DE102018131362A1

DE102018131362A1 - THz- Messvorrichtung und THz- Messverfahren zur Vermessung von geförderten Messobjekten

Info

Publication number: DE102018131362A1
Application number: DE102018131362.4A
Authority: DE
Inventors: Ralph Klose
Original assignee: INOEX GmbH INNOVATIONEN und AUSRUESTUNGEN fur DIE EXTRUSIONSTECHNIK; Inoex GmbH
Current assignee: INOEX GmbH INNOVATIONEN und AUSRUESTUNGEN fur DIE EXTRUSIONSTECHNIK; Inoex GmbH
Priority date: 2018-12-07
Filing date: 2018-12-07
Publication date: 2020-06-10
Anticipated expiration: 2038-12-08
Also published as: DE102018131362B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine THz-Messvorrichtung zur Vermessung eines Messobjektes, z. B. Kunststoffrohres mit:mehreren THz-Mess-Arrays (6), die in Umfangsrichtung um eine Symmetrieachse (A) oder Förderachse verteilt angeordnet und auf die Symmetrieachse (A) ausgerichtet sind,wobei jedes THz-Mess-Array (6) jeweils einen THz-Transceiver (10) zum Aussenden eines THz-Sendestrahls (14) und Empfangen eines reflektierten THz-Strahls (15) aufweist,und mindestens eine Schichtdicke (d) aus Messsignalen (S10) der THz-Transceiver (19) unter Auswertung eines Laufzeitunterschiedes und/oder einer Frequenzverschiebung ermittelt wird.Hierbei weisen die THz-Mess-Arrays (6) jeweils mindestens zwei in Förderrichtung zu dem THz-Transceiver (10) benachbarte THz-Receiver (12) zum Empfangen der von dem THz-Transceiver (10) ausgesandten und an dem Messobjekt (3) bei nicht-senkrechter Reflexion oder Schrägstellung des Messobjektes (3) reflektierten THz-Strahlung (15) auf,wobei aus Zusatz-Messsignalen (S12) der THz-Receiver (12) eine Schrägstellung des Messobjektes (3) gegenüber der Symmetrieachse (A) oder Förderachse ermittelt wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine THz- Messvorrichtung und ein THz-Messverfahren zur Vermessung von Messobjekten, insbesondere zur Schichtdickenmessung von entlang einer Förderrichtung geförderten Messobjekten wie z.B. Kunststoffrohren.
THz-Messvorrichtungen weisen THz-Sender und THz-Receiver auf, um mittels THz-Strahlung Schichtdicken von Messobjekten, insbesondere aus Kunststoff oder Papier, zu ermitteln. Ein Terahertz-Sendestrahl wird von einem THz-Sender auf das Messobjekt gestrahlt und an Grenzflächen teilweise reflektiert, so dass aus einer Laufzeit der reflektierten Terahertz-Strahlung Abstände ermittelt werden können, insbesondere auch Schichtdicken. Bei vollelektronischen Messvorrichtungen kann insbesondere auch eine Frequenzmodulation erfolgen, bei der entsprechend eine Frequenzverschiebung eines sendenden und empfangenden THz-Transceivers ermittelt werden kann. Hierzu ist der THz-Transceiver mit seiner optischen Achse senkrecht zu den Grenzflächen zu positionieren.
Insbesondere bei der Vermessung von Kunststoff-Messobjekten, z. B. Kunststoffrohren nach ihrer Extrusion, kann sich das Messobjekt aufgrund seiner plastischen Verformbarkeit verstellen, so dass die Grenzflächen nicht mehr senkrecht zu den optischen Achsen der THz-Transceiver liegen. Somit können Fehlmessungen oder Messfehler auftreten, die zu einer Unterbrechung der Messungen führen können.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine THz-Messvorrichtung und ein THz- Messverfahren zu schaffen, die eine sichere Vermessung von Schichtdicken ermöglichen.
Diese Aufgabe wird durch ein THz-Messverfahren und eine THz- Messvorrichtung nach den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Die Unteransprüche beschreiben bevorzugte Weiterbildungen. Hierbei ist ergänzend eine THz-Messanordnung mit der THz-Messvorrichtung und dem Messobjekt vorgesehen, insbesondere auch mit einer Führung zur Kompensation einer Schrägstellung des Messobjektes.
Das erfindungsgemäße THz-Messverfahren kann insbesondere mit einer erfindungsgemäßen THz- Messvorrichtung durchgeführt werden. Die erfindungsgemäße THz- Messvorrichtung ist insbesondere zur Durchführung eines erfindungsgemäßen THz-Messverfahren geeignet.
Somit wird erfindungsgemäß eine Schrägstellung des Messobjektes ermittelt durch zusätzlich zu dem THz-Transceiver vorgesehene THz-Receiver (THz-Empfänger), die zu dem THz-Transceiver benachbart vorgesehen sind und bei einer Schrägstellung ein Zusatz-Messsignal empfangen bzw. bei denen ein empfangenes Zusatz-Messsignal bei Schrägstellung stärker oder schwächer sein kann.
Der Erfindung liegt hierbei der Gedanke zugrunde, dass nicht nur translatorische Verstellungen detektiert werden können, z. B. aus einer Veränderung der Laufzeit mehrerer um das Messobjekt vorgesehener THz- Transceiver; vielmehr kann durch Anbringung von THz-Mess-Arrays mit in Förderrichtung angrenzenden THz-Receivern auch eine Schrägstellung des Messobjektes ermittelt werden, wie sie bei einem Durchbiegen des Messobjektes, z. B. eines frisch geförderten Kunststoffrohres, auftreten kann.
Vorzugsweise weist die THz-Messvorrichtung mehrere um eine Förderachse oder Symmetrieachse verteilt angeordnete, auf die Förderachse oder Symmetrieachse ausgerichtete THz-Mess-Arrays mit jeweils einem THz-Transceiver und in Richtung der Förderachse benachbarten THz-Receivern auf.
Hierbei wird ein Haupt-Messsignal des jeweiligen THz-Transceivers aufgenommen, das grundsätzlich zur Ermittlung der Schichtdicke herangezogen werden kann; aus mindestens einem THz-Zusatzsignal eines passiven THz-Emfängers wird entschieden, ob eine unzulässige Schrägstellung vorliegt.
Zur Ermittlung der Schrägstellung bzw. der Richtung der Schrägstellung sind verschiedene Messmethoden einsetzbar:

So kann zum einen eine Bewertung der Intensität bzw. Signalamplitude des Zusatz-Messsignals vorgenommen werden. Hierbei kann zum einen das Zusatz-Messsignal jedes THz-Receivers fortlaufend überwacht werden und bei einer zeitlichen Erhöhung eines Reflexionspeaks eines Zusatz-Messsignals erkannt werden, dass sich eine Grenzfläche geneigt hat, insbesondere mit ihrer Normale etwas hin zu diesem THz-Receiver. Je nach Öffnungswinkel bzw. Aussendekegel des THz-Transceivers kann bei Schrägstellung bereits ein benachbarter THz-Receiver ein höheres Messsignale detektieren. Eine derartige Ermittlung führt somit zunächst zu einer qualitativen Ermittlung der Schrägstellung.

Weiterhin kann auch das Haupt-Messsignal des THz-Transceivers mit den Zusatz- Messsignalen der passiven Empfänger verglichen werden. Hierbei kann insbesondere eine zeitliche Differenz der Messpeaks darauf zurückgeführt werden, dass eine von einer Grenzfläche reflektierte Wellenfront aufgrund der Schrägstellung verzögert bei dem THz-Transceiver und THz-Receiver eintrifft.
Weiterhin können auch die Höhen der Amplituden bzw. Intensitäten von Haupt- und Zusatz-Messsignal verglichen werden, d. h. ob z.B. ein Zusatz-Messsignal in Relation zu dem Haupt-Messsignal erhöht wird.
Weiterhin ist es möglich, mehrere Zusatz-Messsignale auf ihre zeitliche Verzögerung gegenüber dem Haupt-Messsignal und/oder gegeneinander zu untersuchen, da bei einer Schrägstellung der Abstand benachbarter Empfänger sukzessive zunimmt oder abnimmt.
Weiterhin können auch die Messsignale der THz-Receiver vor und hinter dem THz- Transceiver miteinander verglichen werden, insbesondere als Regelung, dass beide gleiche Intensitäten oder Amplituden zeigen.
Die Detektion kann insbesondere in zwei Neigungsrichtungen senkrecht zur Symmetrieachse oder Förderachse ermittelt werden, so dass die Kippung in zwei Kippebenen, z. B. nach oben/unten und links/rechts gegenüber der Förderrichtung detektiert wird und somit jegliche Neigungen erfasst werden können.
Bei Ermittlung einer Schrägstellung können nachfolgend verschiedene Maßnahmen getroffen werden:

So kann insbesondere eine Kompensation der Schrägstellung des Messobjektes durch Ansteuerung einer Führung, z. B. einer vorderen und hinteren Führungseinrichtung vorgenommen werden, so dass z.B. eine mechanische Regelung zur Kompensation der Schrägstellung vorgenommen wird.

Weiterhin kann auch die THz-Messvorrichtung durch eine Kippeinrichtung entsprechend gekippt werden, um die Detektionsebene der THz-Messvorrichtung zu verstellen; hierzu kann z.B. eine Drehtisch-Aufnahme vorgesehen sein, insbesondere in zwei Richtungen bzw. Neigungsebenen.
Eine derartige Kippung bzw. Neigungsverstellung der Führung des Messobjektes oder der Messvorrichtung zur Kompensation der Neigung kann ergänzend zu einer translatorischen Verstellung erfolgen, d.h. einer translatorische Verstellung der Führung des Messobjektes oder der THz- Messvorrichtung in der Detektionsebene und senkrecht zur Förderrichtung. Somit können die tranlatorische Verstellung (links/rechts und oben/unten) und die Schrägstellung detektiert und kompensiert werden.
Anstelle oder ergänzend zu der Kompensation durch eine Gegen-Verstellung ist aber auch eine mathematische Korrektur der ermittelten Schichtdicke möglich, falls der Neigungswinkel der Schrägstellung hinreichend sicher und genau detektiert werden kann.
Die THz-Strahlung kann insbesondere im Bereich von 0,01 bis 10 THz ausgesendet werden, und zwar optisch und/oder vollelektronisch. Hierbei sind insbesondere vollelektronische Systeme vorteilhaft, da sie die nahe Anordnung mehrerer THz-Antennen ermöglichen, insbesondere als Chip-Array mehrerer derartiger Messchips.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der beiliegenden Zeichnungen an einigen Ausführungsformen erläutert. Es zeigen:

1 eine Messanordnung mit einer Messvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung und einem als Messobjekt zu vermessenden Rohr;
2 eine schematische Schnittansicht der Messanordnung aus 1;
3 eine Darstellung des Strahlenverlaufs bei schräger Anordnung des Messobjektes gemäß einem ersten Beispiel;
4 ein beispielhaftes Signaldiagramm des Messsignals der 3 bei einer Ausführungsform mit Laufzeit-Messung;
5 eine Darstellung des Strahlenverlaufs bei schräger Anordnung des Messobjektes gemäß einem zweiten Beispiel mit größerer Schrägstellung oder größerer Wanddicke;
6 ein beispielhaftes Signaldiagramm des Messsignals der 5 bei einer Ausführungsform mit Laufzeit-Messung.

Gemäß 1 weist eine Messanordnung 1 eine THz-Messvorrichtung 2 zum Vermessen eines Messobjektes3, hier eines Kunststoffrohres nach dessen Extrusion aus einem - angedeuteten - Extruder 4 auf. Weiterhin ist eine Führungseinrichtung 5, hier eine Rohr-Führung, vorgesehen und zum Beispiel mit dem Extruder 4 verbunden, wobei eine Steuereinrichtung 9 vorgesehen ist, die die Messsignale der THz-Messvorrichtung 2 aufnimmt und die Führungseinrichtung 5 ansteuert. Auch kann vorteilhafterweise eine Ansteuerung der THz- Messvorrichtung 2 über die Steuereinrichtung 6 vorgesehen sein.
Die Förderrichtung entspricht der Symmetrieachse A bzw. Förderachse der THz-Messvorrichtung 1, die einer idealen Rohrachse des Messobjektes 3 entspricht; senkrecht zur Symmetrieachse A erstreckt sich eine Detektionsebene xy, die somit der Zeichenebene der 2 entspricht.
Das Messobjekt 3 und die THz-Messvorrichtung 2 sind relativ zueinander verstellbar. Hierbei kann zum einen eine translatorische Verstellung in der Detektionsebene xy vorgesehen sein. Weiterhin ist eine Kompensation einer Neigung des Messobjektes 3 vorgesehen. Die translatorische und Neigungsverstellung können durch Ansteuerung der Führungseinrichtung 5 über Stellsignale S2 und/oder eine Ansteuerung der THz- Messvorrichtung 2 bzw. eines Gestells 8 der THz- Messvorrichtung 2 mittels Stellsignalen S2 erfolgen. Hierzu weist die Führungseinrichtung 5 vorzugsweise eine vordere Rohraufnahme 5a und eine hintere Rohraufnahme 5b auf, die durch gleichmäßige Ansteuerung eine translatorische Verstellung und durch gegenläufige Ansteuerung eine Verkippung bzw. Schwenken des Rohres 3 ermöglichen.
Die THz-Messvorrichtung 2 weist gemäß zum Beispiel 2 mehrere, in Umfangsrichtung verteilt um das Rohr 3 bzw. die Symmetrieachse A oder Förderachse (ideale Rohrachse) verteilt angeordnete THz-Mess-Arrays 6 auf, die mit ihren optischen Achsen B jeweils konzentrisch nach innen auf die Symmetrieachse A gerichtet sind. Gemäß 2 sind beispielhaft acht THz-Mess-Arrays 6 angeordnet. Hierbei können die THz-Mess-Arrays 6 statisch, zum Beispiel an einem Rahmen 7 angeordnet sein, wobei gemäß dieser Ausführungsform der Rahmen 7 wiederum in einem äußeren Gestell 8 verstellbar sein kann, zum Beispiel in xy-Richtung translatorisch und entsprechend in zwei Schwenkrichtungen schwenkbar. Weiterhin können die THz-Mess-Arrays 6 auch in Umfangsrichtung fortlaufend um die Symmetrieachse A geschwenkt werden, um das Rohr 3 vollständig zu vermessen; statische Ausbildungen sind gemäß dieser Ausführungsform jedoch vorteilhaft, da durch eine hinreichende Anzahl von THz-Mess-Arrays 6 eine vollumfängliche Erfassung eines Rohrs 3 möglich ist.
3 zeigt beispielhaft die Ausbildung eines THz-Mess-Arrays 6 mit einem mittleren THz- Transceiver 10 und seitlich hierzu, das heißt in Richtung der Symmetrieachse A bzw. Förderrichtung, angeordneten THz-Receivern 12. Der THz- Transceiver 10 sendet THz-Strahlung als THz-Sende-Strahl 14 aus, im Allgemeinen im Frequenzbereich zwischen 10 GHz und 10 THz, das heißt von 0,01 - 10 THz. Der THz-Transceiver 10 und entsprechend die THz-Empfänger 12 sind vorzugsweise vollelektronisch ausgebildet, das heißt als Antennen bzw. Dipole. Vorteilhafterweise wird der THz-Sendestrahl 14 frequenzmoduliert; grundsätzlich sind jedoch auch Ausbildungen eines THz-Transceivers mit Laufzeitmessung bzw. als gepulstes Signal, zum Beispiel als TDS-Messung, möglich. Eine hier gezeigte Ausbildung eines THz-Arrays 6 mit dicht an dem THz-Transceiver 10 liegenden THz-Receivern 12 ist in vollelektronischer Ausbildung vorteilhaft, da eine enge Anordnung und kostengünstige Ausbildung möglich ist.
Die THz-Messvorrichtung 1 wird vorzugsweise vor der Vermessung des Prüfobjektes kalibriert, indem z.B. eine Messung ohne das Prüfobjekt 3 erfolgt, d.h. insbesondere vor dem Start einer Extrusion. Hierdurch können insbesondere auch bei nachfolgenden Messungen die Messsignale S10 und S12 miteinander in Beziehung gesetzt werden, d.h. ihre Zeitpunkte miteinander verglichen werden.
Nachfolgend wird das Rohr 3 nach seiner Extrusion im Extruder 4 zur vollumfänglichen Vermessung durch die Messvorrichtung 2 geführt, wo der THz-Transceiver 10 jedes THz-Mess-Arrays 6 entsprechend einen Bereich der Rohrwand 3a des Rohres 3 vermisst. Hierbei wird gemäß der Detailvergrößerung der 3 der THz-Sendestrahl 14 an Grenzflächen 3b, 3c teilweise reflektiert, das heißt an einer äußeren Grenzfläche 3b der Rohrwand 3a gegenüber der Umgebung (Übergang vom optisch dünnen ins optisch dicken Medium) und nachfolgend an der inneren Grenzfläche 3c beim Austritt aus der Rohrwand 3a zum Rohrinneren hin (Übergang vom optisch dichten ins optisch dünne Medium). Durch den THz-Transceiver 10 kann somit nicht nur die vordere Rohrwand 3a mit ihren Grenzflächen 3b, 3c,, sondern auch die gegenüberliegende Rohrwand vermessen werden kann, da der THz- Sendestrahl 14 bei jedem Übergang nur um zum Beispiel 3 - 5 % abgeschwächt wird und somit der verbleibende THz-Sendestrahl 14 eine hinreichende Intensität aufweist, um auch den gegenüberliegenden Rohrwandbereich zu erfassen. Da der THz-Sendestrahl 14 somit die Rohrwand 3a im vorderen und hinteren Bereich erfasst und vollständig durch das Rohr 3 geht, können gemäß 2 die THz-Sende-Arrays 6 entsprechend in Umfangsrichtung unsymmetrisch verteilt sein und sich nicht direkt gegenüber liegen; allerdings ist die gegenseitige Beeinflussung eher gering, so dass auch eine symmetrische Anordnung gewählt werden kann.
Gemäß dem beispielhaften Signaldiagramm der 4 kann somit bei idealer Ausrichtung des Rohres 3, d.h. senkrechtem Einfall entlang der Normalen N, ein Haupt-Messsignal S10 ermittelt werden, das die beiden Messpeaks P1_S10 und P2_S10 für die Reflexionen an den Grenzflächen 3b und 3c aufweist. Im Falle einer - hier beispielhaft angesetzten - direkten Messung eines Laufzeitunterschiedes kann somit bei senkrechtem Einfall des THz-Sendestrahls 14 die Zeitdifferenz Δt zwischen P1_S10 und P2_S10 direkt der doppelten Laufzeit des THz-Sendestrahls 14 durch die Rohrwand 3a zugeordnet werden,
also c₀/n · Δt = 2d,
mit d=Wanddicke, co Lichtgeschwindigkeit im Vakuum, n= Brechungsindex der THz-Strahlung in dem Medium der Rohrwand 3, zum Beispiel n=1,5.
Eine derartige Messung ist auch bei Frequenzmodulation entsprechend im Frequenzraum bzw. bei Betrachtung der Fourier-Transformierten möglich.
Diese genaue Berechnung der Wanddicke d setzt einen senkrechten Einfall des THz-Sendestrahls 14 auf die Rohrwand 3a, das heißt entlang der Normalen N der Grenzflächen 3b, 3c voraus. Gemäß 1 und 3 kann das Rohr 3 aber im Allgemeinen auch nicht-senkrecht bzw. schräg verlaufen. So ist ein Kunststoff-Rohr nach seiner Extrusion noch weich und biegt somit leichter durch.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, die Schrägstellung des Rohres 3 zu berücksichtigen. Sie kann gemäß einer ersten Ausführungsform detektiert und durch Ansteuerung der Rohrführung 5, das heißt der vorderen und hinteren Rohraufnahme 5a, 5b, korrigiert bzw. kompensiert werden.
Bei hinreichend dichter Anordnung des THz-Transceivers 10 und der THz-Receiver 12 wird gemäß der schematischen Darstellung der 3 der THz-Sendestrahl 14 als reflektierter THz-Strahl 15 nicht-senkrecht zurückreflektiert, sodass der in einer Richtung zum THz-Transceiver 10 benachbarte THz-Receiver 12 eine höhere Signalintensität oder Amplitude empfängt als bei einem senkrecht, d.h. entlang der Normalen N einfallenden Strahl.
Die THz-Receiver 12 geben jeweils ein Zusatz-Messsignal S12 aus. Somit kann bei Detektion einer hohen Intensität des Zusatz-Messsignals S12 an einem zum THz-Transceiver 10 benachbarten THz-Receiver 12, in 3 der links zum THz-Transceiver 10 benachbarte THz-Receiver, erkannt werden, dass die Normale N in diese Richtung geneigt ist. Hingegen ist die in 3 nach rechts reflektierte, gestrichelt eingezeichnete THz-Strahlung schwach bzw. vernachlässigar, so dass der rechts zum THz-Transceiver 10 benachbarte THz-Receiver 12 keine relevante Intensität aufnimmt. Je nach Ausmaß der Neigung kann z.B. nicht nur der unmittelbar links benachbarte THz-Receiver 12, sondern auch der nachfolgende (d.h. übernächste) oder auch ein weiterer THz-Receiver 12 eine höhere Intensität empfangen.
Bei einer mechanischen Korrektur oder Kompensation kann somit z.B. die hintere Rohraufnahme 5b nach oben verstellt und gegebenenfalls die vordere Rohraufnahme 5a nach unten verstellt werden, bis wiederum ein höheres THz-Messsignal im THz-Transceiver 10 selbst erreicht wird und die THz-Messsignale S12 der THz-Receiver 12 vor und hinter dem THz-Transceiver 10 (in 3 somit links und rechts vom THz-Transceiver 10) wieder jeweils gleich schwach ausgebildet sind.
Entsprechend kann die Steuereinrichtung 9 nachfolgend die Rohrführung 5 bzw. die vordere und hintere Rohraufnahme 5a, 5b zur Kompensation der Schrägstellung mittels Stellsignalen S2 ansteuern, vorzugsweise mit gegenläufiger Ansteuerung. Somit kann in 1 somit zum Beispiel die Rohraufnahme 5b nach oben und die Rohraufnahme 5a nach unten verstellt werden.
Weiterhin ist auch eine Kompensation durch Verkippen der THz- Messvorrichtung 2, z.B. des Rahmens 7 in einem äußeren Gestell 8, möglich.
Diese Kompensation der Schrägstellung kann vorteilhafterweise in zwei Ebenen durchgeführt werden, d.h. zwei Kippachsen senkrecht zur Symmetrieachse A; in 1 somit nach oben/unten und links/rechts (aus der Zeichenebene hinein und heraus), wobei z.B. entsprechende Rohraufnahmen 5a und 5b für die vertikale und horizontale Verkippung vorgesehen sind.
Somit kann ein Abgleich bzw. eine Regelung auf die empfangene Intensität bzw. Amplitude durchgeführt werden, insbesondere auf gleiche oder entsprechende Intensitäten oder Amplituden der Messpeaks in den zu dem THz-Transceiver 10 benachbarten THz-Receivern 12.
Diese Detektion der Schrägstellung und Korrektur durch Verkippen kann ergänzend zu einer Detektion und Korrektur einer translatorischen Verstellung des Rohres 3 in der xy-Ebene erfolgen. Eine derartige translatorische Verstellung kann insbesondere als Verschiebung der Messpeaks P1_S12, P2_S12 im Zeitdiagramm nach links oder rechts, d.h. als größerer oder kleinerer zeitlicher Abstand beider Messpeaks von dem jeweiligen Transceiver 10 detektiert werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die Schrägstellung auch quantitativ erfasst und mathematisch korrigiert werden, statt sie zu kompensieren. Hierzu kann insbesondere aus dem Haupt-Messsignal S10 wie oben angegeben die Schichtdicke ermittelt werden und zur Korrektur mit dem Cosinus des ermittelten Neigungswinkels α multipliziert werden, d.h. es wird eine korrigierte Schichtdicke d_korr ermittelt als
d_korr = d* cos α.
Der Neigungswinkel α kann hierzu aus einem Vergleich des Haupt- Messsignals S10 und des Zusatz-Messsignals S12 ermittelt werden, wie nachfolgend beschrieben wird.
4 zeigt allgemein ein Haupt-Messsignal S10 des THz-Transceivers, das einen ersten Messpeak P1_S10 beim Eintritt des THz-Sendestrahls 14 in die vordere Grenzfläche 3b und einen zweiten Messpeak P2_S10 und beim Austritt aus der hinteren Grenzfläche 3c aufweist, und entsprechend ein Zusatz-Messignal S12 des THz-Receivers 12, das einen ersten Messpeak P1_S12 beim Eintritt des THz-Sendestrahls 14 in die vordere Grenzfläche 3b und einen zweiten Messpeak P2_S12 und beim Austritt aus der hinteren Grenzfläche 3c aufweist. Je nach geometrischer Ausbildung wird gegebenenfalls nicht jeder dieser Messpeaks empfangen.
Wie aus 3 ersichtlich ist, ist der zeitliche Versatz der Messpeaks P1_S12 und P1_S10 darauf zurückzuführen, dass eine reflektierte Wellenfront beim links benacharten THz-Receiver 12 mit dem geometrischen Versatz x, d.h. später eintrifft.
Somit kann aus Laufzeitunterschieden des Haupt-Messignals S10 und des Zusatz-Messsignals S12 zueinander auf die Schrägstellung geschlossen werden und diese berücksichtigt bzw. herausgerechnet werden, da in 3 z.B. ein weiter links angeordneter THz-Receiver 12 das reflektierte Signal später empfängt, da der Gesamt-Weg größer ist als für den THz-Transceiver 10.
Hierbei können Zeitdifferenzen von t1_P10 des Haupt-Messsignals S10 und t1_P12 des Zusatz-Messsignals S12 gebildet werden und es kann z.B. bei bekannten laterale Abstand b zwischen dem THz-Transceiver 10 und dem THz-Receiver 12 in erster Näherung angesetzt werden:

sin 2α = x/b

Eine derartige mathematische Korrektur kann insbesondere auch zunächst vorgenommen werden, bis die mechanische Korrektur durchgeführt ist, da in der Zwischenzeit das Rohr 3 weiter extrudiert wird und somit eine qualitative Vermessung erfolgen sollte.
Weiterhin kann gemäß 3 auch eine Ermittlung der Schrägstellung erfolgen, indem nicht nur der mittlere THz-Transceiver 10, sondern auch weitere Antennen der Anordnung aktiv sein können und diese z.B. alternieren. Somit ist zumindest ein weiterer THz-Receiver 12 des THz-Mess-Arrays 6 zeitweise auch aktiv und gibt einen THz-Sendestrahl 14 aus.
Hier kann somit eine Schrägstellung des Rohres 3 als kürzerer oder weiterer Abstand der Rohrwand 3a von den mehreren Transceivern 10 eines Arrays 6 ermittelt werden, da diese Abstände bei Schrägstellung unterschiedlich sind.
Gemäß dem Beispiel der 5, 6 kann die Schrägstellung des Rohres 3 auch dazu führen, dass der THz-Transceiver 10 nicht mehr die an sämtlichen Grenzflächen 3b, 3c reflektierte THz-Strahlung 15 empfängt. So empfängt in 5, 6 der THz-Transceiver 10 nur die an der vorderen Grenzfläche 3b reflektierte THz-Strahlung, aber nicht die an der hinteren Grenzfläche 3c reflektierte THz-Strahlung 15, so dass er in seinem Haupt-Messsignal S10 nur den Messpeak P1_S10, aber nicht den Messpeak P2_S10 empfängt.
Hingegen empfängt hier der links benachbarte THz-Receiver 12 den zweiten Messpeak P2_S12. Auch hier kann gemäß dem Zeitpfeil t das Haupt-Messignal S10 und das Zusatz-Messsignal S12 miteinander in Beziehung gesetzt werden, so dass zum einen erkannt wird, dass das Rohr 3 in die Richtung zu dem betreffenden THz-Receiver 12 geneigt ist und eine Regelung durch mechanische Korrektur der Rohr-Führung 5 erfolgen kann, und weiterhin auch eine Zeitdifferenz Δt aus den Zeitpunkten t1 und t2 ermittelt werden kann, die mathematisch korrigiert wird.
Somit ist bei einer derartigen Anordnung ein eindimensionales, lineares THz-Mess-Array 6 vorgesehen, wobei eine hinreichende Anzahl von THz-Mess-Arrays 6 umfänglich um die ideale Rohrachse A positioniert sind. Grundsätzlich können jedoch auch THz-Mess-Arrays 6 als zweidimensionale Arrays, zum Beispiel in Rechteck-Anordnung bzw. Gitter-Anordnung, vorgesehen sein.
Bezugszeichenliste

1: Messanordnung
2: THz-Messvorrichtung
3: Messobjekt, hier Rohr aus Kunststoff
3a: Rohrwand des Rohres 3
3b: äußere Grenzfläche (Rohraußenfläche)
3c: innere Grenzfläche (Rohrinnenfläche)
4: Extruder
5: Führungseinrichtung, Rohr-Führung
5a: vordere Rohraufnahme
5b: hintere Rohraufnahme
6: THz-Mess-Array
7: Rahmen
8: äußerer Rahmen/Gestell
9: Steuereinrichtung
10: THz-Transceiver (Sende- und Empfänger)
12: THz-Empfänger/THz-Receiver
14: THz-Sendestrahl
15: reflektierte THz-Strahlung
A: Symmetrieachse der THz-Messvorrichtung 2, Förderachse, entspricht der idealen Rohrachse des Rohres 3,
B: optische Achse des THz-Mess-Arrays 6 entsprechend der Richtung des THz-Sendestrahls 14
N: Normale zu den Grenzflächen 3a, 3b
p1, p2: Messpeaks
Δt: Zeitdifferenz
α: Neigungswinkel, gleich Reflektionswinkel gegenüber Normalen N
c0/n: Lichtgeschwindigkeit
n: Brechungsindex des Materials der Rohrwand 3a
d: Schichtdicke, z.B. Wanddicke
S1: Messsignal
S2: Stellsignal
S3: Steuersignal an den Extruder 4
S10: Haupt-Messsignal des THz-Transceivers 10
S12: Zusatz-Messsignal des passiven THz-Receivers 12

Claims

THz-Messvorrichtung (2) zur Vermessung eines Messobjektes, z. B. Kunststoffrohres (3), wobei die THz-Messvorrichtung (2) aufweist: mehrere THz-Mess-Arrays (6), die in Umfangsrichtung um eine Symmetrieachse (A) oder Förderachse verteilt angeordnet und auf die Symmetrieachse (A) oder Förderachse ausgerichtet sind, wobei jedes THz-Mess-Array (6) jeweils einen THz-Transceiver (10) zum Aussenden eines THz-Sendestrahls (14) und Empfangen eines reflektierten THz-Strahls (15) aufweist, eine Steuereinrichtung (9) zur Ermittlung mindestens einer Schichtdicke (d) aus Messsignalen (S10) der THz-Transceiver (19) unter Auswertung eines Laufzeitunterschiedes und/oder einer Frequenzverschiebung, dadurch gekennzeichnet, dass die THz-Mess-Arrays (6) jeweils mindestens zwei in Förderrichtung zu dem THz-Transceiver (10) benachbarte THz-Receiver (12) zum Empfangen der von dem THz-Transceiver (10) ausgesandten und an dem Messobjekt (3) bei nicht-senkrechter Reflexion oder Schrägstellung des Messobjektes (3) reflektierten THz-Strahlung (15) aufweisen, wobei die Steuereinrichtung (9) aus Zusatz-Messsignalen (S12) der THz-Receiver (12) eine Schrägstellung des Messobjektes (3) gegenüber der Symmetrieachse (A) oder Förderachse qualitativ oder quantitativ ermittelt.
THz-Messvorrichtung (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (9) eine Signalamplitude und/oder Intensität der Zusatz-Messsignale (S12) der THz-Receiver (12) auswertet und die Schrägstellung des Messobjektes (3) ermittelt aus: - einem zeitlichen Vergleich oder Verhalten der Signalamplitude und/oder Intensität der einzelnen Zusatz-Messsignale (S12) der THz-Receiver (S12) und/oder - einem Vergleich der Signalamplitude und/oder Intensität der Zusatz-Messsignale (S12) mit dem Haupt-Messsignal (S10) des THz-Transceivers (10).
THz-Messvorrichtung (2) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei THz-Mess-Arrays (6) in Umfangsrichtung verteilt um die Förderachse (A) derartig vorgesehen sind, dass die optische Achse (B) eines THz-Mess-Arrays (6) und die optische Achse (B) eines weiteren THz-Mess-Arrays (6) sich in einem von 180° verschiedenen Winkel kreuzen, zur Definition zweier unterschiedlicher Detektionsebenen und zur Ermittlung der Schrägstellung des Messobjektes (3) in zwei Schwenkrichtungen oder Neigungsrichtungen.
THz-Messvorrichtung (2) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der THz-Transceiver (10) THz-Sendestrahlung (15) im Frequenzbereich von 0,01 bis 10 THz aussendet, insbesondere als vollelektronischer Sende- und Empfangsdipol, vorzugsweise mit Frequenzmodulation, gepulster Strahlung oder Laufzeitmessung.
Messanordnung (1) mit einer THz-Messvorrichtung (2) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei sie zusätzlich aufweist: eine Führungseinrichtung (5) zur Führung des Messobjektes (3) in der Förderrichtung (A), wobei die Steuereinrichtung (9) auf Grundlage der ermittelten Schrägstellung die Führungseinrichtung (5) mit Stellsignalen (S2) ansteuert zur Kompensation der ermittelten Schrägstellung.
Messanordnung (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungseinrichtung (5) eine vordere Aufnahme (5a) vor der THz-Messvorrichtung (2) und eine hintere Aufnahme (5b) hinter der THz-Messvorrichtung (2) aufweist, wobei die Steuereinrichtung (9) zur Kompensation einer Schrägstellung unterschiedliche und/oder gegenläufige Stellsignale (S2) an die Aufnahmen (5a, 5b) ausgibt.
Verfahren zum Ermitteln einer Schichtdicke (d) eines Messobjektes (3), bei dem ein THz-Sendestrahl (14) von einem THz-Transceiver (10) auf das Messobjekt (3) ausgesandt und von Grenzflächen (3b, 3c) des Messobjektes (3) reflektierte Terahertz-Strahlung (15) von dem THz-Transceiver (10) detektiert wird unter Ausgabe eines Haupt-Messsignals (S10), und aus einer Laufzeit und/oder Frequenzverschiebung der Terahertz-Strahlung die Schichtdicke (d) ermittelt wird, wobei das Messobjekt (3) entlang einer Förderachse oder Symmetrierichtung (A) in oder an der THz-Messvorrichtung (2) befördert wird zur fortlaufenden Vermessung des geförderten Messobjektes (3), dadurch gekennzeichnet, dass aufgrund einer Schrägstellung des Messobjektes (2) gegenüber einer Förderachse oder Symmetrieachse (A) nicht senkrecht reflektierte THz-Strahlung (15) von mindestens einem zu dem THz-Transceiver (10) benachbarten THz-Receiver (12) detektiert wird und aus einem Zusatz-Messsignal (S12) des THz-Receivers (12) die Schrägstellung des Messobjektes (3) qualitativ oder quantitativ ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalamplituden jeder THz-Receiver (12) fortlaufend überwacht werden und eine zeitliche Erhöhung einer Signalamplitude (S12) eines THz-Receivers (12) als Veränderung in der Schrägstellung detektiert wird.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Schrägstellung aus einer Höhe oder Intensität einer Signalamplitude der Zusatz-Messsignale (S12) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein zeitlicher Verlauf der der Zusatz-Messsignale (S12) ausgewertet wird und die Schrägstellung aus einer Veränderung der Höhe oder Intensität der Signalamplitude der Zusatz-Messsignale (S12) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe oder Intensität der Signalamplitude der Zusatz-Messsignale (S12) mit dem Haupt-Messsignal (S10) verglichen wird und aus dem Vergleich die Schrägstellung ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine Laufzeit-Veränderung der Signalamplitude eines Zusatz-Messsignals (S12) detektiert wird und aus der Laufzeit-Veränderung die Schrägstellung ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass bei Detektion einer Schrägstellung des Messobjektes (3) eine Führungseinrichtung (5) zur Führung des Messobjektes (3) derartig angesteuert wird, dass die Schrägstellung kompensiert wird zur Einstellung eines geradlinigen Verlaufs des Messobjektes (3) entlang der Symmetrieachse (A) oder Förderachse.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine aus dem Laufzeitunterschied und/oder der Frequenzverschiebung ermittelte Schichtdicke (d) mathematisch korrigiert wird um einen ermittelten Neigungswinkel (α) der Grenzflächen (3b, 3c) des Messobjektes (3) gegenüber der Symmetrieachse (A) oder Förderachse, und eine korrigierte Schichtdicke (d_korr) ausgegeben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ermittlung und/oder Korrektur einer Schrägstellung in mindestens zwei Ebenen oder Schwenkrichtungen senkrecht zur Förderachse oder Symmetrieachse (A) durchgeführt wird, z. B. um eine vertikale und eine horizontale Achse.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass auch die passiven THz-Receiver (12) zeitweise oder alternierend als zusätzliche aktive THz-Transceiver betrieben werden, wobei dann der THz-Transceiver (10) passiv als THz-Receiver betrieben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass weiterhin eine translatorischen Verstellung des Messobjektes (3) gegenüber der Symmetrieachse (A) oder Förderachse ermittelt und durch translatorische Verstellung des Messobjektes (3) und/oder der Messvorrichtung (2) korrigiert wird.