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Es ist weiterhin ein Oberflächenmeßgerät bekannt (USA.-Patentschrift
2 397 923), bei dem eine bestimmte Grenzwertspannung eingestellt wird und die Zeitspannen
bestimmt werden, in denen die zuvor einer Vollweggleichrichtung unterworfene Meßspannung
diese Grenzwertspannung übersteigt. Man kommt auf diese Weise zu einem Oberflächenmaß,
das eine gewisse Ahnlichkeit mit dem Traganteil besitzt. Für die Ermittlung der
Rauhtiefe ist das bei diesem bekannten Gerät verwendete Prinzip einer von Hand fest
eingestellten Vergleichsspannung ungeeignet,
da sich eine solche
fest vorgegebene Vergleichsspannung wes ensgemäß nicht selbsttätig dem schwankenden
Spitzenveriauf einer dem Oberflächenprofil entsprechenden Meßspannung anpaßt.
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Gegenstand eines älteren Schutzrechts (deutsches Patent 977 396)
ist weiterhin ein Oberflächenmeßgerät, bei dem zur Ermittlung der größten Höhe der
den Welligkeitsanteil und den Rauhheitsanteil aufweisenden Meßspannung ein Kondensator
mit einer vorgeschalteten Diode und zur Ermittlung der Glättungsgröße ein auf den
dieser entsprechenden Mittelwert aufladbarer Kondensator vorgesehen ist. In diesem
älteren Recht sind jedoch keine Maßnahmen im einzelnen offenbart, wie die für die
Ermittlung der größten Höhe notwendige Einstellung einer Bezugslinie auf die Spitzen
bzw. Täler der Meßspannung erfolgen soll.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Oberflächenmeßgerät
der eingangs genannten Art unter Vermeidung der Mängel der bekannten Ausführungen
so auszubilden, daß mehrere mikrogeometrische Oberflächenmaße, darunter die mikrogeometrischen
Oberflächenmaße der Rauhtiefe und der Glättungstiefe oder der mittleren Rauhtiefe,
auf einfache Weise, rein elektrisch ermittelt und auf einem Zeigerinstrument zur
Anzeige gebracht werden können.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Vereinigung folgender
Merkmale dadurch gelöst, daß an den Kondensator des zur Trennung von Welligkeitsanteil
und Rauheitsanteil der Meßspannung dienenden RC-Gliedes eine Diode angeschlossen
ist, durch die das von einer Oberflächenbezugsfläche herrührende Nulipotential der
vor dem Kondensator vorhandenen Meßspannung zur Ermittlung eines von einer anderen
Oberfiächenbezugsfiäche (z. B. Grundfläche) ausgehenden Oberflächenmaßes entsprechend
verschoben wird, und daß durch diese verschobene Meßspannung einerseits ein zur
Messung der Rauhtiefe dienender Kondensator über ein gesteuertes Ventil auf den
Spitzenwert der verschobenen Meßspannung und andererseits ein zur Messung eines
mittleren Ob erflächenmaß es (Glättungstiefe oder mittlere Rauhtiefe) dienender
Kondensator über Lade-und Entladewiderstand auf einen Mittelwert der verschobenen
Meßspannung aufladbar ist.
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Aus anderem Zusammenhang, nämlich zur Spannungsgleichrichtung (insbesondere
in der sogenannten Greinacher-Spannungsverdopplungs-Schaltung) ist bereits die Kombination
eines Kondensators mit zwei nachgeschalteten Dioden bekannt. Dabei handelt es sich
jedoch grundsätzlich um die Gleichrichtung von nach Amplitude, Kurvenform und Frequenz
regelmäßigen Wechselspannungen.
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Eine andere bekannte Anwendungsmöglichkeit eines Kondensators mit
nachgeschalteter Diode besteht in der Hell-Dunkel-Steuerung einer Fernsehröhre.
Hier dienen die beiden genannten Schaltungselemente dazu, unabhängig vom jeweiligen
Impuls-Pausen-Verhältnis der Steuerspannung sicherzustellen, daß sich auf dem Bildschirm
der erforderliche Schwarz-Weiß-Kontrast und kein Grauwert einstellt.
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Demgegenüber erfüllt beim erfindungsgemäßen Oberflächenmeßgerät der
fragliche Kondensator eine doppelte Funktion. Indem er nur den Rauhheitsanteil der
Meßspannung durchläßt, den Welligkeitsanteil dagegen abblockt, ermöglicht er einerseits
die gesonderte Messung von mikrogeometrischen und
makrogeometrischen Oberflächenmaßen.
Zur Bestimmung der makrogeometrischen Oberflächenmaße wird die vor dem Kondensator
vorhandene Meßspannung unmittelbar in die Rechenschaltung übertragen. Andererseits
bildet der Kondensator zusammen mit der dahinter angeordneten Diode eine Schaltungsgruppe,
die selbsttätig die für die Bestimmung der mikrogeometrischen Oberflächenmaße erforderlichen
Bezugspotentiale erzeugt. Zu diesem Zweck bildet der Kondensator zunächst ein durch
den Schwerpunkt der Meßspannung verlaufendes mittleres Nuilpotential, das dann durch
die Diode an die Grundfläche oder an die Hüllfläche der Meßspannung verschoben wird.
Auf diese Weise wird selbsttätig - und zwar auch bei schwankenden Spitzenwerten
der nach Amplitude, Kurvenform und Frequenz ganz unregelmäßigen Meßspannung - ein
Bezugspotential eingestellt, von dem aus beispielsweise die mikrogeometrischen Oberflächenmaße
der Rauhtiefe, Glättungstiefe, mittleren Rauhtiefe usw. auf rein elektrischem Wege
errechnet und auf einem Zeigerinstrument direkt angezeigt werden können.
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Dabei ist es möglich, vor Errechnung und Anzeige der verschiedenen
Oberflächenmaße zum Teil dieselben Schaltungselemente der Rechen- und Anzeigeschaltung
zu verwenden.
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Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung veranschaulicht.
Es zeigt Abb. 1 einPrinzipschaltbilddes erfindungsgemäßen Oberflächenmeßgerätes,
A b b. 2 verschiedene Diagramme zur Erläuterung der Wirkungsweise, Ab b. 3 eine
Tabelle, aus der die Schalterstellungen für die einzelnen Meßvorgänge ersichtlich
sind.
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Auf der Hüllfläche der Oberfläche 1 gleitet der Tastkopf 2 mit dem
Tastfühler 3. Der elektromechanische Tastkopf 2 ist in einer elektrischen Brückenschaltung
4 angeordnet.
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Der Brückenschaltung 4 wird von einem Generator 5 eine elektrische
Wechselspannung-(Trägerfrequenzspannung) zugeführt, die durch die Bewegungen des
Tastfühlers 3 proportional dem Oberflächenprofil moduliert wird. Die modulierte
Wechselspannung wird anschließend in einem Verstärker 6 verstärkt.
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Abb. 2 a und 2b veranschaulichen dies: Abb. 2 a zeigt das Profil
der Oberfläche 41, die Hüllfläche 42 dieses Profils sowie die Rauhtiefe 43. Durch
Modulation der vom Generator 5 gelieferten Trägerfrequenzspannung entsprechend den
Auslenkungen des Tastfühlers 3 erhält man die in A b b. 2 b dargestellte modulierte
Wechselspannung, deren Hüllkurve 44 in der unteren Hälfte dem Oberflächenprofil
entspricht.
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Diese modulierte Wechselspannung wird dem Demodulator 7 zugeführt,
der gleichzeitig an den Gene-.rator 5 angeschlossen ist. Am Ausgang des Demodulators
7, dem noch ein Filter 8 nachgeschaltet ist, erhält man zwischen den Klemmen a des
Schalters S7 die in Ab b. 2 c dargestellte, zwischen Null und positiven Spannungswerten
pulsierende Profilkurvenspannung, während an den Klemmen b des Schalters S7 demgemäß
die in A b b. 2 d dargestellte, zwischen Null und negativen Spannungswerten pulsierende
Profilkurvenspannung liegt. Von diesen beiden Kurven stimmt die Kurve 47 (A b b.
2 d) mit dem Oberflächenprofil überein, während die Kurve 45 (A b b. 2 c) umgekehrt
verläuft.
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Nun müssen der im folgenden näher erläuterten, als wesentliche Elemente
eine Elektronenröhre 17, ein Röhrenvoltmeter 19 und ein Anzeigeinstrument 20 enthaltenden
Anzeigeschaltung positive Gleichspannungswerte zugeführt werden (die Meßspannung
wird dem Gitter der Röhre 17 zugeführt). Die in Abb. 2 c dargestellte Kurve 45 besitzt
bereits diese erforderliche positive Polarität und kann daher unverändert benutzt
werden, allerdings nur zur Anzeige der Wellentiefe, der (maximalen) Rauhtiefe und
der Glättungstiefe, nicht dagegen zur Anzeige der mittleren Rauhtiefe, für deren
Bestimmung vielmehr - wie noch dargelegt wird - die Kurve 47 gemäß Abb. 2 d benötigt
wird.
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Zur Bestimmung der Wellentiefe und der Rauhtiefe kann - wie ein Vergleich
von A b b. 2 c und A b b. 2d zeigt - ohne weiteres die Kurve 45 (A b b. 2 c) benutzt
werden, da sie die gleichen Tiefenmaße wie die dem Oberflächenprofil entsprechende
Kurve 47 (Abb. 2 d) liefert. Es sei in diesem Zusammenhang daran erinnert, daß die
Rauhtiefe 43 (A b b. 2 a) der Abstand des Grundprofils (d. h. einer an die Täler
des Oberflächengebirges gelegten Linie) vom Bezugsprofil 42 ist.
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Auch die Bestimmung der Glättungstiefe (d. h. des mittleren Abstandes
des Bezugsprofils 48 vom Istprofil 47 kann an Hand der Kurve 45 gemäß Abb. 2c vorgenommen
werden. Zur Bestimmung der Glättungstiefe wird der Luftraum des Oberflächengebirges
auf die Hüllfläche eingeebnet und der sich hierbei ergebende Abstand von der Hüllfläche
(Linie 48 in Ab b. 2 d) gemessen. Derselbe Abstand ergibt sich in Abb. 2 c beim
Einebnen der Kurve 45 zwischen der die eingeebnete Kurve darstellenden Linie 46
und dem Nullpotential.
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Die mittlere Rauhtiefe, d. h. der Mittelwert des Oberflächenprofils,
bezogen auf das Grundproffl, läßt sich dagegen nur ausgehend von der Kurve 47 (A
b b. 2 d) erhalten. Da die Anzeigeschaltung - wie erwähnt - nur auf positive Spannungswerte
anspricht, muß die Kurve 47 zunächst verschoben werden. Dies erfolgt mit Hilfe eines
Kondensators 9 und einer Diode 12. Denkt man sich zunächst die Diode 12 weg, so
ergibt sich zwischen dem rechten Belag des Kondensators 9 und dem Schalter S4 die
in A b b. 2 e dargestellte, zwischen positiven und negativen Werten wechselnde Spannung
50, durch deren Schwerpunkt die Null-Linie 49 verläuft. Durch die Diode 12 wird
diese Spannungskurve 50 vollständig in den positiven Bereich verschoben, so daß
sich die Spannungskurve 51 und die gleichfalls im positiven Bereich liegende Schwerpunktlinie
52 ergeben.
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Im folgenden seien die zur Bestimmung der maximalen Wellen- und Rauhtiefe
dienenden Elemente des Oberflächenmeßgerätes näher erläutert. Man kann zu diesem
Zweck einen Kondensator über eine Diode aufladen und die Spannung des Kondensators
mittels eines Röhrenvoltmeters anzeigen. Dabei verbraucht jedoch die Diode Leistung
aus dem Meßkreis.
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Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist daher statt einer Diode
eine als Triode ausgebildete Elektronenröhre 17 vorgesehen. Da in ihrem Kathodenkreis
nur der aufzuladende Kondensator 23 liegt, ist sie wegen des dadurch bedingten großen
Kathodenwiderstandes stark gegengekoppelt und arbeitet daher nicht als Verstärkerröhre,
sondern als ein ganz linear von Null ausgehender, leistungslos gesteuerter, veränderlicher
Widerstand.
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Die an dem Kondensator 23 entstehende Ladespannung wird dem Gitter
eines Röhrenvoltmeters 19 zugeführt. Es besteht nun die Möglichkeit, daß durch die
Rückwirkung der Anode des Röhrenvoltmeters 19 auf das Gitter ein Gitterstrom fließt,
der den Kondensator 23 in unerwünschter Weise (da nicht meßwertentsprechend) auflädt.
Man könnte daran denken, diesen Nachteil durch einen Parallelwiderstand 24 zu beseitigen,
was jedoch nicht zum Erfolg führt, da die Gitterströme nicht konstant sind. Auch
eine Vergrößerung des Kondensators 23 wäre mit Nachteilen verbunden, die hierdurch
die Anzeigeempfindlichkeit sinkt.
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Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel werden die nicht dem Meßwert
zugeordneten Störungen durch einen besonderen Kompensationskreis von der Einwirkung
auf das Anzeige-Instrument ausgeschlossen.
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Zu diesem Zweck ist bei dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel
eine zweite Röhre 18 vorgesehen, die in ihrem Kathodenkreis einen Kondensator 27
derselben Größe wie der Kondensator 23 besitzt. Das Gitter dieser Röhrel8 erhält
über Widerstände 31 und 32 eine feste Vorspannung, so daß die Röhre 18 in der Grundeinstellung
die Wirkung der Röhre 17 auf das Anzeigeinstrument 20 kompensiert. Wird der Kondensator
23 durch Gitterströme aufgeladen, so geschieht dies in gleicher Weise auch hinsichtlich
des Kondensators 27. Die Anzeige des in Differenzschaltung im Ausgangskreis des
Röhrenvoltmeters 19 liegenden Instrumentes 20 wird somit nicht beeinträchtigt.
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Ist die Anzeigeschaltung durch die Schalter S5 und S6 auf die Kondensatoren
23 und 27 geschaltet, so bleibt das Instrument 20 auf dem Meßwert stehen, was im
folgenden als »festgehaltene Anzeige« bezeichnet wird. Durch Parallelschaltung der
Widerstände 24 und 28 zu den Kondensatoren 25 und 29 (Stellung b) oder durch alleinige
Einschaltung der Widerstände 26 bzw. 30 (Stellung c) kann man dagegen erreichen,
daß der Zeiger des Instrumentes 20 dem Verlauf des Meßwertes mehr oder weniger schnell
folgt, was in der weiteren Beschreibung als »pendelnde Anzeige« bezeichnet wird.
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Die Widerstände 21 und 22 beeinflussen durch ihre Gegenkopplung die
Linearität des Röhrenvoltmeters 19, während durch die Spannungsteilerwiderstände
33, 34, 35 und 36 die Arbeitsspannungen und durch den Spannungsteilerwiderstand
37 der Arbeitspunkt der Kompensationsröhre 18 eingestellt werden.
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Eine Löschung der »festgehaltenen Anzeige« erfolgt durch Entladung
der Kondensatoren 23 bzw. 27 mittels des Schalters 58.
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Befindet sich der Schalter S 1 in der Stellung a, so wird dem Gitter
der Röhre 17 die vor dem Kondensator 9 liegende Meßspannung zugeführt, die der Summe
von Wellentiefe und Rauhtiefe entspricht. In der Stellung b des Schalters S1 wird
dagegen die hinter dem Kondensator 9 liegende Meßspannung abgegriffen, die der Rauhtiefe
allein entspricht. Der Kondensator 9 wirkt nämlich zusammen mit den Widerständen
14 und 15 als Frequenzfilter, der lediglich den auf die höherfrequente Rauhheit
zurückzuführenden Meßspannungsanteil durchläßt. Wird nun der Schalter S3 in Stellung
a gebracht und infolgedessen dem Gitter der Kompensationsröhre 18 der Rauhheits-Meßspannungsanteil
zugeführt, während an das Gitter der Röhre 17 über den in Stellung a befindlichen
Schalter S 1 die gesamte Meßspannung
(enthaltend Welligkeit und
Rauhheit) zugeführt wird, so erfolgt durch die Kompensationsschaltung der Röhren
17 und 18 eine Unterdrückung der Rauhtiefe, so daß am Anzeigeinstrument 20 allein
die Wellentiefe angezeigt wird.
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Im folgenden seien die zur Bestimmung der einzelnen Mittelwerte dienenden
Elemente des Oberflächenmeßgerätes näher erläutert. Die pulsierende Gleichspannung
wird über einen Schalter S4 einem Kondensator 16 zugeführt. Dieser Kondensator wird
durch einen parallelgeschalteten Widerstand 15 ständig entladen. Dadurch wird aus
der pulsierenden Gleichspannung eine konstante Gleichspannung erzeugt, die bei der
Stellung des Schalters S7 in Stellung a (Spannungsform gemäß Ab b. 2 c) der Glättungstiefe
bzw. in Stellung b (Spannungsform gemäß Ab b. 2 d) der mittleren Rauhtiefe entspricht.
Da diese am Kondensator 16 entstehende Spannung die Anzeigeschaltung steuert, kann
auf dem Instrument 20 sowohl die Glättungstiefe als auch die mittlere Rauhtiefe
festgehalten oder pendelnd angezeigt werden. Die Anzeige ist dabei unabhängig von
der Größe der Meßstrecke oder der Meßzeit.
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Wird der Schalter S 1 in die Stellungc und der Schalter S2 in die
Stellung a gebracht, so werden die DiodenlO, 11 und 13 eingeschaltet, die zusammen
mit der Diode 12 eine Vollweggleichrichtung der hinter dem Kondensator 9 vorhandenen
Wechselspannung (A b b. 2 e) bewirken. Die durch die Vollweggleichrichtung erhaltene
pulsierende Gleichspannung wird einer Mittelwertmeßschaltung zugeführt, die aus
dem Kondensator 16, einem Aufladewiderstand 14 und dem Entladewiderstand 15 besteht.
Die Bemessung der Widerstände 14, 15 und des Kondensators 16 erfolgt so, daß sich
der Kondensator 16 auf eine Spannung einstellt, die entweder dem arithmetischen
Mittelwert
oder dem geometrischen Mittelwert des Oberflächenprofils (Kurve 50 in Ab b. 2e)
über dem mittleren Profil (Linie 49 in A b b. 2e) entspricht, d. h. dem arithmetischen
oder geometrischen Mittenrauhwert. Auch dieser Mittelwert kann am Insrument 20 als
Festwert angezeigt werden, ohne daß die Meßstrecke oder die Meßzeit genau konstant
gehalten werden müssen.
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Abt. 3 zeigt zusammengefaßt in Tabellenform die Schalterstellungen
für die Anzeige der einzelnen Oberflächenmaße. Dabei bedeuten I = Makrogeometrischer
Verlauf (Weiligkeit), II = Rauhtiefe für Makro- plus Mikrogeometrie mit a) pendelnder
Anzeige und b) festgehaltener Anzeige, III = Rauhtiefe allein für die Mikrogeometrie
mit a) pendelnder Anzeige und b) festgehaltener Anzeige, IV = Glättungstiefe der
Mikrogeometrie mit a) pendelnder Anzeige und b) festgehaltener Anzeige, V = mittlere
Rauhtiefe der Mikrogeometrie mit a) pendelnder Anzeige und b) festgehaltener Anzeige,
7I geometrischer bzw. arithmetischer Mittelwert der Mikrogeometrie um die mittlere
Profillinie mit a) pendelnder Anzeige und b) festgehaltener Anzeige.