DE2325457A1

DE2325457A1 - Vorrichtung zum messen des abstandes von flaechen aus transparentem material

Info

Publication number: DE2325457A1
Application number: DE2325457A
Authority: DE
Inventors: Gabor Ujhelyi Kalman
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1972-05-22
Filing date: 1973-05-19
Publication date: 1973-11-29
Also published as: DE2325457B2; DE2325457C3; JPS5435503B2; US3807870A; GB1430426A; JPS4943660A

Description

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Gabor Ujhelyi Kalman. Bristol, Connecticut/TJSA

"Vorrichtung zum Messen des Abstan.des von Flächen aus transparentem Material"

Die Erfindung betrifft Abstands-Meßinstrumente und insbesondere solche Instrumente optischer Art, die besonders für Dicken-Messungen transparenten Materials geeignet sind.

Es ist im Prinzip bereits bekannt, daß die Dicke eines transparenten Materials dadurch gemessen werden kann, daß ein

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Lichtstrahl- auf das .Material unter einem spitzen Winkel geworfen, wird und die Trennung zwischen den Bildern bzw» Strahlen, gemessen wird, die von der Vorderseite bzw. Ton der Rückseite des Materials reflektiert werden» Eine solche Technik eignet sich in besonders guter Weise für industrielle Verfahren, beispielsweise für die Herstellung von transparentem Kunststoff oder für Glasplatten. Allgemein ist die Technik anwendbar auf das Messen, von. Abständen zwischen den reflektiven Flächen eines lichtdurchlässigen Mediums, und sie isir besonders brauchbar für die Dicken-Messung, wenn die Messung erreicht werden soll, ohne daß das Material berührt wird, öder wo das Material nur von. einer Seite aus zugänglich ist. -;

Bei bekannten Versuchen zum Anwenden, dieser Technik der Abstandsmessung hat man mit erheblichem Aufwand und mit erheblichen Schwierigkeiten zu kämpfen gehabt, um die Messung der reflektierten Bildtrennung zu erreichen. Beim Stand der Technik ist vorgeschlagen, worden, eine Dicken-Messung von transparentem Material dadurch zu erreichen, daß ein abtastender Lichtstrahl auf die Fläche des Materials gerichtet wird, so daß ein erster Strahl von der nahe gelegenen Fläche und ein zweiter Strahl von. der entfernt gelegenen Fläche des Materials reflektiert wird. Die reflektierten Strahlen werden durch eine Fotozelle aufgefangen, die hinter einer fixierten Abdeckung sitzt, welche einen Lichteinlaßschlitz bildet. Die Abtastbewegung des einfallenden. Strahls auf die Fläche des Materials

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bewirkt, daß die reflektierten. Strahlen, diesen Schlitz in einer Folge überstreichen, und damit auf die Fotozelle mit einer Zeitverzögerung zwischen, sich einfallen, die der Trennung der reflektierten Strahlen und damit der Dicke des Materials entspricht. Diese Anordnung erfordert ein rotierendes Prisma oder dergleichen zur Erzeugung des abtastenden. Strahls, der. auf die Oberfläche des Werkstücks einfällt. Ferner ist es bekannt, die Dicke von transparenten Werkstücken, durch ein. optisches System zu messen, bei dem ein fixierter Lichtstrahl auf die Oberfläche des Werkstücks geworfen wird, so daß ein reflektierter Strahl von der nahe gelegenen und von. der entfernt gelegenen Fläche jeweils ausgeht. Die reflektierten. Strahlen werden auf eine ortsfeste Fotozelle durch einen Schlitz in eine rotierende Abdeckung gerichtet, so daß sie auf die Fotozelle in einer Zeitfolge auftreffen, die ihrer Trennung im Saum entspricht. Eine Schwierigkeit bei diesen, bekannten Anordnungen besteht in: dem Erfordernis einer mechanischen Bewegung, beispielsweise muß mit einer von einem Motor angetriebenen Abdeckung oder mit einem Prisma gearbeitet werden, um die abtastende Bewegung zu erzeugen, die erforderlich ist, um die Trennung der reflektierten Strahlen in. ein Zeitintervall umzusetzen, das als ein Maß für die Dicke des Werkstücks genommen werden kann. Dieses Erfordernis, mit beweglichen Teilen zu arbeiten, legt eine Beschränkung auf die Abtastrate und damit auf die Anzahl ^:-der'Messungen pro Zeiteinheit, was von besonderer Bedeutung bei der Überwachung der

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Dicke eines wandernden. Werkstücks ist. Ferner unterliegen solche-mechanischen Abtastsysteme dem Verschleiß, und sie sind abhängig von den. Umge bungs be dingungen wie der Vibration, und erfordern erhebliche Wartung.

Erfindungsgemäß ist ein Instrument zur Dicken-Messung vorgesehen, das von dem Prinzip der vorderen, und der hinteren Flächenreflektion Gebrauch macht und eine Messung der Abbild- oder Strahlentrennung erreicht, ohne daß eine mechanische Bewegung erforderlich ist. Das wird dadurch erreicht, daß mit einem festliegenden Strahl gearbeitet wird, der auf die Oberflächen des Werkstücks gerichtet wird', wobei eine ortsfeste Sensoreinrichtung in der Form von Mehrfäch-Strahlen-Ansprechelementen, benutzt wird. Insbesondere sitzen, gemäß der Erfindung· die Strahlen-Ansprechelemente in einer Folge, die sich über die Bahnen der reflektierten Strahlen, erstreckt· Eine Detektoreinrichtung ist mit der Sensoreinrichtung verbunden, um festzustellen, welches der Elemente von den Strahlen, getroffen, wird, und der Abstand zwischen den getroffenen Elementen, wird als ein Maß für den Abstand zwischen, der vorderen und der hinteren Fläche des Werkstücks genommen. Vorzugsweise ist eine Meßeinrichtung mit der Detektoreinrichtung verbunden, um ein elektrisches Signal zu erzeugen, das dem Abstand zwi-■schen den getroffenen. Elementen entspricht. Die Strahlungs-Ansprechelemente, vorzugsweise in. der Form von. Fotodioden extrem kleiner Abmessung, erzeugen, elektrische Signale, die

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dem Maß der Strahlung entsprechen, das darauf einfällt, und

sie sind in einer Folge mit einem Schwellwertdetektor durch eine elektronische Abtasteinrichtung verbunden.

Ferner wird gemäß der Erfindung das Abtasten der PoIge von Elementen elektronisch mit einer Rate erreicht, die die praktischen Grenzen der mechanischen Abtastung überschreitet. Der Schwellenwert-Detektor erzeugt eine Trigger-Spannung, wenn, das Signal eines bestimmten Elementes einen Schwellenwert überschreitet, und entsprechend werden zwei Trigger-Signale durch den Schwellenwert-Detektor während jeder Abtastung der Folge erzeugt. Die Zeit, die zwischen den Trigger-ßignalen während einer einzigen Abtastung verstreicht, wird durch eine Zeitnahme einrichtung gemessen, die vorzugsweise eine veränderliche Spannungseinrichtung umfaßt, um eine Spannung zu erzeugen, welche proportional zur verstrichenen. Zeit ist.

Erfindungsgemäß kann die. Messeinrichtung zur Umsetzung des Zeitintervalls zwischen sukzessiven. Trigger-Sign al en. in ein Signal, das der Dicke oder dem Abstand entspricht, die Form entweder einer Analog- oder einer Digital-Schaltung haben. Bei der Analog-Meßeinrichtung ist eine Bezugsspannungsquelle über eine Torschaltung mit einem .Integrator verbunden, wenn, das erste Trigger-Signal auftritt, und die Torschaltung wird bei Auftreten des zweiten. Trigger-Signals geschlossen, so daß

die vom Integrator erzeugte Spannung der Dicke des Werkstücks entspricht. Bei der Digitalschaltung ist ein Uhr-Impulsgenerator über eine !torschaltung mit einem Zähler beim Auftreten des ersten. Trigger-Signals verbunden, und die Torschaltung wird bei Auftreten des zweiten Trigger-Signals geschlossen, so daß die vom Zähler registrierte Zahl der Dicke des Werkstücks entspricht.

Erfindungsgemäß kann das Meßinstrument einen Sensorkopf sehr kleiner Abmessungen aufweisen, der unmittelbar am Werkstück sitzt, ferner einen Hauptschrank, der in einer gewissen Entfernung vom Werkstück angeordnet ist. Der Sensorkopf hat die Aufgabe, einen Lichtstrahl auf das Werkstück zu werfen und die reflektierten Strahlen an der Sensoreinrichtung zu empfangen. Eine Lichtquelle hoher Lichtstärke sitzt im Hauptschrank,, und das Licht wird durch ein Faseroptik-Kabel zum Sensorkopf zur Strahlung auf das Werkstück geleitet. Die Sensoreinrichtung hat vorzugsweise· die Form einer integrierten Schaltkreis-Fotodetektor-Folge mit einem als festen Bestandteil angeschlossenen Abtaster, der durch ein. elektrisches Kabel mit dem Hauptschrank verbunden ist, in dem die zugehörige Elektronik sitzt. Durch diese Anordnung ist der Sensorkopf frei von. der Wärme, die durch die Lichtquelle erzeugt wird, und der benötigte Platz ist extrem klein, so daß der Kopf ohne weiteres an. der gewünschten. Stelle an einem Produktionsband zur Überwachung der Dicke von Werkstücken, angeordnet werden, kann. Diese

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Anordnung macht ferner ein. optisches System möglich₉ das die Dicke mit einem hohen. Maß an. Genauigkeit mit einer Meßgeschwindigkeit mißt, die im Bereich von. mehreren. Tausend Messungen, pro Sekunde liegt. Diese Anordnung ist "besonders gut für die Messung von. Wanddicken. in. der Herstellung von. Werkstücken, aus Kunststoff oder Glas geeignet, wozu Röhren und Flaschen, gehören, die gekrümmte Wände haben, ferner Werkstücke mit Flächen, die etwas uneben sind. Ferner, wird die Genauigkeit der Messung durch eine erhebliche Änderung im Abstand des Sensorkopfs vom Werkstück nicht beeinflußt. Die Empfindlichkeit des Instruments kann, durch eine einfache Änderung im optischen. System geändert werden«

Die Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen sind;

. Fig. 1 eine schematische Darstellung des Sensorkopfs des Meßinstruments, '

Fig. 2 eine Ansicht des Hauptgehäuses des Meßinstruments,

Fig. 3 ein Diagramm der Strahlenbahnen, des Instruments,

. Fig. 4 eine Einzelheit in. der Bauweise,

Fig. 5 eine Ansicht der Sensorelementfolge,

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Fig. 6 eine schematische Darstellung einer Alternativausführung des optischen. Systems,

Fig."7 eine grafische Darstellung von elektronischen Signalen zur Unterstützung der Erläuterung der Funktion des Instruments,

Fig. 8 ein Blockschaltbild des elektronischen Me ßsystems und

Fig. 9 ein Blockschaltbild einer Variante.

In den Zeichnungen ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung in einem dicken Meßinstrument gezeigt, das besonders zum kontinuierlichen Überwachen der Dicke von Werkstücken eingerichtet ist, beispielsweise Kunststoffbehältern auf einem Produktionsband. Das erfindungsgemäße Meßinstrument bewirkt eine Messung der Wanddicke durch Messen der Verschiebung zwischen, der vorderen, und der hinteren Flächenreflektion. Wenn, ein Lichtstrahl unter einem spitzen Winkel auf die Fläche einer transparenten Platte geworfen wird, reflektiert sowohl die hintere als auch die vordere Fläche einen. Teil des Lichtstrahls, und demgemäß wird ein doppeltes Abbild des Strahls reflektiert. Die Verschiebung der beiden Abbilder oder der reflektierten Strahlen ist eine Funktion, der Brechungszahl des Materials, des Einfallwinkels des Lichtstrahls und der Dicke des Materials.

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Für ein. bestimmtes Material und einen, konstanten Einfallwinkel ist der Abstand zwischen den reflektierten. Strahlen proportional zur Dicke der Platten.

Gemäß Pig. 1 und 2 weist das Meßinstrument einen Sensorkopf ^O auf, der unmittelbar an einem Werkstück 12 sitzt, und ferner gehört dazu ein. Hauptschrank 14» der zweckmäßigerweise mehrere Meter vom Sensorkopf 10 entfernt angeordnet ist. Im Schrank 14 sitzt eine Lichtquelle 16 hoher Lichtstärke, und die Strahlungsenergie davon wird über eine Linse 18 zum Ein.gangsen.de eines, optischen Faserkabels 20 übertragen, das sich zum Sensorkopf 10 erstreckt. Der Hauptschrank 14 und der Sensorkopf 10 sind ferner.durch ein. elektrisches Kabel 22 miteinander verbunden«

Der Sensorkopf 10 weist ein. versiegeltes Gehäuse 24 auf, das eine Abmessung in der Höhe, Breite und Tiefe von 50 bis 100 mm haben, kann. Das Gehäuse des Sensorkopfs weist ein Fenster 26 aus transparentem Material wie Quarz auf, das dem Werkstück 12 gegenüber liegt und ihm gegenüber in. einem Abstand in. der Größenordnung von 12,7 mm angeordnet ist. Das Werkstück 12 im dargestellten. Ausführungsbeispiel hat die Form der Wand eines Behälters, der aus transparentem Material gefertigt ist. Das optische Faserkabel 20 endet mit steinern Ausgangsende am Fenster 26 an. einer Seite desselben und ist unter einem spitzen. Winkel ihm gegenüber angeordnet. Eine

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Bündelun.gslin.se 28 "befindet sich, inn.erh.alb des Fensters 26, so daß ein vom Kabel 2 0 auf das Werkstück 12 geworfener Lichtstrahl, der von den vorderen, und hinteren. Flächen des Werkstücks reflektiert wird, durch diese aufgefangen wird. Die reflektierten Strahlen, werden, durch die Linse 20 auf eine Sensorplatte 30 geworfen, die im einzelnen noch zu beschreiben sein wird. Die Sensorplatte 30 sitzt an der Oberfläche einer Platte 32 einer gedruckten Schaltung, die mit zusätzlichen integrierten. Schaltungen 34 und 36 versehen, ist.

In. Fig. 3» 4 und 5 sind die optischen Bahnen der Lichtstrahlen im einzelnen unter Bezugnahme auf die Sensorplatte 30 gezeigt. Aus Gründen, die noch im einzelnen ersichtlich werden, ist es wünschenswert, einen Lichtstrahl mit einem Querschnitt zu werfen, der lang im Vergleich zu seiner Breite ist. Aus diesem Grund ist das optische Faserkabel 20 mit einer undurchsichtigen- Abdeckung 38 versehen, die einen Schlitz 40 aufweist, so daß ein einziger Strahl von ihr mit einer Breite von. etwa 0,25 mm geworfen, wird. Ein. solcher Strahl kann ferner durch eine zylindrische Linse gebildet werden. Der Strahl 42 wird auf die Oberfläche des Werkstücks 12 in einem spitzen. Winkel gerichtet, und ein. Teil davon wird von. der vorderen Fläche des Werkstücks als ein reflektierter Strahl 44 reflektiert, während ein anderer Teil davon durch das Material des Werkstücks geht und von der hinteren Fläche desselben als ein reflektierter Strahl 46 reflektiert wird. Da der Strahl 42

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kein. Sammelstrahl ist, vielmehr aus divergenten. Strahlen .im Ausführungsbeispiel gebildet ISt₉ sind die reflektierten. Strahlen, ebenfalls durch divergente Strahlen, gebildet. Aus Gründen der Erläuterung stellt das in. Fig. 3 gezeigte Diagramm die Strahlen, jedoch durch einfache Linien dar, die als ausgesuchte Strahlen angesehen werden, können, welche in den. betreffenden Strahlen 44 und 46 parallel zueinander liegen.» Das gleiche Diagramm würde das optische System darstellen, wenn der Strahl 42 zusammengefaßt wäre, und in. diesem Fall wurden, die Linien die Achsen, der Sammelstrahlen darstellen» Der Begriff "reflektierte Strahlen" bedeutet hier die reflektierten Abbilder der Lichtquelle ο

Die reflektierten. Strahlen 44 und 46 liegen, im wesentlichen parallel zueinander und sind um einen Abstand voneinander entfernt, der proportional zur Dicke des Werkstücks 12 ist. Die Linse 28 bündelt die Strahlen. 44 und 46 auf eine lineare Folge 50 von auf Strahlung ansprechende Elemente 52, die auf der Oberfläche der Sensorplatte 30 sitzen. Wie,im einzelnen in. Fig. 5 gezeigt ist, besteht die Folge 50 aus einer.Vielzahl von fotoempfindlichen. Elementen 52, die in. einer geraden. Linie und im engen. Abstand angeordnet sind. In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung hat die Sensorplatte einschließlich der fotoempfindlichen Elemente die Form einer integrierten. Schaltung, die 64 fotoempfindliche Elemente enthält, die jeweils etwa 0,05 mm im Quadrat messen und mit ihren Mitten in einem

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Abstand von 0,05 mm liegen. Eine integrierte Schaltung dieser Art ist von der Firma Reticon Corporation of California erhältlich. In Fig. 5- ist zu sehen, daß die Strahlen. 44 und 46 eine solche Querschnittsabmessung haben, daß jeder Strahl mehr als eines der fotoempfin.dlichen. Elemente gleichzeitig anstrahlt.

In Fig. 6 ist ein modifizierter Sensorkopf 60 gezeigt, der besonders zum Messen, der Wanddicke eines Werkstücks 12' einge- richtet ist, beispelsweise eines Behälters, das eine gekrümmte Wand hat, welche weiter vom Sensorkopf entfernt liegt, beispielsweise in. der Größenordnung von mehreren Zentimetern. Das optische Faserkabel 20 sitzt hinten, im Gehäuse 24, und der Strahl davon, wie er durch die Abdeckung 38 gebildet wird, wird durch eine Linse 62 auf einen Spiegel 64 an der Torderseite geworfen, von. dem aus er durch das Fenster 26 auf die Oberfläche des Werkstücks 12' reflektiert wird. Ein weiterer Spiegel 66 an der Vorderseite sitzt an der gegenüberliegenden: Seite des Sensorkopfs in. einer Lage, um die reflektierten Strahlen, von den. vorderen und hinteren Flächen des Werkstücks 12' aufzufangen. Die reflektierten Strahlen werden, vom Spiegel 66 durch eine Sammellinse 68 auf die Oberfläche der Sensorplatte 30 umgerichtet. Abgesehen vom optischen Übertragungsweg, wie ergerade beschrieben worden ist, ist der abgewandelte Sensorkopf 60 der gleiche wie der Sensorkopf 10, der im Zusammenhang mit Fig. 1 beschrieben worden, ist.

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Die elektronischen Schaltkreise des Meßinstrumentes werden, nun unter Bezugnahme auf Pig» 7, 8 und 9 beschrieben. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel bestehen die elektronischen Schaltkreise im wesentlichen aus den Sensor-Abtastschaltkreisen, die für die Erzeugung von Trigger-Signalen sorgen, welche durch ein Zeitintervall getrennt sind, das proportional der körperlichen Verschiebung der reflektierten Strahlen, bzw. Abbilder ist, und dazu gehört ferner ein Meßkreis, der für eine Umwandlung der zeitlich abgestimmten Trigger-Signale in elektronische Signale sorgt, die eine Größe haben,, welche der ■Verschiebung der Strahlen, und damit der Dicke des Materials entspricht. Die Sensor-Abtastschaltkreise zusammen mit einem Analog-Meßkreis sind in Pig. 8 gezeigt. In der vorstehend beschriebenen Sensor-Folge 50 arbeitet jede der Fotodioden 52 in einer Ladungsspeicherfunktion, und damit wird die darauf einfallende Lichtstärke integriert. Dieser Effekt ist grafisch in Fig. 7 wiedergegeben, in der die relativen Ladungen gezeigt sind, die von den !Fotodioden, entwickelt werden. Im vorstehend beschriebenen. System entspricht in einer Folge mit 64 Elementen, wie das in Fig. 5 gezeigt ist, jede vertikale Linie 72 einer der Fotodioden. 52, und aus Gründen der Erläuterung ist jede der Fotodioden so dargestellt, daß sich darauf mindestens eine minimale Ladung angesammelt hat. Jene Fotodioden, die durch den reflektierten. Strahl 46 beleuchtet werden, sammeln, einen merklich höheren Ladungswert und erzeugen, einen Impuls 74. Entsprechend erzeugt der reflektierte Strahl 44 einen. Xm-

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"puls 76. Die reflektierten Strahlen 44 und 46 zeigen eine nicht gleichförmige Raumverteilung in der Lichtstärke, derart, daß ein Spitzenwert in der Mittelachse der Strahlen auftritt und die gleiche Verteilung wird durch die Impulse 74 und 76 im dargestellten Ausführungsbeispiel gezeigt.

Der Abtaster 78 ist aus Gründen der Zweckmäßigkeit als ein getrennter Block im Diagramm in Fig. 8 gezeigt; in der Praxis handelt es sich aber dabei vorzugsweise um einen Teil der integrierten Schaltung der Sensor-Folge 50. In dieser Anordnung ist jede der Fotodioden getrennt mit einer Torschaltung verbunden und in einer Folge vom Abtaster 78, der im hier erwähnten Beispiel aus einem Uhr-gesteuerten Wechselregister besteht. Entsprechend sorgen Uhr- oder Zeitgabekreise 80 für einen Uhr-Impulseingang zum Abtaster 78. Der Ausgang des Abtasters wird an. den Eingang eines Verstärkers 82 angelegt, der einen Probe- und Haltekreis umfaßt, um eine anschließende Signalverarbeitung zu erleichtern. Der Probe- und Haltekreis sorgt für ein."Feststellen und Halten, des Spitzenwertes jedes einzelnen. Impulses und bildet im Effekt eine treppenartige Wellenform für die Impulse 74 und 76. Die Zeitkreise 80 sind mit dem Probe- und Haltekreis des Verstärkers 82 verbunden, um diesen auf Null zurückzustellen, unmittelbar ehe eine Verbindung der nächsten Fotodiode über die Torschaltung erfolgt. Der Ausgang des Verstärkers 82 wird an einen Schwellenwert-Detektor 84 angelegt, bei dem es sich um einen Vorderflanken-

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Detektor handelt, der zur Erzeugung ein.es Trigger-Impulses

"bei Auftreten eines bestimmten Schwellenwertes 78 während eines Spannungsanstiegs eingerichtet ist ο Demgemäß bewirkt jeder Impuls 74 und 76 in fig« 7» daß der Schwellenwert-De-. tektor 84 eine einzige Trigger-Spannung erzeugt»- Der Schwellenwert-Detektor 84 ist vorzugsweise ein Zwei-Stufen-Detektor, bei dem die zweite Stufe eine Schwellenwert-Erfassung beim Ausgang der ersten Stufe durchführt, um für ein hohes Maß an Sicherheit in der Bestimmung des Auftretens des Schwellenwertes zu sorgen«, Der Ausgang des Schwellenwert-Detektors 84 wird an eine bi-stabile Trigger-Schaltung 86 angelegt, die schaltende Trigger-Spannungen erzeugt_s welche den Schwellenwert-Trigger-Spannungen entsprechen«. Der Ausgang der bi-stabilen Trigger-Schaltung 86 wird durch den Torschaltungseingang einer Torschaltung 88 angelegt«, und entsprechend wird die Torschaltung beim ers.ten Auftreten des Schwellenwertes geöffnet und beim zweiten Auftreten desselben während jeder Abtastung geschlossen, wie das in Fig» 7 gezeigt ist. Die bistabile Trigger-Schaltung 86 und die Torschaltung·88 sind getrennt mit den Zeitschaltungen 80 verbunden, um den Triggerkreis 86 am Ende jeder Abtastung zurückzustellen und um die Torschaltung 88 am Ende jeder Abtastung zu schließen. Obgleich diese Funktion, nicht entscheidend,ist, ist sie vorgesehen, um ein zusätzliches Maß an Sicherheit in der Funktion zu schaffen, und zwar für den unwahrscheinlichen. Fall, daß ein zwei-

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tes Auftreten des Schwellenwertes während einer "bestimmten Abtastung durch den Schwellenwert-Detektor nicht erfaßt wird.

Obgleich im bevorzugten Ausführungsbeispiel, wie es gerade beschrieben worden ist, ein Abtastsystem vorgesehen ist, versteht es sich, daß die gewünschte Dickenmessung dadurch erreicht werden kann., daß ein Schwellenwert-Detektor verwendet wird, der mit jedem der auf die Strahlung ansprechenden Elemente verbunden ist, so daß durch eine statische Logik der Abstand zwischen den reflektierten Strahlen angezeigt wird.

Die Torschaltung 88 kann als die erste Stufe des Meßkreises angesehen werden, der zum Umwandeln der zeitlich abgestimmten Trigger-Spannungen in eine Anal ο g- Spannung eingerichtet ist, welche eine Größe hat, die der Dicke des zu messenden Werkstücks entspricht. Eine Bezugsquelle 90, vorzugsweise eine Konstantstromquelle, ist mit dem Eingang der Torschaltung verbunden, deren. Ausgang mit dem Eingang eines Integrators verbunden, ist. Der Integrator 92 sorgt für die Entwicklung einer Auf lauf spannung, die eine G-röße hat, welche proportional zur Zeit ist, während der die Bezugsquelle 90 über die Torschaltung 88 damit verbunden ist. Entsprechend entwickelt der Integrator 92 eine Ausgangsspannung, die proportional zum Zeitintervall zwischen, den. Trigger-Impuls en und damit zur Dicke des Werkstücks ist, Die Zeitkreise 80 sind mit dem Integrator 92 verbunden, um den Integrator am Ende jeder Abtastung auf Null zurückzustellen. Der Ausgang des Integrators 92 wird

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an den Eingang eines Probe- und Haltekreises 94 angelegt, das den maximalen Spannungswert speichert, der vom Integrator während einer "bestimmten Abtastung erreicht wird. Die Zeitkreise 80 sind mit dem Probe- und Haltekreis 94 verbunden, um das Speicherelement desselben zurückzustellen, unmittelbar ehe der nächste Abtastvorgang erfolgt. Die gespeicherte Spannung des Probe- und'Haltekreises wird an. den Eingang eines Treiber-Verstärkers 96 angelegt, bei dem es sich um einen Verstärker mit hoher Eingangsimpedanz oder um einen Pufferverstärker handelt. Der Treiberverstärker 96 ist vorzugsweise mit einer Verstärkungseinstellung versehen, so daß eine Eichung bewirkt werden kann, um für einen.Spannungsausgang zu sorgen, der um einen bestimmten Skalenfaktor mit der Dicke des zu ^messenden Werkstücks in Beziehung steht. Der Ausgang des Treiber-Verstärkers wird an eine Gebrauchseinrichtung angelegt, die im vorliegenden Ausführungsbeispiel durch Toleranzkreise 98 gebildet ist, welche eingestellt sind, um zulässige Grenzwerte für das Werkstück zu begründen. Die Toleranzkreise 98 sind mit einer Alarmvorrichtung 100 verbunden, zweckmäßigerweise in der F-ornr von Signallampen, die wahlweise unter Strom gesetzt werden können, wenn die Werkstückdicke entweder unter oder über den. zulässigen Grenzen liegt.

In Fig. 9 ist eine Variante des Meßkreises gezeigt. In. dieser Kreisanordnung wird mit Digitaltechnik gearbeitet, um das Zeitintervall zwischen, den Trigger-Impulsen, in. ein elek-

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irisches Signal umzusetzen, das der Dicke des Werkstücks entspricht. Die Trigger-Sign ale von. der bi-stabilen Trigger-Schaltung 86 werden, an. den. Eingang der Torschaltung 88 angelegt, wie das vorstehend beschrieben worden, ist. Ein. Uhrkreis 102, der Uhrimpulse mit der gleichen. Geschwindigkeit wie die Uhrimpulse erzeugt, welche den. Abtaster von. Element zu Element weiterlaufen lassen, ist mit dem anderen Eingang der Torschaltung 88 verbunden. Der Ausgang der Torschaltung 88 ist an einen Zähler 104- angelegt, der eine Zählung registriert, die der Anzahl von Uhrimpulsen entspricht, welche auftreten, während die Torschaltung 88 offen ist. Die registrierte Zählung entspricht damit der Anzahl von Fotodioden, die den. Abstand zwischen den reflektierten Strahlen überbrücken und die der Dicke, des Werkstücks entsprechen. Der endgültige Ausgang des Instruments kann, in digitaler Form vorgesehen sein, beispielsweise in. der Form einer Anzeige der registrierten Zählung, falls erwünscht. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel wird der Ausgang des Zählers 104 jedoch an. einen Digital/Analog-Wandler 106 angelegt, der eine Analοg-Ausgangsspannung erzeugt, welche eine Größe hat, die der registrierten. Zählung entspricht, damit also auch der Dicke des Werkstücks. Zeitkreise 108 sind mit dem Zähler 104 bzw. mit dem Wandler 106 verbunden, um für eine Rückstellung auf Null am Ende jeder Abtastung zu sorgen. Der Ausgang des Wandlers 1 06 wird an. den Treiberverstärker 96 angelegt und der Ausgang desselben, der der Werkstückdicke entspricht, wird an. die Toleranzkreise 98 und an die Alarmvor-

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richtung 100 angelegt, wie das vorstehend beschrieben, worden ist.

Bei der Arbeit des Meßinstruments wird der Sensorkopf dem Werkstück gegenüber gemäß der Darstellung in Fig. 1 und alternativ gemäß der Darstellung in Fig. 6 angeordnet. In dem einen wie in dem anderen Fall sitzt die auffangende Linse 28 oder die auffangende Linse 68 in einer'solchen Lage, daß die reflektierten Strahlen oder Abbilder auf die Sensor-Folge 50 der Sensorplatte 30 geworfen werden. Die Empfindlichkeit des Meßinstruments wird teilweise durch die Brennweite der empfangenen Linse "bestimmt, und sie kann, dadurch erhöht werden, daß eine Linse einer kürzeren Brennweite verwendet wird. Wenn das Meßinstrument für den Betrieb unter Strom gesetzt worden ist, "tastet der Abtaster 78 wiederholt die Fotodioden der Folge mit einer festliegenden Geschwindigkeit ab. Jede einzelne Abtastung stellt eine unabhängige Messung der Dicke dar, da die Verschiebung der Strahlen 44 und 46 während jeder Abtastung gemessen wird. Die Position der Strahlen. 44 und 46 gemäß der Darstellung in Fig. 5 ist durch die durch die Fotodioden erzeugten Impulse -76 bzw. 74 wiedergegeben, wie das in Fig. 7 gezeigt ist. . --

Bei diesem Punkt ist zu beachten, daß das Instrument die Verschiebung zwischen, den reflektierten. Strahlen 44 und 46 mißt, nicht die Lage der Strahlen, auf der Sensor-Folge 50. Dieses

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Ergebnis wird erreicht, weil die Torschaltung 88 während des Zeitin.tervalls zwischen, den Trigger-Impulsen, offen ist, die jeweils an; den. Vorderflanken, der Impulse 74 und 76 "bei Auftreten, eines bestimmten Schwellenwertes 78 auftreten. Für eine bestimmte.Dicke, die durch eine bestimmte Verschiebung zwischen, den reflektierten Strahlen. 44 und 46 dargestellt ist, wird also die Torschaltung 88 für ein entsprechendes Zeitintervall geöffnet, unabhängig von der Anordnung der reflektierten Strahlen, und der entsprechenden Impulse an. der Sensor-Folge. Der Abstand zwischen, dem Instrument und dem Werkstück ist also nicht kritisch, und es. kann, eine erhebliche Änderung in. der Lage des Werkstücks toleriert werden, ohne daß die Genauigkeit der Messung beeinflußt wird. Mit anderen Worten, ein gemeinsames Verlagern, der Strahlen. 44 und 46 in der waagerechten. Richtung gemäß der Darstellung in. Fig. 5 beeinflußt die Messung nicht. Ferner ist zu beachten, daß aufgrund der Tatsache, daß die Strahlen. 44 und 46 die Form einer Linie haben, eine Verlagerung der Strahlen in. vertikaler Richtung, wie das die Folge eines" Kippens des Werkstücks sein, kann, die Messung nicht beeinflußt, so lange die Strahlen, auf die Folge 50 treffen.

Die Anal og-Meß schaltung in. Fig. 8 arbeitet mit der Bezugsstromquelle 90 zur Versorgung des Integrators 92 während des Zeitintervalls, währenddessen die Torschaltung .88 offen ist. Der Integrator 92 entwickelt demgemäß eine Auflatfepannung,

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deren Größe proportional zur verstrichenen. Zeit nach dem ersten. Trigger-Impuls Ms zu einem maximalen. Wert ist, der durch das Auftreten, des zweiten. Trigger-Impulses bestimmt wird, der die Torschaltung schließt. Dieser maximale Wert für jede Abtastung wird durch den. Probe- und Haltekreis 94 gespeichert und gehalten, und durch den. Treiber-Verstärker 96 an. die Toleranzkreise und an. die Alarmvorrichtung angelegt.

Alternativ kann die Meßschaltung gemäß Fig. 9 verwendet werden, und damit wird mit einem digitalen. Zähle^. gearbeitet, um die zeitlich abgestimmten Trigger-Impulse auf eine Spannung umzuwandeln, die der Dicke entspricht. Diese Torschaltung 88 wird zu diesem Zweck bei Auftreten des ersten Trigger-Impulses geöffnet, und die TJhrimpulse von der Uhr 102 werden, durch sie durch zum Zähler 104 geleitet. Der ZäBer zählt weiter, bis der zweite Trigger-Impuls während der Abtastung auftritt, und demgemäß ist die Gesamtzählung für die Abtastung proportional zum Zeitintervall zwischen den Trigger-Impulsen. Diese registrierte Zählung wird durch den Digital/Analog-Wandler 106 in eine Analog-Spannung umgewandelt, die eine Größe hat, welche dem bestimmten Zeitintervall entspricht, damit dem Abstand zwischen, den reflektierten Lichtstrahlen. Die Analog-Spannung vom Wandler 106 wird durch den. Treiber-Verstärker 96 an. die Toleranzkreise und an die Alarmvorrichtung angelegt.

Im dargestellten. Ausführungsbeispiel wird der Abtaster mit einer konstanten Geschwindigkeit von 32 MikroSekunden, pro Fotodiode

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oder 32 Mikr ο Sekunden pro 0,05 mm. betrieben. Mit einer Folge von 64 Fotodioden führt der Abtaster 500 Abtastungen pro Sekunde aus, was 500 unabhängigen Messungen pro Sekunde entspricht. Entsprechend ist das Instrument in hervorragender Weise für eine kontinuierliche Überwachung der Dicke von Werkstücken auf dem Produktionsband geeignet. Gegebenenfalls können die Konstanten des Systems so gewählt werden, daß das Ausgangssignal direkt' in tausendstel Millimeter anzeigt.

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Claims

Patentansprüche

1. Vorrichtung zum Messen, des Abstandes zwischen, einer ersten und einer zweiten. Strahlung reflektierenden Fläche, gekennzeichnet durch Mittel zum Y/erfen eines Strahls. in. Richtung auf die Flächen zur Erzeugung eines ersten und eines zweiten, reflektierten Strahls von der ersten "bzw. zweiten Fläche, eine Sensor-Einrichtung mit einer Folge von. auf Strahlung ansprechenden. Elementen, die sich über die Bahnen der reflektierten Strahlen erstrecken, und eine mit der Sensoreinrichtung verbundene Detektor-Einrichtung zum Erfassen derjenigen durch den. ersten und den. zweiten Strahl bestrahlten Elemente, wobei der Abstand zwischen den bestrahlten Elementen ein/Maß für den. Abstand zwischen der ersten und der zweiten Fläche ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Meßeinrichtung,, die mit der Detektor-Einrichtung verbunden ist, derart, daß ein elektrisches Signal erzeugt wird, das dem Abstand zwischen den bestrahlten Elementen entspricht.

"3· Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Toleranz-Prüf einrichtung, die mit der Meßeinrichtung verbunden ist, derart, daß bestimmt wird,

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ob das elektrische Signal sich von. einem Sollwert um mehr als ein. bestimmtes Maß unterscheidet.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3? d a durch gekennzeichnet, daß die auf Strahlung ansprechenden Elemente ein elektrisches Signal·

erzeugen, das der Größe der darauf einfallenden Strahlung entspricht, wobei die Detektoreinrichtung eine Schwellenwert einrichtung aufweist, die bei Verbindung mit einem der Elemente zur Erzeugung einer Trigger-Spannung eingerichtet ist, wenn das elektrische Signal einen Schwellenwert überschreitet, wobei eine Abtasteinrichtung zum Verbinden der . Schwellenwerteinrichtung mit Jedem der Elemente in einer Folge vorgesehen ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtasteinrichtung einen elektronischen. Abtaster umfaßt, der zum Abtasten der Elemente mit einer bestimmten Geschwindigkeit eingerichtet ist, wobei die Meßeinrichtung eine Zeiteinrichtung zum Bestimmen, der Zeitverstreichung zwischen den Trigger-Spannungen umfaßt, die während einer einzig':· Abtastung erzeugt werden, wobei die Zeitverstreichung ein Maß des Abstandes zwischen, den Flächen ist.

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6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 "bis 5* dadurch gekennzeichnet , daß die Zeiteinrichtung eine Einrichtung zur Erzeugung einer veränderlichen Spannung umfaßt, die dem Abstand entspricht.

7. Vorrichtung nach -einem der Ansprüche 1 "bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeiteinrichtung eine elektrische Bezugsquelle, einen. Integrator und eine Torschaltung umfaßt, die zwischen die Bezugsquelle und den Integrator geschaltet ist und mit der Schwellenwert-Einrichtung verbunden, ist und auf die Trigger-Spannungssignale derselben derart ,anspricht, daß der Integrator und die Quelle verbunden und getrennt werden, derart j daß eine vom Integrator erzeugte Spannung dem Abstand entspricht»

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7_S dadurch g e k e η. η' ζ e i ρ h η e t , daß die Zeiteinrichtung einen Uhrimpulsgenerators, einen· Zähler und eine Torschaltung umfaßt, die zwischen den Generator und den. Zahler geschaltet ist und mit der Schwellenwerteinrichtung verbunden ist und auf die Trigger-Spannungen, ders-elben. anspricht, derart, daß der Impulsgenerator und der 2ähler verburiden und getrennt werden, derart, daß die vom Zähler registrierte Zählung dem Abstand entspricht»

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9· Vorrichtung-nach einem der Ansprüche 1 Ms 8, gekennzeichnet durch einen. Digital/Analog-V/andler, der mit dem Zähler zur Erzeugung einer Spannung ver- · bunden. ist, die dem Abstand entspricht.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 "bis 9> dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite Strahl jeweils auf eine Vielzahl von EIementen mit einer nicht gleichförmigen. Strahlungsstärke auftreffen, wobei die Schwellenwerteinrichtung ein Vorderflanken-Schwellenwert-Detektor ist, derart, daß eine" Trigger-Spannung erzeugt wird, die jedem Strahl entspricht, wobei das Zeitintervall dazwischen den. Abstand zwischen. ; entsprechenden Punkten an. dem Strahl wiedergibt.

11. Vorrichtung nach einem der, Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet durch eine bi-stabile

Trigger-Schaltung,die zwischen die Schwellenwert-Einrichtung und die Torschaltung geschaltet ist.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der elektronische Abtaster ein Wechselregister ist, das mit der leiteinrichtung verbunden ist und wiederholt die Elemente in einer Folge mit festliegender Geschwindigkeit abtastet.

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3· Vorrichtung'zum Messen der Dicke eines transparent en -Werk Stücks, gekennzeichnet durch eine Lichtquelle, eine Einrichtung zum. Werfen eines Lichtstrahls von der Quelle in Richtung auf das Werkstück zur Erzeugung eines ersten und eines zweiten, reflektierten Strahls von der ersten und der zweiten Fläche des Werkstücks, eine Sensoreinrichtung mit einer linearen Folge von fotoempfindlichen Elementen, die sich über die Bahnen der reflektierten Strahlen erstrecken, wobei die fotoempfindlichen Elemente ein elektrisches Signal erzeugen, das der Lichtmenge entspricht, die darauf einfällt, eine Detektor einrieb, tu ngmit einer Schwellenwerteinrichtung,' die bei Verbindung mit einem der Elemente zur Erzeugung einer Trigger-Spannung einrichtet ist, wenn, das elektrische Signal einen Schwel-1 enwert .überschreitet, eine Abtasteinrichtung zur Verbindung der Schwellenwerteinrichtung mit jedem der Elemente in einer Folge und eine Meßeinrichtung, die mit der Detektoreinrichtung verbunden ist und zur Erzeugung eines elektrischen Signals eingerichtet ist, das dem Abstand zwischen den bestrahlten. Elementen entspricht.

14· Vorrichtung nach Anspruch 13» ,daduröh gekenn zeichn-et , daß die Sensor-Einrichtung.in einem ersten Gehäuse sitzt und die Lichtquelle in einem zweiten. Gehäuse angeordnet ist, wobei das erste Gehäuse mit

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einem "transparenten Fenster vergehen und zur Anordnung mit dem Fenster an. dem Werkstück eingerichtet ist, das ein optisches Faserkabel optisch mit der Lichtquelle im zweiten Gehäuse verbunden ist und sich zu einem Punkt innerhalb des ersten Gehäuses in einer Position erstreckt, das Licht von der Quelle unter einem spitzen Winkel auf das Werkstück zur Erzeugung der reflektierten Strahlen geworfen wird.

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15. Vorrichtung nach Anspruch I3 oder 14» gekennzeichnet durch einen lichtundurehlässigen Schirm mit einem Schlitz, der innerhalb des ersten Gehäuses gegenüber dem Ende des optischen Faserkabels angeordnet ist, derart, daß eine Lichtlinie durch ihn. durch geworfen wird, derartj daß die reflektierten Strahlen erzeugt werden, wobei eine. Linse innerhalb des ersten Gehäuses zwischen dem Fenster und der Sensoreinrichtung sitzt.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche I3 bis 15, g e -

k e .η η. ζ e i c h n. e t durch eine Zeiteinrichtung, wobei der elektronische Abtaster mit der Zeiteinrichtung verbunden und zum wiederholten Abtasten, der Elemente in einer Folge mit einer konstanten Geschwindigkeit eingerichtet ist, und eine veränderliche Spannungseinrichtung zur Erzeugung einer Spannung, die dem, Abstand entsprich!;, welcher während jeder Abtastung gemessen wird, wobei die Zeiteinrichtung mit der veränderlichen Spannun^neinrichtunc

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zum Rückstellen derselben nach jeder Abtastung verbunden ist, derart, daß eine Überwachung eines wandernden Werkstücks zur Bestimmung der Dicke desselben an. Punkten möglich ist, die im Abstand in der Bewegungsrichtung des Werkstücks liegen.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche I3 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß da3 optische Fa.serkabel die lichtlinie direkt durch das Fenster auf das Werkstück wirft, eine Linse innerhalb des ersten Gehäuses zwischen dem Fenster und der Sensor-Einrichtung sitzt und die reflektierten. Strahlen, durch das Fenster und die Linse auf die Sensorfolge gesendet werden.

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche I3 bis 17, dadurch, gekenn, zeichne t , daß eine erste Linse und ein. erster Spiegel innerhalb des ersten Gehäuses zwischen dem optischen Faserkabel und dem Fenster sitzen, derart, daß die Lichtlinie durch das Fenster auf das Werkstück geworfen wird, .einen zweiten Spiegel innerhalb des ersten Gehäuses in der- Bahn der reflektierten Strahlen, eine zweite Linse innerhalb des Gehäuses zwischen dem zweiten Spiegel und der Folge, derart, daß der erste und der zweite Strahl auf die Folge geworfen werden.

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