DE3502406A1

DE3502406A1 - Verfahren und einrichtung zur kontinuierlichen, beruehrungslosen bestimmung der laenge eines ungeteilten, bewegten koerpers

Info

Publication number: DE3502406A1
Application number: DE19853502406
Authority: DE
Inventors: Erfinder Wird Nachtraeglich Benannt Der
Original assignee: Peter & Steinwender Tech Gerae; Mannesmann AG
Current assignee: Peter & Steinwender Tech Gerae; Vodafone GmbH
Priority date: 1985-01-22
Filing date: 1985-01-22
Publication date: 1986-07-24
Also published as: DE3502406C2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Einrichtung
zur kontinuierlichen, berührungslosen Bestimmung der Länge eines ungeteilten, bewegten Körpers mit optisch spezifischer Oberflächenstruktur, insbesondere eines gegossenen Stranges.
Es ist bekannt, daß zur Bestimmung der Länge von Gußsträngen einerseits taktiele Meßverfahren wie a) Meßrolle mit Tachogenerator b) Meßrolle mit Inkrementalgeber andererseits berührungslos arbeitende Meßverfahren, wie c) Laser Velemeter d) optischer Korrelator eingesetzt werden. Diese Meßverfahren unterliegen entweder hohem Verschleiß durch extreme Einsatzbedingungen (Verfahren gemäß a und b ) oder die gemessene Größe ist zunächst eine Geschwindigkeit, aus der durch Integration die Länge ermittelt wird (Verfahren nach a, c und d ). Die Meßverfahren a, c, d versagen zudem bei niedrigen Geschwindigkeiten bzw. bei Stillstand des Meßobjektes.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Meßeinrichtung zu schaffen, die berührungslos eine direkte Längenmessung auch an mit geringster Geschwindigkeit bewegtem Gut erlaubt.
Die Erfindung geht von der an sich bekannten Tatsache aus, daß das Oberflächenbild eines Körpers, sei es eines warmen, eigenstrahlenden oder eines mit Fremdlicht bestrahlten Körpers fotoel ektri sch abgetastet werden kann. Eigenstrahlende Körper sind beispielsweise noch in der Gießhitze befindliche, nach einem kontinuierlichen Gießverfahren erzeugte Gußstränge oder auch Walzstäbe. Körper dieser Art weisen eine zur fotoelektrischen Erfassung geeignete Oberflächenstruktur auf. Dabei wird die Strahlung charakteristischer Oberflächenpunkte erfaßt und in elektrische Signale umgesetzt.
Gemäß der Erfindung wird zur direkten und unmittelbaren Längenmessung eines Körpers ein Teil seiner Oberfläche mittels einer optischen Einrichtung abgetastet. Die optische Einrichtung besteht aus einer insbesondere fernverstellbaren Blende, einem Linsensystem mit vorzugsweise fernverstellbarer Fokussiereinrichtung und mindestens einer aus strahlungsempfindlichen (lichtempfindlichen) Zellen gebildeten Zeile, die parallel zur Oberfläche und zur Bewegungsrichtung des zu messenden Körpers angeordnet ist. Die Zellen weisen innerhalb der Zeile einen definierten Abstand voneinander auf und ihre Anzahl muß so bemessen sein, daß sie mindestens zwei charakteristische Merkmale aus dem Oberflächenbereich des Körpers erfassen können. Dabei ist es gleichgültig, ob im Moment der Erfassung der Merkmale der Körper bewegt wird oder stillsteht. Der Körper muß lediglich bis zu einer nächsten auswertbaren Erfassung seiner Oberfläche seine Lage vor der optischen Einrichtung im Sinne einer Längsverschiebung verändert haben.
Das sich in unterschiedlicher Strahlungs- bzw. Lichtintensität darstellende Oberflächenbild des Körpers wird von den lichtempfindlichen Zellen in elektrische Signale umgesetzt, digitalisiert und in einem elektronischen Speicher, quasi als Momentaufnahme, gespeichert. Anschließend wird, bei veränderter Lage des Körpers, eine weitere UMomentaufnahme" ebenfalls gespeichert, bevorzugt in einem zweiten elektronischen Speicher. Beide "Momentaufnahmen" stimmen 1 n der Signalfolge bis auf einen Versatz, der durch Weiterwandern des Körpers (Meßobjektes) hervorgerufen ist, exakt überein. Mittels eines programmierbaren Mikroprozessors (Recheneinheit) werden in dem zuerst aufgenommenen Bild charakteristische Merkmale und deren Lage innerhalb der Zeile (Nummern der lichtempfindlichen Zelle) bestimmt.
Anschließend werden im zweiten Bild die charakteristischen Merkmale und deren Lage innerhalb der Zeile erneut bestimmt. Eine Änderung des Meßobjektes zwischen den Aufnahme des ersten und zweiten Bildes wird als Längenänderung (Wegstrecke) innerhalb der Zeile wiedergefunden.
Mittels einfacher geometrischer Beziehungen wird nun von der Lageänderung in der Zeile auf die tatsächliche Lageänderung des Meßobjektes geschlossen und damit unmittelbar eine diskrete Teillänge des Körpers erhalten. Die Bestimmung der Lageänderung erfolgt zyklisch und mit hoher Geschwindigkeit, so daß eine kontinuierliche Bestimmung der Lage bzw. durch Summierung der einzelnen Änderungen, eine kontinuierliche Bestimmung der Länge eines Meßobjektes möglich ist. Die erfaßte Länge eines Körpers kann auf beliebigen, bekannten Anzeigegeräten angezeigt werden.
Die von der Recheneinheit ausgegebenen Daten der gemessenen Länge können natürlich auch zur Steuerung einer dieser Längenmeßeinrichtung nachgeschalteten Schneideinrichtung benutzt werden. Unter Berücksichtigung des festgelegten Abstandes zwischen Meßeinrichtung und Schneideinrichtung ist dadurch die fortlaufende Erfassung der Länge eines Gießstranges und die Unterteilung in gewünschte vorgegebene Längenabschnitte möglich.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist das Linsensystem mit einer Fokussiereinrichtung versehen, die von der Recheneinheit gesteuert wird. Diese Ausbildung der Einrichtung empfiehlt sich bei ortsfesten Meßanlagen, so daß bei veränderter Dickenabmessung des zu messenden Gutes eine Einstellung des Meßsystems auf den veränderten Meßabstand mit einfachen Mitteln möglich ist.
Ebenso ist in weiterer Ausgestaltung der Erfindung eine Integrationszeitsteuerung (Belichtungszeit) durch die Recheneinheit vorgesehen. Mit dieser Steuerung wird erreicht, daß die Abfrage der lichtempfindlichen Zellen in einem Zeitraum erfolgt, der sicherstellt, daß keine der beaufschlagten Zellen ihre maximale Aufnahmekapazität erreicht hat. Es soll damit sichergestellt werden, daß die Signale in einem auswertbaren Bereich liegen. Diese Ausbildung der Einrichtung empfiehlt sich bei Anlagen, deren Meßgut großen Intensitätsschwankungen unterworfen ist.
In der Praxis steht die Steuerung der Belichtungszeit mit der Blendensteuerung in engem Zusammenhang. Bei hinreichender Schärfentiefe wird man eine vorgegebene Blendeneinstellung belassen und die Intensitätsschwankungen der Strahlung oder des reflektierten Lichtes über die Integrationszeitsteuerung ausgleichen. Diese Ausbildung der Einrichtung empfiehlt sich bei Anlagen, deren Meßgut großen Intensitätsschwankungen unterworfen ist.
Anhand der Zeichnungen soll die Erfindung näher erläutert werden.
Es zeigen Fig. 1 den schematischen Aufbau der erfindungsgemäßen Einrichtung, Fig. 2 eine grafische Darstellung zweier auswertbarer NMomentaufnahmen11.
In Fig. 1 ist der zu messende Strang mit 1 bezeichnet. Die Bewegungsrichtung des Stranges 1 verdeutlicht der Pfeil 15. Im bestimmten, festgelegten Abstand zum Strang 1 ist eine optische Einrichtung mit den Bestandteilen Blende 2, Linsensystem 5 und lichtempfindliche Zellen 6 angeordnet. Die lichtempfindlichen Zellen 6 liegen in einer Ebene parallel zur Bewegungsrichtung des Stranges 1. Zweckmäßig bedient man sich hier einer üblichen Dioden-Zeilenkamera mit 1024 in bestimmtem Abstand zueinander angeordneten Dioden. Mit dieser Einrichtung ist ein Abschnitt des Stranges 1 erfaßbar, hier mit "Struktur 1" bezeichnet. Aufgrund der vom Strang abgegebenen Wärmestrahlung oder des reflektierten Lichtes werden die Dioden unterschiedlich stark beaufschlagt und geben infolge dessen elektrische Signale unterschiedlicher Größe ab. Eine Aufzeichnung eines derartigen Bildes der optischen Oberflächenstruktur in diesem Teilbereich des Stranges ist In Fig. 2, oberes Teflbild, dargestellt. Charakteristische auswertbare Strukturen sind "M1" bzw. "M2" bezeichnet.
Diese Abbildung des Stranges 1 wird digitalisiert einem Speicher 7 (Fig. 1) zugeführt und dort abgespeichert. In gleicher Weise wird nach einer Bewegung des Stranges ein Folgebild (Struktur II) erhalten, das im Speicher 8 festgehalten wird. Beide Bilder stimmen bis auf den Längenversatz überein, wie Fig. 2, unteres Teilbild, zeigt.
Mittels eines programmierbaren Mikroprozessors (Recheneinheit 9) werden in dem zuerst aufgenommenen Bild charakteristische Merkmale und deren Lage innerhalb der Zeile (Nummer der lichtempfindlichen Zelle) bestimmt. Dem Bildpunkt M1 ist also die Diodennummer N1 zugeordnet. Anschließend werden im zweiten Bild (unteres Teilbild der Fig. 2) die charakteristischen Merkmale und deren Lage innerhalb der Zeile erneut bestimmt. Gemäß dem unteren Teilbild von Fig. 2 ist nunmehr das Merkmal M1 zur Diodennummer N1' gewandert. Die Änderung des Meßobjektes zwischen den Aufnahmen des ersten und zweiten Bildes wird als Längenänderung (Wegstrecke iS 1) innerhalb der Zeile wiedergefunden. Mittels einfacher geometrischer Beziehungen wird nun von der Lageänderung in der Zeile auf die tatsächliche Lageänderung des Meßobjektes geschlossen und damit unmittelbar eine diskrete Teillänge des Körpers erhalten. Die Bestimmung der Lageänderung erfolgt zyklisch und mit hoher Geschwindigkeit (ca. 30 Messungen pro Sekunde), so daß eine kontinuierliche Bestimmung der Lage bzw. durch Summierung der einzelnen Änderungen eine kontinuierliche Bestimmung der Länge eines Meßobjektes möglich ist. Gemäß Fig. 1 werden die so von der Recheneinheit 9 ermittelten Werte zur Anzeige gebracht. Dies kann entweder in digitaler Form seriell 12 oder parallel 12 erfolgen oder aber in analoger Form der Aufzeichnung auf einen Schreibstreifen 14. In der Fig. 1 sind ferner mit 10 und 11 von der Recheneinheit 9 gesteuerte Stelleinrichtungen bezeichnet, die nach den örtlichen Gegebenheiten die Fokussiereinrichtung 4 der optischen Einrichtung steuert oder aber durch einen Servomotor 3 die Blende 2 einstellt.
Mit zur Erfindung gehört eine Anordnung, die es ermöglicht, eine Selbstkontrolle der Meßeinrichtung bzw. eine Nachjustierung vorzunehmen. Eine derartige zusätzliche Ausbildung ist immer dann zweckmäßig, wenn eine Lageänderung in Form einer Abstandsänderung des Meßobjektes zum Meßgerät während der Messung befürchtet werden muß. In derartigen Fällen wird, wie in Fig. 3 schematisch dargestellt, ein zweites Meßsystem 15, das im Aufbau dem in Fig. 1 dargestellten entspricht, zwischen der Oberfläche des Stranges 1 und dem eigentlichen Meßsystem 2, 3, 4, 5, 6 in festem, bekannten Abstand zum ersten Meßsystem angeordnet. Die Parameter der optischen Einrichtungen beider Meßsysteme sind so gewählt, daß für eine ausgewählte Entfernung zur Oberfläche des Stranges 1 beide Meßsysteme gleiche Meßwerte ergeben. Bei Änderung der Lage der Oberfläche des Stranges 1 in die Position 1' wird der Quotient aus beiden Signalen gebildet und zur Korrektur des Längenmeßsignals verwendet.
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Claims

Verfahren und Einrichtung zur kontinuierlichen,berührungslosen Bestimmung der Länge eines ungeteilten, bewegten Körpers Patentansprüche 1. Verfahren zur kontinuierlichen, berührungslosen Bestimmung der Länge eines ungeteilten, bewegten Körpers mit optisch spezifischer Oberflächenstruktur, insbesondere eines gegossenen Stranges, dadurch gekennzeichnet, daß mittels einer in einem bestimmten Abstand von dem bewegten Körper (1) angeordneten, aus einem Linsensystem (5), einer verstellbaren Blende (2) und mindestens einer zur Bewegungsrichtung des Körpers (1) parallel angeordneten Zeile (6) mit lichtempfindlichen Zellen bestehenden optischen Einrichtung mindestens zwei charakteristische, reproduzierend bestimmbare Größen von Merkmalen der Strangoberfläche erfaßt werden und in elektrische Impulse aufgrund des durch unterschiedliche Strahlungsintensität diskreter Oberflächenbereiche hervorgerufenen "Ladungszustandes" der lichtempfindlichen Zellen umgesetzt werden, daß die von den lichtempfindlichen Zellen erhaltenen elektrischen Impulse mindestens zweier zeitlich aufeinanderfolgender 11Abbildungen" der Strangoberfläche mit der örtlich veränderten Lage der charakteristischen Merkmale digital gespeichert werden und daß eine Recheneinheit (9) einen Vergleich der Impulse aufeinanderfolgender Abbildungen vornimmt und die Anzahl der zwischenzeitlich von demselben charakteristischen Merkmal durchlaufenen lichtempfindlichen Zellen als Maß für eine Teillänge des Körpers (1) ermittelt wird und die Teil länge bzw. die Länge des Körpers (1) als von der Recheneinheit (9) summiert Teillängen als elektrische Impulse ausgegeben werden.
2. Einrichtung zur kontinuierlichen, berührungslosen Bestimmung der Länge eines ungeteilten, bewegten Körpers mit optisch spezifischer Oberflächenstruktur, insbesondere eines gegossenen Stranges, dadurch gekennzeichnet, daß in einem bestimmten Abstand von dem bewegten Körper (1) eine aus einem Linsensystem (5), einer verstellbaren Blende (2) und einer zur Bewegungsrichtung des Körpers (1) parallel angeordneten Zeile (6) mit in definiertem Abstand zueinander liegenden lichtempfindlichen Zellen bestehende optische Einrichtung angeordnet ist, mit der mindestens zwei charakteristische, reproduzierend bestimmbare Größen von Merkmalen der Strangoberfläche erfaßbar sind, daß die optische Einrichtung mit mindestens einem digitalen Speicher (7, 8) verbunden ist, in dem die von den lichtempfindlichen Zellen erhaltenen elektrischen Impulse mindestens zweier zeitlich aufeinanderfolgende "Abbildungen" der Strangoberfläche mit der örtlich veränderten Lage der charakteristischen Merkmale speicherbar sind, daß der oder die Speicher (7, 8) mit einer Recheneinheit (9) verbunden ist, die einen Vergleich der Impulse aufeinanderfolgender Abbildungen vornimmt und die Anzahl der zwischenzeitlich von demselben charakteristischen Merkmal durchlaufenen lichtempfindlichen Zellen als Maß für eine Teillänge des Körpers (1) ermittelt, und daß die Recheneinheit (9) die Teillänge bzw. die Länge des Körpers (1) in Form elektrischer Impulse als von der Recheneinheit (9) summierte Teillängen abgibt.
3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennweite des Linsensystems (5) über eine an die Recheneinheit (9) angeschlossene Steuereinheit (11) verstellbar ist.
4. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Blende (2) über eine an die Recheneinheit (9) angeschlossene Steuereinheit (10) verstellbar ist.
5. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Integrationszeit (Belichtungszeit) der lichtempfindlichen Zellen (6) über eine an die Recheneinheit (9) angeschlossene Steuereinheit (10) verstellbar ist.