Verfahren zur kontaktlosen Messung des Abstandes eines Gegenstandes und Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur kontaktlosen Messung des Abstandes einer Abtasteinrichtung von der Oberfläche eines Gegenstandes, insbesondere eines Werkstückes.
Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass in dem Raum zwischen der Abtasteinrichtung und dem Gegenstand ein Hochfrequenzfeld erzeugt und das in der Abtasteinrichtung erregte Signal verstärkt wird, wonach das verstärkte Signal zur Erzeugung eines Rückkoppelsignals mit einer Bezugsgrösse verglichen und dieses Rückkoppelsignal zur Steuerung der Stärke des Hochfrequenzfeldes herangezogen und zur Bestimmung des Abstandes der Abtasteinrichtung von der Oberfläche des Gegenstandes gemessen wird.
Die erfindungsgemässe Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens ist gekennzeichnet durch eine Hochfrequenzquelle zur Erzeugung des Hochfrequenzfeldes in dem Spalt zwischen der Abtasteinrichtung und dem Gegenstand, einen Verstärker zur Verstärkung des in der Abtasteinrichtung erregten Signals sowie einer Einrichtung zur Rückkopplung des durch Vergleich des am Verstärkerausgang auftretenden Signals mit einer Bezugsgrösse erzeugten Rückkopplungssignals, wobei ein Anzeigeinstrument zur Messung des dem Abstand der Abtasteinrichtung vom Werkstück proportionalen Rückkopplungssignals vorgesehen ist.
In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele des Gegenstandes der Erfindung dargestellt. Darin zeigt:
Fig. 1 das Blockschaltbild eines ersten Ausführungsbeispieles, wobei eine Rückkopplung zur Abtasteinrichtung der Vorrichtung erfolgt,
Fig. 2 die detaillierte Schaltung eines Teils des in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispieles,
Fig. 3 das Blockschaltbild eines zweiten Ausführungsbeispieles, wobei die Rückkopplung zu dem zum Werkstück führenden Signal erfolgt,
Fig. 4 das Blockschaltbild eines weiteren Ausführungsbeispieles, wobei das Werkstück geerdet ist,
Fig. 5 das Schaltschema eines abgestimmten Schaltkreises und der Kopplung des in Fig. 4 dargestellten Ausführungsbeispieles.
Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 ist ein Werkstück 11, dessen Umriss, Oberflächengestalt oder dergleichen kontaktlos gemessen werden soll, in geringem Abstand von einer Abtasteinrichtung wie z. B. einer kapazitiven Sonde 12 angeordnet. Die Sonde 12 ist dabei nicht Art eines ebenen, in der Zeichnung nicht dargestellten Schutz- oder Schirmringes ausgebildet, der einen Kondensator mit drei Anschlüssen bildet, wovon das Werkstück 11 den einen Anschluss darstellt. Die Sonde 12 ist beispielsweise aus einer Metallröhre gefertigt, die an ihrem einen Ende blank ist und einen isolierten feinen Draht aufweist, der durch die Mitte des blanken Endes geführt und in Ebene dieses Rohrendes abgeschnitten ist. Hierdurch wird eine Plattenfläche erhalten, die annähernd gleich der Querschnittsfläche des Drahtes ist.
Das Werkstück 11 wird über einen Oszillator 13 mit Hochfrequenzenergie gespeist.
Ein Bruchteil dieser Signalenergie wird dabei mittels der zwischen dem Werkstück 11 und der Sonde 12 herrschenden Kapazität auf die abgeschirmte Platte, d. h. auf den isolierten feinen Draht der Sonde 12 übertragen.
Dieser der Sonde 12 zugeführte Hochfrequenzsignalanteil wird schliesslich über einen Verstärker 14 mit konstantem Verstärkungsfaktor einem in seiner Verstärkung regelbaren Verstärker 15 zugeführt. Dem Verstärker 15 ist zur Gleichrichtung des Hochfrequenzsignals ein Gleichrichter 17 nachgeschaltet. Das gleichgerichtete Signal wird wiederum einem Vergleicher 18 zugeführt, in welchem es in Vergleich zu einer von einem Generator 19 gelieferten Bezugsgrösse, d. h. in vorliegendem Fall zu einer Bezugsspannung gesetzt wird.
Das am Vergleicher 18 austretende Signal wird zum Verstärker 15 zurückgekoppelt. Dieser Verstärker weist einen in Basisschaltung geschalteten Transistor auf, des sen Verstärkung annähernd linear dem Eingangsstrom ist.
Zu diesem Zweck wird in der Verstärkerstufe 15 eine Art Gleichstromrückkopplung benutzt, bei welcher die Wechselstromverstärkung direkt mit dem mittleren Eingangsstrom veränderbar ist. Der mittels einer geeigneten Anzeigevorrichtung 20 registrierte Rückkopplungsstrom ist dabei der Abstandsänderung des Werkstückes 11 von der Sonde 12 direkt proportional.
Wie aus der in Fig. 2 dargestellten Schaltung ersichtlich ist, wird das Sondensignal über eine abgeschirmte Leitung 21, die Teil des Schutzringes, d. h. der Metallröhre ist, in den abgestimmten Eingangskreis 16 eines in Basisschaltung geschalteten Transistors 22 eingespeist. Der abgestimmte Schaltkreis 16 kompensiert dabei die zwischen der Sondenleitung und der Abschirmung herrschende unerwünschte Kapazität. In der Sonde 12 wird ein Wechselstrom geringer Stärke erregt, der durch den Resonanzeffekt des Abstimmkreises 16 verstärkt wird. Der im abgestimmten Kreis 16 fliessende Strom stellt für den Transistor 22 ein Stromsignal dar, das verstärkt und der entsprechenden einen Wicklung eines in den Kollektorkreis des Transistors 22 geschalteten Übertragers 23 zugeführt wird.
Das Signal ist über diesen Übertrager induktiv mit der zweiten Stufe 15 gekoppelt. Der Übertrager 23 selbst stellt dabei eine konstante Spannungsquelle niedriger Impedanz für Hochfrequenzsignale dar und dient zur Stromrückkopplung in diese zweite Stufe; Diese Stufe bildet dabei einen Spannungsverstärker, der ebenfalls einen in Basisschaltung geschalteten Transistor 24 aufweist, dessen Verstärkung dem Eingangsstrom im wesentlichen linear ist.
Der Transistor 24 besitzt einen abgestimmten Schaltkreis und bewirkt eine weitere Spannungsverstärkung des Signals, dessen Spannungshöhe gerechnet von Spitze zu Spitze an dieser Stelle der Schaltung g etwa 5 Volt beträgt. In diesen Schaltkreis ist ferner ein Dämpfungswiderstand 25 geschaltet, dessen Aufgabe in der Herabsetzung des Resonanzeffekts und damit in einer Verbesserung der Stabilität liegt. Der Widerstand 25 übt darüberhinaus eine die Empfindlichkeit des Schaltkreises steuerende Funktion aus.
In seinem weiteren Verlauf wird das Signal über ein die Impedanz wechselndes Netzwerk 26, 27 dem Gleichrichter 17 zugeführt, wo es gegen Erde gepolt ist.
Im Anschluss hieran wird das Signal mittels einer Diode 28 gleichgerichtet und dabei ein Gleichstromsignal von etwa + 5 Volt erhalten, das in einem sogenanten Vergleicher 18 gegen eine Bezugsspannung etwa gleicher Grösse verglichen werden kann.
Die Bezugsspannung wird dabei von einem Bezugsspannungsgenerator 19 erzeugt und von einer Zehner Diode 30 geringen Temperaturkoeffizientens abgenommen. Die beiden Transistoren des Vergleichers 18 sprechen auf eine Änderung der Grösse des Gleichstromsignals und damit auf Veränderungen des Abstandes der Sonde 12 vom Werkstück 11 an. Der Strom des zugeordneten Transistors wird dabei zu dem in seiner Verstärkung regelbaren Verstärker 15 in Gegenphase zurückgeführt, so dass der Ausgang dieser Stufe im wesentlichen auf konstanter Spannung verbleibt.
Eine Anzeigevorrichtung, wie z. B. ein Gleichstrommilliamperemeter 20 mit einer Anzeigegenauigkeit von wenigstens 1 % ist dabei in die Rückleitung geschaltet und ermöglicht die Kontrolle des Rückkoppelstromes, der im wesentlichen von der Abstandsänderung zwischen der Sonde 12 und dem Werkstück 11 linear abhängig ist. Die Anzeigeempfindlichkeit dieser Vorrichtung liegt in der Grössenordnung von 1 Milliampere bei einem Abstand der Sonde 12 von dem Werkstück 11 von etwa 0,025 mm.
Bei dem in Fig. 3 gezeigten Ausführungsbeispiel der Erfindung erfolgt die Rückkopplung des Stromes unmittelbar zu dem zum Werkstück 11 führenden Hochfrequenzsignal. Der wiederum von einem Vergleicher 18 abgegriffene Rückkoppelstrom wird dabei in eine zwischen den Oszillator 13 und das Werkstück 11 geschaltete und in ihrer Verstärkung regelbare Verstärkerstufe 33 eingespeist. Dies führt dazu, dass die Amplitude des Trägersignals in Abhängigkeit vom Abstand der Sonde 12 vom Werkstück 11 variiert wird. Da nämlich die Sonde 12 in die Rückkoppelschleife eingeschaltet ist, werden alle Änderungen des Abstandes der Sonde 12 vom Werkstück, die, wie bereits erwähnt, zu einer Ver änderung des Trägersignals führen, unverzüglich über den Vergleicher 18 und die das Trägersignal verstärkenden Einrichtung zurückbczogen, um am Werkstück 11 kompensiert zu werden.
Dies führt zu einem linearen Wechsel des Trägersignals mit der Entfernung, und zwar unabhängig davon, ob der in seiner Verstärkung regelbare Verstärker 33 in seiner Verstärkung entsprechend linear arbeitet.
Der eigentliche Sondenschaltkreis entspricht im wesentlichen demjenigen der ersterwähnten Ausführungsform. Der einzige erhebliche Unterschied besteht lediglich darin, dass die zweite Stufe des dem Verstärker 15 in Fig. 1 und 2 entsprechenden Verstärkers, nämlich der Verstärker 34 eine konstante, d. h. nicht regelbare Verstärkung aufweist.
Die im Trägersignalschaltkreis verwendete, in ihrer Verstärkung regelbare Verstärkerstufe 33 kann hierbei der bereits erwähnten entsprechenden Verstärkungsstufe entsprechen. Zur Erzielung des gewünschten Pegels des Hochfrequenzsignals ist dieser Verstärkerstufe eine in der Zeichnung nicht dargestellte Verstärkerstufe nachgeschaltet, die in ihrer Verstärkung nicht regelbar ist.
Zur Messung des am Werkstück anliegenden Signals kann eine Anzeigevorrichtung, z. B. ein Röhrenvoltmeter 20 verwendet werden.
Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Verstärkerstufe 33 so ausgebildet, dass ihre Verstärkung durch Anlegen eines von der Sonde 12 abgegriffenen Rückkoppelsignals variiert wird, und zwar derart, dass das am Werkstück anliegende Signal verändert wird um das von der Sonde 12 und damit vom Verstärker 34 abgeführte Signal im wesentlichen konstant zu halten. Das am Werkstück anliegende Signal wird dabei von der vorerwähnten Anzeigevorrichtung aufgezeigt und als Mass für den Abstand des Werkstückes 11 von der Sonde 12 gewertet.
Die Anzeigeempfindlichkeit dieser Anordnung beträgt bei einem Sondendurchmesser von etwa 0,33 mm etwa 2 Volt pro 0,025 mm Abstand zwischen der Sonde 12 und dem Werkstück 11.
Bei einem in Fig. 4 dargestellten weiteren Ausführungsbeispiel des Gegenstandes der Erfindung ist die Anordnung im wesentlichen nur dahingehend abgeändert, dass nunmehr das Werkstück 11 geerdet ist.
Die Rückkopplung erfolgt wieder zu dem vom Oszillator 13 abgeführten Hochfrequenzsignal, wobei das Hochfrequenzsignal im regelbaren Verstärker 33 verstärkt wird und einen Leistungsverstärker 40 antreibt.
Das vom Leistungsverstärker austretende Signal wird über einen Abstimmkreis 41 in den Spalt zwischen der Sonde 12 und dem Werkstück 11 eingespeist. Der Abstimmkreis 41 und der zentrale Leiter der Sonde 12 sind dabei gemäss Fig. 5 mittels einer Abschirmung 42 gegen Erde abgeschirmt und mit dem Ausgang des Leistungsverstärkers 40 verbunden. Dieser Art bildet der zentrische Leiter der Sonde 12 mit der Abschirmung 42 einen Teil der Kapazität des Abstimmkreises 41.
Die einzige Kapazität gegen Erde rührt somit von dem stirnseitigen Ende des zentralen Leiters der Sonde 12 her.
Bei Inbetriebnahme der Vorrichtung fliesst in dem Spalt zwischen der Sonde 12 und dem geerdeten Werkstück 11 ein Hochfrequenzstrom vorausgesetzt, dass die Abschirmung 42 ausreichend ist, ist dies der einzige durch den Abstimmkreis 41 fliessende Strom, wobei entsprechend dem Resonanzeffekt des Abstimmkreises 41 ein grösserer Stromfluss in diesem Schaltkreis hervorgerufen wird.
Eine sorgfältig abgeschirmte Koppelschleife 43 (siehe Fig. 5) übernimmt dabei den im induktiven Teil des Abstimmkreises 41 fliessenden Strom und führt diesen dem Ausgang des Sondenverstärkers 14 zu. Die Koppelschleife selbst wird von einem Leiter gebildet, der von einer geerdeten Abschirmung umgeben ist, wodurch eine auf kapazitivem Wege erfolgende Energieentnahme aus dem Leistungsverstärker 40 vermieden wird. Diese Abschirmung ist von einer weiteren Abschirmung umhüllt, die mit der den Abstimmkreis umgebenden Abschirmung 41 leitend verbunden ist. Hierdurch werden gegen Erde gerichtete Streukapazitäten des Abstimmkreises 41 unterbunden. Auf die Abschirmung des Abstimmkreises 41 gegen Erde muss dabei besonders Sorgfalt verwendet werden, da ansonsten ein grosses stehendes Signal in der Koppelschleife 43 auftritt und damit der Messbereich der Vorrichtung erheblich beschränkt wird.
Um dieser Aufgabe gerecht zu werden, wurde es daher für notwendig erachtet, den festen Schirm 42 sowie ein Metallgehäuse für den äusseren Schirm der Koppelschleife 43 zu verwenden.
Der Abstimmkreis 41 und der zentrale Leiter der Sonde 12 sind zusätzlich noch durch einen geerdeten Schirm 44 abgeschirmt. Hierdurch wird eine eventuelle Streuung der Hochfrequenzspannung vermieden. Die Kapazität zwischen den Schirmen 42 und 44 bildet dabei einen Teil der Abstimmkapazität des Ausgangsschaltkreises des Leistungsverstärkers 40.
Das vom Sondenverstärker 14 abgenommene Ausgangssignal wird beim Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 4 im Gleichrichter 17 gleichgerichtet und das hierbei entstehende Gleichstromsignal im Vergleicher 18 in Vergleich zu einer Bezugsspannung gesetzt. Der dem Vergleicher 18 entnommene Rückkoppelstrom wird, wie bei den bereits erläuterten Ausführungsbeispielen erwähnt, in den zwischen dem Oszillator 13 und den Leistungsverstärker 40 angeordneten und in seiner Verstärkung regelbaren Verstärker 33 eingespeist. Die Amplitude des Trägersignals wird dabei in Abhängigkeit von der Änderung des Abstandes der Sonde 12 vom Werkstück 11 variiert.
Da nämlich die Sonde 12 in die Rückkoppelschleife geschaltet ist, führt jede Abstandsänderung der Sonde 12 vom Werkstück 11 eine Änderung des Trägersignals herbei, die unverzüglich über den Vergleicher 18 und den Trägerverstärker rückgekoppelt wird um an der Sonde 12 kompensiert zu werden.
Mit Ausnahme dessen, dass der Sondenverstärker 14 im vorliegenden Fall eine konstante und nicht in ihrer Verstärkung regelbare Verstärkung besitzt, entspricht hierbei der Schaltkreis der Sonde 12 im wesentlichen demjenigen des ersten Ausführungsbeispieles. Die im Schaltkreis des Trägersignals verwendete und in ihrer Verstärkung regelbare Verstärkerstufe 33 kann dabei gleich der beim ersterwähnten Ausführungsbeispiel aufgezeigten Verstärkerstufe entsprechen, Wahlweise kann auch der Ausgangspegel des Oszillators 13 unmittelbar durch das vom Vergleicher 18 abgegriffene Rückkoppelsignal gesteuert werden. Allerdings hat sich dies, insbesondere mit Rücksicht darauf, dass häufig die Frequenz des Ausgangssignals des Oszillators 13 mit dem Wechsel der Amplitude geändert wird, als nicht besonders vorteilhaft erwiesen.
Die Anzeige der Entfernung der Sonde 12 von der Oberfläche des Werkstückes 11 erfolgt durch die Amplitude des am Leistungsverstärker 40 austretenden Signals. Als Anzeigevorrichtung dient dabei wiederum z. B. ein Röhrenvoltmeter.
Beim letzterwähnten Ausführungsbeispiel ist die Verstärkerstufe 33 wiederum so ausgebildet, dass ihre Verstärkung durch Anlegen eines von der Sonde 12 abgeleiteten Rückkoppelsignals variiert wird, und zwar derart, dass sich das vom Leistungsverstärker 40 kommende Antriebssignal ändert, um das von der Sonde 12 austretende und über den Verstärker 14 zum Gleichrichter 17 weitergeleitete Signal im wesentlichen konstant zu halten.
Das vom Leistungsverstärker 40 kommende Signal wird wiederum vom Anzeigeinstrument 20 als Mass für den Abstand der Sonde 12 vom Werkstück 11 wiedergegeben. Die Anzeigeempfindlichkeit der Vorrichtungen nach Fig. 3 und 4 ist beidemal durch entsprechende Wahl der Verstärkung des Sondenverstärkers 14 einstellbar.
Das erfindungsgemässe Verfahren sowie die Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens ermöglichen den Umriss sowie die Oberflächengestalt eines Werkstückes mit grösster Genauigkeit zu ermitteln, wobei es von erheblichem Vorteil ist, dass diese Bestimmung durch ein kontaktloses Verfahren erfolgt, was insbesondere bei Werkstücken sehr weichen und damit leicht verletzbaren Materials von erheblichem Vorteil ist.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt darin, dass das gesamte zur Verfügung stehende Signal ausgenutzt wird, da nämlich keine Kompensation und kein Nullabgleich vorgenommen zu werden braucht und auch keine Brückenschaltung zur direkten Messung der Kapazität erforderlich ist. Ein Vorteil der Erfindung, wie er beim zweiten und dritten Ausführungsbeispiel zum Ausdruck kommt, liegt übrigens in der linearen Abhängigkeit zwischen dem gemessenen Signal und dem Abstand zwischen der Sonde und dem Werkstück.
Abgesehen davon genügen die vorerwähnten Ausführungsbeispiele in besonders hohem Masse den Schutzbestimmungen, da nämlich der Signalpegel mit abnehmender Entfernung der Sonde vom Werkstück ebenfalls abnimmt, so dass das Signal bei deren Berührung auf den Strom- bzw. Spannungswert Null abgesunken sein kann.