DE2133942A1 - Verfahren zur beruehrungslosen messung der bewegung eines objektes - Google Patents

Verfahren zur beruehrungslosen messung der bewegung eines objektes

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Description

  • Verfahren zur berührungslosen Messung der Bewegung eines Objektes Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur berührungslosen Messung der Bewegung eines Objektes, Bei der Geschwindigkeitsmessung laufender Bänder aus Blech oder Papier, von Knüppeln, Drähten oder anderem Walzgut besteht häufig der Wunsch, die üblichen Laufrollen durch ein berührungsloses Meßverfahren zu ersetzen. I)er Grund dafür liegt entweder bei Warmwalzwerken in der hohen Eigentemperatur des Walzgutes, oder wie bei Papier und Feinblechen in der Empfindlichkeit der Oberflächen; oft stört auch der Meßfehler infolge des Schlupfes vod Fllufrollen, wenn aus den Geschwindigkeiten vor und hinter dem Walzgerüst die Streckung oder wenn durch Integration die Länge des Walzgutes gemessen werden soll.
  • Die Geschwindigkeit laufender Bänder aus Blech oder Papier läßt sich prinzipiell dadurch bestimmen, daß die Laufzeit T des betreffenden Mediums zwischen zwei festen Punkten gemessen wird. Bei bekanntem Abstand 1 zwischen dicn Punkten ist die Geschwindigkeit V = T . Laufzeit-Messungen sind weit verbreitet, sofern determinierte periodische odor impulsförmige Signale zur Verfügung stehen. Bei verschiedenen Anwendungen tritt aber der Wunsch auf, nichtdeterminierte Signale zu benutzen, die völlig regellos statistisch schwanken. Bei laufenden Bändern erhält man solche Signale z.B. durch-optische Abtastung der Oberfläche, deren Rauhigkeit statisti-sche-Schwankungen erzeugt. In diesen Fällen ist die Laufzeit aus den von zwei geeigneten Meßfühlern aufgenommenen statistisch schwankenden Signalen, durch das Korrelationsverfahren zu bestimmen.
  • Dieses Meßverfahren läßt sich auf technisch sehr verschiedenartigen Gebieten anwenden. Vorgeschlagen wurde es für die berührungslose Geschwindigkeitsmessung mit optischer Abtastung an Blechbändern in Walzwerken. Des weiteren hat es bei der Geschwindigkeitsmessung von Flugzeugen über Grund mit Radarsignalen sowie zur akustischen AbstanXsmessung beim Empfang von Schall- und Funksignalen zuj: Ortung,- zum gerichteten Empfang und dergl. Anwendung gefunden.
  • Der Grundgedanke des Korrelationsverfahren 5 i :t folgender: Zwei in Bewegungsrichtung hintereinander angeordnete Meßfühler erzeugen die Signale u1 (t) und u2 (t). Im Idealfall sind beide Signale von identischer Form und nur um die Laufzeit T gegeneinander verschoben: u2 (t) = u1 (t-?) Das Meßverfahren beruht nun darauf,daß das Signal u1 (t) des ersten Meßfühlers künstlich ebenfalls verzögert wird, und zwar um eine Modell-Laufzeit #, die der Korrelations rechner auf # = T einstellen muß. Der Vergleich beider Laufzeiten wird über den Vergleich der beiden verzögerten Signale u2 (t) = un T) durchgeführt. Allgemein ausgedrückt muß der Korrelationsrechner die mittlere quadratische Abweichung beider Signale zum Minimum machen.
  • Das heißt also, daß von der Korrelationsfunktion # u1u2 (r) der beiden Signale das Maximum aufzusuchen ist, das gerade bei # = T liegt. Die Ermittlung des Maximums läßt sich manucll im Diagramm der Korrelationsfunktion sowie selbsttätig durchführen, indem zunächst die Korrelationsfunktion gebildet wird, d.h. indem d erste Signal u1 (t) um# verzögert und dann mit -dem z,weit n Signal u2 (t) = u1 (t-T) multipliziert wird; von dem Produkt wird in einem Tiefpaß der Mittelwert gebildet.
  • Dann verstellt ein Extremwertregler selbsttätig # solange, bis sich ein Maximum ergibt. Ein derartiges Lösungsverfahren und die entsprechende Einrichtung sind bereits vorgeschlagen worden. Nachteilig wirkt sich jedoch bei diesen bekannten Verfahren und Einrichtungen der gerätemäßige Aufwand und eine erhebliche Meßzeit aus, die den Anwendungsbereich einschränken.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, bei Cifl(' Verfahren zur berührungslosen Messung der Bewegung eines Objektes mittels zweier in Bewegungsrichtung des Objektes hintereinander angeordneter Meßfühler, die der phy/ikalischen Struktur des Objektes entsprechende, um di( Laufzeit T gegeneinander verschobene, nichtdetermillierte Signale erzeugen und das Signal des, ersten Meßfühlers nach dem Korrelationsprinzip in einer den Fühlern nachgeschalteten Auswerteinrichtung durch ein Verzögerungsglied selbsttätig ebenfalls um eine Modell-Laufzeit #, die der Geschwindigkeit des Objektes umgekehrt; proportional ist, solange verzögert wird, bis die mittlere quadratische Abweichung beider Signale-bei t = T ein Minillum ist, die Ermittlung des Maximums der Korrelationsfunktion beider Signale verfahrens- und gerätetechnisch wesentlich zu vereinfachen und die Zeit für die Meßwertbildung zu verkürzen.
  • Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die zu vergleichenden Signale (u1 (t); u@ (t) 11 (t -T) in Begrenzern quantisicrt werden und in Produkt des (>r¢:ten Signals mit einem der beiden vor dem Korrcliercn differenzierten Signale (u1 (t - T) x u1 (t - t )) gebildet wird, welches einen Integralregler zur Verstellung der Laufzeit # beaufschlagt.
  • Vorteilhafterweise wird dabei, aus Gründen einer kürzeren Meßzeit, vor der Multiplikation mit einem der differenzierten Signale die Differenz # u (t) der beiden zu vergleichenden Signale gebildet.
  • Durch die erfindungsgemäße Verfahrens lösung läßt sich der Extremwertregler der bekannten Anordnung durch einen einfachen lntegralregler zersetzen; dieser übernimmt zugleich die Mittelwertbildung, so daß auch der Tiefpaß eingespart wird. Weiterhin verschwindet durch die vorherige Differenzbildung der Signale bei genauem Abgleich # = T das Produkt und damit die Streuung unabhängig von der Meßzeit, sofern keine weiteren Störsignale auftreten.
  • Durch die an sich bekannte Quantisierung der zu vcrgleichenden Signale auf 1 bit in den Meßfühlern nachGeschalteten Begrenzern, z.B. Zweipunktgliedern, erhält man eine um die arc sin-Funktion verzerrte Korrelationsfunktion, die jedoch an denselben Stelen wie #xy(#) Nullstellen und Extrema hat. Es ergeben sich dadurch weitere Vereinfachungen. Die veränderliche Laufzeit für ein auf 1 bit quantisiertes, "binäres" Signal wird durch ein Schieberegister mit veränderlicher Schiebetaktfrequenz ft realisiert. Dabei ergibt sich die Laufzeit zu # = ## mit n = Stufenzahl des Schieberegisters. Auch die Mult plikation wird wesentlich einfacher, weil jetzt nur noch die Vorzeichen der Signale miteinander zu multiplizieren sind (Polaritäts-Korrclation). Diese Operation wird mit logischen Schaltern' realisiert.
  • Die Erfindung sei nachstehend anhand eines in der Figllr dargestellten Blockschaltbildes näher erläutert, wobei zugleich weitere, der Ausgestaltung der Erfindung dienende Merkmale aufgezeigt werden.
  • Als Ausführungsbeispiel sei hier die berührungslose Geschwindigkeitsmessung von Walzgut beschrieben.
  • In der Figur bewegt sich das Walzgut 25 mit einer Geschwindigkeit V in Pfeilrichtung. Zwei Meßfühler 10 und 11 sind über dem Walzgut in Bewegungsrichtung im Abstand 1 hintereinander angeordnet. Aufgabe der Meßfühler 10 und 11 ist es, das laufende Walzgut an den zwei Meßpunkten optisch abzutasten und die Rauhigkeit der Oberfläche in zeitlich statistisch schwankende, elektrische Signale u1 (t) und U2 (t) umzuwandeln. Die Signale sollen dabei möglichst identisch und nur um die zwischen den Meßpunkten auftretende Laufzeit T gegeneinander verschoben sein; die Bandbreite der abgetasteten Signale soll möglichst groß sein, um Meßzeit und statische Fehler des Korrelationsrechncrs klcin zu halten. In den Meßfühlern nachgeschalteten Begrenzern 12 und 13 werden die Fühlersignale auf die Form sgn u1 (t) und sgn u2 (t) quantisiert. Das Signal des Meßfühlers 11 wird darüberhinaus durch. das Glied 15 differenziert und durch den Begrenzer 14 auf die Form sgn u2 (t) gebracht.
  • Der Ausgang des Meßfühlers 10 führt über den Begrenzer 12 auf den Informationseingang eines Schieberegisters i, das zur Laufzeitverzögerung des Signals sgn u1 (t) nach sgn u1 Ct " t ) dient.
  • Die zur Ermittlung des Maximums erforderlichen Subtraktions-und Multiplikationoperationen werden mit Hilfe einer aus logischen Bausteinen bestehenden Schaltung 17, An der das Subtraktionsglied 18 und das Multiplikationsglied 19 an gedeutet ist, durchgeführt. Die Schaltung 17 ist dabei einerseits mit den Ausgängen der Begrenzer 13 und und dem Ausgang des Schieberegisters 1,6 verbunden sowie führt sie andererseits auf einen Dreipunktregler 20 mit nachgeschaltetem I-Glied 21. Das analoge Ausgangssignal des I-Gliedes 21 bildet nach Umformung in einem Spannungsfrequenzwandler 22 die veränderliche Schiebetaktfrequenz ft für das Schieberegister 16.
  • Analoge und digitale Anzeigen sind möglich durch das Meßglied 24 und den Digitalzähler 23.
  • Wirkungsweise: Die Subtraktion und Multiplikation der zu vergleichenden Signale werden gemeinsam in der logischen Schaltung 17 realisiert. Wie in der Figur angedeutet, arbeitet der Korrelator als Dreipunktregler mit nachgeschaltetem I-Glied, so daß bel Abgleich x (t) @ O ist; diese Anordnung hat daher noch den gerätetechnischen Vorteil, daß Unsymmetrien der Schaltamplituden sich nicht auf die statische Genauigkeit des Abgleichs auswirken.
  • Das Aufsuchen der Nullstelle und damit die Selbsteinstellung auf t = T geschieht also mit dem genannten Dreipunkt-Integralregler, der über den Spannungs frequenzwandler 22 die veränderliche Schiebetaktfrequenz ft für das Schieberegister 16 erzeugt. Ein besonderer Vorteil dicser Anordnung liegt darin, daß außer der anniögen Meßwertanzeige 24 vor dem Spannungsfrequenzwandler 22 j et jetzt eine schr cinfache digitale Anzeige möglich ist, indem die Schiebetaktfrequenz ft mit einem normalen elektronischen Zähler 23 gemessen und digital angezeigt wird.
  • Die angezeigte Frequenz ist bei Abgleich auf t -n f n v also proportional der zu messenden Geschwindigkeit V.
  • Wenn man den Digitalzähler 23, der zur Messung der Schiebetaktfrequenz £t benützt wird, auf reines Zahlen umschaltet, kann man sehr einfach über ft integriercn.
  • Damit lassen sich mit derselben Meßeinrichtung beispielsweise Bandlängen messen.
  • Krasse systematische Fehler entstehen, wender Regelkreis sich auf ein Nebenmaximum von + uXu2 oinste Nebenmaxima treten auf, wenn entweder die Signale periodische Anteile enthalten oder wenn die Bandbegrenzung in den Meßfühlern zu steil ist. Die Neigung zum Einstellen auf falsche Extrema wird begünstigt durch Wahl eines großen Abstandes 1 und damit einer Verschiebung der Korrelationsfunktion b ulu2 (t ) um eine große Laufzeit T. Erfindungsgemäß wird eine Einstellung auf falsche Extrema durch Vorgabe einer geeigneten Anfangsbedingung für den Integralregler vermieden. Dazu ist ein weiterer Meßfühler (in der Figur nicht dargestellt) in Bewegungsrichtung über dem Walzgut angeordnet, dessen Abstand zum Meßfühler 10 kleiner ist als der Abstand 1 der Meßfühler 10 und 11.
  • Dieser weitere Meßfühler wirkt zusammen mit dem Meßfühler 10 auf einen zweiten unabhängigen Regelkreis, der die Geschwindigkeit grob mißt und sie dem in der Figur dargestellten Korrelator als Anfangsbedingung vorgibt. c Der Korrelator ist umschaltbar auf Messung der Kreuzkorrelationsfunktion (in der Figur nicht dargestellt); hierzu wird der Regelkreis aufgetrennt und der Spånnungsfrequenzwandler von außen gesteuert.

Claims (8)

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Verfahren zur berührungslosen Messung der Bewegung eines Objektes mittels zweier in Bewegungsrichtung des Objektes hintereinander angeordneter Meßfühler, die der physikalischen Struktur des Objektes entsprechende, um die Laufzeit T gegeneinander tcrschobene, nichtdeterminierte Signale erzeugen und das Signal des ersten Meßfühlers nach dem Korrelationsprinzip in einer den Fühlern nachgeschalteten Auswerteinrichtung durch ein Verzögerungsglied selbsttätig ebenfalls um eine Modell-Laufzeit #, die der Geschwindigkeit des Objektes proportionril ist, solange verzögert wird, bis die mittlere quadratische Abweichung beider Signale bei ff T ein Minimum ist, dadurch gekennzeichnet, daß die zu vergleichenden Signale (u1 (t); u2 (t) = u1 (t - T)) in Begrenzern quantisiert werden und das Produkt des erstcn Signals mit einem der beiden vor dem Korrelieren differenzierten Signale (u1 (t - T) x u1 (t - #)) gebildet wird, welches einen Integralregler zur Verstellung der Laufzeit t beaufschlagt.
2. Vcrfahrcn nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Multiplikation mit einem der differenzierten Signale die Differenz # u (t) der beiden zu vergleichenden Signale gebildet wird.
3. Verfahren nach den Patentansprüchen 1 und ;I, dadurch gekennzeichnet, daß die zu vergleichenden Signale auf 1 bit quantisiert werden.
4. Verfahren nach den Patentansprüchen 1 - 3, dadurch gekennzeichnet, daß dem Integralregler zur Vermeidung einer Einstellung auf falsche Extrema der Korrelationsfunktion eine in einem getrennten Grobregelkreis gebildete Anfangsbedingung vorgegeben wird.
5. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Patentanspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Grobregelkreis von den Signalen des ersten sowie eines weiteren Meßfühlers, der in geringem Abstand hinter dm ersten Meßfühler angeordnet ist, gesteuert; wird.
6. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Patentansprüchen -1 - 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Subtraktions- und Multiplikationsoperatlonen durch e lekt roni ;c'1e logische Schaltungen (17, 18, 19), deren Ausgangssignale den Integralregler (20, 21) beaufschlagen, realisiert werdezfind der Integralregler jiber einen pannungsfrequenzwandler (22) mit den T akteingängen eines als I1auf zeitverzögernngsglicd wirkend c ri Schieberegisters (16) verbunden ist, dessen Informationseingang von dem Ausgangssignal des ersten Meßfühlers (10) gespeist; wird.
7. Einrichtung nach Patentanspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein digitaler Zähler (23) an den Ausgang des Spannungsfrequenzwandlers (22) zur Anzeige der der veränderlichen Schiebetaktfrequenz (ft) proportionalen Geschwindigkeit des Objektes (25) angeschaltet ist.
8. Einrichtung nach Patentanspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß durch eine am 7Jiihler-(23) angeordnete Umschalteinrichtung durch Integration des Zählergebnisses ein der Länge des Objektes entsprechender Meßwert gewonnen wird.
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