DE2364046A1 - Beruehrungsfreie laengenmesseinrichtung - Google Patents
Beruehrungsfreie laengenmesseinrichtungInfo
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Description
23640A6
18714
DAIDO SEIKO KABTJSHIKI KAISHA
Berührungsfreie Längenmeßeinrichtung
Die Erfindung betrifft eine berührungsfreie Längenmeßeinrichtung, insbesondere zum Messen des Durchmessers
eines Gegenstandes, der sich auf hoher Temperatur befindet und mit hoher Geschwindigkeit vorwärtsbewegt wird, beispielsweise
eines runden Stahlstabes während eines Walzvorganges.
Bei der Verarbeitung von Rohmaterial beispielsweise in der Eisen- und Stahlindustrie werden Meßeinrichtungen
zum automatischen Messen von Abmessungen eines Produkts benötigt, sowohl zur Kontrolle des Verarbeitungsvorganges
als auch zur Qual it ätskojit rolle der Produkte. Wenn
man den Durchmesser von runden Stahlstäben oder Stahldrähten beim Walzen messen kann, ist es möglich, zur Beeinflussung
des Durchmessers des Stahlstabes den Spalt zwischen den Walzen entsprechend dem gemessenen Durchmesser zu verändern.
Ein poliertes Produkt, das nach dem Walzen gezogen oder spangebend feinbearbeitet worden ist, muß mit sehr kleinen Toleranzen
ge-naue Abmessungen haben. Auch in diesem Fall ist eine Längenmeßeinrichtung erforderlich, die mit hoher Genauigkeit
und hohem Wirkungsgrad arbeitet .
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Beim Messen des Durchmessers eines Produktes während
des Walzens desselben muß berücksichtigt werden, daß die Walztemperatur etwa 1000°' C beträgt und das Produkt beim
Walzen mit einer hohen Geschwindigkeit von beispielsweise 30 m/sek vorwärtsbewegt wird. Daher darf das Produkt von dem
Meßsystem nicht berührt werden, sondern muß man zum Messen ein berührungsfrei arbeitendes System verwenden. Zum Messen
von polierten Produkten verwendet man derzeit ein Mikrometer. Das Messen und die Kontrolle des Produkts über seine ganze
Länge mit Hilfe eines Mikrometers bedingt jedoch einen großen Arbeitsaufwand. Daher ist ein automatisches Messen des Produkts
sehr erwünscht. Mit einem berührungsfrei arbeitenden Meßsystem kann man beim Messen einen höheren Wirkungsgrad
erzielen als mit einem mit Berührung arbeitenden Meßsystem.
Man hat schon versucht, der genannten Forderung dadurch zu entsprechend, daß man den Durchmesser eines Produkts
mit Hilfe'von Licht berührungsfrei mißt. Dabei muß aber berücksichtigt
werden, daß ein Stahlstab beim Walzen schwingt, so daß beim Messen des Stahlstabes mit Hilfe von Licht während
des Walzvorgangs die Schwingungen des Stabes zu Meßfehlern führen.
Beispielsweise werden in einer Meßeinrichtung mit rotierender Spaltblende und einer Quelle von kollimierter
Strahlung, wobei diese Quelle aus einer Lichtquelle und einer ersten Sammellinse besteht, die aus der Quelle der kollimierten
Strahlung austretenden kollimierten Strahlen auf einen
Gegenstand, beispielsweise einen Stahlstab geworfen, worauf die von dem Stahlstab nicht ausgesiebten Strahlen mittels
einer zweiten Sammellinse konvergierend auf einen photoelektrischen
Wandler geworfen werden. Dieser ist in einer Trommel angeordnet, die mit konstanter Geschwindigkeit rotiert. Die
Drehachse der Trommel geht durch den photoelektrischen
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Wandler. Die Trommel besitzt einen Spalt, der mit der Trommel umläuft und sich daher durch den Strahlengang bewegt,
der von der zweiten Linse zu dem photoelektrischen Wandler führt. Wenn in dieser Anordnung der Spalt im Schatten des
Stahlstabes liegt, empfängt der photoelektrische Wandler von der zweiten Linse keine Strahlen und erzeugt er daher
kein elektrisches Signal. Wenn sich der Spalt dagegen außerhalb des Schattens des Stahlstabes befindet, empfängt der
photoelektrische Wandler Strahlen von der zweiten Linse und erzeugt er daher ein elektrisches Signal. Durch Messen der
Verweilzeit des Spaltes innerhalb des Schattens des Stahlstabes,d.h.
der Zeit, in welcher der photoelektrische Wandler kein elektrisches Signal erzeugt, kann man daher
ein Signal erhalten, das dem Durchmesser des Stahlstabes
proportional ist.
Wenn sich jedoch der Spalt innerhalb des Schattens eines schwingenden Stahlstabes befindet, schwingt auch der
Schatten des Stabes mit, so daß der photoelektrische Wandler das elektrische Signal während einer Zeit erzeugt, die
länger oder kürzer ist als die dem durchmesser des Stabes -proportionale Zeit. Infolgedessen wird ein falscher Meßwert
erhalten. Man erkennt, daß die Schwingungen des Stahlstabes zu Meßfehlern führen.
Dieser Nachteil kann nur vermieden werden, wenn der Spalt sehr schnell rotiert oder wenn man zur Bestimmung
der Abmessungen des Produkts den Durchschnitt von zahlreichen Meßwerten ermittelt.
Wenn der Spalt in der Trommel breit ist, kann man die Yerweilzeit des Spaltes innerhalb des Schattens des
Stahlstabes nicht genau messen. Die Breite des. Spaltes muß daher der geforderten Meßgenauigkeit entsprechen. Beispiels-
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weise darf die Breite des Spaltes allgemein nur 50 um betragen. Bei einem so schmalen Spalt kann der photoelektrische
Wandler aber nur eine kleine lichtmenge empfangen, so daß eine sehr helle Lichtquelle und als photoelektrischer
Wandler eine Vervielfacherphotozelle mit hoher Empfindlichkeit und hohem Wirkungsgrad verwendet werden muß. 3?ür die
Vervielfacherphotozelle ist eine Hochspannungsquelle von beispielsweise 1000 V erforderlich. Ferner ist eine Fremdkühlung
der hellen Lichtquelle erforderlich. Wenn man mit Hilfe des bekannten Meßsystems eine genügend hohe Meßgenauigkeit
erzielen will, sind zahlreiche Teile erforderlich, die häufig gewartet werden müssen. Dazu gehören u.a. die
mit hoher Geschwindigkeit rotierenden Trommeln, ferner Vervielfacherphot özellen, helle Lichtquellen usw.
Die -^ufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung
einer berührungsfreien Längenmeßeinrichtung, die von den vorgenannten Nachteilen frei ist und bei welcher
Schwingungen des zu messenden Gegenstandes zu keinem Meßfehler
führen, wobei keine helle Lichtquelle und keine Hochspannungsquelle erforderlich ist.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung einer derartigen berührungsfreien Längenmeßeinrichtung, in welcher der zu messende Gegenstand einer erzwungenen Schwingung unterworfen und zur Herabsetzung des
digitalen Meßfehlers wiederholt gemessen wird.
line berührungsfrei© Längenmeßeinrielitung gemäß
der Erfindung besitzt ein. erstes optisches System sum Werfen Ton kollimierten Strahlen auf «inen-au messenden Gegenstand,
ein zweites optisches System sum Erzeugen ©ines vergrößertenBildes
des Gegenstandes aus den auf -Jim geworfenen,
kollimierten Strahlen? eine- Proj©ktrionsfläciie mit mehreren
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kleinen photoelektrischen Wandlern, die das vergrößerte
Bild des Gegenstandes empfangen, und eine Operationsschaltung, die von den kleinen photoelektrischen Wandlern Signale
empfängt, die von der Größe des vergrößerten Bildes abhängig sind, und von diesen die Abmessung des Gegenstandes
ableitet, so daß ein auf die Schwingungen des Gegenstandes verursachter Meßfehler vermieden und der Meßwert
sofort angezeigt wird.■ ·
Nach einer Ausgestaltung der Erfindung besitzt eine berührungsfreie Längenmeßeinrichtung ein erstes optisches
System zum Werfen von kollimierten Strahlen auf den zu messenden Gegenstand, ein zweites optisches System aum
Erzeugen eines vergrößerten Bildes des Gegenstandes aus den auf ihn geworfenen kollimierten Strahlen, eine Projektionsfläche mit mehreren kleinen photoelektrischen Wandlern zum
Empfangen des vergrößerten Bildes des Gegenstandes, eine erste Operationsschaltung, die von den kleinen photoelektrischen
Wandlern Signale empfängt, die von der Größe des vergrößerten
Bildes abhängig sind, und von diesen die Abmessung des Gegenstandes ableitet, eine Einrichtung, ,die dazu dient,
den Gegenstand wiederholt in Schwingungen zu versetzen, und eine zweite Operationsschaltung, die von der ersten Operationsschaltung
Signale empfängt, die dem wiederholt gemessenen Wert der Abmessung des Gegenstandes entsprechen, und
den Durchschnitt derselben ermittelt, so daß der auf die Abstände zwischen den kleinen photoelektrischen Wandlern zurückzuführende
digitale Meßfehler möglichst klein gehalten wird.
Die erfindungsgemäße berührungsfreie Längenmeßeinrichtung besitzt somit eine Lichtquelle zum Werfen von
kollimierten Strahlen auf einen zu messenden Gegenstand, eine konvexe Linse zum Empfangen der von dem Gegenstand
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nicht ausgesiebten Strahlen und zum Fokussieren der Strahlen auf den Brennpunkt der Linse, eine erste Projektionsplatte,
in der am Brennpunkt der konvexen Linse ein Spalt ausgebildet ist, eine zweite Projektionsplatte, auf der. auf
jener Fläche, auf der die durch den Spalt der ersten Platte getretenen Strahlen ein vergrößertes Bild des Gegenstandes
erzeugen, eine große Anzahl von photoelektrischen Wandlern angeordnet ist, und eine Operationsschaltung, die aufgrund
der von den photoelektrischen Wandlern abgegebenen Signale die Abmessung des .Gegenstandes bestimmt.
Die vorstehend angegebenen und weitere Aufgaben und Vorteile der Erfindung werden anhand der nachstehenden
ausführlichen Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen
besser verständlich. Dabei ist auf die beigefügten Zeichnungen bezuggenommen. In diesen zeigt
Fig. 1 das Prinzip der berührungsfreien Längenmeßeinrichtung gemäß der Erfindung,
Fig. 2 in einer Vorderansicht die Projektionsfläche der in *"ig. 1 gezeigten Einrichtung mit mehreren
photoelektrischen Wandlern,
Fig. 3 in einem ^lockschema eine Operationsschaltung
zum Zählen der von den Strahlen nicht bestrahlten photoelektrischen Wandler und
Fig. 4 eine andere Projektionsfläche, auf der die photoelektrischen Wandler in zwei Gruppen angeordnet
sind.
Fig. 5 und 6 sind Kurvenbilder zur Darstellung der mit Hilfe je einer Ausführungsform der Erfindung ermittelten
Meßwerte von Stahlstäben.
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Fig. 7a zeigt einen photoelektrischen Wandler, der vollständig im Schatten eines Gegenstandes liegt, dessen
Hand mit einem Seitenrand des Wandlers fluchtet, und
Fig. 7b ein Kurvenbild zur Darstellung der Beziehung
zwischen dem Eingangs- und dem -^usgangssignal eines
photoelektrischen Wandlers.
Fig. 8a und 8b stellen das Verhältnis zwischen dem Eingangs- und dem Ausgangssignal von Schmitt-Triggern
mit verschiedenen Schwellenwerten dar.
- Fig. 1 zeigt schematisch eine Ausführungsform einer berührungsfreien Längenmeßeinrichtung gemäß der Erfindung.
Diese berührungsfreie Längenmeßeinrichtung besitzt eine Quelle von kollimierter Strahlung. Diese Quelle besteht
aus einer Lichtquelle 1 und einer konvexen Linse 2. Die Quelle von paralleler Strahlung wirft kollimierte Strahlen
auf einen zumessenden, runden Stahlstab 3, der einen Schatten
wirft, dieser Schatten des mit den kollimierten Strahlen
bestrahlten Stahlstabes wird mittels einer konvexen Linse 4 vergrößert und durch einen Spalt 5 einer Projektionsplatte
auf eine Projektionswand 8 geworfen. Diese Projektionswand
ist auf ihrer den vergrößerten Schatten des Stabes empfangenden Fläche mit mehreren photoelektrischen Wandlern 9 versehen.
Gemäß Fig. 2 sind sehr viele photoelektrische Wandler -9 in einer einzigen Reihe in geringen Abständen voneinander
auf der Projektionswand 8 angeordnet. Wenn man nun gemäß J^ig. 1 den auf die Projektionswand 8 geworfenen Teil
des Schattens des Stahlstabes 3 mit D bezeichnet, kann man die Abmessung des Stahlstabes 3 bestimmen, indem man die
Anzahl der in dem Schattenteil D befindlichen, photoelektrischen Wandler zählt. Man kann daher den Durchmesser d des
Stahlstabes durch folgende Gleichung ausdrücken:
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d = η ρ
Dabei ist
f Brennweite der Linse 4 ·
1 Abstand des hinteren Brennpunktes der Linse 4 von der Projektionswand 8
ρ Abstand zwischen den photοelektrischen Wandlern
η Anzahl der sich innerhalb des Schattenteils D befindlichen photoelektrischen Wandler 9
Da p, 1 und f konstand sind, kann man durch Bestimmen der Zahl η den Durchmesser des Stahlstabes 3 ermitteln. Selbst wenn der Stahlstab 3 schwingt und daher bewegt,
wird, kann man den durchmesser des Stahlstabes messen,
ohne daß die Schwingungen zu einem Meßfehler führen, wenn
man den Momentanwert der Anzahl der innerhalb des Schattenteils D befindlichen photoelektrischen Wandler 9 bestimmt.
Fig. 3 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform einer Operationsschaltung zur Bestimmung des Momentanwertes
der Anzahl der innerhalb des Schattenteils des Stahlstabes befindlichen photoelektrischen Wandler. Dieser Operationsschaltung besitzt mehrere Verstärker 10, welche die Ausgangsspannung
je eines der photoelektrischen Wandler empfangen und verstärken. Die Ausgänge der Verstärker 10 werdem gemäß
Pig. 3 durch je eine UND-Schaltung 11 an je ein Ein-Bit-Register
12 abgegeben. Die Operationsschaltung besitzt ferner einen Meßauftastimpulsgeber 13, der im Meßzeitpunkt an
einen anderen Eingang jedes der UND-Schaltungen 11 gleichzeitig
einen Meß-auftastimpuls abgibt. Wenn im Meßzeitpunkt
der Auftastimpuls an alle UND-Schaltungen 11 abgegeben wird,
bleiben jene Eegister 12 ausgeschaltet, die den in diesem
Zeitpunkt innerhalb des Schattenteils D befindlichen photoelektrischen Wandlern zugeordnet sind. Dagegen werden jene
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Register 12 eingeschaltet, die den außerhalb des Schatten
befindlichen photoelektrischen Wandlern 9 zugeordnet sind. Dieser Zustand wird aufrechterhalten, bis der nächste Auftastimpuls
an die UND-Schaltungen 11 abgegeben wird. Q-Ausgänge von Registern 12 werden gemäß £'±g, 3 über je eine
UND-Schaltung 14 und eine einzige ODER-Schaltung 15 an einen
einzigen Zähler 16 abgegeben. Die UND-Schaltungen 14 empfangen nacheinander von einem folgeimpulsgeber 17 je einen Zählimpuls.
Daher werden von dem Zähler 16 nur jene Register 12 sequentiell gezählt, die sich im ausgeschalteten Zustand befinden.
Dieser von dem Zähler 16 gezählte Wert gibt an, wieviele photoelektrische Wandler sich innerhalb des Schattenteils
D befinden. Wenn die UND-Schaltungen 11 aus Transistor-Iransistor-Verrlegelungsschaltungen
bestehen, dauert die Eingabe des Auftastimpulses in die Register weniger als eine
Mikrosekunde. Diese Zeit ist wesentlich kürzer als die Zeit, in der sich der äußere Rand des Schattens des Stahlstabes
infolge der Schwingungen desselben von einem photoelektriachen Wandler zu einem anderen bewegt. Daher führt bei der
erfindungsgemäßen Einrichtung eine derartige Schwingung
nicht zu einem Meßfehler.
Wenn die Schwingungsamplitude des Stahlstabes relativ klein ist, brauchen die photoelektrischen Wandler 9
nicht gemäß ^'ig. 1 und 2 auf der ganzen Pläche der Projektionswand
8 angeordnet zu werden, sondern kann man die photoelektrischen Wandler in zwei Gruppen 9A und 9B teilen,
die auf der Projektionswand 8 nur in Teilflächen in der Nähe des oberen und des unteren Randes des Schattens angeordnet
sind. Dies ist in £ ig. 4 dargestellt. In diesem Fall
wird der Durchmesser d des Stahlstabes durch die folgende Gleichung ausgedrückt:
-p
d * η ρ γ + G
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- ίο -
Dabei ist G der Abstand des untersten photoeljgktrischen
Wandlers der oberen Gruppe 9A von dem obersten photoelektrischen Wandler der unteren Gruppe 9B geteilt durch den
Vergrößerungsfaktor l/f.
In diesem Fall kann sich der obere oder, untere Rand des Schattens des Stahlstabes von den Gruppen der
photoelektrischen Wandler 9A und 9B wegbewegen. Daher kann man einen Blockierkreis vorsehen, der die Erzeugung des
Meßauftastimpulses durch den Auftastimpulsgeber verhindert,
wenn sich der obere oder untere Rand des Schattens von den Wandlergruppen 9A und 9B wegbewegt hat.
In der erfindungsgemäßen Meß-einrichtung ist der
Meßfehler zurückzuführen auf den Abstand zwischen den photoelektrischen Wandlern; daher ist der Meßfehler digital.
Er kann durch folgenden Ausdruck dargestellt werden:
In einer längenmeßeinrichtung mit 0,5 mm-Silicium-Sonnenbatterien,
die nahe beieinander angeordnet sind, wobei ρ = 0,5 mm, f = 50 mm und 1 = 500 mm ist, beträgt der
digitale Meßfehler 0,05 mm. Es wurde bereits erwähnt, daß in der erfindungsgemäßen Meßeinrichtung theoretisch kein
Fehler auftritt, der auf die Schwingungen des Stahlstabes
zurückzuführen ist. In der Einrichtung tritt jedoch ein gewisser digitaler Fehler auf, der auf den Abstand zwischen
den photoelektrischen Wandlern zurückzuführen ist. Dieser digitale Fehler kann mit Hilfe der Wahrscheinlichkeitsrechnung
beträchtlich herabgesetzt werden, wenn man den Stahlstab wiederholt mißt und den Durchschnitt der Ergebnisse
der wiederholten Messungen ermittelt.
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In der erfindungsgemäßen Einrichtung kann der Meßauftastimpuls beispielsweise alle I/IOO sek erzeugt werden,
wobei die Einrichtung einmal pro Sekunde den Durchschnitt von 100 Meßwerten anzeigt. In der praktischen Ausführungsform zählt der Zähler 100 Meßwerte und verschiebt
er dann das Komma um zwei Stellen nack vorn, wie dies in
Pig. 3 gezeigt ist. Die stellenverschobenen Zählwerte werden einem Register 20 über eine UND-Schaltung 18 zugeführt,
die von einem Impulsgeber beispielsweise einmal pro Sekunde einen Auftaetimpuls erhält.' Die stellverschobenen Zählwerte
d.h., die Durchschnittswerte von 100 Meßwerten, werden einer Anzeigeeinrichtung 21 zugeführt, die den Durchschnittswert
einmal pro Sekunde anzeigt. Durch die Ermittlung des Durchschnitts von 100 Meßwerten wird der digitale Fehler auf
0,01 mm herabgesetzt. Wenn sich der Stahlstab jedoch nicht bewegt, wird jedesmal derselbe Meßwert erhalten. In diesem
Pail kann der digitale Fehler auch dann nicht herabgesetzt
werden, wenn man den Durchschnitt von mehreren Meßwerten ermittelt. Dagegen ist diese Maßnahme sehr vorteilhaft, wenn
sich der Stahlstab beispielsweise infolge von Schwingungen bewegt. Da der Stahlstab beim Walzen gewöhnlich ununterbrochen
schwingt, kann man beim Messen des Durchmessers eines solchen Stahlstabes den digitalen Fehler durch die
Ausnutzung der Schwingungen herabsetzen. Beim Messen der Abmessungen eines Gegenstandes, der gewöhnlich nicht schwingt,
kann man den digitalen Fehler herabsetzen,- indem man dem Gegenstand erzwungene Schwingungen erteilt, ihn wiederholt mißt
und den Durchschnitt der bei den wiederholten Messungen erhaltenen
Werte ermittelt. Wenn sich der äußere Rand des Schattens des Stahlstabes zwischen den photoelektrischen Wandlern
befindet, kann man mit einer einzigen Messung einen Bruchteil des tatsächlichen Durchmessers eines Stahlstabes nicht bestimmen,
so daß dieser Bruchteil in dem Meßwert als Fehler enthalten ist. Wenn nun dem Stahlstab Schwingungen erteilt
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- - 12 -
werden und er'wiederholt gemessen wird, werden manche dieser
Messungen in Zeitpunkten durchgeführt, in denen der Randteil
des Schattens des schwingenden Stabes einen zusätzlichen photoelektrischen Wandler Gedeckt, während dies bei anderen
Messungen nicht der Fall ist. Man kann den Durchmesser des Stahlstabes genau aufgrund der Ergebnisse von Meßergebnissen
bestimmen, die angesichts der Anzahl der Zählungen mit zusätzlichem Zählschritt und der Anzahl der Zählungen ohne zusätzlichen Zählschritt gewichtet sind. Man kann daher den
Durchmesser des Stahlstabes durch den Durchschnitt der Ergebnisse von wiederholten Messungen des in Schwingungen versetzten
Stabes genauer bestimmen.
Wenn beispielsweise bei einem polierten Stahlstab der Durchmesser nach dem Polieren automatisch bestimmt
werden soll, werden die Stahlstäbe automatisch einzeln nacheinander
einer Meßeinrichtung zugeführt, wobei sie infolge der Zuführung etwas schwingen. Infolgedessen kann beim Messen auch des polierten Stahlstabes der digitale Meßfehler
herabgesetzt werden, wenn der Durchmesser wiederholt gemessen und der Durchschnitt der Meßwerte ermittelt wird.
In Fig. 5 sind für einen schwingenden Stahlstab Meßwerte dargestellt, die mit Hilfe der jerfindungsgemäßen
Meßeinrichtung erhalten wurden. In diesem Fall betrug die Schwingungsamplitude des Stahlstabes 10 mm und die Schwingungsfrequenz
15 Hz. Der mit Hilfe eines Mikrometers gemessene Durchmesser des Stahlstabes beträgt 7,25 mm. Gemäß
Fig. 5 beträgt der Meßfehler 0,01 mm. Man erkennt, daß mit Hilfe der erfindungsgemäßen Meßeinrichtungen genügend genaue
Meßwerte erhalten werden können.
In Fig. 6 stellt die ausgezogene linie ein weiteres Beispiel für die mit Hilfe der erfindungsgemäßen Einrichtung
erhaltenen Meßwerte des Durchmessers eines schwin-
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genden Stahlstabes dar. Die in ^ig. 6 dargestellten Punkte
geben die mit Hilfe eines Mikrometers erhaltenen Meßwerte
an. Bei der Messung mit Hilfe des Mikrometers tritt eine Streuung auf, die auf die unterschiedlichen Meßstellungen
des Mikrometers an dem Walzdraht abhängt. Man erkennt aus
der ivig. 6, daß mit Hilfe der erfindungsgemäßen Einrichtung
eine genaue und zuverlässige Messung erzielt werden kann«
Das elektrische Ausgangssignal eines photoelektrischen
Wandlers ist bekanntlich von der lichtempfangenden Fläche des Wandlers linear abhängig. Wenn nun der
Schatten 51 eines Gegenstandes die Lichtempfangsfläche eines photοelektrischen Wandlers 30 vollkommen bedeckt
(siehe Fig. 7s), wobei der untere Rand des Schattens 51
zufällig mit dem unteren Sand des Wandlers 30 fluchtet
(t = O), dann erzeugt der photoelektrische Wandler 50 kein elektrisches Ausgangssignal« Wenn der untere Rand des
Schattens 51 allmählich aufwärtswandert, nimmt das Eingangs-Idchtsignal
des photoelektrischen Wandlers und damit auch sein--elektrisches Ausgangssignal zu, wie dies in
Fig. Tb gezeigt ist. Dabei ist das Eingangs-Liehtsignal
auf 2eitbasis angegeben. Wenn der Wandler 50 ganz aus dem
Schatten 51 heraustritt (t » t.), erreicht das Ausgangssignal
seinen höchsten bzw, Sättigungswert.
Wenn nun an den Ausgang jedes der Verstärker 10
zwei Schmitt trigger angeschlossen sind t die v$r/&chiecteiie
-Schwellenwerte haben» welche den Pegeln £2 C^ 1/2 V) bzw. V
entsprechen (siehe Fig. ?b), und der Ausgang dieser Schmitttrigger
mit einem Eingang 3e einer HID-Sehaltung 11 verbunden tat* dann entspricht diese Anordnung einer Vorrichtung
mit photoelektrisohem Wandlern* welche halb so groß
und in d^r doppelten Anzahl vorhanden sind wie die photo-
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-H-
elektrischen Wandler 9 in -^ig. 3·' ^ie vorstellend erwähnt
wurde, kann man den digitalen Fehler als' eine funktion der
Größe des photοelektrischen Wandlers (diese Größe ist
gleich dem Abstand zwischen einander benachbarten photoelektrischen Wandlern) und der Abstand 1 des Spalts von
der Projektilοnsfläche ausdrücken. In der gemäß der vorstehenden
Annahme abgeänderten Anordnung ist die Größe jedes photoelektrischen Wandlers effektiv halbiert, obwohl
die physische Größe des Wandlers nicht verändert ist. Wenn man den Abstand 1 zwischen dem Spalt und der Projektionswand nicht verändert, wird durch die Verwendung dieser
scheinbar kleinen photoelektrischen Wandler der in der Einrichtung gemäß ^ig. 5 auftretende digitale Fehler halbiert.
In einer anderen Ausführungsform sind an den -Ausgang
jedes der Verstärker 10 die Eingänge von vier Schmitt-Triggern angeschlossen, deren Schwellenwerte &en Pegeln L-.
( = 1/4 v)t £ (= 1/2 V), L, (= 3/4 V) bzw. V entsprechen
(siehe Pig. 7b) und sind die Ausgänge dieser Schmitt-Trigger mit je einer UED-Sehaltung 11 verbunden. In diesem Fall wird
eine viel höhere Meßgenauigkeit erzielt. Diese ist ebenso—
hoch wie wenn anstelle jedes Wandlers 9 der Schaltung gemäß
Fig. 3 vier photoelektrische Wandler verwendet werden würden, deren Größe1 ein ^ierte/1 der Größe des Wandlers 9 beträgt.
Auf diese Weise kann der digitale Fehler auf ein Viertel herabgesetzt werden.
Fig. 8 zeigt das Verhältnis des Eingangs- zum Ausgangssignal
der Schmitt-frigger mit äLen. Schwellenwerten L-,
L2 bzw. Jij in *'ig. 7b» Auf der Abszisse sind die Eingangssignale
auf Zeitbasis und auf der Ordinate die Ausgangssignale
aufgetragen..
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Wenn man in einer im obigen Sinne abgeänderten Operationsschaltung den Abstand 1 zwischen Spalt und Projektionswand
auf die Hälfte oder ein Viertel herabsetzt, wird der digitale Fehler ρ γ· nicht verändert. Man kann daher
den Abstand 1 zwischen Spalt und Projektionswand verkleinern,
ohne daß die Meßgenauigkeit herabgesetzt wird und ohne daß die Anzahl der photoelektrischen Wandler und
der ihnen zugeordneten Verstärker erhöht werden muß. Infolgedessen kann die ganze Vorrichtung viel kleiner ausgeführt
werden, ^ie Verkleinerung des Abstandes zwischen dem Spalt
und der Projektionsfläche führt ferner dazu, daß die jedem
photoelektrischen Wandler zugeteilte Lichtmenge und damit der Ausgang pro Wandler zunimmt. Daher kann man in der Einrichtung
Verstärker mit einem kleinen Verstärkungsfaktor verwenden, so daß die Einrichtung nicht unter der Instabilität
leidet, die bei Verwendung von Verstärkern mit hohem Verstärkungsfaktor auftreten würde.
Vorstehend wurde die Erfindung im Zusammenhang mit dem vergrößerten Bild eines Gegenstandes auf der Projektionsfläche
erläutert. Die Erfindung kann aber auch in der Weise angewendet werden, daß ein verkleinertes Bild des
Gegenstandes auf der Projektionsfläche erzeugt wird.
Aus der vorstehenden Beschreibung geht hervor, daß der Durchmesser eines Stahlstabes genau bestimmt werden
kann, wenn man mit Hilfe eines Linsensystems das Bild des Stabes vergrößert und gleichzeitig die Lage des oberen und
des unteren Randes des vergrößerten Bildes erfaßt. Selbst wenn der Stahlstab schwingt, kann sein durchmesser genau
bestimmt werden. In der erfindungsgemäßen Einrichtung ist kein rotierender Teil, insbesondere keine rotierende Trommel
mit einem Spalt, erforderlich. Wenn man als photoelektrische Wandler Silicium-Sonnenzellen verwendet, braucht man auch
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keine Hochspannungsquelle. Mit quadratischen Silicium-Sonnenbatterien
von 0,5 mm Seitenlänge versehene Meßeinrichtungen arbeiten auch bei relativ schwachem Lichteinfall einwandfrei.
Infolge dieser Vorteile erfordert die erfindungsgemäße
Meßeinrichtung nur sehr wenig Wartung und arbeitet sie sehr zuverlässig. Wenn ein zu messender Gegenstand
schwingt, kann man einen auf die physische Größe des photoelektrischen Wandlers zurückzuführenden, digitalen Fehler
dadurch herabsetzen, daß man die Messungen wiederholt und
den Durchschnitt der Meßwerte bestimmt.
Vorstehend wurde die Erfindung anhand der Messung des Durchmessers eines runden Stahlstabes bestimmt, doch
kann die Erfindung auch auf die Messung der Breite von Blech verwendet werden.
40982 7/0310
Claims (1)
- ■ Patentansprüche::■(_ Iy Berührungsfreie Längenmeßeinrichtung, gekennzeichnet durch ein erstes optisches System zum Werfen von kollimierten Strahlen auf einen zu messenden Gegenstand ^ eine Projektionsflache mit mehreren phötoelefctrischen Wandlern, die in einer Ebene angeordnet sind, ein zweites opti-' sches System zum Erzeugen'eines Bildes des Gegenstandes auf der Projektionsfläche und eine Operationsschaltung, die auf Grund von Signalen, die von den photoelektrischen Wandlern abgegeben werden und die Größe des vergrößerten Bildes darstellen, die Abmessung des genannten Gegenstandes berechnet. ' . . ;2. Berührungsfreie Längenmeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste optische System eine Lichtquelle und eine Sammellinse mit einem auf der Lichtquelle liegenden Brennpunkt besitzt.3* Berührungsfreie Längenmeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite optische System eine Sammellinse sowie eine Projektionsfläche mit einem am hinteren Brennpunkt der Linse angeordneten Spalt besitzt und daß der zu messende Gegenstand zwischen der Sammellinse und dem ersten optischen System angeordnet wird.4. Berührungsfreie Längenmeßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Operationsschal-' tung mehrere Verstärker aufweist, die mit dem Ausgang je eines der photoelektrischen Wandler verbunden sind, ferner einen ersten Satz von mehreren UND-Schaltungen, die je einen mit dem Ausgang eines der Verstärker verbundenen Eingang haben, einen Impulsgeber zum gleichzeitigen Anlegen409 827/03 10eines Impulssignals.an .den; .anderen. -Eingang'.jedetr der. -U-H-B- -.· . Schaltungen-des ersten Satze-s,,.mehrere jfegisffcer,-.. die je., . ■ einen Eingang hfiben,, der mit-dem Umkehrausgang,einer der ■ UND-Schaltungen des ersten Satzes verband en,·.-ist f. einen zweiten Satz YO η me hr er en UND-S ehalt ,ungen, -die.. j-e : e,inen Eingang haben, -der mit dem. Ausgang, eines der Register .verbunden ist, einen lOlgeimpulsgeber. mit mehreren.^usgängen, die mit dem ; . anderen Eingang :j;e einer-.der UND-S ciial-t ungen de:s zweiten Satzes verbunden sind, eine.ODEE-Schal^Müg, die mehrere Ein- . gänge besitzt, die mit dem "^usgang...je ,einer der UND-Schaltungen des zweiten .Satzes verbunden sflnd:, einen mit dem Ausgang der ODER-ßQhaltung verbundenen Zähler ;und eine mit dem Zähler verbundene. Sichtanzeige.einrichtung, .-. ..5·· .Berührungsfreie Längenmeßeinriehttung ,nach An-.· -:. spruch 1,. dadurch gekennzeichnet,. daß.dx:e. Q.jjerat-.ionsschal-;.. =_ tung ferner •Schmitt-Trigger mit mindestens;zwei verschiedenen Schwellenwerten besitzt, wobei.Eingänge van mindestens zwei Schmitt-Triggern, die verscMedeiie. Schwellenwerte haben., mit dem -Ausgang- jedes de.rYer-S:tärker verbund.ein sind und ein Ausgang j edes der mindestens zwei Schmitt-Trigger mit dem -. Ausgang einer UND-Schaltung .„des, ersten Satzes -verbunden ist. ;6. Berührungsfreie Län-genmeßeinricntung nach An- . spruch 1, gekennzeichnet durch eine zweite Operationsschaltung, die,: dazu dient, von der ersten -Gperation.sschaltung wiederholt. °ignale zu-empfangen,-.die dem -M-eßwert der Abmes«-· : sung des Gegenstandes entsprechen,, ,und den-^urchschnitt dieser Signale zu. berechnen.. ..- ; ■■■-.-■■■:·. .-.:,. .. -":...':.;: .■--"■ ;->7· -Berührungsfreie Längeruneßeinrichtung nach An-, spruch 6,; dadurch ,gekennzeichnet, ;;daß die;herste .Operationsschaltung mehrere. Verstärker auf^feisrt.,* die; mit dem ^usgang je eines .der pnptp.eLektrisohen Wandler.;:y,erbund.eii sind, ferner/,09 8 27/0;3.1 0 ;,2384046einen ersten Satz von mehreren UND-Schaltungen, die je einen mit dem """usgang eines der Verstärker verbundenen Eingang haben, einen Impulsgeber zum gleichzeitigen Anlegen eines Impulssignals an den anderen Eingang jeder der UND-Schaltungen des ersten Satzes, mehrere Register, die je einen Eingang haben, der mit dem Umkehrausgang einer der UHD-Sehaltungen des ersten Satzes verbunden ist, einen zweiten Satz von mehreren UND-Schaltungen, die je einen Eingang haben, der mit dem ""usgang eines der Register verbunden ist, einen Folgeimpulsgeber mit mehreren ^usgängen, die mit dem anderen Eingang je einer der UND-Schaltungen des zweiten Satzes verbunden sind, eine ODER-Schaltung, die mehrere Eingänge besitzt, die mit dem Ausgang je einer der UND-Schaltungen des zweiten Satzes verbunden und einen mit dem "^usgang der ODER-Schaltung verbundenen Zähler und daß die zweite Operationsschaltung mehrere UND-Schaltungen aufweist, die je einen Eingang besitzen, der mit einer der Zählerstellen des Zählers der ersten Operationsschaltüng, mit Ausnahme der niedrigstwertigen Stelle, verbunden ist, ferner einen Impulsgeber zur periodischen Abgabe eines Impulssignals an den anderen Eingang jeder der UND-Schaltungen, einen mit dem ■Ausgang jeder der UND-Schaltungen verbundenen Zähler und eine mit dem Zähler verbundene "ichtanzeigeeinrichtung zur periodischen Anzeige: eines durchschnittlichen Meßwerte.8. Berührungsfreie Längenmeßeinrichtung, gekennzeichnet durch ein erstes optisches System zum Werfen von kollimierten Strahlen auf einen zu messenden Gegenstand, eine Projektionsfläche mit mehreren photoelefctrischen Wandlern, die in einer Ebene angeordnet sind, ein zweites optisches System zum Erzeugen eines Bildes des Gegenstandes auf der Projektionsfläche und eine Operationssehaltung, die auf Grund von uignalen, die von den photoelektrischen Wandlern abgegeben werden und die Größe des vergrößerten409827/03 10Bildes darstellen, die Abmessung des genannten Gegenstandes berechnet, ferner durch eine Einrichtung, die dazu dient, den Gegenstand wiederholt in Schwingungen zu versetzen, und eine zweite Operationsschaltung, die dazu dient, von der ersten Operationsschaltung wiederholt Signale zu empfangen, die dem Meßwert der Abmessung des Gegenstandes entsprechen, und den Durchschnitt dieser Signale zu berechnen.9·. Berührungsfreie Längenmeßeinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das erste optische System eine Lichtquelle und eine Sammellinse mit einem auf der Lichtquelle liegenden Brennpunkt besitzt.10. Berührungsfreie Längenmeßeinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite optische System eine Sammellinse sowie eine Projektionsfläche mit einem am hinteren Brennpunkt der Linse angeordneten Spalt besitzt und daß der zu messende Gegenstand zwischen der Sammellinse und dem ersten optischen System angeordnet wird.11. Berührungsfreie Längenmeßeinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Operationsschaltung mehrere Verstärker aufweist, die mit dem Ausgang je eines der photoelektrischen Wandler verbunden sind, ferner einen ersten Satz von mehreren UND-Schaltungen, die je einen mit dem ■'Kisgang eines der Verstärker verbundenen Eingang haben, einen Impulsgeber zum gleichzeitigen Anlegen eines Impulssignals an den anderen Eingang jeder der UND-Schaltungen des ersten Satzes, mehrere Register, die je einen Eingang haben, der mit dem Umkehrausgang einer der UND-Schaltungen des ersten Satzes verbunden ist, einen zweiten Satz von mehreren UND-Schaltungen, die je einen Eingang haben, der mit dem ""usgang eines der409 8 27/0310Register verbunden ist, einen Folgeimpulsgeber mit mehreren Ausgängen, die mit dem anderen Eingang je einer der UND-Schaltungen des zweiten Satzes verbunden sind, eine ODER-Schaltung, die mehrere Eingänge besitzt, die mit dem Ausgang je einer der UND-Schaltungen des zweiten Satzes verbunden sind und einen mit dem Ausgang der ODER-Schaltung verbundenen Zähler und daß die zweite Operationsschaltung mehrere UND-Schaltungen aufweist, die je einen Eingang besitzen, der mit einer der Zählerstellen des Zählers der ersten Operationsschaltung, mit Ausnahme der niedrigstwertigen Stelle, verbunden ist, ferner einen Impulsgeber zur periodischen Abgabe eines Impulssignals an den anderen Eingang jeder der UND-Schaltungen, einen mit dem Ausgang jeder der UND-Schaltungen verbundenen. Zähler und eine mit dem Zähler verbundene Sichtanzeigeeinrichtung zur periodischen Anzeige eines durchschnittlichen Meßwerts.409827/03 10
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