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EP-4556196-B1 - METHOD AND DEVICE FOR DETERMINING A STRAIN ON AN OBJECT

EP4556196B1EP 4556196 B1EP4556196 B1EP 4556196B1EP-4556196-B1

Inventors

  • Schuh, Kolja Tobias

Dates

Publication Date
20260506
Application Date
20231116

Claims (18)

  1. A method for determining a strain on an object, in particular a strand-shaped object (12), comprising the following steps: • the object (12) is irradiated with electromagnetic radiation (20) at a frequency in the range of from 1 GHz to 10 THz and different polarization directions, wherein the radiation (20) at least partially passes through the object (12) and is reflected on boundary surfaces of the object (12), • the radiation (20) is received after at least partially passing through the object (12) and being reflected on boundary surfaces thereof, • the refractive index of the material of the object (12) is determined from the received radiation (20) in each case for the differently polarized radiation components, • a strain on the object (12) is determined from a comparison of the determined refractive indices.
  2. The method according to claim 1, characterized in that the object (12) is a glass fiber or a tube (12), in particular a plastics tube (12) or a glass tube (12).
  3. The method according to one of the preceding claims, characterized in that the radiation (20) irradiating the object (12) has radiation components that are polarized perpendicular to one another.
  4. The method according to one of the preceding claims, characterized in that the refractive index is determined from a comparison of the propagation time of the radiation (20) for an object (12) arranged in a measuring region with the propagation time of the radiation through the measuring region without an object (12) arranged therein.
  5. The method according to one of the preceding claims, characterized in that the object (12) is tubular, in that the optical wall thickness of a wall portion of the object (12) and the outer and inner diameter of the object (12) are determined from the received radiation (20), and in that the refractive index is determined from a comparison of the outer and inner diameter of the object (12) with the determined optical wall thickness of the wall portion.
  6. The method according to one of the preceding claims, characterized in that the object (12) is in a cooling process after being produced when the method is carried out.
  7. The method according to claim 6, characterized in that the object (12) has regions that have not yet solidified when the method is carried out, and in that a degree of solidification of the object (12) is determined on the basis of the strain determination.
  8. The method according to claim 7, characterized in that the determined refractive indices are additionally taken into account when the degree of solidification is determined.
  9. The method according to one of the preceding claims, characterized in that an extrusion device for extruding the object (12) or a glass fiber production device for producing the object (12) is controlled in an open-loop or closed-loop manner on the basis of the determined strain.
  10. The method according to one of the preceding claims, characterized in that a subsequent heating of the object (12) to reduce a strain is controlled on the basis of the determined strain.
  11. The method according to one of the preceding claims, characterized in that the strain is determined based on a previously established relationship between a birefringence of and a strain on the object (12).
  12. The method according to one of the preceding claims, characterized in that the radiation (20) emitted onto the object (12) is measured coherently.
  13. A device for determining a strain on an object (12), in particular a strand-shaped object (12), wherein • at least one transmitter (10, 22) is provided, which is designed to irradiate the object (12) with electromagnetic radiation (20) at a frequency in the range of from 1 GHz to 10 THz and different polarization directions, wherein the radiation (20) at least partially passes through the object (12) and is reflected on boundary surfaces of the object (12), • at least one receiver (10, 22) is provided, which is designed to receive the radiation (20) after same has at least partially passed through the object (12) and been reflected on boundary surfaces thereof, • and an evaluation apparatus (18) is provided, which is designed to determine the refractive index of the material of the object (12) from the received radiation (20) in each case for the differently polarized radiation components, and to determine a strain on the object (12) from a comparison of the determined refractive indices.
  14. The device according to claim 13, characterized in that a polarizer (14) is arranged between the transmitter (10, 22) and a measuring region that receives the object (12) during a measurement, wherein the polarizer (14) has a rotary apparatus with which the polarizer (14) can be rotated during a measurement in order to generate different polarization directions of the radiation (20) emitted onto the object (12).
  15. The device according to claim 13, characterized in that the transmitter (10, 22) emits polarized radiation (20), wherein the transmitter (10, 22) has a rotary apparatus with which the transmitter (10, 22) can be rotated during the measurement.
  16. The device according to claim 13, characterized in that two transmitters (10, 22) are provided for emitting the radiation (20), wherein a polarization mirror (24) is arranged between the transmitters (10, 22) and a measuring region that receives the object (12) during a measurement, wherein the transmitters (10, 22) are arranged such that they irradiate opposite sides of the polarization mirror (24).
  17. The device according to claim 16, characterized in that the transmitters (10, 22) are designed to emit the radiation (20) with a time offset.
  18. The device according to one of claims 13 to 17, characterized in that the transmitter (10, 22) and the receiver (10, 22) are formed by a transceiver (10, 22), wherein a reflector (16) for the radiation (20) is arranged on a side opposite a measuring region that receives the object (12) during a measurement.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen einer Verspannung eines Gegenstands, insbesondere eines strangförmigen Gegenstands. Beispielsweise extrudierte Kunststoffrohre, Glasrohre oder Glasfasern durchlaufen nach ihrer Herstellung einen Abkühlvorgang. Während des Abkühlvorgangs bilden sich in dem Material des Gegenstands Verspannungen, die in der Hauptsache durch ungleichmäßiges Abkühlen verursacht sind. Diese Verspannungen können sich nachteilig auf die Produkteigenschaften auswirken. Dementsprechend sollen sie vermieden werden oder durch nachträgliches gezieltes Erhitzen reduziert werden. Zur Bestimmung von Verspannungen in Glasfasern sind optische Messverfahren bekannt, die ausnutzen, dass Verspannungen zu einer Doppelbrechung des eingestreuten Lichts führen. Bei optischen Messverfahren wird linear polarisiertes Licht auf ein Messobjekt gerichtet, das die lineare Polarisation abhängig vom Produkt der Doppelbrechung und der im Messobjekt zurückgelegten Wegstrecke in elliptische Polarisation umwandelt. Zur Bestimmung der Verspannung wird das Ausmaß der Elliptizität der Polarisation gemessen. Dabei wird ein optischer Aufbau verwendet, der die Elliptizität in Intensitäten überträgt, die sich messen lassen. Dies kann beispielsweise durch eine Lambda/4-Platte, einen Strahlteiler und zwei zueinander senkrecht ausgerichtete Polarisatoren in jeweils einem der aufgeteilten Strahlen realisiert werden. Ein solches Verfahren ist vorgeschlagen in Chu et al. "An on-line fibre drawing tension and diameter measurement device" Journal of Lightwave Technology, Vol. 7, Nr. 2, Februar 1989. Ein weiteres optisches Messverfahren zur Bestimmung von Verspannungen in Glasfasern der zuvor erläuterten Art ist aus EP 2 078 944 A2 bekannt. Der Anwendungsbereich solcher Verfahren ist allerdings stark limitiert. Zum einen sind sie nur in optisch transparenten Materialien einsetzbar. Zum anderen erlauben diese Ansätze nur die Messung sehr kleiner Spannungsunterschiede in sehr dünnen Materialien, da die Messverfahren drauf angewiesen sind, dass sich die optischen Weglängen der Polarisationen nur um einen Bruchteil der verwendeten Wellenlänge unterscheiden. Außerdem ist für die Auswertung eine Vielzahl optischer Komponenten erforderlich, was den Messaufbau aufwendig macht. DE 10 2020 124 261 B4 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen des Brechungsindex im Oberflächenbereich eines Gegenstands. Dabei wird Terahertzstrahlung unter einem Einfallswinkel auf die Oberfläche des Gegenstandes ausgesandt und von der Oberfläche des Gegenstandes reflektierte Terahertzstrahlung empfangen. Aus dem Verhältnis von eingestrahlter und reflektierter Terahertzstrahlung wird der Brechungsindex im Oberflächenbereich des Gegenstandes bestimmt. Bei der Bestimmung des Brechungsindex wird ein Einfluss der Oberflächeneigenschaften des Gegenstandes auf den Anteil reflektierter Terahertzstrahlung berücksichtigt. Zusätzlich wird der mittlere Brechungsindex über den Querschnitt des Gegenstandes bestimmt und aus einem Vergleich des mittleren Brechungsindex mit dem Brechungsindex im Oberflächenbereich auf eine Schrumpfung des Gegenstandes im Zuge seiner vollständigen Erkaltung auf Umgebungstemperatur geschlossen. Aus EP 4 209 752 A1 ist ein Verfahren zur Kalibrierung einer stationären Terahertzmessvorrichtung bekannt, die während einer Extrusion eines Profils geometrische Eigenschaften des Profils mittels ein oder mehrerer Terahertzsensoren vermisst. Dabei werden eine Referenzmessung einer Wanddicke an einer Messstelle eines Profilstücks mittels eines Referenzmessgerätes sowie eine Vermessung des Profilstücks an der Messstelle mittels eines tragbaren Terahertzmessgeräts. Das mit dem tragbaren Terahertzmessgerät ermittelte Messsignal wird auf Grundlage des mit dem Referenzmessgerät ermittelten Messsignals unter Ermittlung eines Brechungsindex des Profilstücks kalibriert. Aus "PS-100 Polarimeter/Polariscope Systems. For observation and measurement of residual stress and birefringence", Strainoptics Bulletin PS-1009, 1. Januar 2009 ist ein Polarimeter der Firma Strainoptics bekannt, mit dem beispielsweise durch eine Messung einer optischen Verzögerung eine Verspannung oder Doppelbrechung mittels ebener oder zirkularer Polarisation möglich sein soll. Ausgehend von dem erläuterten Stand der Technik liegt der Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art bereitzustellen, mit denen eine Verspannung eines Gegenstands in einfacher Weise und auch bei größeren Spannungsunterschieden und in dickeren Materialien möglich ist. Die Erfindung löst die Aufgabe durch die unabhängigen Ansprüche 1 und 13. Vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den Figuren. Für ein Verfahren der eingangs genannten Art löst die Erfindung die Aufgabe durch die Schritte: der Gegenstand wird mit elektromagnetischer Strahlung mit einer Frequenz im Bereich von