DE3002262A1

DE3002262A1 - Verfahren, apparat und wandler zur dimensionsmessung.

Info

Publication number: DE3002262A1
Application number: DE19803002262
Authority: DE
Inventors: Robert Georg Asker Berntsen
Original assignee: Tomra Systems ASA
Current assignee: Tomra Systems ASA
Priority date: 1979-01-26
Filing date: 1980-01-23
Publication date: 1981-03-12
Also published as: US4332016A; DK32480A

Description

Psf enfanwälfe

Dr. O. Loesenbeck Dtsil.-hg. Stracke

Dip.· -'.-uj. L^össnbeck 43 U^ Ai, /jöiiorder Straße

Anmelder: a/S TOMRA SYSTEMS
Postfach 278
1371 ASKER, NORWEGEN

Erfinder: Robert Georg Berntsen
Daletoppen 22
1370 ASKER, NORWEGEN

Titel: Verfahren, Apparat und Wandler zur Dimensionsmessung

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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren, ein Apparat und einen Wandler für Dimensionsmessung mittels Ultraschall, wie aus dem Ingress des nachfolgenden Patentanspruchs hervorgeht.

Es sind bereits mehrere Verfahren und Vorrichtungen zur Dimensionsmessung bekannt, insbesondere zur Auffindung von Unregelmässigheiten und Brüchen in Gegenständen und zur Messung der Wandstärke von hohlen Rohren und dergl. Derartige Vorrichtungen sind u.a_e aus der US Patentschrift 3 228 233 und aus der deutschen Offenlegungsschrift 2 363 356 bekannt. Die dort erwähnten.Vorrichtungen sind besonders im Hinblick auf den Querschnitt des zu messenden Gegenstandes konstruiert und die elektroakustisehen Wandler sind deshalb vorzugsweise radial zur Mittellinie des Gegenstandes angebracht .

Aus der britischen Patentschrift 1 226 987 ist eine Vorrichtung zur Abstandsmessung, ein sogenanntes Ultraschall-Mikrometer bekannt. Sein Einsatz für Dimensionsmessung ist indessen auf Grund der erforderlichen sehr genauen Fokussierung sehr beschränkt.

Die britische Patentschrift 1 391 903 betrifft einen Ultraschallabtaster zur Bildung eines zweidimensionalen "Bildes", vor allem für den Einsatz in der Heilkunde. Im bekannten Apparat ist der; Ultraschall-Strahl in einer im grossen ganzen wendeiförmigen Bahn geführt, damit eine möglichst kontinuierliche und gleichmassige Abtastung erzielt wird_o

Die vorliegende Erfindung bezweckt indessen die Schaffung einer dreidimensionalen Messung von Gegenständen, insbesondere Flüssigkeitsbehältern, wie beispielsweise Flaschen mit oder ohne Inhalt.

Der Ultraschall-Wandler laut der vorliegenden Erfindung lässt sich einfach und preiswert herstellen, weist ein schmales,

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rotationssymmetrisches Strahlungsdiagramm auf und eignet sich beispielsweise für dreidimensionale Messung von Gegenständen, insbesondere Flüssigkeitsbehältern, wie beispielsweise Flaschen mit oder ohne Inhalt. Er wird sich auch für andere Zwecke eignen, wo ein schmales, vorzugsweise rotationssymmetrisches Strahlungsdiagramm erwünscht ist.

Die die Erfindung kennzeichnenden Merkmale gehen aus den nachstehenden Ansprüchen und aus der nachfolgenden Beschreibung anhand der Zeichnung hervor. In der Zeichnung zeigen

Fig. 1 eine erste Ausfuhrungsform der Erfindung zur Dimensionsmessung mit dem Einsatz von Ultraschall-Wandlern, und

Fig. 2 den Erfassungsbereich der gemäss Fig. 1 eingesetzten Wandler,

Fig. 3 eine Abänderung der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform, wo die Wandler ortsfest sind und ihre Strahlen durch bewegliche Reflektoren reflektiert werden, Fig. 4 den Erfassungsbereich von jedem Wandler der Fig. 3,

Fig. 5 eine Abänderung der Ausführungsformen laut Fig. 1 und 3, wo die Wandler ortsfest sind,

Fig. 6 den Erfassungsbereich von jedem Wandler der Fig. 5,

Fig. 7 als ideales Beispiel die Erfassung der Dimension eines Flüssigkeitsbehälters, beispielsweise einer Flasche,

Fig. 8 ein Diagramm, welches die Verzögerung eines ablesbaren Rücksignals gegenüber der Abtastdauer des Wandlers darstellt,

Fig. 9 ein Beispiel eines Blockschaltbildes zur Bestimmung der Gattung des abgetasteten Gegenstandes,

Fig. 10 einen elektroakustisehen Wandler gemäss der vorliegenden Erfindung,

Fig_e 11 das Strahlungsdiagramm des elektroakustischen Wandlers gemäss der vorliegenden Erfindung.

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Der Wellenbereich der ausgesendeten Ultraschallsignale liegt beispielsweise im Bereich 1,1 bis 1,4 mm. Somit wird eine sehr gute Messauflösung erzielt.

In Fig. 1 sind als Beispiel drei Wandler 1,1', 1" mit abwärtsgerichtetem Strahlungsreflektor dargestellt. Den erwähnten Wandlern kann eine hin- und hergehende synchronisierte Bewegung erteilt werden, damit der von jedem Wandler ausgesandte Strahl jeweils einen Bereich 1,11 und III bestreicht.

Alternativ können die Wandler ortsfest sein, wie in Fig. 5 dargestellt, wobei jeder Wandler einen Bestreichungsbereich wie in Fig. 6 dargestellt hat. Als Beispiel sind hier insgesamt sechs Wandler mit jeweiligen Bestreichungsbereichen IV, V, VI, VII, VIII und IX gezeigt.

In den dargestellten die Erfindung keineswegs beschränkenden Beispielen wird ein Karton 7 mit Flaschen 8 auf ein Förderband gestellt. Dabei ist die Möglichkeit geschaffen, die Aussen- und Innenabmessungen der Kiste 7 und deren Länge und ferner die grösste Aussendimension der jeweiligen Flaschen, die Dimension der Halsmündung und die inwendige Tiefe der Flasche zu messen. Die hin- und hergehende Bewegung der Wandler 1,1' und 1" in Fig_o 1 kann erzielt werden, indem die Wandler an einem gemeinsamen Rahmen montiert sind, welcher mittels einer Exzenterscheibenvorrichtung hin und her bewegt wird. Fig. 3 zeigt eine Abänderung der Ausführung der Fig. 1. Hier liegen die Wandler 1,1' und 1" waagerecht. Der von jedem Wandler ausgesandte Strahl geht waagerecht und trifft jeweils einen schräggestellten Reflektor 5,5',5". Wie bei den Wandlern der Figur 1 kann den Spiegeln 5,5',5" eine synchronisierte hin- und hergehende Bewegung erteilt werden, damit die reflektierten Strahlen jeweilige Bereiche I,II,III bestreichen, wie in Fig. 4 angedeutet. Das in den Figuren 1, 3 und 5 gezeigte

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Förderband 6 kann von einer beliebigen zweckmässigen Gattung sein.

Figur 7 zeigt als Beispiel die Messung einer Flasche, wobei der Strahl vom Wandler 1 in einer Reihe von nacheinander folgenden Bahnen 1,2,3,4,5,6,7,8,9 absucht. Die Absuchungsintervalle lassen sich grob wie dargestellt in Intervalle a,b,c,d,e,f,g einteilen. Damit die Erfindung mehr verständlich wird sei angenommen, dass sich die Flasche 8 langsam am Förderband und der Wandler rasch quer zum Förderband bewegt. Fig. 8 zeigt ein Diagramm mit Verzögerung eines ablesbaren Retursignals als Funktion der Absuchungszeit. Bei der ersten Absuchung ist die Verzögerung des Retursignals konstant = ^:- ^ über alle Intervalle von a bis g. In der Tat stellt die Verzögerung L , hier den Pegel des Förderbandes gegenüber dem Wandler dar. Bei Absuchung No. 2 trifft der Strahl die Flasche am Ende des Intervalls b und verlässt die Flasche zu Beginn des Intervalls f. Die die Flasche treffenden Strahlen werden indessen nur von normal zur Strahlungsrichtung verlaufenden Flächen reflektiert und ein ablesbares Retursignal wird daher im mittleren Intervall nicht erzielt. Das Entsprechende gilt für Absuchung No. 3,7 und 8. In der Absuchung No. 4 trifft der Strahl die Flasche zu Beginn des Intervalls b, aber im Intervall b und f wird der Strahl von der Flasche abreflektiert und kein Retursignal liegt vor. Wenn der Strahl die Flaschenmündung trifft, wird die Verzögerung des ablesbaren Retursignals als 2 erfasst und in der Mitte des Intervalls d trifft der Strahl den Boden der Flasche, Die Verzögerung des Retursignals ist hier mit ₃ angegebene Entsprechendes gilt Absuchung No. 5, während bei Absuchung No„ 6 kein Retursignal vom Boden der Flasche mehr erfasst wird. Die Absuchungen Nos. 7 und 8 entsprechen 2 und 3 oben, während Absuchung 9 der Absuchung 1 oben entspricht. Fachleute werden unmittelbar einsehen, dass die erwähnte Verzögerung leicht in Impulsform umge-

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wandelt werden kann, derart, dass die Verzögerung als Impulsreihe erfasst wird.

Es dürfte einleuchten, dass für die Ausführungsform der Fig. 5 eine entsprechende Betrachtung wie für die Figuren 7 und 8 gilt. Anstatt eines absuchenden Wandlers sind in Fig. 5 beispielsweise sechs ortsfeste Wandler vorgesehen.

Figur 9 stellt ein Beispiel eines Blockschaltbildes bei Dimensionsmessung von Gegenständen, beispielsweise Flaschen dar_o Zur Erläuterung des Erfindungsgedankens wird hier auf die Figuren 7 und 8 verwiesen. Fachleute werden indessen ohne weiteres verstehen, dass sich die Erfindung keineswegs auf Dimensionsmessung von Flaschen beschränkt. Für den Fachmann wird es ebenfalls einleuchtend sein, dass der Schaltkreis der Figur 9 leicht zur Messung von anderen Gegenständen als Flaschen abgeändert werden kann.

Laut Figur 9 sind wie in den Beispielen der Figuren 3 und 5 drei Wandler 1,I¹ und 1" eingesetzt. Mit geringen Abänderungen des Schaltkreises der Figur 9 kann man jedoch ohne weiteres eine kleinere oder grössere Anzahl von Wandlern einsetzen. 9 bezeichnet einen Signalgeber der durch einen Taktimpuls cp gesteuert ist_o Der Signalgeber liefert vorzugsweise eine Frequenz im Bereich 20 KHZ - 5 MHZ, in einer vorgezogenen Form im Bereich 220 bis 250 KHZ. Dies ergibt Wellenlängen im Bereich 1,0 bis 1,5 mm_o Die Signale vom Signalgeber gehen durch respektive Tore 10,10',1O" zu den jeweiligen Wandlern 1,1',1", von welchen die Ausstrahlung wie bereits beschrieben erfolgt. De Retursignale zu den jeweiligen Wandlern gehen durch die erwähnten jeweiligen Tore 10,10',1O" zu einem Signalkorrelator und Umformer 13. Die erfassten Verzögerungszeiten werden an eine Datenmaschine 14 zur verarbeitung weitergeleitet. In der Datenmaschine 14 baut sich ein dreidimensionales Bild des Gegenstandes, z.B. der Flasche auf, welches Bild zwecks

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Identifizierung mit bekannten Bildern verglichen wird. Auf Grundlage des in der Datenmaschine vollzogenen Vergleichs geht ein Bescheid an die Einheit 15, die ein Bildschirm oder ein Drucker zur Angabe des Pfandwertes der erfassten Flaschen oder eine Steueranlage für den weiteren Transport der Gegenstände oder Geräte zur weiteren Behandlung der Gegenstände, z.B. zum Ankleben von Etiketten, Preisschildern oder dergl. sein kann.

Fig. 10 zeigt einen Ultraschall-Wandler bestehend aus einem zylindrischen piezoelektrischen Umformer/Oszillator 16. Der Umformer 16 ist in einem Gehäuse 18 montiert, das im wesentlichen zylindrisch ist und einen Strahlungsreflektorabschnitt 17 aufweist. Der Abschnitt 17 ist trichterförmig und rotationssymmetrisch und hat einen Öffnungswinkel zur Mittellinie durch den Umformer 16. Bei einer vorgezogenen Ausführungsform der Erfindung ist der Winkel 45°. Die Stromzufuhr zum Umformer 16 erfolgt über Leitungen

Die dargestellte Gestaltung des Wandlers ergibt ein sehr günstiges Strahlungsdiagramm, welches aus Fig. 11 und aus der nachstehenden Tabelle I hervorgeht.

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Tabelle I L(dB) Grade R(dB)

O OO

-2,2 1 -2,2

-11,1 2 -9,5

-13 3 -13

-9,5 4 -9,5

-13 5 -13

-23,5 6 -21

-18,2 7 -17,5

-19 8 -20

-25 9 -25

-25 10 -23,5

Wie aus Fig. 11 hervorgeht, ist das Strahlungsdiagramm schmal und im grossen ganzen rotationssymmetrisch.

Innerhalb des Rahmens der nachstehenden Ansprüche können Abänderungen der Erfindungsidee und der Ausführungen leicht ausgeführt werden.

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Claims

Patentansprüche

Θ Verfahren zur Dimensionsmessung von Gegenständen mittels ■

Ultraschall, wobei die Gegenstände an mindestens einer Ultraschall-Messvorrichtung bestehend aus einem kombinierten Sender/Empfänger oder aus einem separaten Sender und Empfänger vorbeigeführt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die reflektierten Ultraschallsignale zur Bestimmung von charakteristischen dreidimensionalen Grossen der Gegenstende verwendet werden und dass die erwähnte Vorrichtung (Vorrichtungen) entweder derart vorgesehen werden, dass den Ultraschallstrahlen davon eine hin- und hergehende Bewegung erteilt wird, welche die Fördereinrichtung für die Gegenstände im grossen ganzen kreuzt, oder derart vorgesehen werden, dass die Ultraschallstrahlen davon ortsfest sind*
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verzögerung (T ) der reflektierten Signale zu entsprechenden Abständen umgeformt wird»
3. Verfahren nach Anspruch 2, d-a durch gekennzeichnet, dass die erwähnten Abstände zur Bildung eines dreidimensionalen Bildes mittels einer Datenmaschine (14) verwendet ,werden und dass das erwähnte Bild mit bekannten Bildern zur Identifizierung verglichen wird.
4. Apparat zur Dimensionsmessung von Gegenständen mittels Ultraschall, wo die Gegenstände an mindestens einer Ultraschall-Messvorrichtung bestehend aus einem kombinierten Sender/Empfänger oder aus einem separaten Sender und Empfänger vorbeigeführt werden, und zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,, dass die Ultraschall-Messeinrichtung (Einrichtungen) ein schmales, im grossen ganzen rotationssymmetrisches Strahlungsdiagramm aufweist (aufweisen) und dass die

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Ultraschallstrahlung mittels oberhalb und im Abstand von den Gegenständen deren Dimensionen zu messen sind vorgesehener Mittel auf die Förderbahn hinabgerichtet ist.
5. Apparat nach 'Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die erwähnten Mittel aus mindestens einem Reflektororgan (5,5',5") bestehen, die bei Reflektion die Ultraschallstrahlen von den erwähnten Vorrichtungen abbiegen.
6. Apparat nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die erwähnten Mittel von den erwähnten Vorrichtungen gebildet sind.
7. Apparat nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die erwähnten Mittel eine hin- und hergehende synchronisierte Bewegung gegenüber der Bewegungsbahn der Gegenstände aufweisen.
8. Wandler zur Dimensionsmessung mittels Ultraschall, vorzugsweise für den Einsatz bei dreidimensionaler Dimensionsmessung von Gegenständen, die an einer mindestens einen Wandler aufweisenden Vorrichtung vorbeigeführt werden, wobei Luft als Verpflanzungsmittel verwendet wird und der Wandler im Abstand von den Gegenständen deren Dimensionen zu messen sind vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Wandler aus einem elektroakustischen Oszillator (16) besteht, welcher gleichachsig mit der Mittellinie eines im grossen ganzen kegelförmigen Ultraschall-Reflektors (17) angebracht ist, wobei der Öffnungswinkel (oC ) des Reflektors gegenüber der Mittellinie durch den Reflektor gleich 45° ist.
9. Wandler nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der elektroakustische Oszillator ein piezoelektrisches Element ist.

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10. Wandler nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Wandlerkörper in welchen der erwähnte Reflektor ausgenommen ist, zylindrisch mit einer mit der Mittellinie des Reflektors zusammenfallenden Mittellinie ist.
11. Wandler nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Wandler Ultraschall mit einer Wellenlänge (Λ) im Bereich 0,1 Ms 5 mm, vorzugsweise 1,1 bis 1,4 mm hervorbringt.
12. Wandler nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass seinem Ultraschallstrahl eine hin- und hergehende Bewegung im grossen ganzen quer zur Bewegungsrichtung des Gegenstandes erteilt ist.
13. Wandler nach Anspruch 8 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Wandler mit abwärtsgerichteter Strahlungsrichtung oberhalb der Förderbahn des Gegenstandes vorgesehen ist.

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