Laser-Linien-Scanner: Dickenmessgerät erzielt höchste Genauigkeit

Die Dickenmessung ist eine der wichtigsten Messaufgaben in der Metallindustrie, beispielsweise bei Brammen, Blechen, Stahl- oder Aluminiumbändern, zumal die Produkte mit immer geringeren Fertigungstoleranzen hergestellt werden müssen. Dazu hat der Sensorhersteller Micro-Epsilon Messtechnik die beiden Messgerätebaureihen ThicknessControl MTS 820x und MTS 920x (mit O- und C-Rahmen) mit modernen Laser-Linien-Scannern ausgestattet. Sie ermöglichen eine höhere Messgenauigkeit als die bisher eingesetzten Röntgengeräte, und zwar bei dünnen und dicken Werkstoffen. Darüber hinaus sind sie wesentlich einfacher in der Handhabung, denn Röntgengeräte müssen – im Gegensatz zu Laser-Linien-Scannern – bei Legierungsänderungen stets neu kalibriert werden. Dies ist bei den Systemen mit Laser-Linien-Scannern nicht nötig – die zudem auch noch wirtschaftlicher sind.

Messtechnische Anforderungen im Warmwalzbereich

Der Warmwalzbereich stellt sehr hohe Ansprüche an optische Messsysteme. Zum einen wirken raue Umgebungsbedingungen auf die Sensoren ein. Die Temperaturen der zu messenden Materialien liegen bei rund 1.200 °C, wodurch die Laser-Scanner hohen Temperaturen – und bei Emulsionsauftrag auch Dampf – ausgesetzt sind. Die Sensoren müssen somit besonders temperaturstabil und zum Schutz der elektronischen Komponenten mit einer Kühlung ausgestattet sein. Zudem sind große Messbereiche erforderlich, um den Sensor in sicherer Entfernung platzieren zu können.

Zum anderen müssen Laser-Scanner häufig nicht nur dicke, sondern gleichzeitig auch dünne Materialien mit höchster Präzision erfassen. Dies liegt an der Materialdicke, die im Verlauf des Walzens abnimmt, während die geforderte Messgenauigkeit in Richtung Endprodukt deutlich ansteigt.

Die Dickenmessgeräte verfügen über zwei sequenzielle Messbereiche von insgesamt 400 mm. Dazu befinden sich zwei Optiken und zwei Matrizen im Scanner, die den Messbereich in zwei Abschnitte unterteilen. Micro-Epsilon Messtechnik

Für diese Anwendungen müssen Sensoren mit einem großen Messbereich in den oberen Arm der Dickenmessanlage integriert werden. Durch die abnehmende Plattendicke, nimmt der Abstand vom Sensor zur Oberseite der Platte zu. Dabei verhalten sich Genauigkeit und Messbereich entgegengesetzt. So liefert ein herkömmlicher Sensor bei dünnen Platten, bei denen höchste Präzision gefragt ist, am Messbereichsende die geringste Signalqualität. Wird die Linearität eines Laser-Linien-Sensors mit einem Messbereich von 300 mm betrachtet, liegt damit die Abweichung in den letzten 30 % des Messbereichs bei bis zu ±50 µm. Bei Messungen auf dünne Materialien mussten deshalb bisher entweder deutliche Abstriche in der Messgenauigkeit hingenommen werden oder Walzbetrieb war gezwungen auf Röntgengeräte zurückzugreifen, deren Wirkungsweise sich umgekehrt verhält. Denn bei einem Röntgengerät nimmt die Genauigkeit bei abnehmender Dicke zu, weil mehr Strahlung durch das Messobjekt dringt. Dadurch sind diese Geräte in der Lage, die Dicke dünnerer Platten mit hoher Präzision zu ermitteln. Der Einsatz von Röntgengeräten hat jedoch mehrere Nachteile. Wegen des Kalibrierungsaufwandes ist deren Einsatz deutlich komplexer, die Gesamtkosten für diese Geräte sind hoch und je dicker das Messobjekt ist, umso ungenauer sind auch die Messungen.

Die Stärken der Laser-Linien-Scanner

Die beiden Dickenmess-Systeme sind mit speziellen Laser-Linien-Scannern ausgestattet, die jeweils in den oberen Träger der C- und O-Rahmen integriert sind. Sie verfügen über zwei sequenzielle Messbereiche von insgesamt 400 mm. Dazu befinden sich zwei Optiken und zwei Matrizen im Scanner, die den Messbereich in zwei Abschnitte unterteilen. Durch diese neue Technik können die Laser-Scanner in unterschiedlichen Genauigkeitsbereichen arbeiten. Die Vorteile sind demnach ein großer Messbereich bei gleichzeitig sehr präziser Messung auf dünne Walzmaterialien unter 100 mm Dicke. Zudem arbeitet der Sensor mit einem großen Grundabstand zum Messobjekt. Dies ermöglicht Prozesssicherheit, ohne den Sensor in vertikaler Richtung mechanisch zu verfahren. Durch diesen Systemaufbau erreichen die Messsysteme bei einer Materialdicke von 400 mm eine um Faktor 10 höhere Genauigkeit als Röntgengeräte.

Die Laser-Linien-Scanner besitzen eine integrierte, hoch empfindliche Empfangsmatrix. Sie ermöglichen schnelle Messungen auf allen Legierungen und sind weitestgehend unabhängig von der Oberflächenreflexion. Daher lassen sich auch hochglänzende Materialien, wie sie häufig in Schleif- oder Fräslinien vorkommen, mit den Laser-Linien-Sensoren genauestens vermessen. Auch verkippte Bänder werden direkt erkannt.

Die Linien-Scanner erfassen große Messbereiche und können durch eine Relativbewegung vom Sensor zum Messobjekt auch dreidimensionale Profile oder mikrometergenaue Abbildungen von Oberflächen darstellen.

Der robuste Sensoraufbau und ein großer Messbereich ermöglichen auch in kritischen Umgebungen mit hohen Temperaturen, Emulsionen und Dampf exakte Messergebnisse. Micro-Epsilon Messtechnik

Die Vorteile der optischen Dickenmesssysteme liegen darüber hinaus in den material-unabhängigen Messungen, die keine aufwendige Kalibrierung erfordern (im Gegensatz zu Röntgengeräten). Durch ihre vollautomatische Kalibrierung ist die Integration der Scanner-Messtechnik in die Produktionslinie zudem äußerst einfach.

Die Laser-Profil-Sensoren sind mit roter und blauer Laserdiode erhältlich. Scanner mit blauer Laserdiode werden in der Regel dann eingesetzt, wenn das rote Laserlicht an seine Grenzen stößt, beispielsweise bei glühenden Metallen. Das blaue Laserlicht lässt sich auf diese Oberflächen deutlich schärfer fokussieren und ermöglicht auch dort hochpräzise Messergebnisse.

(dw)