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Gewichtskontrolle von Massengütern mittels Strahlung Zur Gewichtsbestimmung
einzelner Körper verwendet man bisher fast ausschließlich mechanische Waagen, deren
Prinzip hohe Empfindlichkeit bei einfachem Aufbau erreichen läßt. Das Auflegen und
Abnehmen eines Körpers bei der mechanischen Bewegung sowie das Einspielen des Zeigers
erfordert aber Zeiten, die mindestens in der Größenordnung von Sekunden liegen.
Dies macht die mechanische Waage ungeeignet zur laufenden Gewichtsprüfung von Massenteilen,
die in größeren Stückzahlen als 1 pro Sekunde anfallen. Beispielsweise besteht in
der Zigaretten-Industrie das dringende Bedürfnis, die Ge wichte der einzelnen Zigaretten,
die etwa + 20°/o um einen Mittelwert schwanken, zu kontrollieren und Zigaretten
mit erheblichem Unter- oder Übergewicht auszuscheiden. Da aber eine einzige Zigarettenmaschine
Ausstoßzahlen von etwa 1000 Stück/Min. hat, ist eine mechanische Einzelabwiegung
aller Zigaretten unmöglich und man mußte sich bisher mit stichprobenartigen Verwiegungen
begnügen.
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Es ist ferner bekannt, die Flächengewinde von Folien im kontinuierlichen
Durchlauf dadurch zu bestimmen, daß man diese Folien mit energiereichen Wellenstrahlen
oder mit Betastrahlen radioaktiver Stoffe durchstrahlt und die durchgelassene Intensität
als Maß für das Flächengewicht mißt. Eine spezielle Ausführung dieser Methode stellt
die Olerwachung der mittleren Dichte eines durchlaufenden Tabakstranges nach der
britischen Patentschrift 684 503 dar, bei der die Intensität des den Tabakstrang
durchsetzenden Betastrahlenbündels gemessen und zur Steuerung der Tabakzufuhr benutzt
wird. Beim Durchlaufen einer Folie oder eines Tabakstranges zwischen Strahler und
Meßorgan wird die Intensitätsanzeige stets dem über eine bestimmte Fläche gemittelten
Flächengewicht entsprechen. Die Größe dieser Fläche hängt ab von der Anzeigeträgheit
und der Durchlaufgeschwindigkeit. Die Anzeigeträgheiten betragen im allgemeinen
einige Sekunden wegen der statistischen Natur der Strahlung: das Produkt aus Meßzeit
(Anzeigeträgheit) und registrierter Quantenzahl/sec muß für eine geforderte Meßgenauigkeit
eine bestimmte Mindestgröße erreichen. Steht also eine bestimmte Strahlenintensität
zur Verfügung, so ist damit die notwendige Meßzeit gegeben.
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Will man aus der Intensitätsmessung statt eines mittleren Flächengewichtes
das Gewicht eines einzelnen Körpers erhalten, so muß das Integral des Flächengewidites
über den Körperquerschnitt - und nur über diesen - gebildet werden, d. h., man muß
das Strahlenbündel auf den Körperquerschnitt ausblenden und über diesen integrieren.
Man kann beispielsweise gemäß Fig. 1 einen Prüfling 1, etwa eine Zigarette. in ein
der Form des Prüflings angepaßtes
Blendensystem 2 einlegen, ihn mit Hilfe eines bandförmigen
Betastrahlers 3 mit homogener radioaktiver Flächenhelegung durchstrahlen und die
durchgelassene Intensität mit einem Meßorgan 4, beispielsweise mit einem über die
ganze Länge des Prüflings empfindlichen Proportionalzählrohr, messen. Zur Massenpriifung
kann man die Blenden anordnung zu einem endlosen Band erweitern, das ruckweise (in
Pfeilrichtung) derart weiterbewegt wird, daß sich jeder Prüfling eine gewisse Zeit,
die der für die gewünschte Meßgenauigkeit notwendigen Meßzeit entspricht, in Ruhe
zwischen Strahlenquelle und Meßorgan befindet.
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Betriebsmäßig ist aber die ruckweise Bewegung bei hoher Prüfgeschwindigkeit,
d. h. bei kleiner Meßzeit, ungünstig, da dabe!i hohe mechanische Beanspruchungen
auftreten. Günstiger ist ein kontinuierliches Durchlaufen des Bandes mit vorzugsweise
konstanter Geschwindigkeit. Dann muß aber zur Messung der Strahlenintensität die
Geschwindigkeit so langsam gewählt werden, daß die mit der Zeit sich periodisch
ändernde durchgelassene Intensität während einer der notwendigen Meßzeit entsprechenden
Zeitspanne sich nicht erheblich ändert. In Fig. 2 ist der zeitliche Intensitätsverlauf
der durchtretenden Strahlung aufgezeichnet. Bei der Intensitätsmessung entspricht
die eingezeichnete kleine Zeitspanne td ungefähr- der »Meßzeit«, während der schraffierte
Strahlungsanteil nicht zur Messung ausgenutzt wird.
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Erfindungsgemäß erhält man demgegenüber eine vollkommene Ausnutzung
der durchtretenden Strahlung, wenn man nicht mit der Anzeige der momentonen Intensität
arbeitet, sondern diese über die ge samte Periodenzeit ti integriert. In der Zeit
ti ist nämlich jeder Punkt des Prüflings durch das ganze
Strahlerbündel
gelaufen, d. h., jeder Teil des Prüflings trägt gleichartig zur Meßwertbildung bei.
Nur durch diesen Erfindungsgedanken wurde es beispielsweise möglich, durch ein cinziges
Meßgerät den bei einer Zigarettenmaschine anfallenden Ausstoß von etwa 1000 Sttick/Min.
im Fabrikationsgang auf 2o genau zu prüfen und dabei fehlgewichtige Zigaretten automatisch
auszusondern. Die Integration kann erfolgen. indem man die Strahlungsstöße eines
Zählrohres einzeln verstärkt und elektrisch zählt oder. einfacher. indem man den
vom Meßorgan gelieferten Strom (zusammengesetzt aus einzelnen Entladungsstößen)
direkt oder nach Verstärkung einen Äleßkondensator aufladen läßt und die nach Ablauf
der Zeit ti erreichte Aufladung als Aleßgrölle lienutzt.
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Diese Meßgr(il3e muß unmittelbar darauf wieder automatisch zu Null
gemacht werd'n. z. R. indem man den aufgeladenen Kondensator entlädt.
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Der Zeitpunkt dieser Rückführung der Meßgröße auf den Wert 0. d.
h. die Festlegung von Beginn und Ende jeder .Aleßperiode muß automatisch erfolgen.
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Zweckmäßig steuert man diesen Zeitpunkt direkt durch die Bandbewegung,
heispielsweise durch mechanisch-elektrische Kontaktgebung oder erfindungsgemäß dadurch.
daß durch eine mitlaufende Blendenvorrichtung ein Lichtstrahl auf eine Fotozelle
freigegeben wird. die über ein Relais den gewünschten Vorgang auslöst.
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Es sei noch bemerkt, daß bei der erfindungsgemäßen Integration der
momentanen Intensität über die Durchlaufzeit des Prüflings zwar die Breite des Strahlenbündels
senkrecht zur Bewegungsrichtung gleich der Breite des Prtiflings sein muß, dagegen
nicht in der Bewegungsrichtung; so ist auch hei der Al>tastkurve in Fig. 2 nur
in der kurzen Zeitspanne td die volle Strahlerbreite gemäß Fig. 1 wirksam, während
gerade in dem erfindungsgemäß zusätzlich ausgenutzten schraffierten Teil jeweils
nur ein mehr oder weniger großer Teil der Strahlerbreite (in der Beweis gungsrichtung)
wirksam ist. Wird bei gleicher Strahlerstärke diese Strahlerbreite verändert, so
ändert sich nur die Form der Abtastkurve, aber nicht der Integralwert. Entsprechend
kann ferner der Prüfling heim Durchlauf durch den Strahlengang statt quer auch mit
seiner Längsachse parallel zur Bewegungsrichtung liegen. Deshalb ist grundsätzlich
z. B. auch eine Einzelmessung von Zigaretten am Strang moglich. wobei Beginn und
Ende der Messung so gesteuert werden, daß sie mit dem Durchlauf der Trennstelle
zwischen zwei Zigaretten zusammenfallen. Die praktische Schwierigkeit für eine solche
Messung besteht nur darin, daß sehr schmale und damit hochkonzentrierte Strahler
erforderlich sind, weil in diesem Fall die Strahlerbreite als Unschärfe der Begrenzung
des Meßfeldes in der Längsrichtung eingeht.
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Die Methode der Prüfung von Massengütern mit Durchstrahlung hat gegenüber
der Wägung noch den besonderen Vorzug, daß man bei geeigneter Strahlenqualität auch
Körper erkennen und ausschalten kann, die zwar rich.tiges Gewicht, aber unzulässig
starke Unterschiede im Flächengewicht haben. So sind gerade beim Beispiel der Zigarettenprüfung
solche Zigaretten unerwünscht, die Leerstellen hzw. starke Lockerungen aufweisen,
auch wenn sie normales Gewicht haben.
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Die Strahlenabsorption gehorcht bekanntlich einer e-Funktion. Solange
die durch Flächengewichtsunterschiede hervorgerufenen Intensitätsänderungen innerhalb
eines Bereiches der Absorptionskurve bleiben, die annäherungsweise durch eine Gerade
ersetzt werden kann, ergibt das Integral sehr genau das Körper-
gewicht. (Die Rechnung
ergibt bei einer mittleren Intensitätsschwankung von + 10% einen Gewichts -fehler
von nur - 0,5 0/o. bei + 30°lo dagegen von -4,5%, bei t500/o von -12,7, größere
Schwankungen dagegen ergeben eine zu kleine Gewichtsanzeige.) Durch passende Wahl
der Strahlenhärte, d. h. des Absorptionskoeffizienten der verwendeten Strahlung.
kann man erreichen. daß die innerhalb bestimmter Grenzen liegenden normalen Flächellgewichtsscllwankungen
praktisch keinen Einfluß auf die Gewichtsmessung haben, dagegen extreme Sdwankungen
(z. B.
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Leerstellen) sicher zu Anzeigen (Uiitergewichtsanze -gen) führen.
Ferner kann erreicht werden. daß schon geringe Flächengewichtsschwankungen zu Unter
gewichtsanzeigen führen, nämlich dadurch. daß eine extrem wciche Strahlung verwendert
wird. lGaml eignet sich das Verfahren zur Untersuchung gleicllartiger Teile aus
homogenem Material auf Lockerstellen, l>eispielsweise von Preßteilen aus 5 interin-terial
oder von Kokillengußteilen auf Lunker. Es ist zwar bekannt, Werkstücke mit Filni
oder Letlcht schirm auf solche Fehler zu untersuchen. Ferner ist bekannt. solche
Fehler durch örtliches Ahtasten mit einem Strahlungsmeßgerät, z. B. einem Cählrohr,
zu suchen. Alle diese Untersuchungsarten sind aber mit verbältni smäß ig hohem Zeitaufwand
verbullden, d< r entscheidende Vorteil der schnellen Messung ist durch die Erfindung
auch bei dieser Anwendungsart gegeben.
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Die Methode der zeitlichen Integration der Strahlenintensität scheint
eine genau konstante Meßzeit. d. h. bei einer Anordnung beispielsweise nach Fig.
1 eine gleichmäßige Bandbewegung, zur Voraussetzung zu haben. Dies ist aber in weiterer
Ausbildung der Erfindung nicht erforderlich, wenn man die Strahlungsmessung als
gleichzeitige Differenzmessung zwischeii der den Prüfling durchsetzenden und einer
den Prüfling nicht durchsetzenden Strahlung durchführt, wo bei die vergleichende
Meßgröße vorzugsweise gleich der mittleren über den Prüfling erhaltenen Meßgröße
gemacht wird. Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1, aber erweitert
auf diese Differenzmethode. Die Blendenvorrichtung 2 bildet nehmen jedem Meßspalt,
in dem sich ein Priifling 1 befindet, einen Vergleichsspalt 1'. Die Vergleicbsspalten
können - brauchen aber nicht - mit Vergleichskörpern ausgefüllt sein. Die Spaltlänge
kann verschieden von der Meßspaltlänge sein. Unter den Vergleichsspalten befindet
sich ein Vergleichspräparat 3'. darüber ein Meßorgan 4'. Die Präparate 3 und 3'
und die Meßorgane 4 und 4' können vorzugsweise jeweils in einer Einheit zusammengebaut
sein (beispielsweise zwei Zählrohre in einer Gasfüllung). Die Zeitsteuerung erfolgt
für beide Meßorgane! vorzugsweise gemeinsam.
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Eine solche Differenzmessung arbeitet bei passender Abstimmung der
vorhandenen Meßgröße auf die mittlere Meßgröße als Nullmethode. Änderungen der absoluten
Meßzeit können daher. da sie zwangsweise gleichartig auf die heiden Meßorgane wirken,
keine Differenzanzeige heriorrufen. Das Prinzip der Differenzmessung empfiehlt sich
auch hinsichtlich weiterer Fehlerquellen, da jede Nullmethode gegen Fehlerquellen
(Netzänderungen,Temperaturänderungen usw.) unempfindlicher ist als eine Absolutmessung.
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Die auf jeden Prüfling auffallende Prüfdauer kann verkürzt werden,
wenn das Ausscheiden fehlerhafter Prüflinge automatisiert wird. Dazu gibt man den
für jeden Prüfling erhaltenen Meßwert in an sich bekannter Weise auf ein Relais,
das auf zu große oder zu kleine Meßwerte anspricht und einen Aufwerfemechanismus
hetätigt.
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Will man ein solches Relais auf zu große und auf zu kleine Meßwerte
ansprechen lassen oder arbeitet man nach der Differenzmetbode. so ist es notwendig,
das Relais nur im gewünschten Zeitpunkt betriebsbereit zu machen, da Prüflinge,
deren Meßwerte zu diesem Zeitpunkt das Relais nicht zum Ansprechen bringen, sehr
wohl zwischenzeitlich Meßwerte ergeben können, die das Relais zum Ansprechen bringen
würden. Erhält man beispielsweise die Meßgröße (bei der Differenzmethode sinngemäß
die Differenz zweier Größen) als elektrische Spannung, so kann man erfindungsgemäß
das Relais dadurch betriebsbereit machen, daß man zu dieser Meßspannung einen definierten
Spannungsstoß addiert (bei Einstellung des Relais auf zu große Meßwerte oder subtrahiert
(bei Einstellung auf zu kleine Meßwerte) oder eine definierte Wechselspannung hinzuhnngt
(bei Einstellung des Relais auf zu große und zu kleine Meßwerte), wobei die Ansprechschwellen
des Relais um die Größe des Spannungsstoßes gegenüber den normalen Ansprechen schwellen
verschoben sein müssen und wobei der Spannungsstoß größer als die während der gesamten
Meßdauer für den Prüfling möglichen Meßgröße änderungen sein muß. Erhält man als
Meßgröße einen elektrischen Strom oder ein elektromagnetisches Feld (Magnetisierung
oder Relaisspule) so fügt man sinngemäß entsprechende Stromstöße oder Feldstöße
zu.
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PATENTANSPROCHE: 1. Verfahren zur serienmäßigen Prüfung gen.-metrisch
gleichartiger Körper auf Gewicht und/ oder Inhomogenitäten nach dem Durchstrahlungsverfahren,
dadurch gekennzeichnet, daß die Körper kontinuierlich zwischen Strahler und Meßorgan
hindurchgeführt werden und das Integral
der durch einen Körper hindurchgegangenen
und vom Meßorgan aufgefangenen Strahlungsintensität über die Durchlaufzeit gemessen
wird.