DE2718807C2 - Gerät zur Messung einer Dimension, insbesondere des Durchmessers, eines Objekts - Google Patents

Gerät zur Messung einer Dimension, insbesondere des Durchmessers, eines Objekts

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DE2718807C2 DE2718807A DE2718807A DE2718807C2 DE 2718807 C2 DE2718807 C2 DE 2718807C2 DE 2718807 A DE2718807 A DE 2718807A DE 2718807 A DE2718807 A DE 2718807A DE 2718807 C2 DE2718807 C2 DE 2718807C2
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    • G01B11/105Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring diameters of objects while moving using photoelectric detection means

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Gerät zur Messung einer Dimension, insbesondere des Durchmessers, eines Objekts, mit zwei gegenseitig abgleichbaren Lichtkanälen, von welchen der eine als Meßkanal, in welchen das Objekt eingebracht wird, und der andere als Vergleichskanal dient, mit gegeneinander geschalteten photoelektrischen Wandlern zur Erzeugung von Strömen in Abhängigkeit von der Beleuchtungsstärke in jedem der Lichtkanäle, und mit einem Verstärker, an dessen Eingang ein der Differenz der genannten Siröme entsprechendes Signal erscheint
Ein bekanntes Gerät die?.er Ai. (CH-PS 3 47 358) weist in Serie an den hochohmigen Eingang des Verstärkers geschaltete Photozellen auf, die unter hoher Betriebsspannung arbeiten. Abgesehen von dem Nachteil, daß diese Schaltungsart eine hohe Betriebsspannung benötigt wird keine genaue und lineare Messung erzielt
Ähnliche Geräte zeigen auch die US-PS 26 99 701 und die US-PS 25 65 500. Auch hier sind mit hochohmigen Verstärkereingängen verbundene photoelektrische Wandler vorgesehen, die mit erheblicher Betriebsspannung, je nach den Beleuchtungsverhältnissen an verschiedenen Stellen ihrer nichtlinearen Charakteristik arbeiten. Es ist somit auch hier keine genaue und lineare Messung möglich.
Bei einem weiteren Gerät gemäß DE-AS 21 38 999 wird zwar hohe Genauigkeit angestrebt Es ist jedoch nur ein photoelektrischer Meßwandler vorgesehen, der auf Beugungserscheinungen anspricht Die Messung ist in diesem Falle mit hohem Aufwand verbunden.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, mit einfachen Mitteln zugleich hohe Genauigkeit und Linearität der Messung zu erzielen.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die photoelektrischen Wandler Photodioden sind, die antiparallel direkt an den Eingang des Verstärkers geschaltet sind, und daß die Stromdifferenz der beiden Dioden über einen mit dem Verstärkerausgang verbundenen Gegenkopplungswiderstand kompensiert
Die beiden Photodioden arbeiten hierbei praktisch im Kurzschluß. Es wurde festgestellt, daß unter diesen Umständen eine Vergleichsmessung zwischen den beiden Diodenströmen erfolgt, was eine praktisch lineare Charakteristik ergibt, indem ein weitgehend linearer, Zusammenhang zwischen der Beleuchtungsstärke und dem Diodenstrom im Kurzschluß besteht Schaltungsaufbau und Betrieb sind sehr einfach, indem keine Betriebsspannung für die Photodioden erforderlich ist
Zu weiteren Verbesserungen des Meßergebnisses können die photoelektrischen Wandler mit Vorteil auf gleicher Temperatur gehalten werden.
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert
F i g. 1 zeigt schematisch den Aufbau des optischen Teils des Gerätes;
Fig.2 zeigt schematisch den wesentlichen Teil der elektronischen Meßschaltung,
F i g. 3 zeigt eine Biende;
F i g. 4 zeigt schematisch einige wahlweise mschaitbare Hilfskreise und
F i g. 5 zeigt einen Toleranzüberwachungskreis.
Das dargestellte Gerät weist eine Lichtquelle 1 und eine Optik 2 zur Erzeugung einer parallelen Beleuchtung in einem durch die optische Achse 3 gekennzeichneten Meßkanal auf. In diesen Meßkanal kann ein feststehendes oder quer zur Achse 3 durchlaufendes Meßobjekt 4, beispielsweise ein Draht ein Kabel oder dergleichen bzw. ein Normobjekt, eingebracht werden. Durch die Optik 5 wird das aus dem Meßkanal austretende Licht auf einen photoelektrischen Wandler, im vorliegenden Falle eine Photodiode D1, vorzugsweise Silizium-Photodiode, geworfen. Die Beleuchtungsstärke im Meßkanal kann mittels einer Blende 6, die durch einen Mikrometer 7 verstellbar ist fein eingestellt werden.
Im Bereiche der Optik 2 befindet sich ein Doppelprisma 8, welche 5 einen gewissen Anteil des parallelen Lichtes seitlich auslenkt und einem Vergleichskanal mit der optischen Achse 9 zuführt In diesem Vergleichskanal befinden sich eine Blendenöffnung 10a, ein mittels Mikrometerschraube betätigbarer Regulierkegel 11 sowie eine Optik 12, welche das den Vergleichskanal durchsetzende Lichv auf eine der Photodiode Di gleiche Photodiode D 2 wirft
Die Blendenöffnung 10a befindet sich in einer Blende 10 (Fig.3), die außerdem eine Blendenöffnung iOb aufweist Die Blendenöffnungen 10a und 106 bestimmen die Querschnitte der für die Messung maßgebenden Lichtbündel in den beiden optischen Kanälen derart daß diese Lichtbündel auch im Doppelprisma 8 und in der Optik 2 vollständig getrennt sind. Die Blendenöffnung 10b kann sich bei dieser Anordnung über einen Durchmesser der Oktik 2 erstrecken, was bedeutet, daß der Durchmesser der Optik nur unwesentlich größer zu sein braucht als die durch die Länge der Blende 106 bestimmte obere Grenze des Meßbereichs.
Die beiden Dioden Di und D 2 befinden sich auf einem gemeinsamen Träger 13 aus gut leitendem Material, beispielsweise Kupfer, welcher Träger durch ein Heizelement 14 mittels eines nicht dargestellten Regelkreises den Träger 13 und damit die beiden Dioden D1 und D 2 auf gleicher Temperatur hält Diese Temperatur wird im vorliegenden Falle genügend hoch über der Umgebungstemperatur gehalten, so daß für alle Fälle die beiden Dioden praktisch dieselbe Temperatur aufweisen. Es könnte auch zum Beispiel mittels Peitier-Element auf konstante Temperatur gekühlt werden.
Wie F i g. 2 zeigt sind die beiden Dioden D1 und D 2 antiparallel an den Eingang eines Operationsverstärkers Vi angeschaltet Diesem Verstärker sind ein Kompensationswiderstand R1 und ein Gegenkopplungswiderstand R 2 zugeordnet Diese Widerstände weisen
ι ο ähnliche Werte gleicher Größenordnung auf und sind so bemesssen, daß der Gegenkopplungswiderstand R 2 die Stromdifferenz Ai= /1-/2 der beiden Photodioden D1 und D 2 kompensiert Der Ausgang des Operationsverstärkers Vl ist über einen regelbaren Widerstand
is R3 und einen festen Widerstand A4 mit dem einen Eingang eines Meßverstärkers V2 verbunden. Diesem Meßverstärker sind ein Kompensationswiderstand R 5 und zur Wahl des Verstärkungsbereiclies umschaltbare Gegenkopplungswiderstände R6,R7und R8 zugeord net die mittels eines Bereichsschalters 51 wahlweise eingeschaltet werden können. Die Verstärkung des Verstärkers V2 ist so ausgelegt, ci?3 er bei einer Aussteuerung von über 100% des vorgewählten Bereichs sättigt Der nachfolgende, aus den Widerstän den R9 und Ä10 gebildete Spannungsteiler teilt die Ausgangsspannung U2 des Verstärkers V2 derart, daß die Eingangsspannung i/3 an einem Trennverstärker V 3 bei 100% der geforderten Normalspannung entspricht Der Trennverstärker K3 weist einen
jo Verstärkungsfaktor von 1 auf, so daß die Ausgangsspannung (Ja gleich ist der Spannung t/3, und diese Ausgangsspannung kann als normierter Meßwert weiter verstärkt werden. Durch die Sättigung des Verstärkers V2 ist der Ausgangswert begrenzt
Zur Messung einer Dimension, insbesondere des Durchmessers eines Objekts, wird das dargestellte Gerät wie folgt vorbereitet und betrieben:
Die Lichtquelle 1 wird eingeschaltet und vorzugsweise mit nichtdargesteliten Mitteln auf konstante Belsuch- tungsstärke geregelt Das Licht gelangt in der dargestellten Weise einerseits durch den Meßkanal und anderseits durch den Vergleichskanal zu den Photodioden Di und D 2. Die Blende 6 wird mittels des Mikrometers 7 in ihre Nullstellung, d. h. in die einem Durchmesser Null entsprechende Stellung, gebracht. Sodann wird durch axiale Verstellung des Regulierkonus 11 im Vergleichskanal die Lichtstärke in diesem Kanal so lange geregelt bis die Anzeige auf Null geht Damit ist der Abgleich beendet Zum Messen wird die Blende 6 in die dem Sollwert entsprechende Stellung gebracht Will man in einem bestimmten Meßbereich die absolute Genauigkeit speziell abgleichen, wird in den Meßkanal ein Normalobjekt mit Solldurchmesser eingebracht und die Blende 6 wird mittels des Mikrometers 7 in die dem Sollmaß entsprechende Stellung gebracht Ffir diese Einstellung wird nun die Anzeige am Anzeigeinstrument durch Verstellen des Regelkonus wiederum auf Null gebracht. Zur Eichung der Empfindlichkeit wird mittels des Mikrometers 7 eine nominelle Sollwertr bweichung eingestellt. Mittels dem regelbaren Widerstand R 3 kann die Ausgangsspannung L/3 auf den normierten Wert abgeglichen werden Nach dem einen oder anderen oben angegebenen Abgleich ist das Gerät für die Messung vorbereitet, und es kann im letzteren Falle anstelle des Normobjekts ein Meßobjekt
. in den Meßkanal gebracht werden. Entspricht der Durchmesser des Meßobjekts genau demjenigen des vorher eingebrachten Normobjekts, dann wird die
Anzeige auf Null stehen, d. h. die Abweichung vom Sollmaß beträgt Null. Bei zu großer oder zu kleiner Abmessung des Meßobjekts 4 ist die Beleuchtungsstärke an der Diode D 1 niedriger oder höher und damit der Photostrom in dieser Diode niedriger oder höher als in > der Vergleichsdiode D 2. Es entsteht damit eine Stromdifferenz Δι, welche in der oben erwähnten Weise durch die Gegenkopplung des Operationsverstärkers Vl kompensiert wird, so daß am Verstärkereingang eine dem Wert Null zustrebende Spannung e auftritt. Damit wird erreicht, daß die beiden Dioden D1 und D 2 im Arbeitsbereich praktisch linear arbeiten, und daß somit die Anzeige ein direktes Maß für die Abweichung vom Sollmaß im positiven oder negativen Sinne darstellt. Mit anderen Worten wird die Stromdifferenz ι > Ai = /1 — /2 kompensiert durch den Gegenkopplungsstrom , woraus folgt, daß die Ausgangsspannung U1
R 2
proportional zur Stromdifferenz Διund somit proportional zur Differenz der Beleuchtungsstärke an den ■?" Dioden D 1 und D 2 ist. Die Linearität und Genauigkeit der Messung und Anzeige wird weiterhin dadurch verbessert, daß die beiden Photodioden D\ und D 2 thermostatisch auf gleicher Temperatur gehalten werden, daß die Lichtstärke der Lichtquelle 1 geregelt -'"i wird, und daß gleiche Dioden verwendet werden, die bei Sollwert mit gleicher Beleuchtungsstärke beaufschlagt werden.
Dem Ausgang A des Meßkanals nach F i g. 2 können beliebige geeignete Zusatzaggregate nachgeschaltet in werden. Eine Direktanzeige kann mittels Zeigerinstrument oder Digitaivoltmeter erfolgen. Es kann gemäß F i g. 4 zum Beispiel wahlweise ein Integrationsglied, bestehend auf einem Seriewiderstand RW und einem parallel geschalteten Kondensator CH, in den Kanal J5 eingeschaltet werden, um rasche Variationen zu unterdrücken. Umgekehrt ist es möglich, ein Differentiationsglied, bestehend aus einem Seriekondensator C12 und einem parallel geschalteten Widerstand R 12, vorzusehen, um schnelle Variationen, wie sie beispiels- w weise beim Durchlaufen von Knoten des Meßobjektes auftreten, sicher zu erfassen, ohne daß langsame Sollwertänderungen störend wirken. Mit dem Ausgang kann ferner ein Regler 15 verbunden sein, der beispielsweise bei der Kabelproduktion die Abzugsgeschwindigkeit und/oder die Isolationsstoffmenge in Abhängigkeit des Meßergebnisses zu steuern gestattet
Es kann auch eine Schaltung zur Toleranzüberwachung gemäß Fig.5 vorgesehen sein, in welcher der Meßwert mit zwei einstellbaren Vorgabewerten verglichen wird. Ein positiver und ein negativer Vorgabewert, die an Widerständen R 13 und R 14 einstellbar sind, werden je einem Eingang eines von zwei Differentialverstärkern 16 und 17 zugeführt, während der Meßwert vom Ausgang A den beiden verbleibenden Eingängen der Differentialverstärker zugeführt werden. Die Ausgänge der Differentialverstärker sind mit den Eingängen eines ODER-Tors 18 verbunden, dessen Ausgang die Anzeige 19 oder eine geeignete Alarmvorrichtung steuert Wird ein bestimmter Toleranzwert in w> positiver oder negativer Richtung überschritten, gelangt ein Ausgangssignal vom einen Verstärker über das ODER-Tor, womit das Überschreiten einer Toleranz angezeigt und/oder ein Alarm bewirkt wird Werden die Ausgänge der Verstärker 16 und 17 separat herausgeführt, so kann auch eine Korrektur bewirkt werden.
Die Toleranz- oder Grenzwertüberwachung ist sehr wirkungsvoll dank der hohen Stabilität und Grenzfrequenz der kontinuierlich arbeitenden Meßvorrichtung, und dank der kurzen Ansprechzeit der Toleranzüberwachung selbst. Es ergibt sich dabei gesamthaft bei sehr kurzer Ansprechzeit eine hohe Stabilität und Anzeigegenauigkeit. Die Grenzwertüberwachung kann als wirksamer Knotenwächter dienen.
Die oben beschriebenen Abgleich- und Eichvorgänge können auch automatisiert werden. Zu diesem Zweck wird der Mikrometer 7 mit einem Servomotor verbunden, der über einen geeigneten Regler durch das Meßsignal gesteuert wird. Zum Nullabgleich wird ohne Objekt im Meßkanal die über den Regler vom Servomotor gesteuerte Blende 6 so weit geschlossen, daß auf gleiche Beleuchtungsstärke in den beiden optischen Kanälen geregelt ist. Danach ist der Regulierkegel 11 so zu verstellen, daß der Mikrometer nach erfolgtem Nullabgleich auf Null steht. Anschließend wird das Servosystem ausgeschaltet und die Blende 6 automatisch mit dem Servomotor über einen Vorwahlzähler bis zum SollmaU geöffnet. Nach dem Einführen des Meßgutes in den Meßkanal kann an einem besonderen Anzeigeinstrument die Sollwertabweichung abgelesen werden.
Der Vorwahlzähler kann aber auch nach Erreichen des vorgewählten Sollmaßes auf Null gesetzt und ein Meßobjekt in den Meßkanal eingebracht werden, worauf das Servosystem wieder eingeschaltet wird. Die Blende 6 wird nun automatisch nachreguliert, so daß die optischen Kanäle dauernd abgeglichen sind. Der Vorwahlzähler ist als Auf-Ab-Zähler geschaltet und erfaßt die Verstellungen in beiden Richtungen um den Sollmaßnullpunkt. Somit kann der Zählerstand digital als Sollmaßabweichung direkt und dauernd abgelesen werden.
Der oben beschriebene Vorgang zum Erreichen der Sollwertposition kann in dem Sinn abgewandelt werden, daß ein Normobjekt in den Meßkanal gebracht wird, worauf man die Blende automatisch in die Normwertstellung, die dem gewünschten Sollwert entspricht, laufen läßt. Die Messung und Anzeige der Abweichung vom Sollwert kann zum Beispiel erfolgen wie oben beschrieben.
Es wäre schließlich auch möglich, nach Durchführung des Nullabgleiches ohne Objekt wie beschrieben, das Servosystem und den Zähler dauernd eingeschaltet zu lassen, d. h. dem Meßobjekt dauernd nachzuführen. Damit würde der Zählerstand immer den gemessenen Absolutwert anzeigen.
Als weitere Variante könnte das System mit der Absolutwertanzeige mit einem zweiten Zähler erweitert werden, welcher bei Sollmaß auf Null gesetzt wird und wie schon beschrieben die Sollwertabweichung erfaßt, das heißt, daß man die beschriebenen Systeme kombiniert
Es wäre schließlich auch möglich, wie beschrieben von Hand oder automatisch während der Produktion bei Bedarf einen neuen Nullabgleich vorzunehmen. Zu diesem Zwecke müßte das durchlaufende Meßobjekt, zum Beispiel ein Kabel, vorübergehend aus der Meßposition ausgehoben werden. Dann wird die Blende 6 in Nullstellung gebracht und der Abgleich wird damit vorgenommen, daß der Zählerstand auf Null gebracht wird. Sodann wird die Blende wieder in Sollmaßstellung gebracht Bei automatischer Blendenverstellung kann der Nullabgleich und nach Wiedereinführung des Meßobjekts in der. optischen Meßkana! die Rückführung der Blende in die Istmaßstellung automatisch erfolgen.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (14)

Patentansprüche:
1. Gerät zur Messung einer Dimension, insbesondere des Durchmessers, eines Objekts, mit zwei gegenseitig abgleichbaren Lichtkanälen, von welchen der eine als Meßkanal, in welchen das Objekt eingebracht wird, und der andere als Vergleichskanal dient, mit gegeneinander geschalteten photoelektrischen Wandlern zur Erzeugung von Strömen in Abhängigkeit von der Beleuchtungsstärke in jedem der Lichtkanäle, und mit einem Verstärker, an dessen Eingang ein der Differenz der genannten Ströme entsprechendes Signal erscheint, dadurch gekennzeichnet, daß die photoelektrischen Wandler Photodioden (D 1, D 2) sind, die antiparallel direkt an den Eingang (e) des Verstärkers (Vi) geschaltet sind, und daß die Stromdifferenz der beiden Dioden über einen mit dem Verstärkerausgang verbundenen Gegenkopplungswiderstand (R 2) kompensiert ist
2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß die Photodioden (Di, Di) auf gleicher Temperatur gehalten sind.
3. Gerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Photodioden (Di, D2) auf einem gemeinsamen, heiz- oder kühlbaren Träger (13) angeordnet sind und mit demselben auf eine über oder unter der Umgebungstemperatur liegende Temperatur aufheiz- oder kühlbar sind.
4. Gerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des Trägers (13) bzw. der Photodioden (Di, D2) thermostatisch geregelt ist
5. Gerät nach einem der Anbrüche 1 —4, dadurch gekennzeichnet daß d-?r Gegenkopplungswiderstand (R 2), der Eingang (e) einer Operationsverstärkers (Vi) und ein Kompensationswiderstand (R 1) in Serie geschaltet sind.
6. Gerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Gegenkopplungswiderstand (R 2) und der Kompensationswiderstand (R i) Werte gleicher Größenordnung aufweisen.
7. Gerät nach einem der Ansprüche 1 -6, dadurch gekennzeichnet daß in den elektrischen Meßkan J ein Differentiationsglied (R\2, C12) geschaltet ist um rasche Meßwertänderungen sicher zu erfassen, ohne daß langsame Meßwertänderungen störend wirken.
8. Gerät nach einem der Ansprüche 1 — 6, dadurch gekennzeichnet, daß in den elektrischen Meßkanal ein Integrationsglied (7711, CIl) geschaltet ist um so rasche Meßwertänderungen zu unterdrücken.
9. Gerät nach einem der Ansprüche 1 -8, dadurch gekennzeichnet daß ein Toleranzüberwachungskreis (Fig.5) zum Vergleich des Meßwertes mit zwei Vorgabewerten, die unter bzw. über dem Sollmeßwert liegen, vorgesehen ist, der beim Überbzw. Unterschreiten eines der Vorgabewerte ein Warn- bzw. Alarmsignal abgibt
10. Gerät nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet daß der Toleranzüberwachungskreis (Fig.5) zwei Differentialverstarkef (16, 17) aufweist, deren Ausgänge mit einem ODER-Tor (18) verbunden sind, dessen Ausgang das Warn- bzw. Alarmsignal abgibt wobei je ein erster Eingang jedes Differentialverstärkers mit dem Ausgang (A) des Meßkanals und je ein zweiter Eingang jedes Differentialverstärkers mit einer Quelle (R 14, R 13) für einen der Vorgabewerte verbunden ist.
11. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß einstellbare Blenden (6, 11) zur Regelung der Beleuchtungsstärke sowohl im Meß- als auch im Vergleichskanal angeordnet sind, wobei die Blende (6) im Meßkanal (3) mittels einer Mikrometerschraube (7) einstellbar ist
IZ Gerät nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet daß ein Servoregler zum automatischen Verstellen der Blende (6) im optischen Meßkanal (3) zwecks Regelung der Lichtstärke im Meß- (3) und Vergleichskanal (9) auf gleiche Werte vorgesehen ist
13. Gerät nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet daß der Servoregler mit einem Meß- und Anzeigesystem gekoppelt ist das einen der Stellung der Blende (6) entsprechenden Meßwert mißt bzw. anzeigt
14. Gerät nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet daß ein Servomotor, der die Position des Systems erfaßt zum Beispiel ein Schritt-Servomotor vorgesehen ist
Ί5. Gerät nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet daß dem Schritt-Servomotor ein Schrittzähler parallelgeschaltet ist wobei die Stellung des Zählers derjenigen des Schritt-Servomotors bzw. der Blende (6) entspricht
DE2718807A 1976-05-05 1977-04-27 Gerät zur Messung einer Dimension, insbesondere des Durchmessers, eines Objekts Expired DE2718807C2 (de)

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