DE102018128248A1

DE102018128248A1 - Verfahren zum Bestimmen des Brechungsindex eines rohrförmigen Körpers

Info

Publication number: DE102018128248A1
Application number: DE102018128248.6A
Authority: DE
Inventors: Harry Prunk; Harald Sikora
Original assignee: Sikora AG
Current assignee: Sikora AG
Priority date: 2018-11-12
Filing date: 2018-11-12
Publication date: 2020-05-14
Anticipated expiration: 2038-11-13
Also published as: DE102018128248B4

Abstract

Verfahren zum Bestimmen des Brechungsindex eines rohrförmigen Körpers, umfassend die folgenden Schritte:- der rohrförmige Körper wird in einem Messbereich durch eine Sendeinrichtung mit Messstrahlung im Gigahertz- oder Terahertzfrequenzbereich bestrahlt, wobei die Messstrahlung an Grenzflächen des rohrförmigen Körpers reflektiert wird und die reflektierte Messstrahlung durch eine Empfangseinrichtung detektiert wird,- anhand der reflektierten Messstrahlung wird die optische Wanddicke mindestens eines Wandabschnitts des rohrförmigen Körpers bestimmt,- aus einem Vergleich der Außen- und Innendurchmesser des rohrförmigen Körpers mit der bestimmten optischen Wanddicke des mindestens einen Wandabschnitts wird der Brechungsindex des rohrförmigen Körpers bestimmt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen des Brechungsindex eines rohrförmigen Körpers, bei dem es sich beispielsweise um ein Kunststoff- oder Glasrohr handeln kann.
Aus WO 2016/139155 A1 ist ein Verfahren zum Messen des Durchmessers und/oder der Wanddicke eines Strangs auch bei unbekanntem Brechungsindex bekannt. Zum Bestimmen des Brechungsindex wird ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem ein beispielsweise rohrförmiger Körper vollständig durchstrahlt und die durch den Körper verursachte Laufzeitänderung ermittelt wird. Damit ist eine zuverlässige Wanddickenbestimmung möglich, auch wenn der Brechungsindex des untersuchten Gegenstandes nicht bekannt ist oder beispielsweise aufgrund von Änderungen der Materialzusammensetzung schwankt.
Insbesondere wenn die Messstrahlung nach vollständigem Durchstrahlen des rohrförmigen Körpers dazu von einem Reflektor zurückreflektiert wird zu der am selben Ort wie die Sendeeinrichtung angeordneten Empfangseinrichtung, muss die Messstrahlung den rohrförmigen Körper zweimal vollständig durchstrahlen, wobei jeweils noch eine ausreichende Empfangsintensität bei der Empfangseinrichtung vorliegen muss. In manchen Anwendungen ist ein vollständiges Durchstrahlen, zumal ein zweifaches vollständiges Durchstrahlen, eines rohrförmigen Körpers mit Gigahertz- oder Terahertzstrahlung bei noch ausreichender Empfangsintensität nicht möglich, beispielsweise wenn das Material des rohrförmigen Körpers einen hohen Absorptionsgrad aufweist. Beispielsweise bei Kunststoffrohren kann dies durch Materialbeimischungen, wie Graphit oder Glasfaser oder sogar Blei verursacht werden. Auch führt eine sehr große Wanddicke des rohrförmigen Körpers naturgemäß zu einer entsprechend hohen Absorption. Darüber hinaus ist es manchmal erwünscht, die Sendeleistung der verwendeten Sendeeinrichtung für die Messstrahlung zu begrenzen, beispielsweise um eine länderunabhängige Zulassung zu erreichen oder wenn es sich um tragbare Geräte, sogenannte Handheld-Geräte, handelt.
Ausgehend von dem erläuterten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art bereitzustellen, mit dem auch bei hoher Absorption des rohrförmigen Körpers oder geringer Sendeleistung der Sendeeinrichtung eine zuverlässige Bestimmung des Brechungsindex möglich ist.
Die Erfindung löst die Aufgabe durch den unabhängigen Anspruch 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den Figuren.
Für ein Verfahren der eingangs genannten Art löst die Erfindung die Aufgabe durch die folgenden Schritte:

- der rohrförmige Körper wird in einem Messbereich durch eine Sendeinrichtung mit Messstrahlung im Gigahertz- oder Terahertzfrequenzbereich bestrahlt, wobei die Messstrahlung an Grenzflächen des rohrförmigen Körpers reflektiert wird und die reflektierte Messstrahlung durch eine Empfangseinrichtung detektiert wird,
- anhand der reflektierten Messstrahlung wird die optische Wanddicke mindestens eines Wandabschnitts des rohrförmigen Körpers bestimmt,
- aus einem Vergleich der Außen- und Innendurchmesser des rohrförmigen Körpers mit der bestimmten optischen Wanddicke des mindestens einen Wandabschnitts wird der Brechungsindex des rohrförmigen Körpers bestimmt.

Wie erläutert, kann es sich bei dem rohrförmigen Körper zum Beispiel um ein Kunststoff- oder Glasrohr handeln. Der rohrförmige Körper kann in einer Produktionsanlage, beispielsweise einer Extrusionsvorrichtung, hergestellt werden und der Messbereich für das erfindungsgemäße Verfahren kann sich innerhalb der oder im unmittelbaren Anschluss an die Produktionsanlage befinden. Der rohrförmige Körper kann zum Zeitpunkt des erfindungsgemäßen Verfahrens seine endgültige Formgebung bereits (im Wesentlichen) vollständig erhalten haben. Die Formgebung kann zum Zeitpunkt der Messung aber auch noch nicht abgeschlossen sein. Der Körper kann zum Zeitpunkt der Messung noch sehr hohe Temperaturen von beispielsweise über 2.000°C besitzen, insbesondere wenn es sich um einen Glaskörper handelt. Gerade in Produktionsanlagen der genannten Art herrschen schwierige Messbedingungen. Dies gilt besonders bei einer frühzeitigen Messung des rohrförmigen Körpers noch während seiner endgültigen Formgebung oder wenn seine Formgebung gerade abgeschlossen ist. Dies ist grundsätzlich wünschenswert, um frühzeitig auf etwaige unzulässige Abweichungen der Produktionsanlage reagieren zu können und unnötigen Ausschuss zu vermeiden. Allerdings besteht in diesem Messbereich eine hohe Gefahr durch Verschmutzungen aus dem Produktionsprozess. Darüber hinaus wird zur Kühlung des Körpers oder von Bestandteilen der Produktionsanlage häufig Kühlflüssigkeit, wie Kühlwasser, auf den rohrförmigen Körper oder Bestandteile der Produktionsanlage aufgebracht. Dies führt zu Spritzwasser und Dampfentwicklung. Optische Messverfahren, beispielsweise mit Laserlicht, besitzen in solchen Messumgebungen grundsätzlich Probleme. Solche Probleme können durch den erfindungsgemäßen Einsatz von Gigahertz- oder Terahertz-Messstrahlung vermieden werden, da solche Messstrahlung gegenüber schwierigen Messumgebungen der erläuterten Art grundsätzlich weitgehend unempfindlich ist.
Die Messstrahlung wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren von einer Sendeeinrichtung ausgesendet und auf den zu messenden rohrförmigen Körper geleitet. Dabei dringt die Messstrahlung zumindest teilweise in den rohrförmigen Körper ein. Beispielsweise kann die Messstrahlung einen der Sendeeinrichtung zugewandten ersten Wandabschnitt des rohrförmigen Körpers vollständig durchstrahlen. Es kommt dabei zu einer Reflexion an Grenzflächen des rohrförmigen Körpers. Die reflektierte Messstrahlung wird anschließend von einer Empfangseinrichtung empfangen. Die Sendeeinrichtung und die Empfangseinrichtung können in besonders praxisgemäßer Weise in einem Transceiver kombiniert sein. Selbstverständlich können auch mehrere Sendeeinrichtungen und mehrere Empfangseinrichtungen vorgesehen sein, die den Körper beispielsweise von unterschiedlichen Richtungen bestrahlen und die reflektierte Messstrahlung empfangen, wie dies weiter unten noch näher erläutert werden wird. Sofern mehrere Sendeeinrichtungen und Empfangseinrichtungen vorgesehen sind, können diese in besonders praxisgemäßer Weise jeweils paarweise zu einem Transceiver kombiniert sein.
Wie bereits erläutert, dringt die Messstrahlung zumindest teilweise in den rohrförmigen Körper ein. Sie wird zumindest an zwei Grenzflächen reflektiert. Hierbei kann es sich zum Beispiel um die der Sendeeinrichtung zugewandte Außenfläche und die der Sendeeinrichtung abgewandte Innenfläche eines der Sendeeinrichtung zugewandten Wandabschnitts des rohrförmigen Körpers handeln. Es ist möglich, dass aus der der Sendeeinrichtung abgewandten Innenseite dieses Wandabschnitts noch ein erheblicher Strahlungsanteil austritt, der dann nach Durchlaufen des durch den rohrförmigen Körper begrenzten Hohlraum an der der Sendeeinrichtung zugewandten Innenseite eines gegenüberliegenden, der Sendeeinrichtung abgewandten Wandabschnitts des rohrförmigen Körpers reflektiert wird. Sämtliche der an diesen Grenzflächen reflektierten Strahlungsanteile können dann zurückreflektiert werden und von der Empfangseinrichtung empfangen werden. Auf dieser Grundlage kann zunächst ohne Kenntnis des Brechungsindex die optische Wanddicke zumindest des der Sendeeinrichtung zugewandten Wandabschnitts des rohrförmigen Körpers bestimmt werden.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass im einfachsten Fall, nämlich wenn vereinfachend angenommen wird, dass der durchstrahlte, der Sendeeinrichtung zugewandte Wandabschnitt und der gegenüberliegende, der Sendeeinrichtung abgewandte Wandabschnitt des rohrförmigen Körpers die gleiche Wanddicke besitzen, unter Berücksichtigung des Innendurchmessers und Außendurchmessers, insbesondere der Differenz zwischen Innendurchmesser und Außendurchmesser, des rohrförmigen Körpers der Brechungsindex berechnet werden kann. Sofern in dieser Anmeldung von dem Innendurchmesser oder dem Außendurchmesser des rohrförmigen Körpers gesprochen wird, meint dies den geometrischen Innendurchmesser und den geometrischen Außendurchmesser des rohrförmigen Körpers. Der Innen- und/oder Außendurchmesser des rohrförmigen Körpers kann messtechnisch bestimmt werden. Hierfür sind verschiedene Messverfahren denkbar, wie unten noch näher erläutert werden wird. Es kann aber auch mindestens einer dieser Durchmesser, zum Beispiel der Außendurchmesser, als bekannt angenommen werden, wie ebenfalls weiter unten noch näher erläutert werden wird. Beispielsweise ist bei der oben erläuterten Reflexion der Messstrahlung an den genannten drei Grenzflächen des rohrförmigen Körpers auf Grundlage einer Auswertung der reflektierten Messstrahlung auch die Bestimmung des Innendurchmessers möglich, da der Brechungsindex der sich im Hohlraum des rohrförmigen Körpers befindenden Luft bekannt ist.
Durch die Erfindung ist in einfacher und zuverlässiger Weise die Bestimmung des Brechungsindex des rohrförmigen Körpers auch dann möglich, wenn beispielsweise aufgrund geringer Sendeleistung der Sendeeinrichtung und/oder hoher Absorption des Materials des rohrförmigen Körpers eine vollständige Durchstrahlung des rohrförmigen Körpers und Empfang der an allen Grenzflächen und gegebenenfalls einem Reflektor reflektierten Messstrahlung mit ausreichender Empfangsintensität nicht möglich ist. Dadurch können auch rohrförmige Körper mit sehr großen Wanddicken oder mit den Absorptionsgrad erhöhenden Beimischungen, wie zum Beispiel Graphit oder Glasfasern, zuverlässig hinsichtlich des Brechungsindex und damit auch hinsichtlich der geometrischen Wanddicken vermessen werden.
Gemäß einer ersten Ausgestaltung, bei der vereinfachend angenommen wird, dass die Wanddicken eines der Sendeeinrichtung zugewandten Wandabschnitts und eines gegenüberliegenden, der Sendeeinrichtung abgewandten Wandabschnitts gleich sind, kann zur Bestimmung des Brechungsindex der Quotient aus dem Zweifachen der optischen Wanddicke eines Wandabschnitts und der Differenz der Außen- und Innendurchmesser gebildet werden. Diese Ausgestaltung zeichnet sich durch eine große Einfachheit aus, da nur ein Wandabschnitt durchstrahlt und hinsichtlich seiner optischen Wanddicke vermessen werden muss.
Für eine erhöhte Genauigkeit kann gemäß einer weiteren Ausgestaltung anhand der reflektierten Messstrahlung die optische Wanddicke eines ersten Wandabschnitts des rohrförmigen Körpers und die optische Wanddicke eines zweiten Wandabschnitts des rohrförmigen Körpers bestimmt werden, und der Brechungsindex aus einem Vergleich der Außen- und Innendurchmesser mit den optischen Wanddicken des ersten und zweiten Wandabschnitts bestimmt werden. Der erste Wandabschnitt kann dabei ein der Sendeeinrichtung zugewandter Wandabschnitt des rohrförmigen Körpers sein und der zweite Wandabschnitt ein der Sendeeinrichtung abgewandter, gegenüberliegender Wandabschnitt des rohrförmigen Körpers. Bei dem ersten und zweiten Wandabschnitt kann es sich dabei insbesondere um die Wandabschnitte handeln, die auch für die gegebenenfalls messtechnisch erfolgende Ermittlung des Innendurchmessers und/oder des Außendurchmessers des rohrförmigen Körpers genutzt werden.
Zur Bestimmung des Brechungsindex kann dann der Quotient aus der Summe der beiden messtechnisch bestimmten optischen Wanddicken des ersten und zweiten Wandabschnitts und der Differenz der Außen- und Innendurchmesser gebildet werden. Bei diesen Ausgestaltungen werden etwaige Schwankungen der Wandabschnitte zuverlässig berücksichtigt.
Der Brechungsindex ergibt sich dabei aus der Summe der ermittelten optischen Wanddicken im Verhältnis zu den geometrischen Außen- und Innendurchmessern gemäß folgender Gleichung: $n = \frac{W_{d 1 o p t} + W_{d 2 o p t}}{D_{a} - D_{i}}$
In der Gleichung bedeuten:

n:: Brechungsindex
W_d1opt:: optische Wanddicke des ersten Wandabschnitts
W_d2opt:: optische Wanddicke des zweiten Wandabschnitts
D_a:: Außendurchmesser des rohrförmigen Körpers
D_i:: Innendurchmessers rohrförmigen Körpers.

Gemäß einer besonders praxisgemäßen Ausgestaltung kann die optische Wanddicke des mindestens einen Wandabschnitts, können insbesondere die optischen Wanddicken des ersten Wandabschnitts und des zweiten Wandabschnitts, anhand von Laufzeitmessungen der reflektierten Messstrahlung ermittelt werden. Die optischen Wanddicken können dabei in einfacher Weise anhand einer Ermittlung des Laufzeitunterschieds der an den entsprechenden Grenzflächen der Wandabschnitte reflektierten Messstrahlung bestimmt werden.
Bei ausreichender Durchstrahlung des rohrförmigen Körpers bzw. empfangener Signalintensität ist es gemäß einer weiteren Ausgestaltung möglich, den Innendurchmesser und/oder den Außendurchmesser des rohrförmigen Körpers anhand von Laufzeitmessungen der an Grenzflächen des rohrförmigen Körpers reflektierten Messstrahlung zu bestimmen. Insbesondere der Innendurchmesser kann auf diese Weise durch Auswerten eines Laufzeitunterschieds zwischen den an gegenüberliegenden Innenseiten des rohrförmigen Körpers reflektierten Strahlungsanteilen bestimmt werden, da sich im Innern des rohrförmigen Körpers Luft mit bekanntem Brechungsindex befindet. Aus den Laufzeitunterschieden kann somit unmittelbar der geometrische Innendurchmesser bestimmt werden.
Es sind grundsätzlich beliebige Verfahren zur Ermittlung des Innendurchmessers und des Außendurchmessers denkbar. Insbesondere der Außendurchmesser kann in einfachster Form auch durch Messung mit einem Bandmaß bestimmt werden. Auch optische Durchmesser-Messverfahren, Triangulationsmessverfahren o.ä., sind denkbar.
Wie bereits erläutert, ist es möglich, dass die Messstrahlung nur einen der Wandabschnitte des rohrförmigen Körpers (vollständig) durchstrahlt bzw. nur die an der Außenseite und Innenseite eines Wandabschnitts und gegebenenfalls die an einer gegenüberliegenden Innenseite eines gegenüberliegenden zweiten Wandabschnitts reflektierte Messstrahlung durch die Empfangseinrichtung ausgewertet wird. Es ist dann zur Ermittlung der Wanddicken beispielsweise zweier gegenüberliegender Wandabschnitte weiter möglich, den rohrförmigen Körper mit Messstrahlung aus mindestens zwei unterschiedlichen Richtungen, insbesondere einander gegenüberliegenden Richtungen, zu bestrahlen. Das oben erläuterte Messverfahren zur Bestimmung der Wanddicke kann dann für die beiden gegenüberliegenden Wandabschnitte erfolgen, wobei jeweils die reflektierte Messstrahlung durch die dann auf gegenüberliegenden Seiten befindliche Empfangseinrichtung empfangen wird. Wie bereits erläutert, können Sendeeinrichtung und Empfangsrichtung insbesondere in Form eines Transceivers kombiniert sein. Es ist aber auch möglich, die Sendeeinrichtung und/oder die Empfangseinrichtung während der Messung um den rohrförmigen Körper zu drehen und so Messungen aus unterschiedlichen Richtungen durchzuführen.
Auch ist es nach einer weiteren Ausgestaltung möglich, dass die Sendeeinrichtung und/oder die Empfangseinrichtung, insbesondere ein Transceiver, eine tragbare Sendeeinrichtung und/oder Empfangseinrichtung, insbesondere ein tragbarer Transceiver (Handheld-Gerät) ist. Wie bereits erläutert, werden insbesondere derartige Handheld-Geräte mit geringer Sendeleistung ausgestattet, um beispielsweise länderunabhängig eine Benutzungszulassung zu erwirken. Auch ist wie bereits erläutert bei den vorgenannten Ausgestaltungen eine zuverlässige Bestimmung des Brechungsindex auch bei Materialien mit hohem Absorptionsgrad oder rohrförmigen Körpern mit sehr großer Wanddicke zuverlässig möglich. Insbesondere mit einem Handheld-Gerät kann die Wanddicke der Wandabschnitte dann nacheinander von gegenüberliegenden Seiten gemessen werden.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung kann der rohrförmige Körper aus mindestens zwei unterschiedlichen Richtungen mit optischer Strahlung bestrahlt werden, wobei von dem rohrförmigen Körper reflektierte optische Strahlung detektiert wird, und der Außendurchmesser des rohrförmigen Körpers anhand von Laufzeitmessungen der von den rohrförmigen Körper reflektierten optischen Strahlung bestimmt wird. Die optische Strahlung kann zum Beispiel Laserstrahlung sein. Bei bekannter Position der Sendeeinrichtung und Empfangseinrichtung für die optische Strahlung kann der Außendurchmesser wiederum auf Grundlage einer Laufzeitmessung der auf einander gegenüberliegenden Oberflächen des rohrförmigen Körpers reflektierten optischen Strahlung ermittelt werden.
Nach einer weiteren Ausgestaltung kann der rohrförmige Körper während der Messung entlang einer Fördererrichtung durch den Messbereich gefördert werden. Die Förderrichtung verläuft dabei insbesondere entlang der Längsachse des rohrförmigen Körpers. Der rohrförmige Körper kann dabei durch eine Kalibrierhülse zur Formgebung der Außenseite des rohrförmigen Körpers gefördert werden, und der Innendurchmesser der Kalibrierhülse kann als Außendurchmesser des rohrförmigen Körpers angenommen werden. Derartige Kalibrierhülsen bestehen in der Regel aus Metall und dienen dazu, beispielsweise einem extrudierten Kunststoffrohr einen definierten Außendurchmesser aufzuprägen. Hierfür kann der rohrförmige Körper mit seiner Außenseite gegen die Innenseite der Kalibrierhülse gepresst oder gesaugt werden, beispielsweise mittels Saugdüsen. Erfolgt die erfindungsgemäße Messung beispielsweise im unmittelbaren Anschluss an die Kalibrierhülse, kann in guter Näherung der bekannte Innendurchmesser der Kalibrierhülse als Außendurchmesser des rohrförmigen Körpers angenommen werden. Eine messtechnische Bestimmung des Außendurchmessers ist dann nicht erforderlich.
Auf Grundlage des erfindungsgemäß bestimmten Brechungsindex kann aus der bestimmten optischen Wanddicke des mindestens einen Wandabschnitts die geometrische Wanddicke des mindestens einen Wandabschnitts berechnet werden. So ergeben sich die geometrischen Wanddicken des ersten und zweiten Wandabschnitts durch folgende Gleichungen: $W_{d 1 g e o} = \frac{W_{d 1 o p t}}{n}$
$W_{d 2 g e o} = \frac{W_{d 2 o p t}}{n}$
In diesen Gleichungen bezeichnen W_d1geo die geometrische Wanddicke des ersten Wandabschnitts und W_d2geo die geometrische Wanddicke des zweiten Wandabschnitts. Die übrigen Bezeichnungen wurden oben erläutert.
Durch diese Ausgestaltung ist auch bei unbekanntem Brechungsindex und den erläuterten schwierigen Bedingungen zur Bestimmung des Brechungsindex eine zuverlässige und auch beispielsweise bei Schwankungen der Materialzusammensetzung des rohrförmigen Körpers genaue Bestimmung der geometrischen Wanddicken möglich.
Nach einer weiteren Ausgestaltung kann auf Grundlage des ermittelten Brechungsindex dessen Verlauf als Trend dargestellt werden. Nach einer weiteren Ausgestaltung kann ein Bediener einer Produktionsanlage zur Produktion des rohrförmigen Körpers hieraus vom Brechungsindex abhängige Veränderungen erkennen, um daraus erforderliche Gegenmaßnahmen einzuleiten oder zu bewerten. Auf diese Weise können in vorteilhafter Weise sich in Form eines Trends zeigende Veränderungen Berücksichtigung finden.
Nach einer weiteren Ausgestaltung kann auf Grundlage der Brechungsindexbestimmung mindestens ein Produktionsparameter einer Produktionsanlage zur Produktion des rohrförmigen Körpers gesteuert werden. Weiter ist es möglich, anhand der reflektierten Messstrahlung die Absorption der Messstrahlung durch den Körper zu bestimmen, und auf Grundlage der Absorptionsbestimmung mindestens einen Produktionsparameter der Produktionsanlage zu steuern. Die Absorption kann zum Beispiel aus einem Vergleich der Intensität der von der Sendeeinrichtung ausgesandten Messstrahlung mit der Intensität der nach der Reflexion beispielsweise an einer der Sende- und Empfangseinrichtungen abgewandten, rückseitigen Grenzfläche des rohrförmigen Körpers empfangenen Messstrahlung bestimmt werden.
Der vorgenannten Ausgestaltung liegt die überraschende Erkenntnis zugrunde, dass der Brechungsindex und/oder der Absorptionsgrad des vermessenen Körpers, insbesondere eine zeitliche oder räumliche Veränderung dieser Werte, Informationen über den Produktionsprozess liefern, auf deren Grundlage eine Steuerung des Produktionsprozesses möglich ist. Bei der vorgenannten Ausgestaltung wird in vorteilhafter Weise die Bestimmung von Brechungsindex und/oder Absorption, die regelmäßig ohnehin erfolgt, weiterhin dafür genutzt, Rückschlüsse auf den Prozess zu treffen und den Prozess entsprechend zu steuern. Diese Steuerung kann dabei insbesondere automatisch erfolgen. Somit ist in einfacher und zuverlässiger Art eine Verbesserung des Produktionsprozesses möglich.
Nach einer Ausgestaltung kann der Brechungsindex und/oder die Absorption zu mehreren Zeitpunkten während des Förderns des rohrförmigen Körpers durch den Messbereich bestimmt werden und der mindestens eine Produktionsparameter aufgrund einer zeitlichen Änderung des Brechungsindex und/oder der Absorption gesteuert werden. Die Ermittlung von Brechungsindex bzw. Absorption kann zum Beispiel in regelmäßigen Zeitabständen erfolgen während der rohrförmige Körper durch den Messbereich gefördert wird. Auf diese Weise kann ein Trend dieser Daten erkannt werden. Daraus können erforderliche Steuereingriffe in die Produktionsanlage abgeleitet werden. Beispielsweise ein mit der Zeit abfallender oder ansteigender Wert von Brechungsindex bzw. Absorption deuten auf unerwünschte Veränderungen des Produktionsprozesses hin.
Nach einer weiteren Ausgestaltung kann Messstrahlung auf verschiedene Orte des rohrförmigen Körpers gestrahlt werden, der Brechungsindex und/oder die Absorption an den verschiedenen Orten des rohrförmigen Körpers bestimmt werden und der mindestens eine Produktionsparameter aufgrund einer räumlichen Änderung des Brechungsindex und/oder der Absorption gesteuert werden. Insbesondere kann die Messstrahlung auf unterschiedliche über den Umfang des rohrförmigen Körpers verteilte Orte auf diesen gestrahlt werden. Es können bei der vorgenannten Ausgestaltung mehrere Sendeeinrichtungen und Empfangseinrichtungen, beispielsweise mehrere Transceiver, vorgesehen sein, die so angeordnet sind, dass sie Messstrahlung auf unterschiedliche Orte des rohrförmigen Körpers leiten und die jeweils reflektierte Messstrahlung empfangen. Beispielsweise können mehrere Sendeeinrichtungen und Empfangseinrichtungen, beispielsweise mehrere Transceiver, über den Umfang des rohrförmigen Körpers verteilt angeordnet sein. Es wäre aber auch denkbar, dass mindestens eine Sendeeinrichtung und mindestens eine Empfangseinrichtung, beispielsweise mindestens ein Transceiver, räumlich veränderbar angeordnet sind, zum Beispiel drehbar um den rohrförmigen Körper. Durch die vorgenannte Ausgestaltung ist die Erkennung einer räumlichen Verteilung des Brechungsindex bzw. der Absorption möglich. Daraus können wiederum erforderliche Steuereingriffe in die Produktionsanlage abgeleitet werden. Beispielsweise ein systematisches Verändern der Werte von Brechungsindex bzw. Absorption mit dem Ort deutet auf einen fehlerhaften Produktionsprozess hin. Zum Beispiel wenn extrudiertes Kunststoffmaterial unerwünscht fließt, kann dadurch der Brechungsindex bzw. die Absorption beispielsweise an der Unterseite des rohrförmigen Körpers anders sein als an seiner Oberseite. Dies kann mit der vorgenannten Ausgestaltung erkannt und bei der Steuerung des Produktionsprozesses berücksichtigt werden.
Nach einer weiteren Ausgestaltung kann der rohrförmige Körper aus einem Kunststoffmaterial bestehen, wobei die Produktionsanlage eine Extrusionsvorrichtung zur Extrusion des Kunststoffmaterials umfasst, wobei auf Grundlage der Brechungsindexbestimmung und/oder der Absorptionsbestimmung mindestens ein Produktionsparameter der Extrusionsvorrichtung gesteuert wird. Als Produktionsparameter kann nach einer weiteren diesbezüglichen Ausgestaltung eine Ausstoßleistung der Extrusionsvorrichtung gesteuert werden. Alternativ oder zusätzlich ist es auch möglich, dass als Produktionsparameter ein Mischungsverhältnis von mindestens zwei der Extrusionsvorrichtung zugeführten zu extrudierenden Materialien gesteuert wird. In Extrusionsvorrichtungen können zwei Materialien zu einer zu extrudierenden Mischung vermischt werden. Dabei handelt es sich häufig um Beimischungen in ein Hauptkunststoffmaterial. Beispielsweise können Graphit oder Glasfasern in einen Trägerkunststoff, wie Polypropylen (PP) oder Polyethylen (PE) gemischt werden. Solche Beimischungen liegen häufig nur mit geringen Anteilen von zum Beispiel unter 1 Gew.-% vor. Dadurch ist die Einstellung des Mischungsverhältnisses schwierig und eine Detektion eines falschen Mischungsverhältnisses häufig nicht zuverlässig möglich. Auch variieren beispielsweise von unterschiedlichen Herstellern bezogene Fertigmischungen nicht unerheblich hinsichtlich des Mischungsverhältnisses. Je nach Material haben solche Beimischungen erheblichen Einfluss zum Beispiel auf den Brechungsindex. Besonders gilt dies für Materialien, deren Brechungsindex stark von dem Brechungsindex des Trägermaterials abweicht. Dies ist zum Beispiel bei Graphit- oder Glasfaserbeimischungen in Trägerkunststoffe, wie PP oder PE, der Fall. Dies macht sich die vorgenannte Ausgestaltung zunutze. So wurde überraschend festgestellt, dass auf Grundlage der erfindungsgemäßen Bestimmung des Brechungsindex bzw. der Absorption ein unzulässiges Abweichen des Mischungsverhältnisses von einem vorgegebenen Mischungsverhältnis auch bei kleinen Beimischungsanteilen zuverlässig erkannt werden kann und entsprechend in den Mischprozess in der Extrusionsvorrichtung eingegriffen werden kann.
Nach einer weiteren Ausgestaltung kann der mindestens eine Produktionsparameter der Produktionsanlage auf Grundlage der Brechungsindexbestimmung und/oder der Absorptionsbestimmung in einem geschlossenen Regelkreis geregelt werden. Es handelt sich dann um eine sogenannte Closed Loop Control. Die Steuereinrichtung bildet also eine Regeleinrichtung. Es kann insbesondere eine vollautomatische Regelung erfolgen, bei der kein manueller Eingriff erforderlich ist. Die Regeleinrichtung kann zum Beispiel einen ermittelten Wert für den Brechungsindex und/oder die Absorption als Regelgröße erhalten. Diese wird mit einem Sollwert für den Brechungsindex und/oder die Absorption als Führungsgröße verglichen. Ergibt der Vergleich eine Regelabweichung, kann die Regeleinrichtung Produktionsparameter, zum Beispiel ein Mischungsverhältnis einer Extrusionsvorrichtung, ansteuern bis die Regelabweichung wieder in einem zulässigen Bereich liegt.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand von Figuren näher erläutert. Es zeigen schematisch:

1 eine Darstellung einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in einem ersten Betriebszustand, und
2 die Vorrichtung aus 1 in einem zweiten Betriebszustand.

Soweit nichts anderes angegeben ist, bezeichnen in den Figuren gleiche Bezugszeichen gleiche Gegenstände.
Die in den Figuren dargestellte Vorrichtung umfasst in dem gezeigten Beispiel einen Transceiver 10, umfassend eine Sendeeinrichtung und eine Empfangseinrichtung für Gigahertz- oder Terahertzstrahlung. Bei dem Transceiver 10 kann es sich beispielsweise um einen tragbaren Transceiver (Handheld-Transceiver) handeln. Durch den Transceiver 10 wird Messstrahlung im Gigahertz- oder TerahertzFrequenzbereich auf einen entlang seiner Längsrichtung durch einen Messbereich der Vorrichtung geförderten rohrförmigen Körper 12 ausgesandt, wie durch den Pfeil 14 in 1 veranschaulicht. Der rohrförmige Körper 12 wird dabei in die Zeichenebene hinein entlang seiner Längsrichtung gefördert. In dem Querschnitt sind eine Außenwand 16 und eine Innenwand 18 des rohrförmigen Körpers 12 zu erkennen. Die Messstrahlung durchdringt zumindest den dem Transceiver 10 zugewandten Wandabschnitt, wie in 1 durch den Pfeil 20 veranschaulicht und tritt in den durch den rohrförmigen Körper 12 begrenzten Hohlraum ein, wie durch den Pfeil 22 veranschaulicht. Dabei wird die Messstrahlung an in dem gezeigten Beispiel drei Grenzflächen reflektiert und gelangt zurück zu dem Transceiver 10, wie ebenfalls durch die Pfeile 22, 20 und 14 veranschaulicht, und wird von der Empfangseinrichtung des Transceivers 10 als Messsignal detektiert. Zumindest die durch die Pfeile 14, 20 und 22 veranschaulichten Strahlungsanteile der Messstrahlung gelangen dabei mit einer ausreichenden Empfangsintensität zu dem Transceiver 10, sodass dieser diese messtechnisch auswerten kann. Dazu werden die Messdaten des Transceivers 10 an eine Auswerteeinrichtung 24 übergeben, wie in den Figuren durch den gestrichelten Pfeil 26 veranschaulicht.
Nachdem eine Bestrahlung des rohrförmigen Körpers 12 aus der in 1 gezeigten Richtung erfolgt ist, kann der Transceiver 10 in seiner Position verändert werden, sodass anschließend eine Bestrahlung des rohrförmigen Körpers 12 aus der entgegengesetzten Richtung erfolgt, wie in 2 zu erkennen. In diesem Fall durchstrahlt die Messstrahlung den nun dem Transceiver 10 zugewandten Wandabschnitt des rohrförmigen Körpers 12, in 2 also den rechten Wandabschnitt, der dem in 1 gezeigten linken Wandabschnitt gegenüberliegt. Die entsprechenden Strahlungsanteile der wiederum an drei Grenzflächen des rohrförmigen Körpers 12 reflektierten und von dem Transceiver 10 ausgewerteten Messstrahlung sind wiederum durch die Pfeile 14, 20 und 22 veranschaulicht. Auch die diesbezüglichen Messdaten werden vor dem Transceiver 10 an die Auswerteeinrichtung 24 übergeben, wie durch den gestrichelten Pfeil 26 in 2 veranschaulicht.
Die Auswerteeinrichtung 24 bestimmt auf dieser Grundlage anhand von Laufzeitmessungen der Strahlungsanteile der Messstrahlung einerseits die optischen Wanddicken der gemäß den 1 und 2 durchstrahlten, einander gegenüberliegenden Wandabschnitte des rohrförmigen Körpers 12 und andererseits den Innendurchmesser des rohrförmigen Körpers 12. Denn in dem durch den rohrförmigen Körper 12 begrenzten Hohlraum befindet sich Luft, deren Brechungsindex bekannt ist, sodass aus einem Laufzeitunterschied der an den einander gegenüberliegenden Innenseiten des rohrförmigen Körpers 12 reflektierten Strahlungsanteile unter Berücksichtigung des Brechungsindex von Luft der Innendurchmesser des rohrförmigen Körpers 12 berechnet werden.
Auf Grundlage dieser ermittelten Werte kann die Auswerteeinrichtung 24 dann in der oben erläuterten Weise den Brechungsindex n des rohrförmigen Körpers 12 bestimmen. Hierzu kann insbesondere der Quotient gebildet werden aus der Summe der optischen Wanddicken der durchstrahlten Wandabschnitte und der Differenz zwischen Außendurchmesser und Innendurchmesser des rohrförmigen Körpers 12. Der Außendurchmesser kann hierfür beispielsweise als gleich dem Innendurchmesser einer von dem rohrförmigen Körper 12 durchlaufenen Kalibrierhülse angenommen werden. Alternativ ist es auch möglich, den Außendurchmesser messtechnisch zu ermitteln, wie dies oben erläutert wurde.
Auf Grundlage der Brechungsindexbestimmung kann die Auswerteeinrichtung 24 weiterhin die geometrischen Wanddicken der durchstrahlten Wandabschnitte berechnen, wie dies oben erläutert wurde.
Durch die Auswerteeinrichtung 24 kann auch die Absorption der Messstrahlung durch den rohrförmigen Körper 12 ermittelt werden, beispielsweise aus einem Intensitätsvergleich der ausgesandten und nach Reflexion wieder empfangenen Messstrahlung.
Die durch die Auswerteeinrichtung 24 ermittelten Werte für den Brechungsindex und/oder die Absorption können in dem dargestellten Beispiel einer Regeleinrichtung 28 zugeleitet werden, wie in den Figuren durch den gestrichelten Pfeil 30 veranschaulicht. Die Regeleinrichtung 28 kann mindestens einen Produktionsparameter der in den Figuren äußerst schematisch bei dem Bezugszeichen 32 dargestellten Produktionsanlage regeln, wie durch den gestrichelten Pfeil 34 veranschaulicht. Bei dem mindestens einen Produktionsparameter kann es sich beispielsweise um ein Mischungsverhältnis zweier einer Extrusionsvorrichtung der Produktionsanlage zugeführten Materialien handeln. Hierzu kann die erfindungsgemäße Brechungsindexbestimmung auch als zeitlicher Verlauf und/oder räumlicher Verlauf aufgenommen und der Regelung zugrunde gelegt werden, wie dies oben erläutert wurde.
Bezugszeichenliste

10: Transceiver
12: Rohrförmiger Köper
14: Pfeil
16: Außenwand
18: Innenwand
20: Pfeil
22: Pfeil
24: Auswerteeinrichtung
26: Pfeil
28: Regeleinrichtung
30: Pfeil
32: Produktionsanlage
34: Pfeil

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2016/139155 A1 [0002]

Claims

Verfahren zum Bestimmen des Brechungsindex eines rohrförmigen Körpers (12), umfassend die folgenden Schritte: - der rohrförmige Körper (12) wird in einem Messbereich durch eine Sendeinrichtung mit Messstrahlung im Gigahertz- oder Terahertzfrequenzbereich bestrahlt, wobei die Messstrahlung an Grenzflächen des rohrförmigen Körpers (12) reflektiert wird und die reflektierte Messstrahlung durch eine Empfangseinrichtung detektiert wird, - anhand der reflektierten Messstrahlung wird die optische Wanddicke mindestens eines Wandabschnitts des rohrförmigen Körpers (12) bestimmt, - aus einem Vergleich der Außen- und Innendurchmesser des rohrförmigen Körpers (12) mit der bestimmten optischen Wanddicke des mindestens einen Wandabschnitts wird der Brechungsindex des rohrförmigen Körpers bestimmt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung des Brechungsindex der Quotient aus dem Zweifachen der optischen Wanddicke eines Wandabschnitts und der Differenz der Außen- und Innendurchmesser gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass anhand der reflektierten Messstrahlung die optische Wanddicke eines ersten Wandabschnitts des rohrförmigen Körpers (12) und die optische Wanddicke eines zweiten Wandabschnitts des rohrförmigen Körpers (12) bestimmt wird, und dass der Brechungsindex aus einem Vergleich der Außen- und Innendurchmesser mit den optischen Wanddicken des ersten und zweiten Wandabschnitts bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Wandabschnitt ein der Sendeeinrichtung zugewandter Wandabschnitt des rohrförmigen Körpers (12) und der zweite Wandabschnitt ein der Sendeeinrichtung abgewandter Wandabschnitt des rohrförmigen Körpers (12) ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung des Brechungsindex der Quotient aus der Summe der optischen Wanddicken des ersten und zweiten Wandabschnitts und der Differenz der Außen- und Innendurchmesser gebildet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Wanddicke des mindestens einen Wandabschnitts anhand von Laufzeitmessungen der reflektierten Messstrahlung ermittelt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Innendurchmesser und/oder der Außendurchmesser des rohrförmigen Körpers (12) (12) anhand von Laufzeitmessungen der an Grenzflächen des rohrförmigen Körpers reflektierten Messstrahlung bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messstrahlung nur einen der Wandabschnitte des rohrförmigen Körpers (12) durchstrahlt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der rohrförmige Körper (12) mit Messstrahlung aus mindestens zwei unterschiedlichen Richtungen bestrahlt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sendeeinrichtung und/oder die Empfangseinrichtung während der Messung um den rohrförmigen Körper (12) gedreht wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sendeeinrichtung und/oder die Empfangseinrichtung eine tragbare Sendeeinrichtung und/oder Empfangseinrichtung ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der rohrförmige Körper (12) aus mindestens zwei unterschiedlichen Richtungen mit optischer Strahlung bestrahlt wird, dass von dem rohrförmigen Körper (12) reflektierte optische Strahlung detektiert wird, und dass der Außendurchmesser des rohrförmigen Körpers (12) anhand von Laufzeitmessungen der von dem rohrförmigen Körper (12) reflektierten optischen Strahlung bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der rohrförmige Körper (12) während der Messung entlang einer Förderrichtung durch den Messbereich gefördert wird.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der rohrförmige Körper (12) durch eine Kalibrierhülse zur Formgebung der Außenseite des rohrförmigen Körpers (12) gefördert wird, und dass der Innendurchmesser der Kalibrierhülse als Außendurchmesser des rohrförmigen Körpers (12) angenommen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf Grundlage des bestimmten Brechungsindex aus der bestimmten optischen Wanddicke des mindestens einen Wandabschnitts die geometrische Wanddicke des mindestens einen Wandabschnitts berechnet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf Grundlage des ermittelten Brechungsindex dessen Verlauf als Trend dargestellt wird, aus dem ein Bediener einer Produktionsanlage zur Produktion des rohrförmigen Körpers (12) vom Brechungsindex abhängige Veränderungen erkennen kann, um daraus erforderliche Gegenmaßnahmen einzuleiten oder zu bewerten.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf Grundlage der Brechungsindexbestimmung mindestens ein Produktionsparameter einer Produktionsanlage (32) zur Produktion des rohrförmigen Körpers (12) gesteuert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass anhand der reflektierten Messstrahlung die Absorption der Messstrahlung durch den rohrförmigen Körper (12) bestimmt wird, und dass auf Grundlage der Absorptionsbestimmung mindestens ein Produktionsparameter einer Produktionsanlage (32) zur Produktion des rohrförmigen Körpers (12) gesteuert wird.
Verfahren nach Anspruch 13 und einem der Ansprüche 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Brechungsindex und/oder die Absorption zu mehreren Zeitpunkten während des Förderns des rohrförmigen Körpers (12) durch den Messbereich bestimmt wird und der mindestens eine Produktionsparameter aufgrund einer zeitlichen Änderung des Brechungsindex und/oder der Absorption gesteuert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass Messstrahlung auf verschiedene Orte des rohrförmigen Körpers (12) gestrahlt wird, und dass der Brechungsindex und/oder die Absorption an den verschiedenen Orten des rohrförmigen Körpers (12) bestimmt wird und der mindestens eine Produktionsparameter aufgrund einer räumlichen Änderung des Brechungsindex und/oder der Absorption gesteuert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass der rohrförmige Körper (12) aus einem Kunststoffmaterial besteht, dass die Produktionsanlage (32) eine Extrusionsvorrichtung zur Extrusion des Kunststoffmaterials umfasst, und dass auf Grundlage der Brechungsindexbestimmung und/oder der Absorptionsbestimmung mindestens ein Produktionsparameter der Extrusionsvorrichtung gesteuert wird.
Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass als Produktionsparameter eine Ausstoßleistung der Extrusionsvorrichtung und/oder ein Mischungsverhältnis von mindestens zwei der Extrusionsvorrichtung zugeführten zu extrudierenden Materialien gesteuert wird.