DE2020122B2 - Verfahren und vorrichtung zur messung einer schichtdicke - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung der Schichtdicke eines Dielektrikums über einem elektrischen Leiter mit nicht zylindrischer Außenfläche oder über mehreren verseilten, schraubenförmig verlaufenden Leitern eines relativ zu einem Meßfühler längsbewegten Kabels od. dgl.

Es sind verschiedene Verfahren und Apparaturen zur Schichtdickenmessung, insbesondere der Dicke einer Isolationsschicht an Drähten oder Kabeln bekannt. Die bekannten Verfahren und Apparaturen beschränken sich jedoch allgemein auf eine vergleichende Überprüfung der Schichtdicke längs des Umfangs des ObjeLts, und aus Unterschieden in der Schichtdicke an verschiedenen Stellen wird auf eine Exzentrizität eines einzigen zylindrischen Leiters im Kabel oder Draht geschlossen (z. B. schweizerische Patentschrift 347 646, deutsche Offenlegungsschrift 1 940 556). Diese Meßverfahren und Meßapparaturen versagen jedoch, wenn Unterschiede der Schichtdicke nicht auf eine Exzentrizität eines Leiters oder Leitersystems in der Isolation, sondern auf nicht zylindrische Gestalt des Leites zurückzuführen sind. Der klassische Fall einer nicht zylindrischen Außenfläche des Leitersystems stellt ein mehradriges verseiltes Starkstromkabel dar, dessen einzelne Kabeladern in einem Isolationsmantel mit zylindrischer Außenfläche untergebracht sind. Bei einem solchen Kabel bestehen erhebliche Dickenunterschiede zwischen der Außenfläche des Isolationsmantels und den äußersten Teilen der einzelnen Leiter. Selbst wenn also das Leitersystem durchaus symmetrisch im Mantel liegt, treten bei kontinuierlicher Messung längs des Umfangs des Kabels, aber auch bei Messung längs einer Mantellinie des durchlaufenden Kabels Unterschiede in der Schichtdicke und damit Unterschiede im ermittelten Meßwert auf, die über die Exzentrizität des Leitersystems an sich nichts aussagen. Da bei einem kontinuierlich fortschreitenden Messen, sei es längs des Umfangs, sei es längs einer Mantellinie des Kabels, mit verseilten Leitern ständig verhältnismäßig rasche Schwankungen des Meßwertes und damit ein Hin- und Herpendeln eines Anzeigeinstrumentes auftritt, ist eine Messung in dieser Weise praktisch unzumutbar und ungenau (schweizerische Patentschrift 379 779).

Es ist das Ziel vorliegender Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung vorzuschlagen, mittels weichen auch bei beliebig geformten und verteilten Leitern oder Leitersystemen die Gleichmäßigkeit der Isolationsschicht zuverlässig und einfach überprüft werden kann.

Das Verfahren gemäß vorliegender Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß der Meßfühler mindestens über einem Teil des Umfangs des Meßobjekts oder mindestens über eine Ganghöhe bzw. Schlaglänge längs einer bestimmten Mantellinie eines Kabels gleitet und hierbei den örtlichen Extremwert der Schichtdicke mißt und daß der höchste während

einer Meßperiode auftretende Meßwert in einem Spitzenwertspeiclier gespeichert sowie mindestens während einer bestimmten Zeit angezeigt wird.

Im allgemeinen wird es darum gehen, Minima der Schichtdicke anzuzeigen, da man überprüfen möchte, ob wirklich überall die minimal erforderliche Schichtdicke vorhanden sei. Zugleich stellt aber die Anzeige von an verschiedenen Stellen ermittelten Extremwerten eine Aussage darüber dar, ob der Leiter oder das Leitersystem gesamthaft symmetrisch oder asymmetrisch im Isolationsmantel liegt. Da die Extremwerte gespeichert und somit dauernd oder mindestens während einer bestimmten Zeit angezeigt werden, ist die Ablesung einfach. Vorzugsweise können an verschiedenen Stellen zugleich oder nacheinander ermittelte Extremwerte mittels verschiedener Speicher gleichzeitig gespeichert und mittels zugeordneter Anzeigeinstrumente gleichzeitig angezeigt werden, womit ein ständiger Vergleich dieser Wer..; und damit eine Aussage über die Lage des Leiters oder Leitersystems möglich ist.

Ist die Schichtdicke über einem verseilten Leiterbündel, einer längs einer Schraubenlinie verlaufenden metallischen Armierung od. dgl. zu ermitteln, so genügt es, bei durchlaufendem Meßobjekt mittels eines Meßfühlers längs einer Mantellinie des Meßobjekts über mindestens eine Ganghöhe bzw. Schlaglänge zu messen, um auf alle Fälle die extremsten Wer-e zu erfassen. Die genaue Messung von Extremwerten der Schichtdicke auf unregelmäßig geformten Leitern oder Leitersystemen bzw. auf Leitern mit ungleichmäßig gekrümmter Oberfläche ist ein Meßsystem erforderlich oder jedenfalls von Vorteil, dessen Wirkungsbereich lokal möglichst begrenzt ist, das also in der Lage ist, lokal begrenzte Extremwerte sicher zu erfas.en. Zu diesem Zweck schlägt die Erfindung insbesondere zur Durchführung des obengenannten Verfahrens eine Meßvorrichtung mit einer Meßspule vor, nuf die der Leiter der Schichtdicke entsprechend rückwirkt und welche dadurch gekennzeichnet ist, daß die Meßspule zwecks Erhöhung des Auflösungsvermögens zur Erfassung \on Extremwerten einen Kern aufweist, dessen zur Annäherung an das Meßobjekt bestimmtes Ende aus der Spule vorragt. Damit kann das Meßfeld gegenüber demjenigen einer Luftspule lokal beschränkt und konzentriert werden, womit das Auflösungsvermögen des Meßfühlers genügt, um lokale Extremwerte sicher zu erfassen.

Im folgenden wird die Erfindung an Hand "ler Zeichnung näher erläutert.

Fig. 1 ist eine schematische Darstellung der Meß-Vorrichtung und die

Fig. 2 bis (i zeigen verschiedene Beispiele von Meßobjekten.

Die in F i g. I dargestellte Meßvorrichtung weist einen Meßkopf 1 auf, in weichem ein Meßoszillator 2 untergebracht ist. Eine die Frequenz dieses Oszillators mitbestimmende Spule? dient als eigentliche Meßspule, in welche als Kern ein Röhrchen 4 aus »Ferroxcube« od. dgl. eingesetzt ist. Das eine Ende des Röhrchens, dessen Länge mindestens das Doppelte der axialuj Länge der Spule 3 beträgt, liegt an der Oberfläche der Isolation 5 eines zu prüfenden Kabels oder wird durch eine besondere Auflagefläche des Meßkopfes i in einem ganz bestimmten Abstand von dieser Oberfläche gehalten. Das Kabel weist vier verseilte Letter 6 auf, von welchen jeder für sich isoliert ist.

Der Ausgang des Oszillators 2 sowie eines Vergleichsoszillators 7 ist mit den Eingängen einer Mischstufe 8 verbunden. Die Frequenzdifferenz wird vom Ausgang der Mischstufe 8 einem Diskriminator 9 zugeführt. Das Ausgangssignal des Diskriminators 9 wird einem Spitzenwertspeicher 10 zugeführt, der mittels eines Schalters Il jeweils auf Null zurückgestellt werden kann. Der Spitzenwertspeicher 10 ist in der Lage, die höchste während einer Meßperiode

ίο an seinem Eingang angelegte Spannung während längerer Zeit zu speichern und am verhältnismäßig niederohmigen Ausgang ein diesem Spitzenwert gleiches oder entsprechendes Signal abzugeben. Der Ausgang des Spitzenwertspeichers ist mit einem Wählschalter mit den Kontakten 12a bis 12 d verbunden, der dazu dient, den Ausgang des Spiizenwertspeichers 10 mit dem E'^r3ang eines von vier Meßwertspeichern 13a bis lid zu verbinden. Die Meßwertspeicher 13 α bis 13 d sind so ausgebildet, daß sie bei jeder Neueinschaltung des zugeordneten Schahers

12 α bis 12 d zurückgestellt und augenblicklich zur Speicherung des neuen eingegebenen Meßwertes bereit sind. Die Ausgänge der Meßwertspeicher 13 a bis

13 el sind mit Anzeigeinstrumenten 14 a bis 14 J verbunden. Durch einen nicht dargestellten Mechanismus kann der Meßkopf 1 aus der in F i g. 1 dargestellten Lage in die drei weiteren Hauptkoordinatenrichtungen verstellt werden, um das durchlaufende Kabel längs je einer Mantellinie unten, oben oder auf beiden Seiten zu prüfen. Die Schalter 11 und 12 sind mit dieser Umschaltvorrichtung für den Meßkopf 1 derart gekuppelt, daß bei jeder Umschaltung der Schalter 11 vorübergehend geschlossen wird und den Spitzenwertspeicher 10 zurückstellt und daß für jede der vier Meßpositionen des Meßkopfes 1 je ein bestimmter Schalter 12a bis 12a¹ geschlossen ist. Jeder Meßposition ist somit ein Meßwertspeicher 13 und ein Anzeigeinstrument 14 zugeordnet. Der Umschaltmechanismus für den Meßkopf 1 kann entweder von Hand oder automatisch betätigt werden. Bei automatischer Betätigung enolgt die Umschaltung in Abhängigkeit von der Durchlaufgeschwindigkeit des zu prüfenden Kabels derart, daß längs jeder Mantellinie, d. h. für jede Meßposition des Meßkopfes 1 mindestens über eine Schlaglänge der verseilten Leiter 6 gemessen wird, so daß für jede Meßposition jeder Leiter mindestens einmal symmetrisch vor den Kern 4 zu liegen kommt, wie es in Fig. 1 für den einen Leiter dargestellt ist.

Wie soeben angedeutet, läuft das zu prüfende Kabel beispielsweise aus einer Fabrikationseinrichtung durch die Meßstelle, wo der Meßkopf 1 an einer bestimmten Mantellinie des Kabels anliegt. Die Leiter 6 gclanger dabei abwechslungsweise symmetrisch in das durch den Kern 4 stark konzentrierte elektromagnetische Feld der Spule 3. Durch die Rückwirkung der Leiter 6 auf dieses Feld wird die Induktivität der Spule 3 und damit die Frequenz des Meßoszillators 2 beeinflußt. Es ist dabei klar, daß dieser Einfluß verschieden ist,, je tiachdem sich ein Leiter gerade symmetrisch im Feld befindet oder nicht. Die Frequenz des Oszillators 2 wird also auch bei symmetrischer Anordnung des Leiterbtindels 6 im Isolationsmantel 5 schwanken, Nach Überlagerung der Frequenz des Meßoszillators 2 mit der konstanten Frequenz des Vergleichsoszillators 7 treten auch am Ausgang der Mischstufe 8 Frequenzschwankungen auf, die Schwankungen der Auseanasspannuna des Diskrimi-

nators 9 verursachen. Die stärksten Ausschläge der Ausgangsspannung des Diskriminators 9 werden im Spitzenwertspeicher 10 gespeichert und von dessen Ausgang über einen geschlossenen Schalter 12« bis YId dem entsprechenden Meßwertspeicher 13 η bis 13 d zugeführt. Dieser Meßwertspeicher speichert die empfangene Oröße und verursacht eine dauernde Anzeige derselben am Instrument 14 b. Wie bereits erwähnt, verbleibt der Meßkopf 1 in einer seiner Meßstellungen, bis mindestens eine Schlaglänge des verseilten Leiterbündels 6 von dem Meßkopf vorbeigeführt worden ist. Liegt das Leiterbündel asymmetrisch im Isolationsmantel 5, so werden die stärksten Ausschläge des Meßwertes nach einer Richtung, welche dann auftreten werden, wenn sich ein Leiter 6 symmetrisch in dem Meßfeld befindet, verschiedene Amplitude aufweisen. Der Spitzenwertspeicher 10 speichert nun die höchste dieser Amplituden und leitet daher über den eingeschalteten Meßwertspeicher einen Extremwert an das zugeordnete Anzeigeinstrument 14 weiter, das die geringste über eine Schlaglänge an einer bestimmten Mantellinie auftretende Dicke der Isolationsschicht anzeigt.

Ist die Messung längs einer Mantellinie beendet, so wird der Meßkopf 1 in die nächste Meßstellung umgeschaltet. Wie erwähnt, wird dabei der Schalter 11 vorübergehend geschlossen und stellt den Spitzenwertspeicher 10 zurück. Zugleich wird der bisher geschlossene Schalter 12a geöffnet, und es wird ein anderer Schalter 12 b bis XId geschlossen. Der damit vom Spitzenwertspeicher getrennte Meßwertspeicher speichert jedoch die zuletzt eingegebene Größe weiterhin und bewirkt ihre Anzeige. Während der Messung in der neuen Stellung des Meßkopfes 1 wiederholen sich die obenerwähnten Vorgänge, so daß in einem zweiten Meßwertspeicher 13 b bis 13 rf ein Extremwert für diese Meßstellung gespeichert und dauernd zur Anzeige gebracht wird. Sind erstmals alle vier Meßstellungen durchlaufen, so zeigen alle Anzeigeinstrumente 14 dauernd einen Meßwert an, der dem für die zugeordnete Meßstellung des Meßkopfes 1 zuletzt ermittelten Extremwert entspricht. Die Ablesung der Instrumente 14 zeigt somit jederzeit, ob Unterschiede in diesen Extremwerten aufgetreten sind. Überschreiten diese Unterschiede einen zulässigen Wert oder überschreitet einer der angezeigten Werte einen zulässigen Extremwert, so kann eine Korrektur durch Nachstellung der Fabrikationseinrichtung vorgenommen werden.

Entsprechende Messungen können an anderen Objekten vorgenommen werden. In F i g. 2 ist beispielsweise ein Kabel dargestellt, bei welchem der Isolationsmantel 5 von einer Abschirmung 15 und dieselbe von einem weiteren Isolationsmaniel 16 umgeben ist. Die Abschirmung 15 überlappt an einer Stelle 17. Diese Stelle 17 ist besonders kritisch, weil dort die Wahrscheinlichkeit am größten ist. daß die Dicke der äußeren Isolationsschicht 16 zu gering wird. Auch dieses Kabel wird jedoch üblicherweise längs vier Mantellinien gemessen, wie an Hand des Ausführungsbeispiels nach F i g. 1 erläutert, mit dem Unterschied, daß bei der Messung über der Überlappungsstelle 17 dem Meßkopf 1 eine leichte Schwenkbewegung in Umfangsrichtung erteilt wird, um mit Sicherheit den Extremwert, in diesem Falle Minimalwert, der Isolationsdicke zu erfassen.

Es können auch Kabel, gemäß F i g. 3, geprüft werden, in welchen eine Anzahl Leiter 6 in einer Ebene in einem flachen Isolationskörper angeordnet sind. Hier ist nun allerdings die Erfassung von Extremwerten, beispielsweise Minimalwerten, der Isolationsstärke nicht mehr möglich, indem der Meßkopf längs einer Mantellinie des Isolationskörpers gleitet, sondern der Meßkopf muß quer über die eine Flachseite oder sogar rings um den Isolationskörper geführt werden. Dabei auftretende Extremwerte werden wiederum gespeichert und angezeigt wie beschrieben.

ίο Dabei kann selbstverständlich nur ein Meßwertspeicher 13 mit zugeordnetem Anzeigeinstrument 14 angeschaltet bleiben, der einfach den aufgetretenen Extremwert anzeigt. Es ist jedoch auch möglich, bei Messung über jedem der Leiter 6 einen bestimmten

t5 Meßwertspeicher 13 anzuschalten und die ermittelten Werte individuell anzuzeigen.

F i g. 4 zeigt ein Kabel, dessen Leiterbündel 6 in einem Isolationskörper 5 liegt, der von einer leitenden Armierung aus Kupfer oder Eisen 18 umgeben

ίο ist. Der äußere Isolationsmantel 16 soll auch hier überall gleiche Dicke aufweisen. Die Prüfung erfolgt in der an Hand von F i g. 1 erläuterten Weise, indem der MeSkopf 1 jeweils mindestens über eine Schlaglänge bvr. Ganghöhe der Armierung 18 längs einer

as bestimmten Mantellinie des Kabels gleitet. Die Extremwerte werden in der beschriebenen Weise gespeichert und angezeigt.

F i g. 5 zeigt ein sogenanntes Sektorkabel mit drei Leitern 19. die verseilt sein können oder nicht. Sind die Leiter nicht verseilt, so wird der Meßkopf 1 zur Prüfung des Kabels in drei um je 120~ versetzte Meßstellungen gebracht. Es werden dann nur drei der Meßwertspeicher 13 und Anzeigeinstrumente 14 benützt. Sind die Leiter 19 verseilt, so kann ebenfalls in der an Hand von F i g. 1 beschriebenen Weise in den vier Hauptkoordinatenrichtungen gemessen werden. Die Messung des Kabels nach F i g. 5 kann jedoch auch in der Weise erfolgen, daß dem Meßkopf eine oszillierende Hin- und Herbewegung längs des Vmfangs des Kabels erteilt wird, um hierbei extreme Meßwerte zu ermitteln.

F i g. 6 zeigt eine weitere Anwendung der Meßvorrichtung gemäß Fi g. 1 bzw. einer etwas modifizierten Meßeinrichtung zur Prüfung der Isolationsdicke auf einem Sektorleiter 19 gemäß Fig. 5. Dieser 1 eiter hat im Gegensatz zu den üblichen zyhnH-Uthen Leitern eine ungleichmäßig gekrümmte Oberflä< he Eine genaue Messung setzt daher ein lokal kon.vri triertes Meßfeld voraus, da sonst das Nlcßcrccl^v nicht nur von der Dicke dor Isolationsschicht Iwdem Abstand der Meßspule \om Leiter, -orulen auch von der lokalen Krümmung der Leiu-ro'ner fläche abhängig wäre. Der Meßkopf cemäß F i 2. eignet sich in besonderer Weise zur Prüfung der !^"> lation auf derartigen nicht zylindrischen Leitern mi ungleichmäßig gekrümmter Oberfläche. Die Me--un erfolgt dabei derart, daß der in Fig. 6 nur anseücu tete Meßkopf 1 längs des Umfangs der isolation 1; führt wird, wobei der Meßwert dauernd angezcc wird. Zu diesem Zweck kann gemäß F i g. 1 ein Ü'nei brückungsschalter 20 vorgesehen sein, der den Auf gang des Diskriminators 9 gegebenenfalls über eine nicht dargestellten Verstärker direkt mit einem dt Anzeigeinstrumente zu verbinden gestattet. Auch i

diesem Talle wird ermittelt, an welchen Stellen E' tremwerte der Isolationsdicke auftreten, um die F; brikationseinrichtung nötigenfalls entsprechend nac] stellen zu können.

Während bisher nur die Prüfung von Kabeln besprochen wurde, könnten selbstverständlich andere Objekte in entsprechender Weise geprüft werden. So werden beispielsweise Wellenrohre häufig mit Isolationsschichten versehen, und es ist ohne weiteres möglich, Minima oder Maxima dieser Isolationsdicke

längs bestimmter Mantellinien des Rohres festzustel len. Dabei ist es nicht nur wesentlich, daß Extrem werte gespeichert und angezeigt werden können, son dem auch daß mit Hilfe des Kernes 4 ein Meßsyster verhältnismäßig großen Auflösungsvermögens ge schaffen ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (10)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Messung der Schichtdicke eines Dielektrikums über einem elektrischen Leiter mit nicht zylindrischer Außenfläche oder über mehreren verseilten, schraubenförmig verlaufenden Leitern eines relativ zu einem Meßfühler längsbewegten Kabels od. dgl,, dadurch ge- ίο kennzeichnet, daß der Meßfühler (1) mindestens über einem Teil des Umfangs des Meßobjekts oder mindestens über eine Ganghöhe bzw. Schlaglänge längs einer bestimmten Mantellinie eines Kabels gleitet und hierbei den örtlichen Extremwert der Schichtdicke mißt und daß der höchste wihrend einer Meßperiode auftretende Meßwert in einem Spitzenwertspeicher (10) gespeichert sowie mindestens während einer bestimmten Zeit angezeigt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nacheinander längs mehrerer Mantellinien gemessen und die längs jeder Mantellinie ermittelten Extremwerte gesondert gespeichert und angezeigt werden.

3. Verfahren nach Anspruch I oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man einen Meßfühler einen Bereich, in welchem ein Extremwert vermutet wird, bestreichen lälit.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfallrens nach den Ansprüchen 1 ois 3 mit einer Meßspule, auf die der Leiter der Schichtdicke entsprechend rückwirkt, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßspule (3) zwecks Erhöhung des Auflösungsvermögens zur Erfassung von Extremwerten einen Kern (4) aufweist, dessen zur Annäherung an das Meßobjekt bestimmtes Ende aus der Spule vorragt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein stabförmiger Kern (4) vorgesellen ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge des vorragenden Kernteils mindestens das Doppelte seiner größten Querabmessung beträgt.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang einer Meßschaltiing (2, 7, 8, 9) mit einem riickstellbaren Spitzenwertspeicher (10) verbunden ist und daß der Ausgang des Spitzenwertspeichers (10) an mindestens ein Anzeigeinstrument (14) anschaltbar bzw. angeschaltet ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7 mit mehreren Anzeigeinstrumenten, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Anzeigeinstrument (14 a bis 14 rf) ein Meßwertspeicher (13 a bis 13 rf) zugeordnet ist, von welchen wahlweise einer an den Spitzenwertspeicher (10) anschaltbar ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch ge kennzeichnet, daß jedes Anzeigeinstrument (14 a bis 14 rf) mit seinem Meßwertspeicher (13« bis 13 rf) einer Meßstellung der Meßspulc (3) am Meßobjekt zugeordnet ist und daß ein Umschalter (12) für die Meßwertspeicher (13 α bis 13 rf) mit einem Stellungswähler für die Spule (3) gekuppelt ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein Rückstellschalter (11) für den Spitzenwertspeicher (10) durch den Stellungswähler steuerbar ist, um den Spitzenwertspeicher (10) bei jedem Stellungswechsel rückzustellen.