DE1016945B

DE1016945B - Method for non-contact length measurement

Info

Publication number: DE1016945B
Application number: DEH27065A
Authority: DE
Inventors: Dr Rer Nat Erich Lechky
Original assignee: Huettenwerk Oberhausen AG
Current assignee: Huettenwerk Oberhausen AG
Priority date: 1956-05-16
Filing date: 1956-05-16
Publication date: 1957-10-03

Description

Verfahren zur berührungslosen Längenmessuny Die Erfindung hat ein Verfahren zur berührungslosen Messung von Längen z. B. des Abstandes paralfeler Kanten flächenhafter Werkstücke zum Inhalt. Method for contactless length measurement The invention has a Method for the non-contact measurement of lengths z. B. the distance paralfeler Edges of two-dimensional workpieces to the content.

Es eignet sich besonders zur Ausmessung selbstleuchtender Körper, wie z. B. glühen. der Platten und Bleche, kann aber auch immer dann angewandt werden, wenn ein starker Helligkeitskontrast zwischen dem Meßobjekt und seiner Unterlage vorhanden. ist.It is particularly suitable for measuring self-luminous bodies, such as B. glow. of plates and sheets, but can also always be used if there is a strong contrast in brightness between the object to be measured and its surface available. is.

Die Bedingungen, unter denen derartige Messungen vorgenommen werden müssen, sind im allgemeinen folgende: Die Ebene, in der das Werkstück liegt, ist durch dessen Untelrlage (Fließband, Tisch, Rollgang beim Blechwalzen usw.) gegeben. Man wird dann einen mehr oder weniger ausgedehnten Bereich dieser Ebene zur Messung vorsehen, der von dem Meßgerät erfaßt wird und in den das Meßobjekt gebracht werden muß. The conditions under which such measurements are made are generally as follows: The plane in which the workpiece lies is given by its support (conveyor belt, table, roller table for sheet metal rolling, etc.). A more or less extensive area of this plane is then used for measurement provide, which is detected by the measuring device and in which the test object are brought got to.

In. diesem Bereich muß aber bei jeder beliebigen Verschiebung oder Verdrehung g des Meßobjektes mit gleicher Genauigkeit gemessen werden können.In. however, this area must be used for any shift or Rotation g of the measurement object can be measured with the same accuracy.

Derartige Messungen sind z. B. notwendig, wenn die Breite bandförmigen Gutes oder die Länge (Breite) von rechteckigen Blechen oder Brammen während des Walzens bestimmt werden soll. Diese Messung, die schon wegen der hohen Temperaturen in der Nähe des Meßobj ektes schwierig durchzuführen ist, ist manchmal noch mit erheblichen zusätzlichen Schwierigkeiten verbunden; z. B. kann es beim Blechwalzen notwendig sein, das Meßinstrument außerhalb des Laufweges von. Kränen anzubringen. Es können sich dann beträchtliche Entfernungen. zwischen dem Rollgang und dem Meßinstrument (beispielsweise 20 m) ergeben. Häufig werden die Messungen auch dadurch erschwert, daß das Gerät nur an einer schwer zugänglichen Stelle angebracht werden kann, so daß der Aufenthalt eines Beobachters in seiner unmittelbaren Nähe unmöglich ist. In einem solchen Falle muß die ! Meßmethode eine verzögerungslose Fernübertragung des Meßwertes und eine Fernbedienung des Gerätes s zulassen. Such measurements are e.g. B. necessary if the width is ribbon-shaped Good or the length (width) of rectangular sheets or slabs during the Rolling should be determined. This measurement, already because of the high temperatures in the vicinity of the object is difficult to carry out, is sometimes still with associated considerable additional difficulties; z. B. it can be with sheet metal rolling It may be necessary to move the measuring instrument outside the path of. To attach cranes. The distances can then be considerable. between the roller table and the measuring instrument (e.g. 20 m). Often the measurements are also made more difficult by that the device can only be installed in a difficult-to-access place, so that it is impossible for an observer to be in his immediate vicinity. In such a case the! Measurement method an instantaneous long-distance transmission of the measured value and remote control of the device.

Schließlich besteht fast immer die Forderung, die Messung so schnell vorzunehmen, daß das fertige Meßergebnis spätestens in. einigen Sekunden vorliegt, ohne e daß verzögernde Umrechnungen vorgenommen bzw. Eichkurven oder ähnliches benutzt werden müssen. After all, there is almost always the requirement to take the measurement so quickly to ensure that the finished measurement result is available within a few seconds at the latest, without delaying conversions or using calibration curves or the like Need to become.

Es war bisher kein Verfahren bekannt, das unter den vorgenannten Bedingungen. befriedigend genaue Meßergebnisse mit nicht zu teueren Einrichtungen geliefert hätte. Optische Verfahren lassen zwar sehr genaue Längenmessungen zu, geben aber keine Möglichkeit der Fernübertragung des ermittelten Meßwertes und kommen daher für den vorbezeichneten Aufgabenbereich nicht in Betracht. Ein elektro- optisches Verfahren, das derartige Messungen vorzunehmen gestattet und noch. nicht zum Stande der Technik gehört, weist Nachteile auf, die seine Anwendung nur in beschränktem Umfange gestatten. So far, there has been no known method similar to the above Conditions. satisfactorily accurate measurement results with equipment that is not too expensive would have delivered. Optical methods allow very precise length measurements, but do not give the possibility of remote transmission of the measured value and come therefore not considered for the aforementioned area of responsibility. An electro optical Process that allows such measurements to be made and still does. not to the state belonging to the technology has disadvantages which make its application only to a limited extent Allow scope.

Nach diesem Verfahren wird die Anzahl derjenigen Zeilen eines Fernsehbildes ausgezählt, die von dem Bild des Meßobjektes überdeckt werden. Ein Nachteil dieses Verfahrens s besteht darin, daß hierbei die Genauigkeit der Ausmessung wesentlich von. der Konstanz und Linearität der Ablenkspan. nungen (Kippspannungen) abhängt, die bei der Abtastung des Bildes verwendet werden. Wenn man hohe Genauigkeiten fordert, sind kostspielige, spezielle Ausführungen in den Kippgeräten der Ferusehanlagen erforderlich. Das Auflösungsvermögen und d die Querleitfähigkeit der Bildaufuahmeschichten der heute üblichen Fernsehempfangsröhren. bilden ebenfalls natürliche Grenzen bei diesem Verfahren.According to this method, the number of those lines of a television picture counted, which are covered by the image of the measurement object. One downside to this Method s consists in the fact that here the accuracy of the measurement is essential from. the constancy and linearity of the deflection chip. voltages (breakover voltages) depends, used in scanning the image. If you demand high levels of accuracy, are expensive, special designs in the tilting devices of the vacation systems necessary. The resolving power and the transverse conductivity of the image-receiving layers of today's common television reception tubes. also form natural boundaries this procedure.

Ein anderes Verfahren arbeitet mit einer elektrischmechanischen Abtastung, wobei die Spannung-Zeit-Kurve, die am Lichtempfänger im Verlauf der Abtastung registriert wird, in mathematischem Sinne differenziert wird. Auf diese Weise entstehen zu Beginn und d Ende der Abtastung Impulse, deren zeitlicher Mittelwert an einem Gleichstrominstrument abgelesen werden kann. Da der zeitliche Mittelwert von dem Zeitabstand der Impulse, also der Größe der Meßstrecke, abhängt, stellt er ein Maß für die Länge oder Breite des Meßobjektes dar. Bei dieser Arbeitsweise muß eine große Zahl von schnell und im gleichen Zeitabstand aufeinanderfolgen. den Messungen vorgenommen werden. Another method works with an electrical-mechanical scanning, where the voltage-time curve recorded at the light receiver in the course of the scan is differentiated in a mathematical sense. This way arise at the beginning and d end of sampling pulses, their time average on a direct current instrument can be read. Since the time average of the time interval between the pulses, that is, the size of the measuring section depends, it is a measure of the length or width of the test object. In this mode of operation, a large number of fast and follow one another at the same time interval. the measurements are made.

Dieses Verfahren hat den Nachteil, daß die Messung oft durch unvermeidliche impulsartige Störungen, deren Flanken etwa die gleiche Steigung haben wie die Anstiegs- und Abstiegsfianken des Signals, verfälscht wird. Diese Störungen können durch Inhomogenitäten in der Leuchtdicke oder durch Überlagerung des Meßsignals mit einer Rauschspannung entstehen. Letzteres ist besonders dann der Fall, wenn das Meßgerät in. großer Entfernung vom Meßobjekt angebracht werden muß, wie es z. B. beim Blechwalzen (Freihalten von. Kranwegen über der Walzenstraße) der Fall ist. Die Ausmessung von Temperaturstrahlern. bringt dann n Rauschstörungen mit sich, da zur Vermeidung von Störungen durch blaues Licht (Tageslicht) dieses ausgefiltert, also die Empfindlichkeit der Strahlungsempfänger extrem ausgenutzt werden muß; dies. muß insbesondere dann der Fall sein, wenn im Strahlengang mit Absorptionen. durch Staub und Dampf zu rechnen ist. Es ist durchaus möglich, daß hierbei der ursprüngliche lange Impuls nur einige Male so hoch ist wie unvermeidliche Störimpulse. In diesem Falle führt nur eine Signalimpulserzengung zu brauchbaren Ergebnissen, bei der die Höhe der abgeleiteten Impulse der Höhe des ursprünglichen Impulses proportional ist. This method has the disadvantage that the measurement is often unavoidable impulsive disorders, whose flanks have about the same slope how the rising and falling tails of the signal are falsified. These Disturbances can be caused by inhomogeneities in the luminous thickness or by superimposition of the measurement signal arise with a noise voltage. The latter is especially then the case when the measuring device is mounted at a great distance from the object to be measured must, as z. B. for sheet metal rolling (keeping crane paths clear of the rolling train) the case is. The measurement of temperature radiators. then brings n noise interference with it, because to avoid interference from blue light (daylight) this filtered out, so the sensitivity of the radiation receiver is extremely exploited must become; this. must be the case in particular when in the beam path with Absorptions. due to dust and steam is to be expected. It is entirely possible that here the original long impulse is only a few times as high as inevitable Glitches. In this case only a signal pulse generation leads to usable ones Results where the level of the derived impulses is equal to the level of the original Momentum is proportional.

Das Verfahren nach der Erfindung entspricht diesen Forderungen, ermöglicht Messungen unter den geschilderten. Bedingungen und vermeidet die Nachteile der bekanten Verfahren. Benutzt wird ein Verfahren zur berührungslosen Längenmessung an gegen. über ihrer Unterlage einen Helligkeitskontrast hervorruf enden Meßobjekten, wobei die Messung der Länge (Breite) des optischen Bildes des Meßobjelites durch Abtasten desselben und Auszählen der Zeitdauer eines hierbei erzeugten elektrischen Impulses erfolgt. Gemäß der Erfindung wird vorgeschlagen, zwischen dem Meßobjekt und einem lichtelektrischen Element ein lichtundurchlässiges und mit einer Schlitzbiende versehenes Band mit konstanter und genau bestimmbarer Geschwindigkeit zu bewegen. Hierbei wird vorteilhaft der ursprüngliche Impuls, der von dem durch die Schlitzblende tretenden Licht stammt, in zwei Impulse umgewandelt, deren. Auslösen und Erlöschen durch den. An- und Abstieg des ursprünglichen Impulses bestimmt wird und deren Höhe proportional der Höhe des ursprünglichen Impulses ist. Bei der Anwendung des Verfahrens kann der durch das Auslösen des ursprünglichen Impulses. bestimmte Impuls in bekannter Weise ein elektronisches Zählwerk einschalten, das durch den durch. das Erlöschen des ursprünglichen Impulses bestimmten Impuls abgeschaltet wird, wobei der elektronische Zähler die Spannungsspitzen eines Oszillatoirs zählt und diese Zählung auf eine bestimmte Höhe der beiden Einzelimpulse anspricht. Dieser Ansprechwert kann beliebig eingestellt werden. Dadurch ist gewährleistet, daß Störimpulse - sofern sie nicht so gro, ß sind wie die Meßiinpulse - unwirksam gemacht werden können. The method according to the invention meets these requirements, enables Measurements under those described. Conditions and avoids the disadvantages of known Procedure. A method for non-contact length measurement is used against. objects to be measured end up causing a brightness contrast above their base, with the measurement of the length (width) of the optical image of the object to be measured by scanning the same and counting the duration of an electrical pulse generated in this way he follows. According to the invention it is proposed between the test object and a photoelectric element an opaque and provided with a slit band Moving the belt at a constant and precisely determinable speed. Here is advantageously the original impulse coming from the through the slit diaphragm Light originates, converted into two impulses, whose. Triggering and extinction by the. The rise and fall of the original impulse is determined and its height is proportional is the height of the original impulse. When applying the procedure can that by triggering the original impulse. certain impulse in known Way to turn on an electronic counter, which by the. the extinction of the original impulse certain impulse is switched off, whereby the electronic Counter counts the voltage peaks of an oscillator and this count on one responds to a certain level of the two individual pulses. This response value can be arbitrary can be set. This ensures that glitches - provided they are not are as large as the measuring pulses - can be made ineffective.

Diese Messung der Impulsdauer kann natürlich auch mit anderen bekannten Methoden vorgenommen werden.This measurement of the pulse duration can of course also be carried out with other known ones Methods are made.

Um eine einwandfreie Messung durchzuführen, ist Voraussetzung, daß die Meßstreclie mit der Richtung der Längsachse der Blendenöffnung einen Winkel von -900 bildet. Demgemäß ist das Meßinstrument vor der Messung in eine derartige Lage zu bringen. In order to carry out a perfect measurement, it is a prerequisite that the Meßstreclie with the direction of the longitudinal axis of the aperture at an angle forms from -900. Accordingly, the measuring instrument is in one before the measurement Able to bring.

In den. Zeichnungen 1, 2 und 3 ist ein Ausführungs--beispiel einer Meßanordnung gemäß der r Erfindung im Prinzip wiedergegeben. In the. Drawings 1, 2 and 3 is an exemplary embodiment of one Measuring arrangement according to the r invention reproduced in principle.

In Abb. list das Meßobjekt 1 und das Meßgerät dargesfellt, das die' Form einer Kamera hat, deren optisclle Achse senkrecht auf der Ebene des Äießobjek tes steht; das Objektiv2 entwirft ein Bild in einer Ehene, in der sich ein unendliches, lichtundurchlässiges Band 3 mit konstanter, genau bekannter Geschtvindigkeit bewegt. In dieses Band ist ein schmaler Schlitz 4 eingearbeitet, der senkrecht zur Bewegungsrichtung des Bandes angeordnet ist. Mit der Ziffer 5 ist ein lichtelektrisches Element bezeichnet, z. B. eine großflächige Kathode eine Fotozelle oder eines Sekundärelektronenvervielfachers, die unmittelbar über dem Band oder aber auch - wie in der Abbildung angel deutet - in einiger Entfernung davon angebracht werden können. Im letzteren Fall wird zwischen dem Bild und der Fotokathode eine verkleinernde Optik 6 befestigt. Es ist dann möglich, die handelsüblichen, billigeren Fotozellen mit kleinfiächigen Kathoden zu verwenden. In Fig. 1, the test object 1 and the measuring device, which the ' Has the shape of a camera, the optical axis of which is perpendicular to the plane of the object tes stands; the lens2 creates an image in a marriage in which there is an infinite, opaque tape 3 moves with constant, precisely known Geschtvindigkeit. In this band a narrow slot 4 is incorporated, which is perpendicular to the direction of movement of the tape is arranged. The number 5 denotes a photoelectric element, z. B. a large cathode, a photocell or a secondary electron multiplier, which directly above the tape or also - as indicated in the figure angel - Can be placed at some distance from it. In the latter case, between A reducing optics 6 is attached to the image and the photocathode. It is then possible to use the commercially available, cheaper photocells with small-area cathodes.

Es kann also jeweils nur derjenige Teil des Lichtstromes zur Fotokathode gelangen, der durch die in Bewegung befindliche Schlitzblende hindurchtritt. In Abb. 2a ist das Bild des Meßobjektes 1 mit der Schlitzblende 4 dargestellt. Die Bewegungsrichtung der Schlitzblende ist durch den Pfeil angedeutet. In Abb. 2b. ist der der Schlitzbewegung entsprechende zeitliche Verlauf der Spannung, die der Fotozelle entnommen wird, eingezeichnet. Er hat die Form eines Impulses. Seine Zeitdauer hängt praktisch nur von der Länge der Meßstreclçe und der Geschwindigkeit des umlaufenden Bandes ab. Wenn also die letztere Größe mit ausreichender Genauigkeit bekannt ist und eingehalten wird, kann aus der Zeitdauer dieses Impulses auf die Länge der Meßstrecke geschlossen werden. So only that part of the luminous flux can reach the photocathode reach, which passes through the slit diaphragm in motion. In Fig. 2a shows the image of the test object 1 with the slit diaphragm 4. the The direction of movement of the slit diaphragm is indicated by the arrow. In Fig. 2b. is the time curve of the voltage corresponding to the slot movement, which the Photocell is removed, drawn. It is in the form of an impulse. Its duration depends practically only on the length of the measuring path and the speed of the circulating Tape off. So if the latter quantity is known with sufficient accuracy and is complied with, the length of the measuring path can be determined from the duration of this pulse getting closed.

Zur Messung der Impulsdauer werden die Anstiegs-und Abstiegsflanken dieses ursprünglichen Impulses mit Hilfe einer an sich bekannten Widerstands-Kondensator-Schaltung jeweils in zwei kurze Impulse umgewandelt, deren Auslösen und Erlöschen praktisch für den einen kurzen Impuls nur durch den. Anstieg und für den anderen kurzen Impuls durch den Abstieg des ursprünglichen langen Impulses bestimmt wird. The rising and falling edges are used to measure the pulse duration this original pulse with the help of a known resistor-capacitor circuit each converted into two short impulses, which are practically triggered and extinguished for the one short impulse only through the. Rise and for the other short pulse is determined by the descent of the original long pulse.

Diese beiden kurzen Impulse, die also Anfang und Ende des langen Impulses anzeigen, werden zweckmäßigerweise in einer Gleichrichteranordnung auf gleiche Polarität gebracht, so daß schließlich zwei Impulse gleicher Polarität und Form vorliegen.These two short impulses, the beginning and end of the long impulse indicate, are expediently set to the same polarity in a rectifier arrangement brought so that finally there are two pulses of the same polarity and shape.

Abb. 3 veranschaulicht diesen Sachverhalt. Abb. 3 a zeigt den langen Spannungsimpuls, der an der Fotozelle oder dem Sekundärelektronenvervielfacher entsteht; in Abb. 3 b sind die beiden kurzen, am Ausgang der Differenzierstufe entnehmbaren und in Al)l). 3 c die gleichgerichteten Impulse zu erkennen.Fig. 3 illustrates this fact. Fig. 3a shows the long one Voltage pulse that occurs at the photocell or the secondary electron multiplier; in Fig. 3 b the two short ones that can be taken from the output of the differentiation stage and in Al) l). 3 c to recognize the rectified impulses.

Die Zeitmessung wird so vorgenommen, daß der Impuls, der der Anstiegsflanke des langen Impulses entspricht, ein elektronisches Zählwerk einschaltet, das die Spannungsspitzen eines Wechselspannungsgenerators mit hoher Frequenzgenauigkeit zählt, also eine Zeitmessung durchführt. Der zweite, der Abr stiegsflanke entsprechende Impuls beendet dann den Zählvorgang. Die Frequenz des Generators und die Bandgeschwindigkeit können so gewählt und aufeinander abgestimmt werden, daß als Ergebnis der Zählung bereits unter Berücksichtigung der Bandgeschwindigkeit und des Abbildungsmaßstabes der Optik 2 unmittelbar die Meßgröße angezeigt wird. The time measurement is made so that the pulse, that of the rising edge of the long pulse, an electronic counter switches on, which the Voltage peaks of an alternating voltage generator with high frequency accuracy counts, so it carries out a time measurement. The second, corresponding to the descending slope Impulse then ends the counting process. The frequency of the generator and the belt speed can be chosen and coordinated so that as a result of the count already taking into account the belt speed and the image scale the optics 2 is displayed immediately the measured variable.

Zweckmäßigerweise wird ein elektronischer Zähler gewählt, der auf einen bestimmten Schwellenwert der Spannung anspricht; als gemessene Impulsdauer ergibt sich dann mit großer Genauigkeit der Zeitabstand zwischen n je zwei Punkten gleicher Höhe auf den Anstiegsflanken der beiden kurzen Impulse, so, fern diese gleiche Gestalt haben. Die beiden Punktes und B in der Abb. 3 c veranschaulichen dies. Appropriately, an electronic counter is selected that on a certain threshold value of the voltage responds; as measured pulse duration The time interval between n two points then results with great accuracy same height on the leading edges of the two short pulses, so, remote have this same shape. The two points and B in Fig. 3c illustrate this.

Bei der beschriebenen Messung ist, wie aus Abb. 2a ersichtlich, vorausgesetzt, daß die Richtung der Meßstrecke mit der Richtung der Längsachse der Blendenöffnung 4 einen Winkel von 900 bildet. For the measurement described, as can be seen from Fig. 2a, provided that that the direction of the measuring section corresponds to the direction of the longitudinal axis of the aperture 4 forms an angle of 900.

Ist dies nicht der Fall, bildet also die Schlitzblende mit der Meßstrecke einen von 900 abweichenden Winkiel, so muß vor der Durchführung der eigentlichen Messung die Lage der Kamera so verändert werden, daß die Schlitzblende in senkrechter Richtung zur Meßstreckenrichtnng steht, d. h., die I Kamera muß um ihre Achse gedreht werden. In so einem Falle besteht also der Meßvorgang aus zwei Phasen: a) das Eindrehen des Meßinstrumentes in Meßrichtung; b) die eigentliche Messung. If this is not the case, the slit diaphragm forms with the measuring section an angle deviating from 900 must be carried out before the actual Measurement the position of the camera can be changed so that the slit diaphragm in a vertical position Direction to the measuring path direction, d. that is, the I camera must be rotated around its axis will. In such a case the measuring process consists of two phases: a) screwing in of the measuring instrument in the measuring direction; b) the actual measurement.

Das Eindrehen der Kamera um ihre optische Achse in die Meßstellung geschieht vorzugsweise auf folgende Weise. Neben dem Meßinstrument wird als Hilfsgerät eine Fernsehkamera mit zur optischen Achse des Meßinstrumentes paralleler, optischer Achse angebracht, die den gleichen Sichtbereich wie das Meßgerät hat. Beide Geräte, deren optische Achsen auf der Ebene des Meßobjelçtes senkrecht stehen, sind so gekoppelt, daß sie um ihre Achsen nur gleiche Drehungen ausführen können. Auf dem Bildschirm des Fernsehempfangsgerätes werden nun an Hand eines Rasters, gegebenenfalls mit Hilfe einer Fernsteuerung mit Servomotor, beide Geräte in die gewünschte Meßlage eingestellt. The turning of the camera around its optical axis into the measuring position is preferably done in the following way. In addition to the measuring instrument is used as an auxiliary device a television camera with an optical axis parallel to the optical axis of the measuring instrument Axis attached that has the same field of vision as the measuring device. Both devices, the optical axes of which are perpendicular to the plane of the object to be measured are coupled in such a way that that they can only perform equal rotations about their axes. On the screen of the television receiver are now on the basis of a grid, if necessary with Using a remote control with servo motor, both devices in the desired measuring position set.

Claims

PATENT CLAIMS 1. Method for non-contact length measurement a bright- objects to be measured that cause contrast, wherein measuring the length (width) of the optical image of the measurement object by scanning the same and counting the duration of an electrical pulse generated in this way takes place, characterized in that between the measuring object and a photoelectric Element with an opaque tape provided with a slit screen constant and precisely determinable speed is moved.

2. The method according to claim 1, characterized in that the by the light beam passing through the slit diaphragm generated original Impulse is converted into two impulses by the rise and fall of the original Pulse are generated and their height is proportional to the height of the original Impulse is.

3. The method according to claim 1 and 2, characterized in that the by triggering the original impulse determined impulse in a known manner an electronic counter switches, which is activated by the extinguishing of the original impulse certain impulse is switched off, the electronic Counter responds to a certain intensity of the two individual pulses.

4. The method according to claim. 1 to 3, characterized in that the measuring instrument is brought into such a position that the direction of the slit diaphragm is exactly perpendicular to the direction of the measuring stretch.

References considered: U.S. Patent No. 2659 823