Vorrichtung zum berührungslosen Messen der Länge oder von Längenänderungen eines
Objektes
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum berührungslosen Messen der Länge oder von Längen änderungen eines Objektes mittels zwei mit je einem lichtelektrischen Empfänger ein zugeordnetes Gesichtsfeld im Bereich einer Kante des Objektes periodisch abtastenden und Messsignale nach Massgabe der Lagegrössen für die abgetastete Objektkante innerhalb des Gesichtsfeldes liefernden Messwertgebern und mit einer Summierschaltung zum additiven Über- lagern der von den beiden Gebern gelieferten Messsignale.
Bei einer bekannten Anordnung dieser Art wird das vom Empfänger beim Erfassen des Messobjektes gelieferte Sprungsignal unmittelbar nach entsprechender Verstärkung und Beschneidung zur Anzeige ausgenutzt.
Das bringt in der Praxis nicht unerhebliche Schwierigkeiten, vor allem dadurch, dass der Anstieg der Sprungsignale mehr oder weniger steil ist, je nach der Grösse der Amplitude des Sprungsignals, z. B. je nach der Temperatur des abzutastenden Walzgutes.
Die bekannte Anordnung enthält zu diesem Zweck eine komplizierte Schaltung, welche die der Halbwertsbreite der Impulse entsprechende Stelle auf den Bereich legt, in welchem der Amplitudenbegrenzer arbeitet. Weiterhin ist es bei der bekannten Anordnung erforderlich, die Empfängersignale weitgehend unverzerrt zu verstärken. Das macht einen relativ komplizierten Verstärker erforderlich und ergibt einen ungünstigen Rauschpegel.
Es ist ferner eine Vorrichtung zur optischen Bestimmung von heissem Walzgut bekannt, bei der an einem sich quer über das Walzgut erstreckenden Gestell zwei photoelektrische Messwertgeber gegenläufig verfahrbar angeordnet sind, die auf die beiden Kanten des Walzgutes ausgerichtet werden. Jeder Messwertgeber enthält ein Objektiv, welches die Walzgutkante auf einer Blende mit einer rechteckigen Öffnung abbildet. Diese Öffnung kann mittels einer Schneide mehr oder weniger abgedeckt werden, die von einem Nachlaufmotor verstellbar ist. Das durch die Öffnung tretende Licht fällt auf eine erste Photozelle. Durch eine zweite Öffnung konstanter Grösse fällt Licht von dem Walzgut auf eine zweite Photozelle. Der Nachlaufmotor wird von einem Signal gemäss der Differenz der Photozellensignale gesteuert.
Wenn das durchlaufende Walzgut breiter wird, dann sieht die erste Photozelle in ihrem durch die freie Blendenöffnung bestimmten Gesichtsfeld mehr Walzgut, enthält also mehr Licht. Es entsteht dann ein Differenzsignal, und der Nachlaufmotor verstellt die Schneide so, dass das Gesichtsfeld der Photozelle eingeengt wird, bis das Differenzsignal verschwindet.
Die Stellung der Blende gibt auf diese Weise ein Mass für die Lage der Walzgutkante und kann mit irgendwelchen geeigneten Mitteln angezeigt werden.
Aus den auf diese Weise von den beiden Messwertgebern erhaltenen Lagebestimmungssignalen kann man die Breite des Walzgutes ermitteln.
Auch diese Anordnung weist Mängel auf: Das Gesichtsfeld der Messwertgeber ist stark beschränkt, denn bei einem grossen Gesichtsfeld ergäben sich die Steuersignale für den Nachlaufmotor bei einer möglicherweise nur kleinen Lageänderung der Walzgutkante nach der einen oder der andern Richtung als Differenz zweier relativ grosser Signale, weil bei einem grossen Gesichtsfeld der ersten Photozelle (gro sser Blendenöffnung) schon im Nullzustand ein relativ grosser Lichtstrom auf die erste Photozelle fällt, welcher durch einen entsprechend grossen Lichtstrom auf die zweite Photozelle kompensiert wird. Es ist einleuchtend, dass dies die Genauigkeit der Anord nung stark beeinträchtigen würde. Aus diesem Grunde sind die Messwertgeber bei der bekannten Anord nung gegensinnig verschiebbar, so dass sie im wesent lichen schon auf die Walzgutkante ausgerichtet sind.
Ferner wird bei der bekannten Anordnung die Lage jeder Walzgutkante durch einen mechanischen Ab gleich ermittelt. Ein solcher Abgleich ist naturgemäss stets mit einer gewissen Trägheit behaftet. Es kommt nun häufig vor, dass das durchlaufende Gut relativ schnelle Flatterbewegungen ausführt, ohne seine
Breite zu ändern. In diesem Falle müssen beide Mess wertgeber mit ihren Schneiden diesen Flatterbewe gungen mechanisch zu folgen suchen, obwohl sich der eigentlich gesuchte Messwert gar nicht ändert, und das bietet häufig erhebliche Schwierigkeiten.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile der bekannten Anordnungen zu vermeiden.
Ausgehend von einer Anordnung der eingangs angegebenen Art besteht die Erfindung darin, dass die Kanten des Objektes durch die beiden Messwertgeber gegensinnig von aussen nach innen abgetastet werden und dass je zwei bistabile elektrische Schaltvorrichtungen durch die von je einem der Empfänger beim Erfassen der zugeordneten Objektkante gelieferten Signale von einem ersten in einen zweiten Schaltzustand umschaltbar und durch ein der Abtastfrequenz entsprechendes Bezugssignal in den ersten Schaltzustand rückstellbar sind und in einem der Schaltzustände eines der zu überlagernden Messsignale liefern.
Beim Erfassen der Kante des Objektes erhält man jeweils ein Signal, durch welches die bistabilen Schaltvorrichtungen aus einem ersten Zustand in einen zweiten Zustand gebracht werden. In diesem zweiten Zustand verbleiben sie, bis sie von dem Bezugssignal rückgestellt werden. Die Anzeige ist dadurch unbeeinflusst von dem weiteren Verlauf des Empfängersignals während der Abtastung des Objektes. Durch die gegensinnige Abtastung wird erreicht, dass die Umschaltung der bistabilen Schaltvorrichtung tatsächlich nur von dem beim Erfassen der Messobjektkante gelieferten Signal umgeschaltet werden kann, auch wenn etwa die Strahlung in den verschiedenen Bereichen des Messobjektes verschieden sein und Sprünge aufweisen sollte. Die Strahlung des Hintergrundes kann man im allgemeinen als gleichförmig ansehen.
Die Erfindung kann in der Weise verwirklicht werden, dass die bistabilen Schaltvorrichtungen von den Empfängersignalen gezündete Thyratrone sind und dass das Bezugs signal eine die Thyratrone speisende Wechselspannung ist, bei deren Nulldurchgang die Thyratrone in den gelöschten Zustand zurückgestellt werden, und dass die zu überlagernden Messsignale die Gleichtsrommittelwerte der durch die Thyratrone fliessenden Ströme sind. Es kann eine solche Vorrichtung beispielsweise zum Abtasten von Walzgut etwa eines Blechbandes, auf einem Rollgang, benutzt werden.
Die Temperatur des Rollganges ist niedrig und kann als konstant angesehen werden und weist keine Sprünge oder Spitzen auf, die einen Zündimpuls für das Thyratron erzeugen könnten. Die Temperatur und Ausstrahlung eines Blechbandes braucht aber keineswegs über die gesamte Breite konstant zu sein.
Es können auf dem Blechband dunkle oder kältere Flecken vorhanden sein, die ebenfalls Zündimpulse am Thyratron zur Folge haben können.
Wenn die beiden Messwertgeber ihre zugeordneten Gesichtsfelder (die sich auch überlappen können) gleichsinnig abtasten würden, dann müsste stets einer der Taststrahlen erst über das Messobjekt laufen, ehe er an den abzutastenden Rand des Gesichtsfeldes gelangt. In einem solchen Falle könnte es vorkommen, dass das Thyratron statt beim Überstreichen des Messobjektrandes schon beim Überstreichen eines solchen Fleckes gezündet wird. Beim Erfassen des Messobjektrandes erscheint dann nochmals ein Impuls, der dann aber auf das Gitter des schon brennenden Thyratrons gegeben wird und ohne jeden Einfluss bleibt. Es können dann Fehlmessungen auftreten.
Zweckmässigerweise wird eine Unabhängigkeit von einer Speisespannung dadurch erreicht, dass der Ausgangsspannung der Summierschaltung eine einstellbare Teilspannung entgegengeschaltet wird, dass von der daraus resultierenden Differenzspannung ein Stellmotor gesteuert wird, welcher den Spannungsteilerabgriff verstellt, wobei die Stellung des Spannungsteilerabgriffes als Mass für die zu bestimmenden Abmessungen dient, und dass der Spannungsteiler an einer Gleichrichteranordnung anliegt, die von der gleichen Stromquelle gespeist wird wie die beiden Messwertgeber.
Die Erfindung gestattet es die Breite von gewalzten Blechbändern laufend zu kontrollieren, noch bevor die Bänder auf eine Haspel laufen. Danach kann dann der Betrieb der Walzen strasse eingerichtet und jede Abweichung sofort ausgeglichen werden; es ist ja bekannt, dass die Breite derartiger Bänder häufig sehr genau eingehalten werden muss.
Eine andere Anwendung ist die Messung der Dicke von aufgewickelten Rollen, z. B. von auf eine Haspel aufgewickelten Blechbändern.
Auch zur Messung der Länge von Rohren kann eine Anordnung nach der Erfindung verwendet werden. Beim Walzen von Rohren ergeben sich bekanntlich grosse Längenunterschiede und dementsprechend unterschiedliche Wandstärken. Die Rohre werden dann ausgemessen und sortiert, was in der Praxis sehr umständlich und zeitraubend ist und erhebliche Fehlerquellen mit sich bringt. Diese Nachteile sind mit einer Messvorrichtung nach der Erfindung zu vermeiden. Da der Längenmesswert dabei sehr schnell erhalten wird, ist es möglich, das Walzgut auf Grund dieses Messwertes zu korrigieren, um möglichst gleichmässige Endprodukte zu erhalten.
Ein Ausführungsbeispiel der in den Patentansprüchen gekennzeichneten Erfindung ist in den Abbildungen dargestellt und im folgenden beschrieben.
Fig. 1 zeigt schematisch den Aufbau eines bei der Erfindung verwendeten Tastkopfes.
Fig. 2 zeigt die zugehörige Schaltung zur Gewinnung eines Messwertes für die Lage des Walzgutstrandes.
Fig. 3 zeigt die Anordnung der Tastköpfe, und
Fig. 4 zeigt eine Schaltung zur Bildung eines Breitenmesswertes.
Der optische und mechanische Aufbau des bei der Erfindung verwendeten lichtelektrischen Messwertgebers ist in Fig. 1 rein schematisch dargestellt.
Ein Messstrahlenbündel 1 wird durch eine Zylinderlinse 2 auf einem Polygonspiegel 3 gesammelt. Die Achse der Zylinderlinse 2 liegt gekreuzt zu der Achse des Polygonspiegels 3. Von dem Polygonspiegel 3 wird das Strahlenbündel über einen zylindrischen Hohlspiegel 4 auf einen Strahlungsempfänger 5, z. B. in Gestalt einer Pbs-Zelle, geworfen. Die Achse des Zylinders 4 ist gekreuzt zur Achse der Zylinderlinse 2 angeordnet. Durch die Wirkung der beiden gekreuzten Zylinder 2 und 4 erhält man an dem Strahlungsempfänger 5 stets eine genaue punktförmige Fokussierung des Strahlenbündels 1, gleichgültig, wie schräg das Bündel 1 entsprechend der Stellung des Polygonspiegels 3 einfällt. Wollte man statt dessen eine Fokussierung durch Kugellinsen oder -spiegel vornehmen, so erhielte man bei sehr schrägem Einfall des Strahlenbündels 1 stets ein mehr oder weniger stark ausgeprägtes Koma.
Dadurch wäre der vom Strahlungsempfänger gelieferte Impuls unscharf, was für manche der untengeschilderten Anwendungsfälle der Erfindung nicht tragbar ist.
Der Polygonspiegel 3 ist pyramidenstumpfförmig ausgebildet und wird von zehn Planspiegeln gebildet.
Er wird von einem Motor 6 über ein Getriebe 7 angetrieben. Der Motor 6 hat eine verhältnismässig hohe Drehzahl von beispielsweise 3000 UpM und ist durch das Getriebe 7 auf 600 UpM untersetzt. Auf der Abtriebswelle 8 des Getriebes 7 sitzt ein Ventilator 9 oder irgendeine andere zusätzliche Belastung, durch welche das Spiel im Getriebe unterdrückt wird.
Auf diese Weise lässt sich ein hinreichend ruhiger Lauf des Spiegels erzielen, wie er für manche Anwendungsfälle der Erfindung unbedingt erforderlich ist.
Der Motor 6 ist ein Synchronmotor, der vom Netz gespeist wird.
Bei der beschriebenen Anordnung wird ein Gesichtswinkel von 720 abgetastet, und zwar mit einer
600 Frequenz von 10 60 100 Hz. Das auf den Empfänger 5 gelangende Strahlenbündel 1 läuft dabei stets in gleicher Richtung, z. B. von hinten nach vorn in Fig. 1.
Die Art des verwendeten Empfängers hängt davon ab, welcher Art Objekte abgetastet werden. Bei selbstleuchtenden Objekten, z. B. glühendem Walzgut, kann man mit Vorteil eine Widerstandszelle (Bleisulfidzelle) verwenden. Es wandert dann bei einer Drehung des Spiegels 5 nur der von der Photozelle erfasste Raumwinkel, also gewissermassen die Emp findlichkeitsachse. Bei nicht leuchtenden Objekten kann man eine Hilfslichtquelle vorsehen. Zu diesem Zweck kann, wie in Fig. 1 gestrichelt eingezeichnet ist, in der Nähe des Empfängers 5 eine Lampe 10 angeordnet sein, welche über einen halbdurchlässigen Spiegel 11 den Zylinderspiegel 4, den Polygonspiegel 3 und die Zylinderlinse 2 ein Lichtstrahlenbündel aussendet. Dieses wird reflektiert oder nicht reflektiert, je nachdem, ob das Strahlenbündel 1 auf das Objekt fällt oder nicht.
Zu diesem Zweck kann hinter dem Objekt beispielsweise ein Tripelrückstrahler angeordnet sein, der das auf ihn auftreffende Licht in sich zurückwirft, so dass das Licht auf dem gezeichneten Weg zurück auf den Strahlungsempfänger 5 fällt, solange der Lichtstrahl 1 das Objekt noch nicht erfasst hat.
Eine andere Möglichkeit, auch nichtleuchtende Objekte zu erfassen, besteht darin, dass hinter dem Objekt eine ausgedehnte Lichtquelle, z. B. eine Leuchtstoffröhre oder ein Glühstab, angeordnet ist, welche von der Empfindlichkeitsachse (1) periodisch abgetastet wird, wobei der Empfänger 5 ebenfalls abgeschattet wird, sobald die Empfindlichkeitsachse 1 das Objekt erfasst.
Die Schaltung des Messwertgebers ist als Beispiel in Fig. 2 schematisch dargestellt. Die an den einzelnen Punkten des Stromkreises auftretenden Signale sind dabei als Oszillographenbilder eingezeichnet. Mit 5 (Fig. 2) ist der Empfänger bezeichnet, der von einer Widerstandszelle (Pbs-Zelle) gebildet wird, welche bei Bestrahlung ihren Widerstand ändert. Dadurch ergeben sich an einem von der Widerstandszelle 5 und einem Widerstand 12 gebildeten Spannungsteiler Impulse gemäss Oszillographenbild 13, jedesmal, wenn das Strahlenbündel 1 (Fig. 1) das Messobjekt erfasst. Es soll angenommen werden, dass das Messobjekt ein selbstleuchtender Körper, z. B. ein glühender Knüppel in einem Warmwalzwerk, ist.
Die Impulse 13 werden über eine Leitung 14 von dem eigentlichen Tastkopf abgenommen. Zur Unterdrückung von Störspannungen, die in der Leitung 14 induziert werden können, sind Siebglieder vorgesehen, die schematisch mit 15 bezeichnet sind.
Die Impulse gelangen dann auf das Gitter eines Wechselstromverstärkers 16. Dieser liefert eine Spannung etwa entsprechend dem Oszillographenbild 17.
Die Spannung gemäss 17 liegt am Gitter einer übersteuerten Amplitudenbegrenzerröhre 18. Diese liefert eine Spannung, die etwa dem Oszillographenbild 19 entspricht. Man muss sich dabei aber vorstellen, dass in Wirklichkeit die Amplituden wesentlich grö sser sind, als dies in dem Oszillographenbild 19 dargestellt ist, so dass sich an den Flanken der Kurve praktisch senkrechte Sprünge ergeben. In der Praxis verwendet man mehrere hintereinandergeschaltete Amplitudenbegrenzerröhren, von denen hier der Ein fachheit halber nur eine (18) dargestellt ist. Das so erhaltene Signal 19 wird einem Differenzierglied in Gestalt eines Transformators 20 zugeführt, an dessen Sekundärwicklung man positive und negative Impulse gemäss dem Oszillographenbild 21 erhält.
Es ist zu beachten, dass Phasenverschiebungen, die in den einzelnen Verstärkerstufen und dem Transformator entstehen können, nicht stören, da diese durch entsprechende Justierung der Winkellage des Polygonspiegels 3 (Fig. 1) ausgeglichen werden können. Der Spiegel 3 ist zu diesem Zweck gegenüber der Achse 8 verstellbar. Die negativen Impulse (21) werden durch einen Gleichrichter 22 weggeschnitten, so dass sich ein Signal gemäss Oszillographenbild 23 ergibt. Die Phasenlage der Impulse gemäss 23 hängt von der Lage des angepeilten Objektes in dem von dem Tastkopf erfassten Gesichtsfeld ab.
Vom Netzt (¯), welches auch den Synchronmotor 6 (Fig. 1) speist, werden über einen Transformator 24 mit Mittelanzapfung 25 zwei Thyratrone 26, 27 gegenphasig gespeist. In den Oszillographenbildern 28, 29 ist der Verlauf der Anodenspannung der beiden Thyratrone 26, 27 dargestellt. Die Steuergitter der Thyratrone 26, 27 erhalten durch eine Stromquelle 30 eine negative Vorspannung, so dass die Thyratrone normalerweise gesperrt sind. Auf die Steuergitter werden nun über Widerstände 31, 32 die positiven Impulse 23 gegeben.
Die Netzspannung 28, 29 hat 5Q Hz. Die Impulse kommen mit einer Frequenz von 100 Hz. Infolgedessen erhalten die Thyratrone 26, 27 in der Halbwelle einen Impuls 23. Der Impuls reicht aus, um das Thyratron 26, 27 zu zünden, aber natürlich nur, wenn und solange die Anodenspannung 28, 29 positiv ist. Da die Thyrantrone 26, 27 von dem Transformator 24 gegenphasig gespeist werden, zünden die Thyratrone immer abwechselnd. Der erste Impuls 23 zündet das Thyratron 26, welches so lange brennt, bis die Anodenspannung 28 wieder durch Null geht (Oszillographenbild 33). Der zweite Impuls 23 zündet entsprechend das Thyratron 27 (vgl. Oszillographenbild 34). Thyratron 26 kann beim zweiten Impuls nicht zünden, weil in diesem Augenblick ja die Anodenspannung 28 negativ ist.
Je nach der Phasenlage der Impulse 23 in bezug auf die Netzspannung 28, 29 brennen die Thyratrone 26, 27 mehr oder weniger lange. Kommt der Zündimpuls sofort, sobald die Anodenspannung positiv geworden ist, so brennen die Thyratrone praktisch während der ganzen Halbwelle, kommt der Impuls erst kurz bevor die Spannung wieder durch Null geht, so löscht das Thyratron sofort wieder, es brennt praktisch gar nicht. Die Anordnung stellt somit einen phasengesteuerten Zweiweggleichrichter dar. Die Messspannung U (Fig. 2) ist somit ein Mass für die Phasenlage der Impulse 23 und damit für die Lage des angepeilten Objektes in dem Gesichtsfeld des Tastkopfes.
Statt zweier gegenphasig gespeister Thyratrone können auch zwei antiparallel geschaltete Thyratrone vorgesehen werden.
In Fig. 3 und 4 sind Aufbau und Schaltung einer erfindungsgemässen Breitenmessvorrichtung schematisch dargestellt. Die Anordnung enthält zwei Tastköpfe 54, 55, von denen in Fig. 3 nur einer zu sehen ist und die gegensinnig laufen. Während das Strahlenbündel des einen Tastkopfes 54 von links nach rechts wandert, wandert die des andern, 55, von rechts nach links. Da es hier auf grosse Genauigkeit ankommt und um abhängig von dem Abstand des Messobjektes 56 (Fig. 3) zu sein, ist der Tastkopf nach oben auf einen parabolischen Zylinderspiegel 57 gerichtet, so d'ass das Strahlenbündel in Richtung des Pfeils (Fig. 3) parallel zu sich wandert.
Der Tastkopf 54 liefert eine Spannung U54, die proportional dem Abstand X der linken Kante des Messobjektes 56 vom rechten Rand des Gesichtsfeldes ist. Entsprechend liefert der Tastkopf eine Spannung U.-, die proportional dem Abstand Y der rechten (Fig. 6) Kante des Messobjektes vom linken Rand des Gesichtsfeldes ist. Bezeichnet G die Breite des gesamten abgetasteten Gesichtsfeldes und b die Breite des Messobjektes, so ist, wie man sofort sieht, X+ Y=b+G, das heisst, die Summe X + Y hängt einfach linear von der Breite des Messobjektes ab.
Die Ausgangsspannungen U54 und U35 der Messwertgeber 54, 55 sind dementsprechend gemäss Fig. 4 hintereinandergeschaltet. Dieser Summenspannung ist eine Teilspannung entgegengeschaltet, die von einem einstellbaren Potentiometer 58 abgenommen wird.
Das Potentiometer 58 liegt an einem Gleichrichter 59 an. Der Gleichrichter 59 und die Messwertgeber 54, 55 werden alle von ein und demselben Netz gespeist, wie in Fig. 4 dargestellt ist.
Von der Differenzspannung des Gleichrichters 59 mit dem Potentiometer 58 einerseits und der Messwertgeber 54 und 55 anderseits wird über einen Nullverstärker 60 ein Stellmotor 61 gesteuert, der den Potentiometerabgriff verstellt. Der Stellweg ist linear von der Breite des Messobjektes 56 abhängig.
Der Stellmotor 61 kann daher synchron mit dem Potentiometerabgriff den Zeiger einer Anzeigevorrichtung verstellen. Die Anzeigevorrichtung kann dabei erforderlichenfalls sehr gross ausgebildet sein. Es ist ja häufig erwünscht, dass der erhaltene Messwert schon von der Ferne ablesbar ist.
Für die Messung von grossen Längen (Rohren) sind die Messwertgeber 54, 55 in der Papierebene (Fig. 3) versetzt angeordnet und messen nur die Abweichung von einer Normallänge. An dem Prinzip der Messung und der Schaltung (Fig. 4) ändert sich dabei nichts.
Die beschriebene Massanordnung hat eine sehr gute Genauigkeit. Mit besonderen Vorkehrungen, durch die ein ruhiger Lauf der Polygonspiegel sichergestelvlt wird und die oben im Zusammenhang mit Fig. 1 schon beschrieben wurden, sind bei einem Blechband schon Abweichungen in der Breite von weniger als einem Millimeter messbar.