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Verfahren zur Messung der Dicke von blech und Metallplatten sowie
Vorrichtung für die Anwendung äieses Verfahrens.
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Die Erfindung betrifft die kontinuierliche und kontaktlose Messung
der Dicke von heiss- oder kaltgewalzten Blechen und Metallplatten unter Zuhilfenahme
von
ikrowellen, d.h. Wellen rnit Wellenlangen von 1 in bis 1 mm
in welcher die Abhängigkeit der Resonanzfrequenz eines zusammengerollten, aus einem
Hohlleiterabschnitt gebildeten resonators - dessen Enden die Flächen ues zu.
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prüfenden bleches oder der lJletallplatten bilden - von der Dicke
dieses Bleches oder der Metallplatte ansgenutzt wird, sowie die Vorrichtung für
die Anwendung dieses Verfahrens, in welcher die Frequenz dieses Resonators gemessen
wird.
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Die bekannten kontaktkosen Dickenmessungen von blech oder Metallplatten
beruhen darauf, entweder die Abhängigkeit der ionisierenden Absorptionsstrahlung
(ß,#,x) von der Dicke des bleches oder der Metallplatte auszu@erten, oder die Eigenschaft
der von den Aussenflächen des geprüften bleches rücklaufenden elektromagnetischen
Wellen auszúwerten, die abhängig von der Dicke des Prüflinges sind.
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Die erste dieser Methoden ist in der Praxis auf die Messung von dünnen
Blechen beschränkt, weil die zugängliche und für das Bedienungspersonal unschädliche
Energie der ß-Strahlungsquelle sehr gering ist0 Eine weitere Begrenzung für eine
Auswertung der Abhängigkeit der Absorptionsstrahlung X von der Blechdicke liegt
in der hohen Abhängigkeit der Absorptionsstrahlung von der chemischen
Zusammensetzung
des Erüflinges. Aus diesem Grunde muss für ein exakte Messung die chemische Zusammensetzung
des Yrüflings genau bekannt sein. Darüberhinaus müssen für diesen@Zweck schwere,
kostspielige und sehr aufwendige elektronische Apparaturen zur Erzeurung-und'lt'eststel-lung
der -Strahlung verwendet werden.
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Die zweite bekannte Methode beruht auf der Messung der zweier Phase
und Amplitude7auf entgegengesetzte Flächen des Prüflinges fallender und von diesen
reflektierter Wellen sowie darauf, dass das Messergebnis mit der blechdicke in Beziehung
gesetzt wird, wie dies z.B. in den amerikanischen Patentschriften 3 117 276 und
3 258 688 beschrieben wurde.Die Anordnungen für die Anwendung dieser Verfahren enthalten
Detektions-Diodenpaare, was eine äussert hohe Symmetrie beider Messkanäle für die
reflektierten Mikrowellensignale erfordert. Die Parameter der Dioden haben einen
grossen Einfluss auf die Stabilität des Arbeitsablaufes dieser Anordnungen, wodurch
grosse Probleme bei der Kompensation der Wärmeeinflüsse entstehen. Diese Anordnungen
erfordern den Einsatz von stabilen Hochfrequenz cnergiequellen, welche sehr kostspielig
sind. Der Messbereich der blechdickenänderungen ist normalerweise gering.
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Desgleichen ist auch die Änderung der Messgrösse in Abhängigkeit von
der Dicke (ausgedrück in Dezibel pro 1 nim
Blechdickenänderung),
nicht gross. Daher sind geringe Dickenänderungen des prüflinge schwer festzustellen,
während die Verlagerung des Werkstoffes im Messgebiet zu ve-rgleichbaren Änderungen
des Eingangssignals führt, wodurch die Genauigkeit der Blechdickenmessung wesentlich
begrenzt wird.
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Die Erfindung verfolgt den Zweck die Messung und Kontrolle der Dicke
von kalt- oder heissgewalzten Blechen oder Metallplatten, sovrohl aus stahl als
auch buntmetall zu ermöglichen und zu rationalisieren. Die Messung soll dabei kontaktlos,
kontinuierlich und unverzüglich auszuführen sein und unabhängig von der Werkstoffart
und in einem gewissen Bereich auch vom Zustand der Oberflächengüte des trüflinges,
seiner Reinheit und Welligkeit sein.
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Die Messung kann an ileinst- und Dickblechm, die Walzprozessen unterworfen
werden, ausgeführt werden. Der bereich der zulässigen Verlagerungen des zu prüfenden
Bleches inbezug auf die Messanordnung ist um ein vielfaches grösser als der in Praxis
auftretende Verlagerungsbereich.
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Das wesentliche Merkmal der Erfindung ist die Auswertung der Abhängigkeit
der Resonanzfrequenz eines aus einem
Hohlleiterabschnitt gebildeten
Spezial-Messresonators von beträchtlicher Länge, der an beiden Enden offen und weiter
aus beiden Flächen des zu prüfenden Bleches oder einer Platte, die in einer entsprechenden
Entfernung von diesen Enden der Führung angeordnet ist, gebildet ist0 Dadurch wird
ein Resonator von hoher Güte und im Zusammenhang damit auch eine grosse Steigung
der Kennlinie der Abhängigkeit des Ausgangssignals von der Dicke, ein grosser Messungsbereich,
eine einfache Änderung des zu messenden bickenbereiches - ohne das die Lage der
offenen Ijjhrungs enden geändert werden muss - ein grosser bereich der zulässigen
Farallelverlagerungen, sowie eine wesentliche Verminderung des Einflusses von unparallelen
Verlagerungen erreicht, Die Ausnutzung der abgeglichenen und nichtabgeglichenen
Eigenschaften der Mikrowellenbrücke, die in einer ihrer Abzweigungen einen Diessresonator
und in einer zweiten Abzweigung eine Kompensationsanordnung - die durch einen Resonator
von identischen Parametern mit Normalblech, gebildet wird - enthält, erlaubt die
Empfindlichkeit dieser methode zu erhöhen und auch den Einfluss von Temperaturänderungen
und der Frequenz des Generators wesentlich herabzusetzen.
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Die Erfindung besitzt den Vorteil, dass die Dicke von blechen und
Metallplatten mit erhöhter Genauigkeit sowohl
unter Laborbedingungen,
als auch bei der Überwachung von Industrieprozessen durchführbar ist. Dank der hohen
(in Dezibel pro Dickenänderungseinheit ausgedrückten) Empfindlichkeit sowie der
grossen Messgenauigkeit, ibt das essen sowohl von blech vie auch von dicken latten
und sogar auch von äusserst dünnen Folien kontinuierlich und kontaktlos durchführbar.
Das Messergebnis ist dabei weitestgehend von der Verlagerung des geprüften bleches
inbezug auf die Messanordnung, der Welligkeit der Oberfläche und anderen Verformungen,
mit Ausnahme der Dicke, abhängig. Die Messung erfolgt verzögerungsfrei und das Ausgangssignal
aus der Messanordnung kann für die Steuerung des Blechfertigungsprozesses genutzt
werden.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert.
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Fig. 1 zeigt schematisch die Anordnung des Informationswandlers.
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Fig. 2 zeigt die Kennlinie der Anordnung nach Fig. 1 für Dickenänderungen
des bleches.
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Fig. 3 zeigt ein @lockschema eines Ausführungsbeispieles der Einrichtung
zur Durchführung der Messung eines bleches gemäss Erfindung.
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Fig. 4 zeigt die Kennlinie der Anordnung nach ig. 3 für Dickenänderungen.
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Fig. 5zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine Resonatorschaltung
zur Dickenmessung von Metallblechen.
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Fig. 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel des Resonatorabschlusses.
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Fig. 7 zeigt ein anderes Lösungsbeispiel eines Resonatorabschlusses.
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Fig. 8 illustriert das Prüfungsergebnis der Abhängigkeit des Ausgangssignals
der Einrichtung nach Erfindung von der blechdicke, die mittels herkömmlichen Riethoden
ermittelt wurden.
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zeigt 1 zeigt schematisch die Anordnung eines Informationswandlers,
der zusaminengesetzt ist aus einem gekrümmten, als Hohlleiter 1 ausgebildeten Resonators,
an dessen Enden entsprechende Endabschlüsse 2 angeordnet sind, die gemeinsam mit
den flächen des zu prüfenden Bleches 3 den Abschluss des Resonators bilden. Der
Resonator wird vom Hohlleiter 4- über die Koppelanordnung 5 erregt. Fig. 2 zeigt
die Abhängigkeit der Resonanzfrequenz fo des Resonators 1 von der Dicke G des zu
prüfenden Metallbleches 3, sowie die Phase der stehenden Welle, die in der Einspeiseführung
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bei zwei verschiedenen, die Koppelanordnung 5 kennzeichnenden
Noppelfaktoren 1 und 2 als Funktion der Dickenänderung des zu prüfenden bleches
3 bestimmt wurde, Eine Dickenänderung des zu prüfenden Bleches 3 führt zu einer
Längenänderung des Resonators 1 und somit zu einer Änderung von dessen Resonanzfrequenz.
Diese Änderung ist durch beobachtung der Änderung der in der Einspeiseführung 4
stehenden Vvelle leicht festzustellen. Die Phasenänderung, die der Dickenänderung
des bleches entspricht, ist in einem bestimmten bereich(wie aus Fig. 2 ersichtlich)
direkt proportional den Dickenänderungen des zu prüfenden Bleches 3. Die Phasenänderung
wird in der Messanordnung gemäss Erfindung in ein elektrisches Signal umgewandelt,
welches proportional zur Blechdicke ist. Eine parallele Verlagerung des zu prüfenden
bleches 3 längs der beiden Resonatorabschlüsse verbindenden Welle verursacht keine
Änderung der Resonanzfrequenz des Messresonators, weil seine Länge in diesem Fall
nicht geändert wird0 In Fig. 3 ist ein vereinfachtes Blockschema der Einrichtung
zur Anwendung des Verfahrens für die Messung der Blechdicke gemäss Erfindung dargestellt.
Dagegen ist in Fig. 4 die Abhängigkeit des Ausgangssignals Uw der Einrichtung -y
von der Blechdicke G und somit auch von den Anderungen der stehenden Welle in der
Einspeisef-ührung 4 veranschaulicht.
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Das von Generator 6 mittels Niederfrequenz amplitudenmodulierte Mikrowellensignal,
teilt sich in angepassten Mikrowellenachter 7 in zwei Signale auf. Das eine Signal
wird in die in einer Abzweigung des Ausgangsachters angeordnete Entzerrungsschaltung
8, die die Signalenergie reflektiert, eingespeist. Das zweite Signal wird hingegen
in den Meseresonator 9 eingespeist, der sich in der zweiten Achter-Ausgangsabzweigung
7 befindet. Auf diese Weise gelanren zum angepassten ijikrowellenachter 7 zwei reflektierte
Signale - ein Signal aus der Entzerrungsschaltung 8, die die Regelung der Amplitude
und der rück~ laufenden Welle ermöglicht, sowie das zweite vom bIessungsresonator
9 reflektierte Signal, dessen Phase von der Dicke des zu prüfenden Bleches abhängt.
Das Mikrowellensignal, das sich als Vektorergebnis aus der Addition der beiden reflektierten
Signale ergibt und die Dicke des gemessenen Metallbleches darstellt, geht in die
vierte Abzweigung des Achters 7 über, die seinen Ausgang bildet.
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Am Ausgang dieser Abzweigung ist eine veränderliche auf Normal-Dämpfungseinheiten
geeichte Mikrowellendämpfungseinrichtung 10 angeordnet. An deren Ausgang ist eine
Detektorschaltung 11 angeschlossen, welche den Zweck hat, die im/an ihren Eingang
gelangenden Mikrowellensignal enthaltene Information umzuwandeln und abzubilden.
Die Abbildung kann durch Erzeugung eines elektrischen Signals
geschehen,
welches nachfolgend entweder für den Antrieb der Entzerrungsschaltung 8 o u er für
den kntrieb der Mikrowellendämpfungseinrichtung 10 - zur Kompensierung des Mikrowellensignals
auf gewählten Wert - oder auch für die Betätigung des Messschreibers oder Ausschlaganzeigers,
oder endlich zum automatischen Steuern des Fertigungsprozesses des zu prüfenden
Bleches oder der Metallplatte ausgenutzt werden kann0 In Fig. 5 ist schematisch
ein anderes Uusführungsb ei spiel der Resonatorschaltung für die Dickenmessung von
Metallblechen gemäss Erfindung gezeigt. Dieser Resonator ueist einen Hohlleiterabschnitt
1 auf, an dessen Enden Endstücke 2 angeorunet sind, die zusammen mit den Flächen
des zu prüfenden Bleches 3 den Abschluss des Resonators wilden.
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Vor der Koppelschaltung 5 ist in den hohlleiterabschnitt 1 ein Ferritzirkulator
12 eingeschaltet, der die Aufgabe hat, unerwünschte Einwirkungen zwischen den Endschaltungen
2 und der @oppelschaltung 5 zu beseitigen.
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In Fig. 6 ist schematisch ein Ausführungsbeispiel eines Resonatorabschlusses
dargestellt, der einen Ringhohlleiterabschnitt 13 aufweist. Am offenen Ende des
tinghohlleiterabschnitts 13 ist eine Metallplatte 14 angebracht, in welcher im Abstand
von einer 1/4 Wellenlänge von der Kante
des jiohlleiters der sich
im llohlleiter 13 fortpflanzenden Welle eine ls'ut 15 von einer Tiefe, die ebenfalls
gleich ist einer 1/4 Wellenlänge, angebracht ist. Auf diese Weise ist eine Drossel
gebildet, die elektrisch auf das zu prüfende Metallblech 16, welches in einer geringen
Entfernung von der Plattenoberfläche 14 angeordnet ist einwirkt, wodurch eine freie
Verschiebung des Bleches erm@glicht ist.
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Fig. 7 zeigt schematisch ein anderes Lösungsbeispiel eines Resonatorabschlusses.
Danach besitzt der Hohlleiterabschnitt 17 eine dielektrische einlage 18, die so
ausgebildet ist, dass ihr in der Führung befindliche Teil die Impedanz des mit der
Einlage gefüllten Teiles an die Impedanz der leeren Führung anpasst, wogegen der
ausserhalb der Führung befindliche Teil der Einlage diese Impedanz an die Impedanz
des freien Raumes anpasst, und dass die über die Führung in Richtung des zu prüfenden
lutletallbleches 19, das mitsamt dem Hohlleiterabschnitt 17 und der dielektrischen
Einlage 18 den Resonatorabschluss bildet, übertragene Energie gerichtet abgestrahlt
wird, Die Dickenmessung von Blechen oder Metallplatten nach Erfindung beruht auf
der bestimmung der Resonanzfrequenz des hesonators, dessen Abschluss das zu prüfende
Blech
oder die Platte bildet. Das Mass der Hesonanzfreqienzänderung
unter Einfluss der Dickenänderung des gepr@ften Bleches können sein : die Amplitude
des signals der Instabilität der Mikrowellenbrücke, die am Ausgang der Detektorschaltung
11 abgebildet wird - oder auch der durch die veränderliche Mikrowellendämpfungseinrichtung
10 eingeführte und für den erhalt eines gewählten Signalniveaus am Ausgang der Detektorschaltung
erforderliche Dämpfungswert, oder auch die Eingangs-Impedanz der Entzwerrungsschaltung
8, die zur Stabilisierung der Eingangsimpedanz des Messungsresonators 9 in der Brücke
notwendig ist, dessen Länge (und somit auch die Resonanzfrequenz) mit der Dicke
des zu prüfenden Bleches verbunden ist. Wenn eine dieser Grössen bekannt ist, kann
die Dicke des geprüften itetallbleches aufgrund der Eichkurve bestimint werden,
bei welcher die blechdicke auf konventionelle Weise, z.B. mittels Mikrometerschraube
bestimmt wurde.
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zeigt 8 illustriert die am Ausgang der Detektorschaltung gemessenen
Eichkurven des Ausgangssignals Uwy in Abhängigkeit von der blechdicke G, sowie der
Verlagerung A eines Bleches von konstanter Dicke zwischen den Enden des Messungsresonators,
die durch direkte Versuchsmethode nach Erfindung für Stahlblech mit einer mittels
Mikrometerschraubenmessung ermittelten Dicke von 1 5 mm, aufgenommen wurde.