DE2111883A1

DE2111883A1 - Geschwindigkeitsmesser

Info

Publication number: DE2111883A1
Application number: DE19712111883
Authority: DE
Inventors: Konrad Charles Edward
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1970-03-13
Filing date: 1971-03-12
Publication date: 1971-10-07
Also published as: FR2081922A1

Description

HEINZ LINSER · PATENTANWALT · PHYSIKER

GENERAL ELECTRIC COMPANY

1 River Road
Schenectady, N.Y./USA

Geschwindigkeitsmesser

6072 DREIEICHENHAIN BERLINER RING 170 RUF (061 03) 8 18 1 3

1692-21-IY-2136

Die Erfindung bezieht sich auf ein Gerät zur Messung der Geschwindigkeit einer sich bewegenden Fläche, ohne daß diese körperlich berührt wird. Derartige Geräte gehen beispielsweise aus der US-Patentschrift Nr. 3 4-32 237 hervor.

Der Erfindung.liegt die Aufgabe zugrunde eine einfache Einrichtung zur Messung der Geschwindigkeit einer bewegten

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Fläche zu schaffen, die keinen Winkelfehlern unterworfen ist, wenn der optische öffnungswinkel in der Nähe der fotoempfindlichen Einrichtung ist.

Die Lösung dieser Aufgaben besteht darin, daß bei einem Gerät zur Messung der Geschwindigkeit einer quasi spiegelbildlichen Fläche, die sich in eine bestimmte Richtung bewegt, eine Vorrichtung vorgesehen ist, die ein Lichtmuster auf die sich bewegende Fläche wirft, das von einem fotoempfindlichen Element abgetastet wird, wobei eine Funktion der Geschwindigkeit der Fläche durch Reflektion der Fläche durch das projizierte Muster abgeleitet wird.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung, in der ein Ausführungsbeispiel dargestellt ist, näher erläutert. Hierbei zeigen:

Figur 1 eine geometrische Figur zur Darstellung der Theorie der Erfindung;

Figur 2a, 2b und 2c weitere geometrische Figuren zur Veranschaulichung der Merkmale der Erfindung;

Figur 3 eine schematische Ansicht eines Ausführungsbeispiels der Erfindung mit einem sich bewegenden Streifen;

Figur 4 eine andere schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung mit einem durch sich drehende Walzen geführten Streifen und

Figur 5 eine schematische Ansicht einer Ausführungsform der Erfindung in einem Tachometer zur Bestimmung der Geschwindigkeit einer sich drehenden Welle.

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In Figur 1 beleuchten zwei kohärente monochromatische Lichtquellen S_x. und Sp einen gemeinsamen Punkt O¹, der von der Mitte O um X entfernt ist. Die Abstände S^ O¹ und S₂ O¹ geben die Strahlabstände P^ und entsprechend P₂ wieder. Der "nullte" Leuchtfleck erscheint beim Punkt O und die nachfolgenden Flecke treten dann auf, wenn die zwei Strahlen sich um eine Wellenlänge h des Lichtes voneinander unterscheiden. Wenn durch Sp um den Punkt O¹ ein Bogen AC gezogen wird, dann stellt der Abstand entlang der Linie S^ O¹ zum Schnittpunkt die Differenz der Strahllange S_x. Q oder delta Par.Wenn der Abstand R zur Mitte 0 sehr groß ist, verglichen mit dem Abstand Sp Q, so nähert sich der Bogen einer geraden Linie S₂ Q und der Winkel des Schnittpunktes nähert sich 9o°. Daher ist die Strahldifferenz angenähert:

delta P » d sin Θ, wobei d der Abstand zwischen

S. und S₂ ist.

Und falls die Strahldifferenz zwangsläufig eine ganze Zahl m h von Wellenlängen wird, so ist

m h » d sin θ

wobei m » 1, 2, 3, ·.* ist.

Wenn der Abstand R groß ist, wird der Winkel θ sehr klein, so daß

sin θ - ^K

Daher wird:

- m h, und ^{R m h}

Daher werden ein Lichtmuster und schwarze Bänder erzeugt, die einen Abstand K - aufweisen. Wenn ein Bezugsteil mit einer Geschwindigkeit ν durch das Muster geht, wird ein Lichtstrahl empfangen, wenn es durch einen Streifen geht 1098A1/1182

und die Frequenz der ·Lichtimpulse wird dann: ψ ν ν d

Es ist nicht notwendig eine kohärente Lichtquelle zu verwenden und in der Tat kann ein Dia-Projektor verwendet werden, um ein Bandmußter mit befriedigenden Ergebnissen zu erzielen. Es sei bemerkt, daß eine "Frequenzausgangsquelle", die der Geschwindigkeit proportional ist, es erforderlich macht, daß die Fläche auf dem Streifen Unregelmäßigkeiten oder Änderungen bezügl. der Oberflachenreflektion aufweist} ,jedoch sogar eine polierte Oberfläche enthält genügend Fehler, um ein brauchbares Signal zu erzeugen.

Die Figur 2a zeigt ein Beispiel einer Projektion einer Reihe von Streifen 12 auf einem Band 11, das einen Fehler oder eine Unregelmäßigkeit 13 aufweist, wobei die Streifen um einen Betrag voneinander getrennt sind, der gleich der Breite eines Streifens ist.

Bezüglich der Figur 2b sei angenommen, daß ein Bandmuster eine sinusförmige Intensitätsvorteilung (H sin x) aufweist und daß die Größe der Oberflachenreflektion willkürlich χ und y sei, wobei N gleich der Reflektionskoeffizient einschließlich dem Einfallswinkel ist.

Bezüglich der Figur 2c sei angenommen, daß die gesamte beleuchtete Fläche (d.h. die Fläche von X^. bis Xp mal delta Y) SA sei wie in Figur 2c dargestellt ist. Die Lichtintensität kann dann wie folgt ausgedrückt werden:

h - I sin X + I

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wobei H « die maximale Intensität der beleuchteten Fläche bedeutet. Das zum Fotosensor durch die Elementfläche delta X delta Y_#reflektierte Licht ist: E₁ « N₁ delta X₁ delta Y₁ (| sin χ + | ) und da(N) eine Funktion von (X) ist, ändert sich die Intensität E₁ sinusförmig mit X; mit der Geschwindigkeit ist X eine Funktion der Zeit und E₁ wird eine Sinusfunktion der Zeit; demzufolge wird:

IT. delta X. delta Y. H

E₁ · -J ή !— sin wt

In ähnlicher Weise gilt für eine andere Elementarfläche delta Xp delta Yp mit einem Reflektionskoeffizienten Np :

IT₀ delta X₀ delta Y₀ H E₂ » ~ ^= ~— sin (wt + Θ)

Der Phasenwinkel (Θ) entsteht aufgrund der Tatsache, daß der Ort der zweiten Elementarfläche entlang (X) nicht der gleiche wie der erste ist. (Es sei bemerkt, daß ein anderer Ort entlang (Y) bei einem festen (X) Wert den Phasenwinkel nicht beeinflußt.)

Di« Ausgangsleistung des optischen Empfängers ist daher:

V₀-M (E₁ +E_{2 +} E₃₊ ...'...E_n )

Vq ist daher gleich einer Konstanten (M) mal der Summe von η Ausdrücken, wobei Jeder eine Winkelfrequenz w und eine Phasenverschiebung (θ_η) besitzt.

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Da sich sowohl delta X und delta X "Null" nähern, kann die Summenbildung als unendlich betrachtet werden, und Vq kann wie folgt geschrieben werden:

j -. Y₁ / delta Y

X. / delta X

- μ

Es kann beobachtet.werden, daß stets neue Elemente in die abgetastete Fläche eintreten und alte Elemente verschwinden, so daß die Vektor-Summe E sich sowohl hinsichtlich der Amplitude als auch der Phase ändert. Demzufolge wird eine Schwingung erzeugt, die eine Trägerfrequenz w und eine Einhüllende beliebiger Frequenzen aufweist, welche von den Veränderungen der Amplitude der Phasen-Summen entstehen.

Für die folgende Beschreibung sei bemerkt, daß dasWort "spiegelbildlich" im weitesten Sinne verwendet wird, daß in Bezug auf die Reflektion einer Strahlungsenergie von einer Fläche,auf die eine derartige Strahlung proji :ziert wird, als "quasi spiegelbildlich" aufgefasst werden kann.

In Figur 3 ißt auf einer sich bewegenden spiegelnden Fläche eines Bandes 11 ein regelmäßiges Muster 12 gleichweit voneinander entfernter Streifen von einer Lichtquelle 14 mit Hilfe einer Maske 15» von der das Muster aus entsteht, projiziert. Eine Fotozelle 16 ist derart angeordnet, das sie das projizierte Muster abtasten kann, wobei die Fotozelle auf das Muster unter einem Winkel i? fokussiert ist,

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welcher gleich dem Winkel 0 der Lichtquelle 14 ist. Wie aus der voranstehenden Erläuterung hervorgeht, empfängt die Fotozelle 16, wenn das Band 11 unter dem Muster voranschreitet, (siehe Pfeil) durch die Veränderungen hinsichtlich der Reflektionen der Flächen des Bandes 11 Impulse, wenn die Veränderungen unter den Streifen hinweggehen und in die Räume zwischen den Streifen der Muster 12 eindringen, wobei die Impulse als Funktion der Geschwindigkeit des Bandes 11 vorliegen.

In Bezug auf Figur 3 wird angenommen, daß die Fotozelle 16 jedesmal dann Impulse empfängt, wenn eine "besondere Fläche des spiegelnden Bandes 11 unter einem Streifen 12 heraustritt. Wenn z.B. der Abstand zwischen den Streifen 12 gleich " d " ist, so ist der Abstand von der Kitte eines Streifenzwischenraumes bis zum nächsten Streifenzwischenraum " 2d". Nimmt man weiter an, daß eine Unregelmäßigkeit in der Oberfläche des Bandes 11 sich unter 4en Streifen 12 mit einer Geschwindigkeit V bewegt, bo empfängt die Fotozelle jedesmal dann einen Impuls, wenn die Unregelmäßigkeit durch einen Raum zwischen den Streifen 12 hindurchgeht, wobei sich die folgende Frequenz ergibt:

wobei t - die Zeit ist, die die Unregelmäßigkeit benötigt, um einen Abstand von 2d zu durchlaufen,

Da f » Tjk ist so ist auch V - f. 2d.

Wenn beispielsweise demzufolge d - 2,5 mm (o,o1 in), 2d - 5,o8 mm (o,o2 in) (angenommen es sind vier Streifen pro cm (1oo Streifen pro in) vorhanden, und f « 25.1O^ Rad/sec. ist, so wird:

V * f.?d - 25.1ο⁵ . 5,o8 cm oder

V ■ 1.27o cm/sec. (f>oo in/sec.)

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Mit anderen Worten bewegt sich unter diesen Bedingungen das Band 11 mit einer Geschwindigkeit von ca. 762 m/Min..

Figur 4 zeigt eine Anordnung, die derjenigen nach Figur ähnlich ist, wobei die Geschwindigkeit eines Stahlbandes, das von einem Metallwalzwerk hergestellt wird, bestimmt werden kann, ohne daß das Band an sich berührt wird. In Figur 4 ist nun ein Walzwerkstand dargestellt, das Arbeitswalzen 17 und Rückwärtswalzen 18a und 18b aufweist und ein Band 11a aus den Walzen 17 heraustritt, und eine Lichtquelle 14a passiert, die auf die Fläche des Bandes ein Muster 12a projiziert, das von einer Fotozelle 16a abgetastet wird, welche elektrische Impulse einem Frequenzmeßgerat zuführt, das in Geschwindigkeiten geeist ist.

Figur 5 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, die dazu verwendet wird, die Geschwindigkeit einer rotierenden Welle zu messen, an die eine Trommel 21 sowie ein Motor 22 zur Drehung der Welle und der !Trommel befestigt ist. Auf dem Umfang der Trommel, d.h. außerhalb der seitlichen Fläche, wird ein Muster 2o aus voneinander getrennten Streifen von einer Lichtquelle 19 projiziert und durch eine Fotozelle 23 in ähnlicher Weise, wie in Figur 3 dargestellt, abgetastet. Wenn z.B. der Umfang der Trommel 111,7 cm (44 in), der Bandabstand 22 Bänder pro cm (56 Bänder pro in) und die gemessene (angezeigte) mittlere Frequenz 7»5 k-Hert* beträgt, so ist die Geschwindigkeit der Welle, die die Trommel trägt, 183 Umdr/Min. In Figur 5 in der die Gesamtausdehnung (in Richtung der Drehung) des projizierten Musters klein ist, ist die angezeigte Geschwindigkeit sehr genau. Ein Ansteigen der begrenzten Ausdehnung dee projizierten Musters jedoch bewirkt, daß die angezeigte Geschwindigkeit etwas geringer als die tatsächliche Ge-

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schwindigkeit ist. Mit anderen Worten liegt, wie aus Figur 5 ersichtlich, ist, eine genauere Ablesung der Geschwindigkeit vor, wenn die Ausdehnung des Musters 2o auf die dargestellten Streifen begrenzt ist, als wenn die Fläche verwendet wird, die durch die von der Lichtquelle 19 und der Fotozelle 23 gestrichelt gezeichneten Linien begrenzt ist.

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Claims

Pat ent anspräche

Gerät zur Messung der Geschwindigkeit einer quasi spiegelnden Fläche, die sich in einer bestimmten Richtung bewegt, dadurch gekennzeichnet, daß Vorrichtungen (14 bzw. 14a bzw. 19) zur Projizierung einer Strahlungsenergie in Form eines feststehenden Musters von lichtundurchlässigen Anordnungen auf die Oberfläche (11) vorhanden sind, wobei die Anordnungen gleich dimensioniert und in Bewegungsrichtung gleich weit entfernt sind, und daß Vorrichtungen (16) bzw. (16a bzw. 23) zum Empfang der Reflektionen von den Flächen der Oberfläche (11) vorhanden sind, wobei die Reflektionen von den Anordnungen unterbrochen werden, welche mit der Bewegung der Oberfläche(11) koordiniert sind, und daß Frequenzmeßvorrichtungen vorgesehen sind, die durch die Empfängervorrichtungen (16) bzw. (16a bzw. 23) betätigt werden, um die Geschwindigkeit der Fläche anzuzeigen.
2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnungen rechteckige Streifen (12) aufweisen
3. Gerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Muster durch eine Maske (15) an der Quelle (14) der Projektionsvorrichtung erzeugt werden.
4. Gerät nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsenergie weißeB Licht enthalt, und daß die Empfangervorrichtung (16) eine Fotozelle ist.

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S.Gerät nach Anspruch. 1 oder einem der folgenden, dadurch, gekennzeichnet, daß die Fläche die seitliche Fläche eines sich, drehenden Zylinders (21) ist, und daß die Anordnung der Streifen (2o) in Drehrichtung dimensioniert und beabstandet ist.

β. Gerät nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß weitere Vorrichtungen vorgesehen sind, welche die Frequenzmeßvorrichtung in Umdrehungen pro Zeiteinheit eichen.

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