DE2120451B2 - Verfahren zum beruehrungslosen messen des abstands zwischen der messtellle eines messgeraets und der bezugsflaeche eines messobjektes sowie messgeraet zum durchfuehren des verfahrens - Google Patents

Description

dem Meßgerät ermittelt wird.

Dadurch, daß erfindungsgemäß für die Ermittlung des Abstands die durch direkte akustische Überlage-

Die Erfindung betnfft ein Verfahren zum beruh- rung der reflektierten Schallwelle mit einem Teil der

rungslosen Messen des Abstands zwischen der Meß- 55 ausgesandten Schallwelle entstehende resultierende

stelle eines Meßgeräts und der Bezugsfläche eines Schallwelle ausgewertet wird, kann auf einfachste

Meßobjekts, wobei eine kontinuierliche Schallwelle Weise die Anordnung so getroffen werden, daß in

gegen die Bezugsfläche hin ausgesandt und die von dem Falle, daß der Abstand zwischen dem Meßob-

dieser gegen das Meßgerät zurückreflektierte Schall- jekt und dem Meßgerät gleich Null ist, die beiden

welle empfangen sowie eine der Länge des Lauf- 60 überlagerten Schallwellen so miteinander interferie-

wegs der Schallwelle zwischen der Meßstelle des Ge- ren, daß sich für die resultierende Schallwelle ein

räts und der Bezugsfläche des Meßobjekts ent- Signalweriminimum ergibt. Nimmt die Größe des zu

sprechende Unterschiedlichkeit der empfangenen messenden Abstandes gegenüber dem Abstand Null

reflektierten Schallwelle gegenüber der ausgesandten auch nur um außerordentlich kleine Strecken zu,

Schallwelle ermittelt wird. 65 dann erfolgt eine Änderung des Signalwerts der resul-

Außerdem betrifft die Erfindung ein Meßgerät zum tierenden Schallwelle. Es können daher kleinste Ab-

Durchführen des Verfahrens. stände auf einfachste Weise berührungsfrei gemessen

Verfiii ren der obengenannten Art sind in mehreren werden.

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Für die betriebssichere Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens soll weiterhin ein einfach aufgebautes Meßgerät geschaffen werden. Dieses Meßgerät mit einem einen Schallsender aufweisenden Gehäuse, einer Einrichtung zum Abstrahlen der vom Sender ausgesandten Schallwelle gegen die Bezugsfläche des Meßobjekts und mit einem im Gehäuse vorgesehenen Schallempfänger ist erfindungsgemäß gekennzeichnet durch eiue direkte akustische Verbindung zwischen dem Schallsender und dem Schallempfänger, über die die durch die akustische Interferenz zwischen der reflektierten Schallwelle und einem Teil der vom Sender ausgesandten Schallwelle erzeugte resultierende Schallwelle unmittelbar zum Schallempfänger gelangt.

Die Erfindung ist im folgenden an Hand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbuspielen im einzelnen erläutert. Es zeigt

F i g. 1 einen schematisch vereinfacht dargestellten Schnitt durch ein Ausführungsbeispiel eines crfindungsgemüßen Geräts.

F i g 2 eine schematisierte Darstellung mit einem Blockschaltbild dei elektrischen Schaltung eines Ausführungsbeispiels für eine Meilwertanzeige auf Grund einer Amplitudenbestimmung,

F i ^. 3 eine Eichkurve für das Ausführungsbeispiel gemäß F i g. 2,

F i g. 4 bis 6 der F i g. 2 entsprechende Ansichten weiterer Ausführungsbeispiele und

F i g. 7 eine schematisch vereinfacht, abgebrochen und geschnitten dargestellte Ansicht der Meßspitze eines weiteren Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Meßgeräts.

Ein in F i g. 1 rlargestelltes, als Ganzes mit 10 bezeichnetes Ausführungsbeis,jiel eines erfindur.gsgemäßen Meßgeräts weist einen Schallsender 12, einen Schallempfänger 14 und ein Gehäuse 16 auf, innerhalb dessen ein Senderkanal 18 für ausgesandte Schallwellen, ein Meßkanal 20 und ein Empfängerkanal 22 für die vom Empfänger zu empfangenden Schallweilen ausgebildet sind. Der Schallsender 12 ist über elektrische Leitungen 24 mit einem geeigneten Schallfrequenzosziilator 26 verbunden. Der Empfänger 14 ist über elektrische Leitungen 28 mit einem geeigneten Detektor 30 '.erbunden, welcher wiederum mit einem geeigneten, den gemessenen Abstand angebenden Anzeigeinstrument 32 verbunden ist. Eine Meßspitze 34 endet in einer Meßöffnung 35 und weist einen inneren Kanal 36 auf, der koaxial in den Meßkanal 20 des Gehäuses 16 übergeht. Der Abstand zwischen einer Einmündung 21 und der Meßöffnung 35 richtet sich nach der Wellenlänge / der Schallwellen, die bei dem Meßgerät verwendet werden. Der erwähnte Abstand ist ein ungerades Vielfaches von /;4. beträgt also /4, 3 ;./4 oder 5 A/4 usw.

Ein Meßobjekt 37 mit der Meßöffnung 35 zugekehrter Bezugsfläche 39 ist so angeordnet, daß Veränderungen in der Schallwelle des Senders 12, die eintreten, nachdem die Welle die hydraulische Impedanz des Spalts zwischen der Bezugsfläche 39 und der Meßöffnung 35 überwunden hat, reflektiert werden.

Im Betrieb betreibt der Oszillator 26 den Sender 12 so, daß im Senderkanal 18 eine kontinuierliche Schallwelle erzeugt wird. Bei Erreichen der Einmündung 21, wo der Senderkanal 18, der Meßkanal 20 und der Empfängerkanal 22 ineinander einmünden, teilt sich die Schallwelle, wobei ein Teil derselben durch den Empfängerkanal 22 unmittelbar zum Empfänger 14 gelangt. Der andere Teil der Schallwelle wird durch

den Meßkanal 20 und den Kanal 36 hindurch der

Meßöffnung 35 am Ende der Meßspitze 34 zugeführt. Die hydraulische Impedanz, die durch den Spalt

zwischen der Meßöffnung 35 und der Bezugsfläche

39 hervorgerufen wird, erzeugt eine Veränderung der

Schallwelle in dem Meßkanal 20, die unabhängig von

den atmosphärischen Bedingungen ist und über einen

nutzbaren Bereich von Abständen zwischen der Meß öffnung 35 und der Bezugsfläche 39 linear veränder lich ist.

Die Abstandsveränderung läßt sich dadurch feststellen und bestimmen, indem man durch Interferenz mit einem Teil der ursprünglichen, vom Sen-

der e zeugten Schallwelle eine resultierende Schallwelle erzeugt. Die unterschiedlichen Amplituden oder Phasen der beiden Wellen überlagern sich in diesem Fall zu einer resultierenden Welle.

Die Amplitude und Phase d.< resultierenden Welle

ao stehen in Beziehung zu dem Abfand zwischen der Meßöffnung 35 und der ßezugsfläche 39 des Meßobjekts 37. Wenn beispielsweise der Fall angenommen wird, daß die Meßöffnung 35 sich in Berührung mit der ßezugsfläche 39 befindet, dann ist die zurückgeworfene Welle um eine halbe Wellenlänge außer Phase mit der ursprünglichen Welle, wenn beide Wellen im Empfängerkanal 22 miteinander interferieren, weil die ausgesandte Welle eine zusätzliche Wegstrecke von einer Viertelwellenlänge nach außen hin und eine weitere zusätzliche Wegstrecke von einer Viertelwellenlänge duich die Kanäle 36 und 20 hindurch wieder zurück durchläuft. Hierbei wird im Empfänger 14 ein Signal geringster Amplitude erzeugt. Außerdem ist die Phase der resultierenden Welle abhängig von den relativen Phasen der Ausgangswelle und der zurückgeworfenen WJIe, die bei dem betrachteten Beispiel um 180 gegenseitig phasenverschoben sind, so daß die resultierende Welle eine andere Phasenlage hat als die ursprüngliche Welle. Demgemäß kann entweder die Amplitude oder die Phase der resultierenden Welle bestimmt und mit den-: Abstand zum Meßobjekt in 3eziehung gebracht werden. Die Amplitude wird größer, wenn der Abstand zwischen Meßöffnung und Meßobjekt zunimmt, da das Signalminimum erhalten wird, wenn die zurückgeworfene Welle um eine halbe Wellenlänge außer Phase mit der ursprünglichen Welle ist, was der Fall ist, wenn die Meßöffnung bei dem vorliegend betrachteten Beispiel das Meßobjekt berührt.

5^ Eine Vielzahl elektrischer Schaltungen kann für -'en Betrieb des Schallsenders 12 oder zum Analysieren des im Empfänger 14 erzeugten S'gnals beim Betrieb des eifindungsgcmäßen Geräts Verwendung finden. Die in den F i g. 2 und 4 bis 6 angedeuteten Schaltungen fellen nur einige Beispiele zur Erläuterung der Anwendung und des Betriebs des erfindungsgemäßen Geräts dar.

F i g. 2 zeigt eine elektrische Schaltung, bei der eine Amplitudenbestimmung erfolgt. Der Oszillator 26 ist mit dem Eingang des Schallsenders 12 gekoppelt. Die vom Sender 12 erzeugte Schallwelle schreitet im Senderkanal 18 fort, durchläuft den Kanal 20 und die Meßspitze 34 und wird zum Empfängerkanal 20 zurückreflektiert. Das nach Interferenz zwischen der ursprünglichen Welle und der zurückreflektierten Welle vom Empfänger 14 erzeugte, der resultierenden Welle entsprechende Signal, wird durch einen Verstärker 38 verstärkt und über eine Diode 40 einer als

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Ganzes mit 42 bezeichneten Filterschaltung züge- beispiel gemäß Fig.6 ist jedoch eine Flip-Flop-

führt. Am Ausgang der Filterschaltung 42 ergibt sich Schaltung 72 vorgesehen. Diese Flip-Flop-Schaltung

eine Gleichspannung, die praktisch frei ist von der 72 betreibt einen Leistungsverstärker 74 in der Weise,

ursprünglichen Trägerfrequenz des Oszillators 26. daß eine sehr stabile Rechteckspannung erzeugt wird,

Diese Gleichspannung wird durch einen Verstärker 5 die für den Betrieb des Schallsenders 12 zur Ver-

44 verstärkt, dem eine beliebig einstellbare Vorspan- fügung steht. Dadurch wird eine in höchstem Maße

nung von einem verstellbaren Widerstand 46 her zu- stabile akustische Welle erzeugt, wobei sich höchste

geführt wird, so daß eine beliebige Nulleinstellung Empfindlichkeit des Meßgeräts ergibt. Bei diesem

vorgenommen werden kann. Die verstärkte Spannung Ausführungsbeispiel kann sowohl mit Amplituden-

wird dann in einer üblichen Anzeigeeinrichtung auf- io bestimmung als auch mit Phasenbestimmung der

gezeigt, beim Ausführungsbeispiel durch ein Volt- resultierenden Welle gearbeitet werden, indem man

meter 48. die in F i g. 2 bzw. F i g. 4 gezeigten entsprechenden

F i g. 3 zeigt eine Eichkurve (die Längeneinheiten Schaltungsteile hinzunimmt.

in Fig. 3 entsprechen 25,4 mm) für das in Fig. 2 Fig. 7 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer ausveranschaulichte Meßgerät. Hierbei wurde ein ein 15 wechselbaren Meßspitze 80, die, wie dies bereits beSignal mit 2200 Hertz erzeugender Oszillator 26 ver- schrieben wurde, in einer Meßöffnung 35 ausläuft, wendet. Die Verstärkung der Verstärker 38 und 44 An dem der Meßöffnung 35 gegenüberliegenden war so eingestellt, daß pro 0,025 mm Objektabstand Ende der Meßspitze 80 ist diese mit einem Schraubjeweils eine Ausgangssignaländerung von 1 Volt er- gewinde 82 versehen. Das Gehäuse 16 ist für die Verhalten wurde, wobei ein Signalmindestwert gegeben ao Wendung einer solchen Meßspitze 80 so abgeändert, war, wenn die Meßöffnung 35 sich in Anlage an der daß es einen Adapter 84 bildet, der ein Innengewinde Bezugsfläche 39 befand. Das Meßgerät gibt im we- 86 aufweist, in das das Gewinde 82 einschraubbar ist. sentlichen eine Nullanzeige bei Abständen bis zu Ein im Innern der Meßspitze 80 vorgesehener Kanal ungefähr 0,012 mm. Bei über diesen Abstand hinaus- 88 ist koaxial mit dem Meßkanal 20. wenn das Gegehenden Abständen ergibt sich ein sehr schön 25 winde 82 in das Innengewinde 86 eingeschraubt ist. linearer Verlauf des Signalspannungsanstiegs bis zu Der Kanal 88 wird durch eine Wandung 90 begrenzt, einem Meßobjektabstand von ungefähr 0,1 mm. die am inneren Kanalende so gekrümmt verläuft, daß

Bei üciii iii Fig.4 gezeigten Auafuhrungsucispiti sich am übergang zwirnen Gehäuse 16 und Meßwird die Phasenlage der resultierenden Welle be- spitze 80 eine kleinstmögliche akustische Impedanz stimmt, um den Abstand zwischen Meßobjekt und 30 ergibt. Die Meßspitze 80 kann aus Kupferrohr, Invar Meßöffnung zu ermitteln. Es wird derselbe Oszillator oder anderen ähnlichen Werkstoffen gefertigt sein. Die 26 verwendet wie bei dem mit Amplitudenbestim- Meßspitzen können in verschiedenen Größen. Formung arbeitenden Ausführungsbeispiel. Mit dem men und Längen ausgeführt sein oder können bieg-Ausgangssignal des Oszillators 26 wird nicht nur der bar ausgebildet sein, so daß sie für verschiedenste Sender 12 betrieben, sondern der Oszillator 26 ist 35 Meßzwecke Verwendung finden können, beispielsauch mit einem Phasenkomparator 50 gekoppelt. Das weise in der optischen Industrie beim Montieren von Ausgangssignal des Schallempfängers 14, das durch Linsensystemen oder Projektorfilmbühnen, oder beim die resultierende Welle erzeugt ist, wird in einem Ver- Prüfen von Linsensystemen oder anderen Systemen, stärker 52 verstärkt und dann dem Phasenkompara- Bei Auswechselbarkeit der Meßspitzen kann eine tor 50 zugeführt. Das Ausgangssignal des Phasen- 40 schnelle Anpassung des Meßgeräts an wechselnde komparators 50 wird dann durch eine Filterschaltung Anforderungen und oder Arbeitsbedingungen er-54 geführt, um die Trägerfrequenz zu entfernen. Die folgen.

erhaltene, praktisch von der ursprünglichen Träger- Es wurden vorgehend nur einige bevorzugte Ausfrequenz freie Spannung wird dann einer Anzeige- führungsbcispiele besprochen. Es versteht sich jeeinrichtung, beim Ausführungsbeisniel einem Volt- 45 doch, daß Abwandlungen \erschierienster Art rcügmeter i0. zugeführt. Die Phasenbestimmung ist unab- lieh sind, ohne den Rahmen d.-r Erfindung zu verhängig von der Amplitude des Oszillators 26, so daß lassen. Beispielsweise könnten eine Vielzahl anderer es für die Abstandsmessung nicht erforderlich ist, elektrischer Schaltungen verwendet werden, um den einen Oszillator mit äußerst genau stabil gehaltener Schallsender 12 zu betreiben oder das Ausgangssignal Amplitude zu benutzen. Das am Voltmeter 60 ange- 50 des SchaHempfängers 14 zu analysieren. Hierbei zeigte Signal wird in Längeneinheiten des Abstandes könnten gleich gute Ergebnisse erzielt werden, wie zwischen Meßobjekt und Meßöffnung 35 geeicht. bei den vorstehend erwähnten Schaltungen, die ledig-

Der dem Oszillator 26 zugeordnete Schaltungsteil lieh als Beispiele ans der Vielzahl der Möglichkeiten

kann gegenüber den Ausführungsbeispielen gemäß aufgeführt wurden. Es ist auch za bemerken, daß bei

F i g. 2 und 4 abgeändert werden, wie dies in F i g. 5 55 dem erfindungsgemäßen Meßgerät kein Luftspalt zwi-

gezeigt ist. indem eine Verstärkerstufe 70 hinzugefügt sehen Meßüffnung und Meßobjekt vorhanden sein

wird. Dadurch wird ein verstärktes Eingangssignal für muß, sondern daß das Gerät auf einfache Weise so

die Zufuhr zum Sender 12 erhalten, wodurch sich er- abgewandelt werden kann, daß ein anderes fluides

höhte Stabilität der Amplitude der Betriebsspannung Medium Verwendung findet, indem beispielsweise die

and eine Verringerung des Energieanteils ergeben, 60 schallaussendenden und empfangenden Teile in eine

der in unerwünschte Harmonische umgesetzt wird. Es geeignete Flüssigkeit eingetaucht sind und die erhal-

ergibt sich eine verbesserte Stabilität und Empfind- tene Ausgangsspannunp des Geräts in Längeneinhei-

lichkeit bei der Abstandsmessung. ten des Meßobjeklabstandes geeicht wird. Das Meß-

Ein bevorzugtes Ausfühningsbeispiel, wie es in gerät ist auch nicht auf eine Messung des Abstandes

F i g. 6 dargestellt ist, weist in dem dem Oszillator 26 65 zwischen Meßobjekten in Form fester Körper und der

zugehörigen Teil der Schaltung ebenfalls eine Ver- Meßöffnung beschränkt. Es könnte der Abstand auch

stärkerstufe auf, wie dies bei dem Ausführungsbei- bezüglich anderer Bezugsflächen, beispielsweise Flüs-

spiel gemäß Fig.5 der Fall ist. Beim Ausführungs- sigkeitsoberflächen, bestimmt werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Ausfuhrungsformen bekannt. Die üblichen Verfahren r, . „ ... lassen sich im wesentlichen in zwei Ifeuptgruppen Patentansprüche: JKSdK nämlich in Verfahren vom Resonanztyp

1. Verfahren zum berührungslosen Messen des und Verfahren ^J^tf** ¹^SSAeU aus Abstands zwischen der Meßstelle eines Meßge- 5 Bei ^/»ΞΤΓρΧ *™Τ räts und der Bezugsfläche eines Meßobjekts, wo- g^^ter Schallwellen ver^derhc^Fre^uenz auN

bei eine kontinuierliche Schallwelle gegen die Be- tretende Κ""»"* Γ53Ϊθ^ £

zugsfläche hin ausgesandt und die von dieser eweüigen R^Jf^Ä-ffietoiS £n\fe?

gefen das Meßgerät zurückreflektierte Schall- Abstandes zwischen ^J£*°^^£™]**-

welle empfangen sowie eine der Länge des Lauf- » gerät geschlossen. In nach ediger Wag können de

weges der Schallwelle zwischen der MeRstelle des Resonanzverfahren ⁿ« 7* "fLjS^ ™_h!?

Geräts und der Bezugsfläche des Meßobjekts ent- durchgeführt werden, weil eme Emnchtung vorhan-

sprechende Unterschiedlichkeit der empfangenen den sein muß, die es ennoghd*emc Schwingung nut

reflektierten Schallwelle gegenüber der ausge- variabler Frequenz, deren Große m hoher Genauig-

sandten Schallwelle ermitTelt wird, dadurch 15 keit bestimmbar sem muß, zu erzeugen Außerdem

gekennzeichnet, daß die reflektierte Schall- sind die Resonanzyerfahren wegen der hohen R₂₅₀-

welle mit einem Teil der ausgesandten Schallwelle nan/Γ™·-"':-x-n. die sich bei kleinen Abstände- _CT-

direkt akustisch übe/lagert wird, so daß durch die geben Al^k-n. n-cht anwendbar, wenn äußerst * ,-,ne

akustische Interferenz eine resultierende Schall- Abstände berührungslos gemessen werden solle,

welle erzeugt wird, und daß nach deren Umwrnd- »o Auch di, üblichen Echo- oder Laufzeitven:. .en

lung in ein entsprechendes elektrisches Signal die Jgnen mcIi falls kein außerordentlich großer .„if-

Amplitude oder die Phasenlage der resultierenden wand getrieben und m.t äußerst hohen Frequ, rven

Schallwelle als Maß tür den Abstand zwischen gearbeitet wird, nur zum Messen vergleichsweivc .hr

dem Meßobjekt und dem Meßgerät ermittelt wird. groLkr Abstande, die m der Größenordnung von

2. Meßgerät zur Durchführung des Verfahrens 25 mehr eis einer viertel Wellenlange liegen Man ,mn nach Anspruch 1 mit einem einen Schallsender daher bislanc. wenn sehr kleine unterhalb ein. s beaufweisenden Gehäuse, einer Einrichtung zum stimmten Grenzwerts liegende Abstände gerufen Abstrahlen der vom Sender ausgesandten Schall- werden sollen, mit akustischen Schallschwingung!,·!! weile gegen die Bezugsfläche des M-ßobjekts und überhaupt nicht mehr arbeiten, sondern ist gc>wunmit einem im Gehäuse vorgesehenen Schallemp- 30 gen, elektromagnetische Wellen im Mikrowelknbefänger, gekennzeichnet durch eine dir kte akusti- reich anzuwenden, wie dies beispielsweise in der sehe Verbindung (21, 22) zwischen dem Schall- USA.-Patentschrift 3 019 430 aufgezeigt ist.

sender (12) und dem Schallempfänger (14). über Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein die die durch die akustische Interferenz zwischen Verfahren der in Rede stehenden Art zu schaffen, das der reflektierten Schallwelle und einem Teil der 35 es ermöglicht, mit einem Mindestmaß an erfordervom Sender ausgesandten Schallwelle erzeugte lichem Aufwand, d.h. ohne daß sehr nohe Schwinresultierende Schallwelle unmittelbar zum Schall- gungsfrequenzen oder frequenzvariable Schwingungsempfänger (14) gelangt, erzeuger angewendet werden müßten, außerordent-

3. Meßgerät nach Anspruch 2, dadurch ge- hch kurze Abstände zu messen, die in der Größenkennzeichnet, daß das Meßgehäuse einen in einer 40 Ordnung von 0,02 mm und darunter liegen. Meßöffnung (35) endenden Meßkanal (20, 36, 88) Ausgehend von dem Verfahren der eingangs gezum Aussenden der Schallwelle zum Meßobjekt nannten Art ist diese Aufgabe erfindungsgemäß da- und zum Aufnehmen der von dort reflektierten durch gelöit, daß die reflektierte Schallwelle mit Schallwelle aufweist unci daß an einer Einmün- einem Teil der ausgesandten Schallwelle direkt akudungsstelle (21) der Meßkanal (20, 36, 88), der 45 stisch überlagert wird, so daß durch die akustische zum Schallsender (12) führende Senderkanal (18) Interferenz eine resultierende Schallwelle erzeugt und der zum Schallempfänger(14) führende Emp- wird, und daß nach deren Umwandlung in ein entfängerkanai (22) ineinander einmünden. sprechendes elektrisches Signal die Amplitude oder

die Phasenlage der resultierenden Schallwelle als

50 Maß für den Abstand zwischen dem Meßobjekt und