DE2544821C2

DE2544821C2 - Korrelator zur berührungslosen Messung der Geschwindigkeit mit mehreren Meßfühlern

Info

Publication number: DE2544821C2
Application number: DE19752544821
Authority: DE
Inventors: Rainer Dipl.-Ing. 7500 Karlsruhe Fritsche; Franz Prof. Dr.-Ing. Mesch
Original assignee: Ernst Leitz Wetzlar GmbH
Current assignee: Leica Microsystems Holdings GmbH
Priority date: 1975-10-03
Filing date: 1975-10-03
Publication date: 1985-07-25
Also published as: DE2544821A1

Description

^! ° xn(t,T) = [sgn u(t— τ) - sgn u t(tj\ sgn -gj ujt)

gewonnen wird, das einem Integralregler zugeführt wird, dessen Ausgangssignal über einen Spannungsfrequenzwandler mit einer Taktfrequenz /die Laufzeit rdes Schieberegisters derart verstellt, bis das Ausgangssignal des Integrationsgliedes bei τ = Tabgeglichen k^dadurchgekennzeichnet, daß

a) insgesamt drei hintereinander in Bewegungsrichtung angeordnete Meßfühler M\, M₂, M₃) vorgesehen sind mit Meßfühlerabständen A₂ (U₂ = Mi M₂), l_i3 (Iu = ~MTM\) und I₂₃ (I₂₃ = M₂M₃ = In—In) weiche drei Signale ui(t), U₂(I) und U₃^y erzeugenund daß

b) insgesamt drei Schieberegister (SR_i2, SR_t3, SR₂₃) mit Schieberegisterstufenzahlen n_i2 (bzgL SRn), n_i3 (bzgl. SRi₃) und /J₂₃ (bzgL SR₂₃) vorgesehen sind zur Einstellung dreier Modellaufzeiten Tn, Ti₃ und T₂₃ zur Verzögerung des Signais ui (t), gegenüber U₂(Ij, des Signais u\(t) gegenüber υφ) und des Signais u^'t), gegenüber U₃(Q, und daß

c) mit Hilfe von Differentiationsgliedern (Di, D₂), Begrenzern (Bi, B₂, B₃, B*, B₅) und log. Verknüpfungsschaltunggen (Ln, L'n, Li₃, L¹I₃, L₂₃, U₂₃) zeitlich parallel insgesamt drei Signale

xi i(U τι ₂), χι tft, η ₃) und ^₁₃(U T₂₃) gemäß

x,k(t, τ■·) — [sgn Ui(t-Tik) — sgn u* U= U

U=U

U = 23

gewonnen werden, welche nach Addition (A) dem Eingang eines einzigen Integralreglers (I) zugeführt werden, wobei zwischen den Schieberegisterstufenzahlen und den Meßfühlerabständen die Relation

In · h₃ ■ la — /Ji₂ : ni₃ : n₂₃

besteht und jedes der Schieberegister die gleiche Taktfrequenz (f) von dem dem Integralregler (I) nachgeschalteten Spannungsfrequenzwandler (SFW)erha\i.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein digitaler Zähler (Z) an den Ausgang des Spannungsfrequenzwandlers (SFW) zur Anzeige der der veränderlichen Taktfrequenz (f) proportionalen Geschwindigkeit (VJdes Objektes (O) angeschlossen ist

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung gemäß den. Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Bei der Geschwindigkeitsmessungg laufender Bänder aus Blech oder Papier, von Knüppeln, Drähten oder anderem Walzgut besteht häufig der Wunsch, die üblichen Laufrollen durch ein berührungsloses Meßverfahren zu ersetzen. Der Grund dafür liegt entweder bei Warmwalzwerken in der hohen Eigentemperatur des Walzgutes, oder wie bei Papier und Feinblech in der Empfindlichkeit der Oberflächen; oft stört auch der Meßfehler infolge des Schlupfes von Laufrollen, wenn aus den Geschwindigkeiten vor und hinter dem Walzgerüst die Streckung oder wenn durch Integration die Länge des Walzgutes gemessen werden soll.

Die Geschwindigkeit laufender Bänder aus Blech oder Papier läßt sich prinzipiell dadurch bestimmen, daß die Laufzeit T des betreffenden Mediums zwischen zwei festen Punkten gemessen wird. Bei bekanntem Abstand /

zwischen diesen Punkten ist die Geschwindigkeit ν = -=·. Laufzeit-Messungen sind weit verbreitet, sofern

determinierte periodische oder impulsförmige Signale zur Verfügung stehen. Bei verschiedenen Anwendungen tritt aber der Wunsch auf, nichtdeterminierte Signale zu benutzen, die völlig regellos statistisch schwanken. Bei laufenden Bändern erhält man solche Signale z. B. durch optische Abtastung der Oberfläche, deren Rauhigkeit statistische Schwankungen erzeugt. In diesen Fällen ist die Laufzeit aus den von zwei geeigneten Meßfühlern aufgenommen statistisch schwankenden Signalen durch das Korrelationsverfahren zu bestimmen.

Dieses Meßverfahren läßt sich auf technisch sehr verschiedenartigen Gebieten anwenden. Vorgeschlagen wurde es für die berührungslose Geschwindigkeitsmessung mit optischer Abtastung an Blechbändern in Walzwerken. Des weiteren hat es bei der Geschwindigkeitsmessung von Flugzeugen über Grund mit Radarsignalen sowie zur akustischen Abstandsmessung beim Empfang von Schall- und Funksignalen zur Ortung, zum gerichteten Empfang u. dgL Anwendung gefunden.

Dabei ist es prinzipeil gleichgültig, ob die abzutastende Oberfläche oder das Meßfühlerpaar als ruhend betrachtet werden, da nur die Relativgeschwindigkeit von Bedeutung ist

Der Grundgedanke des Korrelationsverfahrens ist folgender: Zwei in Bewegungsrichtung hintereinander angeordnete Meßfühler erzeugen die Signale U\(t)und u₂(t). Im Idealfall sind beide Signale von identischer Form und nur um die Laufzeit Tgegeneinander verschoben: ι ο

U₂(I) - U₁(I-T).

Das Meßverfahren beruht nun darauf, daß das Signal Ut(t)des ersten Meßfühlers künstlich ebenfalls verzögert wird, und zwar um eint Modell-Laufzeit r, die der Korrelationsrechner auf τ = Teinstellen muß. Der Vergleich beider Laufzeiten wird über den Vergleich der beiden verzögerten Signale u₂(t) = U\(t~T) durchgeführt Allgemein ausgedrückt muß der Korrelationsrechner die mittlere quadratische Abweichung beider Signale zum Minimum machen. Das heißt also, daß von der Korrelationsfunktion Φιΐι U₂(T) der beiden Signale das Maximum aufzusuchen ist, das gerade bei τ = Hiegt

Gemäß DE-PS 21 33 942 wird diese Aufgabe durch eine Anordnung gelöst weiche das Maximum der Korrelationsfunlction Φιΐ\ U₂ durch Aufsuchen der dem Maximum zugeordneten Nullstelle der abgeleiteten Korrelatjoncfijinkiion (bzgL der auf 1 Bit nnantisierten Signale sen u,(t) und sen uM «&»„ „1 ^_n ^ bei τ — Tbestimmt (vgl. Meßtedinik, Juli 1971, S. 152 ff »Geschwindigkeitsmessung mit Korrelationsverfahren«, F. Mese.i, H.-H. Daucher ui><3 R. Fritsche, Karlsruhe).

Maßgebend für das Verhalten des Regelkreises ist bei der Polaritätskorrelation die Funktion

,2 = Um -— Lc₁₂ (J, t) df

xn(U r) = [sgn m(t- τ) — sgn u₂(tj\ sgn-^ U₂(I)

T'fXtWt die Meßzeit dar.

Der Integrand x\₂(t, τ) wird bei der bekannten Anordnung mit Hilfe elektronischer Mittel aus den beiden Meßfühlersignalen Ui(t)und U₂(I) gewonnen und über einen Dreipunktregler dem Eingang eines Integrationsgliedes zugeführt dessen Ausgangssignal über einen Spannungsfrequenzwandler die Modellaufzeit eines das Signal u\(t) verzögernden Schieberegisters verstellt Dabei entstehen krasse systematische Fehler, wenn der Regelkriis sich auf ein Nebenmaximum der Korrelationsfunktion Φυ\ U₂ einstellt. Solche Nebenmaxima treten auf, wenn entweder die Signale periodische Anteile enthalter oder wenn die Bandbegrenzung in den Meßfühlern zu steil ist Die Neigung zum Einstellen auf falsche Extrema wird begünstigt durch die Wahl eines großen Abstandes / zwischen den Meßfühlern und damit einer Verschiebung der Korrelationsfunktion um eine große Laufzeit T.

Um zu verhindern, daß sich der Regelkreis auf ein Nebenmaximun der Korrelationsfunktion einstellt, wird in der genannten Patentschrift vorgeschlagen, einen weiteren Meßfühler in Bewegungsrichtung nahe bei dem ersten Meßfühler anzuordnen, welcher zusammen mit diesem auf einen zweiten unabhängigen Regelkreis einwirkt der die Geschwindigkeit grob mißt und sie dem Korrelator für die Feinmessung als Anfangsbedingung vorgibt Man erreicht damit, daß die Regelung im Feinmeßkreis sowohl auf das richtige Maximum hinarbeitet so und sich zum andertn daran auch nicht erst durch langwierige Nachregelung herantasten muß, so daß der Abieichvorgang beschleunigt wird.

Als nichteilig ist bei der bekannten Anordnung anzusehen, daß zwischen Grob- und Feinkreis Umschalteinrichtungen sowie ein gesonderter Integralregler und Spannungsfrequenzwandler für den Grobkreis notwendig sind. Da beide Meßkreise zeitlich nacheinander arbeiten, ist jeweils nur ein Zweig der Meßanordnung für die Regelung aktiv. Nach Eingabe des im Grobkreis gewonnenen Anfangswertes in den Feinkreis wird von diessm Wert aus weitergeregelt, sodaß die Startinformation verlorengeht. Das wirkt sich besonders nachteilig bei einer Störung aus, wit· ζ. B. bei Signalausfall plötzlich auftretenden Geschwindigkeitsänderungen oder Richtungsumkehr der Objektbewegung. In diesen Fällen läßt sich weder die im Feinkreis zeitaufwendigere Suche nach einem Maximum der Korrelationsfunktion umgehen, noch ist sichergestellt, daß d' .· Einstellung auf das richtige Maximum erfolgt Pie Funktion des Grobkreises kann erst durch Sta^rt eines neuen Meßvorganges reaktiviert werden.

Da beide Maßsysteme auch schaltungsmäßig voneinander unabhängig sind, gehen in jedem Kr;is die meßtechnisch bedingten Fehlereinflüsse in das jeweilige Meßergebnis ein.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Eine weitere, vorteilhafte Maßnahme betrifft die Anzeige der Geschwindifeheit gemäß dem Kennzeichen des Patentanspruchs 2.

Im folgenden wird rin Ausführungsbeispiel nach der Erfindung anhand der F i g. 1 und 2 näher erläutert.

F i g. 1 zeigt ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Anordnung.

Mit Afι, Mi und M₃ sind die Meßfühler bezeichnet, die die Oberfläche des Objektes O, das sich mit der Geschwindigkeit ν in Pfeilrichtung bewegt, abtasten und infolge der Rauhigkeit der Oberfläche statistisch schwankende, elektrische Signale U\(t), u₂(t)und überzeugen.

In den Begrenzern B\ und B₂ werden die Signale Ui(t)und u₂(t)auf die Form sgn Ui(t)und sgn U2ft>quantisiert. Letzteres wird dem einen Eingang (—) der log. Verknüpfungsschaltung Ln (Differenzbildung) zugeführt, während ersteres nach Verzögerung um die Modellaufzeit n₂ mittels des Schieberegisters SRu an den anderen Eingang (+) der Verknüpfungsschaltung L\ ₂ gelangt, deren Ausgang die Differenz sgn in(t) — sgn u₂(t) ausgibt.

Gleichzeitig wird das Signal u₂(t) durch das Glied D\ differenziert und in dem Begrenzer A4 auf die Form sgn ü2^gebracht. Mit Hilfe der Verknüpfungsschaltung Ln wird insgesamt nun das Produkt

xn(t. Γι₂) - [sgn u\(t-vn) - sgn u₂(tj]sgn U₁ (t) gebildet und der Additionsschaltung A zugeführt, wo es zu den in entsprechender Weise gewonnenen Signalen

xn(t, τη) = [sgn U₁(I-T₁₃) - sgn u₃(tj\sgn U₃(t) und

'» "tu*· -111 — lye" "'I'— "HI — ^aB" "H'/i^S" "IC/

addiert wird.

Der dem Additionsglied A nachgeschaltete Integralregler / verstellt mit seiner Ausgangsspannung u/ über den Spannungsfrequenzwandler SFWdie Taktfrequenz /der Schieberegister SR]₂,5/?u und SÄ23, deren Stufenzahlen /j|2, /7i3 und /J23 zu den Meßfühlerabständen 1\₂, /1 j und /23 im gleichen Verhältnis stehen:

/Ji2 : Π13 : /723 = in ■ Iu ■ In

Insgesamt stellt die Anordnung drei parallel geschaltete Regelkreise dar.

Die Wirkung dieser Parallelschaltung läßt sich um besten verdeutlichen durch Betrachtung der zugehörigen Korrelationsfunk 1'^nen. F i g. 2a zeigt schematisch die drei Korrelationsfunktionen Φ\₂, Φυ und #23 für die drei Signale sgn u\, sgn u₂ und sgn 1/3. Für die den ersten Abteilungen dieser Korre.'ationsfunktionen zugeordneten Regelkreisfunktionen /?,> gilt

Hm —- \x_lkdt

i,k = U

U=U

i, k = 23

Trägt man sie in normierter Form auf, d. h. über der Zeit rjeweils bezogen auf die entsprechende Laufzeit 712,

Hk Tu bzw. T23, mit 7* = —, so ergeben sich die in Fig.2b dargestellten Kurven. Als Gesamtkennlinie für den Reglereingang wirkt nun die Summe dieser normierten Ableitungen, so daß sich die in F i g. 2c gezeigte gemeinsame Kennlinie

Rg*, = Rn + Rn + R₂i

für den Regelkreis mit der Abgleichbedingung R_g„ = 0 ergibt. Wie ersichtlich, ist der Bereich des sicheren Einschwingens (R_gts positiv für γ*/Τλ< 1, negativ für r,iJT,k> 1) viel größer geworden. Dabei ist der Einzugsbereich um so größer, je »flacher« die Kennlinie Rg„ verläuft, je kleiner also der Abstand der beiden Meßfühler für den »Grobkreis« ist

Durch die erfindungsgemäße Anordnung wird also bei geeigneter Wahl der Meßfühlerabstände das Einschwingen des Korrelators auf ein Nebenmaximuni vermieden. Darüber hinaus ergeben sich durch die Parallelschaltung von drei Regelkreisen besonders günstige Verhältnisse hinsichtlich der Kompensation von Fehlereinflüssen unter Berücksichtigung des verhältnismäßig geringen Aufwandes. Durch das Zuschalten weiterer Regelkreise kann die Anordnung prinzipiell weiter verbessert werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Anordnung zur berührungslosen Messung der Relativgeschwindigkeit eines Objektes nach dem Korrelationsprinzip mittels in Bewegungsrichtung des Objektes bzw. der Meßapparatur hintereinander angeord-

neter Meßfühler, die der physikalischen Struktur des Objektes entsprechende, um die Laufzeit Tgegeneinander verschobene Signale uft), ut(t) = u(t—T) erzeugen, aus denen mit Hilfe von Begrenzern, eines Schieberegisters zur Einstellung einer Modellaufzeit τ, eines Differentiationsgliedes und logischen Verknüpfungsschaltungen ein Signal der Form