Verfahren zur Herstellung von Teilungen oder zur Messung von Strecken mittels stehender Schallwellen, und Vorrichtung zur Ausübung des Verfahrens
Das vorliegende Patent bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Teilungen oder zur Messung von Strecken mittels stehender Schallwellen, sowohl solcher des Hörbereiches als Ultraschallwellen, sowie auf eine Vorrichtung zur Ausübung des Verfahrens.
Es ist bekannt, Ultraschallwellen zu Echolotungen, aber auch zur Dickenmessung zu verwenden.
Während das Echolotverfahren nach dem Reflexionsprinzip arbeitet und die Zeit vom Augenblick des Sendens eines Ultraschallimpulses bis zum Empfangen des reflektierten Schalles ein Mass für die Entfernung ist, arbeitet man bei der Dickenmessung nach dem Resonanzverfahren, wobei die Dicke des durchschallten Werkstückes aus der Messung der Resonanzfrequenz ermittelt wird. So macht sich beispielsweise das Auftreten einer Resonanz zwischen der Schallfrequenz und einer Dickenschwingung des Werkstückes durch einen Anstieg des Anodenstromes im Röhrengenerator bemerkbar. Man hat Dickenmessgeräte entwickelt, bei denen für ein Material mit bekannter Schallgeschwindigkeit die gesuchte Dicke des Werkstückes an einer vor dem Bildschirm einer Oszillographenröhre gesetzten Skala abgelesen werden kann.
Andere Dickenmesser arbeiten ähnlich wie das Echolotgerät nach dem Reflexionsprinzip, wobei eine Schallwelle in dem auszumessenden Werkstück vom Schallgeber zur gegenüberliegenden Fläche des Werkstückes und zurück zum Empfangsquarz läuft, während eine zweite Welle in einem mit öl gefüllten Metallrohr reflektiert wird. Man erhält dann auf dem Schirm der Kathodenstrahlröhre zwei Empfangs- zacken, die durch Verschieben des Quarzes in der Röhre zur Deckung gebracht werden. Das Mass dieser Verschiebung, dass an einer Skala eines Feinstellgetriebes ablesbar ist, gibt die Dicke des Werkstückes an.
Diese Messungen werden unmittelbar an dem zu messenden Werkstück durchgeführt, dessen Dicke ermittelt werden soll.
Demgegenüber bezweckt das erfindungsgemässe Verfahren, den beschallten Körper unmittelbar als Massstab zu verwenden und die gegebene Naturkonstante der Wellenlänge als kleinste Messstrecke zu benutzen.
Die vorliegende Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, die bisher aufgetretenen Teilungsfehler an Massstäben zu vermeiden, durch welche ungenaue Messungen ausgeführt wurden.
Erreicht wird dies nach dem Verfahren gemäss der Erfindung dadurch, dass die Schallwelle in einem Medium, dessen Länge ein Vielfaches von 212 ist, so erzeugt wird, dass i/2 oder ein Vielfaches von A/2 eine Teilungseinheit zwischen einer Anfangs- und einer Endmessmarke darstellt, so dass je ein Maximum oder ein Minimum der stehenden Welle durch die Anfangs- und die Endmessmarke hindurchgehen und dass man von den Maxima oder Minima der stehenden Welle abgeleitete Signale einzeln oder summiert verwendet.
Für Messungen nach dem metrischen System wird beispielsweise der Urmeter, dessen Anfangsund Endmessmarke festliegt, in beispielsweise 1000 Teilungsintervalle aufgeteilt, so dass dann A/2 genau 1 mm ist. Falls höhere Genauigkeiten erforderlich sind, wird man die Schallfrequenz höher wählen, so dass beispielsweise zehn A/2 den Teilungsintervall von 1 mm ergeben. Dementsprechend muss die Wellenlänge und damit die Eigenfrequenz des Quarzes ge wählt werden.
Zweckmässig wird die in dem Medium, beispielsweise einem Massstab, erzeugte stehende Welle an einem zum Messstab parallelen, die Anfangsund Endmessmarken aufweisenden Vergleichsmassstab eingestellt, worauf der Vergleichsmassstab durch den mit Teilungen zu versehenden Massstab ersetzt wird, auf welchen die Intervalle der Maxima oder Minima von/2 aufgezeichnet werden.
Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform des Verfahrens, das die Übertragung der Teilungsintervalle leicht durchführbar macht, besteht beispielsweise darin, das Ultraschallfeld in einem Magnetstab oder -rohr zu erzeugen und die mechanischen Schwingungen der Elementarmagnete innerhalb der stehenden Welle induktiv abzutasten. Es ist aber auch möglich, das Ultraschallfeld in einem optisch durchsichtigen Medium zu erzeugen, wobei die kleinste Messstrecke der periodischen Wiederkehr einer Schallfeldgrösse, beispielsweise Druck oder Schnelle oder Brechungsindex entspricht, die aufgesucht oder sichtbar gemacht und übertragen wird. Solche Verfahren sind als Verfahren der sekundären Interferenzen bekannt oder können mittels ebenfalls bekannter spannungsoptischer Verfahren oder mittels des ebenfalls bekannten Ultraschall- Interferometers durchgeführt werden.
Vorteilhaft werden die Intervalle beim Abtasten der Schallwelle durch Abbildung eines Lichtspaltes photooptisch auf den Massstab übertragen.
Das Patent betrifft ferner eine Vorrichtung zur Ausübung des erfindungsgemässen Verfahrens, bei der ein magnetisch wirksamer Messstab an einem Ende den Sendequarz trägt, während über dem andern an Luft angrenzenden Ende eine Erregerspule angeordnet ist, die von einem den Messstab umgebenden, einen Längsschlitz aufweisenden Magnetmantel getragen wird, der an der Seite des Sendequarzes mit der Halterung desselben verbunden ist, während seine andere Seite dem Messstab auf Spaltbreite gegenübersteht, wobei die Innenseite des Magnetmantels als Führung für einen mit Messschleife versehenen Indikator ausgebildet ist, der in dem Längsschlitz des Magnetmantels durch ein Verstellgetriebe längsbeweglich mit einem Messgerät sowie einem Aufzeichnungsgerät verbunden ist, welches die Stellung des Indikators auf den zu teilenden Massstab überträgt.
Die Erfindungen werden im folgenden beispielsweise näher erläutert.
Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung zur Herstellung von Teilungen während des Eichens mit Anvisiermikroskop,
Fig. 2 den zu Fig. 1 gehörenden Massstab während des Teilens mit dem Lichtspaltprojektor,
Fig. 3 den geteilten Massstab,
Fig. 4 eine Seitenansicht zu Fig. 1, jedoch mit anstelle des Anvisiermikroskopes eingesetztem Lichtspaltprojektor,
Fig. 5 das Schaltschema des in Fig. 4 als Block dargestellten Röhrenverstärkers,
Fig. 6 eine Messvorrichtung im Längsschnitt,
Fig. 7 eine Seitenansicht gemäss Vorrichtung nach Fig. 6,
Fig. 8 zwei gegenläufige Messschleifen nach Fig. 6 und
Fig. 9 die Teilscheibe des optischen Intervallteilers nach Fig. 6 in Aufsicht.
In der Fig. list der linksseitig gehalterte Magnetstab mit 1 und sein Magnetmantel mit 2 bezeichnet.
An der linken Seite des Magnetstabes ist der Quarz 3 eines Schallsenders gehaltert, dessen Fassung mit 4 bezeichnet ist, die in dem isolierenden Teil 5 befestigt ist, welches mit dem Magnetmantel verbunden ist.
Mit dem Quarz 3 steht der Hochfrequenzgenerator 6 durch die Leitung 7 in Verbindung. Der andere Pol 8 ist ebenso wie die gesamte Messanlage geerdet.
Der Magnetmantel und der Magnet stab sind zwischen Spitzen aufgenommen. Die linke Spitze ist mit 9 bezeichnet, die sich gegen die Druckplatte 10 abstützt. Die rechtsseitigen Spitzen, die sich gegen den Magnetmantel abstützen, sind mit 11 bezeichnet.
Der Magnetstab muss rechtsseitig an Luft angrenzen.
Er ist rechtsseitig durch die Spitzen 12 unterstützt.
Zwischen dem Mantel und dem Magnetstab befindet sich der Ringschlitz 13, der zur Herabsetzung des magnetischen Widerstandes nur eine Spaltbreite von etwa 111o mm aufweist. Als Magnetstab kann ein permanenter Magnet dienen. Zum Wiederaufmagnetisieren dient die mit 14 bezeichnete Erregerspule, die rechtsseitig in dem Magnetmantel angeordnet ist.
Diese Erregerspule kann auch in Verbindung mit dem Magnetkern 1 einen Elektromagneten bilden.
Der Magnetmantel 2 besitzt in seiner Längsrichtung den Schlitz 15. In dem Magnetmantel 2 ist der Gleitring 16 geführt, dessen Ansatz 17 durch den Schlitz 15 hindurchgreift und aussenseitig mit dem Aufnahmering 18 verbunden ist, in den entweder ein an sich bekanntes Anvisiermikroskop 19 mit der Strichpartie 19' oder ein Lichtspaltprojektor 20 einsetzbar ist.
In dem Gleitring 16 ist die Glasplatte 21 rechtwinklig zur Achse des Magnetstabes 1 befestigt, die mit einer kreisrunden Öffnung 22 versehen ist, deren Innendurchmesser gerade so viel grösser ist als der Aussendurchmesser des Magnetstabes, dass sich der Gleitring noch frei bewegen lässt. Die Glasplatte 21 ist Träger einer in der Stärke von etwa 1 el auf- gedampften Messschleife 23, die unmittelbar in der Öffnung 22 liegt. Die beiden Enden der Messschleife sind mit Kontakten 24 verbunden, an welchen die Leitungsdrähte 25 angeschlossen sind, die zu den Klemmen a, b des Verstärkers 26 führen, an dessen Ausgang das Zeigergalvanometer 27 angeschlossen ist. Beide zusammen stellen ein Röhrenvoltmeter dar, wie es in der Messtechnik vielfach bekannt ist.
Mit dem Röhrenvoltmeter ist ein elektronisches Zählwerk 28 verbunden, wie es ebenfalls in der Messtechnik bekannt ist. Beispielsweise kannn ein solches Zählwerk Fabrikat Philips , Type GM 4810, Verwendung finden.
Der Ansatz 17, welcher den Aufnahmering 18 trägt, ist mit einer Gewindebohrung für die Gewindespindel 29 versehen, die in dem Schlitz 15 an dem Magnetmantel axial unverschieblich, aber drehbar, gelagert ist und am Betätigungsknopf 30 verstellt werden kann. Hierbei wird der Gleitring mit dem Indikator 21, 23 längs des Magnetstabes verschoben, um die in dem Stab 1 durch den Quarz 3 erzeugte stehende Welle 31 induktiv abzutasten. Die Wellenlänge und damit die Eigenfrequenz des Quarzes 3 wird, wenn nach dem metrischen System gearbeitet wird, so gewählt, dass der Urmeter, dessen Anfangsund Endmessmarke an dem Vergleichsmassstab 32 festliegen, genau in 1000 Teilungsintervalle aufgeteilt wird, so dass i,/2 genau 1 mm ist.
Wenn also am elektronischen Zählwerk 28 1000 Impulse beim Abfahren des Magnetstabes zwischen der Anfangs- und Endmessmarke des Vergleichsmassstabes angezeigt werden und zu Beginn der Messung die Anfangsmarke und nach dem Abfahren der Messstrecke beim tausendsten Intervall die Endmess- marke genau in der Strichmarke 19' des Anvisiermikroskopes steht, so ist das ein Zeichen dafür, dass mit der richtigen Wellenlänge gearbeitet wird. Sodann wird der Vergleichsmassstab 32 durch den mit Teilungen zu versehenden Glasmassstab 33 ersetzt. Für die Aufnahme dieser Massstäbe sind Halter 34 vorgesehen, welche die Lage des Vergleichsmassstabes zum Massstab 33 festlegen.
Wird nun das Anvisiermikroskop 19 durch den Lichtspaltprojektor 20 ersetzt, wie dies nach Fig. 2 und 4 der Fall ist, so kann die Teilung durch Abtastung der stehenden Welle im Magnetstab 1 auf den Massstab 33 übertragen werden, ohne dass Intervallfehler; auftreten.
Hierzu dient der noch zu beschreibende Lichtspaltprojektor 20, der die Blitzlampe 35, die Sammeloptik 36, die Spaltblende 37 mit dem Spalt 38 und das Objektiv 39 enthält. Zur Betätigung der Blitzlampe dient die Batterie 40, deren Stromkreis durch die Taste 41 zum Blitzen geschlossen wird.
Die Abbildung des Spaltes 38 erzeugt auf der Photoemulsion 33' der Trägerplatte 33 den zu übertragenden Teilstrich.
Das Blitzen erfolgt dann, wenn der Zeiger des Galvanometers 27 auf Null steht, falls die Knotenpunkte der stehenden Welle abgetastet werden. Werden die Maxima abgetastet, muss der Zeiger den Maximaausschlag aufzeigen. Bei jedem Intervall, dessen Genaueinstellung an dem Messgerät beobachtet wird, wird von Hand geblitzt. Es ist aber auch möglich, die Schaltungsanordnung derart zu treffen, dass das Blitzen selbsttätig erfolgt. Hierzu wird das Röhrenvoltmeter 26, 27 über die punktiert gezeichneten Leitungen 42 an die Anschlusskontakte des Handschalters 41 gelegt und ersetzt diesen. Die Impulse für das Blitzen können beispielsweise durch Kontakte am Zeigergalvanometer 27 gegeben werden.
In der Fig. 2 ist eine Zwischenstellung während des Teilens des Massstabes und in der Fig. 3 der voll geteilte Massstab dargestellt.
Die Fig. 6 bis 9 zeigen eine auf dem gleichen Prinzip aufgebaute Vorrichtung zum Messen von Strecken, und zwar in Anwendung auf die Verstellstrecke des Längsschlittens 43 einer Werkzeugmaschine. Der Gleitring 16, der den Indikator trägt, ist durch den Steg 44, der sich in dem Schlitz 15' bewegt, mit dem Schlitten 43 verbunden. Die Längsverstellung erfolgt durch die Spindel 45 des Schlittens, die das Handrad 46 trägt. Die Spindel ist axial unverschieblich in dem Maschinengestell 47 gelagert.
Der Magnetstab 1 und der Magnetmantel 2 sind ebenso wie in der bereits beschriebenen Fig. 1 zusammengesetzt. Gleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Anstelle der Halterung des Mantels 2 zwischen Spitzen ist dieser im Gestell 47 mittels Gegenführungen 49 geführt. Der Magnetstab 1 ist zwischen der Platte 10 und der Spitze 12 gehaltert, die an dem Arm 50 koaxial zum Magnetstab einstellbar angeordnet ist, der mit dem Magnetmantel 2 verbunden ist. Das durch den Indikator abgetastete Magnetsystem ist durch die Feinstellspindel 51, deren Steigung genau 1 mm beträgt, zwecks Einstellung des Dezimalstellenwertes an der Handhabe 52 verstellbar, wodurch die Nulleinstellung vor Beginn der Messung an der Skalenscheibe 53 auf den Dezimalstellenwert eingestellt wird, der optisch auf den Schirm 54 vergrössert projiziert wird, so dass er gut ablesbar ist.
Die Skalenscheibe 53 ist durchsichtig. Die eingestellte Zahl der Skala 53' wird durch die Lichtquelle 55, die Optik 56 und den Spiegel 57 auf den Bildschirm 54 projiziert, und von einer beliebigen Nullstellung ausgehend werden die der Länge des Messweges entsprechenden Intervalle von Knoten zu Knoten oder vom Maximum zum Maximum der stehenden Welle 31 an dem elektronischen Zählwerk 28 gezählt, an welchem der volle Zahlenwert vor dem Komma der Messstrecke abgelesen wird. Der Dezimalstellenwert wird an dem vorher beschriebe- nen optischen Intervallteiler an dem Bildschirm 54 abgelesen.
Die Trägerglasplatte 21 besitzt, wie dies die Fig. 6 und 8 zeigen, zwei Messschleifen 23 und 23', die elektrisch gleichwertig und in entgegengesetztem Windungssinn verlaufend, hintereinandergeschaltet sind. Die Trägerglasplatte 21 hat eine Dicke von A/2 oder einem ungeraden Vielfachen von A/2. Bei Millimeterintervallen beträgt die Dicke der Glasplatte 21 genau 1 mm. Auf diese Weise lassen sich mit dem Indikator 21, 23, 23' Maximamessungen durchführen, wie dies bereits vorher erläutert ist.
Je nachdem, ob die abzufahrenden Messstrecken sich aus mehreren kleineren Messstrecken, die aufeinanderfolgen, zusammensetzen oder einzelne Messstrecken abgefahren werden sollen, addiert das Zählwerk 28 die Messstrecken oder wird jeweils wieder auf Null eingestellt.
Die Vorrichtung bietet die Möglichkeit, genaue Verstellwege mittels der einmal geeichten Messvorrichtung einstellen zu können, ohne dass die Teilungen des Messstabes als solche sichtbar sind. Die bisher auftretenden Intervallfehler, die oftmals die zulässige Fehlergrenze an Präzisionswerkzeugmaschinen überschritten, werden mit dieser Vorrichtung vermieden.