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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung
zur Messung der Tiefe von Profilen bei Reifen von Fafrzeugen, die
mit einem beweglichen Sensormittel, arbeitet, mit den Merkmalen
der in den Oberbegriffen der Patentansprüche 1 und 2 schriebenen Gattungen.
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Die Überprüfung der Reifenprofiltiefe
von Rädern
an Fahrzeugen wird in der Regel visuell durch Schätzung oder
mit Hilfe eines Tiefenmeßschiebers
per Hand durchgeführt.
Die Tiefe des Reifenprofils wird aufgrund der Unzulänglichkeiten
bei einer Handmessung, wie etwa, wenn der Tiefenmeßschieber
nicht genau senkrecht über
das Profil des Reifens angesetzt wird, mit einem erheblichen Meßfehler
erfaßt.
Darüber
hinaus ist eine Überprüfung der
tatsächlichen
Profiltiefe eines Reifens an dem gesamten Reifenumfang auch deshalb
schwierig auszuführen,
da in der Regel bei an dem Fahrzeug montierten Reifen gemessen werden
muß, da
die Abnutzung des Reifens ermittelt werden soll, der Zugang zu den
Reifenabrollflächen
jedoch bei montiertem Reifen am Fahrzeug meist sehr schwierig und
nur teilweise durchzuführen
ist. Ferner ist es unvermeidbar, daß bei einer Messung mit einem
senkrecht zu der Reifenoberfläche
verschiebbaren einzelnen Stift nur Ausschnitte und Bruchteile der
wirklichen Profiltiefe des Gesamtreifens erfaßt werden können. Eine komplette Messung
aller Profile eines Reifens scheitert damit an einem sehr hohen
zeitlichen Auf wand und an den Problemen der unzureichenden Zugänglichkeit
zu den einzelnen Profilen bei auf dem Rad montierten Reifen.
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Ein weiterer Nachteil des Standes
der Technik bei manueller Messung mit einem Tiefenmeßschieber
ist die Tatsache, daß die
Reifenprofile nur bei stillstehendem Reifen beziehungsweise Rad
gemessen werden können,
nicht jedoch bei rollendem Reifen. Darüber hinaus muß jeder
Reifen einzeln und gesondert gemessen und erfaßt werden. Diese per Hand durchgeführten Messungen
benötigen
erhebliche Zeit, es muß ein
Protokoll geführt
werden über die
unterschiedlichen Tiefen der Profile an den verschiedenen Reifen
der Räder
und es ist trotzdem keine komplette Erfassung aller Profilrillen
eines Reifens schon aus Zeitgründen
möglich,
da dafür
stets eine Bedienungsperson zur Durchführung der Messung erforderlich
ist.
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Aus der britischen Patentanmeldung
GB 2 266 150 A ist
ein Meßgerät zur Ermittlung
der Rillentiefe von Reifen vorbekannt. Das Gerät besitzt einen linear ausfahrbaren
Stift, der mittels einer Feder auf dem Normal-Null einer Bezugsoberfläche im Ausgangszustand
gehalten wird. Beim Ansetzen des Meßgerätes nach der GB 2 266 150 auf
der Reifenoberfläche
wird der bewegliche Taststift eingedrückt, wodurch in dem Meßgerät die Verdrehung
eines Schaftes über
eine Zahnstange bewirkt wird. Ein Antriebsritzel setzt die Drehung
des Schaftes in eine proportionale Drehung um, die mit optischen
Mitteln erfaßt
wird und so die Tiefe des Reifenprofils ermittelt werden kann. Nach
der Messung kehrt der linear bewegliche Stift aufgrund einer Federvorspannung
wieder in die Grundund Ausgangsstellung zurück. Die Elemente zum Messen
der Profiltiefe sind in einem Meßkopf untergebracht und die
Signale des Meßkopfes
werden mit einem Prozessor einer elektronischen Auswerteeinheit
einer Anzeige zugeführt.
Als Anzeige sind numerische Anzeigen vorgesehen, ferner Gut- Schlecht-Anzeigen mit LED
und eine akustische Anzeige als weitere Möglichkeit angegeben. Das Meßgerät nach der
GB 2 266 150 ist tragbar
ausgeführt,
so daß eine
Bedienungsperson den Meßkopf an
dem Reifen halten kann. Ein Nachteil der
GB 2 266 150 ist, daß hier wiederum
eine Bedienungsperson erforderlich ist, um den Messkopf an den Reifen zu
halten. Ferner dass nur ein einziger linear verschiebbarer Stift
vorhanden ist und deshalb nur eine punktuelle Messung durchgeführt werden
kann, so dass nur eine stichprobenhafte Überprüfung der gesamten Breite und
der Länge
des Reifenprofils möglich
ist. Zur Ermittlung des tatsächlichen
Reifenprofils sind deshalb nach wie vor eine größere Anzahl von Messungen erforderlich,
die wiederum einen entsprechenden Zeitaufwand bedingen. So bleiben auch
die Nachteile, dass die Reifenoberfläche nur teilweise mit dem Messkopf
erreichbar ist, wenn die Reifen an den Rädern eines Fahrzeugs montiert
sind, was jedoch die Regel ist, da der Verschleiß der Reifenoberfläche im Betrieb
ermittelt werden soll. Auch. bei der britischen Anmeldung muss eine
Profiltiefe nach der anderen gemessen werden, es kann nicht bei
rollendem Reifen gemessen werden und es müssen die Profile aller Reifen
eines Fahrzeugs nacheinander mit dem entsprechenden Zeitaufwand
gemessen werden.
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Aus der Entgegenhaltung
DE 197 44 076 ist eine Vorrichtung
und ein Verfahren zur Reifenprofilmessung vorbekannt. Bei dem Gegenstand
der
DE 197 44 076 ist
eine Abdeckeinrichtung als trapezförmige Schwelle ausgeführt und
weist mehrere Öffnungen
auf. Die Anzahl der Öffnungen
ist nicht beschränkt
und jede Öffnung
wird von einem Stift durchdrungen, der an seinem einen Ende im Wesentlichen
frei ist. An seinem anderen Ende greift der Stift in ein freies
Ende eines Federelements ein. Die Verbindung von Stift und Federelement
kann unterschiedlich ausgeführt
sein, so ist ein bloßes
Aufliegen des Stiftes auf dem Federelement, eine Anlenkung des Stiftes
an dem Federelement oder eine starre Verbindung mit dem Federelement
möglich.
Außerdem
kann auch eine kammartige Anordnung sämtlicher Federelemente bzw.
von in Reihe angeordneten Federelementen ausgeführt sein.
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Das Federelement gemäß der
DE 197 44 076 ist derart
in eine Schaltungsanordnung integriert, dass es zusammen mit einer
Platte ein kondensatorartiges Gebilde darstellt. Sobald ein Reifen
den Stift kontaktiert, wird der Stift gegen die Kraft des Federelements
zunehmend in die Öffnung
gedrückt
und die Eindringtiefe wird deshalb durch den zwischen der Oberfläche und
dem Reifen verbleibenden Zwischenraum bestimmt. Damit ist der verbleibende
Zwischenraum ein Maß für die Profiltiefe.
Je weiter der Stift durch die Öffnung
gedrückt
wird, desto weiter entfernt sich das Federelement von der festen
Platte. Durch das Eingreifen in eine von den beiden Platten des
Plattenkondensators ist es möglich
durch die Bewegung des Stiftes den Plattenabstand zu verändern und
damit auf die Ladungsverschiebung Einfluss zu nehmen. Stellt sich
damit für
jede Profiltiefe eine charakteristische Kapazität ein, wodurch durch Messen der
Kondensatorkapazität
auf die Profiltiefe rückgeschlossen
werden kann.
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Der Kondensator gemäß dem Gegenstand
DE 197 44 076 weist eine
Platte auf, die starr ausgeführt
ist und einen Kondensatorbelag darstellt. Eine zweite Platte des
Kondensators ist in ihrer Fortsetzung mit einem Federelement verbunden.
Bei einer Messung des Stiftes in einem Reifenprofil wird die starre
zweite Platte des zweiten Kondensatorbelags mittels des sich verbiegenden
Federelements von der ersten Kondensatorplatte weg oder zu dieser
hin befördert.
Der Kondensator gemäß der
DE 197 44 076 weist keine
senkrecht zu den Trägerflächen des Kondensators
ausgebildete Isolatoren auf, weshalb zwischen den direkt nebeneinander
angeordneten Tastsensoren auch keine elektrische Abschirmung für das jeweilige
elektrische Feld des als Kondensator ausgeführten Tastsensors besteht.
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Weiterhin ist aus der Entgegenhaltung
DE 33 07 012 eine Berührabtastanordnung
bekannt, die im Wesentlichen vier Komponenten aufweist, wie eine Berührungsoberfläche mit
einer Vielzahl mechanisch und elektrisch isolierter abtastfähiger Stellen,
eine Signalumformeinrichtung verbunden mit jeder der abtastfähigen Stellen
zur Umwandlung einer mechanischen Erwiderung auf ein elektrisches
Signal und weitere signalverarbeitende Einrichtungen. Die Anordnung
gemäß der
DE 33 07 012 umfasst eine Deckplatte
und eine Auflageplatte, die aneinander befestigt sind und 64 abgeschrägte Öffnungen
in Matrixstruktur aufweisen. Dabei weist eine Berührungsoberfläche abtastfähige Stellen
auf, die in einer Matrixstruktur entsprechend den vorgesehenen Öffnungen
in der Deck- und Auflageplatte angeordnet sind. Die Berührungsoberflächen stellen
ein Einheitselement dar, das aus elastischem Material wie Elastomer
oder einem passenden funktionellen Äquivalent besteht. Jede der
abtastfähigen
Stellen umfasst einen erhobenen Abschnitt aus elastischem Material, der
sich von dem Rest der Berührungsoberfläche nach
oben gerichtet erstreckt. An der Unterseite in Richtung der Öffnungen
ist an jedem erhobenen Abschnitt ein Stift angebracht, der sich
nach unten in die Offnung der Auflageplatten erstreckt. Wenn ein
erhobener Abschnitt durch ein Gewicht belastet wird, so wird der
Stift nach unten durch die Öffnung
gerichtet abgelenkt, so dass die Mittel zur Abtastung elektrische
Signale erzeugen können
und damit ein Messergebnis entsprechend dem von dem Stift zurückgelegten
Weg entsteht. Der Stift und auch die entsprechenden Stifte bei den
anderen Ausführungen
des Erfindungsgegenstandes der
DE
33 07 012 werden jedoch nicht zur Erzeugung eines kapazitiven
Signals benutzt, sondern es werden entweder Änderungen mit lichttechnischen
oder mit magnetischen Mitteln zur Erzeugung eines Messsignals verwendet.
Der Gegenstand der
DE 33 07 012 offenbart
somit einen Stift, der federnd mit Hilfe einer Kappe aufgehängt ist und
bewegbar ist, während
der Gegenstand der
DE 197 44
076 offenbart, dass eine federnd angeordneter Stift entsprechend
der Größe einer
ihn belastenden Kraft hin und her bewegt werden kann und so ein Messergebnis
erzielbar ist.
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Darüber hinaus ist noch der Gegenstand
der
EP 0 940 652 vorbekannt,
der sich der Herstellung von integrierten Schaltkreisen widmet,
die sich zur Detektion von Linien von Fingerabdrücken eignen. Die Herstellung
von integrierten Schaltkreisen unterliegt eigenen Gesetzen, so sind
zur Herstellung einer einzigen in der Größenordnung von Mikrometer liegenden
kapazitiven Abtaststelle gemäß der
EP 0 940 652 14 Bestandteile
erforderlich, was sehr aufwändig und
kostensteigernd ist. Die verschiedenen Ausführungsformen des Tasters des
Gegenstandes der
EP 0 940 652 sind
jeweils als Elektroden ausgeführt.
Mit der integrierten Schaltung gemäß
EP 0 940 652 kann nur die Breite und
die Länge
eines Profils, wie beispielsweise die Linien und Täler eines
Fingerabdrucks gemessen werden. Es ist ausgeschlossen mit dem Gegenstand
der
EP 0 940 652 die
Tiefe bzw. das Tiefenmaß von
Vertiefungen an der Oberfläche von
Messobjekten zu ermitteln. Die Ermittlung der Tiefe des Profils
von Reifen oder der Vertiefungen an der Oberfläche von Messobjekten ist Bestandteil
des Oberbegriffs der vorliegenden Erfindung in den Patentansprüchen 1 und
2. Der Gegenstand der
EP 0 940
652 erfüllt
damit nicht die Gattungsbegriffe der Patentansprüche der vorliegenden Anmeldung.
Bei dem Gegenstand der
EP 0 940
652 ist auf dem Oberflächenfilm
des integrierten Schaltkreises jeweils eine Warze vorgesehen, die
dazu dient, den auf dem Oberflächenfilm
ausgeübten
Druck durch einen Finger für
die Auslösung
des Sensorelements zu erhöhen,
um so die Empfindlichkeit des Sensors zu steigern. Diese Warze dient
ganz offensichtlich nicht der Ermittlung des Tiefenmaßes einer
Vertiefung auf einer Oberfläche,
sondern dazu, stets ein einwandfreies und sauberes Signal von jeder
einzelnen Sensorstelle bei Belastung der Filmoberfläche mit
Druck zu erhalten.
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Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe
zugrunde, eine für
die Massenfertigung geeignete und mit geringen Kosten pro Tastsensor
herstellbare Vorrichtung zu schaffen, die entsprechend den Anforderungen
des jeweiligen Anwendungsfalls insbesondere die Tiefe von ein oder
beliebig vielen weiteren Profilen gleichzeitig messen kann, die
eine nur stichprobenhafte Messung der Tiefe von Profilen vermeidet und
eine schnelle Messung und Anzeige der Ergebnisse ermöglicht,
die die Ermittlung der Profiltiefe bei stillstehendem oder sich
drehendem Reifen beziehungsweise bei montiertem oder nicht an dem
Fahrzeug montiertem Radreifen durchführen kann, die die Profile
von Reifen von mehreren Rädern
zur selben Zeit erfassen kann und die die Ermittlung der Tiefe von
Profilen automatisch ohne die manuelle Mitwirkung von Bedienungspersonen
ausführen
kann.
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Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß durch
die in den kennzeichnenden Teilen der Patentansprüche 1, 2 und 3 angegebenen
Merkmale gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen des Erfindungsgegenstandes sind in
den Merkmalen der Unteransprüche 4 bis 17 gekennzeichnet.
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Die Vorteile der Erfindung bestehen
insbesondere darin, daß mit
der Erfindung für
die Massenfertigung geeignete Tastsensoren hergestellt werden, die
auf zwei Wegen, nämlich
kapazitiv oder induktiv arbeitend, mit geringen Kosten und in einer
miniaturisierten Ausführung
hergestellt werden können.
Die erfindungsgemäßen Tastsensoren
lassen sich z.B. in einem zwei-Millimeter-Abstand pro mechanischem Tastsensor
in einem Raster ausbilden, so daß zur vollständigen Belegung
Punkt für
Punkt mit Tastsensoren eines als Meßfläche dienenden Sensorfeldes die
Tastsensoren jeweils direkt nebeneinander angeordnet zur Abtastung
der Oberfläche
des Meßobjektes,
z.B. in Form einer Reifenabrollfläche, zusammengefaßt sind.
Das heißt,
es werden Sensorfelder gebildet, die mindestens die Breite und die
Aufstandsfläche
der mit Profil versehenen Rollfläche
des Reifens umfassen, wobei sich die Anzahl der Sensorelemente nach
der Größe der Meßfläche und
der gewünschten
Meßdichte
richtet. Damit werden gleichzeitig alle Profile eines Reifens erfaßt, der
auf der Meßfläche mit
den dort angeordneten Tastsensoren steht.
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Die Sensorfelder aus Tastsensoren
sind auf einem gemeinsamen Sensorträger aufgebracht, so daß sich das
Sensorfeld als Zylinder ausführen
läßt, was
bedeutet, daß das
Fahrzeug auf eine entsprechende Rolle gefahren werden kann, die
mit einem Sensorfeld als Meßfläche ausgerüstet ist
und dann durch Drehen des zylindrischen Sensorfeldes die Profile
der Reifenoberfläche
abgetastet werden. Andererseits ist es auch möglich, den Sensorträger eben
in einer Fläche
liegend auszuführen.
Eine ebene Ausführung
des als Meßfläche ausgebildeten Sensorfeldes
ermöglicht
es, mit einem Fahrzeug mit den Reifenprofilen über die Meßfläche des Sensorfeldes zu fahren,
wobei beim Überfahren
dieses Sensorfeldes die Messung der Profiltiefe des Reifens durchgeführt wird.
Es lassen sich deshalb auch mehrere in räumlichem Abstand angeordnete
als Meßfläche dienende
Sensorfelder anordnen, die parallel nebeneinander und/oder parallel
hintereinander angeordnet werden können, so daß zwei oder mehrere Reifen
auf einer Achse gleichzeitig gemessen werden können und bei einer Hintereinanderanordnung der
Sensorfelder entsprechend der weiteren Achsen des Fahrzeugs alle
Reifenprofile des Fahrzeugs gleichzeitig erfaßt werden können, wenn eine entsprechende
Anzahl von Sensorfeldern vorgesehen wird. Die Tastsensoren der einzelnen
Sensorfelder werden über
eine elektronische Steuerung, Meßwerterfassung und Meßwertverarbeitung
erfaßt.
Durch die Meßwerterfassung
und eine entsprechende Verarbeitung erhöht sich die Aussagekraft der
Messung durch Auswertung einer großen Zahl von Einzelwerten,
sowohl bezüglich
eines Rades, wie auch bezüglich
mehrerer Räder
eines Fahrzeugs, wenn die Vorrichtung entsprechend ausgeführt ist.
Eine der Meßwertverarbeitung
nachgeschaltete Anzeigeeinheit macht die Analyse der erfaßten Meßwerte erweiterbar,
z.B. zur Erkennung einseitiger Profilabnutzung und weiterer Kennwerte
eines Reifens. So lassen sich beispielsweise Rückschlüsse auf eine fehlerhafte Spureinstellung
oder auf defekte Stoßdämpfer bei der
Beurteilung des Reifenzustands ziehen. Es ist ohne irgendeine Beteiligung
einer Bedienungsperson eine vollautomatische Messung der Profiltiefe
von ein oder mehreren Reifen sowohl beim stehenden wie beim fahrenden
Fahrzeug auf automatischem Wege möglich. Aufgrund der elektronischen
Datenverarbeitung der Meßwerte
der Tastsensoren der Sensorfelder bis zur Anzeige, läßt sich
eine Messung des Reifenzustandes innerhalb weniger Sekunden durchführen.
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Die auf der Meßfläche des Sensorfeldes angeordneten
Tastsensoren sind in zwei verschiedenen Ausführungsbeispielen ausgeführt, wobei
die Tastsensoren des ersten Ausführungsbeispiels
das Tiefenmaß der
Rillen beziehungsweise Profile auf kapazitivem Wege ermitteln. Dabei
ist der Tastsensor als Kondensator ausgebildet. Die erste Trägerschicht
für den
ersten Kondensatorbelag des Tastsensors als auch der erste Kondensatorbelag
des Sensors selbst sind dabei starr ausgeführt. Dagegen ist die zweite Trägerschicht
für den
zweiten Kondensatorbelag als auch der zweite Kondensatorbelag selbst
mechanisch verformbar gestaltet, wobei der zweite Träger elastisch
verformbar ausgebildet ist. Zwischen der ersten Trägerschicht
und der zweiten Trägerschicht sind
am äußeren Umfang
der gegenüberliegenden Trägerflächen räumlich senkrecht
zu den Trägerflächen ausgebildete
Isolatoren in Form von Isolationsstegen vorge sehen. Diese Isolationsstege
verbinden die erste und die zweite Trägerschicht wallartig und schließen sie
nach außen
ab. Es entsteht damit ein Hohlraum zwischen dem ersten und zweiten
Kondensatorbelag. Zusätzlich
trägt die
zweite Trägerschicht
des Kondensators auf ihrer von der ersten Trägerschicht abgewandten Seite
beginnend mit dem Fuß ein
sich konisch zu einer Spitze verjüngendes Tastelement, wobei
das Tastelement auch zylindrisch geformt sein kann und sich damit
zur Spitze nicht verjüngt.
Die zweite Trägerschicht
des Kondensators und das Tastelement sind dabei vorteilhaft einstöckig ausgebildet.
Dieses Tastelement ist so dünn ausgebildet,
daß es
in die Vertiefungen der Rillen beziehungsweise des Reifenprofils
eindringen kann. Wird der Reifen über die Spitze des Tastelementes geführt, so
bewegt sich die Spitze des Tastelementes senkrecht zu der Fläche der
starr und eben ausgeführten
ersten Trägerschicht
des Kondensators beziehungsweise des darauf befindlichen Kondensatorbelages.
Durch die Elastizität
der zweiten Trägerschicht
und des darauf sich befindenden zweiten Kondensatorbelages, der
dem ersten Kondensatorbelag zugewandt ist, wird der Abstand zwischen
dem zweiten Kondensatorbelag und dem ersten Kondensatorbelag verändert und
damit ändert
sich die Kapazität
des Tastelementes und man erhält
einen kapazitiven Meßwert,
der sich entsprechend der Auslenkung der Spitze des Tastelementes
verhält.
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Dieser kapazitiv arbeitende Tastsensor
ist sehr einfach aufgebaut und läßt sich
deshalb in seinen Dimensionen stark minimieren und auf diese Weise
eine sowohl dichte Besetzung des Meßfeldes mit Tastsensoren erreichen
als auch eine für
die Massenfertigung geeignete Herstellung der mechanischen Tastsensoren
mit geringen Kosten erzielen. Dazu werden die zu der Meßfläche des
Sensorfeldes zusammengefaßten
Tastsensoren mit ihren jeweiligen Einzelsensorhaltern als Teil eines
gemeinsamen Sensorträgers
ausgeführt,
wobei die erste Trägerschicht
als Einzelsensorhalter ausgebildet ist. Jeder gemeinsame Sensorträger trägt also
eine hohe Anzahl von kapazitiv arbeitenden Tastsensoren, die direkt
nebeneinander angeordnet sind, und bildet eine Art Matte, die sich über die
gesamte Meßfläche des Sensorfeldes
erstreckt. Wie die vorstehende Vereinfachung bei der Herstellung
des kapazitiv arbeitenden Tastsensors für die erste Trägerschicht
läßt sich auch
die zweite Trägerschicht
mit dem zweiten Kondensatorbelag und mit dem konisch geformten Tastelement
jeweils als Teil einer gemeinsamen zweiten Trägerschicht aller als Kondensatoren
ausgebildeten Tastsensoren in der Art einer Matte, passend zu der Anzahl
der Tastsensoren, auf dem gemeinsamen Sensorträger ausformen. Nach Auflegen
der Isolationsstege auf den gemeinsamen Sensorträger der ersten Trägerschicht
läßt sich
darauf als Matte die zweite Trägerschicht
mit den konisch geformten Tastelementen auflegen und so eine einfache
Fertigung mit einer hohen Anzahl von kapazitiv arbeitenden Tastsensoren
auf einem Meßfeld
auf einfache und preiswerte Art erreichen.
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Die zweite Ausführungsform der Tastsensoren
arbeitet bei der Messung der Profiltiefe mit induktiven Meßverfahren.
Der Tastsensor arbeitet dabei mit einem aus einem magnetischen Material
bestehenden Taststift zum Abtasten der Profiltiefe, dabei ist der
Taststift in einer Öffnung
eines Einzelsensorhalters beweglich gelagert. Der Taststift erstreckt
sich mit seinem von der Meßoberfläche des
Einzelsensorhalters abgewandten Teil in eine in der Verlängerung der
Lageröffnung
angeordneten Spule. An die Spule wird vor Beginn der Messung durch
Anlegen einer Gleichspannung ein Magnetfeld erzeugt, das je nach Polung
den mit einem Teil in die Spule hineinragenden Taststift vorauslenkt.
Gleichzeitig wird auf die Spule eine Wechselspannung gegeben, wodurch wiederum
eine Induktivitätsänderung
an der Spule entsteht, die als Meßwert für die Reifenprofiltiefe geeignet
ist. Auch diese induktive Ausführung
der Tastsensoren ist sehr einfach aufgebaut und läßt sich deshalb
in ihren Dimensionen gut minimieren. So ist es deshalb auch mit
den induktiv arbeitenden Tastsensoren möglich, eine vollständige Belegung
Punkt für
Punkt mit Tastsensoren einer Meßfläche dadurch zu
erreichen, daß die
Tastsensoren jeweils direkt nebeneinander angeordnet werden. Auch
bei dem zweiten Ausführungsbeispiel
der Tastsensoren mit induktiver Messung der Profiltiefe können die
zu einer Meßfläche des
Sensorfeldes zusammengefaßten Tastsensoren
mit ihren jeweiligen Einzelsensorhaltern als Teil eines gemeinsamen
Sensorträgers
ausgeführt
sein, so daß auch
hier der gemeinsame Sensorträger
in der Art einer Matte über
die gesamte Meßfläche des
Sensorfeldes sich erstreckt. Auch der mit induktiv arbeitenden Tastsensoren
bestückte
gemeinsame Sensorträger
der Meßfläche des
Sensorfeldes läßt sich
in Zylinderform und drehbar ausbilden und ferner auch in einer Ebene
liegend flach ausführen.
Auch hier lassen sich, wie bereits bei dem Tastsensor mit kapazitiver
Arbeitsweise geschildert, mehrere Sensorfelder in räumlichem
Abstand parallel nebeneinander und/oder parallel hintereinander anordnen,
um alle Reifen eines Fahrzeugs gleichzeitig mit den Sensorfeldern
zu erfassen.
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Nachstehend wird die Erfindung anhand
von Ausführungsbeispielen
und von Zeichnungen noch näher
erläutert.
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Es zeigen:
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1 In
Prinzip-, Teil- und Schnittdarstellung ein erstes Ausführungsbeispiel
eines Tastsensors der Vorrichtung mit kapazitiver Arbeitsweise, 2 in Prinzip-, Teil- und
Schnittdarstellung ein zweites Ausführungsbeispiel eines Tastsensors
der Vorrichtung mit induktiver Arbeitsweise, 3 das Ausführungsbeispiel einer Anzeige
und
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4 den
Ablauf einer Meßsequenz
der Vorrichtung nach der Erfindung.
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In 1 ist
in Prinzip-, Teil- und Schnittdarstellung ein erstes Ausführungsbeispiel
eines Tastsensor 1 der Vorrichtung nach der Erfindung dargestellt,
der eine kapazitive Wegmessung vornimmt. In 2 ist ebenfalls in Prinzip-, Teilund
Schnittdarstellung ein zweites Ausführungsbeispiel eines Tastsensors 2 zu
ersehen, der eine induktive Wegmessung vornimmt. Sowohl der Tastsensor 1 wie
auch der Tastsensor 2 nach der 1 beziehungsweise
2 sind in stark vergrößerter Darstellung
wiedergegeben. Es wird ausdrücklich
darauf hingewiesen, daß aus
Gründen
der Übersichtlichkeit
in den 1 und 2 nur die für die Erfindung maßgebenden
Bestandteile oder Teilfunktionen der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt
sind. Nicht dargestellt ist beispielsweise die Energieversorgung,
die Steuerung, die Verschaltung der Tastsensoren, die Meßwerterfassung
und die Meßwertverarbeitung
der Signale der Tastsensoren beziehungsweise der Vorrichtung. Gegenstand der
Vorrichtung nach der Erfindung ist die Ermittlung des Tiefenmaßes von
Vertiefungen an der Oberfläche
von Meßobjekten
durch Abtasten mit einem beweglichen mechanischen Sensormittel.
Als Meßobjekte
kommen beispielsweise die Oberflächen
von Reifen in Frage, deren Profile beziehungsweise Rillen in ihrer
Tiefe ausgehend von der Reifenoberfläche als Ausgangsniveau gemessen
werden. Dies ist immer dann sinnvoll, wenn die Reifen bereits abgefahren
sind und es deshalb in der Regel bei montierten Reifen am Fahrzeug
zu ermitteln ist, ob die Reifen noch bestimmten Anforderungen entsprechen, wie
sie beispielsweise bei Reifenverschleißuntersuchungen in Forschungs-
und Versuchseinrichtungen der Automobilfirmen und der Reifenindustrie
vorgenommen werden müssen,
ferner bei den Reifenprofilkontrollen der Kraftfahrzeugshauptuntersuchungen und
bei Verkehrskontrollen der Polizei an Fahrzeugen, weiterhin ist
die Messung der Profiltiefe von Reifen bei Kontrollen wegen Witterungsbedingtheit
auf Fahrverbote bei der Unterschreitung von bestimmten Mindestprofiltiefen,
z.B. bei Gefahrenguttransporten und auf Paßstraßen erforderlich und schließlich ist die
Messung des Tiefenmaßes
von Reifen ausgehend von der Reifenoberfläche bei der Reifenprofilanalyse
als Serviceleistung von Tankstellen, Reifenhändlern, bei Kraftfahrzeugwerkstätten und
Automobilclubs erforderlich.
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Sowohl der Tastsensor 1 nach 1 wie auch der Tastsensor 2 nach 2 sind Wegaufnehmer mit
senkrecht zu dem Ausgangsniveau der Reifenoberfläche beweglichen mechanisch
tastenden Sensormitteln, die bei dem Kontakt mit der Reifenlauffläche ausgelenkt
werden und damit ist diese Auslenkung ein proportioniales Maß für Tiefe
des Reifenprofils oder jeglicher anderer Vertiefung, die sich auf
der Oberfläche
des Meßobjektes
befindet. Wie aus der 1 ersichtlich
ist, ist der Tastsensor 1 als Kondensator mit zwei Trägerschichten
und zwei entsprechenden Kodensatorbelägen ausgebildet. Eine erste
Trägerschicht 3 trägt einen
ersten Kondensatorbelag 4, wobei sowohl die Trägerschicht 3 wie
auch der Kondensatorbelag 4 starr ausgebildet sind. Dem
ersten Kondensatorbelag 4 steht ein zweiter Kondensatorbelag 6 gegenüber, der
auf der der ersten Trägerschicht 3 zugewandten
Seite der zweiten Trägerschicht 5 angeordnet
ist. Sowohl die zweite Trägerschicht 5 als
auch der zweite Kondensatorbelag 6 selbst sind mechanisch
verformbar, wozu der zweite Träger 5 elastisch
ausgeführt
ist. Als Material für
die verformbar und elastisch ausgeführte zweite Trägerschicht 5 kann
beispielsweise Kunststoff oder jedes andere für einen derartigen Zweck geeignete verformbare
und elastische Material verwendet werden. Als Material für die erste
Trägerschicht
des Tastsensors 1 können
beispielsweise Keramik oder Mischungen anderer Werkstoffe verwendet
werden, die nichtleitend sind und geeignet zur Bewältigung
der Druckbelastungen ausgeführt
sind, die beispielsweise durch das Gewicht eines schweren Fahrzeugs über die
Reifenlauffläche
auf einen Tastsensor 1 ausgeübt wird.
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Zwischen der ersten Trägerschicht 3 und
der zweiten Trägerschicht 5 des
Tastsensors 1 sind am äußeren Umfang
der sich gegenüberliegenden
Trägerflächen räumlich senkrecht
zu diesen Trägerflächen ausgebildete
Isolatoren in Form von Isolationsstegen 7 vorgesehen. Die
Isolationsstege 7 schließen also die erste und die
zweite Trägerschicht 3 und 5 des
als Kondensator ausgebildeten Tastsensors 1 wallartig nach
außen
ab. Durch die Isolationsstege 7 werden also die erste Trägerschicht 3 und
die zweite Trägerschicht 5 in
Abstand zueinander gehalten und es entsteht deshalb zwischen den
beiden Kondensatorbelägen 4 und 6 ein
Hohlraum B. Die zweite Trägerschicht 5 trägt auf ihrer
von der ersten Trägerschicht 3 abgewandten
Seite beginnend mit dem Fuß ein
sich konisch zu einer Spitze verjüngendes Tastelement 9 oder
ein zylindrisch geformtes Tastelement, das sich zur Spitze hin nicht
verjüngt,
was in den Figuren jedoch nicht dargestellt ist. Die zweite Trägerschicht 5 des
als Kondensator ausgebildeten Tastsensors 1 und das Tastelement 9 können dabei
einstöckig
ausgebildet sein. Das heißt,
daß auf
der der ersten Trägerschicht 3 zugewandten
Seite der zweiten Trägerschicht 5 der
zweite Kondensatorbelag 6 aufgebracht ist, während auf
der anderen Seite der zweiten Trägerschicht 5 das
konisch zu einer Spitze sich verjüngende Tastelement 9 angeformt
ist. Das Tastelement ist dabei so dünn ausgeführt, daß es in die Vertiefungen des
Reifenprofils eindringen kann. Vor Beginn einer Messung wird eine
Spannung an den ersten und den zweiten Kondensatorbelag gelegt,
so daß der
als Koden sator ausgebildete Tastsensor 1 geladen ist. Danach
wird die Spannungsquelle abgeschaltet. Bei der Auslenkung des sich
konisch zu einer Spitze verjüngenden
Tastelementes 9 durch das Meßobjekt wird das Tastelement 9 ausgelenkt.
Je nach dem Maß der
Auslenkung des Tastelementes 9 verändern die Kondensatorbeläge 4 und 6 ihren
Abstand zueinander. Durch diese Abstandsänderung verändert sich damit die Kapazität des Tastsensors 1,
wodurch eine meßbare
Spannungsänderung
an dem ersten und zweiten Kondensatorbelag entsteht. Diese Veränderung
der Spannung an den Kondensatorbelägen ist ein proportionales
Maß und Signal
für die
Meßwerterfassung
und Meßwertverarbeitung
entsprechend des gemessenen Tiefenmaßes des Reifenprofils oder
jeder anderen Vertiefung, die mit dem Tastenelement erfaßt worden
ist. Alternativ kann an den Kondensator eine Wechselspannung angelegt
werden und die Abstandsänderung
des ersten Kondensatorbelags 4 zu dem zweiten Kondensatorbelag 6 durch
Veränderung
der gemessenen Impedanz festgestellt werden.
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Als Material für den zweiten Kondensatorbelag
kann beispielweise eine metallisierte elastische Folie aus Kunststoff
verwendet werden oder jedes andere für einen derartigen Zweck geeignete
Material, das verformbar ist und dennoch leitend bleibt, und zwar
derart, daß sich
das leitende Material des zweiten Kondensatorbelages 6 mit
dem konisch zu einer Spitze verjüngenden
Tastelement 9 dehnt, ohne die elektrische Leitfähigkeit
in Bezug auf den Meßvorgang
störend
zu beeinträchtigen.
Um die durch das Meßobjekt,
wie beispielsweise durch die Reifenoberfläche eines schweren Kraftfahrzeugs
auf die Spitze des Tastelementes 9 ausgeübte Druckkraft
zu kompensieren, ist der Tastsensor 1 derart ausgeführt, daß eine Berührung des
ersten Kondensatorbelages 4 und des zweiten Kondensatorbelages 6 im
vorgesehenen Meßbereich
nicht stattfinden kann.
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Die senkrecht zu der ersten und zweiten
Trägerschicht 3 und 5 des
als Kondensator ausgebildeten Tastsensors 1 liegenden Isolatoren
in Form von Isolationsstegen 7 sind als Stützelemente
zur Aufnahme der auf den Tastsensor 1 vom Meßobjekt
jeweils ausgeübten
Druckkraft entsprechend stark ausgebildet, so daß diese Druckkräfte an dem
Tastsensor 1 keine Schäden
hervorrufen können.
Das Material der Isolatoren in Form von Isolationsstegen 7 ist dabei
derart ausgebildet, daß die
Isolationsstege 7 zwischen direkt nebeneinander angeordneten
Tastsensoren 1 eine elektrische Abschirmung für das jeweilige
elektrische Feld des als Kondensator ausgeführten Tastsensors darstellen.
Dies kann beispielsweise durch entsprechende Beimengungen in dem Material
der Isolationsstege erfolgen, wobei als Material Keramik oder andere
für einen
derartigen Zweck zur Isolation und zur Kraftabstützung geeignete Materialien
ausgewählt
werden. Die Isolationsstege 7 übertragen dabei die Druckkraft
des Meßobjektes,
also beispielsweise das Gewicht des Fahrzeugs über den Reifen auf die erste
Trägerschicht 3 des
als Kondensator ausgebildeten Tastsensors 1, deshalb ist
die erste Trägerschicht 3 durch
Auswahl des entsprechenden Materials auch als Einzelsensorträger für den Tastsensor 1 ausgebildet.
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Der Tastsensor 2 nach der 2 besteht aus einem aus
magnetischem Material bestehenden Taststift 10. Der Taststift 10 ist
in einer Öffnung 11 gelagert,
und zwar derart, daß er
senkrecht zu der Oberfläche
des Meßobjektes,
wie beispielsweise der Reifenabrollfläche verschieblich gelagert
ist. Die Öffnung 11 ist
in einem Einzelsensorhalter 13 ausgespart. Der Taststift 10 taucht
mit seinem von der Meßoberfläche des
Einzelsensorhalters 13 abgewandten Teil in eine in der
Verlängerung 12 der Öffnung 11 angeordnete
Spule ein. An die Spule 14 wird während der Messung eine Gleichspannung
gelegt, die ein Magnetfeld erzeugt, die den Taststift 10 je
nach Stromrichtung axial in die Spule hinein oder aus ihr heraus
bewegt. Durch die Bewegung des Taststiftes 10 in der Spule 14 verändert die
Spule je nach Position des Taststiftes 10 ihre Induktivität. Bei der
Messung wird der Taststift 10 entsprechend dem Tiefenmaß des Reifenprofils
entgegen der durch die anliegende Gleichspannung erzeugten Gegenkraft
ausgelenkt. Diese Auslenkung bewirkt wiederum eine Induktivitätsänderung
in der Spule, die durch eine ebenfalls anliegende Wechselspannung
gemessen wird. Die Induktivitätsänderung
wird anschließend
in der Meßwerterfassung
als proportionales Maß der Vertiefung
des Meßobjektes
beziehungsweise des Reifenprofils verarbeitet und ausgegeben.
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Wie bereits eingangs erwähnt, sind
der Tastsensor 1 in 1 und
der Tastsensor 2 in 2 extrem
vergrößert dargestellt,
in Wirklichkeit lassen sich sowohl der Tastsensor 1 wie
auch der Tastsensor 2, insbesondere aufgrund ihres einfachen
Aufbaus derart in ihren Dimensionen minimieren, daß sie z.B.
in einem Raster von etwa 2 mm Abstand zueinander angeordnet werden
können.
Deshalb kann auch eine vollständige
Belegung Punkt für
Punkt mit Tastsensoren 1 oder 2 eines als Meßfläche dienenden
Sensorfeldes erfolgen, wobei die Tastsensoren jeweils direkt nebeneinander
angeordnet zur Abtastung der Oberfläche des Meßobjektes zusammengefaßt sind.
Die zur Meßfläche des
Sensorfeldes zusammengefaßten Tastsensoren 1 oder 2 werden
mit ihren jeweiligen Einzelsensorhaltern 3 oder 13 als
Teil eines gemeinsamen Sensorträgers
ausgeführt.
Der gemeinsame Sensorträger
erstreckt sich dann in der Art einer Matte über die gesamte Meßfläche des
Sensorfeldes. Bei dem Tastsensor 1 mit der kapazitiven
Wegmessung ist noch eine weitere Vereinfachung der Herstellung möglich, in
dem man die zweite Tägerschicht 5 mit
dem zweiten Kondensatorbelag 6 und mit dem konisch geformten
Tastelement 9 eines jeden als Kondensator ausgeführten Tastsensors 1 jeweils
als Teil einer gemeinsamen zweiten Trägerschicht aller als Kondensatoren
ausgeführten
Tastsensoren in der Art einer Matte passend zu der Anzahl der Tastsensoren 1 auf
dem gemeinsamen Sensorträger
ausformt. Mit der vorstehend beschriebenen Meßfläche eines Sensorfeldes läßt sich
eine stichprobenhafte Messung der Tiefe von Profilen von Reifen
oder den Vertiefungen anderer Meßobjekte vermeiden und damit
eine schnelle Messung und Anzeige der Ergebnisse aufgrund der elektronischen
Meßwerterfassung
und Meßwertverarbeitung
ermöglichen.
Die Ermittlung der Tiefe der Profile oder der Vertiefungen an anderen
Meßobjekten
erfolgt automatisch ohne jede manuelle Mitwirkung von Bedienungspersonen.
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Der gemeinsame Sensorträger der
Meßfläche des
Sensorfeldes kann dabei in zylindrischer Form ausgeführt werden
und mittels einer Achse drehbar ausgebildet sein. Selbstverständlich kann der
gemeinsame Sensorträger
mit der Meßfläche des
Sensorfeldes auch eben in einer Fläche liegend ausgeführt werden.
Die Meßfläche für Reifen
sollte dabei mindestens die Breite und die Länge der Aufstandsfläche des
Reifenprofils umfassen. Derartige Meßflächen lassen sich in unterschiedlichem
Abstand zu mehreren Sensorfeldern parallel nebeneinander und/oder
parallel hintereinander anordnen. Bei achsparallelen Anordnungen
einer entsprechenden Anzahl von Meßfeldern lassen sich die Profile
von Reifen von mehreren Rädern
an einem Kraftfahrzeug zur selben Zeit erfassen. Die Meßfläche der
Sensorfelder kann in ihrer Länge
auch so gestaltet sein, daß sie
sich über
den gesamten Reifenumfang des zu messenden Reifenprofils erstreckt.
Im allgemeinen ist jedoch die Abnützung der Reifen gleichmäßig, so daß es genügt, die
Länge der
Aufstandsfläche über die
gesamte Breite zu messen. Bei dem Tastsensor 2 ist es möglich, neben
dem Messen mittels ausgefahrener Taststifte 10 infolge
einer entsprechend gepolten Gleichspannung an der Spule 14,
wobei die Messung durch Eindrücken
der Taststifte 10 erfolgt, eine weitere Messung vorzunehmen,
wobei die Taststifte 10 nicht ausgefahren sind, so daß der Reifen über die Meßfläche bei
nicht herausgefahrenen Taststiften gebracht wird, und erst bei der
Messung ein Ausfahren der Taststifte 10 aus der Spule 14 durch
entsprechende Polung des Gleichstromes auszuführen. Die Tastsensoren 1 oder 2 auf
dem Sensorfeld können
in einem quadratisch oder dreieckig ausgeführten Abtastraster oder auch
in anderen geometrischen Mustern angeordnet sein. Die Tastsensoren 1 oder 2 der Meßfläche eines
Sensorfeldes werden mit einer Steuerung jeweils einzeln angesteuert
und abgefragt.
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Bei der Ausführung des gemeinsamen Sensorträgers für die Tastsensoren 1 oder 2 in
Form eines drehbaren Zylinders können
die Profiltiefen von Reifen wie bei einem Bremsenmeßstand bei
drehendem Reifen abgetastet werden. Bei der Ausführung eines ebenen gemeinsamen
Sensorträgers
in einer ebenen Fläche
kann sowohl bei stillstehendem Reifen die Profiltiefe ermittelt
werden, jedoch aber auch, wenn das Fahrzeug einfach über die
Meßfläche der Sensorfelder
fährt.
Bei der Messung in fließendem Verkehr
entscheidet aufgrund einer entsprechenden Programmierung der Rechnereinheit
die Meßwertverarbeitung
selbständig,
wann die Messung beginnt und endet. Die Profiltiefe von Reifen läßt sich
nicht nur bei auf Rädern
und am Fahrzeug montierten Reifen messen, sondern auch, wenn diese
per Hand über
das Meßfeld
geführt
werden.
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Der Meßwertverarbeitung ist eine
Anzeigeeinheit mit einer Ziffernsegmentanzeige und/oder einer Gut-/Schlecht-Skala
mit Farbumschlag und/oder eine akustische Anzeige nachgeschaltet.
Die Intensität
und Dauer der Anzeige müssen
so beschaffen sein, daß sie
mindestens den Fahrzeuglenker des gemessenen Fahrzeugs oder das
Prüfpersonal
einer dafür
vorgesehenen Prüfstation
erreicht. Eine Anzeigefläche 15 gemäß 3 kann gesondert auf einem Stativ
der Anlage beigeordnet werden. Dieses Anzeigefeld kann frei montiert
werden. Auf der Anzeigefläche
sind die Anzeigeelemente untergebracht, beispielsweise eine dreistellige
Siebensegmentanzeige, ein von der Meßwertverarbeitung ermittelter
ziffernmäßiger Wert
für das
Tiefenmaß der
Reifenprofile mit Kommastellen und eine Skala mit einem Farbumschlag
für eine
qualitative Bewertung der Reifenprofiltiefen. Die Anzeigefläche ist
mit der Anzeigeeinheit mit einem Kabel verbunden, die neben den
Signalen auch die Stromversorgung übernimmt.
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Aus 4 ist
der Ablauf einer Meßsequenz mit
der Vorrichtung gemäß Erfindung
dargestellt. Eine Meßsequenz
kann beispielsweise aus vier Phasen bestehen, wie sie aus der 4 entnehmbar sind. In der
Phase 1 wird die Vorrichtung in Meßbereitschaft versetzt. In
der Phase 2 wird die Messung durchgeführt. Während der Messung wird die
Reifenlauffläche über das
Sensorfeld abgerollt. Dabei werden die ermittelten Meßwerte der
Meßfläche des Sensorfeldes
kontinuierlich der Meßwertverarbeitung 16 zugeführt. In
Phase 3 wird das gemessene Reifenprofil durch die Meßwertverarbeitung
aufbereitet und anschließend
der Anzeigeneinheit zugeführt.
In Phase 4 verläßt der Reifen
die Vorrichtung und die Sensorelemente nehmen wieder die Grundstellung ein.
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Die Meßwertverarbeitung besteht aus
einer Steuerung und einer Rechnereinheit. Die Steuerung überträgt die Signale
der in der Meßfläche des
Sensorfeldes vorhandenen Tastsensoren 1 oder 2 zur Auswertung
an die Rechnerein heit. Die Steuerung überträgt die von der Rechnereinheit
ermittelten Reifenprofiltiefen und gegebenenfalls weitere Informationen
zur Anzeigeeinheit. Die notwendige Umwandlung der Signale vom Sensorfeld
zur Rechnereinheit sowie die Umwandlung der Signale von der Recheneinheit
zu der Anzeige findet ebenfalls in der Steuerung statt. In der Recheneinheit
werden die ermittelten Signale ausgewertet und beispielsweise als
Reifenprofiltiefen interpretiert. Verfahren und Logik zur Auswertung
der Signale sind in den Komponenten der Rechnereinheit hinterlegt.
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- 1
- Tastsensor
(kapazitiv)
- 2
- Tastsensor
(induktiv)
- 3
- erste
Trägerschicht
- 4
- erster
Kondensatorbelag
- 5
- zweite
Trägerschicht
- 6
- zweiter
Kondensatorbelag
- 7
- Isolationsstege
- 8
- Hohlraum
- 9
- sich
konisch zu einer Spitze verjüngendes Tastelement
- 10
- Taststift
- 11
- Öffnung
- 12
- Verlängerung
der Öffnung
- 13
- Einzelsensorhalter
- 14
- Spule
- 15
- Anzeigefläche
- 16
- Meßwertverarbeitung