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Verfahren zur Messung von Strecken mittels Schallwellen, insbesondere
Ultraschallwellen, und Vorrichtungen zur Ausübung des Verfahrens Die Erfindung richtet
sich auf ein Verfahren zur Messung von Strecken mittels stehender Schallwellen insbesondere
Ultraschallwellen, sowie auf Vorrichtungen zur Ausübung des Verfahrens.
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Es ist bekannt, Ultraschallwellen zu Echoletungen aber auch zur Dickenmessung
zu verwenden.
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Während das Echolotverfallren nach dem Reflexionspnnzip arbeitet und
die Zeitdauer vom Augenblick des Sendens eines Ultraschallimpulses bis zum Empfangen
des reflektierten Schalles ein Maß für die Entfernung ist, arbeitet man bei der
Dickenmessung nach dem Resonanzverfahren, wobei die Dicke des durchschallten Werkstückes
aus der Messung der Resonanzfrequenz ermittelt wird.
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So macht sich beispielsweise das Auftreten einer Resonanz zwischen
der Schallfrequenz und einer Dickenschwingung des Werkstückes durch einen Anstieg
des Anodenstromes im Röhrengenerator bemerkbar. Man hat D ickenmeß geräte entwickelt,
bei denen fü.r ein Material mit bekannter Schallgeschwindigkeit die gesuchte Dicke
des Werkstückes an einer vor den Bildschirm einer Oszillographenröhre gesetzten
Skala abgelesen werden kann.
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Andere Dickenmesser arbeiten ähnlich wie das Echolotgerät nach dem
Refiexionsprinzip, wobei eine Schallwelle in dem auszumessenden Werkstück vom Schallgelber
zur gegenüblerliegenden Fläche des Werks.tückes und zurück zum Empfangsquarz läuft,
während eine zweite Welle in einem mit Öl gefüllten Metallrohr reflektiert wird.
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Man erhält dann auf dem Schirm der Kathoden-
strahlröhre
zwei Empfangszacken, die du.rch Verschieben des Quarzes in der Röhre zur Deckung
gebracht werden. Das Maß dieser Verschiebung, das an einer Skala eines Feinsltellgetriebes
ablesbar i&t, gibt die Dicke des Werkstückes an.
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Diese Messungen werden unmittelbar an dem zu messenden Werkstück
durchgeführt, dessen Dicke ermittelt werden soll.
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Demgegenüber richtet sich die Erfindung darauf, den beschallten Körper
unmittelbar als Maßstab zu verwenden und die gegebene Naturkonstante der Wellenlänge
als kleinste Meßstrecke zu benutzen.
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Die vorliegende Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, die bisher
aufgetretenen Teilungsfehier an Maßstäben zu vermeiden, durch welche ungenaue Messungen
ausgeführt wurden.
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Erreicht wird dies erfindungsgemäß dadurch, daß die Schallwelle in
einem Medium, dessen Länge ein Vielfaches vorn 1/2 ist, erzeugt wird und daß Ä/2
oder ein Vielfaches von 1/2 eine Teilungseinheit zwischen einer Anfangs- und einer
Endmeßmarke dars.tellt, so daß je ein Maximum oder ein Minimum der stehenden Welle
durch die Anfangs- und die Endmeßmarke hindurchgehen und daß die Maxima oder Minima
der stehenden Welle zur Herstellung von Teilullgsintervallen einzeln oder zur Einstellung
von aus Teilungsintervallen zusammengesetzten Meßstrecken summiert übertragen werden..
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Für Messungen nach dem metrischen System wird das Urmeter, dessen
Anfangs- und Endmeßmarke festliegt, in beispielsweise IOOO Teilungsintervalle aufgeteilt,
so daß dann Ai2 genau I mm ist. Falls höhere Genauigkeiten erforderlich sind, wird
man die Schallfrequenz höher wählen, so daß beispielsweise 10 1/2 !das Teilungsintervall
von I mm ergeben. Dementsprechend muß die Wellenlänge und damit die Eigenfrequenz
des Quarzes gewählt werden. Zweckmäßig wird die in dem Medium, beispielsweise einem
Meßstab, erzeugte stehende Welle an einem zum Meßstab parallelen, die Anfangs- und
Endmeßmarken aufweisenden Vergleichsmaßstab eingestellt, worauf der Vergleichsmaßstab
durch den mit Teilungen zu verstehenden Maßstab ersetzt wird, auf weichen die Intervalle
der Maxima oder Minima von 2/2 aufgezeichnet werden.
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Eine besonders vorteilhafte Ausführuwsform des Verfahrens, das die
übertragtuig der Teilungsintervalle leicht durchführbar macht, besteht darin, daß
das Ultraschallfeld in einem Magnetstab oder -rohr erzeugt wird und daß die mechanischen
Schwingungen der Elementarmagruete innerhalb der stehenden Welle induktiv abgetastet
werden.
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Es ist aber auch möglich, das Ultraschallfeld in einem optisch du.rchsichtigen
Medium zu erzeuger wobei die kleinste Meßstrecke der periodischen Wiederkehr einer
Schal lfeldgröß e, beispielsweise Druck oder Schnelle oder Brechungsindex, entspricht,
die aufgesucht oder sichtbar gemacht und übertragen wird. Solche Verfahren sind
als Verfahren der sekundären Interferenzen bekannt oder können mittels ebenfalls
bekannter spannungsoptischer Verfahren oder mittels des ebenfalls bekannen Ultraschallinterferometers
durchgeführt werden. Vorteilhaft werden die Intervalle beim Abtasten der Schallwelle
durch Abbildung eines Lichtspaltes fotooptisch auf den Maßstab übertragen.
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Die Erfindung richtet sich ferner auf Vorrichtungen zur Ausübung
des Verfahrens, welche die Herstellung von Teilungen mit genauen Intervallen oder
die Herstellung von aus Teilungsintervallen zusammengesetzten Meßstrecken bezwecken.
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Zu diesem Zweck trägt ein magnetisierbarer oder magnetischer Meßstab
an einem Ende den Sendequarz, während über dem anderen an Luft angrenzenden Ende
eine Erregerspule angeordnet ist, die von einem den Meßstab umgebenden, einen Längsschlitz
aufweisenden Magnetmantel getragen wird, der an der Seite des Sendequarzes mit der
Halterung desselben verbunden ist, während die andere Seite dem Meßstab auf Spaltbreite
gegenübersteht und die lunenseite des Magnetmantels als Füh,rung für einen mit Melßschleife
versehenen Indikator ausgebildet ist, der in dem Längsschlitz des Magnetmantels
durch ein Verstellgetriebe längs beweglich und mit einem Meßgerät sowie einem Aufzeichnungsgerät
verbunden ist, welches die Stellung des Indikators auf den Maßstab überträgt.
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Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist die Melßschleife auf
eine Trägerglasplatte, welche eine Durchlaßö;ffnung für den Meßstab besitzt, konzentrisch
zu diesem in einer Stärke von bis zu 1 z aufgedampft. Die Einstellung erfolgt zweckmäßig
nach den Knotenpunkten der stehenden Welle, da diese Einstellungen außerordentlich
genau sind und in der Größenordnung der Meßschleifendicke liegen. Beim Abtasten
der Knotenstellen wird ein über einen Verstärker an die Meßschleife angesclllossenes
Röhrenvoltmeter beobachtet, dessen Nullstellung die genaue Einstellung der Meßschleife
auf den Knotenpunkt anzeigt.
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Bei jeder Einstellung wird das Aufzeichnungsgerät betätigt, das erfindungsgemäß
eine Blitzlampe mit einer Spaltoptik enthält, die dien durch den Spalt erzeugten
Teilungsstrich auf den im Brennpunkt des Objektivs befindlichen Maßstab, auf dessen
Meßfläche eine kornlose Fotoemulsion aufgetragen i.st, projiziert. Als Träger der
Fot emulsion wird zweckmäßig ein Glasstab verwendet, der nach dem Aufblitzen aller
Teilstriche entwickelt oder anderweitig fotochemisch behandelt wird, so daß die
Teilstriche als feine Metallstriche oder auch als Ätzungen auf dem Maßstab erscheineu.
E,s ist auch möglich, diesen Glasmaßstab zur Vervielfältigung zwecks Herstellung
anderer Maßstäbe zu verwenden..
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Um die Auszählung der Teilstriche leichter durchführen zu können,
ist dem Aufzeichnungsgerät ein Zählwerk, vorzugsweise Elektronenzählwerk, zugeschaltet,
das zugleich mit der Betätigung des Aufzeichnungsgerätes zählt. So ist es beispielsweise
möglich, beii jedem zehnten Teilstrich die Spaltoptik zur Erzeugung eines längeren
Teilstriches zu verändern.
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Die Erfindung richtet sich ferner auf eine Vorrichtung zur Herstellung
von aus Teilungsintervallen zusammengesetzten Meß strecken, beispielsweise zur Vornahme
von Schlitteneinstellungen an Meßgeräten oder Werkzeugmaschinen. Bisher erfolgten
die die.Einstellungen an Hand eines mit sichtbaren Teilungen versehenen Maßstabes.
Die genaue Einstellung auf den Teilstrich wurde mit optischen Kontrollmitteln geprüft.
Durch die Erfindung sind Schlitteaverstellungen durchführbar, ohne daß Maßstäbe
mit Teilstrichen, welche Intervalifehler enthalten, verwendet werden. Zu diesem
Zweck wird der Magnet; der Sendequarz und der Indikator innerhalb des Führungsbettes
eines Verstellschlittens angeordnet und der Indikator an dem Versteilsehlitten befestigt
und mit einem Zählwerk, vorzugsweise Elektronenzählwerk, verbunden, während das
Magnetsystem aus seiner. Nullstellung heraus mittels eines mit einem optischen Intervallteiler
versehenen Feingetriebes axial verschieblich ist, um durch Verschiebung des Nullpunktes
den Dezimalstellenwert nach dem ganzzahligen Vielfachen von 2/2 einstellen zu können.
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Beim Abtasten des Magnetstabes werden beim Durchfahren eines Maximums
oder Minimums je nach der Schaltung Impulse auf das Zählwerk gegeben, so daß die
Summe der Impulse, also das ganzzahlige Vielfache der aneinandergereihten 2/2 angezeigt
werden. Da 2/2 so eingestellt ist, daß jedes Intervall genau 1 mm beträgt, so ist
die Länge der durchfahrenen Meßstrecke lam Zählwerk in Millimeter ablesbar, während
der Quotient an der Skala.des optischen Intervallteilers angezeigt wird.
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Damit beim Abfahren des Magnetstabes mittels der Meßschleife in dieser
durch das Schneiden der magnetischen Kraftlinien keine Spannungen induziert werden,
sind nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung auf beiden Seiten der Trägerglasplatte
zwei genau gleichwertige und elektrisch entgegengesetzt geschaltete Meß schleifen
vorgesehen, deren Abstand 2/2 oder ein ungerades Vielfaches von 2/2 beträgt. Zu
diesem Zweck hat die Trägerglasplatte, auf welche die Meßschleifen aufgedampft sind,
eine Dicke von 2/2 oder einem ungeraden Vielfachen von 2/2, bei Millimeterintervollen
also die Dicke von I mm. Während sich die geschnittenen Kraftlinien in ihrer Induktionswirkung
in den beiden Meßschleifen genau kom. sensieren, wird die durch die Ultraschallschwin.
gungen hervorgerufene Induktionswirkung addiert, da diese Schwingungen entgegengesetzt
gerichtet sind. Es ist mit diesen Meßschleifen möglich, Maximamessungen durchzuführen,
d. h. die genauen Teilungsintervalle nach den Wellenbäuchen zu bestimmen.
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Der Gegenstand der Erfindung ist in der Zeichnung in mehreren Ausführungsbeispielen
dargestellt, und zwar zeigt Fig. 1 eine Vorrichtung zur Herstellung von Teilungen
während des Eichens mit Anvisiermikroskop, Fig. 2 den zu Fig. I gehörenden Maßstab
während des Teilens mit Lichtspaltprojektor, Fig. 3 den geteilten Maßstab, Fig.
4 eine Seitensansicht zu Fig. I, jedoch mit an Stelle des Anvisiermikroskopes eingesetztem
Lichtspaltproj vektor9 Fig. 5 das Schaltschema des in Fig. 5 dargestellten Röhrenverstärkers,
Fig. 6 eine Meßvorrichtung im Längsschnitt, Fig. 7 eine Seitenansicht gemäß Vo,rrichtung
nach Fig. 6, Fig. 8 zwei gegenläufige Meßschleifen nach Fig. 6 und Fig. 9 die Teilscheibe
des optischen Intervallteilers nach Fig. 6 in Aufsicht.
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In der Fig. 1 sind der linksseitig gehalterte Magnetstab mit I und
sein Magnetmantel mit 2 bezeichnet. An der linken Seite des Magnetstabes ist der
Quarz 3 eines Schallsenders gehaltert, dessen Fassung mit 4 bezeichnet ist, die
in dem isolierenden Teil 5 befestigt ist, welches mit dem Magnetmantel verbunden
ist. Mit dem Quarz 3 steht der Hochfrequenzgenerator 6 durch die Leitung 7 in Verbindung.
Der andere Pol 8 ist ebenso wie die gesamte Meßanlage geerdet.
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Der Magnetmantel und der Magnetstab sind zwischen Spitzen aufgenommen.
Die linke Spitze ist mit g bezeichnet, die sich gegen die Druckplatte abstützt.
Die rechtsseitigen Spitzen, die sich gegen den Magnetmantel abstützen, sind mit
11 bezeichnet. Der Magnetstab muß rechtsseitig an Luft angrenzen. Er ist rechtsseitig
durch die Spitze 12 unterstützt. Zwischen dem Mantel und dem Magnetstab befindet
sich der Ringschlitz I3, der zur Herabsetzung des magnetischen Widerstandes nur
eine Spaltbreite von etwa 1/io mm aufweist. Als Magnetstab kann ein permanenter
Magnet dienen. Zum Wiederaufmagnetisieren dient die mit 14 bezeichnete Erregerspule,
die rechtsseitig in dem Magnetmantel angeordnet ist. Diese Erregerspule kann auch
in Verbin.dung mit dem Magnetkern I einen Elektromagnet bilden.
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Der Magnetmantel 2 besitzt in seiner Längsrichtung den Schlitz 15.
In dem Magnetmantel 2 ist der Gleitring I6 geführt, dessen Ansatz I7 durch den Schlitz
15 hindurchgreift und außen seitig mit dem- Aufuahmering I8 verbunden ist, in den
entweder ein an sich bekanntes Anvisiermikroskop 19 mit der Strichplatte I9' oder
ein Lichtspaltprojektor 20 einsetzbar ist.
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In dem Gleitring I6 ist die Glasplatte 21 rechtwinklig zur Achse
des Magnetstabes I befestigt, die mit einer kreisrunden Offnung 22 versehen ist,
deren Innendurchmesser gerade so viel größer ist als der Außendurchmesser des Magnetstabes,
daß sich der Gleitring noch frei bewegen läßt. Die Glasplatte 21 ist Träger einer
in der Stärke von etwa 1 ,U aufgedampften Meßschleife 23, die unmittelbar in der
Öffnung 22 liegt. Die beiden Enden der Meßschleife sind mit Kontakten 24 verbunden,
an welchen die Leitungsdrähte 25 angeschlossen sind, die zu den Klemmen a, b des
Verstärkers- 26 führen, an dessen Ausgang das Zeigergalvano-
meter
27 angeschlossen ist. Beide zusammen stellen ein Röhrenvoltmeter dar, wie es in
der Meßtechnik vielfach bekannt ist. Mit dem Röhrenvoltmeter ist ein Elektronenzählwerk
28 verbunden, wie es ebenfalls in der Meßtechnik bekannt ist.
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Der Ansatz 17, welcher den Aufuahmering 18 tragt, ist mit einer Gewindebohrung
für die Gewindespindel 29 versehen, die in dem Schlitz 15 an dem Magnetmantel axial
unverschieblich, aber drehbar, gelagert ist und an dem Betätigungsknopf 30 verstellt
werden kann. Hierbei wird der Gleitring mit dem Indikator 2I, 23 längs des Magnetstabes
verschoben, um die in dem Stab 1 durch den Quarz 3 erzeugte stehende Welle3I induktiv
abzutasten. Die Wellenlänge und damit die Eigenfrequenz des Quarzes 3 wird, wenn
nach dem metrischen System gearbeitet wird, so gewählt, daß das Urmeter, dessen
Anfangs- und En.dmeßmarke an dem Vergleichsmaßstab 32 festliegen, genau in I000
Teilungsintervalle aufgeteilt wird, so daß 2/2 genau 1 mm ist.
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Wenn also am Elektronenzählwerk 28 I000 Impulse beim Abfahren des
Magnetstabes zwischen der Anfangs-- und Endmeßmarke des Vergleichsmaß stabes angezeigt
werden und zu Beginn der Messung die Anfangsmarke und nach dem Abfahren der Meßstrecke
beim tausendsten Intervall die Endmeßmarke genau in der Strichmarke I9' des Anvisiermikroskops
steht, so ist das ein Zeichen dafür, daß mit der richtigen Wellenlänge gearbeitet
wird. Sodann wird der Vergleichsmaßstab 32 durch den mit Teilungen zu versehenden
Glasmaßstab 33 ersetzt. Für die Aufnahme dieser Maßstäbe sind Halter 34 vorgesehen,
welche die Lsge des Vergleichsmaßstabes zum Maßstab 33 festlegen. Wird nun das Anvisiermikroskop
19 durch den Lichtspaltprojektor 20 ersetzt, wie dies nach Fig. 2 und 4 der Fall
ist, so kann die Teilung durch Abtastung der stehenden Welle im Magnetstab 1 auf
den Maßstab 33 übertragen werden, ohne daß Intervailfehler auftreten.
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Hierzu dient der noch zu beschreibende Lichtspaltprojektor 20, der
die Blitzlampe 35, die Sammeloptik 36, die Spaltblende37 mit dem Spalt 38 und das
Objektiv 39 enthält. Zur Betätigung der Blitzlampe dient die Batterie 40, deren
Stromkreis durch die Taste 41 zum Blitzen geschlossen wird.
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Die Abbildung des Spaltes 38 erzeugt auf der Fotoemulsion 33' der
Trägerplatte 33 den zu übertragenden Teilstrich.
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Das Blitzen erfolgt dann, wenn der-Zeiger des Galvanometers 27 auf
Null steht, falls die Kno¢enpunkte der stehenden Welle abgetastet werden.
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Werden die Maximasabgetastet, muß der Zeiger den Maximalausschlag
aufzeigen. Bei jedem Intervall, dessen Genaneinstellung an dem Meßgerät be obachtet
wird, wird von Hand geblitzt. Es ist aber auch möglich, die Schaltungsanordnung
derart zu treffen, daß des Blitzen selbsttätig erfolgt. Hierzu wird das Röhrenvoltmeter26,
27 über die pünktiert gezeichneten Leitungen.42 an die Anschlußkontakte des Handschalters
41 gelegt und ersetzt diesen. Die Impulse für das Blitzen können beispielsweise
durch Kontakte am Zeigergalvanometer 27 gegeben werden.
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In der Fig. 2 ist eine Zwischenstellung während des Teilens des Maßstabes
und in der Fig. 3 der voll geteilte Maßstab dargestellt.
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Die Fig. 6 bis 9 zeigen die auf dem gleichen Prinzip aufgebaute Vorrichtung
zum Messen von Strecken, und zwar in Anwendung an den Verstellschlitten 43 einer
Werkzeugmaschine. Der Gleitring I6, der den Indikator trägt, ist durch den Steg44,
der sich in dem Schlitz I5' bewegt, mit dem Schlitten 43 verbunden. Die Längsverstellung
erfolgt durch die Spindel 45 des Schlittens, die das Handrad 46 trägt. Die Spindel
ist axial unverschieblich in dem Maschinengestell 47 gelagert. Der Magnetstab I
und der Magnetmantel 2 sind ebenso wie in der bereits beschriebenen Fig. I zusammengesetzt.
Gleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. An Stelle der Halterung
des Mantels 2 zwischen Spitzen ist dieser auf dem Längsschlitten 48 mittels Gegenführungen
49 geführt. Der Magnetstab I ist zwischen der Platte 10 und der Spitze I2 gehaltert,
die an dem Arm 50 koaxial zum Magnetstab einstellbar angeordnet ist, der mit dem
Magnetmantel 2 verbunden ist. Das durch den Indikator abgetastete Msgnetsystem ist
durch die Feinstellspindel 51, deren Steigung genau 1 mm beträgt, zwecks Einstellung
d.es Dezimalstellenwertes an der Handhabe 52 verstellbar, wodurch die Nulleinstellung
vor Beginn der Messung an der Skalenscheibe 53 auf den Dezimalstellenwert eingestellt
wird, der optisch auf den Schirm 54 vergrößert projiziert wird, so daß er gut ablesbar
ist. Die Skalenscheibe 53 ist durchsichtig. Die eingestellte Zahl der Skala 53'
wird durch die Lichtquelle 55, die Optik 56 und den Spiegel 57 auf den Bildschirm
54 projiziert, und von einer beliebigen Nullstellung ausgehend, werden die der Länge
des Meßweges entsprechenden Intervalle von Knoten zu Knoten. oder vom Maximum zum
Maximum der stehenden Welle 3I an dem Elektronenzählwerk 28 gezählt, an welchem
der volle Zahlenwert vor dem Komma der Meßstrecke abgelesen. wird. Der Dezimalstellenwert
wird an dem vorherbeschriebenen optischen Intervallteiler an dem Bildschirm 54 abgelesen.
Die Trägerglasplatte 2I besitzt, wie dies die Fig. 6 und 8 zeigen., zwei Meßschleifen
23 und 23', die elektrisch gleichwertig und in entgegengesetztem Windungssinn verlaufend,
hintereinandergeschaltet sind. Die Trägerg splatte 21 hat eine Dicke von 2/2 oder
einem ungeraden Vielfachen von 2/2. Bei Millimeterintervallen beträgt die Dicke
der Glasplatte 21 genau I mm. Auf diese Weise lassen s.ich mit dem Indikator 2I,
23, 23' Maximamessungen durchführen, wie dies bereits vorher erläutert ist.
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Je nachdem, ob die abzufahrenden Meßstrecken sich aus mehreren kleineren
Meßstrecken, die aufeinanderfolgen, zusammensetzen oder einzelne Meßstrecken gefahren
werden sollen, addiert das Zählwerk 28 die Meßstrecken oder wird jeweils wieder
auf Null eingestellt.
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Die Vorrichtung bietet die Möglichkeit, genaue Verstellwege mittels
der einmal geeichten Me,ßvorrichtung einstellen zu können, ohne daß die Teilungen
des Meßstabes als solche sichtbar sind.
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Die bisher auftretenden Intervalifehler, die oftmals die zulässige
Fehlergrenze an Präzisionswerkzeugmaschinen überschreiten, werden mit dieser Vorrichtung
vermieden.