DE2214287A1 - Laengenmessanordnung - Google Patents

Description

• Längenmeßanordnung Die Erfindung betrifft eine Längenmeßanordnung mit einera induktiven Taster, der zwei im Tastergehäuse angeordnete Spulen aufweist, von denen eine durch den Meßgegenstand und die andere durch ein gegebenenfalls einstellbares Dämpfungsglied bedämpfbar sind und deren Signalspannungen über eine- Verstärkeranordnung einem Anzeigegerät, einer Kodierschaltung oder dergl.
• zuführbar sind. Bei einer bekannten Anordnung dieser Art sind die beiden Spulen aktive Zweige einer Brückenschaltung. Sind die Induktivitäten beider Spulen gleich, so befindet sich die Brückenschaltung irn Gleichgewicht und die Diagonalspannung hat den Wert Null. Eine Lageänderung des Prüflings in bezug zur Aufnehmerspule ändert deren Induktivität und verstimmt das Brückengleichgewicht, so daß eine Diagonalspannung gegeben ist, die als Meßsignal nach dem Trägerfrequenzverfahren weiterverarbeitet wird. Dabei ist in gewissem Umfang eine Teperaturkompensation gegeben, da sich die Induktivitätsänderungen der Spulen bei unterschiedlichen Temperaturen ausgleichen, aber die Anordnung ist wegen der Schwierigkeit der Signalübertragung über lange Signalleitungen, der phasenrichtigen Demodulation und der Wechselspannungsverstärkung sehr aufwendig, insbesondere wenn man mit höheren Frequenzen arbeiten will. Die Verwendung hoher Frequenzen ist erwünscht und in vielen Fällen zwingend notwendig, z.B. bei hoher Meßfrequenz, wenn also viele Meßvorgänge pro Zeiteinheit stattfinden sollen. Bei steigender Trägerfrequenz wird die Eindringtiefe des Wechselfeldes in den Prüfling geringer, damit auch der Temperatureinfluss..
• Üblicherweise wird beim Trägerfrequenzverfahren mit 5 bis 50 kHz gearbeitet, ab etwa 500 kflz steigt deroAufwand für die Realisierung der Trägerfrequenzmeßkette steil an.
• Der-Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Meßanordnung zu schaffen, die insbesondere in der Fertigung zu Prüfzwecken für alle Einsatzgebiete der Längenmessung eingesetzt werden kann, werkstattgerecht ausgebildet ist, sich einfach und preisgünstig herstellen läßt und praktisch temperaturunabhängig arbeitet und mit hohen Frequenzen betreibbar ist.
• Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung vor, daß jede Spule Bestandteil eines mit Gleichspannung ge speisten HF-Oszillators istç dem jeweils ein Gleichrichter und eine Siebschaltung nachfolgt, die beiden Oszillatoren, die Gleichrichter und die Siebschaltungen innerhalb des Tastergehäuses untergebracht sind und die beiden Ausgangs signale als Gleichspannungen der Verstärkeranordnung, die einen Summen- bzw. Differenzverstärker auf weist, zugeführt sind. Die Oszillatorschaltung, z.B.
• nach Meissner, Hartley, Colpitt, läßt hohe Schwingfrequenzen im Bereich von 1 bis 2 MHz zu, so daa der Taster zur Erfassung schneller Vorgänge geeignet ist. Die beiden Oszillatoren sind im wesentlichen identisch ausge- -bildet, zweckmäßigerweise sind sie auf einem gemeinsamen Träger, z.B. einer Platine bei diskreter Technik, oder auf einem Substrat bei integrierter Technik angeordnet, um gleichen Temperaturgang zu erzielen. Die sorgfältige Auswahl und Paarung aller Elemente der Schaltung nach ihren Parametern für den gleichen Temperaturgang der beiden Generatoren und Spulen ist aber aufwendig. Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist eine leicht realisierbare Korrektureinrichtung für die Synchronisierung des Temperaturganges dadurch vorgesehen, daß die Verstärkeranordnung Potentiometer enthält, mit denen nicht nur die Temperaturkennlinien der beiden Oszillator-Systeme in Übereinstimmung gebracht, sondern auch eine Kennliniensymnetrierung über den gesamten Arbeitsbereich vorgenommen werden kann. Im einzelnen sind die Ausgangssignale der Oszillatoren des Tasters zu den Eingängen jeweils eines Impedanzwandlers geführt, dessen Ausgänge mit den Eingängen zweier Summierverstärker verbunden sind, die ebenfalls an die Gleichspannungsversorgung angeschlossen sind, wobei zwischen die Ausgänge und die Eingänge die Potentiometer geschaltet sind und der Ausgang des Summierverstärkers, dessen Eingang das Signal des passiven Oszillators zur Nullpunkt- bzw. Arbeitspunkteinstellung zugeführt ist, mit dem Eingang des Summierverstärkers, dem auch das Signal des aktiven Oszillators zur Messung zugeführt ist, verbunden ist.
• Dabei sind der Taster und die Verstärkeranordnung mit der gleichen Gleichspannungsversorgung betrieben, die als stabile Kompensationsspannung mit entgegengesetter Polarität die Signalspannung aus dem passiven Oszillator kompensiert. Durch die Kennliniensymmetrierung über die.
• Potentiometer weist jeder Taster das gleich9 Signalspannungs-Wegverh'ältnis auf, so daß die Taster ohne weitere Anpassung austauschbar sind.
• Um nach Möglichkeit die Ubereinstimmung in den Temperaturkennlinien bei beiden Oszillatoren zu erleichtern, haben die beiden Oszillatoren mit den Spulen jeweils von der Wandung des Tastergehäuses gleichen Abstand, der Abstand ist durch ein Bindemittel überbrückt, damit alle teraperaturabhängigen Elemente der Schaltung gleichmäßig dem Einfluß der Umgebungstemperatur ausgesetzt sind.
• Dabei besteht das Tastergehäuse aus einem schlechtleitenden Material, z.B. rostrreiem Stahl. Die Empfindlichkeit des Meßtasters kann damit durch das Tastergehäuse in keiner Weise beeinflußt oder gemindert werden.
• Eine starke Feldlinienkonzentration an der aktiven Stirnseite des Meßtasters erreicht man dadurch, daß die Spule auf einem Ferrit-Zylinderkern angeordnet und im Abstand von einem Ferrit-Rohr umgeben ist. Der Zwischenraum ist von einem Bindemittel ausgefüllt.
• Eine besonders kompakte Bauweise wird nach einem weiteren Merkmal der Erfindung dadurch erreicht, daß die Verstärkeranordnung in ein Gehäuse eingebaut ist, das mit dem Taster über ein Kabel verbunden ist und einen Mehrfachstecker aufweist. Uber den Stecker kann der Taster an jedes beliebige Meß- oder Steuergerät angeschlossen werden.
• Weitere Einzelheiten der Erfindung werden anhand der Zeichnung, die beispielsweise Ausführungsformen darstellt, näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 ein Blockschaltbild der Längenmeßanordnung, Fig. 2 eine schematische Darstellung der o Schaltung mit der Verstärkeranordnung, Fig. .3 eine raumformr.läßige Anordnung des Tasters und des Verstärkers in schematischer Darstellung, Fig. 4 einen Schnitt durch die Spulenanordnung der Oszillatoren.
• Im Tastergehäuse 1 eines Tasters 2 sind zwei HF-Oszillatoren 3,4 und jeweils eine Gleichrichter-Siebschaltúng 5,6 eingebaut. Die Spule 7 des aktiven Oszillators 3 (Meßoszillator) ist dabei am einen Ende des Tastergehäuses 1 angeordnet, die Bedämpfung erfolgt von der Stirnseite aus durch den Meßgegenstand 8. Die Spule 9 des passiven Oszillators 4 für die Nullpunkt- bzw. Arbeitspunkteinstellung liegt am anderen Ende des Tastergehäuses 1, ein Dämpfungsglied 10 ist verstell- und feststellbar angeordnet, so daß der Abstand 11 zwischen der Stirnseite der Spule 9 und dem Dämpfungsglied 10 zur Anpassung einstellbar ist. Der Abstand der Spulen 7,9 und der übrigen Teile der Oszillatoren 3,4 von der Wandung des Tastergehäuses 1 ist in beiden Fällen gleichgehalten, so daß die Umgebungstemperatur auf beide Oszillatorsysteme in gleicher Weise einwirkt. Der Zwischenraum ist mit. einem Bindemittel, vorzugsweise mit einer Kunstharzmasse, ausgegossen.
• Die Annäherung des Meßgegenstandes 8 an die Spule 7 des Oszillators 3 bewirkt eine Induktivitätsänderung dieser Spule 7 und somit eine Anderung der Schwingamplitude des Oszillators 3. Am Ausgang 12 des Tasters 2 erhält.
• man eine Signalspannung in Abhängigkeit vom Abstand 13 des Meßgegenstandes 8 von der Spule 7. Dagegen erhält man am Ausgang 14 eine konstante, vom Abstand 11 abhängige Signalspannung, nachdem das Dämpfungsglied lO über die Schraube 15 eine feste Einstellung erfahren hat.
• Die beiden Signalspannungen werden bei der Ausbildung nach Fig. 1 an die Eingänge eines Differenzverstärkers 16 geführt, dessen Ausgang 17 z.B. mit einem Anzeigegerät 18 verbunden ist. Eine Gleichspannungsversorgung 19 speist sowohl den Taster 2 als auch den.alsOperationsverstärker ausgeführten Differenzverstärker 16.
• Setzt man für beide HF-Oszillatoren 3,4 gleiche Temperaturkennlinien voraus, so ergibt sich bei dieser Anordnung eine Kompensation der temperaturabhängigen Grössen des Tasters 2. Die Wahl der Oszillator-Schaltung wird bestimmt durch die gewünschte Frequenz, die Signalamplitude und durch Stabilitätsforderungen. Die Bauelemente der Oszillatorsysteme sind nach dem Gesichtspunkt eines reproduzierbaren. Temperaturganges gewählt, d.h. zum Beispiel, daß bei Kondensatoren lediglich solche Verwendung finden, deren Kapazitätsänderung im zulässigen Temperaturbereich unter dem Einfluß von Temperaturänderungen reversibel verläuft.
• Die Spulenanordnung ist bei den im wesentlichen identisch ausgebildeten Oszillatoren 3,4 zweckmäßig so gewäLSt,.
• wie es in Fig. 4 dargestellt ist. Die Spule 7 bzw. 9 ist auf einen Ferrit-Zylinderkern 20 aufgewickelt, der stirnseitig vorsteht. Sie ist umgeben von einem beiderseits offenen Ferrit-Rohr 21, das im Abstand gehalten ist, wobei der Zwischenraum durch ein Bindemittel 22, insbesondere Kunstharz, ausgefüllt ist.
• Eine bevorzugte Ausführungsform für die Verstärkeranordnung ist in Fig. 2 gezeigt. Die Verstärkeranordnung erfüllt hier nicht nur die Funktion als Differenzverstärker, mit ihr können auch die Temperaturkennlinien beider Oszilatorsysteme in Übereinstimmung gebracht werden.
• Damit die beiden HF-Oszillatoren 3,4 des Tasters 2 gleicher Belastung unterworfen sind, werden die Ausgänge 12, 14 mit den Eingängen 23,24 von Impedanzwandlern 25,26 verbunden. In' der Darstellung ist der aktive Osziçlator 3 mit dem Impedanzwandler 25, der passive Osz-illator 4 mit dem Impedanzwandler 26 verknüpft. Der Ausgang 27 des Impedanzwandlers 26 ist zum Eingang 28 eines Summierverstärkers 29, der Ausgang 30 zum Eingang 31 eines Summierverstärkers 32 geführt. Die Eingänge 28,31 sind auch mit der Gleichspannungsversorgung 19 verbunden, die als Kompensationsspannung mit entgegengesetzter Polarität zur Signalspannung dient. Die Gleichspannungsversorgung 19 speist nicht nur die Operationsverstärker, sondern auch die Oszillatoren 3,4. Die Ausgänge 33,34 der Summierverstärker,29,32 sind mit deren Eingängen 28, 31 verbunden, in die Verbindung ist jeweils ein Potentiometer 35,36 eingeschaltet. Schließlich ist der Ausgang 33 mit dem Ausgang 31 des Summierverstärkers 32 verknüpft, der Ausgang 17 der Verstärkeranordnung 40 kann wieder mit einem Anzeigegerät 18 verbunden sein.
• Wird der Abstand 13 zwischen dem Meßgegenstand 8 und dem Taster 2 so gewählt, daß die Signalspannung am Ausgang 12 durch die Kompensationsspannung Null wird und das gleiche Ergebnis durch die Einstellung des Dämpfungsgliedes 10 am Ausgang 14 erreicht wird, so ist der Arbeitspunkt (Nullpunkt) des Tasters 2 gefunden. In diesem Fall wird am Ausgang 17 ebenfalls das Nullsignal liegen. Sind die Temperaturkennlinien der beiden Oszillatoren 3,4 nicht exakt gleich, so kann eine Änderung der Umgebungstemperatur am Ausgang 17 ein Fehlsignal verursachen. Wird beispielsweise infolge Temperaturänderung am Ausgang 14 ein größeres Signal als am Ausgang 12 erreicht, so wird dieses Signal am Ausgang 33 des Summierverstärkers 29 mit umgekehrter Polarität erscheinen und an den Eingang 31 des Summierverstärkers 32 gelangen.
• Am Ausgang 17 tritt es schließlich als Fehlsignal in Erscheinung. Diese Differenz läßt sich vollständig kompensieren, indem man bei einem einmaligen Durchfahren des Temperaturbereichs mittels der beiden Potentiometer 35,36 die Verstärkung oder Abschwächung des Temperaturdriftsignales so justiert, daß die Temperaturkurven beider Oszillatorsysteme übereinstimmen. Auf diese Weise kann auf die recht aufwendige Selektion und Paarung der Oszillatorbauelemente verzichtet werden.
• Wie sich insbesondere aus Fig. 3 ergibt, überschreitet die Baugröße des Tasters 2 nach der Erfindung trotz dem Einbau der genannten Teile nicht die Größe der üblichen Längenmeßtaster, der Einspannschaft kann in gleicher Größe gewählt werden. Ebenso läßt sich die Verstärk.eranordnung 40 auf einem kleinen Raum unterbringen, zweckmäßig in einem Gehäuse 37, das mit dem Taster 2 über ein Kabel 38 verbunden ist. Das Gehäuse 37 trägt gleich einen Mehrfachstecker 39, so daß die gesamte Meßanordnung sit einem beliebigen Meß- bzw. Steuergerät verbunden werden kann.
• Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß eine Längenmeßanordnung geschaffen worden ist, die einfach und preisgünstig erstellbar und auf kleinem Raume unterbringbar ist, einen robusten Betrieb verträgt und insbesondere durch ihre Temperaturunabhängigkeit werkstattgerecht ausgeführt ist. Dabei können durch die Verwendung beliebig hoher Schwingfrequenzen im Bereich von 1 bis 2 MHz auch schnelle Vorgänge mühelos erfaßt werden. Durch die Kennliniensynmetrierung über den gesamten Arbeitsbereich sind die Taster untereinander austauschbar und geeignet für alle Einsatzgebiet der Längeneßtechnik, z.B. für die Einzel-, Summen-, Differenzmessung, die Zahnradmessung, als Mehrstellenmeßgerät für Wellen, zum Einsatz bei Meßsteuerungen für Schleifmaschinen und dergleichen. Die Gleichspannungsversorgung (15 V) speist sowohl die Oszillatoren als auch die Operationsverstärker,.die-Ausgangssignale lassen sich als Gleichspannung einfach weiterverarbeiten.

Claims (10)

Patentansprüche

1. Längenmeßanordnung mit einem induktiven Taster1 der zwei im Tastergehäuse angeordnete Spulen aufweist, von denen eine durch den Meßgegenstand und die andere durch ein gegebenenfalls einstellbares Dämpfungsglied bedämpfbar sind und deren Signalspannungen über eine Verstärkeranordnung einem Anzeigegerät, einer Kodierschaltung oder dergl. zuführbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß jede Spule (7,9) Bestandteil eines mit Gleichspannung!gespeisten HF-Oszillators (3,4) ist, dem jeweils ein Gleichrichter und eine Siebschaltung (5,6) nachfolgt, die beiden Oszillatoren (3,4), die Gleichrichter und die Siebschaltungen (5,6) innerhalb des Tastergehäuses (1) untergebracht sind und die beiden Ausgangssignale als Gleichspannungen der Verstärkeranordnung (40), die einen Summen- bzw. Differenzverstärker (16) aufweist, zugeführt sind.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Oszillatoren (3,4) gleiche Temperaturkenn linien aufweisen.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Oszillatoren (3,4) auf einem gemeinsamen Träger angeordnet sind.

4. Anordnung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Oszillatoren (3,4) mit den Spulen (7,9) jeweils von der Wandung des Tastergehäuses (1) gleichen Abstand haben und der Abstand durch ein Bindemittel überbrückt ist.

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Tastergehäuse (1) aus einem elektrisch schlechtleitenden Material besteht.

6. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkeranordnung (40) Potentiometer (35,36) enthält, um die Temperaturkennlinien der beiden Oszillatorsysteme in Übereinstimmung zu. bringen.

7. Anordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangssignale des Tasters (2) zu den Eingängen (23,24) jeweils eines Impedanzwandlers (25,26) geführt sind, dessen Ausgänge (27,30) mit den Eingängen (28,31) zweier Summierverstärker (29,32) verbunden sind, die auch an die Gleichspannungsversorgung (19) angeschlossen sind, -wobei zwischen die Ausgänge (33,34) und die Eingänge (28,31) die Potentiometer (35,36) geschaltet sind und der Ausgang (33) des Summierverstärkers (29), dessen Eingang (28) das Signal des passiven Oszillators (4) zur Nullpunkt- bzw. Arbteitspunkteinstellung. zugeführt ist, mit dem Eingang (31) des Summierverstärkers (32) dem auch das Signal des aktiven Oszillators (3) zur Messung zugeführt ist, verbunden ist.

8. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Taster (2) und die Verstärkeranordnung (40) mit der gleichen Gleichspannungsversorgung (19) betrieben sind.

9. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeihnet, daß die Spule (7 bzw. 9) auf einem Ferrit-Zylinderkern (20) angeordnet und im Abstand von einem FerrLt-Rohr (21) umgeben ist, wobei der Abstand durch ein' Bindemittel (22) ausgefüllt ist.

10. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkeranordnung (40) in ein Gehäuse (37) eingebaut ist, das mit dem Taster (2) über ein Kabel (38) verbunden ist und einen Mehrfachstecker (39) aufweist.

L e e r s e i t e