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Verfahren und Vorrichtung zur Messung des Abstandes zweier Punkte
z. B. der Länge von Gegenständen, insbesondere von Stäben Zusatz zum Patent 928200
Die
Erfindung bezieht sich auf. ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung der Breite,
der Länge oder sonstigen Dimensionen von an sich beliebigen Gegenständen, welche
abbildbare Begrenzungen aufweisen.
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Gemäß dem Hauptpatent wird bei der Breitenmessung das Bild der Kanten
des Gegenstandes, z. B. jeder Bandkante, optisch erfaßt und mittels einer Optik
gemeinsam auf einer Meßfläche, z. B. einer Mattscheibe, geometrisch abgebildet.
Die Messung erfolgt mittels einer Skala oder einer Fotozelle auf Grund einer Lichtmenge
auf der Meßfläche. Man überträgt vorteilhaft die Bilder der Kanten auf die Meßfiäche
mit optischen Mitteln so, daß das Abbild der einen Kante zum Abbild der anderen
Kante auf der Meßfläche senkrecht steht.
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Sobald der Schnittpunkt sich auf einer geneigten Geraden bewegt, ist
keine Abweichung von der Sollbreite vorhanden. Das Band hat sich dann nur insgesamt
seitlich verschoben. Liegt dagegen der Schnittpunkt der Abbilder der Bandkanten
auf einer Parallelen hierzu, so liegt eine Abweichung von der Sollbreite vor.
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Es ist ebenfalls hereits vorgeschlagen worden, an Stelle der Objektive
für eine optische Abbildung Fernsehkameras zu verwenden. Wenn man die optische Achse
der beiden Kameras um den gleichen, aber entgegengesetzten Winkel zur jewei-
liegen
Bandkante dreht, ergibt sich der sehr vorteilhafte Umstand, daß die Abbildungen
der Bandkanten sich so schneiden, daß die Schnittpunktverschiebungen bei reinenBreitenänderungen
senkrecht zu den Schnittpunktverschiebungen bei reinen Parallelverschiebungen des
Bandes erfolgt, so daß die Verschiebungen des Schnittpunktes und damit die Ablesung
der Breitenänderungen bzw. der Parallelverschiebungen in einem orthogonalenKoordinatensystem
erfaßt werden können. Die Vorrichtung gemäß dem Hauptpatent setzt im wesentlichen
parallele Kanten voraus, welche senkrecht zu der Verbindungslinie zwischen den Mittelpunkten
der beiden Objektive bzw. Fernsehkameras verlaufen.
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Bei Bandeisen verlaufen die Kanten jedoch nicht immer parallel, und
die Breitenänderung erfolgt auch nicht sprungweise, sondern in einem kontinuierlichen
Übergang, so daß an den Übergangsstellen die Bandkanten nicht parallel verlaufen.
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Trotzdem läßt sich gemäß der vorliegenden Erfindung eine Breitenmessung
senkrecht zur Bewiegullgsrichtung des dnrchlaufenden Gutes durchführen.
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Das Meßverfahren gemäß der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet,
daß zur Messung der Ausdehnung von Gegenständen, z. B. der Länge von Stäben oder
der Breite von flächenhaften Körpern, in einer Richtung parallel zur Verbindungslinie
der Mittelpunkte zweier Objektive die zwischen zwei bezüglich ihres Abstandes zu
messenden Punkten verlaufende Gerade des Gegenstandes senkrecht zur Verbindungslinie
der beiden Mittelpunkte der Ob-Objektive bzw. Fernsehkameras geführt wird. Hierbei
werden die Abbildungen der beiden Begrenzungen des zu messenden Gegenstandes auf
dem Bildschirm relativ zueinander verdreht abgebildet, wobei die je nach der Verschiedenheit
der Breite bzw. Länge sich ergebende verschiedene Lage der Überdeckungspunkte (das
sind die Punkte, in denen die beiden abgebildeten Begrenzungen zusammenfallen) als
Maß für die Länge bzw. Breite oder der Abstand der ifberdeckungspunkte als Maß für
die Längen-bzw. Breitenunterschiede dient Die Erfindung ist an Hand der Figuren
beispielsweise erläutert.
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Fig. 1 a und Ib veranschaulichen zunächst die Bandlcantenmessung;
in.
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Fig. 2 sind die Bandkanten fortgelassen und lediglich die Abbildungsanordnung
und zwei verschieden große Strecken veranschaulicht; die Fig. 3 veranschaulicht
die Abbildung der kürzeren Strecke (stabförmiger Körper) während ihrer Bewegung
senkrecht zur Verbindungslinie der Objektive; die Fig. 4 veranschaulicht die Abbildung
der längeren Strecke (stabförmiger Körper) während ihrer Bewegung senkrecht zur
Verbindungslinie der Objektive; Fig. 5 entspricht im wesentlichen der Fig. 3, nur
daß lediglich die Begrenzungen A, B -der Strecken (Stäbe) abgebildet werden, während
das parallel zur Verbindungslinie der Objektive liegende Verbindnngsstücl: zwischen
den Begrenzungen nicht abgebildet wird; Fig. 6 entspricht der Fig. 4, wobei wiederum
nur die Begrenzungen A', B' der Strecke (Stab) ab-- gebildet werden.
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Gemäß. Fig. 1 a werden die beiden Kanten des bandförmigen Gutes 1
mittels der beiden Fernsehkameras 2 und 3 auf dem Bildschirm zL als Linien al und
b1 abgebildet. Infolge der Neigung der optischen Achsen 5 der beiden Fernsehkameras
um gleiche aber gegensinnige Winkelbeträge F schneiden sich gemäß Fig. 1 b die beiden
abgebildeten Bandkanten a, und b1 im PunkteS. Findet keine Parallelverschiebung
des ganzen Bandes statt, so bleibt die Mittelachse x in ihrer alten Stellung. Bei
einer reinen Breitenänderung ergeben sich dann beispielsweise die gestrichelt angedeuteten
Bandkanten a' und b'. Da die Mittelachse x des Bandes nicht verschoben wird, erfolgt
die Gesamtbreitenänderung symmetrisch zur Mittelachse, und zwar auf beiden Seiten
um den Betrag d . Die beiden Bandkanten a' und b' werden auf dem Bildschirm 4 in
den Linien. a1, und bl' abgebildet, welche sich im Punikte S' schneiden. Infolge
der beschriebenen Stellung der Kameras zu den Bandkanten liegen sämtliche Schnittpunkte
der Bandkanten, welche einer gewissen Breite entsprechen, auf der senkrechten Linie
des Bildschirmes, welche gleichzeitig die Winkelhalbierende der abgebildeten, sich
schneidenden Bandkantenlinien ist. Der Abstand e zwischen den Schnittpunkten S und
S' ist hierbei ein eindeutiges Maß der Breitenänderung d.
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Betrachtet man die Verhältnisse auf dem Bild- -schirm 4, so lassen
sich dem SchnittpunkteS die beiden Punkte A und B des Bandes als abgebildete Punkte
Al und B1 zuordnen, d. h., im Punkte S fallen die Abbildungen der beiden Punkte
A und B zusammen. Diese-beiden Punkte liegen auf einer Parallelen v zur Verbindungslinie
m zwischen den Mittelpunkten M1 und M2 der beiden Kameras.
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Wenn man die Punktpaare C', D' und C", D" betrachtet, die auf den
Parallelen d, zr2 zur Geraden v liegen, so wird die Sonderstellung des Punktepaares
A, B ersichtlich. Während das Punktepaar A, B auf derAbbildung-in einem gemeinsamen
Punkte S abgebildet wird, ergeben die parallel verschobenen Punktepaare C', D' und
C", D" auf dem Bildschirm od. dgl. getrennte Abbildungen. Das Punktepaar C', D'
wird in das Punktepaar Cl', D1, und das Punktepaar C", D" in das Punktepaar C1,,,
Dt" abgebildet, welche also nicht zusammenfallen. rindet eine Breitenänderung des
Bandes I statt, d. h. verschieben sich die Kanten a und b in die gestrichelt angedeuteten
Kanten d, b', so verschiebt sich der Schnittpunkt S in den Schnittpunkt S'.
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Dem Schnittpunkt,S' entspricht nun wiederum ein Punktepaar an der
Kante des Bandes. Das dem Schnittpunkt S' entsprechende Punktepaar liegt jedoch
nicht auf der Parallelen v zur Verbindungslinie der Mittelpunkte der beiden Kameras,
sondern auf der weiter nach oben verschobenen Parallelen welche von den beiden Punkten
A' und B' begrenzt wird. Jeder Bandbreite kann also ein in verschie-
denem
Abstand von der Verbindungslinie der Mittelpunkte der beiden Kameras liegendes Punktepaar
zugeordnet werden, dessen Abbildung auf dem Bildschirm in einem gemeinsamen Punkte
stattfindet.
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In Fig. 2 sind nun die Bandkanten weggelassen und lediglich die Strecken
v und v' dargestellt. Auf das Vorhandensein begrenzender Kanten kann gemäß der Erfindung
verzichtet werden, und auch die Messung von Stäben oder sonstigen linearen Körpern,
welche durch die Strecke A, B bzw. A', B' repräsentiert werden, kann durchgeführt
werden.
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Hierbei ist lediglich wichtig, daß der zu messende Abstand zwischen
zwei Punkten sich parallel zu der Verbindungslinie rn zwischen den beiden Punkten
M1 und M2 erstreckt und in der Richtung r, welche senkrecht zur Verbindungslinie
der beiden Kameramittelpunkte liegt, eine Bewegung des zu messenden Körpers stattfindet.
Wird nun der Stab j4-B ohne seitliche Verschiebung in der Bewegungsrichtung r fortbewegt,
so ergibt sich auf dem Bildschirm (s. Fig. 3), wenn man diesen in sukzessiven Zeitpunkten
betrachtet, folgendes Bild: Die auf den beiden Kameras 2 und 3 entworfenen Bilder
der Streckev und der Punkte A und B sind in dem Bildabschnitt 1 des Bildschirmes
veranschaulicht.
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Die von den beiden Kameras 2 und 3 entworfenen Bilder der Strecke
v sind auf dem Bildschirm mit v bezeichnet. Die beilden Abbildungslinien v1 schneiden
sich in einem Punkte S,. Die Punkte A und R werden in den beiden getrennten Punkten
A1 und B1 abgebildet, welche jeweils in den Endpunkten der abgebildeten Strecken
vl liegen. Die Abbildung des PunktepaaresA, B findet also in dem getrennten Punktepaar
A1, B1 statt. In einem späteren Zeitpunkt gelangt der Stab bei seiner Bewegung senkrecht
zur Verbindungslinie in eine bestimmte Lage, bei der die Abbildung des Punktepaares
A, B in einengemeinsamenPunktS stattfindet. Im Punkte S fallen also die beiden abgebildeten
Punkte A1 und Bl zusammen, d. h., die beiden Enden der Strecke v überdecken sich
in der Abbildung. Diese im Bildabschnitt II dargestellte Bewegungsphase des Stabes
ist vor allen übrigen Bewegungsphasen ausgezeichnet. In einem späteren Zeitpunkt,
also bei einer weiteren Verschiebung des Stabes in Richtung r, wie er im Bildabschnitt
II veranschaulicht ist, werden die Endpunkte A, B des Stabes wieder in getrennten
Punkten Al, B1 abgebildet, ohne daß sich jetzt aber die beiden Abbildungen v1 schneiden.
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Aus den drei veranschaulichten in drei hintereinanderfolgenden Zeitpunkten
stattfindenden Abbildungen des Stabes läßt sich nun leicht der kontinuierliche Verlauf
der Abbildung entnehmen.
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In Fig. 4 ist die ganz analoge Abbildung eines längeren Stabes in
drei verschiedenen Bewegungsphasen dargestellt, welche auf dem Bildschirm wieder
durch die drei verschiedenenBildabschnitteI, II und III unterschieden sind. Der
durch die Endpunkte A', B' begrenzte Stab wird imBildabschnitt I mittels der beiden
Kameras 2 und 3 in den beiden Geraden v1, abgebildet, welche sich in dem SchnittpunkteSt'
schneiden, während die den Punkten A' und B' entsprechenden Abbildungspunkte A1,
und B1, getrennt sind und symmetrisch zum Schnittpunktes,' liegen. In der Abbildungsphase
II ist wieder die Lage des Stabes v' herausgegriffen, bei dem die Punkte A', B'
einen gemeinsam sich überdeckenden Abbildungspunkt S' aufweisen. In der AbbildunsphaseIII,
welche sich im weiteren Bewegungsverlauf des Stabes v' ergibt, werden dann wieder
die beiden Punkte A' und B' in den' verschiedenen Abbildungspunkten Sol', B1, abgebildet,
ohne daß sich jedoch ein Schnittpunkt der beiden Abbildungen vl' ergibt.
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Wie man nun bei dem Vergleich der Fig. 3 und 4 ersieht, liegen die
Schnittpunkte S (kleinerer Stab) und S' (größerer Stab) auf einer verschiedenen
Höhe der Bildschirm achse w. Der Abstand zwischen den Punkten S und S' ist hierbei
durch die Strecke e gegeben, die, wie man sich leicht überlegen kann, ein eindeutiges
Maß für den Längenunterschied der Stäbev und v' ist. Wird also die Bildschirmacihse
z. B. als Skala ausgebildet, so kann bei geeigneter Eichung der Skala direkt die
Länge der zu messenden Stäbe an der Skala beim Bewegen der Stäbe senkrecht zur Mittellinie
m der beiden Kameras 2 .und 3 festgestellt werden. Es ist lediglich notwendig, die
Stäbe v bzw. v' so lange zu verschieben, bis sich die abgebildeten Endpunkte A1,
B1 bzw. A1,, B1, -überdecken. Andererseits kann beim kontinuierlichen Durchlaufen
der Stäbe leicht der Punld ermittelt werden, bei dem das Überdecken der beiden Begrenzungspunkte
stattgefunden hat.
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Selbstverständlich ist es nicht notwendig, den ganzen Stab v bzw.
v' abzubilden. Es ist lediglich erforderlich, daß die durch die Endpunkte A, B und
A', B' veranschaulichten Stabenden abgebildet werden. Hieraus ergibt sich sogar
eine gewisse meßtechnische Vereinfachung, wie man aus den Fig. 5 und 6 ersehen kann,
wo lediglich die abgebildeten Enden Bi, A1 bzw. B1', A1, auf dem Bildschirm erscheinen.
Ansonsten entsprechen die Fig. 5 und 6 genau den über ihnen liegenden Fig. 3 und
4.
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Es sind also wieder die drei Abbildungsphasen eingezeichnet, aus denen
man leicht den kontinuierlichen Verlauf der Abbildung ersehen kann. Wird der Stab
v mit seinen Endpunkten A und B auf der Senkrechten zur Verbindungslinie n der beiiden
Kameras in Richtung r bewegt, so wandern die zunächst getrennten Punkte A1 und B1
längs der Achse w und nähern sich hierbei, bis sie im Überdeckungsprodukte s. zusammenfallen.
Im weiteren Bewegungsverlauf wandern die Punkte A1 und Bt in entgegengesetzter Richtung
wieder aus einander.
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In der Fig. 5 ist die Bewegungsbahn der Punkte Bt und A1 punktiert
angedeutet. Zusammenfassend läßt sich also sagen, daß sämtliche Messungen von Gegenständen,
welche sich auf die Messung des Abstandes zweier Punkte reduzieren lassen, deren
Verbindungslinie parallel zur Verbindungslinie zwischen den Mittelpunkten der beiden
Kameras liegt, mit dem erfindungsgemäßen Verfahren durchgeführt werden können.
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Wandern die Punkte A, B bei konstant bleizbendem Abstand (z. B. stabförmiger
Körper) und
unter Beibehaltung ihrer parallelen Lage zur Verbindung-slinie
m seitlich aus, so wandert der PunktS bzw. die Überdeckungen der Punkten, B1 auf
einer Senkrechten zur Bildschirmachse w, so daß die Messung des Breitenunterschiedes
e hierdurch nicht beeinflußt bzw. abgefälscht wird.
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Bildet die Verbindungslinie zwischen den Punkten A und B mit der Verbindungslinie
m einen Winkel und ist die Skala für zur Geraden m parallele Verbindungslinien zwischen
den Punkten A, B geeicht, so entsteht ein. Meßfehler fl e-e cosfl. wobei der Winkel
zwischen der Strecke A, B und der Geraden m darstellt. Da sich der cosfi bei kleineren
Winkeln jedoch kaum ändert, ist eine geringe Nichtparallelität für daß Meßergebnis
vernachlässigbar.