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Einrichtung zur lichtelektrischen Dicken- oder Abstandsmessung optisch
abgebildeter Objekte.
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Es sind Anordnungen zur berührungslosen Dickenmessung von Drähten,
Bändern u.dgl. bekannt, bei denen das Messobjekt abgebilde und fotoelektrisch gemessen
wird, und zwar derart, dass die Kon turen des Prüflings mit einem bewegten Lichtstrahl
abgetastet und mittels geeigneter elektrotechnischer Schaltungen als phasenverschobene,
diskrete Impulse dargestellt werden. Ferner sind Einrichtungen vorgeschlagen worden,
bei denen die von einer Lichtquelle abgestrahlte, von einem Fotoelement empfangene
Energie teilweise durch den Prttfling absorbiert und die Empfängerspannung als eine
der Objektdicke propottionale Mesegrösse dargestellt wird, Dartiber hinaus wurden
Verfahren vorgeschlagen, bei denen zur berührungslosen Messung die optisch abgebildeten
Objekte durch mit bekannter Geschwindigkeit über die Abbildung bewegte Schlitz blenden
fotoelektrisch abgetastet werden. Die der Dicke des Mess objektes entsprechende
Zeitdauer beim Ueberstreichen der Abbildung wird dabei mit Hilfe eines Stromtores
ausgezählt, Die Lösungen nach der Intensitäts- oder Phasenmessmethode sind für die
extrem genaue Messung grdsserer, schwer zugänglicher Objekte nicht brauchbar. Auch
führen die bekannten lageabhängigen optischen Systeme mit rotierendem Lichtstrahl
oder rotierendem Empfänger aus physikalischen und technischen Grtinden, s,B, bei
der auf l µm genauen Messung eines Walzspaltes, nicht zum
Erfolg.
So wird etwa bei der bekannten Abtastanordnung mit einer n-eckigen, rotierenden
Spiegelsäule der Lichtstrahl nicht mit konstanter Geschwindigkeit Über das Objekt
geführt, so dass eine aufwendige und wegen der Lageabhängigkeit schwierige Fehlerkorrektur
unerlässlich ist. Ueberdies ist es bei den bekannten Systemen nicht gelungen, den
schädlichen Einfluss der Randeffekte bei einer Messwegauflösung von rund 10-4 und
einer Ansprechempfindlichkeit von 1/1000 mm sicher zu beherrschen.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die erwähnten
Schwierigkeiten und Nachteile bekannter Messanordnungen zu vermeiden. Sie betrifft
eine Einrichtung zur lichtelektrischen Dicken- oder Abstandsmessung optisch abgebildeter
Objekte mit einer mittels eines Kondensors in einem Objektiv abgebildeten Lichtquelle
und einem beleuchtungsseitig wr dem Lichtempfänger angeordneten, eine Relativbewegung
quer zur Abbildungsachse ausführenden Blendensystem. Eine solche Einrichtung ist
erfindungsgemäss dadurch gekennzeichnet, dass die optische Anordnung so getroffen
ist, dass ein im Strahlengang vor dem Objektiv befindliches, mit der zu messenden
Dimension parallel zur genannten Bewegung ausgerichtetes Objekt auf einem in der
Bildebene der Anordnung angebrachten Fotoelement eine unbewegt von Schattenrisslinien
begrenzte Hellzone von der genannten Dimension proportionaler Breite ausblendet,
dass das Blendensyol stem einen vor dem Fotoelement beweglich geführten Blendenkörper
enthält, welcher eine oder mehrere gleichartige, einander nicht überlappende Blendenöffnungen
aufweist, um bei der Bewegung jeweils während einer der Hellzonenbreite proportionalen
Zeitspanne das fotoelement zur Belichtung freizugeben, und dass der Ausgang des
Fotoelementes Über einen Schwellwertdiskriminator (Trigger) mit einem Tor verbunden
ist, um in Abhängigkeit von der Dauer des getriggerten Fotostromes den Durchlass
von Taktimpulsen von einem Impulsgenerator auf eine dem Tor na@@-geschaltete Zählvorrichtung
zu steuern.
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Mit einer solchen neuartigen Einrichtung kann bei einer nur Mässig
vergrösserten Abbildung der Messstrecke auf dem dem@ wotoelement unmittelbar vorgelagerten
Blendenträger eine beträchtliche. Wegauflösung praktisch fehlerfrei erreicht werden.
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Fortschrittlich und von grossem Nutzen ist dabei gegenüber bekannten
Verfahren, dass auch bei sehr schnell veränderlichen Messgronsen innerhalb weniger
Millisekunden, die Vorschubgeschwindigkeit des Blendensystems bzw. -antriebes sehr
niedrig gehalten werden kann und ihre effektive Grösse bei Gleichlauf mit dem als
Zeitbasisgeber dienenden Impulsgenerator ohne Einfluss auf die Messgenauigkeit ist.
Ist beispielsweise bei einem Kaltbandwalzwerk die Exzentrizität des mit höherer
Drehzahl rotierenden Walzenpaares im Walzspalt zu messen und zu regeln, so sind
bei einer Messwegauflösung von etwa 1 µm ungefähr 300 Messungen pro Stützwalzenumlauf
vorzunehmen. Bei den üblichen Abmessungen solcher Anlagen erfordert dies etwa 400
Messungen pro Sekunde. Wollte man diese Tastfrequenz mit einer der bekannten Einrichtungen
einhalten, so müsste die Drehzahl des betreffenden optischen Systems, dessen Abtaststrahl
(Fahrstrahl) eine kreisförmige Fokallinie beschreibt, etwa 24 000 Umläufe pro Minute
betragen. Es ist jedoch bekannt, dass die Unwucht und Eigenvibration solcher rotierenden
Anordnungen eine Messung im Mikrometerbereich nicht zulässt.
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Demgegenüber braucht mit der erfindungsgemässen Einrichtung die Vorschubgeschwindigkeit
bei der gleichen vorgenannten Wegauf lösung und Uastfrequenz nur ungefAhr 1 m/s
zu betragen. Diesd Vorschubgeschwindigkeit bedingt, auch bei kleinerem Durchmesser
der Antriebstrommel, lediglich eine Drehzahl von rd. 375 U/min, also eine 64-fach
kleinere Tourenzahl.
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Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der
Zeichnung näher erläutert, und zwar zeigt Fig'l die schematische optische Abbildung
einer Messstrecke be a) der Dickenmessung b) der Abstandsmessung
Fig.
2 die schematische Ausführung eines fotoelektrischen Messkopfes in a)- der Seitenansicht
b) der Stirnansicht, Fig. 3 das elektrische Signal am Fotoempfänger bei a) der Dickenmessung
b) der Abstandsmessung, Fig. 4 das Wirkschaltbild der Messwertverarbeitung bei einer
Walzspaltmessung.
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Für das Verständnis der nachfolgenden Erläuterungen sei noch darauf
hingewiesen, dass der für das Messverfahren benötigte telezentrische Strahlengang
mit bekannten Mittel der geometrischen Optik erzeugt wird, wobei in bekannter Weise
die Ebene einer Oeffnungsblende in der (Mess-) Ebene eines Prüflings und dieser
in einer Bildebene (Empfängerebene) abgebildet wird.
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Es zeigt Fig. 1 die schematischen Anordnungen für die Messung eines
Körpers und eines Abstandes zweier Körper. In Fig. la wird das Messobjekt 1, das
sich in der Messebene 2 befindet, mit Hilfe der Strahlen 3 so in eine Bildebene
4 projiziert, dass eine unterbrochene Hell-Dunkelzone 5-6 ensteht. In Fig. lb wird
der Abstand zweier Walzen 8' und 8'' als Lichtband so auf dem (hier nicht dargestellten)
Fotoempfänger in der Bildebene 4 abgebildet, dass ausser einer messlängenabhängigen
Hellzonet7 eine dazu korrespondierende Dunkelzone entsteht.
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Die Ausführung des eigentlichen Messaufnehmers ist in Fig. 2 skiziert.
Das von einer nicht dargestellten Optikauf den Messaufnehmer geleitete und zu messende
Lichtband 3 trifft senkrecht auf das über die Rollen 9, 10 und 11 geführte und angetriebene
Blendenband 12, dessen Blendenfenster 13', 13'' usw., durch die über einen nicht
gezeigten Motor angetriebene Trommel 11 gleiclförmig über das Fotoelement 14 gleiten.
Gemäss der Beziehung s= v t (mit s=Weg bzw. Hellzonenbreite, v=Blendengeschwindigkeit
und t=Belichtungsdauer) wird dabei die Messstrecke durch eine Zeitspanne dargestellt,
und zwar in Form eines zeitabhängigen Spannungssprunges an dem belichteten und unbelichteten
Fotoelement.
Die Blenden'bffnungen oder die auf dem Ilendenträger zusätzlich angebrachten Fenster
15', l5'1, usw. gestatten darüber hinaus, in Verbindung mit einer Lichtquelle 16
und einer Fotodiode 17, die Steuerung (Uebertragung Löschung usw.) des diskontinuierlich
gewonnenen Messwertes.
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Die in Fig. 3 dargestellten Diagramme zeigen die am fotoelement auftretenden
zeitlichen Spannungs änderungen, insbesondere jene, die durch die Randeffekte verursacht
werden (Verzerrungen bzw.
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Rauschspannungen). Wie das Diagramm erkennen lässt, bewirkt die den
Messwert verfälschende Unsicherheitszone 20-21 bzw.
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30-31 für den Impulsanstieg, und 22-23 bzw. 32-33 für den Impulsabfall,
je nach Lichtintensität einen gegenüber dem exakten Zeitmesswert 23-20 mit dem zugehörigen
Schwellwert 24 (bei der Dickenmessung) bzw. einen gegenu.er dem exakten Zeitmesswert
30-33 mit dem zugehörigen Schwellwert 34 (bei der Abstandsmessung) verschobenen
Zeitwert 21 und 22 bzw. 31 und 32 mit dem reproduzierbaren Grenzspannungswert 25
bzw. 35.
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Der Einfluss dieser Unsicherheitszone wird dadurch eliminiert, dass
durch geeignete Massnahmen die maximale Amplitude des Eingangseignais mit dem Wert
27 bzw. 37 gemessen und konstant gehalten, und sowohl der Anstieg als der Abfall
des längenproportionalen Impulses reproduzierbar fixiert wird. Für die Messung der
Impulsbreite bzw. Weglänge sind bei derart ausgeführten Messeinrichtungen die Schwellwerte
26 bzw. 36 zu den Zeiten 28 und 29 bei der Dickenmessung bzw. 38 und 39 bei der
Abstandsmessung verbindlich. Die von der jeweiligen Messlänge unabhängige und reproduzierbare
Zeitdifferenz 28-23 und 20-29 bzw. 30-38 und 39-33, beziehungsweise die diesen Zeiten
entsprechenden Weglängen (Dicken oder Abständen) werden bei der Messwertverarbeitung
durch eine einetellbare konetante Korrek turlänge bzw. Zeitdauer (Impulszahl) berücksichtigt,
und zwar subtraktiv oder additiv.
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In Fig. 4 ist das vereinfachte komplette Wirkschaltbild einer Abatandsmesseinrichtung
gemäß der Erfindung dargestellt.
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Die mit Hilfe eines Regelverstärkers 40 auf konstante Lichtintensität
am Fotoelement 45 geregelte Glihlampe 41 bildet mittels dem optischen System 43
den Spalt (Abstand) der Walzen 44 in der Ebene des Blenträgers 46 ab. Die mit Hilfe
des Antriebsrades 47 und dem Motor 48 gleichförmig über das Fotoelement geführten
Schlitze 13 (in Fig. 2) belichten dabei, abhängig von der abgebildeten Lichtbandbreite
(Hellzone) in der Blendenebene, das Fotoelement 45 und erzeugen an diesem einen
Spannungsverlauf Je Schlitz ähnlich Fig. 3b. Der jeweilige Über den Verstärker 49
an den Diskriminator (Trigger) 50 geleitete Impuls öffnet beim Erreichen des Schwellwertes
36 (in Fig. 3b) und schliesst bei dem Wert 39 das Tor 51. Die kontinuierlich vom
Generator 52 an das Tor 51 gelieferten Zeitbasisimpulse bilden somit die für die
Auflösung der Lichtbandbreite erforderlichen Zeitmarken, die das Tor 51 solange
passieren, wie es vom Diskriminator 50 offen-gehalten wird. Die vom Generator 52
über eine einstellbare Untersetzung 56 gelieferte Wechselspannung synchronisiert
dabei über den Antriebsmotor 48 den Vorschub des Schlitzbandes (Blendenträgers)
12 (in Fig. 2) mit der Zeitbasis, so dass gemäss 9 = k/v . i/u die Aenderung der
Zeitmarkenfrequenz bzw. des Vorschubes auf die Messgenauigkeit ohne Einfluss ist.
Hierbei berechnet sich 5 = v . t = k/2 . i/ü mit k = D /p sowie ii = t/T und es
bedeuten s = Messstrecke v = Blendengeschwindigkeit t = Belichtungsdauer k = Gerätekonstante
mit der Polpaarzahl p des Blendenmotors Q = Abbildungsmassstab (optische Vergrösserung)
ü = Zeit- bzw. Frequenzübersetzung mit t = Motorperiode und T Generatorperiode i
= Anzahl der gemessenen Impulsa
Weiterhin werden die am Ausgang
von Tor 51 austretenden, zunächst noch fehlerbehafteten wegproportionalen Zeitmarken
(Impulse) uber ein Messglied (Zeit- oder Impulszähler) 53 mit einstellbarer Zeitverzögerung
(Vorwahl), sowie parallel dazu direkt auf ein nachgeschaltetes Tor 54 geführt. Die
aufgrund der endlichen Breite (Oeffnung) des Blendenschlitzes (13 in Fig0 2b) und
infolge der Schwellwert-Zeitverschiebung (Anstiegs- und Abfallflanken des Fotostromes
gem. Fig. 3b) vorzunehmende Zeit- bzw. Wegkorrektur, wird mit Hilfe der genannten
Geräte (53 und 54) derart vorgenommen, dass das Tor 54 - und damit die Weiterleitung
der Messimpulse - solange von dem Zeitmessglied 53 gesperrt wird, bis der exakte
Zeit-Nullwert bzw. die exakte äquivalente Messstrecken-Impulszahl erreicht ist.
Die das Tor 54 passierenden Impulse werden in der nachgeschalteten Integrationseinheit
(z eS repetierender Impulszähler) 55 gespeichert und angezeigt, wobei der Messsyklus,
der nicht nur die eigentlichen Messzeiten je Schlitz, sondern auch die Löschung
und gegebenenfalls den Uebertrag bzw. die Weiterleitung det Messwerte an eine nicht
dargestellte Regeleinrichtung einschliesst, durch die Steuersehlitze 15 oder die
Blendenschlitze 13 (in Fig. 2) bestimmt wird.