基本上是圆形的并借助导向机构沿其纵轴线的方向被引导通过所述设备，所述设备包括至少一个用于发射太赫兹辐射的发射器，设有至少一个辐射光学器件，所述辐射光学器件将由所述发射器发射的太赫兹辐射引导到被引导通过所述设备的条状体上，与至少一个发射器相对置地在由至少一个发射器发射的太赫兹辐射的发射方向上在条状体后面设置用于太赫兹辐射的反射器，所述设备还包括至少一个接收器，用于接收由所述至少一个发射器发射的并在所述条状体上和/或在所述反射器上反射的太赫兹辐射，并且所述设备包括评价装置，所述评价装置设置成，借助由所述至少一个接收器接收的测量信号来确定条状体的直径和/或壁厚。
此外，本发明通过一种用于测量条状体的直径和/或壁厚的方法来解决所述任务，所述条状体在横截面中基本上是圆形的，在所述方法中条状体沿其纵轴线的方向被引导通过所述设备，此外在所述方法中，由至少一个发射器发射太赫兹辐射，通过至少一个辐射光学器件将由所述至少一个发射器发射的太赫兹辐射引导到被引导通过所述设备的条状体上，其中，由至少一个发射器发射的太赫兹辐射由条状体和/或由至少一个与所述至少一个发射器相对置并且在所发射的太赫兹辐射的辐射方向上位于条状体后面的反射器反射并且由至少一个接收器接收，并且在所述方法中借助由所述至少一个接收器接收的测量信号来确定条状体的直径和/或壁厚。
按照本发明测量的条状体基本上是圆柱形的并且利用导向机构被引导通过所述设备。尤其是在条状体与设备的发射器和接收器之间沿条状体的轴向方向进行相对运动。例如所述条状体可以通过导向机构或导向机构的适当驱动器沿条状体的纵轴线的方向被引导通过或移动通过所述设备或者说发射器或接收器。所述导向机构可以是按照本发明的设备的一部分或是与所述设备分开的，例如是用于制造和/或加工条状体的较大设备的部件。所述发射器和接收器或辐射光学器件尤其是这样定向，使得发射器和接收器或辐射光学器件的光轴基本上垂直于条状体的纵轴线。就是说，此时由发射器发射的太赫兹辐射通过辐射光学器件基本上垂直地被引导到条状体上。条状体可以由多个壁区段构成。这些壁区段可以分别构造成基本上是圆柱形的或空心圆柱形的。个别或所有壁区段可以对于太赫兹辐射是(部分)可透过的。
所述至少一个发射器发射太赫兹辐射，该太赫兹辐射相应地由所述至少一个接收器接收。由所述至少一个发射器发射的太赫兹辐射的可能的频率范围为0.05太赫兹至3太赫兹。发射器和接收器与评价装置尤其是通过合适的线路连接。所述评价装置也可以操控所述至少一个发射器和/或所述至少一个接收器。所述评价装置尤其是可以操控所述至少一个发射器，以发射太赫兹辐射。因此，所述评价装置获知可能的传播时间测量的开始时刻。根据接收器接收到反射的信号并将该反射信号传输给评价装置的时刻，可以通过评价装置确定在要测量条状体上和/或反射器上反射的太赫兹辐射的传播时间。
与至少一个发射器相对置地在由发射器发射的太赫兹辐射的辐射方向上在条状体的后面设置用于太赫兹辐射的反射器。所述反射器可以是圆柱形拱曲的反射器，该反射器的纵轴线沿被引导通过所述设备的条状体的纵轴线方向延伸。此时，反射器的曲率中点尤其是与要测量条状体的曲率中点重合。就是说，此时空心圆柱形反射器的焦线与条状体的纵轴线重合并且可以与太赫兹辐射的焦线重合。反射器增强测量信号，因为也可以对通过所述反射器导回到接收器的信号进行评价。此外，反射器还允许更好地区分尤其是在多次反射时由所述一个接收器或所述多个接收器接收的不同测量信号。因此，反射器允许分开地对条状体的朝向或背离发射器/接收器的前侧和后侧进行评价并且因此可以避免由于多次反射发生的干扰。反射器尤其是允许通过太赫兹辐射在条状体的从发射器到反射器的辐射去程上的边界面上以及在从反射器到接收器的辐射回程上的边界面上发生的反射进行测量。因此，例如可以对以下信号的传播时间进行比较，这些信号一方面从发射器/接收器直接到达反射器并返回到发射器/接收器，另一方面是从发射器/接收器直接到达反射器，然后从反射器出发在后面的条状体壁上或后面的条状体壁的位于内部和外部的边界面上反射，返回到反射器并且从反射器再次反射返回到发射器/接收器。由所述传播时间差可以求得后面的条状体壁距在位置已知的反射器的距离，或求得朝向反射器的后面的条状体壁的壁厚，或求得条状体的直径。可以为此相应地构造按照本发明的设备的评价装置。此时反射器因此另一个发射器。就是说，即使当后面的条状体壁的原始接收信号由于在发射器/接收器与条状体的朝向发射器/接收器的边界面之间的多次反射而受到干扰时，借助于所述反射器也可以可靠地测量条状体的朝向反射器的侧面。
例如当发射器/接收器距条状体的朝向的表面的距离等于条状体直径时，会出现干扰测量结果的多次反射。如果发射器/接收器距条状体的朝向的表面的距离是s1，而条状体的直径是d，则满足下式：
4s1＝2(s1+d)
就是说，来自条状体的背离发射器/接收器的后壁的射束回波与在发射器/接收器与条状体的朝向发射器/接收器的表面之间反射两次的射束同时出现在接收器上，这导致对测量结果的干扰。与此相对，在条状体直径d≠0时，对于来自反射器的信号，不会发生由于在反射器与条状体的朝向反射器的表面之间的多次反射造成的干扰。对于由于在条状体内的多次反射可能造成的干扰，相同的情况适用于来自反射器的信号。就是说，此时，对于d＝s1的情况，能够用上面说明的方式测量朝向反射器的后面的条状体壁的位置或厚度，其方式为，反射器以所所说明的方式被用作另一个发射器的模拟。
也存在由于值s1的(小的)变化将多次反射的影响转移到其它的直径值d的可能性，并且由此是转移到对于相应的应用场合不重要的直径范围内。
此外，反射器可靠地屏蔽高频的辐射并且防止，高频辐射向外到达测量设备的周围环境中。借助反射器也可以在没有被引导通过设备的条状体的情况下测量太赫兹辐射在设备中的传播时间。这个传播时间可以与存在被引导通过设备的条状体时太赫兹辐射在设备中的传播时间相比较。如在下面还将详细说明的那样，以这种方式可以与条状体材料的特性无关地并且因此在没有认识条状体材料的准确特性的情况下实现确定直径和壁厚。也可以以这种方式确定条状体材料的折射率和吸收率。
如果要测量条状体或其各层具有太赫兹辐射对于(部分)可透过性，例如对于塑料管或塑料软管就是这种情况，按照本发明也可以测量条状体的背离传感器的后面的外侧，因为在所述后面的外侧上也可能发生对太赫兹辐射的反射。就是说，以这种方式能够测量条状体的壁厚或直径。尤其是在条状体的朝向发射器和接收器的外侧上、在条状体的背离发射器和接收器的后面外侧上以及在条状体的不同层之间的一些或全部边界面上可能发生对太赫兹辐射的(部分)反射。例如通过评价在条状体的朝向发射器/接收器的前面外侧上反射的辐射与在条状体的背离发射器/接收器的后面外侧上反射的辐射之间的传播时间差可以确定条状体的直径。条状体确定的层的壁厚可以相应地通过评价在条状体的所关注的层的朝向发射器/接收器的外边界面上反射的辐射与在条状体的所关注的层的背离发射器/接收器的内边界面上反射的辐射之间的传播时间差来确定。
总体上，利用按照本发明的设备或按照本发明的方法在测量技术方面以及在评价技术方面实现了较小的花费减少，同时能够在使外部参数、如温度等的影响最小化的情况下可靠地测量在横截面中基本上为圆形的条状体的直径和/或壁厚。
按照一个实施例，可以通过例如包括一个或多个合适的透镜的适当的辐射光学器件将由所述至少一个发射器发射的太赫兹辐射作为聚焦线或焦线聚焦到要测量的条状体的(中央)纵轴线或圆柱体轴线上。就是说，此时，在垂直于条状体的纵向方向的平面中观察，由所述至少一个发射器发射的太赫兹辐射的焦点位于条状体的圆心，而不是如在现有技术中那样位于表面上。可以理解的是，在条状体的面上反射的太赫兹辐射可以再次通过所述至少一个辐射光学器件被引导至所述至少一个接收器。由条状体反射的太赫兹辐射到所述至少一个接收器的辐射路径除方向反转之外可以与从至少一个发射器到条状体的辐射路径相同。当按照本发明所述太赫兹辐射被聚焦到位于条状体的(中央)纵轴线上的焦线上时，全部由所述至少一个发射器发出的射束的方向在任何时间并且即使在条状体直径改变的情况下都垂直于在横截面中基本上为圆形的表面或垂直于在条状体的圆柱形或者说空心圆柱形的不同层之间在横截面中同样基本上为圆形的边界面。以这种方式，为了进行评价，可以使用本身已知的用于测量距离或壁厚的算法，如例如在平面产品、如板中使用的算法，也在圆柱形条状体中使用的算法。此外，对于不同的或变化的条状体直径，也仍然可以使用相同的评价算法。只要太赫兹辐射保持聚焦到条状体的纵轴线上，在条状体的直径改变时就不需要校正按照本发明的测量设备。
如已经说明的那样，所述至少一个发射器和所述至少一个接收器的光轴基本上垂直于条状体的纵轴线。此外，通过所述至少一个辐射光学器件聚焦的太赫兹辐射的边缘射束可以形成楔形，其中，该楔形的限定楔形的锐角的各侧面关于延伸通过被引导通过设备的条状体的纵轴线的中间平面(赤道平面)是镜像对称的。当所述至少一个辐射光学器件包括至少一个柱状透镜时，能够特别简单地实现将太赫兹辐射在条状体上的线性焦点。当然，作为辐射光学器件也可设想采用不同于上述透镜的其它天线式设计方案。例如可以使用组合的双凸/柱状透镜。
但备选于线性聚焦，辐射光学器件也可以将太赫兹辐射例如(尽可能紧密地聚集)呈扇形地聚焦到条状体上。这提供了一种特别简单且经济的实施方式。根据另一个替代方案，所述辐射光学器件可以将太赫兹辐射平行地引导到条状体上。这具有如下优点：要检测的条状体垂直于反射方向的小的位置变化对测量结果的影响很小。
根据另一个优选的实施方案，所述至少一个发射器可以发射经调制的连续波太赫兹辐射、尤其是经频率调制的连续波太赫兹辐射。所述频率调制可以包括一个频率脉冲或多个频率脉冲。尤其是可以进行所谓的频率扫描(Frequenzsweep)，在频率扫描中，一次或多次通过预先给定的频率范围。
但所述至少一个发射器例如也可以发射经脉冲调制的太赫兹辐射或经相位调制的太赫兹辐射。例如可以使用所谓的时域反射法或频域反射法。也可设想发送多个离散的频率以代替频谱。这些方法本身是已知的。
所述条状体例如可以是(圆)柱形电缆，所述电缆具有由金属制成的(圆)柱形电导体、必要时基本上空心(圆)柱形的屏蔽编织层以及作为绝缘部的空心(圆)柱形塑料外套。同样也可以是例如由塑料制成的管。通过调制由所述至少一个发射器发射的连续波辐射信号(例如FMCW)，可以特别简单地在接收器中或在评价装置中借助接收到的辐射的相应频率区分在由多个层构成的圆柱形条状体的不同边界面上反射的辐射。因此，能够可靠地确定发射器或接收器到条状体的不同边界层的距离，并由此例如可以确定电缆的塑料外套的壁厚或条状体的直径。
此外可以设定，所述评价装置借助于对由所述至少一个发射器发射的太赫兹辐射进行传播时间测量来确定条状体的直径和/或壁厚。
当所述至少一个发射器和所述至少一个接收器由至少一个太赫兹收发器构成时，得到一种特别简单的构造。收发器是一种组合的发射器(Transmitter)和接收器(Receiver)。此时，发射器和接收器实际上设置成位置相同的并且在任何时间都具有到条状体或到条状体的反射太赫兹辐射的面相同的距离，从而例如在传播时间测量时进一步简化了所述评价。但当然也可以设想，发射器和接收器实际上没有设置成位置相同的，而是例如彼此相对置的。
根据另一种实施方案可以设定，为了发射或接收太赫兹辐射，设有多对发射器和接收器，优选设置至少两对、更为优选地设置至少四对或多于四对、例如八对发射器和接收器设置，其中，为每对发射器/接收器设置一个辐射光学器件，并且所述发射器和接收器成对地在被引导通过设备的条状体的周边上分布地设置，优选沿圆形轨道设置。在此，一个接收器分别配设给相应的一个发射器并接收该发射器的辐射。由发射器和接收器组成的每个对也可以由相应一个收发器构成。此时，所述收发器相应地在要测量条状体的周边上分布地设置。
此时，进一步可以设定，所述评价装置构造成，借助分别由接收器接收的测量信号来确定条状体的不圆度和/或这样来校正单个或多个发射器和接收器或辐射光学器件，使得由各发射器发射的太赫兹辐射分别保持线形地聚焦到被引导通过所述设备的条状体的纵轴线上。所述评价装置为此可以操控适当的驱动装置，以便以各个接收器的测量结果为基础上校正发射器和接收器或辐射光学器件。所述评价装置可以尤其是组合式的评价-控制装置。可以在控制装置中构成相应的调节回路。同样可以通过评价装置由各个接收器的测量结果的对比来确定要测量的条状体可能的不圆度。
因此，在上面提到的实施方案中，从不同的方向出发测量发射器/接收器与条状体之间的距离并由此测量条状体的壁厚、直径和/或不圆度，而不需要再调节发射器/接收器的位置。这尤其是适用于使用至少两对发射器/接收器的情况。因此，每个发射器/接收器对可以存在两个测量位置，在这些测量位置处、例如在条状体的反射面或层的前面和背面上进行太赫兹辐射的反射测量。在这种情况下，通过在三个测量位置处确定的距离定义一个圆。此时，在使用四个测量位置的情况下可以识别到不圆度。与此相对，如果条状体的直径改变，则如在现有技术中设定的那样向条状体的表面上的聚焦需要距离补偿。当然，此时即使应该测量条状体的直径和不圆度，也必须关于各个发射器/接收器到条状体的表面的距离测量各个发射器/接收器的位置并且必要时向评价装置告知所述位置。
代替上面所述的具有多对发射器和接收器的实施方案，由用于发射太赫兹辐射的发射器和用于接收由该发射器发射的太赫兹辐射的接收器组成的至少一对、例如两对发射器和接收器特别是也可以在测量过程期间绕条状体的纵轴线旋转，优选沿圆形轨道旋转。所述一对或多对发射器和接收器也可以是收发器。通过使发射器/接收器对绕条状体旋转可以模拟存在的多对发射器和接收器的情况。以这种方式可以简单且可靠地确定条状体形状的不连续性、例如所谓的下沉(Sagging)，如例如可能在挤出条状体材料的过程中出现的下沉。
因此，可以如原则上在上面针对多对发射器和接收器描述的那样进行评价。评价装置尤其是可以构造成，根据由旋转的接收器在其旋转过程中接收的测量信号确定条状体的不圆度和/或这样校正旋转的发射器和接收器或辐射光学器件，使得由旋转的发射器发射的太赫兹辐射分别保持线形地聚焦到被引导通过设备的条状体的纵轴线上。为此，评价装置又可以操控合适的驱动装置，以便以测量结果为基础上校正发射器和接收器或辐射光学器件。评价装置也可以是组合式的评价-控制装置。也可以在控制装置中构成相应的调节回路。同样可以通过评价装置由旋转的接收器的测量结果的对比来确定要测量的条状体可能的不圆度。
如已经提到的那样，按照本发明测量的圆柱形条状体可以是电缆，管、优选是塑料管，或者是软管、优选是塑料软管。可设想是例如带塑料外壳的金属管，或是具有金属层的塑料管，例如作为隔汽层。管或软管可以是空心圆柱形的。电缆尤其是可以具有一个或多个优选为圆柱形的金属导体、必要时具有空心圆柱形的金属屏蔽部以及一个或多个优选由塑料制成的空心圆柱形的外壳层(绝缘层)，所述外壳层包围所述一个或多个金属导体。
以另外有利的方式，在确定条状体的直径和/或壁厚时可以考虑由至少一个发射器发射的并且在透射条状体之后由至少一个接收器接收的太赫兹辐射的由于被引导通过所述设备的条状体的材料引起的传播时间变化。
如已经提及的那样，被引导通过所述设备的条状体可以是由塑料制成的空心圆柱形的条状体、例如是塑料管。尽管存在制造商方面确定的规定，尤其是塑料混合物在实用中显著地变化。由此，条状体的准确的材料组成经常不是已知的。因此，一些与按照本发明的测量方法相关的材料常数一开始也不是已知的并且必须以复杂的方式单独地确定或必须在这方面进行不一定正确的假设。重要的尤其是以下材料常数，如折射率或介电常数或吸收系数。这些材料常数对按照本发明的壁厚确定有直接的影响，因为太赫兹辐射与所述材料常数相关地在材料中具有不同的传播速度。因此，太赫兹辐射基波的传播速度根据所述材料常数发生不同的减慢。例如如果在为了确定直径或确定壁厚而对太赫兹辐射进行传播时间测量时以太赫兹辐射在空气中的传播速度为基础，会出现错误的结果、尤其是程度为由条状体材料引起的太赫兹辐射的延迟的错误。
前述按照本发明的实施方案以简单且可靠的方式使得即使在所研究的条状体的材料组成未知时也能够消除这种错误。这里优选的是，由发射器、优选由收发器发射的太赫兹辐射在透射条状体之后由反射器反射，并且在再次透射条状体之后由接收器、优选也由收发器接收。这里对于被引导通过所述设备的条状体执行的传播时间测量能够以简单的方式与在没有被引导通过设备的条状体的情况下相应的传播时间测量进行比较。由所述两个传播时间测量的差别可以求得由于条状体材料引起的太赫兹辐射传播速度变化。发射器和接收器之间的或到反射器的距离以及因此太赫兹辐射在传播时间测量过程中经过的路程也可以是已知的。此时，根据太赫兹辐射在空气中已知的传播速度也可以以此为基础简单地确定由于条状体的材料引起的传播速度变化。
可以在有确定的直径和/或壁厚时在计算上对这样确定的由于条状体的材料引起的传播时间变化予以考虑，以便由此即使在不了解准确的材料组成的情况下也能精确地确定条状体的直径和/或壁厚。例如在确定直径时只需要从在条状体的前侧上和在背侧上反射的太赫兹辐射之间测量的传播时间差中减去如上所述确定的并且由于条状体的材料引起的传播时间变化。在确定管形条状体的壁厚时这也可以以相应的方式实现，其方式为，在计算上按比例考虑两个由太赫兹辐射透射的壁引起的传播时间变化。就是说，在该实施方案中在测量技术上并且在计算上消除了条状体材料对太赫兹辐射传播速度的影响。
例如可以根据下面的公式确定条状体的直径D：
其中：
ΔTD是在条状体的在朝向所述至少一个接收器的外边界面上反射的太赫兹辐射与在条状体的背离所述至少一个接收器的外边界面上反射的太赫兹辐射之间的传播时间差，
ΔTR是由所述至少一个发射器发射的并且在透射条状体之后由所述至少一个接收器接收的太赫兹辐射的由于被引导通过所述设备的条状体的材料引起的传播时间变化，
c是太赫兹辐射在空气中的传播速度。
此外，可以根据下面的公式确定条状体的朝向所述至少一个接收器的壁或壁区段的壁厚Wd1和/或条状体的背离所述至少一个接收器的壁或壁区段的壁厚Wd2：
其中：
ΔTwd1是在条状体的朝向所述至少一个接收器的壁的朝向所述至少一个接收器的外边界面上反射的太赫兹辐射与在所述壁背离所述至少一个接收器的内边界面上反射的太赫兹辐射之间的传播时间差，
ΔTwd2是在条状体的背离所述至少一个接收器的壁的朝向所述至少一个接收器的内边界面上反射的太赫兹辐射与在所述壁背离所述至少一个接收器的外边界面上反射的太赫兹辐射之间的传播时间差，
ΔTR是由所述至少一个发射器发射的并且在透射条状体之后由所述至少一个接收器接收的太赫兹辐射的由于被引导通过所述设备的条状体的材料引起的传播时间变化，
c是太赫兹辐射在空气中的传播速度。
由传播速度确定的改变可以推断出条状体的引起所述改变的材料常数，如折射率和/或介电常数。以这种方式也可以推断出吸收系数以及因此条状体的阻尼。这又可以提高多次反射到条状体的光学边界面上的射束的评价准确度。
按照本发明的设备尤其是构造用于实施按照本发明的方法。按照本发明的方法可以尤其是在使用按照本发明的设备的情况下被实施。
附图说明
接下来将借助附图详细描述本发明的实施例。附图示意地示出：
图1示出按照本发明的用于测量第一条状体的设备的第一视图，
图2示出图1中按照本发明的设备的第二视图，以及
图3示出按照本发明的用于测量条状体的设备的另一个实施例。
具体实施方式
除非另有说明，在附图中相同的附图标记表示相同的物体。在图1中示出按照本发明的设备和测量系统的竖直剖视图。在图2中示出图1中的设备和测量装置的水平剖面图。在图1和图2中所示出的实施例中，圆柱形条状体10通过合适的、没有详细示出的导向机构沿其在图1中垂直地指向图平面中的并且在图2中从下向上指向中央纵轴线(圆柱体轴线)被输送通过所述设备。在图1和图2中所示出的条状体10例如是具有由塑料制成的空心圆柱形壁12的塑料管，该壁限定圆柱形的空腔14。在图1中所示出的横截面中可以很好地看出，条状体10具有圆形的横截面。条状体10的壁12尤其是具有在横截面中为圆形的外侧16以及在横截面中同样为圆形的内侧18，该内侧限定所述空腔14。
在图1和图2中所示出的按照本发明的设备包括用于发射太赫兹辐射的发射器以及用于接收由该发射器发射的太赫兹辐射的接收器，其中，所述发射器和接收器在所示示例中由太赫兹收发器20构成。当然，也可以设置在空间上分开的、例如相对于彼此对置的发射器和接收器。在附图标记22处示意性示出辐射光学器件，在当前情况下该辐射光学器件包括用于太赫兹辐射的双凸透镜21和柱状透镜23。当然也可设想采用其它的辐射光学器件。例如可以使用组合的双凸透镜/柱状透镜。辐射光学器件22使由发射器发射的太赫兹辐射24线形地聚焦，使得太赫兹辐射24线形的焦点26与条状体10的中央纵轴线重合，就是说，在图1的横截面图中位于在横截面中为圆形的条状体10的中点处。通过辐射光学器件22聚焦的太赫兹辐射的边缘射束形成楔形，如参见图1和图2可以看到的那样。楔形的在图1中在附图标记17和19处示出的侧面关于延伸通过被引导通过所述设备的条状体10的纵轴线的中间平面(赤道平面)是镜像对称的。此外，在图1和图2中可以看出，由收发器20和辐射光学器件22构成的光学系统的光轴25垂直于条状体10的纵轴线。就是说，由收发器20发射的太赫兹辐射通过辐射光学器件22被垂直地引导到条状体的纵轴线上。此外，发射器和接收器或者说收发器20通过导线28与评价-控制装置30连接。
在附图标记46处示出用于太赫兹辐射的圆柱形拱曲的反射器，其纵轴线沿被引导通过所述设备的条状体10的纵轴线的方向延伸。反射器46的曲率中点与要测量的条状体10的曲率中点重合，从而圆柱形反射器46的焦线与条状体10的纵轴线重合。反射器46增强测量信号并且允许还更好地区分由接收器接收的不同测量信号。
利用在图1和图2中所示出的按照本发明的设备执行的按照本发明的方法按如下方式工作：所述评价-控制装置30通过导线28操控收发器20的发射器，以发射太赫兹辐射24。在所示出的示例中，收发器20的发射器发射经频率调制的连续波太赫兹辐射。尤其是经过一个或多个频率脉冲。当然，收发器20的发射器也可以发射以不同的方式调制的太赫兹辐射、例如经脉冲调制的太赫兹辐射或经相位调制的太赫兹辐射。如图1和图2中所示，太赫兹辐射24由辐射光学器件22沿垂直的方向并且线形地聚焦到条状体10的中央纵轴线上，而条状体10沿其纵轴线被输送通过按照本发明的设备。这里，太赫兹辐射24首先在壁12的朝向发射器和接收器的外侧16上部分反射。所述壁12对于太赫兹辐射是半透明的，其中，穿过外侧16的辐射部分在进一步的进程中又在壁12的内面18上部分反射，然后在又剩余的辐射部分进入空腔14中。进入到空腔14中的辐射部分在进一步的进程中又在壁12的内面18的与进入空腔的入口相对置的侧面上部分反射，并且再次进入壁12中的辐射部分接着在壁12的背离发射器和接收器的外面16上部分反射。
所有这些部分反射的辐射量通过辐射光学器件22返回到达收发器20的接收器并且由所述接收器以测量信号的形式接收。这里，来自条状体10的太赫兹辐射返回到收发器20的接收器的射束路径(沿相反的方向)与从收发器20的发射器到条状体10的射束路径相同。由于对由发射器发射的连续波太赫兹辐射进行频率调制，评价-控制装置30可以根据由接收器接收的测量信号的频率区分，(所述测量信号)分别涉及哪个部分反射的辐射部分。例如通过相应的传播时间测量可以确定收发器20到所有部分反射太赫兹辐射的边界面的距离。评价-控制装置30可以由这些数据例如确定条状体10的壁12的外直径和内直径以及由此确定壁12的壁厚。外直径在附图中示例性地在附图标记40处示出，而壁厚在附图标记为42处示出。
由于太赫兹辐射线形地聚焦到条状体10的中央纵轴线上，所有由发射器发射的并通过辐射光学器件22聚焦的射束都垂直于在横截面中为圆形的边界面。因此，按照本发明的测量方法与条状体10的或者说条状体10的各个边界面的直径变化是无关的。只需要确保，线性的焦点26基本上位于在横截面中分别为圆形的边界面的中点。以这种方式，由测量平面的板件已知的评估算法也可用于相应的距离测量。
此外，利用在图1和图2(以及在图3中)所示出的构造，在确定条状体10的直径和/或壁厚时考虑了由收发器20发射的并且在透射条状体10以及在反射器上反射之后再次由收发器20接收的太赫兹辐射由被引导通过设备的条状体10的材料引起的传播时间变化，如上面解释的那样。
这在下面借助于一个示例来解释。
在射束路径中没有延长传播时间的条状体材料的情况下，对于太赫兹辐射从收发器20直到相对置的反射器46并且返回的传播时间TR适用：
s＝收发器20到反射器46的距离
c＝没有条状体材料的情况下太赫兹辐射的传播速度，～3×108m/s
与此相对，如果管形的条状体10位于收发器20与反射器46之间，则在从收发器20到反射器46的路程上和返回的路程上透射条状体10的辐射的传播时间TR延长了ΔTR，因为在穿过壁厚12时传播速度如说明的那样与材料特性相关地降低。
为了计算壁厚Wd1(条状体10的朝向收发器20的前壁12或前部的壁区段12的厚度)和Wd2(条状体10的背离收发器20的后壁12或后部的壁区段12的厚度)，确定在条状体10的前壁12的朝向收发器20的外边界面上反射的太赫兹辐射与在条状体10的后壁12的背离收发器20的内边界面上反射的太赫兹辐射之间的传播时间差ΔTwd1，并且确定在条状体10的后壁12的朝向收发器20的内边界面上反射的太赫兹辐射与在条状体10的后壁12的背离收发器20的外边界面上反射的太赫兹辐射之间的传播时间差ΔTwd2。为了计算壁厚Wd1和Wd2，所述传播时间差ΔTwd1和ΔTwd2首先分别与太赫兹辐射在没有条状体(在空气中)时的传播速度c的二分之一相乘。
由于太赫兹辐射在条状体10的壁区段12中与材料相关的较小的传播速度，以这种方式可能得出过大的壁厚值，但在获知了由于条状体材料引起的传播时间变化ΔTR的情况下，可以如下修正这些壁厚值：
对于各个壁厚来说必须相应地按比例减去传播时间延长。对于各个壁厚来说因此得出：
在确定条状体10的直径时可以以相对应的方式考虑由于条状体材料引起的传播时间变化ΔTR。为了确定直径，确定在条状体10的前壁12的朝向收发器20的外(前)边界面上反射的太赫兹辐射与在条状体10的后壁12的背离收发器20的外(后)边界面上反射的太赫兹辐射之间的传播时间差ΔTD。此时如下式得出用传播时间变化ΔTR修正的直径D：
在图3所示出的实施例中设置有多对(在当前情况下是四对)在当前情况中分别为收发器20形式的发射器和接收器。收发器20沿圆形轨道在条状体10的周边上分布地设置。当然，也可以设置在空间上分开的、例如彼此对置的发射器和接收器。沿所述圆形轨道可以设置有圆柱形的反射器46’。分别设有未示出的辐射光学器件，如图1至3中说明的那样，所述辐射光学器件将由相应的发射器发射的太赫兹辐射沿垂直方向线形地聚焦到条状体10的中央纵轴线上。此时，所有这些收发器20可以以适当的方式与在图3中未详细示出的评价-控制装置连接。也可以设想，所述收发器分别具有自己的评价-控制装置，此时这些评价-控制装置可以互相连接。此时，由不同的发射器-接收器对的测量数据可以例如确定条状体10或条状体10的不同层的不圆度。在存在多对发射器和接收器时，也可以通过评价-控制装置这样操控收发器20和/或辐射光学器件，即进行校正，所述校正确保由发射器发射的太赫兹辐射的焦点26总是保持在条状体10的中央纵轴线上。
虽然在借助附图说明的实施例中，描述了太赫兹辐射到条状体10的中央纵轴线上的线形聚焦，相应地也可以设想采用其它的辐射引导方式，例如(尽可能紧密聚集)呈扇形地将太赫兹辐射聚焦到条状体上或将太赫兹辐射平行地引导到条状体上。
Claims (25)
1.用于测量条状体(10、10’)的直径和/或壁厚的设备，所述条状体在横截面中基本上是圆形的并借助导向机构沿其纵轴线的方向被引导通过所述设备，所述设备包括至少一个用于发射太赫兹辐射(24)的发射器，其中，设有至少一个辐射光学器件(22)，所述辐射光学器件将由发射器发射的太赫兹辐射(24)引导到被引导通过所述设备的条状体(10、10’)上，其中，与至少一个发射器相对置地在由所述至少一个发射器发射的太赫兹辐射(24)的发射方向上在条状体(10、10’)后面设置用于太赫兹辐射(24)的反射器(46、46’)，所述设备还包括至少一个接收器，用于接收由所述至少一个发射器发射的并且在条状体(10、10’)上和/或反射器(46、46’)上反射的太赫兹辐射(24)，并且所述设备包括评价装置(30)，所述评价装置构造成，借助由所述至少一个接收器接收的测量信号来确定条状体(10、10’)的直径和/或壁厚。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述至少一个辐射光学器件(22)使由发射器发射的太赫兹辐射(24)线形地聚焦，使得线形的焦点与被引导通过所述设备的条状体(10、10’)的纵轴线重合。
3.根据权利要求2所述的设备，其特征在于，通过所述至少一个辐射光学器件聚焦的太赫兹辐射的边缘射束形成楔形，其中，该楔形的各侧面(17、19)关于延伸通过被引导通过该设备的条状体(10、10’)的纵轴线的中间平面是镜像对称的。
4.根据上述权利要求之一所述的设备，其特征在于，所述至少一个发射器发射经调制的连续波太赫兹辐射(24)、尤其是经频率调制的连续波太赫兹辐射(24)，和/或所述至少一个发射器发射经脉冲调制的太赫兹辐射或经相位调制的太赫兹辐射。
5.根据上述权利要求之一所述的设备，其特征在于，所述评价装置(30)借助对由所述至少一个发射器发射的并且由所述至少一个接收器接收的太赫兹辐射(24)进行的传播时间测量来确定条状体(10、10’)的直径和/或壁厚。
6.根据上述权利要求之一所述的设备，其特征在于，所述至少一个发射器和所述至少一个接收器由至少一个太赫兹收发器(20)构成。
7.根据上述权利要求之一所述的设备，其特征在于，设有多个由用于发射太赫兹辐射(24)的发射器和用于接收由分别一个发射器发射的太赫兹辐射(24)的接收器构成的对，其中，为每个发射器设置一个辐射光学器件(22)，并且所述发射器和接收器成对地在被引导通过该设备的条状体(10、10’)的周边上分布地设置。
8.根据权利要求7所述的设备，其特征在于，所述评价装置(30)构造成，借助分别由接收器接收的测量信号确定条状体(10、10’)的不圆度和/或这样校正单个或多个发射器和接收器或辐射光学器件(22)，使得由发射器发射的太赫兹辐射(24)分别保持线性地聚焦到被引导通过导向机构的条状体(10、10’)的纵轴线上。
9.根据上述权利要求之一所述的设备，其特征在于，由用于发射太赫兹辐射(24)的发射器和用于接收由该发射器发射的太赫兹辐射(24)的接收器组成的至少一对通过旋转装置能在测量过程期间绕条状体(10、10’)的纵轴线旋转，优选沿圆形轨道旋转。
10.根据上述权利要求之一所述的设备，其特征在于，所述反射器(46、46’)是圆柱形拱曲的反射器(46、46’)，其纵轴线沿被引导通过该设备的条状体(10、10’)的纵轴线的方向延伸。
11.根据上述权利要求之一所述的设备，其特征在于，所述评价装置(30)构造成，在确定条状体(10)的直径和/或壁厚时考虑由所述至少一个发射器发射的并且在透射条状体(10)之后由所述至少一个接收器接收的太赫兹辐射(24)的由于被引导通过该设备的条状体(10)的材料引起的传播时间变化。
12.根据权利要求11所述的设备，其特征在于，所述评价装置构造成，根据下面的公式确定条状体(10)的直径D：
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其中：
ΔTD是在条状体的朝向所述至少一个接收器的外边界面上反射的太赫兹辐射与在条状体的背离所述至少一个接收器的外边界面上反射的太赫兹辐射之间的传播时间差，
ΔTR是由所述至少一个发射器发射的并且在透射条状体之后由所述至少一个接收器接收的太赫兹辐射的由于被引导通过所述设备的条状体的材料引起的传播时间变化，
c是太赫兹辐射在空气中的传播速度。
13.根据权利要求11或12之一所述的设备，其特征在于，所述评价装置构造成，根据下面的公式确定条状体的朝向所述至少一个接收器的壁的壁厚Wd1和/或条状体的背离所述至少一个接收器的壁的壁厚Wd2：
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其中：
ΔTwd1是在条状体的朝向所述至少一个接收器的壁的朝向所述至少一个接收器的外边界面上反射的太赫兹辐射与在所述壁背离所述至少一个接收器的内边界面上反射的太赫兹辐射之间的传播时间差，
ΔTwd2是在条状体的背离所述至少一个接收器的壁的朝向所述至少一个接收器的内边界面上反射的太赫兹辐射与在所述壁背离所述至少一个接收器的外边界面上反射的太赫兹辐射之间的传播时间差，
ΔTR是由所述至少一个发射器发射的并且在透射条状体之后由所述至少一个接收器接收的太赫兹辐射的由于被引导通过所述设备的条状体的材料引起的传播时间变化，
c是太赫兹辐射在空气中的传播速度。
14.用于测量条状体(10、10’)的直径和/或壁厚的方法，所述条状体在横截面中基本上为圆形的，在该方法中条状体(10、10’)沿其纵轴线的方向被引导通过所述设备，此外在所述方法中由至少一个发射器发射太赫兹辐射(24)，其中，由所述至少一个发射器发射的太赫兹辐射(24)通过至少一个辐射光学器件(22)引导到被引导通过所述设备的条状体(10、10’)上，由至少一个发射器发射的太赫兹辐射(24)由条状体反射和/或由至少一个与所述至少一个发射器相对置的并且在所发射的太赫兹辐射(24)的辐射方向上位于条状体(10、10’)后面的反射器(46、46’)反射并且由至少一个接收器接收，并且在所述方法中，借助由所述至少一个接收器接收的测量信号确定条状体(10、10’)的直径和/或壁厚。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，由所述至少一个发射器发射的太赫兹辐射(24)通过至少一个辐射光学器件(22)线形地聚焦，使得线形的焦点与被引导通过所述设备的条状体(10、10’)的纵轴线重合。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，通过所述至少一个辐射光学器件聚焦的太赫兹辐射的边缘射束形成楔形，该楔形的各侧面关于延伸通过被引导通过所述设备的条状体(10、10’)的纵轴线的中间平面是镜像对称的。
17.根据权利要求14至16之一所述的方法，其特征在于，通过所述至少一个发射器发射经调制的连续波太赫兹辐射(24)、尤其是经频率调制的连续波太赫兹辐射(24)，和/或通过所述至少一个发射器发射经脉冲调制的太赫兹辐射或经相位调制的太赫兹辐射。
18.根据权利要求14至17之一所述的方法，其特征在于，借助对由所述至少一个发射器发射的并且由所述至少一个接收器接收的太赫兹辐射(24)进行的传播时间测量来确定条状体(10、10’)的直径和/或壁厚。
19.根据权利要求14至18之一所述的方法，其特征在于，由多个在被引导通过所述设备的条状体的周边上分布设置的发射器发射太赫兹辐射(24)，由每个发射器发射的太赫兹辐射(24)分别被引导到一个被引导通过所述设备的条状体(10、10’)上，并且由多个同样在被引导通过所述设备的条状体(10、10’)的周边上分布设置的并且分别成对地配设给发射器的接收器接收由相应配设的发射器发射的太赫兹辐射(24)。
20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，借助分别由各接收器接收的测量信号确定条状体(10、10’)的不圆度和/或这样来校正单个或多个发射器和接收器或用于使由发射器发射的太赫兹辐射(24)聚焦的辐射光学器件(22)，使得由发射器发射的太赫兹辐射(24)分别保持线性地聚焦到被引导通过所述设备的条状体(10、10’)的纵轴线上。
21.根据权利要求14至20之一所述的方法，其特征在于，使由用于发射太赫兹辐射(24)的发射器和用于接收由所述发射器发射的太赫兹辐射(24)的接收器组成的至少一对在测量过程期间绕条状体(10、10’)的纵轴线旋转，优选沿圆形轨道旋转。
22.根据权利要求14至21之一所述的方法，其特征在于，在确定条状体(10)的直径和/或壁厚时考虑由所述至少一个发射器发射的并且在透射条状体(10)之后由所述至少一个接收器接收的太赫兹辐射(24)的由于被引导通过所述设备的条状体(10)的材料引起的传播时间变化。
23.根据权利要求22所述的方法，其特征在于，根据下面的公式确定所述条状体(10)的直径D：
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<mi>c</mi>
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其中：
ΔTD是在条状体的朝向所述至少一个接收器的外边界面上反射的太赫兹辐射与在条状体的背离所述至少一个接收器的外边界面上反射的太赫兹辐射之间的传播时间差，
ΔTR是由所述至少一个发射器发射的并且在透射条状体之后由所述至少一个接收器接收的太赫兹辐射的由于被引导通过所述设备的条状体的材料引起的传播时间变化，
c是太赫兹辐射在空气中的传播速度。
24.根据权利要求22或23之一所述的方法，其特征在于，根据下面的公式来确定条状体的朝向所述至少一个接收器的壁的壁厚Wd1和/或条状体的背离所述至少一个接收器的壁的壁厚Wd2：
<mrow>
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其中：
ATwd1是在条状体的朝向所述至少一个接收器的壁的朝向所述至少一个接收器的外边界面上反射的太赫兹辐射与在所述壁背离所述至少一个接收器的内边界面上反射的太赫兹辐射之间的传播时间差，
ΔTwd2是在条状体的背离所述至少一个接收器的壁的朝向所述至少一个接收器的内边界面上反射的太赫兹辐射与在所述壁背离所述至少一个接收器的外边界面上反射的太赫兹辐射之间的传播时间差，
ΔTR是由所述至少一个发射器发射的并且在透射条状体之后由所述至少一个接收器接收的太赫兹辐射的由于被引导通过所述设备的条状体的材料引起的传播时间变化，
c是太赫兹辐射在空气中的传播速度。
25.根据权利要求14至24之一所述的方法，其特征在于，使用根据权利要求1至13之一所述的设备来实施所述方法。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
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