DE2634183A1

DE2634183A1 - Verfahren und vorrichtung zum beruehrungslosen messen der isolierwanddicken, wanddickendifferenzen und durchmesser von elektrischen kabeln und leitungen

Info

Publication number: DE2634183A1
Application number: DE19762634183
Authority: DE
Inventors: Werner Kirschner
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1976-07-29
Filing date: 1976-07-29
Publication date: 1978-02-02

Description

Verfahren und Vorrichtung zum berührungslosen Messen der
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Es ist vorteilhaft, den Spalt nach außen hin lichtundurchlässig abzudecken. Dadurch ist es möglich, die Messung auch bei Tageslicht durchzuführen.
Als Fotodetektoren eignen sich insbesondere z.B. Silizium-Fotodetektoren oder Fotodioden-Verstärkerkombinationen.
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.
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.
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.
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.
In Fig. 2 ist die Abtasteinrichtung gemäß der Erfindung dargestellt.
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.
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.
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.
Die Röntgenstrahlung 31 verläßt die Röntgenröhre 16 durch das Strahlenaustrittsfenster 15 mit einer winkelabhängigen Intensität.
Die Intensität am Meßort ist daher längs des Weges s nicht konstant.
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.
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.
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.
Mit dem Detektor UDT450 wurden verschiedene Kabeiproben getestet.
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.
Alle Messungen wurden mit gleichen Einstelldaten des Röntgengenerators durchgeführt (85 kV/3 mA).
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.
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.
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.
Diese sind auf größere Lufteinschlüsse infolge der groben Verseilung zurückzuführen. Auch ist die Gesamtabsorption im Alu-Leiter geringer.
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.
Deutlich ist ein relatives Intensitätaminimum zu erkennen, wo die Strahlung tangential den größten Querschnitt der Abschiruung durchdringt.
Wiederholte Messungen und Vergleiche mit mechanischen Messungen zeigten eine gute Genauigkeit und Reproduzierbarkeit der Meßwerte.
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.
Um zeitliche Intensitätsschwankungen der Strahlung zu kompensieren, kann ein an sich bekanntes Differenzverfahren angewandt werden.
7 Patentansprüche 5 Figuren L e e r s e i t e

Claims

Patentan4nrUche Verfahren zum berührungslosen Messen der Isolierwariddicken, 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, dadurch gekennzeichnet, daß das Helligkeitssignal des Bildschirms 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.
2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb eines Schutzgehäuses (11) eine Abtasteinheit (21) angeordnet ist, daß das Schutzgehäuse (11) nach einer Seite mit einer Eintrittsöffnung (13) für die Röntgenstrahlen (31) versehen ist, daß das Strahlenaustrittsfenster (15) der Röntgenröhre (16) und die Eintrittsöffnung (13) des Schutzgehäuses (11) durch ein Rohr (14) starr miteinander verbunden sind, so daß die Röntgenröhre (16) und das Schutzgehäuse (11) eine kompakte Einheit bilden, daß zwischen der Eintrittsöffnung (13) des Schutzgehäuses (11) und der Abtasteinheit (21) ein Teil des zu prüfenden Kabels (12) angeordnet ist und daß das Schutzgehäuse (11) mit der Abtasteinheit (21) ui den Brennfleck (18) der Röntgenröhre (16) als Drehpunkt schwenkbar ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtasteinheit (21) aus einem Gehäuse (27) mit einer Öffnung (29) besteht, daß innerhalb des Gehäuses (27) ein Fotodetektor (22) angeordnet ist, daß zwischen dem optischen Eintrittsfenster (23) des Fotodetektors (22) und der Öffnung (29) ein Leuchtschirm vor gesehen ist und daß außerhalb des Gehäuses (27) vor der Öffnung (29) ein Bleispalt (25) mit einer lichtundurchlässigen Abdeckung (26) angeordnet ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Spalt der Spaltblende nach außen lichtundurchlässig abgedeckt ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Detektor ein Silizium-Fotodetektor vorgesehen ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Detektor eine Fotodioden-Verstärkerkombination vorgesehen ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Spaltbreite der Spaltblende 0,2 mm, daß der Durchmesser der fotoempfindlichen Fläche des Detektors 2,5 mm, daß die Öffnung des optischen Eintrittsfensters 0,5 mm2 und daß die Leuchtschirmfläche 9 112 beträgt.