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Verfahren und Vorrichtung zur digitalen Messung analoger Größen Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur digitalen Messung einer
analogen Größe, bei welchem ein optischer Kodeträger in Form einer Scheibe, eines
Stabes oder dergleichen verwendet wird, dessen Lage relativ zur Indexlinie einer
elektrooptischen Lesevorrichtung die analoge Größe darstellt, und welcher Kodeträger
ein Muster von transparenten und undurchlässigen Blöcken in einer solchen Anordnung
aufweist, daß der Träger in eine endliche Anzahl von Lesesektoren zerlegt wird,
von welchen jeder einen anderen digitalen Wert darstellt durch eine für den betreffenden
Sektor charakteristische Folge von Blöcken aufweist.
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Solche Messungen sind z.B. auf dem Gebiet der automatischen digitalen
Aufzeichnung mit geodätischen Instrumenten für Winkel- und Längenmessungen nötig.
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Wenn hohe Anforderungen an die Genauigkeit der Messung gestellt werden,
ist es klar, daß eine große Anzahl von Lesesektoren auf dem Kodeträger vorgesehen
werden müssen. Um jedem Lesesektor sein ihm eigenes spezifisches Muster von undurchlässigen
und transparenten Blöcken zuzuordnen, muß die Anzahl von Blöcken Je Sektor entsprechend
vergrößert werden.
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Aus praktischen Gründen müssen andererseits die maximalen Abmessungen
der Kodeträger begrenzt werden, und dies bedeutet, daß die Lesesektoren sehr klein
gemacht werden müssen, so daß bei der Herstellung der Kodeträger sehr sorgfältig
gearbeitet werden muß. Es ist daher klar, daß ein solcher Kodeträger sehr teuer
ist. Die Feinheit der Lesesektoren stellt weiterhohe Anforderungen an die Aurlösefahigkeit
und die Genauigkeit der Einstellung der elektrooptischen Lesevorrichtung, welche
Anforderungen oft nicht zu erfüllen sind.
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Für die Messung z.B. eines Winkels von zwischen 0 und 400 gr mit
einer Genauigkeit innerhalb eines Zentrigrads sollten mindestens 40 000 Lesesektoren
auf der horizontalen Skala des Instruments zur Verfügung stehen. Wenn als Kodeträger
eine Scheibe verwendet wird, wie es für diesen Zweck naheliegend ist, und wenn ein
Binärkode angewandt wird, sollte die Scheibe sechzehn konzentrische Ringspuren aus
schwarzen und weißen Blöcken aufweisen, um Jedem Lesesektor seinen eigenen spezifischen
Kode zuordnen zu können. (215< 4o 000<216). Die Anzahl der Lesesektoren wird
dann 216= 65 536 sein. Sollte die Scheibe einen Radius von 7 cm und Jede Spur eine
Breite von 3 mm im Hinblick auf die geometrischen Abmessungen der fotoelektrischen
Zellen in der Lesevorrichtung haben, dann läßt sich errechnen, daß der Radius der
innersten Spur kleiner
als 2 cm ist. In diesem Falle entspricht
der Genauigkeit von einem Zentrigrad, mit welcher auch diese innere Spur abgelesen
werden soll, einer Lunge von 3 pm.
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Ziel der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur
Durch£Whrung sehr genauer Messungen zu schaffen, ohne entsprechend hohe Anforderungen
an den Kodeträger und die Lesevorrichtung stellen zu müssen.
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Dieses Ziel wird durch ein erfindungsgemäßes Verfahren dadurch erreicht,
daß die Lesevorrichtung nach dem Einstellen des Kodeträgers entsprechend der zu
messendenGröße relativ zum Kodeträger verschoben wird, bis die Indexlinie der Lesevorrichtung
in der Mitte über einem Lesesektor steht, und daß diese Verschiebung mit konstantem
Vergrößerungsverhältnis auf einen zweiten Kodeträger übertragen wird, welcher dem
ersten Kodeträger ähnlich ist und dessen Lage ebenfalls mit Hilfe einer zweiten
elektrooptischen Lesevorrichtung digital gelesen wird.
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Eine erfindungsgemäße Vorrichtung besteht darin, daß sie eine Hilfslesevorrichtung
aufweist, welche fest mit der elektrooptischen Lesevorrichtung des ersten Kodeträgers
verbunden ist und mit einer getrennten Spur von Marken auf dem ersten Kodeträger,
welche einen geseitigen Abstand gleich der Breite der Lesesektoren auf dem ersten
Kodeträger aufweisen, zusammenwirkt; wobei die Anordnung derart ist, daß, wenn die
Hilfslesevorrichtung auf eine Marke der getrennten Spur eingestellt wird, die Indexlinie
der elektrooptischen Lesevorrichtung des ersten Kodeträgers sich in der Mitte über
einem Lesesektor befindet.
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Eine einfache Ausführungsform der Erfindung besteht darin, daß die
Hilfslesevorrichtung ein Mikroskop enthält, und die getrennte Spur aus Linien besteht,
welche einen gegenseitigen Abstand gleich der Breite eines Lesesektors aufweisen.
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Die Erfindung schlägt eine neue Anwendung eines in der Meßtechnik
analoger Größen an sich bekannten Prinzips vor, d.h.
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die Interpolation zwischen den Teilungslinien einer Ableseskala mit
verhältnismäßig breiten Intervallen mit Hilfe eines genaueren zweiten Instruments,
z.B. eines Mikrometers, welches einen sehr engen Meßbereich hat. Während Jedoch
normalerweise die Indexlinie in Ubereinstimmung mit einer Teilungslinie der Ableseskala
gebracht wird, wird die Indexlinie der digitalen Lesevorrichtung nach der Erfindung
in eine Lage in der Mitte über dem Lesesektor gebracht. Dies hat den Vorteil, daß
die Indexlinie während der Ablesung soweit wie möglich von einem Schwarzweißübergang
entfernt ist, welcher auf beiden Seiten des entsprechenden Lesesektors auftreten
kann. Selbst wenn der erste Kodeträger oder dessen Lesevorrichtung keinen sehr hohen
Ansprüchen genügen, wird doch eine richtige Ablesung aller Spuren auf diese Weise
sichergestellt.
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In der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden hohe Ansprüche lediglich
an die getrennte Spur mit Marken auf dem ersten Kodeträger gestellt. Die Kodespuren
auf der zweiten Scheibe müssen andererseits infolge der VerstSrkung, mit welchem
die Verschiebung der Lesevorrichtung des Hauptkodeträgers auf den zweiten Träger
übertragen wird, keinen solch hohen Anforderungen genügen, wie es der Fall sein
würde, wenn sie als zusätzliche Spuren auf dem Hauptkodeträger vorgesehen wären.
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Die Erfindung soll im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung
näher beschrieben werden. Es zeigen: Fig. 1 eine erste Kodescheibe für eine digital
anzeigende Meßvorrichtung, Fig. 2 eine zweite Kodescheibe für dieselbe Vorrichtung,
Fig. 3 eine vergrößerte Einzelheit der Scheibe nach Fig. 1, und Fig. 4 eine perspektivische
Vorderansicht der Kodescheiben in Kombination mit den entsprechenden Lesevorrichtungen.
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In Fig. 1 ist das Schwarzweißmuster der einen Kodescheibe 1 der Einfachheit
halber in negativer Form gezeigt. Bei der tatsächlichen Scheibe bilden die schwarz
gezeigten Blöcke transparente Bereiche in einem schwarzen Feld. Die zehn konzentrischen
Kodespuren, von welchen die hinterste mit 2 und die äußerste mit 3 bezeichnet ist,
haben einen nach außen zunehmenden Grad von Feinheit. Die Scheibe hat 210 = 1024
radiale Leseabschnitte oder -sektoren, von welchen Jeder einen anderen digitalen
Wert darstellt. So überdeckt J-eder Lesesektor grob 0,4 gr. Der verwendete Kode
ist der sog.
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reflektierte Binärkode (Gray-Kode), welcher den Vorteil hat, daß bei
Jedem Übergang von einem Lesesektor zum nächsten nur in einer der Spuren ein -Übergang
von schwarz auf weiß oder umgekehrt auftritt. Die Einzelheiten des Binärkodes sind
im übrigen nicht wichtig für die Erfindung und sollen daher hier nicht besprochen
werden.
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Um die -äußere Kodespur 3 ist eine getrennte Spur 4 mit Linien angeordnet,
von welcher ein kleiner Teil in Fig. 3 in
vergrößertem Maßstab gezeigt
ist. Die Linien 5 dieser Spur sind an den Grenzen der Lesesektoren 6 der Kodescheibe
1 so genau wie möglich äquidistant angeordnet.
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Teile der Lese sektoren der ersten Scheibe werden digital mit Hilfe
einer zweiten Kodescheibe 7 gemessen, welche in Fig. 2 ebenfalls in negativer Form
gezeigt ist. Die Scheibe 7 weist sechs konzentrische Spuren auf, von welchen die
innerste Spur mit 8 und die äußerste Spur mit 9 bezeichnet ist. Die Scheibe 7 hat
26 = 64 Lesesektoren. Diese verhältnismäßig kleine Zahl von Lesesektoren kann leicht
auf einem Sektor von 50 gr untergebracht werden, so daß jeder Lesesektor grob o,8
gr überdeckt.
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Das erfindungsgemäße Leseverfahren soll nun in bezug auf Fig. 4 beschrieben
werden. Die erste oder Hiuptkodescheibe 1 ist fest mit der senkrechten Welle 10
einer nicht gezeigten Winkelmesseinrichtung verbunden. Diese Scheibe folgt so der
Einstellbewegung des Instruments.Die Hilfskodescheibe 7 ist in einem Rahmen befestigt,
welcher um die gleiche vertikale Welle 10 drehbar ist. Eine elektrooptische Lesevorrichtung
11 besteht aus einem Lampengehäuse 12, welches zur Beleuchtung der zu lesenden Teile
der Scheiben zwischen beiden Kodescheiben angeordnet ist, und aus zwei Leseköpfen
13 und 14, welche mit den Scheiben 1 bzw. 7 zusammenwirken. Der Lesekopf 13, dessen
Seitenwand teilweise weggebrochen ist, weist eine Maske 15 mit Je einem sehr schmalen
Leseschlitz 16 für ede Spur auf.
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Hinter Jedem Schlitz 16 ist eine Fotozelle 17 vorgesehen.
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Die Schlitze 16 bilden zusammen die Indexlinie des Lesekopfes der
Hauptscheibe 1. Der Lesekopf 14 hat ähnliche nicht gezeigte Einrichtungen zum Lesen
der Hilfsscheibe 7q Die Lesevorrichtung 11 wird von einem Arm 18 getragen, welcher
mit Hilfe eines Ringes 19 um die Welle 10 drehbar ist. Eine optische Lesevorrichtung
21 mit einem Mikroskop 22 ist an dem gleichen Ring 19 mit Hilfe eines Armes 20 befestigt
Die Spur
4 mit den Linien auf der Hauptscheibe, welche von unten
durch eine Lichtquelle beleuchtet wird, bewegt sich im Sichtfeld 24 des Mikroskops
(siehe Fig. 3). Im gleichen Sichtfeld erscheint auch eine Einstellmarke, wie ein
Fadenkreuz 25, welches in der Brennebene des MikroskopobJektivs befestigt ist.
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Die gesamte Lesevorrichtung, einschließlich der Hilfslesevorrichtung
21, kann mit Hilfe einer Schraube 26, welche drehbar in Stützen 27 und 28 gelagert
ist, um einen kleinen Winkel relativ zur Scheibe 1 gedreht werden. Im Betrieb bewegt
diese Schraube eine Schrauben-mutter 33, welche mit dem Arm 20 fest verbunden ist.
Der Lesekopf 13 und die Hilfslesevorrichtung 21 sind so eingestellt; daß der Winkel
zwischen den Leseslitzen 16, d.h. der Indexlinie des ersten Kopfes und der Einstellmarke
oder dem Fadenkreuz 25 des zweiten Kopfes 14 genau (n + 2) Lesesektoren ist, wobei
n eine ganze Zahl ist. Wenn 2 nach der Einstellung der Welle 10 di Hilf die Hilfslesevorrichtung
21 mit Hilfe der Schraube 26 in Übereinstimmung mit der nächsten Linie 5 der Spur
4 gebracht wird, wird sich die Indexlinie des Lesekopfes 13 sich genau in der Mitte
über dem entsprechenden Lese sektor und soweit wie möglich vom nächsten schwarzweiß
uebergang befinden. Hierdurch wird eine Unsicherheit beim elektrooptischen Lesen
vermieden.
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Die Drehung der Einstellschraube 26 wird über Kegelräder 29, eine
Welle 30 und ein Zahnrad 31, welches in Eingriff mit dem gezahnten Rand 32 eines
Rahmens 23 steht, auch auf die Hilfskodescheibe 7 übertragen. Die Ubersetzung dabei
ist so, daß eine Drehung der Hilfsscheibe durch den. gesamten Meßbereich (64 Lesesektoren)
entspricht. Auf diese Weise wird der Teil des Meßwertes, welcher auf der Hauptscheibe
1 nicht digital gelesen werden kann, in einem vergrößerten Maßstab auf die Hilfsscheibe
7
übertragen, wo er mit Hilfe des Lesekopfes 14 geleisen werden kann. So wird die
kleinste von der Vorrichtung zu lesende Einheit auf 1/1024 . 1/64 = 1/65536 Teil
eines Kreises reduziert.
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Es versteht sich, daß die Einstellung des Lesekopfes der Hauptscheibe
auch durch andere Einrichtungen erfolgen kann.
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Im einzelnen ist es möglich, an Stelle der Spur 4 mit Linien eine
Einstellspur mit abwechselnd durchlässigen und transparenten Blöcken zu verwenden,
wobei jeder Block eine Breite hat, die gleich der halben Breite eines Lesesektors
ist. Dies bedeutet, daß das Blockmuster die gleiche Periodizität wie die Lesesektoren
hat. Ein Bild dieser Spur kann auf eine feste Platte mit ähnlichem Blockmuster so
pro3iziert werden, daß die Einstellung der Indexlinie des Lesekopfes 13 dann richtig
ist, wenn die schwarzen Blöcke des Bildes genau die weißen Blöcke der Platte überdecken.
In diesem Fall wird eine hinten angeordnete Fotozelle kein Licht erhalten, und dies
kann durch ein sichtbares oder hörbares Signal angezeigt werden, Das gesamte Lesen
kann dadurch automatisiert werden, daß der Einstellvorgang durch einen von der Fotozelle
gesteuerten Elektromotor erfolgt. Weiter ist die Möglichkeit zu erwähnen, ein Bild
von zwei diametral gegenüberliegenden Teilen einer solchen Spur von Blöcken mit
Hilfe von zwei Objektiven in der gleichen Ebene so abzubilden, daß die schwarzen
Blöcke des einen Bildes die weißen Blöcke des anderen Bildes überdecken, sobald
die richtige Einstellung erreicht ist. Auf diese Weise wrden mögliche Fehler in
der Zentrierung der Haupt scheibe weitgehend kompensiert.
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Ein solches elektrooptisches Lesen einer Hilfslesevorrichtung mit
Hilfe einer Spur von Blöcken hat allgemein den Vorteil, daß eine Integration abhängig
vom Sichtfeld der Hilfslesevorrichtung
über einen größeren Teil
der Spur erfolgen kann> so daß diese Spur weniger genau sein kann.
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Zusammengefaßt beinhaltet die Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung
zur digitalen Messung analoger Größen, bei welchen nach dem Einstellen einer ersten
optischen Kodescheibe entsprechend der zu messenden Größe deren Lesevorrichtung
in einem solchenAusmaß verschoben wird, daß ihre Indexlinie in der Mitte eines Lese
sektors der ersten Kodescheibe steht, um hierdurch Fehllesungen infolge von Ungenauigkeiten
der Scheibe zu vermeiden. Die Verschiebung der Lesevorrichtung wird in vergrößertem
Verhältnis auf eine zweite Kodescheibe übertragen, um eine Interpolation zwischen
den Ablesungen auf der ersten Kodescheibe zu ermöglichen.