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PATENTANSPRÜCHE
1. Vorrichtung zur Vermessung von Querschnittprofilen in Hohlraumbauten mit einem Lichtsender zur Abstrahlung eines gebündelten Lichtstrahls als optische Achse, einem ebenen Spiegel zur Umlenkung des Lichtstrahls als Abtaststrahl und einem Lichtempfänger zur Detektion eines in einer senkrechten Ebene zur optischen Achse an einem Profilpunkt einer Hohlraumwand reflektierten Reflexionsstrahls, dadurch gekennzeichnet.
dass der Lichtempfänger und der Spiegel ortsfest angeordnet sind und einen Abstand b als Messbasis aufweisen, und dass der Spiegel bei festem Durchdringungspunkt der optischen Achse durch die Spiegelebene verschwenkbar bezüglich des zwischen der optischen Achse und dem vom Spiegel abgegebenen Abtaststrahl eingeschlossenen Winkels a angeordnet ist, derart, dass sich die radiale Entfernung d zwischen der optischen Achse und dem Profilpunkt, aus dem der Reflexionsstrahl im Lichtempfänger detektiert wird, nach der Formel d = btga mittels elektronischen Datenverarbeitungsgeräten errechnen lässt.
2. Vorrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Spiegel um eine Achse verschwenkbar gehaltert ist, die in einer zur optischen Achse senkrechten Ebene verschwenkbar angeordnet ist, und dass die optische Achse des Lichtempfängers ebenfalls in dieser Ebene liegt.
3. Vorrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Lichtsender eine Lichtquelle für weisses Licht vorhanden ist.
4. Vorrichtung nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Spiegel und der Lichtempfänger mit der optischen Achse des Lichtsenders als Rotationsachse drehbar angeordnet sind.
5. Vorrichtung nach Patentanspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Antrieb für den Spiegel zur Veränderung des Winkels a und ein Stellantrieb zur gemeinsamen Rotation von Lichtempfänger und Spiegel vorhanden sind.
6. Vorrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet dass der Lichtempfänger zwei gegenpolig geschaltete Fotozellen aufweist, die in der Ebene, bestimmt durch die optischen Achsen von Lichtsender und Lichtempfänger, nebeneinander angeordnet sind und über einen Verstärker zur Bildung eines eindeutigen Positionssignals der zusammengesetzten Fotoströme zusammengeschaltet sind.
7. Verfahren zum Betrieb der Vorrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nach Aufstellung derselben mit der optischen Achse senkrecht zur Querschnittprofilebene der Lichtempfänger sowie der Spiegel in eine Anfangsstellung rotiert werden, bei der ein Profilpunkt nahe dem Eckpunkt zwischen Sohle und anschliessender Seitenwand angestrahlt wird, dass dann der Spiegel kontinuierlich verschwenkt wird und der Winkel a als doppelter Schwenkwinkel des Spiegels in dem Zeitpunkt festgehalten wird, in dem das Strahlenbündel im Lichtempfänger ein bestimmtes Signal erzeugt und mit einem Rechner die Rechenoperation durchgeführt und das Resultat festgehalten wird, und dass dieselbe Messung in verschiedenen Rotationslagen von Lichtempfänger und Spiegel wiederholt wird.
8. Verfahren nach Patentanspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die durch das Lichtstrahldreieck bestimmte Messebene schrittweise von wenigstens einem Eckpunkt zwischen Sohle und anschliessender Seitenwand bis wenigstens zum gegenüberliegenden Eckpunkt verschwenkt wird und dass die Messung in jeder Schwenklage durchgeführt wird.
9. Verfahren nach Patentanspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Messresultate bezüglich der optischen Achse des Lichtsenders mittels eines Rechners auf die Vermessungsachse in der Hohlraumbaute umgesetzt werden.
10. Verfahren nach Patentanspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Ergebnisse jeder Messung jeweils eines Querschnittprofils mittels eines Datensichtgerätes zur Darstellung gelangt und nach Abschluss der Vermessung des jeweiligen Querschnittprofils in einem Bildzeichner ausgedruckt werden.
11. Verfahren nach Patentanspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die schrittweise Rotation wenigstens in Winkeln von 1" erfolgt.
Die vorliegende Ertindung betrifft eine Vorrichtung zur Vermessung von Querschnittprofilen in Hohlraumbauten gemäss dem Gattungsbegriff des unabhängigen Patentanspruchs 1, sowie ein Verfahren zum Betrieb derselben gemäss dem Gattungsbegriff des unabhängigen Patentanspruchs 7.
Zur Überprüfung projektmässiger Ausführung, zur Beweissicherung bei Verformung, als Abrechnungsgrundlage und auch zur Vortriebskontrolle bei Hohlraumbauten, wie z.B. Tunnels, Kavernen und Stollen werden die Querschnittsprofile vermessen. Dazu wird die radiale Entfernung von einem Punkt in der senkrechten Mittellängsebene der Hohlraumbaute zu deren Profilpunkten ermittelt.
Ein Gerät zur Messung derartiger Distanzen ist beispielsweise in der CH-A 300 354 beschrieben. Dabei sind auf einer Messschiene ein fester Prismensatz und ein längsverschieblich gehalterter zweiter Prismensatz vorgesehen. Mit einem Fernrohr wird das Bild vom feststehenden Prismensatz beobachtet und der zweite Prismensatz wird dann so lange auf der Messschiene verschoben, bis zwei sich deckende Bilder erhalten werden. Auf der Messschiene kann dann die Distanz abgelesen werden.
Mit dem technischen Fortschritt wurde auch dieses Prinzip verbessert, wie z.B. der Prospekt der Firma R. und A. Rost betreffend das Tunnelprofilmessgerät Prota zeigt. Gemäss diesem Prospekt wird die gefragte Distanz mittels eines rechtwinkligen Dreiecks mit gleichbleibenden Winkeln und ver änderbarer Basis gemessen, bei welchem Dreieck die Seiten durch Lasterstrahlen gebildet werden.
Damit alle Querschnittprofile gleichermassen vermessbar sind, sollte der Ablauf der Vermessung automatisch steuerbar sein. Es hat sich auch gezeigt, dass-bei den Geräten mit gleichbleibenden Winkeln und veränderlicher Basis eine Automation praktisch nicht realisierbar ist, weil ein Messwertgeber über die erforderliche Länge der Basis in der Praxis zu wenig genau und/oder störanfällig ist.
Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur Vermessung von Querschnittsprofilen zu schaffen, mit der Distanzen bis wenigstens 15 m messbar sind und sich der Messungsablauf automatisieren lässt, wobei die Messergebnisse für ein datenverarbeitendes Gerät aufbereitbar sind und sich das vermessene Querschnittsprofil bildlich mit einem Datensichtgerät darstellen lässt.
Erfindungsgemäss wird dies gemäss den Merkmalen im kennzeichnenden Teil des unabhängigen Patentanspruchs 1 erreicht. Das Messverfahren als Ausgangsablauf für eine automatisierte Vermessung mittels der erfindungsgemässen Vorrichtung ist durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs 7 gekennzeichnet.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Vorrichtung erläutert. In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 ein Querschnittsprofil eines Tunnels mit einer Vorrichtung nach der Erfindung in Verbindung mit datenverarbeitenden Geräten,
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung nach der Erfindung und
Fig. 3 ein Blockschema zum automatischen Betrieb der Vorrichtung gemäss Fig. 2.
Der Tunnel 1 in Fig. list ein idealisiert dargestellter Ausbruch aus einem Bodenmaterial 2, z.B. Fels. In der mittelsenkrechten Ebene 3 ist ein Messgerät 4 auf einem standfesten Fussteil 5, z.B. einem Dreifuss (Tripod), aufgestellt, mit dem Messstrahlen 40, 41 festgelegt und deren Länge d gemessen werden kann. Die Messstrahlen 40, 41 schliessen einen Winkel a ein, der als Abtastmass festgelegt werden kann.
Über eine Leitung 43 ist das Messgerät 4 mit einem datenverarbeitenden Schnittstellengerät 44 verbunden, mit dem einerseits Steuerbefehle zum Messgerät 4 und anderseits Messdaten von diesem zurück abgegeben bzw. aufgenommen werden, diese letzteren für die Datenverarbeitung aufbereitet und einem Rechner 45 mit einem Datensichtgerät zugeleitet und weiter einem Kopiergerät 46 angeboten werden.
Die drei Geräte 44, 45 und 46 sind aus der Datenverarbeitungstechnik bekannt. Mit diesen kann ein Programm in den Rechner 45 eingegeben und dort gespeichert werden. Mit dem Datensichtgerät können die Messwerte vom Messgerät laufend mit Soll-Werten der Projektierung verglichen und die Abweichungen festgestellt werden. Ferner können die Messergebnisse bildlich aufgezeichnet werden, so dass eine spätere Aufzeichnung von Hand aufgrund von Messergebnissen entfallen kann.
Fig. 2 zeigt das Prinzip der erfindungsgemässen Vorrichtung. Das Messgerät 4 besteht demnach aus einem Rohr 50, von dem das eine Ende 51 verschlossen sein kann und in dessen Nähe ein ebener Spiegel 51 drehbar gelagert ist. Am anderen Ende des Rohres 50 befindet sich eine Lichtquelle 53, beispielsweise eine Halogen-Lampe und ein Kondensator mit einer Strahlbündelungsvorrichtung 54 zur Erzeugung eines gebündelten Lichtstrahls. In einer Entfernung b vom Spiegel 51 gegen die Lichtquelle 53 zu, ist ein Strahlenempfänger 55 angeordnet. Das Rohr 50 weist im Bereich des Spiegels 51 eine Öffnung 56 auf.
Die Betriebsweise dieser Vorrichtung ist die folgende: Der gebündelte Lichtstrahl 57 wird am Spiegel 51 reflektiert und durch die Öffnung 56 als Abtaststrahl 58 nach aussen gerichtet. An einer Wand 59 wird der Abtaststrahl 58 reflektiert und kehrt als Reflexionsstrahl 60 in Richtung gegen das Messge rät 4 zurück. Durch Bewegen des Spiegels 5! wird der Reflexionsstrahl 60, sofern er in der Ebene des Dreiecks mit den Seiten 57, 58, 60 liegt, vom Lichtempfänger detektiert. Der Winkel a kann nun aus der Stellung des Spiegels 51 abgeleitet werden. Mittels einer einfachen Rechnung ergibt sich die Distanz zwischen der Fläche 59 und dem Lichtempfänger 55.
Vorteilhafterweise kann für eine automatische Steuerung des Spiegels 51 zur Veränderung des Winkels a der Lichtempfänger mit zwei Fotozellen, z.B. in Form von Fotodioden bekannter Ausführungsform, versehen sein, die elektrisch gegengepolt betrieben werden, derart, dass, wenn die eine Fotozelle bestrahlt wird, ein Strom in positiver Richtung fliesst, und wenn die andere Fotozelle bestrahlt wird, ein Strom in umgekehrter oder negativer Richtung fliesst. In einem Differenzverstärker können die beiden Ströme gegeneinander geschaltet werden und, da ein zeitlicher Unterschied zwischen den beiden Maxima besteht, ergibt sich ein Verlauf des Gesamtstromes gemäss einer Diskriminator-Kurve. Der Nulldurchgang ist dabei ein sehr genauer und scharf abgrenzbarer Zeitpunkt, der sich für die Bestimmung des Winkels a eignet.
Zur Bestimmung des Winkels ct selbst kennt die Technik mehrere Lösungen, z.B. kann ein Schrittmotor als Spiegelverstellantrieb vorgesehen sein, und die Schrittschaltimpulse können gezählt werden, derart, dass eine Anzahl Schritte einem bestimmten Winkel gleichsetzbar ist.
Fig. 3 zeigt eine Anordnung für einen automatischen Messablauf mit dem oben beschriebenen Messgerät 4, das mit einem ersten Antrieb 70 zum Schwenken des Spiegels 51 und einem zweiten Antrieb 71 zum Rotieren des Messgeräts 4 um die optische Achse des Lichtsenders ausgestattet ist. Weiter sind gemäss Fig. 1 die Datenleitung 43, das Schnittstellengerät 44, das zur besseren Übersicht in ein Datengeberteil 44a und einen Datenempfängerteil 44b aufgeteilt ist, und der Rechner 45 mit Datensichtgerät und der Drucker 46 dargestellt.
Mit dem Datengeberteil 44a werden die Befehle des Rechners 45 für die Lagesteuerung der Messebene mit dem Antrieb 71 und des Spiegels 51 mit dem Antrieb 70 auf der Datenleitung 43 übermittelt. Vom Lichtempfänger 55 werden die Signale der Fotozellen auf die Datenleitung 43 und vom Antrieb 70 die Information über den jeweiligen Winkel a, ebenfalls über die Datenleitung 43, zumDatenempfängerteil 44b gegeben. Dort wird die ankommende Information für die Verarbeitung im Rechner 45 aufbereitet und diesem zugeführt. Im Rechner 45 wird gemäss dem eingegebenen Programm das Querschnittsprofil selbst und dessen Abweichungen vom Projektprofil festgehalten. Auf dem Datensichtgerät kann jede beliebig Darstellungsart, wie sie aus der Datentechnik bekannt sind, vorgesehen sein.
Vorteilhafterweise kann das Profil als Umrisszeichnung dargestellt werden, so dass mit dem Drucker zugleich die protokollmässige Darstellung der vermessenen Querschnittsprofile erzeugt werden kann.
Im Gegensatz zu dem eingangs erwähnten Gerät mit Laserstrahlen kann die beschriebene Vorrichtung mit weissem Licht arbeiten. Selbstverständlich ist dabei die Bündelung nicht so gut, aber es muss kein teurer und schwerer Laser Lichtsender in das Vortriebsgebiet transportiert und betrieben werden. Die weniger starke Bündelung des Lichtstrahls kann aber beispielsweise durch die Differenzbildung mit zwei Fotozellen ausgeglichen werden, so dass mit einer bedeutend billigeren und einfacheren Vorrichtung praktisch gleich genaue Messungen durchgeführt werden können und dazu wird noch die Automation der Messung ermöglicht.
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PATENT CLAIMS
1. Device for measuring cross-sectional profiles in cavity structures with a light transmitter for emitting a bundled light beam as an optical axis, a plane mirror for deflecting the light beam as a scanning beam and a light receiver for detecting a reflection beam reflected in a plane perpendicular to the optical axis at a profile point of a cavity wall , characterized.
that the light receiver and the mirror are arranged in a stationary manner and have a distance b as the measurement base, and that the mirror is arranged so that it can pivot through the mirror plane when the optical axis penetrates through the mirror plane with respect to the angle a included between the optical axis and the scanning beam emitted by the mirror, such that the radial distance d between the optical axis and the profile point from which the reflection beam is detected in the light receiver can be calculated using the formula d = btga using electronic data processing devices.
2. Device according to claim 1, characterized in that the mirror is pivotally mounted about an axis which is arranged pivotably in a plane perpendicular to the optical axis, and that the optical axis of the light receiver is also in this plane.
3. Device according to claim 1, characterized in that a light source for white light is present as the light transmitter.
4. Device according to claim 2, characterized in that the mirror and the light receiver are arranged rotatably with the optical axis of the light transmitter as an axis of rotation.
5. Device according to claim 3, characterized in that a drive for the mirror for changing the angle a and an actuator for the common rotation of the light receiver and mirror are available.
6. The device according to claim 1, characterized in that the light receiver has two photocells connected in opposite poles, which are arranged next to one another in the plane, determined by the optical axes of the light transmitter and light receiver, and are connected together via an amplifier to form a unique position signal of the composite photo currents .
7. The method for operating the device according to claim 1, characterized in that after setting up the same with the optical axis perpendicular to the cross-sectional profile plane, the light receiver and the mirror are rotated into an initial position in which a profile point near the corner point between the sole and the adjoining side wall is illuminated that the mirror is then continuously pivoted and the angle a is recorded as a double pivoting angle of the mirror at the time when the beam of rays generates a specific signal in the light receiver and the computing operation is carried out with a computer and the result is recorded, and that the same measurement is repeated in different rotational positions of the light receiver and mirror.
8. The method according to claim 7, characterized in that the measuring plane determined by the light beam triangle is gradually pivoted from at least one corner point between the sole and the adjoining side wall to at least the opposite corner point and that the measurement is carried out in any pivoting position.
9. The method according to claim 7, characterized in that the measurement results relating to the optical axis of the light transmitter are implemented by means of a computer on the measurement axis in the cavity.
10. The method according to claim 7, characterized in that the results of each measurement of a cross-sectional profile are displayed by means of a data display device and are printed out in a graphic artist after completion of the measurement of the respective cross-sectional profile.
11. The method according to claim 7, characterized in that the gradual rotation takes place at least at angles of 1 ".
The present invention relates to a device for measuring cross-sectional profiles in cavity structures according to the preamble of independent claim 1, and to a method for operating the same according to the preamble of independent claim 7.
For checking project-based execution, for securing evidence in the event of deformation, as a basis for billing and also for checking tunneling in cavity structures, e.g. The cross-sectional profiles are measured in tunnels, caverns and tunnels. For this purpose, the radial distance from a point in the vertical central longitudinal plane of the cavity structure to its profile points is determined.
A device for measuring such distances is described, for example, in CH-A 300 354. In this case, a fixed prism set and a second prism set which is held in a longitudinally displaceable manner are provided on a measuring rail. The image from the fixed prism set is observed with a telescope and the second prism set is then moved on the measuring rail until two overlapping images are obtained. The distance can then be read on the measuring rail.
This principle has also been improved with technical progress, e.g. the R. and A. Rost brochure on the Prota tunnel profile measuring device shows. According to this brochure, the requested distance is measured using a right-angled triangle with constant angles and a changeable base, in which triangle the sides are formed by vice beams.
To ensure that all cross-sectional profiles can be measured equally, the measurement process should be automatically controllable. It has also been shown that automation is practically impossible to implement in the case of devices with constant angles and a variable base, because in practice a sensor over the required length of the base is too inaccurate and / or prone to failure.
It is therefore an object of the invention to provide a device for measuring cross-sectional profiles with which distances of up to at least 15 m can be measured and the measurement process can be automated, the measurement results being able to be prepared for a data processing device and the measured cross-sectional profile being visualized with a visual display device can be represented.
According to the invention, this is achieved according to the features in the characterizing part of independent patent claim 1. The measuring method as an output sequence for automated measurement using the device according to the invention is characterized by the features of independent claim 7.
An exemplary embodiment of the device is explained below. The drawing shows:
1 is a cross-sectional profile of a tunnel with a device according to the invention in connection with data processing devices,
Fig. 2 is a schematic representation of a device according to the invention and
3 shows a block diagram for the automatic operation of the device according to FIG. 2.
The tunnel 1 in Fig. Is an idealized outbreak of a soil material 2, e.g. Rock. In the middle perpendicular plane 3, a measuring device 4 is mounted on a stable foot part 5, e.g. a tripod, set up, with the measuring beams 40, 41 fixed and their length d can be measured. The measuring beams 40, 41 form an angle a, which can be defined as a scanning dimension.
The measuring device 4 is connected via a line 43 to a data processing interface device 44, with which control commands to the measuring device 4 and, on the other hand, measurement data are returned or received, the latter processed for data processing and forwarded to a computer 45 with a visual display device and on a copier 46 are offered.
The three devices 44, 45 and 46 are known from data processing technology. With these, a program can be entered into the computer 45 and stored there. With the data display device, the measured values from the measuring device can be continuously compared with the target values of the configuration and the deviations can be determined. Furthermore, the measurement results can be recorded in an image, so that later manual recording based on measurement results can be omitted.
2 shows the principle of the device according to the invention. The measuring device 4 accordingly consists of a tube 50, of which one end 51 can be closed and in the vicinity of which a flat mirror 51 is rotatably mounted. At the other end of the tube 50 there is a light source 53, for example a halogen lamp and a capacitor with a beam bundling device 54 for generating a bundled beam of light. A radiation receiver 55 is arranged at a distance b from the mirror 51 towards the light source 53. The tube 50 has an opening 56 in the region of the mirror 51.
The operation of this device is as follows: the bundled light beam 57 is reflected on the mirror 51 and directed outwards through the opening 56 as a scanning beam 58. The scanning beam 58 is reflected on a wall 59 and returns as a reflection beam 60 in the direction toward the measuring device 4. By moving the mirror 5! the reflection beam 60, provided that it lies in the plane of the triangle with the sides 57, 58, 60, is detected by the light receiver. The angle a can now be derived from the position of the mirror 51. The distance between the surface 59 and the light receiver 55 results from a simple calculation.
Advantageously, for automatic control of the mirror 51 to change the angle a, the light receiver can be equipped with two photocells, e.g. in the form of photodiodes of known embodiment, which are operated with opposite polarity, such that when the one photocell is irradiated, a current flows in the positive direction, and when the other photocell is irradiated, a current flows in the opposite or negative direction . The two currents can be switched against each other in a differential amplifier and, since there is a time difference between the two maxima, there is a curve of the total current according to a discriminator curve. The zero crossing is a very precise and sharply delimitable point in time, which is suitable for determining the angle a.
The technique has several solutions for determining the angle ct itself, e.g. For example, a stepper motor can be provided as a mirror adjustment drive, and the step switching pulses can be counted such that a number of steps can be equated to a certain angle.
3 shows an arrangement for an automatic measuring sequence with the measuring device 4 described above, which is equipped with a first drive 70 for pivoting the mirror 51 and a second drive 71 for rotating the measuring device 4 about the optical axis of the light transmitter. 1, the data line 43, the interface device 44, which is divided into a data transmitter part 44a and a data receiver part 44b for a better overview, and the computer 45 with the visual display unit and the printer 46 are shown.
The commands from the computer 45 for the position control of the measurement plane with the drive 71 and the mirror 51 with the drive 70 are transmitted on the data line 43 with the data transmitter part 44a. The signals from the photocells are sent from the light receiver 55 to the data line 43 and from the drive 70 the information about the respective angle a, also via the data line 43, to the data receiver part 44b. There, the incoming information is processed for processing in the computer 45 and fed to it. The cross-sectional profile itself and its deviations from the project profile are recorded in the computer 45 in accordance with the program entered. Any type of representation, as is known from data technology, can be provided on the data display device.
The profile can advantageously be represented as an outline drawing, so that the log-like representation of the measured cross-sectional profiles can also be generated with the printer.
In contrast to the device with laser beams mentioned at the outset, the device described can work with white light. Of course, the bundling is not so good, but there is no need to transport and operate an expensive and heavy laser light transmitter in the tunneling area. The less intense bundling of the light beam can, however, be compensated for, for example, by forming the difference with two photocells, so that measurements can be carried out with practically the same accuracy using a significantly cheaper and simpler device, and the measurement can also be automated.