DE1623341C

DE1623341C - Method and device for continuous, contactless measurement of the distance between a metal surface and a reference plane with the aid of microwaves

Info

Publication number: DE1623341C
Authority: DE
Inventors: Hiromu Kawasaki Kanagawa Soga (Japan)
Original assignee: Yawata Iron and Steel Co Ltd
Current assignee: Yawata Iron and Steel Co Ltd
Publication date: 1971-04-22

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum fortlaufenden, berührungslosen Messen des Abstandes zwischen der Oberfläche eines bewegten Metallkörpers, z. B. eines gewalzten Bleches, und einer Bezugsebene· mit Hilfe von Mikrowellen.The invention relates to a method for continuous, contactless measurement of the distance between the surface of a moving metal body, e.g. B. a rolled sheet, and a reference plane · with Help of microwaves.

Zum Messen von Wandstärken bzw. Wandstärkenänderungen metallischer oder nicht metallischer Stoffe mit Hilfe von Mikrowellen sind eine Reihe von Verfahren und Vorrichtungen bekannt, die im Prinzip darauf beruhen, daß der Phasenunterschied zwischen der eingestrahlten und reflektierten Strahlung gemessen wird (deutsches Gebrauchsmuster 1 792 402, USA.-Patentschriften 2 640190, 3 117 276, französische Patentschrift 1 264 381).For measuring wall thicknesses or changes in wall thickness of metallic or non-metallic materials With the help of microwaves, a number of methods and devices are known which, in principle are based on the fact that the phase difference between the incident and reflected radiation is measured (German utility model 1,792,402, U.S. patents 2,640,190, 3,117,276, French Patent 1,264,381).

An Stelle der Messung des Phasenunterschieds können auch Amplitudenmessungen treten. Zusammenfassend können diese Verfahren als Meßverfahren bezeichnet werden, die auf den Prinzipien der Interferometrie beruhen (»The Review of Scientific Instruments«, März 1960, S. 313 bis 316, und »Electronics«, 23. August 1965, S. 65 bis 69).Instead of measuring the phase difference, amplitude measurements can also be used. In summary These methods can be referred to as measuring methods based on the principles of interferometry based ("The Review of Scientific Instruments", March 1960, pp. 313 to 316, and "Electronics", 23 August 1965, pp. 65 to 69).

Die Phasenmeßverfahren sind sehr empfindlich gegen Umgebungseinflüsse und Instabilitäten der einzelnen Komponenten der Meßanordnung, beispielsweise der Verstärker, deshalb muß eine solche Meßanordnung immer wieder neu justiert werden und kann nicht unbeobachtet arbeiten. Außerdem ist die Justierung einer solchen Anordnung äußerst schwierig. Die Meßergebnisse sind meistens in hohem Maße fehlerbehaftet.The phase measurement methods are very sensitive to environmental influences and instabilities of the individual components of the measuring arrangement, for example the amplifier, therefore such a The measuring arrangement can be readjusted again and again and cannot work unobserved. Besides, the Adjustment of such an arrangement is extremely difficult. The measurement results are mostly high flawed.

Bei den Amplitudenmeßverfahren ist die Linearität zwischen der zu messenden Abstandsänderung einerseits und der Amplitudenänderung andererseits auf einen Bereich von etwa 1,5 mm für die Abstandsänderung beschränkt, so daß es nicht möglich ist, entsprechende Abstandsänderungen bei Metallkörperoberflächen von hohen Temperaturen zu messen, wo die Abstände sehr gering sind. Außerdem werden bei der Amplitudenmeßanordnung hohe Anforderungen an die Linearität der Komponenten der Meßanordnung, wie beispielsweise des Detektors, gestellt. Um die erforderliche Linearität zu erreichen, müssen zusätzliche Korrektureinheiten in die Anordnung eingebaut werden.With the amplitude measurement method, the linearity between the change in distance to be measured is on the one hand and the change in amplitude, on the other hand, to a range of about 1.5 mm for the change in distance limited, so that it is not possible to make corresponding changes in the spacing of metal body surfaces to measure from high temperatures where the distances are very small. In addition, the amplitude measuring arrangement high demands on the linearity of the components of the measuring arrangement, such as the detector. In order to achieve the required linearity, additional Correction units are built into the arrangement.

Beim Phasen- wie auch beim Amplitudenmeßverfahren sind die Meßwerte proportional den zu messenden Abstandsänderungen, d. h., bei einer kleinen Abstandsänderung tritt auch nur ein kleiner Meßwertunterschied auf, und der relative Fehler für diesen kleinen Meßwertunterschied wird sehr groß, da die Fehler der Meßwerte direkt in die aus der Messung gefolgerten Abstandsänderungen eingehen. Zusätzlich hat der Grad der Linearität der Meßanordnung einen großen Einfluß auf die Mcßergebnissc.With the phase as well as the amplitude measurement method, the measured values are proportional to those to be measured Distance changes, d. that is, with a small change in distance, there is also only a small difference in measured values on, and the relative error for this small difference in measured values becomes very large, since the Errors in the measured values are included directly in the distance changes inferred from the measurement. Additionally the degree of linearity of the measuring arrangement has a great influence on the Mcßergebnissc.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine elektrische Meßmethode zu schaffen, mit der man den Abstand einer Metalloberfläche von einem festen Punkt der Meßvorrichtung genau bestimmen kann, ohne daß die Messung durch die jeweilige Temperatur des Metallkörper und die Bewegung des Metallkörpers sowie durch die bei der Phasen- und Ampliludeiimessung auftretenden Fehler beeinflußt oder verfälscht wird.The object of the present invention is to provide an electrical measurement method with which is used to precisely determine the distance between a metal surface and a fixed point on the measuring device can without the measurement by the respective temperature of the metal body and the movement of the Metal body as well as influenced by the errors occurring in the phase and amplitude measurement or is adulterated.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß im Abstand von und mit Ausrichtung auf den Metallkörper ein zylindrischer llohlraumkörpcr angeordnet wird, dessen der Metalloberfläche zugewendetes Ende offen ist und der mit der Metalloberfläche zusammen einen Resonanzhohlraum bildet, und daß in diesem Resonanzhohlraum Mikrowellen angeregt werden und deren Resonanzfrequenz gemessen wird und daß aus einer vorher festgelegten Eichbeziehung zwischen Resonanzfrequenz und Abstand der gesuchte Abstand zwischen der Oberfläche des Metallkörpers und der Bezugsebene entnommen wird.
Bisher war bei Resonanzmessungen mit einem Resonanzhohlraum nur die Anwendung von geschlossenen. Resonanzhohlräumen bekannt, da die Fachwelt davon ausging, daß beim Öffnen einer Seite eines Resonanzhohlraumes erhebliche Störungen der Schwingungsausbildung im Resonanzhohlraum zu erwarten sind.This object is achieved by a method of the type mentioned in that a cylindrical llohlraumkkörperscr is arranged at a distance from and aligned with the metal body, the end facing the metal surface is open and which forms a resonance cavity together with the metal surface, and that in this Resonance cavity microwaves are excited and their resonance frequency is measured and that the distance sought between the surface of the metal body and the reference plane is taken from a previously established calibration relationship between the resonance frequency and the distance.
Until now, only closed ones were used for resonance measurements with a resonance cavity. Resonance cavities known, since those skilled in the art assumed that when one side of a resonance cavity is opened, considerable disturbances in the formation of vibrations in the resonance cavity are to be expected.

Die Maßnahme, gegenüber einer Metalloberfläche mit Abstand einen zylindrischen Hohlraum anzubringen, dessen der Metalloberfläche zugewendete Seite zu öffnen und auf diese Weise mit dem Hohlraum und der Metalloberfläche einen Resonanzhohlraum zu bilden, Mikrowellen in diesem Resonanzhohlraum anzuregen und deren Frequenz durchzufahren, führte zu dem überraschenden Erfolg, daß die dabei auftretenden Resonanzfrequenzen sehr gut zu messen sind und sich beim Eintreten der Resonanzfrequenz ein ausgesprochen scharfes Meßsignal ausbildet.The measure of attaching a cylindrical cavity at a distance from a metal surface, its side facing the metal surface to open and in this way with the cavity and to form a resonance cavity on the metal surface, microwaves in that resonance cavity to stimulate and drive through their frequency, led to the surprising success that this Occurring resonance frequencies can be measured very well and when the resonance frequency occurs forms an extremely sharp measurement signal.

Als besonders zweckmäßig hat sich die Maßnahme erwiesen, zwei an einem Ende offene zylindrische Hohlraumkörper mit konstantem Abstand an einander gegenüberliegenden Seiten des Metallkörpers anzuordnen, wobei jeder Hohlraum mit der Oberfläche des 'Metallkörpers einen Resonanzhohlraum bildet, und jeweils den Abstand zwischen dem Metallkörper und jedem der zylindrischen Hohlräume aus den Rcsonanzfrequenzen zu bestimmen, wobei hieraus die Dicke des Metallkörpers ermittelt werden kann.The measure, two cylindrical ones open at one end, has proven to be particularly expedient Void body with a constant distance on opposite sides of the metal body to be arranged, whereby each cavity forms a resonance cavity with the surface of the metal body, and the distance between the metal body and each of the cylindrical cavities from the resonance frequencies to be determined, from which the thickness of the metal body can be determined.

Um die Resonanzschärfe des einseitig offenen Resonanzhohlraumes möglichst groß zu halten, hat man weiterhin erfindungsgemliß an dem offenen Ende des Resonanzhohlraumes einen senkrecht dazu angeordneten Flansch mit einer Breite von λ/4 angebracht. Dadurch wird eine Streuung der Mikrowellenleistung aus dem· zylindrischen Resonanzhohlraum heraus verhindert, und die große Resonanzschärfe des geschlossenen Resonanzhohlraumes bleibt auf diese Weise auch bei dem erfindungsgemäß einseitig geöffneten Resonanzhohlraum erhalten.In order to keep the resonance sharpness of the resonance cavity open on one side as great as possible, according to the invention a flange with a width of λ / 4 arranged perpendicular to it has been attached to the open end of the resonance cavity. This prevents the microwave power from scattering out of the cylindrical resonance cavity, and the great resonance sharpness of the closed resonance cavity is retained in this way even with the resonance cavity which is open on one side according to the invention.

Das erfindungsgemäße Resonanzmeßverfahren ist gegen Umgebungseinflüsse und Driften der Komponenten der Meßanordnung unempfindlich, da beim Eintreten der Resonanz ein scharf ausgebildetes Meßsignal auftritt. Die Resonanz kann beispielsweise über die Leistungsaufnahme des Resonanzhohlraumes gemessen werden. Das beim Eintreten der Resonanz sich bildende Meßsignal hebt sich deutlich gegen sonstige, aus Störungen herrührende Signale ab. Weiterhin hat das erfindungsgemäße Resonanzmeßverfahren den wesentlichen Vorteil, daß seine Linearität über einen nahezu unbegrenzten Bereich sich erstreckt.The resonance measuring method according to the invention is against environmental influences and drifting of the components the measuring arrangement insensitive, since a sharply formed measuring signal when the resonance occurs occurs. The resonance can be measured, for example, via the power consumption of the resonance cavity will. The measurement signal that forms when the resonance occurs is clearly offset against this other signals resulting from disturbances. Furthermore, the resonance measuring method according to the invention has the essential advantage that its linearity extends over an almost unlimited range.

Beim Resonanzmeßverfahren geht der Meßwert nicht proportional mit der Abstandsänderung ein. Vielmehr tritt zu jedem Abstand zwischen dem Bezugspunkt der Meßanordnung und der Mctallkörperoberfläche eine bestimmte Resonanzfrequenz auf, die als scharf ausgebildetes Meßsignal bestimmt werden kann. Da gerade beim Resonanzhohlraum auf Grund seiner geringen Verluste die Resonanzschärfe, wie erwähnt, sehr hoch ist, wird die zu einem bestimmten AbstandWith the resonance measuring method, the measured value is not proportional to the change in distance. Rather, there occurs at every distance between the reference point of the measuring arrangement and the metal body surface a certain resonance frequency, which can be determined as a sharply formed measurement signal. Since the resonance sharpness of the resonance cavity due to its low losses, as mentioned, is very high, which will be at a certain distance

gehörende Resonanzfrequenz besonders genau angezeigt. So ist es möglich, mit dem Resonanzhohlraum eine Eichbeziehung zwischen Resonanzfrequenz und Abstand aufzustellen, die mit einem Fehler behaftet ist, der um Größenordnungen kleiner ist als der bei den Phasen- und Amplitudenmeßverfahren auftretende. Mit der gleichen Genauigkeit werden während der Anwendung des erfindungsgemäßen Resonanzmeßverfahrens die zu den jeweilig auftretenden Abständen eintretenden Resonanzfrequenzen gemessen, so daß die Meßanordnung über längere Zeit unbeobachtet arbeiten kann.corresponding resonance frequency is displayed particularly precisely. So it is possible with the resonance cavity to set up a calibration relationship between the resonance frequency and the distance, which is afflicted with an error which is orders of magnitude smaller than that which occurs with the phase and amplitude measurement methods. With the same accuracy during the application of the resonance measuring method according to the invention the resonance frequencies occurring at the respective intervals are measured, so that the measuring arrangement can work unobserved for a long time.

An Hand der Zeichnungen werden beispielsweise Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung näher veranschaulicht.Embodiments of the present invention are illustrated in greater detail by way of example with the aid of the drawings illustrated.

F i g. 1 zeigt in einem Schnitt einen bekannten Resonanzhohlraum für Mikrowellenfrequenzmessungen; F i g. Fig. 1 shows in section a known resonant cavity for microwave frequency measurements;

F i g. 2 zeigt in einem Schnitt einen offenen, zylindrischen Resonanzhohlraum, wie er erfindungsgemäß verwendet wird;F i g. 2 shows in a section an open, cylindrical resonance cavity, as it is according to the invention is used;

F i g. 3 zeigt in einem Schnitt einen weiteren erfindungsgemäßen offenen Resonanzhohlraum;F i g. 3 shows in section another open resonance cavity according to the invention;

F i g. 4 zeigt in einem Diagramm die Frequenzcharakteristik sowie die gemessenen g-Werte des Resonanzhohlraums gemäß Fi g. 2;F i g. 4 shows in a diagram the frequency characteristics and the measured g values of the Resonance cavity according to Fi g. 2;

F i g. 5 zeigt ein Blockschaltbild für die Messung der Resonanzfrequenz;F i g. 5 shows a block diagram for the measurement of the resonance frequency;

F i g. 6 zeigt schematisch, wie erfindungsgemäß Gestalt und Umriß eines welligen Metallblechs festgestellt werden;F i g. 6 shows schematically how the shape and outline of a corrugated metal sheet are determined according to the invention will;

F i g. 7 zeigt eine Meßanordnung zur- Messung der Dicke einer Metallplatte;F i g. Fig. 7 shows a measuring arrangement for measuring the thickness of a metal plate;

F i g. 8 zeigt schematisch eine Meßanordnung für die Feststellung der Balligkeit von gewalzten Stahlplatten; F i g. 8 schematically shows a measuring arrangement for determining the crowning of rolled steel plates;

F i g. 9 zeigt schematisch eine weitere Anordnung zur Messung der Dicke einer Metallplatte;F i g. 9 schematically shows a further arrangement for measuring the thickness of a metal plate;

F i g. 10 zeigt schematisch die Differenz zwischen den Resonanzpunkten der in F ί g. 9 gezeigten Anordnung. F i g. 10 shows schematically the difference between the resonance points in FIG. 9 arrangement shown.

Der in F i g. 1 gezeigte, bekannte Resonanzhohlraum A für Mikrowellenfrequenzmessungen besteht aus einem an einem Ende offenen Zylinder B und einem Kolben C in dem Zylinder B. Während Mikrowellen, deren Frequenz gemessen werden soll, auf den Zylinder B gegeben werden, wird der Kolben C so lange verschoben, bis der Resonanzhohlraum A entsprechend den Mikrowellen in Resonanz ist. Der Abstand E zwischen der inneren Oberfläche des Kolbens C und der Bodenwand D wird gemessen. Die Frequenz der Mikrowellen wird über eine vorher festgelegte Beziehung zwischen dem Abstand E und der Frequenz gefunden.The in F i g. 1 shown, known resonance cavity A for microwave frequency measurements consists of a cylinder B open at one end and a piston C in the cylinder B. While microwaves, the frequency of which is to be measured, are applied to the cylinder B , the piston C is displaced until until the resonance cavity A resonates according to the microwaves. The distance E between the inner surface of the piston C and the bottom wall D is measured. The frequency of the microwaves is found from a predetermined relationship between the distance E and the frequency.

Der in F i g. 2 gezeigte, zylindrische Resonanzhohlraum gemäß der Erfindung ist an einem Ende offen und besteht aus einer Bodenwand 2 und einer Seitenwand 3.The in F i g. The cylindrical resonance cavity shown in Figure 2 according to the invention is open at one end and consists of a bottom wall 2 and a side wall 3.

¹ Der in F i g. 3 dargestellte Resonanzhohlraum hat zusätzlich zu der Bodenwand 2 und der Seitenwand 3 einen Flansch 5, der mit dem Rand am offenen Ende 4 der Seitenwand 3 so verbunden ist, daß er im wesentlichen senkrecht auf der Seitenwand 3 steht, d. h., er ist parallel zu der Bodenwand 2. ¹ The in F i g. 3 has, in addition to the bottom wall 2 and the side wall 3, a flange 5 which is connected to the edge at the open end 4 of the side wall 3 so that it is substantially perpendicular to the side wall 3, ie it is parallel to the Bottom wall 2.

Der erfindungsgemäße Resonanzhohlraum wird nahe einem Metallkörper 6 angeordnet, dessen Form oder Dicke bestimmt werden soll. Dabei ist das offene Ende des Hohlraumes gegen den Metallkörper 6 gerichtet. Mit dem so angeordneten Resonanzhohlraum 1 wird zur Bestimmung des Abstandes Δ χ zwischen dem Resonanzhohlraum 1 und dem Metallkörper 6 die Resonanzfrequenz der Mikrowellen gemessen. Durch Messung des Abstandes Δ χ zwischen dem Resonanzhohlraum 1 und dem Metallkörper 6 vor und nach der Aufheizung kann so die Veränderung der Form des Metallkörpers 6 und gleichzeitig dessen Ausdehnungskoeffizient festgestellt werden.The resonance cavity according to the invention is arranged near a metal body 6, the shape or thickness of which is to be determined. The open end of the cavity is directed towards the metal body 6. With the resonance cavity 1 arranged in this way, the resonance frequency of the microwaves is measured to determine the distance Δ χ between the resonance cavity 1 and the metal body 6. By measuring the distance Δ χ between the resonance cavity 1 and the metal body 6 before and after the heating, the change in the shape of the metal body 6 and at the same time its coefficient of expansion can be determined.

ίο Die Dicke eines Metallkörpers 6 kann auch dadurch festgestellt werden, daß zwei an einem Ende offene zylindrische Resonanzhohlräume 1 auf einander gegenüberliegenden Seiten der Metallplatte 6 angeordnet werden, indem der Abstand zwischen den offenen Seiten dieser Resonanzhohlräume konstant gehalten wird und jeweils der Abstand A χ zwischen der Metallplatte 6 und jedem der zylindrischen Resonanzhohlräume 1 gemessen wird.
Die zwischen dem Abstand Δ χ von dem an einem Ende offenen zylindrischen Resonanzhohlraum 1 zu dem Metallkörper 6 und der Resonanzfrequenz des Resonanzhohlraumes 1 bestehende Beziehung, unterscheidet sich von der sich zwischen dem Abstand E von der Innenfläche des Kolbens C des bekannten Resonanzhohlraumes A zu dem Boden D und der Resonanzfrequenz ergebenden. Die sich bei Verwendung des erfindungsgemäßen Resonanzhohlraumes ergebende Beziehung zwischen dem Abstand Δ χ und der Resonanzfrequenz / ist linear und durch die ausgezogene Kurve in F i g. 4 dargestellt. Diese Kurve verbindet Meßwerte, die man bei Verwendung einer Bleiplatte als Meßmetallkörper 6 und einem an einem Ende offenen zylindrischen Resonanzhohlraum 1 erhält, wobei der Resonanhohlraum 1 aus Messing hergestellt ist und eine Länge χ von 93,795 mm und einen Innendurchmesser Y von 68 mm hat. Die gestrichelt gezeichnete Linie dieser Figur stellt die Resonanzschärfe Q dar. Der in F i g. 3 gezeigte Sperrfilterflansch 5 verhindert die Streuung der Resonanzmikro-Wellenleistung aus dem zylindrischen Resonanzhohlraum 1. Der Flansch 5 ist so ausgebildet, daß er eine Länge von A/4 besitzt, wobei λ die Wellenlänge bezeichnet, die der Resonanzfrequenz / entspricht.
Um die Resonanzfrequenz zu messen, kann eine herkömmliche Mikrowellenmeßanordnung verwendet werden, wie sie beispielsweise in F i g. 5 gezeigt ist. Dabei wird der Ausgang eines Mikrowellenoszillators7 durch einen Richtleiter 8 geleilet und gelangt auf einen Zweigkreis 9. Ein kleinerer Teil der Mikrowellenenergie, der in den Zweigkreis 9 eingetreten ist, läuft zu einem Frequenzanzeigegerät 10, während der verbleibende größere Teil durch ein veränderliches Dämpfungsglied 11 auf eine angemessene Intensität gedämpft und danach auf einen an einem Ende offenen zylindrischen Resonanzhohlraum 1 gegeben wird. Wenn der Resonanzhohlraum 1 nicht mit der darauf gegebenen Frequenz in Resonanz ist, gelangt die Energie unverändert zu einer Anzeigevorrichtung 12. Das Signal wird zu einem Oszilloskop 13 und zu einer Frequenzmeßvorrichtung 10 geleitet. Die Vorrichtung 14 bringt die Frequenz des Oszilloskopausgangssignals zur Feststellung des Resonanzpunktes in Sägezahnform. Durch die Änderung der MikrowcHenfrequcnz verringert sich der Ausgang der Feststelleinrichtung 12, wenn die Frequenz, mit der der zylindrische Resonanzhohlraum in Resonanz ist, den Resonanzhohlraum erreicht. Gleichzeitig besitzt die Ausgangswellenform auf dem Oizilloskop eine Resonanzkurven-ίο The thickness of a metal body 6 can also be determined in that two cylindrical resonance cavities 1 open at one end are arranged on opposite sides of the metal plate 6 by keeping the distance between the open sides of these resonance cavities constant and in each case the distance A χ between of the metal plate 6 and each of the cylindrical resonance cavities 1 is measured.
The relationship between the distance Δ χ from the cylindrical resonance cavity 1, which is open at one end, to the metal body 6 and the resonance frequency of the resonance cavity 1 differs from that between the distance E from the inner surface of the piston C of the known resonance cavity A to the bottom D and the resonance frequency. When using the resonance cavity according to the invention, the relationship between the distance Δ χ and the resonance frequency / is linear and is represented by the solid curve in FIG. 4 shown. This curve connects measured values obtained when using a lead plate as the measuring metal body 6 and a cylindrical resonance cavity 1 open at one end, the resonance cavity 1 being made of brass and having a length χ of 93.795 mm and an inner diameter Y of 68 mm. The dashed line in this figure represents the sharpness of resonance Q. The one shown in FIG. Notch filter flange 5 shown in Fig. 3 prevents the scattering of the resonance micro-wave power from the cylindrical resonance cavity 1. The flange 5 is formed to have a length of λ / 4, where λ denotes the wavelength corresponding to the resonance frequency /.
In order to measure the resonance frequency, a conventional microwave measuring arrangement can be used, for example as shown in FIG. 5 is shown. The output of a microwave oscillator 7 is passed through a directional conductor 8 and reaches a branch circuit 9. A smaller part of the microwave energy that has entered the branch circuit 9 runs to a frequency display device 10, while the remaining larger part passes through a variable attenuator 11 to a appropriate intensity is attenuated and then given to a cylindrical resonance cavity 1 open at one end. If the resonance cavity 1 is not in resonance with the frequency given thereon, the energy reaches a display device 12 unchanged. The signal is sent to an oscilloscope 13 and to a frequency measuring device 10. The device 14 brings the frequency of the oscilloscope output signal to determine the resonance point in a sawtooth shape. By changing the microwave frequency, the output of the detector 12 decreases when the frequency at which the cylindrical resonant cavity is in resonance reaches the resonant cavity. At the same time, the output waveform on the oscilloscope has a resonance curve

senke, wie sie in der Figur dargestellt ist. Deshalb kann durch Messung der Frequenz an der Resonanzkurvensenke mit Hilfe der Frequenzmeßvorrichtung 10 die Resonanzfreqenz bestimmt und der in der Figur gezeigte Abstand genau angegeben werden.sink as shown in the figure. Therefore, by measuring the frequency at the resonance curve sink with the help of the frequency measuring device 10, the resonance frequency is determined and that shown in the figure Distance must be specified precisely.

In der in F i g. 6 dargestellten Meßanordnung ist der zu untersuchende Metallkörper eine Stahlplatte. Im Abstand von der Stahlplatte sind hintereinander in Richtung der Breite der Stahlplatte mehrere an einem Ende offene zylindrische Resonanzhohlräume 1, Γ, 1", ... angeordnet. Die zylindrischen Resonanzhohlräume 1, 1', 1", ... sind mit einer Meßkontrolleinheit 17, einer Arbeits- bzw. Betätigungseinheit 18 und einer Anzeigeeinheit 19 verbunden, die hintereinandergeschaltet sind. Die Stahlplatte wird mit Hilfe einer Zugwalze 21 über eine Oberflächenplatte 20 bewegt, die als ein Maß für die Ebenheit, also als Bezugseinheit dient. Auf diese Weise kann durch Messung der Wellenhöhe und Wellenlänge in bezug auf die Krümmung bzw. Biegung der Stahlplatte deren Gestalt festgestellt werden. Der Abstand zwischen der Stahlplatte und jedem der zylindrischen Resonanzhohlräume 1, Γ, 1" ... wird auf der Kathodenstrahlröhre, die durch das Bezugszeichen 22 in der Figur dargestellt ist, weitergegeben, so daß die Form der Stahlplatte direkt sichtbar gemacht wird.In the in F i g. 6, the metal body to be examined is a steel plate. At a distance from the steel plate there are several one behind the other in the direction of the width of the steel plate cylindrical resonance cavities 1, Γ, 1 ", ... which are open at one end. The cylindrical resonance cavities 1, 1 ', 1 ", ... are connected to a measurement control unit 17, a working or actuating unit 18 and a display unit 19 connected in series are. The steel plate is moved over a surface plate 20 with the aid of a pulling roller 21, which serves as a measure of the flatness, i.e. as a reference unit. This way can by measurement the wave height and wave length in relation to the curvature or bending of the steel plate, its shape to be established. The distance between the steel plate and each of the cylindrical resonance cavities 1, Γ, 1 "... is shown on the cathode ray tube indicated by reference numeral 22 in the figure is passed on, so that the shape of the steel plate is made directly visible.

Bei jeder der oben beschriebenen Anordnungen wird die Form des Metallkörpers 6 von einer Seite des Körpers aus beobachtet bzw. gemessen. Wenn jedoch erfindungsgemäße Resonanzhohlräume auf beiden Seiten des zu messenden Metallkörpers 6 angeordnet werden, so ist die Messung nicht auf die Oberfläche beschränkt, sondern kann auf eine dreidimensionale Messung ausgedehnt werden, wie aus den folgenden Beispielen hervorgeht.In each of the arrangements described above, the shape of the metal body 6 from one side of the Body observed or measured. However, if resonance cavities according to the invention on both Sides of the metal body 6 to be measured are arranged, so the measurement is not on the surface limited, but can be extended to a three-dimensional measurement as from the following Examples.

In der in F i g. 7 dargestellten Ausführungsform der Anordnung ist der-zu untersuchende Metallkörper 6 eine Metallplatte, deren Dicke festgestellt werden soll. Zwei an einem Ende offene zylindrische Resonanzhohlräume 1 und 1' sind im Abstand von dem Metallkörper 6 auf einander gegenüberliegenden Seiten des Metallkörpers angeordnet, jwobei der Abstand L zwischen den Resonanzhohlräumen 1 und 1' konstant gehalten wird. Die Abstände Δ X₁ und Δ X₂ auf beiden Seiten des Metallkörpers 6 werden mit Hilfe von Meßeinheiten 23 und 23' gemessen. Das Ergebnis wird auf einen Rechner 24 gegeben, der gemäß der FormelIn the in F i g. The embodiment of the arrangement shown in FIG. 7, the metal body 6 to be examined is a metal plate, the thickness of which is to be determined. Two cylindrical resonance cavities 1 and 1 'open at one end are arranged at a distance from the metal body 6 on opposite sides of the metal body, the distance L between the resonance cavities 1 and 1' being kept constant. The distances Δ X ₁ and Δ X ₂ on both sides of the metal body 6 are measured with the aid of measuring units 23 and 23 '. The result is given to a computer 24 which, according to the formula

d = L— (Ad = L- (A

Δ x₂)Δ x ₂ )

Berechnungen ausführt, wobei d die Dicke des Metallkörpers 6 bedeutet. Die Dicke d erscheint direkt auf einer Anzeigeeinheit 25.Performs calculations, where d is the thickness of the metal body 6. The thickness d appears directly on a display unit 25.

In F i g. 8 ist eine Meßandordnung mit beweglichen zylindrischen Resonanzhohlräumen 1 und 1' dargestellt, mit der mittels einer Antriebseinheit 39 das Blech über seiner Breite abgetastet wird, wobei der Querschnittsumriß 39 des Bleches auf einer Wiedergabeeinheit 38, wie vorstehend erwähnt, erscheint. Die Resonanzhohlräume entsprechen der in F i g. 3 gezeigten Ausführung mit dem Flansch 5.In Fig. 8 shows a measuring arrangement with movable cylindrical resonance cavities 1 and 1 ', with which the sheet metal is scanned across its width by means of a drive unit 39, the Cross-sectional outline 39 of the sheet appears on a display unit 38 as mentioned above. The resonance cavities correspond to those in FIG. 3 with the flange 5.

In F i g. 9 ist eine weitere Meßanordnung zur Messung der Dicke einer Metallplatte gezeigt. Dabei sind zwei mit Flanschen versehene zylindrische Respnanzhöhlräume 5 und 5' zu den gegenüberliegenden Seiten des zu untersuchenden Metallkörpers 6 in Abständen Δ X₁ und A X₂ und zueinander in einem Abstand L angeordnet. Die Resonanzhohlräumc 5 und 5' werden so verschoben, daß die Abstände Δ X₁ und Δ χ₂ gleich werden, wodurch die Dicke des zu messenden Metallkörpers 6 schnell und genau gemessen werden kann. Insbesondere enthält die Anordnung einen Mikrowellenoszillator 41, einen Richtleiter 43, ein variables Dämpfungsglied 44, eine Frequenzmeßeinheit 45 und eine Rechen- und Anzeigeeinheit 46. Auf den Mikrowellenoszillator 41 wird eine Modulationsspannung in Sägezahnform 42 gegeben. Demzufolge ändert sich die Oszillationsfrequenz des Oszillators 41 in einem Sägezahnmuster innerhalb eines Bereiches. Die Mikrowellenausgangsleistung, die einer solchen Frequenzmodulation unterworfen worden ist, wird durch den Richtleiter 43 geleitet, auf eine angemessene Intensität durch das variable Dämpfungsglied 44 gedämpft und in zwei Teile geteilt, die auf die zylindrischen Resonanzhohlräume 5 und 5' gegeben werden. Die Frequenzmeßeinheit 45 ist mit dem Ausgang des Richtleiters 43 und mit der Rechen- und Anzeigeeinheit 46 verbunden.In Fig. 9 shows a further measuring arrangement for measuring the thickness of a metal plate. Two flanged cylindrical cavity spaces 5 and 5 'are arranged on the opposite sides of the metal body 6 to be examined at distances ΔX ₁ and AX ₂ and at a distance L from one another. The resonance cavities 5 and 5 'are shifted so that the distances Δ X ₁ and Δ χ _{2 become} equal, whereby the thickness of the metal body 6 to be measured can be measured quickly and accurately. In particular, the arrangement contains a microwave oscillator 41, a directional conductor 43, a variable attenuator 44, a frequency measuring unit 45 and an arithmetic and display unit 46. A sawtooth-shaped modulation voltage 42 is applied to the microwave oscillator 41. As a result, the oscillation frequency of the oscillator 41 changes in a sawtooth pattern within a range. The microwave output which has been subjected to such frequency modulation is passed through the directional guide 43, attenuated to an appropriate intensity by the variable attenuator 44, and divided into two parts, which are given to the cylindrical resonance cavities 5 and 5 '. The frequency measuring unit 45 is connected to the output of the directional conductor 43 and to the computing and display unit 46.

Wie in F i g. 9 gezeigt, sind die mit Flanschen versehenen offenen Enden der Resonanzhohlräume 5, 5' gegen den Metallkörper 6 gerichtet. Sie sind miteinander gekoppelt, so daß sie zusammen in Richtung der Dicke d des Metallkörpers 6 bewegt werden kennen, während der besonders eingestellte Abstand L zwischen den mit Flanschen versehenen offenen Enden beibehalten wird. Das Bewegen der Resonanzhohlräume 5 und 5' erfolgt durch eine Betätigungsvorrichtung 48 mit einem Servomechanismus 47. Mit den Ausgängen der Resonanzhohlräume 5 und 5' sind zwei Feststellkreise 49 und 49' verbunden, deren Signale auf eine Diskriminatoreinheit 50 gegeben werden. Das Differenzsignal von der Einheit 50 betätigt den Servomechanismus 47 so, daß ein Null-Differenzsignal geschaffen wird.As in Fig. 9, the flanged open ends of the resonance cavities 5, 5 'are directed towards the metal body 6. They are coupled to each other so that they can be moved together in the direction of the thickness d of the metal body 6 while maintaining the specially set distance L between the flanged open ends. The resonance cavities 5 and 5 'are moved by an actuating device 48 with a servomechanism 47. Two detection circuits 49 and 49' are connected to the outputs of the resonance cavities 5 and 5 '. The difference signal from unit 50 operates servo mechanism 47 to provide a zero difference signal.

In dieser Anordnung können Mikrowellen, deren Frequenz sich innerhalb des bestimmten Bereiches ändert, auf die zylindrischen Resonanzhohlräume 5 und 5' gegeben werden. Die Abstände Δ X₁ und Δ x₂ von dem Metallkörper 6 zu den offenen Enden der Resonanzhohlräume 5 und 5' werden durch die Resonanzfrequenzen foy und fo₂ der Resonanzhohlräume 5 und 5' bestimmt. Die Ausgangssignale der Feststellkreise 49 und 49' für die Mikrowellen mit den Resonanzfrequenzen /o, und /o₂ haben, wenn sie die zylindrischen Resonanzhohlräume 5 bzw. 5' erreichende in Fig. 10 gezeigte Form. Auf der Abszisse ist die zeitabhängige Änderung der Oszillatorfrequenz aufgetragen. Die Diskriminatoreinheit 50 diskriminiert die Phase der Ausgänge der Feststellkreise 49 und 49'. Bei c in F i g. 10 sind die Resonanzfrequenzen Jo₁ und fo₂ einander gleich, d. h., die Abstände Δ X₁ und Δ X₂ sind gleich. Bei α und b ist Jo₁ von fo₂ verschieden und folglich ist Δ X₁ von A x₂ verschieden. Im Zeitpunkt von c ist das Differenzsignal, das auf den Servomechanismus 47 von der diskriminierenden Betätigungseinheit bzw. dem Rechner 50 gegeben wird, null. Im Zeitpunkt von α oder b tritt eine positive oder negative Differenz zwischen den Resonanzfrequenzen JO₁ und /o₂ auf. Das Signal bewirkt, daß die Betätigungsvorrichtung 48, die mit dem Servomechanismus 47 verbunden ist, die miteinander verbundenen zylindrischen Resonanzhohlräume 5 und 5' betätigt, so daß sie senkrecht verschoben werden, bis die Abständet X₁ und A x₂ einander gleich werden. Auf diese Weise wird die Stellung der Resonanzhohlräume 5 und 5' immer automatisch derart gesteuert, daß Δ X₁ mit Δ x_t gleich-In this arrangement, microwaves, the frequency of which changes within the certain range, can be applied to the cylindrical resonance cavities 5 and 5 '. The distances Δ X ₁ and Δ x ₂ from the metal body 6 to the open ends of the resonance cavities 5 and 5 'are determined by the resonance frequencies foy and fo _{2 of} the resonance cavities 5 and 5'. The output signals of the detection circuits 49 and 49 'for the microwaves having the resonance frequencies / o, and / o ₂ when they reach the cylindrical resonance cavities 5 and 5', respectively, have the shape shown in FIG. The time-dependent change in the oscillator frequency is plotted on the abscissa. The discriminator unit 50 discriminates the phase of the outputs of the detection circuits 49 and 49 '. At c in FIG. 10, the resonance frequencies Jo ₁ and fo ₂ are equal to one another, that is, the distances Δ X ₁ and Δ X ₂ are equal. At α and b Jo _{1 is} different from fo ₂ and consequently Δ X _{1 is} different from A x _2. At the point in time of c , the difference signal which is given to the servo mechanism 47 by the discriminating actuation unit or the computer 50 is zero. At the point in time of α or b , a positive or negative difference occurs between the resonance frequencies JO ₁ and / o ₂ . The signal causes the actuator 48 associated with the servomechanism 47 to actuate the interconnected cylindrical resonant cavities 5 and 5 'so that they are displaced vertically until the distances X ₁ and A x _{2 become} equal to each other. In this way, the position of the resonance cavities 5 and 5 'is always automatically controlled in such a way that Δ X _{1 is} equal to Δ x _t

bleibt. Die Resonanzfrequenz /o, = /o₂ wird durch die Frequenzmeßeinheit 45 festgestellt. Auf diese Weise kann der Abstand Δ X₁ = A x₂, der in einer bestimmten Beziehung steht zu der Frequenz, ermittelt werden. Die Berechnungs- und Anzeigeeinheit 46 ist so ausgebildet, daß sie die Dicke des Metallkörpers 6 berechnet, die durch die Formelremains. The resonance frequency / o, = / o ₂ is determined by the frequency measuring unit 45. In this way, the distance Δ X ₁ = A x ₂ , which has a specific relationship to the frequency, can be determined. The calculation and display unit 46 is adapted to calculate the thickness of the metal body 6 given by the formula

D = L- (Δ X₁ + Δ x₂) = L - 2 Δ X₁ D = L- (Δ X ₁ + Δ x ₂ ) = L - 2 Δ X ₁

IOIO

ausgedrückt wird.is expressed.

Die Resonanzpunkte werden bei der angeführten Anordnung durch die Sägezahnmikrowellenmodulationstechnik bestimmt und durch automatische Steuerung abgeglichen. Die Abgleichung der Resonanzpunkte kann auch dadurch erfolgen, daß die Mikrowellen infinitesimal mit Hilfe einer angemessenen Sinusfrequenz moduliert werden, bevor die Mikrowellenleistung auf die zylindrischen Resonanzhohlräume gegeben wird, wobei die Phase der Ausgangssignale festgestellt wird.In the above arrangement, the resonance points are determined by the sawtooth microwave modulation technique determined and adjusted by automatic control. The alignment of the resonance points can also be done by making the microwaves infinitesimal with the help of a reasonable Sine frequency can be modulated before the microwave power hits the cylindrical resonance cavities is given, whereby the phase of the output signals is determined.

Mit den vorstehenden Meßanordnungen können sehr heiße und dünne Metallkörper berührungslos vermessen werden, wobei die Meßzeiten überaus kurz ^a5 sind, so daß das Metall, beispielsweise in Form von Blech, sich mit hoher Geschwindigkeit bewegen kann und die Formänderungen kontinuierlich festgestellt werden können. Das Meßverfahren kann auch für die Bestimmung der Formänderung von Metallkörpern auf Grund seiner Vibrationen verwendet werden. Durch geeignete Auswahl der Mikrowellenfrequenz abhängig von der zu vermessenden Form ist der Meßbereich sehr groß. Da außerdem die Beziehung zwischen dem Abstand Δ χ und der Resonanzfrequenz / linear ist, kann die Frequenzmessung mit sehr hoher Genauigkeit erfolgen. Bei Vermessung eines sehr heißen Metallkörpers kühlt man die Resonanzhohlräume zweckmäßigerweise, um Fehler infolge thermischer Verformung der Hohlräume auszuschließen.With the above measuring arrangements, very hot and thin metal bodies can be measured without contact, the measuring times being extremely short ^a 5, so that the metal, for example in the form of sheet metal, can move at high speed and the changes in shape can be determined continuously. The measuring method can also be used to determine the change in shape of metal bodies due to its vibrations. With a suitable selection of the microwave frequency depending on the shape to be measured, the measuring range is very large. In addition, since the relationship between the distance Δ χ and the resonance frequency / is linear, the frequency measurement can be performed with very high accuracy. When measuring a very hot metal body, the resonance cavities are expediently cooled in order to exclude errors due to thermal deformation of the cavities.

Claims

Patent claims:

1. Method for continuous, contactless measurement of the distance between the surface of a moving metal body, e.g. B. rolled sheet, and a reference plane with the help of microwaves, characterized in that at a distance (Δ x) from and with alignment on the metal body (6) a cylindrical cavity body (1) is arranged, the end facing the metal surface is open and the With. the metal surface together forms a resonance cavity, and that microwaves are excited in this resonance cavity and their resonance frequency (/) is measured and that from a previously established calibration relationship between resonance frequency (/) and distance (Δ x) the distance sought between the surface of the metal body and taken from the reference plane.

2. The method according to claim 1, characterized in that two open at one end cylindrical cavity body (1, 1 ') with a constant distance (L) are arranged on opposite sides of the metal body (6) and each cavity with the surface of the metal body one Forms resonance cavity, and that in each case the distance (Δ X ₁ or Δ x ^) between the metal body and each of the cylindrical cavities is determined from the resonance frequencies and from this the thickness (d) of the metal body (6) is determined.

3. Device for carrying out the method according to claim 1 and 2, characterized in that that the cylindrical cavity body (1) at the open end is arranged perpendicular thereto Has flange (5) with a width of λ / 4.

1 sheet of drawings 109 617/211