Abhängigkeit der Schallgeschwindigkeit von der Temperatur
ermittelt worden. Hieraus wird sehr schnell deutlich, daß
eine Kalibrierung der Ultraschallmessung notwendig ist und mit
hoher Sorgfalt durchgeführt werden muß.
Wie vorher beschrieben, ist die Wanddickenberechnung abhängig von der Ultraschall-Schallgeschwindigkeit; diese ist wiederum abhängig von Stoffeigenschaften und Temperaturen.
Bei Messungen unter Produktionsbedingungen ist im Rohrquerschnitt
weder die Ultraschallaufzeit noch Ultraschallgeschwindigkeit im
Körper konstant oder an bestimmten Punkten bekannt. Für
einige Materialien ist die Abhängigkeit der Schallgeschwindigkeit von der Temperatur
ermittelt worden. Hieraus wird sehr schnell deutlich, daß
eine Kalibrierung der Ultraschallmessung notwendig ist und mit
hoher Sorgfalt durchgeführt werden muß.
Kalibrierung der Ultraschall-Laufzeit
Zur Kalibrierung der Ultraschallaufzeitwerte werden drei Wege beschritten:
1. Manuell
Am abgekühlten Rohr wird entsprechend der Ultraschall-Wanddickenmeßposition die effektive Wanddicke des Rohres gemessen, ein Korrekturfaktor ermittelt und der ursprüngliche Meßwert damit korrigiert. Die manuelle Eichung muß in bestimmten Abständen geprüft und gegebenenfalls korrigiert werden, da sich über längere Zeit die Rohrtemperatur geändert haben kann und somit die Ultraschall-Schallgeschwindigkeit eine andere ist.
2. Temperaturmodell
Bei der Abkühlung eines Rohres entsteht ein Temperaturprofil in axialer Richtung. Dieser Temperaturverlauf im Rohr kann bis zum Zeitpunkt (Ort) der Ultraschallmessung mit Hilfe einer numerischen Simulation berechnet werden. Hierzu werden mathematisch-physikalische Modelle zur Abkühlung im Vakuum- und Kalibrierbad aufgebaut. Diese Methode findet nur geringe Verbreitung, da die Massetemperatur nur bedingt als Ausgangsrechengröße bekannt ist. Weiterhin stimmen die Abkühlungsmodelle mit den vorhandenen Kühlstrecken nicht immer überein.
3. Rohr-InLine Metergewichterfassung
Die wohl sicherste und am einfachsten zu handhabende Kalibriermethode ist die Kalibrierung mit Hilfe des Durchsatzwertes. Dies setzt jedoch eine zu dem System zugehörige Massedurchsatzerfassung voraus. Hierbei ergibt sich durch die am Umfang gemessene Ultraschallaufzeit eine relative Kreisringfläche, die der Fläche des Rohrquerschnitts an der entsprechenden Stelle entspricht. Wird nun der gravimetrisch erfaßte Massedurchsatz, also der Absolutwert der mittleren Wanddicke oder Kreisringfläche in Verhältnis gebracht, so kann damit die Ultraschall-Schallgeschwindigkeit berechnet werden. Diese wird dann für die weiteren Wanddickenberechnungen herangezogen.
Die grafische Darstellung macht dieses Verfahren deutlich.
Voraussetzung für diese Berechnungen ist, daß der Außendurchmesser und die Dichte des Kunststoffes vorgegeben werden. Diese Kalibriermethode wird von dem System selbständig zyklisch durchgeführt, und somit können Langzeitschwankungen ausgeglichen werden.
Ein Problem, welches bei sehr dickwandigen Rohren auftreten kann, sind Temperaturunterschiede am Rohrumfang. Diese sind um so ausgeprägter, je weiter das Rohr von der Düse entfernt betrachtet wird, können aber auch je nach Extruder-Werkzeugbedingungen unmittelbar direkt hinter dem Werkzeug schon auftreten.
Die Ursache hierfür liegt in Wanddicken- und Temperaturunterschieden der Schmelze in der Düse. Ein zusätzlicher Einfluß sind unterschiedliche Temperaturen der Luft oben und unten innerhalb des Rohres und die Einstellungen der Sprühdüsen. Speziell bei teilkristallinen Materialien verursacht das "Sacking" auch die Temperaturunterschiede im Wandbereich. Diese Zustände sind physikalisch recht komplex und nicht vorausberechenbar.
Um dieses Problem annähernd zu lösen, gibt es bei manchen Systemen die Softwarefunktion "Segmentierte Korrektur". Dabei werden 8 Handmeßwerte am Rohrumfang ermittelt und ins System eingegeben, daraufhin errechnet das System Korrekturwerte. Ideal ist diese Lösung jedoch nicht, da sie zu häufig durchgeführt werden muß und insbesondere in Kombination mit der o.g. Automatikmethode der Automatik-Gedanke dabei verloren geht. Aus dieser Betrachtung heraus ergibt sich für sehr dickwandige Rohre die Konsequenz, daß die Utraschallmessung so nah wie möglich an der Düse durchgeführt werden sollte, um diese Temperaturunterschiede grundsätzlich gering zu halten.
Klammert man die 2. Kalibriermethode aus, so bleibt nur noch die Wahl zwischen Handkalibrierung und Kalibrierung mit Massedurchsatz. Welche davon die geeignete ist, hängt vom Einzelfall ab. Ist aus anderen Gesichtspunkten ein Einsatz einer Massedurchsatzerfassung nicht erforderlich oder bei kleinen Durchsätzen nicht genau genug, so neigt der Anwender aus Kostengründen zur Handkalibrierung. Außerdem ist der apparative Aufwand geringer und somit wartungs- und störunanfälliger.
Grundsätzlich sollte die Genauigkeitsanforderung und somit der Meßfehler von ca. 0,3 % pro Grad Celsius mit in die Betrachtung einfließen. In Fällen von konstanten Prozessbedingungen/Rohrtemperaturen kann die Handkalibrierung eingesetzt werden. Die Abspeicherung von Rohrrezepten unterstützt die Handkalibrierung und das selben Rohr kann später mit der vorhandenen Kalibrierung sofort wieder gefahren werden. Dies wird schon von einigen Maschinenherstellern seit mehreren Jahren so praktiziert.
Neuerdings gibt es bei einem System auch eine Softwarelösung, die zumindest den Kühlwassereinfluß automatisch eliminiert. Da das System wegen der Durchmessermessung ohnehin über eine Wassertemperaturmessung verfügt, ergeben sich keine höheren Systemkosten. Steht eine reine Zentrieraussage im Vordergrund, so wird an die Genauigkeit der Kalibrierung überhaupt keine Forderung gestellt.
Die Genauigkeitsangaben eines Ultraschall-Dickenmeßsystems lassen sich aus oben genannten Gründen nur unter dem Gesichtspunkt der Kalibrierung machen.
Die Auflösung der Dickenmessung sollte ca. 1/100 mm betragen. Dies wird auch von den meisten Herstellern erfüllt. Die praktische Genauigkeit ist je nach Einzelfall recht unterschiedlich und liegt im Bereich 0,02 mm - 0,1 mm.
Rolf Diederichs 28. Dez. 1995, info@ndt.net
Die grafische Darstellung macht
dieses Verfahren deutlich.