SE514004C2 - Tjockleksmätning med en detektor genom belysning av två ytor hos ett föremål, anordning, apparat och metod - Google Patents

Description

10 15 20 25 30 514 004 203) I US 5,3 59,532 beslorives en filmtjocklekskontrollerare, som alltid kan erhålla snabba förutbestämda tj ocklekskontroll, även om drifis förhållandena ändras.

Filmtj ocklekskontrolleraren innefattar en dyna som har en mekanism för att reglera och operera en utströmningsmängd längs ñlrnens breddriktning, en tjockleksmätare för att detektera tjockleksvariationen hos filrnen förflyttad med en fördröjningstid från ett läge av dynan till ett läge av tj ockleksmätaren, och adaptrar adderade till en operativ kalkylator, en tillståndsförutsägningsanordning, en tillståndsskifiare respektive en driftsmängdstyrare som utgör filmtjocklekskontrolleraren, och därigenom automatiskt modifierar en matris av en styroperationsekvation att sammanfalla med drifisförhållandena med hänsyn till variationen av förseningstiden beroende av filmens rörelse och automatiskt modifiera en förstärkningsmatris av operationskalkylatom, en förstärkningsmatris av en regulator och en matris i styroperationsekvationen att sammanfalla med drifisförutsättningen med hänsyn till variationen hos filrnstj ocklekskänsligheten till en värmaringångsvariation genom ändring av drifisförhållanden.

En anordning och metod för tjockleksmätning av plåtmaterial, speciellt i ett valsverk, och styrning av ett valsstativ är känd genom US 4,088,886. Den innefattar en röntgenfluorescensanalyserare för bestärrming av komponentema av plåtmaterialet, en strålningstjockleksmätare med ett kalibreringssystem för att mäta materialet med varierande sammansättning, och en dator för att beräkna en kalibreringssignal för tjockleksmätningar baserade på utgången av analyserna, med tjockleksmätningsutgången givande ett mått på tj ockleken av plåtmaterialet vid mätning och en styrsignal för att kontrollera valsstativet.

Andra apparater är också kända, vilka utnyttjar ultraljud, nukleärstrålningsabsorbtion etc.

Emellertid beror utföranden av dessa apparater huvudsakligen av sammansättningen av det uppmätta materialet och andra omgivningsförhållanden, vilka i regel kan medföra omkalibrering av apparaten.

En anordning för mätning av avståndet till ett föremål från en mätningsyta är känd genom US 4,911,511, beviljat uppfinnaren. Anordningen innehåller en illurninationsenhet, ett optisk bildreproduktionssystem med vilket en ljusstråle projicerad på föremålet genom illuminationsenheten efter reflektion proj ekteras på en optisk detektor, vilken består av en tvådimensionell laddningskopplad halvledardetektor, som har ett pulståg som utsignal.

Pulståget representerar de illuminerade och icke illuminerade delama av detektorn. För att 10 15 20 25 30 514 G04 sus) uppskatta läget av en ljuspunkt på detektorn värderas alla pulstågen från detektorn. På detta sätt uppnås en hög upplösning. Denna anordning avses för mätning av avståndsvariationer till en yta av ett föremål och tillhandahåller inte tjockleken av föremålet av sig själv.

UPPFINNINGENS ÄNDAMÅL Det huvudsakliga ändamålet med föreliggande uppfinning är att åstadkomma en anordning med hög precision, beröringsfri mätning av tjockleken av ett föremål. Ett annat ändamål med föreliggande uppfinning är att tillhandahålla en anordning som är mindre känslig för, t.ex. omgivande temperaturändringar eller andra påverkande faktorer och således i mindre behov av upprepade kalibreringsprocedurer.

Ovan nämnda ändamål uppnås medelst den inledningsvis beskrivna anordningen, i vilken är illuminationsorgan anordnade för att illuminera varje nämnda åtminstone två ytor, de optiska elementen är anordnade för att proj icera reflektioner från varje yta på nämnda detektor, som genererar en representation av avståndet mellan nämnda åtminstone två ytor av föremålet.

I ett föredraget utförande är endast en detektor anordnad och nämnda detektor är en fotodetektor, t.ex. en charged-coupled enhet, en diodarray, en CMOS-baserad detektor etc.

Nämnda illurninationsorgan kan bestå av en ljuskälla för vatj e yta men företrädesvis en ljuskälla är anordnad och spegel och/eller prismor är anordnade för att rikta ljusstrålar på varje yta.

För att projicera ljuset på detektorn består det optiska elementet av linser, prismor, linssystem o.s.v.

I ett utförande sammanfaller centrumaxeln av de optiska elementen väsentligen med centrumaxeln av detektom. Emellertid är det möjligt att anordna de optiska elementen lateralt sidoförskjutna fianiför detektom.

Med fördel illuminerar illuminationsorganet nämnda ytor väsentligen lodrätt.

I ett föredraget utförande innefattar anordningen en bearbetningsenhet, en A/D-omvandlare, skiftregister, en multiplikator, en lagringsenhet och en positionberäkningsenhet. 10 l5 20 25 30 514 004 4(13) För korrekt drift av anordningen faller varje ljusstråle riktad på varje yta på nämnda varje yta i samma vinkel och vid en position som har motsvarighet på varje nämnda yta.

Med fördel är proj ektionen på detektom en förstoring av avståndet mellan ytorna .

Uppfinningen avser även en apparat för optisk och beröringsfri mätning av tjockleken av ett föremål. Apparaten omfattar: ett hus som har en huvuddel och bärande delar; illuminationsorgan, anordnade på nämnda bärande delar för att illuminera ytor av nämnda föremål när det placeras mellan nämnda bärande delar; en optisk detektor; optiska element anordnade för att samla och projicera reflektionema från nämnda ytor, och organ för att bearbeta en signal från nämnda optiska detektor för att generera en signal representerande avståndet mellan nämnda ytor.

Förfarandet enligt uppfinningen innefattar stegen att: illuminera varje yta medelst en illuminationsorgan, samla reflektioner av nämnda illuminationer från varje yta, projicera nämnda reflektioner på en detektorenhet för generera en signal som indikerar positionen av de projicerade reflektionema på detektorn, och bearbeta signalen från nämnda detektorenhet för att beräkna avståndet mellan ytoma.

KORT BESKRIVNING AV RITNINGARNA Uppfinningen kommer nu att beskrivas på ett icke begränsande sätt under hänvisning till de bifogade ritningar, i vilka: Fig. 1 visar schematiskt ett tvärsnitt genom ett utföringsexempel av en första anordning för mätning av tjocklek, enligt uppfinningen.

Fig. 2 visar ett tvärsnitt av ett andra schematiskt utförande, illustrerande en altemativ placering av en ljuskälla.

Fig. 3 visar en schematisk ljusprojektionsrepresentation erhållen från en detektorenhet.

Fig. 4 visar ett tvärsnitt genom ett tredje schematiskt utförande enligt uppfinningen.

DETALIERAD BESKRIVNING AV UTFÖRINGSEXEMPLEN Fig. 1 visar en schematisk tvärsnittsvy av en anordning 10 för mätning av tjockleken av ett 10 15 20 25 30 514 004 sus) föremål 1 1, till exempel ett plåtmaterial. Anordningen 10 kan företrädesvis utföras i ett valsverk mellan två valsar, åtminstone en av vilka är anordnad att, t.ex. styra tj ockleken av materialet.

Plåtrnaterialet passerar genom anordningen 10, t.ex. från en matningsrulle till en uppsarnlingssrulle eller en valsningsstation (inte visad). Anordningen 10 består av ett hus 12 som har en huvuddel och två skänklar 13 och 14, ljusstrålande anordningar 15 och 16, ett optiskt element 17, åtminstone en detektor 18 och en bearbetningsenhet 19.

Skänklarna 13, 14 är så anordnade att plåtmateríalet 11 löper mellan dem i ett säkert avstånd, företrädesvis i samma avstånd från båda skänklarna. De ljusstrålande anordningama 15 och 16 är anordnade inne i eller på utsidan av skänklarna och riktar ljusstrålar, visade medelst streckade linjer 23, på båda sidor av plåtmateríalet 11. Ljusstrålarna 23 infaller väsentligen vinkelräta på ytoma av plåtmateríalet. För den korrekta driften av anordningen är det viktig att ljusstrålarna från varje ljusstrålande anordning 15, 16 sammanfaller vid (exakt) samrna punkt på varje sida av plåtrnaterialet och att de har samma infallsvinkel (koaxiella ljusstrålar i fall av vinkelrätt belysning). Pilarna visa ljusstrålarrias riktning. De infallande ljusstrålarna reflekteras och sprids av ytan av plåtrnaterialet. En del av de reflekterade ljusstrålar uppsamlas av de optiska elementen 17.

De optiska elementen 17 kan bestå av en eller flera linser, ett linssystem omfattande olika typer av linser, prismor, spegel o.s.v., och är huvudsakligen anordnade att samla och projicera ljusreflektionema från ytan av plåtmateríalet på ytan av detektorn 18. I detta utförande är centnunaxeln av de optiska elementen 17 väsentligen i linje med centrurnaxeln av detektorn.

Detektom är företrädesvis en fotodetektor, och i synnerhet en “Charge-Coupled Device" (CCD) avsedd att detektera den typ av ljus som utsändes från ljusstrålaren. CCDn består av linjer av laddade kopplade detektorer anordnade i en matris, d.v.s. anordnade i ett X- och Y- koordinatsystem för en eller flera färger. Genom elektronisk avsökning varje linje av detektorer omvandlas ljusprojektionen på den till elektriska signaler och producerar en videosignal.

Videosignalerna kan seden analyseras på olika sätt för att detektera läget av ljusprojektionen på den.

CCD 18 är ansluten till en bearbetningsenhet 19, som är anordnad att omvandla signalema mottagna från CCDn till en lämplig utsignal, t.ex. en digital signal, för att beräkna läget av ljusprojektionema. 10 15 20 25 30 5 'l 4 004 603) Illuminationsanordningamalfi och 16 kan vara välkända typer av ljuskällor, såsom en laser (diod), infi-aröda eller ultravioletta illuminatorer o.s.v. Emellertid fóredrages en laserkälla som har en väldefinierad strålning.

Ett annat utföringsexempel med en illuminationsanordning visas i fig. 2, i vilken endast en ljuskälla 20 är anordnad. Ljuskällan 20 är anordnad i en sektion utanför skänklarna, t.ex. huvuddelen, och lj usstrålaina 25 riktas på plåtmaterialet, till exempel medelst prismor 26 och/eller speglar 27.

I det visade utföringsexemplet illustreras endast vinkelräta ljusstrålar som ett exempel. För en faclcman är det självklart att ljusstrålar kan riktas i någon lämplig vinkel, så länge som de har samma infallsvinkel.

I det följ ande kommer funktionen av utföringsexemplet enligt fig. 1 att beskrivas med referens till en praktisk tillämpning. Plåtmaterialet 1 1, t.ex. en stålplåt, är anordnat att förflyttas mellan två valsar (inte visade) i en rullbana. Valsarna är anordnade att, till exempel valsa ner plåtrnaterialet till en förutbestämd tjocklek. Ytterligare stödrullar 28 är anordnade för att åstadkomma bättre stabilitet vid mätpunkten(erna). Valsarn är så anordnade att de inte påverkar illuminationen och reflektion av ljuset. En eller flera anordningar enligt uppfinningen kan anordnas mellan valsarna. Ljuskälloma 15 och 16 illuminerar båda sidor av plåtmaterialet 11 med ljuspulser (eller kontinuerliga ljusstrålar). Ytoma reflekterar delvis och delvis sprider det infallande ljuset i flera riktningar. Det spridda ljuset bildar en lob av spridda reflektioner på materialets yta, väsentligen strålande i 180°. De optiska elementen 17 samlar och projicerar den spridda reflektionsstrålama (punkt och streckade linjer 24) från varje sida av plåtmaterialet på CCD 18. För att förhindra proj ektionema att störas av reflektionema kan det optiska elementet maskeras åtminstone delvis.

Avståndet mellan ljusprojektionema på CCDn representerar avståndet mellan de två ytoma av plåtmaterialet, d.v.s. tjockleken av plåtmaterialet. CCDn är periodiskt (synkroníserad med periodiska ljuspulser) eller kontinuerligt scarma, såsom beskrevs ovan, och signalerna omvandlas till digitala signaler (om så behövs) för att bearbetas av en positionberäkningsenhet.

I fig. 3 är signalen som representerar ljusproj ektionema på CCDn schematiskt illustrerade i en V/S- kurva, d.v.s. spänning per yta-enhet av CCDn. Toppama 21, 22 av kurvoma representerar 10 15 20 25 30 514 004 7(13) de mest intensiva punkterna av ljusprojektionema, d.v.s. centmmet för projektionema och tjockleken d är avståndet mellan toppama 21 och 22. Signalen som representerar avståndet d kan då behandlas och omvandlas till ett verkligt avstånd (t.ex. i en metrisk enhet) för presentation eller överföras den till valsstyrningen för att reglera valsarnas mellanrum för ytterligare valsning av plåtmaterialet. Tydligen behöver ljusprojektionen inte koncentreras (punkt) och kan vara linjära (infallande i plåtrnaterialets longitudinella riktning) utan att påverka beräkningen av avståndet d.

Signalen från CCDn kan behandlats analogt eller digitalt. Den analoga signalbearbetningen innebär omvandling av signalen (enligt fig. 3) till pulser, som delvis representerar kärmetecknen med avseende på ett tröskel värde, sedan bestämmes ett centrum för varje pulsbredd och skillnaden mellan centrumet representerande avståndet d beräknas. Beroende av de optiska elementens typ är det även möjligt att erhålla en förstoring av det projicerade avståndet mellan ytorna på detektorytan (vilket måste kompenseras vid beräkning av det aktuella avståndet.) I utföringsexemplet visat i fig. 4 är de optiska elementen 29 och 30 anordnade framför detektorn, men lateralt förskjutna i vägen för den spridda lj usreflexen 24. Varje optiskt element 29, 30 bestående, t.ex. av linser och/eller prismor o.s.v., bryter ljusstrålarna och projicerar de på CCDn 18. I detta utförande innefattar bearbetningsenheten 19 en A/D-omvandlare 31, skifiregister 32, 34, multiplikator 33, en lagringsenhet 35 och positionberäkningsenhet 36.

Utsignalen från CCDn överföres till A/D-omvandlaren 31 och till lagringsenheten 35. I lagringsenheten 35 lagras data för ljuspunkter av en specifik bild. Digital data från A/D- omvandlaren 31 överföres till skifiregistret 32 och data från lagringsenheten 35 överföres till skiñregister 34. Multiplikatom 33 multiplicerar data från skiñregistren och ett korskorrelerad utsignal erhålls. Utsignalen överföres till positionberälmingsenheten 36, vilken beräknar läget för ljusprojektionema och således avståndet d.

Självklart kan andra konventionella metoder, såsom interpolation av signalen erhållen från CCD eller bestämning av tyngdpunkten för vaije proj ektions representerande signal användas för att beräkna proj ektionemas läge på detektom och därigenom bestänuna avståndet d.

I ett föredraget utförande behandlas signalen från CCDn, såsom beskrives i US 4,91l,511, inkorporerat häri genom hänvisning.

Uppfinningen är inte begränsad till de visade utföringsexemplen och kan varieras på ett antal 10 5113 004 sus) sätt utan avlägsning fiån omfånget för de närslutna patentkraven. Anordningen och förfarandet kan åstadkommas på olika sätt beroende av applikation, funktionella enheter, behov och krav o.s.v. Till exempel kan fler än en CCD eller andra optiska sensorer, såsom diodarray eller CMOS-baserade detektorer för generering av (video) signaler användas, linsema kan ersättas och/eller kombineras med andra optiska element, såsom diffiaktion optiska element (relifer), skänklarna kan utformas rörliga och signalen kan bearbetas externt i en datorenhet o.s.v.

Dessutom kan ljuskällorna anordnas extemt utan behov för skänklar. Apparaten enligt uppfinningen kan även användas för att bestämma avståndet mellan två punkter på ett föremål armat än plåtmaterial. Dessutom kan svepande ljuskällor utformas för att åtminstone täcka hela ytan av plåtmaterialet. I detta fall måste optiska element och sensorenheter utformas på ett lämpligt sätt för att samla, projicera och detektera hela det reflekterade ljuset och sveprörelsen av ljuskälloma måste synkroniseras. Det är även möjligt att kombinera en eller flera delar av de visade och beskrivna utföringsexemplen. 20 25 514 064 9(l3) HÄNVISNING TECKEN 10 Mätanordning ll Plåtmaterial 12 Hus 13 Skänkel 14 Skänkel 15 Ljuskälla 16 Ljuskälla 17 Optiskt element 18 Detektor 19 Bearbetningsenhet 20 Ljuskälla 21, 22 Topp 23-25 Ljusstråle 26 Prisma 27 Spegel 28 Vals 29, 30 Optiskt element 3 1 A/D-omvandlare 32, 33 Register 34 Multiplikator 35 Lagringsenhet 36 Beräknningsenhet

Claims (16)

10 15 20 25 30 514 004- (f) PATENTKRAV

1. En anordning för att mäta ett avstånd mellan åtminstone två ytor av ett föremål (11), vilken anordning omfattar illuminationsorgan (15, 16, 20) anordnat for att illuminera nämnda ytor, åtminstone ett optiskt element (17, 29, 30) anordnat for att projicera reflektioner från varje yta på en detektor (18), kännetecknad av, att det optiska elementet (17, 29, 30) är anordnat i ett område framför detektom for att rikta spridda illuminationsstrålar (3 7), vilka direkt infaller från ytoma på det optiska elementet på nämnda sensor, vilken genererar en representation av avståndet mellan nämnda ytor av föremålet (l 1) och att en bana för åtminstone en stråle reflekterad från åtminstone en av ytoma bildar en väsentligen triangulär form vars hömor består av ytan, det optiska elementet samt nämnda sensor.

2. En anordning enligt patentkrav 1, kännetecknad av, att endast en detektor (18) är anordnad och att nämnda detektor är en fotodetektor, såsom en CCD, en diodarray eller en CMOS-baserad detektor.

3. En anordning enligt patentkrav l, kännetecknad av, att illuminationsorganet (15, 16, 20) består av en ljuskälla för varje yta.

4. En anordning enligt något av patentkraven 1-3, kännetecknad av, att en ljuskälla är anordnad och att spegel (27) och/eller prismor (26) är anordnade for att rikta ljusstrålarna på varje yta.

5. En anordning enligt något av patentkraven 1-4, kännetecknad av, att det optiska elementet (17, 29, 30) består av linser, prismor och/eller linssystem.

6. En anordning enligt något av patentkraven 1-5 kännetecknad av, 10 15 20 25 30 'll att centrum axeln av nämnda optiska element (17) är väsentligen i linje med centrumaxeln av detektorn.

7. En anordning enligt något av patentkraven 1-5, kännetecknad av, att det optiska elementet (29, 30) är anordnat lateralt förskjutet framför detektom.

8. En anordning enligt något av föregående patentkraven, kännetecknad av, att ljuskällan upplyser nämnda ytor väsentligen vinkelrät.

9. En anordning enligt något av föregående patentkraven, kännetecknad av, att nämnda anordning innefattar en bearbetningsenhet (19), en A/D-omvandlare (31), skiftregister (32, 34), multiplikator (33), en lagringsenhet (35) och positionberäkningsenhet (36).

10. En anordning enligt patentkrav l, kännetecknad av, att anordningen innefattar en CCD och att en utsignal från CCDn överföres till A/D-omvandlaren (31) och till lagringsenheten (35), lagrande data för ljuspunkter av en specifik bild, att digital data från A/D-omvandlaren (31) överföres till skiftregistret (32) och data från lagringsenheten (35) överföres till skiftregistret (34), att nämnda multiplikator (33) är anordnad för att multiplicera data från skifiregistret varvid ett korskorrelerad utsignal erhålls och att utsignalen överföres till positionberälcningsenheten (36), som beräknar positionen av ljusprojektionerna och således tjockleken.

1 1. En anordning enligt något av föregående patentkraven, kännetecknad av, att varje ljusstråle riktas på varje yta, infaller på nämnda varje yta i motsvarande vinklar och position.

12. En anordning enligt något föregående patentkraven, kännetecknad av, 10 15 20 25 30 att proj ektionen på detektorn är en förstoring av avståndet mellan ytorna.

13. En anordning enligt något föregående patentkraven, kännetecknad av, att illuminationen är pulsad.

14. En anordning enligt något av patentkraven 1-12, kännetecknad av, att illuminationen är kontinuerlig.

15. En apparat (10) för optisk och beröríngsfri mätning av tjockleken av ett föremål, vilken apparat (10) omfattar: - ett hus (12) som har en huvuddel och bärande delar (13, 14), - illuminationsorgan ( 15 , 16, 20), anordnade på nämnda bärande delar för att illuminera ytor av nämnda föremål när det placeras mellan nämnda bärande delar, - en optisk detektor (18), - optiskt element (17, 29, 30) anordnat för att samla och projicera reflektionerna från nämnda ytor, och - organ för bearbeta en signal från närnnda optiska detektor (18), kännetecknar därav, att det optiska elementet (17, 29, 30) är anordnat i ett område framför detektom för att rikta spridda illuminationsstrålar (37), vilka direkt infaller från ytoma på det optiska elementet på nämnda sensor, vilken genererar en representation av avståndet mellan nämnda ytor av föremålet (11) och att en bana för åtminstone en stråle reflekterad från åtminstone en av ytorna bildar en väsentligen triangulär form vars hömor består av ytan, det optiska elementet samt nämnda sensor.

16. Ett förfarande för mätning av avståndet mellan åtminstone två ytor av ett föremål, kännetecknar av, - illumination varje yta medelst ett illuminationsorgan, - samling av spridda reflektioner av nämnda upplysningar från varje yta direkt medelst ett optiskt element, - projicering av nämnda spridda reflektioner på en detektorenhet för generering av en signal som indikerar positionen av de projicerade reflektionema på detektom, varvid en bana för 5 'l 4 0 Û 4 I 3 åtminstone en stråle reflekterad från åtminstone en av ytorna bildar en väsentligen triangulär form vars hömor består av ytan, det optiska elementet samt nämnda sensor och bearbetning av signalen från nämnda detektorenhet för att beräkna avståndet mellan ytorna.