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c-rfallren und Meßvorrichtung zum fortlaufenden, berUhrungsfreien
Messen von kleinen Drahtstärken Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum
fortaaufenden, berührungsfreien Messen von kleinen Draht'stärken, wobei der zu messende
Draht in der Nähe einer Laserlichtquelle durch das Strahlungsfeld geführt wird,
sowie auf eine Meßvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
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Bei einem derartigen bekannten Verfahren wird von einem Gaslaser,
æ.B. mit He-Ne-FUllung, ein Laserstrahl erzeugt. Der Terchmesser des emittierten
Strahlenbündels beträgt in der Nahe der Quelle etwa 1 mm bei-kleinem Öffnungswinkel
von etwa 9 Bogenminuten. Wird in den Laserstrahl der zu messende Draht senkrecht
zur optischen Achse in das Lichtbündel gebracht, so entsteht X B. auf einer Mattglasscheibe
ein Beugungsbild, bei weichem die Abstände der Hell- und Dunkelstellen dem Durchmesser
des zu messenden Drahtes umgekehrt proportional sind. Dieses bekannte Verfahren
arbeitet einfach und störungsfrei, sowie rasch und genau. Es benötigt keine zusätzliche
Eichung und ist daher praktisch und zuverlässig zu handhaben. Es ergeben sich jedoch
dann Schwierigkeiten, wenn der Draht kontinuierlich durch den Laserstrahl geführt
wird. Schwingungen des Drahtes sowohl in der Filhrungsrichtung wie auch quer zu
dieser lassen sich hierbei nicht vermeiden. Das Beugungsbild ist daher unschart,
so daß eine genaue Auswertung schwierig ist. Sofern sich dieser Mangel beheben läßt,
kann das bekannte Verfahren mit Vorteil zum Messen und überwachen der laufenden
Drahtstärke, z.B. beim Ziehen von sehr dünnen Drähten von 0,05 mm und weniger, angewandt
werden.
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Gemäß einem älteren Vorschlag läßt sich die Stärke eines mit gleichmäßiger
Geschwindigkeit duru den Laserstrahl gefilhrten Drahtes Enreichend genau ermitteln,
wenn man das Beumungsbild periodisch abtastet und die so erzeugten zeitlichen Abstände
der Dunkelstellen des Beugungsbiictes mit einer gegebenen Zählimpulsfolge vergitcht.
Geschieht nämlich die Abtastung des Beugungsbildes in periodischen Zeitabständen
hinreichend schnell, so kann einerseits die während eines Meßintervalls verursachte
Ortsändelsmg des Drahtes und andererseits die durch die Schwingung des Drahtes verursachte
Änderung der folge des Beugungsbildes auf dem Abtastschirm unberücksichtigt bleiben.
Die räumlichen Abstände der Dunkel stellen werden in zeitliche Abstände umgewandelt
und diese - wie vorbeschrieben - mit einer vorgegebenen Zählimpulsfolge verglichen.
Der reziproke Vergleichswert ist hier ein absolutes Maß für den Drahtdurchmesser
des zu messenden Drahtes. Zum periodischen Abtasten des Beugungsbildes wird gemäß
dem älteren Vorschlag ein schwingender Galvanometerspiegel oder ein drehendes Spiegelprisma
verwendet. Das vom Spiegel refelktierte Licht wird unter Zwischenschaltung einer
Optik einer fotoelektrisch arbeitenden Abtastvorrichtung zugefilhrt. Durch die periodische
Abtastung des Beugungsbildes werden die zeitlichen Abstände der Hell und Dunkelstellen
in eine analoge elektrische Signalfolge tSwandelt. Diese so ermittelte Signalfolge
wird sodann in einer Auswertelogik mit einer vorgegebenen Zählimpulsfolge verglichen.
Obwohl das Verfahren gemäß dem älteren Vorschlag wie auch die dort gezeigte Vorrichtung
den Erwartungen entspricht, ist es doch schwierig, das Beugungsbild von einr Einstreuung
durch Fremdlicht frei zu halten. Das Beugungsbild verliert durch die Einstreuung
çon Fremdlicht an Kontrastschärfe, so daß es viel GeschiEklichkeit bedarf, eine
dem Beugungsbild entsprechend analoge elektrische Signalfolge zu erhalten.
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Ausgehend vom Verfahren gemaß deru deren Vorschlag zum fortlaufenden
beriihrungsfreien Messen von kleinen Draht st.>irken, wobei der zu messende Draht
in der Näne Ejner Laserlichtquelle durch das Strah ungsfeld geführt wi.n und die
Hell- und Dunkelstellen eines Beugungsbildes vermittels eines rotierenden oder schwingenden
Organs und einer fotoelektrisch arbeitenden Zelle in eine periodische elektrische
Signalfolge umgewandelt; sind die Signale einem Zähler zugeführt werden, besteht
das Verfahren gem der Erfindung darin, daß man die periodisch abgetastete Signal
folie der Hell- und Dunkelstellen des Beugungsbildes differenziert und die so ermittelten
Nullstellen entsprechend der Maxima und Minima der Hell- und Dunkelstellen in eine
Rechtecksignalfolge umwandelt und in einem Zähler - wie bekannt - die Dauer der
aufeinanderfolgenden Impulse ermittelt.
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Lurch diese verfahrensmäßigen Maßnahmen wird eine genaue Erfassung
der Meßwerte, und zwar durch Elimination des Tageslichtes sowie der Einstreuungen
aus dem Hauptmaximum ermöglicht. Bedingt dadurch, daß man die periodische Signalfolge
der Hell- und Dunkelstellen des Beugungsbildes differenziert, ergeben sich an den
Stellen der Maxima und Minima konkrete Nullstellen, welche sich mittels eines Schmitt-Triggers
in Rechteckimpulse umwandeln lassen. Der zeitliche Abstand zweier positiver Zählimpulse
ist das umgekehrt proportionale Maß der gesuchten und gemessenen Drahtstärke.
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In Abhängigkeit vom Drahtdurchmesser ändert sich die Phasenlae des
Beugungsbildes in Bezug auf die, nachfolgend beschriebene, rotierende Organe-aufweisende
Abtastvorrichtung. Zur Vermeidung dieses Nachteiles unterdrückt man die Rechteckimpulse
am Anfang und/oder am Ende der Abtastperiode, und zwar dann, wenn die Impulsbreite
kleiner als die aufgrund des Drahtdurchmessers maximal mögliche Impulsbreite ist.
Durch diese Maßnahme
werden nur jene Rechteckimpulse der Auswertung
zugrmldegelegt, welche mit Sicherheit den Abstand von einem Minimum zum anderen
im Beugungsbild entsprechen.
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Ausgehend von einer Meßvorrichtung zur Ausübung des Verfahrens, bestehend
aus einer Laserlichtquelle, durch deren Strahlungsfeld der zu messende Draht geführt
wird, einer, die HeAl-und Dunkel stellen des Beugungsbildes unter %wischenschaltlinp
eines rotierenden Elementes in elektrische Analogwerte umwan delnde fotoelektrisch
arbeitende Zelle und einer damit in Verbindung stehenden Auswertelogik, besteht
die Vorrichtung gemäß der Erfindung darin, daß das rotierende Element als eine,
einen spiralförmigen Schlitz aufweisende Scheibe gebildet und diese Scheibe von
einer, einen linearen Spült aufweisenden, vom Laserltht zumindest teilweise beaufschlagten
Scheibe abgedeckt ist, wobei der Spalt deckungsgleich zur Achse des Beugungsbildes
verläuft.
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Bei jedem Umlauf der Spirale wird somit das Beugungsbild einmal abgetastet,
wobei ein Umlauf einer Abtastperiode entspricht.
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Da indessen die Phasenlage des Beugungsbildes zum Spalt nicht festliegt,
kann es vorkommen, daß die spätere Rechtecksignalfolge am Periodenende unvollkommen
ist. Zur Vermeidung dieses Nachteils trägt,gemaß einem weiteren Merkmal der Erfindung,
das rotierende oder ein damit synchron umlaufendes Element eine das Ende der Abtastperiode
anzeigende Marke. Diese Marke iæt vor7ugsweise als eine im Lichtweg zu einem lichtempfindlichen
Organ, z.B. einem Fototransistor, gelegene Blende ausgebildet. Die Länge der Marke
entspricht dem maximal möglichen Abstand von einer Hell-- bis zu einer Dunkelstelle
des Beugungsbildes. Das von der Marke ausgelöste Signal am Ende einer jeden Abtstperiode
löscht alle unvollständigen Rechtecke, welche innerhalb des Feitintervalls der Signaldauer
anstehen, so daß nur jene Rechteckimpulse der Auswertung unterliegen, welche zeitlich
dem
durch die Marke ausgelösten Signal vorgehen.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung sind aus den Zeichnungen ershtlich
anhand deren das Verfahren und die Vorrichtung näher erläutert werden.
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Das gemäß Figur 1 mittels eines Laserstrahles 1 von einem dünnen Draht
2 erzeugte Beugungsbild 3 zeigt Hell- und R mkelstellen 4 und ?, webei sich die
Hell- und Dunkelstellen in Form einer Wette aneinanderreihen. Die Abstände S der
Hell- bzw. Dunkelstellen voneinander sind ein Maß für den Durchmesser D des Drahtes,
wobei diese Abstände zum Durchmesser des Drahtes umgekehrt proportional sind. DFs
Hauptmaximum 6 ist großflächig und streut relativ weit in das Beugungsbild 3 hinein.
Wird das Beugungsbild unter Zuhilfenahme einer nicht dargestellten Optik von einer
fotoelektrisch arbeitenden Zelle abgetastet, so ergibt sich ein, den Helligkeitswerten
analoger Spannungsverlauf am Ausgang der Zelle, wie etwa durch den Kurvenzug 7 angedeutet.
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Gemäß Figur 2 dient zur Abtastung des Beugungsbildes ein rotierendes
Organ, welches hier als Scheibe 9 ausgebildet ist und eine eingang$ schlitzförmige
Spirale 8 mit einer konstanten Steigung aufweist. Die Scheibe wird mit konstanter
Drehgeschwindigkeit in Richtung des Pfeiles 10 angetrieben. Diese Spirale arbeitet
zusammen mit einer, einen Spalt 11 aufweisenden Blende 12. Letztere Blende deckt
die liUhtempfindliche Fläche einer fotoelektrisch arbeitenden Zelle, vorzugsweise
eines Fotoveroielfachers - wie bei 13 angedeutetab. Die in Form eines Schlitzes
gebildete Spirale besitzt eine konstante Steigung, wobei die Ganghöhe etwas größer
ist als die länge des Spaltes ii. Die Breite der Spirale 8 sowie des Spaltes 11
beträgt wenige Zehntel Millimeter. Zur besseren Ansicht ist in Figur 2 die Scheibe
9 und die Blende 12 im Abstand voneinanderdargestellt, wobei Jedoch in der praktischen
Ausführung
die rotierende Scheibe 9 mit dem geringstmdglkhen Abstand
vor der Blende 12 rotiert. Die Anordnung ist hierbei so getroffen, daß beim Abtasten
des Beugungsblldes entueaeL nur das vom Hauptmaximum 6 der Figur 1 rechts oder links
gelegene Beuguqvbild erfaßt wird Durch diese Maßnahme wird das Hauptmaximum, dessen
Intensität im Vergleich zu den Nebenmaxima sehr groß ist, nicht erfaßt. Beim Abtasten
des Beugunsbildes entsteht somit am Ausgang 13 des Fotoverrislfachers ein Spannungsverlauf,
etwa dem Kurvenzug 7t entsprechend. Zur genauen Erfassung der Lage der Maxima und
Minima dieses Kurvenzuges wird letzterer differenziert, so daß sich ein Signal mit
einem Spannungsverlauf, wie durch den Kurvelszug 14 angedeutet, ergibt. Dadurch
werden die Maxima und Minima zu Nullstellen umgewandelt, wodurch einerseits der
Einfluß des Tageslichtes, sowie die mögliche Einstreuung aus dem Hauptmaximum 6
der Figur 1 eliminiert ist. Unter Verwendung eines Schmitt- Triggers werden sodann
die differenzierten Signale in eine Folge von Rechteckimpulsen, wie bei 15 gezeigt,
umgewandelt. Der Abstand von z.B. zwei positiven Flanken benachbarter und vollständiger
Rechteckimpulse ist dem gemessenen Drahtd2archmessr umgekehrt proportional. Durch
nochmalige Differenziation- wie bei 16 gezeigt - erhält man jeweils am Orte der
Flanken der Rechteckimpulse nadelförmige Spitzen 17, wobei - wie nachfolgend noch
beschrieben - die negativen Spitzen unterdrückt werden und die positiven Signal
spitzen als Steuersignale fUr den Zähler benutzt werden. Da die Phasenlage des gurvenzuges
7'zum Abtastspnlt 11 nicht festliegt, kann am Anfang und Ende eines Abtastvorganges
ein Rechteck entstehen, dessen Breite nicht dem tatsächlichen Abstand von einem
Minimum zum benachbarten Maximum im Beugungsbild entspricht. Zur Vermeidung von
Fehlmessungen müssen daher die möglichen unvollständingen Rechteckimpulse am Periodenanfang
und -ende vom Zähler ferngehalten werden. Dies geschieht durch eine Logikschaltung.
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Ein Abschneiden des letzten Rechteckes durch das Ende des Abtastspaltes
II wird durch ein zusätzliches Signal vermleden. Die rotierende Scheibe 9 besitzt
einen Spalt 18, welcher im Lichtweg eines Fototransistors1elegen ist.
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Die lange L des Spaltes ist so bemessen, daß der bei rotierender Scheibe
vom Spalt 18 auf den Fototransistor 19 ausgelöste Belichtungsimpuls geringfügig
größer ist als der Abstand S/@ im Beugungsbild 3 der Figur 1. Hierbei ist die Anordnung
des Spaltes so getroffen, daß das Signal jeweils am Ende des Abtaorganges erscheint.
Der Impulsverlauf ist in Figur @ bei 20 dargestellt. Der Auswertung unterliegen
somit lediglich jene vollständigen Rechtecke , welche innerhalb eines Meßintervalls,
wie bei 21 angedeutet, gelegen sind. Ist beispielsweise am Ende eines Abtastvorganges
ein Reckteckimpuls 15' nur unvollständig, so erscheint das durch den Spalt 18 ausgelöste
Signal zeitlich vorher, wobei nunmehr mittels eines Gatters 22 das Signal 15' unterdrückt
wird.
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In anderer Weise werden jene Rechteckimpulse von der Auswertung ausgeschlossen,
welche zum jeweiligen Beginn einer Abtastperiode unvollständig sind, wie z.B. bei
151 dargestellt. Durch das Öffnen des Zählers 33 (gemäß Figur 3) mit dem ersten
positiven Nadelimpuls 17, der durch Differenzieren der Rechteckaigna--? le 15 erzeugt
wird, ist gewährleitet, daß zu Beginn des Abtastvorganges nur vollständige Rechtecke
zur Auswertung gelangen.
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In Figur 3 ist eine Logikschaltung zur Auswertung des Beugungshildes
bzw. zur Ermittlung der Drahtstärke aus dem Beugungsbild dargestellt. Das am Ausgang
des Fotovervielfachers:13 anliegende Signal 7' wird bei 23, wie an sich bekannt,
differenziert und das so erzeugte Signal 14 vermittels ehes Schmitt-Triggers 24
in negative Rechteckimpulse 15 umgewandelt. Das Rechtecksignal steht an einem Tor
25 und, wenn letzteres geöffnet ist, an einem Zähler an. Fernerhin erfolgt bei 26
eine Differenziation der Rechteckimpulse, wobei nunmehr die negativen Spitzen 17
durch
einen Gleichrichter 27 unterdrückt werden. Das nunmehr durch
den Gleichrihter geschleuste Signal steht als positiver Wert vor einem Gatter 28
an. Das vom Fototransistor 19 erzeugte Signal wird ebenfalls einem Schmitt-Trigger
29 zugeführt und in einen Rechteckimpuls verwandelt, wobei der vom Schmitt-Trigger
24 kommende Rechteckimpuls 15 zusammen mit Impuls 20 am Gatter 22 anstehen. Letzterer
Gatterausgang 31 liegt an. einem Eingang des Gatters 28, so daß je nach anliegendem
Potential an einer bistabilen Kippstufe h? von letzterer das Tor 25 zum Zähler 33
offen oder geschlossen gehalten wird. Es gelangen somit nur die während einer jeden
Abtastperiode entstandenen volitändigen Rechteckimpulse 15 (Figur 2) zum Zahler,
deren Dauer T tatsächlich dem Wert OJD . geöffnet entspricht. Hierbei ist das Tor
25 während der Dauer 21-/und wird mit dem Erscheinen des Signals 20 wiederum geschlossen.
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6 Patentansprüche 3 Figuren