DE2532033A1 - Einrichtung und verfahren zur messung von geschwindigkeiten oder strecken an messobjekten ohne spezielle messmarken - Google Patents

Description

• Einrichtung und Verfahren zur Messung von Geschwindigkeiten oder Strecken an Messobjekten ohne spezielle Messmarken.
• Die vorstehende Erfindung bezieht sich auf die gemeinsame Auswertung der Signale von zwei oder Mehr Messeinrichtungen, die mit Hilfe periodischer Strukturen in optischen, elektrischen oder magnetischen Anordnungen geschwindigkeitsproportionale Signalfrequenzen erzeugen, indem aus dem statistischen Ortsfrequenzgemisch der messtechnisch erfassten Objektparameter mit Hilfe der periodischen Struktur der Messinrichtung nur die, der Messeinrichtung entsprechende Ortsfrequenz ausgefiltert wird, sodass aus der Ortsfrequenz der Messeinrichtung und der Signalfrequenz die Objektgeschwindigkeit ermittelt werden kann.
• Beispiele sind in der Anmeldung: "Einrichtung zum Messen von Geschwindigkeiten oder Strecken an bewegten Trägern magnetischer oder elektrostatischer Felder mit Anteilen von regellosen Feldkomponenten" oder in den P 24 51 994.6, P 24 51 333.5, der D O S 22 37 564 enthalten.
• Die Signale aussolchen Einrichtungen zeichnen sich dadurch aus, dass die statistisch wirksamen Objektparameter im Messdurchlauf zu Kombinationen von Objektgebieten und Messfeldern des Messgrössenausfnehmers führen können, die Nullstellen der Signalamplituden aufweisen. Diese Nullstellen entstehen durch die Mittelung von im Messfeld gleich- und gegenphasigen Komponenten der Ortsfrequenz des Objektparameters mit vollständiger Kompensation. Durch diese Signaleinbrüche wird eine Senkung der Messunsicherheit bei der Geschwindigkeits- und Streckenmessung mit Hilfe der Signalfrequenzauswertung eingeschränkt.
• Ziel der Efindung ist die Auswirkung von solchen Signaleinbrüchen an den Ausgängen derartiger Messeinrichtungen einzuschränken.
• Durch die statistischen objekteigenschaften tre-ten diese Signalnullstellen in einer nicht determinierten Folge auf.
• Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass diese Nullstellen in den Signalen eines Messwertaufnehmers voneinander statistisch unabhängig sind. Ausserdem sind die Signalverläufe bei auch in der Orietierung gleichen Kombinationen von Messwertaufnehmern und Objektfeldern reproduzierbar.
• Durch die Integration über die Messfelder bei der Signalerzeugung sind die Abstände der tfullstellen nach unten beschränkt. Monoton mit ansteigender Zahl der Strukturperioden des Aufnehmers in der Messrichtung nehmen die mittleren Abstände der Nullstellen zu. In zwei Ausgestaltungen der Erfindung werden die Erkenntnisse Reproduzierbarkeit und statistische Unabhängigkeit bei den erfindungsgemässen Signalverknüpfungen ausgenutzt. Wird in einen Messwertaufnehmer des Messfeld so geometrisch zerlegt, dass bei dem Vorbeilauf des Objektes jedeM Messfeldteil ein Steifen am Objekt zufreordnet ist ind haben die Obdektstreifen keine oder nur vernachlässigbare Überschneidungsgebiete und wird aus jedem Messfeldteil ein unabhängiges Signal abgeleitet, so können die Signale so miteinander verknüpft werden, dass nur bei dem unwahrscheinlichen, parallelen Auftreten von Nullstellen in allen Signalen eine Informationslücke entsteht, was bei Produkten von mehreren Teilwahrscheinlichkeiten mit steigender Faktorenzahl sehr schnell zu vernachlässigbaren Wohrscheinlichkeiten führt.
• Wegen der statistischen Unabhängigkeit der gescwindigkeitsproportionalen Signale sind bei gleicher Objektgeschwindigkeit in allen Messtreifen die Signalfrequenzen bei übereinstimmender Periodizität der Messtrukturen in den Teilfeldern der Messwertaufnehmer zwar gleich, aber es sind die Phasenlagen der einzelnen Teilsignale unabhängig.
• .lird für jedes Deilsi-nal eine Kenngrösse für die Signal qualität abgeleitet, z.B. durch die Bewertung der Spitzenhöhe der Signalamplituden, so kann eine von den Teilsignalen gespeiste Verfleicherstufe das jeweils beste Teilsignal erkennnen und mit einer Zustandsunsicherheiten vermeidenden Schaltsysterese als Leitsignal der Signalauswertung einschalten. Um die Informationen der anderes Teilsignale nicht zu verschenken, ist es zweckmässig, die Teilsignale nach dem Durchlauf durch zugehörige zeitverzögernde Phasenregelstufen additiv zu mischen und das Mischsignal zur Geschwindigkeitsund-oder Positionsmessung zu ver.;enden, Als Sollwertvorgebe erhalten die Phasenregelstufen das Leitsignal.
• Als besonders flexible Verzögerungsglieder in den Phasenregelkreisen können getaktete analoge Schieberegister verwendet werden, die durch Einfügung oder Ausbiendung von Enpulsen in der Schiebtaktpulsequenz, vom Phasenvergleicher gesteuert, in der Verzögerungszeit geregelt werden.
• Schieberegister haben als Verzügerungsglieder den Vorzug, dass die Schiebstaktfrequenz von der Signalfrequenz abhängig gemischt werden kann, sodass unabhfflflgig von der Signal frequenz annähernd die gleiche Signalperiodenzahl im Scheiberegister bleiben kann.
• Einem Messwertaufnehmer mit mehreren Signale erzeugenden Teilfelder gleichwertig sind mehrere starr zueinander angeordnete Messwertaufnehmer, die die gleichen Bedingungen für die Uberdeckungsarmut der Messtreifen am Objekt erfüllen.
• Die Phasenregelung durch ein Leitsignal, das statistisch zwischen den verschiedenen Signalquellen umge'schaltet wird, vermeidet in den Geschwindigkeits- und insbesondere in den Streckenmessungen nicht alle Unsicherheiten, da zwar die Signalnulldurchgänge wegfallen, aber die Signalphasen gegenüber einem mit dem Objekt verbundenen fehlerfrei linear geteilten Bezugsgitter regellos vor- oder nacheilen würden.
• Die mit der grössten Wahrscheinlichkeit richtige Signalphase einer Geschwindigkeitsmessung ist bei einem homogenen Objekt, die mit den Teilflächengrössen des oder der Messfelder gewichtete mittlere Phasenlage aller Teilfelder für die der quadratische Mittelwert aller Phasenabweichungen zu einem Minimum wird.
• Eine besonders präzise Ausgestaltung der Erfindung besteht daher in einem Funktionsglied Phasenmittelwertrechner, das als analoge oder digitale Baugruppe oder auch nur als Rechenprogramm in der Messeinrichtung vorhanden ist.
• Das Ausgangssignal des Phasenmittelwetrechners kann als Sollwertvorgabe für die Phasenregelkreise der Teilsignale dienen. Da die Information Frequenz bereits indem Leitsignal enthalten ist, genügt es mit dem Leitsignal einen Nachlaufoszillator zu synchronisieren, Die Feinregelung des Nachaufoszillators kann mit oder Sollwertvorgabe vom Phasenmlttelwertrechner erfolgen.
• Werden wie z.B, in der D O S 22 37 564, oder der A 1956 vom 7. Januar 1954, angemeldet von der Firma Ernst Leitz GmbH Wetzlar verkette gleichfrequenz Signale mit Hilfe der Aufnehmer erzeugt um neben dem Betrag der Geschwindigkeit auch das Vorzeichen aus Drehfeldslgnalen zu bestimmen, so können bei kompensierten, konstanten Phasenverschiebungen zwischen den verketteten Signalen alls Signale einer Messkoordinate in den gemeinsamen Rechner für den Phasenmittelwert einbezogen werden1 Die mit dem Phasenmittelwert phasen starr synchronosierte Frequenz des Ausgangssignale wird zur Geschwindigke itsmessung einem Frequenz- oder Perioãendauerw messgerät zugeführt. Zur Streckenmessung werden Signalperiodenm bzw. Signalperiodenbruchteile vorzeichenrichtig gezählt In der zweiten Ausgangstaltung der Erfindung mit der Signalverschärfung durch die Auswertung von zwei oder mehr Signalen, die sich nur zur einkoordinatigen Messung in Richtung oder Gegenrichtung eines Geschwindigkeitsvektors eignet, wird die Reproduzierbarkeit der Ortsajhängigkeit der Signale mit untereinander gleichen Aufnehmern bei dem Durchlauf der gleichen Objektstelle ausgenutzt, Mindestens zwei gleiche Messgrössenaufnehmer sind in festen Abständen so angeordnet, dass die gleiche Objektstruktur mit gleicher relativer Orientierung im Durchlauf nacheinander von den Messgrössenaufnehmern erfasst und in geschwindigkeitsproportionale Signalfrequenzen umgesetzt werden Sind die Geschindigkeiten des Objektes an allen esstellen gleich, was bei starren1 band- oder drahtförmigen Objekten vorausgesetzt werden darf, so entstehen an allen Messtellen gleiche Signalzüge, die zeitlich versetzt sind. Die Abstande der Messtellen werden vorzugsweise so von der Verteilungsfunktion der örtlichen Nullstellenabstände im Signal abhängig gemacht, dass für den vorgegebenen Objekttyp der wahrscheinlichste Signalnullstellenabstand ausreichend zurn Messtellenabstand terschiedlich ist, und dass der Abstand der Messstellenzentren vorzugsweise ein ganzzahliges Vielfaches der zur Signalerzeugung verwendeten Ortsfrequenzperioden beträgt. Diq Signa' der Messtellen werden, wie vorstehend beschrieben, entweder einer Signalqualitätsbewerungs- und Leitsignalauswahlse})altung oder einem Phasenmittelwertrechner zugeführt, Damit ist bereits mit einer Kombination von für sich relativ ungenauen Messwertaufnehmern ein gut definiertes Messignal für die Momentangeschwindigkeit bezüglich der Messtellen gegeben, Als Mass für die mittlere Geschwindigkeit zwischen jeweils zwei ausgewählten Messtellen kann ein weiteres, ein Geschwindigkeitsmass enthaltendes Signal dadurch erzeugt werden, dass mit Hilfe eines Regelkreises für Zeitverzögerungen das Ausgangssignal der in Bewegungsrichtung vorne liegenden Messtelle solange verzögert wird, bis es illit dem Ausgangs- signal der in Bewegungsrichtung hinten liegenden Messtelle im Amplituden- Zeitvergleich maximal korreliert, Solche fjessverfahren sind z.B. in Messen- Steuern - Regeln Band 15 ( 1972 ) H 6 auf den Seiten 225 - 229 beschrieben, Ein bekannter Nachteil dieser Messeinrichtungen wird dadurch verursacht, das bei Geschwindigkeitsänderungen sich die zu verleichenden Signale im Ortsbereich zwar ähnlich bleiben, im Zeitbereich aber gegeneinander verzehrt erscheinen, sodass beim Signalvergleich im Zeitbereich der Korrelationskoeffizient wesentlich kleiner als 1 bleicben muss.
• In Ausgestaltung der Erfindung werden die Geschwindigkeitskorrelationssignale dadurch verbessert, dass an den miteinander zu vergleichenden Messtellen die Signalamplituden stichprobenmässig mit gleichzeitig geöffneten Zeitfenstern erfasst werden. Die durch die Zeitfesnter zu erfassenden Signalamplituden können entweder die durch die Objektabtastung mit der periodischen Struktur unmittelbar entstehenden Signale sein, oder es wird zunächst mit an beiden Messtellen gleichen Schaltungen die Einhüllende der Wechselsignalzeitfunktion gebildet. Wird die Öffnung der Zeitfesnter nach Fensterlänge und Abstand der enster proportional der momentanen Geschwindigkeit des Objektes verringert, so entstehen primär amplitudenmodulierte Impulszüge. Erfindungsgemäss werden die Öffnungs- und Schliessungszeiten der Fensterfunktion für die Amplitudenprobenentnahme an beiden Messtellen aus der momentangeschwindigkeitsproportionalen Signalfrequenz von mindestens einer Messtelle, vorzugsweise aus der1 aus mehreren Messtellen durch Ausgleichsverfahren abgeleiteten, des Phasenmittelwert entsprechenden Frequenz gesteuert.
• Ist die Ortsfrequenz der Impulszäge gegenüber der Signalortsfrequenz entsprechend dem Shanonschen Abtasstheorem genügend hoch, so ist die Amplituden objektortfunktion vollständig beschrieben. Die Impulsamplituden werden in analoge oder digitale zwischenspeicherbare Werte umgesetzt. Ein serieller Zwischenspeicher vom Trp zuerst hinein, zuerst hinaus" dient als steuerbares Verzögerungsglied für die Impulsamplitudenwerte der zeitlich mit der Objektfunktion voreilenden lGiesstelle, Die erfindungsgemäss gewonnene Speicherplatzsequenz enthält ein örtlich unverzerrtes Abbild der Ortsstruktur des Signals in der Form äquidistanter Messwerte für die Signale, Die zur Messung der mittleren Geschwindigkeit zwischen den beiden :'esstellen bekannten Abstandes notwendige Zeitmessung der Durchlaufzeit wird durch die Messung und Speicherung der Zeitintervalle für die abstände zwischen den Zeitfenstern gewonnen, Anstelle der Zeitintervalle können auoh dir zu den Probenahmen gehörigen 7eitpunkte gespeichert werden. Der mit bekannten Methoden den Verzögerungsregelkreis steuernde, aber im Gegensatz zu seitherigen Methoden ein Orts- und kein Zeitintegral bildende horrelator für die Signalamplitudenproben der beiden Objektfunktionen sorgt für eine dem Messtellenabstand entsprechende, nur mit der Messunsicherheit des Verfahrens schwankende Zahl von Proben als Verschiebung zwischen den beiden Signalfunktionen. Die Summe der Zeitintervalle, die zwischen den, mit Hilfe des Regelkreises optimal miteinander korrelierenden Proben liegt, entspricht dem Reziprokwert der jeweiligen Geschwindigkeit. Die Summe der Zeitintervalle wird vorzugsweise dadurch gewonnen, dass bei jeder -Probenahme der Zeitpunkt der Probenahme in abgekürzter Darstellung zusammen mit dem Amplitudenwert abgespeichert wird und dass bei jedem mit der Speicherauslesung verbundenen Eorrelationsschritt die Differenz zwischen den Zeitpunkten der Probenahmen der miteinander korrelierten Signalamplitudenproben gebildet wird, Anstelle getrennter Messeinheiten für die Messfelder kann auch das Messfeld eines Aufnehmers in vorzugsweise kongruente Teilfelder zerlegt werden, die nacheinander mit gleichen Objektstreifen in Wechselwirkung treten, Das neue Geschwindigkeitsmessverfahren der Signalkorrelation zweier Messtellen mit einem Verzögerungsregelkreis, gesteuert von geschwindigke itsproportionalen Signalfrequenzen liefert sowohl aus der Messung der Zeitintervallsumme, als auch aus der Frequenzmessung eine Aussage über zwei als Differenzenquotient und als Differentialquotient unterschiedlich definierte Geschwindigkeiten. Bei bekannter Messunsicherheit der beiden Einzelverfahren kann, mit den Messunsicherheiten- entsprechenden Gewichten, eine Mittelwertbildung beider parallel vorliegender Messwerte vorgenommen werden um die in den Signalen aus den ärtlich verschiedenen Messfeldern enthaltene Information über die Geschwindigkeit, bzw. als Zeitintegral, über die zurückgelegte Strecke, optimal auszunutzen.
• Bei der erfindungsgemässen Verknüpfung von zweim oder mehr M-esstellen, die zumindest in einer Messtelle in Ko Koordinaten geschwindigkeitsproportionale Signalfrequenz benutzt, ist neben den Linearkomponenten des Geschwindigkeitsvektors die Information näher die Winkelge.schwindlgkeit in den Signale len enthalten, die bei bekannten Abstand der Messfeldmitten durch die Geschwindigkeitsdifferenz zwischen Messfelder festgelegt ist. Besonders einfach wird die Auswertung der Winkelgeschwindigkeit, wenn in zwei Messfeldern die Richtung einer Messkoordinate senkrecht zu der Verbindungslinie der Messfeldmitten liegt.
• Die vorstehend geschilderten Einrichtungen und Verfahren sind sowohl zur Messung der Geschwindigkeiten und zurückgelegten Strecken von Objekten in Dimensionsbereichen, die nur mit einem Mikroskop oder nur mit einem Teleskop erfassbar sind, geeignet, als auch zur Gewinnung von Eingangsgrössen bei der Regelung von Prozssabläufen der Verfahrenstechnik, der Bewegung von Weckstücken, Maschinenteilen oder Maschinen wie z.B. Land- Wasser- oder Luftfahrzeuge.

Claims (13)

Ansprüche.

1. Einrichtung zur Messung von Geschwindigkeiten oder Strecken an Messobjekten ohne spezielle Messmarken mit Hilft von Aufnehmern für die Messgrösse Geschwindigkeit, die beruhrend oder berührungslos mit Hilfe von in den Messgrössenaufnehmer enthaltenen Messfelder festlegenden ortsperiodischen Strukturen, die optisch, magnetisch oder elektrisch wirkend, geschwindigkeitsproportionale Frequenzen n vDrzugsweise elektrische Signalenem Ausgang der Messgrössenaufnehmer erzeugen, dadurch gekennzeichnet, dass zwei oder mehr Signalaussgänge, die örtlich unterschiedlichen Objektbereichen zugeordnet sind, über zumindest ein Verknüpfungsglied so miteinander verbunden sind, dss die sich ststistisch ereigenden Zusammenbrüche der Messignale in der Auswirkung auf den Signalausgang des Verknüpfungsgliedes unter die, von der Messaufgabe vorgegebene Grenze verringert werden.

2, Messeinrictung nach dem Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, dass das Verknüpfungsglied eine Signalbewertungsschaltung für die Signalqualität, eine Vergleicherschaltung und einen Auswahlschalter zur Verbindung des Signaleinganges des jeweils besten Signals mit dem Signalausgang des Verknüpfungsgliedes enthält,

3. Messeinrichtung nach dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verknüpfungsglied einen Phasenmittelwertrechner zur Bildung des Phasenmittelwertes der Eingangssignale und eine Regelstufe enthält, die die Phasendifferenz der geschwindigkeitsproportionale Signalfreluenz am Signalausgang des Verknüpfungsgliedes mit dem Phasensignal am Ausgang des Phasenmittelwertrechners bis auf eine Regelabweichung zu Null macht.

4, Messeinrichtung nach den Ansprüchen 1., 2., 3, dadurch gekennzeichnet, dass unabhängige Signale liefernde Messfelder von zumindest einem Messgrössenaufnehmer verschiedenenzsich höchstens vernachlässigbar überdeckenden Messpuren am Messobjekt zugeordnet sind.

5. Messeinrichtung nach den Ansprüchen 1., 2., 3. dadurch gekennzeichnet, dass unabhängige Signale liefernde vorzuQsweise konkurente Messfelder von zumindest einem Messgrössenaufnehmer einer allen Messfeldern gemeinsamen Spur am Objekt zugeordnet sind und dass die Abstände der Messfeldmitten bekannt sind und vorzugsweise ein ganzzahliges Vielfaches der Periodizität der auf das Objekt bezogenen Ortsperioden der Messtruktur betragen.

6, Messeinrichtung nach den Ansprüchen 1. und 5. dadurch gekennzeichnet, dass eine zumindestens dem zeitlich iederholabstand nach steuerbare Signalamplitudenprobenahmeeinrichtung vorhanden ist, die von sumindest zwei geschwindigkeitsproportionalen Signalfrequenzzügen unterschiedlicher Messfelder oder den Einhüllenden dieser Signalfrequenzzüge Amplitudenproben entnehmen, die bezüglich des Objektes zumindest annähernd örtlich gleichabständig sind und dass die, die Objektfunktion entlang der Abtastspur repräsentierenden Amplitudenproben mit einer Korrelationsschaltung so miteinander verknüpft werden, dass das Signal am Ausgang der Korelationsschaltung als Eingangsgrösse in einer, die Amplitudenproben unterschiedlicher Signalszüge so gegeneinander verzägernder Regelschaltung ist, dass die Korrelation der verknüpften Signalzüge zu einem Maximum wird.

7. Messeinrichtung ach dem Anspruch 6. dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitpunkte der Amplitudenprobennahme, bzw. die Zeitintervalle zwischen den Amplitudenprobennahmen gespeichert und in einer Geschwindigkeitssignale bildenden Schaltungsgruppe verarbeitet werden.

8. Messeinrichtung nach den Ansprüchen 6, und 7. dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitpunkte der Fensteröffnung der Signalprobennahmeeinriohtung von einem Bakt gesteuert werden, der höchstens durch einen konstanten Faktor von der geschwindigkeitsproportionalen Signalfrequenz aus den Signalen der Messgrössenaufnehmer unterschieden ist,

9, Messeinricht«ung nach den Ansprüchen 1., 2., oder 3. und 5., 6., 7., 8. dadurch gekennzeichnet, dass die Signale für die Geschwindigkeit an den Ausgängen der, die geschwindigkeitsproportionalen Signalfrequenzen verarbeitenden Funktionsgruppen und der, die Laufzeiten in Geschwindigkeiten umsetzenden Funktionsgruppen den Eingängen einer Funktionsgruppe zugeführt werden, die einen nach Messunsicherheiten gewichteten Mittelwert für die Objektgeschwindigkeit bilden,

10. Messeinrichtung nach den Ansprüchen 1. bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Geschwindigkeitssignal einem, ein Mass für Strecken bildender Integrator zugefuhrtAwird,

11. Verfahren zur.Messung von Geschwindigkeiten und Strecken an Messobjekten ohne spezielle Messmarken mit Hilfe von Aufnehmern für die Messgrösse Geschwindigkeit mit Hilfe von, in den Messgrössenaufnehmern enthaltenen,Messfelder festlegenden1ortsperiodischen Strukturen, die optisch, magnetisch oder elektrisch wirkend, geschwindigkeitsproportionale Frequenzen in vorzugsweise eIektrischen Signalen am Ausgang der Messgrössenaufnehmer erzeugen/dadurch gekennzeichnet, dass das relativ zu den Aufnehmern bewegte Objekt mit zwei oder mehr Mess£eldern fester Abstände zur Wechselwirkung gebracht wird, dass aus den Messfeldern geschwindigkeitsproportionale Signalfrequenzen, die als Träger zusätzlicher Amplit udenmodulation beschrieben werden können, abgeleitet werden, das zwei oder mehr Signale zur Unterdrückung der zusätzlichen Xmplitudenmodulation ausgleichend ausgewertet werden und dass die Signalfrequenzen in ein Geschwindigkeits-oder als Zeitintegral, in ein Streckenmass umgesetzt wird, '

12. Verfahren nach Anspruch 11. dadurch gekennzeichnet, dass gesteuert von ausgleichend in der Amplitudenmodulation eingeschränkten Signalen aus den smplituden- Zeitfunktionen der direkten oder indirekten Signale von jeweils einer Spur zugeordneten zwei kessteldern bekannten Abstandes, Aöplitudenproben entnommen werden, die nach einer regelbaren Zeit, bzw. Ortsverschiebung miteinander korreliert werden und dass durch die Messung und Speicherung der Zeitpunkte der Probennahme, bzw. Messung und Speicherung der Zeitintervalle zwischen den hobenrshren die Zeitabstände, die der maximalen Signalkorrelation zwischen den Signalen der Messder zugeordnet sind, nesabar gesicht werden und dass aus den Zeitabstande- und Messfeldabstandswerten die Objektgeschwindigkeit als Diffrenzquantient ermittelt wird.

13. Verfahren nach den Ansprüchen 11. und 12. dadurch gekennzeichnet, dass die Geschwindigkeitsmesßerte aus Differenzenquotienten und Differentialsquotienten bildenden Verfahrensschritten gemittelt werden.