Verfahren zum Messen einer Länge oder eines Winkels mittels eines Längen- oder Winkelmessinstrumentes auf eine Genauigkeit, welche einen Bruchteil der Skalenteilung des Längen- oder Winkelmessinstrumentes beträgt, und Einrichtung an einem Längen oder Winkelmessinstrument zur Durchführung dieses Verfahrens
Karl Blattner, Küttigen (Aargau), ist als Erfinder genannt worden
Es sind bereits Längen- und Winkelmessinstrumente bekannt, bei welchen die Stellung der Skala nicht mehr visuell abgelesen wird, sondern bei welchen die Skalenintervalle vom Messausgangspunkt bis zum Messpunkt optisch elektrisch oder optisch elektro- nisch gezählt werden.
Es ist ferner schon v-orgeschla- gen worden, bei solchen Längen- oder Winkelmessinstrumenten die Ablese- bzw. Messgenauigkeit durch optische Halbierung des Skalenintervalls zu verdoppeln. Weiterhin ist auch schon vorgeschlagen worden, die Ablese- bzw. Messgenauigkeit bei solchen Längen- oder Winkelmessinstrumenten dadurch erheblich weiter zu erhöhen, dass zur Messung ein Skalenabschnitt, welcher mehrere Intervalle der Skala umfasst und welcher zwecks optischer Halbierung des Skalenintervalls im Abbildungsmassstab 1:
1 gegenläufig auf einen anderen, gleich grossen Skalenabschnitt derselben Skala abgebildet wird, verwendet wird, wobei der Skalenabschnitt, auf welchen das Bild des zur Messung verwendeten Skalenabschnittes geworfen wird, in mehrere Teile unterteilt wird, welchen Teilen je eine eigene Photozelle zugeordnet ist, und zwischen der Abbildungsoptik und dem Skalenabschnitt, auf welchen das Bild des zum Messen benützten Skalenabschnittes geworfen wird, eine der Anzahl der Teile, in welche der genannte Skalenabschnitt geteilt ist, entsprechende Anzahl von Planparallelplatten angeordnet ist, welche PIanparallelplatten derart gestellt sind,
dass sie die ihnen zugeordneten Teile des auf diesen Skalenabschnitt geworfenen Bildes des zum Messen benützten Skalenabschnittes fortschreitend um einen der Anzahl der Teile entsprechenden Bruchteil des Intervalls der Skalenteilung in Messrichtung verschieben. Wie nachstehend noch dargestellt wird, werden, da jede Photozelle ein eigenes Signal bzw. einen eigenen Zählt impuls abgibt, in dieser Weise für jedes optisch hal- bierte Intervall der Skala nicht mehr nur ein einziges, sondern eine der Anzahl der Photozellen entsprechende Anzahl von Signalen bzw. Zählimpulsen erhalten, welche sich in gleichen Abständen folgen, und dementsprechend wird die Ablese- bzw. Messgenauigkeit erhöht.
Die Erfindung ermöglicht es, ohne Verwendung der genannten Planparallelplatten, deren Stellung genau justiert werden muss, eine ähnliche Erhöhung der Ablese- bzw. Messgenauigkeit zu erzielen.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Messen einer Länge oder eines Winkels mittels eines Längenoder Winkelmessinstrumentes auf eine Genauigkeit, welche einen Bruchteil des Intervalls der Skala des Längen- oder Winkelmessinstrumentes beträgt, bei welchem man einen Skalen abschnitt der Skala des Längen- oder Winkelmessinstrumentes gegenläufig auf eine andere Stelle derselben Skala abbildet und diese zweitgenannte Stelle der Skala durch eine Anzahl Photozellen abtastet, deren Signale bzw.
Zählimpulse vom Messausgangspunkt bis zum Messpunkt durch eine logische elektrische oder elektronische Zähleinrichtung zwecks Ermittlung der zu messenden Länge bzw. des zu messenden Winkels gezählt werden, welche dadurch gekennzeichnet ist, dass man den zur Messung benützten Skalenabschnitt der Skala des Längen- oder Winkelmessinstrumentes so auf die andere Stelle derselben Skala abbildet, dass der Teil des : Bildes des Skalenabschnittes, welcher an der an- deren Stelle der Skala auf einen Skalen abschnitt der gleichen Intervallzahl Wie der erstgenannte Skalen abschnitt fällt, ein Intervall weniger aufweist als dieser, so dass die Signale bzw.
Zählimpulse der Photozellen, welche so angeordnet sind, dass ihre Mittelebenen in Messrichtung je in der Mitte eines der Anzahl der vorhandenen Photozellen entsprechenden Teiles der Länge des Skalenabschnittes liegen, und welche je einen mehrere Intervalle umfassenden Ausschnitt des Skalenabschnittes, auf welche der Teil des Bildes des zur Messung benützten Skalen abschnittes geworfen wird, erfassen, fortschreitend um einen der Anzahl der vorhandenen Photozellen entsprechenden Bruchteil eines Intervalls der Skala in Messrichtung verschoben erscheinen.
Die Erfindung betrifft ferner eine Einrichtung an einem Längen- oder Winkelmessinstrument zur Durchführung dieses Verfahrens mit einem Abbildungssystem zur Abbildung eines zur Messung benützten Skalen abschnittes der Skala des Längen- oder Winkelmessinstrumentes auf eine andere Stelle derselben Skala, einer Anzahl Photozellen, welche den Skalenabschnitt, auf welchen das Bild des zur Messung benützten Skalen abschnittes geworfen wird, abtasten, und einer logischen elektrischen oder elektronischen Zähleinrichtung, welche die bei der Messung von sämtlichen Photozellen abgegebenen Signale bzw.
Zählimpulse zählt, welche dadurch gekennzeichnet ist, dass das Abbildungssystem derart ausgebildet ist, dass es den zur Messung benützten Skalenabschnitt in einem solchen Abbildungsmassstab auf die andere Stelle derselben Skala abbildet, dass der Teil des Bildes des zur Messung benützten Skalenabschnittes, welcher auf einen die gleiche Zahl von Intervallen wie der zur Messung benützte Skalenabschnitt umfassenden Skalenabschnitt an der anderen Stelle der Skala fällt, ein Intervall weniger besitzt als dieser Skalen abschnitt, und dass die der Abbildungsoptik in bezug auf die Skala gegenüberliegenden Photozellen in gleichen Abständen voneinander so angeordnet sind, dass ihre Mittelebenen in Messrichtung je in der Mitte eines der Anzahl der vorhandenen Photozellen entsprechenden Teiles der Länge des Skalenabschnittes liegen und dass sie gleiche,
je mehrere Intervalle umfassende Ausschnitte des Skalenabschnittes mit dem Teil des Bildes des zur Messung verwendeten Skalen abschnittes erfassen.
Die Kontrolle der Justierung der zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens dienenden Einrichtung ist äusserst einfach und ohne Eingriffe in die Ablesung durchführbar.
In der Zeichnung sind eine Ausführung der vorstehend als vorbekannt erwähnten Einrichtung zur Erhöhung der Ablese- bzw. Messgenauigkeit für ein Längen- oder Winkelmessinstrument und ein Teil eines Ausführungsbeispiels der Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens schematisch dargestellt und im weiteren wird an Hand der Zeichnung ein Durchführungsbeispiel des erfindungsgemässen Verfahrens näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 die bereits früher vorgeschlagene Einrichtung zur Erhöhung der Ablese- bzw. Messgenauigkeit für ein Längen- oder Winkelmessinstrument mit fünf Photozellen,
Fig. 2 eine graphische Darstellung der von den Photozellen der Einrichtung nach der Fig. 1 bei der Bewegung der Skala des Längen- oder Winkelmessinstrumentes abgegebenen Signal- bzw. Zählimpulsfolge,
Fig. 3 einen Teil eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemässen Einrichtung mit fünf Photozellen für ein Längen- oder Winkelmessinstrument zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung unter Weglassung des Abbildungssystems,
Fig. 4 eine graphische Darstellung der Signale der Photozellen der Einrichtung nach der Fig. 3 bei einer bestimmten Stellung der Skala des Längen- oder Winkelmessinstrumentes,
Fig.
5 zum Vergleich eine analoge graphische Darstellung der Signale der Photozellen der Einrichtung nach der Fig. 1, und
Fig. 6 eine graphische Darstellung der von den Photozellen der Einrichtung nach der Fig. 3 bei der Bewegung der Skala des Längen- oder Winkelmessinstrumentes abgegebenen Signal- bzw. Zählimpulsfolge.
In der Fig. 1 ist mit S die Skala des nicht weiter dargestellten Längen- oder Winkelmessinstrumentes bezeichnet. Diese Skala S weist einen undurchsichtigen Grund und durchsichtige Streifen auf. Die durchsichtigen Streifen und die diese trennenden Streifen des undurchsichtigen Grundes sind in Messrichtung genau gleich breit und die Summe der Breite eines durchsichtigen Streifens und eines undurchsichtigen Streifens ist gleich dem Intervall i der Skala S.
Die in der Fig. 1 dargestellte Einrichtung zur Verdoppelung der Ablese- bzw. Messgenauigkeit durch optische Halbierung des Intervalls i und zur weiteren Erhöhung der Ablese- bzw. Messgenauigkeit besitzt eine Lichtquelle L, z. B. eine elektrische Glühlampe, und einen Kondensator K, welcher ein mindestens angenähert parallel strahliges Strahlenbündel auf einen mehrere Intervalle 1 umfassenden Skalenabschnitt n o wirft.
Dieser Skalenabschnitt nWo wird durch ein aus einem Pentaprisma P1, einer Abbildungsoptik 0 und einem zweiten Prisma P2 bestehendes Abbildungssystem im Abbildungsmassstab 1:1 gegenläufig auf einen anderen Skalen abschnitt der gleichen Skala S als Bild o'n'abgebildet. Da dieses Bild o'n' sich bei einer Bewegung der Skala S gegenläufig zu dieser bewegt, wird eine optische Halbierung des Intervalls i erzielt. Ist die Skala S statt eine gerade Längenskala, wie beim Beispiel nach der Fig. 1 angenommen ist, eine Kreisskala, so muss, um ein zur Kreisteilung konzentrisches Bild o'n' zu erhalten, das zweite Prisma P2 des Abbildungssystems ein Dachprisma sein.
Der Skalenabschnitt, auf welchen das Bild o' n' des zur Messung benützten Skalenabschnittes no geworfen wird, ist nun in mehrere, im dargestellten Falle in fünf Teile unterteilt. Jedem dieser Teile dieses Skalenabschnittes ist, dem Prisma P2 des Abbildungssystems in bezug auf die Skala S gegen überliegend, eine eigene Photozelle Z"Z2 73, Z4 bzw. Z5 zugeordnet. Ferner sind zwischen dem Prisma P des Abbildungssystems und der Skala S fünf Planparallelplatten Pll, Pl2, Pl3, Pl4 und Pl5, je einem der fünf Teile des genannten Skalenabschnittes mit dem Bild o'n' zugeordnet, angeordnet.
Diese Planparallelplatten Pl1-Pl5 sind nun so gestellt, dass die Planparallelplatte Pl1 den ihr zugeordneten Teil des Bildes o'n' nicht, die Planparallelplate Pl2 den ihr zugeordneten Teil des Bildes o'n' um i die Planparallel 5, platte Pl3 den ihr zugeordneten Teil des Bildes otn' 2.t um die Planparallelplatte Pl4 den ihr zugeordne
3.i ten Teil des Bildes o'n' um und die Planparallel
5 platte Pl5 den ihr zugeordneten Teil des bildes o'n'
4.i um in essrichtung verschiebt.
Da die Lichtmenge,
5 welche den Skalenabschnitt, auf welchen das Bild o'n' geworfen wird, durchdringt und welche ihr Maximum erreicht, wenn die durchsichtigen Stellen des Bildes otn'sich mit den durchsichtigen Stellen des Skalen abschnittes decken, bereits nach einer Bewegung der Skala S um 4 ihr Minimum erreicht und da ferner dem ganzen Skalenabschnitt, auf welchen das Bild o'n' geworfen wird, fünf Photozellen Z-Z5 zugeordnet sind und jede Photozelle Zl-Z5 ein eigenes Signal bzw. einen eigenen Zählimpuls abgibt, erhält man bei der Bewegung der Skala S um 2 fünf Signale bzw. Zählimpulse, welche, da die Planparallelplatten Pl1-Pl5 die ihnen zugeordneten Teile des Bildes o' n' in der beschriebenen Weise in Messrichtung verschieben, fortschreitend je um 2.5 verschoben sind.
In der Fig. 2 sind die so erhaltenen Signale bzw. Zählimpulse graphisch dargestellt.
Beim Verfahren gemäss der Erfindung wird nun, wie in der Fig. 3 dargestellt ist, der zur Messung benützte Skalenabschnitt durch ein ähnliches, in der Fig. 3 nicht dargestelltes Abbildungssystem, das aber keine Planparallelplatten umfasst, gegenläufig auf eine andere Stelle der Skala S des Längen- oder Winkel messinstrumentes abgebildet, aber nicht mehr im Abbildungsmassstab 1:
1, sondern so, dass der Teil m des Bildes des zur Messung benützten Skalenabschnittes n o, welcher auf einen die gleiche Zahl von Intervallen i wie der zur Messung benützte Skalen abschnitt no 0 umfassenden Skalenabschnitt n' 0' der Skala S fällt, ein Intervall i weniger besitzt als dieser Skalenabschnitt nto'. Der deutlicheren Darstellung wegen umfasst der Skalenabschnitt n'o'in der Fig. 3 nur verhältnismässig wenige Intervalle i: in der Praxis umfasst jedoch der zur Messung benützte Skalenabschnitt n o und somit auch der Skalenabschnitt n'o' viel mehr, nämlich etwa 200-2000 Intervalle 1 Aus zeichnerischen Gründen ist das Bild m im Abstand vom Skalenabschnitt n'o' gezeichnet;
in der Praxis wird dieser Abstand auf Null justiert. Dem Prisma P2 des in der Fig. 3 nicht dargestellten Abbildungssystems in bezug auf die Skala S gegenüberliegend, sind mehrere, im dargestellten Falle fünf Photozellen Zr, Z2, Z3, Z4 und Z5 in gleichen Abständen voneinander so angeordnet, dass ihre Mittelebenen in Messrichtung je in der Mitte eines Fünftels der Länge des Skalenabschnittes n'o' liegen. Jede dieser Photozellen Z1 bis Z5 erfasst einen mehrere Intervalle i umfassenden Ausschnitt des Skalenabschnittes nto'. In Fig. 3 befindet sich die Skala S in einer solchen Stellung, dass sich der Anfang eines Intervalls des Bildes m mit dem Anfang eines Intervalls i der Skala S in der Mittelebene der Photozelle Z, deckt.
Die folgenden Intervalle der Skala S sind gegenüber den folgenden Intervallen des Bildes m fortschreitend in Messrichtung verschoben, und zwar auf einer der Länge des Skalenabschnittes n'o' entsprechenden Strecke um ein Intervall 1. Bei der in der Fig. 3 gezeichneten Stellung der Skala S geben die fünf Photozellen Z1 bis Z5 die in der Fig. 4 dargestellten Signale bzw.
Zählimpulse ab, wobei die schraffierten Flächen die Stärke der Signale bzw. der Zählimpulse darstellen.
Würde, wie im vorher beschriebenen Falle, der zur Messung benützte Skalenabschnitt no durch das gleiche Abbildungssystem im Abbildungsmassstab 1:1 auf den Skalen abschnitt n'o' abgebildet und die von den Photozellen Zl-Z5 erfassten Teile des auf den Skalenabschnitt n'o'geworfenen Bildes des Skalenabschnittes n o mittels Planparallelplatten in der vorher erwähnten Weise in Messrichtung verschoben, so ergäben sich die in der Fig. 5 vergleichweise dargestellten Signale der fünf Photozellen.
Vergleicht man die Flächengrössen der Fig. 4 mit denjenigen der Fig. 5, das heisst die Stärke der von den Photozellen Z-Z5 in beiden Fällen ausgehenden Signale, so ist festzustellen, dass bei Anwendung des der Fig. 4 entsprechenden Verfahrens die Signalminima etwas grösser und die Signalmaxima etwas kleiner ausfallen als bei Anwendung des der Fig. 5 zugrunde liegenden Verfahrens. Da jedoch für die Zählung der Signale bzw. der Zählimpulse nicht unbedingt die Signalminima oder -maxima verwendet werden müssen, sondern auch ein Punkt, an welchem die Signale eine bestimmte Stärke erreichen bzw. überschreiten, verwendet werden kann, stört diese Vergrösserung der Signalmaxima bzw. Verkleinerung der Signalmaxima, welche übrigens bei Verwendung einer grö sseren Zahl von Photozellen geringer werden, gar nicht.
Die Signal- bzw. Zählimpulsfolge, welche sich bei der Anwendung des der Fig. 4 zugrunde liegenden erfindungsgemässen Verfahrens bei der Bewegung der Skala S ergibt, ist in der Fig. 6 dargestellt. Für jede Bewegung der Skala S um ein halbes Intervall, 2' erhält man also eine der Anzahl der vorhandenen Photozellen entsprechende Anzahl, im dargestellten Falle also fünf Signale bzw. Zählimpulse, welche in gleichen Abständen aufeinanderfolgen und welche durch die logische elektrische oder elektronische Zähleinrichtung gezählt werden. Die Ablese- bzw.
Messgenauigkeit wird somit entsprechend der Anzahl der vorhandenen Photozellen vervielfacht.
Die Justierung der zur Durchführung des Verfahrens gemäss der Erfindung verwendeten Einrichtung ist wesentlich einfacher als die Justierung einer Einrichtung, bei welcher Planparallelplatten verwendet werden, weil im Prinzip nur die Signaldifferenz zwischen der ersten und der letzten Photozelle eingestellt werden muss. Damit die vorhandenen Photozellen lineare Anzeigen ergeben, sind deren Abstände in Richtung der Skala S zu justieren und festzuhalten. Die Stabilität dieser Justierung ist wesentlich besser als diejenige von Planparallelplatten.
Mit Vorteil kann eine zusätzliche Photozelle ausserhalb des Skalenabschnittes n'a' vorgesehen werden, welche von der letzten der vorhandenen, an der Zählung beteiligten Photozellen den gleichen Abstand hat wie je zwei benachbarte Photozellen voneinander haben. Bei richtiger Justierung ergeben dabei die erste der an der Zählung beteiligten Photozellen und diese zusätzliche Photozelle, welche nicht an die Zähleinrichtung angeschlossen ist, ein genau gleich starkes Signal, so dass man automatisch eine Kontrolle der Justierung erhält.