DE2642925A1 - Verfahren zur laengenmessung - Google Patents
Verfahren zur laengenmessungInfo
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Description
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Hefner.«:-. "·
Heinz Rieder und Max Schwaiger Ostermiething (Österreich)
Verfahren zur Längenmessung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Längenmessung, wobei durch fotoelektrische Abtastung eines inkrementalen
Maßstabes zumindest zwei gegeneinander phasenverschobene, etwa sinusförmige Analogsignale mit der Meßteilung
entsprechender Wellenlänge erzeugt, aus diesen durch Spannungsteilung od.dgl. mehrere, untereinander gleiche
Phasenabstände aufweisende Meßsignale gewonnen und daraus, vorzugsweise über beim Nulldurchgang ansprechende Komparatoren,
richtungsabhängige, digitale Steuersignale mit dem Phasenabstand der Meßsignale entsprechender Länge für Zählwerke
und Anzeigeeinrichtungen abgeleitet werden.
Derartige Verfahren zur Längenmessung ermöglichen eine Anzeige der gemessenen Länge auf elektrischem bzw.
elektronischem Wege, wobei die durch den inkrementalen Maßstab gegebene Meßteilung elektronisch noch einmal unterteilt
wird, so daß die Endanzeige mit einer Genauigkeit von kleinen Bruchteilen der Meßteilung erfolgen kann. Vorzugsweise
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wird das Meßergebnis auf einer Digitalskala in Leuchtziffern angezeigt. Die Messung erfolgt in der Weise,
daß - meist von einem Nullpunkt ausgehend- die Anzahl der vollen Sinusspannungen und dementsprechend der
Einheiten des inkrementalen Maßstabes, die vom Nullpunkt bis zum Meßpunkt überstrichen wurden, gezählt
und zusätzlich für die letzte bzw. letzten Stellen der Anzeige angezeigt wird, wie viele der auf die beschriebene
Weise ermittelten digitalen Steuersignale seit dem letzten Nulldurchgang des einen sinusförmigen Analogsignales aufgetreten
sind. Die Praxis zeigt, daß der beschriebenen, elektronischen Unterteilung eines gegebenen inkrementalen
Maßstabes Grenzen gesetzt sind. Vor allem kann in der Praxis nicht eine beliebige Anzahl von Meßsignalen aus den sinusförmigen
Analogsignalen abgeleitet werden, weil es sonst zu einer zu geringen Unterscheidbarkeit der Signale kommt,
also nicht mehr eindeutig trennbare und eindeutig steuernde digitale Steuersignale auftreten sowie naturgemäß die Abstimmung
der Steuereinrichtungen umso komplizierter wird, je mehr Meßsignale auftreten und in Steuersignale umgeformt
werden müssen. Wenn es gelingt, einen vollen Wellenzug einer Sinusspannung, beispielsweise aus zwei um 90°
phasenverschobenen Analogsignalen, in 20 Meßsignale zu unterteilen, so bedeutet dies, daß bei einer inkrementalen Meßteilung
mit einer Genauigkeit von 1/20 des bei der Ablesung einen vollen Sinuswellenzug ergebenden Strich-Lücke-Intervalles
abgelesen werden kann. Jede Verfeinerung der Unterteilung stößt auf die genannten Schwierigkeiten und benötigt
überdies pro Anzeigeeinheit einen beträchtlichen Aufwand. Die Erfindung betrifft ein Verfahren der eingangs
genannten Art und besteht im wesentlichen darin, daß während der Wirkungszeit jedes digitalen Steuersignales jeweils die
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momentane Absolutgröße eines zugehörigen, analogen Meßsignales
gegenüber einem vorgewählten Bezugspegel bzw. eine äquivalente Größe zur Steuerung einer die von den
digitalen Steuersignalen abgeleiteten Anzeigestufen unterteilenden Interpolationsanzeige verwendet wird.
Der Grundgedanke der Erfindung besteht somit darin, die zur Erzielung der digitalen Anzeige ohnehin benötigten
Meßsignale in dem jeweils vorgewählten Bereich für die Interpolationsanzexge auszuwerten, also mit relativ ein~
fachen Mitteln eine eine hinreichende Genauigkeit ergebende Unterteilung der digital möglichen Anzeige vorzunehmen. Benützt
man jeweils die an den Nulldurchgang anschließenden Bereiche der Meßsignale zur Steuerung der Interpolationsanzeige,
so kann in den meisten Fällen mit hinreichender Genauigkeit ein linearer Verlauf des Meßsignales angenommen und
dementsprechend auch eine gleichmäßige Unterteilung der Meßanzeige gewählt werden. Die Ober- und Untergrenze des ausgenützten
Bereiches der Meßsignale sind festgelegt. Die Interpolation erfolgt durch Unterteilung des zwischen diesen
beiden Grenzwerten liegenden Meßbereiches. Dabei kann sowohl eine digitale Anzeige der Interpolationsanzeige durch jeweils
beim über- bzw. Unterschreiten vorbestimmter Pegel weiter zählende Zählwerke und nachgeordnete Ziffernanzeiger als
auch vorzugsweise ein Zeigerinstrument verwendet werden, wobei ein Zeigerinstrument den Vorteil hat, daß der Maximalausschlag
in die gewünschte Anzahl von Einzelwerten auf der Skala unterteilbar ist und überdies bei der Messung
selbst die oft verwirrende rasche Änderung der letzten Stelle einer Digitalanzeige vermieden wird. Es ist noch
zu erwähnen, daß auch die Interpolationsanzeige richtungsabhängig erfolgen soll. Das bedeutet, daß, je nachdem, ob
ein Meßschlitten od.dgl. vom gewählten Nullpunkt der Meßteilung
weg oder auf diesen zu bewegt wird, Änderungen der
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Anzeige und vor allen Dingen des Vorzeichens der Zählung notwendig sind0 Sinngemäß gleiche Umschaltungen
werden vorgenommen, wenn der Nullpunkt in der Meßteilung liegt, also + und - Werte gezählt'
v/erden müssen.
In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand beispielsweise veranschaulicht. Es zeigt
Fig. 1 ein Schaltschema eines zur Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens abgeänderten Teiles einer bekannten Längenmeßeinrichtung,
Fig. 2 ein Diagramm, in dem oben Analogsignale und darunter Impulsdiagramme zur Darstellung der Ausgangsspannungen an Komparatoren veranschaulicht wurden,
Fig. 2 ein Diagramm, in dem oben Analogsignale und darunter Impulsdiagramme zur Darstellung der Ausgangsspannungen an Komparatoren veranschaulicht wurden,
Fig. 3 in einem Diagramm oben vereinfacht als Dreieckspannungen dargestellte Meßsignale mit den für die Interpolation
ausgenützten Bereichen und unten die aus den Meßsignalen abgeleiteten digitalen Steuersignale und
Fig. 4 in größerem Maßstab die für die Interpolation verwendeten Teile der Meßsignale beidseits eines vorgewählten
Nullpunktes.
Eine an sich bekannte und deshalb nicht näher dargestellte Meßeinrichtung besitzt einen Glasmaßstab und
eine parallel dazu bewegliche Abtasteinrichtung. Der Maßstab weist eine inkrernentale Teilung von Strichen und Lücken
gleicher Breite auf. Auf der Abtasteinheit befindet sich eine Gegenplatte mit vier Abtastfeldern, die ebenfalls je
eine inkrementale Teilung mit Strich und Lücke aufweisen, ,jedoch jeweils um 90°, d.h. ein ganzzahliges Vielfaches der
inkrementalen Teilung des Maßstabes plus 1/4, 2/4 und. 3/4 der Grundteilung gegeneinander versetzt sind. Durch gemeinsame
fotoelektrische Abtastung der Abtastfelder und des Maßstabes werden bei relativem Verfahren der Abtasteinheit
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gegenüber dem Maßstab zv/ei um SO0 phasenverschobene
analoge Sinussignale erzeugt, deren V/ellenlänge der
Meßteilung, also der aus einem Strich und einer Lücke bestehenden Einheit entspricht. Aus diesen beiden Sinussignalen
wird durch eine Umkehrstufe ein drittes Signal gebildet. Dadurch stehen für die Weiterverarbeitung der
Signale drei sinusförmige Analogsignale mit den Phasenlagen 0 , 90° und 180° zur Verfugung. In Fig. 2, oben,
wurden diese Signale mit a, b und c bezeichnet. Die Signale a, b und c werden an Eingänge I, II, III der Schaltung
nach Fig. 1 gelegt, Zwischen die Eingänge I, II, III sind Spannungsteiler S1 - S^0 geschaltet, an denen somit zehn um
.je 18 phasenverschobene Meßsignale auftreten, die aber immer noch sinusförmig sind. Entsprechende Signale 1, 2,
usw. wurden in den Fig. 3 veranschaulicht, Dabei entspricht das Signal 1 dem Signal a nach Figo 2.
Die Spannungen 1-10 v/erden einerseits auf Leitungen 4 gelegt und anderseits Yerstärker-Komparatoren y. "^n
zugeführt, die jeweils beim Fulldurchgang des Eingangssignales
entsprechend der Phasenlage einen positiven oder netativen
Pegel abgeben. Die Ausgangssignale 1K, 2„-, 3K 10„.
wurden in Figo 2 angedeutet. Aus den Flanken dieser Signale
kann man, wie Fig. 3 zeigt, digitale Steuersignale 1q»2s 1O5,
ableiten, die jeweils für die Dauer des Phasenabstandes zweier aufeinanderfolgender Signale 1, 2, 3 usw. wirksam
sind und richtungsabhängige Zählimpulse darstellen, die einem Zählwerk und einer digitalen Anzeigeeinheit zugeleitet
werden. Soweit die Einrichtung bisher beschrieben wurde, ist sie an sich bekannt.
Der Grundgedanke des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht nun darin, die Spannungsänderung des analogen
Meßsignales 1-10 während der Wirkungszeit eines zugeordneten digitalen Steuersignales 1„ - 10σ auszunützen,
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um zwischen zwei Zählsprüngen der durch die digitalen Steuersignale 1g usw. gesteuerten Anzeigeeinheit die
Anzeige von Zwischenwerten zu ermöglichen. Man geht hier
davon aus, daß jedes der Signale 1-10 zwischen dem Nulldurchgang und dem Nulldurchgang des folgenden Signales einen
annähernd linearen Spannungsanstieg aufweist. Die Proportionalität zwischen dieser Spannung und der Stellung der Abtastvorrichtung
zwischen zwei Schaltpunkten durch die digitalen Steuersignale gestattet es, noch einmal zu
interpolieren und z.B. mit Hilfe eines Zeigerinstrumentes Zwischenwerte abzulesen. Um dies in der Praxis zu verwirklichen,
wird mit Hilfe einer speziellen Schaltung aus den Spannungsänderungen der Meßsignale 1-10 zwischen 0 und
eine Sägezahnspannung gebildet, deren Polarität wechselt und bei der jeder einzelne Zahn während des Anliegens eines
zugeordneten Digitalsignales über Verstärker und Gleichrichter an einem Zeigermeßinstrument liegt. Wie Fig. 3 in
vollen und punktierten Linien zeigt, werden jeweils zwei Sägezahnspannungen (+) und (-) erzeugt, von denen jeweils
die eine je nach Verstellrichtung des Schiebers vom oder zum Nullpunkt der Meßskala ausgenützt und über einen Umschalter
an das Anzeigegerät gelegt wird.
Im Detail sind die Ausgänge der Verstärker V«, - V^0
an zugehörige EXCLUSIV- ODER- Gatter G* - G.Q gelegt, die
mit den Ausgängen der bereits erwähnten Komparatoren so geschaltet sind, daß an den Ausgangskanälen nur jeweils
ein dem entsprechenden Sinussignal zugeordnetes Rechtecksignal anliegt. Während des Anstehens des digitalen Steuersignals
1g usw. am Eingang wird das Gatter niederohmig,
und es erscheint daher am Ausgang für die Dauer des jeweiligen digitalen Steuersignales das analoge Meßsignal,
doh. der Sägezahnbereich dieser Signale„ Alle Ausgänge sind
miteinander verbunden und geben daher im Endeffekt die in Fig. 3 angedeutete Sägezahnspannung ab.
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Die beiden benützten Analog-Schalteir.heiten
wurden mit Α., und A? bezeichnet. Zwei Analog-Schalteinheiten
A. und Ap sind notwendig, um am Endausgang
das Signal (+) oder (-) nach Fig. 3 erscheinen zu lasseno
Die Eingänge für die Steuersignale der Analog-Schalter A. und A2 sind gleich. Dagegen sind die Eingänge für die
über die angedeutete Sammelleitung L zugeführten analogen Meßsignale um einen Schritt verschoben. Bei Vorzeichenumkehr
schaltet zwar der Steuerschritt weiter, es wird aber auf den anderen Analog-Schalter umgeschaltet, so daß im Augenblick
der Vorzeichenumkehr die gleiche Analog-Spennung am Ausgang aufscheinen bleibt. Die beiden Analog-Schalteinheiten
A^ und Ap sind über einen weiteren Analog-Schalter
A, zusammengefaßt, der über eine Steuerleitung K von der
Zählereinheit entsprechend der jeweiligen Richtung der Zahlung umgeschaltet wird, also einmal an der Analog-Schalteinheit
A-. und das andere Mal an der Analog-Schalteinheit
Ap liegt..Der Ausgang des Analog-Schalterε Α, gibt
die Signale vorzeichenrichtig ab. Vom Ausgang des Analog-Schalters
A, gelangen die Signale auf einen Verstärker V , an dessen Ausgang über eine Gleichrichterschaltung ein
Anzeigeinstrument J anschließt, dessen Maximalausschlag der Maximalhöhe eines Sägezahnes proportional ist.
In Fig. 4 wurden Sägezahnsignale links und rechts
eines gewählten Nullpunktes veranschaulicht. Die Flankenneigung muß sich links und rechts des Nullpunktes ebenso
umkehren wie dann, wenn von einer Bewegung des Gleitschiebers vom Nullpunkt weg auf den Nullpunkt zu umgeschaltet wird.
Die Höhe h der Flanke nach Fig. 4 entspricht dem Vollausschlag des Zeigerinstrumentes. Die Länge 1 des Sägezahnes
ist der Weglänge des Schiebers proportional und entspricht dem durch die Phasenvervielfachung gegebenen Bruchteil der Meßteilung
am Glasmaßstab.
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Claims (2)
1. Verfahren zur Längenmessung, wobei durch fotoelektrische
Abtastung eines· inkrementalen Maßstabes zumindest zwei gegeneinander phasenverschobene, etwa
sinusförmige Analogsignale mit der Meßteilung entsprechender Wellenlänge erzeugt, aus diesen durch Spannungsteilung
od.dgl. mehrere, untereinander gleiche Phasenabstände aufweisende
Meßsignale gewonnen und daraus, vorzugsweise über beim Nulldurchgang ansprechende Komparatoren richtungsabhängige
digitale Steuersignale mit dem Phasenabstand der Meßsignale entsprechender Länge für Zählwerke und Anzeigeeinrichtungen
abgeleitet werden, dadurch gekennzeichnet, daß während der Wirkungszeit jedes digitalen Steuersignales
jeweils die momentane Absolutgröße eines zugehörigen, analogen Meßsignales gegenüber einem vorgewählten Bezugspegel bzw. eine äquivalente Größe zur Steuerung einer die von
den digitalen Steuersignalen abgeleiteten Anzeigestufen unterteilenden Interpolationsanzeige verwendet wird0
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Interpolationsanzeige ein Zeigerinstrument verwendet
wird.
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