DE2804678B2

DE2804678B2 - Verfahren zur Messung eines physikalischen Parameters mittels eines nichtlinearen Meßwertgebers und Vorrichtung zur Abstandsbestimmung

Info

Publication number: DE2804678B2
Application number: DE2804678A
Authority: DE
Inventors: Peter Lyss Nopper (Schweiz)
Original assignee: ZUMBACH ELECTRONIC AG ORPUND (SCHWEIZ)
Current assignee: ZUMBACH ELECTRONIC AG ORPUND (SCHWEIZ)
Priority date: 1977-02-08
Filing date: 1978-02-03
Publication date: 1979-11-22
Also published as: DE2804678A1; GB1595682A; FR2379800A1; US4181961A; BE863532A; CH615503A5; AU3286478A; CA1097815A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs I bzw. eine Vorrich-■> tung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 2.

Es ist üblich, für einen nichtlinearen Meßwertgeber eine Eichkurve oder Eichtabelle zu erstellen, indem die Geberausgangssignale für in vorgebbar gleichen Schritten, die gegebenenfalls für verschiedene Teile der Eichkurve unterschiedlich vorgegeben sind, fortschreitende Werte des physikalischen Parameters die Geberausgangssignale ermittelt und notiert werden. Bei einer anschließenden Messung eines unbekannten Werts des Parameters kann dieser Wert anhand des >> erhaltenen Gebersignals und des durch die Eichkurve gegebenen Zusammenhangs ermittelt werden.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, mit denen aus dem nichtlinearen mit der zu jo messenden Größe verknüpften Ausgangssignal eines Meßwertgebers der Wert der gemessenen Größe vollautomatisch und ohne weitere Umrechnung erhalten werden kann.

Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des j) Anspruchs 1 bzw. des Anspruchs 2 angegebenen Merkmale gelöst.

Demnach wird also die Eichkurve oder Eichtabelle durch einen Vielkanalspeicher ersetzt und die 3espeicherung dieses Speichers so vorgenommen, daß nicht 4(i die physikalischen Parameter, sondern die ihnen zugehörigen Geberausgangssignale den jeweiligen Speicheradressen zugeordnet werden, was zur Folge hat, daß bei Auftreten eines einer bestimmten Adresse entsprechenden Geberausgangssignals während der s-, eigentlichen Messung der zugehörige Parameterwert direkt und ohne weiteren Aufwand aus der betreffenden Adresse entnommen werden kann.

Die Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung zur Bestimmung der ,ο Isolationsdicke auf Kabelleitern näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Blockschema der Vorrichtung,

Fig. 2 eine Teilvorrichtung zur Eingabe der Isolationsdickenwerte in einen Speicher zwecks Eichung, v> und

Fig. 3 und 4 Diagramme zur Erläterung der Erfin dung.

Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung zur Dickenbestimmung weist einen MeRkopf 1 mit einem Meß-M) wertgeber auf, der eine Meßspule 2 auf einem Kern 3 umfaßt. Vor dem Meßkopf 1 mit dem Meßwertgeber befindet sich ein zu prüfendes Kabel mit einer Isolation 4 und einem Kabelleiter 5. Die Meßspule 2 bildet zusammen mit einem Kondensator 6 den frequenzbeb-, stimmenden Schwingkreis eines Meßoszillators, der sich im Meßkopf 1 befindet und nicht näher dargestellt ist. Die Meßfrequenz Fm des Meßoszillators gelangt zu einem Mischer 7, dem eine Festfrequenz Ff

von einem stabilen Oszillator, z. B, Quarzoszillator 8 zugeführt wird. Die Differenzfrequenz Fm-Ff wird einem Frequenzdiskriminator 9 und einem Frequenzteiler 10 mit dem Teilverhältnis η zugeführt. Je nach Stellungeines Schalters 11 wird die Differenzfrequenz Fm-Ff oder die durch η geteilte Differenzfrequenz an einen Frequenz-Spannungs-Wandler 12 geleitet. Das analoge Ausgangssignal des Wandlers 12 gelangt an zwei Verstärker 13 und 14 mit verschiedenen Verstärkungsfaki jren, deren Ausgänge mittels des Schalters 15 wahlweise mit einem Analog-Digital-Wandler 16 verbunden werden können. Die Schalter 11 und 15 werden von einem Relais 42 betätigt, das über einen Schalter 43 wahlweise vom Frequenzdiskriminator 9 oder einer Eichlogik 28 steuerbar ist. Das Ausgangssignal eines der Verstärker 13 und 14 kann über einen Verstärker 17 und einen. Schalter 18 als Regelsignal einem Speicher zugeführt werden, der schematisch als Kondensator 19 dargestellt ist und der auf eine nicht dargestellte variable Kapazität des Meßoszillators wirkt. Die den Verstärker 17, den Schalter 18 und den Kondensator 19 auhveiser.de Schleife dient dem Nullabgleich der Vorrichtung

Der Ausgang A des Analog-Digital-Wandlers 16 ist mit Eingängen eines Komparator 20 und den Adreß-Eingängen eines Vielkanalspeichers 21 verbindbar. Die anderen Eingänge des Komparators 20 sind mit einer Abzählschaltung 22 verbunden, deren Ausgänge ebenfalls mit den Adreß-Eingängen des Speichers 21 verbindbar sind. Der Komparator 20 ist mit seinem Impulsausgang über einem Schalter 29 mit dem Fortschalteingang der Abzählschaltung 22 und mit dem Schreibbefehl-Eingang des Vielkanalspeichers 21 verbunden. Die Ausgänge des Speichers 21 sind mit einer Recheneinheit 23 verbunden, deren Ausgänge eine Anzeige 24 für die Minimaidicken, eine Anzeige 25 für die Maximaldicken, eine Anzeige 26 für die mittlere Dicke der Isolation sowie eine Analoganzeige 27 für die Form der Isolation, also zur Anzeige von Dickenunterschieden, steuern.

WährerJ des Einspeicherns der Beziehung der Werte des physikalischen Parameters, also der Dikkenwerte.zuden daraus resultierenden Frequenzwerten, ist die Eichlogik 28 wirksam und ist der Schalter 29 geschlossen. Der Meßkopf 1 steht auf einem ersten, in Richtung seiner Achse verschiebbaren Schlitten 30 (Fig. T), der bei Verschiebung aus seiner dargestellten Ruhelage nach rechts in Fig. 2 einen Schalter 31 schließt. Der Schlitten 30 ist auf einem /weiten Schlitten 32 gelagert, der seinerseits in Richtung der Längsachse a^s Meßkopfs 1 verschiebbar auf Führungen 33 gelagert ist. Der Schlitten 32 kann mittels eine/ Spindel 34, die in Fig. 1 schematisch ange-(Jeutei ist, durch einen Schrittmotor 35 verschoben werden, wobei jedem Schaltschritt eine bestimmte Längsverschiebung zugeordnet ist. Die Spindel 34 ist durch einen in Fig. 2 dargestellten Balg 36 geschützt. An einem Halter 37 des in Fig. 2 dargestellten Vorrichtungsteils befindet sich in einem Prisma 38 bei der Eichung ein Normkörper, also im Falle der Messung der Schichtdicke der Isolation eines Kabels ein blanker Norm-Kabelleiter 39, dessen Abmessungen und Eigenschaften genau denjenigen des Leiters des zu prüfenden Kabels entsprechen. Auf den Schlitten 30 wirkt eine am Schlitten 32 angreifende, nicht dargestellte Feder, welche den Schlitten 30 nach links in Fig. 2 bis an einen Anschlag zu verschieben trachtet. Zwischen den beider. Schlitten 30 und 32 ist ferner eine Kupplung 40 vorgesehen, welche die beiden Schlitten in beliebiger gegenseitiger Lage starr zu kuppeln gestattet. Diese beim Eichvorgang wirksamen Teile sind in Fig. 1 mit gestrichelten Linien eingefaßt. Mit dem Schrittmotor 35 ist ein Schrittzähler 41 gekoppelt, dessen Stellungen als zu speichernde Werte des physikalischen Parameters dem Speicher 21 eingegeben werden.

Der Eichvorgang oder Speichervorgang soll nun anhand der Fig. 3 und 4 erläutert werden, welche die Meßfrequenz Fm bzw. die Differenzfrequenz Fm-Ff in Funktion vom Abstand des Meßwertgebers vom Kabelleiter 5 bzw. Normleiter 39 zeigen. Ei ist angenommen, im nutzbaren Meßbereich betrage die Meßfrequenz Fm zwischen 824 und 810 kHz für den Abstandsbereich von 2,00 bis 6,30 mm zwischen dem Meßkopf mit dem Meßwertgeber 1 und dem Leiter 5 bzw. 39. Wird dieser Bereich in acht gleichmäßig abgestufte Frequenzen eingeteilt, so ergeben sich acht zugeordnete Abstände des Meßkopfs 1 vom Leiter, und diese Frequenzen ergeben dl·· Adressen und die Abstande die Daten, die im Speicher 21 eingespeichert werden. Es ergib: sich folgende Tabelle von Adressen und Daten:

Af>esse	Stand des	Daten
	Abzählers 22	(phys. Parameter)
824	7	2,0
822	6	2,1
820	5	2,3
818	4	2,5
816	3	2,8
814	2	3,2
812	1	4,2
810	0	6,3

Diese nur zur Illustration gewählte Einteilung ist natürlich zu grob. Tatsächlich kann der Meßbereich viel feiner eingeteilt werden, z. B. in 1024 Schritte. Beim Messen wird nun wieder der Speicher mit den er-nittelten Frequenzwerten adressiert und die zugehörigen Daten werden gelesen und gelangen an die Rechnungseinheit 23, welche die Anzeigen 24 liis 27 steuert.

Vor Beginn der Speicherung wird ein Abgleich vorgenommen. Zu diesem Zwecke wird der Meßkopf 1 in so großem Abstand von einem Meß- oder Nonnobjekt gehalten (Stellung extrem rechts), daß keine Beeinflussung erfolgt. Für diesen Zustand wird die Frequenz Fm des Meßoszillators auf einen vorbestimmten Nullwert gebracht. Man kann daher auch von einem Nullabgleich sprechen.

Hierauf werden die beiden Schlitten 30 und 32 in Fig. 2 gemeinsam nach links verschoben, bis der Meßkopf 1 auf den Normlciter 39 iiuftrifft und .stehen bleibt. Da der Schlitten 32 weiter narh links verschoben wird, gleitet der Schlitten 30 auf demselben nach rechts, bis der Schalter 31 geschlossen wird. Nun fährt man mit dem Schlitten 32 wieder nach rechts zurück, bis der Schalter 31, der eine gewisse Hysterese aufweist, gerade wieder geöffnet wird. In dieser Stellung wird nun die Kupplung 40 aktiviert und die beiden Schlitten 30 und 32 werden starr gekuppelt. Im gleichen Moment wird der Schrittzähler 41 auf »0« gesetzt. Mit diesen vorbereitenden Vorgängen ist das Spiel zwischen der Spindel 34 und dem Schlitten 32 für die weiteren Messungen aufgehoben.

Gesteuert durch den Schrittmotor werden nun die gekuppelten Schlitten 32 und 30 und damit der Meßkopf 1 vom Normleiter 39 schrittweise entfernt. Die Stellung des Schrittmotors bzw. der erreichte Abstand des Meßkopfs 1 vom Normleiter 39 wird laufend über den Zähler 41 als digitale Information dem Speicher 21 zugeleitet. Der Schalter 43 ist nach unten umgelegt und die Eichlogik erregt über denselben das Relais 42, so daß die Schalter 11 und 15 nach unten umgelegt sind. Die Meßfrequenz Fm gelangt an den Mischer 7 und die Differenzfrequenz Fm-Ff über den Frequenzteiler 10 und den nach unten umpelegtcn Schalter 11 an den Wandler 12. Das analoge Ausgangssignal des Wandlers 12 gelangt über den Verstärker 14 mit geringerer Verstärkung und den nach unten gelegten Schalter i5 an den Wandler 16. Auch der Schalter 29 ist geschlossen. Der Ausgang des Analog-Digital-Wandlers 16 gelangt an den Komparator 20 und die Abzahischaitung 22 ist auf einen Wert eingesteiit, der etwas unter dem Ausgangswert des Wandlers 16 zu Beginn der Eichung liegt. Sobald nun aber infolge der allmählichen E-lntfernung des Meßkopfs 1 vom Norinleiter 39 am Ausgang des A/D-Wandlers 16 ein Wert erscheint, der gerade unter dem eingestellten Anfangswert der Abzählschaltung 22 liegt, gibt der Komparator 20 über den Schalter 29 einen Impuls als Zählimpuls an die Abzählschaltung 22 und als Schreibimpuls an den Speicher 21 ab. Der Abstand des Meßkopfes vom Leiter liegt in Form der Zahl von Schritten des Schrittmotors im Zähler 41 vor. Der Zählwert des Zählers 41, also die Daten, wird an der Adresse, die der resultierenden Frequenz entspricht, gespeichert. Die Abzählschaltung wird um einen Schritt nach unten gestellt, und sobald die Information am Ausgang des A/D-Wandlers 16 wieder unter die Information am Ausgang der Abzählschaltung sinkt, gelangt ein neuer Impuls an den Speicher 21 und den Abzähler 22.

In dieser Weise werden alle Adressen und Daten im ganzen interessierenden Meßbereich erfaßt. Wie Fig. 4 zeigt, wird hierbei infolge der Frequenzteilung und der geringen Verstärkung im Verstärker 14 auf einer Kurve I gearbeitet, die strichpunktiert dargestellt ist und die flacher verläuft als die die Differenzfreqiienz Fm-Ff darstellende Kurve 0. Der Bereich, in welchem eine Speicherung überhaupt stattfindet, ist nun aber durch Grenzwerte bestimmt, die in Fig. 4 durch die Abszisse und die Linie G gegeben sind. Für den in diesem Bereich liegenden Teil der Kurve I wird in einen ersten, ebenfalls mit I bezeichneten Bereich des Speichers 21 eingespeichert. Der Bereich I des Speichers wird dabei bestimmt durch die von der Eichlogik über den Schalter 43 an den Speicher gelangende Information.

Nach der in dieser Weise erfolgten Speicherung des Bereiches I, der dem Abschnitt der Kurve I zwischen der Abszisse und der Linie G in Fig. 4 entspricht, wird die Speicherung im ganzen Bereich nochmals mit anderen Bedingungen durchgeführt. Die Eichlogik schaltet hierbei das Relais 42 um, so daß die Schalter 11 und 15 in die dargestellte Ruhelage zurückgehen. Die Differenzfrequenz Fm-Ff gelangt nun direkt an den Eingang des Frequenz-Spannungs-Wandlers 12, und das Ausgangssignal dieses Wandlers wird im Verstärker 13 verstärkt, der einen höheren Verstärkungsfaktor aufweist als der Verstärker 14. Das von der Eichlogik 28 über den Schalter 43 an den Speicher gelangende Signal aktiviert einen zweiten Speicherbe-

reich II. dem gemäß Fig. 4 eine gegenüber der Kurve der Differenzfrequenz steiler verlaufende Eichkurve II entspricht, die in Fig. 4 gestrichelt dargestellt ist. Wie oben beschrieben, erfolgt nun wieder beim Wegfahren des Meßkupfs 1 vom Normleiter 39 eine Speicherung im Speicher 21, und zwar nur in einem wirksamen, zwischen der Abszisse und der Linie G in Fig. 4 liegenden Bereich. Die Speicherbereiche überlappen sich an ihrer Grenze etwas, d. h. die in diesem Bereich liegenden Meßwerte und Positionen des Meßkopfs sind in beiden Speicherteilen I und Il gespeichert und können dort wahlweise abgerufen werden.

Zum Messen wird der Meßkopf 1 gemäß Fig. I dem zu prüfenden Kabel 4, 5 angenähert. Bei Anlage am Kabel gleicht der Abstand des Meßkopfs 1 vom Leiter 5 des Kabels der Dicke der Kabelisolation 4. Die auftretende Frequenz Fm des Meßoszillators resuiiieri aus diesem Anstand. Nach Bedarf wiiu viii der Messung der oben erwähnte Nullabgleich bei unbeeinflußtem Meßwertgeber vorgenommen. Für die Messung wird dann der Schalter 43 in die dargestellte Stellung gelegt und der Schalter 29 geöffnet. Das Relais 42 und die Bereiche des Speichers werden somit jetzt vom Frequenzdiskriminator 9 gesteuert und der Komparator 20 ist unwirksam. Während der Messung stellt der Frequenzdiskriminator 9 fest, ob die Differenzf.dquenz Fm-Ff dem Bereich I oder II entspricht. Werden kleine Isolationsdicken gemessen und befindet man sich somit im Bereich I, so gibt der Frequenzdiskriminator 9 eine entsprechende Information ab, welche das Relais 42 erregt und die Schalter 11 und 15 umlegt, so daß mit beschränkter Empfindlichkeit gemessen wird. Der Bereich I des Speichers wird wirksam. Die der Messung entsprechenden Ausgangsinformationen des A/D-Wandlers 16 gelangen an die Adreß-Eingänge des Speichers und die zugeordneten Daten werden vom Speicherausgang an die Recheneinheit 23 übertragen, die die Anzeigen 24 bis 27 steuert. Gelangt man bei der Messung in den Bereich II für größere Isolationsdicken, so desaktiviert der Frequenzdiskriminator 9 durch Ausgabe einer entsprechenden Information das Relais 42, so daß die Schalter 11 und 15 die dargestellten Stellungen einnehmen, und der Speicher wird auf Bereich II umgeschaltet. Dank der Überlappung der Bereiche I und II muß der Frequenzdiskriminator niehl bei einer genau bestimmten Frequenz umschalten; er kann eine gewisse Hysterese aufweisen, so daß z. B. die Umschaltung beim Übergang vom Bereich I zum Bereich II am unteren Ende des Bereiches I stattfindet, während die Umschaltung von Bereich II auf Bereich I am oberen Ende des Bereiches II erfolgt.

Die Eichung durch Speicherung der Daten ist nui einmal erforderlich. Bei späteren Messungen ist höchstens noch ein neuer Nullabgleich erforderlich. Die Aufteilung des ganzen Meßbereiches in Teilbereiche mit unterschiedlicher Meßempfindlichkeit erlaubt es im ganzen Meßbereich mit etwa gleichen Schritten zi speichern und damit über den ganzen Meßbereich eir praktisch gleiches Auflösungsvermögen bei optimale! Ausnützung des Speichers zu erzielen. Es kann eine Aufteilung in mehr als zwei Meßbereiche erfolgen also mit mehr als zwei Vorgaben der innerhalb jede; Meßbereichs gleichen Betragsschritte der Frequeni beim Eichen.

In Abwandlung vom beschriebenen Beispiel können mit dem beschriebenen Verfahren z. B. auch

Wandstärken von Rohren gemessen werden, in welchem Falle im Rohr dn leitender Körper anzuordnen ist, der auf den Meßwertgeber 1· einwirkt, oder Isolationsschichtdicken auf Blech ermittelt werden.

Mit Hilfe der Auswertung in der Recheneinheit 23 können bei der Herstellung isolierter Kabel oder von Kunststoffrohren jederzeit die durchschnittliche

Schichtdicke und damit der Materialverbrauch direkt ermittelt und eventuelle Korrekturen sofort vorgenommen werden, indem man den Meßkopf zur Ermittlung der Schichtdicke schrittweise an mehrere Stellen, z. B. acht Stellen am Umfang des Kabels oder Rohres, anlegt und die Meßergebnisse speichert und mit Hilfe der Anzeigen 24 bis 27 gemäß Fig. 1 anzeigt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Messung eines physikalischen Parameters mittels eines nichtlinearen Meßwertgebers, bei dem

a) bekannte Werte des Parameters eingestellt werden,

b) diese Werte zusammen mit den jeweils zugehörigen Werten des Ausgangssignals des Meßwertgebers registriert werden,

c) unbekannte Werte des Parameters anhand des registrierten Zusammenhangs zwischen bekannten Parameterwerten und den zugeordneten Werten des Ausgangssignals ermittelt werden,

dadurch gekennzeichnet, daß

d) die bekannten Werte des Parameters so gewählt werden, daß sich die zugehörigen Werte des Ausgangssignals um gleiche, vergebhare Beträge unterscheiden,

e) die bekannten Werte des Parameters in den einzelnen, jeweils durch die zugehörigen Werte des Ausgangssignals adressierten Kanäle eines elektronischen Vielkanalspeichers gespeichert werden,

f) ein zunächst unbekannter Wert des Parameters durch Abfragen desjenigen Kanals ermittelt wird, dessen Adresse dem Wert des Ausgangssignals des Meßwertgebers in diesem Fall entspricht.

2. Vorrichtung zur Bestimmung des Abs.tands eines Meßkopfs von eine^ Objekt mit

a) einem im Meßkopf enthaltenen nichtlinearen Meßwertgeber,

gekennzeichnet durch

b) eine Einrichtung (34, 35, 41) zur Überführung des Meßkopfes (1) in eine Anzahl von jeweils unterschiedlichen bekannten Abständen zum Objekt entsprechenden Positionen und zur Erzeugung von diesen Positionen jeweils zugeordneten Abstandssiignalen,

c) einen elektronischen Vielkanalspeicher (21) zur Einspeicherung der einzelnen Abstandssignale in jeweils von den zugehörigen Ausgangssignalen des Meßwertgebers bestimmten Kanälen, und

d) eine Schaltung zur Auslesung eines Kanals bei Auftreten des diesem Kanal zugeordneten Ausgangssignals des Meßwertgebers.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Komparator (20) vorgesehen ist, der eingangsseitig an den Ausgang des Meßwertgebers und den Ausgang einer Abzählschaltung (22) angeschlossen und ausgangsseitig mit dem Fortschalteingang der Abzählschaltung (22) sowie dem Schreibeingang des Vielkanalspeichers (21) verbindbar ist, und daß der Adresse ncingang dos Vielkanalspeichers (21) wahlweise an den Ausgang der Abzählschaltung (22) oder den Ausgang des Meßwertgebers anschließbar ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder ί, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßwertgeber mit einer Verstärkerschaltung (13, 14, 15) zur umschnltbaren Verstärkung seines Ausgangssignals verschen ist, und daß ein Schaltkreis (9, 211, 42) zur Umschaltung von einem Bereich (i) des Vielkanalspeichers (21) auf einen anderen Bereich (H) synchron mit der Verstärkungsumschaltung vorgesehen ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Überführung des Meßkopfes (1) einen Schrittmotor (35) und einen Schrittzähler (41) umfaßt.