DE29600775U1 - Schaltungsanordnung zur Messung von Durchmessern metallischer Körper - Google Patents

Description

Schaltungsanordnung zur Messung von
Durchmessern metallischer Körper

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Messung von Durchmessern metallischer Körper, insbesondere von Drahtdurchmessern nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Durchmesser metallischer Körper, insbesondere von Drähten, werden für unterschiedliche Zwecke bestimmt.

Eine Bestimmung des Durchmessers eines Drahtes ist beispielsweise bei der Herstellung von Glühlampen und Lampen von Bedeutung. Die für die Herstellung von Glühlampen verwendeten Drähte haben einen annähernd konstanten Durchmesser aufzuweisen. Ansonsten besteht Gefahr, daß die Drähte an Stellen, an denen der Durchmesser relativ gering ist, durchbrennen. Die Drähte, die für die Herstellung von Glühlampen verwendet werden, haben einen Durchmesser im Bereich von 15 - 100 &mgr;&pgr;&igr;. Eine Messung des Durchmessers dieser Drähte mittels einer Schieblehre würde den Draht bei der Messung zerstören. Im Stand der Technik werden zur Bestimmung dieser Drahtdurchmesser beispielsweise 200 mm lange Drahtsegmente gewogen, um aus dem Gewicht den Durchschnittsdurchmesser des Drahtsegments abzuleiten.

Da die Qualität der Glühlampe von ihrer Lebensdauer. und diese u. a. von der Gleichmäßigkeit des Drahtes abhängt, ist es von großer Bedeu-

tung, bei der Herstellung von Glühlampen bereits in einem frühen Stadium der Herstellung, nämlich bei der Bereitstellung und Reinigung des Drahtes festzustellen, welche Drahtabschnitte für die weitere Verarbeitung ungeeignet sind. Ungeeignet sind Drahtabschnitte, deren Durchmesser unter einem vorbestimmten Sollwert liegen.

Im Stand der Technik wird ein Oszillator, der ein hochfrequentes Signal erzeugt, mittels eines Meßkondensators (Kondensator 11 in Figur 1), durch den der Draht geführt wird, in der Frequenz verstimmt. Aus &iacgr;&ogr; dieser Verstimmung wird ein Ausgangssignal gebildet und der Drahtdurchmesser bestimmt.

Dieser Stand der Technik hat den Nachteil, daß das Ausgangssignal, das den Durchmesser des Drahtes repräsentieren soll, ungenau ist, wobei die

is Ungenauigkeit von Umgebungsparametern (Temperatur, Luftfeuchtigkeit, usw.) der Meßanordnung abhängt. Diese Problematik besteht insbesondere an den Fertigungsstätten der Glühlampen, wo die Raumtemperatur von einer Vielzahl in der Praxis kaum zu beherrschenden Parametern (Wärmeemission der Maschinen, etc.) beeinflußt wird. Dieser gravierende Nachteil des Standes der Technik wird dadurch behoben, daß die Messung in einem von der Umwelt abgeschirmten Klimaraum stattfindet. Eine solche Maßnahme ist allerdings sehr energie- und kostenaufwendig.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Schaltungsanordnung zur Messung von Durchmessern der eingangs genannten Art bereitzustellen, die in einfacher Weise eine zuverlässige und genaue Messung von Durchmessern ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen beschriebene Schaltungsanordnung gelöst.

Erfindungsgemäß werden Meßsignale relativ hoher Genauigkeit durch Kompensation der Umgebungsparameter (z.B. Umgebungstemperatur und/oder Umgebungsluftfeuchtigkeit) der Meßanordnung gebildet. Die Maßanordnung benötigt keinen von der Umwelt abgeschirmten Klimaraum. Sie kann ohne weiteres in Räumen eingesetzt werden, in denen Drähte verarbeitet werden. Die Genauigkeit der von der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung gebildeten Signale, ist insbesondere von Umgebungstemperaturen bzw. Umgebungstemperaturschwankungen unabhängig. Vorzugsweise werden die Umgebungsparameter während des gesamten

&iacgr;&ogr; Meßzeitraums berücksichtigt. Damit wird ein dynamisches Referenzsignal gebildet, das von den Umgebungsparametern abhängig ist.

Vorzugsweise wird die Verknüpfung des Referenzsignals und des Sensorsignals mittels eines Spannungsmeßgeräts durchgeführt.

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zeichnet sich weiterhin durch ihren vergleichsweise einfachen Aufbau aus.

Der Kondensator, der das Sensorsignal erzeugt, ist vorzugsweise in unmittelbarer räumlicher Nachbarschaft zu dem Sensor oder auch auf einem gemeinsamen Träger angeordnet, so daß damit gewährleistet wird, daß praktisch die am Ort der eigentlichen Messung herrschenden Umgebungsparameter berücksichtigt werden.

Bei einem weiteren bevorzugtem Ausführungsbeispiel wird das Referenzsignal durch einen Kondensator erzeugt. Dieser kann vorzugsweise identisch aufgebaut sein wie der Kondensator der Sensoreinrichtung, der das Sensorsignal erzeugt.

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Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:

Fig. 1 ein Schaltdiagramm einer Meßbrücke einer herkömmlichen
Schaltungsanordnung;

Fig. 2 Kennlinien der Meßbrücke nach Fig. 1;

&iacgr;&ogr; Fig. 3 eine Schaltungsanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 4 Kennlinien der Schaltungsanordnung nach Fig. 3;

Fig. 5 Konfigurationen eines Durchmessersensors gemäß des Standes is der Technik bzw. der vorliegenden Erfindung;

Fig. 6A ein Signal eines Drahtes mit Durchmesserschwankungen, das mit einer herkömmlichen Schaltungsanordnung nach Fig. 1 aufgezeichnet wird;

Fig. 6B ein Referenzsignal und ein Sensorsignal einer Schaltungsanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung nach Fig. 3;

Fig. 6 C ein Ausgangssignal, das aus der Verknüpfung des Referenzsignals mit dem Sensorsignal nach Fig. 6B gebildet ist.

Fig. 1 zeigt eine Meßbrücke gemäß einer Schaltungsanordnung des Standes der Technik, die auf einem induktiven Meßprinzip beruht. Die Schaltungsanordnung weist einen Durchmessersensor auf, der aus einer Spule 10 und einem Kondensator 11 besteht. Ferner weist die Schal-

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tungsanordnung des Standes der Technik eine Abgleicheinrichtung auf, die aus einer Spule 12 und einem Abgleichkondensator 13 besteht. Die Schaltungsanordnung weist ein Spannungsmeßgerät 14 auf, das parallel zur Abgleicheinrichtung angeordnet ist.

Durch einen (in Fig. 1 nicht dargestellten) Oszillator wird an die Meßbrücke nach Fig. 1 ein elektrisches Signal mit einer vorgegebenen Frequenz, zugeführt. Ein Draht, dessen Durchmesser zu bestimmen ist, wird in den Kondensator 11 geführt. Bei Beginn der Messung wird der Abgleichkondensator 13 der Abgleicheinrichtung so eingestellt, daß das Spannungsmeßgerät 14 auf Null gestellt wird. In der induktiven Beeinflussung der Frequenz, die aus dem Zusammenwirken der Spule 10, des Kondensators 11 und des durch den Oszillator angelegten Signals resultiert, entsteht eine Verstimmung der Frequenz des Signales. Das Spannungsmeßgerät 14 zeigt in Abhängigkeit der Verstimmung entweder eine positive oder eine negative Spannung an. Aus dieser positiven oder negativen angezeigten Spannung läßt sich so eine Aussage über die relative Schwankung des Durchmessers des Drahts machen, der in den Kondensator 11 eingeführt ist.

Fig. 2 zeigt Kennlinien der Schaltungsanordnung nach Figur 1. Dieser Kennliniengraph zeigt ein Verhältnis zwischen dem Drahtdurchmesser, der entlang der x-Achse angegeben ist, und der Spannung, die entlang der y-Achse angegeben ist. In diesem Graph sind zwei Kennlinien der Schaltungsanordnung gezeigt, eine gestrichelte und eine durchgezogene Linie, die gemessene Spannungen bei unterschiedlichen Umgebungsparametern zeigen. Beide Kennlinien schneiden sich nur in einem Punkt. In der Praxis ermöglicht diese Schaltungsanordnung nur eine Bestimmung des Durchmessers in einem eingeschränkten Bereich, nämlich in dem in Figur 2 A gezeigten Arbeitsbereich A. Nur in diesem Bereich unterscheiden

sich die Kennlinien selbst bei unterschiedlichen Umgebungsparametern in einem relativ geringen Umfang.

In Figur 3 ist eine Schaltungsanordnung einer Meßbrücke gemäß der vorliegenden Erfindung gezeigt. Die Erfindung beruht auf dem kapazitiven Meßprinzip. Diese Meßbrücke besteht aus einer Sensoreinrichtung ("zweite Einrichtung"), die einen Widerstand 21, einen Kondensator 22, einen weiteren Kondensator 23 und einen weiteren Widerstand 24 aufweist. Außerdem weist die Meßbrücke eine Referenzeinrichtung ("erste &iacgr;&ogr; Einrichtung"), die einen Widerstand 25, einen Kondensator 26, einen weiteren Kondensator 27, einen weiteren Widerstand 28 und ein Potentiometer 29 aufweist. Zwischen der Sensoreinrichtung und der Referenzeinrichtung ist eine Einrichtung 30 ("dritte Einrichtung") angeordnet, die das Referenzsignal und das Sensorsignal verknüpft. Inbesondere vergleicht sie die jeweiligen Widerstände der zwei Zweige (21, 22, 23, 24; 25, 26, 27, 28, 29) der Meßbrücke.

In dieser erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung wird der Durchmesser eines Drahtes über die Messung einer Kapazität (22) bestimmt, wobei die Referenzeinrichtung Umgebungsparameter (z.B. Temperatur, Luftfeuchtigkeit) erfaßt und von diesen abhängige Referenzsignale bildet. Die erste Einrichtung und die zweite Einrichtung sind so ausgestaltet und so zueinander angeordnet, daß sie im wesentlichen derselben Umgebungstemperatur und/oder derselben Umgebungsluftfeuchtigkeit ausgesetzt sind.

Die Messung kann damit in beliebigen Umgebungen durchgeführt werden, ohne daß die Genauigkeit der Messung reduziert wird. Ein Konstanthalten bestimmender Umgebungsparamter, z. B. in einem Klimaraum, ist nicht erforderlich.

Der Draht, dessen Durchmesser zu bestimmen ist, wird in den Kondensator 22 eingeführt. Die Sensoreinrichtung erzeugt ein für die Kapazität des Draht/Kondensator-Systems repräsentatives Sensorsignal, das ferner durch die genannten Umweltparameter beeinflußt wird. Die Referenzeinrichtung erzeugt ein Referenzsignal, das ebenfalls durch dieselben Umweltparameter beeinflußt wird. Die Vergleichseinrichtung 30 verknüpft das von der Referenzeinrichtung erzeugte Referenzsignal mit dem von der Sensoreinrichtung erzeugtem Sensorsignal und bildet ein Ausgangssignal bzw. eine Ausgangsspannung, wobei der Einfluß von Umgebungstemperatur und/oder Umgebungsluftfeuchtigkeit kompensiert sind.

Das resultierende Ausgangssignal wird bei diesem Meßprinzip, bei dem, wie erwähnt, Umgebungsparameter bzw. Umwelteinflüsse durch eine Referenzmessung kompensiert werden, nicht absolut bestimmt. Statt

is dessen wird das Ausgangssignal zu Beginn einer Messung durch Einstellung des Potentiometers 29 auf Null abgeglichen . Nach diesem einmaligen Einstellvorgang vor Beginn der eigentlichen Messung wird das Ausgangssignal (an 30 in Fig. 3) in Abhängigkeit des Referenzsignals (gebildet durch 26) gebildet, das wiederum in Abhängigkeit der jeweils herschenden Umgebungsparameter gebildet wird. Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung bildet fortlaufend aktuelle, variable Referenzsignale (vgl. Fig. 6 B). Es werden also beim bzw. vor dem Start der Messung die beiden Zweige (21, 22, 23, 24; 25, 26, 27, 28, 29) der Meßbrücke durch den Potentiometer 29 auf Null abgeglichen. Bei der Messung wird aus der Verknüpfung des Sensorsignals und des Referenzsignals das Ausgangssignal mittels der Vergleichseinrichtung 30 erzeugt. Änderungen des Drahtdurchmessers haben ein positives bzw. ein negatives Signal zur Folge, wie z. B. in Fig. 6 B dargestellt ist.

Das Meßprinzip der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 3 beruht darauf, daß der Niederfrequenz (NF)- Wechselstromwiderstand gemessen und ein Ausgangssignal erzeugt wird, das der Kapazität zwischen Draht und Kondensatorplatte des Kondensators 22 umgekehrt proportional ist.

Der Draht bzw. eine Drahtrolle wird durch den Kondensator 22 geführt und für jede Position entlang des Drahtes läßt sich eine Aussage über den relativen Durchmesser bezüglich des Durchmessers in abgeglichenem Zustand machen. Unterschreitet der relative Durchmesser des Drahtes &iacgr;&ogr; einen vorgebbaren Wert, so ist der Draht in diesem Bereich nicht für eine Glühlampe zu verwenden. Mit der Schaltungsanordnung läßt sich also ermitteln, ob ein bestimmtes Drahtsegment für die Glühlampenherstellung geeignet ist oder nicht.

is Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung läßt sich nicht nur zur Bestimmung von relativen Durchmesserschwankungen, sondern auch zur Bestimmung der absoluten Durchmesser verwenden.

Durch ein herkömmliches Abwiegeverfahren, bei dem ein 200 mm langes Segment des Drahtes gewogen wird, kann eine Aussage über einen Sollwert des Drahtdurchmesser gemacht werden Zwischen dem Radius r des Drahtes in /im und dem Gewicht G in mg/200mm besteht der Zusammenhang r= 9.0692*70. Aus der relativen Schwankung des Drahtdurchmessers und dem Sollwert des Drahtdurchmessers entsteht so ein Datensatz mit absoluten Durchmesserschwankungen.

Figur 4 zeigt die Kennlinien der Schaltungsanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung, die auf einem Kapazitätenmeßprinzip beruht. In diesem Graphen weisen die unterschiedlichen Kennlinien, die wiederum sich nur in den Umgebungseinflüssen unterscheiden, eine ähnliche Struk-

tür auf. Die Kennlinien schneiden sich zwar nicht, weisen aber für einen großen Bereich, nämlich dem in Figur 4 gezeigten Arbeitsbereich, einen annähernd parallelen Verlauf auf. Somit läßt sich durch den anfänglichen Abgleich jede Kennlinie auf die durch den Ursprung verlaufene gestrichelte Kennlinie verschieben, wodurch erreicht wird, daß für einen großen Arbeitsbereich eine Aussage über das Verhältnis zwischen Drahtdurchmesser und Spannung des Ausgangssignals gemacht werden kann. Somit läßt sich also der Einfluß der Umgebung kompensieren.

&iacgr;&ogr; Fig. 5a zeigt den schon anhand von Figur 4 beschriebenen Meßkondensator 11, in den der Draht, dessen Durchmesser gemessen werden soll, eingeführt ist. Der Draht wird so in den Kondensator 11 eingeführt, daß er jeweils zu den Kondensatorplatten 11a und 11b den gleichen Abstand aufweist.

Fig. 5b zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der Anordnung der Kondensatoren 22 und 26. Bei dieser bevorzugten Anordnung befindet sich der Kondensator 22 in unmittelbarer räumlicher Nachbarschaft zu dem Kondensator 26. Die Kondensatorplatten 221 und 222 sind bei der in der Figur 5 B dargestellten Anordnung unmittelbar über den Kondensatorplatten 261 und 262 des Kondensators 26 an einer Halteeinrichtung 31 angebracht. Die Halteeinrichtung 31 besteht aus zwei Teilen (links und rechts in der Figur), wobei jedes Teil z. B. aus zwei Platinen (schräg schraffiert) besteht. Jeder Kondensator 22, 26 besteht aus jeweils zwei Einzelkondensatoren (221, 222, 261, 262), wobei die Kondensatorplatten (221a, 221b, 222a, 222b, 261a, 261b, 262a, 262b) eines Einzelkondensators in unterschiedlichen Teilen der Halteeinrichtung 31 angeordet sind. Somit sind die Kondensatoren 22, 26 jeweils sandwichartig auf der Halteeinrichtung 31, wie in Fig. 5b gezeigt ist, angeordnet, wobei diese

Anordnung aus Außenkondensatoren (221, 261) und Innenkondensatoren (222, 262) besteht.

Diese Anordnung bewirkt, daß beide Kondensatoren 22 und 26 durch ihre unmittelbare räumliche Nachbarschaft annähernd den gleichen Umweltparametern ausgesetzt sind. Das Referenzsignal und das Sensorsignal werden damit in Abhängigkeit praktisch derselben Umgebungsparameter gebildet.

&iacgr;&ogr; In Figur 6 sind Signale dargestellt, die den Durchmesser eines identischen Drahtsegments repräsentieren. Als Drahtsegment wurde ein Draht mit relativ großen Durchmesserschwankungen verwendet.

Figur 6 A zeigt das Signal eines Drahtes mit Durchmesserschwankungen, das mit einer herkömmlichen Schaltungsanordnung aufgezeichnet wird. Beim Stand der Technik erfolgt nur zu Beginn der Messung ein Abgleich auf Null, und dabei wird ein Referenzsignal RSI gebildet, das für den gesamten Verlauf der Messung gleich bleibt.

Figur 6 B zeigt die Messung mit einer Schaltungsanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung. In dieser Figur ist sowohl ein Referenzsignal RS2 wie auch ein Sensorsignal SS2 gezeigt. Die Umgebungsparameter bewirken im dargestellten Beispiel eine Änderung des Referenzsignals RS2. Aus der Substraktion der Werte SS2 von RS2 ergibt sich die relative Abweichung des Durchmessers von einem zu Beginn der Messung eingestellten Referenzwert.

Figur 6 C zeigt das von der Vergleichseinrichtung 30 (Fig. 3) erzeugte Ausgangssignal, das dadurch erzeugt wird, daß das Referenzsignal RS2 vom Sensorsignal SS2 subtrahiert wird, um Umgebungsparameter bei der

Messung zu kompensieren. Vergleicht man nun die Figuren 6 A und 6 C, so läßt sich feststellen, daß das Signal gemäß Figur 6 A Unscharfen aufweist, die in dem Signal gemäß 6 C nicht vorhanden sind.

Claims (9)

Patent-Treuhand-Gesellschaft 17. Januar 1996 für elektrische Glühlampen mbH 022493 Ds/FM/hi Ansprüche

1. Schaltungsanordnung zur Messung von Durchmessern metallischer Körper, insbesondere von Drähten, mit

einer ersten Einrichtung (25, 26, 27, 28, 29), die ein Referenzsignal erzeugt,

&iacgr;&ogr; einer zweiten Einrichtung (21, 22, 23, 24), die ein Sensorsignal

erzeugt, und

einem Oszillator (O), der der ersten und der zweiten Einrichtung elektrische Signale einer vorgebbaren Frequenz zuführt,
einer dritten Einrichtung (30), die das Sensorsignal mit dem Referenzsignal verknüpft und ein Ausgangssignal erzeugt, das den Durchmesser des metallischen Körpers repräsentiert,
dadurch gekennzeichnet,
daß die erste Einrichtung und die zweite Einrichtung in der Weise zueinander angeordnet sind, daß beide Einrichtungen derselben Umgebungstemperatur und/oder derselben Umgebungsluftfeuchtigkeit ausgesetzt sind, und

daß die das Referenzsignal erzeugende erste Einrichtung einen Sensor (26) aufweist, der das Referenzsignal in Abhängigkeit der Umgebungstemperatur und/oder der Umgebungsluftfeuchtigkeit erzeugt, so daß bei der Bildung des Ausgangssignals der Einfluß von Umgebungstemperatur und/oder der Umgebungsluftfeuchtigkeit kompensiert wird.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Referenzsignal zu unterschiedlichen Zeitpunkten während der Messung der Durchmesser erzeugt wird.

3. Schaltungsanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Einrichtung (30) ein Spannungsmeßgerät ist.

4. Schaltungsanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Einrichtung (21, 22, 23, 24) mindestens einen Kondensator (22) umfaßt, in den der metallische Körper, dessen Durchmesser zu messen ist, einführbar ist.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator (22) in unmittelbarer räumlicher Nachbarschaft zu einem Sensor (26) der ersten Einrichtung (25, 26, 27, 28, 29) angeordnet ist.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator (22) und der Sensor (26) auf einem gemeinsamen Träger (31) angeordnet sind.

7. Schaltungsanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (26) ein Kondensator ist.

8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator (26) des Sensors identisch aufgebaut ist wie der Kondensator (22) der zweiten Einrichtung (21, 22, 23, 24).

9. Anordnung von Kondensator (22) und Sensor (26) nach einem der Ansprüche 6 bis 8.