DE3825974A1 - Laengenmessvorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Längenmeßvorrichtung mit hoher Meß­ genauigkeit bei verringerten Temperaturabweichungen.

Längenmeßinstrumente in Form von Meßtastern mit Kreisskala sind im Maschinenbau weit verbreitet. Die Meßvorrichtung wird an einem Fixpunkt relativ zu einer Bezugsebene angeordnet und die aus ihr vorstehende Tastsonde an ein Meßobjekt angesetzt. Die Strecke, die sie beim Ein- bzw. Ausfahren zurücklegt, wird auf das Anzeigeelement übertragen. Mit einer derartigen Meßvorrich­ tung läßt sich auf etwa 1/1000 mm genau messen. Diese Vorrich­ tungen dienen auch zur Bestimmung des Durchmessers und der Rundheit von Meßobjekten.

Es gibt seit kurzem auch Meßtaster mit Digitalanzeige, die mit einem Colpitts-Oszillator arbeiten, in dem drei Spulen hinter­ einander im Bewegungsbereich des Kerns liegen, der mit der Son­ de verbunden ist. Die mittlere Spule ist immer eingeschaltet und wird abwechselnd mit einer der beiden anderen zu einem Reihenzweig verbunden, der als Schwingkreisinduktivität wirkt. Man erhält also zwei Schwingfrequenzen: im einen Fall bildet die mittlere Spule mit der einen, im anderen Fall mit der anderen jeweils einen Reihenzweig als Schwingkreisinduktivität.

Die mit dem Colpitts-Oszillator wie beschrieben erhaltenen Schwingfrequenzen werden mit einem Zähler bestimmt und auf einen Mikrocomputer gegeben, der aus der Differenz der beiden Zählwerte, d.h. der Differenz der Frequenzen entsprechend der durch die Lageänderung des Kerns verursachten Reaktanzver­ schiebung, die von der Sonde durchlaufene Strecke bestimmt und das Ergebnis auf die Digitalanzeige gibt, die es sichtbar aus­ gibt.

Derartige Längenmeßvorrichtungen arbeiten nach dem Prinzip, eine Frequenz mittels einer Induktivitätsänderung zu verschie­ ben, die sich bei der Lageänderung des Kerns ergibt. Die Zuver­ lässigkeit der Messung wird daher von den Temperatureigenschaf­ ten der Spulen, dem "Herz" der Meßvorrichtung, stark beein­ flußt. Diese Temperatureigenschaften lassen sich jedoch vorweg untersuchen. Ist dann die Ist-Temperatur bekannt, läßt der Einfluß sich kompensieren. Hierzu muß die Temperatur zunächst bestimmt werden. Aufgrund zahlreicher Gesichtspunkte (einschl. der einfachen Montage) ist in tragbaren und gedrängt aufgebau­ ten Längenmeßvorrichtungen hierfür im allgemeinen ein Thermi­ stor vorgesehen.

Thermistoren sind teuer und erfordern spezielle Meßschaltungen. Sie erlauben daher keine Verringerung der Größe der Längenmeß­ vorrichtung und des für sie zu treibenden Aufwands.

Ein bekanntes Verfahren zum Kompensieren der Temperatureigen­ schaften von Spulen ist die Verwendung von Kondensatoren mit den gleichen, aber entgegengesetzt gerichteten Temperaturei­ genschaften. Derartige Kondensatoren sind jedoch Spezialaus­ führungen und daher teuer und nur schwer erhältlich.

Die vorliegende Erfindung beruht auf dieser Sachlage und hat zum Ziel die Schaffung einer Längenmeßvorrichtung, die ohne spezielle Meßschaltungen auskommt, kostengünstiger zu erstellen ist und eine Temperaturkompensation sowie Messungen mit hoher Genauigkeit gestattet.

Um dieses Ziel zu erreichen, weist die erfindungsgemäße Längen­ meßvorrichtung eine in einer Richtung vorstehende und axial bewegbare Sondenanordnung, einen Oszillator mit an einem Ende der Sonde angebrachtem Kern, einer ersten, einer zweiten und einer dritten Spule, die in dieser Reihenfolge in Axialrichtung der Sonde im Bereich der durch die Sonde verursachten Bewegung des Kerns angeordnet sind, sowie eine Einrichtung auf, die wahlweise die mittlere zweite Spule mit der ersten oder der dritten Spule in Reihe schaltet, um Schwingfrequenzen entspre­ chend der Kernlage in einem ersten Fall, in dem die zweite Spule mit der ersten verbunden ist, und in einem zweiten Fall, in dem die zweite Spule mit der dritten verbunden ist, zu er­ zeugen und abzugeben. Eine Zähleinrichtung bestimmt die Fre­ quenz der Ausgangssignale des Oszillators und eine Kalibrier­ spule mit bekannten Temperatureigenschaften kann wahlweise an den Oszillator angeschaltet werden. Eine Temperaturinformati­ onen generierende und speichernde Einrichtung übernimmt die Zählwerte des Zählers bei an den Oszillator angeschalteter Kalibrierspule, leitet hieraus Temperaturinformationen ab und speichert sie. Eine Arithmetikeinheit übernimmt die Zählwerte aus dem Zähler, berechnet die Differenz zwischen dem Zählwert des ersten und dem des zweiten Falls, temperaturkompensiert die Differenz anhand der in der sie generierenden und speichernden Einrichtung gespeicherten Temperaturinformation und ermittelt aus dieser temperaturkompensierten Differenz die Bewegungs­ strecke der Sonde.

Fig. 1 zeigt die Schaltungsanordnung nach einer bevorzug­ ten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 zeigt die räumliche Zuordnung der Spulen und des Kernelements;

Fig. 3 zeigt die Verschaltung der Spulen;

Fig. 4A bis 4C zeigen anhand von Flußdiagrammen die Arbeits­ weise des Mikrocomputers.

Anhand der Zeichnungen soll nun eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erläutert werden.

Fig. 1 zeigt die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung. Diese Längenmeßvorrichtung 10 weist einen Colpitts-Oszillator 12, einen Zähler 14, einen Mikrocomputer 16, der die Arithmetik­ einheit darstellt, eine Digitalanzeige 18 und eine Kalibrier­ spule Lc auf. Der Kollektor des Transistors TR ist an die + 5 V- Betriebsspannung aus einer Batterie und eine Versorgungsschal­ tung gelegt, sein Emitter über den Widerstand R nach Masse. Die Basis des Transistors TR liegt über den Kondensator C und den veränderbaren Kondensator VC an Masse, aber auch über die Spu­ len L, La und den Schalter SWa einerseits und die Spulen L, Lb und den Schalter SWb andererseits. Das Ausgangssignal des Os­ zillators 12 wird am gemeinsamen Anschluß der Kondensatoren C, VC abgenommen. Die Spulen La, Lb haben die gleiche Impedanz.

Was die räumliche Zuordnung der Spulen L, La, Lb des Oszilla­ tors 12 anbetrifft, sind die Spulen La, Lb jeweils an den Enden der Spule L angeordnet, wie in Fig. 2 gezeigt. Der langge­ streckte Kern 20, an dem die Sonde 22 befestigt ist, ist mittig durch die Spulen La, L, Lb auf deren Achse hindurchgeführt. Eine Feder 24 am oberen Ende des Kerns 20 drückt die Sonde 22 aus der eigentlichen Längenmeßvorrichtung (nicht gezeigt) hin­ aus. Die Sonde 22 ist mit dem Kern 22 axial frei beweglich ge­ lagert. Die Spulen La, L, Lb sind dabei innerhalb des Bewe­ gungsbereiches des Kerns 20 angeordnet, den die an ein Meßob­ jekt angesetzte Sonde 22 durchlaufen kann. In der Mitte liegt die Spule L, beiderseits von ihr die Spulen La, Lb. Der Kern 20 kann durch die Spulen La, L und Lb hindurchlaufen.

Diese Spulen sind verschaltet, wie es die Fig. 3 zeigt. Die Spule La kann durch Schließen des Schalters SWa in Reihe mit der gemeinsamen Spule L gelegt werden, desgl. die Spule Lb durch Schließen des Schalters SWb. Das Umschalten zwischen den beiden Reihenzweigen L und La bzw. Lb erfolgt also durch ab­ wechselndes Ein- und Ausschalten der Schalter SWa, SWb, wobei die Induktivitätswerte des jeweiligen Reihenzweiges und damit die Schwingfrequenz des Colpitts-Oszillators 12 von der Lage des Kerns 20 abhängen.

Die Schwingfrequenz des Oszillators 12 für den Betrieb mit einem der beiden Reihenzweige aus den Spulen L, La, Lb in ihren unterschiedlichen Kombinationen wird mit einem Zähler 14 erfaßt und auf den Mikrocomputer 16 gegeben, der die Arithmetikeinheit darstellt. Der Mikrocomputer 16 enthält einen Speicher (nicht gezeigt), in dem das Arbeitsprogramm sowie eine Tabelle 16 a ab­ gelegt sind, die den Zusammenhang der Zählwerte mit den Bewe­ gungsstrecken beinhaltet. Insbesondere berechnet der Mikrocom­ puter 16 die Differenz der Schwingfrequenzen für die beiden Reihenzweige und bestimmt die Bewegungsstrecke l aus der Dif­ ferenz der Zählwerte aus der Tabelle 16 a, die für die Zählwerte die jeweilige Bewegungsstrecke angibt. Die so erhaltene Bewe­ gungsstrecke wird vom Mikrorechner 16 auf die Digitalanzeige 18 gegeben, die sie sichtbar ausgibt.

Die so aufgebaute erfindungsgemäße Längenmeßvorrichtung enthält eine Kalibrier-Spule Lc. Ein Reihenzweig enthaltend die Kali­ brierspule Lc und den Schalter SWc liegt parallel zu dem Schwingkreis mit den Spulen La, L, Lb des Colpitts-Oszillators 12. Diese Kalibrierspule Lc, deren Temperatureigenschaften be­ kannt sind, ist im Kalibrierbetrieb bei geschlossenem Schalter SWc an den Oszillator 12 geschaltet.

In der erfindungsgemäßen Längenmeßvorrichtung enthält ein Spei­ cher (nicht gezeigt) im Mikrocomputer 16 eine Tabelle 16 b mit Temperaturkompensationsinformationen zur Anwendung bei der Kom­ pensation der Zählwerte der Schwingfrequenz des Oszillators 12, die sich bei eingeschaltetem Reihenzweig L, La bzw. L, Lb im Meßbetrieb ergibt. Weiterhin enthält der Speicher eine Tabelle 16 c mit Temperaturkompensationsinformationen in Abhängigkeit von den Zählwerten der Schwingfrequenz des Oszillators 12. Schließlich hat der Speicher noch einen Datenspeicherbereich 16 d, in dem im Betrieb verschiedene Daten - bspw. Temperatur­ informationen - abgelegt werden.

Der Mikrocomputer 16 ist mit einer selektiven Schließsteuer­ funktion für die Schalter SWa, SWb, SWb ausgeführt. Wird bspw. die Stromversorgung eingeschaltet, wird die Vorrichtung zu­ nächst in den Kalibrierbetrieb geschaltet und bei geschlossenem Schalter SWc (und offenen Schaltern SWa, SWb) eine Temperatur­ messung durchgeführt. Dann wird die Vorrichtung auf den Meß­ betrieb umgeschaltet und die Schwingfrequenz erst bei geschlos­ senem Schalter SWa, dann bei geschlossenem Schalter SWb (die anderen Schalter jeweils offen) gemessen. Aus diesen ausge­ zählten Frequenzwerten wird die von der Sonde durchlaufene Bewegungsstrecke berechnet. Da die Längenmeßvorrichtung aus einer Batterie gespeist wird, ist sie so aufgebaut, daß der Schalter im Normalfall zu arbeiten beginnt, wenn die Sonde in eine vorbestimmte Lage eingeschoben wird. Es läßt sich also eine Arbeitsschrittfolge ansetzen derart, daß, wenn die Stromversorgung eingeschaltet wird, die Vorrichtung zuerst in den Kalibrier- und dann in den Meßbetrieb geschaltet wird.

Anhand der Flußdiagramme der Fig. 4A bis 4C soll nun die Ar­ beitsweise der wie oben beschrieben aufgebauten Längenmeßvor­ richtung erläutert werden. Diese Längenmeßvorrichtung ist an einem festen Ort bezüglich der Bezugsebene bzw. der Bezugs­ position angeordnet. Es wird ein Meßobjekt in der Bezugsebene oder -position angeordnet und die Sonde 22 an es angesetzt, die dabei einfährt. Erreicht sie dabei eine bestimmte Lage, schal­ tet die Stromversorgung ein und setzt den die Arithmetikeinheit darstellenden Mikrocomputer 16 in Betrieb. Der Mikrocomputer 16 wird initialisiert (Schritt S 1) und schaltet in den Kalibrier­ betrieb (Schritt S 2). Zum Kalibrieren schaltet der Mikrocom­ puter 16 nur die Spule Lc (mit bekannten Temperatureigenschaf­ ten) an den Transistor TR des Oszillators 12, indem er nur den Schalter SWc schließt (Schritt S 3). Der Oszillator 12 arbeitet nun mit der Kalibrierspule Lc als Induktivität; die Schwing­ frequenz wird vom Zähler 14 bestimmt und auf den Mikrocomputer 16 gegeben.

Aus der Frequenz ermittelt der Mikrocomputer 16 mit Hilfe der Tabelle 16 c (Temperaturinformation als Funktion des Frequenz­ zählwerts) Temperaturinformation (Schritt S 4) und legt sie im vorerwähnten Datenspeicherbereich 16 d des Speichers ab (Schritt S 5); dann öffnet er den Schalter SWc und nimmt damit die Spule Lc vom Transistor TR des Oszillators 12 ab (Schritt S 6). Danach geht der Mikrocomputer 16 in den Meßbetrieb über (Schritt S 7). Er schließt nur den Schalter SWa und legt so den Reihenzweig mit den Spulen L, La an den Transistor TR des Oszillators 12 (Schritt S 8), so daß dieser mit den Spulen L, La als Indukti­ vität schwingt. Der Zähler 14 bestimmt die Schwingfrequenz und gibt den Frequenzwert an den Mikrocomputer 16, der ihn im Be­ reich 16 d des Speichers ablegt (Schritt S 9). Dann öffnet er den Schalter SWa wieder, um den Reihenkreis L, La vom Transistor TR des Oszillators 12 abzutrennen (Schritt S 10).

Sodann schließt der Mikrocomputer 16 nur den Schalter SWb, um den Reihenkreis mit den Spulen L, Lb an den Transistor TR des Oszillators 12 anzuschalten (Schritt S 11). Der Oszillator 12 schwingt nun mit diesen Spulen als Induktivität; die Schwing­ frequenz wird vom Zähler 14 bestimmt und auf den Mikrocomputer 16 gegeben, der sie im Datenbereich 16 d des Speichers ablegt (Schritt S 12). Schließlich wird der Schalter SWb wieder geöff­ net und der Reihenkreis L, Lb vom Transistor TR abgetrennt (Schritt S 13).

Wird die Sonde 22 an ein Meßobjekt angesetzt, fährt sie in die Meßvorrichtung ein und nimmt den mit ihr verbundenen Kern 20 um die gleiche Strecke mit. Der Kern 20 verschiebt sich also in­ nerhalb seines Bewegungsbereichs relativ zu den Spulen L, La, Lb; entsprechend ändern sich deren Induktivitäten. Als Schwin­ kreisinduktivität wirken nun die durch abwechselndes Ein- und Ausschalten der Schalter SWa, SWb an den Oszillator 12 ange­ schalteten Reihenkreise mit unterschiedlicher Induktivität. Durch das Betätigen der Schalter wird folglich die Schwingfre­ quenz des Oszillators 12 verändert; die Schwingfrequenzen hän­ gen dabei von der Lage des Kerns 20 jeweils bei geschlossenem Schalter SWa bzw. SWb ab.

Die Schwingfrequenzen werden von Zähler 14 gezählt und der Mikrocomputer 16 bestimmt die Differenz der Zählwerte der Fre­ quenzen, die sich für die beiden Reihenzweige mit den angege­ benen Spulen ergeben. Hierzu entnimmt er die Zählwerte dem Datenspeicherbereich 16 d und berechnet ihre Differenz (Schritt S 14). Sodann wird aufgrund der Temperaturinformation im Daten­ speicherbereich 16 d und der tabellierten Temperaturkompensati­ onsinformation im Bereich 16 d des Speichers der Differenz der Zählwerte ein Kompensationswert hinzugefügt. Man erhält so die von der Sonde durchlaufene Strecke l, die der Differenz der temperaturkompensierten Zählwerte unter Bezug auf die gespei­ cherte Tabelle 16 a der Bewegungsstrecke als Funktion der Fre­ quenzzählwerte entspricht (Schritt S 16). Die so berechnete Be­ wegungsstrecke geht auf die Digitalanzeige 18 und wird von ihr sichtbar dargestellt (Schritt S 17).

Die erfindungsgemäße Längenmeßvorrichtung enthält eine Kali­ brierspule hoher Stabilität, deren Temperatureigenschaften be­ kannt sind. Im Kalibrierbetrieb wird mit dieser Spule der Os­ zillator betrieben und aus der Schwingfrequenz die Ist-Tempe­ ratur bestimmt. Im nachfolgenden Meßbetrieb dient der so er­ haltene Temperaturwert zur Temperaturkompensation. Man erhält also genaue Temperaturinformationen ausschließlich mit dem Oszillator selbst und ohne nur für die Temperaturmessung hin­ zuzufügende Spezialelemente. Die Kalibrierspule ist billiger als ein Thermistor und vermeidet die für diesen erforderliche spezielle Schaltung. Es lassen sich also der Aufwand für und die Größe der Meßvorrichtung gering halten.

Die Erfindung ist nicht auf die in den beigefügten Zeichnungen dargestellte Ausführungsform beschränkt. Es lassen sich an den hierin enthaltenen Einzelheiten Änderungen durchführen, ohne den Grundgedanken und Umfang der Erfindung zu verlassen. Bspw. wird in der oben beschriebenen Ausführungsform Betriebsspannung angelegt, wenn die Sonde in eine vorbestimmte Lage eingefahren ist; stattdessen kann ein separater Hauptschalter vorgesehen werden. Weiterhin wird in der beschriebenen Ausführungsform die Temperaturkompensationsinformation der Differenz der Frequenz­ zählwerte hinzugefügt. Stattdessen kann man auch temperatur­ kompensierte Frequenzzählwerte im Datenspeicherbereich ablegen oder die Temperaturkompensation auf den aus den Zählwerten be­ rechneten Wert der Bewegungsstrecke anwenden.

Claims (6)

1. Längenmeßvorrichtung mit einer Sondenanordnung (22), die in einer Richtung vorsteht und in Axialrichtung bewegbar ist;
einem Oszillator (12) mit einem am freien Ende der Sonde angebrachten Kern (20), einer ersten, einer zweiten und einer dritten Spule (La, L, Lb), die in dieser Reihenfolge in der Axialrichtung der Sonde (22) im Bereich der von der Bewegung derselben verursachten Lageveränderung des Kerns (20) angeord­ net sind, und einer Einrichtung (16, SWa, SWb), mit der die mittlere zweite Spule (L) wahlweise mit der ersten Spule (La) oder der zweiten Spule (Lb) in Reihe schaltbar ist, um Signale mit Frequenzen entsprechend der Lage des Kerns (20) in einem ersten Fall, in dem die zweite Spule (L) in Reihe mit der er­ sten Spule (La) liegt, und in einem zweiten Fall, in dem die zweite Spule (L) in Reihe mit der dritten Spule (Lb) liegt, zu erzeugen und abzugeben;
einer Zählvorrichtung (14), die die Frequenz der Ausgangs­ signale des Oszillators (12) bestimmt; und
eine Arithmetikeinheit (16), die die Zählwerte aus der Zählvorrichtung (14) übernimmt, die Differenz zwischen den Zählwerten des ersten und des zweiten Falls berechnet und aus dieser berechneten Differenz die von der Sonde (22) zurückge­ legete Bewegungsstrecke ermittelt;
dadurch gekennzeichnet, daß weiter­ hin
eine Kalibrierspule (Lc) bekannter Temperatureigenschaften vorgesehen ist, die wahlweise an den Oszillator (12) anschalt­ bar ist, und daß
die Arithmetikeinheit (16) aus den mit der Zähleinrichtung (14) bei an den Oszillator (12) geschalteter Kalibrierspule (Lc) erhaltenen Zählwerten Temperaturinformationen ableitet, diese abspeichert, die berechnete Differenz anhand der gespei­ cherten Temperaturinformationen temperaturkompensiert und aus der tempereturkompensierten Differenz die Bewegungsstrecke der Sonde (22) ermittelt.

2. Längenmeßvorrichtung nach Anspruch 1, gekenn­ zeichnet weiterhin durch eine Einrichtung (16, SWc), um beim Inbetriebtreten der Längenmeßvorrichtung die Kalibrier­ spule (Lc) an den Oszillator (12) zu schalten.

3. Längenmeßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Arithmetikeinheit (16) gespeichert eine Tabelle (16 c) von vorweg ermittelten Tempera­ turinformationen als Funktion von Frequenz-Zählwerten sowie einen Speicher (16 d) enthält, in den die Temperaturinformation aus der Tabelle (16 c) für die vom Zähler (14) jeweils gelie­ ferten Frequenz-Zählwerte eingeschrieben werden.

4. Längenmeßvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Arithmetikeinheit (16) eine Tabelle (16 b) mit vorweg gespeicherten Temperaturkompensa­ tionsinformationen enthält, diese jeweils entsprechend den im Speicher (16 d) enthaltenen Temperaturinformationen ausliest und mit ihnen die berechneten Differenzen temperaturkompensiert.

5. Längenmeßvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Arithmetikeinheit (16) eine Tabelle (16 a) einer Vielzahl vorweg ermittelter Bewegungs­ strecken als Funktion der Differenzwerte enthält und anhand der Tabelle (16 a) mit den temperaturkompensierten Differenzen die Bewegungsstrecken ermittelt.

6. Längenmeßvorrichtung nach Anspruch 3, gekenn­ zeichnet weiterhin durch eine Einrichtung (18) zur sichtbaren Anzeige der von der Arithmetikeinheit (16) ermit­ telten Länge der Bewegungsstrecke der Sonde (22).