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Einrichtung zur analogen Umwandlung einer mechanischen Verschiebung
in eine proportionale Spannung Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur
analogen Umwandlung einer mechanischen Verschiebung in eine proportionale Spannung
und ist insbesondere zur Messung sich zeitlich wiederholender Vorgänge geeignet.
Die Erfindung weist dazu eine Lichtquelle auf, in deren Strahlengang sich das Meßobjekt
befindet sowie einen lichtelektrischen Empfänger.
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Einrichtungen zur Umwandlung eines Weges in ein elektrisches Signal
unter Verwendung sogenannter optisch-elektrischer Wandler sind bekannt. Die dabei
Ublicherweise angewendeten Meßmethoden arbeiten auf binärer Basis, und zwar mit
Hilfe einer Hell-Dunkel-Steuerung, so daß der umgesetzte Meßwert schließlich als
digitaler Ausgangiwert zur Verfugung steht.
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(Siehe schweizerische Patentschrift Nr. 367 636.>
In
dieser Patentschrift wird eine Vorrichtung beschrieben, bei der das von einer Glühlampe
ausgehende Licht durch eine mit einer Rasterung oder einer anderen entsprechenden
Codierung versehene Lochscheibe schließlich auf eine lichtempfindliche Photozelle
trifft, so daß das von der Lichtquelle ausgehende Licht Je nach Stellung bzw. Umdrehung
der Codescheibe die Potozelle erregt oder nicht und diese dann einen Impuls aussendet.
Die von der Potozelle erzeugten Impulse werden dabei gezählt, die Summe der Impulse
stellt ein Maß für die Bewegung der Codescheibe dar.
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Die Vorrichtung eignet sich insbesondere zur Bestimmung von Verdrehwinkeln.
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In einem anderen Zusammenhang ist es weiterhin schon bekannt geworden,
das auf eine Sperrschichtfotozelle fallende Licht als Maß für eine mechanische Bewegung
zu verwenden, und zwar bei einem statischen Delmungsmesser, der unter Abschnitt
b) in dem Archiv für Technisches Messen, Rückseite von Seite T 51 vom Juni 1942,
V 1121-1 beschrieben ist. In der dort beschriebenen Vorrichtung wird über eine Hebelanordnung
ein Spalt gesteuert, der dann mehr oder weniger Licht auf ein Sperrschichtelement
durchlässt. Dieses Verfahren eignet sich nicht für rasch verlaufende Vorgänge, es
hat weiterhin den Nachteil, daß eine Änderung der Hebelübersetzung eine starke Verfälschung
des Meßergebnisses bewirken kann.
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Bei anderen, analog arbeitenden Geräten auf optischelektrischer Grundlage
ist nur bei einer genauen Justierung ein exaktes Meßergebnis zu erwarten, insbesondere
müssen im Inneren des Gerätes mehrere optische Teile, wie Prismen, Linsen und dgl.
gegeneinander in eine genaue Position gebracht und abgeglichen werden, was nur mit
großem Aufwand möglich ist. Bei diesen analogen Wegmessern, die auch noch bei sehr
hohen Frequenzen zur Messung verwendet werden können, verfälschen, da es sich um
eine Lichtstrommessung handelt, Änderungen der Lichtmenge direkt das Meßergebnis.
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Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, die Nachteile der bekannten
Einrichtungen zu vermeiden bzw. zu verringern und insbesondere eine Einrichtung
zu schafen, bei der keinerlei Justierungen innerhalb des Gerätes mehr notwendig
sind.
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Die Erfindung geht aus von einer Einrichtung zur analogen Umwandlung
einer mechanischen Verschiebung in eine proportionale Spannung, insbesondere zur
Messung sich zeitlich wiederholender Vorgänge mit einer Lichtquelle, in deren Strahlengang
sich das Meßobjekt befindet und einem lichtelektrischen Empfänger und besteht darin,
daß zur Strahlenleitung von der Lichtquelle zum Empfänger (Fotozelle) ein aus einem
einheitlichen Stück bestehender lichtdurchlässiger
Körper vorgesehen
ist, in welchem sich zur Aufnahme des beweglichen Meßobjektes ein Schlitz befindet
und daß das von der Lichtquelle ausgehende Strahlenbündel in dem lichtdurchlässigen
Körper mehrfach reflektiert ist. Die aus einem Teil bestehende, zur Lichtleitung
zwischen der Strahlungsquelle und dem lichtelektrischen Empfänger verwendete Optik
ist somit justagefrei. Es ergeben sich außerdem, da die aus einem Stück bestehende
Optik serienmäßig zu fertigen ist, nur sehr geringe Streuungen in den angestrebten
Meßbereichen. Ein weiterer entscheidender Vorteil ist darin zu sehen, daß während
des Betriebes eine Veränderung der Lage der einzelnen lichtleitenden Teile, etwa
infolge Erschutterungen völlig ausgeschlossen ist. Solche Veränderungen oder Verlagerungen
der optischen Teile gegeneinander können beträchtliche Änderungen des Ausgangssignales
hervorrufen, die nicht auf eine MeßobJektänderung zurückzuführen sind. Gegebenenfalls
besteht sogar die Notwendigkeit, die Anordnung neu zu Justieren und zu kalibrieren.
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Mit Vorteil ist weiterhin als Lichtquelle eine Soffitte, beispielsweise
eine mattierte Wolframfadenlampe vorgesehen, so daß die Strahlungsquelle eine endliche
Ausdehnung hat und infolge des homogenen ausgesandten Lichtbündels bis einschließlich
Meßspalt eine optisch saubere Abbildung des Leuchtfadens der Soffitte gewährleistet
ist.
Aus Gründen der Fertigung und wegen der bequemen Bearbeitungsmöglichkeiten besteht
der als Optik verwendete lichtleitende Körper im Ausführungsbeispiel als Plexiglas.
Der Körper weist eine im allgemeinen rechteckförmige Form auf 1 dessen Ecken zur
Reflexion des Strahlenganges angeschrägt sind.
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Weiterhin empfiehlt es sich, in den Primärstrahlengang, d.h. zwischen
die Lichtquelle und dem Meßobjekt ein weiteres lichtempfindliches Element, beispielsweise
eine Fotozelle anzubringen, das den primären Lichtstrom mißt und dessen Ausgangsgröße
einem Regelglied zugeführt ist, das für eine Konstanthaltung des von der Soffitte
ausgehenden Primärlichtstroms sorgt.
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Im folgenden wird anhand der Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel der
Erfindung näher erläutert.
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Dabei zeigt Fig. 1 eine perspektiv-schematische Anordnung der Erfindung,
Fig. 2 als Diagramm die lineare Abhängigkeit der Ausgangsgröße von der Verschiebung
in mm, Fig. 3 die Abhängigkeit der Ausgangsgröße von der Geschwindigkeit der Änderung
des Meßobjekts, d. h. den k'requenzgang der erfinderischen Einrichtung, und
,
Fig. 4 in schematischer Darstellung den elektrischen Schaltungsteil der Erfindung.
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Der vorzugsweise aus Plexiglas bestehende lichtleitende Körper, der
die Optik darstellt, ist in'ig. 1 mit 3 bezeichnet. Im vorderen Teil des flachen
langgestreckten Körpers befindet sich ein Spalt 5, welcher zur Aufnahme des MeßobJektes
4 dient, dessen Bewegung gemessen werden soll. Zu diesem Zweck wird der lichtleitende
Körper 3 an seinem unteren Ende von einer Soffitte 1 angestrahlt, und zwar derart,
daß das von der Soffitte ausgehende Licht, das infolge der endlichen Ausdehnung
des Soffittenleuchtfadens eine praktisch gleichmässig stark ausgeleuchtete, also
homogene Lichtbahn darstellt, auf die angeschrägte Pläche 90 des lichtleitenden
Körpers geworfen wird und von dort über die gesamte Länge des Körpers 3 hinweg auf
eine weitere angeschrägte Fläche 91 reflektiert wird, von wo es schließlich auf
die Pläche 92 fällt. Da sich zwischen den beiden Flächen 91 und 92 der Schlitz 5
mit dem freien Luftraum befindet, ist das Meßobjekt 4 an dieser Stelle in der Lage,
den Lichtstrom mehr oder weniger stark zu unterbrechen. Von der Fläche 92 fällt
das Licht schließlich, um 1800 reflektiert, auf einen lichtempfindlichen Empfänger
2, der üblicherweise aus einer @otozelle (Fotodiode) besteht. Das Ausgangssignal
@@@ Fotozelle bzw. Fotodiode wird über einen Verstärir 10 einem Anzeigegerät 11
zugeführt,
Der gesamte Meßstrahl verläuft somit innerhalb des als
Optik verwendeten Plexiglaskörpers 3 mit Ausnahme der Zone, wo das Strahlenbündel
den Meßspalt 5 durchsetzt und mit dem Meßobjekt 4 in Berührung kommt. Bis zum Meßspalt
5 wird eine optisch saubere Abbildung des Leuchtfadens der Soffitte gewährleistet,
nach dem Meßspalt, d.h. nachdem das sich bewegende Meßobjekt den Lichtstrom mehr
oder weniger stark beeinflusst hat, wird bewusst eine Lichtmischung angestrebt,
um eine gegebenenfalls unterschiedliche Oberflächenempfindlichkeit der Fotozelle
2 zu kompensieren. Durch die Verwendung einer Soffitte ist keine weitere Linsenoptik
notwendig, da der gestreckte Leuchtfaden dieser Lampe über die Länge des Meßspaltes
einen gleichmässig verteilten Licht strom gewgährleistet. Dadurch und infolge der
Tatsache, daß nur die Lichtstrahlen die Reflexionsfläche 91 überhaupt erreichen,
die innerhalb eines bestimmten Winkels von der Fläche 90 reflektiert werden, wird
innerhalb des Meßspaltes 5 ein praktisch konstanter homogener Lichtstrom erzeugt,
dessen Strahlen von jeder beliebigen Ebene aus betrachtet parallel zueinander verlaufen,
so daß die Position des MeßobJektes 4 im Meßspalt 5 relativ zu der Aus- und Eintrittsfläche
der Strahlen unkritisch ist. Taucht in diesen Strahlengang ein Meßobjekt ein, so
erfährt dieser Lichtstrom entsprechend der Eintauchtiefe des Meßobjektes eine Änderung.
Diese Lichtstromänderung wird dann durch
die Fotozelle 2 in eine
proportionale Spannung umgewandelt und einem Verstärker lo zugeführt, der beispielsweise
ein Meßinstrument 11 steuert (siehe auch Fig. 4).
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Im Ausführungsbeispiel der Fig. 4 ist zusätzlich an einem weiteren
Eingang des Verstärkers 10 ein aus einer stabilisierten Spannungsquelle U1 und einem
Potentiometer 12 bestehendes Kompensationsnetzwerk vorgesehen, das es erlaubt, der
Ausgangsspannung eine zusätzliche Gleichspannung aufzuschalten. Mit Hilfe dieses
Koapensationsnetzwerkes in Verbindung mit der Skala des Voltmeters 11 besteht die
Möglichkeit, insbesondere langsame Bewegungsänderungen des Meßobjektes 4 nach dem
Kompensationsprinzip zu erfassen. Als Maß für die Bewegungsänderung gilt dabei die
notwendig gewordene Änderung des Potentiometers 12 im Hinblick auf einen konstanten
Ausschlag des Anzeigeinstrumentes 11. Weiterhin empfiehlt es sich, um eine besonders
gute Linearität zwischen Ausgangsstrom des Verstärkers 10 und der Bewiegung des
Meßobjektes 4 zu erreichen, die Meßfotozelle 2 (Fotodiode) als Stromquelle zu betreiben.
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Der Verstärker 10 arbeitet dann als Strom/Spannungswandler und wandelt
den Meßfotozellenstrom in eine Ausgangsspannung um.
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Die erfindungsgemiiße Einrichtung eignet sich insbesondere auch zur
Messung von sich zeitlich schnell wiederholenden Vorgängen, beispielsweise wenn
das Meßobjekt ein Rad
darstellt, dessen Höhenschlag gemessen werden
soll.
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Dank des langgestreckten Aufbaus der Meßsonde ist es zumeist möglich,
das Rad ohne Ausbau direkt an seiner üblichen Wirkungsstelle zu messen, beispielsweise
auf Höhen- und, bei einem entsprechenden Anstellwinkel, auch auf Seitenschlag. Die
kleinste auflösbare Amplitude beträgt dabei 0,1 dabei einem Gesamtmeßbereich des
Ausführungsbeispiels von ca. 0 bis 4 mm. Der Frequenzbereich geht aabei ca. von
0 bis 100 kHz.
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Insbesondere durch die langgestreckte schlanke Form der Meßsonde (die
So,fitte 1 befindet sich im zusammengebauten Zustand praktisch in der Aussparung
des Körpers 5 hinter der Fotozelle 2) wird ein universeller Einsatz des Gerätes
ermöglicht. Als Meßobjekt kann jedes in der Technik gebräuchliche nichttransparente
Material verwendet werden, wie Stahl, Aluminium usw., da die Art des Materials hierbei
im Gegensatz zur kapazitiven oder induktiven berührungslosen Messung einer Verschiebung
oder Schwingung keine Rolle spielt.
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Falls sich das Me#objekt selbst nicht zu einer direkten Abtastung
eignet ist es lediglich nötig, als Lichtschranke eine Fahne auf diesem anzubringen.
Eine solche zusätzliche äußerst geringe Belastung ist praktisch immer zu vernachlässigen.
Die in Fig. 1 gezeigte Anordnung befindet sich im Betriebszustand im Inneren einer
mattierten bz. geschwärzten Röhre, untl iot somit weitgehend unabhängig von Störstrahlung.
Auch normale
Raumbeleuchtung beeinflusst die k'unktion nicht.
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Da das Meßprinzip auf einer Lichtstrommessung beruht, können Beleuchtungsschwankungen,
wie sie beispielsweise durch Änderungen der die Soffitte speisenden Spannung hervorgerufen
werden, das Meßergebnis direkt verfälschen. Es ist deshalb im Ausführungsbeispiel
vorgesehen, beispielsweise im Primärstrahlengang, d.h. also in dem Strahlengang
zwischen der Reflexionsfläche 90 und dem Meßobjekt in einer Bohrung eine weitere
Fotozelle 6 oder ein sonstiges lichtempfindliches Element anzubringen, dessen Ausgangssignal,
gegebenenfalls über einen weiteren Verstärker 7 einem Regelglied 8 zugeführt wird,
das für eine Konstanthaltung bzw. für eine Kompensation von Lichtstromschwankungen
sorgt. Wie aus Fig. 1 zu entnehmen ist, ist die Meßfotozelle 2 direkt an der ausgesparten
Fläche 93 des lichtleitenden Körpers befestigt, beispielsweise mit einem dazu geeigneten
Klebemittel. Das hat zunächst den Vorteil, daß Erschütterungen bzw. Verschiebungen,
die auf Brschütterungen des Gerätes zurückzuführen sind, keine Änderungen in dem
Verhältnis zwischen Meßfotozelle und lichtleitendem Körper hervorrufen können und
somit auch keinen Einfluß auf die Me#ausgangsspannung haben können.
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Weiterhin ist es durch diese Maßnahme jedoch auch möglich, die Referenz-
bzw. Vergleichsfotozelle 6 in unmittelbarer Nahe der Me#fotozelle zu montieren
und
so zu schalten, daß eine Temperaturabhängigkeit der Meßeinrichtung kompensiert wird.
Steigt nämlich der Ausgangsstrom der Meßfotozelle 2 und damit auch der Referenzfotozelle
6 infolge größerer Wärmeeinwirkung an, so wird durch den Regelkreis, der der Vergleichsfotozelle
6 nachgeschaltet ist (siehe Fig. 4), der von der Soffitte 1 ausgehende Lichtstrom
automatisch heruntergeregelt. Dazu wird dem Verstärker 7 neben dem Ausgangsstrom
der Referenzfotozelle über ein Potentiometer 13, das von einer stabilisierten Spannung
U2 gespeist ist, ein Sollwert zugeführt. Dieses Sollwertpotentiometer gestattet
gleichzeitig die Sinstellung der Betriebsspannung für die Solfitte 1.
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Der Verstärker 7 erzeugt aus den ihm zugeführten Werten eine Stellgröße,
und steuert den Regeltransistor 14 an, der dann direkt den Strom der Wolframfadenlampe
1 beeinflusst.
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Es ist weiterhin noch möglich, die Ausgangsgrößen sowohl der Referenzfotozelle
6 als auch der Meßfotozelle 2 den Eingängen eines Differentialverstärkers zuzuführen.
Das Ausgangssignal dieses Verstärkers ist dann notwendigerweise der Änderung des
Meßobjektes direkt proportional; Fehler in der Konstanz des Lichtstromes heben sich
durch die Difterentialschaltung vorfiselbst heraus.
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Die erfindungsgemäße Einrichtung eignet oich insbesondere sehr gut
zur Bestiimung der durchmesser von Drähten,
Fasern usw., und zwar
insbesondere auch bei der kontinuierlichen Herstellung. Beim Ziehvorgang durchläuft
der Draht dann beispielsweise lediglich den Meßschlitz der erfindungsgemäßen i,ichtsondenapparatur.
Ist diese auf einen bestimmten Drahtdurchmesser eingeregelt, wird jede Änderung
ein zusätzliches Ausgangssignal hervorrufen, das entweder zum Stillsetzen der Anlage
bzw. direkt zur Ausregelung der Störgröße, beispielsweise durch Einflußnahme auf
die Geschwindigkeit der beim Ziehvorgang beteiligten Walzen erfolgt.
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Mit Hilfe eines dem Verstärker 10 nachgeschalteten Digitalvoltmeters
kann im übrigen der jeweilige Drahtdurchmesser auch direkt abgelesen werden.
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Ein weiteres Anwendungsgebiet der erfindungsgemäßen Einrichtung betrifft
die Blechfolienbreitenmessung, wie sie bei der Streckung von Blechfolien auftritt.
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Dabei werden zweckmässigerweise auf jeder Seite der Blechfolie Je
eine Lichtsonde verwendet, die selbst kleinste Änderungen der vorgeschriebenen Maße
zuverlässig melden bzw. über weitere nachgeschaltete Regeleinrichtungen wieder ausgleichen.
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Patentansprüche...