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Die
Anwendung bezieht sich auf ein Messgerät, das zweckdienlich für die Prüfung der
Strukturintegrität
von durchsichtigen Gegenständen
entsprechend der Präambel
von Anspruch 1 ist. Es bezieht sich auch auf ein Messverfahren worin
durchsichtige Gegenstände
auf Strukturintegrität
entsprechend der Präambel
von Anspruch 11 geprüft
werden. Insbesondere bezieht es sich auf die Prüfung von aus Glas oder Plastik
hergestellten durchsichtigen Nahrungsmittel- und/oder Getränkebehältern. Obwohl
die Erfindung mit Bezugnahme auf diese Gegenstände beschrieben wird, versteht
es sich, dass die Erfindung eine breitere Anwendung zur Prüfung von
jeglichen industriegefertigten oder natürlich vorkommenden Objekten
mit vornehmlich durchsichtiger Struktur hat.
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Bildverarbeitungssysteme,
die ein gewisses Maß an
Funktionalität
zur Prüfung
der Strukturintegrität
von durchsichtigem Glas- und/oder Plastikbehältern bereitstellen, sind konzipiert
und konstruiert worden. Generell sind solche Systeme basierend auf dem
Betrieb eines Flächen-Array-Sensors,
typischerweise einem CCD-Sensor,
der sensitiv ist für
Energie des sichtbaren Bereichs des elektromagnetischen Spektrums
(400 nm bis 700 nm).
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Zum
Beispiel veröffentlicht
DE-A-3245908 eine
Vorrichtung und ein Verfahren zur Prüfung von Flaschen entsprechend
der Präambel
von Anspruch 1 beziehungsweise Anspruch 11. Die Flaschen werden
von der Seite angestrahlt wobei Licht durch eine Photozelle als
Sensoreinrichtung durchgeleitet wird. Licht wird auch von den Innenseiten
des Falschenhalses der Strahlenbrechung folgend reflektiert und passiert
den Falschenboden zu Photozellen unterhalb der Flasche. Durch Fremdkörper und
Verschmutzung verursachte Lichtintensitätsunterschiede werden detektiert
und benutzt, um Schaltsignale zu erzeugen und um den Leitungsweg
von Flaschen zu Förderbändern zu
kontrollieren.
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Zum
Zweck dieser Offenbahrung meint die Bezeichnung durchsichtig speziell,
dass das Material eine sehr hohe optische Durchlässigkeit von elektromagnetischer
Strahlung (Licht), in den sichtbaren Wellenlängenbereich zwischen 400 nm
und 700 nm fallend, zulässt.
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Ein
ziemlich offensichtlicher aber wichtiger Fakt in Verbindung mit
aus durchsichtigem Material gefertigten Objekten ist, dass, es schwierig
ist, unter Verwendung von Bildverarbeitungstechniken gemäß des Stands
der Technik, solche Objekte in ihrer endgültig geformten Struktur auf
die Anwesenheit von Materialfehlstellen zu prüfen. Dies ist wesentlich, da Materialfehlstellen
solche wie Löcher
oder Risse kritische Teildefekte sind, welche die angestrebte Funktion
des Produkts gefährden.
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Bildverarbeitungsprüfungssysteme
operieren typischerweise durch Messen der räumlichen Variationen von sichtbarem
Licht, während
es zurück
reflektiert oder durch die Struktur übertragen wird. Da die Objekte,
die durch solche Systeme gemäß dem Stand
der Technik geprüft
werden sollen, vornehmlich durchsichtiger Natur sind, sind die räumlichen Variationen
der Lichtintensität,
welche aus dem Vorhandensein von Materialfehlstellen in der Materialstruktur
resultieren, ziemlich klein und resultieren in einer weniger als
angemessenen Gesamtsystemleistung. In anderen Worten ausgedrückt, Höhlungen und
Risse sind in durchsichtigen Objekten schwer mit, innerhalb des
sichtbaren Bereichs des elektromagnetischen Spektrums operierenden,
Bildverarbeitungssystemen zu sehen.
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Ein
anderes Merkmal von Prüfsystemen
gemäß dem momentanen
Stand der Technik ist, dass sie eine beträchtliche Menge an Spezial-Hardware und
Software benötigen,
um jedweden Grad an Produktprüfung
zu liefern. Lichtquellen, Abbildungsoptik, Kameras, Bedienelektronik
und ein benutzerdefinierte Prüfalgorithmen
ausführender
Bildverarbeitungscomputer werden für eine Basissystemfunktionalität benötigt.
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Diese
Kollektion von Hardware- und Softwarekomponenten resultiert in einer
kostspieligen Prüflösung, welche
in vielen strukturellen Prüfanwendungen
die gewünschten
Güteanforderungen
nicht erreicht.
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Der
Gegenstand der Erfindung löst
die Probleme der begrenzten Prüfgüte und der
hohen Kosten durch die Bereitstellung eines Messgerätes und eines
Messverfahrens entsprechend dem Anspruch 1 beziehungsweise dem Anspruch
11.
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In Übereinstimmung
mit einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Prüfeinrichtung
bereitgestellt, die zumindest ein für elektromagnetische Strahlung
der Wellenlänge,
in der der zu prüfende Gegenstand
durch natürlich
auftretende materielle molekulare (und/oder atomare) Absorptionen
undurchlässig
wiedergegeben wird, sensitives Detektionselement umfasst. In der
offenbarten Erfindung, ist das diskrete Prüfelement oder Detektor an einer
vorteilhaften Stellen positioniert an der ein Transportmechanismus
(entweder ein natürlicherweise
mit einem Manufakturprozess verbundener Transportmechanismus oder
ein speziell aus dem Grund, den Gegenstand der Prüfstation
zu präsentieren,
entworfener) den zu prüfenden
Gegenstand in einem geringen Abstand von dem Detektionselement bewegt,
um eine strukturelle Prüfung
durchzuführen.
Wenn der Gegenstand für
die Prüfung
positioniert ist, eine Infrarotstrahlenquelle, die eine signifikante
Komponente ihrer emittierten Energie in Wellenlängen in denen durchsichtige
Gegenstände
generell undurchlässig werden
enthält,
ist gegenüber
dem Detektor angeordnet. Ordnungsgemäß positioniert, passiert der transportierte
Gegenstand unter Prüfung
die Sichtlinie der Detektor/IR-Quelle. So positioniert, umfassen die
Detektor-/IR-Strahlungsquellenkomponenten ein einfaches System,
das fähig
ist zu robuster Detektion von Materialfehlerstellen wie sie in den
Prüfgegenständen vorkommen.
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In Übereinstimmung
mit einem begrenzterem Aspekt der offenbarten Erfindung ist die
Infrarotstrahlungsquelle bei einer bekannten zeitbasierten Frequenz
zerhackt (z. B. mechanisch oder elektrisch), um bei der Detektion
des transmittierten IR-Signals
zu helfen.
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Weitere
Anwendungsbereiche der vorgelegten Erfindung werden aus der detaillierten,
weiter unten gegebenen Beschreibung ersichtlich werden. Jedoch versteht
es sich, dass die detaillierte Beschreibung und spezifische Beispiele,
während
hinweisend auf bevorzugte Ausführungsformen
der Erfindung, lediglich auf dem Weg der Illustration gegeben werden, da
verschiedene Änderungen
und Abweichungen im Rahmen der Erfindung offensichtlich für Fachleute auf
diesem Gebiet werden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die
vorgelegte Erfindung besteht in der Konstruktion, im Arrangement
und in der Kombination der verschiedenen Teile des Gerätes und/oder
der Schritte des Verfahrens, wobei die beabsichtigten Ziele erreicht
werden wie nachfolgend vollständiger in
der detaillierten Beschreibung dargelegt ist und in den begleitenden
Zeichnungen illustriert ist in denen:
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1(a) und (b) ein System entsprechend der vorliegenden
Erfindung darstellen;
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2 zeigt
das Transmissionsspektrum für ein
Beispiel von PET Material; und,
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3 ist
ein Flussdiagramm entsprechend der vorgelegten Erfindung.
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Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
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Ein
häufig
verwendeter Parameter, um verschiedene Materialien qualitativ und
quantitativ zu beschreiben, ist ein optisches Attribut auch bezeichnet
als eine optische Transmissionseigenschaft. In Umgangssprache beschreibt
dieser Parameter die Fähigkeit
eines Materials, die erlaubt, dass sichtbares Licht (der limitierte
Anteil des elektromagnetischen Spektrums zwischen 400 nm und 700
nm) dort hindurch tritt. Materialien die keine Tendenz zur Absorption
von Licht in dem sichtbaren Wellenlängenbereich aufzeigen werden
als durchsichtige Materialien definiert. Glas, PET und PEN sind
Beispiele für durchsichtige
Materialien.
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Der
Materialparameter, auf den oben hingewiesen wird, oder Eigenschaft,
optische Transmission genannt, kann weiter definiert werden als
die Reaktion des Materials auf elektromagnetische Strahlung in einem über das
sichtbare Spektrum hinausreichenden Wellenlängenbereich. Aus vielerlei
Gründen
ist es nützlicher,
den Wellenlängenbereich
von 400 nm im sichtbaren Bereich erweitert hinaus bis zu 15 um im
Infrarotbereich in der qualitativen Definition der optischen Transmissionscharakteristika
des Materials, zu berücksichtigen.
In dieser Hinsicht lassen sich die Techniken geometrischer Optik
gleichermaßen
gut auf diesen breiteren Wellenlängenbereich anwenden.
Zusätzlich
sind Strahlungsquellen, Detektoren und optische Materialien und
Beschichtungen für
die Anwendung in diesem weiteren Wellenlängenbereich kommerziell erhältlich,
die es praktikabel machen eine optische Messausrüstung zu theoretisieren und
zu konstruieren, um optische Strahlung in diesem weiteren Wellenlängenbereich
zu erfassen und qualitativ zu bestimmen. Wenn über diesen weiten Bereich hinaus
charakterisiert wird, weisen die meisten Materialien, die hoch durchlässig im sichtbaren
Wellenlängenbereicht
sind, große
Bereiche von niedriger und sogar Null Transmission von elektromagnetischer
Strahlung in anderen Anteilen der elektromagnetischen Strahlung
auf.
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In
einem großen
Teil des elektromagnetischen Spektrums sind durchsichtige Materialien,
die für
die Herstellung von Lebensmittel- und Getränkebehältern verwendet werden, komplett
undurchsichtig für
Einfallstrahlung. Der Gegenstand der Erfindung nutzt den Vorteil
aus diesem Materialphänomen unter
der Annahme aus, dass es vorteilhaft sein wird, um nach dem Vorhandensein
von Löchern,
Rissen und anderen Materialfehlerstellen in dem Wellenlängenbereich,
in dem das Material undurchsichtig ist, im Gegensatz zur Ausführung des
gleichen Prüfverfahren
bei Wellenlängen
in denen das Material selbst vorwiegend klar ist, so wie es in gegenwärtigen Prüfeinrichtungen
gemacht wird.
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Nun
auf die Zeichnungen verweisend, in denen die Abbildungen lediglich
aus dem Grund der Illustration der bevorzugten Ausführungsformen
der Erfindung vorhanden sind und nicht aus dem Grund zur Einschränkung der
selbigen, 1(a) repräsentiert eine Gesamtübersicht über eine
Prüfeinrichtung, entsprechend
der gegenwärtigen
Erfindung. Wie gezeigt, wird ein Transportmechanismus 40 genutzt, um
durchsichtige Plastik- oder Glasartikel 10 innerhalb einer
Prüfzone 80 zu
positionieren. Der Transportmechanismus kann ein Förderband
oder jedes andere passende Gerät
oder Anordnung sein, um die Prüfung
eines Gegenstandes in der Zone zu ermöglichen. Zusätzlich,
wie es für
Fachleute auf diesem Gebiet offensichtlich sein sollte, ist ausreichend
Unterstützungsstruktur,
der Transport- oder Förderbandmechanismus
eingeschlossen, für
das System bereitgestellt, um das Quell- und Messgerät zu unterstützen, ebenso
wie den Prüfgegenstand
in ordnungsgemäßer Position
für die
Prüfung
zu halten.
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In
der in Zone 80 gezeigten Position ist der Prüfgegenstand 10 in
Sichtlinie zwischen dem Detektor 60 und der Infrarotquelle 20 positioniert.
In dieser Position unterliegt ein bestimmter Bereich des Gegenstandes
der Prüfung
auf das Vorhandensein von Materialfehlerstellen. Im Fall der bevorzugten
Ausführungsform
kann der Grundanteil des durchsichtigen Behältnisses mit der offenbarten
Erfindung auf Risse und Löcher
geprüft
werden. Selbstverständlich sollte
die mögliche
Prüfung
anderer Bereiche des Gegenstandes gewürdigt werden. Darüber hinaus
ist beabsichtigt, dass andere Objekte als Behälter untersucht werden können.
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Noch
genauer, wenn der geprüfte
Gegenstand 10 in der Prüfzone 80 ist,
ist er positioniert in der Sichtlinie zwischen der Strahlungsquelle 20 und dem
Detektor 60. Die Strahlungsquelle ist gewählt auf
der Basis ihrer Fähigkeit,
signifikante Energie in optischen Wellenlängen, in denen der geprüfte Gegenstand 10 grundsätzlich undurchlässig ist,
auszusenden. Für
viele durchsichtige Materialien, Glass, PET und PEN eingeschlossen,
enthält
der Wellenlängenbereich
oberhalb 3 um viele breite auf Kohlenwasserstoff basierende Absorptionsbanden,
welche die optische Transmission ernsthaft einschränken. Dieses
Verhalten ist in 2 dargestellt – welche das
Transmissionsspektrum von PET von 2 um bis hin zu 25 um zeigt. Das
sichtbare Spektrum, nicht gezeigt, entspricht 0,4–0,7 um
(or 400–700
nm). Die weiten Bereiche in denen die Transmission sich auf 0% zuneigt,
deuten Regionen an, in denen das Material undurchlässig ist.
Die bevorzugte Quelle der Infrarotstrahlung bei diesen längeren Wellenlängen ist ein
schwarzer Körper
oder ein bis zu ungefähr 1000°C arbeitender
grauer Körper.
Zusätzlich
zu schwarzen Körper
Strahlenquellen existieren handelsübliche Halbleiter-Strahler
(z. B. LEDs), welche in Arrays angeordnet sein können, die bei Wellenlängen von
ungefähr
3 um und darüber
operieren, welche für
den Gegenstand der Erfindung geeignet wären. Es ist klar, dass die
Wahl einer Infrarotquelle größtenteils
von der gewünschten
Betriebswellenlänge
abhängig
sein wird.
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Zurück verweisend
auf die 1, zur Detektion und Reaktion
auf die emittierte Infrarotstrahlung erzeugt durch Quelle 20,
muss ein Detektor 60 gewählt werden, der eine hohe Sensitivität für einfallende
Strahlung über
3 um aufweist. Es gibt viele potentiell verwendbare Typen von Einfach-
oder Mehrfachdetektoren, welche in dem Gegenstand der Erfindung
verwendet werden könnten,
einschließlich Quecksilbercadmiumtellurid
(MCT), Bleisulfid (PbS), Indiumantimonid (InSb) und Bleiselenid
(PbSe). In allgemeineren Bezeichnungen können diese spezifischen Detektortypen
entweder als Photoleiter, Photovoltaische oder Thermische Typen
von Detektoren bezeichnet werden. Weiterhin sollte anerkannt werden,
dass der Detektor 60 ebenso eine verwendbare Kamera oder
irgendeine andere Sensoreinrichtung sein mag, welche ein ein- oder
zweidimensionales Array photosensitiver Elemente umfassen mag.
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Zur
Verbesserung der Fähigkeit
des Systems kleine Materialfehlerstellen zu detektieren, wird ein
Chopping-Mechanismus 30 auf die, von der Strahlungsquelle 20 emittierte,
Energie, vor der Interaktion mit dem zu testenden Gegenstand 10 angewendet.
Solche Mechanismen sind wohlbekannt im Bereich der Infrarot-Thermographie.
Dieses Konzept ist auch ähnlich
dem zur Kodierung und Dekodierung von AM Funkübertragungen verwendeten Konzept.
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In
der bevorzugten Ausführungsform
ist der System-Chopper 30 ein mechanischer Chopper, der die
exemplarische Form einer rotierenden Scheibe hat, mit abwechselnd
undurchlässigen/durchlässigen Bereichen,
welche durch Modulation der emittierten Energie durch die Strahlenquelle 20 funktionieren, wie
wohlbekannt ist und in der 1(b) dargestellt ist.
Auf diese Art wird das Signal von Interesse isoliert entsprechend
einer spezifischen zeitbasierten Frequenz (die Chopping-Frequenz),
welche die Messung von auf Detektor 60 einfallenden Signalen
auf niedrigem Niveau erleichtert.
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Alternativ
könnte
ein elektronischer oder elektrischer Chopper verwendet werden. Zum
Beispiel könnte
eine gepulste Infrarotquelle (z. B. gepulste LEDs) verwendet werden,
in welcher der Puls der physikalischen Modulation von Energie durch
die Anwendung von gepulstem Betriebsstrom entspricht.
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Der
Vorteil der Verwendung von entweder einem mechanischen Chopper oder
einem elektronischen Chopper ist, dass der Detektor in der Lage
ist, die Signale von Interesse besser zu detektieren. In dieser
Hinsicht ist das Signal-Rausch-Verhältnis von nachfolgend
empfangenen Signalen erhöht.
In der bevorzugten Ausführungsform
entspricht das Signal des Interesses der Energie, die durch einen
Riss oder einen Hohlraum im Boden eines Behälters 10 hindurch
dringt.
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Die
bevorzugte Ausführungsform
der vorgelegten Erfindung abschließend sind ein Steuerelektronikmodul 70 und
ein Teilausschussverfahren 50.
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Diese
Verfahren und assoziierten Einrichtungen sind wohlbekannt in der
Kontrolltechnik. Kurz gesagt jedoch liefert das Steuerelektronikmodul
(oder verschiedene Hardware- und Softwarekonfigurationen umfassender
Prozessor) 70 Strom und Detektor-Vorspannungssignal an den Detektor 60.
Im Austausch erhält
es Prüfinformationen
bezogen auf die Strukturintegrität
von Objekten von dem Detektor 60. Mit dieser Ausgabe ist
das Modul 70 in der Lage, einen Status, Qualität oder Akzeptabilität von zu
prüfenden
Gegenständen
zu bestimmen. Es benutzt dann selektiv diese Informationen, um ein
Ausschussverfahren 50 in einem bestanden/durchgefallen
Modus zu betätigen.
Das Ausschussverfahren kann ablaufen indem Gegenstände, die
bestimmt als außerhalb
von, oder alternativ innerhalb von Spezifikationen wie vorhergehend
standardisiert und im Prozessormodul 70 kodiert sind, physikalisch
zurückgewiesen
werden oder andererseits für
anschließende
Aktionen markiert werden. Darüber
hinaus wird in Systemen, in denen die Gegenstände, die geprüft werden,
in Gussformhöhlungen
innerhalb des Systems geformt werden, Teilausschussinformationen ebenso
nützlich
sein, um zu den Gussformteilen zu korrelieren und rückzukoppeln,
um möglicherweise Anpassungen
und Korrekturen zu erwirken. Desweiteren sollte anerkannt werden,
dass wohlbekannte, konventionelle Bildverabeitung- und/oder Prüfsysteme
darin einbaute Teildetektionsvorrichtungen (solche wie Element 45 in 1) haben, Verfolgungsmerkmale und Transportmechanismen
und -systeme (solche wie Transportmechanismus 40), die
entwickelt worden sind um mit den Gegenständen, die geprüft werden,
zu interagieren und verwendet werden um die Gegenständen, die
geprüft
werden, in eine vorteilhafte Position zwischen Sensor und Quelle
zu manövrieren
ebenso wie liefern von Instrumentkontrollsignalen an beide, den
Sensor und die Quelle.
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Es
sollte bereits von der detaillierten Beschreibung oben offensichtlich
sein, dass das System der vorgelegten Erfindung in Betrieb das Verfahren
aus 3 wie folgt erfüllt. Zuerst ist ein durchsichtiger
Gegenstand platziert oder transportiert zu einer Position zwischen
der Sensorvorrichtung und einer elektromagnetischer Quelle (Schritt 302).
Danach ist durch die Quelle elektromagnetische Strahlung in Wellenlängenbereichen
generiert, um die Prüfgegenstände undurchlässig zu
machen (Schritt 304). Die Strahlung wird dann bei diesen
Wellenlängen,
welche den undurchlässigen
Wellenlängenbereichen
der Prüfgegenstände entsprechen,
gemessen (Schritt 306). Ein Status, Qualität oder Akzeptabilität ist dann
bestimmt, basierend auf der Messung (Schritt 308). Zusätzlich können andere
als die oben beschriebenen Eigenschaften der Erfindung in diesem
Verfahren verkörpert
sein. Zum Beispiel der Generierungsschritt kann das Pulsen der Quelle
einschließen,
was bedeutet, das Signal-Rausch-Verhältnis eines
anschließend
empfangenen elektromagnetischen Signals zu erhöhen.