FI58398C - Foerfarande foer bestaemning av tvaersnittet eller formen av en kropp - Google Patents

Description

A - .

— — “1 m PATENTTIJ ULKAISU r o-7 Λ Ί*1Γ* [C] <11) PATENTSKRIFT 58398 (51) Kv.lk?/lnt.CI.3 G 01 B 11/24 (21) P*MMtlh*k«mu» — Patenuntttkning 783851 (22) Haktmlsp&lvi — Ansöknlngsdag 15· 12.78 (23) Alkupiiv! — Glltighetsdag ] 5 ]2 78 SUOMI-FINLAND (41) Tullut |ulklsektl — Blivlt offentllg 16.06 .80 /El\ (44) Nihtlvikslpanon |a kuul.fulkaitun pvm.— \· / Ansökan utlagd och utl.skrlfc«n publlcerad 30.09.00 (45) Patentti myönnetty — Patent meddelat 09.05.84

Patentti· ja rekisterihallitus

Patent· och registerstyrelsen (32)(33)(31) pyydetty etuoikeus — Begird prioritet (73) A. Ahlström Osakeyhtiö, 29600 Noormarkku, Suomi-Finland(FI) (72) Ilmari Kinanen, Espoo, Suomi-Finland(Fl) (54) Menetelmä kappaleen poikkipinnan tai muodon määrittämiseksi - Förfarande för bestämning av tvärsnittet eller formen av en kropp

Keksinnön kohteena on menetelmä kappaleen poikkileikkauksen tai ' muodon määrittämiseksi käyttäen hyväksi optisia emittereitä sekä detektoreja ja tietojenkäsittely-yksikköä. Menetelmässä mitattava j kappale ympäröidään likimain mittaustasoon kehän tai kehien muotoon sijoitetuilla emittereillä ja detektoreilla ja yksi tai useampia - % „ emittereitä kerrallaan sytytetään ja sammutetaan.

Ennestään tunnetaan menetelmiä ja laitteita, joiden tarkoituksena on kappaleen dimensioiden mittaaminen valoilmaisimien avulla. Esimerkkinä * Ί voidaan mainita suomalaisissa patenttijulkaisuissa 43360 ja 53041 esitetyt laitteistot. Kyseisissä julkaisuissa esitetyt laitteet ovat tarkoitetut lähennä tukkien halkäisijoiden mittaamiseen. Esitettyjen laitteiden rajoituksena on kuitenkin, että niiden avulla voidaan tukin halkaisijan mittaus suorittaa vain kahdesta eri suunnasta. j

Koska tukin poikkileikkaus oksantynkineen ja koloineen on kuitenkin varsin vaihteleva, ei tarkinkaan kahdessa tasossa suoritettu mittaus ole riittävä todellisen poikkipinnan selville saamiseen. Tällöin sekä todellinen tilavuuden että muodon määritys jää osittain epätyydyttäväksi.

2 58398

Keksinnön mukaisella menetelmällä voidaan välttää edellä mainitut epäkohdat muiden muassa. Tämän aikaansaamiseksi on keksinnön mukaiselle menetelmälle tunnusmerkillistä se, mitä on esitetty patenttivaatimuksen 1 tunnusmerkkiosassa.

Keksinnön mukaisen menetelmän suurimpina etuina voidaan mainita, että mitattavasta kappaleesta saadaan mitattua sen poikkipinnan todellinen muoto eikä vain muutamaa halkaisijaa. Keksinnön mukaisesti voidaan mittaus lisäksi suorittaa niin nopeasti, että kappaleen liike ei aiheuta käytännössä merkittävää virhettä.

Keksinnön erään erityisen sovellutusmuodon mukaan suoritetaan useita poikkipinnan määrityksiä peräkkäin mitattavan kappaleen kulkiessa samalla ohjattuna mittauskehän läpi. Näiden peräkkäisten mittaustulosten avulla saadaan mitattavan kappaleen, esimerkiksi tukin, muoto määritellyksi.

Seuraavassa keksintöä selitetään yksityiskohtaisesti oheisiin piirustuksiin viittaamalla.

Kuvio 1 esittää kaaviomaisesti keksinnön mukaisen menetelmän mittausjärjestelyä

Kuvio 2 esittää keksinnön mukaisen mittausjärjestelyn emitteriosan kytkentäkaaviota

Kuvio 3 esittää keksinnön mukaisen mittausjärjestelyn detektoriosan kytkentäkaaviota

Kuvio 4 esittää keksinnön mukaisen menetelmän yhtä toteutusmuotoa.

Kuvion 1 mukaisesti on mitattavan kappaleen 1 ympärille sijoitettu ympyränmuotoiseen mittauskehään 2 tasaisin välein vuorotellen sekä emittereitä e^, β2*··β^ että detektoreita dj, d2*..dj. Emittereinä voidaan käyttää tavallista näkyvää valoa emittoivia puolijohdediodeja. Paremman hyötysuhteen takia on kuitenkin edullisempaa valita ns.

IR-ledejä eli infrapuna-alueella emittoivia diodeja. Muina vaihtoehtoina tulevat kysymykseen myös laserdiodit sekä esim. xenonpurkaus-putket. Tällöin ei aseteta niin suuria vaatimuksia detektoreille.

j 3 58398

Detektoreina sopivat käytettäväksi ns. PIN- tai avalanche-tyyppiset puolijohdedetektorit. Tärkeä vaatimus sekä emittereille ette detektoreille on, että niiden on pystyttävä toimimaan hyvin lyhyessä ajassa, joka on suuruusluokaltaan mikrosekunteja.

Mittauksen periaate on seuraava. Sytytetään yksi emitteri e^. Tällöin mittauskehän 2 toisella reunalla useat detektorit d^, d£, d^ vastaanottavat impulssin. Koska kuitenkin mitattava kappale 1 varjostaa osaa detektoreista, löytyy jostakin mittauskehältä kaksi kohtaa 3 ja 4, joissa toinen detektori d^, vastaavasti d^ vastaanottaa impulssin, mutta viereinen detektori dg, vastaavasti d^+^ ei saa impulssia. Näiden kahden kohdan 3, 4 koordinaatit välitetään prosessoriin tietyllä kytkennällä, jota selitetään myöhemmin tarkemmin.

Näin prosessori saa emitterin e^ koordinaattien lisäksi tiedoksi kahdet muut koordinaatit, ja näiden perusteella on mahdollista määrittää ne kaksi suoraa a^ ja a^> jotka sivuavat mitattavaa kappaletta.

Sama menettely toistetaan toisella emitterillä e^. Tällöin löytyy jälleen kaksi kohtaa 5, 6 mittauskehältä, johon kappaleen varjo lankeaa* Tästä emissiosta saadaan vastaavalla tavalla määritettyä kaksi suoraa a^ ja a^> jotka sivuavat mitattavaa kappaletta. Vastaava menettely toistetaan kaikilla emittereillä ympäri mittauskehän 2. Käytännössä mittauskehän halkaisija voi olla esim. 1 metri. Tällöin käytännöllinen emittereiden lukumäärä ko. mittauskehällä on sopivasti esim. 256 kappaletta. Näin saadaan syntymään suoraparvi, jonka verho-käyrä hyvin aproksimoi mitattavan poikkipinnan muotoa.

Kuvio 2 esittää erään keksinnön mukaisen laitteen emitteriosan kytkentäkaaviota. Kuvion 2 mukaisesti laitteistoon kuuluu poikkileikkaus-mittarin logiikka 20. Logiikka 20 saa ohjauksen prosessorilta ja toimittaa prosessorille varjon rajojen paikkailmoitukset. Emitteri-piiri on koostettu useasta peräkkäin kytketystä piiristä 21, 22...p. Piirien toiminta vastaa esimerkiksi TTL-piiriä 74S164, joka on ns. serial in- parallel out-toimintainen, kahdeksalla rinnakkaislähdöllä varustettu komponentti. Jokaisen piirin jokaiseen tai haluttuihin lähtöihin on kytketty emitteri, jota kuviossa on merkitty emillä. Kuviossa on havainnollisuuden vuoksi esitetty vain yksi emitteri e^. Emitteridiodille ohjataan virta PNP-transistorin 30 kautta. Jännite V on sopivimman 5 volttia ja vastus R on tyypillisesti joitakin kymmeniä ohmej a.

(. 4 58398 IR-emitteridiodien ohjaus tapahtuu logiikan kellolla I siten, että piirin 21 tilat siirtyvät yhden paikan eteenpäin jokaisella kello-jaksolla. Sekvenssi toteutetaan siten, että ensimmäisen emitterin ohjauspulssi ohjataan logiikan kautta. Tämä ohjaus saattaa emitterin tuikahtamaan, kunnes kello siirtää aktiivisen ohjaustilan emitterille 2. Koko kierrokseen kuluu aikaa emittereiden lukumäärä kerrottuna yhden kellojakson kestolla. Käytännössä tämä aika on millisekunnin suuruusluokkaa.

Kuviossa 3 on esitetty detektoripiirin kytkentäkaavio. Detektori-piiri on muodostettu useista peräkkäin kytketyistä piireistä, jotka sopivimmin ovat TTL-logiikkaperheen piirejä 74S165, joissa on kahdeksan rinnakkaista sisäänmenoa ja sarjamuotoinen kellolla ohjattu siirto piirien läpi logiikalle. Kuhunkin sisäänmenoon on yhdistetty puoli-johdedetektoridiodi d^ . Kuviossa 3 on esitetty vain yksi tällainen detektori dy Detektorin dj vastaanottama tuikahdus muutetaan jännite-signaaliksi vahvistinpiirissä 300. Signaali derivoidaan esim. RC-piirillä, jolloin vain nopeat detektorin havaitsemat muutokset aiheuttavat komparaattorin 310 lähtösignaalin u^ tason muutoksen. Kaikkien detektoreiden komparaattoreilta saatavat lähtösignaalit siirretään rinnakkaismuodossa parallel in- serial out-tyyppisiin siirtorekisteri-piireihin, jotka ovat, kuten edellä on selitetty esim. tyyppiä 74S165.

Jokaisen emitteridiodin tuikahduksen aikana luetaan LOAD-käskyllä detektorien signaalitilat ensin piireille rinnakkaismuodossa. Niistä detektoreista, jotka jäävät mitattavan kappaleen varjoon ei saada signaalia. Siirtorekisteriketjun 31, 32 ... K tiedot puretaan toisen systeemikellon II ohjaamana sarjamuodossa logiikalle, joka sisältää rinnakkaismuotoisen laskuripiirin. Laskuripiiri nollataan aina ennen luentaa ja piirin ulostuloon liittyy rinnakkaismuotoisen laskurin bitit kopioivat lukkopiirit, joita on yksi kutakin varjoreunaa kohden. Kun varjon reuna tunnistetaan siitä, että sarjamuotoisessa pulssijonossa on muutos valosta varjoksi, kopioidaan tulos ja siirretään prosessorille. Sama tehdään seuraavalla lukkopiirillä, kun varjoalue muuttuu valoalueeksi. Käytännössä on edullista lukea vain se detektorien puolikaari, joka on emitteriä vastapäätä.

Keksinnön erään erityisen sovellutusmuodon mukaan on edullista sytyttää kaksi emitteriä yhtäaikaa. Mittauskehän vastakkaisilla sivuilla olevat emitterit voivat toimia täysin vapaasti häiritsemättä toistensa avulla suoritettavia mittauksia. Täten säästetään puolet f s 58398 koko mittauskehän emissioajasta edellyttäen, että kappale ei heijasta tai että sen poikkipinta on hyvin pieni.

Keksinnön erään erityisen sovellutusmuodon mukaan on edullista, että emitterit ja detektorit ovat sijoitetut kummatkin omaan kehäänsä.

Sekä emitteri- että detektorikehä sijaitsevat tällöin tietysti niin lähekkäin, että emitterin tuikahdukset voidaan havaita vastapäisillä detektoreilla. Tällaisen rakenteen etuina voidaan mainita, että johdotuksiin ei tarvita häiriösuojauksia. Lisäksi huolto helpottuu merkittävästi. Toisaalta saadaan pjenemmälle kehälle sopimaan enemmän emittereitä kuin yhdistetyssä rakenteessa.

Keksinnön piiriin katsotaan kuuluvaksi myös sellaiset keksinnön toteutusmuodot, joissa emitteri- ja detektorikomponentit ovat sijoitetut mielivaltaisella tavalla ja kuituoptiikkaa käyttäen tuodaan niiden lähetys- ja vastaanottokohdat edellä kerrotuille mittauskehille.

Prosessori voi luonnollisesti käyttää erilaisia algoritmejä ratkaistessaan mitattavan kappaleen poikkipinnan muotoa. Kaikkien saatujen suoraparvien verhokäyrä voidaan tietysti määrittää puhtaasti matemaattisesti. Toisaalta käytettävissä on vain niin rajoitetusti aikaa, että on edullista käyttää erilaisia likiarvomenetelmiä. Esimerkiksi silloin, kun mitattavassa kappaleessa on mittauspoikkipinnassa useita suoria sivuja tai lähes suoria sivuja, kannattaa käyttää seuraavaa menetelmää, jota on havainnollistettu kuviossa 4. Menetelmän mukaisesti määritetään ensin piste 10, joka sijaitsee mitattavan pinnan A sisällä likimain keskellä. Riittävän tarkka sijainti ko. pisteelle saadaan puolittamalla kahden toisiaan lähes suorakulmaisesti leikkaa-vien suoraparien b^2 3a ^03* ^04 mu°dostamat kulmat, jolloin ko.

kulmien puolittajien ja b^ leikkauspiste on mainittu piste.

Tämän jälkeen valitaan kaikista peräkkäisistä suorista ne suorat, joiden kohtisuorat etäisyydet edellä mainitusta valitusta pisteestä * ovat lyhimmät verrattuna viereisillä emittereillä saatuihin suoriin, jolloin toisensa leikkaavien suorien sisäänsä rajoittama monikulmio aproksimoi poikkipintaa.

Mikäli keksinnön mukaista menetelmää käytetään tukkien halkaisijoiden ja poikkipinnan määrittämiseen, on edullista käyttää toista likiarvo-menetelmää. Tällöin etsitään mitattavasta kappaleesta sellaiset kaksi halkaisijaa, jotka ovat toisiaan vastaan kohtisuorassa ja joiden erotus on suurin. Tulkitsemalla ko. halkaisija-arvot ellipsin iso- v » 6 58398 akselina ja pienakselina voidaan laskea ko. ellipsin ala. Tämä ala aproksimoi yleensä riittävän tarkasti tukin todellista poikkipintaa.

Keksinnön mukainen menetelmä soveltuu hyvin myös pitkänomaisten kappaleiden, kuten tukkien, täydellisen muodon määrittämiseen. Tämä saadaan aikaan siten, että kuljetetaan tukkia ohjattuna mittauskehän lävitse. Kun poikkipinnan mittaus suoritetaan keksinnön mukaisella menetelmällä riittävän tiheästi tukin samalla liikkuessa, saadaan tukin muoto ohuina "viipaleina” määritetyksi. Tällöin on edullista kuljettaa tukkia tasaisella nopeudella sellaista suoraviivaista rataa pitkin, joka on kohtisuorassa mittauskehää vastaan.

Keksintöä on edellä selitetty vain muutamiin esimerkkeihin viitaten, mutta keksintöä ei luonnollisesti ole tarkoitus millään tavoin rajoittaa vain esitettyä esimerkkiä koskevaksi. Näin ollen keksinnön mukaista menetelmää ja laitteita voidaan muuntaa huomattavastikin pysyen silti vielä seuraavissa patenttivaatimuksissa esitetyn keksinnöllisen ajatuksen puitteissa. Niinpä emitterit ja detektorit voidaan sijoittaa kokonaan erillisiin kehiin. Tietysti kehät tällöin sijaitsevat niin lähellä toisiaan, että detektorit kykenevät ottamaan vastaan emitte-reiden lähettämiä tuikahduksia.

. . ϊ

Claims (4)

7 58398

1. Menetelmä kappaleen poikkileikkauksen tai muodon määrittämiseksi käyttäen hyväksi optisia emittereitä ja detektoreita sekä tietojenkäsittely-yksikköä, jossa menetelmässä mitattava kappale (1, A) ympäröidään likimain mittaustasoon kehän tai kehien muotoon sijoitetuilla emittereillä (e^) ja detektoreilla (d^) ja yksi tai useampia emittereitä kerrallaan sytytetään ja sammutetaan, tunnettu siitä, että detektorikentässä havaitaan yhtäaikaisesti molemmat kappaleen synnyttämän varjon rajat (3, 4; 5, 6), joiden koordinaateista yhdessä emitterin koordinaattien kanssa määritetään mitattavaa kappaletta likimain sivuava suorapari (a.^, a-|2: aii ' ai2' ^01' tai Parit seka toistetaan selitetty menettely kaikkien emitterien kohdalla, jonka jälkeen määritetään syntyneen suoraparven verhokäyrä, joka kuvaa mitattavan kappaleen (1, A) poikkileikkausta.

2. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä tunnet-t u siitä, että kaksi emitteriä, jotka sijaitsevat likimain vastakkaisilla puolilla mitattavaa kappaletta sytytetään ja sammutetaan yhtäaikaa.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä sovellettuna erityisesti suoria sivuja sisältävien poikkileikkausten mittaamiseen tunnettu siitä, että mitattavan poikkipinnan sisäpuolelta määritetään jokin piste (10) likimain keskeltä * mitattavaa poikkipintaa (A) ja määritetään syntyneestä suora- parvesta ne suorat, joiden kohtisuorat etäisyydet edellä mainitusta valitusta pisteestä (10) ovat lyhimmät verrattuna viereisillä emittereillä saatuihin suoriin, jolloin valitut suorat rajoittavat sisäänsä mitattavan poikkipinnan. 8 58398

4. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä sovellettuna tukkien tai vastaavien poikkipinnan mittaukseen tunnettu siitä, että saatujen suoraparien (a^, a.^) avulla määritetään mitattavasta kappaleesta (1) ne kaksi toisiaan vastaan kohtisuorassa olevaa halkaisijaa, joiden erotus on maksimi ja tulkitaan ko. halkaisijat ellipsin iso- ja pienakseleina, jolloin tunnettujen laskukaavojen mukaan voidaan laskea ko. ellipsin pinta-ala, jota pidetään mitattavan kappaleen (1) poikkipinnan likiarvona. 58398