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Vorrichtung zur kontinuierlichen Bestimmung des Durchmessers eines
dünnen Drahtes Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur kontiumeilichen Bestimmung
des Durchmessers eines sehr dünnen, vorzugsweise durchlaufenden Drahtes mittels
gebeugter Lichtwellen, wobei der zu messende Draht mittels eines in einer Beleuchtungseinrichtung
erzeugten monochromatischen Parallel-Strahlenbündels beleuchtet wird und die vom
Draht hervorgerufenen Beugungsfiguren des Strahlenbündels ausgewertet werden.
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Es ist bereits bekannt, zur Bestimmung des Durchmessers eines dünnen
Drahtstückes dieses mit einem monochromatischen Parallelstrahlenbündel zu beleuchten,
das durch einen gegenüber dem Drahtdurchmesser großen, parallel zur Drahtachse waagerecht
liegenden Spalt in einem Schirm hindurchgegangen ist. Die dabei am Draht abgebeugten
Lichtstrahlen gehen in einem weitgeöffneten Bündel aus.
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Bringt man das Auge ziemlich dicht hinter den Draht außerhalb des
direkt beleuchtenden Strahlenbündels, dann glaubt man beim Auf- und Abwärtsbewegen
des Kopfes auf dem Schirm leine Folge waagerechter, heller und dunkler Streifen
zu sehen. Auf einen bestimmten, beispielsweise den zehnten dunklen Streifen stellt
man nun eine auf dem Schirm bewegliche Marke ein. Aus dem Abstand der Marke von
der Spaltmitte, dem Abstand des Drahtes von dem Schirm und der Wellenlänge des Lichtes
kann man dann den Drahtdurchmesser bestimmen.
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Weiterhin hat man zur Bestimmung des Drahtdurchmessers die Beugungserscheinungen
auf einem konzentrisch um den Draht herumgelegten fotografischen Film festgehalten.
Aus einem Vergleich der Winkellage der dunklen Streifen auf dem entwickelten Film
und auf einem Film, der bei Beleuchtung eines Drahtes mit einem bekannten Normdurchmesser
gewonnen wurde, läßt sich die Abweichung vom Normdurchmesser errechnen.
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Diese Verfahren sind jedoch vergleichsweise umständlich und zeitraubend
und zudem nur bei ruhenden Fäden anwendbar.
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Es ist auch bereits eine Vorrichtung zur Bestimmung des Durchmessers
eines Drahtes bekannt, bei der der Draht mittels einer Lichtquelle über zwei übereinander
und waagerecht gegeneinander versetzte Spalte beleuchtet wird. Die dann übereinander
auftretenden Beugungserscheinungen werden auf einem Schirm aufgefangen, und der
gesuchte Durchmesser des Drahtes läßt sich dann unter Berücksichtigung einer mathematischen
Beziehung des Abstandes der beiden Spalte von dem zu vermessenden Draht und der
gegenseitigen Lage verschiedener Minima der beiden Beugungserscheinungen ausrechnen.
Im ein-
fachsten Fall muß der erwähnte Abstand zwischen den Spalten und dem Draht
so lange verändert werden, bis die beiden ersten Minima übereinanderstehen. Der
Abstand in Zentimetern ergibt dann den gesuchten Durchmesser des Drahtes in Mikron.
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Zur Bestimmung des Durchmessers eines laufenden Drahtes ist diese
bekannte Vorrichtung demnach praktisch nicht geeignet, da die jeweils zu vermessende
Stelle auf Grund ihres Vorschubs sich längst aus dem Meßfeld entfernt hat, ehe die
Bedienungsperson der Vorrichtung den Abstand zwischen den Spalten und dem Draht
so verändert hat, daß die beiden ersten Minima ubereinanderstehen.
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Ferner ist ein Gerät zum Messen der sichtbaren Querabmessung eines
der Länge nach durchlaufenden Gegenstandes, z. B. eines Drahtes, eines Kabels, eines
Rohres oder eines Bandes, bekannt, bei dem von einer Lichtquelle zwei Lichtstrahlen
abgezweigt werden, von denen der eine einen Gegenstand mit dem Soll-Durchmesser
beleuchtet, während der andere einen durchlaufenden Gegenstand mit dem Ist-Durchmesser
anstrahlt. Die Bilder der beiden Gegenstände werden auf je eine Blende abgebildet
und mittels einer drehbaren Verschlußscheibe abwechselnd auf eine Fotozelle gerichtet,
deren Ausgang über einen Verstärker an ein Meßgerät geführt ist.
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Dieses zuletzt erwähnte Gerät ist zwar zur Bestimmung des Durchmessers
von durchlaufenden Gegenständen bestimmt, doch da es hierzu direktes Licht verwendet,
ist es zur Durchmesserbestimmung von dünnen Drähten absolut nicht geeignet. Bei
Drähten
oder Fäden von z. B 2 bis 3 CL Durchmesser kann der auf der Fotozelle abzubildende
Spalt nicht mehr so bemessen werden, daß vernünftige Lichtquantitäten erzeugt werden,
diesausmeßbar sind. Der in Kauf zu nehmende Fehler würde zu groß werden, so daß
von einer Durchinesserbestimmung nicht mehr die Rede sein könnte.
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Demgegenüber wird die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe darin
gesehen, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, mit der der Durchmesser
eines dünnen, vorzugsweise durchlaufenden Drahtes kontinuierlich und genau bestimmt
werden kann.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die in zwei
bestimmten Winkeln gegenüber der optischen Achse der Beleuchtungseinrichtung gebeugten
Lichtintensitäten durch eine an sich bekannte Einrichtung auf einen lichtelektrischen
Empfänger geworfen werden und daß der Quotient der zeitlich nacheinander gemessenen
Ausgangsspannungen des lichtelektrischen Empfängers gebildet wird.
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Auf diese Weise wird unter geringem baulichem Aufwand eine sehr genaue
Messung des Durchmessers sowohl eines bewegten als auch eines stehenden, sehr dünnen
Drahtes ermöglicht.
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Bei einer besonders zweckmäßigen Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Vorrichtung wird der zu messende Draht abwechselnd mit Licht zweier unterschiedlicher
Wellenlängen beleuchtet, und die unter einem bestimmten Winkel zur optischen Achse
des Beleuchtungssystems abgebeugten Lichtintensitäten werden auf den lichtelektrischen
Empfänger geworfen.
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Die Erfindung ist in der Zeichnung an Hand von Ausführungsbeispielen
veranschaulicht. Es zeigt Fig. 1 die Abhängigkeit der Intensität 1 des gebeugten
Lichtes vom Beugungswinkel a, F i g. 2 und 3 zwei Ausführungsformen der erfindungsgemäßen
Vorrichtung, F i g. 4 eine Anordnung zur Anzeige des Meßergebnisses.
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Man erhält die in Fig. 1 dargestellte Abhängigkeit der Intensität
1 des gebeugten Lichts vom Beugungswinkel a beispielsweise dadurch, daß man eine
Photozelle, die hinter einem zum Faden parallelen Spalt angeordnet ist, auf einem
Kreis vom Radius r um den Faden herumführt.
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Die punktierte Kurve stellt gegenüber der ausgezogenen entweder das
Beugungsbild für einen Faden etwas größeren Durchmessers bei der gleichen Wellenlänge
oder das Beugungsbild des gleichen Fadens bei einer etwas kleineren Wellenlänge
22 dar.
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Der Quotient der bei zwei voneinander verschiedenen Beugungswinkeln
al und a2 zeitlich nacheinander gemessenen IntensitätenIl und I2 stellt ein Maß
für den Durchmesser des Fadens dar. Man erkennt dies, wenn man die zweite Kurve
in der beschriebenen Weise als Beugungsbild eines Fadens von etwas anderem Durchmesser
deutet, denn hier ist der Quotient der unter denselben Winkeln al und a2 gemessenen
IntensitätenIl' und 12' ein anderer.
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Deutet man andererseits die zweite Kurve als Beugungsbild des gleichen
Fadens bei kleinerer Wellenlänge 22, so stellt, wenn die beleuchtende Wellenlänge
periodisch geändert wird und nur unter einem festen Winkel abgetastet wird, der
Quotient der Intensitätenl; und I1' ein Maß für den Fadendurchmesser dar.
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An Hand der Fig.2 und 3 sind im folgenden Ausführungsformen der Erfindung
erläutert: Das Licht einer Lichtquelle L (F i g. 2), beispielsweise einer Quecksilberhöchstdrucklampe,
wird durch einen Kondensor K gesammelt und parallel gemacht. E ist ein Filter oder
eine Einrichtung mit gleicher Wirkung. Das Linsensystem L1 und L2 verringert den
Durchmesser des Lichtbündels und vergrößert damit die Leuchtdichte. Die Blenden
B1 und B2 sorgen dafür, daß der Öffnungswinkel des Bündes gering ist. Das so erzeugte
schmale Lichtbündel trifft auf einen Faden oder Draht D und wird an ihm gebeugt.
Das unter den Winkeln al und a2 gebeugte Licht tritt durch die Spalte S1 bzw. S2
hindurch. Der Spalt SL wird über eine Linse L;, die Spiegel 8p1 und 8p2 sowie über
eine Linse L5 auf einen SekundärelektronenvervielfacherSEV abgebildet. Die Abbildung
des Spaltes S2 auf dem gleichen Sekundärelektronenvervielfacher SEV wird durch die
Linse L4, die Spiegel 8p4 und Sp3 sowie die Linse L5 bewirkt. LS ist eine rotierende
Lochscheibe, deren Ebene senkrecht auf der Zeichenebene steht. Die Anordnung der
Löcher ist so gewählt, daß in schnellem Wechsel das eine oder das andere Teilstrahlenbündel
freigegeben wird.
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Fig. 3 stellt eine Abbildung eines Teiles der in F i g. 2 dargestellten
Anordnung mit Abtastung in nur einer Beugungsrichtung aO und der Beleuchtung durch
Licht zweier Wellenlängen Aj und 22 dar. Hier wird ein Spalt S durch die Linse L3
direkt auf den Sekundärelektronenvervielfacher SEV abgebildet. An Stelle des Filters
E in Fi g. 2 tritt dann ein rotierendes Filterpaar F.
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Bei dem Verfahren gemäß Fig. 2 mit zwei Beugungsrichtungen al und
a2 und einer Wellenlänge gibt die rotierende Lochscheibe L8 abwechselnd das eine
oder das andere Teilstrahlenbündel frei, und der Sekundärelektronenvervielfacher
SEV nimmt nacheinander die IntensitätenIl und 12 (Fig. 1) auf.
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In gewissen Fällen kann es auch von Vorteil sein, bei der Abtastung
in der ersten Beugungsrichtung den Draht mit Licht der Wellenlänge At, bei der Abtastung
in Richtung a2 den Draht mit Licht der WellenlängeR2 zu beleuchten. In diesem Fall
wird das Filter E durch das rotierende Filterpaar F ersetzt und dessen Umlauf mit
dem Umlauf der Lochscheible LS synchronisiert.
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Die Verfahren mit Abtastung in zwei verschiedenen Beugungsrichtungen
können auch so durchgeführt werden, daß in dem Schemabild nach F i g. 2 die LichtquelLe
mit zugehörigem Linsensystem und der SekundärelektronenvervielfacherSEV mit zugehörigem
Linsensystem gegeneinander vertauscht werden, so daß der Faden abwechselnd in zwei
verschiedenen Richtungen beleuchtet und das Beugungsbild in einer festen Richtung
beobachtet wird.
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Statt der rotierenden Loch- und Filterscheiben können auch andere
Anordnungen mit gleicher Wirkung benutzt werden.
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Bei jedem der beschriebenen drei Verfahren werden Sekund ärelektronenvervielfacher
SEV jeweils zwei Lichtintensitäten I1 und 12 bzw. I1' und 12' nacheinander registriert.
Aus diesen wird mit bekannten elektronischen Mitteln der Quotient gebildet, der
nach einer geeigneten Eichung ein Maß für den Durchmesser des Fadens darstellt.
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In F i g. 4 ist eine derartige Meßanordnung zur Quotientenbildung
dargestellt. Bin Phasendiskriminator
1 ist eingangsseitig über
eine Leitung 4 mit dem Sekundärelektronenvervielfacher SEV verbunden sowie über
eine Synchronisierungsleitung 2 mit einem nicht dargestellten Synchronmotor, welcher
die Lochscheibers antreibt. Der Ausgang des Phasendiskriminators 1 ist über die
Leitung 5, 6 und 7 an ein Elektrodynamometer 3 angeschlossen, das so geeicht sein
kann, daß unmittelbar der Durchmesser des vermessenen Drahtes abgelesen werden kann.