DE10006379C1 - Einrichtung und Verfahren zur Längenmessung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Längenmessung mit einem sich entlang einer Meßstrecke (2) erstreckenden Schallsignalleiter (1), einem an einem Ende der Meßstrecke (2) angeordneten Detektor (6) zum Detektieren von Schallsignalen im Schallsignalleiter (1), einer entlang der Meßstrecke (2) verfahrbaren Sendereinheit (3) zum Einkoppeln von Schallsignalen in den Schallsignalleiter (1) und einer Auswerteeinheit zum Messen der Laufzeit der Schallsignale von der Sendereinheit (3) zum Detektor (6) sowie zum Berechnen der Länge (L) einer Strecke zwischen der Sendereinheit (3) und dem Detektor (6) entsprechend der Schallgeschwindigkeit im Schallsignalleiter (1), wobei die Sendereinheit (3) zwei in Meßrichtung voneinander beabstandete Signaleinkoppler (4, 5) zum Einkoppeln von Schallsignalen in den Schallsignalleiter (1) umfaßt, wobei durch Verfahren der Sendereinheit (3) über die Meßstrecke (2) und gleichzeitiges Einkoppeln von Schallsignalen durch beide Signaleinkoppler (4, 5) in den Schallsignalleiter (1) ein bei der Berechnung der Länge (L) der Strecke zu berücksichtigendes Längeneichprofil aus von dem Detektor (6) empfangenen Schallsignalen mittels der Auswerteeinheit berechenbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung und ein Verfahren zur Längen­ messung nach den Oberbegriffen der Ansprüche 1 bzw. 16.

Aus der EP 0 694 792 A1 ist eine Einrichtung zur Positionserfassung eines entlang eines Verfahrwegs beweglichen Gegenstandes bekannt, die sich auch zur Längenmessung einer parallel zum Verfahrweg verlaufenden Meßstrecke eignet. Die Einrichtung weist einen sich entlang eines Verfahrwegs erstreckenden Schallsignalleiter mit vorbestimmter, gleichmäßiger Schallausbreitungsgeschwin­ digkeit sowie einen mit einem Signalgeber verbundenen, an dem beweglichen Gegenstand befindlichen Signaleinkoppler zum Einkoppeln eines Schallsignals in den Schallsignalleiter auf. Hierbei sind an beiden Enden des Schallsignalleiters Signalauskoppler angeordnet, die jeweils mit einem Zähler verbunden sind, wobei die beiden Zähler über einen Taktgeber getaktet und mit einem Subtrahierer für die Ausgangssignale der beiden Zähler verbunden sind. Das Ausgangssignal des Subtrahierers ist als Maß für die Laufzeitdifferenz des eingekoppelten Schall­ signals von der Einkopplungsstelle zu den Signalauskopplern von einer Auswerte­ einheit zu einem Signal verarbeitbar, das für die momentane Position des beweglichen Gegenstandes auf dem Verfahrweg repräsentativ ist. Mittels der Auswerteeinheit und eines in ihr implementierten Rechenalgorithmus wird den gemessenen Laufzeiten vom Schalleinkoppler zu den Signalauskopplern ein Positionswert zugeordnet.

Zur Kalibrierung dieser Einrichtung werden Schallsignallaufzeiten zwischen Referenzpunkten entlang des Verfahrwegs aufgenommen. Das Erfordernis mindestens eines Referenzpunktes und somit einer externen Eichung schränkt die Flexibilität der Einrichtung für Längenmessungen als solche erheblich ein.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Einrichtung und ein Verfahren zur Längenmessung nach den Oberbegriffen der Ansprüche 1 bzw. 16 zu schaffen, die selbstkalibrierend sind.

Diese Aufgabe wird entsprechend den kennzeichnenden Teilen der Ansprüche 1 bzw. 16 gelöst.

Hierdurch wird eine Einrichtung zur Längenmessung geschaffen, bei welcher eine entlang einer Meßstrecke verfahrbare Sendereinheit zwei in Meßrichtung voneinander beabstandete Signaleinkoppler zum Einkopplen von Schallsignalen in einen sich entlang der Meßstrecke erstreckenden Schall­ signalleiter umfaßt, wobei der Abstand der beiden Signaleinkoppler eine interne Referenzdistanz darstellt, die ein Kalibrieren der Einrichtung ohne weitere Hilfsmittel ermöglicht.

Zur Kalibrierung wird die Sendereinheit unter gleichzeitigem Aufnehmen eines Längenkalibrierprofils entlang der Meßstrecke verfahren, welches aufgrund des bekannten Abstands der beiden Signaleinkoppler abschnittsweise für einen beliebigen Schallsignalleiter, der weder eine gleichmäßige Schallausbreitungs­ geschwindigkeit aufweisen noch exakt parallel zur Meßstrecke verlaufen muß, aufgenommen werden kann. Gleichzeitig mit der Kalibrierung kann bereits eine Längenmessung erfolgen.

Der Abstand der beiden Signaleinkoppler wirkt sich sowohl auf die lokale Meßgenauigkeit als auch die Zeit zum Kalibrieren aus. Bei kleinem Abstand kann das Längenkalibrierprofil mit hoher lokaler Auflösung bestimmt werden, während bei großem Abstand die zum Kalibrieren benötigte Zeit geringer ist.

Die Einrichtung und das Verfahren eignen sich insbesondere zur Messung großer Längen in der Größenordnung von mehreren hundert Metern mit einer Genauigkeit in der Größenordnung weniger Millimeter.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Be­ schreibung und den Unteransprüchen zu entnehmen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in den beigefügten Abbil­ dungen schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Fig. 1 zeigt schematisch eine Einrichtung zur Längenmessung.

Fig. 2a zeigt ein Schallgeschwindigkeitsprofil.

Fig. 2b zeigt ein Signallaufzeitprofil.

Fig. 3a bis 3e illustrieren Verfahrensschritte.

Die dargestellte Einrichtung zur Längenmessung umfaßt einen Schall­ signalleiter 1, etwa eine Stahlschiene oder insbesondere einen Draht, der sich längs einer vorgegebenen Meßstrecke 2 der Länge L erstreckt und an seinen Endpunkten in einer dämpfenden Einspannung oder Halterung H gedämpft eingespannt bzw. gehalten ist. Insbesondere bei senkrechtem Verlauf der Meßstrecke 2 ist es zweckmäßig, den Schallsignalleiter 1 an einem Endpunkt aufzuhängen und den anderen Endpunkt mit einem Gewicht zu beschweren.

Längs der Meßstrecke 2 ist benachbart zum Schallsignalleiter 1 oder diesen zumindest teilweise umgreifend eine Sendereinheit 3 verfahrbar, die zwei entlang der Meßstrecke 2 in einem festen Abstand dL voneinander beabstandete Signaleinkoppler 4, 5 zum insbesondere induktiven Einkoppeln von Schallsignalen in den Schallsignalleiter 1 umfaßt. Die Signaleinkoppler 4, 5 sind vorzugsweise durch ein Abstandselement mit geringer temperaturbedingter Längenänderung, z. B. aus Konstantan oder Kevlar, aufgenommen und koppeln Signale individuell und/oder gleichzeitig und insbesondere periodisch in den Schallsignalleiter 1 ein und können hierzu beispielsweise einen gemeinsamen Taktgeber und/oder Zeitmesser umfassen und/oder zum gleichzeitigen oder individuellen Einkoppeln von Schallsignalen beispielsweise durch eine Auswerteeinheit stimulierbar sein.

Eine unvollständige oder nicht vorhandene Dämpfung an den Endpunkten des Schallsignalleiters 1 kann, wie beispielsweise auch eine Beschädigung des Schallsignalleiters 1, Reflexionen der Schallsignale hervorrufen. Um eine sichere Identifizierung der Schallsignale sicherzustellen, können die Schallsignale eines der Signaleinkoppler 4, 5 markiert, d. h. von den Schallsignalen des anderen der Signaleinkoppler 4, 5 auswertemäßig unterscheidbar sein. Die Markierung kann beispielsweise durch Modulation, Impulsbreite, Impulshöhe oder dergleichen erfolgen.

An einem Ende der Meßstrecke 2 ist ein Detektor 6 zum Detektieren von Schallsignalen im Schallsignalleiter 1 angeordnet. Hierbei handelt es sich vorzugsweise um einen piezoelektrischen Detektor 6, jedoch können auch induktiv oder kapazitiv arbeitende verwendet werden.

Eine Auswerteeinheit, welche einen Takt- oder Zeitgeber umfaßt und die Signallaufzeit eines Schallsignals vom zugehörigen Signaleinkoppler 4, 5 zum Detektor 6 ermittelt, ist mit dem Detektor 6 und der Sendereinheit 3 beispielsweise elektrisch oder über Funk gekoppelt. Die Auswerteeinheit kann den Zeitpunkt der Signaleinkopplung und einen oder beide Signaleinkoppler 4, 5 individuell bestimmen, indem sie ein entsprechendes Einkoppelsignal an die Signal­ einkoppler 4, 5 sendet, oder im Falle einer selbständig sendenden Sendereinheit 3 nach Synchronisation der Takt- oder Zeitgeber in der Sendereinheit 3 und der Auswerteeinheit den Zeitpunkt des Einkoppelns berechnen. Die Auswerteeinheit kann einen Störsignalfilter umfassen.

Aus der Laufzeit eines Schallsignals von einem der Signaleinkoppler 4, 5 zum Detektor 6 berechnet die Auswerteeinheit die Länge L der Meßstrecke 2 entsprechend eines Längenkalibrierprofils. Das Längenkalibrierprofil bringt die Signallaufzeiten entlang des Schallsignalleiters 1 in Relation zu Entfernungen entlang der Meßstrecke und hängt von der speziellen Geometrie des Schallsignalleiters 1 und der Meßstrecke 2 sowie der gegebenenfalls ungleichmäßigen Schallgeschwindigkeit im Schallsignalleiter 1 ab. Das Längenkalibrierprofil hat zweckmäßigerweise die Form eines Schall­ geschwindigkeitsprofils c(x), x₀ ≦ x < x₁, vgl. Fig. 2a, oder in Abhängigkeit der korrespondierenden Signallaufzeiten entsprechend c(t), t₀ ≦ t < t₁, kann jedoch auch andere Formen annehmen, z. B. ein Signallaufzeitprofil t(x) sein, vgl. Fig. 2b. Bei gegebenem Schallgeschwindigkeitsprofil c(t) und gemessener Signallaufzeit T von einem zum anderen Endpunkt der Meßstrecke 2 ist deren Länge L das Integral des Schallgeschwindigkeitsprofils c(t) über die Zeit t von t₀ bis T, während bei gegebenem Signallaufzeitprofil t(x) die Länge L beispielsweise durch Interpolation ermittelbar ist.

Das Längenkalibrierprofil ist mittels der Auswerteeinheit aus vom Detektor 6 empfangenen Schallsignalen insbesondere abschnittsweise berechenbar, vgl. Fig. 3. Hierzu werden zunächst der Signaleinkoppler 4 und der Detektor 6, die in der Figur beispielhaft als Spulen dargestellt sind, beide zweckmäßigerweise an einem Endpunkt x₀ der Meßstrecke angeordnet, vgl. Fig. 3a. Anschließend läßt man den Signaleinkoppler 5 ein Schallsignal in den Schallsignalleiter 2 einkoppeln und ermittelt die Signallaufzeit t₁ des Schallsignals zum Detektor 6. Hieraus berechnet man die mittlere Schallgeschwindigkeit c(x) für den Abschnitt x₀ ≦ x < x₁ = x₀ + dL zu c(x₀ ≦ x < x₁) = dL/t₁, vgl. Fig. 3b, bzw. entsprechend c(t) für den Abschnitt 0 = t₀ ≦ t < t₁ zu c(0 ≦ t < t₁) = dL/t₁.

Anschließend wird die Sendereinheit 3 um eine Strecke s, die kleiner ist als der Abstand dL der beiden Signaleinkoppler 4, 5, in Richtung zum anderen Ende der Meßstrecke 2 hin verfahren, vgl. Fig. 3c, man läßt beide Signaleinkoppler 4, 5 gleichzeitig Schallsignale in den Schallsignalleiter 1 einkoppeln und ermittelt die Signallaufzeiten t₂, t₃ der Schallsignale von x₂ = x₀ + s bzw. x₃ = x₁ + s zum Detektor 6. Aus der Laufzeit t₂ des vom Signaleinkoppler 4 stammenden Schallsignals und der mittleren Schallgeschwindigkeit für den Bereich x₀ ≦ x < x₁ berechnet sich zunächst die Position

des Signaleinkopplers 4. Aus der Laufzeitdifferenz dt₃₂ berechnet sich wegen

die über den Bereich x₂ ≦ x < x₃ zwischen den beiden Signaleinkopplern 4, 5 zunächst als konstant angenommene mittlere Schallgeschwindigkeit

c(x₂ ≦ x < x₃) = dL/dt₃₂,

vgl. Fig. 3d. Im Überlappungsbereich x₂ ≦ x < x₁ wird die Schallgeschwindigkeit c(x) zweckmäßigerweise beispielsweise durch Mittelwertbildung beider mittlerer Schallgeschwindigkeiten berechnet, vgl. Fig. 3e.

Die Meßstrecke 2 wird dann mit der Sendereinheit 3 abgefahren, wobei man wiederholt beide Signaleinkoppler 4, 5 gleichzeitig Schallsignale in den Schallsignalleiter 1 einkoppeln läßt, die Signallaufzeiten der Schallsignale zum Detektor 6 ermittelt, die mittleren Schallgeschwindigkeiten für die jeweiligen Abschnitte zwischen den beiden Signaleinkopplern 4, 5 berechnet und in den Überlappungsbereichen die einzelnen Messungen beispielsweise durch Mittelwertbildung zusammenführt. Die Abstände zwischen den aufeinanderfolgenden Signaleinkopplungen können hierbei variieren.

Gegebenenfalls können die Signallaufzeiten zur nachfolgenden gemeinsamen Verarbeitung zunächst nur gemessen und gespeichert werden, wobei die Daten bei Bedarf durch mehrfaches Abfahren der Meßstrecke 2 vervollständigt werden können, so daß die Abstände zwischen aufeinanderfolgenden Schallsignaleinkopplungen den Abstand der beiden Signaleinkoppler 4, 5 nicht überschreiten.

Zu Beginn der Messung können der Signaleinkoppler 4 und der Detektor 6 auch in einem vorbestimmten Abstand zueinander positioniert werden, welcher beispielsweise durch die Gehäuseform festgelegt wird, wenn die Sendereinheit 3 und der Detektor 6 aneinander anliegen.

Claims (21)

1. Einrichtung zur Längenmessung mit einem sich entlang einer Meßstrecke (2) erstreckenden Schallsignalleiter (1), einem an einem Ende der Meßstrecke (2) angeordneten Detektor (6) zum Detektieren von Schallsignalen im Schallsignalleiter (1), einer entlang der Meßstrecke (2) verfahrbaren Sendereinheit (3) zum Einkoppeln von Schallsignalen in den Schallsignalleiter (1) und einer Auswerteeinheit zum Messen der Laufzeit der Schallsignale von der Sendereinheit (3) zum Detektor (6) sowie zum Berechnen der Länge (L) einer Strecke zwischen der Sendereinheit (3) und dem Detektor (6) aus der gemessenen Laufzeit und der Schallgeschwindigkeit im Schallsignalleiter (1), dadurch gekennzeichnet, daß die Sendereinheit (3) zwei in Meßrichtung voneinander beabstandete Signal­ einkoppler (4, 5) zum Einkoppeln von Schallsignalen in den Schallsignalleiter (1) umfaßt, wobei durch Verfahren der Sendereinheit (3) zusammen mit den Signal­ einkopplern (4, 5) über die Meßstrecke (2) und gleichzeitiges Einkoppeln von Schallsignalen durch beide Signaleinkoppler (4, 5) in den Schallsignalleiter (1) mittlere Schallgeschwindigkeiten für den jeweils zwischen den Signaleinkopplern (4, 5) befindlichen Abschnitt des Schallsignalleiters (1) ermittelbar sind und ein bei der Berechnung der Länge (L) der Strecke zu berücksichtigendes Längenkalibrierprofil aus den mittleren Schallgeschwindigkeiten mittels der Auswerteeinheit berechenbar ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Längenkalibrierprofil das Schallgeschwindigkeitsprofil des Schallsignalleiters (1) als Funktion der Position entlang der Meßstrecke (2) ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Sendereinheit (3) und/oder die Auswerteeinheit einen Taktgeber umfaßt.

4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Sendereinheit (3) und/oder die Auswerteeinheit einen Zeitmesser umfaßt.

5. Einrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Taktgeber und/oder Zeitmesser synchronisierbar sind.

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Funksender in der Sendereinheit (3) oder der Auswerteeinheit und ein Funkempfänger in der Auswerteeinheit bzw. der Sendereinheit (3) vorgesehen ist.

7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Signaleinkoppler (4, 5) zum Einkoppeln von Schallsignalen durch den Taktgeber, den Zeitmesser oder die Auswerteeinheit stimulierbar sind.

8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß Schallsignale von einem der Signaleinkoppler (4, 5) einzeln und von beiden Signaleinkopplern (4, 5) gleichzeitig in den Schallsignalleiter (1) einkoppelbar sind.

9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Schallsignale eines Signaleinkopplers (4, 5) markiert sind.

10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Auswerteeinheit einen Störsignalfilter umfaßt.

11. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Signaleinkoppler (4, 5) von einem Abstandselement mit geringer temperaturbedingter Längenänderung aufgenommen sind.

12. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Signaleinkoppler (4, 5) benachbart zum Schallsignalleiter (1) verfahrbar sind oder diesen zumindest teilweise umgreifen.

13. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Detektor (6) ein kapazitiver, induktiver oder insbesondere piezoelektrischer Detektor ist.

14. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Schallsignalleiter (1) ein Draht oder eine Schiene ist.

15. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Schallsignalleiter (1) endseitig jeweils ein Dämpfungselement aufweist.

16. Verfahren zur Längenmessung mit einem entlang einer Meßstrecke (2) angeordneten Schallsignalleiter (1), einem an einem Ende der Meßstrecke (2) angeordneten Detektor (6) zum Detektieren von Schallsignalen im Schall­ signalleiter (1) und einer entlang der Meßstrecke (2) beweglichen Sendereinheit (3), wobei durch die Sendereinheit (3) ein Schallsignal in den Schallsignalleiter (1) eingekoppelt, die Laufzeit des Schallsignals zum Detektor (6) gemessen und die Länge (L) der Strecke zwischen der Sendereinheit (3) und dem Detektor (6) aus der Laufzeit und der Schallgeschwindigkeit im Schallsignalleiter (1) berechnet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßstrecke (2) mit der Sendereinheit (3) abgefahren wird, während man zwei in Meßrichtung voneinander beabstandete Signaleinkoppler (4, 5) der Sendereinheit (3) gleichzeitig Schallsignale in den Schallsignalleiter (1) einkoppeln läßt, wobei die Laufzeiten der Schallsignale bis zum Detektor (6) zum abschnittsweisen Ermitteln mittlerer Schallgeschwin­ digkeiten für den jeweils zwischen den Signaleinkopplern (4, 5) befindlichen Abschnitt des Schallsignalleiters (1) verarbeitet werden, ein Längenkalibrierprofil des Schallsignalleiters (1) aus den mittleren Schallgeschwindigkeiten berechnet und bei der Längenmessung berücksichtigt wird.

17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Sender­ einheit (3) zwischen zwei aufeinanderfolgenden Einkopplungen höchstens um den Abstand der beiden Signaleinkoppler (4, 5) entlang der Meßstrecke (2) verfahren wird.

18. Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Sendereinheit (3) mehrmals entlang der Meßstrecke (2) verfahren wird und die bei jedem Durchgang gemessenen Signallaufzeiten zum Berechnen des Längen­ kalibrierprofils verwendet werden.

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekenn­ zeichnet, daß als Längenkalibrierprofil das Schallgeschwindigkeitsprofil als Funktion der Position entlang der Meßstrecke (2) verwendet wird.

20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß das Schall­ geschwindigkeitsprofil aus abschnittsweise gemittelten Schallgeschwindigkeiten im Schallsignalleiter (1) besteht.

21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die mittlere Schallgeschwindigkeit für einen Abschnitt des Schallsignalleiters (1) zwischen den beiden Signaleinkopplern (4, 5) aus der Laufzeitdifferenz der gleichzeitig einge­ koppelten Schallsignale berechnet wird.