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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung
zur berührungslosen
online Heißwanddikkenmessung
zur Erfassung unerwünschter
Innenwandstrukturen, wie Innenpolygonen oder dergl. an warmgewalzten,
insbesondere streckreduzierten Rohren.
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Bei der Herstellung nahtloser und
geschweißter
Stahlrohre wird häufig
das sogenannte Streckreduzieren eingesetzt, um in sehr flexibler
Weise aus wenigen Vorproduktabmessungen eine Vielzahl in Durchmesser
und Wanddicke unterschiedlicher Fertigrohrabmessungen zu erzeugen.
Der Vorteil dieses Verfahrens, das ohne Innenwerkzeug auskommt,
liegt in der schnellen und kostengünstigen Variation von Wanddicke
und Durchmesser.
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Die Umformung des Vorrohres erfolgt
in einer Vielzahl hintereinander angeordneter Walzgerüste, wobei
durch Drehzahlvariation in den einzelnen Gerüsten ein definierter Zug zwischen
den Gerüsten erzeugt
und damit die Wanddicke des Fertigrohres gezielt eingestellt wird.
Die Umformung in der Streckreduzierwalzstraße erfolgt heute in der Regel in
Drei- oder Vierwalzengerüsten,
deren Kaliber nicht kreisrund sondern drei- oder vierseitig oval
ausgeführt
sind. Diese Form der Kaliber ist grundsätzlich. unvermeidbar, nur das
letzte Gerüst
einer eingesetzten Gerüstreihe
wird im allgemeinen kreisrund ausgeführt, da das fertig gewalzte
Rohr weitestgehend kreisrund sein soll.
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Durch die Ovalkalibrierung kommt
es häufig zu
ausgeprägten
Wanddickenungleichmäßigkeiten im
Querschnitt des streckreduzierten Rohres. Diese Wanddik kenungleichmäßigkeiten
haben unterschiedliche Formen. Sie haben z.B. beim Dreiwalzengerüst eine
sechseckige Form und werden als Innenpolygon bezeichnet. Beim Vierwalzengerüst ist die
Form achteckig. Wie alle anderen Wanddickenabweichungen bedeutet
auch die Innenpolygonbildung eine Qualitätseinbuße.
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Da die Innenpolygonbildung u.a. von
der Wanddicke oder besser gesagt vom Verhältnis Wanddicke zu Rohrdurchmesser
abhängig
ist, benötigt
man eigentlich zur Erzeugung eines großen Wanddickenbereiches unterschiedliche
Kalibrierungen der Walzen, d.h. unterschiedliche Ovalitäten der Walzenkalibrierung.
Da aber das Vorhalten von Walzgerüsten einen erheblichen Aufwand
bedeutet, setzt man im allgemeinen nur zwei unterschiedliche Kalibrierungen
ein, eine runde mit geringer Ovalität der Kaliberöffnung für dickwandige
Rohre sowie eine ovale mit großer
Ovalität
der Kaliberöffnung
für dünnwandige
Rohre. Im übrigen
wird versucht, die auftretende Innensechskantbildung klein zu halten,
indem die mittlere Zugspannung oder der ,Zug' im Walzgut bei der Umformung optimal
eingestellt wird; denn man hat durch Versuche festgestellt, daß sich das Polygonmaß in Abhängigkeit
vom Zug ändert.
Hat man diese Zugoptimierung mit viel Mühe durchgeführt, erzielt man trotzdem nicht
immer innenpolygonarme Rohre, da aktuelle Änderungen der Einflußgrößen auftreten,
die unvermeidbar sind, d.h. eine Innenpolygonbildung infolge aktuell
sich ändernder Umformbedingungen
mußte
in Kauf genommen werden und es mußte ein erheblicher Aufwand
getrieben werden, um im Vorfeld der Produktion eine Optimierung
durchzuführen.
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Nahtlose Stahlrohre werden gewöhnlich in den
drei Umformstufen Lochen in einem Schrägwalzwerk, Strecken in einem
Assel-, Konti- oder anderem Walzwerk und Fertigwalzen in einem Streckreduzierwalzwerk
hergestellt. Alle drei Umformstufen verursachen in der Rohrwand
charakteristische, unerwünschte
Abweichungen vom Nennmaß,
die von jeder nachfolgenden Umformstufe überlagert werden und sich in
dieser überlagerten
Form in der Wand des streckreduzierten Rohres wiederfinden. Beispielsweise
entstehen in einem Zweiwalzen-Schrägwalzwerk zwei spiralförmig um
das Rohr herumlaufende Wandverdickungen, die sich im Querschnitt
des Rohres als eine umlaufende Exzentrizität äußern. Besteht die zweite Umformstufe
aus einem Asselwalzwerk, können
ebenfalls spiralförmig
um das Rohr herumlaufende Verdickungen auftreten, die entweder gleichsinnig,
aber mit anderer Steigung um das Rohr herumlaufen oder aber eine
entgegengesetzte Drehrichtung haben können und die Spiralen des Schrägwalzwerkes
kreuzen.
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Bei in einer Kontistraße vorgewalzten streckreduzierten
Rohren hingegen kann zusätzlich zum
Innenpolygon des SRW's
und zum umlaufenden Exzenter der Schrägwalze noch eine Vierkantbildung auftreten.
Diese Vierkantbildung ist am SRW-Auslauf in ihrer Phasenlage feststellbar,
so daß eine
Voraussetzung dafür
gegeben ist, um diesen Innenstörungen
entgegenzuwirken.
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Das Problem auftretender unerwünschter Wandstrukturen
bei Rohren könnte
gelöst
werden, wenn es gelänge,
während
des Produktionsprozesses eine Korrektur der Innenfehlerbildung mittels
eines Regelkreises durchzuführen,
etwa durch Variation der Zugparameter (Änderung der Drehzahlreihe). Da
bekanntlich zwischen dem Parameter der Zugverteilung und der Innenpolygonbildung
ein eindeutiger Zusammenhang existiert, könnte man die Innenpolygonbildung
automatisch reduzieren, ohne die Wanddicke des Vorrohres zu beeinflussen.
Das setzt aber voraus, daß man
den Verlauf der Innenpolygonbildung und der ihr überlagerten Fehler kennt, z.B. durch
berührungslose
Vermessung der Wanddicke der walzwarmen Rohre unmittelbar nach dem
Walzen, wenn diese mit konstanter Rohrmitte aus dem Walzwerk laufen.
Das setzt aber ein wirtschaftliches Meßverfahren und eine kostengünstige Meßgeräteinrichtung
voraus, das bzw. die, neben der Messung des Wanddickenverlaufes über der
Länge der
Rohres bzw. über
die Durchlaufzeit, wichtige Informationen über die beim Streckreduzieren
auftretenden Innenpolygonbildungen liefert.
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Ausgehend von den vorstehend beschriebenen
Problemen des Standes der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe
zugrunde eine Vorrichtung zur berührungslosen online Heißwanddickenmessung
zu schaffen, mit der unerwünschte
Wandstrukturen wie Innenpolygone, Exzenter oder Vierkante mit minimalem
meßtechnischen
Aufwand erfaßt
werden, um frühzeitig
Maßnahmen
zur Qualitätsverbesserung
ergreifen zu können.
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Diese Aufgabe wird mit den im Anspruch
1 angegebenen Merkmalen gelöst.
Der verschwenkbare Laser-Ultraschall-Meßkopf ermöglicht eine Laser-Ultraschall-Wanddickenmessung,
bei der das klassische Prinzip der Ultraschall-Laufzeitmessung angewandt wird. Aus
der Zeit für
das (zweimalige) Durchlaufen eines Ultraschallimpulses durch die Rohrwand
ergibt sich bei bekannter Schallgeschwindigkeit die gesuchte Wanddicke.
Da die Ankopplung des Ultraschalles bei der Heißwanddickenmessung mit Temperaturen
in der Größenordnung
von 1000 °C sowohl
auf der Anregungs- als auch auf der Detektionsseite berührungslos
erfolgen muß,
verwendet man dazu optische Methoden, bei denen der Meßkopf selbst
in einem thermisch sicheren Abstand zum Meßgut verbleiben kann. Hochenergetische
Lichtimpulse im Infrarotbereich, erzeugt von einem auf das Meßgut ausgerichteten,
blitzlampen-gepumpten Laser werden in der Rohroberfläche absorbiert,
was teilweise zur Verdampfung einer extrem dünnen Oberflächenschicht führt. Durch
den Verdampfungsimpuls entsteht aufgrund der Impulserhaltung im Rohr
ein Ultraschallimpuls, der senkrecht zur Rohroberfläche in die
Rohrwand einläuft.
Der so entstandene Ultraschallimpuls wird an der Rohrinnenoberfläche reflektiert,
läuft zurück zur Außenoberfläche, wird erneut
reflektiert usw., so daß im
Meßgut
eine Ultraschall-Echofolge abnehmender Amplitude entsteht. Der reflektierte
Ultraschallimpuls erzeugt auf der Rohraußenoberfläche Schwingungen im Sub-Miniaturbereich,
die wiederum berührungslos
mit Hilfe eines zweiten Lasers im Dauerlichtbetrieb unter Ausnutzung
des Doppler-Effektes erfaßt
werden. Die im Vergleich zur Lichtfrequenz niederfrequente US- Schwingung führt zu einer
Frequenz-Modulation des an der Materialoberfläche reflektierten Lichtes.
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Der reflektierte Lichtkegel, der
jetzt „Träger" des Ultraschallsignales
ist, wird über
eine lichtstarke Sammellinse und einen Lichtwellenleiter dem optischen
Demodulator, einem konfokalen Fabry-Perot-Interferometer, zugeführt, dessen
Ausgangssignal bereits die Ultraschall-Echofolge beinhaltet. Die weitere
Verstärkung,
Filterung und Signalauswertung der Ultraschall-Echofolge erfolgt
mit einer „konventionell" arbeitenden Ultraschall-Auswerteelektronik, deren
Ausgangssignal die Wanddickenwerte sind, die in einem zum System
gehörigen
Rechner weiterverarbeitet werden.
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Durch Scannen eines Segmentes der
Rohrwand können
unerwünschte,
die Qualität
mindernde Strukturen im Rohrquerschnitt mit einem minimalem meßtechnischen
Aufwand erfaßt
werden. So kann z.B. bei Einsatz geschweißter Luppen in SRW-Linien das
in der Phasenlage feststehende Innenpolygon (6- oder 8-kant) mit
der punktförmigen
Laser- Ultraschall -Wanddickenmessung bereits einkanalig, d.h. mit
einem einzigen Meßkopf
gemessen und damit erkannt werden. Maßnahmen zur Qualitätsverbesserung
durch den Walzwerksbetreiber können
frühstmöglich ergriffen
werden.
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Bei maximal vier am Umfang des Rohres verteilt
angeordneten Meßköpfen kann
mindestens einer der Meßköpfe über ein
in Abhängigkeit
von der zu erwartenden Ordnung der unerwünschten Innenstruktur zu bestimmendes
Winkelsegment in Umfangsrichtung des Rohres verschwenkt werden.
Bei überlagerten
umläufenden
Strukturen (z.B. beim Streckreduzieren von Asselluppen) kann mit
nur drei scannenden Meßköpfen (3 Punkte
legen einen Kreis fest), von denen mindestens einer in Rohrumfangsrichtung
verschwenkbar ist, unter Ausnutzung von Symmetrieeigenschaften bereits
die gleiche Information über
die Rohrstrukturen gewonnen werden, wie sie sonst nur mit sieben
oder mehr feststehenden Meßköpfen gewon nen
werden könnte.
Bei schwenkbaren Meßköpfen oder
der Kombination von feststehenden und schwenkbaren scannenden Meßköpfen werden
die Rohrquerschnitte durch mathematische Analysen (z.B. Fourier-Analysen),
durch Überlagerungen
und durch Symmetriebetrachtungen rekonstruiert.
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Um die Erfassung der Abweichungen
der Rohrwandquerschnitte zu ermöglichen,
ist der bzw. sind die Meßköpfe mit
einer Auswerteelektronik verbunden die vorzugsweise geschützt im Abstand
zu der Meßvorichtung
in einen Elektroschalthaus oder in einer Meßkabine angeordnet ist. Zu
der Meßvorichtung
gehört
ein Bediener-PC nahe dem Streckreduzierwalzwerk.
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In der konventionell arbeitenden
Auswerteelektronik erfolgt die Verstärkung, Filterung und Signalauswertung
der Ultraschall-Echofolge, deren Ausgangssignal die Wanddickenwerte
sind, die im Rechner weiterverarbeitet werden.
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Günstigerweise
sind zum zum Messen von streckreduzierten Rohren, deren Vorrohre
in einem Schrägwalzprozeß erstellt
wurden, drei Meßköpfe um den
Umfang des Rohres gleichmäßig verteilt
angeordnet, die gemeinsam um ca. 70° verschwenkbar sind. Wie eingangs
beschrieben, tritt nämlich
bei diesen Rohren hinter dem Streckreduzierwalzwerk neben der Sechskant-
bzw. Polygonbildung ein im allgemeinen umlaufender Exzenter auf,
der, bei drei unter 120° angeordneten
gemeinsam geschwenkten Meßköpfen, alle
drei Meßköpfe so beeinflußt, daß zu jeder
Winkelstellung der innere Exzenter frei vom überlagerten Polygon bestimmt
werden kann.
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Alternativ können nach einem anderen Merkmal
der Erfindung zum Messen von streckreduzierten Rohren, deren Vorrohre
in einem Schrägwalzprozeß erstellt
wurden, auch vier Meßköpfe L1 bis L4 um
den Umfang des Rohres gleichmäßig verteilt
angeordnet werden, von denen mindestens ein Meßkopf um ca. 70° verschwenkbar
ist, wobei letzterer den Verlauf der exzentrischen Wand ermittelt.
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Schließlich kann die Meßvorrichtung
auch zum Messen von in einer Kontistraße vorgewalzten streckreduzierten
Rohren verwendet werden, wobei dann erfindungsgemäß drei oder
vier Meßköpfe um den
Umfang des Rohres verteilt angeordnet sind, von denen mindestens
ein Meßkopf
um ca. 90° verschwenkbar
ist. Beim Kontiwalzen überlagert
eine Vierkantbildung den Sechskant des Streckreduzierwalzwerkes
und den umlaufenden Exzenter der Schrägwalze, wobei die Phasenlage
des Vierkantes im Auslauf des Streckreduzierwalzwerkes wiederum erkannt
werden kann. Mit maximal vier Meßköpfen, von denen mindestens
einer verschwenkbar ist, lassen sich alle die dort auftretenden
Wandunregelmäßigkeiten
erfassen und letztlich ausregeln.
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Die erfindungsgemäße Meßvorrichtung ist auch bei Stoßbankanlagen
anwendbar, wobei dort die Anzahl der Kanäle und Schwenkwinkel der Meßköpfe in Abhängigkeit
von den tatsächlichen
Strukturen angepaßt
werden muß.
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Der Vorteil der vorliegenden Erfindung
wird darin gesehen, daß durch
die Verwendung von mindestens einzelnen verschwenkbaren, nach dem
Laser-Ultraschallverfahren
arbeitenden Meßköpfen, von
denen die verschwenkbaren Meßköpfe nur
einen Teil (Segment) der Rohrwand erfassen, mit vergleichbar geringer
Meßkopfanzahl
unter Ausnutzung von Apriori-Wissen über den Walzprozeß mehr Qualitätsmerkmale
erfaßt
und genutzt werden können,
als das bei konventionellen statischen Mehrkanalgeräten. Dies
führt letztendes
zu einer beträchtlichen
Kostenreduzierung und zu einem wirtschaftlichen Verfahren.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand
verschiedener schematischer Zeichnungsfiguren erläutert. Es
zeigt:
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1 eine
erfindungsgemäße Vorrichtung mit
nur einem Meßkopf,
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2 zeigt
den Querschnitt eines Rohres mit einem Sechskant-Innenpolygon,
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3 eine
erfindungsgemäße Vorrichtung mit
drei Meßköpfen,
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4 erläutert in
einer schematischen Darstellung das Prinzip der Erfindung und
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5 zeigt
schematisch die Meßkopfanstellmechanik
mit und Justier-Möglichkeiten
für Radius und
Höhenanpassung
an die Walzmitte.
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1 zeigt
eine Vorrichtung mit nur einem Meßkopf L, der im Winkel
um den Drehpunkt X in Mittelpunkt des Rohres 3 zur Position L' geschwenkt wird.
Das Sechskantpolygon wird durch die dünnste Wand Smin und
die dickste Wand Smax gekennzeichnet.
Die Form des Polygons ist regelmäßig, weil
der Mittelpunkt des Außenkreises
und der Mittelpunkt des Polygons im Schnittpunkt X der beiden Mittellinien
liegen. In der 1 ist
ein Sechskant-Polygon und ein Schwenkwinkel φ des Scanners L von
70 ° dargestellt.
Bei einem Sechskant-Polygon würde
ein Schwenkwinkel von 30 ° reichen,
wie es die 5 zeigt,
und zwar von Smin zu Smax , um einen vollen Rohrquerschnitt
rekonstruieren zu können.
Der Winkel von 70 ° bietet
deshalb die doppelte Sicherheit, weil er zwei spiegelbildlich symmetrische
Sektionen des Rohres erfaßt,
dadurch eine Vergleichsmöglichkeit
entsteht und eine Plausibilitätskontrolle
der Meßergebnisse
leichter möglich
ist.
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Die eigentliche Meßvorrichtung
zur berührungslosen
online Heißwanddickenmessung
besteht aus mindestens einem auf die zu messende Rohrdimension anstellbaren
kompakten Laser-Ultraschall-Meßkopf L1,
in dem die Anregungs- und Beleuchtungs-Laser 8 zusammen
mit den optischen Elementen 9 (s. 4) zur Sammlung des an der Oberfläche des
Rohres 3 reflektierten, das Ultraschallsignal enthaltenden
Trägerlichtes,
untergebracht sind und der mittels einer – nicht dargestellten – Schwenkvorrichtung über ein
Segment des Rohres 3 in Umfangsrichtung verschwenkbar ist.
Dabei ist es grundsätzlich
gleichgültig,
welcher Art die Schwenkvorrichtung ist, wichtig ist nur, daß ein festgelegtes Segment
des Rohrumfanges erfaßt
werden kann.
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Die 2 zeigt
hierzu den Querschnitt eines Rohres 3 mit einem Sechskant-Innenpolygon 4,
dessen Mittelpunkt Z um den Abstand E vom Mittelpunkt Y des Außenkreises 5 entfernt
liegt. Da diese Exzentrizität
des Rohres von einer umlaufenden Spirale gebildet wird, läuft auch
der Abstand E in Längsrichtung des
Rohres um den Mittelpunkt Y herum mit der Folge, daß auch die
dünnste
Stelle Smin und die dickste Stelle Smax (1)
des Rohres 3 um den Mittelpunkt Y herumlaufen. Die drei
Meßköpfe L1 bis L3 sind
in der Grundstellung in einem Winkel von 120° um das Rohr herum verteilt
bei einem gleichen Abstand vom Mittelpunkt Y des Rohres. Alle drei
Meßköpfe schwenken
in gleicher Richtung hin und hergehend um den Winkel y um das Rohr
herum und zwar Meßkopf L1 nach L1', L2 nach L2' usw. Der Meßkopf L1 ist
beispielhaft in horizontaler Richtung dargestellt, kann aber in
seiner Grundstellung auch so eingestellt werden, daß sein Schwenkwinkel
symmetrisch zum Innenpolygon liegt, bei einem Schwenkwinkel φ von z.
B. 70° um
5° schräg nach unten
geneigt, bezogen auf die horizontale Ebene.
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Die schwenkbaren Meßköpfe L1 bis L3 haben
den Vorteil, daß man
ihre Winkelgrundstellungen bzw. ihre Schwenkwinkel y während des
laufenden Walzvorgangs verändern
kann. Wie die 3 in einem
anderen Beispiel zeigt, lassen sich z. B. die Meßköpfe L1 bis L3 in
ihrer Grundstellung – ausgehend
von der Positionierung in 2 – so verändern, daß sich ihre
Schwenkwinkel φ teilweise überdecken können. In
der 3 werden drei Meßköpfe L1 bis L3 dargestellt,
die in der Grundstellung um 70° zueinander
versetzt sind. Werden nun die Scanner um φ1 = φ2 = φ3 = 70 ° geschwenkt, wird der Winkel φ2 doppelt
gescannt und zwar so, daß die
Meßpunkte
einen definierten Versatz zueinander haben. Pro Flächeneinheit
kann man die Menge der Meßpunkte
also verdoppeln oder sogar verdreifachen. Es wäre also vorstellbar, daß der Steuermann
während
des laufenden Betriebes die Winkellage der Scanner abweichend von
der Normalstellung, in der mit normaler Auflösung gemessen wird, so verstellt,
daß er
auf einer bestimmten Länge
des Rohres . den Meßraster
verdichtet und sich so praktisch eine Vergrößerung des Rohrausschnittes
anzeigen läßt (Lupenfunktion).
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In 4 wird
nachfolgend anhand einer schematischen Darstellung das Prinzip der
Erfindung am Beispiel eines 1-Kanal Meßkopfes erläutert:
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Das Meßsystem besteht aus dem auf
den zu messende Durchmesser des Rohres 3 anstellbaren Meßkopf L1 mit
zugehörigen
Versorgungselementen 5 (Druckluft, Kühlwasser) vor Ort, der Steuer-
und Auswerteelektronik im Elektroschalthaus 6, sowie dem
Bediener-PC auf der Steuerbühne 7 des
SRW. Zwischen Meßkopf L1 vor
Ort, Elektroschalthaus 6 und Steuerbühne 7 sind größere Entfernungen
möglich.
Grundsätzlich
ist das Wanddickenmeßgerät für die rauhen
Umgebungsbedingungen in Warmwalzwerken konzipiert.
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Der Meßkopf L1 mit einem
Spezialgehäuse mit
wassergekühlter
Frontseite und hitzebeständigem
Fenster aus Quarzglas enthält
im wesentlichen die nachfolgend aufgeführten – weil bekannt nicht dargestellten – Elemente:
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nämlich
den Ultraschall-Anregungszweig mit dem Kopf des blitzlampengepumpten
Nd:YAG-Impuls-Lasers und der Fokussierungslinse, dem Detektionszweig
mit dem cw-Laser einschließlich
Controller, mit dem Infrarot-Filter, der Aufweiteoptik mit Umlenkspiegel
und Umlenkprisma, einem lichtstarken Abbildungs-Objektiv für die Sammlung des von der Rohroberfläche zurückgestreuten
US-modulierten Lichtes
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Weiterhin gehören (siehe 5) zum Bereich des Meßkopfes L die ebenfalls
nicht dargestellte Sensorik für
das Erkennen des Rohreinlaufes für die
Bildung des Start/Stop-Signales, die Meßkopfanstellmechanik mit Schwenkvorrichtung
und Justier-Möglichkeiten
für Radius
und Höhenanpassung
an die Walzmitte (Abstand h), die manuelle oder vollautomatische
Dimensionsanpassung bei Rohr- Durchmesseränderung
(Abstand „d"), die Meßkopf-Verfahrung
(motorisch im Tippbetrieb) mit mechanischem Anschlag für Service
und Meßposition, die
Winkeleinstellung (Winkel „φ'), einstellbar für ein Winkelsegment
von ca. 30°,
um hinter dem Streckreduzierwalzwerk bei starker Polygon-Bildung
die Meßbahn
zwischen Min.- und Max.-Wand variieren, d.h. den Meßkopf schwenken
zu können,
i.d.R. mit automatische, motorischer Winkelverstellung mit Antrieb, Absolutgeber
und Endlagenüberwachung.