DE3131084A1

DE3131084A1 - "anordnung zur gerad- und ebenheitsmessung"

Info

Publication number: DE3131084A1
Application number: DE19813131084
Authority: DE
Inventors: Roland DDR 6902 Jena-Neulobeda Jahn; Gerhard DDR 6900 Jena Körbs; Gerd Dr. DDR 6902 Jena-Neulobeda Schuchardt
Original assignee: Jenoptik Jena GmbH
Current assignee: Jenoptik AG
Priority date: 1980-11-03
Filing date: 1981-08-06
Publication date: 1982-06-09
Also published as: FR2493512A1; CH654915A5; GB2087082B; JPS57114804A; DD159362B1; GB2087082A; DD159362A1; FR2493512B1

Description

H.

Anordnung zur Gerad- und Bbenheitsmessung

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Gerad- und Bbenheitsmessung, insbesondere für große Meßflächen, die mindestens aus zwei flüssigkeitsgefüllten sowie auf einer Meß- und einer Referenzfläche angeordneten kommunizierenden Gefäßen besteht, in denen sich jeweils eine Membran und ein ihr zugeordneter Geber befinden, an dessen Ausgang von der Membranhöhe bzw. -ausdehnung abhängige elektrische Signale anliegen, die über einen Differenzbildner einem Meßverstärker zugeführt werdeni der ausgangsseitig über eine Filterstufe mit einer Anzeige- bzw. Auswertestufe in Verbindung steht.

Aus der JD-PS 125 440 ist das Meßprinzip bekannt, mit zwei oder mehreren kommunizierenden Gefäßen, in denen eine Flüssigkeit je nach relativer vertikaler Lage der Gefäße zueinander jeweils eine mit einem Geber in Verbindung stehende Membran auslenkt. Aus diesen Auslenkungen werden elektrische Signale gewonnen, die nach Differenzbildung verstärkt, gefiltert und angezeigt bzw. ausgewertet werden. Bin Uachteil dieses Meßprinzipes ist es, daß die erreichbare Präzision durch Einflüsse von Volumeneffekten in den Gefäßen auf die Meßsignale in erheblicher Weise beeinträchtigt wird. Diese Volumeneffekte sind Volumenänderungen, die vor allem durch Schlauchdeformationen bei Bewegungen der Gefäße auftreten. Dieser Umstand fällt um so stärker ins Gewicht, je größer die Meßflächen sind und je größer der Abstand der Meßstellen, d.h. der Gefäße, voneinander ist. Damit werden

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Meßgenauigkeit I)ZWe die Anwendbarkeit des Meßsystems stark reduziert. Folumenänderungen in den Gefäßen können außerdem durcia klimatische Bedingungen, wie ZeB₀ Temperatureinflüsse der Gefäßwände und des? !Flüssigkeit} hervorgerufen werden«. Der Einfluß auf das Meßsignal ist dadurch begründet, daß nicht wie bei einer freien Hüssigk© its oberfläche durch Differenzbildung der Gebersignala infolge gleicher Beträge des Ansteigens oder Absinkens der Flüssigkeitsoberflache auf beiden Seiten des kommunizierenden Systems infolge YoIumenänderungen das resultierende Signal invariant ist, sondern daß die Membranen in ihrer integral auf die Flüssigkeitsoberfläche wirkenden lederkonstanten nicht genau gleich sind und dadurch bei ¥olumenänderungen unterschiedliche Membranwege auftreten« unterschiedliche Memvranwege bewirken unterschiedliche Gebersignale«, wodurch die Genauigkeit des Meßergebnisses beeinträchtigt wird»

Ziel der Erfindung ist die Erhöhung der Meßgenauigkeit und -sicherheit sowie die universeller® Anwendbarkeit, insbesondere zum Messen von großen Flächen«.

Der Erfindimg liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zur Gerad- und Sbenheitsmessung zu schaffen, bei der 'Volumenänderungseffekte in den flüssigkeitsgefüllten kommunizierenden Gefäßen das Meßergebnis nicht beeinträchtigen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einer Anordnung zur Gerad- und Ebenheitsmessung, insbesondere für große Meßflächen, die mindestens aus zwei flüssigkeitsgefüllten sowie auf einer Meß- und Beferenzflache angeordneten kommunizierenden Gefäßen besteht, in denen sich jeweils eine Membran und ein ihr zugeordneter Geber befinden, an dessen Ausgang von der Membranhöhe bzw. -ausdehnung abhängig® elektrische Signale anliegen ₉ die über einen Differenzbildner einem Meß"verstärker zugeführt werdea₉ der ausgangsseitig über eine Filterstufe mit einer Anzeige- bzw. Auswertestufe in Verbindung steht, dadurch gelöst, daß der Ausgang jedes Gebers über eine in Abhängigkeit der Membraneigeaschaften der dem Geber je-

weils zugeordneten Membran einstellbare Bewertungsstufe mit dem Differenzbildner in Verbindung steht. Bs ist vorteilhaft, wenn jede Bewertungsstufe aus zwei Spulen besteht und wenn die Spulen der Bewertungsstufen als Differentialspulensystem mit einem einstellbaren Kern zur jeweils paarweisen Erregung der Spulen angeordnet sind. Ebenfalls ist von Vorteil, wenn Mittel zur Volumenänderung in den kommunizierenden Gefäßen zur Gewinnung von Einstellgrößen der Bewertungsstufen vorgesehen sind· Von Vorteil ist weiterhin, wenn als Geber jeweils ein induktiver Wandler vorgesehen ist, dessen in einer Spule beweglicher Kern starr mit der Membran verbunden und mittels einer Eeder, vorzugsweise einer Blattfeder, vertikal geführt ist. Vorteilhaft ist es hingegen auch, wenn als Geber jeweils ein kapazitiver landler vorgesehen ist, dessen bewegliche Elektrode, die sich vertikal parallel zur festen Elektrode bewegt, starr mit der Membran verbunden und mittels einer Feder, vorzugsweise einer Blattfeder, vertikal geführt ist· Darüberhinaus ist es von Vorteil, wenn für Meßflächen, insbesondere mit größeren vertikalen Oberflächenabweichungen, die Höhenkoordinate der Referenzfläche meßbar veränderbar ist. Volumeneffekte durch Volumenänderungen, die das Meßergebnis verfälschen, werden durch unterschiedliche Eigenschaften der Membranen in den kommunizierenden Gefäßen hervorgerufen. Diese unterschiedlichen Eigenschaften bewirken unterschiedliche elektrische Signale an den Gebern als Reaktion auf die Volumenänderung. Erfindungsgemäß werden die elektrischen Gebersignale so beeinflußt, daß sie in Abhängigkeit der Membraneigenschaften jeweils einstellbar gesteuert werden können. Diese Steuerung erfolgt in Bewertungsstufen, die jeweils den Gebern elektrisch nachgeschaltet sind. Auf diese Art und Weise werden die Gebersignale vor der Differenzbildung mit Kompensationsgrößen bewertet, die den mechanischen Eigenschaften der Membranen entsprechen. Diese Kompensationsgrößen werden vorzugsweise durch Anwendung an sich bekannter Mittel zur Herbeiführung einer künstlichen Volumenänderung (z.B. llüssigkeitsverdrängung) ermittelt. Aus dieser Volumenänderung wer-

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den die von den unterschiedlichen Membraneigenschaften bewirkten unterschiedlichen elektrischen Signale ausgewertet und daraus die Kompensationsgrößen abgeleitet* Für die Bewertungsstufen kann Torteilhaft ein Differentialspulensystem verwendet werden, mit dessen variierbarem Kern jeweils die Erregung der Spulen so steuerbar ist, daß die Größen der Gebersignale in Relation zueinander verändert werden« In einer Brückenschaltung der Geber und des Differential spul ensystems kann vorteilhafterweise durch diese Brückenschaltung gleichseitig der Differenzbildner realisiert werden*, Grundvoraussetzung sowohl für die Genauigkeit des Meßvorgangr. an sich als auch für die Präzision der Kompensation der Gebersignale in den Bewertungsstufen ist die Linearität des Meßsystemsj, d®h_e ein linearer Zusammenhang zwischen der mechanischen Höhenänderung und deren Erfassung, Messung und Anzeige«, für die Gewährleistung &±©©©r Linearität ist der Geber und seine Verbindung aur Hembraa eise kritische Stelle „ Deshalb ist es vorteilhaft, als Geber an sich bekannte sehr lineare induktive oder kapazitive Wandler einzusetzen, ohne daß auslenkungsabhangige Luftspaltänderungen die "Wandlersignale durch Uichtlinearitäten verfälschen· Dabei soll eine starre Yerbindung vom mechanischen Fühler zur beweglichen Membran bestehen, die durch Federkraft in der Bewegungsrichtung zur reibungsfreien Bewegung stabilisiert wird. Der Linearitätsbereioh der Meßanordnung ist nicht unbeschränkte Mit der Erfindung wird das bekannte Meßprinzip mit entsprechender Genauigkeit und Zuverlässigkeit auf das Messen von sehr großen mächen erweitert, da Volumenausdehnungseffekte, insbesondere durch Schlauchdeformationen ₉ das Meßergebnis nicht mehr verfälschen ο Beim Prüfen von Meßflächen, deren Geometrie erheblich von der Ebene abweicht? wird der Liaearitätsbereich des Meßsystems u»U, bis an die Grenzen oder darüber hinaus beanspruchte

Um dennoch die Linearität für die Genauigkeit und Zuverlässigkeit des Meßergebnisses an sich sowie insbesondere für die diese Präzision mitbegriindende erfindungsgemäße Kompensation sicher zu gewährleisten, ißt ee aweclcmäßig, die Höhctücoordinate der Referenzfläche veränderbar zu gestalten«

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Somit werden unterschiedliche Oberflächenniveaus mit entsprechender Präzision durch punktweise Abtastung mit dem Meßprinzip zur Ebenheitsmessung erfaßt. Durch Messung der Höhenkoordinatennachführung läßt sich darüberhinaus gleichzeitig ein Maß für die Oberflächenunterschiede der Meßfläche gewinnen.

Die Erfindung soll nachstehend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werdenί In der Zeichnung zeigen:

Fig 1j Prinzipanordnung zur Gerad- und Ebenheitsmessung mit den erfindungsgemäßen Bewertungs stufen.

Pig 2ί Differentialspulensystem als vorteilhafte Ausführungsform der Bewertungsstufen.

Pig 3* Kopplung eines induktiven Wandlers als Geber durch starre Verbindung mit der Membran in einem. Gefäß mit Tragegestell·

In Pigur 1 ist eine Anordnung zur Gerad- und Bbenheitsmessung dargestellt, die nach dem Prinzip der Meßanordnung der DD-PS 125 440 arbeitet.

Zwei Gefäße 6 und 7_} die mit Flüssigkeiten 8 und 9 gefüllt sind, werden über eine Röhre 16 miteinander kommunizierend verbunden. Die Gefäße 6, 7 sind jeweils durch eine Membran bzw. 11 oben abgeschlossen· Auf den Gefäßen 6, 7 sitzen Traggestelle 14, 15· In den Traggestellen 14, 15 sind jeweils ein Geber 12 bzw· 13 angeordnet, deren Meßfühler 30 bzw. jeweils mit der Membran 10 bzw. 11 in Verbindung stehen. Das Gefäß 6 sitzt mit einem Taster 29 auf einer zu prüfenden Oberfläche 2 auf, während das Gefäß 7 auf einem. Traggestell ruht, das auf einem Fundament 20 ortsfest angeordnet ist. Die Röhre 16 besitzt eine Kammer 32 mit einer Einstellschraube 33.Ausgangsseitig stehen die Geber 12, 13 über Leitungen und 22 und über Bewertungsstufen 34, 35 mit einem Differenzbildner 23 in Verbindung, dessen Ausgang über eine Leitung mit einem Meßverstärker 24 verbunden ist· Die Ausgangssignale des Meßverstärkers 24 gelangen über ein Filter 25 auf eine Registriere in h eit 26.

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Durch die Oberfläche 2 Ist das Gefäß 6 über den Taster 29 vertikal veränderbar In Abhängigkeit der relativen vertikalen Lagen der Gefäße 6 und 7 werden durch das kommunizierende Gefäßsystem mit den flüssigkeiten 8 und 9 die Membranen 10 und 11 ausgelenkte Diese Auslenkungen werden durch die Geber 12, 13 erfaßt mi in elektrisch© Signale umgewandelt. Da das Gefäß 7 auf dam Eunda&eat 20 ortsfest aufsitzt, beinhalten die Ausgangssignale der Geber 12 und 13 an den Leitungen 21 und 22 Informationen ub©r die Höhenkoordinaten der Oberfläche 2 bzw«, über deren Ebenheit _? so daß nach dem Schlauchvvaagenprinaip die Oberflächengeometrie bestimmt werden kann_e Aus diesen Signalen wird die Differenz gebildet und anschließend im Meßverstärker 24 verstärkt. Im Filter wird dieses Meßsignal₉ eine Quasl-^leichspannungj vom Spektrum der Störsignale, <äi© tos? allem, durch Schwingungen am Aufstellort hervorgerufen werden,, getrennt. Die Meßgröße wird nach der !Filterung mittels der Eegistriereinheit 26 registriert bzw» angezeigte Der angezeigte Meßwert ist direkt ein-Maß für die Geometrie der Oberfläch© 2* Die Membranen 10 und 11 sind dehnbar© Gebilde, die in ihrer integral auf di© · !Flüssigkeiten, 8 und 9 wirkenden Federkonstanten nicht genau gleich sind© Die Membraneigenschaften sind von einer Vielzahl von Faktoren, wie Material, lorm, technologische Parameter usw® abhängig® Unterschiedliche Membrane igenschaften bewirken jedocJi voneinander abweichende Auslenkungen der Membranen 10 und 11 bei unterschiedlichen lembranausdehnungene Die folge davon sind Verfälschungen des Meßergebnisses, wenn si©h das Yolumen der Flüssigkeiten 8 und 9 änderta Derartige Tolumenänderungen können sowohl durch klimatische Bedingungen als auch durch Deformation der Röhre hervorgerufen werden» Um diese l'ehlereiaflüsse zu kompensieren j sind in den leitungen 21 und 22 den Gebern 12 und jeweils die Bewertungsetufen 3^ uM 35 nachgeschaltet, in denen jeweils das Gebersignal in Abhängigkeit von den Membraneigenschaften der dem Geber 12 baw* 13 jeweils zugeordneten Membran 10 bzw, 11 gesteuert wird_e Die elektrischen Korrekturgrößen für die mechanisch unterschiedlichen Membraneigenschaften werden vorteilhaft'durch künstlich bewirkte ¥olumenän-

änderungen mittels der Einstellschraube 33 in der Kammer 32 ermittelt. Nach Korrektur der elektrischen Gebersignale ist das Differenzsignal an der Leitung 27 unabhängig von Volumenänderungseffekten. Die Meßanordnung wird damit universell anwendbar nicht nur für unterschiedliche klimatische Bedingungen, sondern auch für das Messen von sehr großen Oberflächen, wofür die Röhre 16 vorzugsweise durch, einen Schlauch realisiert wird. Für diese Beweglichkeit und Länge des Schlauches ist die Gefahr von Deformationen leicht gegeben. Fig 2. zeigt eine vorteilhafte Ausgestaltung der Bewertungsstufen, indem jede Bewertungsstufe aus zwei Spulen besteht. Zwei Spulen 36 und 37 bilden die Bewertungsstufe 34, während die Bewertungsstufe 35 durch zwei Spulen 38 und 39 realisiert wird. Die Spulen 36, 37, 38, 39 sind als Differentialspulensystem angeordnet, indem ein Kern 40 bewegbar ist. Durch Veränderung des Kerns 40 werden die Spulen 36 und 37 sowie 38 und 39 jeweils paarweise in ihrer Induktivität und damit in ihrem induktiven Widerstand verändert, so daß mit der Einstellung des Kerns 40 eine Beeinflussung der Gebersignale zueinander möglich ist.

In Fig 2 ist eine Brückenschaltung der Geber 12,. 13 mit dem . Differentialspulensystem aus den Spulen 36, 37j 38, 39 gezeigt. Zwei Spulen 41 und 42 symbolisieren dabei die veränderbaren Induktivitäten eines induktiven Wandlers als Geber 12. In gleicher Weise ist der Geber 13 dürca zwei weitere veränderbare Spulen 43, 44 dargestellt· Über zwei Leitungen 45 und 46 wird an diese Brückenschaltung eine Versorgungsspannung U-y herangeführt. Die miteinander verbundenen Anschlüsse der Spulen 43 und 44 des Gebers 13 liegen an Masse, während die miteinander verbundenen Anschlüße der Spulen 43 und 44 über die Leitung 27 (siehe Fig 1!) mit dem "Meßverstärker 24 gekoppelt sind. Mit dieser Brückenschaltung wird vorteilhafterweise gleich der Differenzbildner 23 realisiert. Durch Beseitigung des störenden Einflusses der Membraneigenschaften bei unterschiedlichen Ausdehnungen der Membran auf das Meßergebnis ist die Meßanordnung auch für größere Membranauslenkungen mit entsprechender Genauigkeit anwendbar.

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Voraussetzung dafür ist jedoch, ein entsprechender Linearitätohereich in der Erfassung, Verarbeitung und Anzeige des Vertikalweges _o !Figur 3 sseigt eine vorteilhafte Kopplung 10 des Gebers 12 mit der Membran 10 zur Gewährleistung dieser Linearität _β Hs Geber 12 dient ein induktiver Wandler, bei dem in einen Spulensystem. 47 mit mindestens 2 Anschlüssen 48 und 49 ein Kern 50 bewegt wird_o Dieser Kern ist über einen Träger y\ mit zwei Befestigungselementen 52 und 53 mit der Membran 10 starr verbunden» Der Träger 51 wird mittels einer an dem Traggestell 14 mit einem Befestigungselement 54 befestigten Blattfeder ^ geführte D!<3 Bewegung $0Θ Kerno 50 wird auf dieser Art und Weise j da di© Membran 10 ein schwimmendes Gebilde darstellt j auf eine einzige Bewegungsrichtung stabilisiert* Das Spulensystem 47 ist so am Traggestell 14 enge ordnet, daß der Kern 50 im Spulensystem reibungsfreie Bewegungen ausführen kann« Diese Membran-Geber-Kopplung zeichnet sich durch sehr lineare Eigenschaften aus_$ insbesondere da keine Uichtlinearitäten durch einen kapazitiven oder induktiven Luftspalt auftreten» Ils Geber kann auch ein kapazitiver Wandler eingesetzt -werden, dessen Elektroden beispielsweise vertikal parallel ineinander tauchen«, Der Linearitätsbereich bei der Messung und damit bei der Kompensation der Auswirkung von Volumenanderungseffekten ist allerdings nicht unbegrenzt. Insbesondere beim Messen von sehr großen flächen, für die das Meßverfahren durch die erfindungsgemäßen Mittel anwendbar gemacht wird, tretenj wenn die. Geometrie der Oberfläche keine exakte Ebene ist, Höhenunterschiede auf, durch die der Linearitätsbereich bis an die Grenze und eventuell darüber beansprucht wird» Um denoch die volle Linearität der Meßwerterfassung bis zur Anzeige für die Genauigkeit der Messung zu gewährleisten, ist es vorteilhaft, durch in der Zeichnung nicht dargestellte Mittel die vertikale Lage des Gefäßes 7 veränderbar (nachführbar) zu gestalten* Durch hochgenaue Messung in der Positionierung dieser vertikalen Lage des Gefäßes 7 kann darüberhinaus ein Maß für die Höhenabweichung auf der zu prüfenden Oberfläche 2 gewonnen werden· Damit wird die Messung unebener Oberflächen auf eine punktweise oder bereichsweise Ebenenvergloichsmessurig zurückgeführt»

Leerseite

Claims

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Patentansprüche s

Anordnung zur ß®rad- und Ebenheitamessuag, insbesonere für große ffießflächen₉ die mindestens aus zwei flüssigkeiiegefülltais aowie auf einer Meß- und einer Beferenzflache angeordneten kommunlsierejnSejB Gefäßen besteht_β in denen sich jeweils eine Membran und ein ihr zugeordneter Geber befinden, an dessen Ausgang yon der Membranhöhe bzw₀ -ausdehnung abhängig® elektrische Signale anliegen, die über einen Differensbildner einem Meßverstärker zugeführt werden, der ausgangsseitig über eine Filterstufe mit einer Anzeige» baw. Auswertestufe in Yerbindung steht_g gekennzeichnet dadurch^ daß der Ausgang jedes Gebers über eine in Abhängigkeit der Membraneigenschaften der dem Geber jeweils zugeordnetes Membran einstellbare Bewertungsstufe mit dem Differentbildner in Terbindung steht_β

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Patentansprüche:

i— 125 440, insbesondere für große Meßflächen, destens aus zwei flüssigkeitsgefüllten sowiie auf einer Meß- und einer Referenzfläche angeordns>tien. kommunizierenden Gefäßen besteht, in denen sieh^jfeweils eine Membran und ein ihr zugeordneter Geber beiinden, an dessen Ausgang von der Membranhöhe^izw. -ausdehnung abhängige elektriöche Signale anliegen, die über einen Differenzbildner einem Meßver^tiarker zugeführt werden, der ausgangsseitig über^gine Filterstufe mit einer Anzeigebzw, Auswerte^ufe in Verbindung steht, gekennzeichnet dadurch, d£!ß der Ausgang jedes Gebers über eine in Abhängigkeit der Membraneigenschaften der dem Geber je-

zugeordneten Membran einstellbare Bewertungsstufe

2· Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß jede Bewertungs. stufe aus zwei Spulen besteht und daß die Spulen der Bewertungsstufen als Differentialspulensystem mit einem einstellbaren Kein zur jeweils paarweisen Erregung der Spulen angeordnet sind.

3· Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß Mittel zur Volumenänderung in den kommunizierenden Gefäßen zur Gewinnung von Einstellgrößen der Bewertungsstufen vorgesehen siad·

4. Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß als Geber jeweils ein kapazitiver Wandler vorgesehen ist, dessen in einer Spule beweglicher Kern starr mit der Membran verbunden und mittels einer Peder, vorzugsweise einer Blattfeder, vertikal geführt ist·

5· Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß als Geber jeweils ein kapazitiver Wandler vorgesehen ist, dessen bewegliche Elektrode, die sich vertikal parallel zur festen Elektrode bewegt, starr mit der Membran verbunden und mittels einer Jeder, vorzugsweise einer Blattfeder, vertikal geführt ist·

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6 ₉ Anordnung -nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch., daß für Meßflächen₂ insbesondere mit größeren vertikalen Oberflächenabweichungen, die Höhenkoordinate der Referenzfläche meßbar veränderbar ist«