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Title:
TERAHERTZ MEASUREMENT DEVICE
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2018/072789
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a THz measurement device (1) for determining at least one layer thickness (a1, a2, a3, a4) of a test object (20, 120, 220), the measurement device (1) having: a THz transceiver unit (14) for emitting THz radiation (15) along an optical axis (A) and for receiving reflected THz radiation (16) along the optical axis (A); and a control unit (10) for activating the transceiver unit (14). The THz measurement device (1) is preferably portable with a grip region (34) for holding and positioning by a user. The device has, in a front end region (5), in particular in a moulded screen (5), a contact contour (7) with multiple contact points (P, P1, P2, P3, P4) for placement on a curved surface (18) of the test object (20, 120, 220), for vertical positioning on the surface (18, 118, 218).

Inventors:
KLOSE RALPH (DE)
BÖHM ROLAND (DE)
Application Number:
PCT/DE2017/100891
Publication Date:
April 26, 2018
Filing Date:
October 17, 2017
Export Citation:
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Assignee:
INOEX GMBH INNOVATIONEN UND AUSRUESTUNGEN FUER DIE EXTRUSIONSTECHNIK (DE)
International Classes:
G01B21/04; G01B11/06; G01N21/3581; G01S17/08
Foreign References:
US6873931B12005-03-29
US20160265901A12016-09-15
Other References:
"Single Point Gauge", YOUTUBE, 15 January 2015 (2015-01-15), pages 2 pp., XP054977976, Retrieved from the Internet [retrieved on 20171221]
DULING IRL N ED - SZCZEPANSKI PAWEL ET AL: "Handheld THz security imaging", PROCEEDINGS OPTICAL DIAGNOSTICS OF LIVING CELLS II, SPIE, US, vol. 9854, 26 May 2016 (2016-05-26), pages 98540N - 98540N, XP060068501, ISSN: 0277-786X, ISBN: 978-1-5106-1324-9, DOI: 10.1117/12.2224095
PICKWELL-MACPHERSON E ED - JANSEN E DUCO ET AL: "Terahertz pulsed imaging in vivo", OPTICAL INTERACTIONS WITH TISSUE AND CELLS XXII, SPIE, 1000 20TH ST. BELLINGHAM WA 98225-6705 USA, vol. 7897, no. 1, 10 February 2011 (2011-02-10), pages 1 - 6, XP060007275, DOI: 10.1117/12.871927
Attorney, Agent or Firm:
ADVOPAT PATENT- UND RECHTSANWÄLTE (DE)
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Claims:
Patentansprüche

1. THz-Messgerät (1 ) zur Ermittlung mindestens einer Schichtdicke (a1 , a2, a3, a4) eines Prüfobjektes (20, 120, 220), wobei das Messgerät (1 ) auf- weist:

eine THz-Sende- und Empfangseinheit (14) zum Aussenden von THz- Strahlung (15) entlang einer optischen Achse (A) und zum Empfangen reflektierter THz-Strahlung (16) entlang der optischen Achse (A),

eine Steuereinheit (10) zur Ansteuerung der Sende- und Empfangseinheit (14),

dadurch gekennzeichnet, dass

es einen Griffbereich (34) zum Ergreifen und Positionieren durch den Benutzer aufweist, und

es an einem vorderen Endbereich (5) eine Auflagekontur (7) mit mehre- ren Anlagepunkten (P, P1 , P2, P3, P4) zur Anlage an einer gekrümmten

Oberfläche (18) des Prüfobjektes (20, 120, 220) aufweist, zur senkrechten Positionierung der optischen Achse (A) an der Oberfläche (18, 118, 218). 2. THz-Messgerät (1 ) nach Anspruch 1 ,

dadurch gekennzeichnet, dass das THz-Messgerät (1 ) tragbar ist, z. B. mit einer Länge (L) von 25 cm bis 50 cm.

3. THz-Messgerät (1 ) nach Anspruch 1 oder 2,

dadurch gekennzeichnet, dass

die Auflagekontur (7) an einem austauschbaren, in einer definierten Winkelposition starr befestigbaren Aufsatz (5) ausgebildet ist.

4. THz-Messgerät (1 ) nach Anspruch 3,

dadurch gekennzeichnet, dass der Aufsatz (5) eine Formblende (5) aus Metall ist, die für die Abschirmung von Streustrahlung vorgesehen ist, vorzugsweise zur Befestigung an einem Messkopf (3) des THz-Messgerätes

(1 ). 5. THz-Messgerät (1 ) nach Anspruch 3 oder 4,

dadurch gekennzeichnet, dass der Aufsatz (5) an seinem hinteren Ende eine Verbindungseinrichtung, z. B. Bajonettschlitze (6) zum definierten Aufsetzen auf Führungsbolzen (4) des Messkopfs (3) oder Grundkörpers (2), aufweist und an seinem vorderen Ende die Auflagekontur (7).

6. THz-Messgerät (1 ) nach einem der vorherigen Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass

die Auflagekontur (7) derartig ausgebildet ist, dass bei Anlegen der Auf lagekontur (7) an eine zylindrische Oberfläche (18) des Prüfobjektes (20, 120, 220) mit definiertem Durchmesser (D1 , D2, D3) genau vier Anlagepunkte (P1 , P2, P3, P4) zur Auflage kommen,

wobei die vier Anlagepunkte (P1 , P2, P3, P4) in einer zu der optischen Achse (A) senkrechten Ebene liegen, vorzugsweise mit gleichem Abstand zu der optischen Achse (A).

7. THz-Messgerät (1 ) nach Anspruch 5 oder 6,

dadurch gekennzeichnet, dass die Anlagekontur (7) für eine zu vermessende Oberfläche (18) zwei zueinander in einer zu der optischen Achse (A) senkrechten Querrichtung beabstandete Konturlinien (7-1 , 7-2; 7-3, 7- 4) aufweist,

wobei an jeder Konturiinie (7-1 , 7-2; 7-3, 7-4) jeweils für die zu vermessende definierte Oberfläche zwei Anlagepunkte (P1 , P2; P3, P4) ausgebildet sind,

wobei die Konturlinien parallel oder spiegelsymmetrisch zueinander aus- gebildet sind.

8. THz-Messgerät (1 ) nach Anspruch 7,

dadurch gekennzeichnet, dass mit einem Paar von Konturlinien (7-1 , 7- 2) jeweils mindestens zwei verschiedene Oberflächen (18, 118) durch Anlage vermessbar sind,

wobei die Anlagepunkte (P1 , P2) der verschiedenen Oberflächen (18,

118) an unterschiedlichen Positionen der Konturlinien (7-1 , 7-2), insbesondere mit unterschiedlichem Abstand zueinander, ausgebildet sind, wobei die Konturlinien (7-1 , 7-2; 7-3, 7-4) im Wesentlichen konkav ausgebildet sind und zu ihrer Mitte hin nach hinten verlaufen..

9. THz-Messgerät (1 ) nach Anspruch 7 oder 8,

dadurch gekennzeichnet, dass es zwei Paare von Konturlinien (7-1 , 7- 2; 7-3, 7-4) aufweist, die an der Anlagekontur (7) in einer Schwenkrichtung (s) um die optische Achse (A), insbesondere um 90° zueinander, versetzt sind, zur Vermessung von zylindrischen oder sphärischen Oberflächen (18, 118, 218) mit unterschiedlichen Durchmessern (D1 , D2, D3).

10. THz-Messgerät (1 ) nach einem der vorherigen Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass es weiterhin eines oder mehrere Ele- mente der folgenden Gruppe aufweist:

- einen Energiespeicher (11 ), insbesondere Batterie oder Akkumulator, zur autarken Stromversorgung der THz-Sende- und Empfangseinrichtung (14) und der Steuereinrichtung (10), vorzugsweise vollständigen autarken Energieversorgung des THz-Messgerätes (1 ),

- eine Bedieneinrichtung (35), z. B. Schalter, zum Starten einer Schichtdickenmessung,

- einen länglichen Grundkörper (2),

- eine Anzeigeinrichtung (12).

11. THz-Messgerät (1 ) nach einem der vorherigen Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass es eine Winkelpositions- Messeinrichtung (30, 30-1 , 30-2) zur Messung einer Messwinkelposition (a) bei Anlage an dem Prüfobjekt (20, 120, 220) aufweist, zur vollumfänglichen Vermessung des Prüfobjektes (20, 120, 220) bei Messung in mehreren

Messwinkelpositionen (a) über den Umfang.

12. THz-Messgerät (1 ) nach Anspruch 11 ,

dadurch gekennzeichnet, dass

die Winkelpositions-Messeinrichtung mindestens einen Beschleunigungssensor (30, 30-1 , 30-2) aufweist zur Messung einer Längsbeschleunigung (ac, ac1, ac2), z. B. entlang der optischen Achse (A), als Komponente der Erdbeschleunigung (g), und

die Steuereinrichtung (10) ausgebildet ist, die Messwinkelposition (et) aus dem Verhältnis der gemessenen Längsbeschleunigung (ac) zu der Erdbeschleunigung (g) zu ermitteln, insbesondere unter Berücksichtigung eines Vorzeichens der gemessenen Längsbeschleunigung (ac, ac1 , ac2).

13. THz-Messgerät (1 ) nach Anspruch 12,

dadurch gekennzeichnet, dass

die Winkelpositions-Messeinrichtung zwei Beschleunigungssensoren (30- 1 , 30-2) aufweist, deren Sensierrichtungen (C1 , C2) nicht-parallel ausgerichtet sind, z. B. mit einem Winkelversatz (ß) von 45° oder 90° zueinander, zur eindeutigen Ermittlung der Messwinkelposition (a) aus den bei- den Längsbeschleunigungen ( ac1 , ac2) der beiden Beschleunigungssensoren (30-1 , 30-2).

14. THz-Messgerät (1 ) nach einem der vorherigen Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (10) ausgebildet ist, Laufzeiten der ausgesandten und reflektierten THz-Strahlung (15, 16), vorzugsweise im Zeitraum oder Frequenzraum, und hieraus mindestens eine Schichtdicke (a1 , a2, a3, a4), vorzugsweise eine Vorderwanddicke (a2), Innendurchmesser (a3) und hintere Wanddicke (a4) eines Rohres als Prüfobjekt (20, 120 220) zu ermitteln. 15. THz-Messgerät (1 ) nach einem der vorherigen Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass die Terahertz-Sende- und Empfangseinheit (3) Terahertz-Strahlung (15) im Frequenzbereich zwischen 0,01 und 10 THz, insbesondere 100 GHz bis 3 THz, aussendet, insbesondere vollelektronisch mittels eines Dipols, z. B. mit Frequenzmodulation oder ge- pulst.

16. THz-Messanordnung (40), die ein THz-Messgerät (1 ) nach einem der vorherigen Ansprüche und das zu vermessende Prüfobjekt (20, 120, 220) aufweist, wobei die Auflagekontur (7) mit den mehreren Anlagepunkten (P, P1 , P2, P3, P4) zur Anlage an der gekrümmten Oberfläche (18, 118,

218) des Prüfobjektes (20, 120, 220) und zur senkrechten Positionierung der optischen Achse (A) an der Oberfläche (18, 118, 218) ausgebildet ist.

17. Verfahren zum Vermessen mindestens einer Schichtdicke (a1 , a2, a3, a4) eines Prüfobjektes (20, 120, 220) mit einem THz-Messgerät (1 ), mit mindestens folgenden Schritten:

- Bereitstellen eines tragbaren THz-Messgeräts (1) mit einer THz-Sende- und Empfangseinheit (14), einem Grundgehäuse (2) und einer an einem vorderen Ende ausgebildeten Anlagekontur (7) (St1 ),

- Anlegen des THz-Messgeräts (1 ) mit der Anlagekontur (7) an die Oberfläche (18) des Prüfobjektes (20, 120, 220) durch Andrücken derartig, dass die Anlagekontur (7) mit genau vier Anlagepunkten (P1 , P2, P3, P4) an der Oberfläche (18) anliegt und eine optische Achse (A) der Sende- und Empfangseinheit (14) senkrecht auf die Oberfläche (18) ausgerichtet ist, (St2),

- Durchführen mindestens einer Abstandsmessung durch Aussenden von THz-Strahlung (15) auf das Prüfobjekt (20, 120, 220) unter teilweiser Reflexion an mindestens zwei Grenzflächen des Prüfobjektes (20, 120, 220) und Detektieren reflektierter THz-Strahlung (16) (St3),

- Ermitteln mindestens einer Schichtdicke (a2, a3, a4) des Prüfobjektes (20, 120, 220) aus einer Laufzeitmessung der ausgesandten und reflektierten THz-Strahlung (15, 16) (St4).

18. Verfahren nach Anspruch 17,

dadurch gekennzeichnet, dass das Prüfobjekt (20, 120, 220) ein Rohr, z. B. Kunststoffrohr ist und die Schritte des Anlegens (St2) und Durchführens der Abstandsmessung (St2) sukzessive in mehreren Messwinkelpositionen (a) über den Umfang des Prüfobjektes (20, 120, 220) durchgeführt werden, z. B. in diskreten Schritten oder kontinuierlich,

wobei bei dem Schritt der Durchführens der Abstandsmessung (St2) wei- terhin eine Messwinkelposition (a) des THz-Messgeräts (1 ) ermittelt wird, insbesondere durch Messung einer Längsbeschleunigung (ac) als Komponente der Gravitationsbeschleunigung (g).

Description:
Terahertz-Messgerät

Die Erfindung betrifft ein Terahertz-Messgerät zur Vermessung von Prüfobjekten sowie ein entsprechendes Verfahren.

Terahertz-Messgeräte senden Terahertz-Strahlung im Frequenzbereich von 10 GHz bis 10 THz auf Prüfobjekte aus. Die THz-Strahlung wird an Grenzflächen von Materialien mit unterschiedlichem Brechungsindex teil- weise reflektiert, so dass aus der Laufzeit der ausgesandten und reflektierten, empfangenen THz-Strahlung Abstandsmessungen zwischen Grenzflächen und somit auch Schichtdickenmessungen möglich sind.

Hierbei werden THz-Messgeräte z. B. unmittelbar nach der Produktion von Kunststoff-Extrusionsprodukten wie Rohren, Folien usw. eingesetzt, um diese Prüfobjekte auf konstante Schichtdicken zu überprüfen. Hierbei ermöglichen sie eine kontaktlose Vermessung der Schichtdicken, im Unterschied z. B. zu Ultraschall-Geräten, die Koppelmittel für einen Körperkontakt mit zu vermessenden Prüfobjekten erfordern.

Für eine THz-Laufzeitmessung ist das THz-Messgerät mit seiner optischen Achse senkrecht zu der Oberfläche des Messobjektes zu positionieren, damit die reflektierte Strahlung genau entlang der optischen Achse zurückreflektiert wird. Daher werden THz-Messgeräte im Allgemeinen in äuße- ren Gestellen mit genauer Beabstandung und Winkelausrichtung zu dem

Prüfobjekte beabstandet angebracht und z. B. auf einer kreisbogenförmigen Schienen um das Prüfobjekt herum geschwenkt, um vollumfängliche, kontaktlose Vermessungen des Prüfobjektes zu ermöglichen.

Weiterhin sind optische THz-Mess-Systeme zum Beispiel zum Messen von Lackschichten bekannt, bei denen ein vom Benutzer handhabbarer Messkopf mit einem stationären optischen THz-Detektorsystem über eine Lichtwellenleiter-Verbindung verbunden ist, so dass der den Messkopf geeignet positionieren kann. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein THz-Messgerät und THz-

Messverfahren zu schaffen, die mit geringem Aufwand sichere Schichtdickenmessungen von Prüfobjekten, insbesondere sphärischen oder zylindrischen Prüfobjekten, ermöglichen. Diese Aufgabe wird durch ein THz-Messgerät sowie ein Verfahren nach den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Die Unteransprüche beschreiben bevorzugte Weiterbildungen. Hierbei ist weiterhin eine Mess-Anordnung aus dem THz-Messgerät und dem zu vermessenden Prüfobjekt vorgesehen. Das erfindungsgemäße Verfahren kann insbesondere mit einem erfindungsgemäßen THz-Messgerät und/oder bei einer erfindungsgemäßen Mess-Anordnung durchgeführt werden. Das erfindungsgemäße THz-Messgerät kann insbesondere zur Ausführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens eingesetzt werden.

Somit ist das THz-Messgerät mit einer Auflagekontur zur Auflage auf der Oberfläche des Prüfobjektes und mit einem Griffbereich ausgebildet. Es ist vorzugsweise tragbar, d.h. das ganze Messgerät ist durch den Benutzer tragbar, wobei es mit seinem Grrffbereich z. B. mit einer oder zwei Händen ergriffen und positioniert werden kann. Der Benutzer kann somit das THz- Messgerät ergreifen und durch Anlage an dem Prüfobjekt positionieren. Anders als bei Mess-Systemen mit lediglich tragbarem Messkopf ist hierbei das gesamte THz-Messgerät tragbar, so dass der Benutzer ohne räumliche Beschränkung durch eine Verbindungsschnur oder Lichtwellenleiter zu einem stationären Detektorsystem auch größere Entfernungen zurücklegen kann, z.B. bei Inspektion in einer Lagerhalle.

Das THz-Messgerät ist vorzugsweise mittels eines Energiespeichers energetisch, autark, vorzugsweise ist es batteriebetrieben, d.h. wird durch eine Batterie bzw. Akkumulator mit Energie versorgt. Bei einem vollelektronischen System kann z.B. ein Transceiver-Chip mit einer Spannungsversorgung im Mikrovolt-Bereich eingesetzt werden.

Die Auflagekontur dient zur genauen senkrechten Positionierung, d.h. der senkrechten Positionierung der optischen Achse des THz- Messgerätes zur Oberfläche. Hierbei weist die Anlagekontur vorzugsweise genau vier Anlagepunkte auf, die zur Auflage auf der Oberfläche eines definierten Körpers, insbesondere eines zylindrischen Rohres mit definiertem Durchmesser, kommen. Hierzu ist die Anlagekontur vorzugsweise mit einem Paar von Konturli- nien ausgebildet, die in einer Querrichtung zur optischen Achse zueinander beabstandet sind und bei Anlage an dem zylindrischen - oder auch sphärischen - Körper die vier Anlagepunkte ausbilden.

Die vier Anlagepunkte haben somit insbesondere einen gleichen Abstand zur optischen Achse und sind vorzugsweise symmetrisch zueinander angeordnet, wobei insbesondere die beiden Konturlinien, an denen jeweils zwei Anlagepunkte ausgebildet sind, parallel oder spiegelsymmetrisch zueinander ausgebildet sein können. Die Anlagekontur mit ihren Konturlinien kann insbesondere auch eine Anlage an Rohren oder sphärischen Körpern mit unterschiedlichen Durchmessern ermöglichen. So kann eine Anlagekontur mit zwei konkaven, d. h. zur Mitte hin nach hinten verlaufenden Konturlinien, zur Anlage an z. B. ei- nem ersten Rohr mit einem ersten kleineren Durchmesser und einem zweiten Rohr mit einem größeren zweiten Durchmesser dienen, die jeweils Anlagepunkte an definierten unterschiedlichen Stellen der Konturlinien ausbilden.

Somit ist die Konturlinie vorzugsweise nicht sphärisch zur passgenauen Anlage an einer zylindrischen oder sphärischen Oberfläche ausgebildet, sondern derartig, dass nur die definierten vier Anlagepunkte ausgebildet werden. Hierbei wird erfindungsgemäß erkannt, dass insbesondere eine derartige Ausbildung definierter ausschließlicher Anlagepunkte, insbesondere von vier Anlagepunkten, Vorteile gegenüber Auflagekonturen mit komplementärer Ausbildung zur Prüfoberfläche des Prüfobjektes ermöglichen, insbesondere auch die Vermessung von Prüfobjekten mit unterschiedlichen Durchmessern.

Der Benutzer kann somit bei der Produktion z. B. Stichproben an unterschiedlichen Stellen mit geringem Aufwand durchführen. Er kann das THz- Messgerät ergreifen, in einer ersten Messwinkelposition an das rohrförmige oder sphärische Prüfobjekt ansetzen und eine Schichtdickenmessung durchführen, die z. B. direkt an einer Anzeigeeinrichtung des Messgerätes, z. B. als Zahlenwert zur Angabe einer ermittelten Schichtdicke, oder auf einer externen Anzeige - z. B. mit drahtloser Datenübertragung - angezeigt wird. Weiterhin kann z. B. der Messwert verglichen werden und ein Signal ausgegeben werden, ob die ermittelte Schichtdicke ordnungsgemäß oder aber fehlerhaft ist.

Somit wird bereits eine schnelle und sichere Prüfung bei genau senk- rechter Ausrichtung zum Prüfobjekt ermöglicht. Derartige Messungen ma- chen daher bewusst nicht von dem Vorteil einer kontaktiosen Messung Gebrauch, die eine THz-Messung gegenüber z. B. einer Ultraschall-Messung ermöglicht; es wird jedoch erkannt, dass ein derartiger Kontakt bei einer manuellen oder händischen Messung mit dem THz-Messgerät schnell und si- eher durchführbar ist und das Prüfobjekt auch nicht beschädigt.

Gemäß einer bevorzugten Ausbildung können mehrere Paare von Kontaktlinien, z. B. zwei zueinander um 90° versetzte Paare von Konturlinien ausgebildet werden, so dass eine höhere Anzahl von unterschiedlichen Durchmessern vermessen werden kann. Die Anlagekontur kann z. B. vordere Ecken und von den Ecken zur Mitte hin konkav verlaufende Konturlinien zur Anlage an unterschiedlichen Rohrdurchmessem oder sphärischen Durchmessern aufweisen. Ein Benutzer kann somit das Messgerät in einer ersten Ausrichtung mit dem ersten Paar von Konturlinien, oder um 90° um die opti- sche Achse hierzu geschwenkt mit einem anderen Paar von Konturlinien an die Oberfläche des Prüfobjektes anlegen.

Hierbei können Fehlbedienungen insbesondere bereits weitgehend unterbunden werden, da der Benutzer bei der Anlage merkt, ob eine stabile Po- sition mit genau vier Anlagepunkten eingenommen wird oder das Messgerät zum Kippen oder Verrutschen neigt.

Die Auflagekontur ist vorzugsweise an einem austauschbaren Aufsatz ausgebildet, der starr und in einer definierten Winkelposition anbringbar ist. Somit können unterschiedliche Aufsätze je nach Prüfobjekt aufgesetzt werden, was eine hohe Flexibilität bei geringen Kosten und schnelle Umrüstung ermöglicht. Die Verbindung des Aufsatzes auf dem Messkopf oder auch dem Grundgehäuse kann z. B. eine Bajonettverbindung oder eine andere einrastende Verbindung sein. Der Aufsatz kann insbesondere eine vorzugsweise metallische Formblende sein, die somit auch der Abschirmung von Streustrahlung dient. Somit dient der Aufsatz zum einen der definierten Anlage über die Kontur oder Konturlinien und zum anderen der Abschirmung von Streustrahlung. Vorzugsweise ist der Aufsatz starr ausgebildet, d.h. nicht flexibel, um die definierte Anlage zu ermöglichen.

Das THz-Messgerät ist insbesondere mit einem länglichen Gehäuse, das auch den Griffbereich ausbildet und vorzugsweise Bedieneinrichtungen wie Schalter, Knöpfe oder dergleichen aufweist, ausgebildet, z. B. bei einer Länge von 25 bis 50 cm. Hierbei sind insbesondere vollelektronische THz- Sende- und Empfangseinheiten hinreichend leicht, so dass das THz-Messgerät tragbar ist und vom Benutzer z. B. mit einer oder beiden Händen manuell bzw. händisch gehandhabt werden kann. Die THz-Strahlung liegt im Fre- quenzbereich zwischen 0,01 und 10 THz, insbesondere 100 GHz bis 3 THz und wird insbesondere vollelektronisch mittels eines Sende- und Empfangsdipols ausgesandt, insbesondere mit Frequenzmodulation oder mit gepulster Strahlung. Somit sind Laufzeitmessungen direkt im Zeitraum oder entsprechend im Frequenzraum möglich, wobei grundsätzlich auch ein optisches System mit Laufzeitmessung möglich ist.

Insbesondere ein mit Batterie bzw. Akkumulator betriebenes tragbares vollelektronisches THz-Messgerät ist hierbei vorteilhaft, da die vollelektronische Ausbildung mit THz-Transceiver-Chip ohne optische Leistungskompo- nenten wie einen Laser eine sehr geringe Leistungsaufnahme und somit eine kompakte, tragbare Ausbildung ermöglicht.

Gemäß einer bevorzugten Ausbildung können Messungen in mehreren Messwinkelpositionen bzw. Messpositionen zur umfänglichen, insbesondere auch vollumfänglichen Vermessung des Prüfobjektes durchgeführt werden, indem bei den einzelnen Schichtdicken-Messungen ergänzend die Messwinkelposition des THz-Messgeräts gemessen wird. Bevorzugt wird hierzu ein interner (Längs-) Beschleunigungssensor eingesetzt, der eine Beschleunigung misst, die sich als Komponente der Erdbeschleunigung ausbildet. Bei vertikaler Positionierung des THz-Messgerätes wird somit die volle Gravitationsbeschleunigung als - positive oder negative - Längsbeschleunigung gemessen, bei z. B. horizontaler Ausrichtung des Längsbeschleunigungssensors somit keine Beschleunigungskomponente; dazwischen ergeben sich Komponenten der Erdbeschleunigung (Gravitationsbeschleunigung) entsprechend dem Cosinus des Verhältnisses des Neigungswinkels zur Vertikalen.

Somit ist mit geringem Aufwand eine genaue Erfassung der Messwinkelposition ermöglicht, wobei gängige Längsbeschleunigungssensoren hinreichende Genauigkeiten der Messung ermöglichen.

Hierbei können z. B. auch zwei Längsbeschleunigungssensoren in zueinander versetzten Richtungen, z. B. auch um 90° oder 45° versetzt, angeordnet werden, um symmetrische Positionen - links und rechts - voneinander zu unterscheiden.

Der Benutzer kann somit eine Messung an mehreren aufeinanderfolgenden Messwinkelpositionen, oder auch bei einer Gleitbewegung um das Prüfobjekt quasi-kontinuierlich als Abfolge aufeinanderfolgender, schneller Messungen durchführen.

Jede Laufzeitmessung ermöglicht hierbei zunächst die Messung des Abstandes der Oberfläche zur Sende- und Empfangseinheit, da die THz- Strahlung beim Auftreffen auf die Oberfläche einen Unterschied des Brechungsindex - bei Kunststoff z. B. einen Brechungsindex von n = 1 ,5 - erfährt, nachfolgend eine Schichtdickenmessung der vorderen Wandstärke, ggf. bei mehrschichtigen Rohren der mehreren Schichten. Weiterhin kann z. B. ein Innendurchmesser als darauffolgende Luftsäule, und weiterhin auch eine Schichtdicke der hinteren Rohrwand vermessen werden.

Das THz-Messgerät bildet mit dem zu vermessenden Prüfobjekt eine THz-Messanordnung. Diese zeigt eine hohe Effektivität, da die Auflagekontur des Messgerätes an die Außenform, insbesondere zylindrische Außenform des Prüfobjektes, angepasst ist.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der beiliegenden Zeichnungen an einer Ausführungsform näher erläutert. Es zeigen: den vorderen Bereich einer tragbaren Terahertz-

Messvorrichtung bei abgenommener Form blende;

Fig. 2 die Terahertz-Messvorrichtung bei Anlage an einem ersten Rohr mit definiertem kleineren ersten Durchmesser, in verschiedenen Ansichten;

Fig. 3 eine Fig. 2c) entsprechende Ansicht der Anlage der

Messvorrichtung an dem ersten Rohr;

Fig. 4 die Terahertz-Messvorrichtung bei Anlage auf einem zweiten Rohr mit größerem zweiten Durchmesser;

Fig. 5 eine perspektivische Ansicht der Anordnung aus

Fig.4;

Fig. 6 eine Anlage der Terahertz-Messvorrichtung an einem dritten Rohr mit großem dritten Durchmesser in gegenüber Fig. 5 um 90° versetzter Stellung; eine Seitenansicht der Anordnung aus Fig. 6; mehrere Messwinkelpositionen der Terahertz-Mess- vorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform zur umfänglichen Vermessung des Rohres;

Terahertz-Messvorrichtungen mit zwei Beschleunigungssensoren gemäß verschiedener Ausbildungen in den Teilbildem a), b), c); die Vermessung eines Prüfobjektes an mehreren Messwinkelpositionen mittels der Terahertz-Mess- vorrichtung von Fig. 9a;

Fig. 11 die Ausrichtungen und Winkel der Beschleunigungssensoren gemäß Fig. 9 relativ zur optischen Achse.

Eine Terahertz-Messvorrichtung 1 gemäß z. B. Fig. 1 und Fig. 2 weist ein Grundgehäuse 2, einen Messkopf 3 mit radial abstehenden Führungsbol- zen 4, sowie eine als Aufsatz dienende Formblende 5 auf, die gemäß dieser Ausführungsform Bajonett-Schlitze 6 aufweist, mit denen sie an den Führungsbolzen 4 des Messkopfes 3 befestigt wird. Somit bilden die Führungsbolzen 4 und die Bajonett-Stütze 6 eine Bajonettverbindung, die eine definierte Ausrichtung entlang der optischen Achse A, die auch die Symmetrie- achse der Terahertz-Messvorrichtung 1 darstellt, ermöglicht. An ihrem den Bajonett-Schlitze 6 entgegengesetzten Ende weist die Formblende 5 eine Anlagekontur 7 zur Anlage an Prüfobjekten auf, die nachfolgend detaillierter beschrieben wird. Die Terahertz-Messvorrichtung 1 ist für einen Benutzer tragbar; sie ist z. B. mit einer Länge L von 25 bis 50 cm ausgebildet und weist in dem Grundgehäuse 2 einen Energiespeicher 40, z. B. eine galvanische Zeile (Batterie, Akkumulator), weiterhin eine Steuereinrichtung 10, eine Bedieneinrichtung 25, vorzugsweise eine Anzeigeeinrichtung 12, und weiterhin eine Tera- hertz-Messelektronik mit einem Terahertz-Sende- und Empfangschip 1 auf, der Terahertz (THz)-Strahlung im Frequenzbereich von 10 GHz bis 10 THz aussendet. Die Terahertz-Messvorrichtung bzw. ihre Terahertz-Messelektro- nik 14 ist hierbei vorzugsweise vollelektronisch (ohne optische Elemente wie z. B. Femtosekunden-Laser) ausgebildet und daher derartig kompakt dimensionierbar. Der Sende- und Empfangschip 14 sendet somit Terahertz-Strah- lung 15 entlang der optischen Achse A aus und detektiert reflektierte Tera- hertz-Strahlung 16. Hierbei wird die ausgesandte Terahertz-Strahlung insbesondere beim Übergang zwischen Schichten mit unterschiedlichem Brechungs-Index n für die Terahertz-Strahlung 15 teilweise reflektiert. Falls die Grenzflächen, z. B. die Oberfläche 18 eines Prüfobjektes 20, somit lotrecht (senkrecht) zu der entlang der optischen Achse A ausgestrahlten Terahertz- Strahlung 15 positioniert sind, wird die reflektierte Terahertz-Strahlung 16 wiederum entlang der optischen Achse A zurück reflektiert und von dem Sende- und Empfangschip 14 aufgenommen. Hierbei ermöglicht die Terahertz-Messvorrichtung 1 eine Abstandsmessung von Abständen zu Grenzflächen des Prüfobjektes 20, und nachfolgender, insbesondere durch Überlagerung der ausgesandten Terahertz- Strahlung 15 und der empfangenen Terahertz-Strahlung 16. Hierbei kann insbesondere eine Frequenzmodulation oder gepulste Strahlung vorgesehen sein.

Bei Vermessung eines zylindrischen Kunststoff-Rohres als Prüfobjekt 20 können somit bei einer senkrechten Ausrichtung der optischen Achse A der Terahertz-Messvorrichtung 1 gegenüber der Rohr-Achse B Schichtdicken des Rohres 20 aus dem Messsignal ermittelt werden, d. h. der Abstand a1 der vorderen Oberfläche bzw. der vorderen Seite des Prüfrohres 20 zum Sende- und Empfangschip 14, weiterhin die Schichtdicke a2 der Rohrwand des Rohres 20, nachfolgend der Rohrinnendurchmesser a3 als Dicke der Luftschicht zur gegenüberliegenden Wand, und anschließend die Wandstärke a4 als Dicke der Kunststoffschicht der gegenüberliegenden Wand. Die genau lotrechte Ausrichtung der optischen Achse A gegenüber der

Rohrachse B wird durch die Formblende 5 mit ihrer Anlagekontur 7 sichergestellt. Die Anlagekontur 7 ist derartig ausgebildet, dass sie bei Anlage an der Oberfläche 18 des Prüfobjektes 20 an genau vier Anlagepunkten P, d. h. P1 , P2, P3, P4, an der Oberfläche 18 anliegt. Hierzu ist die Anlagekontur 7 zum einen dahingehend symmetrisch ausgebildet, dass sie zwei in Querrichtung - d. h. senkrecht zur optischen Achse A - versetzte, z. B. gekrümmte Konturlinien 7-1 und 7-2 aufweist, die z. B. identisch zueinander oder zueinander gespiegelt sind. Die Anlagepunkte P1 , P2, P3, P4 sind somit derartig ausgebildet, dass bei Anlage der Anlagenkontur 7 auf der zylindrischen Oberfläche 18 bei definiertem ersten Durchmesser D1 , z. B. 40 mm, eine senkrechte

Ausrichtung der optischen Achse A zur Rohrachse B erreicht wird. Hierzu liegen die Anlagepunkte P1 , P2, P3, P4 vorzugsweise in einer Ebene senkrecht zu der optischen Achse A. Die Konturlinien 7-1 , 7-2 sind somit nicht sphärisch zur großflächigen Anlage, sondern zur definierten Anlage in zwei Anla- gepunkten P1 , P2 ausgebildet.

Weiterhin können die Konturlinien 7-1 und 7-2 derartig verlaufen, dass sie unterschiedliche Oberflächenkrümmungen, d.h. unterschiedliche Rohrdurchmesser aufnehmen können, wie die Fig. 3 und 4 zeigen: Gemäß Fig. 3 wird als Prüfobjekt 20 ein Rohr mit kleinem ersten Durchmesser D1 an Anlagepunkten P1 und P2 in einem mittleren Bereich der Konturlinie 7-1 (und zur Zeichenebene versetzt auch entsprechend der Konturlinie 7-2) aufgenommen, gemäß Fig. 4 hingegen als Prüfobjekt 120 ein zweites Rohr mit größerem zweitem Durchmesser D2, z. B. D2= 125 mm, das in Anlagepunkten P1 und P2 an der Konturlinie 7-1 anliegt, die zur Mitte bzw. optischen Achse weiter nach außen versetzt sind. Mit einer geeigneten Konturlinie 7-1 - und der hierzu versetzten identischen bzw. symmetrischen Konturlinie 7-2 - lassen sich somit mehrere Prüfrohre 20, 120 mit unterschiedlichen Durchmessern definiert erfassen bzw. das THz-Messgerät 1 kann jeweils definiert und senkrecht zur Rohrachse D positioniert werden.

Das Grundgehäuse 2 ist mit einem Griffbereich 34 ausgebildet, so dass ein Benutzer die Terahertz-Messvorrichtung 1 - z. B. mit lediglich einer Hand - ergreifen und mit der Formblende 5 nach vorne (in Richtung der optischen Achse A) gegen das Prüfobjekt 20, 120, d. h. gegen die Oberfläche 18, drü- cken kann. Es stellt sich selbsttätig eine stabile Anlage der Formblende 5 ab den vier Anlagepunkten P1 , P2, P3, P4 ein, wobei aufgrund des hinreichenden lateralen Abstandes -zwischen P1 , P2 einerseits und P3, P4 andererseits -bei Andrücken mit einer leichten Anlagekraft ein Wackeln sicher verhindert wird und somit eine genauere Positionierung erreicht wird.

Die Formblende 5 kann hierbei aus Metall sein und somit auch vorzugsweise Streustrahlung abfangen, d.h. als Formblende und zur Ausbildung der Kontur dienen. Somit sind bereits durch die zwei zueinander in Querrichtung beabstan- deten Konturlinien 7-1 und 7-2 genaue Messungen von Rohren 20, 120 mit unterschiedlichen Durchmessern D1 , D2 möglich.

Weiterhin kann mit der gleichen Form blende 5 auch eine Vermessung größerer Rohre erfolgen, z. B. gemäß Fig. 6 und 7 des dritten Rohrs 220 mit Durchmesser D3, z. B. D3= 315 mm. Hierzu wird das THz-Messgerät 1 lediglich um 90° geschwenkt und somit mit den weiteren Konturlinien 7-3 und 7-4 an der Oberfläche 218 des Prüfobjektes 220 angelegt, die entsprechend mit größerer größerer Krümmung ausgelegt ist. Die weiteren Konturlinien 7-1 und 7-2 beeinträchtigen diese Messung nicht, da sich wiederum Anlagepunkte P1 , P2, P3, P4 an lediglich den Konturlinien 7-3 und 7-4 ausbilden. Auch mit den Konturlinien 7-3 und 7-4 können hierbei grundsätzlich wiederum Rohre mit mehreren Durchmessern vermessen werden, indem eine geeignete konkave Krümmung der Konturlinien 7-3 und 7-4 ausgebildet wird, die das Erfassen von Rohren mit unterschiedlichen Durchmessern, an unter- schiedlichen Anlagepunkten P, ermöglichen.

Grundsätzlich ist auch die Ausbildung einer Formblende 5 mit mehr als zwei Paaren von Konturlinien möglich. Allerdings ist es grundsätzlich vorteilhaft, bei der Vermessung einer größeren Anzahl unterschiedlicher Rohre die Formblende mittels des oben beschriebenen Bajonett-Verschlusses aus Führungsbolzen 4 und Bajonettschlitzen 6 auszutauschen.

Mit dem tragbaren THz-Messgerät 1 ist vorzugsweise auch eine vollumfängliche Vermessung eines Prüfobjektes 20 120, 220 möglich, indem die THz-Messvorrichtung 1 eine Sensorik zur Ermittlung einer Position oder Neigung aufweist:

Gemäß der Ausführungsform der Fig. 8 weist as THz-Messgerät 1 einen Beschleunigungssensor 30 auf, der empfindlich genug ist, die Erdbe- schleunigung g bzw. Anteile von g messen. Der Beschleunigungssensor 30 weist eine Sensierrichtung bzw. Längsrichtung auf, die insbesondere die optische Achse A sein kann. Diese Längsrichtung weist in jeder Stellung bzw. Lage eine definierte Messwinkelposition α gegenüber der Vertikalen, d.h. der Richtung der Gravitationsbeschleunigung g, auf. Somit kann die THz- Messvorrichtung 1 sukzessive in mehreren Messwinkelpositionen α entlang des Umfangs des Prüfobjektes 20 positioniert werden. Bei vertikaler Anlage, d.h. an der Oberseite (oberste Position), ist somit α = 0, bei Anlage an genau der Unterseite ist somit α = 180° bzw. ττ. Bei der in Fig. 8 links oben gezeigten horizontalen Stellung ergibt sich somit α = 270°. Der Beschleunigungssensor 30 misst somit jeweils eine Beschleunigung ac, die sich ergibt aus ac = g * arc cos a.

Ergänzend kann z. B. ein zweiter Beschleunigungssensor 30-2 vorgesehen sein, der in einer zu der ersten Sensierrichtung C1 des ersten Beschleunigungssensors 30-1 versetzten, nicht parallelen zweiten Sensierrichtung C2 ausgerichtet ist, so dass auch vom Betrag her gleiche, symmetrische Neigungswinkel (links und rechts) unterschieden werden können. Fig. 9 zeigt in den Teil-Figuren a), b), c) verschiedene derartige Ausbildungen mit zwei Beschleunigungssensoren 30-1 , 30-2, deren Sensierrichtungen C1 , C2 jeweils zueinander versetzt sind. Gemäß Fig. 9a) sind eine erste Sensierrichtung C1 des ersten Beschleunigungssensors 30-1 und eine zweite Sensier- richtung C2 des zweiten Beschleunigungssensors 30-2 um einen Winkelversatz ß versetzt, wobei gemäß Fig. 9a) ß = 90° ist. Fig. 11 zeigt diese Anordnung detaillierter: Die Sensierrichtungen C1 und C2 liegen gemäß dieser Ausführungsform symmetrisch zur optischen Achse A, d. h. der erste Winkelabstand γ1 der ersten Sensierrichtung C1 zur optischen Achse A ist - vom Betrag her - gleich dem zweiten Winkelabstand γ2 der zweiten Sensierrichtung C2 zur optischen Achse A; somit sind die Beschleunigungssensoren 30- 1 und 30-2 um die optische Achse gekippt bzw. gespiegelt. Besonders bevorzugt sind hierbei Ausbildungen mit γ1 und γ2 < 90°, so dass beide Sensierrichtungen C1 und C2 zu dem Prüfobjekt 20 hin zeigen.

Fig. 9b) zeigt eine hierzu alternative Ausbildung, bei der die Sensierrichtungen C1 und C2 ungleiche Winkelabstände γ1 , γ2 zur optischen Achse A aufweisen, wobei sie vorzugsweise relativ zu der optischen Achse in verschiedene Richtungen versetzt sind. Gemäß der Ausbildung der Fig. 9c) liegt die erste Sensierrichtung C1 in Richtung der optischen Achse A und die zweite Sensierrichtung C2 in einer hierzu nicht-parallelen Richtung, z. B. orthogonal, so dass die Sensierrichtungen C1 , C2 den Winkelversatz von ß = 90° aufspannen. Vorteilhaft ist somit gemäß der Darstellung der Fig. 10 insbesondere, dass die Sensierrichtungen C1 , C2 die Ebene aufspannen, in der auch die optische Achse A liegt. Bei den verschiedenen, in Fig. 10 gezeigten Messungen ergeben sich somit Messwert-Paare der gemessenen Beschleunigungen ac1 , ac2 der beiden Beschleunigungssensoren 30-1 und 30-2, die in Kombi- nation eine eindeutige Bestimmung der Messwinkelposition ermöglichen. So sind die beiden in Fig. 10 gezeigten horizontalen Positionen I und II voneinander unterscheidbar, da der erste Beschleunigungssensor 30-1 in der linken Position I eine nach oben weisende, d.h. negative erste Beschleunigung ac1 misst, hingegen in der rechten Position II eine nach unten weisende, d.h. positive erste Beschleunigung ac1 , und entsprechend umgekehrt der zweite Beschleunigungssensor 30-2 in der linken Position I eine nach unten weisende, d.h. positive zweite Beschleunigung ac2 und in der rechten Position II eine nach oben weisende, d.h. negative zweite Beschleunigung ac2. Ein Beispiel hierzu: bei Messung des Neigungswinkels α in den Figuren im Uhrzeigersinn gegenüber der Vertikalen nach unten (Richtung der Gravitationsbeschleunigung g) ergibt sich bei der Ausführungsform der Fig. 9a) mit γ1 = γ2 = 45° somit vorzugsweise in der linken horizontalen Position I eine erste Beschleunigung ac1 = g * cos(135°) = - g * cos(45°) und

eine zweite Beschleunigung ac2 = g * cos(315°) = g * cos(45°).

und in der rechten horizontalen Position umgekehrt.

Diese Messungen können auch mit den Terahertz-Messvorrichtungen nach Fig. 9b) und Fig. 9c) durchgeführt werden. Somit reichen die zwei Beschleunigungssensoren 30-1 und 30-2 in nicht-paralleler Ausrichtung in dieser Ebene, wobei die Beschleunigungssensoren 30-1 und 30-2 jeweils als Messwert einen Betrag und ein Vorzeigen liefern, zur eindeutigen Definition der Messwinkelposition am Prüfobjekt 20.

Somit können Schichtdickenmessungen mit Messungen der Messwinkelposition α kombiniert werden. Für eine Messung gemäß Fig. 8 zur vollumfänglichen Vermessung eines Prüfobjektes 20 werden somit folgende Schritte durchgeführt:

Bereitstellen des THz-Messvorrichtung 1 mit geeigneter Formblende 5 (Schritt St1 ),

Anlegen der THz-Messgerätes 1 mit der Formblende 5 derartig, dass zwei zueinander beabstandete Konturlinien 7-1 und 7-2 mit jeweils zwei Anlagepunkten, d.h. P1 , P2, P3, P4, definiert zur Anlage kommen. Hierzu drückt ein Benutzer die THz-Messvorrichtung 1 mit ihrer Formblende 5 mit leichter Kraft gegen die Oberfläche 18 des Prüfobjektes 20; dies erfolgt händisch bzw. manuell durch den Benutzer, ohne weitere Hilfsmittel (Schritt St2),

Starten einer Messung, z. B. durch Drücken einer Bedieneinrichtung 35 an dem Grundgehäuse 2, wodurch THz-Strahlung 15 ausgesendet und reflektierte THz-Strahlung 16 gemessenwird, wobei weiterhin die Messwinkelposition α des Beschleunigungssensors 30 aufgenommen und den THz- Messignalen zugeordnet wird, (Schritt St3)

Auswerten des Messsignals, d. h. der empfangenen THz-Strahlung 16 zur Ermittlung von Laufzeiten und somit Schichtdicken a1 , a2, a3, a4 und der Messwinkelposition α (Schritt St4),

Rückkehren zu Schritt St2, unter verstellen der Messwinkelposition α durch Neuansetzen oder Entlanggleiten auf der Oberfläche 18,

bis das Prüfobjekt 20 vollumfänglich vermessen ist. Bezugszeichenliste

1 Terahertz-Messvorrichtung

2 Grundgehäuse

4 Führungsbolzen

3 Messkopf

5 Form blende

6 Bajonett-Schlitze

7 Anlagekontur

7-1 , 7-2, 7-3, 7-4 Konturlinien

10 Steuereinrichtung

11 Energiespeicher, vorzugsweise Batterie bzw. Akkumulator

12 Anzeigeeinrichtung

14 Terahertz-Sende- und Empfangseinrichtung

15 Terahertz-Strahlung

16 reflektierte Terahertz-Strahlung

18 Oberfläche

20 erstes Prüfobjekt

30 Beschleunigungssensor

30-1 erster Beschleunigungssensor

30-2 zweiter Beschleunigungssensor

34 Griffbereich

35 Bedieneinrichtung

40 THz-Messanordnung

120 zweites Prüfobjekt

220 drittes Prüfobjekt ac, Längsbeschleunigung

ac1 , ac2 erste, zweite Längsbeschleunigung

g Gravitationsbeschleunigung A optische Achse

B Rohr-Achse

C1 erste Sensierrichtung

C2 zweite Sensierrichtung

P, P1 , P2, P3, P4 Auflagepunkte a1 Abstand der Oberfläche 18 zur Sende- .Empfangseinrichtung a2 Schichtdicke der Rohrwand 21

a3 Rohrinnendurchmesser

a4 Wandstärke der gegenüberliegenden Wand

D1 erster Durchmesser

D2 zweiter Durchmesser

D3 dritter Durchmesser

α Messwinkelposition

ß Winkelversatz

γ1 , γ2 erster Winkelabstand, zweiter Winkelabstand