DE3035491A1

DE3035491A1 - Verfahren zur pruefung der qualitaet von oberflaechen

Info

Publication number: DE3035491A1
Application number: DE19803035491
Authority: DE
Inventors: Henri Esneux Bonnarens; Jean Francorchampf Crahay
Original assignee: Centre de Recherches Metallurgiques CRM ASBL
Current assignee: Centre de Recherches Metallurgiques CRM ASBL
Priority date: 1979-09-26
Filing date: 1980-09-19
Publication date: 1981-04-16
Also published as: BE885377A; IT1129905B; LU81728A1; IT8068416A0; JPS5658646A; FR2465993A1; FR2465993B3

Description

PATENTANWALT 4000 DÜSSELDORF-BENRATH 13 j_g g

DIPL-INGULRICHPLDGER BENRATHERSCHLOSSALLEe₈₉ * *

TELEFON 713234 und 718997 TELEX 8587941

j REG. NR. 3 6 Ql

CENTRE DE RECHERCHES METALLURGIQUES
CENTRUM VOOR RESEARCH IN DE METALLURGIE

Association sans but lucratif
vereniging zonder winstoogmerk

4-7, rue Montoyer, Brüssel/Belgien

Verfahren zur Prüfung der Qualität von Oberflächen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur schnellen und kontinuierlichen Prüfung der Qualität von Oberflächen in gleich welcher Form, die unbeschichtet oder mit ein- oder mehrlagigen Beschichtungen oder Anstrichen bzw. Lackierungen versehen sind. Das Verfahren eignet sich vorteilhafterweise auch zum Einsatz in solchen Fällen, wo sich die Objekte, deren Oberflächen geprüft werden sollen, in Bewegung befinden.

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In der vorliegenden Beschreibung bezeichnet der Begriff "Qualität" je nach Beschaffenheit und Merkmalen der Oberfläche, deren Güte genau festgestellt werden soll, die verschiedenen Eigenschaften die-ser Oberfläche wie beispielsweise ihren Glanz, ihr mehr oder weniger glattes Aussehen usw., wobei diese "Qualität" in allen Fällen jedoch messbar ist mit Hilfe eines Strahlenbündel, vorzugsweise eines Laserbündels, das nach Beaufschlagung der Oberfläche von dieser reflektiert wird.

Die nachfolgende Beschreibung ist zwar auf die Oberflächenqualität von metallischen Blechen ausgerichtet, doch geschieht dies lediglich als Beispiel und in einem nicht einschränkenden Sinne und lässt sich das erfindungsgemässe Verfahren auch auf jede andere Art von gestreckter Oberfläche anwenden.

Die Qualität von metallischen Blechen lässt sich unter zwei Gesichtspunkten betrachten, nämlich einmal im Hinblick auf den eigentlichen Werkstoff des Blechs, der bezüglich Festigkeit, Gefüge, Gleichartigkeit und Isotropie vorgegebene Eigenschaften aufweisen muss, und zum anderen im Hinblick auf das äussere Erscheinungsbild seiner beschichteten oder unbeschichteten Oberfläche, eines Auftrags oder eines Anstrichs, wo die vorliegende Erfindung zum Tragen kommt.

Diese Oberflächenqualität steht in einem direkten Zusammenhang mit dem mehr oder weniger glatten oder glänzenden Aussehen soxiri-e der Homogenität und Konstantheit im äusseren Erscheinungsbild der Oberfläche.

Was die beschichteten Oberflächen und insbesondere die mit Anstrich versehenen Oberflächen, die in grossen Mengen

für den KFZ-Karosseriebau hergestellt werden, anbetrifft, so müssen die verschiedenen Montageflächen nicht nur möglichst hohen, sondern auch gleichen Glanz aufweisen, wenn sie als annehmbar gelten sollen. Somit muss der Glanz einer mit Anstrich versehenen Oberfläche unabhängig von der jeweiligen Farbe bewertet werden können, um solche Produktionen zu kontrollieren.

Auf diesem Gebiet wurden bereits Verfahren benutzt, denen die Auflösungskraft der als Spiegel benutzten mit Anstrich versehenen Oberfläche zugrundelag, doch sind die hier jeweils erzielten Ergebnisse vom Beobachtungsvermögen des Kontrolleurs mit all den Nachteilen, die bekanntermassen mit einer derartigen Verfahrensweise verbunden sind, abhängig.

Was die nichtbeschichteten Oberflächen und insbesondere die metallischen Bleche anbetrifft, deren Oberfläche sich in der Form mikroskopisch kleiner Erhebungen und Vertiefungen darbietet, so ist bekannt, dass ihre Morphologie, um deren Bedeutung man weiss, durch verschiedene Parameter wie mittlere rechnerische Rauhigkeit, Anzahl der Spitzen pro Längeneinheit, mittlere Länge der Erhebungen und Vertiefungen, gekennzeichnet ist, die sich nur im Wege relativ feinfühliger Messungen bestimmen lassen.

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren, mit dem sich die vorgeschilderten Nachteile ausschalten lassen.

Das erfindungsgemässe Verfahren ist im wesentlichen gekennzeichnet durch Beaufschlagung der Oberfläche mit eines Lichtbündel, vorzugsweise einem Laserbündel, von geringer Stärke und möglichst unter einem schrägen Einfallswinkel; Bestimmung des Winkels des reflektierten

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Lichtkegels unter- den jeweiligen Bedingungen; und Ableitung bsw. Bestimmung der Qualität der Oberfläche in dem Sinne, dass die Oberflächenunregelmässigkeit umso höher ist, je grosser sich der Öffnungswinkel darstellt.

Es konnte nämlich festgestellt werden,-dass bei mit Anstrich versehenen Oberflächen der Öffnungswinkel des reflektierten Lichtkegels in dem Masse grosser als die Oberfläche weniger glänzend ist, wobei dieser Winkel in der Grössenordnung von 2 bis 3 Grad liegen kann.

Bei unbeschichteten Oberflächen ist der Öffnungswinkel des zurückgeworfenen Lichtkegels, der bis zu IO Grad ausmachen kann, umso grosser:

- je grosser die Rauhigkeit,

- je grosser die Anzahl der Erhebungen pro Längeneinheit,

- je kleiner die mittlere Länge der Erhebungen und Vertiefungen .

Gemäss einer Abwandlung des erfindungsgemässen Verfahrens erfolgt die Bestimmung des Öffnungswinkel des reflektierten Lichtkegels durch Messung der Winkelöffnung entsprechend einem bestimmten Prozentsatz reflektierten Lichts. Zu diesem Zweck wird beispielsweise der reflektierte Lichtkegel auf einem Schirm aufgefangen und werden manuell oder automatisch die Abmessungen des diesem Prozentsatz der gesamten reflektierten Lichtstärke entsprechenden Lichtflecks bestimmt. Je kleiner diese Abmessungen sind, umso glänzender oder glatter die geprüfte Oberfläche.

Nach einer v/eiteren Ausgestaltung des erfindungsgemässen Verfahrens erfolgt die Bestimmung des prozentual reflektierten Lichts in einem Kegel mit geringem Öffnungswinkel, beispielsweise von 0.2 Grad, koaxial zum Reflexionskegel. .

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung lässt sich das vorbeschriebene Verfahren auch in solchen Fällen anwenden, wo zu den eingesetzten Messvorrichtungen gekrümmte bzw. bewegliche Flächen geprüft werden sollen.

Auch diese Abwandlung basiert auf der Messung der Stärke des von dem Blech, dessen Glanz beispielsweise gemessen werden soll, zurückgeworfenen Bündels.

Diese abgewandelte Ausführungsform ist im wesentlichen dadurch gekennzeichnet, dass die von der jeweiligen Oberfläche in der Form eines mehr oder weniger trichterförmigen Bündels reflektierte Strahlung zum grössten Teil und vorzugsweise vollständig von einem lichtempfindlichen Detektor erfasst und durch eine oder mehrere lichtdurchlässige Zonen eines in Bewegung befindlichen Verschlusses mit abwechselnden lichtundurchlässigen und lichtdurchlässigen Abschnitten geleitet wird, und dass eine Messung einer der Komponenten des vom lichtempfindlichen Detektor erzeugten Signals, das als representativ für den jeweils zu kontrollierenden Glänz des Blechs zu gelten hat, erfolgt.

Bei dem erfindungsgemässen Verfahren geht die Bewegung des Verschlusses so vonstatten, dass das reflektierte Bündel nacheinander auf mindestens eine lichtdurchlässige und eine lxchtundur.chlassige Zone und vorzugsweise auf eine Folge von mehreren abwechselnd lichtdurchlässigen

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und lichtundurchlässigen Zonen trifft.

Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung für die Durchführung des vorbeschriebenen Verfahrens.

Die erfindungsgemässe Vorrichtung ist im wesentlichen gekennzeichnet durch:

- eine Lichtquelle in Form eines schwachen Lasers für kontinuierlichen Einsatz,

- Mittel zur genauen Fixierung der Richtung des reflektierten Bündels bzw. erforderlichenfalls zur Korrektur dieser Richtung, und

- Mittel zur Bestimmung des Öffnungswinkels des reflektierten Lichtkegels durch Messung der Lichtstärke, der Abmessungen eines Lichtflecks oder der Stärkenverteilung im Lichtfleck.

Die Mittel zur genauen Fixierung der Richtung des reflektierten Bündels können beispielsweise bestehen aus einer Auflage für die mit Anstrich versehene Oberfläche oder für die Messzelle auf derselben, oder aber aus Spiegeln zur automatischen Korrektur der Lage des reflektierten Bündels, die beispielsweise von Messfühlern zur lagemässigen Erfassung des zurückgeworfenen Bündels in der Form lichtempfindlicher Zellen gesteuert werden.

Die Mittel zur Bestimmung des Öffnungswinkels des reflektierten Lichtkegels können umfassen eine IV-Kamera in Verbindung mit einem Bildanalysator, welcher den auf einem Bildschirm gebildeten reflektierten Lichtfleck abtastet und die Oberflächenbereiche entsprechend den verschiedenen Lichtpegeln bestimmt.

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Schliesslich weist die Vorrichtung noch weitere Elemente auf wie beispielsweise optische Fasern zur Lichtübertragung aus für Messinstrumente schwer erreichbaren Positionen.

Bei unbeschichteten Oberflächen geht der Anwendungsbereich des erfindungsgemässen Verfahrens bis zu Rauhigkeiten im Bereich von 0.3 - 2.5 /um. Die Erfindung ermöglicht die Prüfung von bearbeiteten Flächen und bei Walzblechen die kontinuierliche Messung der Oberflächeneigenschaften beim Austritt aus dem Walzwerk sowie ein schnelles Einwirken auf die Walzbedingungen, wenn die Hessergebnisse den jeweils vorgegebenen Sollwerten nicht entsprechen.

Bei der bevorzugten Ausführungsform, welche die Messung von gegenüber den eingesetzten Messgeräten gekrümmten oder in Bewegung befindlichen Oberflächen ermöglicht, können sich verschiedene Fälle ergeben (auch entsprechend den charakteristischen Merkmalen des Verschlusses sowie der Beschaffenheit der zu prüfenden Oberfläche):

a. Der Verschluss besteht aus einer Mehrzahl von abwechselnd lichtdurchlässigen und lichtundurchlässigen Zonen, deren Breite weitgehend dem Durchmesser entspricht, welchen an der Stelle des Verschlusses ein reflektiertes Lichtbündel darbietet, das von einem Blech mit sehr glänzender und sehr regelmassxger Oberfläche zurückgeworfen wird. Bei dieser Annahme kann die vom Bündel beaufschlagte empfindliche Oberflächenzone des Empfängers im Zuge der Zeit eine über das Kurvenbild gemäss Fig. 1 darstellbare Belichtung erfahren, wobei sich eine Belichtung von praktisch Null ergibt, wenn die Strahlung eine lichtundurchlässige Zone passiert; die andere Komponente des Signals ist in Fig. 1 mit A^ bezeichnet.

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■η-

Liegt bei dieser Art von Verschluss eine Oberfläche vor, deren Glanz bzw. .Regelmässigkeit deutlich, weniger gut sind, so ist der Durchmesser des reflektierten Bündels im Verschlussbereich, wesentlich grosser und zeichnet der Smpfänger in Abhängigkeit von der Zeit ein Karvenbild ähnlich dem für das Signal Ap in B^aig. 2 auf.

Aus dem Vergleich zwischen den Kurvenbildern lässt sich bestimmen, ob ein Blech einen höheren Glanz aufweist als ein anderes oder auf ein KTennmass bezogen in seinen Glanzeigenschaften annehmbar ist.

Der Verschluss besteht aus einer Mehrzahl von abwechselnd lichtdurchlässigen und lichtundurchlässigen Zonen, wobei die Breite der lichtdurchlässigen Zonen deutlich geringer ist als der Durchmesser eines von einer als glänzend und glatt eingestuften Oberfläche reflektierten Lichtflecks. Bei dieser Annahme kann die vom Bündel geringen Durchmessers (entsprechend einem glatten Blech) beaufschlagte empfindliche Oberflächenzone des Empfängers im Zuge der Zeit eine über das Kurvenbild gemäss Fig. 3 darstellbare Belichtung erfahren, wobei der Durchtritt einer lichtundurchlässigen Zone auf die nächste die Aufzeichnung eines Signals zur Folge hat, das einem Impuls sehr ähnlich ist (CU). Ist andererseits bei einem derartigen Verschluss der Durchmesser des reflektierten Bündels deutlich grosser als im vorhergehenden Fall und bisweilen sogar grosser als die Breite des lichtundurchlässigen Bandes des Verschlusses, so schlägt sich die im Zuge der Bewegung des Verschlusses vom reflektierten Bündel beaufschlagte Zone der empfindlichen Oberfläche des Empfängers in der Aufzeichnung eines Signals der in Fig. 4 dargestellten Art (dessen Alternativwert C^, in der Zeichnung dargestellt ist) nieder.

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Diese Ausführungsform bietet den Vorteil, dass die Messung der Belichtung infolge des reflektierten Bündels beträchtlich vereinfacht wird, indem sie ohne weiteres innerhalb einer Winkelöffnung von 10 zu bewerkstelligen ist, während bei den konventionellen Verfahren die Messungen in der Mitte des reflektierten Bündels erfolgen müssen, beispielsweise entsprechend einer Öffnung in der Grössenordnung von 1/50 Grad.

Im Rahmen dieser Ausführungsform gibt es verschiedene Mittel und Wege für die Ausbildung eines den Bedingungen für die Durchführung des vorbeschriebenen Verfahrens Rechnung tragenden Verschlusses, doch wird der Vorzug einem Verschluss in Form einer mit Schlitzen versehenen Scheibe (wobei die Empfängerzelle hinter der Scheibe angeordnet ist - !"ig. 5 und 6) oder eines ebenfalls mit Schlitzen ausgestatteten Zylinders (wobei die Empfängerzelle im Innern des Zylinders liegt - Fig. 7 ^un<i 8) gegeben.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung dieser Ausführungs form des vorbeschriebenen Verfahrens wird ausserdem die von einem Blech an der geweiligen Stelle gesamtreflektierte Lichtstärke gemessen, wodurch sich der Glanz des Blechs bestimmen lässt (Übereinstimmung oder Unterschied zwischen den Messwerten gemäss dem vorbeschriebenen Verfahren und der gesamtreflektierten Lichtstärke). Es lassen sich hierbei zweckmässigerweise zwei Verfahren anwenden, nämlich:

- Messung der Komponente der über die Verschlüsse empfangenen Signale in kontinuierlicher Form;

- Ableitung eines Teils des reflektierten Bündels auf eine zweite fotometrische Zelle mittels einer halblicht-

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durchlässigen Lamelle mit Anordnung oberhalb des Verschlusses (bezogen auf den Verlauf der reflektierten Strahlung).

Nach einer v/eiteren vorteilhaften Ausgestaltung dieser Ausführungsform lassen sich bei Oberflächen, deren relative Lage innerhalb weiter Bereiche variieren kann, die Veränderungen des reflektierten Bündels in Richtung und Lage dadurch verringern, dass die Laser-Strahlung nacheinander vor Erreichen der Oberfläche, deren Reflexionskraft gemessen v/erden soll, auf zwei Planspiegel geleitet wird, wobei der erste dieser Planspiegel relativ zum Laser feststeht und der zweite parallel zur Oberfläche des Blechs in seinem Messpunkt angeordnet ist.

Die Schrägparallellität zwischen den auf den zweiten Spiegel auftreffenden Strahlen und den von der Oberfläche zurückgeworfenen äussert sich bei einer Verlagerung der Oberfläche in einer einfachen Verschiebung des reflektierten Lichtbündels, das in sich bei seiner Verschiebung weitgehend parallel bleibt, was die durchzuführende Messung vereinfacht.

Liegt eine besonders glatte und glänzende Oberfläche vor, so lässt sich die sehr geringe Divergenz des Laserbündels künstlich vergrössern, indem dieses durch ein Teleskop geleitet wird, für das (bei einem Laserbündel) das folgende Verhältnis gilt:

Ausgangsdivergenz = Eingangsdivergenz χ

was die Messgenauigkeit selbst im vorgenannten Falle verbessert.

PATENTANSPRÜCHE

Claims

PATENTANSPROCHE;

ΐΛ Verfahren zur Prüfung der Qualität von wahlweise be- ^-— schichteten Oberflächen, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche mit einem Lichtbündel eines Lasers von geringer Energie unter einem insbesondere schrägen Einfallswinkel beaufschlagt und der Öffnungswinkel des reflektierten Lichtkegels unter den Prüfbedingungen bestimmt werden und daß die Größe des Öffnungswinkels als mit dem Ausmaß der Oberflächenunregelmäßigkeit größer werdender Meßwert verwendet wird,

2, Verfahren nach Anspruch I₉ dadurch gekennzeichnet, daß der Öffnungswinkel des reflektierten Lichtkegels durch Messung der Winkelöffnung entsprechend einem'bestimmten Prozentsatz reflektierten Lichts bestimmt wird,

3, Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der reflektierte Lichtkegel auf einem Schirm aufgefangen wird, und daß die Abmessungen des diesem Prozentsatz der gesamten reflektierten Lichtstärke entsprechenden Lichtflecks bestimmt werden,

H, Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das prozentual reflektierte Licht in einem Kegel mit geringer Winkelöffnung von insbesondere etwa o,2 Grad koaxial zum Reflexionskegel gemessen wird.,

5, Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die von der Oberfläche in Form eines mehr oder weniger trichterförmigen Bündels reflektierte Strahlung zum größten Teil und insbesondere vollständig von einem lichtempfindlichen Detektor erfaßt und

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ORlGtNAL INSPECTED

- ±3— JL'

durch eine oder mehrere lichtdurchlässige Zonen eines in Bewegung befindlichen Verschlusses mit abwechselnden lichtundurchlässigen und lichtdurchlässigen Abschnitten geleitet wird, und daß eine Messung der alternativen Komponente des vom lichtempfindlichen Detektor gelieferten Signals erfolgt,

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das reflektierte Bündel nacheinander auf mindestens eine lichtdurchlässige und eine lichtündurchlässige Zone und insbesondere auf eine Folge von mehreren abwechselnd lichtundurchlässigen und lichtdurchlässigen Zonen trifft,

7. Verfahren nach den Ansprüchen 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Verschluß aus einer Mehrzahl von abwechselnd lichtdurchlässigen und lichtundurchlässigen Zonen verwendet wird, deren Breite weitgehend dem Durchmesser entspricht, welchen im Bereich des Verschlusses ein Lichtbündel darbietet, das von einem Blech mit sehr glänzender und sehr regelmäßiger Oberfläche reflektiert wird,

8. Verfahren nach den Ansprüchen 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Verschluß aus einer Mehrzahl von abwechselnd lichtdurchlässigen und lichtundurchlässigen Zonen verwendet wird, wobei die Breite der lichtdurchlässigen Zonen deutlich geringer ist als der Durchmesser eines von einer als glänzend und glatt eingestuften Oberfläche reflektierten Lichtbündels,

9-, Verfahren nach den Ansprüchen 5 bis 8 _? dadurch gekennzeichnet, daß ein Verschluß in Form einer mit Schlitzen versehenen Scheibe verwendet wird,.

io> Verfahren nach .den Ansprüchen. 5 .bis 8, dadurch gekeiin-* zeichnet, daß ein Verschluß in.form eines., mit Schlitzen versehenen Zylipders verwendet wird..

11, Verfahren nach den Ansprüchen. 5 bis, ίο^ daääp.eh_r gekennzeichnet , daß die von einem-Blech an- der. jeweiligen Stelle gesamtreflektierte Lichtstärke gemessen wird»

12, Verfahren nach Anspruch 11, .dadurch .gekennzeichnet ^ daß einerseits die Meßergebnisse gemäß Anspruch 5 bis Io und andererseits die- Meßergebnisse gemäß Anspruch _!! durch ^Division oder Subtraktion aufeinander bezogen werden,

13, Verfahren nach den Ansprüchen 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Messung.der gesamtreflektierten Stärke durch Messung der Komponente der über die Verschlüsse empfangenen Signale in kontinuierlicher Form erfolgt,

14-, Verfahren nach den Ansprüchen 11 oder.12, dadur.ch gekennzeichnet a daß die Messung der .gesamtreflektierten Stärke erfolgt durch Ableitung eines. Teils des. reflektierten Bündels auf eine zweite fotometrische Zelle mittels einer halblichtdurchlässigen Lamelle mit Anordnung oberhalb des Verschlusses j bezogen auf den Verlauf der reflektierten Strahlung, . . .- .

15, Verfahren nach den Ansprüchen 5. bis IH, dadurch gekennzeichnet, daß bei Oberflächen,- deren relative Lage- gegenüber dem Meßinstrument innerhalb weiter Bereiche variieren kann, die richtungs- und lagemäßigen .Veränderungen verringert werden, indem die Laser-Strahlung nacheinander vor Erreichen der, Oberfläche, deren Reflexionskraft gerne s"ä en werden soll, auf zwei Planspiegel geleitet wird, wobei der erste dieser Planspiegel relativ.zum Laser

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BAD ORIGINAL

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feststeht und der zweite parallel zur Oberfläche des Blechs in seinem Meßpunkt angeordnet ist,

16, Verfahren nach den Ansprüchen 5 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß beim Vorliegen einer besonders glatten bzw. glänzenden Oberfläche die Laser-Strahlung vor Auftreffen auf die lichtempfindliche Oberfläche und insbesondere vor Auftreffen auf die zu prüfende Fläche durch ein Teleskop geleitet wird,

17, Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1- bis 4-, dadurch gekennzeichnet, daß sie

- eine Lichtquelle in Form eines schwachen Lasers für kontinuierlichen Einsatz,

- Mittel zur genauen Fixierung der Richtung des reflektierten Bündels bzw, erforderlichenfalls zur Korrektur dieser Richtung, und

- Mittel zur Bestimmung des Öffnungswinkels des reflektierten Lichtkegels durch Messung der Lichtstärke, der Abmessungen eines Lichtflecks oder der Stärkeverteilung im Lichtfleck aufweisst,

18, Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß weitere Elemente, insbesondere optische Fasern zur Lichtübertragung aus für Meßinstrumente schwer erreichbaren Positionen, vorgesehen sind.