DE2120451A1

DE2120451A1 - Verfahren zum Messen des Abstandes zwischen einer Meßstelle und einer Bezugs flache eines Meßobjekts sowie Meßgerat zum Durchfuhren des Verfahrens

Info

Publication number: DE2120451A1
Application number: DE19712120451
Authority: DE
Inventors: Lee Fitzpatrick Rochester NY Frank (V St A ) B05c 1 08
Original assignee: Eastman Kodak Co
Current assignee: Eastman Kodak Co
Priority date: 1970-04-24
Filing date: 1971-04-26
Publication date: 1971-12-02
Also published as: GB1350685A; FR2090535A5; US3694800A; DE2120451B2; CA930462A

Description

PATENTANWÄLTE ΠΡ IMß WniPF H RAPTFI <ϊ UK.-I INI*. WULf t-, M. bAKtfcLb, DR. BRANDES, DR.-ING. HELD

STUTTGART !....23.4 ..19 71.

IANGE STRASSE 51 TELEFON, (0711) 296310 und 297295

telex, 0722312

Unser Zeichen: 123 019/480633 kdk

Eastman Kodak Company, Rochester, Staat New York, Vereinigte Staaten von Amerika

Verfahren zum Messen des Abstandes zwischen einer Meß stelle und einer Bezugsfläche eines Meßobjekts sowie Meßgerät zum Durchführen des Verfahrens

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Messen des Abstandes zwischen einer Meßstelle eines Meßgeräts und einer Bezugsfläche eines Meßobjekts, wobei eine Schallwelle gegen die Bezugsfläche hin ausgesandt und die von dieser gegen das Gerät zurückreflektierte Schallwelle empfangen werden und wobei eine für die Länge des Laufwegs der Schallwelle zwischen der Meßstelle des Geräts und der Bezugsfläche bezeichnende ünterschiedlichkeit der empfangenen, reflektierten Schallwelle gegenüber der diese verursachenden Schallwelle bestimmt wird. Außerdem betrifft die Erfindung ein Meßgerät zum Durchführen des Verfahrens.

Verfahren der oben genannten Art, die eine zerstörungsfreie Abstandsmessung ermöglichen und bei denen keine mechanische Berührung zwischen Meßgerät und Bezugsfläche beim Meßvorgang erforderlich ist, sind bereits bekannt. Sie finden bevorzugt Anwendung auf Gebieten, bei denen empfindliche Meßobjekte vorliegen, wie dies beispielsweise bei lichtempfindlichen Materialien oder dergl. der Fall ist, die durch eine Berührung mit dem Meßgerät beim Meßvorgang beschädigt v/erden könnten.

Als für die Länge des Laufwegs der Schallwelle zwischen der Meßstelle des Geräts und der Bezugsfläche bezeichnende Unterschiedlichkeit der empfangenen / reflektierten Schallwelle gegenüber der verursachenden Schallwelle wird bei den bekannten Verfahren entweder der Laufzeitunterschied bestimmt, oder es wird eine Frequenzänderung zwischen ausgesandter und reflektierter frequenzmodulierter Schallwelle bestimmt,oder es wird ein Vergleich der Phasenlage zwischen ausgesandter oder verursachender Schallwelle und reflektierter Schallwelle

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durchgeführt.

Bei den bekannten Verfahren tritt der Nachteil auf, daß sich hohe Meßgenauigkeit nur mit sehr großem Aufwand erreichen läßt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der genannten Art zu schaffen, daß es ermöglicht, bei kleinstem Aufwand eine besonders hohe Meßgenauigkeit zu erzielen.

Ausgehend von einem Verfahren der eingangs genannten Art ist diese Aufgabe beim Verfahren gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die reflektierte Schallwelle mit der diese verursachenden Schallwelle akustisch gemischt wird, so daß durch die akustische Interferenz derselben eine resultierende Schallwelle erzeugt wird, und daß zur Bestimmung der die Länge des Laufwegs bezeichnenden Unterschiedlichkeit zwischen reflektierter und verursachender Schallwelle die erzeugte resultierende Schallwelle ausgewertet wird.Durch die direkte akustische Überlagerung läßt sich auf einfachste Weise ein Signal erzeugen, dessen Eigenschaften mit äußerster Genauigkeit den Laufwegunterschied, der für den zu messenden Abstand bestimmend ist, kennzeichnet. Das vom Schallempfänger, der von der resultierenden Schallwelle beaufschlagt wird, erzeugte resultierende Signal wird verstärkt und elektronisch ausgewertet. Da sich der Laufwegunterschied sowohl in einer entsprechenden Amplitudenänderung als auch einer Phasenänderung der Schallwelle niederschlägt, die nach Interferenz

als resultierende Schallwelle entsteht, kann bei der Signal^uswertung entweder eine Amplitudenbestimmung oder eine Phasenbestimmung, d.h. ein Vergleich der Phasenlage der resultierenden Schallwelle mit der Phasenlage der verursachenden Schallwelle^vorgenommen werden.

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Der Erfindung liegt auch' die Aufgabe zugrunde, ein eiinf ach aufgebautes Meßgerät für die betriebssichere Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zu schaffen.

Bei einem Meßgerät mit einem einen Schallsender aufweisenden Gehäuse, einer Einrichtung zum Abstrahlen der vom Sender erzeugten Schallwelle gegen die Bezugsfläche des Meßobjekts hin und mit einem im Gehäuse vorgesehenen Schallempfänger. ist diese Aufgabe erfindungsgemäße durch eine akustische Verbindung zwischen dem Schallsender und dem Schallempfänger gelöst, über die ein mit der zum Empfänger gelangenden reflektierten Schallwelle interferierender Teil der vom Sender

erzeugten Schallwelle unmittelbar von diesem zum Empfänger gelangt.

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Pie Erfindung wird im folgenden anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen im einzelnen erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 einen schematisch vereinfacht dargestellten Schnitt durch ein Ausführungsbeispiel eines er fin dungs gemäßen ^G.e*

Pig, 2 eine schematisierte Darstellung mit einem Blockschaltbild der elektrischen Schaltung eines Ausführungsbeispiels für eine .Meßwertanzeige aufgrund einer Amplitudenbestimmung;

Fig. 3 eine Eichkurve für das Ausführungsbeispiel gemäß Fig.2;

Fig. 4 bis 6 der Fig. 2 entsprechende Ansichten weiterer Ausführungsbeispiele und

Fig. 7 eine schematisch vereinfacht, abgebrochen und geschnitten dargestellte Ansicht der Meßspitze eines weiteren Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Meßgeräts.

Ein in Fig. 1 dargestelltes, als Ganzes mit 10 bezeichnetes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Meßgeräts weist einen Schallsender 12 , einen Schallempfänger 14 und ein Gehäuse 16 auf, innerhalb dessen ein Senderkanal 18 für ausgesandte Schallwellen, ein Meßkanal 20 und ein Empfängerkanal 22 für die vom Empfänger zu empfangenden Schallwellen ausgebildet sind. Der Schallsender 12 ist über elektrische Leitungen 24 mit einem geeigneten Schallfrequenzoszillator 26 verbunden. Der Empfänger 14 ist über elektrische Leitungen 28 mit einem geeigneten Detektor 30 verbunden, welcher wiederum

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mit ej,nem geeigneten, den gemessenen Abstand angebenden Anzeigeinstrument 32 verbunden ist. Eine Meßspitze 34 endet in einer Meßöffnung 35 und weist einen inneren Kanal 36 auf, der koaxial zu dem Meßkanal 20 des Gehäuses 16 verläuft. Der Abstand zwischen einer Einmündung 21 und der Meßöffnung 35 richtet sich nach der Wellenlänge X der Schallwellen, die bei dem Meßgerät verwendet werden. Der erwähnte Abstand ist ein ungerades Vielfachem von λ/4, beträgt also λ,/4, 3 X/4 oder 5 Tt /4 usw.

Ein Meßobjekt 37 mit der Meßöffnung 35 zugekehrter Bezugsfläche 39 ist so engeordnet, daß Veränderungen in der Schallwelle des Senders 12,die eintreten, nachdem die Welle die hydraulische Impedanz des Spalts zwischen der Bezugsfläche 39 und der Heßöffnung 35 überwunden" haty reflektiert werden.

Im Betrieb betreibt der Oszillator 26 den Sender 12 so, daß im Senderkanal 18 eine kontinuierliche Schallwelle erzeugt wird. Bei Erreichen der Einmündung 21, wo der Senderkanal 18, der Meßkanal 20 und der Empfängerkanal 22 ineinander einmünden , teilt sich die Schallwelle, wobei ein Teil derselben durch den Empfängerkanal 22 unmittelbar zum Empfänger 14 gelangt. Der andere Teil der Schallwelle wird durch den Meßkanal 20 und den Kanal 36 hindurch der Mößöffnung 35 am Ende der Meßspitze 34 zugeführt.

Die hydraulische Impedanz, die durch den Spalt zwischen der Meßöffnung 35 und der Bezugsfläche 39 hervorgerufen wird , erzeugt eine Veränderung der Schallwelle in dem Meßkanal 20 die unabhängig von den atmosphärischen Bedingungen ist und über einen nutzbaren Bereich von Abständen zwischen der Meßöffnung 35 und der Bezugsfläche 39 linear veränderlich ist.

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Die vorstehend genannte Veränderung läßt sich am besten dadurch feststellen und bestimmten, indem man durch Interferenz mit einem Teil der ursprünglichen, vom Sender erzeugten Schallwelle eine resultierende Schallwelle erzeugt. Die unterschiedlichen Amplituden oder Phasen der beiden Wellen überlagern sich in diesem Fall zu einer resultierenden Welle.

Die Amplitude und Phase der resultierenden Welle stehen in Beziehung zu dem Abstand zwischen der Meßöffnung 35 und der Bezugsfläche 39 des Meßobjekts 37. Wenn beispielsweise der Fall angenommen wird, daß die Meßöffnung 35 sich in Berührung mit der Bezugsfläche 39 befindet, dann ist die zurückgeworfene Welle um eine halbe Wellenlänge außer Phase mit der ursprünglichen Welle, wenn beide Wellen im Empfängerkanal 22 miteinander interferieren ,weil die eine Welle eine zusätzliche Wegstrecke von einer Viertelwellenlänge nach außen hin und eine weitere zusätzliche Wegstrecke von einer Viertelwellenlänge durch die Kanäle 36 und 20 hindurch wieder zurück durchläuft. Hierbei wird im Empfänger 14 ein Signal geringster Amplitude erzeugt. Außerdem ist die Phase der resultierenden Welle abhängig von den relativen Phasen der Ausgangswelle und der zurückgeworfenen Welle, die bei dem betrachteten Beispiel um 180° gegenseitig phasenverschoben sind, so daß die resultierende Welle eine andere Phasenlage hat als die ursprüngliche Welle. Demgemäß kann entweder die Amplitude oder die Phase der resultierenden Welle bestimmt und mit dem Abstand zum·, Meßobjekt in Beziehung gebracht werden. Die Amplitude wird größer, wenn der Abstand zwischen Meßöffnung und Meßobjekt zunimmc, da das Signalminimum erhalten wird, wenn die zurückgeworfene Welle um eine halbe Wellenlänge außer Phase mit der ursprünglichen Welle ist, was der Fall ist, wenn die Meßöffnung bei dem vorliegend betrachteten Beispiel das objekt berührt.

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Eine Vielzahl elektrischer Schaltungen kann für den Betrieb des Schallsenders 12 oder zum Analysieren des im Empfänger 14 erzeugten Signals beim Betrieb des erfindungsgemäßen Geräts Verwendung finden. Die in den Fig. 2 und 4 bis 6 angedeuteten Schaltungen stellen nur einige Beispiele zur Erläuterung der Anwendung und des Betriebs des erfindungsgemäßen Geräts dar.

Fig. 2 zeigt eine elektrische Schaltung, bei der eine Amplitudenbestimmung erfolgt. Der Oszillator 26 ist mit dem Eingang des Schallsenders 12 gekoppelt. Die vom Sender 12 erzeugte Schallwelle schreitet im Senderkanal 18 fort, durchläuft den Kanal 20 und die Meßspitze 34 land wird zum Empfängerkanal 20 zurückreflektiert. Das nach Interferenz zwischen der ursprünglichen Welle und der zurückreflektierten Welle vom Empfänger 14 erzeugte, der resultierenden Welle entsprechende Signal/ wird durch einen Verstärker 38 verstärkt und über eine Diode 40 einer als Ganzes mit 42 bezeichneten Filterschaltung zugeführt» Am Ausgang der Filterschaltimg 42 ergibt sich eine Gleichspannung, die praktisch frei ist von der usprünglichen Trägerfrequenz des Oszillators 26. Diese Gleichspannung wird durch einen Verstärker 44 verstärkt, dem eine beliebig einstellbare Vorspannung von eiaem verstellbaren Widerstand 46 her zugeführt wird _e so daß eine beliebige Nulle in stellung vorgenommen werden kann. Die verstärkte Spannung wird dann in einer üblichen Anzeigeeinrichtung aufgezeigt, beim Ausführungsbeispiel durch ein Voltmeter 48»

Längeneinheiten in Fig. 3 entsprechen 25,4mm) Fig. 3 zeigt eine Eichkurve/für das in Fig. 2 veranschaulichte Meßgerät» Hierbei wurde ein ein Signal mit 2 200 Hertz erzeugender Oszillator 26 verwendet. Die Verstärkung der Verstärker und 44 war so eingestellt, daß pro 0,025 ram Objektabstand jeweils eine Aus gangs sign a lande rung von 1 Volt erhalten wurde, wobei ein Signalmindestwert gegeben war, wenn die Meßöffnung

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sich in Anlage an der Bezugsfläche 39 befand. Das Meßgerät gibt im wesentlichen eine Nullanzeige bei Abständen bis zu ungefähr 0,012 mm. Bei über diesen Abstand hinausgehenden Abständen ergibt sich ein sehr schön linearer Verlauf des Signalspannungsanstiegs bis zu einem Meßobjektabstand von ungefähr 0,1 mm.

Bei dem in Fig. 4 gezeigten Ausführungsbeispiel wird die Phasenlage der resultierenden Welle bestimmt, um den Abstand zwischen Meßobjekrt und Meßöffnung zu ermitteln. Es wird der selbe Oszillator 26 verwendet, wie bei dem mit Amplitudenbestimmung arbeitenden Ausführungsbeispiel. Mit dem Ausgangssignal des Oszillators ( 26 wird nicht nur der Sender 12 betrieben, sondern der Oszillator 26 ist auch mit einem Phasenkomparator 50 gekoppelt. Das Ausgangssignal des Schallempfängers 14 , das durch die resultie-' · rende Welle erzeugt ist,, wird in einem Verstärker 52 verstärkt und dann dem Phasenkomparator 50 zugeführt. Das Ausgangssignal des Phasenkomparator 50 wird dann durch eine Filterschaltung 54 geführt, um die Trägerfrequenz zu entfernen. Die erhaltene, praktisch von der ursprünglichen Trägerfrequenz freie Spannung wird dann einer Anzeigeeinrichtung, beim Ausführungsbeispiel einem Voltmeter 60,zugeführt. Die Phasenbestimmung ist unabhängig von der Amplitude des Oszillators 26 , so daß es für die Abstandmessung nicht erforderlich ist, ein-^szillator mit äußerst i genau stabil gehaltener Amplitude zu benutzen. Das am Voltmeter 60 angezeigte Signal wird in Längeneinheiten des Abstandes zwischen Meßobjekt und Meßöffnung 35 geeicht.

Der dem Oszillator 26 zugeordnete Schaltungsteil kann gegenüber den Ausführungsbeispielen gemäß Fig.2 und 4 abgeändert werden, wie dies in Fig. 5 gezeigt ist, indem eine Verstärkerstufe 70 hinzugefügt wird. Dadurch wird ein verstärktes Eingangssignal für die Zufuhr zum Sender 12 erhalten, wodurch sich erhöhte Stabilität der Amplitude der Betriebsspannung und eine Verringerung des Energieanteils ergeben, der in unerwünschte harmonische umgesetzt wird. Es ergibt sich eine verbesserte Stabilität

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und Empfindlichkeit bei der Abstandsmessung.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel, wie es in Fig. 6 dargestellt ist, weist in dem dem Oszillator 26 zugehörigen Teil der Schaltung ebenfalls eine Verstärkerstufe auf, wie dies bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 5 der Fall ist. Beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 6 ist jedoch eine Flip-Flop-

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Schaltung/vorgesehen. Diese Flip-Flop-Schaltung 72 betreibt einen Leistungsverstärker 74 in der Weise, daß eine sehr stabile Rechteckspannung erzeugt wird, die für den Betrieb des Schallsenders 12 zur Verfügung steht. Dadurch wird eine in höchstem Maße stabile .akustische Welle erzeugt, wobei sich höchste Empfindlichkeit des Meßgeräts ergibt. Bei diesem Ausführungsbeispiel kann sowohl mit Amplitudenbestimmung als auch mit Phasenbestimmung der resultierenden Welle gearbeitet werden, indem man die in Fig. 2 bzw. Fig. 4 gezeigten entsprechenden Schaltungsteile hinzunimmt.

Fig. 7 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer auswechselbaren Meßspitze 80, die,wie dies bereits beschrieben wurde, in einer Meßöffnung 35 ausläuft. An dem der Meßöffnung 35 gegenüberliegenden Ende der Meßspitze 80 ist diese mit einem Schraubgewinde 82 versehen. Das Gehäuse 16 ist für die Verwendung einer solchen Meßspitze 80 so abgeändert, daß es einen Adapter 84 bildet, der ein Innengewinde 86aufweist, in das das Gewinde 82 einschraubbar ist. Ein im Innern der Meßspitze 80 vorgesehener Kanal 88 ist koaxial mit dem Meßkanal 20, wenn das Gewinde 82 in das Innengewinde 86 eingeschraubt ist. Der Kanal 88 wird durch eine Wandung 90 begrenzt, die am inneren Kanalende so gekrümmt verläuft, daß sich am übergang zwischen Gehäuse 16 und Meßspitze 80 eine kleinstmögliche akustische Impedanz ergibt. Die Meßspitze 80 kann aus "Tygon Brand" (Warenzeichen der Fa. US-Stoneware ),

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Kupferrohr, Invar oder anderen ähnlichen Werkstoffen gefertigt sein. Die Meßspitzen können in verschiedenen Größen, Formen und Längen ausgeführt sein oder können biegbar ausgebildet sein, so daß sie für verschiedenste Meßzwecke Verwendung finden können, beispielsweise in der optischen Industrie beim Montieren von Linsensystemen oder Projekterfilmbühnen_; oder beim Prüfen von Linsensystemen oder anderen Systemen. Bei Auswechselbarkeit der Meßspitzen kann eine schnelle Anpassung des Meßgeräts an wechselnde Anforderungen und/oder Arbeitsbedingungen erfolgen.

Es wurden vorstehend nur einige bevorzugte Ausführungsbeispiele besprochen. Es versteht sich jedoch, daß Abwandlungen verschiedenster Art möglich sind, ohne dem Rahmen der Erfindung zu verlassen. Beispielsweise könnten eine Vielzahl anderer elektrischer Schaltungen verwendet werden, um den Schallsender 12 zu betreiben" oder das Ausgangssignal des Schallempfänger^ 14 zu analysieren. Hierbei könnten gleich gute Ergebnisse erzielt werden, wie bei den vorstehend erwähnten Schaltungen , die lediglich als Beispiele aus der Vielzahl der Möglichkeiten aufgeführt wurden. Es ist auch zu bemerken, daß bei dem erfindungsgemäßen Meßgerät kein Luftspalt zwischen Meßöffnung und Meßobjekt vorhanden sein muß, sondern daß das Gerät auf einfache Weise so abgewandelt werden kann , daß ein anderes fluides Medium (Immersion) Verwendung findet, indem beispielsweise die schallaussendenden und empfangenden Teile in eine geeignete Flüssigkeit eingetaucht sind und die erhaltene Ausgangsspannung des Geräts in Längeneinheiten des Meßobjektabstandes geeicht wird. Das Meßgerät ist auch nicht auf eine Messung des Abstandes zwischen Meßobj^kten in Form fester Körper und der Meßöffnung beschränkt. Es könnte der Abstand auch bezüglich anderer Bezugsflächen, beispielsweise Flüssigkeitsoberflächen ,bestimmt werden.

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Claims

- 12 -

, P a t β η t a η. s ρ r ü ehe

Verfahren zum Messen des Abstandes zwischen einer Meßstelle eines Meßgeräts land einer Bezugsfläche eines Meßobjekts, wobei eine Schallwelle gegen die Bezugsfläche hin ausgesandt und die von dieser gegen das Gerät zurückreflektierte Schallwelle empfangen werden und wobei eine für die Länge des Laufwegs der Schallwelle zwischen der Meßstelle des * Geräts und der Bezugsfläche bezeichnende Unterschiedlichkeit der empfangenen, reflektierten Schallwelle gegenüber der diese verursachenden Schallwelle bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die reflektierte Schallwelle mit der diese verursachenden Schallwelle akustisch gemischt wird, so daß durch die akustische Interferenz derselben eine'.resultierende Schallwelle erzeugt wird,und daß zur Bestimmung der die Länge des Laufwegs bezeichnenden Unterschiedlichkeit zwischen reflektierter und verursachender Schallwelle die erzeugte resultierende Schallwelle ausgewertet wird.
2. .Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Auswertung der resultierenden Schallwelle deren Ampli-

" tude bestimmt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet* daß bei der Auswertung der::resultierenden Schallwelle deren Phasenlage bestimmt wird.
4. Meßgerät zum Durchführen des Verfahrens nach einem der Anspruch 1 bis 3, mit einem einen Schallsender aufweisenden Gehäuse _t einer Einrichtung zum Abstrahlen der vom Sender erzeugten Schallwelle gegen die Bezugsfläche des Meßobjekts hin und mit einem im Gehäuse vorgesehenen Schallempfänger, gekennzeichnet durch eine akustische Verbindung (21,22) zwi-

1 O 9 8497-1 "Ο-e& _kl■? _}

sehen dem Schallsender (12) und dem Schallempfänger (14)/ über die ein mit der zum Empfänger (14) gelangenden reflektierten Schallwelle interferierender Teil der vom Sender (12) erzeugten Schallwelle unmittelbar von diesem zum Empfänger (14) gelangt.
5. Gerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse einen in einer Meßöffnung (35) endenden Kanal (20,36,88) zum Aussenden der Schallwelle und zum Aufnehmen der reflektierten Schallwelle aufweist und daß an einer Einmündungsstelle (21) in diesen Kanal ein zum Schallsender (12) führender Senderkanal (18) und ein zum Schallempfänger (14) führender Empfängerkanal (22) münden.

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