CN112469960B - 用于确定线状物体的直径和/或外轮廓的设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于确定线状物体的直径和/或外轮廓的设备，所述包括至少一个的发射装置，用于将测量辐射发出到线状物体上，所述测量辐射由所述线状物体反射，所述设备还包括至少一个接收装置，用于接收由所述至少一个发射装置发出并由线状物体反射的测量辐射，并且所述设备包括评估装置，所述评估装置设置成用于，根据由所述至少一个接收装置接收的测量辐射来确定线状物体的直径和/或外轮廓，其中，设有至少一个至少部分地包围线状物体的回射器，所述回射器由线状物体反射的测量辐射完全地或部分地回射。

Description

用于确定线状物体的直径和/或外轮廓的设备

技术领域

本发明涉及一种用于确定线状物体的直径和/或外轮廓的设备。

背景技术

在这种类型的设备中，由发射装置发出的测量辐射由线状物体、例如金属管反射，并部分返回到例如与发射装置设置在相同位置的接收装置。借助于传播时间测量，可以通过评估装置测量发射装置和接收装置到线状物体表面的距离。如果例如从线状物体的相对置的侧面进行所述测量，则可以由此得出管的直径。在这种设备中使用的发射装置具有较大的发射角度，发出的测量辐射的大部分由线状物体在空间中沿不同方向反射，并且由此没有到达接收装置并且相应地不能用于评估。

发明内容

因此，从所述现有技术出发，本发明的目的是，提供一种前面所述类型的设备，利用所述设备可以以简单的方式更全面地测量线状物体的外轮廓。

本发明的目的根据本发明的设备来实现。有利的设计方案在说明书和附图中给出。

本发明涉及一种用于确定线状物体的直径和/或外轮廓的设备，所述设备包括至少一个发射装置，用于将太赫兹辐射或千兆赫兹辐射作为测量辐射发出到线状物体上，所述测量辐射由线状物体反射，所述设备还包括至少一个接收装置，用于接收由所述至少一个发射装置发射和由所述线状物体反射的辐射，并且所述设备包括评估装置，所述评估装置设置成用于，根据由所述至少一个接收装置接收的测量辐射来确定线状物体的直径和/或外轮廓，对于这种设备，本发明这样来实现所述目的，即，设有至少一个在周向上至少局部地包围所述线状物体的回射器，所述回射器使得由线状物体反射的测量辐射完全地或部分地回射。

要测量的线状物体可以例如具有基本上圆柱形的外轮廓。所述物体对于由所述至少一个发射装置发出的测量辐射可以是基本上不透明的。例如所述线状物体可以是管状物体，如金属管，尤其是钢管。但是也可以是实心的线状物体，例如金属螺栓。可以沿纵向方向输送所述线状物体通过发射和接收装置的测量区域并且此时对其进行测量。为此，根据本发明的设备可以具有适当的输送装置。

根据本发明，设有至少一个至少部分地在周向上包围要测量的线状物体的回射器。所述回射器可以尤其是直到发射和接收装置都沿周向基本上完整地包围要测量的物体。所述要测量的线状物体可以特别是与至少一个回射器同心地设置。由至少一个发射装置朝要测量的线状物体的方向发出电磁测量辐射，并且所述测量辐射至少部分地由线状物体反射。如已经说明的那样，所述至少一个发射装置以一定的发射角度发出测量辐射。测量辐射较小的分量、即以0°入射角、就是说垂直投射到线状物体的外轮廓上的部分由所述外轮廓由以相同的0°的射出角、就是说再次垂直地反射回去，例如直接反射到与所述至少一个发射装置设置在相同位置的所述至少一个接收装置。与此相对，由至少一个发射装置发出并入射到线状物体上的测量辐射的明显更大的分量具有≠0°的入射角，并相应地以同样≠0°的射出角被物体反射。

根据本发明，尤其是将测量辐射的在现有技术中通常不予考虑或者不可评估的或很难评估的这个分量投射到所述至少一个回射器上。到达回射器的测量辐射由所述回射器至少部分地回射。根据本发明的回射器基本上与入射方向以及反射器基本上的定向无关地沿辐射到达的方向反射入射的辐射的至少一部分。就是说，以≠0°的射出角由线状物体反射的辐射分量由回射器至少部分地反射回到线状物体的同一表面区域，所述辐射此前在其到回射器的路径中已经由所述表面区域反射。这些辐射分量在线状物体上的(第二)入射角由此等于其此前的射出角。相应地，这些辐射分量以相同的(第二)射出角被反射回所述至少一个发射装置并由此被反射回到例如设置在相同位置的所述至少一个接收装置。总体上，这些到达回射器的辐射分量也可以以这种方式返回到达所述至少一个接收装置，并由此可以被检测到和以简单的方式被评估，这些辐射分量在使用传统的反射器时不会返回到达接收装置。相应地，在通过所述至少一个发射装置照射的要测量的线状物体的表面区域中，可以实现无空缺地检测外轮廓。根据本发明，不要求回射器使所有入射的辐射分量回射。而是也可以设想，仅使入射到回射器上的辐射的一部分由回射沿与辐射到达的方向相同方向上反射返回，而入射辐射的另一部分被沿其它方向反射，并由此可能无法用于评估。只要入射辐射的沿射出方向回射的部分具有足以进行评估的强度，则这是可接受的。

如已经说明的那样，所述评估装置例如可以测量所述测量辐射在由所述至少一个发射装置的发出时刻与由所述至少一个接收装置的接收时刻之间的传播时间。由于发射和接收装置以及回射器在空间中的位置是已知的，因此可以确定发射装置、接收装置以及回射器到线状物体的由发射装置照射的外轮廓的距离。这样，尤其是可以在照射区域中精确地确定外轮廓，例如可以确定与规定的形状、例如圆形的偏差。这样，可以根据由此所改变的到测量设备的距离可靠地识别表面缺陷，如凹坑或隆起。特别是当从相对置的侧面进行发射和接收装置与线状物体的表面之间的距离的测量时，还可以确定线状物体的直径。这样的评估本身是已知的。

所述回射器可以是连续的反射器。但所述回射器也可以由多个单个的、分开的反射器部段形成。例如可以考虑采用三重反射器形式的例如所谓的角形反射器作为回射器。也可以考虑采用具有两个彼此成角度布置的反射镜的角反射器。也可以考虑采用回射箔或类似物。如所说明的那样，尤其是也可以考虑采用这样的反射器，所述反射器将入射的辐射的至少一部分反射回到其原始位置。也可以考虑采用例如具有强烈打毛的表面的反射器或具有球形表面的反射器。

如已经提到的那样，所述至少一个发射装置和所述至少一个接收装置可以基本上设置在相同的位置。所述发射装置的发射区域和所述接收装置的接收区域此时可以基本上是相同的。这便于评估测量结果。

根据一个特别实用的设计方案，所述至少一个发送装置和所述至少一个接收装置可以由至少一个收发器形成。此时所述发送和接收装置组合成一个构件并且由此实际上就设置在相同的位置处。尤其是所有发射装置和所有接收装置可以分别成对地通过收发器形成。

根据另一个设计方案，可以设有多个在线状物体的周边上分布地设置的发射装置和多个在线状物体的周边上分布地设置的接收装置。这些发射装置和接收装置例如可以在要测量的线状物体的周边上均匀分布地设置。通过上述设计方案，能够可靠地覆盖线状物体的整个周边，并且由此可以完整地测量外轮廓并且可以在不同的位置进行直径测量。由此也可以可靠地识别可能的椭圆度或类似情况。尤其是与接收装置完全一样多的发射装置可以成对彼此相配设，从而每个接收装置分别由一个相配的发射装置接收测量辐射。此时，可以成对地分别将一个发射装置和一个接收装置设置在基本上相同的位置。还可以设置数量与发送或接收装置数量相对应的收发器，这些收发器分别形成一个发射装置和一个接收装置。例如，可以设有至少三个发射装置和至少三个接收装置，尤其是三个收发器。如果设有三个发送装置和三个接收装置，尤其是三个收发器，则它们可以相对于彼此分别以120°的角间距设置。这样的布置形式证明是有利的，因为一方面可以可靠地检测整个外轮廓，另一方面可以可靠地避免发射和接收装置的相互干扰，尤其是由于接收到与分配给一个接收装置不同的发射装置发出的测量辐射而发生的干扰。

如已经提到的那样，可以设有至少三个在线状物体的周边上分布地设置的发射装置和至少三个在线状物体的周边上分布地设置的接收装置，例如设有至少三个收发器。此时，进一步可以设定，所述评估装置设置成用于，由对由所述至少三个接收装置接收的测量辐射的比较得出线状物体的表面缺陷的位置。如所说明的那样，利用至少三个发射和接收装置可以可靠地覆盖线状物体的整个周边，并且由此可以对外轮廓进行完整的测量。表面缺陷、例如凹坑或隆起在所述或各所述测量设备中产生相应的测量信号，所述测量设备探测由表面缺陷反射的测量辐射。如果例如三个发射和接收装置例如分别以120°的间距在线状物体的周边上分布地设置，则与在周向上尤其是直到发射和接收装置基本上完全包围要测量的物体的回射器相结合，由表面缺陷反射的辐射可以被所述三个接收装置中的两个接收装置接收，相反，不能被所述三个接收装置中的第三个接收装置接收。此时，由对至少三个接收装置的测量数据的比较，评估装置可以可靠地辨别，哪个接收装置识别出表面缺陷并由此确定表面缺陷的位置。

根据另一个设计方案可以设定，设有至少两个接收装置和至少一个设置在所述至少两个接收装置之间的发射装置，并且所述评估装置设置成用于，由对由接收装置接收的测量辐射的时间比较得出线状物体的表面缺陷的位置。根据表面缺陷更靠近所述至少两个接收装置的第一个接收装置还是第二个接收装置，更靠近表面缺陷的接收装置会在远离表面缺陷的接收装置之前接收到由表面缺陷反射的测量辐射。由此，由对接收装置的测量信号的时间比较同样可以得出表面缺陷的位置。发射装置也可以是收发器的一部分。各接收装置尤其可以相对于发射装置对称地设置，就是说，尤其是以到发射装置相同的(角)间距设置。这使得易于进行评估，因为各接收装置的测量信号例如在线状物体具有无缺陷圆形的表面时是相同的。

在前述设计方案中以及在一些或所有的其它的根据本发明的设计方案中，可能有利或必要的是，相位同步地操控所述接收装置和/或所述发射装置。尤其是如果对由所述至少一个发射装置发出的测量辐射进行频率调制、例如锯齿波形频率调制，则进一步可能有利或必要的是，频率同步地操控所述接收装置和/或所述发射装置。相位同步或频率同步的操控本身是本领域技术人员已知的。

根据另一个设计方案，所述至少一个回射器在横截面中至少局部地构造成圆形的。所述回射器特别是可以在横截面中基本上完整地构造成圆形的。例如所述至少一个回射器可以具有圆形的形状。所述回射器例如可以设置在基本上垂直于线状物体的纵轴线的平面中。就是说，在线状物体的外轮廓具有无缺陷圆形的横截面时，所述回射器的每个部段都与线状物体的外轮廓具有相同的距离。由此，可以特别容易地识别出与线状物体预先给定的横截面圆形的偏差。

但所述至少一个回射器的横截面也可以至少局部地不同于圆形。此外，所述至少一个回射器也可以包括多个沿径向方向彼此错开、优选是台阶式错开地设置的离散的反射器部段。所述多个反射器部段可以分别在横截面中都是圆形的。但这些反射器部段也可以具有在横截面中不同于圆形的形状。这些反射器部段相应地分别是回射的。沿径向方向的错开这里涉及线状物体的纵轴线。就是说，不同的反射器部段、尤其是相邻设置的反射器部段到要测量的线状物体、例如圆柱形物体的表面的距离是不同的。通过这个设计方案，可以在测量技术上特别可靠地区分线状物体的外轮廓的不同区域。因此，对于例如具有相同半径的在横截面中为完整圆形的回射器存在的问题是，例如圆柱状线状物体的外轮廓总是有两个表面区域对于测量辐射具有相同的入射角和由此相同的射出角。这会导致这些辐射分量具有相同的传播时间并由此同时到达接收装置。如果此时因为一个所述表面区域有缺陷而出现传播时间偏差，则因此就无法确定两个表面区域中的哪个是有缺陷的。通过前述设计方案克服了这个问题，其方式是，通过回射器相应的设计方案，有意地使所述辐射分量的传播时间相对于彼此推延。因此，对于发射和接收装置的位置尤其是可以考虑采用回射器的不对称设计方案。尤其是也可以设定，所述至少一个回射器包括多个离散的反射器部段，所述多个反射器部段关于所述至少一个发射装置和所述至少一个接收装置不对称地在例如圆形的周线上设置，从而也有意地使通过这些反射器部段反射的辐射分量的传播时间相对于彼此推延。这里，不对称的设置尤其是指，例如在与要测量的线状物同心的圆形轨道上设置的各反射器部段与所述至少一个发射装置和所述至少一个接收装置有不同的角间距。此时，与反射器部段沿径向方向上彼此错开地设置时相同，由线状物体的表面部段以测量辐射相同的入射角并且由此相同的射出角照射的反射器部段相应地也可以在测量技术上可靠地被区分，因为这些反射器部段在线状物体的外直径相同时在不同的时刻提供辐射回波。

根据另一个特别实用的设计方案，由所述至少一个发射装置发出的测量辐射可以是太赫兹辐射或千兆赫兹辐射。在太赫兹或千兆赫兹频率范围内的测量辐射、例如雷达频率范围内的测量辐射特别适用于根据本发明的测量。这种的发射和接收装置在很大程度上是对干扰不敏感的，尤其是对高温、污染、蒸汽等方面的干扰，如尤其是在生产钢管时出现的干扰。因此，可以在生产要测量的线状物体之后直接对其进行测量，以便能够通过干预生产参数对任何不希望的几何偏差尽可能快地做出反应。例如，钢管在该时间点仍处于高温，并且同时例如通过水定期冷却。这导致强烈的蒸发，从而导致对于光学测量设备不太适合的测量环境。

附图说明

下面参考附图详细说明本发明的实施例。

其中示意性地：

图1用横向剖视图示出根据本发明的设备，

图2是图1中的设备的回射器的局部放大图，

图3示出另一个横向剖视图，用于说明根据本发明对测量结果的评估，

图4示出另一个横向剖视图，用于说明根据本发明对测量结果的评估，

图5示出另一个横向剖视图，用于说明根据本发明对测量结果的评估，

图6示出关于要测量的线状物体上的入射角标注的测量辐射走过的路程的图表，

图7用横向剖视图示出另一个实施例的根据本发明的设备，以及

图8示出根据图7的设备的在时间上标注的测量脉冲的图表。

具体实施方式

除非另有说明，否则附图中相同的附图标记表示相同的对象。

在图1中用横向剖视面示出线状物体10，在所示出的示例中是金属管10、例如钢管10。线状物体10沿其纵轴线的方向上被输送通过根据本发明的设备，在图1中是垂直地向图平面中输送。为此，根据本发明的设备可以包括相应的输送装置。在所示的示例中，线状物体10在横截面中具有圆形的外轮廓。线状物体10由在横截面中同样是圆形的回射器12包围。这里，所述线状物体10基本上与回射器12同心地设置。在所示的示例中，除了用于在所示示例中的三个收发器14的测量开口之外，回射器12沿周向上基本上完整地包围线状物体10，这些收发器分别包括用于太赫兹辐射或千兆赫兹辐射的发射装置和接收装置。在所示的示例中，收发器14在回射器12并且由此也在线状物体10的周边上均匀分布地设置，即分别成120°的角间距，如在图1中在附图标记16处针对两个所述间距示出的那样。

如在图1中用多个箭头示出的那样，每个收发器14的发射装置以确定的发射角度发出测量辐射18，所述发射角度在所示示例中约为40°。所述测量辐射18基本上完全由线状物体10的表面反射，如在图1中用箭头簇示出的那样。当在线状物体10上的入射角≠0°时，由线状物体10的表面反射的测量辐射由于相应的反射以相同的≠0°的射出角到达回射器12，由所述回射器沿相同的方向将每个辐射分量反射返回，就是说再次到达线状物体10表面的此前已经反射所述测量辐射的位置。相应地，此时测量辐射在线状物体10的表面上再次反射之后沿其原来路径返回到达收发器14并由此到达相应的接收装置，由所述接收装置探测所述测量辐射作为测量结果。

在图2中用放大图示出回射器12的一种可能的设计方案。在所示的示例中，所述回射器构造成一组形成回射器12的内侧的角反射器，这些角反射器中，每两个反射镜20、22彼此成90°角设置。如果测量辐射到达回射器12，如在图2中用箭头24示出的那样，则所述测量辐射由两个反射镜20、22反射，并且是与在反射镜20、22上的入射角无关地沿与测量辐射此前到达的方向相同的方向反射，如在图2中用箭头26和28示出的那样。为了清楚起见，在图2的放大图中没有详细示出回射器12的圆形曲率。

此外，图1中的根据本发明的设备还包括评估装置30，所述评估装置通过未详细示出的导线与收发器14连接。在评估设备30上提供所述收发器14的接收装置的测量结果，并且所述评估设备30可以以此为基础尤其是在已知收发器14和回射器12空间中的位置时利用测量辐射18的传播时间测量来通过计算确定线状物体10的直径和/或外轮廓。

为了在这方面进一步地进行解释，参考图3至6，这里为了清楚起见仅示出一个所述收发器14。如在图3中可以看出的那样，在仅为了说明而选择的示例中，线状物体10的直径为500mm，而回射器12的直径为1500mm。在图3中对于垂直地到达线状物体10上的辐射分量32可以看出，这个辐射分量由于其入射角为0°而直接地且在没有在回射器12上反射地被反射回到发出的收发器14，尤其是收发器14的接收装置。在所示示例中，就是说，这个辐射分量32在由收发器14发出与收发器14接收之间所走过的路程为2.00m(2000mm)。

如参考图4和5可以看出的那样，所走过的这个路程随着在线状物体10上入射角增大和在回射器12上相应的反射而增大。这在图4中针对箭头34、36处的辐射分量示出。在所示示例中，这个辐射分量在通过收发器14发出与通过收发器14接收之间走过的路程为2.05m(2050mm)。这在图5中针对一整排的其他辐射分量示出，这里在几乎沿切向在线状物体10上入射的极端情况下，走过的路程增加到2.80m(2800mm)。这在图6的图表中也可以看出，这里，关于以度数为单位的入射角标注以毫米为单位的所走过的总路程(长度)。在评估测量信号时，可以由评估装置30对路程的这种延长相应地加以考虑。由此，与对于线状物体10无缺陷的圆形相应预期的路程的偏差以及由此与测得的传播时间的偏差可以用于识别表面缺陷。

在图7中示出根据本发明的设备的另一个实施例。这里为了便于说明，仅示出一个收发器14。当然，也可以在U形物体10的周边上分布地设置多个收发器。在这个实施例中，回射器具有多个离散的回射器部段RR1、RR2、RR3和RR4。这里，回射器部段RR1、RR2、RR3和RR4关于收发器14不对称在圆形的周线38上分布地设置。由此，即使在线状物体10的直径恒定时，由不同的回射器部段RR1、RR2、RR3和RR4反射的辐射分量也在不同的时刻由收发器14的接收装置接收。由此，可以在评估过程中可靠地区分这些辐射分量。这在图8的图表中示出，在该图中关于时间标注发出或接收的辐射强度。在附图标记40处示出收发器14的发射脉冲，在附图标记(42)处示出由线状物体10直接反射回到收发器14的辐射分量的被接收到的辐射回波。在附图标记44、46、48和50处示出分别由反射器部段RR1、RR2、RR3和RR4反射返回的辐射分量的辐射回波。当例如关于收发器14对称地设置在周线38上的回射器部段沿径向方向上相互错开，也就是说，不是全部都设置在周线38上时，例如也可以实现该结果。

附图标记列表

10 线状物体

12 回射器

14 收发器

16 角间距

18 测量辐射

20 反射镜

22 反射镜

24 箭头

26 箭头

28 箭头

30 评估装置

32 辐射分量

34 箭头

36 箭头

38 周线

40 发射脉冲

42 辐射回波

44 辐射回波

46 辐射回波

48 辐射回波

50 辐射回波

Claims (13)

1.用于确定线状物体(10)的直径和/或外轮廓的设备，所述设备包括至少一个发射装置，用于将太赫兹辐射或千兆赫兹辐射作为测量辐射(18)发出到线状物体(10)上，所述测量辐射(18)由线状物体(10)反射，所述设备还包括至少一个接收装置，用于接收由所述至少一个发射装置发出并由线状物体(10)反射的测量辐射(18)，并且所述设备包括评估装置(30)，所述评估装置设置成用于，根据对由所述至少一个接收装置接收的测量辐射(18)的传播时间测量来确定线状物体(10)的直径和/或外轮廓，其特征在于，设有至少一个在周向上至少局部地包围所述线状物体(10)的回射器(12)，所述回射器使由线状物体(10)反射的测量辐射(18)完全地或部分地回射。

2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，至少一个发射装置和至少一个接收装置基本上设置在相同的位置处。

3.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于，至少一个发射装置和至少一个接收装置由至少一个收发器(14)形成。

4.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于，设有多个在线状物体(10)的周边上分布设置的发射装置和多个在线状物体(10)的周边上分布设置的接收装置。

5.根据权利要求4所述的设备，其特征在于，设有至少三个在线状物体(10)的周边上分布设置的发射装置和至少三个在线状物体(10)的周边上分布设置的接收装置，并且所述评估装置设置成用于，由对由所述至少三个接收装置接收的测量辐射的比较得出线状物体(10)的表面缺陷的位置。

6.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于，设有至少两个接收装置和至少一个设置在所述至少两个接收装置之间的发射装置，并且所述评估装置设置成用于，由对由接收装置接收的测量辐射的时间比较得出线状物体的表面缺陷的位置。

7.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于，所述至少一个回射器(12)在横截面中至少局部地构造成圆形的。

8.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于，所述至少一个回射器(12)的横截面至少局部地不同于圆形。

9.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于，所述至少一个回射器(12)包括多个在径向方向上相互错开设置的反射器部段。

10.根据权利要求9所述的设备，其特征在于，所述反射器部段分级错开地设置。

11.根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于，所述至少一个回射器(12)包括多个反射器部段，所述多个反射器部段关于所述至少一个发射装置和所述至少一个接收装置不对称地设置。

12.根据权利要求9所述的设备，其特征在于，所述多个反射器部段在横截面中分别是圆形的。

13.根据权利要求10所述的设备，其特征在于，所述多个反射器部段在横截面中分别是圆形的。