DE2600154A1 - Verfahren und einrichtung zum messen der dicke flaechigen guts mittels schallschwingungen - Google Patents

Verfahren und einrichtung zum messen der dicke flaechigen guts mittels schallschwingungen

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Description

53O-2b.l51P
Vsesojuzny nauchno-issledovatelsky i konstruktorsky institut "Tsvetmetavtomatika", MOSKAU - UdSSR
Verfahren und Einrichtung zum Messen der Dicke flächigen Guts mittels Schallschwingungen
Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Anwendung von Schallschwingungen zur automatischen Regelung technologischer Prozesse und insbesondere auf ein Verfahren zum Messen der Dicke flächigen Guts mittels Schallschwingungen sowie auf eine Einrichtung zu seiner Durchführung.
Die Erfindung kann in automatischen Regelkreisen von Walzwerken in der Schwarz- und Buntmetallurgie, im Maschinenbau, in der Polymer-, Zellstoff- und Papierindustrie und in anderen Zweigen der Industrie zur automatischen berührungsfreien Messung von Feinblechen und Folien (Gutdicke unter 0,5 - 1 mm) eingesetzt werden.
530-(P 6l 665/I)-HdE
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Bekannt ist ein Verfahren zur Messung der Dicke von Peinblech (vgl. z. B. W.I. Peigin, Elektronische und Halbleitergeräte im Hüttenwesen, Verlag Metallurgie, Moskau, I965)·
Dieses Verfahren besteht darin, daß das Meßgut der Einwirkung von durchdringenden Strahlungen ausgesetzt wird sowie der Grad der Schwächung der Strahlung, die das Meßgut durchdringt, und nach ihrer Größe die Dicke des Meßguts bestimmt werden.
Ein solches Verfahren hat jedoch einen engen Bereich der Dickenmessung, weil eine exponentielle Abhängigkeit der Schwächung der Strahlung von der Meßgutdicke zu verzeichnen ist.
Außerdem führt die Anwendung dieses Verfahrens bei der Messung von flächigem Gut mit geringer Dicke zu größeren Fehlern bei der Dickenmessung, Das ist darauf zurückzuführen, daß die Schwächung der Strahlung von dünnem Material gering ist und mit der Schwächung der Strahlung im Schutzschirm der jexveiligen Strahlungsquelle vergleichbar wird.
Bekannt ist ein Dickenmesser zur Durchführung des genannten Verfahrens (vgl. z. B. Informationsschrift Dickenmesser ΐτυ-*195 und ITSch-^96, herausgegeben von der Allunionsvereinigung "Isotop", Moskau, I963). Er enthält eine Quelle von Radioisotop-Strahlung und einen Empfänger für Radioisotop-Strahlung, die jeweils an den beiden Seiten des Meßguts angeordnet sind, sowie einen elektronischen Messer, der an den Empfänger angeschlossen ist.
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Bei Verwendung dieses Dickenmessers z. B. zur Messung von Walzblechen kann aus Sicherheitsgründen die Radioisotop-Quelle nicht unmittelbar an den Walzen eines Walzwerkes angebracht werden.
Das führt zu einer wesentlichen zeitlichen Verzögerung der Information über die Dicke des Meßguts, die in den automatischen Regelkreis des Walzwerkes eingegeben wird, was die Qualität des Walzgutes beeinträchtigt.
Außerdem erfordert die Anwendung dieses Dickenmessers Schutzvorrichtungen und Lagerräume zur Unterbringung von Apparaturen oder der dazugehörenden Radioisotop-Quelle bei Einstellung bzw. Reparatur eines Produktionsaggregates, z. B. eines Walzwerkes.
Die in einem Dickenmesser zur Anwendung kommenden Radioisotop-Quellen sind teuer und haben zugleich eine kurze Lebensdauer, die auf eine beschränkte Halbwertzeit des zu verwendenden Isotops zurückzuführen ist. Das macht einen periodischen Austausch der Radioisotop-Quellen erforderlich, was seinerseits den Betrieb des jeweiligen Dickenmessers kompliziert und seine Verwendung verteuert.
Bekannt ist ein Verfahren zum Messen der Dicke flächigen Guts mittels Schallschwingungen (vgl. W.S. Grebennik, Physikalische Grundlagen der Ultraschallverfahren zur Dickenmessung, Seiten 11-12, Verlag Maschinostrojenie, Moskau, 1968).
Dieses Verfahren besteht darin, daß man durch ein schallleitendes Medium, das ein Flüssigkeitsstrahl ist, Schallschwin-
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-ir-
■S.
gungen periodisch durch das Meßgut annähernd senkrecht zu seiner Oberfläche schickt. Es wird die Durchlaufzeit der Schallschwingungen durch das schalleitende Medium und durch das Meßgut ζ. B. mit Hilfe eines Phasenmessers gemessen und danach die Dicke des Meßguts ermittelt.
Die Verwendung eines derartigen Verfahrens zur Messung flächigen Guts geringer Dicke führt jedoch auch zu bedeutenden Meßfehlern. Das ist darauf zurückzuführen, daß die absoluten Größen der zu registrierenden Durchlaufzeiten von Schallschwingungen durch das Meßgut, das eine geringe Dicke
aufweist, sehr gering sind (in einer Größenordnung von 1O~ s).
Es sind außerdem bei dem oben beschriebenen Verfahren Fehler bei der Messung der Dicke zu verzeichnen, die auf Bildung von stehenden Wellen infolge der Reflexion von Schallschwingungen von der Oberfläche des Senders, des Empfängers und des Meßguts und Überlagerung von reflektierten Schallschwingungen auf Schwingungen, die durch das Meßgut durchgegangen sind, zurückzuführen sind. Zwecks Verminderung dieser Fehler ist es erforderlich, das Meßgut in der Knotenstelle bzw. im Bauch der stehenden Welle anzubringen, was durch den Einsatz von speziellen Vorrichtungen erreicht wird, die eine automatische Verschiebung des Senders und des Empfängers der Schallschwingungen in Bezug auf das Meßgut gewährleisten. Das kompliziert und verteuert die Einrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens zur Dickenmessung.
Zugleich entstehen spürbare Fehler bei der Dickenmessung infolge der Abhängigkeit der Ausbreitungsgeschwindigkeit von SchallSchwingungen in einem Flüssigkeitsstrahl und demzufol-
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ge auch ihrer Laufzeit in diesem und von der Temperatur des Strahls. Das führt zu einem starken Anstieg von Meßfehlern der Materialdicke, die auf Änderungen der Schallgeschwindigkeit mit der Temperatur zurückzuführen sind.
Die Ursache dafür liegt darin, daß für die gemäß der Technologie erforderlichen Arbeitsluftspalte (Abstand zwischen dem Sender und dem Empfänger der Schallschwingungen) die Zelt der Ausbreitung der Schallschwingungen in Flüssigkeit um zwei Größenordnungen die zu registrierende Durchlaufzeit der Schwingungen durch das flächige Meßgut übersteigt. Deshalb verursacht sogar eine relativ unwesentliche Änderung der Laufzeit von Schallschwingungen in einem Flüssigkeitsstrahl, hervorgerufen durch Temperaturänderung, eine bedeutende absolute Änderung der vollständigen Laufzeit, die mit der zu registrierenden Durchlaufzeit der Schwingungen durch das Meßgut vergleichbar ist. So z. B. beträgt die Laufzeit der Schwingungen in Flüssigkeit bei einer Gutstärke von 0,06 mm und einem Arbeitsluftspalt von 60 mm 40 ,us, und die zu registrierende Laufzeit im Meßgut 0,03 /US. Die temperaturbezogene Änderung der Ultraschall-Geschwindigkeit in Wasser von
-1^ erhöht die Laufzeit von Schwingungen in Flüssigkeit um 0,04 .us/°C, was etwa 130 % Fehler/Grad beträgt.
Durch Einführung der Temperaturkompensation kann dieser Fehler lediglich verringert werden, es erscheint aber nicht möglich, eine akzeptable Genauigkeit infolge der zeitlich ungleichmäßigen und variablen Temperaturverteilung über die Länge des Flüssigkeitsstrahls zu erreichen. Demzufolge ist die Anwendung dieses Verfahrens darauf beschränkt, daß keine
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wesentlichen Änderungen der Temperatur der Raumluft zu beobachten sind.
Bekannt ist eine Einrichtung zur Dickenmessung von flächigem Gut gemäß dem oben beschriebenen Verfahren (vgl. z. B. SU-Erfinderschein 270 26-1).
Diese Einrichtung enthält einen Sender und einen Empfänger der Schallschwingungen, zwischen denen das Meßgut angeordnet wird. Die Arbeitsoberflächen des Senders und des Empfängers sind annähernd parallel zur Oberfläche des Meßguts gerichtet. An den Sender der Schallschwingungen wird ein Erregerspannungsgenerator angeschlossen. Die Einrichtung enthält ebenfalls einen Messer. Dieser Messer besteht aus der Reihenschaltung eines Verstärkers, der an den Empfänger angeschlossen wird, eines oszillographischen bzw. phasometrisehen Zeitmessers und eines Registriergeräts. Er enthält weiterhin ein Zeitverzögerungsglied, das an den Zeitmesser und an den Generator angeschlossen ist.
Die oben beschriebene Einrichtung kann jedoch nicht zum Messen flächigen Guts mit wesentlicher Änderung der Durchbiegung des Guts über seine Länge eingesetzt werden. Das ist auf einen geringen Arbeitsluftspalt der Einrichtung zurückzuführen, den der Abstand zwischen dem Sender und dem Empfänger bildet. Die Vergrößerung des Arbeitsluftspaltes dagegen führt zu einer starken Vergrößerung der Fehler bei der Dickenmessung flächigen Guts. Das ist dadurch verursacht, daß der oben beschriebene Messer jede Veränderung der vollständigen Laufzeit der Schallschwingungen zwischen dem Sender und dem Empfänger registriert. Diese Änderung der Zeit kann
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sowohl durch Änderung der Dicke des Meßguts als auch durch Änderung des Arbeitsluftspaltes der Einrichtung hervorgerufen werden. Dadurch kann sogar eine äußerst geringe relative Änderung des Spaltes zu einem bedeutenden Fehler bei der Dickenmessung führen. Z. B. zieht für den Spalt mit einer Breite von 60 mm dessen relative Änderung lediglich um 1/10000, d. h. um 0,006 mm, einen Meßfehler von etwa 10 % bei einer Dickenmessung eines 0,06 mm starken Meßguts nach sich.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Dickenmessung von flächigem Gut mittels Schallschwingungen sowie eine betriebsmäßig einfache Einrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens zu entwickeln, die durch die Erhöhung der Meßempfindlichkeit im Bereich geringerer Dicke und der Genauigkeit der Dickenmessung infolge Verringerung der Meßfehler durch Änderung der Temperatur des schalleitenden Mediums, durch Änderung des Ärbeitsluftspaltes der Einrichtung und durch Bildung von stehenden Wellen, die durch Reflexion der Schallschwingungen von der Oberfläche des Senders, des Empfängers der Schallschwingungen und des Meßguts verursacht sind, einen breiten Bereich der Dickenmessungen sowie die Messung der Dicke flächigen Guts mit wesentlicher Änderung der Durchbiegung auf seiner Länge sichern.
Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren zum Messen der Dicke flächigen Guts mittels Schal!schwingungen, bei dem das Meßgut in einem schalleitenden Medium angeordnet wird sowie periodisch durch dieses Schallschwingungen annähernd senkrecht zur Oberfläche des Meßguts geschickt und Parameter der durchgegangenen Schallschwingungen gemessen werden, erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Schallschwingungen durch das Meßgut in Form einer fortschreitenden Welle geschickt werden und die
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Dicke des Meßguts aus einer durch Vergleich der Amplitude der durch das Meßgut geschickten fortschreitenden Welle und der Amplitude eines Bezugssignals gewonnenen Größe ermittelt wird.
Es ist zweckmäßig, daß die Frequenz der Schallschwingungen so gewählt wird, daß die Länge der fortschreitenden Welle im Meßgut dessen vierfache maximale Dicke übertrifft.
Es ist zweckmäßig, daß als das Bezugssignal eine durch ein Gut vorgegebener Dicke durchgegangene fortschreitende Welle benutzt wird, und daß die Dicke des Meßguts aus der Differenz der Amplitude der durch das Gut vorgegebener Dicke durchgegangenen fortschreitenden Welle und der durch das Meßgut durchgegangenen fortschreitenden Welle ermittelt wird.
Es ist wahlweise zweckmäßig, daß als das Bezugssignal eine durch ein Gut vorgegebener Dicke durchgegangene fortschreitende Welle benutzt wird, und daß die Dicke des Meßguts aus dem Verhältnis der Amplituden der durch das Gut vorgegebener Dicke durchgegangenen fortschreitenden Welle und der durch das Meßgut durchgegangenen fortschreitenden Welle ermittelt wird.
Es ist weiter wahlweise zweckmäßig, daß als das Bezugssignal eine durch das Meßgut zu schickende fortschreitende Welle benutzt wird, und daß die Dicke des Meßguts aus dem Verhältnis der Amplituden der durch das Meßgut zu schickenden fortschreitenden Welle und der durch das Meßgut durchgegangenen fortschreitenden Welle ermittelt wird.
Die Aufgabe wird bei einer Vorrichtung zur Durchführung
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des Verfahrens zur Messung der Dicke flächigen Guts mittels Schallschwingungen mit einem Sender und einem Empfänger von Schallschwingungen, zwischen denen das Meßgut angeordnet ist und deren Arbeitsflächen annähernd parallel zur Oberfläche des Meßguts gerichtet sind, und mit einem Messer, der an den Empfänger angeschlossen ist, erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Abstand zwischen den Arbeitsflächen des Senders und des Empfängers größer als die räumliche Länge der fortschreitenden Welle während einer Messung ist, und daß der Messer aufweist:
einen Verstärker, dessen Eingang an den Ausgang des Empfängers geschaltet ist,
einen Spitzendetektor, dessen Eingang an den Ausgang des Verstärkers angeschlossen ist,
einen Bezugssignal-Geber,
einen Vergleicher des Bezugssignals und des Signals, das die Information über die Dicke des Meßguts trägt, dessen einer Eingang mit dem Ausgang des Spitzendetektors und dessen anderer Eingang mit dem Bezugssignal-Geber elektrisch gekoppelt ist, sowie
ein Registriergerät, das an den Ausgang des Vergleichers angeschlossen ist.
Es ist zweckmäßig, daß der Bezugssignal-Geber, der eine durch das Gut vorgegebener Dicke durchgegangene fortschreitende Welle ist, eine einstellbare Gleichstrom-Quelle ist, und daß der Vergleicher ein Subtrahierer ist, der unmittelbar an die
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* AC -
einstellbare Gleichstrom-Quelle angeschlossen ist. v
Es ist auch zweckmäßig, daß ein zusätzlicher Sender Schallschwingungen durch das Gut vorgegebener Dicke schickt, und daß der Bezugssignal-Geber, der eine durch das Gut vorgegebener Dicke durchgegangene fortschreitende Welle ist, ein zusätzlicher Empfänger für die durch das Gut vorgegebener Dicke durchgegangenen Schallschwingungen ist- und zwischen dem zusätzlichen Sender und dem zusätzlichen Empfänger angeordnet ist, deren Arbeitsoberflächen ungefähr parallel zur Oberfläche des Guts vorgegebener Dicke gerichtet sind und einen gegenseitigen Abstand annähernd gleich dem Abstand zwischen den Arbeitsoberflächen des Haupt-Senders und -Empfängers haben, daß der Vergleicher ein Dividierer ist, und daß der zusätzliche Empfänger mit dem Dividierer über die Reihenschaltung eines zusätzlichen Verstärkers und eines Spitzendetektors verbunden ist.
Es empfiehlt sich auch, daß der Bezugssignal-Geber, der eine durch das Meßgut zu schickende fortschreitende Welle ist, ein zusätzlicher Empfänger von Schallschwingungen ist, der zwischen dem Sender und dem Meßgut im Wege der fortschreitenden Welle angeordnet ist und einen Teil der fortschreitenden Welle durch das Meßgut zum Haupt-Empfänger durchläßt, daß der Vergleicher-ein Dividierer ist und daß der zusätzliche Empfänger mit dem Dividierer über die Reihenschaltung eines zusätzlichen Verstärkers und eines Spitzendetektors verbunden ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Messen der Dicke flächigen Guts mittels Schallschwingungen und die Einrich-
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tung zur Durchführung dieses Verfahrens weisen eine Reihe von Vorteilen gegenüber den bekannten Verfahren und Einrichtungen auf.
Das Verfahren und die Einrichtung ermöglichen, wesentlich die Fehler bei der Dickenmessung des Meßguts zu verringern und damit die Genauigkeit und die Zuverlässigkeit der Messungen zu erhöhen.
Erstens schließen das Verfahren und die Einrichtung die Fehler bei der Dickenmessung vollständig aus, die durch stehende Wellen verursacht werden, die durch Reflexion der Schallschwingungen von den Oberflächen des Senders, des Empfängers und des Meßguts durch ihre überlagerung auf Schallschwingungen, die durch das Meßgut durchgegangen sind, hervorgerufen werden. Das wird dadurch erreicht, daß im erfindungsgemäßen Verfahren die Schallschwingungen in Form von fortschreitenden Wellen durch das Meßgut durchgeschickt werden. Die fortschreitende Welle wird in der oben beschriebenen Einrichtung dadurch erzeugt , daß der Abstand zwischen den Arbeitsflächen des Senders und des Empfängers der Schallschwingungen so gewählt ist, daß er die räumliche Länge der fortschreitenden Welle während einer Messung übertrifft. Dadurch werden die von den Oberflächen des Meßguts und des Empfängers reflektierten Schallschwingungen nicht den Schallschwingungen, die durch das Meßgut durchgegangen sind, überlagert, so daß sich keine stehenden Wellen bilden. Demzufolge sind in der Einrichtung keine besonderen Mittel erforderlich,, die die automatische Versetzung des Senders und des Empfängers der Schallschwingungen gegenüber dem Meßgut zu dessen Anbringung in der Knotenstelle bzw.
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im Bauch der stehenden Welle gewährleisten. Das vereinfacht den Betrieb der oben beschriebenen Einrichtung zum Messen der Dicke flächigen Guts.
Zweitens ermöglichen das Verfahren und die Einrichtung wesentlich Fehler bei der Dickenmessung zu verringern, die durch Veränderung des Arbeitsluftspaltes und auch durch die Abhängigkeit der Geschwindigkeit der Ausbreitung von Schallschwingungen in einem schalleitenden Medium und demzufolge auch durch die Abhängigkeit der Zeit ihrer Verbreitung in demselben von der Temperatur dieses Mediums entstehen. Die Verringerung dieser Fehler ist besonders bei der Messung von Feinblechen und Folien von Bedeutung,
Das wird dadurch erreicht, daß im Verfahren zum Messen der Dicke flächigen Guts als Parameter, der über die Dicke eine Aussage gibt, die Amplitude der Schallschwingungen, die durch das Meßgut durchgelassen werden, gewählt wird, die mit dem oben beschriebenen Messer der Einrichtung gemessen wird. Die Amplitude der Schal!schwingungen ist nicht von der Änderung der Größe des ArbeitsluftSpaltes der Einrichtung abhängig, sondern hängt lediglich von der Geschwindigkeit der Ausbreitung von Schallschwingungen im schalleitenden Medium ab. Dadurch wird der Fehler infolge der Änderung der Geschwindigkeit der Ausbreitung der Schallschwingungen im schalleitenden Medium auf das 5 - 10-fache verringert. Zur Erläuterung werden nachfolgende Beziehungen angeführt:
~ M A C
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mit <$\l = Fehler bei Messung einer Dicke d des Meßguts bei Änderung der Geschwindigkeit der Ausbreitung von Schwingungen in einem schalleitenden Medium um eine Größe Δ0 bei Anwendung des bekannten Meßverfahrens;
H = Arbeitsluftspaltgröße
K = konstanter Koeffizient,
ο
Bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Messen der Dicke flächigen Guts wird der Fehler (Td_ bei Messung der Dicke d , die durch die Veränderung AC der Geschwindigkeit C hervorgerufen ist, durch folgende Beziehung ermittelt:
woraus folgt:
üblicherweise ist das Verhältnis | =5-10 und folglich
Außerdem wird die Genauigkeit der Dickenmessung des Meßguts durch die Wahl einer derartigen Frequenz der Schallschwingungen erhöht, daß die Länge der fortschreitenden Welle in dem Meßgut seine vierfache maximale Dicke übertrifft.
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Das ist darauf zurückzuführen, daß die Abhängigkeit der Amplitude der fortschreitenden Welle, die durch das flächige Gut durchgelassen wird, von der Dicke dieses Meßguts einen linearen Charakter lediglich in ihrem Anfangsteil aufweist. Bei Vergrößerung der Dicke des flächigen.Guts bis zu einer Größe, die der Viertellänge der fortschreitenden Welle in dem Meßgut nahekommt, wird die genannte Abhängigkeit nichtlinear, und bei weiterer Vergrößerung dieses Wertes außerdem nicht eindeutig. Die Wahl einer solchen Frequenz der Schallschwingungen, daß die maximale Dicke des flächigen Guts die Viertellänge der fortschreitenden Welle in dem Meßgut nicht übertrifft, sichert die Möglichkeit der Messung der Amplitude bei Veränderung der Dicke des flächigen Guts im linearen Teil der genannten eindeutigen Abhängigkeit. Das erhöht eben die Genauigkeit der Messungen der Dicke nach dem oben beschriebenen Verfahren.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht auch, den Be-% reich der Dickenmessungen flächigen Guts bei geringen Dicken mittels Erhöhung seiner Empfindlichkeit auszudehnen. Das wird dadurch gewährleistet, daß als Parameter, nach dem die Dicke des Meßguts bewertet wird, die Amplitude der Schallschwingungen gewählt ist. Die Amplitude der Schallschwingungen, die durch das Meßgut durchgegangen sind, ist der Dicke des Meßguts umgekehrt proportional und hängt praktisch nicht von dem Arbeitsluftspalt der Einrichtung ab. Deswegen ist die Größe der Änderung der Amplitude der Schallschwingungen bei ihrem Durchgehen durch das Meßgut mit geringer Blechdicke üblicherweise ausreichend genug für ihre Messung mit Hilfe des oben beschriebenen Messers der Einrichtung.
Das Verfahren zum Messen der Dicke von flächigem Gut und
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die Einrichtung für seine Durchführung, in denen als Bezugssignal eine fortschreitende Welle genutzt wird, die durch das Meßgut mit vorgegebenem Wert der Dicke durchgegangen ist, und als Bezugssignal-Geber eine regelbare Gleichstrom-Quelle genutzt wird, ermöglichen es, besonders einfach und mit ausreichender Genauigkeit die Dicke von Meßgut in einem Bereich der Dicken zu messen, die 20 - 40 % von dem vorgegebenen Wert betragen. Zur Erweiterung des Messungsbereiches ist die Neuabstimmung der Gleichstrom-Quelle notwendig.
Die Anwendung einer fortschreitenden Welle als Bezugssignal, die durch das Meßgut mit vorgegebenem Wert der Dicke durchgegangen ist, und als Bezugssignal-Geber eines zusätzlichen Empfängers der Schallschwingungen, die durch das genannte Meßgut durchgegangen sind, und als Vergleicher eines Dividierers sichert einen breiten Bereich der Dickenmessungen des Meßguts ohne jegliche Neuabstimmung des Bezugssignal-Gebers.
Außerdem werden in der oben beschriebenen Ausführungsform des Verfahrens und der Einrichtung die Fehler bei der Dickenmessung von Meßgut verringert, die durch Instabilität des Koeffizienten des Durchgehens von Schallschwingungen durch das Meßgut verursacht sind. Das wird dadurch gesichert, daß die Instabilität des genannten Koeffizienten, die z. B. durch Änderung der Dichte der Raumluft, ihrer Temperatur bzw. des Atmosphärendrucks hervorgerufen wird, für das Meßgut und für das Meßgut mit vorgegebener Dicke gleich sein wird, die in unmittelbarer Nähe voneinander angebracht sind.
Diese Ausführungsform des Verfahrens und der Einrichtung ermöglicht außerdem, die Meßgenauigkeit durch die Absicherung der linearen direkt proportionalen Abhängigkeit des Ausgangs-
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signals des Dividierers von der Dicke des Meßguts zu erhöhen. Das ist darauf zurückzuführen, daß die Amplitude der Schallschwingungen, die durch das Meßgut durchgegangen sind, umgekehrt proportional zu seiner Dicke ist, und demzufolge wird der Quotient bei ihrer Anwendung als Divisor direkt proportional von der Dicke abhängig sein.
Die Anwendung der fortschreitenden Welle als Bezugssignal, die durch das Meßgut durchgelassen wird, und eines zusätzlichen Empfängers der genannten Schwingungen als Bezugssignal-Geber sichert die Beseitigung von Fehlern bei der Messung, die durch die Instabilität der Ausgangsleistung des Generators und durch die Instabilität des Senders der Schallschwingungen hervorgerufen werden. In diesem Fall wirken sich die genannten Instabilitäten gleichermaßen auf die Schallschwingungen, die durch das Meßgut durchgelassen werden, und auf Schallschwingungen, die durch das genannte Meßgut durchgegangen sind, aus.
In dieser Ausführungsform des Verfahrens und der Einrichtung wird auch eine direkt proportionale Abhängigkeit des Ausgangssignals des Dividierers von der Dicke des Meßguts gewährleistet.
Die Erfindung wird beispielhaft anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 das Blockschaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens zum Messen der Dicke flächigen Guts mittels Schallschwingungen;
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. 2,91·
Pig. 2 eine andere Ausführungsform des Blockschaltbildes der erfindungsgemäßen Einrichtung;
Pig. 3 eine weitere Ausführungsform des Blockschaltbildes der erfindungsgemäßen Einrichtung;
Pig. H das Diagramm der Abhängigkeit der Beziehungen der Amplituden der Schallschwingungen, die durch unterschiedliches Meßgut durchgegangen sind und die durch dieses Meßgut durchgelassen werden, vom Produkt der Meßgutdicke und der Frequenz der Schallschwingungen.
Die Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens zum Messen der Dicke flächigen Guts enthält einen Sender (Fig. 1) der Schallschwingungen mit einem an ihn angeschlossenen Generator 2 und einen Empfänger 3 der Schallschwingungen. Der Sender weist herkömmlichen Aufbau der Sender von piezoelektrischem Typ auf. Der Generator 2 ist eine für sich bekannte Schaltung der Stoßerregung vom Stromkreis ausgeführt. Der Empfänger 3 hat einen bekannten Aufbau, der dem Aufbau des Senders analog ist.
Zwischen dem Sender 1 und dem Empfänger 3 wird das Meßgut 4 eingebracht, das in ein schalleitendes Medium 5 angeordnet wird; als solches wird in dieser Ausführungsform das bis 70 - 80 0C erwärmte Wasser verwendet. Wasser wird der Einrichtung als Strahl in den Richtungen zugeführt, die in der Zeichnung mit Pfeilen angedeutet sind.
Arbeitsflächen des Senders 1 und des Empfängers 2 sind annähernd parallel zur Oberfläche des Meßguts 4 gerichtet. Das
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gibt die Möglichkeit des Durchlassens von Schallschwingungen im schalleitenden Medium 5 durch das Meßgut 4 annähernd senkrecht zu seiner Oberfläche.
Der Abstand zwischen den Arbeitsflächen des Senders 1 und des Empfängers 3 ist so gewählt, daß er die räumliche Länge der fortschreitenden Welle während einer Messung übersteigt. Dadurch wird das Durchlassen von Schallschwingungen, die vom Sender 1 ausgestrahlt werden, durch das Meßgut M in Form einer fortschreitenden Welle gewährleistet. Dadurch erfolgt keine Entstehung von stehenden Wellen und folglich werden Fehler bei Dickenmessung flächigen Guts k ausgeschlossen, die durch stehende Wellen verursacht sind. Gleichzeitig entfällt in der Einrichtung die Notwendigkeit, daß man spezielle Mittel einsetzt, die die automatische Verschiebung des Senders 1 und des Empfängers 3 in Bezug auf das Meßgut H mit dem Ziel seiner Anbringung in der Knotenstelle bzw. im Bauch der stehenden Welle sichern, was den Betrieb der Einrichtung vereinfacht«
An dem Empfänger 3 der Schallschwingungen ist ein Messer 6 angeschlossen. Der Messer 6 enthält einen Verstärker 7, der aus einer bekannten Transistorschaltung aufgebaut ist, dessen Eingang an den Ausgang des Empfängers 3 angeschlossen ist. An den Ausgang des Verstärkers 7 ist ein Spitzendetektor 8 angeschlossen, der üblicherweise auf einer Transistor-Diodenschaltung mit einer Gleichrichtungs-Konstanten ausgeführt ist, die um mehr als eine Größenordnung die Taktdauer der auszustrahlenden Schallschwingungen übertrifft.
Der Anwendung des Spitzendetektors 8 im Messer 6 soll im Vergleich zu einem Amplituden- oder Amplituden-Phasen-De-
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tektor der Vorzug gegeben werden, die in bekannten Einrichtungen zum Messen der Dicke flächigen Guts eingesetzt werden, da er ermöglicht, die Registrierung der mehrfach von der Oberfläche des Senders 1, des Empfängers 3 und des Meßguts k reflektierten Schallschwingungen auszuschließen, deren Amplitude geringer als die Amplitude der Schwingungen ist, die durch das Meßgut H durchgegangen sind. An den Ausgang des Spitzendetektors 8 ist einer der Ausgänge des Vergleichers des Bezugssignals und des Signals, das die Information über die Dicke des Meßguts H trägt, angeschlossen, der in der beschriebenen Form als Subtrahierer 9 ausgeführt ist. Der Subtrahierer 9 ist auf einer bekannten Diskriminatorschaltung montiert. Als Signal, das die Information über die Dicke des Meßguts h trägt, dient eine fortschreitende Welle, die durch dieses Meßgut k durchgegangen ist. Als Bezugssignal dient in dieser Ausführungsform die fortschreitende Welle, die durch das Meßgut 10 (Fig. 2) mit vorgegebener Dicke durchgegangen ist. Dieses Meßgut 10 wird vor Beginn der Messung der Dicke des flächigen Guts 4 (Fig. 1) zwischen dem Sender 1 und dem Empfänger 3 analog dem Meßgut 1I angeordnet. Durch das Meßgut 10 werden Schallschwingungen, die vom Sender 1 als eine fortschreitende Welle ausgestrahlt werden, durchgelassen und ihre Amplitude gemessen.
An den anderen Ausgang des Subtrahierers 9 ist ein Bezugssignal-Geber angeschlossen, der als Gleichstrom-Quelle 11 ausgeführt ist. Die Höhe der Ausgangsspannung der Quelle 11 ist direkt proportional der gemessenen Amplitude der fortschreitenden Welle eingestellt, die durch das Meßgut 10 mit vorgegebener Dicke durchgegangen ist. An den Ausgang des Subtrahierers 9 ist ein Registriergerät 12 angeschlossen, das als Selbstschreiber bekannten Aufbaus ausgeführt wird. Die Selbstschreiberskala ist in Dickeneinheiten geeicht.
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Die oben beschriebene konstruktive Ausführung der Einrichtung ist die einfachste. Die oben beschriebene Einrichtung weist aber einen relativ engen Bereich der Dickenmessungen auf. Dieser Meßbereich liegt zwischen 20 und 40 % der vorgegebenen Dicke. Zur Erweiterung des Meßbereiches ist die Änderung der Ausgangsspannung der Gleichstrom-Quelle 11 notwendig.
Dadurch kann diese Einrichtung in automatischen Steuersystemen für technologische Prozesse eingesetzt werden, bei deren Durchführung eine Information lediglich über die Abweichung der Dicke des Meßgutes von dem vorgegebenen Wert erforderlich ist. Dabei ist es zur Erhöhung der Zuverlässigkeit der Messung notwendig, die Beständigkeit der Eigenschaften des schalleitenden Mediums 5 und die Stabilität der Strahlung zu sichern. Das kann durch die Anwendung einer in einem Thermostaten untergebrachten Flüssigkeit als schalleitendes Medium 5, z.B. Wasser, und durch den Einsatz eines hochstabilen Senders 1 erreicht werden.
Die Erweiterung des Meßbereiches der Dicke des Meßgutes und die Verringerung des Einflusses der Veränderung der Eigenschaften des schalleitenden Mediums 5 und der Instabilität des Senders 1 auf die zu messende Dicke können durch die Anwendung einer weiteren Ausführungsform der Einrichtung erreicht werden, die in Fig. 2 gezeigt wird.
Die Einrichtung gemäß dieser Ausführungsform enthält außer dem oben beschriebenen Sender 1, Generator 2, Empfänger 3, Verstärker 7, Spitzendetektor 8 und Registriergerät 12 einen zusätzlichen Sender 13 der Schallschwingungen, die durch das Meßgut 10 mit vorgegebener Dicke durchgelassen werden. Der Sender 13 weist einen bekannten Aufbau auf, der dem Aufbau des Haupt-Senders 1 analog ist. Er ist an den Generator 2 ange-
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schlossen. Das Vorhandensein des zusätzlichen Senders 13 ermöglicht es, die Fehler bei der Dickenmessung zu reduzieren, die durch die Instabilität des Senders 1 verursacht werden. Als Bezugssignal-Geber, der eine durch das Meßgut 10 vorgegebener Dicke durchgegangene fortschreitende Welle ist, dient ein zusätzlicher Empfänger 14. Dieser Empfänger 14 weist den bekannten Aufbau auf, der dem Aufbau des Empfängers 3 analog ist. Das Meßgut 10 mit vorgegebener Dicke ist zwischen dem zusätzlichen Sender 13 und dem zusätzlichen Empfänger 14 in der unmittelbaren Nähe von dem Meßgut 4 angebracht. Dadurch werden die Temperatur, der Druck und die Dichte des schalleitenden Mediums 5> als solches wird in dieser Ausführungsform Luft verwendet, im Wirkungsbereich des Haupt-Senders 1 und -Empfängers 3 und des zusätzlichen Senders 13 und Empfängers 14 ausreichend naheliegen oder gleich sein. Das sichert die Senkung der Fehler, die durch Änderung der Eigenschaften des schallleitenden Mediums verursacht werden.
Die Arbeitsflächen des zusätzlichen Senders 13 und Empfängers 14 sind annähernd parallel zur Oberfläche des Meßguts 10 vorgegebener Dicke gerichtet. Der Abstand zwischen den Arbeitsflächen des Senders 13 und des Empfängers 14 ist nahe dem Abstand zwischen dem Haupt-Sender 1 und -Empfänger 3 gewählt. Dadurch wird das Durchlassen von Schallschwingungen, die vom zusätzlichen Sender 13 ausgestrahlt werden, durch das Meßgut 10 in Form einer fortschreitenden Welle gesichert.
In dieser Ausführungsform ist der Vergleicher des Bezugssignals und des Signals, das die Information über die Dicke des Meßguts 4 trägt, als Dividierer 15 ausgeführt, der bekannten Aufbau aufweist. Elektrische Verbindung des zusätz-
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lichen Empfängers l4 und des einen Eingangs des Dividierers wird über die Reihenschaltung eines zusätzlichen Verstärkers 16 und eines Spitzendetektors 17 realisiert, die dem Hauptverstärker 7 und dem Spitzendetektor 8 analog ausgeführt sind.
Ein anderer Eingang des Dividierers 15 ist an den Ausgang des Spitzendetektors 8 angeschlossen. Der Ausgang des Dividierers 15 ist an das Registriergerät 12 geschaltet.
Beim Einsatz der oben beschriebenen Einrichtung ist keine Stabilität der Eigenschaften des schalleitenden Mediums erforderlich und es besteht keine Notwendigkeit, darin einen aufbaumäßig komplizierten hochstabilen Sender 1 anzuwenden. Infolgedessen kann als schalleitendes Medium gasförmiges Medium verwendet werden, das vor dem Flüssigkeitsmedium zu bevorzugen ist. Das gasförmige Medium erhöht die Schnellwirkung der Einrichtung infolge einer schnelleren Schwächung von Schallschwingungen, die von den Oberflächen der Sender 1, 13, der Empfänger 3, 14 und Meßguts 4, 10 reflektiert werden, und schließt die Instabilität des Schallkontaktes der Sender 1, 13 und der Empfänger 3 bzw. 14 mit dem Meßgut 4 bzw. mit dem Meßgut 10 mit vorgegebener Dicke aus, die bei Unterbrechung des Flüssigkeitsstrahles entsteht. Die Anwendung des gasförmigen Mediums erlaubt außerdem, den Anwendungsbereich wesentlich dadurch zu erweitern, daß die Dichte des Meßguts 4 um das Mehrfache die Dichte des gasförmigen Mediums übertrifft. Zugleich braucht man für die Erzeugung der fortschreitenden Welle im gasförmigen Medium einen geringeren Abstand zwischen den Sendern 1, und den Empfängern 3 bzw. 14, da die Laufzeit der Schallschwingungen im gasförmigen Medium um eine Größenordnung kleiner als ihre Laufzeit in Flüssigkeit ist. Die Anwendung des gasförmigen
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Mediums schließt ebenfalls die Korrosion der Bauelemente eines Produktionsaggregats z. B. eines Walzwerkes aus.
DLe oben beschriebene Einrichtung kann erfolgreich zur Messung der absoluten Dicke des Meßguts in einem weiten Bereich während des gesamten technologischen Prozesses ohne jegliche Neuabstimmung des Bezugssignal-Gebers eingesetzt werden.
In der oben beschriebenen Ausführungsform der Einrichtung kann der Vergleicher des Bezugssignals und des Signals, das die Information über die Dicke des Meßguts trägt, auch als Dividierer (in der Fig. nicht gezeigt) ausgeführt werden, der an die Spitzendetektoren 8, 17 und an das Registriergerät 12 analog dem Dividierer 15 angeschlossen ist. In diesem Fall kann die Einrichtung in Systemen der automatischen Regelung der technologischen Prozesse eingesetzt werden, wo dem Stellglied ein Stellsignal zugeführt werden kann, das der Abweichung der Dicke des Meßguts von ihrem Sollwert proportional ist.
In der in Fig. 3 gezeigten Ausführungsform der Einrichtung ist der Bezugssignal-Geber - als solcher wird eine fortschreitende Welle genutzt, die durch das Meßgut k durchgelassen wird - in Form eines zusätzlichen Empfängers 18 ausgeführt. Der zusätzliche Empfänger 18 ist in Form eines bekannten Kleinmikrofons von piezoelektrischem Typ ausgeführt. Der Empfänger 18 ist zwischen dem Sender 1 der Schallschwingungen und dem Meßgut k im Wege der fortschreitenden Welle derart angeordnet, daß dabei das Durchgehen des Hauptteils der fortschreitenden Welle durch das Meßgut H zum Haupt-Empfänger 3 unter Vermeidung des zusätzlichen Empfängers 18 gesichert wird.
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Der Vergleicher des Bezugssignals und des Signals, das die Information über die Dicke des Meßguts 4 trägt, ist als Dividierer 15 ausgeführt. Der Dividierer 15 ist an den Spitzendetektor 8 und an das Registriergerät 12 angeschlossen sowie mit dem zusätzlichen Empfänger 18 elektrisch gekoppelt. Diese elektrische Verbindung wird über die Reihenschaltung eines Verstärkers 19 und Spitzendetektors 17 verwirklicht. Der Verstärker 19 ist mit einem Temperaturregler (in der Fig. nicht gezeigt) des Verstärkungskoeffizienten versehen, der die Verringerung der Fehler sichert, die durch Veränderung der Temperatur der Luft entstehen, die in dieser Ausführungsform als schalleitendes Medium 5 dient.
Die erfindungsgemäße Einrichtung sichert das Ausschließen von Fehlern bei Dickenmessung flächigen Guts 1J, die durch die Instabilität der Ausgangsleistung des Generators 2 und durch die Instabilität des Senders 1 der Schallschwingungen verursacht werden. In diesem Fall wirken sich die genannten Instabilitäten gleichermaßen auf Schallschwingungen aus, die durch das Meßgut H durchgelassen werden, und auf Schallschwingungen, die durch dasselbe durchgegangen sind, und sie werden nicht die Ausgangsspannung des Dividierers 15 beeinflussen. Dadurch wird die Genauigkeit der Dickenmessung des Meßguts 4 erhöht.
Die erfindungsgemäße Einrichtung kann zur Dickenmessung flächigen Guts 4 in einem weiten Bereich während des gesamten technologischen Prozesses ohne jegliche Neuabstimmung des Bezugssignal-Gebers erfolgreich eingesetzt werden.
Zur Erläuterung des Verfahrens der Dickenmessung des Meß-
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guts 4, das in den oben beschriebenen Einrichtungen zum Einsatz kommt, ist in Fig. 4 das Diagramm der Abhängigkeit der Beziehung der Amplitude A der Schallschwingungen, die durch das Meßgut durchgelassen werden, zur Amplitude A der Schallschwingungen, die durch dasselbe durchgegangen sind, vom Produkt der Dicke d des Meßguts 4 (Fig. 1) und der Frequenz f der Schallschwingungen angeführt. Die Linien I (Fig. 4), II und III stellen die genannte Abhängigkeit für Aluminium, Kupfer bzw. Wolfram dar.
Analytisch kann diese Abhängigkeit durch folgende Beziehung veranschaulicht werden:
-4?
mit J* und cQ = Dichte des schalleitenden Mediums 5 (Fig. 1) bzw. Laufzeit der Schallschwingungen in demselben; § und c = Dichte des Meßguts k bzw. die Laufzeit der Schallschwingungen in demselben.
Aus der oben angeführten Beziehung und aus den in Fig. k angeführten Diagrammen ist zu ersehen, daß die Amplitude A der Schallschwingungen, die durch das Meßgut 4 durchgegangen sind (Fig. 1) seiner Dicke d umgekehrt proportional ist.
Das Verfahren zum Messen der Dicke flächigen Guts mittels Schallschwingungen wird in den oben beschriebenen Einrichtungen wie folgt durchgeführt:
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Das Meßgut 4 (Pig. 1) wird zwischen dem Sender 1 der Schallschwingungen und dem Empfänger 3 in dem bis 70 - 80 0C angewärmten Wasser untergebracht, das als schalleitendes Medium in dieser Ausführungsform des Verfahrens dient.
Der Generator 2 erzeugt elektrische Impulse, die mit einer konstanten Impulsfolgeperiode an den Sender 1 gelangen. Die Impulsfolgeperiode wird in Abhängigkeit von der erforderlichen Genauigkeit der Dickenmessung gewählt, die ihrerseits von der Häufigkeit der durchzuführenden Messungen abhängig ist.
Der Sender 1 sendet durch die Erregung mit elektrischen Impulsen, die vom Generator 2 gelangen, kurze schmalspektrale Impulse der Schallschwingungen in Form fortschreitender Welle ins Wasser. Die Anwendung von Schallschwingungen in Form fortschreitender Welle erlaubt, die Fehler der Dickenmessung des flächigen Guts 4 auszuschließen, die durch Entstehung von stehenden Wellen verursacht werden, die durch Reflexion der Schallschwingungen von der Oberfläche des Senders 1, Empfängers 3 und Meßguts H und durch die überlagerung derselben auf die Schall schwingungen, die durch das Meßgut 1I durchgegangen sind, hervorgerufen sind.
Der Arbeitszustand der fortschreitenden Welle wird durch die Wahl des Abstandes zwischen dem Sender 1 und dem Empfänger 3 gewährleistet, der die räumliche Länge der fortschreitenden Welle während einer Messung übersteigt.
Die Frequenz der Schallschwingungen wird so gewählt, daß die Länge der fortschreitenden Welle in dem Meßgut H seine
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vierfache maximale Dicke übertrifft. Das sichert eine eindeutige lineare Abhängigkeit der Amplitude der fortschreitenden Welle der Schallschwingungen, die durch das Meßgut H durchgegangen sind, von seiner Dicke, was es erlaubt, den Bereich der Messungen bei geringeren Dicken zu erweitern. Die Erfüllung des genannten Verhältnisses der Länge der fortschreitenden Welle zur maximalen Länge des Meßguts 4 wird durch die Anwendung der Schallschwingungen mit Ultraschallfrequenz zur Messung von Folien (Gutdicke unter Zehnteln des Millimeters) und der Schallschwingungen gesichert, die im unteren Teil die Frequenz des Ultraschallbereiches und im oberen Teil die Frequenz des Tonfrequenzbereiches für Meßgut größerer Dicke haben.
Die fortschreitende Welle der Impulse der Schallschwingungen geht durch das Meßgut h annähernd senkrecht zu seiner Oberfläche durch und tritt auf der entgegengesetzten Seite des Meßguts 1J in Form von amplitudengedämpften Impulsen, gemäß der oben angegebenen Beziehung (1), ins Wasser ein.
Das Durchgehen der fortschreitenden Welle durch das Meßgut l| annähernd senkrecht zu seiner Oberfläche wird durch die Orientierung der Arbeitsoberflächen des Senders 1 und des Empfängers 3 parallel zur Oberfläche des Meßguts H gewährleistet.
Die Impulse der fortschreitenden Welle, die durch das Meßgut l\ durchgegangen ist, kommen im Empfänger 3 an, der diese in elektrische Impulse mit einer Trägerfrequenz, die der Frequenz der Schallschwingungen gleich ist, umwandelt. Diese elektrischen Impulse, die eine Information über die Dicke des Meßguts iJ tragen, werden amplitudenmäßig durch den Verstärker
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7 verstärkt und gelangen in den Spitzendetektor 8. Der Spitzendetektor 8 erzeugt Spannung, die der Amplitude der Hüllkurve der elektrischen Impulse, die an seinem Eingang ankommen, gleich ist.
An den einen Eingang des Subtrahierers 9 gelangt vom Ausgang des Detektors 8 eine Spannung, die der Dicke des Meßguts Ii umgekehrt proportional ist. An den anderen Eingang des Subtrahierers 9 gelangt eine Gleichspannung vom Ausgang der Gleichstrom-Quelle 11, die der vorgegebenen Dicke des Meßguts 10 umgekehrt proportional ist. Am Ausgang des Subtrahierers 9 entsteht eine Spannung, die der Differenz der Spannungen gleich ist, die an seinen Eingängen ankommen und der Differenz der vorgegebenen Dicke des Meßguts 10 und der Dicke des Meßguts k direkt proportional ist.
Die Ausgangsspannung des Subtrahierers 9 wird auf das Registriergerät 12 gegeben, das die Größe der Abweichung der Dicke des Meßguts *} von der vorgegebenen Dicke des Guts 4 anzeigt.
Vor Beginn des oben beschriebenen Betriebs der Einrichtung, der in Fig. 1 gezeigt ist, wird die Abstimmung der Gleichstrom-Quelle 11 vorgenommen, die als Bezugssignal-Geber dient. Zu diesem Zweck wird zwischen dem Sender 1 und dem Empfänger 3 anstelle des Meßguts H das Gut 10 mit vorgegebener Dicke untergebracht. Durch dieses Gut 10 wird die fortschreitende Welle der Schallschwingungen durchgelassen und die Ausgangsspannung der Gleichstrom-Quelle 11 (Pig. I) bis zu einer Größe geregelt, bei der die Anzeigen des Registriergerätes 12 gleich Null sein werden.
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Als vorgegebene Dicke wird üblicherweise der Beginn des Teilbereiches der Messungen gewählt.
Beim Betrieb der Einrichtung bleibt die Ausgangsspannung der Gleichstrom-Quelle 11 unveränderlich.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Messen der Dicke flächigen Guts ist einfach in der konstruktiven Ausführung und ermöglicht, Messungen in einem relativ engen Bereich durchzuführen, der etwa 20 - 40 % der vorgegebenen Dicke beträgt. Eine weitere Vergrößerung der zu messenden Dicke führt zum Entstehen der nichtlinearen Abhängigkeit der Anzeigen des Registriergerätes 12 von der Dicke des Meßguts 4 und deswegen macht die Neuabstimmung der Gleichstrom-Quelle 11 auf den nächstfolgenden Teilbereich der Messungen erforderlich.
Der Meßbereich der Dicke kann durch die Anwendung des Verfahrens zum Messen der Dicke flächigen Guts erweitert werden, das in der in Fig. 2 gezeigten Einrichtung durchgeführt wird.
Gemäß diesem Verfahren wird das Meßgut 4 zwischen dem Sender 1 und dem Empfänger 3 im schalleitenden Medium 5 untergebracht; als solches wird in diesem Fall Luft verwendet. Zwischen dem zusätzlichen Sender 13 der Schallschwingungen und dem zusätzlichen Empfänger 14 wird das Meßgut 10 (Fig. 2) mit vorgegebener Dicke angeordnet. Dieses Gut 10 wird in der unmittelbaren Nähe von dem Meßgut 4 angeordnet. Dadurch wird die Verringerung der Fehler bei der Dickenmessung gesichert, die durch Veränderung der Eigenschaften des schallleitenden Mediums - in diesem Fall ist es die Luft - auftreten.
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2 6 O U1 b 4
Der Generators erzeugt elektrische Impulse, die mit konstanter Taktdauer beim Haupt-Sender 1 und dem zusätzlichen Sender 13 ankommen.
Der Sender 1 sendet in Luft Impulse der Schallschwingungen in Form fortschreitender Welle. Diese Impulse gehen durch das Meßgut H durch, das die Verringerung ihrer Amplitude gemäß der oben angegebenen Beziehung (1) hervorruft. In diesem Fall gilt bei Anwendung von Luft als schalleitendes Medium, deren Dichte J7 um vier Größenordnungen geringer als die Dichte J2 des Meßguts 4 ist, die Beziehung
Außerdem wird in Vermeidung der überflüssigen Schwächung der Amplitude A der Schallschwingungen ihre Frequenz f so gewählt, daß die Größe 23F/d wesentlich kleiner als Jz. ist.
C £
Dann hat die Beziehung (1) folgenden Ausdruck:
J= PoCo
C-) 1 Λ
Wegen -JZ =■ A0 , worin \ die Länge der fortschreitenden
Welle in der Luft ist, nimmt die Beziehung (2) folgende Gestalt an:
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odO11 *=Ύ iH) mlt
Aus der oben angegebenen Beziehung (4) ergibt sich, daß die Amplitude der Schallschwingungen, die durch das Meßgut H durchgegangen sind, eine lineare umgekehrt proportionale Abhängigkeit von der Dicke des Meßguts H praktisch in jedem Dickenbereich hat.
Die durch das Meßgut h durchgegangenen Schallschwingungen kommen im Empfänger 3 an und werden durch diesen in elektrische Impulse umgewandelt. Diese elektrischen Impulse werden vom Verstärker 7 verstärkt und gelangen in den Spitzendetektor 8. Der Spitzendetektor 8 erzeugt eine Gleichspannung, die der Amplitude der Hüllkurve der elektrischen Impulse, die an seinem Ausgang angekommen sind, gleich ist. Die Spannung gelangt vom Ausgang des Detektors 8 an den einen Eingang des Dividierers 15.
Gleichzeitig mit den oben beschriebenen Prozessen erfolgt die Strahlung von Impulsen der Schallschwingungen in die Luft in Form fortschreitender Welle durch den zusätzlichen Sender 13. Diese Impulse gehen durch das Meßgut 10 mit vorgegebener Dicke durch und werden von demselben amplitudenmäßig gemäß Gleichung J _ AT gedämpft, worin k die Amplitude
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der Schallschwingungen ist, die durch das Meßgut 10 mit vorgegebener Dicke durchgegangen sind.
Der Empfänger lh empfängt geschwächte Impulse und wandelt diese in elektrische Impulse mit der Trägerfrequenz um, die der Frequenz der Schallschwingungen gleich ist. Die elektrischen Impulse werden amplitüdenmäßig durch den Verstärker 16 verstärkt und gelangen an den Spitzendetektor 17· Der Spitzendetektor 17 erzeugt eine Gleichspannung, die der Amplitude der Hüllkurve der elektrischen Impulse gleich ist. Die Ausgangsspannung vom Detektor 17 kommt am zweiten Eingang des Dividierers 15 an. Dabei tritt am Ausgang des Dividierers 15 eine Spannung auf, die der Beziehung der Spannung, die an seinem Eingang vom Ausgang des Detektors 17 angekommen ist, zur Spannung, die an seinem anderen Eingang vom Ausgang des Detektors 8 angekommen ist, gleich und der Dicke des Meßguts 4 proportional ist. Die Ausgangsspannung des Dividierers 15 wird dem Registriergerät 12 zugeführt, das die Dicke des Meßguts 4 anzeigt.
Vor Beginn der Arbeit der erfindungsgemäßen Vorrichtung, die in Fig. 2 dargestellt ist, wird die Abstimmung der Einrichtung vorgenommen. Dafür wird zwischen dem Sender 1 und dem Empfänger 3 anstelle des Meßgutes 4 sein Probestück (in Fig. 2 nicht gezeigt) mit bekannter Dicke angeordnet. Durch dieses Probestück und durch das Meßgut 10 werden Schallschwingungen in Form fortschreitender Welle durchgelassen, und der Verstärkungskoeffizient des zusätzlichen Verstärkers 16 bis zu einer Größe reguliert, bei der am Ausgang des Dividierers 15 eine Spannung auftritt, die der bekannten Dicke des genannten Probestücks direkt proportional ist, und die An-
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It-
zeigen des Registriergerätes 12 werden dieser Dicke gleich sein.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Messen der Dicke flächigen Guts sichert die Messung der Dicke mit hoher Genauigkeit und in einem weiten Bereich infolge der linearen direkt proportionalen Abhängigkeit des Ausgangssignals des Dividierers 15 von der Dicke. Zugleich ermöglicht das genannte Verfahren, die Meßfehler zu verringern, die durch die Instabilität des Durchlaufkoeffizienten der Schallschwingungen durch das Meßgut 4 sowie durch die Instabilität der Ausgangsleistung des Generators 2 und durch die Instabilität der Sender 1, 13 verursacht werden. Das oben beschriebene Verfahren weist jedoch eine komplizierte aufbaumäßige Ausführung auf. Dieses zu vereinfachen ermöglicht das Verfahren zum Messen der Dicke flächigen Guts, das in der in Fig. 3 gezeigten Einrichtung durchgeführt wird.
Nach diesem Verfahren werden die Schallschwingungen durch das Meßgut h durchgelassen, von dem Empfänger 3 empfangen, von den Verstärkern 7 verstärkt, von dem Detektor 8 umgewandelt und dem Eingang des Dividierers 15 analog den oben beschriebenen Verfahren, die in den in Pig. I und 2 gezeigten Einrichtungen durchgeführt werden, zugeführt.
Zugleich kommt die fortschreitende Welle der Impulse der Schallschwingungen, die vom Sender 1 gestrahlt werden, die als Bezugssignal in dieser Ausführungsform des Verfahrens dienen, im zusätzlichen Empfänger 18 an.
Der Empfänger 18 wandelt diese Impulse in elektrische
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r 3* -
Impulse mit einer Trägerfrequenz um, die der Frequenz der Schallschwingungen gleich ist. Die elektrischen Impulse werden amplitudenmäßig durch einen Verstärker 19 verstärkt. Durch das Vorhandensein eines Temperaturreglers im Verstärker 19 seines Verstärkungskoeffizienten werden in diesem Verfahren die Fehler verringert, die durch Veränderung der Lufttemperatur hervorgerufen werden. Die verstärkten elektrischen Impulse gelangen in den Spitzendetektor 17» der eine Spannung erzeugt, die der Amplitude der Hüllkurve der elektrischen Impulse gleich ist und an den Eingang des Dividierers 15 gelangt.
Infolge der oben beschriebenen Prozesse gelangt an den einen Eingang des Dividierers 15 eine Spannung, die der Amplitude A der fortschreitenden Welle der Schallschwingungen, die durch das Meßgut 4 durchgelassen werden, direkt proportional ist, und an den anderen Eingang eine Spannung, die der Amplitude der fortschreitenden Welle der Schallschwingungen direkt proportional ist, die durch das Meßgut 4 durchgegangen sind. Am Ausgang des Dividierers 15 tritt eine Spannung auf, die der Beziehung der Spannung, die direkt proportional der Amplitude f der fortschreitenden Welle ist, die durch das Gut 1I durchgelassen wird, zur Spannung, die direkt proportional 'der'Amplitude Ä der fortschreitenden Welle ist, die durch das Gut k durchgegangen ist, gleich ist. Am Ausgang des Dividierers 15 tritt gemäß der oben angegebenen Beziehung (2) eine Spannung auf, die der Dicke des Meßguts 1I direkt proportional ist. Diese Spannung wird an das Registriergerät 12 angelegt, das die Dicke des Meßguts 4 anzeigt.
Vor dem Beginn des Betriebes der Einrichtung, die in
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3 gezeigt ist, wird ihre Abstimmung analog der oben beschriebenen Abstimmung der in Fig. 2 abgebildeten Einrichtung durchgeführt.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Messen flächigen Guts, das in den in Fig. 1, 2 und 3 gezeigten Einrichtungen durchgeführt wird, sichert eine hochwirksame berührungsfreie automatische Messung der Dicke und der Oberflächendichte von Meßgut an den technologischen Fließstraßen verschiedener Produktionsbetriebe in der metallurgischen, chemischen, Zellstoff- und Papierindustrie sowie in anderen Industriezweigen.
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HA .
Leerseite

Claims (9)

  1. Patent ansprüche
    '' Iy Verfahren zum Messen der Dicke flächigen Guts mittels Schallschwingungen, bei dem das Meßgut in einem schalleitenden Medium angeordnet wird sowie periodisch durch dieses Schallschwingungen annähernd senkrecht zur Oberfläche des Meßguts geschickt und Parameter der durchgegangenen Schallschwingungen gemessen werden,
    dadurch gekennzeichnet , daß die Schallschwingungen durch das Meßgut (4) in Form einer fortschreitenden Welle geschickt werden und die Dicke des Meßguts (4) aus einer durch Vergleich der Amplitude der durch das Meßgut (4) geschickten fortschreitenden Welle und der Amplitude eines Bezugssignals gewonnenen Größe ermittelt wird.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz der Schallschwingungen so gewählt wird, daß die Länge der fortschreitenden Welle im Meßgut (4) dessen vierfache maximale Dicke übertrifft.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als das Bezugssignal eine durch ein Gut (10) vorgegebener Dicke durchgegangene fortschreitende Welle benutzt wird, und daß die Dicke des Meßguts (4) aus der Differenz der Amplitude der durch das Gut (10) vorgegebener Dicke durchgegangenen fortschreitenden Welle und der durch das Meßgut (4) durchgegangenen fortschreitenden Welle ermittelt wird.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
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    daß als das Bezugssignal eine durch ein Gut (10) vorgegebener Dicke durchgegangene fortschreitende Welle benutzt wird, und daß die Dicke des Meßguts (4) aus dem Verhältnis der Amplituden der durch das Gut (10) vorgegebener Dicke durchgegangenen fortschreitenden Welle und der durch das Meßgut (1I) durchgegangenen fortschreitenden Welle ermittelt wird.
  5. 5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als das Bezugssignal eine durch das Meßgut (1J) zu schickende fortschreitende Welle benutzt wird, und daß die Dicke des Meßguts (1J) aus dem Verhältnis der Amplituden der durch das Meßgut (4) zu schickenden fortschreitenden Welle und der durch das Meßgut (1J) durchgegangenen fortschreitenden Welle ermittelt wird.
  6. 6. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur Messung der Dicke flächigen Guts mittels Schallschwingungen nach Anspruch 1, mit einem Sender und einem Empfänger von Schallschwingungen, zwischen denen das Meßgut (1J) angeordnet ist und deren Arbeitsflächen annähernd parallel zur Oberfläche des Meßguts gerichtet sind, und mit einem Messer, der an den Empfänger angeschlossen ist,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß der Abstand zwischen den Arbeitsflächen des Senders (1) und des Empfängers (3) größer als die räumliche Länge der fortschreitenden Welle während einer Messung ist, und
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    daß der Messer (6) aufweist:
    einen Verstärker (7), dessen Eingang an den Ausgang des Empfängers (3) geschaltet ist,
    einen Spitzendetektor (8), dessen Eingang an den Ausgang des Verstärkers (7) angeschlossen ist,
    einen Bezugssignal-Geber,
    einen Vergleicher des Bezugssignals und des Signals, das die Information über die Dicke des Meßguts (H) trägt, dessen einer Eingang mit dem Ausgang des Spitzendetektors (8) und dessen anderer Eingang mit dem Bezugssignal-Geber elektrisch gekoppelt ist, sowie
    ein Registriergerät (12), das an den Ausgang des Vergleichers angeschlossen ist.
  7. 7. Einrichtung nach Anspruch 6,
    dadurch gek en η ζ e i c h η et,
    daß der Bezugssignal-Geber, der eine durch das Gut (10) vorgegebener Dicke durchgegangene fortschreitende Welle ist, eine einstellbare Gleichstromquelle (11) ist, und
    daß der Vergleicher ein Subtrahierer (9) ist, der unmittelbar an die einstellbare GLeichstrom-Quelle (11) angeschlossen ist.
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  8. 8. Einrichtung nach Anspruch 6,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß ein zusätzlicher Sender (13) Schallschwingungen durch das Gut (10) vorgegebener Dicke schickt, und
    daß der Bezugssignal-Geber, der eine durch das Gut (10) vorgegebener Dicke durchgegangene fortschreitende Welle ist, ein zusätzlicher Empfänger (lh) für die durch das Gut (10) vorgegebener Dicke durchgegangenen Schallschwingungen ist und zwischen dem zusätzlichen Sender (13) und dem zusätzlichen Empfänger (14) angeordnet ist, deren Arbeitsoberflächen ungefähr parallel zur Oberfläche des Guts (10) vorgegebener Dicke gerichtet sind und einen gegenseitigen Abstand annähernd gleich dem Abstand zwischen den Arbeitsoberflächen des Haupt-Senders (1) und -Empfängers (3) haben,
    daß der Vergleicher ein Dividierer (15) ist, und
    daß der zusätzliche Empfänger (14) mit dem Dividierer (15) über die Reihenschaltung eines zusätzlichen Verstärkers (16) und eines Spitzendetektors (17) verbunden ist.
  9. 9. Einrichtung nach Anspruch 6,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß der Bezugssignal-Geber, der eine durch das Meßgut (4) zu schickende fortschreitende Welle ist, ein zusätzlicher Empfänger (18) von Schallschwingungen ist, der zwischen dem
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    Sender (1) und dem Meßgut (4) im Wege der fortschreitenden Welle angeordnet ist und einen Teil der fortschreitenden Welle durch das Meßgut (1O zum Haupt-Empfänger (3) durchläßt,
    daß der Vergleicher ein Dividierer (15) ist, und
    daß der zusätzliche Empfänger (18) mit dem Dividierer (15) über die Reihenschaltung eines zusätzlichen Verstärkers (19) und eines Spitzendetektors (17) verbunden ist.
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DE2600154A 1976-01-05 1976-01-05 Verfahren und Einrichtung zum Messen der Dicke flächigen Guts mittels Schallwellen Expired DE2600154C2 (de)

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