DE2219689A1

DE2219689A1 - Verfahren und vorrichtung zur feststellung thermischer aenderungen an einer oberflaeche

Info

Publication number: DE2219689A1
Application number: DE2219689A
Authority: DE
Inventors: Malcolm Madoc Bibby
Original assignee: Monsanto Co
Current assignee: Monsanto Co
Priority date: 1972-01-26
Filing date: 1972-04-21
Publication date: 1973-10-25
Also published as: US3854336A; CA958562A

Description

DR. BERG DIPL.-ING. STAPF

PATENTANWÄLTE 8 MÜNCHEN 8O, MAUERKIRCHERSTR. 4S

Dr. Berg Dipl.-Ing. Stopf, 8 München 80, Mauerkircherstraße 45 "

Ihr Zeichen

Ihr Schreiben

Unser Zeichen 22 377

Datum

21. fiDril 1972

Anwaltsakte Nr. 22 377

Monsanto Company St.Louis, Mo./USA

Verfahren und Vorrichtung zur Feststellung thermischer Änderungen an einer Oberfläche

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Feststellung thermischer Änderungen an der

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Oberfläche eines Gegenstandes durch Infrarotabtastung. Die Erfindung ist insbesondere für die zerstörungsfreie Prüfung von Reifen anwendbar.

Das übliche Verfahren zur Feststellung thermischer Änderun gen an der Oberfläche eines sich drehenden Reifens durch Infrarotabtastung besteht darin, einen Infrarotdetektor (Radiometer) an der Reifenoberfläche so einzustellen bzw. zu fokussieren, daß aufeinanderfolgende Bereiche der Reifenoberfläche in den Auftreffbereich des Radiometers gebracht sind. Hierbei werden dann Signale proportional der Temperaturveränderung an der Oberfläche erzeugt, während die Oberfläche wiederholten Abtastungen ausgesetzt ist. Nach einer entsprechenden Verstärkung werden die Signale einem Sichtgerät zugeführt und beobachtet, um irgendeine nennenswerte oder wesentliche Veränderung an einem Punkt an der Oberfläche festzustellen. Dieses Verfahren wurde in neuerer Zeit von George H. Halsey in einem vereinfachten Infrarotabtastsystem zur Feststellung heißer Stellen in Reifen verwendet, wie von Wolf in der Zeitschrift "Rubber Age" vom April 1970, auf den Seiten 58 bis 64 beschrieben ist.

Hierbei wirde ein Infrarotsensor auf einen Reifen fokusiert, der sich unter Belastung an einem schnell laufenden Prüfrad drehte, und ein Oszilloskop lieferte eine optische Anzeige der dem Temperaturanstieg proportionalen, infraroten Signale. Die proportional zur Oberflächentemperaturänderung erzeug-

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ten Signale können bezeichnend für die tatsächliche Temperatur an jedem Auftreffbereich der Abtastung sein, wobei die Basis der Nullpunkt der Temperaturskala ist; eine grössere Empfindlichkeit wird aber erreicht, wenn als Basis ein Bezugsnormal verwendet wird, das annäherd der mittleren Temperatur der voraussichtlichen Änderungen entspricht. Beispielsweise ist in der Literatur ein industrielles Radiometermodell beschrieben, das auch für die Infrarotabtastung von Reifen verwendbar sein soll, und bei dem eine Nullpunkt-Unterdrückungssehaltung in Reihe mit dem Ausgang vorgesehen ist, an dem nur die Veränderungen anliegen.

Eine Inaugenscheinnahme einer Anzeige des Ausgangssignals eines Radiometers, der die Oberfläche eines sich unter Belastung drehenden Reifens überwacht, ist aber unzureichend, um Materialfehler in einem sehr frühen Stadium ihrer Ent wicklung festzustellen. Aufgrund von Oberflächenunregelmässigkeiten sind gewöhnlich Änderungen in der Infrarotstrahlung von dem Reifen vorhanden. Beispielsweise bewirken die Marken- und Größenbezeichnung, die Seriennummer sowie andere Kennzeichnungen an der Oberfläche eine Änderung in der Infrarotstrahlung an verschiedenen Oberflächenbereichen; diese normalen Änderungen an verschiedenen Oberflächenbereichen müssen aber von Änderungen in Infrarotstrahlungen von demselben Oberflächenbereich unterschieden werden.

Das Verfahren zur Feststellung von Fehlern, das von dem Ge-

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dächtnis und dem Auge des Beobachters abhängt, um irgend eine Veränderung bei den charakteristischen Scheitel- und Talwerten normaler Infrarotstrahlungen festzustellen, ist in der Praxis unzuverlässig. Die sich zeitlich ändernden Signale von dem Radiometer, die jeweils dem Zustand bzw. der Beschaffenheit des Reifens zugeordnet sind, vermischen sich mit der nicht erforderlichen Information über normale Temperaturveränderungen aufgrund der Oberflächenunregelmässigkeiten, mit nicht erforderlicher Information über normale Temperaturänderungen aufgrund von sich ändernden Versuchebedingungen und mit der verlangten Information über Temperaturänderungen aufgrund eines Materialfehlers; aus diesen Signalen müssen dann die sehr geringen Veränderungen aufgrund eines Fehlers analysiert werden. Obwohl durchaus eine Temperaturzunahme aufgrund eines Materiälfehlers analysiert werden könnte, ist der Versuch oft tatsächlich schon bis zu einem Punkt vorgeschritten, wo sich der Reifen auflöst, bevor das Prüfrad angehalten werden kann, so daß die Lage und die Art des Fehlers nicht mehr bestimmt wer den kann. Barüberhinaus setzen die sich zeitlich ändernden Signale von dem Radiometer nicht nur aus Signalen, die dem Zustand bzw. der Beschaffenheit des Reifens zugeordnet sind (wirkliche Signale), sondern auch aus zufälligen Signalen (Rauschen) zusammen, die von den Strahlungsdetektoren und den zugeordneten elektronischen Einrichtungen sowie durch mechanische Schwingungen erzeugt werden, die ein Defokussieren der Detektoren bewirken. Die Rauschkomponente vergrößert die Schwierigkeit,

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die optische Anzeige zu analysieren, da eine Änderung in dem an einem ganz bestimmten Punkt festgestellten Infrarotsignal genau so gut auf einer Rauschlcomponente beruhen kann.

Bisher hat die Infrarotstrahlung während des Erwänn ungszeitabschnittes eines Reifens von dem Zeitpunkt Null an sich aus einem Reifenfehler ergebende, thermische Änderungen undeutlich und unklar gemacht. Aus verschiedenen Gründen, einschließlich der bereits erwähnten Kennzeichnungen an der Oberfläche des Reifens, die über die Oberfläche vorstehen können und den Reifen aufgrund von Luftturbulenz abkühlen, sowie der ausgeprägten Abhängigkeit der Größe der Signale von Infrarotdetektoren von der Temperatur, nimmt der Reifen bis nach dem Erwärmungsabschnitt kein stabiles, thermisches Bild an. Die Größe der Signale nimmt mit der Temperatur derart zu, daß während der Zeit, während der sich der Reifen auf Gleichgexvachtstemperatur erwärmt, die Intensität der Signale pro Temperatureinheit beträchtlich zunimmt.

Diese Erscheinung vereitelt aber jeden Versuch, einen Fehler bereits während der anfänglichen Erwärmungszeit durch Vergleich der Infrarotstrahlung an einer Stelle an der Oberfläche mit der Strahlung an derselben Stelle zu einem früheren Zeitpunkt zu.bemerken. Obwohl die größte Änderung unter Prüfbedingungen im allgemeinen erst auftritt, nach-

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dein ein Reifen auf ein Prüfrad gelegt und der Versuch begönnen ist, bewirkt jede nennenswerte Änderung der Prüf "be—" dingungen, unabhängig: davon ob sie auftreten, daß die Wahrnehmung eines Fehlers unklar und undeutlich gemacht wird. Darüber hinaus könnnen sie eine tatsächliche Änderung in dem thermischen Bild gegenüber den sich ändernden Prüfbe— dingungen darstellen. Obwohl die Beobachtungen begonnen werden können, nachdem der Reifen das Geichgewicht erreicht hat, und von neuem nach jeder folgenden Änderung begonnen werden kann, wäre eine Einrichtung zum Erkennen eines Fehlers, indem die Oberfläche während des gesamten Prüfvorgangs fortlaufend überwacht wird, sehr vorteilhaft.

Gemäß der Erfindung ist ein Verfahren zum Feststellen thermischer Änderungen an der Oberfläche eines Gegenstandes durch Infrarotabtastung, wobei Signale proportional der ObBrflächentemperaturanderung erzeugt werden und die Oberfläche wiederholt abgetastet wird, gekennzeichnet durch eine Subtraktion von Signalen, die ein Abtastintervall darstellen, von den Signalen, die ein nachfolgendes Abtastinter— vall über demselben Oberflächenbereich darstellen. Vorzugsweise werden die Subtraktionen zwischen einer Reihe von Abtastintervallen durchgeführt und die sich ergebenden Differenzen summiert. Ein Häufen der gemessenen Differenzen führt zu einem wirksamen Verfahren zur Überwachung einer Oberfläche eines Gegenstandes während der vorgesehenen Prüfvorgänge, um innere Materialfehler durch Änderungen in

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der Infrarotstrahlung a-rder Oherflache anzuzeigen. Dieses Verfahren kann in beinahe beliebig vielen Ausführungsformen angewendet werden; die vorteilhafteste Anwendungsform hängt hierbei von den jeweiligen Bedingungen ab, unter welchen die Oberfläche zu tiberwachen ist. In Extremfällen, wo die Oberfläche über einen sehr großen Temperaturbereich zu überwachen ist, kann es vorteilhaft sein, das Verfahren, die Differenzen zu verarbeiten, während eines einzigen PrüfVorgangs zu ändern. Die Differenzen können dann gegebenenfalls bewertet werden.

In einigen Fällen kann vorzugsweise eine Hälfte oder ein anderer Bruchteil der Differenzen gehäuft werden. ¥enn bei einer Serie von vier Abtastintervallen den Infrarotstrahlungen von denselben Oberflächenbereich die Werte a, b, c bzw. d für jede Abtastung zugeordnet sind, dann ergibt sich bei einem Häufen der Differenzen b-a+c-b+d-c einfach der Differenzwert d-a. Bei einer vorteilhaften Anordnung wird der Wert "a" als Bezugswert für jede Subtraktion und für das Haufen der Differenzen b-a+c-a+d-a verwendet. Anderenfalls wird der Bezugswa-1 ständig oder periodisch beispielsweise durch Ersetzen des Wertes "a" in der Differenz c-a durch den Durchschnittswert von a+b und durch Ersetzen desWertes "a" in der Differenz d-a durch den Durchschnittswert von a+b+c auf den neuesten Stand gebracht. Während der Prüfdauer kann der Bezugswert für jede Subtraktion geändert werden, indem

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automatisch eine Mittelwertbildung verwendet wird, wie in der USA-Patentschrift 3 478 328 beschrieben ist, um als neuen, von dem Wert des laufenden Abtastintervalls zu subtrahierenden Bezugswert den Durchschnittswert aller vorhergehenden Abtastintervalle zu erhalten. Vorzugsweise kann der Durchschnittswert aber auch langsamer geändert werden. Die Art, in der sich der Bezugswert ändert, ist empirisch aus verschiedenen Prüfvorgängen hergeleitet und hängt davon ab, ob eine Prüfung mit hoher oder niedriger Beanspruchung durchgeführt wird, wobei die Beanspruchung eine Funktion der Geschwindigkeit und Belastung ist. Weiterhin hängt es auch von der Art der Reifen ab, beispielsweise ob es Reifen für Lastwagen, Personenwagen oder Flugzeuge sind.

Jedes Abtastintervall kann eine einzige Abtastung sein, die bei einem sich drehenden Reifen die Zeit für den Radiometer sein würde, um einmal ein um den gesamten Umfang des Reifens verlaufendes Band mit der Auftreffbreite der Strahlung zu betrachten; vorzugsweise schließt das Abtastintervall eine Anzahl Abtastungen ein und die Signale werden über das Intervall gemittelt, wobei dann der Mittelwert der bei der Subtraktion verwendete Wert ist. Das erzeugte Signal kann dann unmittelbar die Oberflächentemperatur oder die Differenz zwischen der Oberflächentemperatur und der Temperatur eines Bezugskörpers anzeigen. Beide Signalarten werden bei Infrarotabtastung für Signale verwendet, die propotional der Oberfläehentemperaturänderung sind; beide Signalarten

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sind bei der vorliegenden Erfindung verwendbar.

Ein einfaches, aber wirksames System für die zerstörungsfreie Prüfung eines sich unter Belastung drehenden Reifens, bei dem Änderungen in den Infrarotstrahlungen von derselben Auftreffläche bei aufeinanderfolgenden Umläufen des Reifens sowie deren Lage feststellbar ist, weisen folgende Einrichtungen auf: eine Einrichtung zum Fühlen des Beginns jeder Umdrehung des Reifens oder der zugeordneten Welle, eine Einrichtung zum Fühlen einer Anzahl Segmente des Reifens, eine Einrichtung zur Feststellung von Infrarotstrahlung, eine Einrichti ng zur Erzeugung von den Oberflächentemperaturän— derungen proportionalen Signalen, eine Einrichtung, um den Ausgangspegel der Infrarotdetektoren in wesentlichen kon stant zu halten, eine Einrichtung.um eine Differenz zwischen ein Abtastintervall darstellenden Infrarotsignalen und ein darauffolgendes Abtastintervall darstellende Infrarotsignale über demselben Oberflächenbereich zu erhalten, eine Einrichtung zum Haufen der Differenzen und gegebenenfalls eine Einrichtung zu deren Darstellung. Weiterhin ist eine Ein richtung zur Bildung des Durchschnittswertes von Signalen eines Abtastintervalls sowie eine Einrichtung zur Bewegung der Infrarotdetektoreinrichtungen über der Oberfläche des R oifens vorgesehen.

Durch ein Summieren von Differenzen aufeinanderfolgender Abtastungen wird die Güte der Signale verbessert, indem der

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Einfluß des Rauschsignals auf ein Minimum zurückgeführt und die Änderungen in dem einer Fehlerentstehung zugeordneten Signal verstärkt werden. Durch Abtasten eines sich zeitlich verändernden Eingangsignal I zu zwei verschiedenen Zeiten t und t¹ , wobei t' eine Bezugszeit und t größer als t¹ ist, und durch Subtraktion der Signale wird ein Differenzsignal D in der Form D = I. - I. , erhalten. Da das sich zeitlich ändernde Eingangssignal aus einem wirklichen Signal S und einem Rauschsignal N zusammengesetzt ist, wobei I = S + N ist, lautet die Beziehung zwischen den Komponenten und der Größe D :

Durch Summieren von Differnezen aufeinanderfolgender Abtastungen wird das Rauschen verndniert, und es bleibt der wirkliche, unbeeinflußte Signalbeitrag aufgrund der Tatsache übrig, daß durch die Bildung von Durchschnittssignalwerten aus aufeinanderfolgenden Abtastungen der Rauschein— fluß verringert ist. Ein Summieren von I = S. + N, über η Abtastungen ergibt Ul= nS₊ + aa N₊ Die Bildung des Durch-

1 U₁-S.

schnittswertes ergibt dann

l/n σ = ^s ₊ + l/n ^ ^N+
1 ^% 1 ^%

Da der Rauschanteil nicht zusammenhängt, nimmt der zuietzt angeführte Begriff ab, wenn η zunimmt, wodurch audi das Signal/Rauschverhältnis zunimmt. Bei Abtastwerten a, b, c und d führt das Summieren (d-a) + (c-a) + (d-a) zu einer Durchschnittswertbildung, durch die der Rauschanteil vermindert wird.

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Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung, die wichtige Beobachtungen bzw. Feststellungen während der sich ändernden Prüfbedingungen möglich macht, da beispielsweise die Reifentemperatur zu Beginn des PrüfVorgangs zunimmt, ist dadurch erreicht, daß der Ausgang des Radiometers im wesentlichen konstant gehalten ist. Eine Zunahme in der Intensität des InfrarotsignaIs pro Temperatureinheit, wenn die Temperatur ansteigt, ist dadurch auf ein Mindestmaß zurückgeführt, daß der Ausgang des Radiometers im wesentlichen unabhängig von der Größe des Eingangssignals ist, ohne daß hierdurch nennenswert die Fähigkeit vermindert wird, eine durch eine Fehlerentstehung hervorgerufene Temperaturänderung zu fühlen, beispiesweise mit Hilfe einer automatischen Verstärkungsregelung, wie sie bei Radio— bzw. Hochfrequenz- und anderen Tonfrequenzanwendungen verwendet ist, bei denen der Ausgangspegel der Signale unabhängig von dem Pegel des Eingangssignals im wesentlichen konstant zu halten ist.

Ein Teil des Verstärkerausgangs wird verarbeitet, um ein Regelungssignal zu erhalten, das vorzugsweise dem Effektiv wert (rms) des Ausgangssignals proportional ist. Dieses Regelungssignal wird seinerseits in Verbindung mit einem veränderlichen Verstärkungselement verwendet, um die Gesamt verstärkung der Radiometerelektronik so einzustellen, daß der Effektivwert der Ausgangssignalwellenform für einen grossen Bereich der Eingangssignalpegel im wesentlichen konstant bleibt. Dieses Regelungssignal kann auch zu anderen Größen

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als dem Effektivwert des Ausgangssignals, beispielsweise zu dem Durchschnitts- oder dem Spitze- Spitzewert proportional sein. Ein Auswählen des Spitze- Spitzewertes der Ausgangssignalwellenform als den Wert, der im wesentlichen konstant zu halten ist, ist weniger vorteilhaft. Durch das Auswählen des Effektivwertes wird der Einfluß von Änderungen in der Infrarotstrahlung auf das Regelungssignal in den Anfangsphasen der Fehlerentstehung auf ein Minimum zurückgeführt. Der Effektivwert wird aus allen Datenpunkten hergeleitet, die das Signal aufweisen, und eine Fehlerentwicklung hat einen sehr geringen Einfluß auf das Regelungssignal, während ein Regelungssignal bei Verwendung eines Spitze-Spitzewertes verfälscht werden würde, wenn ein Fehler an derselben Stelle als Spitzenwert des Signals entwickelt würde, da die 7erstärkung dann durch den Fehler unmittelbar gesteuert und die Anzeige der Fehlerentwicklung wirksam unterdrückt würde. Eine automatische Verstärkungsregelung in jeder der vorerwähnten Ausführungsforinen ist allgemein bekannt und ihre Anxvendung auf Infrarotsignale er fordert nur die Übernahme bekannter Schaltungseinrichtun gen.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist ferner die normale Radprüfung durch Überführen in eine zerstörungsfreie Prüfung, ersetzt, mittes der Fehler genau feststellbar sind; danach kann die Prüfung automatisch beendet wurden, bevor der Reifen sich selbst zerstört. Die Erfindung ist aber nicht nur zur Überprüfung des vollstän-

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dig fertigen Reifen verwendbar, sondern ein neuer Reifen kann auch schon früher zur Überprüfung hergerichtet werden, wodurch dann Prüfzeit eingespart wird.Fehler, die in dein Reifen durch die Prüfradbedingungen aufgrund strukturell schwacher Stellen hervorgerufen sind, können ebenso wie von Anfang an vorhandene Fehler festgestellt werden. Auch kann ein Reifen erfolgreich eine Normalprüfung auf einem Prüfrad durchlaufen, und trotzdem kann ein Fehler erzeugt worden sein, der den Reifen betriebs— bzw. Verkehrs— unsicher macht. Gemäß der Erfindung sind auch solche strukturell schwachen Stellen feststellbar, die auf andere Art und Weise sonst nicht feststellbar sind. Natürlich gibt die Erfindung auch die Sicherheit, daß kein Fehler vorhanden ist,

In den verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung sind die verwickelten Verhältnisse der üblichen thermischen Änderungen durch die Bildung von Differenzen auf ein Mindestmaß derart zurückgeführt, daß die Infrarotdarstellung abgesehen von den erfaßten thermischen Änderungen im wesentlichen als eine gerade Linie erscheint; auch ist durch die Summierung die Empfindlichkeit verbessert.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen näher erläutert, wozu auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen word» Es zeigen:

Fig.l eine Aufteilung eines Reifens, wie sie zur Feststel-

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lung von Fehlern verwendbar ist;

Fig.2 einen Aufriß, in dem ein an einem Prüfrad angebrachtes Infrarotradiometer und die Beziehung zwischen dem Radiometer, dem Abtastmechanismus und dem Prüfrad dargestellt ist;

Fig.3 eine perspektivische Darstellung des auseinandergenommenen Abtastmechanismus ohne das Prüfrad;

Fig.4 eine schematische Darstellung einer Einrichtung, die zur Subtraktion der ein Abtastintervall darstellenden Signale von den ein nachfolgendes Abtastintervall darstellenden Signale verwendbar ist; und

Fig.5, 5a und 5b Darstellungen von Radiometern zu drei verschiedenen Zeitpunkten, wobei die Radiometer auf die Schulter eines sich unter Belastung auf einem Prüfrad drehenden Reifens fokussiert sind.

Wie am besten aus Fig.3 zu ersehen ist, sind zwei Radiometer 1 und 2 an einer Abtasteinrichtung angebracht, um beide Seiten eines Reifens zu tasten. WeiterMn sind Einrichtungen zur Steuerung der Stellung der Radiometer vorgesehen, um den Beginn jeder Umdrehung zu fühlen und die Stellen auf der Reifenpberfläche festzustellen, die den Infrarotsignalen entsprechen. In Fig.l, in der eine zur Feststellung von Fehlern verwendete Unterteilung des Rteifens dargestellt ist, werden Infrarotdaten zweihundert (200) mal pro Reifenumdrehung abgetastet und der Reifen wird in sechzehn (16) aneinandergrenzenden, konzentrischen Bändern zwischen dem Reifenwulst und

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der Lauffläche betrachtet. Ferner sind Einrichtungen zum Fühlen des Beginns jeder Umdrehung vorgesehen; der Beginn dient als Bezugspunkt um die thermischen Daten mit einem Reifensegment in Beziehung zu setzen und um das Segment aufzufinden, in dem ein Fehler auftritt. Es sind verschiedene Einrichtungen zum Fühlen des Beginns jeder Umdrehung verfügbar. Bei einem bevorzugten Verfahren wird ein in geringem Abstand angebrachter Sensor oder gegebenenfalls ein optischer Codierer verwendet, der an der Welle angebracht ist, die den Reifen trägt. Die Vorrichtung erzeugt jeweils einen Impuls bei jeder Umdrehung des Reifens; dieser Im puls wird der Daten verarbeitenden Einheit zusammen mit den Infrarotdaten zugeführt»

Ein weiterer in geringem Abstand angebrachter Sensor oder gegebenenfalls ein optischer Codierer liefern Takt- bzw. Steuersignale, um das Prüfen von Infrarotdaten einzuleiten. Die Prüffrequenz hängt von der Größe des Reifens ab. Der größte Umfang des Reifens, geteilt durch die Breite des Hadiometer-BetrachtungsbereichSjj ergibt den Quotienten für die minimale Anzahl der erforderlichen Betrachtungspunkte. Vorteilhafterweise wird eine etwas höhere Prüffrequenz verwendet, damit sich die Auftreffbereiche überlappen, um dadurch eine vollständige Erfassung des 1 eifenumfangs sicherzustellen. Bei einem Reifen, dessen größter Umfang etwa 2,5m beträgt, und der mit einem Radiometer mit einem Auftreffbereich von (l,27xl,27)cm abgetastet wird, sollte

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ein Minimum von 200 Punkten pro Umdrehung geprüft und zur Datenverarbeitung gespeichert werden.

In Fig.2 ist das Radiometer 1 auf der Vorderseite eines Prüfreifens 3 und das zweite, nicht sichtbare Radiometer auf der Rückseite des Reifens angebracht. Die Abtast- oder Bänderzahl wird durch die Lage des Radiometers bestimmt, der durch eine Gewindestange 4 gehalten ist. Tragstangen 5 und 6, die durch ein Gehäuse 7 für das Radiometer hin durchgehen, und auf denen das über die Gewindestange ge — steuerte Radiometergehäuse frei verschiebbar ist, ermöglichen die Abtastung, indem das Radiometergehäuse von einer zu einer anderen Stelle verschiebbar ist. Der Außenrand der Felge 14 wird durch einen nicht dargestellten Schalter angezeigt, der an dem Prüfradrahmen angebracht ist; der Schalter wird mittels einer Platte 8a betätigt. Die Lage des Radiometers auf den Tragstangen 5 und 6, die über die Gewindestange 4 gesteuert wird, wird durch einen Schrittmotor 8b automatisch verändert, um die sechzehn Abtaststellungen einzuschließen; der Motor treibt über eine zentrale Antriebsriemenscheibe zwei Riemen an, und zwar jeweils einen für jedes Radiometer. Der eine, in Fig.2 dargestellte Riemen 9 treibt die vorerwähnte Gewindestange 4 an, wodurch automatisch die sechzehn in Fig.l dargestellten Abtastbänder erfaßt werden. Die Einrichtung ist an einem Traggestell 10 angebracht, das fest mit einem auf einem Geleis 13 verschiebbaren Vagen 11 verbunden ist.

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Nachdem der Rand der Felge Xk eingestellt ist, wird die Lage der Lauffläche mit Hilfe eines in Fig.3 dargestellten optischen Systems 19 eingestellt, das an dem Radiometer angebracht ist. Wenn dann die Radicmeter jeweils auf die Lauf— flächenlage eingestellt sind, wird eine der Reifenahmessung entsprechende Zahl aus der Anzahl Impulse bestimmt, die erforderlich ist, um den Schrittmotor während der Bewegung der Radiometer von der Felge bis zu der Lauffläche anzutreiben. Die Zahl wird dann durch sechzehn geteilt, so daß jede Abtaststeilung einen Abstand von dem Felgenrand aufweist, der proportional einem ganzzahligen Vielfachen des vorher hergeleiteten Quotienten ist. In Abhängigkeit von der Reifendrehzahl wird der gesamte Reifen vollständig in etwa 1,27cm breiten Bändern mit einer Verweilzeit von vier Umdrehungen pro Band abgetastet.

Die Radiometer sind auch in Richtung parallel zu der Achse des Prüfrades verschiebbar, auf dem der Reifen angebracht ist, damit sie der Reifenform folgen können und eine optimale Auflösung erhalten wird. Wie am besten in Fig»3 zu erkennen ist, sind die Radiometer 1 und 2 in dem Gehäuse verschiebbar, in dem sie auf Tragstangen 15a, 15h, 15c und I5d verschoben werden, können Kurvenkörper, von denen nur der Kurvenkörper 16 dargestellt ist, bilden die Form des Reifens nach, und die Radiometer werden mittels Federn 17a und 17b, die die Radiometer unter Federspannung halten, gezwungen, der Reifenform zu folgen; hierbei stehen die Steu-

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ernocken, beispielsweise der Steuernocken 18, ständig in Berührung mit dem Kurvenkörper, wenn die Radiometer über die verschiedenen Abtastbänder vom Reifenwulst zur Reifenlauffläche bewegt werden.

Der Radiometer, der den thermischen Fluß in eine entsprechende Analogspannung umsetzt, weist ein sehr empfindli ches Infrarot-Detektorelement mit einer schnellen Ansprechzeit, beispielsweise Indiumantimonid auf. Ein elliptischer Spiegel ist dazu verwendet, die Oberfläche des Reifens auf den Detektor zu fokusieren. Es können auch andere Reflexions- und/oder Brechungssysteme verwendet werden, Vorzugs weise wird ein rauscharmer Vorverstärker verwendet, um das bestmögliche Signal/Rauschverhältnis zu erhalten. Die von dem Vorverstärker verstärkte Spannung wird einer Signal verarbeitenden Einheit mit einem Bandfilter und einem Pufferverstärker zugeführt. Die vorerwähnten Einrichtungen sind so ausgelegt, daß nur thermische Gradienten über einem bestimmten Wert verstärkt wer den.Ein langsam ansteigender bzw. fallender Temperaturgradient wird daher gedämpft, während der Gradient eines Bereichs schnell vorsichgehender thermischer Änderungen verstärkt wird.

Die obere Grenzfrequenz ist so ausgelegt, daß auch die schnellste bei einer Reifenumdrehung auftretende Anstiegszeit vollständig aufgelöst wird, um dadurch das Signal/ Rauschverhältnis zu optimieren. Je höher die Umlaufge -

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schwindigkeit ist, umso höher muß die Grenzfrequenz sein.

Beispielsweis muß für eine Auftreffläche von l,6icm bei einer Oberflächengeschwindigkeit von etwa 72km/h die obere Frequenzgrenze bei 2Khz liegen. Bei einer Umfangsge schwindigkeit von etwa 144km/h muß die obere Frequenzgren— ze bei 4Khz liegen. Die untere Grenzfrequenz ergibt sich aus der langsamsten Anstiegszeit, und muß von dem Filter noch durchgelassen werden. Die untere Grenzfrequenz wird durch die langsamste Prüfgeschwindigkeit und durch den niedrigsten, interessierenden thermischen Gradienten bestimmt. Diese Grenzfrequenz liegt üblicherweise bei IO bis 20 z. Wenn sich der Reifen nicht dreht, werden selbstverständlich auch keine AusgangsSignaIe erhalten.

Die Arbeitsweise des Systems bezüglich der Erfassung, Verarbeitung, Auswertung, Darstellung und Aufzeichnung von Daten sowie bezüglich des Ausdruckens kritischer Werte wird im folgenden beschrieben; hierbei werden Abtastintervalle verwendet, die mehrere Abtastungen durch die zwei Radiometer aufweisen.

In Fig.4 werden Infrarotstrahlungen von der Oberfläche eines sich unter Belastung drehenden Reifens durch die Radiometer i und 2 festgestellt. Die Signale von jedem Radiometer weisen Signale auf, die den thermischen Änderungen auf einem auf dem Reifen verlaufenden Band proportional sind. Die Signale laufen durch die Signal verarbeitenden Einhei-

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ten hindurch, in denen sie verstärkt werden, um einen konstanten Effektivpegel des Ausgangssignals zu erhalten. Die Signale werden dann einem Multiplexer zugeführt; danach werden die Signale jedes Radiometers einzeln einem Analog/Digitalumsetzer zugeführt. Die digitalen Signale werden zeitweilig in einem Zwischenspeicher gespeichert und werden in Verbindung mit einem Addierer (A) unter Steuerung einer Programmiereinrichtung A verarbeitet, um den Durchschnittswert des laufenden Abtastintervalls zu erhalten. Die Programmiereinrichtung arbeitet entsprechend der von Segmentsensoren zugeführten Information.

Alle nachfolgenden Operationen erfolgen unter Steuerung der Programmiereinrichtung B, die folgendermaßen arbeitet: die digitalen Signale des ersten Abtastintervalls mit den vorerwähnten Durchschnittswerten werden zeitweilig in einem Schnellspeicher eingespeichert und auch dem Großraumspeicher zugeführt. Die Durchschnittswerte der Abtastungen über dem ersten Abtastintervall stellen die Anfangsbezugsdaten dar. Bei der zweiten sowie den darauffolgenden Abtastintervallen werden ebenfalls wieder die Durchschnittswerte in dem Schnellspeicher gespeichert. Die Bezugsdaten werden von den Durchschnittsdaten in dem Subtrahierer subtrahiert. Dieselben Bezugsdaten können während der gesamten Prüfdauer verwendet werden, vorzugsweise werden sie aber nach jeder Subtraktion geändert. Bei langsamen Änderungen der Reifenoberflächentemperatur werden die Bezugsdaten vorzugsweis langsam geändert,

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wobei die folgende allgemeine Beziehung verwendet wird:

^An = ^An-i - = ^n " ^An-1>

wobei A der von dem Wert des n+l-ten Abtastintervall zu η

subtrahierenden Bezugswert is t, η die Zahl des laufenden Abtasintervalls, A . der Bezugswert des laufenden Abtastintervalls, m ein Bewertungsfaktor und I der Wert des laufenden Abtastintervalls ist. Im Anfangsstadium der Prüfung is t der Faktor m im allgemeinen so klein, daß der Bezugswert in stärkerem Maß als später während der Prüfung geändert werden kann, wenn die Geschwindigkeit, mit der die Heifen— Oberflächentemperatur zunimmt, viel kleiner ist und der Faktor m viel größer gemacht werden kann. Das Schieberegister teilt die Differenz (I - A Λ durch den Faktor m und der Quotient wird dann in dem Addierer (B) zu dem Wert A . hinzuaddiert; die Summe ersetzt dann den vorherigen Bezugswert in dem Großraumspeicher.

Nachdem die Division mit dem Faktor m mit Hilfe von digitalen Schaltungsanordnungen durdi geführt ist, wird der Faktor m üblicherweise auf die nächste ganzzahlige Potenz von 2 abgerundet. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der Faktor m eine Veränderliche, deren Wert durch die Beziehung gegeben ist

2^r<n<2^r+1

r—1
vobei der Faktor m=2 ist. Die subtrahierten, ein Abtast-

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Intervall darstellenden Signale sind Werte einer Bezugsabtastung, bei der die Durchschnittswerte jedes nachfolgenden Intervalls entsprechend dem vorerwähnten Bewertungsfaktor geändert werden. Die Differenzen werden entsprechend einem Bewertungsfaktor summiert, der 1 sein kann, der aber normalerweise kleiner als 1 ist.vorzugsweise 1/2 oder ein anderer Umkehrwert einer Potenz von 2. Die Anwendung des Bewertungsfaktors bei den gehäuften Differenzen wird unter Steuerung der Programmiereinrichtung B mittels eines Schiebere gisters (2.) erreicht. Ein Bewertungsfaktor kleiner als 1, verbessert, ähnlich einer automatischen Verstärkungsregelung, das Auflösungsvermögen der zu einer Fehlerentstehung gehörenden Signale bei sich ändernden Prüfbedingungen. Das Anwenden einer größeren, durch das Haufen von Differenzen erreichten Empfindlichkeit ist durch die Notwendigkeit begrenzt, Änderungen in den zu einem Fehler gehörenden Signale von normalen Änderungen zu unterscheiden, was manchmal bei einer Änderung der Prüfbedingungen eintritt. Das thermische Bild kann sich tatsächlich bei einer Zunahme der Reifentemperatur derart ändern, daß sich mit zunehmender Zeit Differenzen häufen; mit Hilfe eines Bewertungsfaktors kleiner als eins wird die Möglichkeit verbessert, diese Werte von ge häuften Differenzen auf Grund einer Fehlerentwicklung zu unterscheiden, da natürlich weiterhin eine Häufung stattfindet, nachdem ein neues Temperaturgleichgewicht erreicht ist.

Die vorerwähnte Differenz wird auch einem Addierer C zuge-

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führt, wo sie zu der Summe der vorherigen Differenzen addiert wird. Wenn natürlich die erste Differenz zu dem Addierer C kommt, ist vorher noch keine Differenz gehäuft worden und die hinzuaddierte Größe wird null sein. Die Summe wird in dem Großraumspeicher gehalten,his der Zyklus wiederholt ist, und wird dann zu der nächsten Differ renz addiert, die an dem Addierer C erscheint; die neue Summe ersetzt dann die vorher gebildete Differenz in dem Großraumspeicher· Die am Ausgang des Addierers C auftretende Größe wird in der Anzeigeinrichtung, die beispielsweise eine Kathodenstrahlröhre sein kann, gegebenenfalls zusammen mit anderer Information dargestellt. Eine Grenzwert-Überwachungseinrichtung wird zum Vergleich der gebildeten Differenz mit vorbestimmten Grenzwerten verwendet; die erwähnten Grenzwerte sind für eine Fehlerentwicklung in einem Reifen kennzeichnend. Wenn dieser Wert erreicht ist, wird ein Alarmsystem ausgelöst und das Prüfrad kann automatisch außer Betrieb gesetzt werden, worauf die Fehlerstelle automatisch durch den angegebenen Drucker aus gedruckt wird.

Ein Satz von fünf Reifen ist in doppelter Ausfertigung vorhanden. Bei einem Satz Reifen wird der Schulterbereich einer Infrarotabtastung während normaler schnell laufender Prüfungen in Verbindung mit Einrichtungen zur Analyse von Temperaturänderungen gemäß der vorliegenden Erfindung ausgesetzt. Die Analyseeinrichtung ermöglicht die Versuche anzuhalten,

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unmittelbar nach Beginn eines Fehlers, aber vor einer Zerstörung des Reifens, und ermöglicht weiterhin, die genaue Lage des Fehlerbeginns festzuhalten. Die Reifen, die je weiüs eine Polyester-Kordkarkasse mit verstärkten Bändern aufweisen, werden durch diese Stellen unterteilt, und es kann die Art der anfänglichen Fehler beobachtet werden. In der unten angeführten Tabelle bezieht sich der Punkt bei dem die Prüfung unterbrochen wird, auf die Dauer der "Department of Transportation Test Procedure 109". Bei der Prüfung läuft der Reifen unter Belastung 30 min lang mit 120 km/h; hierauf läuft der Reifen jeweils für 30 min mit Geschwindigkeiten, die jeweils um 8km/h höher liegen als die Geschwindigkeit des vorhergehenden 3o min-Intervalls, und zwar so lange, bis bei dem Reifen ein Fehler auftritt.

Reifen Zeitpunkt^ bei dem der Versuch abgebrochen wird

Lagenummer
des Fehlers

Art des Fehlers

2min bei 152km/h

24min bei l60km/h 5min bei 168km/h

15min bei l60km/h

115

Ablösung der Bandeinlagen und des Bandes; Außenschicht löst sich von Polyesterkord.

40	Dasselbe	Schulter den
16	Dasselbe
21	Dasselbe
111	Dasselbe
52	Ablösung der Oberseite von zweiten Band

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Reifen Zeitpunkt,bei dem der Versuch abgebrochen wird

Lagenummer des Fehlers

Art des Fehlers

4min bei 168km/h

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Beginnende Schulterablösung zwischen
den Bändern

Schulterablösung zwischen den Bändern und an der Oberseite oder an der Oberseite der Bänder, die von dem
Scheitel zu der Schulter über die Bandkanten hinaus verlaufen.

Der zweite Satz Reifen wird derselben Prüfung ohne eine Infrarotanalyse ausgesetzt. Bezüglich der Härte der Anforderungen, um einen Fehler zu verursachen,stimmen die Ergebnisse mit den vorerwähnten Ergebnissen überein, um einen Fehler einzuleiten; nachdem aber ein Fehler "zu laufen" begonnen hat, ist es unmöglich, die Art des Fehlers zu bestimmen, da ein solcher Fehler zur Zerstörung der Reifen führt.

In den Figuren 5, 5a und 5h ist die optische Anzeige des Reifens Nr.2 zu drei verschiedenen Zeitpunkten wiedergegeben. Die Darstellung in Fig.5 entspricht einem frühen Zeitpunkt während der Prüfung, die Darstellung in Fig.5a einem späteren Zeitpunkt und die Darstellung in Fig.5h einem noch späteren Zeitpunkt, wenn die vorgeschriebenen Grenzwerte schon überschritten worden sind. Die Prüfungen sind jeweils automatisch abgebrochen worden, um die Beobachtung einer Fehlerentwicklung fortzusetzen. Die oberen Kurven sind die Werte des laufenden Abtastintervalls und zeigen deutlich die

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thermischen Veränderungen an der Oberfläche. Die gehäuften Differenzen erscheinen auf der mittleren Kurve des aus drei Linien bestehenden Kurvensatzes; die oberen und unteren Linien entsprechen den oberen und unteren vorgeschriebenen Grenzwerten für die Häufungsdifferenzkurve. In jeder der Kurven 5, 5a und 5b sind die Diagramme für die Vorder- und Rückseite des Reifens wiedergegeben; der obere Kurvensatz entspricht hierbei der Rückseite und der untere Kurvensatz der Vorderseite. Zum Zeitpunkt der in Fig.5a wiedergegebenen Darstellung sind die vorgeschriebenen Grenzwerte an einer Stelle auf der Vorderseite des Reifens gerade erreicht. Die Lage dieser Stelle ist durch eine Markierungsanzeige gekennzeichnet. Im unteren Teil der Anzeige sind Ablesemarken angebracht, durch der Umfang des Reifens in zwanzig gleiche Segmente von jeweils zehn Teilen unterteilt ist; die Darstellungen darüber entsprechen dann den Ablesemarkinmgen. Die die laufenden Abtastdaten darstellenden Kurven zeigen natürlich die unverarbeiteten Daten und sind typisch für Darstellungen, die mit bisher bekannten Infrarotabtastverfahren erhalten wurden. Ein Vergleich der unverarbeiteten Datenkurven für die drei unterschiedlichen Zeitpunkte macht deutlich, daß mit diesen Kurven kein Fehler festgestellt werden kann. Dagegen zeigt die erste Häufungsdifferenzkurve der Fig.5 den Beginn einer Fehlerentwicklung auf der Vorderseite des Reifens; dieser Fehler entwickelt sich dann schrittweise, wie den späteren Darstellungen der Häufungsdifferenzen zu entnehmen ist. Eine Überprüfung des Reifens hat das Vorhandensein des angezeigten Fehlers bestä -

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Obwohl die Erfindung anhand einiger Ausführungsbeispiele dargestellt ist, ist sie nicht auf diese Beispiele he .-schränkt. An den zur Erläuterung der Erfindung, wiedergegebenen Ausführungsbeispiele können verschiedene Änderungen, vorgenommen werden, die alle noch im Rahmen der Erfindung liegen.

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Claims

Patentansprüche

1.1 Verfahren zur Feststellung thermischer Änderungen an der Oberfläche eines Gegenstandes durch Infrarotabtastung, wobei Signale proportional der Oberflächentemperaturänderung er zeugt werden und die Oberfläche wiederholt abgetastet wird, gekennzeichnet durch eine Subtraktion von Signalen, die ein Abtastintervall darstellen, von den Signalen, die ein nachfolgendes Abtastintervall über demselben Oberflächenbereich darstellen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Subtraktionen bei einer Reihe von Abtastintervallen durchgeführt werden, und daß die sich ergebenden Differenzen summiert werden.

3. Verfahren nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe der darzustellenden SignalwelLenform

/im
auf einem wesentlichen konstanten Wert gehalten wird.

h. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe der darzustellenden Wellenform auf einem im wesentlichen konstanten Wert gehalten wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Abtastintervall eine Anzahl Abtastungen aufweist, und daß ferner die Signale über das Intervall ge-

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mittelt werden.

6. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Abtastintervall eine Anzahl Abtastungen aufweist, daß weiterhin Signale über dem Intervall gemittelt vt erden, daß ferner subtrahierte* ein Abtastintervall dar stellende Signale Werte eines Bezugsabtastintervalls sind, die durch die gemittelten Werte jedes nachfolgenden Abtastintervalls entsprechend einem Bemessungsfaktor geändert wer den, und daß ferner die Differenzen entsprechend einem zweiten Bewertungsfaktor summiert werden.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der abgetastete Gegenstand ein Luftreifen ist, und daß ferner der Effektivwert der AusgangsSignalwe11enform im wesentlichen konstant gehalten wird.

8. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der abgetastete Gegenstand ein Luftreifen ist.

9. Verfahren zur Feststellung thermischer Änderungen an der Oberfläche eines Gegenstandes durch Infrarotabtastung, g ekennzeichnet durch

(a) Einrichtungen zur Feststellung von Infrarotstrahlung,

(b) Einrichtungen zur Erzeugung von den Oberflächentemperaturänderungen proportionalen Signalen, und

(c) Einrichtungen zur Differenzbildung zwischen Infrarotsig-

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nalen, die ein Airtastsignal darstellen, und Infrarotsignalen, die ein nachfolgendes Abtastintervall über demselben Oberflächenbereich darstellen.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch Einrichtungen, um die Größe der darzustellenden Signalform auf einem im wesentlichen Konstanten Wert zu halten.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9» gekennzeichnet durch Einrichtungen zur Mittelung von Signalen über ein Abtastintervall mit einer Anzahl Abtastungen und durch Ein richtungen zur Summierung von Differenzen zwischen dem Durchschnittswert von nachfolgenden Abtastintervallen und dem Wert einer Bezugsabtastung.

12. Vorrichtung nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch Einrichtungen (4, 8b, 9) zur Bewegung der Infrarotdetektoreinrichtungen (l, 2) über der Oberfläche eines Reifens (3), durch Einrichtungen zum Fühlen des Beginns jeder Umdrehung, und durch Einrichtungen zum Fühlen einer Anzahl Reifensegmente (10 bis 200).

13. Vorrichtung nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Darstellung der Durchschnittssignale des laufenden Abtastintervalls, und durch Einrichtungen zur Darstellung der gehäuften Differenzen.

Ik, Vorrichtung nach Anspruch 11, gekennzeichnet

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durch Einrichtungen zum Peststellen, ob die Signale einen vorbestimmten Wert tiberschreiten, und durch Einrichtungen zur automatischen Beendigung der Prüfung, wenn der vorbeschriebene Wert überschritten ist.

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