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Verfahren und Vorrichtung zum berührungslosen Messen der
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Isolierwanddicken, Wanddickendifferenzen und Durchmesser von elektrischen
Kabeln und Leitungen Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung
zum berührungslosen Messen der Isolierwanddicken, Wanddickendifferenzen (Exzentrizität)
und Durchmesser von elektrischen Kabeln und Leitungen im kontinuierlichen Fertigungsablauf
wobei mittels von einer Röntgenröhre abgegebenen Strahlen die Lage des Leiters auf
einem Bildschirm abgebildet wird und hier das Helligkeitssignal mittels einer Abtasteinrichtung
abgetastet und ein elektrisches Signal erzeugt wird, das über Komparatoren einer
Auswerteelektronik zugeleitet wird.
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Bei der Herstellung von Kabeln und Leitungen wird seit langem nach
einem kontinuierlich arbeitenden Verfahren gesucht, mit dessen Hilfe Isolierwrnddicke
und Wanddickendifferenz (Exzentrizität) unmittelbar nach der Extrusion bei noch
weicher Isolierschicht gemessen werden können. Da diese Messung unmittelbar hinter
dem Extruder bei laufender Fertigung durchgeführt werden muß - die Isolierschicht
ist hier noch weich - scheidet ein berührendes Meßverfahren aus.
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Bekanntlich werden zum Nachweis von Röntgenstrahlen und zu ihrer Intensitätsmessung
verschiedene Effekte benutzt: Lumineszenz (Leuchtschirme), fotochemische Prozesse
(Röntgenfilme), Ionisation von Gasen (Ionisationskammern und Zählrohre), sowie die
Kombination mehrerer Effekte (Szintillationszähler). Neuerdings wird auch
die
Wirkung der Röntgenstrahlung auf Ladungsträger in Halbleitern ausgenutzt.
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Zur Umwandlung der Röntgenstrahlung in ein elektrisches Signal für
quantitative Zwecke werden technisch in der Hauptsache Ioni sationskammern, Zählrohre,
Szintillationszähl er und neuerdings auch lithiumgedriftete Halbleiterdetektoren
verwendet. Jeder dieser Detektoren hat für ein bestimmtes Anwendungsgebiet spezielle
Vorteile, die eine entsprechende Auswahl ermöglichen. Für den vorliegenden Anwendungsfall,
der ein bei den Betriebsbedingungen der Kabelfertigung wartungsfrei arbeitendes
Uberwachungsgerät und Uberwachungsverfahren zum Ziel hat, scheinen diese Detektoren
Jedoch wegen verschiedener Nachteile nicht sehr geeignet zu sein: Erschütterungs-
oder Temperaturempfindlichkeit, komplizierter Aufbau, zum Teil große Abmessungen,
kritische Hochspannungsversorgung, geringe Lebensdauer, aufwendige Kalibrierung,
Empfindlichkeit gegen Uberlastung usw.
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Als weitere Möglichkeit zur Bildabtastung ist der Einsatz von röntgenstrahl
empfindlichen Vidikons (DT-OS 2 402 480) oder von Röntgenbildverstärkern bekannt.
Doch auch hier liegen die Schwierigkeiten im empfindlichen und räumlich umfangreichen
Aufbau.
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Der Erfindung liest daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und
eine Vorrichtung anzugeben, mit denen es möglich ist, die bei den bekannten Verfahren
und Vorrichtungen bestehenden Schwierigkeiten weitgehend zu überwinden.
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Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß das Helligkeitssignal
des Bildschirmes direkt durch Fotodetektoren abgetastet wird und daß während des
Abtastens des Bildschirmes der Fotodetektor gemeinsam mit dem Bildschirm vertikal
zu den Röntgenstrahlen hinter dem Kabel bzw. der Leitung geschwenkt wird, innerhalb
eines Schutzgehäuses eine Abtasteinheit angeordnet ist, daß das Schutzgehäuse nach
einer Seite mit einer Eintrittsöffnung für die Röntgenstrahlen versehen ist, daß
das Strahlenaustrittsfenster der Röntgenröhre und die Eintrittsöffnung des Schutzgehäuses
durch
ein Rohr starr miteinander verbunden sind, so daß Röntgenröhre und Schutzgehäuse
eine kompakte Einheit bilden, daß zwischen der Eintrittsöffnung des Schutzgehäuses
und der Abtasteinheit ein Teil des zu prüfenden Kabels angeordnet ist und daß das
Schutzgehäuse mit der Abtasteinheit um den Brennfleck der Röntgenröhre als Drehpunkt
schwenkbar ist.
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Die Abtasteinheit besteht gemäß der Erfindung aus einem Gehäuse mit
einer Öffnung. Innerhalb des Gehäuses ist ein Fotodetektor angeordnet. Zwischen
dem optischen Eintrittsfenster des Fotodetektors und der Öffnung ist ein Leuchtschirm
vorgesehen. Außerhalb des Gehäuses ist vor der Öffnung ein Bl ei spalt mit einer
lichtundurchlässigen Abdeckung angeordnet.
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Es ist vorteilhaft, den Spalt nach außen hin lichtundurchlässig abzudecken.
Dadurch ist es möglich, die Messung auch bei Tageslicht durchzuführen.
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Als Fotodetektoren eignen sich insbesondere z.B. Silizium-Fotodetektoren
oder Fotodioden-Verstärkerkombinationen.
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Es hat sich gezeigt, daß es vorteilhaft ist, die Spaltbreite der Spaltblende
auf 0,2 mm, den Durchmesser der fotoempfindlichen Fläche des Detektors auf 2,5 mm2,
die Öffnung des optischen Eintrittsfensters auf 0,5 mm und die Leuchtschirmfläche
auf 9 mm zu bemessen.
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Anhand der Zeichnung und der Ausführungsbeispiele wird die Erfindung
näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 in schematischer Darstellung eine Vorrichtung
zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung, Fig. 2 in schematischer Darstellung
eine Abtastvorrichtung gemäß der Erfindung, Fig. 3 bis 5 in graphischer Darstellung
die Ausgangsspannung UIn als Funktion des Weges 8.
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In Fig. 1 ist in schematischer Darstellung eine Vorrichtung zur Durchführung
des Verfahrens gemäß der Erfindung dargestellt. Die
Vorrichtung
besteht aus einem röntgenstrahlensicheren Schutzgehäuse 11, in welchem die Abtasteinheit
21 sowie das zu untersuchende Kabel 12 angeordnet sind. Das Schutzgehäuse 11 weist
nach einer Seite eine Öffnung 13 auf - Eintrittsöffnung genannt -, die durch ein
Schutzrohr 14 mit dem Strahlenaustrittsfenster 15 der Röntgenröhre 16 verbunden
ist. Die Abtasteinheit 21 ist mit dem Schutzgehäuse 11 fest verbunden. Durch den
schematisch dargestellten Weggeber 17 kann die Anordnung aus Röntgenröhre 16 und
Abtasteinheit 21 um den Brennfleck 18 der Röntgenröhre 16 entlang des Weges s, der
durch den Doppelpfeil 19 angedeutet ist, geschwenkt werden. Bei dieser Schwenkung
verbleibt das Kabel 12 fest in seiner Position.
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Die Leitung 30 führt die Ausgangsspannung UIn in Richtung einer in
der Figur nicht dargestellten Auswerteelektronik. Der Pfeil 31 versinnbildlicht
die von der Röntgenröhre 16 kommenden Röntgenstrahlen.
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In Fig. 2 ist die Abtasteinrichtung gemäß der Erfindung dargestellt.
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Die Abtasteinheit 21 besteht aus dem Detektor 22 mit dem optischen
Eintrittsfenster 23. Direkt vor dem optischen Eintrittsfenster 23 ist der Leuchtschirm
24 angeordnet. Der Detektor 23 mit dem Leuchtschirm 24 ist innerhalb des Gehäuses
27 angeordnet. Das Gehäuse 27 ist mit einer oeffnung 29 versehen, vor den sich ein
Bl ei spalt 25 befindet, der nach außen durch die Abdeckung 26 lichtundurchlässig
abgedeckt ist. Durch den Pfeil 28 wird die Richtung der Röntgenstrahlen angedeutet.
Die Abtasteinheit 21 bildet eine kompakte Einheit.
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Zur Meßwerterfassung wird eine zeitlich konstante Strahlungsintensität
vorausgesetzt. Hierfür ist eine Stabilisierung der Röntgenstrahlung erforderlich.
Die Gesamtintensität In ges der Bremsstrahlung wächst mit dem Quadrat der Röhrenspannung.
Sie ist auch direkt proportional dem Röhrenstrom IRd II T URÖ Hieraus ist ersichtlich,
daß für eine konstante Strahlungsquelle die Stromversorgung aus einem stabilisierten
Netz erfolgen muß.
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An der Abtasteinheit 21 wird der Weg s gemessen. Zum Abtasten des
Kabels 12 genügt aus dem gesamten Strahlenquerschnitt ein schmales
Bündel,
wenig größer als das optische Strahleneintrittsfenster 23 des Detektors 22. Dieser
Strahl wird in dem Schutzrohr 14 bis unmittelbar an das Kabel 12 geführt. Das Schutzgehäuse
11 ist aufklappbar. Es umfaßt die Abtasteinheit 21 und einen Teil des Kabels 12
in Längsrichtung. Mit dieser Anordnung sind auch die Bestimmungen des Strahlenschutzgesetzes
erfüllt.
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Die Röntgenstrahlung 31 verläßt die Röntgenröhre 16 durch das Strahlenaustrittsfenster
15 mit einer winkelabhängigen Intensität.
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Die Intensität am Meßort ist daher längs des Weges s nicht konstant.
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Unmittelbar vor dem optischen Eintrittsfenster 23 des Detektors 22
ist ein Stück Leuchtschirm mit der Abmessung 3x3 mm angebracht. Vor dem Gehäuse
27 befindet sich eine Spaltblende 25 aus Blei mit der Dicke 1,5 mm und der Spaltbreite
von 0,2 mm als Kollimator. Der Spalt 25 ist wiederum nach außen durch die Abdeckung
26 lichtundurchlässig abgedeckt. Durch diese Maßnahmen entfällt ein großer Bildschirm
und der Detektor 22 bildet mit dem Leuchtschirm 24 und der Spaltblende 25 eine kleine
kompakte Einheit.
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Zur Umwandlung der kurzwelligen absorbierten Strahlung in die langwelligere
Fluoreszenzstrahlung werden als Leuchtschirmmaterial verschiedene Substanzen verwendet.
Für die visuelle Beobachtung stehen wegen des Empfindlichkeitsmaximums des menschlichen
Auges in diesem Spektralgebiet vorwiegend gelb-grUn-fluorezzierende Stoffe zur Verfügung.
In der nachfolgenden Tabelle ist die relative Empfindlichkeit verschiedener Leuchtschirme
bezogen auf die spektrale Empfindlichkeit der Fotodioden-Verstärkerkombination UDT450
der Fa. United Detector Technologie, Inc. als Detektor zusammengestellt.
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Tabelle
| Schirmtyp A B C |
| Farbe gelb/grün gelb orange |
| Zusammensetzung 40/60 50/50 85/15 |
| CdS/ZnS [%] |
| rel.Empfindlichkeit 1,0 1,05 1,72 |
Der Schirmtyp C zeigt für den verwendeten Detektor die günstigsten
Eigenschaften. Dieser Schirm hat außerdem die kürzeste Abklingzeitkonstante.
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Mit dem Detektor UDT450 wurden verschiedene Kabeiproben getestet.
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Hierzu wurde die Ausgangsspannung UIn des Detektors als Funktion des
Weges s automatisch mittels XY-Schreiber aufgezeichnet. Die Abbildung ist 80 gewählt,
daß der Kabeldurchmesser im Maßstab 1:1 dargestellt wird. Die Außendurchmesser da
und der Leiterdurchmesser dL wurden mit der Schiebelehre an den Kabel enden gemessen.
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Alle Messungen wurden mit gleichen Einstelldaten des Röntgengenerators
durchgeführt (85 kV/3 mA).
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Fig. 3 zeigt in graphischer Darstellung den Verlauf der Ausgangsspannung
Uln als Funktion des Weges s an einem Kabel mit einem Außendurchmesser da w 61 mm
und einem Leiterdurchmesser dL = 19,6 n.
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Der Leiter ist verseilt und besteht aus Kupfer. In der dicken Isolationsschicht
wird die Strahlung nur mäßig geschwächt. Der Kupferleiter ist für die verwendete
weiche Strahlung praktisch undurchlässig.
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Fig. 4 zeigt den Verlauf der Ausgangsspannung Uin an einem Kabel mit
Alu-Leiter. Der Außendurchmesser da = 32,2 mm und der Leiterdurchmesser dL = 19,5
mm. Hier sind bei geringer Absorption in der Isolierschicht starke Unregelmäßigkeiten
in der Kabelseele erkennbar.
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Diese sind auf größere Lufteinschlüsse infolge der groben Verseilung
zurückzuführen. Auch ist die Gesamtabsorption im Alu-Leiter geringer.
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Das Diagramm in Fig. 5 ist an einer Kabelprobe mit Abschirigeflecht
erstellt worden. Die Abmessungen der Kabelprobe betragen für den Außendurchmesser
da = 37 a und den Leiterdurchmesser dL 3 31,5 n.
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Deutlich ist ein relatives Intensitätaminimum zu erkennen, wo die
Strahlung tangential den größten Querschnitt der Abschiruung durchdringt.
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Wiederholte Messungen und Vergleiche mit mechanischen Messungen zeigten
eine gute Genauigkeit und Reproduzierbarkeit der Meßwerte.
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Die obere Grenze des Meßbereiches hängt vom Kontrast der Strahlendurchlässigkeit
zwischen Isolation und Leiter der betreffenden Kabeltypen und der Leistung der Strahlenquelle
ab. Die untere Grenze wird bestimmt von der prozentualen Meßgenauigkeit, die bei
kleinen Durchmessern entsprechend schlechter wird, da die lineare Auflösung praktisch
konstant bleibt.
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Um zeitliche Intensitätsschwankungen der Strahlung zu kompensieren,
kann ein an sich bekanntes Differenzverfahren angewandt werden.
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7 Patentansprüche 5 Figuren
L e e r s e i t e