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Vorrichtung zur Messung der Wandstark
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eines rohrförmigen Teils Beschreibung Die Erfindung bezieht sich
auf eine Vorrichtung zur Messung der Wandstärke eines rohrförmigen Teils und insbesondere
auf eine Vorrichtung, die mit einer Strahlungsquelle sowie mit einem Strahlungsempfänger,
die eine im Vergleich zum Außendurchmesser des zu vermessenden rohrförmigen Teils
größere Länge haben, arbeitet, wobei parallele, von der Strahlungsquelle ausgesandte
Strahlenbündel durch den gesamten Querschnitt des rohrförmigen Teils tum Empfänger
gehen, so daß die mittlere oder durchschnittliche Wandstärke des rohrförmigen Teils
aus der Größe oder dem Betrag der Schwächung bzw. Dämpfung der Strahlung, die vom
Empfänger festgestellt wird, bestimmt werden kann.
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Allgemein muß bei der Herstellung von Rohren oder rohrförmigen Teilen
in einem herkömmlichen Walzvorgang in der Stahlindustrie die Wandstärke des rohrförmigen
Teils, das im folgenden der Kürze halber nur noch als Rohr bezeichnet wird, mit
einem hohen Maß an Genauigkeit gemssen werden.
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Um die Produktivität zu steigern, ist es notwendig, die Wandstärke
des Rohrs eingegliedert und mitlaufend (on-line) zu messen, ohne den Lauf oder Durchsatz
der Erzeugnisse anzuhalten. Da ferner die Walzvorgänge im allgemeinen einen Warmwalzvorgang
bei sehr hohen Temperaturen einschließen, ist es wünschenswert, die Wandstärke des
Rohrs nicht nur in einer berührungsfreien Weise, sondern in einer möglichst großen
Entfernung vom Rohr zu messen.
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Zur Erläuterung des Standes der Technik, von dem die Erfindung ausgeht,
wird auf die Fig. 1 und 2 Bezug genommen.
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In diesen zeigt: Fig. 1 eine schematische Darstellung einer herkömmlichen
Vorrichtung zur Messung der Wandstärke eines Rohrs; Fig. 2 eine schematische Darstellung
einer Einzelheit der Meßvorrichtung oder -anordnung von Fig. 1.
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Bei der Vorrichtung von Fig. 1 emittieren g -Strahlungsquellen 1,
2 und 3 eine Strahlung, die von Strahlungsempfängern 4, 5 und 6 erfaßt wird. Die
Strahlungsquellen 4 und 5 sind auf einem ortsfesten Rahmen 7 befestigt, während
die g -Strahlungsquelle 3 sowie der Empfänger 6 auf einem durch eine Einrichtung
10 beweglichen Rahmen 8 befestigt sind. Das Rohr 11, dessen Wandstärke zu messen
ist, wird entlang eines Förderers 9 in einer zur Richtung der -Strahlen quer verlaufenden
Richtung fortbewegt.
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Bei diesem Vorgang sind die Relativlagen der t -Strahlungsquellen
und -empfänger ganz bedeutende Faktoren. Der bewegliche Rahmen 8 (Fig. 1) soll so
angeordnet sein, daß die Scheitel des regelmäßigen Dreiecks EFG, das von den Strahlenbündeln
gebildet wird, wie Fig. 2 zeigt, auf dem Umfang eines Kreises liegen, dessen Durchmesser
der Mittelwert des Außen- und Innen-Nenndurchmessers des Rohrs li ist.
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Dieser Mittelwert wird im folgenden als "mittlerer Durch-
messer"
bezeichnet. Das Prinzip der Messung wird hier nicht beschrieben, da es in der japanischen
Patent-Offenlegungsschrift Nr. 46 406/1981 offenbart und für das Verständnis der
vorliegenden Erfindung nicht wesentlich ist.
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Bei der Bewegung des Rohrs 11 längs des Förderers 9 wird es in Richtung
der Achsen Z1 - Z2 sowie Z3 - Z4 (s. Fig.2) ständig zum Vibrieren oder Schwingen
gebracht. Demzufolge ist es äußerst schwierig, selbst wenn eine das Vibrieren verhindernde
(nicht gezeigte) Walze den Förderwalzen 9 zugefügt wird, die Scheitel des von den
Strahlenbündeln gebildeten regelmäßigen Dreiecks EFG genau auf den Umfang des Kreises
mit dem mittleren Durchmesser zu setzen.
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Zusätzliche Einrichtungen, wie eine ein Vibrieren verhindernde Walze,
tragen große Probleme in technischer sowie kostenerhöhender Hinsicht ein. Die in
den Fig. 1 und 2 gezeigte herkömmliche Meßvorrichtung weist den Nachteil und Mangel
auf, daß eine Messung theoretisch einen auf dem Vibrieren beruhenden Fehler enthält,
der als "Richtungsabweichungsfenler" (Fehler eines mangelnden Gleichlaufs) bezeichnet
wird. Die Verwendung einer Walze zur Verhinderung des Vibrierens in Verbindung mit
einer Förderwalze 9, um die Vibration des Rohrs 11 und damit den Richtungsabweichungsfehler
auf ein Minimum zu bringen , ist deshalb nicht in größerem Umfang in der Praxis
verwirklicht worden.
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Ein anderes Verfahren zur Messung der Wandstärke eines Stahlrohrs
ist in der japanischen Patent-Offenlegungsschrift Nr. 114 263/1979 offenbart. Ausgehend
von der Tatsache, daß eine von außen her auf ein Stahl rohr abgegebene Strahlung
auf ein Maximum gedämpft oder abgeschwächt wird, wenn sie tangential zur Innenoberfläche
des Rohrs durchtritt, und auf ein Minimum abgeschwächt wird, wenn sie tangential
zur Außenoberfläche des Rohrs verläuft, werden bei dem herkömmlichen Verfahren jeweils
die Maximal- und Minimaldämpfungspunkte festgestellt, so daß die Rohrwandstärke
aus dem Abstand zwischen beiden bestimmt werden kann .
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Wenn jedoch ein Stahlrohr mit einer Wandstärke von 5 oder 6 mm bis
zu 40 mm gemäß dem erwähnten Verfahren gemessen wird, so dauert das Messen, selbst
wenn eine Strahlungsquelle mit radiaoaktivem Material von 30 Curie zur Anwendung
kommt, wenigstens 20 ms bis 1 s,weil die Stärke der Strahlung von der Strahlungsquelle
im allgemeinen gebrochen wird. Deshalb mußwährend dieser Zeitspanne das Stahlrohr
in Ruhe gehalten werden. Das bedeutet, daß ein solches Verfahren nicht für die mitlaufende
Messung der Wandstärke eines Stahlrohrs, das bei seiner Fortbewegung vibriert, angewendet
werden kann. Es dürfte ferner klar sein, daß dann, wenn ein Bild eines durch Strahlung
projizierten Stahlrohrs mit einer Fernsehkamera aufgenommen wird, wobei die Breite
eines Schlitzes für eine von der Strahlungsquelle zu projizierende Strahlung mit
etwa 2 mm festgesetzt wird, die Meßgenauigkeit der Wandstärke des Stahlrohrs mit
diesem Verfahren ziel geringer ist als diejenige eines Stahlplatten-Dickenm.e3ceräts,
und zwar um mehrere Zehntel eines Mikrometers, weil die Auflösung der Fernsehkamera
nur etwa 1 mm ist.
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Durch die Erfindung wird eine neuartige und verbesserte Vorrichtung
zur Wandstärkenmessung bei einem Rohr geschaffen, mit der man in der Lage ist, ein
hohes Maß an Genauigkeit zu erreichen, selbst wenn das in Bewegung befindliche Rohr
Vibrationen unterliegt, weil theoretisch in der Wandstärken-Meßvorrichtung kein
Richtungsabweichungsfehler enthalten ist.
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Erfindungsgemäß wird eine Rohrwandstärken-Meßvorrichtung geschaffen,
die eine Strahlungsquelle sowie einen -empfänger umfaßt, die derart angeordnet sind,
daß sie sich - mit dem zu vermessenden Rohr zwischen ihnen befindlich - einander
gegenüberstehen, wobei die Strahlungsquelle und der Strahlungsempfänger eine Länge
haben, die größer als der Außendurchmesser des dem Meßvorgang unterliegenden Rohrs
ist, und wobei parallele, von der Strahlungsquelle ausgesandte
Strahlenbündel,
die den Empfänger erreichen, durch den gesamten Querschnitt des Rohrs gehen, so
daß dessen mittlere Wandstärke aus der Größe der Strahlungsabschwächung, die durch
den Empfänger bestimmt wird, festzustellen oder zu messen ist.
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Weitere Ziele, Merkmale und Vorteile des Erfindungsgegenstandes werden
aus der folgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform anhand der Zeichnungen
deutlich.
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Es zeigen: Fig. 3a und 3b erläuternde, schematische Dartellungen,
die sich auf das Prinzip der Wandstärken-Meßvorrichtung gemäß der Erfindung beziehen;
Fig. 4a eine Schnittdarstellung einer Anordnung für eine beispielhafte, linienförmige
Strahlungsquelle; Fig. 4b eine Frontansicht eines Kollimators; -Fig. 5a e ne Seitenansicht
eines linienförmigen Empfängers; Fig. 5b eine Frontansicht eines bei dem Empfänger
von Fig. 5a verwendeten Kollimators; Fig. 6 eine erläuternde Darstellung zur funktionellen
Beziehung zwischen der Wandstärke eines Rohrs und seiner Lage; Fig. 7 eine graphische
Darstellung, die mit den Strahlungserfassungselementen des Empfängers bestimmt wurden;
Fig. 8 eine schematische perspektivische Darstellung für eine beispielhafte Ausführungsform
einer Wandstärken-Meßvorrichtung gemäß der Erfindung; Fig. 9a und 9b eine Seiten-
sowie Frontansicht eines Zweiwalzen-Reduzierwerks; Fig. 10a und lOb eine Seiten-
sowie Frontansicht eines Dreiwalzen-Reduzierwerks.
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Zur Erläuterung des Meßprinzips gemäß der Erfindung wird auf die Fig.
3a und 3b Bezug genommen. Wie Fig. 3a zeigt, sind mehrere g -Strahlungsquellen,
die als Strahlungsquellenlinie 21 bezeichnet werden, und mehrere Empfänger,
die
als Empfängerlinie 22 bezeichnet erden, in einer Linie sowie auf yegenüberliegenden
Seiten eines Rohrs (rohrförmigen Teils) 11 angeordnet. Die Länge iN der Strahlungsquellen-
sowie Empfängerlinie 21 bzw. 22 wird auf einen Wert festgesetzt, der sehr viel größer
ist als der Außendurchmesser des Rohrs 11, und es wird die Abschwächung (Dämpfung)
der g -Strahlen von der Quelle 21 durch den Empfänger 22 gemessen5 so daß eine mittlere
Wandstärke des Rohrs 11 im Querschnitt erhalten werden kann. Wie Fig. 3b zeigt,
wird der Gesamtwert der von der Empfängerlinie 22 erfaßten Strahlung, wenn ein Rohr
zwischen der Strahlungsquelle 21 und dem -empfänger 22 nicht vorhanden ist, mit
No bezeichnet. Der Gesamtregistrierwert an Strahlung, der erfaßt wird, wenn das
Rohr 11 zwischen die Quelle 21 und den Empfänger 22 eingesetzt ist, wird durch N5
wiedergegeben. Die mittlere Wandstärke des Rohrs 11 kann aus den Werten No und N5
erhalten werden. Wenn die Länge A der Strahlungsquellen- und -empfängerlinie 21
bzw. 22 viel größer ist als der Rohraußendurchmesser, so werden, selbst bei einem
Vibrieren des Rohrs 11, die Gesamtregistrierwerte nicht verändert. Somit kann durch
den Gegenstand der Erfindung die mittlere Rohrwandstärke ohne jeglichen Richtungsabweichungsfehler
gemessen werden.
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Die linienförmige Strahlungsquelle (Strahlungsquellenlinie) 21 kann,
wie Fig. 4 zeigt, ausgebildet werden. Ein Strahlungsquellenträger 211 wird in einen
mit einer Ausnehmung 216 versehenen Quellenlinienbehälter 210 eingesetzt. Eine Mehrzahl
von Strahlungsquellenkapseln 212, z.B. von Caesium 137, ist innerhalb des Trägers
211 in einer Linie angeordnet. Ein Platten- oder Rotationsverschluß 213 ist in der
Ausnehmung 216 des Behälters 210 aufgenommen. Dieser Behälter ist mit einem Kollimator
214 verbunden, welcher eine Anzahl von in mehreren Linien angeorndeten Kollimatoröffnungen
oder -löchern 215 aufweist. Der Verschluß 213 wird durch einen (nicht gezeigten)
Drehmechanisus derart gedreht, daß die Verschlußplatte 217 parallel zur Zeichnungs-
ebene
gehalten wird, um einen Strahlenweg von den Kapseln 212 zum Kollimator 214 während
eines Meßvorgangs zu erlauben, und rechtwinklig zur Zeichnungsebene gehalten, um
die Strahlung zu blockieren, wenn ein Meßvorgang nicht ausgeführt wird. Die Strahlungen
gehen von den Kapseln 212 radial aus, sie werden jedoch durch die Löcher 215 des
Kollimators 214 in parallele Strahlungsbündel umgewandelt.
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Die Empfängerlinie 22 ist in der Fig. 5 gezeigt. Ein Kollimator 220
hat eine rechteckige Kollimatoröffnung 224 sowie einen Kunststoffszintillator 221
aus Polyvinyltoluol, der hinter dem Kollimator 220 angeordnet ist. Ein Lichtleiter
(Führung) 222 aus einem Akrylmaterial ist mit dem Kunststoffszintillator 221 verbunden.
An den Lichtleiter 222 ist eine Fotovervielfacherröhre 223 angeschlossen, deren
Ausgang einem (nicht gezeigten) Verstärker zugeführt wird.
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Eine Strahlung von der Strahlungsquellenlini 21 wird, wie oben beschrieben
wurde, durch die Löcher 215 des Kollimators 214 zu parallelen Bündeln geformt, die
nach ihrem Durchgang durch das Rohr in die Öffnung(en) 224 im Kollimator 220 der
Empfängerlinie 22 eintreten. Eine Kollimatoröffnung 224 ist eine einzelne rechtwinklige
öffnung, die jedoch durch eine Anzahl von Kollimatorlöchern, die gleichartig wie
die Löcher 215 des Kollimators 214 in der Strahlungsquelle 221 in Linien angeordnet
sind, ersetzt werden kann.
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Es ist bekannt, daß die folgende Grundgleichung für ein Dickenmeßgerät
der Strehlungsübertragungsbauart aufgestellt wird: N = No EXP ( - tut) (1) worin
ist N = Erfassungsleistung des Empfängers, wenn die Strahlung durch ein Objekt der
Dicke (Stärke) t geht, No = Erfassungsleistung oder Bezugsausgang des Empfängers,
wenn ein Objekt nicht vorhanden ist (die Dicke t ist gleich 0),
p
= eine Konstante oder Absorptionskoeffizient.
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Wie Fig. 6 zeigt, werden mit Bezug zu einem Querschnitt des Rohrs
11 eine X- sowie eine Y-Achse derart angeordnet, daß diese Achsen zueinander senkrecht
sind. Somit kann eine Wandstärke ti des Rohrs ii in Richtung der Y-Achse als eine
Funktion des X-Abstands xi ausgedrückt werden als: t = f(x) (2) Daraus folgt die
Erfassungsleistung Ns der Empfängerlinie 22, wie sie in Fig. 3 gezeigt ist, als:
Die Fig. 7 ist eine graphische Darstellung, die die Wandstärke t an verschiedenen
X-Abständen mit Erfassungsleistungen (-ausgängen) N5 dafür angibt.
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Wie aus Fig. 7 deutlich wird, ist, wenn ein Wert Bn (N /Nv) auf der
Y-Achse um die Hälfte vermindert wird, die Größe S in der Änderung der Wandstärke
(die nachfolgend als eine "Halbwertschicht" bezeichnet wird) etwa 4,5 mm.
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Im allgemeinen wird, wenn die Halbwertschicht außerordentlich groß
oder klein is-t, die Messung schwierig. Eine Halbwertschicht f-ür eine gewöhnliche,
ebene Platte, die mit einem Dickenmeßgerät der übertragungs- (Transmi ssions-) Bauart,
was in sehr weitem Maß zur Anwendung kommt, gemessen wird, ist etwa 11 mm. Da der
vorher genannte Wert von 4,5 mm etwa halb so groß ist wie der zuletzt genannte Wert
von 11 mm, kann bei Anwendung des Rohrwandstärken-Meßgeräts nach dem oben erläuterten
Prinzip eine Meßgenauig keit erwartet werden, die im wesentlichen gleich derjenigen
des erwähnten Dickenmeßgeräts ist.
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Wie der Fig. 7 klar zu entnehmen ist, ist die Kurve der Dämpfungs-
oder Abschwächungscharakteristik im Wandstärkenbereich von 3 bis 15 mm (etwa 0,03
bis O,l im Verhältnis t/d der Wandstärke zum Durchmesser D) linear, und eine Korrektur,
die bei einer nicht-linearen Kurve erforderlich ist, ist nicht notwendig. Das bedeutet,
daß die durchschnittliche Wandstärke eines Rohrs (rohrförmigen Teils) unmittelbar
aus dem Erfassungsausgang der Empfängerlinie bestimmt werden kann.
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Unter Anwendung d-es oben beschriebenen Meßprinzips kann eine Rohrwandstärken-Meßvorrichtung,
wie sie in Fig. 8 gezeigt ist, dazu dienen, die Wandstärke eines Rohres zu bestimmen.
Die Walzen 9 sind zur Fortbewegung des Rohrs 11 in Querrichtung zur Meßvorrichtung
vorgesehen. Die Länge l einer Strahlungsquellen- und Empfängerlinie 21 bzw. 22 wird
mit einem Wert festgesetzt, der viel größer ist als der Außendurchmesser D des Rohrs
11. Eine derartige Meßvorrichtung ist eine mit hoher Geschwindigkeit ansprechende
Wandstärken-Meßvorrichtung, die in berührungsfreier gleise eine Rohrwandstärke,
während das Rohr in Bewegung ist, mitlaufend (on-line) messen kann, und zwar ohne
Rücksicht auf ein bei seiner Fortbewegung hervorgerufenes Vibrieren des Rohrs. Die
auf diese Weise gemessene Wandstärke kann an die WerKstück-Walzeinrichtung rückgekoppelt
werden, um die Steuerung von Geschwindigkeit oder Temperatur in dieser zu erleicntern
und damit einen Beitrag zur Qualitätsüberwachung des Rohrs zu leisten.
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Bei der Vorrichtung oder dem System gemäß der Erfindung ist die Halbwertschicht
etwa die Hälfte von derjenigen einer ebenen Platte, wie oben erläutert wurde. Das
bedeutet, daß die Änderung in der Strahlungsmenge, aie bei einer Dickenänderung
einer ebenen Platte um 1 mm hervorgerufen wird, gleich derjenigen Strahlungsmengenänderung
ist, die hervorgerufen wird, wenn eine Plattenstårke sich um etwa 0,5 mm ändert.
Uemzufolye Kann die Wandstärke eines eines rohrs
wenigstens mit
der gleichen Feinheit wie die Dicke einer ebenen Platte gemessen werden, was heißt,
daß der Grad an Genauigkeit sehr hoch ist.
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Die Rohrwandstärken-Meßvorrichtung gemäß der Erfindung ist insbesondere
zur Anwendung bei einem Streck- oder Reckkeduzierwerk geeignet. Ein solches Reduzierwerk
ist ein Walzwerk, das beim Fertigbearbeitungs-Walzvorgang und nahezu bei allen Schluß-Feinbarbeitungsvorgängen
für Nahtrohre mit geringem Durchmesser Verwendung findet. Es wird auch im Fertigbearbeitungsvorgang
für geschweißte Rohre mit geringem Durcnmesser wegen seiner hohen Leistungsfähigkeit
verwendet. Im Streckreduzierwerk sind 14 bis 20 Walzenständer in Aufeinanderfolge
längs eines Rohrs angeordnet, und während der Außendurchmesser des Rohrs gewalzt
wird, erhalten die Walzen von einander benachbarten Ständern unterschiedliche Umfangsgeschwindigkeiten,
so daß das Rohr während des Walzens in Lcngsrichtung gezogen und seine Wandstärke
geregelt wird. Demzufolge kann eine Vielzahl von Rohren, wenn mehrere Arten von
Rohren vorgesehen werden, mit unterschiedllchem Durchmesser ausgebildet werden.
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Ein Zweiwalzen-Reduzierwerk ist in den Fig. 9a und 9b, ein Dreiwalzen-Reduzierwerk
ist in den Fig. 10a und 10b gezeigt.
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In diesen Figuren sind die Walzen 31 in Verbindung mit einem einem
Zug unterliegenden Rohr 32 dargestellt. Mit einem solchen Streckreduzierwerk wird
die Wandstärke des Rohrs während seines Ziehens in der Längsrichtung verändert.
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Deshalb ist es notwendig, um die Steuerung für den Walzenbetrieb zu
verbessern, die mittlere oder durchschnittliche Wandstärke eines Rohrs in seiner
Längsrichtung zu erfassen und nicht die Unregelmäßigkeit in der Wandstärke im Rohrquerschnitt,
und zwar insbesondere im Fall eines geschweiS-ten Stahlrohrs, das aus einem Tafelmaterial
von gleichförmiger Stärke hergestellt wird.
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In dem Fall, da die Geschwindigkeit eines Mehrstufen-Walzwerks verändert
wird, um den auf das Rohr zu dessen Wandstärkenregelung ausgeübten Zug zu ändern,
ist es vorzuziehen, daß die Ansprechschnelligkeit der Wandstärken-Meßvorrichtung
hoch ist. Wird die Wandstärken-Meßvorrichtung bei einem Streckreduzierwerk zum Einsatz
gebracht, dann wird sie im allgemeinen an der Einlauf- oder Auslaufseite angeordnet,
wo das Rohr einem Vibrieren in beträchtlichem Ausmaß ausgesetzt i-st. An diesen
Stellen ist jedoch kein Raum für ein Vibrieren verhindernde Klemmwalzen. Demzufolge
bestehen die Vorteile der Erfindung darin, daß die Messungen nicht durch das Vibrieren
des Rohrs beeinflußt werden und daß die Ansprechschnelligkeit der Vorrichtung sehr
hoch ist.
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Wenngleich die mittlere Wandstärke im Rohrquerschnitt durch aus dem
Stand der Technik bekannte Vorrichtungen gemessen werden kann, so sind diese Vorrichtungen
außerordentlich teuer, weil wenigstens drei Strahlungsquellen und drei Empfänger
erforderlich sind. Dagegen hat die Vorrichtung gemäß der Erfindung nur eine einzige
Strahlungsquelle sowie nur einen einzigen Empfänger, weshalb sie mit viel geringeren
Kosten herstellbar ist.
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enn der Erfindungsgegenstand unter Bezugnahme auf ein Stahlrohr beschrieben
wurde, so ist herauszustellen, daß der technische Grundgedanke der Erfindung in
weitem Umfang auf die Wandstärkenmessung von allgemein rohrförmigen Teilen oder
Körpern anzuwenden ist, indem -, Röntgen-, (1>.-, Ultraviolett-, sichtbare und
Infrarot*Strahlen einzeln entsprechend dem Rohrmaterial, wie Metall, Kunststoff,
Glas, Zement usw., verwendet werden.
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