DE3708770C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung gemäß dem Oberbe
griff des Anspruches 1.
Es ist eine gattungsgemäße Vorrichtung bekannt (DE-PS 35 13
799, Fig. 2b), bei welcher zwischen einer Hochspannungs
elektrode und einer das Objekt darstellenden Masseelektrode
eine Meßfunkenstrecke und zwischen derselben Hochspannungs
elektrode und einer an Masse liegenden Referenzelektrode
eine Referenzfunkenstrecke ausgebildet ist, welche jedoch
räumlich voneinander getrennt sind. Diese räumliche
Trennung führt zu einer schlechten Kopplung dieser beiden
Funkenstrecken und als Folge davon zu einer mehr oder
weniger großen Schalthysterese. Da bei dieser bekannten
Vorrichtung meßtechnisch mit Wiederholraten im kHz-Bereich
gearbeitet wird, kann sich die verbleibende Restionisation
des aktivierten Gasvolumens nicht bis zur nächsten
Funkenentladung vollständig neutralisieren. Die Folge
ist ein Absinken der Ansprechspannung und damit eine
Verschiebung des abstandsabhängigen Umschaltpunktes, ab
dem die jeweils andere Funkenstrecke aktiv wird. Des
weiteren führt diese räumliche Trennung zu einer ungenügenden
Kompensation anderer auf die Ansprechspannung einflußnehmen
den Größen, wie Temperatur, Druck, Strömung, Gasart, was
insbesondere bei Anwendung in der Nähe von Schweißlicht
bögen der Fall ist, die starke örtliche Gradienten dieser
Größen erzeugen. Darüber hinaus arbeitet die bekannte
Vorrichtung im Sinne eines Näherungsschalters und ist
somit überall dort nicht einsetzbar, wo es auf die Über
wachung von Abstandstoleranzen ankommt.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine gattungsgemäße Vor
richtung so auszubilden, daß sie auf wechselnde Um
gebungseinflüsse weitgehend unempfindlich reagiert
und darüber hinaus zumindest innerhalb eines gewissen
Toleranzbereiches eines SOLL-Abstandes eine kontinuier
liche Abstandsauflösung ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden
Merkmalen des Anspruches 1 gelöst, wobei die Merkmale der
Ansprüche 2-5 besondere Ausgestaltungen der Vor
richtung und die Merkmale des Anspruches 6 eine
Ausbildung der Auswerteeinheit der Vorrichtung kenn
zeichnen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung
dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es
zeigt
Fig. 1 in schematischer Darstellung eine erste An
ordnung der Elektroden der Vorrichtung,
Fig. 2 in schematischer Darstellung eine zweite
Anordnung der Elektroden der Vorrichtung,
Fig. 3 in schematischer Darstellung die Vor
richtung mit Auswerteeinheit und
Fig. 4 ein Abstandsdiagramm.
Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, besteht die Elektrodenan
ordnung der Vorrichtung aus einer Hochspannungselektrode 1,
einer an Masse 2.1 liegenden Referenzelektrode 2 und einer
das an Masse 3.3 gelegte Objekt 3 - beispielsweise ein
Werkstück - darstellenden Masseelektrode 3.1. Mit der
Hochspannungselektrode 1 ist mechanisch und elektrisch
isoliert ein Gegenstand 4 - beispielsweise eine Schweiß
elektrode eines Schweißgerätes - verbunden, welcher unter
einem bestimmten Abstand entlang der Kontur des Objektes 3
bewegt werden soll. Die Referenzelektrode 2 ist an der
Hochspannungselektrode 1 und gegenüber dem Fußpunkt 1.1 der
Hochspannungselektrode 1 in einem festen Abstand P angeordnet -
welcher den SOLL-Abstand zwischen dem Gegenstand 4 und der
Kontur 3.2 entsprechen kann bzw. diesem entsprechend zuge
ordnet ist -, wobei zwischen beiden Elektroden eine Referenz
funkenstrecke RF gebildet ist. Ebenso ist zwischen dem Fuß
punkt 1.1 der Hochspannungselektrode 1 und der Bezugskante
3.4 der Masseelektrode 3.1 unter einem Abstand X eine Meß
funkenstrecke MF gebildet, wobei im Stromkreis zwischen der
Hochspannungselektrode 1 und der Masse 3.3 ein Sensor 5
angeordnet ist, welcher bei über die Meßfunkenstrecke MF
stattfindender Funkenentladung einen Impuls erzeugt.
Wird nun von einem Hochspannungsgenerator 7 (Fig. 3) eine
gepulste Hochspannung an die Hochspannungselektrode 1 an
gelegt, so ist bei genauer mechanischer (Abstand X = Ab
stand P) und physikalischer Symmetrie die Wahrscheinlich
keit für das Durchbrechen entweder der Referenzfunken
strecke RF oder der Meßfunkenstrecke MF jeweils genau 0,5,
d. h., der Nachweisimpuls am Sensor 5, daß eine Funkenent
ladung über die Meßfunkenstrecke MF stattgefunden hat, er
scheint nur in 50% aller induzierten Funkenentladungen. An
dererseits wird eine leichte Unsymmetrie, hervorgerufen
durch eine Änderung des Abstandes X, unmittelbar diesen
Wahrscheinlichkeitswert verändern.
Bezogen auf Fig. 1 bedeutet dies, daß dann, wenn X » P
ist, die Funkenentladungen ausschließlich über die Re
ferenzfunkenstrecke RF erfolgen und der Sensor 5 somit
keine Impulse erzeugt. Nähert sich der Abstand X dem Ab
stand P, so wächst die Wahrscheinlichkeit, daß auch
einzelne Funkenentladungen über die Meßfunkenstrecke
MF stattfinden, wobei die Anzahl der Entladungen mit
geringer werdendem Abstand X zunimmt. Wird hingegen
X « P, so werden die Funkenentladungen ausschließlich
über die Meßfunkenstrecke MF stattfinden und der Sensor
5 erzeugt Impulse entsprechend der Zahl der induzierten
Funkenentladungen.
Aufgrund dieses Sachverhalts läßt sich eine Abstandsab
hängigkeit Z/Z o = f(X) darstellen - wie in Fig. 4 ge
zeigt -, mittels welcher in einem bestimmten Sensitivi
tätsbereich S mit dem Quotienten Z/Z o eine genauere Be
stimmung des Abstandswertes X möglich ist (Z bedeutet
hierbei die Anzahl der innerhalb eines Meßzyklus vom
Sensor erfaßten Funkenentladungen, Z o bedeutet die Ge
samtmenge der vom Hochspannungsgenerator ausgelösten
Funkenentladungen innerhalb eines Meßzyklus) und somit
in bezug auf den Abstand P auch die Abweichung (X-P) fest
stellbar ist.
Wie aus Fig. 1 des weiteren noch ersichtlich ist, wird die
physikalische Symmetrie der Elektrodenanordnung dadurch
sichergestellt, daß die Referenzfunkenstrecke RF räumlich
eng zur Meßfunkenstrecke MF benachbart angeordnet wird,
also im Gasraum derselben liegend, so daß um beide Funken
strecken sowohl die gleichen Ionisationsbedingungen als
auch äußeren Einflußbedingungen vorliegen. Ferner kann
die Einflußsymmetrierung durch Vereinigung der beiden
Funkenstrecken in möglichst identischen Gasvolumina noch
durch eine künstliche Symmetrierung gesteigert werden, in
dem beispielsweise der Bereich der Funkenstrecken über
ein Gebläse angeblasen wird.
Gemäß Fig. 2 sind die Elektroden der Vorrichtung inner
halb eines Werkstückspaltes angeordnet, mit dem Ziel,
innerhalb des Werkstückspaltes die Mittellage zu er
kennen oder generell den Abstand der Elektroden bezüglich
einer oder mehrerer Objektoberflächen zu symmetrieren.
Hierbei wird die Meßfunkenstrecke MF von einer ersten
Hochspannungselektrode 1 und der das Objekt 3 darstellen
den Masseelektrode 3.1 gebildet, hingegen die Referenz
funkenstrecke RF von einer der ersten Hochspannungselek
trode 1 elektrisch parallel geschalteten und geometrisch
fest mit dieser verbundenen zweiten Hochspannungselektrode
6 und einer Referenzelektrode, welche ebenfalls die Masseelek
trode 3.1 oder bei geteiltem Werkstück - wie in gestrichelten
Linien angedeutet - eine von dem anderen Werkstückteil ge
bildete Referenzmasseelektrode 3.2 sein kann. Die Fußpunkte
1.1 und 6.1 der beiden Hochspannungselektroden 1 und 6 sind
wiederum so angeordnet, daß sie für die Referenz- und Meß
funkenstrecke im gleichen Gasraum liegen. Der Sensor 5 bildet
bei dieser Anordnung einen unmittelbaren Bestandteil der
ersten Hochspannungselektrode 1, so daß er nur bei über
die Meßfunkenstrecke stattfindender Funkenentladung einen
Impuls erzeugt.
Wird nun von einem Hochspannungsgenerator 7 (Fig. 3) eine
gepulste Hochspannung an die Hochspannungselektroden 1, 6
angelegt, so ist bei genauer mechanischer (Abstand X =
Abstand Y) und physikalischer Symmetrie die Wahrscheinlich
keit für das Durchbrechen entweder der Referenzfunkenstrecke
RF oder der Meßfunkenstrecke MF jeweils genau 0,5, d. h.,
der Nachweisimpuls am Sensor 5, daß eine Funkenentladung
über die Meßfunkenstrecke MF stattgefunden hat, erscheint
wiederum nur in 50% aller induzierten Funkenentladungen.
Ebenso werden leichte Unsymmetrien, hervorgerufen durch
eine Änderung des Abstandes X, unmittelbar diesen Wahr
scheinlichkeitswert verändern, so daß sich wiederum eine
Abstandsabhängigkeit Z/Z o = f(X/Y) - wie in Fig. 4 gezeigt
- darstellen läßt.
Wie aus Fig. 3, welche die Vorrichtung mit ihrer Elektroden
anordnung und Auswerteeinheit 13 analog Fig. 1 zeigt, er
sichtlich ist, ist zwischen dem Fußpunkt 1.1 der Hochspannungs
elektrode 3.1 die Meßfunkenstrecke MF und zwischen dem Fuß
punkt 1.1 und der Referenzelektrode 2 die Referenzfunken
strecke RF gebildet. Die Hochspannungselektrode 1 ist mit
einem Hochspannungsgenerator 7 - bestehend aus dem Hoch
spannungsteil 7.1 und einem Oszillator 7.2 - verbunden,
welcher die gepulste Hochspannung erzeugt. Am Ausgang des
Oszillators 7.2 ist des weiteren ein Zähler 8 angeschlossen,
dessen Ausgang sowohl mit einem weiteren Zähler 9 als auch
mit einem Decoder 10 verbunden ist, wobei auch der Ausgang
des Zählers 9 mit dem Decoder 10 verbunden ist. Der Eingang
des Zählers 9 wiederum ist mit dem einen Anschluß des Sen
sors 5 verbunden, dessen anderer Anschluß auf Masse liegt.
Wird nun eine gepulste Funkenentladung eingeleitet, so
werden während des vom Zähler 8 bestimmten Meßzyklus
- wodurch also auch die Gesamtmenge Z o der vom Generator
ausgelösten Funkenentladungen während des Meßzyklus be
stimmt ist - vom Sensor 5 die Funkenentladungen erfaßt,
welche zwischen der Hochspannungselektrode 1 und der
Masseelektrode 3.1 - also über die Meßfunkenstrecke MF -
erfolgen. Die hierbei vom Sensor 5 erzeugten Impulse ge
langen auf den Zähler 9 - welcher zu Beginn eines jeden
Meßzyklus von dem Zähler 8 zurückgesetzt wird -, werden
in diesem aufaddiert, und am Ende des Meßzyklus wird der
Zählerstand, welcher der Häufigkeit Z entspricht, gespeichert
und der Speicherwert dem Decoder 10 zugeführt, welcher den
Quotienten aus Z und Z o bildet. Anhand der im Decoder ge
speicherten Abhängigkeitsfunktion entsprechend Fig. 4 wird
in diesem der entsprechende Abstand X der Meßfunkenstrecke
MF ausgelesen und ein der Abweichung (X-P) entsprechendes
Signal gebildet, welches sodann am Ausgang des Decoders 10
beispielsweise als digitales Schwellwertsignal ansteht und
welches zur entsprechenden Nachführung der Elektrodenan
ordnung bzw. des Gegenstandes an das Objekt herangezogen
wird.
Wie in Fig. 3 unterhalb der gestrichelten Linie dargestellt ist,
kann eine analoge Auswertung auch mit Hilfe eines Flip-Flops
11 erreicht werden, wenn dessen Rücksetzeingang mit dem Os
zillator 7.2 und dessen Setzeingang mit dem Sensor 5 ver
bunden wird. Wegen des sehr kurzen Zeitintervalls zwischen
der Taktflanke des Spannungsimpulses vom Oszillator und
dem Impuls vom Sensor ist das Flip-Flop näherungsweise
entweder eine gesamte Spannungsimpulsperiodendauer ein- oder
ausgeschaltet. Ein nachfolgender Tiefpaß 12 geeigneter
Dimensionierung erzeugt bei fester Oszillatorfrequenz ein
hinreichend oberwellenarmes, dem Abstand X bzw. der Abwei
chung (X-P) zuordenbares analoges Signal.
Claims (6)
1. Vorrichtung zur berührungslosen Ermittlung einer Abweichung
vom SOLL-Abstand zwischen einem Gegenstand
und der Kontur eines relativ zum Gegenstand beweg
baren Objektes
mittels einer von einem Hochspannungsgenerator ausgelösten
gepulsten Funkenentladung
entweder über eine Meßfunkenstrecke, welche von einer Hoch
spannungselektrode und einer das Objekt darstellenden Masse
elektrode gebildet ist
oder über eine Referenzfunkenstrecke, welche von einer Hoch
spannungselektrode und einer an Masse liegenden Referenz
elektrode gebildet ist
wobei zum Nachweis des Entladungsweges im Stromkreis einer
Funkenstrecke ein Sensor angeordnet ist, welcher bei über
diese Funkenstrecke stattfindender Funkenentladung einen
Impuls erzeugt, welcher in einer Auswerteeinheit zur Bildung
eines abstandsabhängigen Signals entsprechend ausgewertet wird,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Referenzfunkenstrecke (RF) räumlich eng benachbart zur Meßfunken
strecke (MF) und im Gasraum derselben liegend ange
ordnet ist
und daß in der Auswerteeinheit (13) fortlaufend die Häufig
keit z der in der mit dem Sensor (5) versehenen Funkenstrecke
innerhalb eines jeden Meßzyklus stattfindenden Funkenent
ladungen durch Quotientenbildung in Relation gesetzt wird
zur Gesamtmenge z o der vom Hochspannungsgenerator (7) während eines jeden Meßzyklus
ausgelösten Funkenentladungen
und aus dem Quotienten z/z o in einem Schaltglied (10) der
Auswerteeinheit (13) das von der Abweichung vom SOLL-Abstand
abhängige Signal gebildet wird.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß sowohl für die Meßfunkenstrecke (MF) als auch für die
Referenzfunkenstrecke (RF) dieselbe Hochspannungselektrode
(1) Verwendung findet, wobei die Referenzelektrode (2)
gegenüber der Hochspannungselektrode (1) in einem dem SOLL-
Abstand entsprechenden Abstand (P) fest angeordnet ist und
die Hochspannungselektrode (1) sowohl für die Referenz
funkenstrecke (RF) als auch für die Meßfunkenstrecke (MF),
in deren Stromkreis der Sensor (5) angeordnet ist, einen
im gleichen Gasraum (14) liegenden gemeinsamen Fußpunkt
(1.1) bildet.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß für die Meßfunkenstrecke (MF) eine erste Hochspannungs
elektrode (1) und für die Referenzfunkenstrecke (RF) eine
der ersten Hochspannungselektrode (1) elektrisch parallel
geschaltete und geometrisch fest mit dieser verbundene zweite
Hochspannungselektrode (6) Verwendung findet, wobei die Re
ferenzelektrode entweder durch die Masseelektrode (3.1) oder
eine separate Referenzmasseelektrode (3.2) gebildet ist und
die Fußpunkte (1.1, 6.1) der beiden Hochspannungselektroden
(1, 6) so angeordnet sind, daß sie für die Referenz- und Meß
funkenstrecke im gleichen Gasraum (14) liegen und wobei der
Sensor (5) einen unmittelbaren Bestandteil der ersten Hoch
spannungselektrode (1) bildet.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Hochspannungselektrode(n) (1, 6) mechanisch und
elektrisch isoliert mit dem Gegenstand (4) verbunden sind.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Gasraum (14) der Funkenstrecken (MF, RF) mittels
eines Mediums angeströmt wird.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Auswerteeinheit (13) einen Zähler (8)
aufweist, dessen Eingang mit einem Oszillator (7.2) des
Hochspannungsgenerators (7) und dessen Ausgang sowohl mit
einem Decoder (10) als auch mit einem weiteren Zähler (9)
verbunden ist, dessen Eingang wiederum mit dem Sensor (5)
verbunden ist, wobei der Zähler (8) den Meßzyklus fest
legt und die Gesamtmenge z o der Funkenentladungen während
dieses Meßzyklus erfaßt und der Zähler (9) die Häufigkeit z
der vom Sensor (5) erfaßten Funkenentladungen während des
Meßzyklus registriert und an den Decoder (10) überträgt,
welcher den Quotienten z/z o bildet und anhand einer ge
speicherten Abhängigkeitsfunktion ein der Abweichung
(X-P) entsprechendes Signal bildet.
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