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Die
vorliegende Erfindung befasst sich mit der Dickenmessung von ausgedehnten
geometrischen Objekten und insbesondere damit, wie die Dicke von
in Bahnen hergestellten Materialien, wie Blechen, Folien oder Papier
effizient bestimmt werden kann.
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Bei
der Dickenmessung von geometrisch ausgedehnten Objekten ergeben
sich eine Reihe von Problemen, insbesondere wenn, wie beispielsweise bei
industriell vorgefertigten Blechen, die Dicke der zu untersuchenden
Objekte in einem weiten Bereich variieren kann, wie beispielsweise
von 0,01 mm bis zu mehreren Zentimetern. Ist dabei die geometrische Ausdehnung
relativ zur Dicke der Objekte groß oder in einer Richtung sogar
annäherungsweise
unendlich, wie beispielsweise bei auf Rollen aufgewickelten Materialien
wie Folien, Papier oder Blechen, besteht das Problem, dass die Dicke
einer großen
Fläche
des Objekts mit einer einzigen Messung bestimmt werden muss, um
die gesamte Messdauer auf einem akzeptablen Niveau zu halten. Zusätzlich ergibt
sich das Problem, dass gerade bei den Materialien, die in Form von
Bahnen produziert werden, der Anspruch an die Toleranz der Dicke
der Bahn typischerweise besonders groß ist. Beispielsweise werden
im Automobilbau die Blechstärken
teilweise mit äußerst geringen
Toleranzen spezifiziert, da die Einhaltung der Blechstärke für das Crash-Verhalten
der fertig montierten Fahrzeuge wesentlich ist. Bei der Kontrolle von
Blechdicken ist darüber
hinaus zu beachten, dass Bleche in Walzwerken typischerweise in
hoher Geschwindigkeit produziert werden, so dass pro Zeiteinheit
eine große
Blechfläche überprüft werden muss.
Unter anderem kommen auch industrielle Walzmaschinen zum Einsatz,
die Bleche mit einer Breite von bis zu 3 Metern erzeugen können. Darüber hinaus
besteht ein Blech aus einem für
herkömmliche opti sche
Strahlung undurchlässigen
Material, was die Messung der Blechstärke zusätzlich erschwert. Taktile Verfahren,
die ortsaufgelöst
durch direkte Berührung
der Blechoberflächen
deren Dicke bestimmen können,
kommen für
einen solchen Einsatz kaum in Frage, da diese eine Vielzahl von
Messpunkten mechanisch erfassen müssten, was den Aufwand und
somit die Kosten für
die Qualitätskontrolle
erheblich erhöhen
würde.
Bei industriellen Herstellungsverfahren werden Bleche oftmals so
schnell erzeugt, dass diese am Ausgang einer Walzvorrichtung mit
so hoher Geschwindigkeit austreten, dass diese Bleche in einer Richtung
senkrecht zur Oberfläche
Schwingungen durchführen.
In solchen Fällen
ist die Anwendung taktiler Verfahren prinzipiell nicht möglich. Ähnliche Überlegungen
treffen neben Blechen für
eine Vielzahl anderer ebener Materialien zu, wie beispielsweise
Folien, Papier, Gläser
oder ähnlichem,
für die die
Einhaltung einer spezifischen Materialstärke mit hoher Genauigkeit gefordert
wird.
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Aufgrund
der oben skizzierten Probleme ist die Überwachung der Wandstärke während der
Produktion äußerst aufwändig, bei
Blechen erfolgt sie in der Regel radiometrisch, d. h. unter Verwendung
von radioaktiven Quellen oder Röntgenröhren um
Röntgenstrahlung
zu erzeugen und auf radioaktive Strahlen bzw. auf Röntgenstrahlen
sensitiven Detektoren. Dabei wird das zu prüfende Material mit Röntgenstrahlung
oder Gamma-Strahlung durchleuchtet und die Wandstärke des
durchleuchteten Materials wird durch die Strahlschwächung, die
durch die Absorption der Strahlung im zu überprüfenden Material hervorgerufen
wird, bestimmt. Dazu muss die Strahlintensität bzw. die ursprüngliche
Strahlungsintensität bekannt
sein und die nach dem Durchleuchten des Materials verbleibende Strahlungsintensität muss mittels
geeigneter Detektoren nachgewiesen werden. Strahlungsempfindliche
Detektoren sind im Allgemeinen äußerst aufwändige Apparate.
Beispielsweise werden momentan üblicherweise
Zählrohre eingesetzt,
also Gas gefüllte,
mit Hochspannung beaufschlagte Detektorrohre, da diese relativ langzeitstabil sind
und eine geringe Drift (beispielsweise temperatur-induziert) aufweisen.
Bei der Überwachung der
Produktion von breiten Blechen, müssen teilweise bis zu 100 solcher
Detektoren und gegebenenfalls mehrere Röntgenquellen eingesetzt werden,
um über
die gesamte Breite der bis zu 3 m breiten Bleche die erforderliche
Ortsauflösung
bzw. Empfindlichkeit der Dickenmessung zu erreichen. Dabei liegen
realistisch erzielbare Messgenauigkeiten im Bereich von 0,1 der
Wandstärke,
somit bei beispielsweise 10 mm dicken Blechen etwa bei 10 μm. Ein evidenter
Nachteil besteht dabei in den hohen Kosten, die eine solche Messapparatur
mit sich bringt. Beispielsweise muss für jedes der Zählrohre
einen Hochspannungskanal einer Hochspannungsversorgung und ein Auslese-
bzw. Auswertkanal einer Signalverarbeitungselektronik bereitgehalten
werden.
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Ein
weiterer Nachteil besteht darin, dass die erzielbare Messgenauigkeit
durch die Statistik der Röntgenstrahlung
(Poisson-Statistik) bestimmt wird. Der Signal-Rausch-Abstand wird daher
durch die Quadratwurzel der detektierten Röntgenquanten bestimmt. Bei
gegebener zur Verfügung
stehender Messzeit ist daher die Ortsauflösung bzw. die Dickenempfindlichkeit
begrenzt. Obwohl prinzipiell die Messgenauigkeit durch längere Messdauer
bzw. Integrationszeit erhöht
werden kann, ist dies im industriellen Maßstab nicht beliebig möglich, da
in endlicher Zeit das aus einer Produktionsstraße kommende Material überprüft werden
muss. Die prinzipiell auch mögliche
Erhöhung
der Aktivität
der verwendeten Röntgenquellen
erhöht
auch das Risiko bei einem Strahlungsunfall und kann somit nur bedingt
dazu beitragen, die Geschwindigkeit der Messung bzw. die erzielbare
Messgenauigkeit zu steigern.
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Für den Einsatz
in Verbindung mit ausgedehnten Materialien, wie beispielsweise Blech-Rollen ist
darüber
hinaus das Röntgenverfahren
deswegen nur bedingt geeignet, da die typischen Detektoren (Zählrohre)
die kommerziell erhältlich
sind, eine Ausdehnung von lediglich einigen Zentimetern aufweisen,
so dass, wie bereits oben erwähnt,
eine Vielzahl solcher Detektoren verwendet werden muss. Zusätzlich wird
die erzielbare Ortsauflösung
durch die endliche Ausdehnung der Zählrohre stark begrenzt, da ein
einzelnes Zählrohr
jeweils nur die Existenz eines Gamma-Quants in der von ihm überdeckten
Fläche nachweisen
kann, wobei eine weitere Differenzierung des Ortes des Gamma-Quants
innerhalb des Zählrohrs
nicht möglich
ist.
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Die
dem Stand der Technik entsprechenden Röntgenverfahren haben also den
Nachteil, nur eine begrenzte Ortsauflösung erzielen zu können, sowie Detektoren
zu verwenden, deren Anschaffung und Betrieb äußerst aufwändig und kostenintensiv ist.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, eine Vorrichtung
und ein Verfahren zu schaffen, mit dem die Bestimmung der Materialstärke eines
Objekts mit höherer
Ortsauflösung
und effizienter als bisher möglich
ist.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß Patentanspruch 1 und durch
ein Verfahren gemäß Patentanspruch
17 gelöst.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt dabei die Erkenntnis zugrunde, dass
die Materialstärke
ausgedehnter Objekte dadurch effizient bestimmt werden kann, dass
zwei Abstandsmesseinrichtungen verwendet werden, wobei eine erste
Abstandsmesseinrichtung den Abstand zu einer ersten Hauptoberfläche des
Objekts und eine zweite Abstandsmesseinrichtung den Abstand zu einer
zweiten Hauptoberfläche
des Objektes, die der ersten Hauptoberfläche gegenüberliegt, bestimmt. Werden
potentielle Messfehler aufgrund der ausgedehnten Geometrie dadurch vermieden,
dass eine Referenzeinrichtung einen Referenzabstand zwischen der
ersten Abstandsmesseinrichtung und der zweiten Abstandsmesseinrichtung
bestimmt, kann mit hoher Genauigkeit und Geschwindig keit die Dicke
des Objekts zwischen der ersten Hauptoberfläche und der zweiten Hauptoberfläche bestimmt
werden.
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Dabei
kommen bevorzugt Detektoren bzw. Abstandsmesseinrichtungen zum Einsatz,
die mittels einer einzigen Messung den Abstand zu einem ausgedehnten
Bereich auf der Oberfläche
des Objekts bestimmen können.
Dies ist beispielsweise bei Anwendung des Lichtschnittverfahrens
möglich.
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In
anderen Worten besteht der Grundgedanke der Erfindung also darin,
die Dicke eines Bahnmaterials dadurch zu bestimmen, dass der Abstand
von Ober- und Unterseite des Bahnmaterials zu einem über bzw.
unter dem Bahnmaterial angebrachten Detektor bestimmt wird, der
beispielsweise eine linienförmige
Messung des Abstands ermöglicht.
Geeignet ist hierfür
beispielsweise das Lichtschnittverfahren. Das Problem der Oberflächenvermessung
ausgedehnter Objekte besteht generell darin, dass aufgrund der Ausdehnung
(beispielsweise der großen Breiten
von Bahnmaterialien) ein mechanischer Aufbau zur Aufhängung der
Detektoren über
und unter dem Objekt (Bahnmaterial) erforderlich ist. Aufgrund der
großen
geometrischen Ausdehnung kann nicht sichergestellt werden, dass
Vibrationen oder thermische Deformationen das Messergebnis nicht
verfälschen,
insbesondere, da hochpräzise
Messungen im Bereich einiger Mikrometer durchgeführt werden sollen. Solche Vibrationen
oder Deformationen könnten daher
zu einem Messfehler außerhalb
der üblicherweise
geforderten Toleranzen führen.
Erfindungsgemäß wird diesem
Problem dadurch begegnet, dass eine Referenzeinrichtung zum Bestimmen
eines Referenzabstands zwischen der ersten Abstandsmesseinrichtung
und der zweiten Abstandsmesseinrichtung verwendet wird. Dadurch
wird eine etwaige Veränderung
des Abstands der beiden Detektoreinrichtungen Ober- bzw. unterhalb
des Bahnmaterials sowie zusätzlich
optional eine mögliche
Verkippung eines oder mehrerer Messköpfe senkrecht zur Messrichtung
vermieden. Wird beispielsweise Bahnmaterial vermessen, könnte eine
solche Verkippung entlang der Vorschubrichtung des produ zierten
Bahnmaterials einen zusätzlichen
Messfehler verursachen, der erfindungsgemäß korrigiert werden kann.
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Bei
einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung wird daher eine erste Lichtschnittmesseinrichtung
eingesetzt, um einen ersten Abstand zwischen der ersten Lichtschnittmesseinrichtung
und einer ersten Hauptoberfläche
eines zu vermessenden Bahnmaterials zu bestimmen. Eine zweite Lichtschnittmesseinrichtung
wird verwendet, um einen zweiten Abstand von der zweiten Lichtschnittmesseinrichtung
zu einer zweiten, der ersten Hauptoberfläche des Bahnmaterials gegenüberliegenden
Hauptoberfläche
des Bahnmaterials zu bestimmen. Mittels einer Referenzeinrichtung
wird zusätzlich
als Referenzabstand der Abstand der ersten Lichtschnittmesseinrichtung
von der zweiten Lichtschnittmesseinrichtung in Messrichtung bestimmt. Die
Messrichtung ist dabei diejenige Richtung, die zur Dicke des Objekts
parallel verläuft,
also senkrecht auf den Hauptoberflächen steht.
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Gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung wird die Messeinrichtung dazu verwendet,
die Dicken von Blechen, die von einer Presse produziert werden,
unmittelbar nach der Produktion zu überprüfen. Dazu werden die Bleche
in einer Vorschubrichtung zwischen der ersten Lichtschnittmesseinrichtung
und der zweiten Lichtschnittmesseinrichtung bewegt.
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Der
große
Vorteil des Verwendens von berührungslosen
Lichtschnittmesseinrichtungen liegt dabei darin, dass mittels einer
einzigen Messung der Abstand des Bahnmaterials bzw. der Blechbahn
zum Messkopf über
eine Breite von mehr als 1 m linienförmig erfasst werden kann. Das
heißt,
mittels nur einer einzigen Messung kann ein Höhenprofil senkrecht zur Vorschubrichtung
gewonnen werden, das mehr als 1 m Materialbreite beschreibt. Dabei
ist zusätzlich die
Ortsauflösung
im Vergleich zu Strahlungsdetektoren dadurch stark erhöht, dass
die die Auflösung
in Vorschubrichtung begrenzende geometrische Ausdehnung des projizierten
Lichtstreifens in Vorschubrichtung prinzipiell beliebig klein gemacht
werden kann. Durch Variation der Vorschubgeschwindigkeit des aus
der Presse kommenden Blechmaterials lässt sich somit die Ortsauflösung der
Topographie-Information, also der Höheninformation auf der Oberfläche des
zu untersuchenden Materials bzw. des Dickenprofils, beliebig variieren.
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Bei
einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung wird als Referenzeinrichtung zum Bestimmen
des Referenzabstands zwischen der ersten und der zweiten Lichtschnittmesseinrichtung
bzw. zwischen der ersten und der zweiten Abstandsmesseinrichtung
ein Strahlungsdetektor verwendet. Der Strahlungsdetektor bestimmt
dabei für
eine Position auf der Oberfläche
des zu untersuchenden Objekts die Materialstärke desselben durch Messung
der durch Absorption verlorenen Strahlungsintensität. Erfindungsgemäß wird im
selben Oberflächenbereich von
der ersten und der zweiten Lichtschnittmesseinrichtung eine Abstandsmessung
des Oberflächenbereichs
zur Lichtschnittmesseinrichtung durchgeführt. Aufgrund der radiometrisch
bestimmten Dicke des zu untersuchenden Objekts in einem kleinen
geometrischen Bereich und der Messung der Abstände der Lichtschnittmesseinrichtungen
zu eben diesem Bereich kann als Referenzabstand der genaue Abstand der
ersten und zweiten Lichtschnittmesseinrichtung mit hoher Genauigkeit
bestimmt werden. Eventuelle thermisch- oder mechanisch-induzierte
Abstandsvariationen können
somit mit hoher Präzision
kompensiert werden.
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Der
große
Vorteil des oben beschriebenen Ausführungsbeispiels der vorliegenden
Erfindung besteht dabei darin, dass entgegen dem Stand der Technik,
aufwändige
und kostenintensive radiometrische Abstandsmessverfahren nur für einen
begrenzten Bereich auf der Oberfläche des zu untersuchenden Objekts,
bzw. einmal je Abstandsmesseinrichtung, verwendet werden müssen. Dadurch
können die
Kosten deutlich reduziert werden. Aus den oben genannten Gründen wird
darüber
hinaus die erzielbare Ortsauflösung
des zu vermessenden Dickenprofils mittels des Lichtschnittverfahrens
erheblich erhöht.
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Bei
einem weiteren Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung kann die erzielbare Messgenauigkeit in
Dickenrichtung dadurch zusätzlich
erhöht
werden, dass eine zweite radiometrische Messung mittels einer Röntgeneinrichtung
durchgeführt wird,
wobei die Röntgeneinrichtung
mit der ersten Lichtschnittmesseinrichtung und der zweiten Lichtschnittmesseinrichtung
verbunden ist. Erfolgt die Messung mit der zweiten Röntgeneinrichtung
entlang einer anderen Röntgenrichtung
als mittels der ersten Röntgeneinrichtung,
also beispielsweise unter einem anderen Winkel relativ zur Oberfläche des
zu untersuchenden Objekts, kann auf eine eventuelle Verkippung bzw.
ein eventuelles geometrisches Misalignment der Lichtschnittmesseinrichtungen
geschlossen werden. Dadurch lässt
sich auf vorteilhafte Art und Weise die Messgenauigkeit zusätzlich steigern,
indem zusätzlich
zum Abstand der beiden Lichtschnittmesseinrichtungen auch eine Korrektur
auf fehlerhafte relative Ausrichtung in einer weiteren Dimension der
beiden Lichtschnittmesseinrichtungen zueinander durchgeführt werden
kann.
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Bei
einem weiteren Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung wird auf einer oder auf beiden Seiten
des zu vermessenden Bahnmaterials bzw. Objekts ein Referenzobjekt
vorbestimmter, bekannter Dicke angebracht, so dass dieses zusätzlich von
beiden Lichtschnittmesseinrichtungen zusammen mit der Oberfläche des
zu vermessenden Objekts vermessen wird. Die Lichtschnittmesseinrichtungen
müssen
also so angeordnet sein, dass ein Teil der von den Lichtschnittmesseinrichtungen
auf der Oberfläche
des Objekts erzeugten Messlichtstreifen auf den den Lichtschnittmesseinrichtungen
zugewandten Oberflächen
der Referenzobjekte abgebildet werden.
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Die
Bestimmung des Referenzabstands kann dann dadurch erfolgen, dass
der Abstand der ersten und der zweiten Lichtschnittmesseinrichtung zu
den ihnen zugewandten Oberflächen
des Referenzobjekts gleichzeitig mit dem Abstand zum zu vermessenden
Objekt bestimmt wird. Da die Dicke des Referenzobjekts exakt bekannt
ist, kann als Referenzabstand der Abstand zwischen der ersten Lichtschnittmesseinrichtung
und der zweiten Lichtschnittmesseinrichtung einfach berechnet werden.
Erfindungsgemäß wird daher
bevorzugt ein Material für die
Referenzobjekte verwendet, das einer geringen thermischen Ausdehnung
unterliegt.
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Sofern
es geometrisch möglich
ist, entsprechende Referenzobjekte gleichzeitig mit dem zu untersuchenden
Objekt von den Lichtschnittmesseinrichtungen aufnehmen zu lassen,
kann durch einfaches Einbringen kostengünstiger Referenzobjekte die
Einhaltung der Messgenauigkeit sichergestellt werden. Die Verwendung
von kostspieligen Röntgendetektoren
kann somit vollständig
entfallen.
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Bei
einem weiteren Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung wird die erzielbare Messgenauigkeit dadurch
zusätzlich
erhöht,
dass auf beiden Seiten eines zu untersuchenden Bahnmaterials Referenzobjekte
angebracht werden.
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Zusammenfassend
kann also gesagt werden, dass das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die erfindungsgemäße Vorrichtung
das Potential besitzt, eine höhere
Ortsauflösung
zu erreichen und insgesamt die Messgeschwindigkeit zu erhöhen, wobei gleichzeitig
die Kosten der verwendeten Detektoren gegenüber dem Stand der Technik deutlich
gesenkt werden können.
Dies wird dadurch erreicht, dass radiometrische Detektoren teilweise
oder ganz durch andere Messsysteme ergänzt werden, die Abstände auf
einer Linie oder in einem ausgedehnten geometrischen Bereich ermitteln
können,
wie beispielsweise Lichtschnittverfahren.
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Bevorzugte
Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend, Bezug nehmend auf
die beiliegenden Zeichnungen, näher
erläutert.
Es zeigen:
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1 ein
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung mit radiometrischer Bestimmung des Referenzabstands;
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2 ein
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung mit Referenzobjekten zur Bestimmung des
Referenzabstands;
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3A und 3B ein
weiteres Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung mit mehreren Lichtschnittmesseinrichtungen;
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4 ein
Beispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens
zur Bestimmung der Materialstärke
eines Objekts; und
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5 ein
Beispiel eines Lichtschnittmessverfahrens.
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Da
in den folgenden Absätzen
das erfindungsgemäße Konzept
unter Verwendung von Lichtschnittmesseinrichtungen beschrieben wird,
soll anhand von 5 kurz das Lichtschnittmessverfahren an
einem einfachen Beispiel beschrieben werden.
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5 zeigt
dabei die Oberfläche
eines zu vermessenden Objekts 2, einen Messlichtprojektors 4,
welcher in eine Lichtebene 6 Licht emittiert, so dass auf
der Oberfläche
des Objekts 2 ein Messlichtstreifen 8 erzeugt
wird. Im in 5 vereinfacht gezeigten Fall
einer perfekt ebenen Oberfläche 2 ist
der Messlichtstreifen 8 die in 5 gezeigte
Gerade.
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Der
Messlichtstreifen 8 wird mittels eines geeigneten Sensors 10 aufgezeichnet.
Im in 5 gezeigten Beispiel ist der Sensor 10 ein
zwei-dimensionaler Matrixsensor, wie beispielsweise eine CCD- oder
ein CMOS-Sensor. Die genaue Art des Sensors ist für die Funktionsweise
des erfindungsgemäßen Konzeptes
nicht erheblich, es können
generell auch andere Arten von Sensoren verwendet werden.
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Wird
auf der Oberfläche 2 des
Objekts eine Messlichtlinie 8 als Gerade erzeugt, wird
das Bild der Geraden, wie in 5 gezeigt,
auf dem Sensor 10 abgebildet. Die Höheninformation ergibt sich
nunmehr aus der Geometrie des Gesamtaufbaus, insbesondere aus der
Relativposition des Sensors 10 und des Messlichtprojektors 4.
Wird beispielsweise die Oberfläche 2 des
Objekts in einer Richtung 12 bewegt, wird der Messlichtstreifen
an anderer Position auf der Oberfläche 2 des Objekts
erzeugt, da die Lichtebene 6 im Raum unverändert bleibt.
Da auch der Sensor 10 ortsfest ist, wird auch das Bild
der Messlichtlinie (symbolisiert durch schwarze Quadrate) auf dem
Sensor in einer Richtung 14 variieren. Bei Kenntnis der
Geometrie der Lichtebene 6 und des Sensors 10 kann
also, wie oben beschrieben, auf die Position der Oberfläche 2 des
Objekts in Richtung 12 geschlossen werden.
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Äquivalente Überlegungen
gelten, wenn die Oberfläche
des Objekts nicht eben ist. Mittels des in 5 gezeigten
Lichtschnittverfahrens kann somit Topographie-Information bzw. Höheninformation über die
gesamte Breite der Oberfläche 2 mittels
einer einzigen Aufnahme des Sensors 10 bestimmt werden.
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Es
werden für
Lichtschnittmessverfahren spezialisierte Sensoren 10 verwendet,
die in hoher Geschwindigkeit selbst eine Signalverarbeitung durchführen können, so
dass diese beispielsweise lediglich die Information über den
hellsten belichteten Pixel des Sensors 10 als Messergebnis
zur Verfügung
stellen. Solche hoch-spezialisierten Sensoren eignen sich daher
insbesondere für
eine schnelle Messung, da aufwändige
Signalnachverarbeitung, wie sie beispielsweise bei einer herkömmlichen
CCD erforderlich wird, vermieden werden kann.
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Zusammenfassend
weisen Lichtschnittmessverfahren also den erheblichen Vorteil auf,
dass mit hoher Geschwindigkeit die Höheninformation entlang einer
räumlich
ausgedehnten Messlinie 8 erhalten werden kann.
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Wird
die Oberfläche 2 in
einer Richtung senkrecht zur Messlichtlinie 8 und in einer
Richtung 16 unter der Lichtebene bewegt und werden sukzessive
Aufnahmen mittels des Sensors 10 durchgeführt, kann
innerhalb kurzer Zeit die gesamte Topographie der Oberfläche 2 des
zu untersuchenden Objekts bestimmt werden, was das Lichtschnittmessverfahren
für den
Einsatz bei der Vermessung räumlich ausgedehnter
Oberflächen
prädestiniert.
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Bei
den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen der vorliegenden
Erfindung werden daher zur Illustration des erfindungsgemäßen Konzepts
jeweils Lichtschnittmessverfahren verwendet. Das erfindungsgemäße Konzept
ist in seiner Anwendung jedoch in keinster Weise auf das verwendete
Lichtschnittmessverfahren beschränkt.
Vielmehr können
jedwede anderen Messverfahren, die die Topographie einer Oberfläche durch
Abstandsmessung vermessen können,
erfindungsgemäß verwendet werden.
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1 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung, bei dem der Referenzabstand mittels
einer radiometrischen Messung bestimmt wird. 1 zeigt
schematisch in einer Schnittansicht ein zu vermessendes Objekt 20,
dessen Materialstärke 22 (d)
bestimmt werden soll, wobei das Objekt 20 in einer Richtung 24 zwischen
einer ersten Abstandsmesseinrichtung 26 und einer zweiten
Abstandsmesseinrichtung 28 bewegt werden kann. 1 zeigt
zusätzlich
eine Referenzeinrichtung, die eine Röntgenquelle 30a und
einen Röntgendetektor 30b umfasst, wobei
die Röntgenquelle 30a bezüglich der
ersten Abstandsmesseinrichtung 26 und der Röntgendetektor 30b bezüglich der
zweiten Abstandsmesseinrichtung 28 in bekannter geometrischer
Lage angeordnet sind. Dies kann beispielsweise auch bedeuten, dass diese
mechanisch verbunden sind. Für
die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Konzepts ist es unerheblich,
mit welchem der beiden Abstandsmesseinrichtungen die Röntgenquelle 30a verbunden
ist, eine spiegelbildliche Konfiguration ist daher ebenfalls erfindungsgemäß möglich.
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Die
erste und die zweite Abstandsmesseinrichtung 26 bzw. 28 ist
in 1 lediglich schematisch dargestellt, ebenso wie
die Röntgenquelle 30a und der
Röntgendetektor 30b.
Das genaue Funktionsprinzip der Abstandsmesseinrichtungen 26 bzw. 28 ist
für die
Anwendung des erfindungsgemäßen Konzepts
nicht wesentlich. Vorteilhaft ist, wenn die Abstandsmesseinrichtung 26 und 28 mit
einer Messung jeweils einen Abstand zu einem ausgedehnten geometrischen
Bereich auf der ihnen jeweils zugeordneten Oberfläche des
zu vermessenden Objekts 20 bestimmen können. Dies ist beispielsweise
auf kostengünstige
Art und Weise bei den anhand von 5 beschriebenen
Lichtschnittmesseinrichtungen der Fall. Erfindungsgemäß wird also
ein erster Abstand 32a zwischen einer der ersten Abstandsmesseinrichtung 26 zugeordneten
ersten Hauptoberfläche
des Objekts 20 und der ersten Abstandsmesseinrichtung 26 bestimmt.
Ein zweiter Abstand 32b zwischen der zweiten Abstandsmesseinrichtung 28 und
einer der zweiten Abstandsmesseinrichtung 28 zugewandten zweiten
Hauptoberfläche
des Objekts 20 wird mittels der zweiten Abstandsmesseinrichtung 28 bestimmt.
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Als
Referenzabstand kann mittels der Röntgenquelle 30a und
dem Röntgendetektor 30b der
Abstand zwischen der ersten und der zweiten Abstandsmesseinrichtung 26 und 28 bestimmt
werden. Alternativ kann als Referenzabstand auch die Dicke des Objekts
in einem ausgewählten
geometrischen Bereich des Objekts bestimmt werden. Dazu wird mittels
des Röntgendetektors 30b die
durch die Materialstärke
des zu vermessenden Objekts 20 geschwächte Röntgenintensität bestimmt,
die von der Röntgenquelle 30a emittiert
wird. Durch Kenntnis des Absorptionsverhaltens des Materials des
Objekts 20 kann somit auf die Dicke 22 des Objekts 20 geschlossen
werden. Erfindungsgemäß sind Röntgenquelle 30a und
Röntgendetektor 30b mit
jeweils einer Abstandsmesseinrichtung verbunden, und die Dicke 22 des
Objekts 20 wird von der Röntgenmesseinrichtung an einer
Stelle der Oberfläche
des Objekts 20 bestimmt, die ebenfalls von der Abstandsmessung der
Abstandsmesseinrichtung 26 und 28 erfasst wird. Erfindungsgemäß kann also
als Referenzabstand der Abstand zwischen der ersten und der zweiten
Abstandsmesseinrichtung aus der Summe der Abstände 32a, 32b und
der Dicke 22 berechnet werden.
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Dies
hat den großen
Vorteil, dass die aufwändige
Röntgentechnik
nur an einem geometrisch stark begrenzten Teil der Oberfläche des
Objekts 20 verwendet werden muss, um mit deren Hilfe den
Abstand der beiden Abstandsmesseinrichtungen zueinander zu bestimmen,
bzw. zeitlich zu verfolgen. Die erfindungsgemäße hohe Messgenauigkeit der
Materialstärke
des Objekts kann somit auch bei thermisch oder mechanisch verursachten
Variationen des Abstands der beiden Abstandsmesseinrichtungen 26 und 28 aufrecht
erhalten werden.
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2 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung, bei dem der Referenzabstand mittels optischer
Messung bestimmt wird.
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In 2 und
in den vier folgenden Figuren sind funktions-ähnliche
bzw. funktionsidentische Komponenten mit den selben Bezugszeichen
versehen, so dass die Beschreibung der einzelnen Komponenten wechselseitig
auf unterschiedliche Figuren anwendbar ist. Darüber hinaus können mit
identischen Bezugszeichen versehene Objekte innerhalb der einzelnen
im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiele
alternativ verwendet werden.
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2 zeigt
als erste Abstandsmesseinrichtung 26 eine Lichtschnittmesseinrichtung,
wie sie anhand von 5 bereits beschrieben wurde.
Als zweite Abstandsmesseinrichtung 28 wird ebenfalls eine Lichtschnittmesseinrichtung
verwendet. 2 zeigt darüber hinaus in einer perspektivischen
Ansicht das zu vermessende Objekt 20, sowie ein erstes
Referenzobjekt 40a und ein zweites Referenzobjekt 40b. Die
Referenzobjekte 40a und 40b weisen jeweils eine
erste Referenzhauptoberfläche
auf, die der ersten Abstandsmesseinrichtung 26 bzw. der
ersten Lichtschnittmesseinrichtung 26 zugewandt ist. Eine zweite
Hauptoberfläche
der Referenzobjekte 40a und 40b ist der zweiten
Abstandsmesseinrichtung 28 bzw. der zweiten Lichtschnittmesseinrichtung 28 zugewandt.
Die Referenzobjekte 40a und 40b zeichnen sich
darüber
hinaus dadurch aus, dass diese zwischen den Referenzhauptoberflächen eine
präzise vorbestimmte
Dicke aufweisen. Bevorzugt sind die Referenzobjekte 40a und 40b darüber hinaus
aus Materialien hergestellt, die einer geringen thermischen Ausdehnung
unterliegen.
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Wie
es in 2 zu sehen ist, ist die geometrische Anordnung
der Lichtschnittmesseinrichtungen 26 und 28 bzw.
der Referenzobjekte 40a und 40b so gewählt, dass
Teile 42a und 42b des von der ersten Lichtschnittmesseinrichtung 26 erzeugten
Messlichtstreifens auf den Referenzobjekten 40a und 40b erzeugt
werden. Gleiches gilt für
Lichtschnittmesseinrichtung 28, wobei aufgrund der teil-perspektivischen Ansicht
in 2 die auf den zweiten Hauptoberflächen der
Referenzobjekte 40a und 40b erzeugten Lichtmessstreifen
in 2 nicht zu sehen sind.
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Im
in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel umfasst die
Referenzeinrichtung zum Bestimmen eines Referenzabstands zwischen
der ersten Lichtschnittmesseinrichtung 26 und der zweiten
Lichtschnittmesseinrichtung 28 also zwei Referenzobjekte 40a und 40b.
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Da
die Dicke der Referenzobjekte 40a und 40b genau
bekannt ist und die Abstände
zu den Referenzobjekten 40a und 40b im laufenden
Betrieb der erfindungsgemäßen Messeinrichtung
von
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2 jeweils
mit ermittelt werden, kann als Referenzabstand beispielsweise der
Abstand zwischen der ersten Lichtschnittmesseinrichtung 26 und der
zweiten Lichtschnittmesseinrichtung 28 durch Verknüpfung der
Abstände
der Lichtschnittmesseinrichtung 26 zur ersten Hauptoberfläche der
Referenzobjekte 40a und 40b, der Dicke der Referenzobjekte 40a und 40b sowie
der Abstände
der zweiten Lichtschnittmesseinrichtung 28 zur zweiten
Hauptoberfläche
der Referenzobjekte 40a und 40b bestimmt werden.
Alternativ kann auch die Differenz der tatsächlichen Dicke der Referenzobjekte
von der mittels den Lichtschnittmesseinrichtungen bestimmten Dicke
als Referenzgröße verwendet
werden. Mittels der Differenz könnten
dann die Dickenwerte, die mittels der Lichtschnittmesseinrichtungen
bestimmt werden, über
die gesamte Breite der Messlichtstreifen korrigiert werden.
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Obwohl
die Verwendung von zwei Referenzobjekten 40a und 40b im
in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel die erzielbare
Messgenauigkeit gegenüber
dem Verwenden eines einzigen Referenzobjekts zusätzlich erhöht, kann in einem weiteren
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung lediglich ein Referenzobjekt verwendet
werden, um erfindungsgemäß einen
Referenzabstand zu bestimmen.
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Mit
anderen Worten zeigt 2 eine weitere Möglichkeit,
eine Referenzmessung zu erhalten, die sich ergibt, wenn die Bahnbreite
bzw. die Breite des zu vermessenden Objekts 20 geringer
ist als der Erfassungsbereich verwendeter Lichtschnittvorrichtungen.
In diesem Fall können
rechts und links vom Bahnmaterial 20 Referenzobjekte 40a und 40b,
beispielsweise in Form von Blechstreifen bekannter Dicke, unter
einem bekannten Winkel (vorzugsweise wie in 2 gezeigt
horizontal) angeordnet werden. Durch Vergleich der aus der Messung
mit den Lichtschnittmessköpfen
ermittelten Dicke dieser Blechstreifen mit der bekannten Dicke können Korrekturwerte
ermittelt werden, die zur Korrektur der Messdaten für das Bahnmaterial
herangezogen werden. Auch eine eventuelle Verkippung der Lichtschnittmesseinrichtungen 26 bzw. 28 senkrecht
zu einer Vorschubrichtung 44 kann mittels der Vermessung der
Referenzobjekte ermittelt und korrigiert werden.
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Bei
einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung wird als Messlichtstreifen ein Lichtstreifen
monochromatischen Lichts, beispielsweise Licht, das durch einen
Laser erzeugt wird, verwendet. Um auf den Oberflächen der statischen Referenzobjekte 40a und 40b die
Bildung von Speckle-Mustern zu
verhindern, können
die Referenzobjekte (Bleche) so schnell in vertikaler (oder horizontaler)
Richtung bewegt bzw. in Vibration versetzt werden, dass Speckle
während
einer Lichtschnittmessung, die typisch mehrere Hundert Mikrosekunden
dauert, herausgemittelt werden. Da für die Auswertung bzw. Berücksichtigung
der Dicke und die Errechnung des Referenzabstands lediglich die
Differenz des Abstands von Ober- und Unterseite des Bahnmaterials
zur jeweiligen Lichtschnittmesseinrichtung bzw. zum jeweiligen Messkopf
herangezogen wird, ist die vertikale Position der Vergleichsbleche
unerheblich. Ist dass Blech, wie bevorzugt, an jeder Stelle gleich
dick, gilt dies auch für
die horizontale Position, was erfindungsgemäß auf einfache Art und Weise,
die Unterdrückung
von Speckle-Mustern ermöglicht.
Dies hat den großen
Vorteil, dass erfindungsgemäß Laserlicht verwendet
werden kann, welches aufgrund seiner geringen Divergenz die Bildung „dünnerer" Messlichtstreifen
ermöglicht.
Dies erhöht
zusätzlich
die erzielbare Ortsauflösung
des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Alternativ
zur Verwendung von Laserlicht kann eine Weißlichtquelle zur Projektion
einer Lichtlinie herangezogen werden, wobei die Referenzobjekte
dann statisch angeordnet sein können.
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Werden
Lichtschnittmesseinrichtungen verwendet, kann die Vorschubgeschwindigkeit
des Objekts 20 in der Vorschubrichtung 44 äußerst hoch
gewählt
werden, da Lichtschnittmess einrichtungen hohe Messfrequenzen erlauben.
Dadurch wird der Durchsatz gegenüber
Röntgenverfahren
stark erhöht.
Eine hohe Vorschubgeschwindigkeit in Vorschubrichtung 44 verhindert
zudem die Bildung von Speckle-Mustern auf der Oberfläche des
Objektes, da diese sich dann während
der Messdauer einer Messphase der Lichtschnittmesseinrichtungen
herausmitteln. Die hohe mögliche
Messfrequenz von Lichtschnittmessverfahren erlaubt es also Lichtmessstreifen
mittels Laser zu projizieren, und sich eine daraus resultierende
Erhöhung
der Ortsauflösung
zu Nutze zu machen.
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Darüber hinaus
kann durch Mittelung des Messsignals über mehrere Spuren des Sensors
und durch zeitliche Filterung der Messdaten eine weitere Verbesserung
der Genauigkeit der Dickenbestimmung erreicht werden, wenn Lichtschnittmessvorrichtungen
verwendet werden. Dies ist möglich,
da Lichtschnittsensoren selbst bei 1,5 m Breite des Lichtschnittmessstreifens
eine Auflösung
von 1 mm senkrecht zur Vorschubrichtung erlauben und die Messfrequenz
von Lichtschnittsensoren wesentlich höher als die typischerweise
erforderliche Zeitauflösung
ist.
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Die 3A und 3B zeigen
ein weiteres Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung, bei dem das Objekt 20 räumlich so
ausgedehnt ist, dass je Seite des Objekts zwei Lichtschnittmesseinrichtungen
erforderlich sind, um Abstandsinformationen über die gesamte Breite des
Objekts zu bestimmen. Daher sind zusätzlich zu der Lichtschnittmesseinrichtung 26,
die einer ersten Hauptoberfläche 46 des
Objekts 20 zugewandt ist und zu der zweiten Lichtschnittmesseinrichtung 28,
die einer zweiten Hauptoberfläche 48 des
Objekts 20 zugeordnet ist, eine dritte Lichtschnittmesseinrichtung 50 (2a)
und eine vierte Lichtschnittmesseinrichtung 52 (2b)
vorgesehen. Die dritte Lichtschnittmesseinrichtung 50 ist
dabei der ersten Hauptoberfläche 46 und
die vierte Lichtschnittmesseinrichtung 52 ist der zweiten
Hauptoberfläche 48 zugewandt.
Die Lichtebenen der ersten Lichtschnittmesseinrichtung 26 und
der dritten Lichtschnittmesseinrichtung 50 sind durch die
Geometrie der Anordnung derart festgelegt, dass diese sich in einem
zentralen Überlappbereich 54 überschneiden. Darüber hinaus
erzeugt die erste Lichtschnittmesseinrichtung 26 auf der
Oberfläche
des ersten Referenzobjekts 40a einen Messlichtstreifen
und die dritte Lichtschnittmesseinrichtung 50 erzeugt auf
der Oberfläche
des zweiten Referenzobjekts 40b einen Messlichtstreifen.
Gleiches gilt spiegelverkehrt für
die zweite Lichtschnittmesseinrichtung 28 und die vierte Lichtschnittmesseinrichtung 52.
Die Lichtebenen der zweiten Lichtschnittmesseinrichtung 28 und
der vierten Lichtschnittmesseinrichtung 52 überlappen
also ebenfalls innerhalb des zentralen Bereichs 54, die zweite
Lichtschnittmesseinrichtung 28 erzeugt einen Messlichtstreifen
auf dem ersten Referenzobjekt 40a und die vierte Lichtschnittmesseinrichtung 52 erzeugt einen
Messlichtstreifen auf dem zweiten Referenzobjekt 40b.
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Zur
Unterscheidung der unterschiedlichen Messlichtstreifen im Überlappbereich,
der von zwei Lichtschnittmesseinrichtungen gleichzeitig beobachtet
wird, können
beispielsweise unterschiedliche Lichtwellenlängen mit korrespondierenden
Wellenlängenfiltern
verwendet werden. Prinzipiell sind auch andere Methoden denkbar,
beispielsweise eine Feinstrukturierung der unterschiedlichen Messlichtstreifen,
etwa indem der Messlichtstreifen in bestimmten Abständen unterbrochen
ist, sodass eine Identifizierung über dieses Muster erreicht
werden kann.
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Wie
im Folgenden nochmals beschrieben, ist es durch die Verwendung des
erfindungsgemäßen Konzepts
also möglich,
die Dicke von Objekten zu bestimmen, welche eine geometrische Ausdehnung besitzen,
die über
die maximal mit einer einzigen Lichtschnittmesseinrichtung zugänglichen
Breite hinausgeht. Anhand der 3B ist
beispielhaft exemplarisch dargestellt, wie aus den Daten der vier
in 3A gezeigten Lichtschnittmesseinrichtungen die Dicke
des Objekts 20 über
die gesamte Breite desselben bestimmt werden kann. Dabei sind in 3B zunächst für den vereinfachten
Fall einer perfekt planaren Oberfläche die mittels der Sensoren
der Lichtschnittmesseinrichtungen 26, 28, 50 und 52 erhaltenen
Aufnahmen der Lichtmessstreifen schematisch dargestellt. Dabei sind
erste Lichtschnittaufnahmensegmente 60a und 60b der
ersten Lichtschnittmesseinrichtung 26, Lichtschnittaufnahmensegmente 62a und 62b der
dritten Lichtschnittmesseinrichtung 50, Lichtschnittaufnahmensegmente 64a und 64b der zweiten
Lichtschnittmesseinrichtung 28 und Lichtschnittaufnahmensegmente 66a und 66b der
vierten Lichtschnittmesseinrichtung 52 zugeordnet. Die Lichtschnittaufnahmensegmente 60a, 62a, 64a und 66a sind
also diejenigen Teile der Messlichtstreifen, die auf der Oberfläche des
Objekts 20 erzeugt werden. Die Lichtschnittaufnahmensegmente 60b, 62b, 64b und 66b symbolisieren
diejenigen Teile der Messlichtstreifen, die auf den Referenzobjekten 40a und 40b erzeugt
werden.
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Im
in 3B gezeigten Fall sind die Abweichungen, die sich
durch eventuelle Schrägstellung bzw.
Nicht-Parallelität der einzelnen
Lichtschnittmesseinrichtungen ergeben können, übertrieben dargestellt, um
das erfindungsgemäße Verfahren
bzw. das erfindungsgemäße Konzept
deutlicher zu machen.
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Um
aus den in 3B stilisiert gezeichneten Messlichtaufnahmen
der einzelnen Messlichtstreifen die Dicke über die gesamte Breite des
Objekts 20 bestimmen zu können, werden zunächst eventuelle Verkippungen
der einzelnen Messlichteinrichtungen 26, 28, 50 oder 52 korrigiert,
was analog zum in 2 diskutierten Fall mittels
der Referenzobjekte möglich
ist. Danach werden die Ergebnisse der ersten Lichtschnittmesseinrichtung 26 mit
den Ergebnissen der dritten Lichtschnittmesseinrichtung 50 abgeglichen,
d. h. ein Winkel α zwischen
dem Messlichtaufnahmensegment 60a und dem Messlichtaufnahmensegment 62a wird
so lange variiert, bis beide Messlichtaufnahmen 60a und 62a im Überlappbereich 54 im
Wesentlichen identische Werte liefern. Das heißt, eine eventuelle Nicht-Parallelität der der ersten
Lichtschnitt messeinrichtung zugeordneten Lichtebene und der der
dritten Lichtschnittmesseinrichtung zugeordneten Lichtebene wird
korrigiert. Dies kann beispielsweise durch einen Least-Square-Fit geschehen,
der die quadratischen Fehler der Einzelmessungen zum durch Anpassung erzielten
Wert der Lichtschnittaufnahmen im Überlappbereich 54 minimiert.
Selbiges Verfahren wird für die
zweite Lichtschnittmesseinrichtung 28 und die vierte Lichtschnittmesseinrichtung 52 durchgeführt, so
dass sich nach Angleichung der unterschiedlichen Messköpfe ein
in 3B gezeigtes Bild ergibt. Durch Bestimmung des
Referenzabstands zwischen den einzelnen Lichtschnittmesseinrichtungen
unter Verwendung der zu den Referenzobjekten 40a und 40b gemessenen
Abstände
kann nun die Dicke des zu vermessenden Objekts 20 auf dessen
Gesamtbreite bestimmt werden.
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Obwohl
in 3A und 3B das
erfindungsgemäße Konzept
unter Verwendung von lediglich zwei Lichtschnittmesseinrichtungen
pro Seite des zu vermessenden Objekts illustriert ist, können erfindungsgemäße Messeinrichtungen
auch mehr als zwei Lichtschnittmesseinrichtungen je Oberfläche aufweisen.
Ist dies erforderlich, um die gesamte Breite des Objekts 20 abzudecken,
kann ähnlich
wie in 3A und 3B skizziert,
vorgegangen werden. In diesem Fall wird im ersten Schritt für die beiden äußeren Messanordnungen,
die jeweils ein horizontal (oder unter einem bekannten Winkel) liegendes
Referenzobjekt erfassen, der Winkelfehler der Messköpfe senkrecht
zur Vorschubrichtung bestimmt. Für die
weiter innen liegenden Messanordnungen wird die Verkippung sukzessive
von außen
nach innen bestimmt, indem die Überlappbereiche
zur Angleichung der Messkuren verwendet werden. Die Dicke über die
gesamte Breite des Objekts 20 ergibt sich dann analog zum
oben beschriebenen Verfahren durch Verwendung der bekannten Dicken
der Referenzobjekte 40a und 40b.
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Zusammenfassend
kann man also sagen, dass selbst wenn die Bahnbreite größer ist
als diejenige Breite, die mit einer einzelnen Abstandsmesseinrichtung
bzw. Anordnung von je weils einem über und einem unter dem Bahnmaterial
bzw. dem Objekt 20 angeordneten Lichtschnittdetektor abgedeckt werden
kann, mehrere solche Anordnungen nebeneinander angeordnet werden
können,
um eine größere Breite
abzudecken. In diesem Fall erfassen nur die äußeren Messeinrichtungen bzw.
Abstandsmesseinrichtungen jeweils ein Referenzteil bzw. Referenzobjekt. Überlappen
sich die Messbereiche der Anordnungen ausreichend, können jedoch
Relativbewegungen und eine eventuelle Verkippung der Messköpfe senkrecht
zur Vorschubrichtung korrigiert werden. Da ein Lichtschnittmesskopf
nur Abstände
erfasst, würde
eine Verkippung eines Messkopfs ohne Korrektur zu falschen Dickenwerten
führen.
Eine schematische Darstellung des Problems gibt, wie bereits oben
beschrieben, beispielsweise 3B. Die linke
Messanordnung (Lichtschnittmesseinrichtungen 26 und 28)
erfasst das linke Referenzteil (Referenzobjekt 40a), die
rechte Messanordnung (Lichtschnittmesseinrichtung 50 und 52)
erfasst das rechte Referenzteil bzw. das rechte Referenzobjekt 40b. Eine
eventuelle Verkippung der einzelnen Messköpfe senkrecht zur Vorschubrichtung,
die im in 3A gezeigten Fall senkrecht
zur Darstellungsebene verläuft,
wird mit Hilfe der horizontal angebrachten Referenzobjekte ermittelt
und korrigiert. Nach Korrektur der Winkelfehler werden die Ergebnisse
der Messköpfe 1a und 2a bzw. 1b und 2b aufeinander
abgeglichen, so dass beide Messköpfe
im Überlappbereich weitgehend
identische Werte liefern (z. B. durch Least-Square-Fit). Hierdurch
entstehen durchgehende Messergebnisse für die obere bzw. untere Messanordnung.
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Im
letzten Schritt werden die Ergebnisse durch Vergleich mit den bekannten
Dicken der Referenzobjekte abgeglichen. Nach diesem Schritt liegen für jeden
Messpunkt Dickenwerte für
das Bahnmaterial vor. Im in 3A und 3B gezeigten
Fall wird zur vereinfachenden Darstellung angenommen, dass das Objekt 20 bzw.
ein zu untersuchendes Bahnmaterial eine ebene Oberfläche aufweist.
Ohne Beschränkung
der Anwendbarkeit des erfindungsgemäßen Konzepts können jedoch
erfin dungsgemäß auch unebene
Objekte vermessen werden, so beispielsweise Bleche, die in Vorschubrichtung
gekrümmt sind
bzw. Profilbleche, die ein dreieckiges bzw. quadratisches oder rechteckiges
Profil aufweisen können.
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Obwohl
in 3 ein Beispiel für die Verwendung
von mehr als einer Lichtschnittmesseinrichtung je Seite des zu vermessenden
Objekts 20 gezeigt ist, bei dem der Referenzabstand mittels
Referenzobjekten bestimmt wird, ist das erfindungsgemäße Konzept
mit mehreren Lichtschnittmesseinrichtungen auch in Verbindung mit
den in 1 gezeigten radiometrischen Sensoren zur Bestimmung
des Referenzabstands möglich.
Dabei wäre
für eine
solche radiometrische Referenzmessung je einander gegenüberliegender
Lichtschnittmesseinrichtung, also für die Paare der Lichtschnittmesseinrichtungen 26 und 28 bzw.
der Lichtschnittmesseinrichtungen 50 und 52 ein
radiometrischer Sensor erforderlich. Die Referenzobjekte 40a und 40b können dann
entfallen. Wie bereits anhand von 1 diskutiert,
ist dabei zur Bestimmung einer Abstandsänderung zwischen den beiden über bzw.
unter dem Objekt 20 bzw. dem Bahnmaterial angeordneten
Lichtschnittmessköpfen, welche
zu einem Fehler in der Dickenmessung führen würde, nur ein einziger Strahlungsdetektor
benötigt.
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Wie
ebenfalls bereits anhand von 1 diskutiert,
kann bei Verwendung solcher radiometrischer Verfahren (Strahlungsquelle
und Strahlungsdetektor) gleichzeitig eine mögliche Verkippung der Lichtschnittmessköpfe korrigiert
werden, wenn für
jedes Paar einander gegenüberliegender
Lichtschnittmesseinrichtungen zusätzlich eine zweite radiometrische Messeinrichtung
verwendet wird.
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Ebenso
wie im in 3A gezeigten Fall können auch
bei Verwendung radiometrischer Detektoren zur Bestimmung der Referenzabstände mehr
als zwei Lichtschnittmesseinrichtungen je Seite verwendet werden,
wobei dann jede Lichtschnittmesseinrichtung zumindest eine radiometrische
Mess einheit zur Bestimmung des ihm zugeordneten Referenzabstands
aufweist.
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Anhand
von 4 ist ein Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen Verfahrens
zum Bestimmen der Materialstärke
eines Objekts schematisch in Form eines Blockdiagramms dargestellt.
Zur Bestimmung der Materialstärke
wird dabei zunächst in
einem ersten Abstandsmessschritt 80 ein erster Abstand
zwischen einer Abstandsmesseinrichtung und einer ersten Hauptoberfläche des
Objekts bestimmt.
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In
einem zweiten Abstandsmessschritt 84 wird ein zweiter Abstand
zwischen einer zweiten Abstandsmesseinrichtung und einer der ersten
Hauptoberfläche
gegenüberliegenden
zweiten Hauptoberfläche
des Objekts bestimmt.
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In
einem dritten Schritt 84 wird eine Information über einen
Referenzabstand, der eine Bestimmung einer Abweichung eines tatsächlichen
Abstands zwischen der ersten Abstandsmesseinrichtung (26)
und der zweiten Abstandsmesseinrichtung (28) von einem
Sollabstand erlaubt, bereitgestellt.
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In
einem Auswerteschritt 86 wird aus dem ersten Abstand, dem
zweiten Abstand und dem Referenzabstand die Materialstärke des
Objekts ermittelt.
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Obwohl
in den vorangegangenen beschriebenen Ausführungsbeispielen der vorliegenden
Erfindung der Referenzabstand entweder mittels radiometrischer Messverfahren
oder mittels Referenzobjekten konstanter Dicke bestimmt wurde, ist
die Art und Weise, wie der Referenzabstand bestimmt wird, für die erfolgreiche
Anwendung des erfindungsgemäßen Konzepts
nicht wichtig. Vielmehr können
beliebig andere Messverfahren zur Bestimmung des Referenzabstands
verwendet werden, sowie beispielsweise Laufzeit- bzw. Puls-Echo-Verfahren,
die unter anderem die in verschiedenen Medien unterschiedlichen
Laufzeiten von Signalen, wie z. B. Schall- oder Druckwellen verwenden
können.
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Auch
können
als Abstandsmesseinrichtungen andere Messeinrichtungen, als die
in den Ausführungsbeispielen
beschriebenen Lichtschnittmessverfahren verwendet werden. Auch hier
kommen beispielsweise Laufzeitverfahren, wie Ultraschall-Echoverfahren oder
Radar-Echoverfahren in Betracht, die beispielsweise Interferenzen
der reflektierten und der ausgesendeten Signale verwenden können, um
eine präzise
Abstandsinformation zu erhalten. Obwohl in den 2 und 3A bzw. 3B Referenzobjekte mit
quaderförmiger
Geometrie gezeigt sind, können erfindungsgemäß Referenzobjekte
beliebiger anderer Geometrien verwendet werden. Bei einem weiteren
Ausführungsbeispiel
der Erfindung wird ein Referenzobjekt in Form einer rotierenden
Kreisscheibe verwendet. So wird zum einen erreicht, dass sich keine
die Messgenauigkeit verschlechternden Speckle-Muster beim Einsatz
von Lasern bilden. Darüber hinaus
werden etwaige während
der Produktion verursachten Unebenheiten in der Oberfläche des
kreisförmigen
Objekts durch die Rotation herausgemittelt, so dass insgesamt die
Messgenauigkeit dadurch zusätzlich
erhöht
werden kann.