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WO2008011865A1 - Method for measuring the wall thickness - Google Patents

Method for measuring the wall thickness Download PDF

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WO2008011865A1
WO2008011865A1 PCT/DE2007/001279 DE2007001279W WO2008011865A1 WO 2008011865 A1 WO2008011865 A1 WO 2008011865A1 DE 2007001279 W DE2007001279 W DE 2007001279W WO 2008011865 A1 WO2008011865 A1 WO 2008011865A1
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wall thickness
wall
glass
reflection factor
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PCT/DE2007/001279
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German (de)
French (fr)
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Johann Hinken
Thomas Beller
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HOCHSCHULE MAGDEBURG-STENDAL (FH)
ESA Patentverwertungsagentur Sachsen Anhalt GmbH
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HOCHSCHULE MAGDEBURG-STENDAL (FH)
ESA Patentverwertungsagentur Sachsen Anhalt GmbH
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B15/00—Measuring arrangements characterised by the use of electromagnetic waves or particle radiation, e.g. by the use of microwaves, X-rays, gamma rays or electrons
    • G01B15/02—Measuring arrangements characterised by the use of electromagnetic waves or particle radiation, e.g. by the use of microwaves, X-rays, gamma rays or electrons for measuring thickness

Definitions

  • the invention relates to a method for wall thickness measurement. It can be used to measure the wall thickness of insulator materials such as flat and round glass, ceramics, plastics, glass fiber reinforced plastics and natural fiber reinforced plastics.
  • the aim of the invention is therefore to develop a microwave-based measurement method, which largely independent of lift-off effects, a wall thickness measurement of insulation materials, but in particular glass objects allows.
  • the essence of the invention is that the known method of microwave-assisted detection of geometric workpiece parameters is corrected by the inclusion of storage-stored calibration data.
  • FIG. 1 shows a block diagram of an arrangement for carrying out the method according to the invention
  • Fig. 2 a representation of the complex reflection factor as a function of
  • FIG. 3 shows a further illustration of the complex reflection factor as a function of the glass thickness and the lift-off, supplemented by interpolated calibration curves and FIG
  • an arrangement for carrying out the claimed method for wall thickness measurement comprises a microwave circuit 1 with a waveguide antenna 2 and an evaluation unit 3.
  • the waveguide antenna 2 opposite a measuring object is arranged, here a glass container 4, the wall thickness to be measured.
  • the microwave circuit 1 consists in the present embodiment of an oscillator 11, three power dividers 12 to 14, a circulator 15, a phase shifter 16 and two mixers 17 and 18.
  • the listed elements are, as shown in Figure 1, connected to each other and ensure the following functionality in the implementation of the method:
  • Waveguide antenna 2 radiates a high-frequency electromagnetic wave 5 - here with a frequency of 11 GHz - against glass container. 4
  • the wave 6 reflected by the glass container 4 is in turn received by the waveguide antenna 2 and transferred to the circulator 15 of the microwave circuit 1.
  • the values for real part Re and imaginary part Im transferred from the microwave circuit 1 are compared with values of calibration curves stored in the evaluation unit 3 and assignments to wall thickness values are made.
  • the calibration curves are obtained beforehand by measuring the complex reflection factor at interpolation points with different glass thicknesses and different lift-off in calibration measuring processes. This results in significant families of curves that are almost parallel under different microwave conditions for different glass thicknesses. This can be seen from the curves of Figure 2, in which the dependence of the complex reflection factor of wall thickness of the glass and lift-off is shown.
  • Fig. 3 is a further representation of the complex reflection factor as a function of the glass thickness and the lift-off to see in the interpolated calibration curves allow a finer classification of complex measured values and thus come to actual thickness values for the measurement objects.
  • the method according to the invention can be used for measuring the wall thickness of articles made of insulator materials, such as flat and round glass, ceramics, plastics, glass fiber reinforced plastics and natural fiber reinforced plastics. However, it is still applicable in various embodiments for solving further measurement tasks in connection with materials of the aforementioned type. a quasi-continuous detection of the thickness of a material flow in the glass production or similar process monitoring are advantageously carried out with the inventive method.

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  • Physics & Mathematics (AREA)
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Abstract

The invention relates to a method for measuring the wall thickness. It can be applied to measuring the wall thickness of objects made of insulating materials, such as flat glass and round glass, ceramics, plastics, glass-fibre reinforced plastics and natural-fibre reinforced plastics. The method for measuring the wall thickness of insulating materials has the wall which is to be measured with regards to its thickness being irradiated by high frequency electromagnetic waves and the radiation reflected by the irradiated wall being received, so that a complex reflection factor can then be calculated from the emitted and reflected signal. The determined complex reflection factor is classified according to its real and imaginary part or according to its absolute value and phase within a complex calibrating curve family, the wall thickness to be measured being obtained from the location of the complex reflection factor within the complex calibrating curve family. The complex calibrating curve family is determined from the determined complex reflection factors of calibrating measurements of real wall thicknesses with different lift-off values.

Description

Verfahren zur Wandstärkenmessung Method for wall thickness measurement

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Wandstärkenmessung. Sie kann angewendet werden bei der Wandstärkenmessung von Gegenständen aus Isolator- Werkstoffen, wie Flach- und Rundglas, Keramik, Kunststoffen, glasfaserverstärkten Kunststoffen und naturfaserverstärkten Kunststoffen.The invention relates to a method for wall thickness measurement. It can be used to measure the wall thickness of insulator materials such as flat and round glass, ceramics, plastics, glass fiber reinforced plastics and natural fiber reinforced plastics.

Besonders bei der Herstellung von Glasbehältern ist es wichtig, die Sollwerte der Wandstärke einzuhalten, da zu geringe Wandstärken bei der Befüllung unter ho- hem Druck oder beim Transport zu Schäden führen können. Zu dicke Wandungen wiederum führen zu unerwünschter Materialverschwendung bzw. zu überhöhtem Transportgewicht.Especially in the manufacture of glass containers, it is important to adhere to the nominal values of the wall thickness, since too small wall thicknesses can lead to damage during filling under high pressure or during transport. Too thick walls in turn lead to undesirable waste of material or excessive transport weight.

Daher existiert z.B. mit der US-PS 3393799 ein Lösungsvorschlag, der auf Wand- Stärkenbestimmung bei der Glasflaschenproduktion abzieht. Hierbei wird mit kapazitiven Sensoren die Glasoberfläche abgetastet. Die Abtastung mit berührenden Sensoren weist allerdings die Nachteile des starken Sensorverschleißes, besonders in der Massenproduktion, sowie der Möglichkeit von Oberflächenschädigungen der Gläser auf. Dies ist besonders dann unerwünscht, wenn die Oberflächen bei hochwertigen Gütern unbeschädigt bleiben sollen. Der Einsatzbereich dieser Lösung ist also begrenzt, seine Realisierung führt zu kontinuierlich erhöhtem Aufwand zur Sensorerneuerung.Therefore, e.g. with the US-PS 3393799 a solution proposal that subtracts on wall thickness determination in the glass bottle production. Here, the glass surface is scanned with capacitive sensors. However, scanning with contact sensors has the disadvantages of heavy sensor wear, especially in mass production, as well as the possibility of surface damage to the glasses. This is particularly undesirable if the surfaces are to remain undamaged in high-quality goods. The application of this solution is therefore limited, its implementation leads to continuously increased effort for sensor replacement.

Ein zusätzlicher Nachteil dieser Lösung besteht in der punktuellen Messwerterfas- sung und damit einem begrenzten Kontrollbereich. Dieser Nachteil soll mit der Lösung der DE-PS 2257684 beseitigt werden, jedoch bleiben die weiteren vorgenannten Nachteile bestehen. Eine Möglichkeit, berührungslos die gewünschte Stärkenbestimmung vornehmen zu können, besteht in der Anwendung der Messung mit Hilfe von Mikrowellen. Hierzu sind in den Konferenzberichten „Anne Jans Faber; Rene Breeuwer, Application of radio waves for the in-situ inspection of glass melt tank refractories, Konferenz-Einzelbericht: Glastechnische Tagung, 79 (2005), 2005" und „B.Varghese; R. Zoughi; C. DeConink; M. Velez; R. Moore, Frequency modulated continuous wave monitoring of refractory walls, Konferenz- Einzelbericht: Ceramic Transactions *Band 155 (2004) Seite 159 - 166, 2004" Lö- sungen vorgeschlagen, die sich allerdings wegen des dort verwendeten Frequenzänderungsprinzips nicht für kleinere Glasbehälter eignen.An additional disadvantage of this solution is the selective acquisition of measured values and thus a limited control range. This disadvantage is to be eliminated with the solution of DE-PS 2257684, but remain the other aforementioned disadvantages. One way of being able to make the desired determination of strength without contact is to use the measurement with the aid of microwaves. For this purpose, the conference reports "Anne Jans Faber; Rene Breeuwer, Application of radio waves for the in-situ inspection of glass melt tank refractories, Conference Report: Glastechnische Tagung, 79 (2005), 2005 "and"B.Varghese; R. Zoughi; C. DeConink; M. Velez; R. Moore, Frequency modulated continuous wave monitoring of refractory walls, " Conference Individual Report: Ceramic Transactions * Volume 155 (2004) Page 159 - 166, 2004 "proposed solutions which, however, are not suitable for smaller glass containers because of the frequency change principle used there.

Auch für die Anwendung der Wandstärkenmessung bei Massenfertigungen sind diese Lösungen nicht geeignet, da hier nur eine ungenügende Berücksichtigung wechselnder Messartbedingungen, z.B. variabler Abstände der Messanordnung zum Messobjekt, stattfindet. Dieser sogenannte Lift-off-Einfluss führt zur Verfälschung der Werte der Dickenmessungen und damit zu einem eingeschränkten Anwendungsgebiet der Methode auf reproduzierbare geometrische Messverhältnisse.These solutions are also unsuitable for the application of wall thickness measurement in mass production because here only an insufficient consideration of changing measurement conditions, e.g. variable distances of the measuring arrangement to the measured object takes place. This so-called lift-off effect leads to the falsification of the values of the thickness measurements and thus to a limited field of application of the method to reproducible geometric measurement conditions.

Ziel der Erfindung ist es daher, ein mikrowellenbasiertes Messverfahren zu entwickeln, welches weitgehend unabhängig von Lift-off-Effekten eine Wandstärkenmessung bei Isolationswerkstoffen, insbesondere aber Glasobjekten, ermöglicht.The aim of the invention is therefore to develop a microwave-based measurement method, which largely independent of lift-off effects, a wall thickness measurement of insulation materials, but in particular glass objects allows.

Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren zur Wandstärkenmessung gelöst, das die Merkmale des Patentanspruches aufweist.This object is achieved by a method for wall thickness measurement, which has the features of the claim.

Das Wesen der Erfindung besteht darin, dass die an sich bekannte Methode mikrowellengestützter Erfassung geometrischer Werkstückparameter durch die Einbeziehung vorratsgespeicherter Kalibrierdaten fehlerbereinigt wird.The essence of the invention is that the known method of microwave-assisted detection of geometric workpiece parameters is corrected by the inclusion of storage-stored calibration data.

Damit wird auf überraschend einfache Weise der Einfluss von Lift-off-Effekten bei der Mikrowellenbestimmung, z. B. der Wandstärken, auf das Ergebnis der Messung beseitigt. Diese Verfahrensweise ist mit einem sehr geringen Aufwand ver- bunden, da einmal bestimmte Kalibrierkurven problemlos in die Auswertealgorithmen der Mikrowellenmessung online einbezogen werden können.This is in a surprisingly simple way the influence of lift-off effects in microwave determination, z. As the wall thicknesses, eliminated on the result of the measurement. This procedure can be carried out with very little effort. because certain calibration curves can be included in the evaluation algorithms of microwave measurements without any problems.

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. Dabei zeigen die zugehörigen Zeichnungen inThe invention will be explained in more detail below using an exemplary embodiment. The accompanying drawings show in FIG

Fig. 1 : ein Blockschaltbild einer Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,1 shows a block diagram of an arrangement for carrying out the method according to the invention,

Fig. 2: eine Darstellung des komplexen Reflexionsfaktors als Funktion derFig. 2: a representation of the complex reflection factor as a function of

Glasdicke und des Lift-off,Glass thickness and the lift-off,

Fig. 3: eine weitere Darstellung des komplexen Reflexionsfaktors als Funktion der Glasdicke und des Lift-off, ergänzt um interpolierte Kalibrati- onskurven undFIG. 3 shows a further illustration of the complex reflection factor as a function of the glass thickness and the lift-off, supplemented by interpolated calibration curves and FIG

Fig. 4: eine Darstellung des komplexen Reflexionsfaktors als Funktion der4: a representation of the complex reflection factor as a function of

Glasdicke und des Lift-off, ergänzt um Blindmesspunkte für verschiedene Glasdicken und Lift-offs.Glass thickness and lift-off, supplemented by blind measuring points for different glass thicknesses and lift-offs.

Gemäß Figur 1 weist eine Anordnung zur Durchführung des beanspruchten Verfahrens zur Wandstärkenmessung eine Mikrowellenschaltung 1 mit einer Hohlleiterantenne 2 und eine Auswerteeinheit 3 auf. Der Hohlleiterantenne 2 gegenüber ist ein Messobjekt angeordnet, hier ein Glasbehälter 4, dessen Wandstärke gemessen werden soll.According to FIG. 1, an arrangement for carrying out the claimed method for wall thickness measurement comprises a microwave circuit 1 with a waveguide antenna 2 and an evaluation unit 3. The waveguide antenna 2 opposite a measuring object is arranged, here a glass container 4, the wall thickness to be measured.

Die Mikrowellenschaltung 1 besteht im vorliegenden Ausführungsbeispiel aus einem Oszillator 11 , drei Leistungsteilern 12 bis 14, einem Zirkulator 15, einem Phasenschieber 16 sowie zwei Mischern 17 und 18. Die aufgeführten Elemente sind, wie aus Figur 1 ersichtlich, miteinander verbunden und gewährleisten die nachfolgende Funktionalität bei der Durchführung des Verfahrens:The microwave circuit 1 consists in the present embodiment of an oscillator 11, three power dividers 12 to 14, a circulator 15, a phase shifter 16 and two mixers 17 and 18. The listed elements are, as shown in Figure 1, connected to each other and ensure the following functionality in the implementation of the method:

Hohlleiterantenne 2 strahlt eine hochfrequente elektromagnetische Welle 5 - hier mit einer Frequenz von 11 GHz - gegen Glasbehälter 4.Waveguide antenna 2 radiates a high-frequency electromagnetic wave 5 - here with a frequency of 11 GHz - against glass container. 4

Die vom Glasbehälter 4 reflektierte Welle 6 wird wiederum von der Hohlleiterantenne 2 aufgenommen und an den Zirkulator 15 der Mikrowellenschaltung 1 übergeben.The wave 6 reflected by the glass container 4 is in turn received by the waveguide antenna 2 and transferred to the circulator 15 of the microwave circuit 1.

Mit Hilfe von Leistungsteiler 14 und der Mischer 17 und 18 entstehen Ausgangswerte für den Realteil Re und den Imaginärteil Im eines Ausgangssignals, das einen komplexen Reflexionsfaktor des Messsignals repräsentiert. Der Realteil Re und der Imaginärteil Im sind eineindeutig mit dem Betrag und der Phase des Re- flexionsfaktors verknüpft und bilden das reflektierte Signal ab.With the aid of power divider 14 and the mixers 17 and 18, output values for the real part Re and the imaginary part Im of an output signal which represents a complex reflection factor of the measurement signal are produced. The real part Re and the imaginary part Im are uniquely associated with the magnitude and phase of the reflection factor and map the reflected signal.

In der Auswerteeinheit 3 werden die aus der Mikrowellenschaltung 1 übergebenen Werte für Realteil Re und Imaginärteil Im mit in der Auswerteeinheit 3 abgelegten Werten von Kalibrierkurven verglichen und Zuordnungen zu Wandstärkenwerten vorgenommen.In the evaluation unit 3, the values for real part Re and imaginary part Im transferred from the microwave circuit 1 are compared with values of calibration curves stored in the evaluation unit 3 and assignments to wall thickness values are made.

Die Kalibrierkurven werden zuvor gewonnen, indem in Kalibriermessvorgängen der komplexe Reflexionsfaktor an Stützstellen bei unterschiedlicher Glasdicke und unterschiedlichem Lift-off erfasst wird. Auf diese Weise ergeben sich signifikante Kurvenscharen, die unter definierten mikrowellentechnischen Bedingungen für verschiedene Glasdicken nahezu parallel liegen. Dies ist aus den Kurven der Figur 2 ersichtlich, in denen die Abhängigkeit des komplexen Reflexionsfaktors von Wandstärke des Glases und Lift-off dargestellt ist.The calibration curves are obtained beforehand by measuring the complex reflection factor at interpolation points with different glass thicknesses and different lift-off in calibration measuring processes. This results in significant families of curves that are almost parallel under different microwave conditions for different glass thicknesses. This can be seen from the curves of Figure 2, in which the dependence of the complex reflection factor of wall thickness of the glass and lift-off is shown.

In Fig. 3 ist eine weitere Darstellung des komplexen Reflexionsfaktors als Funktion der Glasdicke und des Lift-off zu sehen, bei der interpolierte Kalibrationskurven eine feinere Einordnung von komplexen Messwerten ermöglichen und damit zu tatsächlichen Dickenwerten für die Messobjekte kommen.In Fig. 3 is a further representation of the complex reflection factor as a function of the glass thickness and the lift-off to see in the interpolated calibration curves allow a finer classification of complex measured values and thus come to actual thickness values for the measurement objects.

Fig. 4 zeigt eine Darstellung des komplexen Reflexionsfaktors als Funktion der Glasdicke und des Lift-off, in die Blindmesspunkte für verschiedene Glasdicken eingetragen wurden.4 shows a representation of the complex reflection factor as a function of the glass thickness and the lift-off, in which blind measurement points for different glass thicknesses have been entered.

Ersichtlich wird aus den Darstellungen der Figuren 2 bis 4, dass bei erfindungsgemäßer Durchführung des Verfahrens auf überraschend einfache und dabei zu- verlässige Weise eine Ermittlung der Wandstärken von Messobjekten möglich und sehr vorteilhaft ist.It can be seen from the representations of FIGS. 2 to 4 that when the method is carried out according to the invention in a surprisingly simple and reliable manner, a determination of the wall thicknesses of the objects to be measured is possible and very advantageous.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann angewendet werden bei der Wandstärkenmessung von Gegenständen aus Isolatorwerkstoffen, wie Flach- und Rund- glas, Keramik, Kunststoffen, glasfaserverstärkten Kunststoffen und naturfaserverstärkten Kunststoffen. Es ist aber weiterhin anwendbar in verschiedenen Ausgestaltungen zur Lösung weiterer Messaufgaben in Verbindung mit Materialien der vorgenannten Art. So kann z.B. eine quasikontinuierliche Erfassung der Dicke eines Materialflusses bei der Glasherstellung oder ähnliche Prozessüberwachung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren vorteilhaft vorgenommen werden.The method according to the invention can be used for measuring the wall thickness of articles made of insulator materials, such as flat and round glass, ceramics, plastics, glass fiber reinforced plastics and natural fiber reinforced plastics. However, it is still applicable in various embodiments for solving further measurement tasks in connection with materials of the aforementioned type. a quasi-continuous detection of the thickness of a material flow in the glass production or similar process monitoring are advantageously carried out with the inventive method.

Bei bekannten Werten der Dicke von Gegenständen oder Materialflüssen ist eine weitere mögliche Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens darin zu sehen, dass z. B. die relative Dielektrizitätskonstante Epsilon-R in ihrer räumlichen Ver- teilung in Werkstoffen erfasst und so eine Materialprüfung für GFK-Werkstoffe vorgenommen wird. Auch Zusammensetzungsprüfungen von isolierenden Materialien oder Verwechslungsprüfungen sind möglich. Bezugszeichen zur PatentanmeldungWith known values of the thickness of objects or material flows, a further possible application of the method according to the invention is to be seen in that e.g. For example, the relative dielectric constant Epsilon-R is recorded in terms of its spatial distribution in materials and thus a material test is carried out for GRP materials. Also, composition tests of insulating materials or confusion tests are possible. Reference to the patent application

Verfahren zur WandstärkenmessungMethod for wall thickness measurement

1 Mikrowellenschaltung1 microwave circuit

11 Oszillator11 oscillator

12 Leistungsteiler12 power dividers

13 Leistungsteiler13 power dividers

14 Leistungsteiler14 power dividers

15 Zirkulator15 circulator

16 Phasenschieber16 phase shifters

17 Mischer17 mixers

18 Mischer18 mixers

2 Hohlleiterantenne 3 Auswerteeinheit2 waveguide antenna 3 evaluation unit

4 Glasbehälter4 glass containers

5 Welle5 wave

6 reflektierte Welle 6 reflected wave

Claims

Patentansprüche claims 1. Verfahren zur Wandstärkenmessung isolierender Materialien,1. Method for wall thickness measurement of insulating materials, 1.1. bei dem elektromagnetische Wellen (5) hoher Freqenz auf die bezüglich ihrer Dicke zu messende Wand gestrahlt werden,1.1. in which electromagnetic waves (5) of high frequency are radiated onto the wall to be measured with respect to their thickness, 1.2. bei dem die von der angestrahlten Wand reflektierte Strahlung (6) empfangen wird,1.2. in which the radiation (6) reflected by the illuminated wall is received, 1.3. bei dem aus dem gesendeten und dem reflektierten Signal ein komplexer Reflexionsfaktor errechnet wird,1.3. in which a complex reflection factor is calculated from the transmitted and the reflected signal, 1.4. bei dem der ermittelte komplexe Reflexionsfaktor hinsichtlich seines Real- und Imaginärteils (Re und Im) oder hinsichtlich seines Betrages und seiner Phase in eine komplexe Kalibrierkurvenschar eingeordnet wird,1.4. in which the determined complex reflection factor is classified in terms of its real and imaginary part (Re and Im) or in terms of its magnitude and its phase in a complex set of calibration curves, 1.5. und sich aus dem Ort des komplexen Reflexionsfaktors innerhalb der komplexen Kalibrierkurvenschar die zu erfassende Wandstärke ergibt,1.5. and from the location of the complex reflection factor within the complex calibration curve family, the wall thickness to be detected results, 1.6. wobei die komplexe Kalibrierkurvenschar aus den ermittelten komplexen Reflexionsfaktoren von Kalibriermessungen realer Wandstärken bei unterschiedlichen Lift-off-Werten ermittelt wird.1.6. wherein the complex calibration curve family is determined from the determined complex reflection factors of calibration measurements of real wall thicknesses at different lift-off values. Hierzu 4 Seiten Zeichnungen. For this 4 pages drawings.
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