DE3200508C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen kombinierten Geschwindigkeits- und Längenmaßgeber gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Aus der DE-OS 21 40 129 ist ein optisches Meßverfahren bekannt zur Messung der Geschwindigkeit eines Objektes beziehungsweise des vom Objekt zurückgelegten Weges. Bei diesem Meßverfahren wird vom Objekt reflektiertes oder emit­ tiertes Licht über eine Rasterblende auf einen optischen Geber geleitet, wobei die Rasterblende mehrere senkrecht zur Bewegungsrichtung verlaufende Rasterstege hat. Dem vom Geber erfaßten optischen Signal ist eine Impulsfolge überlagert, bei der jeder Impuls einer bestimmten vom Objekt zurück­ gelegten Wegstrecke entspricht und deren Frequenz folglich ein Maß für die Geschwindigkeit des Objektes ist. Um die Im­ pulsfolge in einfacher Weise auf optisch-elektrischem Wege von der sich langsam veränderlichen Signalkomponente zu isolieren, wird ein Teil des vom Objekt ausgehenden Lichtes über eine zweite Blende auf einen zweiten Geber geleitet. Dabei ist die zweite Blende derart ausgebildet und bemessen, daß der zweite Geber nur den sich langsam veränderlichen Mittelwert der Strahlung erfaßt. Die Differenzbildung der beiden Gebersignale besteht dann praktisch nur aus der aus­ sagekräftigen Impulsfolge. Die Messung eines Längenmaßes des Objektes senkrecht zur Bewegungsrichtung ist mit dieser Anordnung nicht möglich.

Aus der DE-Z. Technisches Messen atm 1977, Heft 718, S. 249-258 ist es bereits bekannt, zur optischen Geschwindigkeitsmessung mit Laufzeitkorrelation zwei räumlich versetzte Fotoempfänger zu verwenden, und zwischen Objektiv und diesen Fotoempfänger eine telezen­ trische Blende anzuordnen. Eine ähnliche Anordnung ist aus der SE-AS 409 907 bekannt.

Ferner ist es bekannt, eine Längenmaß eines Gegenstandes auf optischem Wege zu bestimmen, indem man beispielsweise den Gegenstand mit Hilfe eines optischen Systems auf einem Detek­ tor abbildet, der eine Reihe von fotoempfindlichen Elementen (Fotodioden o. dgl.) enthält. Durch Auswertung des Ausgangs­ signals oder der Ausgangssignale des Detektors kann man ei­ nen Meßwert für ein Längenmaß des Gegenstandes, beispiels­ weise für den Durchmesser eines langgestreckten Gegenstandes, erhalten. Längenmaßgeber dieser Art sind z. B. aus der DE-OS 29 23 240, der DE-OS 22 44 433, der DE-OS 19 23 257 oder der SE-AS 3 38 831 bekannt. Der Detektor selbst kann z. B. gemäß der DE-AS 10 52 698 oder gemäß der Zeitschrift Electronic Design, Vol. 18, Nr. 22, Oktober 25, 1970, Seite 101 aufgebaut sein.

Geber der beiden vorgenannten Arten arbeiten berührungsfrei. Sie sind daher zum Einsatz in schwierigen Umgebungen und zur Messung an Gegenständen geeignet, die beispielsweise sehr heiß sind, wofür man keine anderen Meßverfahren zur Verfü­ gung hat.

In bestimmten Fällen möchte man den Volumenfluß durch den Querschnitt an einer bestimmten Stelle einer wandernden Materialbahn bestimmen. Ein Beispiel hierfür ist ein Pro­ zeß, bei dem aus einem Behälter ein Strahl aus geschmolzenem Glas oder geschmolzenem Metall herausfließt, wobei man zur Überwachung oder Regelung des Prozesses fortlaufend den Materialfluß pro Zeiteinheit in diesem Strahl kennen möchte. Eine Messung des Volumenstromes eines solchen Strahls verur­ sacht offensichtlich große Probleme, und zwar unter anderem aufgrund des für eine Messung ungünstigen Prozeßablaufes. Ein Problem besteht darin, daß der Durchmesser eines frei rinnenden Strahls kontinuierlich nach unten hin abnimmt. Um eine gute Meßgenauigkeit zu erzielen, ist es daher notwen­ dig, den Durchmesser des Strahls an derselben Stelle zu mes­ sen, an der auch die Geschwindigkeitsmessung vorgenommen wird. Dies macht unter den normalerweise bei einem solchen Prozeß herrschenden Verhältnissen große Schwierigkeiten. Wenn beispielsweise ein Korrelationsgeschwindigkeitsmesser verwendet wird, so benötigt dieser in einem typischen Bei­ spiel eine Meßstrecke von 5 bis 10 mm. Da sich der Durchmes­ ser des Strahls oft längs des Strahls verändert, muß die Durchmessermessung so eingestellt werden, daß sie genau an der richtigen Stelle innerhalb der Meßstrecke geschieht. Diese Einstellung muß während des Betriebs der Anlage mit hoher Genauigkeit beibehalten werden. Dies ist kaum oder gar nicht zu verwirklichen, wenn für die Geschwindigkeits- und Durchmessermessung verschiedene Instrumente verwendet wer­ den. Die Einstellung muß auf jeden Fall nach der Demontage oder dem Austausch eines Instrumentes wiederholt werden, was eine zeitraubende Betriebsunterbrechung verursacht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Geber der eingangs genannten Art zu entwickeln, mit dem es auf einfache und ökonomisch vorteilhafte Weise möglich ist, gleichzeitig und mit großer Genauigkeit die Geschwindigkeit und zum Bei­ spiel den Durchmesser einer bewegten Materialbahn zu messen. Ferner soll bei dem Geber die Stelle für die Längnmaßmessung in einfacher Weise exakt auf die gewünschte Lage im Verhält­ nis zu der Stelle, an der die Geschwindigkeitsmessung er­ folgt, einstellbar sein und in dieser Lage gehalten werden können.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein kombinierter Geschwindig­ keits- und Längenmaßgeber der eingangs genannten Art vorge­ schlagen, welcher erfindungsgemäß die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 genannten Merkmale hat. Vorteilhafte Weiter­ bildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen genannt.

Anhand der Figuren soll die Erfindung näher erläutert wer­ den. Es zeigt

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel für den Aufbau eines Gebers gemäß der Erfindung,

Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel für eine Anordnung zur Auswertung der Ausgangssignale des Gebers zur Messung des Materialflusses einer bewegten Materialbahn.

Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel für den Aufbau eines Gebers nach der Erfindung. Der Geber dient zur Messung der Geschwindigkeit und des Durchmessers einer Materialbahn A, die sich mit der Geschwindigkeit v am Geber vorbei bewegt. Die Materialbahn kann z. B. ein Strahl aus geschmolzenem Glas mit kreisrundem Querschnitt sein, der aus einem Behälter herausrinnt. Der heiße Glasstrahl strahlt Wärme aus, die von einer Objektivlinse OB mit der optischen Achse OA aufgefangen wird. Hinter dem Objektiv befindet sich ein halbdurchlässiger Spiegel SL, der einen Teil der Strahlung zur Seite hin zu einer Blende B 2 und einem Detek­ tor PD 3 ablenkt, die zur Messung des Durchmessers des Strahls A verwendet werden. Der Teil der Strahlung, der in Richtung der optischen Achse weiterverläuft, fällt auf eine Blende B 1 und eine Spaltplatte SP. Die Blende B 1 ist in der Brennebene des Objektives plaziert. Hierbei kann es sich um eine Loch­ blende handeln. Die Blende kann aber auch zur Vergrößerung der die Blende passierenden Strahlungsmenge als langgestreck­ ter Spalt ausgebildet sein, dessen Längsachse senkrecht zur Zeichnungsebene liegt. Die Spaltplatte SP hat zwei langge­ streckte Spalten S 1 und S 2, deren Längsachsen senkrecht zur Zeichnungsebene liegen. Die Spalten können beispielsweise eine Breite von 0,8 mm und ienen gegenseitigen Abstand von 4 mm haben. Die Abstände zwischen dem Objekt A und dem Objektiv OB sowie zwischen den Objektiv und der Spaltplatte sind so ge­ wählt, daß das Objektiv das Objekt in der Ebene der Spalt­ platte abbildet. Ein Punkt P 1 auf dem Objekt A wird also als ein Punkt im Spalt S 1 abgebildet, und ein Punkt P 2 wird als ein Punkt im Spalt S 2 abgebildet.

Die Blende B 1 schirmt alle vom Objekt kommenden Strahlen ab, außer den Strahlen, die zwischen dem Objekt und dem Objektiv ungefähr parallel zur optischen Achse verlaufen. Hierdurch erreicht man eine geringere Empfindlichkeit gegen Änderungen des Abstandes zwischen Objekt und Objektiv. Hierzu trägt auch die größere Tiefenschärfe bei, die man durch die Blende er­ hält.

Die durch die Spalte S 1 und S 2 hindurchtretende Strahlung ge­ langt über ein verspiegeltes Prisma PR und Linsen L 1 und L 2 zu den Fotodetektoren PD 1 und PD 2, bei denen es sich um Foto­ dioden handeln kann. Die Linsen L 1 und L 2 können zweckmäßig so angeordnet sein, daß sie die Blende B 1 auf den strahlungs­ empfindlichen Flächen der Detektoren abbilden. Das Ausgangs­ signal des Detektors PD 1 entspricht der Strahlung, die von einer zur Zeichenebene senkrechten Linie durch den Punkt P 1 ausgeht, während das Ausgangssignal des Detektors PD 2 der Strahlung entspricht, die von einer entsprechenden Linie durch den Punkt P 2 ausgeht. Die Strahlung von der Oberfläche des Objektes weist Variationen zwischen verschiedenen Punkten auf der Oberfläche auf. Diese Variationen verursachen zeit­ liche Variationen in den Ausgangssignalen der Detektoren PD 1 und PD 2. Durch Bestimmung der Zeitvershiebung τ _F zwischen den Ausgangssignalen der beiden Detektoren kann die Geschwindigkeit v des Strahls A aus der Beziehung

bestimmt werden, wobei L _F die Meßstrecke des Gebers, d. h. der Abstand zwischen den Punkten P 1 und P 2 ist.

Die vom Spiegel SL abgelenkte Strahlung fällt auf eine in der Brennebene des Objektives angeordnete Blende B 2. Diese hat einen langgestreckten Spalt, der mit seiner Längsachse in der Zeichenebene liegt. Die Wirkung dieser Blende ist dieselbe, wie die der obenbeschriebenen Blende B 1. Die die Blende passierende Strahlung fällt auf einen Detektor PD 3, der so plaziert ist, daß Punkte P 3 längs einer zur Be­ wegungsrichtung der Materialbahn senkrechten Linie auf der Oberfläche des Objektes auf dem Detektor abgebildet wer­ den. Der Detektor kann zweckmäßig in an sich bekannter Wei­ se mit einer Reihe von Fotodioden versehen sein, die längs einer senkrecht zur Zeichenebene der Figur verlaufenden Linie angeordnet sind. Eine dieser Dioden (D _n) ist schema­ tisch in der Figur gezeigt. Indem gemessen wird, welche oder wie viele Dioden von der Strahlung des Objektes getroffen werden, kann der Durchmesser des Strahls A in an sich bekann­ ter Weise bestimmt werden.

Der so ermittelte Durchmesserwert entspricht dem Durchmes­ ser der Materialbahn an der Stelle der Punkte P 3. Durch Ver­ schiebung des Detektors PD 3 in seitlicher Richtung, also in Richtung des in Fig. 1 gezeigten Doppelpfeiles kann die Lage der von der Messung erfaßten Punkte PD 3 in Längsrichtung des Strahls A verschoben werden. Beispielsweise ist es in dem Fall, in dem der Geber zur Bestimmung des Volumenflusses des Strahls A benutzt wird, wichtig, daß der nach unten kon­ tinuierlich abnehmende Durchmesser an der richtigen Stelle, d. h. an der Stelle gemessen wird, an der der Durchmesser der vom Geschwindigkeitsgeber gemessenen Durchschnittsgeschwin­ digkeit zwischen den Punkten P 1 und P 2 entspricht. Wenn der Detektor PD 3 mit einer geeigneten Einstellvorrichtung z. B. einer Einstellschraube o. dgl., versehen wird, so kann die Lage der Punkte P 3 mit großer Genauigkeit eingestellt wer­ den. Sämtliche in Fig. 1 gezeigten Bauteile sind zweck­ mäßigerweise zu einer mechanischen Einheit zusammengebaut. Die genannte Einstellung kann dann in der Fabrik oder Ser­ vice-Werkstatt vorgenommen werden, wodurch bei der Montage oder beim Austausch einer defekten Gebereinheit gegen eine neue oder reparierte Gebereinheit keine Einstellung erfor­ derlich ist. Dadurch kann eine hohe Meßgenauigkeit erzielt und beibehalten werden. Bei der Überholung kann die Geber­ einheit ohne zeitraubende Einstellung einfach und schnell gegen eine andere ausgetauscht werden. Durch die für die bei­ den Geber teilweise gemeinsam verwendete Optik erhält man im Vergleich zu zwei separaten Gebern für Geschwindigkeit und Durchmesser eine erhebliche Kostenminderung.

Fig. 2 zeigt schematisch ein Beispiel dafür, wie die Aus­ gangssignale des Gebers gemäß der Erfindung zur Bestimmung des Volumenflusses des Strahls A in Fig. 1 verwendet wer­ den können. die Gebereinheit FG enthält einerseits die in Fig. 1 gezeigten optischen Glieder und andererseits drei Detektoren PD 1, PD 2 und PD 3. Von den Detektoren PD 1 und PD 2 erhält man die Signale u 1 und u 2 im Verhältnis zu u 1 um die Zeit τ _F verzögert ist. Durch Bestimmung der Größe der Verzögerung kann die Geschwindigkeit des Strahls A auf die vorstehend beschriebene Weise berechnet werden. Dies ge­ schieht in einem Berechnungsglied VB, das gemäß der schwe­ dischen Auslegeschrift 409 907 aufgebaut sein kann. Von dem Glied erhält man eine Impulsfolge v′, deren Impulsfrequenz der Geschwindigkeit proportional ist. In einem Frequenz-Di­ gital-Wandler FD wird die Impulsfolge in ein digitales Sig­ nal umgewandelt, dessen Wert der Geschwindigkeit v des Strahls entspricht.

Vom Detektor PD 3 erhält man ein oder mehrere Signale u 3 (z. B. eins von jeder Fotodiode), die in einem Berechnungsglied DB in ein digitales Signal d umgewandelt werden, das dem Durchmesser des Strahls A entspricht. in einem Quadrierglied SQ wird das Signal d quadriert, wodurch man ein Signal a er­ hält, das ein Maß für die Querschnittsgröße des Strahls A an den Punkten P 3 ist. In einem Multiplikationsglied MU wer­ den die Signale v und a miteinander multipliziert. Das Pro­ dukt ϕ ist ein Maß für den Volumenfluß des Strahls A, d. h. des Volumens, das einen Querschnitt des Strahls pro Zeitein­ heit passiert.

In den meisten Fällen dürfte es angebracht sein, die Messung des Durchmessers längs einer innerhalb der Meßstrecke (P 1- P 2) der Korrelationsmessung liegenden Linie (den Punkten P 3) vorzunehmen, die senkrecht zur Bewegungsrichtung der Bahn A verläuft. Alternativ kann die Messung des Durchmessers auch an einer außerhalb der Meßstrecke liegenden Stelle vorgenom­ men werden, wobei, falls erforderlich, der gemessene Wert korrigiert werden kann, so daß man den Durchmesser an der ge­ wünschten Stelle erhält.

Eventuell können zwei oder mehrere Meßgeräte zur Durchmesser­ bestimmung verwendet werden, die den Durchmesser an verschie­ denen Stellen längs des Meßobjektes bestimmen, wobei als re­ sultierender Durchmesser der Durchschnittswert der gemessenen Durchmesser oder der sich nach einer anderen Funktion aus den gemessenen Durchmessern ergebende Wert verwendet wird. Bei­ spielsweise können zwei Meßgeräte vorgesehen sein, die den Durchmesser an jedem Ende der Meßstrecke bestimmen.

Zur Erhöhung der Genauigkeit der Durchmessermessung kann der zeitliche Mittelwert des über eine bestimmte Zeitspanne ge­ messenen Durchmessers gebildet werden und beispielsweise zur Flußberechnung gemäß Fig. 2 verwendet werden.

Die Blende B 2 kann alternativ eine Lochblende sein, doch ist die vorstehend beschriebene Ausführung als Spaltblende auf­ grund ihrer größeren Lichttransmission oft vorzuziehen.

Wenn die strahlungsempfindliche (aktive) Fläche des Detek­ tors PD 3 in der Zeichnungsebene in Fig. 1 und senkrecht zu der einfallenden Strahlung eine relativ große Ausdehnung hat, dann kann vor dem Detektor eine Blende angeordnet werden. Die Blende wird dabei als schmaler Spalt ausgeführt, dessen Längsachse senkrecht zur Zeichnungsebene verläuft. Durch Ver­ schiebung der Blende allein oder zusammen mit dem Detektor in Richtung der Pfeile in Fig. 1, kann die Lage der Punkte P 3 eingestellt werden.

Vorstehend wurde die Verwendung der Erfindung zur Messung an einem Glasstrahl mit kreisförmigen Querschnitt erläutert. In diesem Falle ist die zu messende Größe des Objektes der Durchmesser. Bei Objekten mit anderer Querschnittsform kann eine andere Größe gemessen werden, wie zum Beispiel die Dicke einer Materialbahn mit rechteckigem Querschnitt, des­ sen Breite bekannt ist. Die Erfindung kann auch zur Messung an festen Objekten angewendet werden, wie beispielsweise an einem Draht oder einer Stange, die sich an dem Geber vorbei­ bewegt.

Wenn das Objekt nicht so warm ist, daß es eine ausreichen­ de Wärmestrahlung abgibt, so kann es beleuchtet werden, wo­ bei das reflektierte Licht zur Geschwindigkeits- und Durch­ messerbestimmung verwendet wird.

Anhand von Fig. 2 wurde beschrieben, wie die Ausgangs­ signale eines Gebers nach der Erfindung zur Berechnung des Volumenflusses verwendet werden; die vom Geber erhaltenen Geschwindigkeits- und Durchmesserwerte können alternativ auch für andere Zwecke verwertet werden.

Claims (10)

1. Kombinierter Geschwindigkeits- und Längenmaßgeber zur be­ rührungsfreien Messung der Geschwindigkeit eines Objektes (A) und eines sich senkrecht zur Bewegungsrichtung des Ob­ jekts erstreckenden Längenmaßes des Objektes (A), wie zum Beispiel der Breite oder des Durchmessers einer bewegten Ma­ terialbahn, dadurch gekennzeichnet, daß der Geber einen optischen Geschwindigkeitsgeber (B 1, SP, PR, L 1, L 2, PD 1, PD 2) sowie einen auf die Lage einer Meßstelle einstellbaren optischen Längnmaßgeber (B 2, PD 3) enthält, daß für die beiden Teilgeber ein gemeinsames op­ tisches Objektiv (OB) zur Fokussierung der vom Objekt (A) ausgehenden Strahlung vorhanden ist und daß ein Strahlen­ teiler (SL) im Strahlengang hinter dem Objektiv angeordnet ist zur Aufteilung der Strahlung in ein erstes auf den op­ tischen Geschwindigkeitsgeber (B 1, SP, PR, L 1, L 2, PD 1, PD 2) gerichtetes Strahlenbündel und in ein zweites auf den Län­ genmaßgeber (B 2, PD 3) gerichtetes Strahlenbündel.

2. Geber nach Anspruch 1, bei welchem der optische Geschwindigkeitsgeber einer vorbestimmten Meßstrecke (L _F) zugeordnet ist, dadurch gekennzeich­ net, daß der Längenmaßgeber (B 2, PD 3) ein Längenmaß des Objektes (A), z. B. eine Materialbahn, an einer innerhalb der Meßstrecke liegenden Meßstelle (P 3) abtastet.

3. Geber nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Längenmaßgeber (B 2, PD 3) mit einer Einrichtung zur Verschiebung und Einstellung der Lage der Meßstelle innerhalb einer Meßstrecke versehen ist.

4. Geber nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Längenmaßgeber (B 2, PD 3) ein Län­ genmaß des Objektes (A) an mehreren getrennten Meßstellen längs des Objektes mißt.

5. Geber nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß der Geschwindigkeitsgeber (B 1, SP, PR, L 1, L 2, PD 1, PD 2) die Geschwindigkeit des Objektes (A), z. B. eine Materialbahn, mit Hilfe einer Korrelationsmethode bestimmt.

6. Geber nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß der Längen­ maßgeber (B 2, PD 3) eine Reihe von separaten oder miteinander integrierten Fotodioden enthält.

7. Geber nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß der Geber Blenden (B 1, B 2) enthält, welche auf das Objektiv (OB) fall­ ende Strahlen, die mit der optischen Achse (OA) des Objek­ tives nicht annähernd parallel sind, abschirmen.

8. Geber nach Anspruch 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Blenden (B 1, B 2) in der Brennebene des Objektives (OB) angeordnet sind.

9. Geber nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine für den Geschwindigkeitsgeber (B 1, SP, PR, L 1, L 2, PD 1, PD 2) vorge­ sehene spaltförmige Blende (B 1) vorhanden ist, die so orien­ tiert ist, daß sie Strahlung von Punkten hindurch läßt, die auf solchen Linien an der Oberfläche des Objektes (A) liegen, welche senkrecht zur Bewegungsrichtung des Objektes verlaufen.

10. Geber nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine für den Längenmaßgeber (B 2, PD 3) vorgesehene spaltförmige Blende (B 2) vorhanden ist, die so orientiert ist, daß sie Strahlung von Punkten hindurchläßt, die auf solchen Linien an der Oberfläche des Objektes (A) liegen, welche parallel zur Bewegungsrichtung des Objektes verlaufen.