DE102023108276A1

DE102023108276A1 - THz- Messverfahren und THz- Messvorrichtung zur Vermessung eines Stranges

Info

Publication number: DE102023108276A1
Application number: DE102023108276.0A
Authority: DE
Inventors: Ralph Klose
Original assignee: Citex Holding GmbH
Current assignee: Citex Holding GmbH
Priority date: 2023-03-31
Filing date: 2023-03-31
Publication date: 2024-10-02

Abstract

Die Erfindung betrifft ein THz-Messverfahren und eine THz-Messvorrichtung zur Vermessung eines Profils (3), insbesondere eines extrudierten Rohres (3) in einem Messraum (2), bei demRotieren oder Reversieren einer THz-Messeinheit (4), die einen THz-Transceiver (5) mit einer optischen Achse (B1) und vorzugsweise einen auf der optischen Achse (B1) angeordneten und im Messraum (2) gegenüberliegenden Reflektor (6) aufweist, um den Messraum (2)- Durchführen von THz-Messungen an mindestens einer ersten Messposition und einer gegenüber liegenden zweiten Messposition, wobei der THz-Transceiver (5) in den Messungen jeweils vor einem zugewandten Wandbereich (w1a) positioniert ist oder wird,wobei die THz-Messungen jeweils erfolgen durch- Aussenden von THz-Messstrahlen (8) durch den THz-Transceiver (5) entlang seiner optischen Achse (B1) und Detektion der reflektierten THz-Strahlung (9), die jeweils zugewandte Reflexionspeaks (P1, P2) des zugewandten Wandbereichs (w1a) und abgewandte Reflexionspeaks (P3, P4) des abgewandten Wandbereichs (w2a) sowie vorzugsweise einen Total-Reflexionpeak (TP) enthält,- Ermitteln zumindest einer Schichtdicke des Stranges (3) aus Messungen der Laufzeitdifferenzen (t2 - t1) der Reflexionspeaks (P1, P2) des jeweils zugewandten Wandbereichs (w1a) an der ersten und zweiten Messposition, ohne Einbeziehung der Messung der Laufzeitdifferenz (t4 - t3) des abgewandten Wandbereichs in den Messpositionen.

Description

Die Erfindung betrifft ein THz-Messverfahren und eine THz-Messvorrichtung zur Vermessung eines Stranges in einem Messraum.
Eine derartige THz-Messvorrichtung und ein entsprechendes Messverfahren sind z. B. aus der DE 10 2020 133 704 A1 bekannt; um einen Messraum sind mehrere THz-Transceiver in einer gemeinsamen Ebene angeordnet, die ihren THz-Messstrahl bzw. THz-Sendestrahl entlang ihrer optischen Achse zu einer Symmetrieachse schicken, so dass die einfallende THz-Strahlung an Grenzflächen der Wände des Messobjektes teilweise reflektiert wird und der THz-Transceiver entsprechend Teil-Reflexionspeaks aufnimmt, so dass aus den Laufzeiten direkt oder indirekt Wanddicken und weitere geometrische Eigenschaften des Messobjektes ermittelt werden können.
Aus EP 3 265 748 B1 ist eine THz-Messvorrichtung bekannt, bei der von einem THz-Transceiver ausgegebene THz-Strahlung des THz-Transceivers linear fokussiert wird, wobei sie in der Messebene auf die Symmetrieachse fokussiert wird und entlang der Symmetrieachse parallel gerichtet ist. Zur Vermessung wird ein Strang mittels einer Führungseinrichtung der Messvorrichtung durch die Messvorrichtung geführt. Durch die Führungseinrichtung wird eine genaue Zentrierung des Stranges ermöglicht, so dass die Grenzflächen der beiden Wandbereiche des Stranges genau senkrecht zu der optischen Achse des THz-Messstrahls liegen. Durch den Messstrahl werden an den beiden Grenzflächen des zugewandten Wandbereichs und den beiden Grenzflächen des abgewandten Wandbereichs jeweils Teil-Reflexionspeaks erzeugt, aus deren Laufzeiten die Wanddicken ermittelt werden.
Durch eine derartige Messvorrichtung mit einer Führungseinrichtung wird eine Zentrierung des Stranges in der Messvorrichtung ermöglicht, sodass die vier Grenzflächen senkrecht zur optischen Achse des Messstrahls ausgerichtet sind. So ist der Strang nach der Extrusion noch heiß und weich, so dass er sich aufgrund der Schwerkraft und mechanischer Spannungen, insbesondere auch thermischer Spannungen, fortlaufend verstellt. Bereits geringe Deplatzierungen führen jedoch dazu, dass zumindest eine der Grenzflächen nicht mehr hinreichend orthogonal zur Messachse ausgerichtet ist, so dass die Vermessung unmöglich wird. Die weiteren Führungen des Stranges in der Produktionslinie, d.h. außerhalb der Messvorrichtung, durch einen nachfolgenden Abzieher und z.B. an einem Wasserbad, alleine gewährleisten noch keine hinreichend genaue Positionierung des Stranges in der Messvorrichtung, da hier Abstände von mehreren Metern vorliegen und der weiche, heiße Strang auch schon bei freien Strecken von weniger als einem Meter deutlich durchbiegen kann, so dass in der EP 3 265 748 B1 die genaue Positionierung und Zentrierung durch die Führungseinrichtung der THz-Messvorrichtung sichergestellt wird. Somit kann insbesondere auch die Reflexion der Grenzflächen des abgewandten Wandbereichs zurück zu dem Detektor gewährleistet werden.
Eine derartige Führung des Stranges durch die Messvorrichtung ist jedoch relativ aufwändig, auch da der heiße, weiche Strang schwer zu führen ist. Weiterhin können durch diese zusätzliche Führung auch Spannungen im Strang auftreten; grundsätzlich ist es vorteilhaft, den weichen, noch aushärtenden Strang nicht unnötig zu belasten, d.h. den Strang über eine größere Strecke ungeführt abkühlen zu lassen und Verstellungen des Stranges beim Aushärten zuzulassen. Auch ist eine Nachrüstung einer bestehenden Extrusionslinie mit der THz-Messvorrichtung durch die zusätzlich vorzusehende Führungseinrichtung erschwert. Der besondere Vorteil von THz-Messvorrichtungen liegt gerade in einer kontaktlosen Vermessung; dies wird durch die Führungseinrichtung letztlich verhindert.
Weiterhin zeigt sich, dass bei dieser Messvorrichtung die Genauigkeit der ermittelten geometrischen Werte, insbesondere der Wanddicken, bei einigen Messobjekten beeinträchtigt ist. So können Messungen an Kunststoffrohren in Abhängigkeit ihrer Materialien, z. B. auch der Additive, zu unterschiedlichen Messgenauigkeiten führen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein THz-Messverfahren und eine THz-Messvorrichtung zu schaffen, die mit geringem Aufwand genaue Ermittlungen der geometrischen Eigenschaften eines Stranges nach dessen Extrusion ermöglichen.
Diese Aufgabe wird durch ein THz-Messverfahren sowie eine THz-Messvorrichtung nach den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Die Unteransprüche beschreiben bevorzugte Weiterbildungen.
Die erfindungsgemäße THz-Messvorrichtung kann insbesondere ein erfindungsgemäßes THz-Messverfahren durchführen. Das erfindungsgemäße THz-Messverfahren kann insbesondere mit der erfindungsgemäßen THz-Messvorrichtung durchgeführt werden.
Erfindungsgemäß werden ein oder mehrere THz-Messeinheiten um den Messraum rotiert oder reversiert, um hierdurch eine vollumfängliche Messung des Messobjektes bzw. Stranges zu erreichen. Unter Rotieren wird hierbei ein fortlaufendes Umlaufen, z.B. mit konstanter Winkelgeschwindigkeit, verstanden. Unter Reversieren wird ein Hin- und Herschwenken verstanden, d.h. auch ein Oszillieren. Hierbei wird bei der Ermittlung der Schichtdicke bzw. Wanddicke des Stranges jeweils nur die Schichtdicke des dem THz-Transceiver zugewandten Wandbereichs ermittelt, und der jeweils abgewandte bzw. hintere Wandbereich nicht direkt vermessen, sondern vorzugsweise erst bei der Positionierung in der um 180° versetzten Messposition, in der dieser Wandbereich somit einen zugewandten Wandbereich darstellt.
In dem Messsignal werden insbesondere die zugewandten bzw. zeitlich ersten Reflexionspeaks, insbesondere somit der erste und zweite Reflexionspeak des Messsignals, für die Berechnung der Schichtdicke, insbesondere als Laufzeitdifferenz, herangezogen.
Hingegen werden - anders als bei der eingangs genannten EP 3 265 748 B1 -die nachfolgenden Reflexionspeaks, d.h. insbesondere bei einem einschichtigen Rohr der dritte und vierte Reflexionspeak, die in dem Messsignal grundsätzlich zur Verfügung stehen, nicht in die Berechnung einbezogen.
Der Erfindung liegt insbesondere die Erkenntnis zugrunde, dass eine Vermessung des abgewandten Wandbereichs oftmals durch verschiedene Einfluss-Faktoren beeinträchtigt oder verschlechtert werden kann. So kann insbesondere eine relevante Deplatzierung des Stranges vorliegen, der im Allgemeinen - wie eingangs ausgeführt - mit seiner Symmetrieachse nicht genau auf der Symmetrieachse des Messraums liegt, da sich insbesondere ein extrudiertes, noch weiches Rohr beim Transport deutlich durchbiegt. Bereits eine geringe Deplatzierung in der Messebene führt insbesondere bei dem abgewandten Wandbereichs dazu, dass die an den Grenzflächen teilreflektierten Strahlen aufgrund ihrer längeren Wegstrecke und der größeren Winkel-Fehlstellung nicht mehr zurück zu dem Transceiver gelangen. Es zeigt sich, dass die Reflexionen an den Grenzflächen des zugewandten Wandbereichs hingegen aufgrund der deutlich geringeren Wegstrecke sowie der geringeren Winkel-Fehlstellung in hinreichendem Maß zurück zu dem Transceiver gelangen, um als Signal ausgewertet zu werden.
Somit wird erfindungsgemäß insbesondere auch eine Vermessung durch eine THz-Messvorrichtung ohne Führungseinrichtung ermöglicht; bei einer derartigen THz-Messvorrichtung ohne Führungseinrichtung erfolgt somit lediglich eine externe Führung an weiter beabstandeten Punkten, insbesondere durch den weiter hinten stehenden Abzieher, der den Strang in der Transportrichtung abzieht, sowie am Extruder selbst sowie z.B. in einem von der THz-Messvorrichtung beabstandeten Wasserbad. Der noch weiche, mechanischen Spannungen und einem thermisch bedingtem Schrumpf oder Verzug unterliegende Strang wird somit insbesondere im Bereich der THz-Messvorrichtung frei hängend vermessen und kann sich in der Messebene verstellen. Durch die Ausbildung der THz-Messvorrichtung ohne Führungseinrichtung werden einige weitere Vorteile erreicht. So ist die THz-Messvorrichtung einfacher und kostengünstiger, weiterhin kann sie besser nachgerüstet werden, da zusätzliche Führungen die Produktionslinie insgesamt beeinflussen können. Auch erfolgt keine zusätzliche mechanische Belastung des weichen Stranges, sondern eine rein kontaktlose Vermessung.
Für größere Verstellungen des Stranges kann eine Verstelleinrichtung zur Verstellung der gesamten THz-Messvorrichtung in den beiden Dimensionen der Messebene vorgesehen sein, z.B. durch einen Kreuztisch. Eine derartige Verstelleinrichtung ermöglicht hierbei größere Verstellungen, die auch durch eine in der THz-Messeinrichtung vorgesehene Führungseinrichtung nicht kompensiert werden können, weiterhin ist eine derartige Verstelleinrichtung ebenfalls einfach nachrüstbar und ermöglicht weiterhin eine kontaktlose Vermessung des Stranges.
Die besondere erfindungsgemäße Wirkung, dass nur zugewandte Wandbereiche vermessen werden und hierdurch bereits ein größerer Anteil der an den Grenzflächen teilreflektierten Strahlung zurück zum Transceiver gelangt, wird insbesondere bei Einsatz von paralleler Strahlung statt der herkömmlichen Fokussierung auf die Rohrachse nochmals verstärkt. Parallele Strahlung hat zwar bei genauer Zentrierung des Stranges gegenüber der herkömmlichen Fokussierung der EP 3 265 748 B1 den Nachteil, dass ein Teil der Strahlung von den Grenzflächen nicht entlang der Messachse zurückreflektiert wird; dies macht sich insbesondere bei der Reflektion an den Grenzflächen des abgewandten Wandbereichs bemerkbar. Insbesondere von den Grenzflächen des zugewandten Wandbereichs wird jedoch noch ein hinreichender Anteil zurück zum Transceiver reflektiert. Weiterhin wird anders als bei Fokussierung auf die - vermeintliche - Position der Rohrachse auch bei einer Deplatzierung des Stranges ein relevanter Anteil zurück zum Transceiver reflektiert, da ein Teil der parallelen Strahlung unter einem günstigeren Winkel auf die runden Grenzflächen trifft. Somit wird insbesondere durch parallele Strahlung die erfindungsgemäße Wirkung der Vermessung nur des zugewandten Wandbereichs in besonderer Weise verstärkt.
Ein weiterer erfindungsgemäßer Vorteil der Vermessung von lediglich zugewandten Wandbereichen liegt in der Signalstärke der detektierten Strahlung durch geringere Absorption im Material. So kann bereits durch Additive, z. B. Ruß als übliches, strahlungsabsorbierendes Material, die Vermessung des abgewandten Wandbereichs erschwert werden. Der THz-Messstrahl wird in dem Material des zugewandten Wandbereichs teilweise absorbiert und in seiner Intensität geschwächt, und nachfolgend ergänzend im abgewandten Wandbereich absorbiert, und die teilreflektierte Strahlung wird nachfolgend beim erneuten Durchqueren des zugewandten Wandbereichs weiter geschwächt. Weiterhin führen die Teilreflexionen an den zugewandten Grenzflächen bereits zu einer Abschwächung der Intensität des durchtretenden Strahls; auch führen Mehrfachreflexionen der teilreflektierten Strahlen an den Grenzflächen, d.h. wiederholte Reflexionen von bereits reflektierter oder teilreflektierter Strahlung, zu Signalabschwächungen und Signalverbreiterungen, die insbesondere in den zeitlich nachfolgenden, abgewandten Reflexionspeaks des abgewandten Wandbereichs relevant sind. Durch Vermessung lediglich von zugewandten Wandbereiches können diese Nachteile weitgehend vermieden werden.
Weiterhin kann das Material des noch weichen Strangs durch Sagging-Effekte, d. h. ein Fließen insbesondere der Innenfläche, von der Idealform abweichen. Hierdurch wird insbesondere die Vermessung des abgewandten Wandbereichs problematisch, der schon bei kleinen Fehlstellungen derartig positioniert sein kann, dass die Teil-Reflexionspeaks nicht hinreichend genau entlang der optischen Achse zurück reflektiert werden. Eine Fehlstellung des Stranges oder einer Grenzfläche durch Sagging gegenüber der Symmetrieachse des Messraums führt im Allgemeinen noch nicht dazu, dass die jeweiligen Transceiver kein Reflexionssignal ihres zugewandten, vorderen Wandbereichs mehr erhalten, da die Ablenkung in lateraler Richtung bei geringerer Entfernung für kleine Ablenkwinkel gering ist. Während somit die Vermessung des zugewandten Wandbereichs auch bei leichten Fehlstellungen und bei Absorption des Materials im Allgemeinen hinreichend genau und sicher erfolgt, wird die Vermessung des abgewandten Wandbereichs durch derartige Einflussgrößen deutlich verschlechtert. So erfahren die nachfolgend reflektierten Strahlen des abgewandten Wandbereichs aufgrund des größeren Laufwegs durch den Innenraum des Stranges einen größeren lateralen Versatz zur optischen Achse und können gegebenenfalls von dem Transceiver nicht mehr detektiert werden.
Grundsätzlich kann nur eine THz-Messeinheit aus zumindest einem Transceiver mit einer optischen Achse rotiert oder reversiert. Die THz-Messeinheit kann insbesondere zusätzlich einen auf der optischen Achse angeordneten, im Messraum gegenüber liegenden Reflektor aufweisen. Weiterhin können um den Messraum herum auch mehrere THz-Messeinheiten angeordnet werden, die jeweils einen THz-Transceiver und vorzugsweise einen gegenüberliegenden Reflektor aufweisen, die insbesondere in ihrer Ausrichtung gegebenenfalls alternierend angeordnet sein können. Hierbei wird durch jeden THz-Transceiver jeweils der ihm zugewandte, vordere Wandbereich des Stranges direkt mit seinem Messstrahl vermessen. Durch die mehreren THz-Messeinheiten erfolgt eine schnellere vollständige Vermessung, da die Schwenkwinkel zwischen den Transceivern entsprechend geringer sind; bei z.B. drei THz-Messeinheiten wird bereits bei Rotieren oder Reversieren um 120° eine vollständige Vermessung des Umfangs erreicht.
Die Messungen durch die mehreren THz-Messeinheiten können grundsätzlich gleichzeitig erfolgen, da sich aufgrund des Winkel-Versatzes die THz-Transceiver bei hinreichend engem Strahl nicht beeinflussen. Weiterhin können die Vermessungen auch zeitlich alternierend erfolgen. Bei einer derartigen alternierenden Ansteuerung können die jeweils passiven Transceiver Streustrahlung an Fehlstellen oder Schrägstellungen der Grenzflächen bei z. B. Sagging detektieren, wodurch eine bessere Auswertung von Ungenauigkeiten ermöglicht wird. Weiterhin können Strahlen auch in unterschiedlichen Frequenzbereichen und Polarisationen ausgegeben werden; ein besonderer Vorteil liegt allerdings in der Verwendung identischer Transceiver, da hierdurch die Kosten gesenkt werden können, da einheitliche THz-Messeinheiten eingesetzt werden.
Weiterhin kann bei den Ausführungsformen mit einem oder auch mehreren Transceivern ein Verlauf der Schichtdicke in Umfangsrichtung ermittelt werden, um z.B. Ovalitäten genau zu vermessen.
Durch die Vermessung kann weiterhin eine Fehlstellung des Stranges gegenüber der Symmetrieachse ermittelt und bei der Bewertung der Wanddicken herangezogen werden, um Abweichungen der Messsignale nicht fälschlicherweise als Qualitätsverschlechterung des Stranges zu bewerten, obwohl lediglich eine Deplatzierung des Stranges gegenüber der Symmetrieachse vorliegt. Weiterhin kann die Ermittlung der Deplatzierung auch zur Korrektur der Führung des Stranges herangezogen werden.
Der Frequenzbereich des THz-Messstrahls kann insbesondere im Frequenzbereich von 5 GHZ bis 50 THz, insbesondere 10 GHZ bis 10 THZ, insbesondere 20 GHz bis 3 THZ vorzugsweise 50GHz bis 1 THz liegen. Somit kann die THz-Strahlung sich auch in den Bereich der Radarstrahlung und/oder Mikrowellenstrahlung erstrecken. Der THz-Messstrahl kann insbesondere als direkte Laufzeitmessung und/oder mittels Frequenzmodulation und/oder als gepulste Strahlung ausgesandt und detektiert werden. Insbesondere ein FMCW-Radar ermöglicht genaue Messungen, da die Transceiver kostengünstig und kleinbauend sind und daher eine hohe Anzahl von THz-Messeinheiten angeordnet werden kann.
Weiterhin ist bei allen Ausführungsformen vorteilhafterweise eine Kalibriermessung möglich. So wird erfindungsgemäß erkannt, dass der Totalreflexionspeak, den der THz-Messstrahl an seinem hinter dem Messraum und somit hinter dem Strang liegenden Reflektor erfährt, auch bei schlechten Bedingungen hinreichend stark ist, insbesondere auch deutlich stärker als die TeilReflexionen an den Grenzflächen, so dass er auch bei stärkerer Absorption in die Vermessung einbezogen werden kann. Somit kann insbesondere auch zunächst eine Kalibriermessung des leeren Messraums, d.h. insbesondere vor Einführung des Messobjektes, durchgeführt werden, bei der somit die Leer-Laufzeit der THz-Messstrahlen von den jeweiligen Transceivern zu den Reflektoren und zurück als Total-Reflexionspeak gemessen wird. Hierdurch können in Kombination mit der nachfolgenden Objektmessung bei aufgenommenem Messobjekt, bei der die Laufzeitdifferenzen der Grenzflächen und weiterhin der gegenüber der Kalibriermessung verschobenen Total-Reflexionspeak ermittelt werden, sowohl Brechungsindex als auch Schichtdicken ermittelt werden, insbesondere zusätzlich auch geometrischen Eigenschaften wie Außendurchmesser und Innendurchmesser.
Alternativ zu der Ausbildung der THz-Messeinheit mit dem Reflektor ist z.B. auch eine Ausbildung möglich, bei der zwei Transceiver gegenüber liegen.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der beiliegenden Zeichnungen an einigen Ausführungsformen näher erläutert. Es zeigen:

1 eine THz-Messvorrichtung gemäß einer Ausführungsform zur Vermessung einer Messachse;
2 eine THz-Messvorrichtung mit neun Messeinheiten aus Transceiver und Spiegel, zur Vermessung in neun Messachsen;
3 eine weitere Ausführungsform mit geraden Spiegeln;
3a einen Ausschnitt aus 3; und
4 ein Signaldiagramm bei Auswertung eines THz-Messsignals.

Eine THz-Messvorrichtung 1 weist gemäß 1 einen Messraum 2 auf, durch den ein Strang, hier ein extrudiertes Rohr 3, fortlaufend entlang einer Symmetrieachse A transportiert und vermessen wird. Hierbei ist insbesondere keine Führungseinrichtung vorgesehen, sondern das von einem Extruder ausgegebene Rohr 3 wird z.B. an einem in Transportrichtung hinteren Punkt durch einen Abzieher abgezogen und verläuft zwischen Extruder und dem hinteren Punkt frei durch den Messraum 2, so dass das noch weiche, mechanischen Spannungen und einem thermisch bedingtem Schrumpf oder Verzug unterliegende Rohr 2 sich insbesondere auch in der Messebene E verstellen kann und somit im Allgemeinen nicht genau entlang der Symmetrieachse A geführt wird.
Die THz-Messvorrichtung 1 weist gemäß 1 eine THz-Messeinheit 4 auf, die aus einem THz-Transceiver 5 und einem Reflektor 6 gebildet ist und wie mit den Pfeilen angedeutet in der Messebene E in Umfangsrichtung um den Messraum 2 rotiert, d.h. mit der Symmetrieachse als Rotationsachse bzw. Drehpunkt. Der THz-Transceiver 5 legt eine optische Achse B1 fest, auf der im Messraum 2 gegenüberliegend der Reflektor 6 angeordnet ist; die optische Achse B1 steht somit insbesondere senkrecht auf der Symmetrieachse A. Der THz-Transceiver 5 gibt ein Messsignal S1 an eine Steuer- und Auswerteeinheit 10 aus, die die nachfolgend beschriebenen Berechnungen durchführt.
Die Datenübertragung von dem THz-Transceiver 5 an die Steuer- und Auswerteeinheit 10 erfolgt insbesondere drahtlos; weiterhin ist auch eine drahtgebundene Datenübertragung möglich, wobei dann z.B. statt einer Rotation, d.h. fortlaufenden Drehung, eine reversierende Schwenkbewegung vorgesehen sein kann, bei der die THz-Messeinheit 4 um 180° oder mehr hin- und herschwenkt, um ein Aufwickeln von Leitungen zu vermeiden.
Vor Einführen des Rohres 3 wird vorzugsweise zunächst eine Kalibriermessung durchgeführt, bei der die gezeigte THz-Messvorrichtung 1 bei leerem Messraum 2, d. h. ohne Strang bzw. Rohr 3, eine Messung durchführt, die als Kalibrierungsmessung zur nachfolgenden Ermittlung von sowohl Wanddicken als auch dem Brechungsindex herangezogen wird. Nachfolgend wird das Rohr 3 kontinuierlich entlang der Symmetrieachse A durch den Messraum 2 geführt und vermessen. Der THz-Transceiver 5 sendet hierbei entlang seiner optischen Achse B1 einen THz-Strahl 8 aus, der zunächst durch einen zugewandten Wandbereich w1a des Rohres 3 tritt, nachfolgend durch das Rohrinnere des Rohres 3 und durch den abgewandten Wandbereich w1b des Rohres 3, und nachfolgend zu dem ersten Reflektor 6 gelangt, der den THz-Strahl 8 entlang der optischen Achse B1 zurück zu dem THz-Transceiver 5 reflektiert. Der THz-Strahl 8 wird an den Grenzflächen des zugewandten Wandbereichs w1a und des abgewandten Wandbereichs w2a jeweils teilreflektiert, unter Reflexion von reflektierter THz-Strahlung 9, die entlang der optischen Achse B1 zu dem THz-Transceiver 5 gelangt. Hierbei wird somit die an einer Außenfläche 15 und einer Innenfläche 14 des Rohres 3 reflektierte THz-Strahlung 9 von dem Transceiver 5 detektiert. Somit nimmt der THz-Transceiver 5 ein in 4 gezeigtes Messsignal auf, das einen ersten Reflexionspeak P1 an der Außenfläche 15 im zugewandten Wandbereich w1a, einen zweiten Reflexionspeak P2 an der Innenfläche 14 im zugewandten Wandbereich w1a, dann nach Durchqueren des Rohrinneren entsprechende Reflexionspeaks P3 und P4 im abgewandten Wandbereich w2a des Rohres 3, und den Totalreflexionspeak TP an dem Reflektor 6 zeigt, zu den angegebenen Zeitpunkten t1, t2, t3, t4 und tP1. In der Kalibriermessung wird entsprechend lediglich der Totalreflexionspeak TP zum Zeitpunkt tP0 gemessen; bei der nachfolgenden Objektmessung ist der Totalreflexionspeak TP zu einem etwas späteren Zeitpunkt tP1 verschoben. Durch den Vergleich der Messungen können sowohl die geometrischen Eigenschaften des Rohres 3 entlang der ersten optischen Achse B1, d. h. insbesondere Außendurchmesser AD, Innendurchmesser ID, und Wanddicken wd1, wd2, als auch der Brechungsindex n3 des Rohres 3 ermittelt werden.
Erfindungsgemäß ist vorteilhafterweise vorgesehen, dass bei der Ermittlung der abgewandten Wanddicke wd2a des abgewandten Wandbereichs w2a der dritte und vierte Reflexionspeak P3 und P4 des abgewandten Wandbereichs w2a nicht herangezogen werden, sondern stattdessen die Vermessung dieses Wandbereichs von der gegenüber liegenden Seite erfolgt, in der dieser Wandbereich somit einen zugewandten Wandbereich darstellt. Die abgewandten Reflexionspeaks P3 und P4 sind bei einigen Rohren 3 bzw. Strängen deutlich schwächer und verbreitert, was insbesondere durch die Dämpfung der THz-Strahlung in dem Rohrmaterial sowie Fehlplatzierungen des Rohres 3 gegenüber der Symmetrieachse A bewirkt wird. Zur Ausbildung der abgewandten Reflexionspeaks P3 und P4 treten der THz-Messstrahl 8 und die reflektierte Strahlung 9 durch mehrere Grenzflächen und eine größere Materialbreite, wobei das Rohrmaterial im Allgemeinen auch dämpfende, also energieabsorbierende Eigenschaften haben kann, die insbesondere auch von Additiven wie z.B. Ruß oder Graphit abhängen, die den Rohrmaterialien in unterschiedlichen Konzentrationen zugegeben werden. Weiterhin führen aber auch Fehlplatzierungen und Formabweichungen des Rohres zu Abweichungen des Strahlverlaufs gegenüber der idealen optischen Achse B, die sich in den abgewandten Reflexionspeaks P3 und P4 stärker auswirken.
Somit wird eine Messung an der in 1 gezeigten Position durchgeführt, und das Messsignal der 4 für die Laufzeit t2 - t1 durch den zugewandten, vorderen Wandbereich w1a, sowie für die Gesamt-Laufzeitverzögerung tp1 - tp0 des Total-Reflexionspeaks TP der Messung mit Rohr 3 gegenüber dem Total-Reflexionspeak TP der Leermessung herangezogen. Die Werte t3, t4 werden nicht herangezogen. Dann wird die THz-Messeinheit 4 unter fortlaufender Messung rotiert, bis sie nach eine Schwenkwinkel von alpha = 180° an der gegenüber liegenden Position angekommen ist. Dort wird somit die entsprechende Messung auf der gleichen optischen Achse B1 wie die erste Messung der 1 durchgeführt. Diese Messung der beiden Reflexionspeaks P1 und P2, d.h. die Laufzeit t2 - t1 zwischen den Zeitpunkten t2 und t1 von der gegenüber liegenden Position, wird statt der Messung der Laufzeit t4 - t3 der ersten Messung herangezogen.
Somit können die starken Messpeaks P1 und P2 des jeweils zugewandten Wandbereichs w1a jeder THz-Messeinheit 4a, 4b und 4c zur Ermittlung beider Wanddicken w1a und w2a, sowie auch der weiteren geometrischen Eigenschaften des Rohres 3, d.h. Außendurchmesser AD und Innendurchmesser ID, herangezogen werden.
Wie in 1 gestrichelt angedeutet, kann alternativ zu der Ausbildung mit dem Reflektor 6 kann hinter dem abgewandten Wandbereich w2a auch ein weiterer THz-Transceiver 5 auf einer gemeinsamen optischen Achse mit dem ersten THz-Transceiver 5 angeordnet sein, der somit von dieser Seite her vermisst. Er kann von dem ersten Transceiver unabhängige Messungen durchführen, z.B. auch zu alternativen Zeiten, in anderen Frequenzbereichen und/oder anderer Polarisation. Weiterhin kann er gegebenenfalls auch die Strahlung des gegenüber liegenden Transceivers detektieren.
Bei der Ausführungsform der 2 sind entsprechend neun THz-Messeinheiten 4 in Umfangsrichtung um den Messraum 2 und somit um das aufgenommene Rohr 3 herum angeordnet, d. h. symmetrisch zur Symmetrieachse A, z.B. mit jeweils gleichem Versatz-Winkel zueinander. Ihre optischen Achsen B schneiden sich somit in der Symmetrieachse A. diese Anordnung rotiert bzw. reversiert. Hierbei wird somit nach einem Schwenkwinkel von alpha = 20° jeweils von einem der Transceiver 5 die Position erreicht, bei der zuvor ein Reflektor 6 angeordnet war, so dass bei diesen Ausführungsformen auch die Messsignale eines anderen Transceivers 5 herangezogen werden können, um die Laufzeiten miteinander in Beziehung zu setzen.
Grundsätzlich können in 2 die THz-Transceiver 5 im gleichen Frequenzbereich arbeiten, da sie sich nicht beeinflussen. Somit können gleiche THz-Transceiver 5 verwendet werden, insbesondere auch in enger Anordnung zueinander. Weiterhin ist auch eine Trennung durch z. B. unterschiedliche Polarisationen der THz-Strahlen möglich. Die gegenüberliegenden Reflektoren 6 können weiterhin vorteilhafterweise auch als Streublende der zwischen ihnen aufgenommenen THz-Transceiver 5 dienen, wie aus 2 und 3 ersichtlich. Hierbei können die Freiräume zwischen den Reflektoren 6 entsprechend klein gehalten werden, um lediglich optische Strahlung entlang der optischen Achsen B durchzulassen, sodass die Streublenden durch die Reflektoren ausgebildet werden.
Bei der Ausführungsform der 3 sind die Reflektoren 6 plan ausgebildet, statt der in 1 und 2 gezeigten konvexen Ausbildung. Hier werden vorteilhafterweise parallel ausgegebene THz-Messstrahlen 8 eingesetzt, die gegenüber fokussierten THz-Messstrahlen 8 den Vorteil aufweisen, dass die Laufzeiten der Strahlenbereiche gleich sind; bei einer herkömmlichen Fokussierung bzw. Bündelung der THz-Messstrahlen 8 durch die Optik der THz-Transceiver 5, wie sie auch zum Teil im eingangs genannten Stand der Technik erfolgt, ergeben sich für äußere Bereiche des Strahlenbündels längere Laufwege als für innere, so dass das Messsignal hierdurch negativ beeinflusst, z.B. verbreitert wird. Es zeigt sich insbesondere, dass bei der oben beschriebenen Vermessung der zugewandten Wandbereiche w1a eine Bündelung nicht so hilfreich ist, wie bei herkömmlichen Vermessungen, bei denen durch die Bündelung bzw. Fokussierung die Intensität und somit Signalstärke der schwächeren Reflexionspeaks erhöht werden soll.
Somit wirkt eine parallele Strahlführung gemäß 3 in besonderer Weise mit der beschriebenen Heranziehung nur der zugewandten Reflexionspeaks P1 und P, sowie des Totalreflexionspeaks TP, zusammen.
Während der Rotation oder Reversion erfolgt somit eine fortlaufende Vermessung, bei der um 180° versetzte Messungen miteinander in der beschriebenen Weise in Beziehung gesetzt werden. Es kann somit auch die Ermittlung eines umlaufenden Flächenverlaufs der Flächen 14 und 15 erfolgen, wobei z.B. auch Ovalitäten erkannt werden können.
Bezugszeichenliste

1: THz-Messvorrichtung
2: Messraum
3: Strang, insbesondere Rohr
4: THz-Messeinheit
5: THz-Transceiver
6: Reflektor
8: THz-Messstrahl
9: reflektierte THz-Strahlung
10: Steuer- und Auswerteeinheit
14: Innenfläche
15: Außenfläche
A: Symmetrieachse
B, B1: optische Achse
α: Schwenkwinkel der optischen Achsen B
P1, P2: erster und zweiter Reflexionspeak, zugewandte Reflexionspeaks
P3, P4: dritter und vierter Reflexionspeak, abgewandte Reflexionspeaks
S1: Messignal
TP: Totalreflexionspeak
w1a: zugewandter Wandbereich
w2a: abgewandter Wandbereich
wd1a: zugewandte Wanddicke des zugewandten Wandbereichs W1a
wd2a: abgewandte Wanddicke des abgewandten Wandbereichs W2a
AD: Außendurchmesser
ID: Innendurchmesser

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102020133704 A1 [0002]
EP 3265748 B1 [0003, 0004, 0012, 0016]

Claims

THz-Messverfahren zur Vermessung eines Stranges (3), insbesondere eines extrudierten Rohres (3) in einem Messraum (2), mit den Schritten: - Rotieren oder Reversieren mindestens einer THz-Messeinheit (4), die einen THz-Transceiver (5) mit einer optischen Achse (B1) aufweist, um den Messraum (2), - Durchführen von THz-Messungen an mindestens einer ersten Messposition und einer im Messraum (2) gegenüber liegenden zweiten Messposition, wobei der THz-Transceiver (5) in den Messungen jeweils vor einem zugewandten Wandbereich (w1a) positioniert ist oder wird, wobei die THz-Messungen jeweils erfolgen durch - Aussenden von THz-Messstrahlen (8) durch den THz-Transceiver (5) entlang seiner optischen Achse (B1) und Detektion der reflektierten THz-Strahlung (9), die jeweils zugewandte Reflexionspeaks (P1, P2) des zugewandten Wandbereichs (w1a) und abgewandte Reflexionspeaks (P3, P4) des abgewandten Wandbereichs (w2a) enthält, - Ermitteln zumindest einer Schichtdicke des Stranges (3) aus Messungen der Laufzeitdifferenzen (t2 - t1) der Reflexionspeaks (P1, P2) des jeweils zugewandten Wandbereichs (w1a) an der ersten und zweiten Messposition, ohne Einbeziehung der Messung der Laufzeitdifferenz (t4 - t3) des abgewandten Wandbereichs in den Messpositionen.
THz-Messverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine einzige THz-Messeinheit (4) um den Messraum (2) rotiert oder reversiert und fortlaufend THz-Messungen durchführt, wobei aus Messungen auf jeweils einer gemeinsamen optischen Achse (B1) an den beiden um 180°- gegenüber liegenden Messpositionen jeweils die beiden Wanddicken entlang der optischen Achse (B1) ermittelt werden, indem nur jeweils der vordere Wandbereich an jeder Messposition bei der Ermittlung herangezogen wird.
THz-Messverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwei oder mehr THz-Messeinheiten (4) um den Messraum (2) herum geschwenkt werden, wobei die THz-Messeinheiten (4) jeweils einen THz-Transceiver (5) mit einer optischen Achse (B) aufweisen, - die zugewandte Schichtdicke des zugewandten Wandbereichs auf der ersten optischen Achse (B1) der ersten THz-Messeinheit (4) durch das erste Messignal des ersten Transceivers (5) ermittelt wird und - eine abgewandten Schichtdicke (wd2a) auf der ersten optischen Achse (B1) nachfolgend nach einem Schwenkwinkel (alpha) durch die Messsignale (S1) eines in Umfangsrichtung zu der ersten optischen Achse (6) benachbarten zweiten THz-Transceivers (5) der benachbarten THz-Messeinheiten (4) ermittelt wird, indem die benachbarten Transceiver (5) jeweils ihren zugewandten Wandbereich vermessen.
THz-Messverfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Messraum (2) zwischen den THz-Transceivern (5) der mehreren THz-Messeinheiten (4) angeordnet ist und die optischen Achsen (B, B1) der mehreren THz-Messeinheiten (4) sich in der gemeinsamen Symmetrieachse (A) des Messraums (2) schneiden.
THz-Messverfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die THz-Transceiver (5) der mehreren THz-Messeinheiten (4) alternierend ihren THz-Messstrahl (8) aussenden, und vorzugsweise die jeweils passiven THz-Transceiver (5) Streustrahlung an dem Strang (3) detektieren, zur nachfolgenden Ermittlung von Fehlern oder Unregelmäßigkeiten des Stranges (3).
THz-Messverfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zu der Schichtdicke oder Wanddicke eine oder mehrere der folgenden Größen des Stranges (3) ermittelt werden: ein Außendurchmesser (AD), ein Innendurchmesser (ID), ein Verlauf der Schichtdicke und/oder des Außendurchmessers (AD) und/oder des Innendurchmessers (ID) des Stranges (3), in Umfangsrichtung, ein Brechungsindex (n3) des Materials des Stranges (3).
THz-Messverfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine THz-Messeinheit (4) weiterhin einen auf der optischen Achse (B1) angeordneten und im Messraum (2) dem THz-Transceiver (5) gegenüberliegenden Reflektor (6) aufweist, wobei während der Durchführung von THz-Messungen der THz-Transceiver (5) in den Messungen jeweils vor einem zugewandten Wandbereich (w1a) und der Reflektor vor einem abgewandten Wandbereich (w2a) des Stranges (3) positioniert ist, wobei in der reflektierten THz-Strahlung (9) weiterhin ein Total-Reflexionspeak (TP) detektiert wird, der von der an dem Reflektor (6) reflektierten THz-Strahlung hervorgerufen ist.
THz-Messverfahren Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Objektvermessung und/oder nach der Objektvermessung ein Schritt einer Kalibriermessung bei leerem Messraum (2) durchgeführt wird, bei dem bei leerem Messraum (2) ohne den Strang (3) die ein oder mehreren THz-Transceiver (5) der THz-Messeinheiten (4) jeweils ihren THz-Messstrahl (8) entlang ihrer optischen Achse (B, B1) ausgeben und den Totalreflexionspeak (TP) an ihrem zugeordneten Reflektor (6) detektieren, und wobei der Brechungsindex (n3) des Materials des Stranges (3) aus einer Einbeziehung der Kalibriermessung in die Objektmessung, unter Ermittlung einer zeitlichen Verschiebung (tp1 - tp0) des Totalreflexionspeaks (TP) in den beiden Messungen ermittelt wird.
THz-Messverfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass weiterhin eine Fehlplatzierung eines Mittelpunktes des Strangs (3) gegenüber der Symmetrieachse (A) ermittelt und/oder bei der Ermittlung der Schichtdicke (wd1a, wd2a) berücksichtigt wird.
THz-Messvorrichtung (1) zur Vermessung eines Stranges (3), insbesondere Rohres (3), wobei die THz-Messvorrichtung (1) aufweist: - einen Messraum (2) mit einer Symmetrieachse (A), zur Aufnahme des Stranges (3), - mindestens eine THz-Messeinheit (4), die einen THz-Transceiver (5) zum Aussenden eines THz-Messstrahls (8) entlang seiner optischen Achse (B; B1) aufweist - wobei der THz-Transceiver (5) ausgebildet ist, an zumindest an Grenzflächen eines zugewandten Wandbereichs und eines abgewandten Wandbereichs des Stranges reflektierte THz-Strahlung (9) des THz-Messstrahls (8) aufzunehmen und ein Messsignal (S1) auszugeben, - wobei die mindestens eine THz-Messeinheit (4) um den Messraum und die Symmetrieachse (A) rotierend oder reversierend vorgesehen ist zur Vermessung an zumindest einer ersten Messposition und einer der ersten Messposition gegenüber liegenden zweiten Messposition, - eine Steuer- und Auswerteeinheit (10), die derartig ausgebildet ist, dass sie das Messsignal (S1) des THz- Transceivers (5) an den mehreren Messpositionen um den Messraum (2) herum aufnimmt und Schichtdicken (wd1a, wd2a) des Stranges (3) an mehreren Messpositionen ermittelt, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- und Auswerteeinheit (10) derartig ausgebildet ist, dass sie die Schichtdicken des Strangs (3) als Schichtdicken (wd1a) lediglich der Messungen der Teil-Reflexionspeaks (P1, P2) des jeweils zugewandten Wandbereichs (w1a) an der ersten und der gegenüber liegenden zweiten Messposition ermittelt, ohne Einbeziehung der Teil-Reflexionspeaks (P3, P4) des abgewandten Wandbereichs (w2a).
THz-Messvorrichtung (1) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine THz-Messeinheit (4) weiterhin einen auf der optischen Achse (B, B13) angeordneten und dem THz- Transceiver (5) im Messraum (2) gegenüberliegenden Reflektor (6) aufweist, wobei der THz-Transceiver (5) ausgebildet ist, an dem Reflektor (6) und zumindest an Grenzflächen eines zugewandten Wandbereichs und eines abgewandten Wandbereichs des Stranges reflektierte THz-Strahlung (9) des THz-Messstrahls (8) als Reflexionspeaks aufzunehmen und ein Messsignal (S1) auszugeben,
THz-Messvorrichtung (1) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass - der THz-Messstrahl (8) parallel ausgebildet ist und der Reflektor (6) plan ausgebildet ist zur Reflektion des parallelen THz-Messstrahl (8), oder - der THz-Messstrahl (8) fokussiert oder linear fokussiert ausgebildet ist und der Reflektor (6) konkav oder linear konkav ausgebildet ist zur bündelnden Reflektion des THz-Messstrahls zurück durch die Symmetrieachse (A) des Messraums.
THz-Messvorrichtung (1) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass THz-Messeinheiten (4) auf einer gemeinsamen optischen Achse (B) gegenüber liegen und alternierend senden und/oder andere Polarisationen ihre THz-Strahlung und/oder andere Frequenzbereiche aufweisen.
THz-Messvorrichtung (1) einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- und Auswerteeinheit (10) derartig ausgebildet ist, dass sie die Schichtdicke (wd1a) des Stranges (3) aus einer Laufzeitdifferenz der zugewandten Reflexionspeaks des vor dem THz-Transceiver liegenden zugewandten Wandbereichs ermittelt und abgewandte Reflexionspeaks des abgewandten, insbesondere vor dem Reflektor (6) liegenden, Wandbereichs nicht zur Ermittlung der Schichtdicke des Strangs (3) heranzieht.
THz-Messvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass zwei oder mehr rotierende oder reversierende THz-Messeinheiten (4) vorgesehen sind, wobei jede THz-Messeinheit (4) jeweils einen THz-Transceiver (5) zum Aussenden eines THz-Messstrahls (8) entlang seiner optischen Achse (B) und vorzugsweise einen auf der optischen Achse (B) angeordneten und dem THz-Transceiver (5) gegenüberliegenden Reflektor (6) aufweist, wobei die Steuereinrichtung ausgebildet ist, bei der Vermessung des Stranges (3) die zugewandte Schichtdicke (wd1a) des zugewandten Wandbereichs (w1a) aus einem ersten Messsignal (S1) des ersten Transceivers (5) zu ermitteln und eine abgewandte Schichtdicke (wd2a) des abgewandten Wandbereichs (w2a) der ersten THz-Messeinheit (4a) aus einer Messung des vorderen Wandbereichs eines anderen THz-Transceivers (5) zu ermitteln.
THz-Messvorrichtung (1) einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Messraum (2) zwischen den Transceivern (5) angeordnet ist und die optischen Achsen (B) der THz-Messeinheiten (4) in einer gemeinsamen Messebene (E) liegen und sich in der Symmetrieachse (A) schneiden.
THz-Messverfahren oder THZ-Messvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der THz-Messstrahl (8) im Frequenzbereich von Terahertz-, Radar- oder Mikrowellenstrahlung liegt, insbesondere zwischen 5 GHz und 50 THz, insbesondere zwischen 10 GHZ bis 10 THZ, insbesondere 20 GHz bis 3 THZ, insbesondere als Laufzeit-Messung, Frequenzmodulation, z.B. FMCW-Radar, und/oder gepulste Strahlung.