DE1930840C3 - Schaltungsanordnung zur Gewinnung von gemittelten Größen aus einem elektrischen Meßspannungsverlauf - Google Patents

Description

sau beispielsweise Impulszähler, Frequenzwandler Meßtasters oder zeitproportional gesteuert; letzteres

_und SchaJtungsanordnungen zur Verarbeitung von ist vur allem dann zweckmäßig, wenn der Melitaster

jmpulsfolgen mit wechselnder Impulshöhe sowie von die Oberfläche mit konstanter Geschwindigkeit ao-

miregelmäßigen elektrischen Wechselspinnungen mit tastet. -^_n

veränderlicher Amplitude, Frequenz und Kurven- 5 Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in

form. der Zeichnung veranschaulicht. Es zeigt

Es ist bereits eine Schaltungsanordnung bekannt, F i g. 1 ein schematisches Diagramm der ^einem die zur Messung eines Mittelwertes einer veränder- abgetasteten Oberflächenprofil entsprechenden eieK-lichen Größe die-it, die in den einzelnen Zeitintervallen irischen Eingangsspannung, ... durch Impulse dargestellt wird, deren Frequenz die io F i g. 2 ein Prinzipschaltbild eines ersten Austunbetrachtete Meßgröße bildet. Diese Schaltungsanord- rungsbeispiels der erfindungsgemäßen Scnaltungsnuns enthält zwei in Reihe geschaltete, durch die Meß- anordnung, . _f... spannung aufladbare, unterschiedlich große Konden- F i g. 3, 4 und 5 Schaltbilder weiterer Austunsatoren. Nach jedem Zeitintervall werden beide Kon- runesbeispiele. _, deiisatoren entladen, wobei die Ladung des größeren 15 Das in F i g. 2 scherrratisch veranschaulichte uoer-Konder.sators auf eine Kondensatorkette übertragen flächenmeßgerät dient zur Prüfung eines werK-wird. Dabei wird bei Einspeisung der Meßspannung Stückes 1 und enthält als wesentliche Bausteine einen des Zeitimervaifs η in diese Kondensatorkette jeweils Meßfühler 2, einen Verstärker 3, ein Steuerwerk 4 una die Meßspannung des vorhergehenden Zeitintervalls eine Rechenschaltung 5. Es sei angenommen, dall de «löscht Die an diese Kondensatorkette angeschlos- 10 Meßfühler bei der Abtastung der Ooertlacne ües sene Anzeigeeinrichtung liefert somit erst dann ein Werkstückes 1 die in F i g. 1 dargestellte Spannung verwertbares Anzeigeresultat, wenn die Messung min- liefert. Dieser Spannungsverlauf wird durch das destens einmal über alle η Zeitintervalle durchgeführt Steuerwerk 4 (in noch näher erläuterter Weise) in wurde " fünf aufeinanderfolgende Meßintervalle I bis V zer-Der Erfindung liegt demgegenüber eine Aufgabe 25 hackt. Der angenommene Spannungsverlaut entna . zugrunde eine Schaltungsanordnung der eingangs ge- in diesen fünf Meßintervallen die positiven spitzennannten Art so auszubilden, daß auf eine schaltungs- werte W₁, W₃, W₅, H₁ und W₉ und die negativen »Ρ»«*- technisch besonders einfache Weise auch schon nach werte W₂, W₄, W₆, W₉ und W₁₀. Dieschaltungstecnniscne einzelnen Zeitintervallen (also nicht erst nach Ablauf Aufgabe besteht nun darin, die positiven undI die aller /- Zeitintervalle) gemittelte Größen aus dem bis- 30 negativen Spitzenwerte je für sich zu mrtteln ^u"^{a Ol}"J" hereen elektrischen Meßspannunesverlauf gewonnen die Differenz der beiden Mittelwerte (d. n. denι ad- ^_erJen stand der mittleren positiven Spitze von der mittleren Die>e Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch ge- negativen Spitze, das ist die gemittelte Rauntiete K_1n) löst daß die beiden Kondensatoren während der ein- zu bilden. ein zelnen Zeitintervalle über eine Diode an den elektri- 35 Die erfindungsgemäße Rechenschaltung 5 des in sehen Meßspannungsgeber angeschlossen sind, daß der F i g. 2 dargestellte- OberflächenmeUgerates enina kleinere der beiden Kondensatoren am Ende jedes zwei an den Einga ^schalter E angeschlossene, cm-Zeitintervalls über einen Schalter entladbar und der gegengesetzt gepolte Dioden D₁ und U₂, an die ο größere Kondensator unter Beibehaltung seines er- Reihenschaltungen von je zwe. Kondensatoren C₁ unu reichten Ladungszustandes an eine Spannungsmeßein- 40 C, bzw. C, und C₄ angeschlossen ^s|^nd/^a™'*'*"„„ richtune anschaltbar ist und daß die Empfindlichkeit einen Kondensator C, bzw. C₄ leder ^^einensc"^alt""ij der Spannungsmeßeinrichtung von Intervall zu Inter- liegt ein Schalter R. Ein weiterer Schalter S ist pyaiwi vall im Verhältnis 1,1:2, 1:3 ... 1:« verringerbar ist. zur Reihenschaltung beider K°^nd^^{oren C}» ^ Bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung bzw. C₃, C₄ angeordnet. Die beiden Dioden U₁ und υ, wird .omit schon nach dem ersten Zeitintervall ein 45 sind über je einen Impedanzwancller A-At. ™™™ Verwertbarer Meßwert angezeigt. Dieser Meßwert Einstellung der Anzahl der '^V^^B'^nte"^a1^" ^™ wird dann im Laufe der folgenden Zeitintervalle durch Schalter Γ und einen der hierdurch «nschaltbaren Einbeziehung der Meßwerte dieser weiteren Meßinter- Widerstände R₁ bis K₅ an ein Anzeigeinstrument A anvalle laufend korrigiert. Da die in den einzelnen Meß- geschlossen. ., Intervallen auf den größeren Kondensator aufgebrach- 50 Die Wirkungsweise der Anordnung gemab flg.. ten Ladungen auf diesem Kondensator gespeichert ist folgendermaßen: „nunn-rhenden werden (dieser größere Kondensator wird bei der er- Die Schalter E, R und S werden v°n'nutenden findungsgemäßen Schaltungsanordnung nach den ein- Relais des Steuerwerkes 4 ^^J^,^*. zelnen Meßintervallen nicht entladen), erfolgt eine läßt sich die Anzahl« ^de%.^Meß^™L_än"e X der entsprechende Verringerung der Empfindlichkeit der 55 nommenen Beispiels fall fünf) sowie die Lange * der Spannungsmessung von Intervall zu Intervall. Mcjintervelte emstel en Der ^ater £ .et«m chst Auf diese Weise wird an der Spannungsmeßeinrichtung geöffnet, wahrend die Schalter R und f Jessen nach jedem Zeitintervall eine Anzeige im gleichen sind Die vier Kondensatoren C₁ bis C₁ sind somit ent

^Mäma^Dß^ee^ri^rnt^hzweckmäßigen Ausgestaltung der Lr- 6o '^Beginn des ersten Meßinterval.s 11 werden die

findung ist ein den elektrischen MeBspannungsverlauf SchaUer R und S ^"!'"^.^[„^"«η die

in Intervalle zerhackendes und im gleichen Rhythmus schössen Über die ^^üd f · J _c fjfj, _auf

den kleineren Kondensator entladendes Steuerwerk Reihenschaltung der Konden at"'^₁ und

vorgesehen. Dieses Steuerwerk, das mit Relais oder den positiven Höchstwert W₁ und übe die υ

mit elektronischen Schaltern ausgerüstet sein kann, 6₅ die Re.henschal^tunB.^d" ^"^χ,^ Das

wird bei Verwendung der Schaltungsanordnung in auf den negativen ^]^^h^^u \^_£ΓναΙΙ I ^

eincm Oberflächenmeßgerät entweder in Abhängigkeit Instrument A zeigt die im ersUn MeB

von der Bewegung des die Oberfläche abtastenden messene Rauhtiere//,-/- an.

5 6

Am Ende des Meßintervalls 1 schließen die Schal- Der Kondensator Q wird am Ende des Meßinter-

ter R und entladen damit die Kondensatoren C₂ und valls 11 wieder entladen. Ebenso spielen sich die cnt-

C₄. Die Kondensatoren C₁ und C₁ behalten dagegen sprechenden Vorgänge in der Schaltungsanordnung

ihre Spannung. Bezeichnet man mit den Kondensatoren C₃ und C₄ ab.

5 Am Ende de*. Meßintervalls 111 besitzt der Konden-

C₂ _ C₄ _ sator C, dann die Spannung

C₁ + C₂ C₁ +C_{4 a (}^ , _Ha + W₅) - α² (2 /Z₁ + W₃) + U³U₁.

so besitzt am Ende des Meßintervalls 1 (bei entladenem

Kondensator C₂) der Kondensator Q noch die Span- io Wählt man α wesentlich kleiner als I₁ so können die

_nung quadratischen Glieder vernachlässigt werden. Der

a ■ W₁ . Kondensator C₁ besitzt dann am Ende des Mcßinter-

valls V die Spannung
Für den Kondensator C₃ gilt entsprechendes.

Zu Beginn des Meßintervalls II werden die Schal- 15 β("ι + πΗ W₅-f/Z₇ + H₉).
ter R wieder geöffnet. Der bereits vorgeladene Kondensator C₁ lädt sich nun auf Grund des positiven Berücksichtigt man die entsprechende Addition der Höchstwertes H₃ im zweiten Meßintervall 11 auf die negativen Spitzenwerte auf dem Kondensator C₁. so Spannung auf liegt am Ende des Meßintervalls V am Ausgang der

20 beiden Impedanzwandler Z₁, Z₂ näherungsweise ein

a · (H₁ + W_:l) - arH_x. Spannungswert

a [(H₁ - W₂) + (H₃ + H₁) + (H₆ - W₆) - (H₁ - W_s) + (W₀ - H₁₀)].

Um in den Meßintervallen Il bis V jeweils Mittel- flächenprofil entsprechenden Spannung; das gleichwerte auf dem Anzeigeinstrument A zur Anzeige zu gerichtete Signal wird über einen Widerstand, de; bringen, wird die Empfindlichkeit durch schrittweises 30 beispielsweise mit der Intervallänge umgeschaltet Einschalten der Widerstände R₂ bis /?₅ von ¹J^a bis werden kann, der Reihenschaltung der Kondensatoren ¹Z^a geändert. Damit können auf der gleichen Skala C₁, C₂ zugeführt. Der genannte Widerstand kann jedes Anzeigeinstrumentes A während der Messung die doch auch entfallen.

unter Berücksichtigung der bisherigen Meßintervaüe F i g. 4 zeigt eine Variante der Prinzipschaitung

ermittelten Werte der Rauhtiefe sowie am Ende der 35 der F i g. 2, bei der der durch die Dioden D. und D.

Messung die über alle Meßintervalle gemittelte Rauh- bedingte Fehler kompensiert ist. Der Eingang der

tiefe Rtm abgelesen werden. Schaltungsanordnung ist hierbei mit dem einen Ein-

Es versteht sich, daß zur Bildung eines solchen ge- gang zweier Operationsverstärker O₁, O₂ verbunder..

miitelten Wertes eine beliebige Zahl von Intervallen an deren Ausgang die Dioden D₁ und D₂ angeschlossen

(also auch weniger oder mehr als fünf Intervalle) be- 40 sind und deren zweiter Eingang mit dem Ausgang der

nutzt werden können. Impedanzwandler Z₁, Z₂ verbunden ist. Im übrigen

F i g. 3 zeigt eine Ausbildung der Rechenschallung entspricht die Schaltung der Grundschaltung gemäß

zur Bildung eines gemittelten Mittenrauhwertes Ra. F i g. 2.

An den beiden Eingängen der Schaltung liegt der In jedem Meßintervall wird die Reihenschaltung elektrische Spannungsverlauf des Oberflächenprofils 45 der Kondensatoren C₁, C₂ bzw. C₃, C₄ so lange über mit entgegengesetzter Polarität an. Diese zwei Eingänge den Operationsverstärker O₁ bzw. O₂ aufgeladen, bis sind über zwei gleichgepolte Dioden D₃ und D₄, den die Ausgangsspannung hinter dem Impedanzwandler Schalter E sowie einen zur Einstellung dienenden Z₁ bzw. Z₂ gleich der Signalspannung am Eingang der Regelwiderstand R_t mit den erwähnten Kondensatoren Schaltungsanordnung ist. Der Spannungsabfall in den C₁, C₂ verbunden. Parallel zum Kondensator C. liegt 50 Dioden D₁ und D₂ wird somit kompensiert, der Schalter R: parallel zur Reihenschaltung der bei- Während bei dem erläuterten Ausführungsbeispiel den Kondensatoren ist der Schalter S angeordnet. An ein kleiner theoretischer Additionsfehler auftritt (der diese Schaltungselemente ist über einen Impedanz- jedoch um so geringer ist, je kleiner der Wert α ist), wandler Z₁ das Anzeigeinstrument A mit dem zur Ein- zeigt F i g. 5 eine erfindungsgemäße Schaltungsstellung der Empfindlichkeit dienenden Stufenschal- 55 anordnung, die eine theoretisch exakte Addition der ter T und den Widerständen A₁ bis R_h angeschlossen. Signale bewirkt. Sie enthält zwei Kondensatoren

Die Wirkungsweise dieser Ausführung ergibt sich C₁, C* einen Operationsverstärker O₃, einen Schalter

ohne weiteres aus den obigen Erläuterungen. Durch S₁, einen Umschalter S₁ und eine Anzeigeeinrich-

die beiden Dioden D₃, D₁ werden die Spitzen und tung/4,.

Täler des Oberflächenprofils auf gleiche Polarität ge- 60 Der Kondensator C₂ mit dem parallel dazu schaltbracht; die Kondensatoren C₁ und C₂ werden infolge- baren Umschalter S₂ ist zwischen dem Eingang der dessen mit einer Mittelwertspannung aufgeladen. Auch Schaltungsanordnung und dem Eingang des Operahier erfolgt eine Mittelung der in den einzelnen Inter- tionsverstärkers O₃ angeordnet, dessen Ausgang über vallen nacheinander gewonnenen Meßwerte. den Kondensator C₁ mit dem Verstärkereingang ver-

Eine Abwandlung der Schaltung gemäß F i g. 3 65 bunden ist.

ermöglicht die Bildung eines über mehrere Meßinter- Die Wirkungsweise der Schaltungsanordnung gemäß

valle gemittelten arithmetischen Mittelwertes. Hierbei Fig. 5 ist folgendermaßen:

erfolgt eine Doppelweggleichrichtung der dem Ober- Vor Beginn der Messung werden die Kondensatoren

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C₁ und C₂ durch die Schalter S₁ und S₂ entladen. Zu Beginn der Messung wird der Schalter S₁ geöffnet und der Schalter S₂ in seine untere Schaltstellung gebracht. Wird nun über den Schalter E das Signal W_x der Schaltungsanordnung zugeführt, so lädt sich der Kondensator C₂ auf den Wert W_x und der Kondensator C₁ auf den Wert

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auf. Sodann geht der Schalter S_t in seine obere Schaltstellung, so daß der Kondensator C₂ entladen wird.

Wird nun im nächsten Meßintervall das Signal W₄ der Schaltungsanordnung zugeführt (wobei der Schalter S₈ wieder seine untere Schaltsiellung einnimmt), so wird der vorgeladene Kondensator C₁ auf die Spannung

aufgeladen. In dieser Weise werden die Signale W_x, W_t, W₃ usw. nacheinander auf dem Kondensator C₁ addiert. Die Summe (bzw. der durch Division mit der Anzahl der Signale gewonnene Mitielwert) wird von der Anzeigeeinrichtung A j angezeigt.

Die erläuterten Ausführungsbeispiele können im

ίο Rahmen der Erfindung in mannigfacher Weise abgewandelt werden. Sollen beispielsweise über eine sehr große Strecke eines Oberflächenprofils gemittelte Werte bestimmt werden, so kann erfindungsgemäß eine Kaskadenanordnung von wenigstens zwei gleichartigen Mittelwertschaltungen vorgesehen werden, wobei die in der ersten Mittelwertschaltung gewonnenen, gemitteUen Werte die Eingangssignale für die folgende Mittelwertschaltung bilden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

ι 2 Ca) und des parallel zum kleiaeren Kondensator (C3) Patentansprüche: liegenden Schalters (R) verbunden sind. 7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, ins-

1. Schaltungsanordnung zur Gewinnung von besondere zur Bestimmung von über eine sehr über η gleiche Zeitintervalle gemittelten Größen 5 große Strecke eines Oberflächenprofils gemittelten aus einem elektrischen Meßspannungsveriauf, ins- Werten, gekennzeichnet durch die Kaskadenbesondere zur Gewinnung gemittelter Oberflächen- anordnung von wenigstens zwei gleichartigen maße aus einem Spannungsverlauf, der ein elektri- Mittelwertschaltungen, wobei die in der ersten sches Abbild eines abgetasteten OberfiächenproSJs Mittelwertschaltung gewonnenen gemittelten Werte darstellt, mit zwei in Reihe geschalteten, durch die io die Eingangssignale für die folgende Mittelwert-Meßspannung aufladbaren, unterschiedlich großen schaltung bilden.

Kondensatoren, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Kondensatoren (C₁, C₂)

während der einzelnen Zeitintervalle über eine

Diode (Z)₁) an den elektrischen Meßspannungs- 15
geber angeschlossen sind, daß der kleinere (C₁) der

beiden Kondensatoren am Ende jedes Zeitinter- Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung valls über einen Schalter (R) entladbar und der zur Gewinnung von über η gleiche Zeitintervalle gegrößere Kondensator (C₁) unter Beibehaltung mittelten Größen aus einem elektrischen Meßspansemes erreichten Ladungszustandes an eine Span- 20 nuDgsvcrlauf, insbesondere zur Gewinnung gemittelter nungsmeßeinrichtung (A) anschaltbar ist und daß Oberflächenmaße aus einem Spannungsverlauf, derein die Empfindlichkeit der Spannungsmeßeinrichtung elektrisches Abbild eines abgetasteten Oberflächenvon Intervall zu Intervall im Verhältnis 1,1:2, 1:3 profils darstellt, mit zwei in Reihe geschalteten, durch ... 1: η verringerbar ist. die Meß-.pannung aufladbaren, unterschiedlich großen

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, da- 25 Kondensatoren.

durch gekennzeichnet, daß ein den elektrischen in der Technik taucht vielfach das Problem auf, aus Meßspannungsveriauf in Intervalle (I bis V) zer- einem elektrischen Meßspannungsveriauf Größen zu hackendes und im gleichen Rhythmus den kleineren gewinnen, die über mehrere gleiche Zeitintervalle geKondensator (C₂) entladendes Steuerwerk (4) vor- mittelt sind. Ein solcher Anwendungsfall, mit dem sich gesehen ist. 30 die Erfindung in erster Linie beschäftigt, ist die Be-

3. Schaltungsanordnung nach den Ansprüchen 1 Stimmung gemittelter Oberflächenmaße bei elektri- und 2, insbesondere zur Bestimmung der gemittel- sehen Oberflächenmeßgeräten. Bei derartigen Geräten ten Rauhtiefe (R_tm) eines Oberflächenprofils, da- liefert der die Oberfläche abtastende Meßtaster einen durch gekennzeichnet, daß der Eingang der elektrischen Spannungsverlauf, der ein proportional Schaltungsanordnung über zwei entgegengesetzt 35 vergrößertes elektrisches Abbild des abgetasteten gepolte Dioden (Z)₁, D₁) mit zwei Reihenschaltun- Oberflächenprofils darstellt. Um über die Oberfläche gen von je zwei Kondensatoren (C₁, C₂ und C₃, C₄) eine quantitative Aussage zu machen, werden aus dem und je einem parallel zum kleineren Kondensator Profilvcrlauf verschiedenartige Oberfiächenmaße ge-(C₂ bzw. C₄) liegenden Schalter (R) verbunden ist bildet, beispielsweise die Rauhtiefe Rt, der arithmeti- und daß die Verbindungspunkte der beiden 40 sehe Mittenrauh wert Ra, der quadratische Mitten-Dioden mit den in Reihe geschalteten Kondensa- rauhwert Rs, die Glättungstiefe Rp, der Abstand G toren an eine die Differenzspannung anzeigende der Hüll-Linie von der mittleren Linie sowie der Trag-Einrichtung (A) angeschlossen sind. anteil tp.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, da- In der Regel ist nun die Oberflächenfeingestalt nicht durch gekennzeichnet, daß der Eingang der 45 gleichmäßig, sondern verändert sich vor allem bei Schaltungsanordnung mit dem einen Eingang Abtastung längerer Meßstrecken sehr stark. Der zweier Operationsverstärker (O₁, O₂) verbunden Zeiger eines Anzeigeinstrumentes schwankt infolgeist, an deren Ausgang die Dioden (Z)₁, Z)₂) ange- dessen unruhig auf der Skala hin und her, so daß die schlossen sind und deren zweiter Eingang mit dem Meßperson Schwierigkeiten hat, einen zuverlässigen Ausgang eines zwischen die Dioden und die die 50 Meßwert abzulesen. Um diesen Nachteil zu vermeiden, Differenzspannung anzeigende Einrichtung (A) ge- kann man -- und von diesem Grundprinzip geht die schalteten Impedanzwandlers (Z₁, Z₂) verbunden ist. Erfindung aus — den gesamten elektrischen Meß-

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, da- Spannungsverlauf, der unter Umständen einer sehr durch gekennzeichnet, daß der eine Kondensator langen Meßstrecke entspricht, in mehrere Intervalle (C₂) mit dem parallel dazu liegenden Schalter (S₂) 55 unterteilen, in diesen Intervallen jeweils einzelne Meßzwischen dem Eingang der Schaltungsanordnung größen gewinnen und diese Meßgrößen mitteln. Die und dem Eingang eines Operationsverstärkers (O₃) Meßperson braucht dann nicht mehr einen hin- und angeordnet ist, dessen Ausgang über den zweiten herschwankenden Zeiger zu verfolgen; der Zeiger des Kondensator (Cj) mit dem Verstärkereingang ver- Anzeigeinstrumentes zeigt vielmehr kurzzeitig jeweils bunden ist. 60 den für die abgetastete Teilstrecke gespeicherten Meß-

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, ins- wert an, springt dann nach der nächsten Teilstrecke besondere zur Bestimmung eines gemitteiten Mit- auf den nächsten Meßwert und zeigt am Ende der tenrauhwertes (Ra) eines Oberflächenprofils, da- Messung schließlich die über alle Zeitintervalle gcdurch gekennzeichnet, daß zwei Eingänge der mittelte, somit auf die gesamte durchlaufende Meß-Schaltung, an denen der elektrische Spannungs- 65 strecke bezogene Meßgröße an.

verlauf mit entgegengesetzter Polarität ansteht, Andere Anwendungsfälle, in denen aus einem eleküber zwei gleich gepolte Dioden (D₃, D₄) mit der frischen Meßspannungsveriauf über mehrere Zeit-Reihenschaltung der beiden Kondensatoren (C₁, Intervalle gemittelte Größen abgeleitet werden müssen.