CH677402A5 - - Google Patents

Description

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CH 677 402 A5

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Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Höhenmessung gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Bekanntlich wird das geometrische Nivellement visuell-manuell durchgeführt, indem ein Beobachter im Sehfeld eines genau horizontalen Fernrohres die Anzeige einer im Messpunkt aufgestellten Messlatte abliest. Es sind eine Vielzahl von Anordnungen und Verfahren bekannt, die versuchen, diesen Messprozess und die Messdatenerfassung beim geometrischen Nivellement zu objektivieren und zu automatisieren. So werden beispielsweise Messlattenteilungen durch Fotoempfängerzeilen ersetzt und der von einem Nivellier ausgesendete horizontale Laserstrahl als Index auf der Messlatte verwendet (US-PS 3 790 277,4 029 415 und 4 030 832, DE-AS1 915 89t, DE-OS1 923 055 und 2 756 364). Die fotoelektrischen Nivellierlatten haben den Nachteil, dass die lineare Anordnung von Fotoempfängern sehr kostspielig ist und nicht für einen sehr grossen Messbereich ausgelegt werden kann. Ausserdem muss an der Messlatte zusätzlich im Feld noch eine Messeinrichtung mitbewegt werden. Eine andere Methode der Höhenmessung besteht darin, dass entweder das gesamte instrument oder der Zietstrahl in die Höhe verschoben wird (FR-PS 1 366 877). Dabei hat es sich gezeigt, dass nur mit der vertikalen Verschiebung des horizontalen Zielstrahles die zuverlässigste Messgenauigkeit erreicht werden kann oder das geometrische Nivellement wird auf ein trigonometrisches Nivellement zurückgeführt unter der Bedingung, dass der Höhenwinkel sehr klein und die Entfernung Instrument-Messlatte nicht so genau bekannt sein muss. Zusätzliche Messfehler entstehen hier noch durch die Abhängigkeit der Grösse des Messlattenbildes von der Entfernung. Ein Nivellier mit einer Scheinwerferanordnung zur geometrischen Höhenmessung ist aus der DD-PS 226 066 und eine Nivellierlatte mit einer oder mehreren Teilungen mit spiegelnden Teilstrichen ist aus der DD-PS 227 507 bekannt.

Ziel der Erfindung ist es, die bei der geometrischen Höhenmessung genannten Nachteile des Standes der Technik mit einfachen Mitteln und geringem Aufwand zu beseitigen und durch eine weitere Entlastung des Beobachters bei der visuellen Beobachtung Ablese- und Übertragungsfehler zu reduzieren, damit die Messgenauigkeit erhöht wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Anordnung zur Höhenmessung unter Beibehaltung des Prinzips der geometrischen Höhenmessung so zu gestalten, dass der Messprozess der Messlattenablesung automatisiert werden kann und dass ein Höhen-tracking für Industrieabsteckungen mit diesem Messprinzip möglich wird. Diese Aufgabe wird gemäss den im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 aufgeführten Merkmalen gelöst. Vorteilhaft ist es, dass das optische Bauelement eine Planplatte ist, die so gesteuert wird, dass den einzelnen Teilungen auf der Messlatte Steuerstufen zugeordnet sind, wobei bei einer Drehung der Planplatte zusätzlich um eine horizontale Achse das Fernrohrobjektiv feststehend ist und die horizontale Drehung der Planplatte mit der ersten Messeinrichtung erfolgt, die dann nicht an dem Fernrohrobjektiv, sondern an der Planplatte angeordnet ist.

Weiterhin ist es von Vorteil, dass ein Ablenkprisma vor dem Fernrohrobjektiv mindestens eine selektive Schicht aufweist, dass zur Ablesung der Teilungen der Messlatte, zur Steuerung des Messprozesses und zur Berechnung der Messlattenablesungen ein an sich bekannter Mikroprozessor vorgesehen ist, wobei das Messergebnis in einem Display angezeigt wird, und dass der Pendelspiegel durch einen Motorantrieb in eine zweite Lage umschaltbar ist, indem er um 180" um seine Längsachse gedreht wird. Die Scheinwerferanordnung ist eine selbständige optische Anordnung, deren optische Achse koaxial zur optischen Achse des Fernrohrobjektivs vorgesehen ist, wobei die Lichtquelle mit einer Trägerfrequenz moduliertes sichtbares oder infrarotes Licht aussendet und eine Auswerteelektronik für ein Differenzfotoelement der Messeinrichtung selektiv nur für diese Frequenz empfindlich ist. Für die zweite Messeinrichtung ist es vorteilhaft, dass zwei Empfängerelemente vorhanden sind, welche ein Differenzfotoelement darstellen, dem eine Auswerteelektronik nachgeordnet ist, die es gestattet, sowohl die Differenz als auch die Summe der Signale beider Empfänger zu bilden, wobei die Bewertung der Summensignale sich nach dem Lichtangebot richtet. Es ist weiterhin möglich, dass zwei Differenzfotoelemente in der zweiten Messeinrichtung vorhanden sind, die zum gleichzeitigen Lesen von zwei Teilungen der Messlatte zu einem Quadrantenempfänger zusammengefasst sind, und dass die Signale der zwei Differenzfotoelemente einem Schmalbandverstärker sowie einem phasenempfindlichen Gleichrichter zugeführt werden oder dass das Signal des einen Differenzfotoelementes in eine Zwischenfrequenz gemischt wird und die Verstärkung in dieser Zwischenfrequenz erfolgt.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der schematischen Zeichnungen beipielsweise näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Nivellier mit einer erfindungsgemässen Anordnung zur Höhenmessung

Fig. 2 ein erstes Blockschaltbild der Anordnung

Fig. 3 ein zweites Blockschaltbild der Anordnung

Fig. 1 zeigt eine im Zielpunkt angeordnete Messlatte 1 mit einer Teilung 2 und ein im Standpunkt angeordnetes Kompensatornivellier 3. Das Nivellier 3 enthält ein horizontal angeordnetes Fernrohr mit einem Objektiv 4 in einer Fassung 5 und einem Pendelspiegel 7 in der halben Brennweite des Fernrohrobjektivs 4, der in einer Fassung 8 über die Bänder 43 aufgehängt und mit einem Schlitten 44 verbunden ist. Das von einer Lichtquelle 33 der Scheinwerferanordnung (16, 33, 34) ausgesendete und von der Messlatte 1 zurückreflektierte Licht trifft über ein Abschlussglas 27 und eine Planplatte 23 auf das Fernrohrobjektiv 4, wird von diesem über den Pendelspiegel 7 in eine Bildebene 29 auf der Vorderfläche des Fernrohrobjektivs 4 abgebildet, wobei auf der Vorderfläche noch ein Aus5

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gleichsteil 12 vorgesehen ist, das ein Prisma 13 trägt, welches gebündeltes Licht über die Objektive 17 und 18 auf einen Fotoempfänger 19a einer zweiten Messeinrichtung 19 abbildet. Die Reflexionsflächen 30 und 31 des Prismas 13 besitzen einen selektiven Belag, der infrarotes Licht reflektiert und visuelles Licht durchlässt. Auf dem Prisma 13 ist ausserdem ein Ausgleichskeil 14 mit einem Reflexionsprisma 15, das das Licht des visuellen Wellenlängenbereiches über die abbildenden Objektive 20 und 21 in eine Bildebene 32 reflektiert, angeordnet. Das in der Bildebene 32 entstehende Bild wird mit einem Okular 22 betrachtet. Auf den Reflexionsflächen des Prismas 15 ist noch eine Platte 16 vorgesehen, sie lenkt das Licht der Lichtquelle 33, das durch einen Kondensor 34 gesammelt wird in ein Objektiv 28 auf dem Abschlussglas 27. Das Objektiv 28 projiziert das Licht auf die Messlatte 1, von dort wird es zurückreflektiert in das Fernrohrobjektiv 4. Die Zielachse ZZ des Nivelliere 3 muss für die Messungen genau horizontiert sein und die Drehachse MM der Messlatte 1 senkrecht stehen. Deshalb dreht ein Beobachter das Nivellier 3 im Standpunkt so lange um die vertikale Drehachse VV, bis das Zentrum der Messlatte 1 angezielt ist, wobei ein Beobachter im Zielpunkt die Messlatte 1 so lange um die Drehachse MM dreht, bis mit Hilfe eines bekannten, nicht dargestellten Richtglases die Normale NN auf der Teilungsebene zur Zielachse parallel liegt. Die Planplatte 23 in einer Fassung 24 ist dabei drehbar in einer vertikalen Drehachse PP mit Hilfe einer Schalteinheit 26, die die Planplatte 23 in konstanten Stufen dreht, wobei die Drehwinkel etwa dem Mittenabstand der Teilungen 2 auf der Messlatte 1 zur parallelen Versetzung der Zielachse ZZ entsprechen. An dem Femrohrobjektiv 4 ist noch ein Massstab 36 als ein Teil der ersten Messeinrichtung 35 angeordnet, wobei die erste Messeinrichtung 35 feststehend ist und die an sich bekannten Bauelemente, eine Lampe 37 mit einem Blendenspalt, ein Objektiv 38 mit einem Fotoempfänger 39 um-fasst, der die vertikale Bewegung des Massstabes 36 registriert und damit die Höhenverschiebung des Fernrohrobjektivs 4 in einer Führung 6 misst. Die Höhenverschiebung des Fernrohrobjektivs 4 wird dabei mit bekannten Mitteln über einen Motor 40, der einen Exzenter 41 dreht und über eine Rolle 42 die Verschiebung bewirkt, realisiert.

Beim Messprozess erzeugt das Bild des von der Lampe 33 beleuchteten Teilstriches der Teilung 2 der Messlatte 1 im Fotoempfänger 19a der zweiten Messeinrichtung 19 beim Überfahren der Zielachse ZZ durch die Verschiebung des Fernrohrobjektivs 4 in der Führung 6 ein Signal, das eine Ablesung an dem Massstab 36 der ersten Messeinrichtung 35 auslöst. Danach wird durch die Schalteinheit 26 mit der Planplatte 23 die anderen Teilungen 2 auf der Messlatte 1 abgelesen, die zur Ermittlung der Kodierung des Teilstriches 2 dienen. Die Berechnung und Gesamtablesung der Messlatte 1 erfolgt nach der DD-PS 227 507 mit einem bekannten, nicht dargestellten Mikroprozessor. Mit dem Pendelspiegel 7 wird die Fokussierung des Messlattenbildes und die Stabilisierung der Ziellinie ZZ durchgeführt, wobei das Pendel mit einer Dämpfungseinrichtung 11 luftgedämpft wird. Ein Schlitten 44, der mit dem Rahmen 9 für den Pendelspiegei 7 verbunden ist, wird über einen Trieb 45 mit einem Stellknopf 47 von Hand bewegt. Auf dem Trieb 45 ist ein Zahnrad 46 vorgesehen, das das Zahnrad 47 antreibt. Das Zahnrad 47 dreht dann über eine Achse 49 ein Lager 48 und die Achse 49 steuert ein an sich bekanntes Getriebe 50, dass die beiden Blendenzungen 51 und 52 gegeneinander und senkrecht zu einem Spalt des Differenzfotoelementes 19a in gleichen Beträgen verschiebt, so dass die für die Messung nicht benötigten Teilstrichbilder Teilung 2 stets ausgeblendet werden und nur jeweils ein Teilstrichbild in allen Entfernungen vollständig und alleine das Differenzfotoelement 19a belichtet.

Fig. 2 zeigt ein erstes Blockschattbild der Anordnung, indem zu Beginn des Messvorganges ein Rechner 53 den Motor 40 für ein bekanntes, nicht näher dargestelltes, Mikrometer einschaltet. An der Mikrometerablesung 55 stehen dann laufend die Werte der aktuellen Mikrometerposition bereit. Die Mikrometerablesung 55 kann in bekannter Weise als absolut kodierte oder inkrementale Ablesung mit einem Anfangsimpuls ausgeführt sein und ist nicht näher dargestellt. Die beiden Einzelempfänger des Differenzfotoelementes 19a sind mit je einem Strom-Spannungswandler verbunden, der aus je einem Operationsverstärker 56 mit einem Gegenkopplungswiderstand 57 besteht. Die an dem Differenzfotoelement 19a anliegende proportionale Spannung wird einem Differenzverstärker 58 sowie einem Summenverstärker 59 zugeführt. Wird durch die Blendenzungen 51 und 52 nur jeweils ein Teilstrich 2 auf die Empfängerflächen 19a abgebildet, dann ist das Signal des Differenzverstärkers Null, wenn der Teilstrich 2 symmetrisch auf den Empfängern 19a liegt. Es ist dann noch eine Entscheidung zwischen den hellen Lattenstrichen 2, die zur Auswertung kommen sollen und den dunklen Strichzwischenräumen erforderlich, wie in der DD-PS 127 696 beschrieben. Das Signal des Summenverstärkers 59 enthält dazu die erforderliche Information und gelangt zu einem Komperator 61. Nur wenn der Komperator 61 ein H-Signal führt, liegt ein Hellstrich vor und über ein Gatter 65 kann der Nulldurchgang des Differenzverstärkers 58 über einen Komperator 60 und einen Nadelformer 64 einen Speicher 63 erreichen. Hier löst das Signal des Gatters 65 eine Speicherung des aktuellen Mikrometerstandes der Mikrometerablesung 55 sowie die Speicherung des L-Zustandes des Gatters 65 aus. Der Speicher 63 gibt dann über eine Steuerleitung 69 Unterbrechungsanforderung an den Rechner 53, so dass dieser mit bekannten Mitteln seines Bussystems den Zustand des Speichers 63 abfragt. Damit auch während der Rückwärtsbewegung des Mikrometers gemessen wird, wobei der Nulldurchgang des Differenzverstärkers 58 in umgekehrter Richtung auftritt, ist der Ausgang des Komperators 60 mit einem Negator 66, einem zweiten Nadelformer 67 und einem Gatter 68 verbunden, dessen zweiter Ausgang mit dem Komperator 61 verbunden ist. Das Gatter 68 ist mit dem Speicher 63 über einen eigenen Eingang verbunden und löst eine Speicherung des Mikrometerwertes beim Nulldurchgang sowie

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die Speicherung des L-Zustandes des Gatters 68 aus. Der Rechner 53 kann dann zwischen in Hin-und Rücklauf des Mikrometers gemessenen Werten entscheiden, sie mittein, oder beispielsweise eine Korrektur für eine negative Hysterese des Kom-perators 60 anbringen. Der Rechner 53 ist noch über eine Leitung mit einer Schaltung zur Erzeugung einer Vergleichsspannung 62 des Kompera-tors 61 verbunden. Diese Spannung muss dem Signalangebot des Empfängers 19a so angepasst sein, dass während des Mikrometerbetriebes eine Unterscheidung zwischen Strich und Strichzwischenraum möglich ist, um somit unterschiedliche Umgebungshelligkeiten und Messentfernungen angepasst zu sein. Das erfolgt dadurch, dass der Rechner 53 bei laufendem Mikrometerantrieb veranlasst, dass die Spannung am Gatter 68 stufenweise oder kontinuierlich zu vermindern und/oder zu erhöhen ist, bis der Bereich erreicht ist, in dem eine richtige Messung möglich ist. Ausserdem ist eine Messschaltung 70 vorhanden, die mit dem Summenverstärker 59 verbunden ist und zur Speicherung des minimalen und/oder maximalen Summenwertes eingerichtet ist. Dadurch kann der Rechner 53 die entsprechende Komperatorschwelle am Gatter 68 einstellen und eine direkte Verbindung von 70 und 62 ermöglichen, um die Vergleichsspannung analog als zeitlichen Mittelwert der Summe zu bilden und speichern. Derartige Schaltungen sind bekannt und nicht näher dargestellt. Nachdem eine oder mehrere Mikrometermessungen erfolgt sind, schaltet der Rechner 53 den Motor der Schalteinheit 26 für die Planplattensteuerung ein und damit die Ablesung der nächsten parallelen Spalte der Teilung 2. Aus einer oder mehreren Teilungen 2 kann dann der Höhenwert berechnet werden, entsprechend der DD-PS 227 507, Entsprechend des zur Verfügung stehenden Mikrometerbereiches sind auch andere Kodierungsverfahren für die Teilung 2 der Messlatte 1 möglich, beispielsweise wie das in der DD-PS 107136 beschriebene. Wird eine Messlatte 1 mit 2 Teilungen benutzt, kann die Planplatte 23 entfallen, wenn anstelle des Differenzfotoempfängers 19a ein Quadrantenempfänger verwendet wird. Mit diesem können beide Teilungen gleichzeitig gelesen werden, wenn die Anzielung der Messlatte 1 so erfolgt, dass die Trennlinie beider Teilungen auf die Trennlinie des Quadrantenempfängers abgebildet wird, unabhängig von der Entfernung der Messlatte 1 vom Nivellier 3 im Standpunkt. Bei 3 Teilungen ist das nicht möglich. Nach beendeter Ablesung und Berechnung des Höhenwertes ist es vorteilhaft und bekannt, das Pendel 9 des Pendelspiegels 7 um 180° um seine Längsachse in eine 2. Lage zu drehen und die Messungen zu wiederholen, damit die Pendelfehler keinen Einfluss auf das Messergebnis haben. Dazu betätigt der Rechner 53 den Motor 40 für die Pendelumschalfung 54. In der Fig. 3 ist eine zweite Ausführungsform der Elektronikanordnung dargestellt, die auch höhere Umgebungslichtstärken verarbeiten kann. Die Lichtquelle 33 zur Beleuchtung der Messlatte 1 wird dazu von einem Generator 71 gespeist, so dass die Lichtquelle 33 mit einer Frequenz f moduliertes Licht ausstrahlt. Die Ausgangssignale des Differenzfotoempfängers

19a enthalten Anteile dieser Frequenz, die in einem Schmalbandverstärker 72 sehr hoch verstärkt werden können, da das störende Gleichlichtsignal vom Umgebungslicht nicht mitverstärkt wird und durch die Einschränkung der Bandbreite auch das Rauschen verringert wird. Anschliessend wird das Signal des Verstärkers 72 einem phasenempfindlichen Gleichrichter zugeleitet, an dessen Ausgang nach entsprechender Glättung Gleichsignale anliegen und eine Elektronik entsprechend Fig. 2 nachgeschaltet werden kann, von der hier nur der Differenz* und Summenverstärker 58 und 59 dargestellt sind, da der weitere Aufbau analog ist, liegt die Modulationsfrequenz der Lichtquelle 33 im Hochfrequenzbereich, so ist es zweckmässig, durch Anlegen einer Mischfrequenz, direkt an den Differenzfotoempfänger 19a einen Signalanteil mit einer Zwischenfrequenz zu erzeugen und diesen dann zu verstärken. Eine entsprechende Verfahrensweise ist von elektrooptischen Entfernungsmessern bekannt und deshalb nicht näher dargestellt.

Claims (1)

1. Patentansprüche

   1. Anordnung zur Höhenmessung, insbesondere zum geometrischen Nivellement, mit einer Messlatte im Zielpunkt, die eine oder mehrere Teilungen mit spiegelnden Teilstrichen trägt, mit einem Messinstrument, enthaltend ein horizontal angeordnetes Fernrohr mit einem in vertikaler Richtung, senkrecht zur optischen Achse des Fernrohres verschiebbaren Objektiv und einen in der halben Brennweite des Fernrohrobjektivs verschiebbar angeordneten Pendelspiegel zur Bildfokussierung und Neigungskompensation, eine erste Messeinrichtung zur Messung der Höhenverschiebung des Fernrohrobjektivs, eine zweite Messeinrichtung zur Ausmessung des Lattenbildes, eine Scheinwerferanordnung und einen Mikroprozessor mit einer Anzeigeeinheit, gekennzeichnet dadurch, dass zur Verschiebung eines Zielstrahles parallel zur optischen Achse vor dem Femrohrobjektiv (4) in der optischen Achse des Fernrohres mindestens ein um eine vertikale Achse drehbares optisches Bauelement (23), dessen Bewegung automatisch nach einem Messprogramm gesteuert wird, vorgesehen ist und dass vor der zweiten Messeinrichtung (19) eine Blende (51, 52) angeordnet ist, deren Spaltbreite in Abhängigkeit von der Fokussierbewegung des Pendelspiegels (7) gesteuert wird.

   2. Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass das optische Bauelement (23) eine Pianplatte ist, die so gesteuert wird, dass den einzelnen Teilungen auf der Messlatte (1) Steuerstufen zugeordnet sind.

   3. Anordnung nach Anspruch 2, gekennzeichnet dadurch, dass bei Drehung der Planplatte (23) zusätzlich um eine horizontale Achse das Fernrohrobjektiv (4) feststehend ist, dass die Drehung um diese horizontale Achse mittels der ersten Messeinrichtung (35) gemessen wird und dass diese erste Messeinrichtung dann nicht an dem Fernrohrobjektiv (4), sondern an der Planplatte (23) angeordnet ist.

   4. Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet

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   dadurch, dass ein auf einem mit dem Fernrohrobjektiv (4) fest verbundenen Auagleichsteil (12) angeordnetes Ablenkprisma (13) mindestens eine selektive Schicht aufweist.

   5. Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass die Scheinwerferanordnung (16, 33, 34, 28) eine selbständige optische Anordnung ist, deren optische Achse koaxial zur optischen Achse des Fernrohrobjektivs (4) vorgesehen ist, wobei eine Lichtquelle (33) der Scheinwerferanordnung mit einer Trägerfequenz moduliertes sichtbares oder infrarotes Licht aussendet und eine Auswerteelektronik für ein Differenzfotoelement (19a) der zweiten Messeinrichtung (19) selektiv nur für diese Frequenz empfindlich ist.

   6. Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass zur Ablesung der Teilung (2) der Messlatte (1), zur Steuerung des Messprozesses und zur Berechnung der Messlattenablesungen ein Mikroprozessor vorgesehen ist, wobei das Messergebnis in einem Display angezeigt wird.

   7. Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass der Pendelspiegel (7) durch einen Motorantrieb (40) in eine zweite Lage umschaltbar ist, indem er um 180° um seine Längsachse gedreht wird.

   8. Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass die zweite Messeinrichtung (19) zwei Empfängerelemente aufweist, welche ein Differenzfotoelement (19a) darstellen, dem eine Auswerteelektronik nachgeordnet ist, die es gestattet, sowohl die Differenz, als auch die Summe der Signale beider Empfängerelemente zu bilden, wobei die Bewertung der Summensignale sich nach dem Lichtangebot richtet.

   9. Anordnung nach Anspruch 8, gekennzeichnet dadurch, dass die zweite Messeinrichtung ein weiteres Differenzfotoelement (19a) umfasst, wobei die zwei Differenzfotoelemente zum gleichzeitigen Lesen von zwei Teilungen (2) der Messlatte (1) zu einem Quadrantenempfänger zusammengefasst sind.

   10. Anordnung nach Anspruch 9, gekennzeichnet dadurch, dass die Signale der zwei Differenzfotoelemente (19a) einem Schmalbandverstärker (72) sowie einem phasenempfindlichen Gleichrichter (73) zugeführt werden.

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