DE1112640B

DE1112640B - Vorrichtung zur beruehrungslosen Dickenmessung

Info

Publication number: DE1112640B
Application number: DEV18409A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Phys Alexander Mende; Walter Hennicke
Original assignee: INTRON LEIPZIG VEB
Current assignee: INTRON LEIPZIG VEB
Priority date: 1960-04-07
Filing date: 1960-04-07
Publication date: 1961-08-10

Description

Vorrichtung zur berührungslosen Dickenmessung Es ist bekannt, zur berührungslosen Dickenmessung von Fäden, Drähten, Bändern u. dgl. das zu messende Gut durch einen von einer Lampe ausgehenden und auf eine Fotozelle fallenden Lichtstrahl zu führen. Die dadurch erfolgte Abschattung und damit Verringerung der Intensität des Lichtstrahles ist ein Maß für die Dicke des zu messenden Gutes, und durch Auswertung des Fotozellenstromes besteht die Möglichkeit, die Dicke zu kontrollieren, zu messen sowie weitere Vorgänge auszulösen, wie Warnsignal, Stillsetzen der Maschine, Regeln der Abzugsgeschwindigkeiten bei Kabelspritzmaschinen usw.
Diesen Lösungen mit Intensitätsverfahren ist gemeinsam, daß die Alterung der lichtempfindlichen Elemente sowie Verschmutzungen der Lichtwege sich sehr stark auf das Meßergebnis auswirken, so daß sich derartige Beeinflussungen als Fehler unangenehm bemerkbar machen.
Auch andere Lösungsmöglichkeiten sind bekanntgeworden. Es wird dabei jede der beiden zu messenden Kanten eines bandförmigen Gutes von einem Lichtstrahl berührt, der von einer Lampe auf rotierende Spiegel fällt und über je eine Optik auf je einen Fotomultiplier gelenkt wird. Die dadurch erzeugten elektrischen Impulse werden der Ablenkeinheit einer Braunschen Röhre zugeführt, und es entstehen auf dem Bildschirm Signale, deren Lage zueinander als Maß der Breite und der Verschiebung der Bahn dienen.
Durch dieses Verfahren lassen sich die Fehler des lntensitätsverfahrens wohl ausscheiden, jedoch wird der gesamte elektrische und mechanische Aufwand so groß, daß die Wirtschaftlichkeit in starkem Maße leidet, und außerdem läßt sich ein Regelkreis nur durch zusätzliche Schaltelemente anschließen.
Es war deshalb die Aufgabe gestellt, eine Vorrichtung zu entwickeln, die die genannten Nachteile vermeidet und mit geringem Aufwand genaue Ergebnisse erzielt.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei einer Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens zur berührungslosen Dicken- oder Breitenmessung von Fäden, Drähten, Bändern od. dgl., wobei der Prüfling mittels eines Lichtstrahles abgetastet wird, und die zum Durchlaufen der zu messenden Strecke erforderliche Zeit mit derjenigen Zeit verglichen, innerhalb welcher der abtastende Lichtstrahl eine bekannte, vorzugsweise einstellbare Strecke durchläuft und bei der eine Öffnungsblende in an sich bekannter Weise an der Meßstelle abgebildet wird, dadurch gelöst, daß die Öffnungsblende als bekannte Vergleichs strecke benutzt wird und daß sie derart ausgebildet ist, daß sich nur jeweils eine bestimmte feste Anzahl von Schlitzen, vorzugsweise einer, im Meßbereich befinden in der Form, daß bei Austritt eines Schlitzes aus dem Meßbereich gleichzeitig ein anderer in diesen eintritt, wobei die Seiten der Blende vorzugsweise abgeschrägt sind, um die Oberdeckung der Schlitze gleichmäßiger zu gestalten.
Man kann die Blende aber auch so auslegen, daß zwei oder allgemein n Schlitze im Meßbereich enthalten sind, wobei der Prüfling den Meßbereich so weit ausfüllen muß, daß immer nur das Bild eines Schlitzes auf den Fotoempfänger gelangt. Die Blende muß dann entsprechend ein ganzes Vielfaches des Schlitzabstandes sein, so daß bei Austritt eines Schlitzes aus dem Meßbereich gerade ein weiterer eintritt. Mit dieser Anordnung, die natürlich eine höhere mechanische Genauigkeit erfordert, erzielt man dann entsprechend eine doppelte bzw. n-fache Meßgenauigkeit.
Für die praktische Durchführung des Schlitzsystems zur Erzeugung der abtastenden Lichtstrahlen bestehen mehrere Möglichkeiten.
1. Verwendung einer rotierenden Trommel, in derem Inneren sich die Lichtquelle befindet und die an ihrem Umfang geschlitzt ist.
2. Verwendung einer rotierenden Scheibe, die radial angeordnete Schlitze enthält.
3. Verwendung eines endlosen umlaufenden Filmes, Bandes oder einer Gliederkette, die die Schlitze enthalten und über die Lichtquelle geführt werden.
4. Verwendung eines feststehenden Schlitzes und einer im Querschnitt regulär n-eckigen, rotierenden Spiegelsäule.
An einem Ausführungsbeispiel sei der Erfindungsgegenstand näher erläutert. Es zeigt Fig. 1 die mechanische Anordnung der Vorrichtung; Fig. 2 den Spannungsverlauf der durch die Lichtstrahlen in der Fotozelle erzeugten elektrischen Ströme; Fig. 3 die Anordnung der Öffnungsblende; Fig. 4 und 5 die Ausbildung der Trommel für verschiedene Durchmesser des Prüflings.
Gemäß Fig. 1 befindet sich in einer rotierenden Trommel 1 eine Lichtquelle 2, deren Licht durch auf dem Umfang der Trommel 1 angebrachte Schlitzdurchbrüche 3 nach außen tritt. Vor der Trommel 1 ist eine Öffnungsblende 4 angeordnet, deren Öffnungsbreite dem Abstand der Schlitzdurchbrüche 3 entspricht. Damit wird erreicht, daß der folgende Lichtstrahl dann in den Meßbereich einläuft, wenn der vorhergehende Lichtstrahl den Meßbereich verläßt und somit ständig Licht auf die Fotozelle 5 fällt, wobei jeder vorbeilaufende Lichtstrahl einmal durch den Prüfling 6 unterbrochen wird.
Dabei muß der in den durch die Öffnungsblende 4 begrenzten Meßbereich eintretende Lichtstrahl zeitlich dieselbe ansteigende Intensität haben, wie sie der den Meßbereich verlassende Lichtstrahl als abfallende Intensität besitzt und beide Verläufe, der Anstieg wie der Abfall, sich so addieren, daß zur Fotozelle während des Überganges eine etwa konstante Helligkeit gelangt, die der vollen Intensität eines Lichtstrahles entspricht.
Die Ebene der Öffnungsblende 4 wird in der Meßebene 7 des Prüflings 6 mittels eines optischen Systems 8 in an sich bekannter Weise abgebildet. Das ist deshalb erforderlich, weil die Messung des Lichtstrahles in der Meßebene 7 erfolgt und eine Lichtstrahlmessung dann am genauesten ist, wenn die Meßebene mit der Brennebene zusammenfällt.
Dadurch ist die exakte Begrenzung der Lichtstrahlen, herrührend durch die Öffnungsblende 4 und den Prüfling, in der Meßebene gewährleistet.
Die den Prüfling passierenden Lichtstrahlen gelangen dann beispielsweise weiter über ein bündelndes optisches System 9 auf den Fotoempfänger 5. Diese Bündelung ist notwendig, weil es kaum Fotoempfänger gibt, die gleichzeitig eine relativ große Empfängerfläche und eine hohe Grenzfrequenz besitzen.
Der in der Meßebene aus der Begrenzung der Spaltblende4 in den Meßbereich einlaufende Lichtstrahl fällt auf die Fotozelle 5 und erzeugt einen Stromfluß bzw. an einem im Stromkreis liegenden Widerstand die Spannung U1 gemäß Fig. 2. Der Lichtstrahl wandert nunmehr weiter und wird durch den Prüfling 6 zur Zeit t, abgeschattet, und die Spannung geht auf den Dunkeiwert zurück. Zur Zeit t hat der Lichtstrahl den Prüfling 6 passiert, gelangt zur Fotozelle 5 und erzeugt wieder die Spannung U1.
Zur Zeit t3 wird der Lichtstrahl durch die Öffnungsblende 4 abgedeckt und gleichzeitig der nächste Lichtstrahl durch die Öffnungsblende 4 freigegeben. Durch geeignete Bemessung der Öffnungsblende 4 und der Abstände der Spaltdurchbrüche 3, was durch eine Schrägstellung der Begrenzung der Schlitzblende 4 gemäß Fig. 3 gefördert wird, erfolgt der Übergang von einem Lichtstrahl zum nächsten ohne Helligkeitssprünge auf der Fotozelle 5, so daß der Spannungswert U1 bis zur Zeit t4 etwa konstant bestehenbleibt.
Zur Zeit t4 wird der nächstfolgende Lichtstrahl durch den Prüfling 6 abgedeckt bis zur Zeit t5.
Dies wiederholt sich mit jedem der folgenden Lichtstrahlen. Das Ergebnis ist eine Impulsfolge, worin z die Zeit vom Einlauf des Lichtstrahles in den Meßbereich bis zu dessen Auslauf bzw. bis zum Einlauf des nächsten Strahles ist. z, ist dann die Hellzeit, r2 ist die Zeit der Abschattung des Lichtstrahles und damit ein Maß für die Dicke des Prüflings 6, wobei die Auswertung als Verhältnis von T2 zu z oder Differenz zwischen r1 und t2 erfolgt.
Bei Verwendung des Verhältnisses z2 zu T erhält man eine elektrische Größe, die der Priiflingsgröße proportional ist. Im anderen Falle, bei der Verwendung der Differenz zwischen z, und,, erhält man die Abweichung von einem gegebenen Mittelwert. Wenn man diesen Mittelwert als Sollwert einstellt, so kann man die entstehende Meßgröße direkt zum Regeln weiterer Vorgänge benutzen. Die elektrische Auswertung dieser Zeiten erfolgt beispielsweise so, daß man die Rechteckwelle mit einem Regelverstärker derart verstärkt, daß sie unabhängig von eventuellen Verschmutzungen der Lichtwege, Alterungen von Lampe und Fotoempfänger usw. immer dieselbe Größe behält, und daß man sie beispielsweise differenziert, um genau definierte Schaltzeitpunkte zu erhalten und damit eine bistabile Stufe, z. B. eine Multivibratorschaltung, auslöst und an dieser den elektrischen Meßwert beispielsweise als Differenz der in beiden Systemen (bei Multivibratoren z.B.
Röhren oder Transistoren) der bistabilen Stufen fließenden Ströme erhält.
Um den Meßbereich der jeweils zu messenden Größe anpassen zu können, ergeben sich verschiedene Möglichkeiten der Bereichsänderung. Als erstes ergibt sich die Veränderung des Abbildungsmaßstabes. Die einfachste Möglichkeit ist hier das Verschieben des abbildenden optischen Systems 8. Das bedingt aber gleichzeitig eine Veränderung der Gesamtlänge der optischen Anlage. Es existieren aber zu jeder Baulänge des Gesamtsystems jeweils zwei verschiedene Abbildungsmaßstäbe, die sich dadurch ergeben, daß man für das optische System 8 Gegenstandsweite und Bildweite vertauscht, abgesehen vom Abbildungsmaßstab 1:1. Auf diese Weise wäre z. B. eine Grobbereichsumschaltung durchführbar.
Ein wesentlich eleganterer Weg ist hier die Benutzung einer sogenannten »Gummilinse«, d. h. eines optischen Systems, das bei gleicher Baulänge einen unterschiedlichen Abbildungsmaßstab einzustellen gestattet, d. h. eine veränderliche Brennweite besitzt.
Weitere Möglichkeiten zur Meßbereichsänderung ergeben sich dann jeweils im Zusammenhang mit dem angewendeten Schlitzsystem für die Strahlerzeugung.
Bei Verwendung einer Trommel kann man verschiedene Trommeln mit verschiedenen, entsprechenden Schlitz abständen und dazugehöriger Öffnungsblende benutzen, wobei vorzugsweise diese Trommeln entsprechend den Schlitzabständen verschiedene Durchmesser erhalten bzw. als Stufentrommel gemäß Abb. 4 ausgebildet werden können, die vorzugsweise immer die gleiche Anzahl von Schlitzen besitzen, um damit bei konstanter Drehzahl der Trommeln einen konstanten Impulsabstand z zu erhalten. Das hat den Vorteil, daß die nachfolgende elektrische Schaltung auf diesen Impulsabstand hin optimal ausgelegt werden kann.
Weiterhin besteht die Möglichkeit, die Trommel mit den Schlitzen gemäß Abb. 5 als Kegelstumpf 10 auszubilden und darauf konvergent verlaufende Schlitze 11 anzubringen, die mit einer entsprechenden trapezförmigen Öffnungsblende 12 korrespondieren, auf der der gewünschte Bereich durch eine weitere verschiebbare Blende 13 ausgewählt wird. Diese Möglichkeit ist vor allem dann in Betracht zu ziehen, wenn eine kontinuierliche Verstellung gewünscht wird.
Die gleiche Art der Bereichsveränderung ergibt sich dann ebenfalls für eine scheibenförmige Blende, die man in diesem Falle wegen der wesentlich ein facheren Herstellung auf jeden Fall der konischen Trommel vorziehen wird.
Bei Strahlerzeugung mit Bändern, Filmen od. ä. wird man dann jeweils ein entsprechendes Band einlegen, wobei die Blende ebenfalls mit verändert werden muß.
Bei Verwendung der rotierenden Spiegelsäule kann man entweder den Ort der Aufstellung der Säule im Strahlengang verändern oder eine entsprechend abgeänderte Säule einsetzen, wenn eine Meßbereichsänderung gewünscht wird.
Dabei wird man vorteilhafterweise die Zahl der Ecken konstant lassen. Die Vorteile der Erfindung liegen darin, daß eine Unabhängigkeit besteht von allen Alterungserscheinungen der Lampe und Fotozelle, von Lichtschwankungen und von Verschmutzungen des optischen Weges bis zu starken Verdunklungsgraden.

Claims

PATENTANSPRÜCHE: 1. Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens zur berührungslosen Dicken- oder Breitenmessung von Fäden, Drähten, Bändern u. dgl., wobei der Prüfling mittels eines Lichtstrahles abgetastet wird und die zum Durchlaufen der zu messenden Strecke erforderliche Zeit mit derjenigen Zeit verglichen wird, innerhalb welcher der abtastende Lichtstrahl eine bekannte, vorzugsweise einstellbare Strecke durchläuft und bei der eine Öffnungsblende in an sich bekannter Weise an der Meßstelle abgebildet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungsblende (4) als bekannte Vergleichsstrecke benutzt wird und daß sie derart ausgebildet ist, daß sich nur jeweils eine bestimmte feste Anzahl von Schlitzen (3), vorzugsweise einer, im Meßbereich befinden in der Form, daß bei Austritt eines Schlitzes aus dem Meßbereich gleichzeitig ein anderer in diesen eintritt, wobei die Seiten der Blende (4) vorzugsweise abgeschrägt sind, um die Überdeckung der Schlitze gleichmäßiger zu gestalten.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das optische System zur Erzeugung der abtastenden Lichtstrahlen eine mit Schlitzen versehene, rotierende Trommel enthält, in der die Beleuchtungsquelle angeordnet und vor der eine Öffnungsblende angebracht ist, und zur Meßbereichsänderung mehrere Trommeln mit unterschiedlichen Schlitzabständen verwendet werden können, wobei vorzugsweise diese Trommeln entsprechend den Schlitzabständen verschiedene Durchmesser erhalten bzw. als Stufentrommeln ausgebildet sind, die vorzugsweise immer die gleiche Anzahl von Schlitzen besitzen, wobei jeweils die Öffnungsblende mit verändert wird.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gegekennzeichnet, daß die Trommel (10) konisch geformt ist und mit einer trapezförmigen Blende (12) korrespondiert, die derart ausgebildet ist, daß nur jeweils ein Lichtspalt freigegeben wird, wobei der jeweils benutzte Bereich durch eine weitere, verschiebbare Blende (13) auswählbar ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das optische System zur Erzeugung der abtastenden Lichtstrahlen eine mit Schlitzen versehene rotierende Scheibe enthält, auf deren einer Seite die Beleuchtungsquelle und an einer beliebigen Seite der Scheibe die Öffnungsblende angeordnet ist, die derart trapezförmig ausgebildet ist, daß nur jeweils ein Lichtspalt freigegeben wird, wobei der jeweils benutzte Bereich durch eine weitere, verschiebbare Blende auswählbar ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das optische System zur Erzeugung der abtastenden Lichtstrahlen ein umlaufendes, mit Schlitzen versehenes Band, einen Film, eine Gliederkette od. dgl. enthält, auf deren einer Seite die Beleuchtungsquelle und an beliebiger Seite die Öffnungsblende angeordnet ist, wobei eine Meßbereichsveränderung durch Auswechseln von Öffnungsblende und Band od. dgl. erfolgt.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das optische System zur Erzeugung der abtastenden Lichtstrahlen einen feststehenden Schlitz und eine im Querschnitt regulär n-eckige, rotierende Spiegelsäule enthält, bei der die Seitenlänge gleichzeitig die Öffnungsblende darstellt und eine Veränderung des Abbildungsmaßstabes durch Verschieben der Spiegelsäule im Strahlengang oder durch Auswechselung gegen eine andere Seitenlänge, die vorzugsweise dieselbe Anzahl von Ecken erhalten kann, erfolgt.
7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Veränderung des Meßbereiches in an sich bekannter Weise durch Veränderung des Abbildungsmaßstabes, vorzugsweise durch Verwendung eines Linsensystems veränderlicher Brennweite, erfolgt.

In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Auslegeschriften B 38930 IXl42b (bekanntgemacht am 6. 12. 1956), Nr. 1 056 842.