WO2016139155A1 - Vorrichtung und verfahren zum messen des durchmessers und/oder der wanddicke eines strangs - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zum messen des durchmessers und/oder der wanddicke eines strangs Download PDF

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WO2016139155A1
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Harald Sikora
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    • G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
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    • G01N21/35—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light
    • G01N21/3581—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light using far infrared light; using Terahertz radiation

Definitions

  • the invention relates to a device and a method for measuring the diameter and / or the wall thickness of a substantially circular cross-section strand.
  • Ultrasonic measuring devices are known for measuring the wall thickness of strand-like goods, for example electrical cables, hoses or pipes.
  • a disadvantage of ultrasonic measuring devices is the requirement of contact of the strand to be measured with a contact medium. The density, temperature and quality of the medium, usually water, have a strong influence on the measurement result.
  • measurement results of such ultrasonic measuring devices are dependent on the temperature of the strand, in particular the wall thickness to be measured.
  • known ultrasonic measuring devices give no information about the diameter or the runout of a strand. Foamed or partially foamed products have too high an absorption for ultrasonic waves and therefore can not be measured with ultrasonic measuring devices either.
  • terahertz measuring devices in which a transmitter emits terahertz radiation in a frequency range of about 0.05 to 3 terahertz, this radiation is reflected on a product to be measured, and the reflected radiation is received by a suitable receiver.
  • terahertz measuring devices only distances or wall thicknesses of planar products, for example plates, are measured.
  • the terahertz radiation is focused on the surface of the plate to be measured.
  • a reflection measurement for determining the distance or the wall thickness is then comparatively simple.
  • the present invention seeks to provide a device and a method of the type mentioned above, with which in metrological and analysis-technically simple way reliably and with minimal influence of external parameters, such as temperature, diameter and / or the wall thickness of a substantially circular cross-section strand can be measured.
  • the invention solves the problem on the one hand by a device for measuring the diameter and / or the wall thickness of a substantially circular in cross-section and guided by guide means in the direction of its longitudinal axis through the device strand, comprising at least one transmitter for emitting terahertz radiation, wherein at least one radiation optics is provided, which directs emitted from the transmitter terahertz radiation to a guided through the device strand, wherein at least one transmitter opposite in the direction of radiation emitted by the at least one transmitter terahertz radiation behind the strand a reflector for the terahertz radiation is arranged, further comprising at least one receiver for receiving the terahertz radiation emitted by the at least one transmitter and reflected at the strand and / or at the reflector, and comprising an evaluation device, which is adapted to, based on the received from the at least one receiver signals determine the diameter and / or the wall thickness of the strand.
  • the invention solves the problem by a method for measuring the diameter and / or wall thickness of a substantially circular cross-section strand in which a strand is guided in the direction of its longitudinal axis through the device, wherein further at least one transmitter emits terahertz radiation, wherein the terahertz radiation emitted by the at least one transmitter is conducted through at least one radiation optic to a strand guided by the device, the terahertz radiation emitted by at least one transmitter from the strand and / or at least one opposite to the at least one transmitter and in the radiation direction of the emitted terahertz radiation reflected behind the strand reflector and is received by at least one receiver, and is determined in the basis of the measurement signals received from the at least one receiver, the diameter and / or the wall thickness of the strand.
  • the strand measured in accordance with the invention is substantially circular-cylindrical and is guided through the device by guide means.
  • guide means there is a relative movement between the strand and the transmitter and receiver of the device in the axial direction of the strand.
  • the strand can be guided or moved by the guide means or a suitable drive of the guide means in the direction of its longitudinal axis through the device or the transmitter and receiver.
  • the guide means may be part of the device according to the invention or separate from this, for example part a larger plant for the production and / or processing of the strand, be.
  • the transmitter and receiver or the radiation optics are in particular aligned so that the optical axis of transmitter and receiver or radiation optics is substantially perpendicular to the longitudinal axis of the strand.
  • the terahertz radiation emitted by the transmitter is then guided by the radiation optics substantially perpendicular to the strand.
  • the strand can be made up of several wall sections. These wall sections can each be essentially circular-cylindrical or hollow circular-cylindrical. Single or all wall sections may be (partially) transmissive to terahertz radiation.
  • the at least one transmitter transmits terahertz radiation, which is accordingly received by the at least one receiver.
  • One possible frequency range for the terahertz radiation emitted by the at least one transmitter is 0.05 to 3 terahertz.
  • Transmitter and receiver are connected to an evaluation device, in particular via suitable lines.
  • the evaluation device can also control the at least one transmitter and / or the at least one receiver.
  • the evaluation device can control the at least one transmitter for emitting terahertz radiation.
  • the evaluation device knows the start time for any runtime measurement. On the basis of the time at which the receiver receives a reflected signal and transmits this to the off-value device, the duration of the terahertz radiation reflected at the strand and / or the reflector to be measured can be determined by the evaluation device.
  • a reflector for the terahertz radiation Opposite to at least one transmitter in the radiation direction of the transmitted by the transmitter terahertz radiation behind the strand a reflector for the terahertz radiation is arranged.
  • the reflector may be a cylindrically curved reflector whose longitudinal axis extends in the direction of the longitudinal axis of a strand guided through the device.
  • the center of curvature of the reflector then coincides in particular with the center of curvature of the strand to be measured.
  • the focal line of the hollow cylindrical reflector then coincides with the longitudinal axis of the strand and can coincide with the focal line of the terahertz radiation.
  • a reflector amplifies the measurement signal, because the signals conducted back to the receiver by the reflector can also be evaluated.
  • the reflector allows even better discrimination of the different received by the receiver or the measurement signals, especially in multiple reflections.
  • a reflector allows the separate evaluation of the transmitter / receiver facing or facing the front and back of a strand and thus can avoid interference due to multiple reflections.
  • a reflector allows a measurement by reflections of the terahertz radiation at interfaces of the strand both on the way of the radiation from the transmitter to the reflector and on the return path of the radiation from the reflector to the receiver.
  • run times can be compared of signals that go from the transmitter / receiver directly to the reflector and back to the transmitter / receiver and the other hand, from the transmitter / receiver directly to the reflector, then coming from the reflector on the rear strand wall or the internal and external boundary surfaces of the rear strand wall are reflected, get back to the reflector and from this again reflected return to the transmitter / receiver.
  • For this difference in transit can be concluded on the distance of the rear strand wall to the reflector known in its position or the wall thickness of the reflector facing rear strand wall or on the diameter of the strand.
  • the evaluation device of the device according to the invention can be designed accordingly. The reflector then simulates another transmitter.
  • the reflector-facing side of a strand can therefore be measured reliably even when the original signal received from the rear strand wall is disturbed by multiple reflections between the transmitter / receiver and the transmitter / receiver facing interfaces of a strand.
  • the measurement disturbing multiple reflections occur, for example, when the distance from the transmitter / receiver to the facing surface of the strand is equal to the diameter of the strand. If Si is the distance from the transmitter / receiver to the facing surface of the strand and d is the diameter of the strand, then the following applies
  • the reflector reliably shields the radiation from the high frequency and prevents high frequency radiation from reaching the outside of the measuring device.
  • the transit time of the terahertz radiation in the device can be measured without a strand guided through the device. This transit time can be compared with the transit time of the terahertz radiation in the device in the strand passed through the device.
  • the senor facing away from the rear outside of the strand can be measured, as it also At this rearward outside to a reflection of the terahertz radiation comes.
  • a wall thickness measurement or a diameter measurement of the strand is possible.
  • (partial) reflections of the terahertz radiation may occur.
  • the diameter of the strand can be determined.
  • the wall thickness of a particular layer of the strand can be determined by evaluating the transit time difference between at the transmitter / receiver facing the outer interface of the interesting layer of the strand of reflected radiation and at the transmitter / receiver facing away from the inner boundary surface of the interesting layer of the strand of reflected radiation can be determined.
  • the terahertz radiation emitted by the at least one transmitter can be focused as focal line on the (central) longitudinal axis or cylinder axis of the strand to be measured. Seen in a plane perpendicular to the longitudinal direction of the strand, the focus of the terahertz radiation emitted by the at least one transmitter is then in the center of the circle of the strand and not, as in the prior art, on the surface. It goes without saying that the terahertz radiation reflected on surfaces of the strand can again be conducted through the at least one radiation optical system to the at least one receiver.
  • the beam path of the terahertz radiation reflected by the strand to the at least one receiver can be identical to the beam path from the at least one transmitter to the strand, except for the direction reversal.
  • the terahertz radiation is focused onto a focal line lying on the (central) longitudinal axis of the strand, the direction of all beams emanating from the at least one transmitter is always perpendicular to the surface which is essentially circular in cross-section or even when the strand diameter is changed the cross-section also substantially circular interfaces between different cylindrical or hollow cylindrical layers of the strand. In this way, for the evaluation of known algorithms for distance or wall thickness measurement, as used for example in flat products such as plates, are also used in a cylindrical strand.
  • the same evaluation algorithms can always be used even with different or changing strand diameters. As long as the terahertz radiation remains focused on the longitudinal axis of the strand, tracking of the diameter of the strand requires no tracking of the measuring device according to the invention.
  • the optical axis of the at least one transmitter and the at least one receiver can be substantially perpendicular to the longitudinal axis of the strand.
  • the marginal rays of the terahertz radiation focused by the at least one radiation optics can form a wedge shape, the side surfaces of the wedge shape delimiting the acute angle of the wedge shape lying in mirror symmetry to a median plane (equatorial plane) running through the longitudinal axis of the strand guided through the device.
  • the linear focus of the terahertz radiation on the strand can be achieved particularly easily if the at least one radiation optical system comprises at least one cylindrical lens.
  • other antenna configurations are also conceivable as radiation optics than the lenses described above.
  • a combined Biconvex / cylindrical lens can be used.
  • the radiation optics can also focus the terahertz radiation on the strand in a fan shape, for example (as tightly as possible). This offers a particularly simple and inexpensive design.
  • the radiation optics can direct the terahertz radiation parallel to the strand. This has the advantage that small changes in position of the strand to be tested perpendicular to the emission direction have little influence on the measurement result.
  • the at least one transmitter can emit continuous-wave terahertz radiation modulated, in particular frequency-modulated continuous-wave terahertz radiation.
  • the frequency modulation may include one frequency burst or multiple frequency bursts. In particular, a so-called frequency sweep can take place in which a predetermined frequency range is passed through once or several times.
  • the at least one transmitter can emit pulse-modulated terahertz radiation or phase-modulated terahertz radiation.
  • a so-called Time Domain Reflectometry method or Frequency Domain Reflectometry method can be used. It is also possible to send several discrete frequencies instead of one frequency spectrum. Such methods are known per se.
  • the strand may be, for example, a (circular) cylindrical electrical cable with a (circular) cylindrical electrical conductor made of metal, optionally a substantially hollow (circular) cylindrical shielding braid and a hollow (circular) cylindrical plastic sheath as insulation act.
  • a pipe for example made of a plastic act.
  • the evaluation device determines the diameter and / or the wall thickness of the strand on the basis of a transit time measurement of the terahertz radiation emitted by the at least one transmitter.
  • a particularly simple structure results if the at least one transmitter and the at least one receiver are formed by at least one terahertz transceiver.
  • a transceiver is a combined transmitter (transmitter) and receiver (receiver). Transmitter and receiver are then arranged virtually the same location and have at any given time the same distance to the strand or to the terahertz radiation reflecting surfaces of the strand, so that the evaluation further simplified, for example, at a transit time measurement.
  • transmitters and receivers practically in the same place but, for example, opposite one another.
  • a plurality of pairs of transmitters and receivers are provided for transmitting or receiving terahertz radiation, preferably at least two, more preferably at least four or more than four, for example eight pairs of transmitters and receivers, wherein for each transmitter / Receiver a radiation optics is provided, wherein the transmitter and receiver are arranged in pairs distributed over the circumference of the guided through the device strand, preferably along a circular path.
  • a receiver is assigned to each transmitter and receives the radiation of this transmitter.
  • Each pair of transmitter and receiver can in turn be formed by a respective transceiver. Then the transceivers are arranged distributed over the circumference of the strand to be measured accordingly.
  • the evaluation device is designed to use the measurement signals respectively received by the receivers To determine out-of-roundness of the strand and / or to track single or multiple transmitters and receivers or radiation optics such that the terahertz radiation emitted by the transmitters remains linearly focused on the longitudinal axis of a strand guided through the device.
  • the evaluation device can control suitable drives for tracking transmitter and receiver or radiation optics on the basis of the measurement results of the individual receivers.
  • the evaluation device may in particular be a combined evaluation and control device. It can be constructed in the control device a corresponding control circuit. A possible out-of-roundness of the strand to be measured can also be determined by the evaluation device from a comparison of the measurement results of individual receivers.
  • the distance between transmitter / receiver and strand from different directions and thus the wall thickness, the diameter and / or the runout of the strand is thus measured, without an adjustment of the positions of the transmitter / receiver is required.
  • two measurement sites may be present per transmitter / receiver pair at which a reflection measurement of the terahertz radiation takes place, for example at the front and back of a reflective surface or layer of the strand.
  • a circle is defined by the distances determined at three measuring locations. Using a fourth measuring location then a roundness can be detected.
  • the pair or pairs of transmitter and receiver may again be a transceiver.
  • the pair or pairs of transmitter and receiver may again be a transceiver.
  • the presence of multiple pairs of transmitters and receivers can be simulated.
  • discontinuities in the shape of the strand can be detected in a simple and reliable manner, for example, a so-called sagging, as may occur, for example, in the course of extrusion of the strand material.
  • the evaluation device can be designed to determine an out-of-roundness of the strand based on the measurement signals received from the rotating receiver in the course of its rotation and / or to track the rotating transmitter or receiver or the radiation optics such that the terahertz radiation emitted by the rotating transmitter respectively remains focused linearly on the longitudinal axis of a guided through the device strand.
  • the off value device can in turn control suitable drives for tracking transmitter or receiver or radiation optics based on the measurement results.
  • the evaluation device can in turn be a combined evaluation and control device. In turn, a corresponding control loop can be set up in the control device.
  • the cylindrical strand measured according to the invention can be an electrical cable, a pipe, preferably a plastic pipe, or a hose, preferably a plastic hose. It is conceivable, for example, a plastic-coated metal tube or a plastic tube with a metal layer, for example as a vapor barrier.
  • the tube or hose may be hollow cylindrical.
  • An electrical cable may in particular have one or more preferably circular-cylindrical metallic conductors, optionally a hollow-cylindrical metallic shielding and one or more hollow cylindrical jacket layers (insulating layers), preferably made of plastic, which surround the metallic conductor (s).
  • a transit time change of the terahertz emitted by the at least one transmitter and received by the at least one receiver after transmission of the strand by the strand can be used to determine the diameter and / or the wall thickness (s) of radiation. of the strand.
  • the strand guided through the device can be a hollow cylindrical strand made of a plastic, for example a plastic pipe.
  • plastic for example a plastic pipe.
  • the plastic mixtures vary considerably in practice.
  • the exact material composition of the strand is often unknown.
  • material constants relevant to the measuring method according to the invention are initially unknown and would either have to be determined separately in a complex manner or correct assumptions need not necessarily be made in this regard.
  • material constants such as the refractive index or the dielectric constant or the absorption coefficient, are relevant. These material constants have a direct influence on the invention Wall thickness determination, since the terahertz radiation has different propagation velocities in the material as a function of the stated material constants.
  • the propagation velocity of the fundamental waves of the terahertz radiation is delayed differently depending on these material constants. If, for example, the propagation velocity of the terahertz radiation in air is taken as the basis during a propagation time measurement of the terahertz radiation for the diameter or wall thickness determination, a faulty result occurs, in particular erroneously around the delay of the terahertz radiation caused by the strand material.
  • the terahertz radiation emitted by the transmitter preferably a transceiver
  • the terahertz radiation emitted by the transmitter is preferably reflected by a reflector after passing through the strand and, after renewed transmission of the strand, received by the receiver, preferably again by the transceiver.
  • the transit time measurement performed in the case of the strand guided through the device can be compared in a simple manner with the corresponding transit time measurement in the case of the strand not guided through the device. From the difference of these two transit time measurements can be concluded that caused by the material of the strand change in the propagation velocity of the terahertz radiation.
  • the distance between transmitter and receiver or to the reflector and thus the distance covered by the terahertz radiation in the course of the transit time measurement can be known.
  • the change in the propagation speed caused by the material of the strand can then also be determined in a simple manner on this basis.
  • the thus determined, caused by the material of the strand runtime change can be taken into account in the calculation of the diameter and / or the wall thickness so as to determine precisely without the knowledge of the exact material composition diameter and / or the wall thicknesses of the strand.
  • the diameter D of the strand is determined according to the following formula:
  • the wall thickness W d i of the at least one receiver facing wall or the wall portion of the strand and / or the wall thickness W d i of the at least one receiver facing away wall or the wall portion of the strand is determined according to the following formulas : With:
  • T wd2 transit time difference between at the at least one receiver facing inner interface and at the at least one receiver remote outer boundary surface of the at least one receiver remote from the wall of the strand reflected terahertz radiation
  • the device according to the invention is in particular designed for carrying out the method according to the invention.
  • the inventive method can be carried out in particular using a fiction, contemporary device.
  • 1 is a fiction, contemporary device for measuring a first strand in a first view
  • FIG. 2 shows the device according to the invention from FIG. 1 in a second view
  • Fig. 3 shows another embodiment of a device according to the invention for measuring a strand.
  • FIG. 1 shows a device and measuring arrangement according to the invention in a vertical sectional view.
  • FIG. 2 shows the device and measuring arrangement from FIG. 1 in a horizontal sectional view.
  • a circular cylindrical strand 10 by suitable, not shown leadership 1 along its in Fig. 1 perpendicular to the plane and in Fig. 2 from bottom to top pointing central longitudinal axis (cylinder axis) conveyed through the device.
  • strand 10 is, for example, a plastic tube with a hollow cylindrical wall 12 made of plastic, which limits a circular cylindrical cavity 14.
  • the strand 10 has a circular cross-section.
  • the wall 12 of the strand 10 has a cross-sectionally circular outer side 16 and a circular cross-sectionally also inside 18, which limits the cavity 14.
  • the in Figs. 1 and 2 comprises a transmitter for emitting terahertz radiation and a receiver for receiving the terahertz radiation emitted by the transmitter, the transmitter and receiver being formed by a terahertz transceiver 20 in the illustrated example.
  • a terahertz transceiver 20 in the illustrated example.
  • Reference numeral 22 schematically shows a radiation optics, in the present case comprising a biconvex lens 21 and a cylindrical lens 23 for the terahertz radiation.
  • a combined biconvex / cylindrical lens could be used.
  • the radiation optics 22 focuses the terahertz radiation 24 emitted by the transmitter in a linear manner so that the line-shaped focus 26 of the terahertz radiation coincides with the central longitudinal axis of the strand 10, ie in the cross-sectional representation in FIG. 1 at the center of the strand 10 which is circular in cross-section.
  • the marginal rays of the focused by the radiation optics 22 terahertz radiation form a wedge shape, as can be seen from a comparison of Figures 1 and 2.
  • the side surfaces of the wedge shape shown in Fig. 1 at reference numerals 17 and 19 are mirror-symmetrical to a through the longitudinal axis of the guided through the device strand 10 center plane (equatorial plane). Moreover, in the FIGS.
  • FIG. 1 and 2 show that the optical axis 25 of the optical system formed by the transceiver 20 and the radiation optics 22 is perpendicular to the longitudinal axis of the strand 10.
  • the terahertz radiation emitted by the transceiver 20 is thus guided by the radiation optics 22 perpendicular to the longitudinal axis of the strand.
  • the transmitter and receiver or the transceiver 20 are further connected via a line 28 to an evaluation and control device 30.
  • a cylindrically curved reflector for the terahertz radiation is shown, the longitudinal axis of which extends in the direction of the longitudinal axis of the strand 10 guided through the device.
  • the center of curvature of the reflector 46 coincides with the center of curvature of the strand 10 to be measured, so that the focal line of the cylindrical reflector 46 coincides with the longitudinal axis of the strand 10.
  • the reflector 46 amplifies the measurement signal and allows even better discrimination of the different measurement signals received by the receiver.
  • the method according to the invention carried out with the device according to the invention shown in FIGS. 1 and 2 operates as follows:
  • the evaluation and control device 30 controls via the line 28 the transmitter of the transceiver 20 for emitting terahertz radiation 24.
  • the transmitter of transceiver 20 emits frequency-modulated continuous-wave terahertz radiation. In particular, one or more frequency bursts are passed through.
  • the transmitter of the transceiver 20 transmits differently modulated terahertz radiation, for example, pulse-modulated terahertz radiation or phase-modulated terahertz radiation.
  • the terahertz radiation 24 is emitted by the radiation optics 22 as shown in FIGS.
  • the terahertz radiation 24 is thereby first partially reflected at the transmitter and receiver facing the outside 16 of the wall 12.
  • the wall 12 is partially permeable to terahertz radiation, wherein the outer surface 16 passing through the radiation component in the further course again partially reflected on the inner surface 18 of the wall 12 before the turn remaining radiation component enters the cavity 14.
  • the radiation component entering into the cavity 14 will in turn be partially reflected at the side of the inner surface 18 of the wall 12 opposite the entrance into the cavity and the radiation component which in turn enters the wall 12 will be at the outer surface 16 of the wall facing away from the transmitter and receiver 12 partially reflected.
  • All of these partially reflected radiation components pass through the radiation optics 22 back to the receiver of the transceiver 20 and are received by it in the form of measurement signals.
  • the beam path of the terahertz radiation coming from the strand 10 back to the receiver of the transceiver 20 is (in the opposite direction) identical to the beam path from the transmitter of the transceiver 20 to the strand 10. Due to the frequency modulation of the continuous wave terahertz radiation emitted by the transmitter the evaluation and control device 30 on the basis of the frequency of the measurement signals received by the receiver to distinguish which part reflected radiation component is in each case. For example, by corresponding transit time measurements, the distances of the transceiver 20 to all the Terahertzstrahlung partially reflecting interfaces can be determined.
  • the evaluation and control device 30 for example, the outer diameter and the inner diameter of the wall 12 of the strand 10 and thus determine the wall thickness of the wall 12.
  • the outer diameter is shown in the figures by way of example at reference numeral 40 and the wall thickness at reference numeral 42. Due to the line-shaped focus of the terahertz radiation on the central longitudinal axis of the strand 10, all rays emitted by the transmitter and focused by the radiation optics 22 are in each case perpendicular to the cross-sectionally circular boundary surfaces.
  • the measuring method according to the invention is independent of a change in diameter of the strand 10 or individual boundary surfaces of the strand 10. It only has to be ensured that the Lienenfokus 26 continues to lie in the center of each circular cross-sectional boundary surfaces. Also in this way from the measurement of flat plates known per se evaluation algorithms for each distance measurement can be used.
  • a transit time variation caused by the material of the strand 10 passed through the device can be exhibited by the transceiver 20 and after transmission of the strand 10 and reflection at the beam Reflector 46 again received by the transceiver 20 terahertz radiation in the determination of the diameter and / or the wall thickness of the strand 10 are taken into account, as explained above.
  • Wall section 12 of the strand 10) is the transit time difference ATw d i between at the transceiver 20 facing outer interface and at the
  • Transceiver 20 facing away from inner boundary surface of the front wall 12 of the strand
  • Wall 12 of strand 10 reflects detected terahertz radiation.
  • Wdi and Wd2 are each first multiplied by - the propagation velocity c of the terahertz radiation (in air) without a strand.
  • wall thickness values would thus result in too large wall thicknesses which, however, must be corrected with knowledge of the propagation time change AT R caused by the strand material as follows: 1
  • W dl + W d2 - (AT wdl + AT wd2 - AT R ) c
  • the transit time change AT R caused by the strand material can be taken into account in the determination of the diameter of the strand 10.
  • the transit time difference AT D is determined between the outer (front) interface of the front wall 12 facing the transceiver 20 and the terahertz radiation reflected at the outer (rear) interface of the rear wall 12 of the strand 10 facing away from the transceiver 20.
  • the diameter D corrected by the transit time change AT R is then given as follows:
  • a plurality of (in the present case four) pairs of transmitters and receivers are provided, in each case in the form of a transceiver 20.
  • the transceivers 20 are distributed along the circumference of the strand 10 along a circular path.
  • spatially separate transmitter and receiver could be provided, for example, opposite each other.
  • Along this circular path can be a circular cylindrical reflector 46 'be provided.
  • a radiation optics (not shown) is provided, which, as explained with reference to FIGS. 1 to 3, focuses the terahertz radiation emitted by the respective transmitter linearly on the central longitudinal axis of the strand 10 in the vertical direction.
  • All of these transceivers 20 can then be connected in a suitable manner to an evaluation and control device (not shown in detail in FIG. 3). It is also conceivable that they each have their own evaluation and control device, these evaluation and control devices can then be connected to each other. From the measured data of the different transmitter-receiver pairs, it is then possible, for example, to determine out-of-roundness of the strand 10 or of individual layers of the strand 10. It is also possible with several pairs of transmitters and receivers to control by the evaluation and control device (s), the transceiver 20 and / or the radiation optics so that a tracking is performed, which ensures that the focus 26 of the terahertz radiation emitted by the transmitters each remaining on the central longitudinal axis of the strand 10.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen des Durchmessers und/oder der Wanddicke eines im Querschnitt im Wesentlichen kreisförmigen und mittels Führungsmitteln in Richtung seiner Längsachse durch die Vorrichtung geführten Strangs, umfassend mindestens einen Sender zum Aussenden von Terahertzstrahlung, wobei mindestens eine Strahlungsoptik vorgesehen ist, die von dem Sender ausgesandte Terahertzstrahlung auf einen durch die Vorrichtung geführten Strang leitet, wobei mindestens einem Sender gegenüberliegend in Strahlungsrichtung der von dem mindestens einen Sender ausgesandten Terahertzstrahlung hinter dem Strang ein Reflektor für die Terahertzstrahlung angeordnet ist, weiter umfassend mindestens einen Empfänger zum Empfangen der von dem mindestens einen Sender ausgesandten und an dem Strang und/oder an dem Reflektor reflektierten Terahertzstrahlung, und umfassend eine Auswerteeinrichtung, die dazu ausgebildet ist, anhand der von dem mindestens einen Empfänger empfangenen Messsignale den Durchmesser und/oder die Wanddicke des Strangs zu bestimmen. Die Erfindung betrifft außerdem ein entsprechendes Verfahren.

Description

Vorrichtung und Verfahren zum Messen des Durchmessers und/oder der Wanddicke eines Strangs
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Messung des Durchmessers und/oder der Wanddicke eines im Querschnitt im Wesentlichen kreisförmigen Strangs. Zur Messung der Wanddicke von strangförmigen Gütern, beispielsweise elektrischen Kabeln, Schläuchen oder Rohren, sind Ultraschallmessvorrichtungen bekannt. Nachteilig bei Ultraschallmessvorrichtungen ist das Erfordernis einer Berührung des zu vermessenden Strangs mit einem Kontaktmedium. Die Dichte, die Temperatur und die Qualität des Mediums, in der Regel Wasser, haben einen starken Einfluss auf das Messergebnis. Darüber hinaus sind Messergebnisse solcher Ultraschallmessvorrichtungen abhängig von der Temperatur des Strangs, insbesondere der zu messenden Wanddicke. Weiterhin geben bekannte Ultraschallmessgeräte keine Auskunft über den Durchmesser oder die Unrundheit eines Strangs. Geschäumte oder teilweise geschäumte Produkte haben eine zu hohe Absorption für Ultraschallwellen und können daher ebenfalls mit Ultraschallmessgeräten nicht gemessen werden.
Es sind auch sogenannte Terahertz-Messgeräte bekannt, bei denen ein Sender Terahertzstrahlung in einem Frequenzbereich von etwa 0,05 bis 3 Terahertz aussendet, diese Strahlung an einem zu vermessenden Produkt reflektiert wird und die reflektierte Strahlung von einem geeigneten Empfänger empfangen wird. Mit den bekannten Terahertz-Messgeräten werden allerdings lediglich Abstände oder Wanddicken von ebenen Produkten gemessen, zum Beispiel von Platten. Dazu wird die Terahertzstrahlung auf die Oberfläche der zu messenden Platte fokussiert. Eine Reflektionsmessung zur Bestimmung des Abstandes oder der Wanddicke ist dann vergleichsweise einfach. Sollen mit solchen Messgeräten allerdings Durchmesser oder Wanddicken von zylindrischen Strangprodukten, also beispielsweise Kabeln, Rohren oder Schläuchen gemessen werden, wäre eine Nachführung des Sensors zur optimalen Fokus sierung auf die Oberfläche des zu messenden Strangs erforderlich. Besonders gilt dies bei veränderlichen Durchmessern des zu vermessenden Strangs. Hiermit ist ein erheblicher messtechnischer Aufwand verbunden. Nachteilig ist weiterhin, dass für jeden Krümmungsradius eines zu vermessenden Strangs die Algorithmen zur Auswertung der Messsignale neu angepasst werden müssen. Hiermit ist ein erheblicher auswertungstechnischer Aufwand verbunden. Insbesondere bei (teil-)transparenten Strängen besteht darüber hinaus das Problem der Auswertung mehrfach reflektierter Strahlungsanteile.
Ausgehend von dem erläuterten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren der eingangs genannten Art bereitzustellen, mit denen in messtechnisch und auswertungstechnisch einfacher Weise zuverlässig und mit möglichst geringen Einflüssen äußerer Parameter, wie der Temperatur, der Durchmesser und/oder die Wanddicke eines im Querschnitt im Wesentlichen kreisförmigen Strangs gemessen werden kann.
Die Erfindung löst die Aufgabe durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche 1 und 14. Vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den Figuren.
Die Erfindung löst die Aufgabe einerseits durch eine Vorrichtung zum Messen des Durchmessers und/oder der Wanddicke eines im Querschnitt im Wesentlichen kreisförmigen und mittels Führungsmitteln in Richtung seiner Längsachse durch die Vorrichtung geführten Strangs, umfassend mindestens einen Sender zum Aussenden von Terahertzstrahlung, wobei mindestens eine Strahlungsoptik vorgesehen ist, die von dem Sender ausgesandte Terahertzstrahlung auf einen durch die Vorrichtung geführten Strang leitet, wobei mindestens einem Sender gegenüberliegend in Strahlungsrichtung der von dem mindestens einen Sender ausgesandten Terahertzstrahlung hinter dem Strang ein Reflektor für die Terahertzstrahlung angeordnet ist, weiter umfassend mindestens einen Empfänger zum Empfangen der von dem mindestens einen Sender ausgesandten und an dem Strang und/oder an dem Reflektor reflektierten Terahertz Strahlung, und umfassend eine Auswerteeinrichtung, die dazu ausgebildet ist, anhand der von dem mindestens einen Empfänger empfangenen Messsignale den Durchmesser und/oder die Wanddicke des Strangs zu bestimmen.
Außerdem löst die Erfindung die Aufgabe durch ein Verfahren zum Messen des Durchmessers und/oder der Wanddicke eines im Querschnitt im Wesentlichen kreisförmigen Strangs, bei dem ein Strang in Richtung seiner Längsachse durch die Vorrichtung geführt wird, bei dem weiterhin mindestens ein Sender Terahertzstrahlung aussendet, wobei die von dem mindestens einen Sender ausgesandte Terahertzstrahlung durch mindestens eine Strahlungsoptik auf einen durch die Vorrichtung geführten Strang geleitet wird, wobei die von mindestens einem Sender ausgesandte Terahertzstrahlung von dem Strang und/oder mindestens einem gegenüberliegend zu dem mindestens einen Sender und in Strahlungsrichtung der ausgesandten Terahertzstrahlung hinter dem Strang liegenden Reflektor reflektiert und von mindestens einem Empfänger empfangen wird, und bei dem anhand der von dem mindestens einen Empfänger empfangenen Messsignale der Durchmesser und/oder die Wanddicke des Strangs bestimmt wird.
Der erfindungsgemäß vermessene Strang ist im Wesentlichen kreiszylindrisch und wird mit Führungsmitteln durch die Vorrichtung geführt. Insbesondere erfolgt eine Relativbewegung zwischen dem Strang und dem Sender und Empfänger der Vorrichtung in Axialrichtung des Strangs. Beispielsweise kann der Strang durch die Führungsmittel bzw. einen geeigneten Antrieb der Führungsmittel in Richtung seiner Längsachse durch die Vorrichtung bzw. die Sender und Empfänger hindurchgeführt bzw. bewegt werden. Die Führungsmittel können Teil der erfindungsgemäßen Vorrichtung sein oder getrennt von dieser, beispielsweise Teil einer größeren Anlage zur Herstellung und/oder Verarbeitung des Strangs, sein. Der Sender und Empfänger bzw. die Strahlungsoptik sind insbesondere so ausgerichtet, dass die optische Achse von Sender und Empfänger bzw. Strahlungsoptik im Wesentlichen senkrecht zur Längsachse des Strangs liegt. Die von dem Sender ausgesandte Terahertzstrahlung wird dann also durch die Strahlungsoptik im Wesentlichen senkrecht auf den Strang geleitet. Der Strang kann aus mehreren Wandabschnitten aufgebaut sein. Diese Wandabschnitte können jeweils im Wesentlichen kreiszylindrisch bzw. hohlkreiszylindrisch ausgebildet sein. Einzelne oder alle Wandabschnitte können (teil-)durchlässig für die Terahertzstrahlung sein.
Der mindestens eine Sender sendet Terahertzstrahlung aus, die entsprechend von dem mindestens einen Empfänger empfangen wird. Ein möglicher Frequenzbereich für die von dem mindestens einen Sender ausgesandte Terahertzstrahlung beträgt 0,05 bis 3 Terahertz. Sender und Empfänger sind mit einer Auswerteeinrichtung verbunden, insbesondere über geeignete Leitungen. Die Auswerteeinrichtung kann den mindestens einen Sender und/oder den mindestens einen Empfänger auch ansteuern. Insbesondere kann die Auswerteeinrichtung den mindestens einen Sender zum Aussenden von Terahertzstrahlung ansteuern. Damit kennt die Auswerteeinrichtung den Startzeitpunkt für eine etwaige Laufzeitmessung. Anhand des Zeitpunkts, zu dem der Empfänger ein reflektiertes Signal empfängt und dies an die Aus Werteeinrichtung übermittelt, kann die Laufzeit der an dem zu vermessenden Strang und/oder dem Reflektor reflektierten Terahertzstrahlung durch die Auswerteeinrichtung bestimmt werden.
Gegenüberliegend zu zumindest einem Sender in Strahlungsrichtung der von dem Sender ausgesandten Terahertzstrahlung hinter dem Strang ist ein Reflektor für die Terahertzstrahlung angeordnet ist. Der Reflektor kann ein zylindrisch gewölbter Reflektor sein, dessen Längsachse in Richtung der Längsachse eines durch die Vorrichtung geführten Strangs verläuft. Der Krümmungsmittelpunkt des Reflektors fällt dann insbesondere mit dem Krümmungsmittelpunkt des zu vermessenden Strangs zusammen. Die Brennlinie des hohlzylindrischen Reflektors fällt dann also mit der Längsachse des Strangs zusammen und kann mit der Brennlinie der Terahertzstrahlung zusammen fallen. Ein Reflektor verstärkt das Messsignal, weil auch die durch den Reflektor zurück zu dem Empfänger geleiteten Signale zur Auswertung kommen können. Außerdem erlaubt der Reflektor eine noch bessere Diskriminierung der unterschiedlichen von dem oder den Empfängern empfangenen Messsignale, besonders bei Mehrfachreflektionen. So gestattet ein Reflektor die getrennte Auswertung der Sender/Empfänger zugewandten bzw. abgewandten Vorder- und Rückseite eines Stranges und kann somit Störungen durch Mehrfachreflektionen vermeiden. Insbesondere gestattet ein Reflektor eine Messung durch Reflektionen der Terahertzstrahlung an Grenzflächen des Strangs sowohl auf dem Hinweg der Strahlung von dem Sender zu dem Reflektor als auch auf dem Rückweg der Strahlung von dem Reflektor zu dem Empfänger. So können beispielsweise Laufzeiten verglichen werden von Signalen, die einerseits von dem Sender/Empfänger direkt zum Reflektor und zurück zum Sender/Empfänger gelangen und die andererseits von dem Sender/Empfänger direkt zum Reflektor gelangen, dann von dem Reflektor kommend an der rückwärtigen Strangwand bzw. den innen und außen liegenden Grenzflächen der rückwärtigen Strangwand reflektiert werden, zurück zum Reflektor gelangen und von diesem erneut reflektiert zurück zum Sender/Empfänger gelangen. Aus diesem Laufzeitunterschied kann auf den Abstand der rückwärtigen Strangwand zum in seiner Position bekannten Reflektor bzw. die Wanddicke der dem Reflektor zugewandten rückwärtigen Strangwand bzw. auf den Durchmesser des Stranges geschlossen werden. Die Auswerteeinrichtung der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann entsprechend hierzu ausgebildet sein. Der Reflektor simuliert dann einen weiteren Sender. Mit Hilfe des Reflektors kann die dem Reflektor zugewandte Seite eines Stranges also auch dann verlässlich gemessen werden, wenn das ursprüngliche Empfangs signal von der rückwärtigen Strangwand durch Mehrfachreflektionen zwischen Sender/Empfänger und den Sender/Empfänger zugewandten Grenzflächen eines Strangs gestört ist.
Das Messergebnis störende Mehrfachreflektionen treten beispielsweise dann auf, wenn der Abstand von Sender/Empfänger zur zugewandten Oberfläche des Strangs gleich dem Durchmesser des Stranges ist. Ist Si der Abstand von Sender/Empfänger zu der zugewandten Oberfläche des Strangs und d der Durchmesser des Strangs, so gilt dann
4Si = 2 (Si + d)
Es treffen also Strahlenechos von der dem Sender/Empfänger abgewandten Rückwand des Stranges zeitgleich mit doppelt zwischen dem Sender/Empfänger und der Sender/Empfänger zugewandten Oberfläche des Stranges reflektierten Strahlen am Empfänger ein. Dies führt zu einer Störung des Messergebnisses. Störungen durch Mehrfachreflektionen zwischen dem Reflektor und der ihm zugewandten Oberfläche des Stranges treten für von dem Reflektor kommende Signale bei einem Strangdurchmesse d 0 dagegen nicht auf. Gleiches gilt für von dem Reflektor kommende Signale hinsichtlich etwaiger Störungen durch Mehrfachreflektionen innerhalb des Stranges. Für den Fall, dass d = Si ist, kann die Lage bzw. die Dicke der dem Reflektor zugewandten rückwärtigen Strangwand dann also in der oben erläuterten Weise gemessen werden, indem der Reflektor in der erläuterten Weise als Simulation eines weiteren Senders genutzt wird.
Auch besteht die Möglichkeit durch eine (geringe) Veränderung des Werts si den Einfluss von Mehrfachreflektionen auf andere Durchmesserwerte d zu verschieben, und dadurch in einen Durchmesserbereich, der für den jeweiligen Anwendungsfall nicht relevant ist. Darüber hinaus schirmt der Reflektor die Strahlung der Hochfrequenz verlässlich ab und verhindert, dass Hochfrequenzstrahlung nach außen in die Umgebung der Messvorrichtung gelangt. Auch kann mit Hilfe des Reflektors die Laufzeit der Terahertz-Strahlung in der Vorrichtung ohne durch die Vorrichtung geführten Strang gemessen werden. Diese Laufzeit kann verglichen werden mit der Laufzeit der Terahertz-Strahlung in der Vorrichtung bei durch die Vorrichtung geführtem Strang. Wie weiter unten noch näher erläutert werden wird, kann auf diese Weise die Durchmesser- und Wanddickenbestimmung unabhängig von den Eigenschaften des Strangmaterials und damit ohne Kenntnis der genauen Eigenschaften des Strangmaterials erfolgen. Auch können auf diese Weise der Brechungsindex und die Absorption des Strangmaterials bestimmt werden.
Soweit der zu vermessende Strang bzw. seine Schichten eine (Teil-)Durchlässigkeit für die Terahertz Strahlung aufweisen, wie dies beispielsweise bei Plastikrohren oder Plastikschläuchen der Fall ist, kann erfindungs gemäß auch die dem Sensor abgewandte rückwärtige Außenseite des Strangs gemessen werden, da es auch an dieser rückwärtigen Außenseite zu einer Reflektion der Terahertz Strahlung kommt. Auf diese Weise ist also eine Wanddickenmessung oder eine Durchmessermessung des Strangs möglich. Insbesondere kann es an der dem Sender und Empfänger zugewandten Außenseite des Strangs, an der dem Sender und Empfänger abgewandten rückwärtigen Außenseite des Strangs und an einigen oder sämtlichen Grenzflächen zwischen unterschiedlichen Schichten des Strangs zu (Teil-)Reflekt- ionen der Terahertzstrahlung kommen. Beispielsweise durch Auswertung der Laufzeitdifferenz zwischen an der dem Sender/Empfänger zugewandten vorderen Außenseite des Strangs reflektierter Strahlung und an der dem Sender/Empfänger abgewandten rückwärtigen Außenseite des Strangs reflektierter Strahlung kann der Durchmesser des Strangs ermittelt werden. Die Wanddicke einer bestimmten Schicht des Strangs kann entsprechend durch Auswertung der Laufzeitdifferenz zwischen an der dem Sender/Empfänger zugewandten äußeren Grenzfläche der interessierenden Schicht des Strangs reflektierter Strahlung und an der dem Sender/Empfänger abgewandten inneren Grenzfläche der interessierenden Schicht des Strangs reflektierter Strahlung ermittelt werden.
Insgesamt ergibt sich mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. dem erfindungsgemäßen Verfahren ein verringerter Aufwand sowohl in messtechnischer als auch in auswertungstechnischer Hinsicht bei gleichzeitig zuverlässiger Messung des Durchmessers und/oder der Wanddicke eines im Querschnitt im Wesentlichen kreisförmigen Strangs bei minimierten Einflüssen äußerer Parameter, wie Temperatur etc.
Nach einem Ausführungsbeispiel kann durch eine geeignete Strahlungsoptik, umfassend beispielsweise eine oder mehrere geeignete Linsen, die von dem mindestens einen Sender ausgesandte Terahertzstrahlung als Fokus- bzw. Brennlinie auf die (zentrale) Längsachse bzw. Zylinderachse des zu vermessenden Strangs fokussiert werden. In einer Ebene senkrecht zur Längsrichtung des Strangs gesehen liegt der Fokus der von dem mindestens einen Sender ausgesandten Terahertzstrahlung dann also im Kreismittelpunkt des Strangs und nicht, wie im Stand der Technik, auf der Oberfläche. Es versteht sich, dass die an Flächen des Strangs reflektierte Terahertzstrahlung wieder durch die mindestens eine Strahlungsoptik zu dem mindestens einen Empfänger geleitet werden kann. Der Strahlengang der von dem Strang reflektierten Terahertzstrahlung zu dem mindestens einen Empfänger kann bis auf die Richtungsumkehr identisch zu dem Strahlengang von dem mindestens einen Sender zu dem Strang sein. Indem erfindungs gemäß die Terahertzstrahlung auf eine auf der (zentralen) Längsachse des Strangs liegende Brennlinie fokussiert wird, ist die Richtung sämtlicher von dem mindestens einen Sender ausgehender Strahlen jederzeit und auch bei verändertem Strangdurchmesser jeweils senkrecht auf der im Querschnitt im Wesentlichen kreisförmigen Oberfläche bzw. auf den im Querschnitt ebenfalls im Wesentlichen kreisförmigen Grenzflächen zwischen unterschiedlichen zylindrischen bzw. hohlzylindrischen Schichten des Strangs. Auf diese Weise können zur Auswertung an sich bekannte Algorithmen zur Abstands- oder Wanddickenmessung, wie sie beispielsweise bei ebenen Produkten wie Platten zum Einsatz kommen, auch bei einem zylindrischen Strang verwendet werden. Darüber hinaus können auch bei unterschiedlichen bzw. sich ändernden Strangdurchmessern immer dieselben Auswertealgorithmen verwendet werden. Solange die Terahertz Strahlung auf die Längsachse des Strangs fokussiert bleibt, ist bei einer Durchmesseränderung des Strangs kein Nachführen der erfindungsgemäßen Messvorrichtung erforderlich.
Wie bereits erläutert, kann die optische Achse des mindestens einen Senders und des mindestens einen Empfängers im Wesentlichen senkrecht zur Längsachse des Strangs liegen. Weiterhin können die Randstrahlen der durch die mindestens eine Strahlungsoptik fokussierten Terahertz Strahlung eine Keilform bilden, wobei die den spitzen Winkel der Keilform begrenzenden Seitenflächen der Keilform spiegelsymmetrisch zu einer durch die Längsachse des durch die Vorrichtung geführten Strangs verlaufenden Mittelebene (Äquatorialebene) liegen. Besonders einfach lässt sich der linienförmige Fokus der Terahertz Strahlung auf den Strang erreichen, wenn die mindestens eine Strahlungsoptik mindestens eine Zylinderlinse umfasst. Natürlich sind als Strahlungsoptik auch andere Antennenausgestaltungen denkbar als die vorstehend beschriebenen Linsen. Beispielsweise kann eine kombinierte Bikonvex-/Zylinderlinse zum Einsatz kommen.
Alternativ zu einem Linienfokus kann die Strahlungsoptik die Terahertzstrahlung aber auch beispielsweise (möglichst eng gebündelt) fächerförmig auf den Strang fokussieren. Dies bietet eine besonders einfache und preiswerte Ausführung. Nach einer weiteren Alternative kann die Strahlungsoptik die Terahertzstrahlung parallel auf den Strang leiten. Dies hat den Vorteil, dass geringe Positionsveränderungen des zu prüfenden Stranges senkrecht zur Abstrahlrichtung wenig Einfluss auf das Messergebnis haben. Nach einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung kann der mindestens eine Sender modulierte Dauerstrich-Terahertzstrahlung aussenden, insbesondere frequenzmodulierte Dauerstrich-Terahertzstrahlung. Die Frequenzmodulation kann einen Frequenz-Burst oder mehrere Frequenz-Bursts umfassen. Insbesondere kann ein sogenannter Frequenzsweep erfolgen, bei dem ein vorgegebener Frequenzbereich ein- oder mehrmals durchgefahren wird.
Es ist aber beispielsweise auch möglich, dass der mindestens eine Sender impulsmodulierte Terahertzstrahlung oder phasenmodulierte Terahertzstrahlung aussendet. Beispielsweise kann ein sogenanntes Time Domain Reflectometry Verfahren oder Frequency Domain Reflectometry Verfahren zum Einsatz kommen. Auch das Versenden mehrerer diskreter Frequenzen anstelle eines Frequenz Spektrums ist denkbar. Solche Verfahren sind an sich bekannt.
Bei dem Strang kann es sich beispielsweise um ein (kreis-)zylinderförmiges elektrisches Kabel mit einem (kreis-)zylindrischen elektrischen Leiter aus Metall, gegebenenfalls einem im Wesentlichen hohl(kreis-)zylindrischen Abschirmgeflecht und einer hohl(kreis-)zylindrischen Kunststoffummantelung als Isolierung handeln. Ebenso kann es sich um ein Rohr, beispielsweise aus einem Kunststoff, handeln. Durch eine Modulation des von dem mindestens einen Sender ausgesandten Dauerstrich-Strahlungssignals (beispielsweise FMCW) ist es besonders einfach möglich, an unterschiedlichen Grenzflächen eines aus mehreren Schichten aufgebauten zylindrischen Strangs reflektierte Strahlung im Empfänger bzw. in der Auswerteeinrichtung anhand der jeweiligen Frequenz der empfangenen Strahlung zu unterscheiden. Damit können zuverlässig die Abstände des Senders bzw. Empfängers zu unterschiedlichen Grenzschichten des Strangs und damit die Wanddicke beispielsweise einer Kunststoffummantelung eines elektrischen Kabels oder der Durchmesser eines Strangs bestimmt werden. Es kann weiter vorgesehen sein, dass die Auswerteeinrichtung den Durchmesser und/oder die Wanddicke des Strangs anhand einer Laufzeitmessung der von dem mindestens einen Sender ausgesandten Terahertz Strahlung bestimmt.
Ein besonders einfacher Aufbau ergibt sich, wenn der mindestens eine Sender und der mindestens eine Empfänger durch mindestens einen Terahertz-Transceiver gebildet sind. Ein Transceiver ist ein kombinierter Sender (Transmitter) und Empfänger (Receiver). Sender und Empfänger sind dann praktisch ortsgleich angeordnet und haben jederzeit den gleichen Abstand zum Strang bzw. zu den die Terahertzstrahlung reflektierenden Flächen des Strangs, so dass sich die Auswertung beispielsweise bei einer Laufzeitmessung weiter vereinfacht. Natürlich ist es aber auch denkbar, Sender und Empfänger nicht praktisch ortsgleich anzuordnen, sondern beispielsweise einander gegenüberliegend.
Nach einer weiteren Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass mehrere Paare von Sendern und Empfängern zum Aussenden bzw. Empfangen von Terahertzstrahlung vorgesehen sind, vorzugsweise mindestens zwei, weiter vorzugsweise mindestens vier oder mehr als vier, beispielsweise acht Paare von Sendern und Empfängern, wobei für jeden Sender/Empfänger eine Strahlungsoptik vorgesehen ist, wobei die Sender und Empfänger paarweise über den Umfang des durch die Vorrichtung geführten Strangs verteilt angeordnet sind, vorzugsweise entlang einer Kreisbahn. Dabei ist jeweils ein Empfänger jeweils einem Sender zugeordnet und empfängt die Strahlung dieses Senders. Jedes Paar aus Sender und Empfänger kann wiederum durch jeweils einen Transceiver gebildet sein. Dann sind die Transceiver entsprechend über den Umfang des zu vermessenden Strangs verteilt angeordnet.
Es kann dann weiter vorgesehen sein, dass die Auswerteeinrichtung dazu ausgebildet ist, anhand der von den Empfängern jeweils empfangenen Messsignale eine Unrundheit des Strangs zu ermitteln und/oder einzelne oder mehrere Sender und Empfänger oder Strahlungsoptiken so nachzuführen, dass die von den Sendern ausgesandte Terahertz Strahlung jeweils auf die Längsachse eines durch die Vorrichtung geführten Strangs linienförmig fokussiert bleibt. Die Aus werte - einrichtung kann dazu geeignete Antriebe zum Nachführen von Sender und Empfänger oder Strahlungsoptik auf Grundlage der Messergebnisse der einzelnen Empfänger ansteuern. Die Auswerteeinrichtung kann insbesondere eine kombinierte Auswerte- und Steuereinrichtung sein. Es kann ein entsprechender Regelkreis in der Steuereinrichtung aufgebaut werden. Eine etwaige Unrundheit des zu vermessenden Strangs kann aus einem Vergleich der Messergebnisse einzelner Empfänger ebenfalls durch die Auswerteeinrichtung ermittelt werden.
Bei den vorgenannten Ausgestaltungen wird somit der Abstand zwischen Sender/Empfänger und Strang aus unterschiedlichen Richtungen und damit die Wanddicke, der Durchmesser und/oder die Unrundheit des Strangs gemessen, ohne dass ein Nachstellen der Positionen der Sender/Empfänger erforderlich ist. Dies gilt insbesondere bei der Verwendung von mindestens zwei Paaren von Sender/Empfänger. So können pro Sender/Empfänger Paar zwei Messorte vorliegen, an denen eine Reflektionsmessung der Terahertzstrahlung erfolgt, beispielsweise an der Vorder- und Rückseite einer reflektierenden Fläche oder Schicht des Strangs. In diesem Fall ist durch die an drei Messorten ermittelten Abstände ein Kreis definiert. Unter Nutzung eines vierten Messortes kann dann eine Unrundheit erkannt werden. Eine Fokussierung auf die Oberfläche des Stranges, wie im Stand der Technik vorgesehen, würde dagegen einen Abstandsabgleich erfordern, falls sich der Durchmesser des Strangs ändert. Natürlich müsste dann auch die Position der einzelnen Sender/Empfänger bezüglich Ihres Abstandes zur Oberfläche des Strangs gemessen und gegebenenfalls einer Auswerteeinrichtung mitgeteilt werden, wenn auch der Durchmesser und die Unrundheit des Stranges gemessen werden soll. Insbesondere anstelle der vorgenannten Ausgestaltung mit mehreren Paaren von Sendern und Empfängern ist es auch möglich, dass mindestens ein Paar aus einem Sender zum Aussenden von Terahertz Strahlung und einem Empfänger zum Empfangen der von dem Sender ausgesandten Terahertz Strahlung, beispielsweise zwei Paare aus Sender und Empfänger, während eines Messvorgangs um die Längsachse des Strangs gedreht wird, vorzugsweise entlang einer Kreisbahn. Bei dem Paar bzw. den Paaren von Sender und Empfänger kann es sich wiederum um einen Transceiver handeln. Durch das Rotieren des Sender/Empfänger Paars um den Strang kann das Vorhandensein mehrerer Paare von Sendern und Empfängern simuliert werden. Auf diese Weise können in einfacher und zuverlässiger Weise Unstetigkeiten der Form des Stranges festgestellt werden, beispielsweise ein sogenanntes Sagging, wie es beispielsweise im Zuge der Extrusion des Strangmaterials entstehen kann.
Damit kann eine Auswertung erfolgen wie sie grundsätzlich oben zu mehreren Paaren von Sendern und Empfängern beschrieben ist. Insbesondere kann die Auswerteeinrichtung dazu ausgebildet sein, anhand der von dem rotierenden Empfänger im Zuge seiner Rotation empfangenen Messsignale eine Unrundheit des Strangs zu ermitteln und/oder den rotierenden Sender bzw. Empfänger oder die Strahlungsoptik so nachzuführen, dass die von dem rotierenden Sender ausgesandte Terahertzstrahlung jeweils auf die Längsachse eines durch die Vorrichtung geführten Strangs linienförmig fokussiert bleibt. Die Aus Werteeinrichtung kann dazu wiederum geeignete Antriebe zum Nachführen von Sender bzw. Empfänger oder Strahlungsoptik auf Grundlage der Messergebnisse ansteuern. Die Auswerteeinrichtung kann wiederum eine kombinierte Auswerte- und Steuereinrichtung sein. Es kann wiederum ein entsprechender Regelkreis in der Steuereinrichtung aufgebaut werden. Eine etwaige Unrundheit des zu vermessenden Strangs kann aus einem Vergleich der Messergebnisse des rotierenden Empfängers ebenfalls durch die Auswerteeinrichtung ermittelt werden. Wie bereits erwähnt, kann der erfindungsgemäß vermessene zylindrische Strang ein elektrisches Kabel, ein Rohr, vorzugsweise ein Kunststoffrohr, oder ein Schlauch, vorzugsweise ein Kunststoffschlauch, sein. Denkbar ist beispielsweise ein kunststoffummanteltes Metallrohr oder auch ein Kunststoffrohr mit einer Metallschicht, zum Beispiel als Dampfsperre. Das Rohr oder der Schlauch können hohlkreiszylindrisch sein. Ein elektrisches Kabel kann insbesondere einen oder mehrere vorzugsweise kreiszylindrische metallische Leiter, gegebenenfalls eine hohlkreiszylindrische metallische Abschirmung und eine oder mehrere hohlkreiszylindrische Mantelschichten (Isolierschichten), vorzugsweise aus Kunststoff, besitzen, die den bzw. die metallischen Leiter umgeben.
In weiter vorteilhafter Weise kann eine durch das Material des durch die Vorrichtung geführten Strangs verursachte Laufzeitänderung der von dem mindestens einen Sender ausgesandten und nach Durchstrahlen des Strangs von dem mindestens einen Empfänger empfangenen Terahertz Strahlung bei der Bestimmung des Durchmessers und/oder der Wanddicke(n) des Strangs berücksichtigt werden.
Wie erwähnt, kann es sich bei dem durch die Vorrichtung geführten Strang um einen hohlzylindrischen Strang aus einem Kunststoff, beispielsweise ein Kunststoffrohr, handeln. Trotz bestimmter Vorgaben an die Hersteller variieren insbesondere die Kunststoffmischungen in der Praxis erheblich. Dadurch ist die genaue Materialzusammensetzung des Strangs oftmals nicht bekannt. Damit sind auch einige für das erfindungs gemäße Messverfahren relevante Materialkonstanten zunächst nicht bekannt und müssten entweder in aufwendiger Weise separat ermittelt werden oder es müssen in dieser Hinsicht nicht notwendigerweise korrekte Annahmen getroffen werden. Relevant sind insbesondere Materialkonstanten, wie der Brechungsindex bzw. die Dielektrizitätszahl bzw. der Absorptionskoeffizient. Diese Materialkonstanten haben unmittelbaren Einfluss auf die erfindungsgemäße Wanddickenbestimmung, da die Terahertzstrahlung abhängig von den genannten Materialkonstanten unterschiedliche Ausbreitungsgeschwindigkeiten in dem Material besitzt. So wird die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Grundwellen der Terahertzstrahlung abhängig von diesen Materialkonstanten unterschiedlich verzögert. Wird beispielsweise bei einer Laufzeitmessung der Terahertzstrahlung für die Durchmesser- oder Wanddickenbestimmung die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Terahertzstrahlung in Luft zugrunde gelegt, kommt es zu einem fehlerhaften Ergebnis, insbesondere fehlerhaft um die durch das Strangmaterial verursachte Verzögerung der Terahertzstrahlung.
Die vorgenannte erfindungs gemäße Ausgestaltung ermöglicht in einfacher und sicherer Weise, solche Fehler auch bei unbekannter Materialzusammensetzung des untersuchten Strangs zu eliminieren. Bevorzugt wird dabei die von dem Sender, bevorzugt einem Transceiver, ausgesandte Terahertzstrahlung nach Durchstrahlen des Strangs von einem Reflektor reflektiert und nach erneutem Durchstrahlen des Strangs von dem Empfänger, bevorzugt wieder von dem Transceiver, empfangen. Die dabei durchgeführte Laufzeitmessung bei durch die Vorrichtung geführtem Strang kann in einfacher Weise mit der entsprechenden Laufzeitmessung bei nicht durch die Vorrichtung geführtem Strang verglichen werden. Aus dem Unterschied dieser beiden Laufzeitmessungen kann auf die durch das Material des Strangs verursachte Änderung der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Terahertzstrahlung geschlossen werden. Auch können der Abstand zwischen Sender und Empfänger bzw. zu dem Reflektor und damit der von der Terahertzstrahlung im Zuge der Laufzeitmessung zurückgelegte Weg bekannt sein. Anhand der bekannten Ausbreitungsgeschwindigkeit der Terahertzstrahlung in Luft kann dann auch auf dieser Grundlage die durch das Material des Strangs verursachte Veränderung der Ausbreitungsgeschwindigkeit in einfacher Weise ermittelt werden. Die so ermittelte, durch das Material des Strangs verursachte Laufzeitänderung kann bei der Bestimmung des Durchmessers und/oder der Wanddicke rechnerisch berücksichtigt werden, um so auch ohne Kenntnis der genauen Materialzusammensetzung präzise den Durchmesser und/oder die Wanddicken des Strangs zu ermitteln. Beispielsweise bei der Durchmesserbestimmung ist es lediglich erforderlich, von dem gemessenen Laufzeitunterschied zwischen an der Vorderseite und an der Rückseite des Strangs reflektierter Terahertzstrahlung die wie oben erläutert ermittelte und durch das Material des Strangs verursachte Laufzeitänderung abzuziehen. In entsprechender Weise ist dies bei der Wanddickenbestimmung eines rohrförmigen Strangs möglich, indem die von den beiden von der Terahertzstrahlung durchstrahlten Wänden verursachte Laufzeitänderung rechnerisch anteilig berücksichtigt wird. Es wird bei dieser Ausgestaltung also messtechnisch und rechnerisch der Einfluss des Strangmaterials auf die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Terahertzstrahlung eliminiert.
Es ist beispielsweise möglich, dass der Durchmesser D des Strangs nach der folgenden Formel bestimmt wird:
D = ^ (ATD - ATR) c
mit:
ATD Laufzeitunterschied zwischen an der dem mindestens einen Empfänger zugewandten äußeren Grenzfläche des Strangs und an der dem mindestens einen Empfänger abgewandten äußeren Grenzfläche des Strangs reflektierter Terahertzstrahlung,
ATR Durch das Material des durch die Vorrichtung geführten Strangs verursachte Laufzeitänderung der von dem mindestens einen Sender ausgesandten und nach Durchstrahlen des Strangs von dem mindestens einen Empfänger empfangenen Terahertzstrahlung, c Ausbreitungsgeschwindigkeit der Terahertzstrahlung in Luft.
Weiterhin ist es möglich, dass die Wanddicke Wdi der dem mindestens einen Empfänger zugewandten Wand bzw. des Wandabschnitts des Strangs und/oder die Wanddicke Wdi der dem mindestens einen Empfänger abgewandten Wand bzw. des Wandabschnitts des Strangs nach folgenden Formeln bestimmt wird:
Figure imgf000019_0001
Figure imgf000019_0002
mit:
Twdl Laufzeitunterschied zwischen an der dem mindestens einen Empfänger zugewandten äußeren Grenzfläche und an der dem mindestens einen Empfänger abgewandten inneren Grenzfläche der dem mindestens einen Empfänger zugewandten Wand des Strangs reflektierter Terahertzstrahlung,
Twd2 Laufzeitunterschied zwischen an der dem mindestens einen Empfänger zugewandten inneren Grenzfläche und an der dem mindestens einen Empfänger abgewandten äußeren Grenzfläche der dem mindestens einen Empfänger abgewandten Wand des Strangs reflektierter Terahertzstrahlung,
ATR Durch das Material des durch die Vorrichtung geführten Strangs verursachte Laufzeitänderung der von dem mindestens einen Sender ausgesandten und nach Durchstrahlen des Strangs von dem mindestens einen Empfänger empfangenen Terahertzstrahlung, c Ausbreitungsgeschwindigkeit der Terahertzstrahlung in Luft Aus der ermittelten Änderung der Ausbreitungsgeschwindigkeit kann auf die diese Änderung verursachenden Materialkonstanten des Strangs geschlossen werden, wie Brechungsindex und/oder Dielektrizitätszahl. Auch kann auf diese Weise auf den Absorptionskoeffizienten und damit die Dämpfung des Strangs geschlossen werden. Dies wiederum kann die Auswertegenauigkeit bei mehrfach an optischen Grenzflächen des Strangs reflektierten Strahlen erhöhen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist insbesondere ausgebildet zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Das erfindungsgemäße Verfahren kann insbesondere unter Verwendung einer erfindungs gemäßen Vorrichtung durchgeführt werden.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand von Figuren näher erläutert. Es zeigen schematisch:
Fig. 1 eine erfindungs gemäße Vorrichtung zur Messung eines ersten Strangs in einer ersten Ansicht,
Fig. 2 die erfindungsgemäße Vorrichtung aus Fig. 1 in einer zweiten Ansicht, und
Fig. 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Messung eines Strangs.
Soweit nichts anderes angegeben ist, bezeichnen in den Figuren gleiche Bezugszeichen gleiche Gegenstände. In Fig. 1 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung und Messanordnung in einer vertikalen Schnittansicht gezeigt. In Fig. 2 ist die Vorrichtung und Messanordnung aus Fig. 1 in einer horizontalen Schnittansicht gezeigt. Bei dem in den Fign. 1 und 2 gezeigten Ausführungsbeispiel wird ein kreiszylindrischer Strang 10 durch geeignete, nicht näher dargestellte Führungs- mittel entlang seiner in Fig. 1 senkrecht in die Zeichenebene hineinzeigenden und in Fig. 2 von unten nach oben zeigenden zentralen Längsachse (Zylinderachse) durch die Vorrichtung gefördert. Bei dem in den Fign. 1 und 2 gezeigten Strang 10 handelt es sich beispielsweise um ein Kunststoffrohr mit einer hohlkreiszylindrischen Wand 12 aus Kunststoff, die einen kreiszylindrischen Hohlraum 14 begrenzt. In der in Fig. 1 gezeigten Querschnittsdarstellung ist gut erkennbar, dass der Strang 10 einen kreisförmigen Querschnitt besitzt. Insbesondere besitzt die Wand 12 des Strangs 10 eine im Querschnitt kreisförmige Außenseite 16 und eine im Querschnitt ebenfalls kreisförmige Innenseite 18, die den Hohlraum 14 begrenzt.
Die in den Fign. 1 und 2 gezeigte erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst einen Sender zum Aussenden von Terahertz Strahlung und einen Empfänger zum Empfangen der von dem Sender ausgesandten Terahertz Strahlung, wobei der Sender und Empfänger in dem dargestellten Beispiel durch einen Terahertz-Transceiver 20 gebildet sind. Natürlich könnten auch räumlich getrennte Sender und Empfänger vorgesehen sein, beispielsweise einander gegenüberliegend. Bei dem Bezugszeichen 22 ist schematisch eine Strahlungsoptik, vorliegend umfassend eine Bikonvexlinse 21 und eine Zylinderlinse 23 für die Terahertz Strahlung dargestellt. Natürlich sind auch andere Strahlungsoptiken denkbar. Beispielsweise könnte eine kombinierte Bikonvex-/Zylinderlinse zum Einsatz kommen. Die Strahlungsoptik 22 fokussiert die von dem Sender ausgesandte Terahertz Strahlung 24 linienförmig derart, dass der linienförmige Fokus 26 der Terahertz Strahlung mit der zentralen Längsachse des Strangs 10 zusammenfällt, in der Querschnittsdarstellung in Fig. 1 also im Mittelpunkt des im Querschnitt kreisförmigen Strangs 10 liegt. Die Randstrahlen der durch die Strahlungsoptik 22 fokussierten Terahertz Strahlung bilden eine Keilform, wie aus einem Vergleich der Figuren 1 und 2 ersichtlich. Die in Fig. 1 bei den Bezugszeichen 17 und 19 gezeigten Seitenflächen der Keilform sind spiegelsymmetrisch zu einer durch die Längsachse des durch die Vorrichtung geführten Strangs 10 verlaufenden Mittelebene (Äquatorialebene). Außerdem ist in den Figuren 1 und 2 erkennbar, dass die optische Achse 25 des aus dem Transceiver 20 und der Strahlungsoptik 22 gebildeten optischen Systems senkrecht zur Längsachse des Strangs 10 liegt. Die von dem Transceiver 20 ausgesandte Terahertzstrahlung wird also durch die Strahlungsoptik 22 senkrecht auf die Längsachse des Strangs geleitet. Der Sender und Empfänger bzw. der Transceiver 20 sind weiterhin über eine Leitung 28 mit einer Auswerte- und Steuereinrichtung 30 verbunden.
Bei dem Bezugszeichen 46 ist ein zylindrisch gewölbter Reflektor für die Terahertzstrahlung gezeigt, dessen Längsachse in Richtung der Längsachse des durch die Vorrichtung geführten Strangs 10 verläuft. Der Krümmungsmittelpunkt des Reflektors 46 fällt mit dem Krümmungsmittelpunkt des zu vermessenden Strangs 10 zusammen, so dass die Brennlinie des zylindrischen Reflektors 46 mit der Längsachse des Strangs 10 zusammenfällt. Der Reflektor 46 verstärkt das Messsignal und erlaubt eine noch bessere Diskriminierung der unterschiedlichen von dem Empfänger empfangenen Messsignale.
Das mit der in Fig. 1 und Fig. 2 dargestellten erfindungs gemäßen Vorrichtung durchgeführte erfindungsgemäße Verfahren arbeitet wie folgt: Die Auswerte- und Steuereinrichtung 30 steuert über die Leitung 28 den Sender des Transceivers 20 zum Aussenden von Terahertzstrahlung 24 an. In dem gezeigten Beispiel sendet der Sender des Transceivers 20 frequenzmodulierte Dauerstrich-Terahertzstrahlung aus. Insbesondere werden ein oder mehrere Frequenz-Bursts durchfahren. Selbstverständlich ist es aber auch möglich, dass der Sender des Transceivers 20 anders modulierte Terahertzstrahlung aussendet, beispielsweise impulsmodulierte Terahertzstrahlung oder phasenmodulierte Terahertzstrahlung. Die Terahertzstrahlung 24 wird von der Strahlungsoptik 22 wie in den Fign. 1 und 2 gezeigt in senkrechter Richtung und linienförmig auf die zentrale Längsachse des Strangs 10 fokussiert, während der Strang 10 entlang seiner Längsachse durch die erfindungsgemäße Vorrichtung gefördert wird. Die Terahertzstrahlung 24 wird dabei zunächst an der dem Sender und Empfänger zugewandten Außenseite 16 der Wand 12 teilreflektiert. Die Wand 12 ist teildurchlässig für Terahertzstrahlung, wobei der die Außenseite 16 durchtretende Strahlungsanteil im weiteren Verlauf wiederum teilreflektiert wird an der Innenfläche 18 der Wand 12 bevor der wiederum verbleibende Strahlungsanteil in den Hohlraum 14 eintritt. Der in den Hohlraum 14 eintretende Strahlungsanteil wird im weiteren Verlauf wiederum teilreflektiert an der dem Eintritt in den Hohlraum gegenüberliegenden Seite der Innenfläche 18 der Wand 12 und der wiederum in die Wand 12 eintretende Strahlungsanteil wird anschließend an der dem Sender und Empfänger abgewandten Außenfläche 16 der Wand 12 teilreflektiert.
Sämtliche dieser teilreflektierten Strahlungsanteile gelangen über die Strahlungsoptik 22 zurück zu dem Empfänger des Transceivers 20 und werden von diesem in Form von Messsignalen empfangen. Der Strahlengang der von dem Strang 10 kommenden Terahertzstrahlung zurück zu dem Empfänger des Transceivers 20 ist dabei (in umgekehrter Richtung) identisch zu dem Strahlengang von dem Sender des Transceivers 20 zu dem Strang 10. Aufgrund der Frequenzmodulation der von dem Sender ausgesandten Dauerstrich-Terahertzstrahlung kann die Auswerte- und Steuereinrichtung 30 anhand der Frequenz der von dem Empfänger empfangenen Messsignalen unterscheiden, um welchen teilreflektierten Strahlungsanteil es sich jeweils handelt. Beispielsweise durch entsprechende Laufzeitmessungen können die Abstände des Transceivers 20 zu sämtlichen die Terahertzstrahlung teilreflektierenden Grenzflächen ermittelt werden. Aus diesen Daten kann die Auswerte- und Steuereinrichtung 30 beispielsweise den Außendurchmesser und den Innendurchmesser der Wand 12 des Strangs 10 und damit die Wanddicke der Wand 12 ermitteln. Der Außendurchmesser ist in den Figuren beispielhaft bei dem Bezugszeichen 40 gezeigt und die Wanddicke bei dem Bezugszeichen 42. Aufgrund der linienförmigen Fokussierung der Terahertzstrahlung auf die zentrale Längsachse des Strangs 10 stehen sämtliche von dem Sender ausgesandten und durch die Strahlungsoptik 22 fokussierten Strahlen jeweils senkrecht auf den im Querschnitt kreisförmigen Grenzflächen. Damit ist das erfindungsgemäße Messverfahren unabhängig von einer Durchmesseränderung des Strangs 10 bzw. einzelner Grenzflächen des Strangs 10. Es muss lediglich gewährleistet sein, dass der Lienenfokus 26 weiterhin im Mittelpunkt der jeweils im Querschnitt kreisförmigen Grenzflächen liegt. Auch sind auf diese Weise aus der Vermessung von ebenen Platten an sich bekannte Auswertealgorithmen für die jeweilige Abstandsmessung einsetzbar.
Außerdem kann mit dem in den Figuren 1 und 2 (und dem in Fig. 3) gezeigten Aufbau eine durch das Material des durch die Vorrichtung geführten Strangs 10 verursachte Laufzeitänderung der von dem Transceiver 20 ausgesandten und nach Durchstrahlen des Strangs 10 und der Reflektion an dem Reflektor 46 wieder von dem Transceiver 20 empfangenen Terahertzstrahlung bei der Bestimmung des Durchmessers und/oder der Wanddicken des Strangs 10 berücksichtigt werden, wie oben erläutert.
Dies soll nachfolgend anhand eines Beispiels erläutert werden.
Für die Laufzeit TR der Terahertzstrahlung von dem Transceiver 20 bis zum gegenüberliegen Reflektor 46 und zurück gilt ohne laufzeitverlängerndes Strangmaterial im Strahlungsweg:
Figure imgf000024_0001
s= Abstand Transceiver 20 zum Reflektor 46 c= Ausbreitungsgeschwindigkeit der Terahertzstrahlung ohne Strangmaterial, ~ 3 x 108 m/s
Befindet sich dagegen ein rohrföraiiger Strang 10 zwischen dem Transceiver 20 und dem Reflektor 46, dann wird die Laufzeit TR der den Strang 10 auf dem Weg vom Transceiver 20 zum Reflektor 46 und zurück durchstrahlenden Strahlung um ATR verlängert, weil beim Durchdringen der Wanddicken 12 die Ausbreitungsgeschwindigkeit, abhängig von den Eigenschaften des Materials wie erläutert verringert wird.
Für die Berechnung der Wanddicken Wdi (Dicke der dem Transceiver 20 zugewandten vorderen Wand 12 bzw. Wandabschnitt 12 des Strangs 10) und Wdi
(Dicke der dem Transceiver 20 abgewandten rückseitigen Wand 12 bzw.
Wandabschnitt 12 des Strangs 10) wird der Laufzeitunterschied ATwdi zwischen an der dem Transceiver 20 zugewandten äußeren Grenzfläche und an der dem
Transceiver 20 abgewandten inneren Grenzfläche der vorderen Wand 12 des Strangs
10 reflektierter Terahertzstrahlung ermittelt, und es wird der Laufzeitunterschied
ATWd2 zwischen an der dem Transceiver 20 zugewandten inneren Grenzfläche und an der dem Transceiver 20 abgewandten äußeren Grenzfläche der rückseitigen
Wand 12 des Strangs 10 reflektierter Terahertzstrahlung ermittelt. Diese
Laufzeitunterschiede ATwdi und ATwd2 werden für die Berechnung der Wanddicken
i
Wdi und Wd2 zunächst jeweils mit - der Ausbreitungsgeschwindigkeit c der Terahertzstrahlung (in Luft) ohne Strang multipliziert.
Wegen der materialabhängigen, geringeren Ausbreitungsgeschwindigkeit der Terahertzstrahlung in den Wandabschnitten 12 des Strangs 10 würden sich auf diese Weise zu große Wanddickenwerte ergeben, die allerdings mit Kenntnis der durch das Strangmaterial verursachten Laufzeitänderung ATR wie folgt zu korrigieren sind: 1
Wdl + Wd2 = - (ATwdl + ATwd2 - ATR) c
Für die einzelnen Wanddicken muss die Laufzeitverlängerung entsprechend anteilig abgezogen werden. Es ergibt sich für die einzelnen Wanddicken folglich:
Figure imgf000026_0001
Figure imgf000026_0002
In entsprechender Weise kann die durch das Strangmaterial verursachte Laufzeitänderung ATR bei der Bestimmung des Durchmessers des Strangs 10 berücksichtigt werden. Für die Durchmesserbestimmung wird der Laufzeitunterschied ATD zwischen an der dem Transceiver 20 zugewandten äußeren (vorderen) Grenzfläche der vorderen Wand 12 und an der dem Transceiver 20 abgewandten äußeren (rückseitigen) Grenzfläche der rückseitigen Wand 12 des Strangs 10 reflektierter Terahertz Strahlung ermittelt. Der um die Laufzeitänderung ATR korrigierte Durchmesser D ergibt sich dann wie folgt:
1
D = - {ATD - ATR) c
Bei dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel sind mehrere (vorliegend vier) Paare von Sendern und Empfängern vorgesehen, vorliegend jeweils in Form eines Transceivers 20. Die Transceiver 20 sind entlang einer Kreisbahn über den Umfang des Strangs 10 verteilt angeordnet. Natürlich könnten wiederum auch räumlich getrennte Sender und Empfänger vorgesehen sein, beispielsweise einander gegenüberliegend. Entlang dieser Kreisbahn kann ein kreiszylindrischer Reflektor 46 'vorgesehen sein. Es ist jeweils eine nicht dargestellte Strahlungsoptik vorgesehen, die die von dem jeweiligen Sender ausgesandte Terahertzstrahlung wie zu den Figuren 1 bis 3 erläutert in senkrechter Richtung linienförmig auf die zentrale Längsachse des Strangs 10 fokussiert. Sämtliche dieser Transceiver 20 können dann mit einer in Fig. 3 nicht näher dargestellten Auswerte- und Steuereinrichtung in geeigneter Weise verbunden sein. Es ist auch denkbar, dass sie jeweils über eine eigene Auswerte- und Steuereinrichtung verfügen, wobei diese Auswerte- und Steuereinrichtungen dann miteinander verbunden sein können. Aus den Messdaten der verschiedenen Sender-Empfängerpaare kann dann beispielsweise eine Unrundheit des Strangs 10 bzw. einzelner Schichten des Strangs 10 ermittelt werden. Auch ist es bei mehreren Paaren von Sendern und Empfängern möglich, durch die Auswerte- und Steuereinrichtung(en) die Transceiver 20 und/oder die Strahlungsoptiken so anzusteuern, dass eine Nachführung erfolgt, die sicherstellt, dass der Fokus 26 der von den Sendern ausgesandten Terahertzstrahlung jeweils auf der zentralen Längsachse des Strangs 10 verbleibt.
Obgleich bei den anhand der Figuren erläuterten Ausführungsbeispiele eine linienförmige Fokussierung der Terahertzstrahlung auf die zentrale Längsachse des Strangs 10 beschrieben ist, wären jeweils auch andere Strahlführungen denkbar, beispielsweise eine (möglichst eng gebündelte) fächerförmige Fokussierung auf den Strang oder eine parallele Führung der Terahertzstrahlung auf den Strang.

Claims

Ansprüche
1. Vorrichtung zum Messen des Durchmessers und/oder der Wanddicke eines im Querschnitt im Wesentlichen kreisförmigen und mittels Führungsmitteln in Richtung seiner Längsachse durch die Vorrichtung geführten Strangs (10, 10'), umfassend mindestens einen Sender zum Aussenden von Terahertzstrahlung (24), wobei mindestens eine Strahlungsoptik (22) vorgesehen ist, die von dem Sender ausgesandte Terahertzstrahlung (24) auf einen durch die Vorrichtung geführten Strang (10, 10') leitet, wobei mindestens einem Sender gegenüberliegend in Strahlungsrichtung der von dem mindestens einen Sender ausgesandten Terahertzstrahlung (24) hinter dem Strang (10, 10') ein Reflektor (46, 46') für die Terahertzstrahlung (24) angeordnet ist, weiter umfassend mindestens einen Empfänger zum Empfangen der von dem mindestens einen Sender ausgesandten und an dem Strang (10, 10') und/oder an dem Reflektor (46, 46') reflektierten Terahertzstrahlung (24), und umfassend eine Auswerteeinrichtung (30), die dazu ausgebildet ist, anhand der von dem mindestens einen Empfänger empfangenen Messsignale den Durchmesser und/oder die Wanddicke des Strangs (10, 10') zu bestimmen.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Strahlungsoptik (22) die von dem Sender ausgesandte Terahertzstrahlung (24) linienförmig fokussiert, derart dass der linienförmige Fokus mit der Längsachse eines durch die Vorrichtung geführten Strangs (10, 10') zusammen fällt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Randstrahlen der durch die mindestens eine Strahlungsoptik fokussierten Terahertzstrahlung eine Keilform bilden, wobei die Seitenflächen (17, 19) der Keilform spiegelsymmetrisch zu einer durch die Längsachse des durch die Vorrichtung geführten Strangs (10, 10') verlaufenden Mittelebene liegen.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Sender modulierte Dauerstrich- Terahertzstrahlung (24) aussendet, insbesondere frequenzmodulierte Dauerstrich-Terahertzstrahlung (24) und/oder dass der mindestens eine Sender impulsmodulierte Terahertzstrahlung oder phasenmodulierte Terahertzstrahlung aussendet.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (30) den Durchmesser und/oder die Wanddicke des Strangs (10, 10') anhand einer Laufzeitmessung der von dem mindestens einen Sender ausgesandten und von dem mindestens einen Empfänger empfangenen Terahertzstrahlung (24) bestimmt.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Sender und der mindestens eine Empfänger durch mindestens einen Terahertz-Transceiver (20) gebildet sind.
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Paare von Sendern zum Aussenden von Terahertzstrahlung (24) und Empfängern zum Empfangen der von jeweils einem Sender ausgesandten Terahertzstrahlung (24) vorgesehen sind, wobei für jeden Sender eine Strahlungsoptik (22) vorgesehen ist, und wobei die Sender und Empfänger paarweise über den Umfang des durch die Vorrichtung geführten Strangs (10, 10') verteilt angeordnet sind.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (30) dazu ausgebildet ist, anhand der von den Empfängern jeweils empfangenen Messsignale eine Unrundheit des Strangs (10, 10') zu ermitteln und/oder einzelne oder mehrere Sender und Empfänger oder Strahlungsoptiken (22) so nachzuführen, dass die von den Sendern ausgesandte Terahertzstrahlung (24) jeweils linienförmig auf die Längsachse eines durch die Führungsmittel geführten Strangs (10, 10') fokussiert bleibt.
9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Paar aus einem Sender zum Aussenden von Terahertzstrahlung (24) und einem Empfänger zum Empfangen der von dem Sender ausgesandten Terahertzstrahlung (24) mittels einer Dreheinrichtung während eines Messvorgangs drehbar um die Längsachse des Strangs (10, 10') ist, vorzugsweise entlang einer Kreisbahn.
10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Reflektor (46, 46') ein zylindrisch gewölbter Reflektor (46, 46')ist, dessen Längsachse in Richtung der Längsachse eines durch die Vorrichtung geführten Strangs (10, 10') verläuft.
11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (30) dazu ausgebildet ist, eine durch das Material des durch die Vorrichtung geführten Strangs (10) verursachte Laufzeitänderung der von dem mindestens einen Sender ausgesandten und nach Durchstrahlen des Strangs (10) von dem mindestens einen Empfänger empfangenen Terahertzstrahlung (24) bei der Bestimmung des Durchmessers und/oder der Wanddicke des Strangs (10) zu berücksichtigen. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung dazu ausgebildet ist, den Durchmesser D des Strangs (10) nach der folgenden Formel zu bestimmen:
1
D = - {ATD - ATR) c
mit:
ATD Laufzeitunterschied zwischen an der dem mindestens einen Empfänger zugewandten äußeren Grenzfläche des Strangs und an der dem mindestens einen Empfänger abgewandten äußeren Grenzfläche des Strangs reflektierter Terahertzstrahlung,
ATR Durch das Material des durch die Vorrichtung geführten Strangs verursachte Laufzeitänderung der von dem mindestens einen Sender ausgesandten und nach Durchstrahlen des Strangs von dem mindestens einen Empfänger empfangenen Terahertzstrahlung, c Ausbreitungsgeschwindigkeit der Terahertzstrahlung in Luft
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung dazu ausgebildet ist, die Wanddicke Wdi der dem mindestens einen Empfänger zugewandten Wand des Strangs und/oder die Wanddicke Wd2 der dem mindestens einen Empfänger abgewandten Wand des Strangs nach folgenden Formeln zu bestimmen:
Figure imgf000031_0001
Figure imgf000031_0002
mit:
Twdl Laufzeitunterschied zwischen an der dem mindestens einen Empfänger zugewandten äußeren Grenzfläche und an der dem mindestens einen Empfänger abgewandten inneren Grenzfläche der dem mindestens einen Empfänger zugewandten Wand des Strangs reflektierter Terahertzstrahlung,
Twd2 Laufzeitunterschied zwischen an der dem mindestens einen Empfänger zugewandten inneren Grenzfläche und an der dem mindestens einen Empfänger abgewandten äußeren Grenzfläche der dem mindestens einen Empfänger abgewandten Wand des Strangs reflektierter Terahertzstrahlung,
ATR Durch das Material des durch die Vorrichtung geführten Strangs verursachte Laufzeitänderung der von dem mindestens einen Sender ausgesandten und nach Durchstrahlen des Strangs von dem mindestens einen Empfänger empfangenen Terahertzstrahlung, c Ausbreitungsgeschwindigkeit der Terahertzstrahlung in Luft
Verfahren zum Messen des Durchmessers und/oder der Wanddicke eines im Querschnitt im Wesentlichen kreisförmigen Strangs (10, 10'), bei dem ein Strang (10, 10') in Richtung seiner Längsachse durch die Vorrichtung geführt wird, bei dem weiterhin mindestens ein Sender Terahertzstrahlung (24) aussendet, wobei die von dem mindestens einen Sender ausgesandte Terahertzstrahlung (24) durch mindestens eine Strahlungsoptik (22) auf einen durch die Vorrichtung geführten Strang (10, 10') geleitet wird, wobei die von mindestens einem Sender ausgesandte Terahertzstrahlung (24) von dem Strang und/oder mindestens einem gegenüberliegend zu dem mindestens einen Sender und in Strahlungsrichtung der ausgesandten Terahertzstrahlung (24) hinter dem Strang (10, 10') liegenden Reflektor (46, 46') reflektiert und von mindestens einem Empfänger empfangen wird, und bei dem anhand der von dem mindestens einen Empfänger empfangenen Messsignale der Durchmesser und/oder die Wanddicke des Strangs (10, 10') bestimmt wird.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die von dem mindestens einen Sender ausgesandte Terahertzstrahlung (24) durch mindestens eine Strahlungsoptik (22) linienförmig fokussiert wird, derart dass der linienförmige Fokus mit der Längsachse des durch die Vorrichtung geführten Strangs (10, 10') zusammen fällt.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Randstrahlen der durch die mindestens eine Strahlungsoptik fokussierten Terahertzstrahlung eine Keilform bilden, wobei die Seitenflächen der Keilform spiegelsymmetrisch zu einer durch die Längsachse des durch die Vorrichtung geführten Strangs (10, 10') verlaufenden Mittelebene liegen.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass durch den mindestens einen Sender modulierte Dauerstrich-Terahertzstrahlung (24) ausgesendet wird, insbesondere frequenzmodulierte Dauerstrich- Terahertzstrahlung (24), und/oder dass durch den mindestens einen Sender impulsmodulierte Terahertzstrahlung oder phasenmodulierte Terahertzstrahlung ausgesendet wird.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser und/oder die Wanddicke des Strangs (10, 10') anhand einer Laufzeitmessung der von dem mindestens einen Sender ausgesandten und von dem mindestens einen Empfänger empfangenen Terahertzstrahlung (24) bestimmt wird.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass von mehreren über den Umfang des durch die Vorrichtung geführten Strangs verteilt angeordneten Sendern Terahertz Strahlung (24) ausgesandt wird, wobei die von jedem Sender ausgesandte Terahertz Strahlung (24) jeweils auf einen durch die Vorrichtung geführten Strang (10, 10') geleitet wird, und dass von mehreren ebenfalls über den Umfang des durch die Vorrichtung geführten Strangs (10, 10') verteilt angeordneten und paarweise jeweils einem Sender zugeordneten Empfängern von dem jeweils zugeordneten Sender ausgesandte Terahertzstrahlung (24) empfangen wird.
20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass anhand der von den Sendern jeweils empfangenen Messsignale eine Unrundheit des Strangs (10, 10') ermittelt wird und/oder einzelne oder mehrere Sender und Empfänger oder Strahlungsoptiken (22) zum Fokussieren der von den Sendern ausgesandten Terahertzstrahlung (24) so nachgeführt werden, dass die von den Sendern ausgesandte Terahertzstrahlung (24) jeweils linienförmig auf die Längsachse eines durch die Vorrichtung geführten Strangs (10, 10') fokussiert bleibt.
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Paar aus einem Sender zum Aussenden von Terahertzstrahlung (24) und einem Empfänger zum Empfangen der von dem Sender ausgesandten Terahertzstrahlung (24) während des Messvorgangs um die Längsachse des Strangs (10, 10') gedreht wird, vorzugsweise entlang einer Kreisbahn.
22. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass eine durch das Material des durch die Vorrichtung geführten Strangs (10) verursachte Laufzeitänderung der von dem mindestens einen Sender ausgesandten und nach Durchstrahlen des Strangs (10) von dem mindestens einen Empfänger empfangenen Terahertz Strahlung (24) bei der Bestimmung des Durchmessers und/oder der Wanddicke des Strangs (10) berücksichtigt wird.
Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser D des Strangs (10) nach der folgenden Formel bestimmt wird:
1
D = - {ATD - ATR) c
mit:
ATD Laufzeitunterschied zwischen an der dem mindestens einen Empfänger zugewandten äußeren Grenzfläche des Strangs und an der dem mindestens einen Empfänger abgewandten äußeren Grenzfläche des Strangs reflektierter Terahertzstrahlung,
ATR Durch das Material des durch die Vorrichtung geführten Strangs verursachte Laufzeitänderung der von dem mindestens einen Sender ausgesandten und nach Durchstrahlen des Strangs von dem mindestens einen Empfänger empfangenen Terahertzstrahlung, c Ausbreitungsgeschwindigkeit der Terahertzstrahlung in Luft
Verfahren nach einem der Ansprüche 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Wanddicke Wdi der dem mindestens einen Empfänger zugewandten Wand des Strangs und/oder die Wanddicke Wd2 der dem mindestens einen Empfänger abgewandten Wand des Strangs nach folgenden Formeln bestimmt wird:
Figure imgf000035_0001
Figure imgf000036_0001
mit:
Twdl Laufzeitunterschied zwischen an der dem mindestens einen Empfänger zugewandten äußeren Grenzfläche und an der dem mindestens einen Empfänger abgewandten inneren Grenzfläche der dem mindestens einen Empfänger zugewandten Wand des Strangs reflektierter Terahertzstrahlung,
Twd2 Laufzeitunterschied zwischen an der dem mindestens einen Empfänger zugewandten inneren Grenzfläche und an der dem mindestens einen Empfänger abgewandten äußeren Grenzfläche der dem mindestens einen Empfänger abgewandten Wand des Strangs reflektierter Terahertzstrahlung,
ATR Durch das Material des durch die Vorrichtung geführten Strangs verursachte Laufzeitänderung der von dem mindestens einen Sender ausgesandten und nach Durchstrahlen des Strangs von dem mindestens einen Empfänger empfangenen Terahertzstrahlung, c Ausbreitungsgeschwindigkeit der Terahertzstrahlung in Luft
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass es unter Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13 durchgeführt wird.
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