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Patent Searching and Data


Title:
METHOD FOR MEASURING THE WALL THICKNESS
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2008/011865
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a method for measuring the wall thickness. It can be applied to measuring the wall thickness of objects made of insulating materials, such as flat glass and round glass, ceramics, plastics, glass-fibre reinforced plastics and natural-fibre reinforced plastics. The method for measuring the wall thickness of insulating materials has the wall which is to be measured with regards to its thickness being irradiated by high frequency electromagnetic waves and the radiation reflected by the irradiated wall being received, so that a complex reflection factor can then be calculated from the emitted and reflected signal. The determined complex reflection factor is classified according to its real and imaginary part or according to its absolute value and phase within a complex calibrating curve family, the wall thickness to be measured being obtained from the location of the complex reflection factor within the complex calibrating curve family. The complex calibrating curve family is determined from the determined complex reflection factors of calibrating measurements of real wall thicknesses with different lift-off values.

Inventors:
HINKEN, Johann (Breitscheidstrasse 17, Magdeburg, 39114, DE)
BELLER, Thomas (Graf von Stauffenbergstr. 13, Stendal, 39576, DE)
Application Number:
DE2007/001279
Publication Date:
January 31, 2008
Filing Date:
July 18, 2007
Export Citation:
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Assignee:
HOCHSCHULE MAGDEBURG-STENDAL (FH) (Breitscheidstrasse 2, Magdeburg, 39114, DE)
ESA PATENTVERWERTUNGSAGENTUR SACHSEN-ANHALT GMBH (Breitscheidstrasse 51, Magdeburg, 39114, DE)
HINKEN, Johann (Breitscheidstrasse 17, Magdeburg, 39114, DE)
BELLER, Thomas (Graf von Stauffenbergstr. 13, Stendal, 39576, DE)
International Classes:
G01B15/02
Domestic Patent References:
2005-12-15
Foreign References:
US6815947B22004-11-09
Attorney, Agent or Firm:
FISCHER, Volker (Sperling, Fischer & HeynerBruno-Wille-Strasse 9, Magdeburg, 39108, DE)
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Claims:

Patentansprüche

1. Verfahren zur Wandstärkenmessung isolierender Materialien,

1.1. bei dem elektromagnetische Wellen (5) hoher Freqenz auf die bezüglich ihrer Dicke zu messende Wand gestrahlt werden,

1.2. bei dem die von der angestrahlten Wand reflektierte Strahlung (6) empfangen wird,

1.3. bei dem aus dem gesendeten und dem reflektierten Signal ein komplexer Reflexionsfaktor errechnet wird,

1.4. bei dem der ermittelte komplexe Reflexionsfaktor hinsichtlich seines Real- und Imaginärteils (Re und Im) oder hinsichtlich seines Betrages und seiner Phase in eine komplexe Kalibrierkurvenschar eingeordnet wird,

1.5. und sich aus dem Ort des komplexen Reflexionsfaktors innerhalb der komplexen Kalibrierkurvenschar die zu erfassende Wandstärke ergibt,

1.6. wobei die komplexe Kalibrierkurvenschar aus den ermittelten komplexen Reflexionsfaktoren von Kalibriermessungen realer Wandstärken bei unterschiedlichen Lift-off-Werten ermittelt wird.

Hierzu 4 Seiten Zeichnungen.

Description:

Verfahren zur Wandstärkenmessung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Wandstärkenmessung. Sie kann angewendet werden bei der Wandstärkenmessung von Gegenständen aus Isolator- Werkstoffen, wie Flach- und Rundglas, Keramik, Kunststoffen, glasfaserverstärkten Kunststoffen und naturfaserverstärkten Kunststoffen.

Besonders bei der Herstellung von Glasbehältern ist es wichtig, die Sollwerte der Wandstärke einzuhalten, da zu geringe Wandstärken bei der Befüllung unter ho- hem Druck oder beim Transport zu Schäden führen können. Zu dicke Wandungen wiederum führen zu unerwünschter Materialverschwendung bzw. zu überhöhtem Transportgewicht.

Daher existiert z.B. mit der US-PS 3393799 ein Lösungsvorschlag, der auf Wand- Stärkenbestimmung bei der Glasflaschenproduktion abzieht. Hierbei wird mit kapazitiven Sensoren die Glasoberfläche abgetastet. Die Abtastung mit berührenden Sensoren weist allerdings die Nachteile des starken Sensorverschleißes, besonders in der Massenproduktion, sowie der Möglichkeit von Oberflächenschädigungen der Gläser auf. Dies ist besonders dann unerwünscht, wenn die Oberflächen bei hochwertigen Gütern unbeschädigt bleiben sollen. Der Einsatzbereich dieser Lösung ist also begrenzt, seine Realisierung führt zu kontinuierlich erhöhtem Aufwand zur Sensorerneuerung.

Ein zusätzlicher Nachteil dieser Lösung besteht in der punktuellen Messwerterfas- sung und damit einem begrenzten Kontrollbereich. Dieser Nachteil soll mit der Lösung der DE-PS 2257684 beseitigt werden, jedoch bleiben die weiteren vorgenannten Nachteile bestehen. Eine Möglichkeit, berührungslos die gewünschte Stärkenbestimmung vornehmen zu können, besteht in der Anwendung der Messung mit Hilfe von Mikrowellen. Hierzu sind in den Konferenzberichten „Anne Jans Faber; Rene Breeuwer, Application of radio waves for the in-situ inspection of

glass melt tank refractories, Konferenz-Einzelbericht: Glastechnische Tagung, 79 (2005), 2005" und „B.Varghese; R. Zoughi; C. DeConink; M. Velez; R. Moore, Frequency modulated continuous wave monitoring of refractory walls, Konferenz- Einzelbericht: Ceramic Transactions *Band 155 (2004) Seite 159 - 166, 2004" Lö- sungen vorgeschlagen, die sich allerdings wegen des dort verwendeten Frequenzänderungsprinzips nicht für kleinere Glasbehälter eignen.

Auch für die Anwendung der Wandstärkenmessung bei Massenfertigungen sind diese Lösungen nicht geeignet, da hier nur eine ungenügende Berücksichtigung wechselnder Messartbedingungen, z.B. variabler Abstände der Messanordnung zum Messobjekt, stattfindet. Dieser sogenannte Lift-off-Einfluss führt zur Verfälschung der Werte der Dickenmessungen und damit zu einem eingeschränkten Anwendungsgebiet der Methode auf reproduzierbare geometrische Messverhältnisse.

Ziel der Erfindung ist es daher, ein mikrowellenbasiertes Messverfahren zu entwickeln, welches weitgehend unabhängig von Lift-off-Effekten eine Wandstärkenmessung bei Isolationswerkstoffen, insbesondere aber Glasobjekten, ermöglicht.

Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren zur Wandstärkenmessung gelöst, das die Merkmale des Patentanspruches aufweist.

Das Wesen der Erfindung besteht darin, dass die an sich bekannte Methode mikrowellengestützter Erfassung geometrischer Werkstückparameter durch die Einbeziehung vorratsgespeicherter Kalibrierdaten fehlerbereinigt wird.

Damit wird auf überraschend einfache Weise der Einfluss von Lift-off-Effekten bei der Mikrowellenbestimmung, z. B. der Wandstärken, auf das Ergebnis der Messung beseitigt. Diese Verfahrensweise ist mit einem sehr geringen Aufwand ver-

bunden, da einmal bestimmte Kalibrierkurven problemlos in die Auswertealgorithmen der Mikrowellenmessung online einbezogen werden können.

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. Dabei zeigen die zugehörigen Zeichnungen in

Fig. 1 : ein Blockschaltbild einer Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,

Fig. 2: eine Darstellung des komplexen Reflexionsfaktors als Funktion der

Glasdicke und des Lift-off,

Fig. 3: eine weitere Darstellung des komplexen Reflexionsfaktors als Funktion der Glasdicke und des Lift-off, ergänzt um interpolierte Kalibrati- onskurven und

Fig. 4: eine Darstellung des komplexen Reflexionsfaktors als Funktion der

Glasdicke und des Lift-off, ergänzt um Blindmesspunkte für verschiedene Glasdicken und Lift-offs.

Gemäß Figur 1 weist eine Anordnung zur Durchführung des beanspruchten Verfahrens zur Wandstärkenmessung eine Mikrowellenschaltung 1 mit einer Hohlleiterantenne 2 und eine Auswerteeinheit 3 auf. Der Hohlleiterantenne 2 gegenüber ist ein Messobjekt angeordnet, hier ein Glasbehälter 4, dessen Wandstärke gemessen werden soll.

Die Mikrowellenschaltung 1 besteht im vorliegenden Ausführungsbeispiel aus einem Oszillator 11 , drei Leistungsteilern 12 bis 14, einem Zirkulator 15, einem Phasenschieber 16 sowie zwei Mischern 17 und 18. Die aufgeführten Elemente sind,

wie aus Figur 1 ersichtlich, miteinander verbunden und gewährleisten die nachfolgende Funktionalität bei der Durchführung des Verfahrens:

Hohlleiterantenne 2 strahlt eine hochfrequente elektromagnetische Welle 5 - hier mit einer Frequenz von 11 GHz - gegen Glasbehälter 4.

Die vom Glasbehälter 4 reflektierte Welle 6 wird wiederum von der Hohlleiterantenne 2 aufgenommen und an den Zirkulator 15 der Mikrowellenschaltung 1 übergeben.

Mit Hilfe von Leistungsteiler 14 und der Mischer 17 und 18 entstehen Ausgangswerte für den Realteil Re und den Imaginärteil Im eines Ausgangssignals, das einen komplexen Reflexionsfaktor des Messsignals repräsentiert. Der Realteil Re und der Imaginärteil Im sind eineindeutig mit dem Betrag und der Phase des Re- flexionsfaktors verknüpft und bilden das reflektierte Signal ab.

In der Auswerteeinheit 3 werden die aus der Mikrowellenschaltung 1 übergebenen Werte für Realteil Re und Imaginärteil Im mit in der Auswerteeinheit 3 abgelegten Werten von Kalibrierkurven verglichen und Zuordnungen zu Wandstärkenwerten vorgenommen.

Die Kalibrierkurven werden zuvor gewonnen, indem in Kalibriermessvorgängen der komplexe Reflexionsfaktor an Stützstellen bei unterschiedlicher Glasdicke und unterschiedlichem Lift-off erfasst wird. Auf diese Weise ergeben sich signifikante Kurvenscharen, die unter definierten mikrowellentechnischen Bedingungen für verschiedene Glasdicken nahezu parallel liegen. Dies ist aus den Kurven der Figur 2 ersichtlich, in denen die Abhängigkeit des komplexen Reflexionsfaktors von Wandstärke des Glases und Lift-off dargestellt ist.

In Fig. 3 ist eine weitere Darstellung des komplexen Reflexionsfaktors als Funktion der Glasdicke und des Lift-off zu sehen, bei der interpolierte Kalibrationskurven

eine feinere Einordnung von komplexen Messwerten ermöglichen und damit zu tatsächlichen Dickenwerten für die Messobjekte kommen.

Fig. 4 zeigt eine Darstellung des komplexen Reflexionsfaktors als Funktion der Glasdicke und des Lift-off, in die Blindmesspunkte für verschiedene Glasdicken eingetragen wurden.

Ersichtlich wird aus den Darstellungen der Figuren 2 bis 4, dass bei erfindungsgemäßer Durchführung des Verfahrens auf überraschend einfache und dabei zu- verlässige Weise eine Ermittlung der Wandstärken von Messobjekten möglich und sehr vorteilhaft ist.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann angewendet werden bei der Wandstärkenmessung von Gegenständen aus Isolatorwerkstoffen, wie Flach- und Rund- glas, Keramik, Kunststoffen, glasfaserverstärkten Kunststoffen und naturfaserverstärkten Kunststoffen. Es ist aber weiterhin anwendbar in verschiedenen Ausgestaltungen zur Lösung weiterer Messaufgaben in Verbindung mit Materialien der vorgenannten Art. So kann z.B. eine quasikontinuierliche Erfassung der Dicke eines Materialflusses bei der Glasherstellung oder ähnliche Prozessüberwachung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren vorteilhaft vorgenommen werden.

Bei bekannten Werten der Dicke von Gegenständen oder Materialflüssen ist eine weitere mögliche Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens darin zu sehen, dass z. B. die relative Dielektrizitätskonstante Epsilon-R in ihrer räumlichen Ver- teilung in Werkstoffen erfasst und so eine Materialprüfung für GFK-Werkstoffe vorgenommen wird. Auch Zusammensetzungsprüfungen von isolierenden Materialien oder Verwechslungsprüfungen sind möglich.

Bezugszeichen zur Patentanmeldung

Verfahren zur Wandstärkenmessung

1 Mikrowellenschaltung

11 Oszillator

12 Leistungsteiler

13 Leistungsteiler

14 Leistungsteiler

15 Zirkulator

16 Phasenschieber

17 Mischer

18 Mischer

2 Hohlleiterantenne 3 Auswerteeinheit

4 Glasbehälter

5 Welle

6 reflektierte Welle