DE3607244A1 - Vorrichtung zur erfassung der laengskanten eines stabfoermigen objekts - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erfassung der Längskanten eines in seiner Längsrichtung bewegten, stabförmigen Objektes, insbesondere eines Tabak- oder Filterstrangs, der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Gattung.

Obwohl ähnliche Probleme auch bei anderen, stabförmigen Objekten, beispielsweise Bleistiften, aber auch Kabeln, Drähten usw. auftreten, soll im folgenden nur noch auf die entsprechenden Probleme bei der Herstellung von rauchbaren Artikeln, nämlich Cigaretten, insbesondere Filtercigaretten, eingegangen werden.

Um eine gleichbleibende, hohe Qualität bei der Herstellung von (Filter-)Cigaretten zu gewährleisten, sollten der Durchmesser einerseits und die Rundheit des Tabakstranges und/oder des Filterstranges andererseits laufend überwacht werden. Die Ausgangssignale des zugehörigen, zweckmäßigerweise selbsttätig arbeitenden Durchmesser- und Rundheits-Meßsystems könnten bei Abweichungen von vorgegebenen Sollwerten dazu benutzt werden, über ein Regelsystem die erforderlichen Korrekturen beim Fertigungsprozeß vorzunehmen.

Wegen der hohen Strang-Geschwindigkeit, die im allgemeinen einige Meter pro Sekunde beträgt, kommt für diesen Zweck nur ein berührungsloses Meßverfahren in Frage. Aus der DE-OS 33 02 951 geht ein mit Ultraschallwellen arbeitendes Meßverfahren hervor, während pneumatische Verfahren und ein mit Laserstrahlen arbeitendes optisches Abtastverfahren bereits auf dem Markt erhältlich sind.

Bei dem pneumatischen Verfahren durchläuft der zu messende Materialstrang eine Düse, deren Durchmesser nur etwas größer als der maximale Strangdurchmesser ist. Durch den zwischen Düse und Strang verbleibenden Ringspalt wird ein Luftstrom geblasen und der Strömungswiderstand des Spaltes bestimmt, so daß aus dem Strömungswiderstand die Querschnitts-Fläche des Stranges ermittelt werden kann. Eine Aussage über die Rundheit des Stranges erlaubt dieses Meßverfahren nicht, so daß sich auch der Durchmesser des Stranges nur unter der Voraussetzung bestimmen läßt, daß es sich um einen perfekten zylindrischen Körper handelt.

Eine weitere Schwierigkeit beim praktischen Einsatz dieses Verfahrens liegt in der Luftdurchlässigkeit des Cigaretten- bzw. Filterpapieres, die sich zudem noch im Laufe der Zeit ändern kann, wodurch sich ein entsprechender Meßfehler ergibt. Eine höhere Luftdurchlässigkeit erhöht nämlich den Luftdurchsatz, täuscht also einen kleineren Durchmesser vor.

Mit Laserstrahlen arbeitende optische Abtastverfahren sind beispielsweise aus der US-PS 38 56 411, der US-PS 37 65 774, der US-PS 39 05 705, der US-PS 39 75 102 und dem Prospekt der Firma Zygo "Berührungsfreies Laser-Meßsystem" bekannt.

Eine ebenfalls mit Laserstrahlen arbeitende Vorrichtung zur Erfassung der Längskanten eines in seiner Längsrichtung bewegten, stabförmigen Objektes der angegebenen Gattung geht schließlich aus der US-PS 38 53 406 hervor und weist eine Lichtquelle zur Erzeugungen eines Lichtstrahls, mindestens einen Strahlteiler, der den von der Lichtquelle kommenden Lichtstrahl in mindestens zwei die Kantenbereiche des Objektes überstreichende Lichtstrahlen aufteilt, ein optisches Ablenksystem zum Verschwenken der beiden Lichtstrahlen über das Objekt, mindestens zwei in Strahlrichtung hinter dem Objekt angeordnete Fotodetektoren sowie eine Auswerteinrichtung zur Ermittlung der Lage der Längskanten aus den Zeitpunkten der Hell/Dunkel-Übergänge an den beiden Fotodetektoren einerseits und der momentanen Position der Lichtstrahlen andererseits auf. Dabei wird der Durchgang der beiden Strahlen an den Längskanten des Objektes durch die erste und zweite Ableitung der Ausgangssignale der beiden Fotodetektoren festgestellt, um genau den Zeitpunkt zu bestimmen, zu dem die Mitte jedes Laserstrahls mit einer Kante des Objektes zusammenfällt.

Im Prinzip wird also aus dem zeitlichen Abstand der Hell/Dunkel- Übergänge im Vergleich zur Bewegungsgeschwindigkeit des Strahles der gesuchte Durchmesser ermittelt. Da dieses Verfahren unabhängig von der Luftdurchlässigkeit des Cigaretten- oder Filter-Papieres ist, läßt sich im Prinzip die sehr gute Meßgenauigkeit von ca. 1 µm erreichen.

Hierbei tritt jedoch das folgende Problem auf: Durch transversale Strangschwingungen oder durch die schnelle Längsbewegung eines nicht perfekt-zylindrischen Stranges können Quergeschwindigkeiten in der Größenordnung von 10 bis 100 mm/s auftreten, die zu Meßfehlern in der Größenordnung von 10 bis 100 µm beim Durchmesser führen. Durch Mittelung über eine größere Zahl von Meßwerten ließe sich zwar ein Mittelwert, beispielsweise über 100 Cigaretten, mit einem wesentlich kleineren Fehler berechnen; die Beantwortung der in der Praxis für die Qualitätsbeurteilung wichtigen Frage der Durchmesser-Änderung von einer Cigarette zur nächsten oder von einem Ende einer Filtercigarette zum anderen wird durch die von den Querbewegungen erzeugten Fehler unmöglich gemacht.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Erfassung der Längskanten eines in seiner Längsrichtung bewegten, stabförmigen Objektes, insbesondere eines Tabak- oder Filterstrangs, der angegebenen Gattung zu schaffen, bei der die oben erwähnten Nachteile nicht auftreten.

Insbesondere soll eine Vorrichtung vorgeschlagen werden, deren Meßgenauigkeit in einem für die Praxis maßgeblichen Bereich nicht durch die seitlichen Bewegungen des Objektes beeinflußt wird.

Dies wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale erreicht.

Zweckmäßige Ausführungsformen werden durch die Merkmale der Unteransprüche definiert.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile beruhen auf folgender Funktionsweise: In radialer Richtung des Objektes erfolgt die Abtastung gleichzeitig durch zueinander parallele Lichtstrahlen, insbesondere Laserstrahlen, deren Abtastbewegungen in entgegengesetzten Richtungen erfolgen, und zwar analog den Bewegungen der Backen einer sich schließenden oder öffnenden Parallel-Zange. Bezeichnet man die Positionen der beiden Lichtstrahlen zu dem Zeitpunkt, zu dem sie die Kanten des Objektes passieren, mit x bzw. y, so ergibt sich der gesuchte Durchmesser D des Objektes, beispielsweise eines Tabak- oder Filter-Stranges, zu

D = x + y + C

Dabei ist C eine Konstante, die von den gewählten Anfangspunkten der x- und y-Zählungabhängt und beispielsweise durch Eichung mittels der Messung eines Körpers mit bekanntem Durchmesser bestimmt werden kann.

Diese zangenartige Bewegung der beiden Lichtstrahlen über das Objekt führt zu einer Verminderung von Fehlern, die auf die Querbewegungen des Objektes zurückzuführen sind. Denn durch die Verwendung von zwei Lichtstrahlen mit entgegengesetzten Abtastbewegungen werden die obere und die untere Längskante des Objektes nahezu gleichzeitig erfaßt. Dies gilt jedenfalls dann streng, wenn sich das Objekt in der durch die Lage der beiden "Abtast-Fenster"definierten Mittelposition befindet. Es gilt aber immer noch in recht guter Näherung wenn sich das Objekt ein wenig, beispielsweise um die Strecke δ x ₁, außerhalb dieser Mittellage bewegt. Die Größe δ s des Meßfehlers infolge einer Querbewegung des Objektes beträgt nämlich etwa

δ s = v δ τ

mit
v = Geschwindigkeitskomponente des Objektes parallel zur Abtastrichtung, und
δ τ = die Zeitspanne zwischen der Abtastung der oberen und unteren Objektkante.

Dieser zeitliche Abstand w τ beträgt bei der Abtastung mit zwei sich entgegengesetzt bewegenden Strahlen nur

δ τ = 2 δ x ₁/v _s

wobei v _s die Abtastgeschwindigkeit, also die Bewegungsgeschwindigkeit der Lichtstrahlen ist, so daß sich ein Bewegungsfehler von

δ s ₁ = (v/v _s ) 2 δ x ₁

ergibt. Da praktisch die Geschwindigkeitskomponente des Objekts parallel zur Abtastrichtung v wesentlich kleiner als die Abtastgeschwindigkeit v _s gemacht werden kann, ist der Meßfehler w s ₁wesentlich kleiner als die Bewegung des Objekts aus der Mittellage δ x ₁. Ein so geringer Wert läßt sich mit der bekannten Parallelverschiebung der beiden Lichtstrahlen nicht erreichen.

Die beiden, sich entgegengesetzt bewegenden Abtast-Lichtstrahlen werden vorteilhaft durch Zerlegung eines einzigen, primären Abtast- Strahls mittels eines Strahlteilers erzeugt, denn dann können ihre Abtastbewegungen durch das selbe, vor dem Strahlteiler angeordnete Abtastsystem erzeugt werden und sind damit streng synchron. Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird ein sogenannter "Strahlteiler- Würfel" verwendet, der aus zwei miteinander an ihren Hypothenusen-Flächen verkitteten 45°/90° Dachkant-Prismen besteht. Eine der Hypothenusen-Flächen ist teildurchlässig verspiegelt, so daß ein Teil des auftreffenden primären Abtast-Lichtstrahles hindurchtritt, während ein zweiter Teil reflektiert wird. Infolge dieser Reflexion bewegt sich der reflektierte Lichtstrahl im entgegengesetzten Sinne zu dem die Hypothenusen-Flächen passierenden Lichtstrahl.

An Stelle eines solchen Strahlteiler-Würfels kann auch ein sogenanntes "Köster-Prisma" verwendet werden.

Durch die zangenartige Bewegung der beiden Lichtstrahlen wird es auch möglich, mit einer sehr viel einfacheren und damit preiswerten Linse auszukommen als bei der bekannten Vorrichtung. Denn bei der Vorrichtung nach dem Stand der Technik muß die Breite des Abtastbereiches um einen hinreichenden Betrag größer sein als der maximal mögliche Durchmesser des zu messenden Objektes, zuzüglich dem Doppelten der möglichen Abweichungen aus der Mittellage.

Bei der zangenartigen Bewegung der beiden Lichtstrahlen reicht eine wesentliche kleinere Abtastbreite aus, die durch die Differenz zwischen dem Durchmesser der Führungsöffnung für das Objekt und dem minimal möglichen Objekt-Durchmesser bestimmt wird. Die Größe und damit Öffnungsbreite der Linse kann also bei sonst gleichen Parameterwerten etwa um einen Faktor 4 verkleinert werden.

Diese Reduktion der Abtastbreite bedeutet zugleich auch eine Reduktion des erforderlichen Abtast-Winkels am Strahlablenker. Bei sonst gleichen Parameterwerten kann der Abtastwinkel um den gleichen Faktor verkleinert werden wie die Linsen-Öffnung. Dadurch werden auch die Anforderungen an den Ablenkmechanismus für die Strahlbewegungen entsprechend reduziert, so daß ein einfacherer, kleinerer und/oder schnellerer Ablenker eingesetzt werden kann.

Bei einer realisierten Ausführungsform dieser Vorrichtung konnte die sonst übliche, sehr aufwendige und weniger zuverlässige Ablenkung mittels eines motorgetriebenen, rotierenden Polygonspiegels durch eine Ablenkung mittels eines elastisch aufgehängten Schwingspiegels ersetzt werden.

Zur Bestimmung des Durchmessers eines laufenden Cigaretten- oder Filter-Strangs ist kein universelles Meßgerät erforderlich, welches den gesamten Durchmesser zuzüglich eines Schwankungsbereiches überdeckt. Denn da der Cigaretten- oder Filter-Strang stets einen gewissen Mindest-Durchmesser besitzt, muß das Meßinstrument nur einen kleineren Bereich zwischen dem Mindest-Durchmesser und dem Schwankungsbereich erfassen. Ein derartiges, der speziellen Meßaufgabe angepaßtes Gerät kann erheblich günstiger gebaut werden als ein Universalgerät; außerdem kann es wegen des entsprechend reduzierten Meßumfanges auch erheblich schneller arbeiten.

Eine solche Meßvorrichtung läßt sich durch entsprechende, zusätzliche Strahlteiler und zugehörige Fotodetektoren auch dazu benutzen, den zu messenden Strang in mehreren azimutalen Richtungen gleichzeitig abzutasten, um auch Abweichungen von der idealen runden Querschnittsform des Objektes festzustellen.

Dabei hat sich herausgestellt, daß Messungen in mindestens drei azimutalen Richtungen erforderlich sind, um die einfachste mögliche Abweichung des Objekt-Querschnittes von der ideal runden Form mit Sicherheit zu erkennen.

Durch Verwendung von geeigneten Umlenkprismen wird es möglich, die hierzu erforderlichen sechs Abtast-Lichtstrahlen aus drei zueinander parallelen Primär-Lichtstrahlen zu gewinnen. Letztere können auf einfache Weise im Strahlablenker erzeugt und streng synchron bewegt werden.

Für die Auswertung der von den zugehörigen sechs Fotodetektoren abgegebenen Hell/Dunkel- bzw. Dunkel/Hell-Übergänge müssen zu den Zeitpunkten dieser Übergänge die jeweils vorliegenden Lagen dieser Abtaststrahlen genau bestimmt werden. Zu diesem Zweck werden insgesamt drei Referenzsignale verwendet, die von zugehörigen Fotodetektoren abgenommen werden. Diese empfangen drei weitere Abtast-Lichtstrahlen, die zusätzlich zu den bisher erwähnten Lichtstrahlen durch Strahlteilung erzeugt werden. Dadurch wird gewährleistet, daß alle neun Abtast-Lichtstrahlen stets streng synchron zueinander bewegt werden.

Das optische Ablenksystem wird zweckmäßigerweise so aufgebaut, daß es den von einer gemeinsamen Lichtquelle kommenden, kollimierten Lichtstrahl nicht nur ablenkt, sondern ihn gleichzeitig auch in die erforderlichen primären Lichtstrahlen aufteilt, die für die erwähnten neun Abtast-Funktionen benötigt werden, nämlich in die drei Meß-Strahlenpaare bei der Abtastung in drei Azimut-Richtungen, das Referenz-Strahlenpaar sowie den Positions- Referenzstrahl. Zu diesem Zwecke wird auf dem Spiegel des Ablenksystems ein Phasengitter aufgebracht, dessen Gitterstriche senkrecht zur Rotations-Schwingungsachse des Spiegels verlaufen. Die durch die Beugung des Lichtes an dem Gitter entstehenden Beugungsordnungen können direkt als Primär-Lichtstrahlen verwendet werden.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden, schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 den Grundaufbau einer Vorrichtung zur Erfassung der Längskanten eines Cigaretten- bzw. Filter-Strangs mit Abtastung in einer einzigen Ebene,

Fig. 2 die wesentlichen Teile einer Ausführungsform einer Vorrichtung zur Erfassung der Längskante eines Tabak- bzw. Filterstrangs bei der Abtastung in drei Ebenen,

Fig. 3 Schemadarstellungen für die Bestimmung von Rundheit-Abweichungen,

Fig. 4 den Aufbau einer Schaltungsanordnung zur Erzeugung von Referenz-Signalen und zur Auswertung der verschiedenen Signale, und

Fig. 5 die Aufteilung des kollimierten Lichtstrahles in fünf parallele Primär-Lichtstrahlen durch ein auf den Ablenkspiegel aufgebrachtes Phasengitter.

Die aus Fig. 1 ersichtliche, allgemein durch das Bezugszeichen 10 angedeutete Vorrichtung zur Erfassung der Längskanten eines Tabak- oder Filter-Stranges 0 mit dem Durchmesser D weist eine Laser- Lichtquelle 12 auf, die einen kollimierten Laser-Lichtstrahl erzeugt. Statt einer Laser-Lichtquelle kann auch eine andere, geeignete Lichtquelle eingesetzt werden; wesentlich ist nur, daß sie räumlich möglichst kohärentes und spektral breitbandiges Licht (zur Vermeidung von Interferenzen) liefert. Statt eines Laser- Lichtstrahls kommt hierfür insbesondere auch eine Superstrahlungsdiode in Frage.

Der kollimierte Lichtstrahl von der Lichtquelle 12 fällt auf einen Schwingspiegel 14, der eine periodische Hin- und Herbewegung mit definierter Geschwindigkeit ausführt. Das durch Reflexion an dem Schwingspiegel 14 erzeugte Strahlenbündel wird durch eine Abtastlinse 16 in ein Bündel von parallelen Lichtstrahlen umgewandelt und fällt auf einen Strahlteiler 18, der bei der Ausführungsform nach Fig. 1 durch einen Strahlteiler-Würfel gebildet ist. Ein solcher Strahlteiler-Würfel besteht aus zwei miteinander an ihren Hypothenusen- Flächen verkitteten 45°/90° Dachkant-Prismen; eine der Hypothenusen- Flächen ist teilverspiegelt, so daß ein Teil des auftreffenden primären Abtast-Lichtstrahles hindurch- tritt, während ein anderer Teil reflektiert wird. Infolge dieser Reflexion bewegt sich der reflektierte Lichtstrahl im entgegengesetzten Sinne zu dem die Hypothenusen-Flächen passierenden Lichtstrahl, d. h. die beiden den Strahlteiler 18 verlassenden, parallelen Strahlbündel führen Abtastbewegungen in entgegengesetzten Richtungen durch, analog den Bewegungen der Backen einer sich schließenden oder öffnenden Parallel-Zange, wie in Fig. 1 durch die Pfeile angedeutet ist.

Statt eines solchen Strahlteiler-Würfels 18 können auch ein sogenanntes "Köster-Prisma" oder andere, in der Optik bekannte Anordnungen zur Erzeugung von zwei Teilstrahlen mit diesen Eigenschaften verwendet werden.

Der gemäß der Darstellung in Fig. 1 obere Teilstrahl tastet den oberen Rand des Strangs 0 und der untere Teilstrahl den unteren Rand des Strangs 0 ab, d. h. die Schwenkbereiche der beiden Teilstrahlen müssen so ausgelegt werden, daß alle möglichen Lagen der beiden Längskanten des Strangs erfaßt werden können. Bei der Herstellung von Tabak- bzw. Filter-Strängen sind die entsprechenden Durchmesser-Schwankungen gering, so daß mit einem extrem kleinen Schwenkbereich der beiden Teilstrahlen gearbeitet werden kann.

In Strahlrichtung hinter dem Strang 0 sind zwei getrennte Fotodetektoren FDx, FDy angeordnet, die durch geeignete fotoelektrische Wandler gebildet werden und den auftreffenden Lichtleistungen entsprechende elektrische Signale erzeugen. Diese Signale werden einer Auswerteinrichtung 24 zugeführt, die aus den beiden Ausgangssignalen der Fotodetektoren FDx, FDy einerseits und noch zu erläuternden Referenzsignalen andererseits das Meßergebnis bildet, das auf einer Anzeigeeinrichtung 26 dargestellt wird.

Bezeichnet man die Positionen der beiden Abtast-Lichtstrahlen zu dem Zeitpunkt, zu dem sie die Kanten des Stranges 0 passieren, mit x bzw. y, so ergibt sich der gesuchte Durchmesser D des Stranges 0 zu

D = x + y + C

Dabei ist C eine Konstante, die von den gewählten Anfangs- bzw. End-Punkten der x- und y-Zählung abhängt und beispielsweise durch Messung eines Objektes O mit bekanntem Durchmesser bestimmt werden kann.

Nach entsprechender Eichung der Vorrichtung 10, nämlich Definition der Konstanten C, können aus den Lagen x und y, die wiederum den Hell/Dunkel-Übergängen auf den Fotodetektoren FDx, FDy entsprechen, Signale gewonnen werden, die den Durchmesser D des Objekts O darstellen.

Die aus Fig. 1 ersichtliche Funktionsweise kann auch zur Bestimmung der Rundheit des Strangs 0 verwendet werden, indem der zu messende Strang in mehreren azimutalen Richtungen abgetastet und damit Abweichungen von der idealen runden Querschnittsform festgestellt werden. Fig. 2 zeigt den zugehörigen optischen Teil für die Abtastung in drei azimutalen Richtungen.

Wie theoretische Überlegungen zeigen, muß die Abtastung in mindestens drei azimutalen Richtungen durchgeführt werden, um die einfachste mögliche Abweichung des Strang-Querschnittes von der ideal runden Form mit Sicherheit zu erkennen. Die einfachste Abweichung von der angestrebten Kreis-Querschnittsform ist eine elliptische Verzerrung. Wird sie (siehe Fig. 3a) in nur zwei unterschiedlichen azimutalen Richtungen abgetastet, so hängt es von der gerade vorliegenden Orientierung der Verzerrung ab, ob die beiden Durchmesser-Werte D ₁ und D ₂ tatsächlich unterschiedlich sind und damit die Verzerrung anzeigen, oder ob dies nicht der Fall ist. Im rechten Teil von Fig. 3a gibt es eine Lage des Stranges, bei der die beiden Durchmesserwerte D ₁ und D ₂ gleich sind, während sich bei der in der linken Abbildung von Fig. 3a dargestellten Lage eindeutig unterschiedliche Durchmesserwerte D ₁ und D ₂ ergeben.

Bei der Abtastung in drei azimutalen Richtungen ergeben sich drei unterschiedliche Durchmesserwerte D ₁, D ₂ und D ₃ (siehe Fig. 3b), so daß eine eventuelle eliptische Verzerrung mit Sicherheit festgestellt werden kann. Aus den drei um 120° versetzt zueinander gemessenen Durchmesser-Werten D ₁, D ₂ und D ₃ läßt sich ein sowohl für die Querschnittsfläche als auch für den Umfang repräsentativer Mittelwert des Durchmessers berechnen. Darüberhinaus kann aus diesen drei Werten auch der Betrag der elliptischen Verzerrung angegeben werden, sowie deren azimutale Orientierung.

Die für eine solche Verzerrungs-Analyse erforderlichen Bestimmungen der drei verschiedenen Durchmesser D ₁, D ₂ und D ₃ werden mit Vorrichtungen 10 gemäß Fig. 1 durchgeführt, und zwar in drei möglichst dicht aufeinanderfolgenden Ebenen senkrecht zur Richtung des Stranges 0. Die in diesen drei Ebenen liegenden Paare von Abtast-Lichtstrahlen sind aus Fig. 2 ersichtlich. Dabei zeigt Fig. 2a für einen Ablenkwinkel α = 0 den Aufbau der Vorrichtung 10 nach Fig. 1, die den in Fig. 3b mit D ₁ bezeichneten Strang-Durchmesser erfaßt.

In der nächsten Ebene, siehe Fig. 2b, wird durch die Verwendung eines speziellen Umlenkprismas 20 das Licht-Strahlenpaar, das den Strahlteiler 18 verläßt, durch zweimalige Reflexion an den Seitenflächen des Umlenkprismas 20 gemeinsam um einen Winkel α = +60° umgelenkt, ohne daß die beiden Lichtstrahlen dabei ihre Parallelität und ihre gegenläufigen Abtastbewegungen verlieren. Diese beiden Lichtstrahlen erfassen also den in Fig. 3b mit D ₂ bezeichneten Durchmesser des Stranges 0.

Schließlich wird in der dritten Ebene, siehe Fig. 2c, das Paar von Abtastlichtstrahlen mittels eines zweiten Umlenkprismas 22 um einen Winkel α = -60° umgelenkt, um den mit D ₃ bezeichneten Strang-Durchmesser zu erfassen.

Die zugehörigen, zangenartigen Abtastbewegungen der insgesamt sechs Abtast-Lichtstrahlen sind in Fig. 2 mit x 1, y 1; x 2, y 2 und x 3, y 3 bezeichnet. Die Abschattungen bzw. Hell/Dunkel-Übergänge dieser sechs Abtast-Lichtstrahlen werden von den sechs zugehörigen Fotodetektoren PD _1x , PD _1y (siehe Fig. 2a), PD _2x , PD _2y (siehe Fig. 2b) und PD _3x , PD _3y (siehe Fig. 2c) festgestellt und in entsprechende elektrische Signale umgewandelt, die dann von der elektronischen Auswerteinrichtung 24 in die drei Durchmesser-Werte D ₁, D ₂, D ₃ umgesetzt werden; hieraus lassen sich dann die eigentlich interessierenden Größen, nämlich der durchschnittliche Durchmesser des Tabakstrangs, die Differenz zwischen dem maximalen und minimalen Durchmesser des Tabakstrangs sowie die azimutale Orientierung einer eventuellen Verzerrung gewinnen und anzeigen.

Die Verwendung der beiden Umlenkprismen 20, 22 nach Fig. 2 hat gegenüber anderen möglichen Ausführungsformen den Vorteil, daß alle erforderlichen sechs Abtast-Lichtstrahlen aus drei parallelen Primär-Lichtstrahlen gewonnen werden können. Diese drei parallelen primären Abtast-Lichtstrahlen können wiederum auf einfache Weise in einem gemeinsamen Strahlablenker erzeugt und synchron miteinander verschwenkt werden, wie noch erläutert werden soll. Die für eine 60°- Umlenkung erforderlichen Winkel der Umlenkprismen 20, 22 betragen 30°/60°/90°. Eine Kathete der Prismen muß verspiegelt sein, um die gewünschten Reflexionen der Lichtstrahlen zu erhalten. Ihre Hypothenuse kann dagegen unverspiegelt bleiben, da hier eine Totalreflexion erfolgt.

Bei einer realisierten Ausführungsform dieses Prinzips der Dreifach- Abtastung haben die Umlenkprismen 20, 22 eine Hypothenuse von 60 mm Länge, während die drei Meßebenen nach Fig. 2 sich in Abständen von 5 mm befinden.

Für die Auswertung der von den sechs Fotodetektoren PD _1x , PD _1y , PD _2x , PD _2y , PD _3x , PD _3x abgegebenen Hell/Dunkel- bzw. Dunkel/Hell- Sprungsignale müssen die zu den Zeitpunkten dieser Übergänge jeweils vorliegenden Lagen der sechs Abtast-Lichtstrahlen genau festgelegt werden. Hierzu dienen insgesamt drei Referenz-Signale, die von den in Fig. 4 mit PD _0x , PD _0y und PD _R bezeichneten drei Fotodetektoren abgenommen werden. Diese Fotodetektoren empfangen drei weitere Abtast-Lichtstrahlen x ₀, y ₀ und x _R , die zusätzlich zu den bisher erwähnten Lichtstrahlen x ₁, y ₁, x ₂, y ₂, x ₃, y ₃ durch Strahlteilung erzeugt werden. Auf diese Weise wird sichergestellt, daß sich alle neun Abtast-Lichtstrahlen stets streng synchron zueinander bewegen.

Der mit x _r bezeichneten Referenz-Lichtstrahl verläuft durch ein Präzisions-Gitter mit genau bekannter Gitterkonstante g ₀ (siehe Fig. 4), ehe er auf den Fotodetektor PD _R trifft. Infolge der Abtast- Bewegung dieses Lichtstrahles x _R erzeugt dieser Fotodetektor PD _R ein Wechselsignal S _R , wobei jede Periode dieses Signales einer Bewegung um eine Gitterkonstante g ₀ entspricht. Zur Erhöhung der Auflösung wird dieses Wechselsignal noch um einen Faktor m frequenzvervielfacht, beispielsweise mit m = 32. Bei dem so erzeugten Signal S _m entspricht dann eine Periode einer Bewegung aller Abtast- Lichtstrahlen über die Strecke g = g ₀/m. Diese Strecke dient bei der Auswertung als Maßeinheit.

Alle anderen Strecken, insbesondere die drei gesuchten Durchmesser D ₁, D ₂ und D ₃, werden bei Auswertung intern als Vielfache der Strecke g dargestellt.

In diesem sinne wird das Signal S _m einem elektronischen Vorwärts/ Rückwärts-Zähler X, beispielsweise mit einer Auflösung von 12 Bit, zugeführt, der die Perioden des Signals S _m zählt. Dieser Zähler X erhält außerdem noch ein logisches Signal S _± vom Antrieb des Strahlablenkers, nämlich des Schwingspiegels 14, das angibt, ob sich alle Abtast-Lichtstrahlen gerade in den in Fig. 4 eingezeichneten Richtungen (+) oder während der zweiten Halbperiode der Spiegelbewegung in den entgegengesetzten Richtungen (-) bewegen.

Entsprechend dem Wert des Signals S _± zählt der Zähler X vorwärts oder rückwärts. Außerdem wird der Zähler X zu Beginn eines jeden Zählvorganges, also bei jeder Änderung des Signales S _± auf 0 gesetzt. Damit entspricht der momentane Zählerstand des Zählers X während des Abtastvorganges jeweils genau der Lage aller acht anderen Abtast-Lichtstrahlen x _i , y _i mit i = 0, 1, 2, 3.

Der Anfangspunkt dieser Zählung und damit der acht Abtastbewegungen bleibt jedoch während jedes Abtastvorganges zunächst noch unbestimmt, da er beispielsweise von der absoluten Lage des Gitters g ₀ sowie den elektrischen Laufzeiten des Frequenzvervielfachers abhängt.

Zur Ermittlung der drei Durchmesser-Werte D ₁, D ₂, D ₃ wird der Zählerstand des Zählers X immer dann abgelesen, wenn einer der sechs Abtaststrahlen die Längskante des Stranges 0 passiert, also wenn das Ausgangssignal eines der sechs zugehörigen Fotodetektoren einen Dunkel/Hell-Übergang (während der in Fig. 4 dargestellten positiven Halbperiode der Abtastbewegung) oder einen Hell/Dunkel- Übergang (während der anderen negativen Halbperiode) registriert. Diese Sprünge werden in Diskriminator- und Trigger-Stufen T _0x , T _0y , T _1x , T _1y , T _2x , T _2y , T _3x und T _3y ausgewertet, die an die entsprechenden Fotodetektoren PD _0x , PD _0y . . . PD _3y angeschlossen sind. Immer dann, wenn das betreffende Ausgangssignal des Fotodetektors einen Pegel passiert, der gleich seiner halben Maximalhöhe ist, gibt die zugehörige Diskriminator- und Trigger-Stufe einen kurzen Nadelimpuls ab. Zur sicheren Unterscheidung der Dunkel/Hell-Übergänge von den Hell/Dunkel-Übergängen wird allen Trigger-Stufen das schon erwähnte logische Signal S _± zugeführt.

Jeder Nadelimpuls der Diskriminator- und Trigger-Stufen öffnet ein zugehöriges Gatter g _0y , g _0x , g _1y , g _1x , g _2y , g _2x , g _3y , g _3x , das den momentanen Zählerstand des Zählers X auf Zähler X ₀, Y ₁, X ₁, Y ₂, X ₂, Y ₃, X ₃ überträgt, d. h. den Gattern werden einerseits die Ausgangssignale der Diskriminator- und Trigger-Stufen und andererseits das Ausgangssignal des Zählers X zugeführt, so daß sie bei gleichzeitigem Vorliegen der beiden Signale den Zählerstand des Zählers X auf die anderen Zähler geben.

Am Ende eines Abtastvorganges enthalten also die verschiedenen Zähler X ₁, Y ₁, X ₂, Y ₂, X ₃, Y ₃ Zählerstände, welche die Lagen der Längskanten des Stranges 0 darstellen.

Ein Mikroprozessor liest die Zählerstände dieser sechs Zähler ab und berechnet die zugehörigen Durchmesser-Werte D ₁, D ₂ und D ₃, ausgedrückt in Einheiten g, gemäß der Beziehung

D _i = X _i + Y _i + C   (i = 1, 2, 3)

Die noch unbekannte Konstante C wird mit Hilfe eines Referenzpaares von Abtaststrahlern ermittelt, die in Fig. 4 mit x ₀ und y ₀ bezeichnet sind. Sie entsprechen in jeder Hinsicht den drei Paaren von Abtast-Lichtstrahlen, die den zu messenden Strang 0 abtasten. Das Paar von Referenz-Lichtstrahlen tastet jedoch eine Präzisions- Maske exakt bekannter Breite D ₀ ab, die etwa dem mittleren Durchmesser des Stranges 0 entspricht. Mit den zugehörigen Zählerständen der Zähler X ₀ und Y ₀ kann man aus der bekannten Breite D ₀ der Maske die Konstante C wie folgt berechnen:

C = D ₀ - X ₀ - Y ₀

Aus diesen Größen lassen sich nun die drei gesuchten Durchmesser D ₁, D ₂ und D ₃ sowie alle weiteren, daraus abgeleiteten Größen, wie die Elliptizität einer eventuellen Abweichung von der idealen Kreisform des Querschnittes des Stranges, die Fläche oder der Umgang des Stranges berechnen.

Dabei ergibt sich der mittlere Durchmesser des Stranges als Mittelwert der drei Einzel-Durchmesser.

= (D ₁ + D ₂ + D ₃) / 3

Die Abweichung von der Rundheit wird charakterisiert durch eine Differenz Δ, die zwischen dem maximalen und minimalen Durchmesser einer dem Querschnitt angepaßten Ellipse besteht. Es kann diese Differenz wie folgt aus den Messungen ermittelt werden:

Wie oben erörtert wurde, trifft der von der Laser-Lichtquelle 12 erzeugte, einzige, gut kollimierte Laserstrahl auf den Schwingspiegel 14, der als Strahlablenker dient. Dieser Schwingspiegel 14 ist, zusammen mit einem Permanentmagneten, an einem stramm gespannten Draht befestigt, der als Torsionsfeder dient. Damit hängt die Frequenz der Schwingung des Spiegels 14 im wesentlichen vom Torsionsmoment des Drahtes sowie vom Trägheitsmoment der Kombination Spiegel/Permanentmagnet ab. Bei einer realisierten Ausführungsform liegt die Frequenz der Schwingung bei 600 Hz. Dadurch ergeben sich insgesamt 1200 Messungen/sek. Bei einer Geschwindigkeit des Tabak- oder Filter-Strangs 0 von 6 m/s wird damit nach jeweils 5 mm eine Dreifach-Bestimmung des Durchmessers des Strangs 0 vorgenommen, d. h. an jeder einzelnen Cigarette erfolgen etwa 50 Durchmesser-Bestimmungen.

Der mit dem Schwingspiegel 14 verbundene Permanentmagnet dient als Antriebsquelle für die Schwingungen über ein kleines, von einer Spule erzeugtes magnetisches Wechselfeld. Letzteres wird von einem Wechselstrom erzeugt, der seinerseits in einem Rückkopplungskreis von einem der Detektorsignale, z. B. dem Ausgangssignal des Fotodetektors PD _y0 (siehe Fig. 4) abgeleitet wird. Die Amplitude der Torsionsschwingung muß über einen Regelkreis stabilisiert werden. Dabei wird zweckmäßigerweise als Maß der Amplitude die mittlere Frequenz des Detektorsignales S _R des Fotodetektors PD _R benutzt.

Bei einer realisierten Ausführungsform mit einem Meßbereich von 2,5 mm, d. h., einer zu überstreichenden Breite des von dem Strahlleiter 18 erzeugten Lichtstrahls, erfaßt jeder Abtast-Lichtstrahl einen Gesamtbereich von etwa 5 mm Breite. Bei einer Brennweite der Abtastlinse 16 von 91 mm beträgt die Amplitude der Winkelbewegung des Primär-Lichtstrahles, also der Winkel, den der einzige, von dem Schwingspiegel 14 ausgehende, reflektierte Lichtstrahl überstreicht, 0,055°, und die Amplitude der Torsionsschwingung des Schwingspiegels 14 ist halb so groß, also 0,0275°.

Das optische Ablenksystem ist zweckmäßigerweise so aufgebaut, daß es den kollimierten Lichtstrahl nicht nur ablenkt, sondern ihn auch gleichzeitig in die fünf primären Lichtstrahlen aufteilt, die für die fünf Abtast-Funktionen (siehe Fig. 4) benötigt werden, nämlich in die drei Meß-Strahlenpaare X ₁, Y ₁, X ₂, Y ₂, X ₃, Y ₃ zur Bestimmung der Durchmesser D ₁, D ₂, D ₃, das Referenz-Strahlenpaar x ₀, y ₀ für die Bestimmung der Breite D ₀ der Maske sowie für die Gitter-Positions- Referenz x _R . Zu diesem Zweck wird auf den Spiegel des Ablenksystems ein Phasengitter aufgebracht, dessen Gitterstriche senkrecht zur Rotations-Schwingungsachse des Spiegels verlaufen. Die durch die Beugung des Lichtes an dem Gitter entstehenden Beugungsordnungen können direkt als die benötigten primären Abtast- Lichtstrahlen dienen.

Ein entsprechender Aufbau ist aus Fig. 5 ersichtlich. Der kollimierte Laserstrahl fällt auf einen Ablenkspiegel, der mit dem erwähnten Phasengitter versehen ist. Es werden insgesamt fünf Abtast-Lichtstrahlen erzeugt, die von der Abtastlinse 16 in parallele Abtast-Lichtstrahlen umgewandelt werden. In Fig. 5 sind auch die Abtastbewegungen dieser fünf Primär-Lichtstrahlen angedeutet.

Die einzelnen, von der Abtastlinse 16 ausgehenden, parallelen Abtast-Lichtstrahlen laufen zu dem Strahlteiler 18, der die weitere Aufteilung für die "Parallelzangen-Bewegung" nach Fig. 1 vornimmt.

Bezüglich der Auslegung dieses Phasengitters wird darauf hingewiesen, daß seine Gitterkonstante die winkelmäßige Auffächerung senkrecht zur Ebene der Abtastbewegung bestimmt. Durch geeignete Wahl der Phasen-Amplitude und der Furchen-Form des Gitters läßt sich eine solche Aufteilung in die fünf primären Abtast-Lichtstrahlen erreichen, daß alle Lichtstrahlen näherungsweise die gleiche Intensität haben. Die für eine entsprechende Ausgestaltung des Phasengitters erforderlichen Überlegungen sind in dem Artikel "Binary Phase Gratings for Star Couplers with High Splitting Ratio" von U. Killat, G. Rabe und W. Rave beschrieben, der in der Zeitschrift "Fiber and Integrated Optics", Vol. 4, S. 159-167 erschienen ist. Die dort für Transmissionsgitter erörterten Gedanken lassen sich ohne weiteres auf Reflexionsgitter übertragen.

Bei einer realisierten Ausführungsform hat das Phasengitter eine Gitterkonstante von 14,4 µm und besteht aus 3 µm breiten und 0,2 µm dicken Streifen auf einem ebenen Substrat. Auf dieses Gitter ist ein dünner Aluminiumbelag als Reflexionsschicht aufgedampft. Damit wurde eine Aufteilung erreicht, bei der das Intensitäts verhältnis zwischen den stärksten und dem schwächsten der fünf primären Abtast-Lichtstrahlen besser als 2 : 1 ist.

Der besondere Vorteil einer solchen Anordnung für die gleichzeitige Ablenkung und Aufteilung des Lichtstrahls liegt einerseits in der Einsparung separater Bauelemente, die sonst für diese beiden Funktionen benötigt werden, und andererseits in der doppelten Ausnutzung der Abtastlinse 16. Sie wird normalerweise dazu verwendet, die Winkelbewegung des abgelenkten Strahles in eine Parallel- Abtastbewegung umzuwandeln. Zu diesem Zweck muß sich das Ablenk- Zentrum im ersten Brennpunkt der Abtastlinse 16 befinden. Wird nun das Phasengitter direkt auf dem Schwingspiegel 14 aufgebracht, so befindet sich auch das Phasengitter im ersten Brennpunkt der Linse, so daß nach Durchlaufen der Abtastlinse 16 die einzelnen Beugungsordnungen des Phasengitters in Form paralleler Strahlen verlaufen, die alle gleichzeitig dieselbe Abtastbewegung ausführen.

Claims (12)

1. Vorrichtung zur Erfassung der Längskanten eines in seiner Längsrichtung bewegten, stabförmigen Objektes, insbesondere eines Tabak- oder Filter-Strangs,

• a) mit einer Lichtquelle zur Erzeugung eines Lichtstrahles,
• b) mit mindestens einem Strahlteiler, der den von der Lichtquelle kommenden Lichtstrahl in mindestens zwei die Kantenbereiche des Objektes überstreichende Lichtstrahlen aufteilt,
• c) mit einem optischen Ablenksystem zum Verschwenken der beiden Lichtstrahlen über das Objekt,
• d) mit mindestens zwei in Strahlrichtung hinter dem Objekt angeordneten Fotodetektoren, und
• e) mit einer Auswerteinrichtung zur Ermittlung der Lage der Längskanten aus den Zeitpunkten der Hell/Dunkel-Übergänge an den beiden Fotodetektoren einerseits und der momentanen Position der Lichtstrahlen andererseits,
  dadurch gekennzeichnet, daß
• f) der bzw. jeden Strahlteiler (18) zwei zueinander parallele Lichtstrahlen (x, y) erzeugt, die sich in entgegengesetzter Richtung über das Objekt (O) bewegen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlteiler (18) in mindestens drei Ebenen jeweils zwei zueinander parallele Lichtstrahlen (x, y) erzeugt, die sich in entgegengesetzter Richtung über das Objekt (O) bewegen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlteiler (18) durch einen Strahlteiler-Würfel gebildet wird.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlenteiler (18) durch ein Köster-Prisma gebildet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß insgesamt mindestens drei Strahlteiler (18) für die Abtastung der Längskanten des Objektes (O) in mindestens drei verschiedenen Azimut-Richtungen vorgesehen sind.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der einzige, an dem optischen Ablenksystem (14) reflektierte Lichtstrahl auf eine Abtastlinse (16) fällt, die parallele Abtast-Lichtstrahlen erzeugt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Abtast-Linse (16) der Strahlteiler (18) nachgeschaltet ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Ablenksystem durch einen Schwingspiegel (14) gebildet wird.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß auf den Schwingspiegel (14) ein Phasengitter zur Erzeugung von mehreren primären Abtast-Lichtstrahlen aufgebracht ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch ein Referenz-Strahlenpaar (X ₀, Y ₀) für die Abtastung einer Maske von konstanter Breite (D ₀), durch zwei Fotodetektoren (PD _0x , PD _0y ) für die die Maske passierenden Referenz-Lichtstrahlen, und durch eine Auswerteinrichtung zur Gewinnung eines Eichsignals (C) aus den Ausgangssignalen der beiden Fotodetektoren (PD _0x , PD _0y ).

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle durch eine Laser-Lichtquelle (12) gebildet wird.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle durch eine Superstrahlungsdiode gebildet wird.