DE1946271B2

DE1946271B2 - Verfahren und vorrichtung zum bestimmen des horizontal und oder vertikalabstandes zwischen zwei verschiednen hoch gelegenen messpunkten

Info

Publication number: DE1946271B2
Application number: DE19691946271
Authority: DE
Inventors: Carl Erik Lidingo Granqvist (Schwe den)
Original assignee: AGA AB
Current assignee: Linde Sverige AB
Priority date: 1968-09-12
Filing date: 1969-09-12
Publication date: 1971-12-23
Also published as: DE1946271A1; FR2017928A1; US3677646A; CA922010A; SE321100B

Description

ι 5 ²

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum und einen Winkeldetektor für den Anstellwinkel des

Bestimmen des Horizontal- und/oder Vertikalabstan- optischen Systems und ist dadurch gekennzeichnet,

des zwischen zwei verschieden hoch gelegenen Meß- daß der Ausgang des Winkeldetektors mit einem

punkten, bei dem vom jeweils ersten Meßpunkt aus Steuereingang des Modulators verbunden ist und dje-

ein im Takte eines Modulationssignals modulierter 5 sem ein vom Anstellwinkel des optischen Systems

Lichtstrahl auf den jeweils zweiten Meßpunkt gerich- abhängiges Frequenzsteuersignal zuführt,

tet und der dort reflektierte Lichtstrabi in seiner Ausgestaltungen der Erfindung betreffen konstruk-

Modulationsphase mit dem Modulationssignal ver- tive Einzelheiten des erfindungsgemäßen Meßgerätes,

glichen und aus dem Ergebnis dieses Phasenver- In der Zeichnung ist die Erfindung beispielsweise

gleichs unter Berücksichtigung des Anstellwinkels der io veranschaulicht; es zeigt

Sichtlinie zwischen den beiden Meßpunkten der Fig. 1 eine Ausführungsform des erfindungsge-

gesuchte Abstand ermittelt wird, sowie auf Vorrich- mäßen Meßgerätes zur Bestimmung einer horizon-

tungen zum Durchführen eines solchen Verfahrens. talen Entfernung in einer Schemadarstellung,

Neben in der deutschen Auslegeschrift 1 022 387, F i g. 2 eine Blockschaitbilddarstellung der wichtig-

den USA.-Patentschriften 2 919 350 und 3 315 257 15 sten Stromkreise des Meßgerätes gemäß Fig. 1,

oder auf den Seiten 193 bis 197 der »Jenaer Rund- Fig. 3 eine ähnliche Schemadarstellung auf die

schau«, Heft 3/1966, beschriebenen Geräten, die mit Anstellung ansprechender Bauelemente desselben

optisch-elektronischen Mitteln eine reine Entfer- Meßgerätes.

nungsbestimmung zwischen zwei Meßpunkten an Das in F ί g. 1 dargestellte Koaxial-Meßgerät beruht

Hand eines Phase "Vergleichs zwischen der Modu- so auf dem Prinzip bekannter Meßgeräte zur Entfer-

lation eines am ersten Meßpunkt ausgesandten Meß- nungsmessung mittels eines modulierten Lichtstrahls.

Strahls und eines am zweiten Meßpunkt reflektierten Es sind deshalb lediglich solche Einzelheiten dar-

Strahls gestatten, ist aus der USA.-Patentschrift gestellt, weiche für das Verständnis der erfindungs-

2 497 913 auch ein Gerät bekannt, das eine zusatz- gemäßen Ausgestaltung erforderlich sind,

liehe Berücksichtigung eines durch einen Höhen- »5 Das Meßgerät umfaßt eine anstellbare optische

unterschied zwischen den beiden MeRpunkten beding- Einheit OU mit einem Tubus T, in welchem das

ten Anstellwinkels und damit die Bestimmung der optische System enthalten ist. Am rückwärtigen Ende

Horizontal- und/oder Vertikalprojektion der gemes- des Tubus befindet sich ein Parabolspiegel P. Ein

senen Entfernung ermöglicht. Allerdings bedarf es Planspiegel M ist zentral im Tubus T angeordnet und

dabei zur Verwirklichung dieser Möglichkeit des Ein- 3° nimmt einen Lichtstrahl TB von einer modulierbaren

Satzes aufwendiger elektronischer Zusatzeinrichtun- Lichtquelle MLS auf. Der Lichtstrahl TB wird in

gen und fehlerbehafteter Nachführt jirichtungen, so Richtung der optischen Achse OA des Spiegels P

daß das bekannte Gerät den Wünschen der Praxis gegen einen Reflektor ausgesendet, der am anderen

weder hinsichtlich seiner Gestehungskosten noch Ende der zu messenden Entfernungsstrecke ange-

hinsichtlich seiner Betriebssicherheit und insbeson- 35 bracht ist. Der reflektierte Lichtstrahl RB wird durch

dere seiner Meßgenauigkeit voll zu entsprechen den Parabolspiegel P gegen das rückwärtige Ende

vermag. des Spiegels M und alsdann zu einer lichtempfind-

Dcr Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, liehen Einrichtung LSD reflektiert, deren Ausgangs-

das eingangs erwähnte Verfahren so weiter zu ent- größe eine Spannung proportional der Intensität des

wickeln, daß eine unmittelbare Bestimmung der Hon- 4° Lichtstrahles RB ist. Das Modulationssignal wird von

zontal- und/oder Vertikalprojektion einer gemesse- einer Modulationssignalquelle MSS mit einem Steuer-

ncn Entfernung ohne wesentlichen elektronischen eingang CI erhalten, um die Frequenz / des Signals in

Mehraufwand und ohne Meßfehler durch Geräteteile Abhängigkeit von der Anstellung des Meßgerätes

erzielbar wird. gemäß der Formel / = F cos * zu verändern.

Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß da- 45 Die Ausgangsgröße der Signalquelle MSS liegt an

durch gelöst, daß die Frequenz des Modulations- der Lichtquelle MLS, um den Lichtstrahl TB zu

signals in Abhängigkeit vom Anstellwinkel variiert modulieren. Diese Ausgangsgröße liegt auch an einem

wird. einstellbaren Phasenschieber APS. wo sie einer ein-

Das erfindungsgemäße Verfahren führt also zu stellbaren Phasenverschiebung unterworfen wird. Die

einer selbsttätigen Veränderung der Wellenlänge des 5° Ausgangsgröße des Phasenschiebers APS liegt an

ModulationssignaN als Funktion des Anstellwinkels, einem Phascnvergleichcr PC, dem auch das Aus-

beispiclsweise umgekehrt proportional zu dessen gangssignal der lichtempfindlichen Einrichtung ISD

Cosinus, so daß sich als Mcßcrgebnis unmittelbar der zugeführt wird. Die Abstandsmessung wird in an sich

gewünschte Horizontal- und oder Vcrtikalabstand bekannter Weise durch Justierung des Phasenschie-

zwischen den beiden Meßpunkten erhalten läßt. 55 bcrs APS durchgeführt, bis sich am Phasenvergleicher

Fine für die Durchführung des erfindungsgemäßen PC eine Nullablesung ergibt. Diese Art der Messung

Verfahrens bevorzugte Vorrichtung besitzt eine ist an sich bekannt und erfordert keine weiteren Er-

Lichtqucllc zum Erzeugen eines Lichtstrahls, einen läuterungen.

Modulator zum Modulieren dieses Lichtstrabis im Der Tubus T ist an einem Zapfen AX festgelegt, Takte eines Steuersignais, ein anstellbares optisches ^6o der in einem Lagerbock Sü drehbar gelagert ist, wie System zum Anvisieren des jeweils zweiten Meßpunk- es in der schematischen Darstellung durch einen tes mit dem modulierten Lichtstrahl, einen Empfän- Doppelpfeil angedeutet ist. Am Tubus T ist ein auf ger zum Empfangen des am zweiten Meßpunkt die Anstellung ansprechendes Bauelement ERM anreflektierten Lichtstrahls, einen zum einen mit diesem gebracht, welches entsprechend der Anstellung einen Empfänger und zum anderen mit dem Modulator «5 Ausgangsstrom/ία) erzeugt, der dem Steuereingang verbundenen Phasendiskriminator zum Vergleichen Ct zugeführt wird, um die Frequenz / zwecks Erhalt der Modulationsphase des reflektierten Lichtstrahls des Wertes Fcos λ einzustellen, wobei « der Anstell· einerseil» und des Modutatiomsignals andererseits winket ist.

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In Fig, 1 sind die Bedingungen für verschiedene lerC2 ein Alisgangsimpuls geliefert und erreicht den Anstellwerte schematisch angegeben. Wenn λ und F Frequen."-deteklor FD sowie das Betätigungselement die Werte der Wellenlänge des Modulationssignals AM, welches durch diesen Impuls zurückgestellt wird, bzw. der Frequenz für die Anstellung null sind, so Auf Grund dieses Vorganges weist die Periode T₀ des betragen die entsprechenden Werte;. cos λ bzw. F cos«, 5 Ausgangssignals des Zählern C 2 folgenden Wert auf; wenn der Wert der Anstellung gleich ,\ ist. Dies be- γ _ („ _ „\ j + „ . 27¹ (2)

dingt, daß die horizontale Projektion der Modula- " °

tionssignal-Wellenlänge stets gleich ist, d.h. den Wert λ wobei T die Periode der Ausgangsgröße des Oszillaaufweist. tors COS ist.

F i g. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Modu- 10 In der Madulationssignatquelle MSS ist auch eine laiionsslgnalquelle MSS einschließlich Schaltungen erste Mischstufe MATl vorgesehen, die die Ausgangszur Erleichterung der Eichung des auf die Anstellung größen des Hauptoszillators MO und des frequenzgeunsprechenden Bauelementes ERM ausführlicher, steuerten Oszillators COS aufnimmt. Eine zweite wobei vorausgesetzt ist, daß diese Einrichtung mit Mischstufe MX 2 nimmt die Ausgangsgröße der zwei Einstellknöpfen Kl und K2 zur Eichung des 15 Mischstufe MXl und die Ausgangsgröße einer Stufe Ausgangssignals für zwei Werte der Anstellung cv, und des Zählers Cl auf, in welcher die Frequenz F im n₂ versehen ist. Verhältnis F/32 heruntergeteilt ist. Die Ausgangs-

"Die Modulationssignalquelle MSS umfaßt als we- größen der Mischstufen ΛίΛΓΙ und MX 2 werden sentliches Element einen frequenzgesteuerten Oszilla- einem Paar von Anschlüssen 71 und Ί2 zugeführt, torCO5gemäßderschwedischenPatentschrft220951. ao die mit einer Frequenzmeßeinnch'ungFMD mittels Grundsätzlich wird die Genauigkeit des Oszillators eines Schalters SW verbunden werden können. COS durch einen Vergleich von dessen Ausgangsfre- Am Tubus T ist ein Paar von Libellen L 1 und Ll

quenz / mit der Frequenz F eines Hauptoszillators angebracht, welche die bestimmten Anstellwinkel α, MO mit Hilfe von Zählern C1 und C2 in nachstehend bzw. 1., gemäß F i g. 2 anzeigen, noch näher beschriebener Weise erzielt. Der Oszilla- 25 Aus"der Gleichung (2) ergibt sich, daß die Austor MO ist als Quarzoszillator hoher Präzision ausge- gangsfrequenz des Zählers C2 den Wert //(H₀ -f- n) bildet, dessen Ausgangsgröße dem ersten Zähler Cl aufweist. Der Frequenzdetektcr FD vergleicht diese zugeführt wird. Die Kapazität des Zählers C1 beträgt Frequenz mit der Frequenz F/2 n₀ des Zählers C1 und 2«_n, so daß dessen Ausgangsgröße aus einer Schwin- erzeugt ein eine Differenz darstellendes Ausgangsgung der Frequenz F'2 n₀ besteht, die einem Fre- 30 signal, welches den Oszillator COS so lange einstellt, qucnzdctektor FD zugeführt wird. bis beide Frequenzen gleich sind. Dies bedeutet, daß

Die Frequenz / des Oszillators COS wird einem

Schalter SWC zugeführt, der zur Erzeugung eines n-\-n_n

Ausgangssignals der Frequenz / oder //2 dient, und /"-^₂

zwar in Abhängigkeit von der Betätigung des Schal- 35 '

ters SWC durch ein Betätigungselement AM. Die ist.

Ausgangsgröße des Schalters 5WC wird dem zweiten Der gewünschte Wert von / beträgt

Zähler C2 mit der Kapazität /t„ zugeführt, welcher / = Fcos<*. (4)

mit einem Speicher SD verbunden ist, in dem eine

Zahl η gespeichert wird, die irgendeinen Wert von 0 40 Aus den Gleichungen (3) und (4) ergibt sich, daß bis M_n aufweisen kann. Der Wert η wird von dem auf der Wert n, der dem Speicher SD zugeführt wird, sich die Anstellung ansprechenden Bauelement ERM in in Übereinstimmung mit der Gleichung (1) befineinem Analog-Digital-Wandler ADC abgenommen, den soll.

der in bekannter Weise ausgebildet sein kann, und Das auf die Anstellung ansprechende Bauelement

zwar gemäß der Formel 45 ERM sowie der Analog-Digital-Wandler ADC spre-

_ (2cos* — 1) (1) ^c^^{en au}^ *^e Neigung an bzw. bewirken eine Signal-

⁶ umwandlung, wobei der Wandler A DC eine Aus-

Das Betätigungselement AM spricht auf den Aus- gangsgröße η gemäß der Gleichung (1) erzeugt, gangsimpuls des Zählers C2 und auf einen Aus- Auf diese Weise ändert sich die Frequenz des der

gangsimpuls des Speichers 5D an, was dann der Fall 5« Lichtquelle MLS zugeführten Modulationssignals geist, wenn die Zählung des Zählers C 2 den im Spei- maß der Gleichung (4), was bedeutet, daß die Welcher SD gespeicherten Wert η erreicht hat. lenlänge des Modulationssignals umgekehrt propor-Unter der Voraussetzung, daß in dem auf die An- tional cos * ist und die Entfernung in Einheiten der stellung ansprechenden Bauclement ERM das Paar Horizontalprojektion der Wellenlänge des Modula-Einstellknöpfe K\ und Kl zur Justierung des Aus- 55 tionssignals, 6. h. unabhängig von der Anstellung des gangssignals des Bauelementes für zwei bestimmte Instrumentes als horizontale Entfernung erhalten Werte a, bzw. λ. des Anstellwinkels vorgesehen ist, wird.

sind im dargestellten Ausführungsbeispiel *, = 0 und Die Eichung des auf die Anstellung ansprechenden

*₂ = arc cos (31/32). Bauelementes ERM erfolgt folgendermaßen:

Der Zähler Cl beginnt die Zählung bei der Fre- βο Der Tubus T wird zuerst bei * = 0 mit Hilfe der 0uenz//2 des Schalters SWC, bis die Zählung den Libelle Ll eingeteilt Dabei befindet sich der Schal-Wert π erreicht hat. In diesem Augenblick liefert der ter SW in der Stellung Tl und verbindet die Misch-Speicher SD einen A»*»gengstmrjuls zum Betätigung«- stufe MX 1 mit der Frequenzmeßemrtchtung FMD. element AM, was bewirkt, daß dieses den Schalter Der Einstellknopf K1 wird alsdann so justiert, daß SWC in seine andere Stellung bringt, in welcher die H die Ftequenzmeßeinrichtung FMD eine Nullablesung Frequenz / dem Zähler Cl zugeführt wird. Die Zäh- bietet, was anzeigt, daß die Ausgan&sfrequenz / = F lung setzt sich daraufhin bei dieser Geschwindigkeit ist Alsdann wird der Tubus T mit Hilfe der Libelle bis zum Wert «„ fort. Alsdann wird durch den Zäh- Ll auf den Winkel ^₂ eingestellt und der SchalterSW

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In die Stellung Ti gebracht, wodurch die Mischstufe MXl mit der Frequenameßeinriehtung FMD verbunden wird.

Der Einstellknopf Kl wird alsdann so justiert, daß die Frequenaneßeinriehtung PMD wiederum eine Nullablesung ergibt, was anzeigt, daß die beiden der MisehstuEe MXl zugeführten Frequenzen gleich sind. Eine dieser Frequenzen ist die Frequenz Fß2, während die andere Frequenz die Schwebungsfrequenz der Mischstufe MX 1 ist, welche nunmehr ebenfalls to den Wert F/32 haben muß, da cos *₂ = 31 '32 ist und damit f den Wert 31F/32 haben muß.

F i g. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel für das auf die Anstellung ansprechende Bauelement ERM in Form eines Beschleunigungsmessers, der mit einer Feder SP versehen ist, die durch den Einstellknopf Kl justierbar ist und zur Kompensation der auf ein Pendel PE ausgeübten Schwerkraft dient, wenn dieses sich in Horizontalstellung befindet. Da solche Beschleunigungsmesser bekannt sind, genügt nächste- to hend eine kurze Erläuterung des Beschleunigungsmessers im Zusammenhang mit der Beschreibung seiner Anwendung.

Das Pendel PE ist auf einer Welle SH in einem Gehäuse HO gelagert und zusätzlich zur Schwerkraft der *5 entgegenwirkenden Zugkraft der Feder SP sowie einer Ausgleichskraft unterworfen, die durch eine Magnetwicklung CL ausgeübt wird. Ein durch die Magnetwicklung CL verlaufender Strom / wird von einer steuerbaren Stromquelle CCS geliefert. Diese Strom- 3» quelle ist der Steuerung einer Steuereinheit CU unterworfen, welche auf die unsymmetrische Einstellung des Pendels PE gegenüber einer ausgeglichenen magnetischen Schaltung BC in an sich bekannter Weise anspricht, um ein Steuersignal zu liefern, welches den Strom steigert oder vermindert, bis wieder der Ausgleich des Pendels PE hergestellt und dessen Lage gegenüber der magnetischen Schaltung BC symmetrisch ist. Die Neigung beträgt -«. Das Gewicht des Pendels PE wirkt der Kraft A entgegen, die durch die Feder 4<* SP ausgeübt wird, wobei die Kraft A cos beträgt; die durch die Magnetwicklung CL auszuübende verbleibende Kraft ist somit proportional A — A cos %. Dies bedeutet, daß der der Magnetwicklung CL zuzuführende Strom zur Wiederherstellung der symmetrischen +5 Lage des Pendels PE ebenfalls proportional I — cos * ist. d. h.

/ = it(l — cos α).

Um eine Möglichkeit zur Justierung des Wertes des 5« Skalenfaktors k zu schaffen, ist die Energiebeaufschlagung der Stromquelle CCS durch ein justierbares Potentiometer steuerbar, welches gemäß F i g. 3 durch den Einstellknopf K2 justiert wird.

In einigen Fällen kann es zweckmäßig sein, von dem auf die Anstellung ansprechenden Bauelement ERM ein Signal in Abhängigkeit vom Sinus anstatt vom Cosinus~der Anstellung abzuleiten. Der in F i g. 3 dargestellte Beschleunigungsmesser kann zu diesem Zweck leicht abgewandelt werden, indem er rechtwinklig zur dargestellten Stellung angeordnet wird, so daß der Beschleunigungsmesser normalerweise vertikal steht. Die Ausgleichsfeder SP ist dann nicht erforderlich, und die notwendige Kompensationskraft, die durch den Strom / zu bilden ist, wird dann proportional sin «. Im allgemeinen ist es allerdings nicht zweckmäßig, die Entfernungsmessung mit einer Frequenz durchzuführen, die gleich F sin λ ist, da die» normalerweise eine unpraktisch niedrige Frequenz darstellt, Is ist zweckmäßiger, beispielsweise eine Frequenz P (1 —sin *) ztt verwenden,

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Bestimmen des MorteomaU und/oder Vertikalabstandeä zwischen zwei verschieden hoch gelegenen Meßpunkten, bei dem Vom jeweils ersten Meßpunkt aus ein im Takte eines Mndulationssignals modulierter Lichtstrahl auf den jeweils zweiten Meßpunkt gerichtet und der dort reflektierte Lichtstrahl in seiner Modulationsphase mit dem Modulationssignal vergli-Chen und aus dem Ergebnis dieses Phasenvergleichs unter Berücksichtigung des Anstellwinkels der Sichtlinie zwischen den beiden Meßpunkten der gesuchte Abstand ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz (f) des Modulationssignals in Abhängigkeit vom Anstellwinkel (■») variiert wird.

2. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 1 mit einer Lichtquelle zum Erzeugen eines Lichtstrahls, einem Modulator zum ModulKten dieses Lichtstrahls im Takte eines Steuersignals, einem anstellbaren optischen System zum Anvisieren des jeweils zweiten Meßpunktes mit dem modulierten Lichtstrahl, einem Empfänger zum Empfangen des am zweiten Meßpunkt reflektierten Lichtstrahls, einem zum einen mit diesem empfänger und zum anderen mit dem Modulator verbundenen Phasendiskriminator zum Vergleichen der Modulationsphase des reflektierten Lichtstrahls einerseits und des Modulationssignals andererseits und einem Winkeldetektoi für den Anstellwinkel des optischen Systems, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang des Winkeldetektors (ERM) mit einem Steuereingang (C^ des Modulators (MSS) verbunden ist und diesem ein vom Anstellwinkel (i) des optischen System« (OU) abhängiges Frequenzsteuersignal zuführt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkeldetektor (ERM zwei Einstellknöpfe (K 1 und Kl) zum Justierer des Steuersignals für ein Paar bestimmter An Stellwinkel (■»,, t₂) aufweist und daß das optische System (OU) mit einem Paar von Libellen (L 1 und Ll) versehen ist, von denen jeweils eine be dem entsprechenden Anstellwinkel horizonta liegt (Fig. 2).

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch ge kennzeichnet, daß der Modulator (MSS) einer Hauptoszillator (MO), einen frequenzgesteuert« Oszillator (COS) und Bauelemente zum Abneh men von Bezugsfrequenzen vom Hauptoszillato entsprechend den vorgegebenen Anstellwinkeli sowie zum Vergleichen der abgenommenen Fre quenzen mit der Frequenz des frequenzgesteuer ten Oszillators aufweist (F i g. 2).

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch ge kennzeichnet, daß die zum Frequenzvergleich die nenden Bauelemente Mischstufen (MXl, MX 2 aufweisen, an denen die Bezugsfrequenz und eini vom frequenzgesteuerten Oszillator (COS) abge nommene Frequenz liegen, und daß an den Aus gang der Mischstufen eine Frequenzmeßeinrich tung (FMD) anschließbar ist (F i g. 2).

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen