DE2014726C3

DE2014726C3 - Verfahren und Vorrichtung zum optisch-elektrischen Messen der Geschwindigkeit und/oder Länge von bewegten Gegenständen

Info

Publication number: DE2014726C3
Application number: DE19702014726
Authority: DE
Inventors: Erhard Dipl.-Ing. 5100 Aachen Hentschel
Original assignee: Mannesmann AG
Current assignee: Vodafone GmbH
Priority date: 1970-03-23
Filing date: 1970-03-23
Publication date: 1980-01-31
Also published as: DE2014726B2; DE2014726A1

Description

Die Erfindung betriff) ein Verfahren /ur Geschwindigkeits- und/oder Längenmessung, bei dem mittels fotoelektrischer Abtastung das Oberflächenbild des Meßgutes, das sich in Relativbewegung /ur Abtasteinrichtung befindet, erfaßt und in elektrische Analogwerte umgewandelt wird, Von detien Werte mit bestimmter Amplitude^ die einen Schwellwert übersteigen, in Impulse gleicher Amplitude umgesetzt Werden,

Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens,

Die Erfindung geht aus von einem älteren Vorschlag & für Gin derartiges Meßverfahren"» bei welchem die Seitliche Differenz des Auftretens eines OberfläGhcnab" bildes eines bewegten Meßobjekles vor zwei im festen Abstand zueinander angeordneten Fotozellen benutzt wird, die Geschwindigkeit und Länge des Meßobjekts zu bestimmen (DE-OS 17 73 534).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den älteren Vorschlag, bei dem durch den Ergebnisvergleich zweier lichtelektrischer Zellen Schwierigkeiten auftreten, durch ein verbessertes Meßprinzip abzulösen.

Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren, bei dem mittels fotoelektrischer Abtastung das Oberflächenbild des Meßgutes, das sich in Relativbewegung zur Abtasteinrichtung befindet, erfaßt und in elektrische Analogwerte umgewandelt wird, von denen Werte mit bestimmter Amplitude, die einen Schwellwert übersteigen, in Impulse gleicher Amplitude umgesetzt werden, erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die in einer Zeiteinheit auftretenden Impulse gleicher Amplitude gezählt und daraus unter Berücksichtigung eines für das Meßgut spezifischen Wertes von Impulsen pro Längeneinheit, eines sogenannten »Impulsnormals«, die Augenblicksgeschwindigkeit des Meßobjekts bestimmt wird und durch Division aller gezählten Impulse gleicher Amplitude durch den spezifischen Wert von Impulsen pro Längeneinheit die Gesamtlänge des Meßobjekts bestimmt wird.

Dabei kann in weiterer Ausbildung der Erfindung die Meßgenauigkeit djrch Mittelwertbildung zwischen einem vorgegebenen »Impulsnormal« und einem am Meßobjekt ermittelten spezifischen Wert erhöht werden.

Das Verfahren bedient sich der Tatsache, daß das Meßgut, auf das es angewandt werden soll, im allgemeinen eine nicht restlos homogene Oberfläche aufweist, sondern eine spezifische Oberflächenstruktur besitzt, die dem Werkstoff und dem Fertigungszustand entsprechend mehr oder weniger grob sein kann. Durch diese Struktur besitzt auch jedes Oberflächenelement im allgemeinen zu seinen benachbarten Flächenelementen ein unterschiedliches Strahlung*· und Reflexionsvermögen. Dieses auf der Oberflächenstruktur basierende unterschiedliche Strahlungs- oder Reflexionsvermögen des Meßgutes wird über einen optisch-elektronischen Wandler (z. B. Photoelement. Photowiderstand, Photomultiplier usw.), im folgenden kurz Zelle genannt, in eine Analogsignalfolg·· umgesetzt, die entsprechend den Ausführungen ein elektronisches Abbild der Oberflächenstruktur darstellt (A b b. 1).

Die von der lichtempfindlichen Zelle in elektrische Spannungswerte übersetzte Strahlung kann von einer fremden Strahlungsquelle elektromagnetischer F.nergie stammen, deren Frequenzbereich (beispielsweise Bereich des sichtbaren Lichtes) optimal auf den Frequenzbereich der Zelle abgestimmt sein soll; die von der /eile in elektrische Spannungswerte umgesetzte Strahlung kann jedoch auch /.. B. bei heißem Meßgut aus der Eigenstrahlung des Meßgutes bestehen, wobei die Frequenz hauptsächlich im Infrarolberetch liegt. Soll bei zu erwartender unterschiedlicher Temperatur des Meßgutes eine etwaige Verschiebung des Meßbereiches ausgeklammert werden, so kann man hier mittels Fremdlichtquelle, die beispielsweise irn Frequenzbereich des blauen Lichts arbeitet:, alte Änderungen auf dem Gebiet des lnffäfolbereichs weitgehend ausschal* ten-

Uiti die optischen Verhältnisse möglichst konstant und damit optimal justiert zu halten, ist der Meßwert* aufnehmer (lichtempfindliche Zelle) auf einem zu seiner Längsachse parallel geführten, auf dem Meßgut mittels Rädern ö;ä\ federnd abgestützten Halter montiert.

Ebenso ist bei Fremdbeleuchtung der Winkel zwischen dem einfallenden Licht und dem Reflexionsstrahl möglichst klein zu halten, es sei denn, daß besondere Umstände (z. B. eine sehr glätte Oberfläche) eine Schrägeinstrahlung für eine differenziertere Strukturanzeige erfordern, wobei eine besonders genaue Führung von Meßwertaufnehmern oder Meßgut erforderlich wird.

Um die Ansprechempfindlichkeit der Zelle in der gewünschten Bewegungsrichtung möglichst hoch, in der Querrichtung dagegen möglichst gering zu halten, erfolgt die Einblendung des betrachteten Flächenelements in die Zelle übet eine schmale, langgestreckte Rechteckblende, deren Längsachse senkrecht zur Bewegungsrichtung zu montieren ist. Nimmt man beispielsweise an, daß bei mittlerer Empfindlichkeit des Systems eine meßbare Spannungsänderung bei 5% der Flächenänderung auftritt, so wäre hierzu bei einer angenommenen Blende von beispielsweise 1 χ 8 mm in der Bewegungsrichtung nur eine Verschiebung von on 0,05 mm erforderlich, in der Querrichtung jp ioch schon eine von 0,4 mm oder grob gesagt eine lOfache Verschiebung.

Das Meßverfahren, das sowohl bei ortsfest installierter Meßeinrichtung für längsbewegtes (Längen- und Geschwindigkeitsmessung) und drehend bewegtes Meßgut (Messung von Umfangsgeschwindigkeit oder Drehzahl), wie auch bei beweglicher Meßeinrichtung für Messung des bewegten Körpers gegen den festen Ort (z. B. genaue Messung der Geschwindigkeit und/oder der zurückgelegten Wegstrecke eines Kraftfahrzeugs^ gleichermaßen geeignet ist, wird nachstehend anhand der Abbildungen in Prinzip, Funktion und angedeuteten Variationsmöglichkeiten zur Erhöhung der Genauigkeit und Meßsicherheit erläutert

Wie bereits zuvor erwähnt, entspricht das durch die lichtempfindliche Zelle aus der vorbeigeführten Oberfläche des Meßgutes übertragene Spannungsbild etwa der Abb. ', wobei unter Zugrundelegung der vorgenannten Rechteckblende von I χ 8 mm sich die zur Veranschaulichung gespreizte Darstellung etwa im eingezeichneten Maßstab ergibt.

Man ermittelt nun die bei maximaler Reflexion und bei Reflexion »Null« auftretenden Spannungswerte Vmax unt' U_m,„ und setzt zwischen diese Werte Spannungsschwellen, deren Ansprechspannungen in gleichmaßigen Abständen justiert werden. Mit der Anzahl der Schwellen (z. B. Schmitt-Trigger) steigt auch die Genauigkeit der Anzeige ebenso die Frequenz, da nunmehr eine höhere Impulszahl je Zeiteinheit »ausgefiltert« wi-d. Um aus dem analogen Kurven/ug (A b b. 1) die für die Weiterverarbeitung erforderliche digitale Impulsfolge (A bb. 2) aus Impulsen gleicher Amplitude und Zeitdauer /u formen, ist außer den Schwellen je eine Impiilsfornieinheit erforderlich, wie als Beispiel in Abb ) (Baustein A)dargestellt. Diese F.inrichtung, die sowohl beim Über- wie beim Unterschreiten der Schwelle je einen Impuls abgibt, arbeitet (siehe A b b. 3) wie folgt:

Beim Überschreiten der Spannung über das an Schwelle »5« eingestellte Maß gibi die Schwelle »5« ein DäUersigna! an das Gedächtnis »Gi« und an die Binärstufe »ß«. Das Gedächtnis »d«, das die Aufgabe hat, das Dauersignal auch bei inzwischen erfolgter Unterschreitung der Spannungsschwclle festzuhalten bis eine Abfrage des rtoktronischcn Rundumabfragers erfolgt ist, gibt das Dauersignal iln die Stufe »Plusi« weiter, wo auch ein Dauersignal der Umkehrstufe »L/« ansteht. Kommt nun über die Leitung 1 des elektronischen kundumabfragers ein Impuls an die Stufe nPlusi«, so schaltet diese durch und gibt einen Impuls an den Ausgang 11 und damit zum Impulszähler. Gleichzeitig erhält das Gedächtnis »G2« einen Impuls, den es als Dauersignal an die Umkehrstufe »Uu weitergibt, deren Ausgang entsprechend der Signalumkehr damit auf Null gestellt wird. Dadurch ist sichergestellt, daß jede Schwellüberschreitung nur einmal an Ausgang 11 einen Impuls bewirkt Wird nun die Schwelle »&< wieder unterschritten, so bewirkt das an der Binärstufe »Ek< verschwindende Signal ein Dauersignal an deren Ausgang, das an die Stufe »Plus 2« gemeldet wird und hier gemeinsam mit einem vom elektronischen Rundumabfrager über Leitung 2 ankommenden Impuls einen Impuls an Ausgang 12 hervorruft der ebenfalls, da alle Ausgänge gekoppelt sind, zum Impulszähler weitergegeben wird Der Impuls an Ausgang 12 bewirkt gleichzeitig das Löschen der Binärstufe »&< über die als Einwej^chaltung benutzte Stufe »Plus4«, und weiterhin über die Stufe »P/us3« gemeinsam mit dem Gedächtnis »G2« das Löschen des Gedächtnisses »Gi« und bewirkt schließl.jh das Löschen des Gedächtnisses »G?«. Für den wenig wahrscheinlichen, jedoch theoretisch möglichen Fall, daß die Schwellüber- und -unterschreitung so hochfrequent erfolgt daß sie zeitlich zwischen die Rundumabfrage von Leitung 1 und 2 fällt wurde das Gedächtnis »Gj« zur Speicherung des von Ausgang 12 kommenden Löschimpulses vorgesehen. Das Löschen des Gedächtnisses »G3« erfolgt durch das nach dem Löschen des Gedächtnisses »Gi« wiederkehrende Dauersignal an dessen 2. Ausgang. Damit ist der Ausgangszustand des Bausteins »Au wieder erreicht. Wie in A b b. 3 angedeutet, besteht die Schwellen- und Impulsformeinheit neben dem elektronischen Rundumabfrager aus einer Vielzahl von Schwellen- und Impulsform-Bausteinen.

Die physikalische Tatsache, daß bei höherer Laufgeschwindigkeit die Spannungsschwellen früher ansprechen als bei dem effektiv eingestellten Wert, ist insofern uninteressant, als alle Trigger dies gleichzeitig tun und somit nur der Gesamtansprechpegel tiefer liegt die Anzahl der gemessenen Impulse jedoch gleichbleibt.

Die Auswertung der über vorgenannte Meßvorrichtung erhaltenen Impulse, deren Summe ein Maß für die Länge, deren Bezug auf die Zei'einheit ein Maß für die Geschwindigkeit des Meßgutes ist, erfolgt prinzipiell in einer gemäß Blockschaltbild (Abb.4) dargestellten Einrichtung, wie nachstehend erläutert.

Betrachtet man zunächst den ausgezogen gezeichheten Teil der A b b. 4. so hat man die einfachste Form der Längen- und Geschwindigkeitsmeßeinrichtung vor sich. Die über die lichtempfindliche Zelle 1 aufgenommenen Lichtwerie werden dortselbst in analoge Spannungswerte übersetzt, durch die zuvor beschriebene Schwellen- und Impulseinheit in Digitalwerte umgeformt und dem Impulszähl r 1 zugeführt, der seinerseits sein Ergebnis an die Recheneinheit zur Weiterverarbeitung abgibt Wie eingangs erwähnt, ist jedem Meßgut eine seinem Material und Fertigungszustand entsprechende Impulsanzahl je Längeneinheit zu eigen. Dieses sogenannte »Impuls-Normal«, das durch häufiges Messen als bekanru gelten kann, wird in der einfachsten Form von Hand über Wahlschalter einer Impulsvorgabe^Einheit angegeben, die ebenfalls ihr Ergebnis der Recheneinheit meldet. Außerdem ist am Rechner ein Zeitgeber angeschlossen, der, beispielsweise über eine

sehr genaue Quarzuhr, die Impulse für die elektronische Rundumabfrage erzeugt und die von der Meßzellc I über Anfang und Ende des Meßgutes gemeldeten Start-Slop-Signale empfängt und weitergibt. Aus diesen Eingaben £i (Zeit), £2 (Meßimpulse), £3 (Vorgabeimpulse je Längeneinheit) ermittelt der Rechner durch Teilung der Division £2: £3 durch den Divisor E\ die Augenblicksgeschwindigkeit, die über Kanal i ausgegeben wird und durch Division aller £2 durch £3 die Gesamtlänge, die über Kanal 2 angezeigt oder weitergegeben wird.

Nimmt man nun die durch die gestrichelte Darstellung gekennzeichneten Elemente und Verbindungslinien hinzu und läßt die gestrichelt durchkreuzten Angaben und Linien weg, so ergeben sich Vorteile nachstehender Art:

1» Bei Beginn des 1. Signals an der Zelle 1 zählt der impulszähler auch in die impuisvorgabe, bis die Zelle 2 ein Stopsignal setzt. Hierdurch ist gegenüber der Handeingabe eine eindeutige, dem Abstand der beiden Zellen entsprechende Impulsanzahl vorgegeben. Dies dient zur Erhöhung der Anpassungsfähigkeit bei gleichem, jedoch strukturwandelbarem Meßgul (z. B. kann bei Walzgut infolge Aufpolierens der Walzen auch die Meßgutoberfläche im Laufe der Zeit glatter werden).
Diese Genauigkeit der Impuisvorgabe, die praktisch individuell bei jedem neuen Meßkörper neu aufgestellt werden kann, läßt sich dadurch steigern, daß die 2. Zelle am Ende des Meßgutes über Impulszähler 2 eine Impuisvorgabe ermittelt, die mit der vorherigen Impulsvorgabe zu einem Mittelwert verarbeitet wird. Dieser ist allerdings nur für die Längenbestimmung (Schlußwert), nicht aber für die während des Meßvorganges dauernd erfolgende Geschwindigkeitsangabe benutzbar.

Z Ebenso dient der aus den Angaben der Impulszähler 1 und 2 gebildete Mittelwert zur Genauigkeitssteigerung der Längen- und Geschwindigkeitsrechnung.

Legt man die bereits genannten theoretischen Werte der Rechteckblende (1x8 mm), der Anzeigeänderung bei 5% der Flächenänderung, sowie eine mittlere Meßgutgeschwindigkeit von 10 m/s zugrunde, so läßt sich eine Impulsfolgefrequenz von 200 kHz bestimmen. Da in einem Meßintervall nur Miltelwefic anfallen, sind die errechneten Geschwindigkeitsangaben genauer, je kleiner das Meßintervall ist. Bei 10 m/s, einem Abstand der Meßzellen von 0,1 m und einer maximalen Beschleunigung von 1,5 m/s² beträgt die theoretische Abweichung der Effeklivgeschwindigkeil von der mittleren Geschwindigkeit (Anzeige) etwa 2,5%. Für die Längenmessung ergibt sich keine Fehlabweichung.

Für die Auswertung der Meßergebnisse sind verschiedene Methoden anwendbar. Zunächst ist es möglich, in festen Zeitabständen die gemessene Impulszahl mit der vorgegebenen Impulszahl je Längeneinheit ins Verhältnis zu setzen, wodurch sich ein variables Wegstück ergibt. Dieses wird für die Geschwindigkeitsermittlung durch das feste Zeitintervall dividiert. Da das letzte Zeitintervall kleiner sein wird als das feste Zeitintervall, kann für genügend kleinp Wpgufjcke die letzte Rechnung der Geschwindigkcil entfallen und die vorhergehende übernommen werden. Für die Längenmessung werden alle Meßimpulse einem Zählwerk zugeführt und nach Abschluß der Summenbildung diese Impulssumme durch den Mittelwert der beiden Vorgabeimpulse je Längeneinheit dividiert.

Während sich für die Längenmessung nichts ändert, es sei denn, man verzichtet auf die Mittelwertbildung der Vorgabeimpulsc _und summiert die -errechneten Wegstücke

Im
iv

auf, kann man als weiteren Rechengang für die Geschwindigkeitsermittlung folgendes vorschlagen:
Die Meßimpulse werden so lange aufsummiert, bis ihre Anzahl mit der der Vorgabeimpulse je Längeneinheit übereinstimmt Damit ist das Impulsverhältnis stets gleich 1 und das feste Wegstück dividiert durch das nunmehr variable Zeitintervall ergibt direkt die Geschwindigkeit

Das Ergebnis der Rechnung kann für die Geschwindigkeit (Drehzahl etc.) und Länge auf getrennten Kanälen erscheinen, wobei eine Anzeige erfolgen und/oder eine Ausgabe dieser Daten in digitaler Form zur weiteren Auswertung z. B. an einem prozeßsteuernden Großrechner vorgenommen werden kann.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Geschwind igkeits- und/oder Längenmessung, bei dem mittels Ibtoelektrischer Abtastung das Oberflächenbild des Meßgutes, das sich in Relativbewegung zur Abtasteinrichtung befindet, erfaßt und in elektrische Analogwerte umgewandelt wird, von denen Werte mit bestimmter Amplitude, die einen Schwellwert übersteigen, in Impulse gleicher Amplitude umgesetzt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die in einer Zeiteinheit auftretenden Impulse gleicher Amplitude gezählt und daraus unter Berücksichtigung eines für das Meßgut spezifischen Wertes von Impulsen pro Längeneinheit, eines sogenannten »Impulsnormals«, die Augenblicksgeschwindigkeit des Meßobjekts bestimmt wird und durch Division aller gezählten Impulse gleicher Amplitude durch den spezifischen Wert von impulsen pro Längeneinheit die Gesamtlänge des Meßobjekts bestimmt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßgenauigkeit durch Mittelwertbildung zwischen einem vorgegebenen »Impulsnormal« und einem am Meßobjekt ermittelten spezifisehen Wert erhöht wird.

3. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine im konstanten Abstand zum Meßobjekt haltbare fotoelektrische Abtasteinrichtung in Form einer lichtempfindlichen Zelle (1) mit einer aus einer Schwellen- und ImpulJormei .heit, einem Zeitgeber, einem Impulszähler, eir.;r Impulsvorgabe und einer Recheneinheit bestehenden Ar >rdnung zur Bestimmung und Ausgabe des Wertes der Augenblicksgeschwindigkeit und der Länge des Meßobjekts verbunden ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 3. gekennzeichnet durch eine im festen Abstand neben der lichtempfindlichen Zelle (1) angeordneten lichtempfindlichen Zelle (2), die in entsprechender Weise wie die Zelle (1) mit einer Anordnung zur Bestimmung und Ausgabe der Werte der Augenblicksgeschwindigkeit und der Länge des Meßobjekts verbunden ist, wobei dem Impulszähler und der Impulsvorgabe Mittelwertbildner nachgeschaltet sind, die mit dem entsprechenden Impulszähler und der entsprechenden Impulsvorgabe der mit der lichtempfindlichen Zelle (1) verbundenen Anordnung in Verbindung stellen.