DE4407215A1

DE4407215A1 - Optische Dickenmessung an dünnen Bahnen

Info

Publication number: DE4407215A1
Application number: DE19944407215
Authority: DE
Inventors: Robert Prof Dr Ing Massen
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1994-03-06
Filing date: 1994-03-06
Publication date: 1995-09-07

Description

Die hochgenaue Dickenmessung an dünnen Bahnen ist eine anspruchsvolle Meßaufgabe. Bei geforderten Meßgenauigkeiten von typ. 10 µm und oft über 4 m traversierende Meßköpfe, sich oft schwingend bewegendem Meßgut ist es derzeit praktisch nur mit radiometrischen Verfahren möglich, über das Flächengewicht auf die Bahndicke zu schließen. Radiometrische Verfahren messen die Absorption eines radioaktiven Strahlers durch das Material hin durch. Die Lage des Materials im Raum hat keinen nennenswerten Einfluß auf die Meßgenauigkeit. Trotz dieser positiven Eigenschaften haben radio metrische Meßverfahren erhebliche Nachteile:

a) die Entsorgung der eingesetzten Strahlungsquelle ist problematisch,
b) im Werk sind die Verordnungen des Strahlenschutzes zu beachten.

Es gibt daher ein erhebliches Interesse an alternativen Meßverfahren, wel che diese Aufgabe ohne radioaktive Strahlung lösen können. In der Paten tanmeldung P 39 21 956.9 "Verfahren zu berührungslosen Dickemessung von faserigen, körnigen oder porösen Materialien sowie Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens" ist ein optisches System beschrieben, wel ches mit Hilfe einer Trinagulationsanordnung von Laserlinienprojektor und Halbleiter-Kamera diese Aufgabe prinzipiell lösen kann. Allerdings erfordert die Dickenmessung über eine optische Abstandsmessung folgende Voraus setzungen:

a) eine hochstabile Halterung bzw. traversierende Führung des Meßkopfes,
b) eine hochstabile Materialauflage.

Dies ist bei den oben beschriebenen Genauigkeiten oft nicht mehr kostengünstig realisierbar. In P 42 20 501.8 "Optische Dickenmessung an bahnförmigen Materialien" wurde eine Kompensationsanordnung vorge schlagen, um das Durchbiegen der Halterung eines Meßkopfes, welcher den Abstand zur Bahn von oben und eines zweiten Meßkopfes, welcher den Ab stand zur Bahn von unten mißt zu kompensieren. Hierbei wird im Raum mit Hilfe zweier exakt paralleler Laserlinien jeweils eine virtuelle Referenz ge schaffen, anhand der sich die Durchbiegung der Meßköpfe messen läßt. Auch dieses Verfahren ist noch verbesserungsbedürftig:

a) die Ungenauigkeiten durch eine schwingende oder vibrierende Ware werden nicht kompensiert
b) die Ungenauigkeiten durch ein Verkippen der Meßköpfe in ihrer Halterung oder Traverse werden ebenfalls nicht erfaßt.

Erfindungsgemäß werden diese Nachteile dadurch beseitigt, daß die in ihrer Dicke mit Hilfe eines Abstandssensors auszumessende Ware auf einer als Referenzebene dienenden metallischen Fläche aufliegt, daß am Abstands meßkopf mindestens zwei zusätzliche Sensoren angebracht sind, welche ohne durch das Bahnmaterial gestört zu werden den Abstand zur Referenzauflage an mindestens zwei, links und rechts vom Meßpunkt des Abstandssensors liegenden Stellen bestimmen und daß der Abstand zur Referenzfläche am Ort des Meßpunktes des Abstandssensors aus den beiden Meßwerten der zusätzlichen Sensoren sowie deren Abständen zum Meßpunkt des Abstandssensors so bestimmt wird, daß der Einfluß sowohl einer vertikalen Bewegung der Halterung und/oder Referenzfläche als auch eine Verkippung der Halterung und/oder Referenzfläche in der Ebene der beiden Zusatzsensoren kompensiert wird.

Das Verfahren sei anhand der folgenden Figuren erläutert:

Fig. 1 zeigt einen optischen Abstandsmeßkopf mit einem jeweils links und rechts angebrachten Wirbelstromsensor, welcher durch das Bahnma terial hindurch den Abstand zur metallischen Referenzauflage bestimmt.

Fig. 2 zeigt, wie eine vertikale Wanderung der Aufhängung des Meßkopfes kompensiert werden kann.

Fig. 3 zeigt, wie eine vertikale Wanderung und Verkippung der Aufhängung des Meßkopfes bzw. der Referenzauflage kompensiert werden kann.

Fig. 4 zeigt wie durch Verwendung von drei oder vier Wirbelstromsensoren eine Verkippung um zwei Achsen kompensiert werden kann.

Fig. 5 zeigt, wir durch eine ringförmige Gestaltung des Wirbelstromsensors der Abstand zur Referenzauflage an der gleichen Stelle erreicht wird, an der auch optisch gemessen wird.

Wenn in den folgenden Erläuterungen zur Abstandsmessung ein optisches Triangulationssystem erwähnt wird, so ist dies beispielhaft und nicht einschränkend zu verstehen. Abstände zu einer Materialbahn können z. B. auch mit Ultraschallsensoren, mit mechanischen Tastern u.ä. Sensoren ge messen werden; auch für solche Sensoren gilt das erfindungsgemäße Kom pensationsverfahren.

Der optische Triangulationsmeßkopf -1- In Fig. 1 mißt den Abstand d1 zu einer Materialbahn -2- an der Meßstelle -3-. Gleichzeitig wird durch einen das Material durchdringenden Sensor -4- , z. B. durch einen Wirbelstrom sensor der Abstand d2 an der linken Meßkopfseite zur metallischen Referenzauflage -5- bestimmt. Unter der Voraussetzung, daß die Aufhängung des Meßkopfes durch Last- und Temperatureinflüsse nur vertikal um Δ1 bewegt und ebenso die Referenz z. B. unter der veränderlichen Last der Ma terialbahn ebenfalls nur vertikal um Δ2 nachgibt, ermittelt sich die Material dicke D -6- nach der Formel

D = d2-d1 (1)

Die gemessene Materialdicke ist damit unabhängig von dem unerwünschten Nachgeben der Aufhängung und der Referenzauflage; diese nur sehr schwierig konstruktiv zu verhindernden Bewegungen sind damit vollständig kompensiert.

Häufig treten neben vertikalen Bewegungen des Meßkopfes und der Auflage auch Verkippungen auf, z. B. in den Randzonen. Erfindungsgemäß werden diese Verkippungen dadurch kompensiert daß nach Fig. 2 jeweils mit einem Sensor -1- der Abstand d2 zur Referenzauflage sowohl auf der linken Seite des Meßkopfes -2- als auch mit einem Sensor -3- auf der rechten Seite der Abstand zur Referenzauflage d3 bestimmt werden. Mit Hilfe des Strahlensat zes wird der zur Kompensation verwendete Abstand dk an der Stelle der optischen Abstandsmessung nach folgender Formel bestimmt:

für d3 < d2: dk = (b/a) _* (d3 - d2)
für d3 < d2: dk = ((a-b)/a) _* (d2 - d3) (2)
für d3 = d2: dk = d2 = d3

Die Materialdicke beträgt dann

D = dk - d1 (3)

Diese Kompensation gleicht sowohl Verkippungen der Aufhängung als auch der Auflage in der Ebene der auf einer Linie angeordneten Sensoren -1-, -2- und -3- aus. Verkippungen in der dazu senkrechten Ebene werden nicht er kannt. Erfindungsgemäß werden auch diese Verkippungen nach Fig. 3 da durch kompensiert, daß mit Hilfe von mindestens drei Sensoren -1-, -3- und -4-, welche den Abstand zur Referenzauflage bestimmen, die Ebene -5- im Raum bestimmt wird, welche durch die gemessenen Abstände d2, d3 und d4 geht. Durch Bestimmung des Abstandes der horizontalen Meßebene, -6- welche sich bei idealer Aufhängung und Auflage ergibt von dieser Ausgleich sebene an der Stelle des Meßpunktes des optischen Abstandssensors -2- wird die zur Kompensation nach (3) benötigte Kompensationsdistanz dk errechnet.

Ein weiterer Erfindungsgedanke ist es, den Sensor zur die Materialbahn durchdringenden Bestimmung des Abstandes zur Referenzauflage so zu ge stalten, daß er an der gleichen Stelle mißt wie der optische Abstandssensor. Dies kann nach Fig. 4 für das Beispiel des Wirbelstromsensors z. B. dadurch erreicht werden, daß dieser in Form einer offenen Ringspule -1- ausgelegt wird, durch dessen Mittenöffnung der optische Triangulationssensor -2- ungehindert auf die Materialoberfläche -3- dringt. Da in diesem Fall die Abstandsmessung zur Auflage und die Abstandsmessung zur Materialbahn an der gleichen Stelle erfolgen, wird nur ein einziger Kompensationssensor benötigt.

Erfindungsgemäß werden für nicht-metallische Bahnen als Kompensations sensoren Wirbelstromsensoren und als Auflage eine metallische Ebene oder Walze verwendet. In einer anderen vorzugsweisen Gestaltung wird der Ab stand zur Materialbahn mit einem Ultraschallabstandsensor bestimmt. Bei akustisch durchlässigen Bahnen ist eine Messung des Abstandes zur Aufla ge ebenfalls mit einem Ultraschallabstandssensor möglich, während der Ab stand zur Materialoberfläche mit einem optischen Abstandssensor erfolgen kann.

Claims

1. Verfahren zur Messung der Dicke von insbesondere bahnförmigen Materialien, welche auf einer Referenzauflage aufliegen mit Hilfe von Abstandssensoren, dadurch gekennzeichnet, daß mit Hilfe eines Abstandssensors der Abstand zur Materialoberfläche bestimmt wird, daß mit Hilfe von zwei beidseitig vom Abstandssensor ange ordneten Kompensationssensoren, welche das Material durchdringen die jeweiligen Abstände zur Referenzauflage bestimmt werden und daß vertikale und in einer Ebene kippende Bewegungen der Sensoraufhängung und/oder der Referenzauflage dadurch kompensiert werden, in dem aus den beiden Abständen der Kompensationssensoren sowie deren Lage in Bezug auf den Meßpunkt des Abstandssensors auf der Materialoberfläche eine Kompensa tionsdistanz berechnet wird und daß die Materialdicke aus der Differenz zwi schen der Kompensationsdistanz und der Distanz zur Materialoberfläche unabhängig von den Wanderungen und Verkippungen in einer Ebene der Sensoraufhängung und der Auflage ermittelt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verkippung in zwei Ebenen dadurch kompensiert wird, indem mit mindestens drei um den Abstandssensor angeordneten, das Material durchdringenden Kompensationssensoren mindestens drei Abstände zur Referenzauflage bestimmt werden und daß aus der Lage des Meßpunktes des die Oberfläche erfassenden Abstandssensors und der durch die drei gemessenen Kompensationsabstände aufgespannten Ebene eine Kompen sationsdistanz bestimmt wird und daß die Materialdicke aus der Differenz zwischen der Kompensationsdistanz und der Distanz zur Materialoberfläche unabhängig von den Wanderungen und Verkippungen in zwei Ebenen der Sensoraufhängung und der Auflage ermittelt wird.

3. Verfahren zur Messung der Dicke von insbesondere bahnförmigen Materialien welche auf einer Referenzauflage aufliegen mit Hilfe eines Abstandssensors, dadurch gekennzeichnet, daß mit Hilfe eines die Materialoberfläche durchdringenden Kompensations sensors der Abstand zur Referenzauflage an der gleichen Stelle gemessen wird wie der Abstand zur Oberfläche, indem der Kompensationssensor so ausgeführt ist, daß er das Meßfeld des Abstandssensors frei läßt und daß sein eigenes Meßfeld außen um dessen Meßfeld wirkt.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kompensationssensor eine ringförmige Form hat und der Abstands sensor zur Oberfläche durch die Ringöffnung ungestört die Materialoberfläche erfaßt.

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstandssensor zur Oberfläche ein optischer Sensor ist und der oder die Kompensationssensoren Wirbelstromsensoren sind und daß die Referenz auflage metallisch ist.

6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstandssensor zur Materialoberfläche ein Ultraschallsensor ist und der oder die Kompensationssensoren Wirbelstromsensoren sind und daß die Referenzauflage metallisch ist.

7. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstandssensor ein optischer Sensor ist, daß der oder die Kompensa tionssensoren Ultraschallsensoren sind und daß die Referenzauflage ein gutes Schallreflexionsverhalten aufzeigt.