CH654915A5 - Anordnung zur gerad- und ebenheitsmessung. - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Gerad- und Ebenheitsmessung gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Aus der DD-PS 125 440 ist das Messprinzip bekannt, mit zwei oder mehreren kommunizierenden Gefässen, in denen eine Flüssigkeit je nach relativer vertikaler Lage der Gefässe zueinander jeweils eine mit einem Geber in Verbindung stehende Membran auslenkt. Aus diesen Auslenkungen werden elektrische Signale gewonnen, die nach Differenzbildung verstärkt, gefiltert und angezeigt bzw. ausgewertet werden. Ein Nachteil dieses Messprinzipes ist es, dass die erreichbare Präzision durch Einflüsse von Volumeneffekten in den Gefässen auf die Messsignale in erheblicher Weise beeinträchtigt wird. Diese Volumeneffekte sind Volumenänderungen, die vor allem durch Schlauchdeformationen bei Bewegungen der Gefässe auftreten. Dieser Umstand fällt um so stärker ins Gewicht, je grösser die Messflächen sind und je grösser der Abstand der Messstellen, d.h. der Gefässe, voneinander ist. Damit werden Messgenauigkeit bzw. die Anwendbarkeit des Messsystems stark reduziert. Volumenänderungen in den Gefässen können ausserdem durch klimatische Bedingungen, wie z.B. Temperatureinflüsse der

Gefässwände und der Flüssigkeit, hervorgerufen werden. Der Einfluss auf das Messsignal ist dadurch begründet, dass nicht wie bei einer freien Flüssigkeitsoberfläche durch Differenzbildung der Gebersignale infolge gleicher Beträge des Anstei-s gens oder Absinkens der Flüssigkeitsoberfläche auf beiden Seiten des kommunizierenden Systems infolge Volumenänderungen das resultierende Signal invariant ist, sondern dass die Membranen in ihrer integral auf die Flüssigkeitsoberfläche wirkenden Federkonstanten nicht genau gleich sind io und dadurch bei Volumenänderungen unterschiedliche Membranwege auftreten. Unterschiedliche Membranwege bewirken unterschiedliche Gebersignale, wodurch die Genauigkeit des Messergebnisses beeinträchtigt wird.

Ziel der Erfindung ist die Erhöhung der Messgenauigkeit 15 und -Sicherheit sowie die universellere Anwendbarkeit, insbesondere zum Messen von grossen Flächen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zur Gerad- und Ebenheitsmessung zu schaffen, bei der Volumenänderungseffekte in den flüssigkeitsgefüllten kom-20 munizierenden Gefässen das Messergebnis nicht beeinträchtigen.

Die erfindungsgemässe Anordnung zur Gerad- und Ebenheitsmessung ist durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 angeführten Merkmale gekennzeichnet. 25 Es ist vorteilhaft, wenn jede Bewertungsstufe zwei Spulen umfasst und wenn die Spulen der Bewertungsstufen als Differentialspulenschaltung mit einem einstellbaren Kern zur jeweils paarweisen Erregung der Spulen angeordnet sind.

Ebenfalls ist von Vorteil, wenn Mittel zur Volumenände-30 rung in den kommunizierenden Gefässen zur Gewinnung von Einsteligrössen der Bewertungsstufen vorgesehen sind.

Von Vorteil ist weiterhin, wenn als Geber jeweils ein induktiver Wandler vorgesehen ist, dessen in einer Spule beweglicher Kern starr mit der Membran verbunden und mit-35 tels einer Feder, vorzugsweise einer Blattfeder, vertikal geführt ist.

Vorteilhaft ist es hingegen auch, wenn als Geber jeweils ein kapazitiver Wandler vorgesehen ist, dessen bewegliche Elektrode, die senkrecht zur festen Elektrode bewegbar ist, starr 40 mit der Membran verbunden und mittels einer Feder, vorzugsweise einer Blattfeder, vertikal geführt ist.

Die Erfindung ist nachstehend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:

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Fig. 1 das Prinzip der Anordnung zur Gerad- und Ebenheitsmessung mit Bewertungsstufen,

Fig. 2 eine Differentialspulenschaltung als vorteilhafte Ausführungsform der Bewertungsstufen und so Fig. 3 die Kopplung eines induktiven Wandlers als Geber durch starre Verbindung mit der Membran in einem Gefäss mit Traggestell.

In Fig. 1 ist eine Anordnung zur Gerad- und Ebenheits-55 messung dargestellt, die nach dem Prinzip der Messanordnung gemäss der DD-PS 125 440 arbeitet.

Zwei Gefässe 6 und 7, die mit Flüssigkeiten 8 und 9 gefüllt sind, sind über eine Röhre 16 miteinander kommunizierend verbunden. Die Gefässe 6,7 sind jeweils durch eine Mem-60 bran 10 bzw. 11 oben abgeschlossen. Auf den Gefässen 6,7 sitzen Traggestelle 14,15. In den Traggestellen 14,15 sind jeweils ein Geber 12 bzw. 13 angeordnet, deren Messfühler 30 bzw. 31 jeweils mit der Membran 10 bzw. 11 in Verbindung stehen. Das Gefäss 6 sitzt mit einem Taster 29 auf einer zu 65 prüfenden Oberfläche 2 auf, während das Gefäss 7 auf einem Traggestell 19 ruht, das auf einem Fundament 20 ortsfest angeordnet ist. Die Röhre 16 besitzt eine Kammer 32 mit einer Einstellschraube 33. Ausgangsseitig stehen die Geber

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12,13 über Leitungen 21 und 22 und über Bewertungsstufen 34,35 mit einem Differenzbildner 23 in Verbindung, dessen Ausgang über eine Leitung 27 mit einem Messverstärker 24 verbunden ist. Die Ausgangssignale des Messverstärkers 24 gelangen über ein Filter 25 auf eine Anzeige- und/oder Auswertestufe 26.

Durch die Oberfläche 2 ist das Gefäss 6 über den Taster 29 vertikal veränderbar. In Abhängigkeit der relativen vertikalen Lagen der Gefässe 6 und 7 werden durch das kommunizierende Gefässsystem mit den Flüssigkeiten 8 und 9 die Membranen 10 und 11 ausgelenkt. Diese Auslenkungen werden durch die Geber 12,13 erfasst und in elektrische Signale umgewandelt. Da das Gefäss 7 auf dem Fundament 20 ortsfest aufsitzt, beinhalten die Ausgangssignale der Geber 12 und 13 an den Leitungen 21 und 22 Informationen über die Höhenkoordinaten der Oberfläche 2 bzw. über deren Ebenheit, so dass nach dem Schlauchwaagenprinzip die Oberflächengeometrie bestimmt werden kann. Aus diesen Signalen wird die Differenz gebildet und anschliessend im Messverstärker 24 verstärkt. Im Filter 25 wird dieses Messsignal, eine Quasi-Gleichspannung, vom Spektrum der Störsignale, die vor allem durch Schwingungen am Aufstellort hervorgerufen werden, getrennt. Die Messgrösse wird nach der Filterung mittels der Anzeige- und/oder Auswertestufe 26 registriert bzw. angezeigt. Der angezeigte Messwert ist direkt ein Mass für die Geometrie der Oberfläche 2.

Volumeneffekte durch Volumenänderungen, die das Messergebnis verfälschen, werden durch unterschiedliche Eigenschaften der Membranen in den kommunizierenden Gefässen 6 und 7 hervorgerufen. Diese unterschiedlichen Eigenschaften bewirken unterschiedliche elektrische Signale an den Gebern 12,13 als Reaktion auf die Volumenänderung. Die elektrischen Gebersignale werden so beeinflusst, dass sie in Abhängigkeit der Membraneigenschaften jeweils einstellbar gesteuert werden können. Diese Steuerung erfolgt in den Bewertungsstufen 34,35, die jeweils den Gebern 12 bzw. 13 elektrisch nachgeschaltet sind. Auf diese Art und Weise werden die Gebersignale vor der Differenzbildung mit Kompensationsgrössen bewertet, die den mechanischen Eigenschaften der Membranen 10 und 11 entsprechen. Diese Kompensationsgrössen werden vorzugsweise durch Anwendung von Mitteln zur Herbeiführung einer künstlichen Volumenänderung (z.B. Flüssigkeitsverdrängung) ermittelt. Aus dieser Volumenänderung werden die von den unterschiedlichen Mambraneigenschaften bewirkten unterschiedlichen elektrischen Signale ausgewertet und daraus die Kompensationsgrössen abgeleitet.

Die Membranen 10 und 11 sind dehnbare Gebilde, die in ihrer integral auf die Flüssigkeiten 8 und 9 wirkenden Federkonstanten nicht genau gleich sind. Die Membraneigenschaften sind von einer Vielzahl von Faktoren, wie Material, Form, technologische Parameter usw. abhängig. Unterschiedliche Membraneigenschaften bewirken jedoch voneinander abweichende Auslenkungen der Membranen 10 und 11 bei unterschiedlichen Membranausdehnungen. Die Folge davon sind Verfälschungen des Messergebnisses, wenn sich das Volumen der Flüssigkeiten 8 und 9 ändert. Derartige Volumenänderungen können sowohl durch klimatische Bedingungen als auch durch Deformation der Röhre 16 hervorgerufen werden. Um diese Fehlereinflüsse zu kompensieren, sind in den Leitungen 21 und 22 den Gebern 12 und 13 jeweils die Bewertungsstufen 34 und 35 nachgeschaltet, in denen jeweils das Gebersignal in Abhängigkeit von den Membraneigenschaften der dem Geber 12bzw. 13 jeweils zugeordneten Membran 10 bzw. 11 gesteuert wird.

Mit der oben beschriebenen Anordnung wird das Messprinzip mit entsprechender Genauigkeit und Zuverlässigkeit auf das Messen von sehr grossen Flächen erweitert, da Volumenausdehnungseffekte, inbesondere durch Schlauchdeformationen, das Messergebnis nicht mehr verfälschen. Beim Prüfen von Messflächen, deren Geometrie erheblich von der Ebene abweicht, wird der Linearitätsbereich des Messsystems s u.U. bis an die Grenzen oder darüber hinaus beansprucht.

Um dennoch die Linearität für die Genauigkeit und Zuverlässigkeit des Messergebnisses an sich sowie insbesondere für die diese Präzision mitbegründende erfindungsgemässe Kompensation sicher zu gewährleisten, ist es zweckmässig, io die Höhenkoordinate der Referenzfläche veränderbar zu gestalten.

Die elektrischen Korrekturgrössen für die mechanisch unterschiedlichen Membraneigenschaften werden vorteilhaft durch künstlich bewirkte Volumenänderungen mittels der 15 Einstellschraube 33 in der Kammer 32 ermittelt. Nach Korrektur der elektrischen Gebersignale ist das Differenzsignal auf der Leitung 27 unabhängig von Volumenänderungseffekten. Die Messanordnung wird damit universell anwendbar nicht nur für unterschiedliche klimatische Bedin-20 gungen, sondern auch für das Messen von sehr grossen Oberflächen, wofür die Röhre 16 vorzugsweise durch einen Schlauch realisiert wird. Für diese Beweglichkeit und Länge des Schlauches ist die Gefahr von Deformationen leicht gegeben. Fig. 2 zeigt eine vorteilhafte Ausgestaltung der 25 Bewertungsstufen, indem jede Bewertungsstufe aus zwei Spulen besteht. Zwei Spulen 36 und 37 bilden die in der Fig. 1 mit 34 bezeichnete Bewertungsstufe, während die in der Fig. 1 mit 35 bezeichnete Bewertungsstufe durch zwei Spulen 38 und 39 realisiert wird. Die Spulen 36,37,38,39 sind als Dif-30 ferentialspulenschaltung angeordnet, indem ein Kern 40 bewegbar ist. Durch Veränderung des Kerns 40 werden die Spulen 36 und 37 sowie 38 und 39 jeweils paarweise in ihrer Induktivität und damit in ihrem induktiven Widerstand verändert, so dass mit der Einstellung des Kerns 40 eine Beein-35 flussung der Gebersignale zueinander möglich ist.

In Fig. 2 ist eine Brückenschaltung der in der Fig. 1 dargestellten Geber 12,13 mit der Differentialspulenschaltung aus den Spulen 36,37,38,39 gezeigt. Zwei Spulen 41 und 42 symbolisieren dabei die veränderbaren Induktivitäten eines 40 induktiven Wandlers als Geber 12. In gleicher Weise ist der Geber 13 durch zwei weitere veränderbare Spulen 43,44 dargestellt. Über zwei Leitungen 45 und 46 wird an diese Brük-kenschaltung eine Versorgungsspannung Uv herangeführt. Die miteinander verbundenen Anschlüsse der Spulen 43 und 45 44 des Gebers 13 liegen an Masse, während die miteinander verbundenen Anschlüsse der Spulen 41 und 42 über die Leitung 27 (siehe Fig. 1) mit dem Messverstärker 24 gekoppelt sind. Mit dieser Brückenschaltung wird vorteilhafterweise gleich der in der Fig. 1 mit 23 bezeichnete Differenzbildner so realisiert.

Durch die Brückenschaltung aus den Gebern und der Differentialspulenschaltung kann vorteilhafterweise gleichzeitig der Differenzbildner realisiert werden. Grundvoraussetzung sowohl für die Genauigkeit des Messvorgangs an sich als 55 auch für die Präzision der Kompensation der Gebersignale in den Bewertungsstufen 34,35 ist die Linearität des Messsystems, d.h. ein linearer Zusammenhang zwischen der mechanischen Höhenänderung und deren Erfassung, Messung und Anzeige. Für die Gewährleistung dieser Linearität ist der 60 Geber und seine Verbindung zur Membran eine kritische Stelle. Deshalb ist es vorteilhaft, als Geber den sehr linearen induktiven oder einen kapazitiven Wandler einzusetzen, ohne dass auslenkungsabhängige Luftspaltänderungen die Wandlersignale durch Nichtlinearitäten verfälschen. Dabei 65 soll eine starre Verbindung vom mechanischen Fühler zur beweglichen Membran bestehen, die durch Federkraft in der Bewegungsrichtung zur reibungsfreien Bewegung stabilisiert wird.

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Durch Beseitigung des störenden Einflusses der Membran- bei der Kompensation der Auswirkung von Volumenände-eigenschaften bei unterschiedlichen Ausdehnungen der rungseffekten ist allerdings nicht unbegrenzt. Insbesondere Membran auf das Messergebnis ist die Messanordnung auch beim Messen von sehr grossen Flächen, für die das Messverfür grössere Membranauslenkungen mit entsprechender fahren durch die oben beschriebenen Mittel anwendbar Genauigkeit anwendbar. Voraussetzung dafür ist jedoch ein s gemacht wird, treten, wenn die Geometrie der Oberfläche entsprechender Linearitätsbereich in der Erfassung, Verar- keine exakte Ebene ist, Höhenunterschiede auf, durch die der beitung und Anzeige des Vertikalweges. Fig. 3 zeigt eine vor- Linearitätsbereich bis an die Grenze und eventuell darüber teilhafte Kopplung des in der Fig. 1 mit 12 bezeichneten beansprucht wird. Um dennoch die volle Linearität der Mess-Gebers mit der Membran 10 zur Gewährleistung dieser Werterfassung bis zur Anzeige für die Genauigkeit der Mes-Linearität. Als Geber 12 dient ein induktiver Wandler, bei io sung zu gewährleisten, ist es vorteilhaft, durch in der Zeich-dem in einem Spulensystem 47 mit mindestens zwei nung nicht dargestellte Mittel die vertikale Lage des Gefässes Anschlüssen 48 und 49 ein Kern 50 bewegt wird. Dieser Kern 7 veränderbar (nachführbar) zu gestalten. Durch hochgenaue ist über einen Träger 51 mit zwei Befestigungselementen 52 Messung in der Positionierung dieser vertikalen Lage des und 53 mit der Membran 10 starr verbunden. Der Träger 51 Gefässes 7 kann darüberhinaus ein Mass für die Höhenab-wird mittels einer an dem Traggestell 14 mit einem Befesti- is weichung auf der zu prüfenden Oberfläche 2 gewonnen gungselement 54 befestigten Blattfeder 55 geführt. Die Bewe- werden.

gung des Kerns 50 wird auf diese Weise da die Membran 10 Damit wifd die Mess unebener Oberflächen auf eine em schwimmendes Gebilde darstellt, auf eine einzige Bewe- ktweise oder bereichsweise Ebenenvergleichsmessung gungsnchtung stabilisiert. Das Spulensystem 47 ist so am zurückseführt Traggestell 14 angeordnet, dass der Kern 50 im Spulensystem 20

reibungsfreie Bewegungen ausführen kann. Diese Membran- Bei der oben beschriebenen Anordnung werden unter-

Geber-Kopplung zeichnet sich durch sehr lineare Eigen- schiedliche Oberflächenniveaus mit entsprechender Präzi-

schaften aus, insbesondere da keine Nichtlinearitäten durch sion durch punktweise Abtastung mit dem Messprinzip zur einen kapazitiven oder induktiven Luftspalt auftreten. Als Ebenheitsmessung erfasst. Durch Messung der Höhenkoor-

Geber kann auch ein kapazitiver Wandler eingesetzt werden, 25 dinatennachführung lässt sich darüberhinaus gleichzeitig ein dessen Elektroden beispielsweise koaxial ineinander Mass für die Oberflächenunterschiede der Messfläche tauchen. Der Linearitätsbereich bei der Messung und damit gewinnen.

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3 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

654915 PATENTANSPRÜCHE

1. Anordnung zur Gerad- und Ebenheitsmessung mit mindestens zwei flüssigkeitsgefüllten, nämlich mindestens einem über einer Mess- und mindestens einem über einer Referenzfläche angeordneten, kommunizierenden Gefässen (6,7), in denen sich jeweils eine Membran (10,11) und ein ihr zugeordneter Geber (12,13) befinden, an dessen Ausgang von der Membranhöhe bzw. -ausdehnung abhängige elektrische Signale anliegen, die über einen Differenzbildner (23) einem Messverstärker (24) zugeführt sind, der ausgangsseitig über eine Filterstufe (25) mit einer Anzeige- und/oder Auswertestufe (26) in Verbindung steht, gekennzeichnet dadurch, dass der Ausgang jedes Gebers über eine in Abhängigkeit der Membraneigenschaften der dem Geber jeweils zugeordneten Membran (10,11) einstellbare Bewertungsstufe (34,35) mit dem Differenzbildner (23) in Verbindung steht.

2. Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass jede Bewertungsstufe zwei Spulen (36,37; 38,39) umfasst und dass die Spulen der Bewertungsstufen als Differentialspulenschaltung mit einem einstellbaren Kern (40) zur jeweils paarweisen Erregung der Spulen angeordnet sind.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, dass Mittel (32,33) zur Volumenänderung in den kommunizierenden Gefässen zur Gewinnung von Einsteligrössen der Bewertungsstufen vorgesehen sind.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, dass als Geber jeweils ein induktiver Wandler vorgesehen ist, dessen in einer Spule beweglicher Kern (50) starr mit der Membran (10) verbunden und mittels einer Feder (55), vorzugsweise einer Blattfeder, vertikal geführt ist.

5. Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass als Geber jeweils ein kapazitiver Wandler vorgesehen ist, dessen bewegliche Elektrode, die senkrecht zur festen Elektrode bewegbar ist, starr mit der Membran verbunden und mittels einer Feder, vorzugsweise einer Blattfeder, vertikal geführt ist.

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet dadurch, dass für Messflächen, deren vertikale Oberflächenabweichungen grösser sind als der Messbereich des Vertikalwegaufnehmersystems, die Höhenkoordinate der Referenzfläche messbar veränderbar ist.