DE2440321A1 - Vorrichtung zur automatischen messung von tunnel-profilen - Google Patents

Vorrichtung zur automatischen messung von tunnel-profilen

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Description

2UU321
ALCYON ELECTRONIQUE & PHYSIQUE SA, . Lausanne / Schweiz
Vorrichtung zur automatischen Messung von Tunnel-Profilen
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur automatischen Messung von Tunnel-Profilen mit Hilfe eines Lasers.
Man kennt bereits verschiedene Vorrichtungen um Tunnel-Profile auszumessen. So kennt man unter anderem eine Vorrichtung, die mit Hilfe eines fotografischen Apparates arbeitet, wobei man die Aufnahmen mit Hilfe eines Koordinatografen auswertet. Dieses Verfahren ist jedoch sehr langwierig, da man zuerst eine grosse Anzahl von Aufnahmen machen muss, wobei man anschliessend jede einzelne dieser Aufnahmen ausmessen und die Werte in Uebereinstimmung bringen muss um das Tunnel-Profil zu erhalten. Man kennt auch eine
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andere, ausschliesslich mechanische Vorrichtung, welche eine Anzahl von Tastern benötigt. Diese Vorrichtung ist schwer und kostspielig und kann nicht bei elektrifizierten Bahnlinien angewandt werden.
Es existiert ferner eine Vorrichtung, welche zwei Laserstrahlen anwendet, welche ein Dreieck bilden, dessen eine Spitze gegen die Decke gerichtet ist. Wenn das Profil den vorgeschriebenen Wert überschreitet, vereinigen sich die beiden Seiten des Dreiecks nicht mehr und man kann die Entfernung zwischen den beiden Punkten messen oder die Basis verändern bis die beiden Seiten des Dreiecks sich wieder vereinigen. Diese Vorrichtung weist jedoch noch einige Nachteile auf. Zuerst muss man feststellen, ob beide Strahlen sich vereinigen, dann muss man die Basis mechanisch verschieben, ausserdem benötigt man in diesem Fall zwei Laserstrahlen, die entweder mit einem speziell konstruierten Laser erreicht werden oder man braucht dazu zwei Laser. Insbesondere ist diese Vorrichtung nicht geeignet um gleichzeitig mehrere Längsprofile aufzunehmen und um auch die transversalen Profile aufnehmen zu können, muss man ein gebräuchliches fotografisches Verfahren anwenden.
Die vorliegende Erfindung hingegen führt eine rein optische Messung durch. Sie schlägt eine Vorrichtung vor, welche nicht die obgenannten Nachteile aufweist und die eine automatische Messung des Tunnel-Profils gewährleistet und bei Erhöhung der Anzahl von Messpunkten es gestattet gleichzeitig eine grosse Anzahl von Längsprofilen aufzunehmen und damit auch die transversalen Profile zu
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erhalten. Dies wird durch eine Messvorrichtung erreicht, die einen optischen und elektronischen Bildauswerter enthält, auf welchen der vom Auftreffen des Laserstrahls des Lasers auf die Tunnelwand herrührende Lichtfleck mittels eines optischen Systems abgebildet wird, wobei dieser Auswerter einen Wert angibt, der proportional dem Abstand zwischen der Tunnelachse und dem Schnittpunkt des Laserstrahls mit der Tunnelwand ist.
Es ist vorteilhaft eine elektronische Vorrichtung zu verwenden, die ein Mass angibt, welches proportional der Abweichung zwischen der Profillehre und dem Tunnel ist, wobei diese Vorrichtung jedesmal ein Signal gibt/ wenn diese Abweichung einen gewissen vorgeschriebenen Wert überschreitet.
Durch Vervielfachung der Anzahl von Laserstrahlen ist es möglich, automatisch das Längs- und Querprofil eines Tunnels durch Aufzeichnen und anschliessendes Auswerten zu überprüfen. Im Falle dass jedesmal, wenn der Tunnel von einem gewissen Wert abweicht, ein Signal erhalten wird, ist es möglich nur gewisse Werte aufzuzeichnen.
Die Vorrichtung wird im folgenden anhand einer beispielsweisen Zeichnung näher erläutert werden, wobei
Fig. 1 schematisch die optische Anordnung, Fig. 2 die Messcheibe,.
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Fig. 3 die elektronische Schaltung und
Fig. 4 die Anordnung der Vorrichtung auf einen Eisenbahnwagen mit einer grossen Anzahl von Lichtquellen zeigen.
Der Gaslaser 1, zum Beispiel ein He-Ne-Laser mit geringer Leistung (1 mW um nicht die Augen zu gefährden) sendet einen Strahl 2 in einer Richtung, die senkrecht zur Tunnelachse 3 steht, aus. Der Strahl schneidet die Tunnelwand 5 bei 4 und bildet einen Lichtflecken 4a. Ein optisches System 7 mit einer bestimmten Brennweite (f) entwirft das Bild 8 des Lichtfleckens 4a auf einer Scheibe 9, deren Achse 3a mit der Tunnelachse 3 zusammenfällt. Ein Interferenzfilter 10 schneidet jedes allfällige Störlicht aus, welches von der Tunnel- oder Instrumentenbeleuchtung herrühren könnte und lässt nur das zurückgeworfene Laserlicht 6 durch. Durch die Abbildung des Lichtfleckens 4a durch eine optische Vorrichtung mit bekannten Charakteristiken ist es möglich die Messung von R, welches der Abstand zwischen der Tunnelachse 3 und dem Schnittpunkt 4 ist, auf eine Messung zwischen dem Bild 8 des Lichtfleckens und der Achse der Scheibe, bzw. des Tunnels, zurückzuführen, d.h. auf eine Messung des Abstandes R1. Dieses geht aus den nachfolgenden Beziehungen der geometrischen Optik hervor:
I- und I + I7
Rp P P
wobei f die bekannte Brennweite des optischen Systems 7 ρ der bekannte Abstand des optischen Systems 7 zur Achse
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des Lasers 1
ρ1 der bekannte Abstand des optischen Systems 7 zur Scheibe 9,
welche sich in der Brennebene befindet R1 der Abstand der Scheiben- respektive der Tunnelachse zum
Bild 8 des Lichtfleckens und
R der gesuchte Abstand zwischen der Tunnelachse 3 und dem Punkt 4 ist.
Da f, ρ und p1 konstante und bekannte Werte sind, gestattet die Messung von R1 R zu finden.
In der vorliegenden Vorrichtung ist es möglich R1 automatisch mit Hilfe der Scheibe 9 zu messen. Diese Scheibe (siehe Fig. 2) enthält einen spiralförmigen Spalt 11, einen Referenzspalt 12 und eine Reihe von Spalten 13, die gleichmässig auf dem umfang verteilt sind. Die Scheibe wird mit grosser Geschwindigkeit durch einen Motor M (siehe Fig. 3) in Drehung versetzt.
Die Eigenschaften der Spirale 11 sind derart, dass eine lineare Beziehung zwischen dem Abstand R' der Mitte 3a, die mit der Tunnelachse 3 zusammenfällt zur Spirale 11, gemessen auf dem Radius 14 und der Anzahl von Spalten 13, von der Referenzspalte 12 bis zum Radius 14 gezählt, besteht. Dieses bedeutet, dass man die Messung eines Abstandes auf die Messung einer Anzahl von Spalten zurückführen kann. Die Anzahl der Spalten wird auf folgende Weise
< gezählt: wenn sich die Scheibe dreht, erscheint auf der Fotozelle
18 ein Signal, sobald die Referenzspalte 12 sich gegenüber der
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Leuchtquelle 17 befindet. Dieses Signal schaltet einen Zähler 20 ein und jedesmal wenn einer der Spalten 13 zwischen der Lichtquelle 15 und der Fotozelle 16 vorbeikommt, rückt der Zähler um eine Einheit vor. Wenn sich das Bild 8 gegenüber der Spirale 11 befindet, geht das schwache Lichtsignal durch diesen Spalt und wird durch einen Fotovervielfacher 19 verstärkt, dessen Ausgangssignal den Zähler 20 anhält. Die Scheibe 9 mit ihrem Motor einerseits und die Elementengruppe 15 - 19 und der Zähler andererseits bilden den optischen und elektronischen Bildauswerter. Durch die geeignete Auswahl der Geometrie der Spalte der Scheibe 9 ist es möglich zu erreichen, dass die Anzeige des Zählers 20 direkt den Abstand R in einem bestimmten Einheitssystem anzeigt, zum Beispiel ein. Impuls = 1 cm oder 1 Impuls = 1".
Diese Vorrichtung erlaubt die Messung einer gewissen Anzahl von Punkten auf einer Mantellinie des Tunnels. Die Anzahl von Messpunkten pro Längeneinheit hängt von der Rotationsgeschv/indigkeit der Scheibe und von der Vorschubgeschwindigkeit der Vorrichtung im Tunnel ab. Man erhält zum Beispiel mit einem Motor, v/elcher mit ungefähr 61OOO T/min, dreht und mit einer Vorschubgeschwindigkeit der Vorrichtung von 30 km/h eine Messung alle 10 cm. Wenn man ein Tunnel überprüft, begnügt man sich nicht damit, nur eine einzige Mantellinie aufzuzeichnen, man hat vielmehr Interesse gleichzeitig viele zu messen um zur gleichen Zeit die transversalen Profile des Tunnels zu erhalten. Um dies zu erreichen genügt es die Anzahl der Lichtquellen zu vervielfachen und damit auch die Anzahl der Elementengruppen 15 - 20. Es ist theoretisch denkbar einen Laser mit
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erhöhter Leistung zu verwenden und durch eine optische Vorrichtung die Anzahl von Strahlen zu vervielfachen. Aus Sicherheitsgründen
ist es jedoch vorzuziehen einen Laser pro Strahl zu verwenden, so
dass man die Anordnung 21 aus Fig. 4 erhält mit den Lasern L-...L , sämtliche senkrecht zur Tunnelachse 3 angeordnet. Die Lichtflecken S,...S an den Schnittpunkten der Strahlen mit der Tunnelwand 5,
wobei jeder Punkt ein Längsprofil P ...P bildet, werden durch ein optisches System 7 und ein Interferenzfilter 10 auf die Scheibe 9
abgebildet, während R,...R den Abstand zwischen den Schnittpunkten der Laserstrahlen mit der Tunnelwand und der Tunnelachse angeben. Der ganze optische Teil ist auf einer optischen Bank 22 angeordnet, welche sich auf einem Eisenbahnwagen 23 befindet. Die
elektronische Vorrichtung 24, welche die Elementgruppen 15 - 19
und 20 umfasst und der Motor M befinden sich hinter der Scheibe 9, während das Steuersystem und die Aufzeichnungsgeräte, welche nicht in Detail gezeigt werden, sich in der Kabine 26 des Wagens befinden.
Der Vorschub des Wagens kann mit Hilfe eines mit einem Wagenrad
verbundenen Messrades gemessen werden, wobei das Messrad einen Impuls für einen bestimmten Vorschub des Wagens abgibt.
Für jede Lichtquelle, die ein Kanal darstellt, ist eine Elementengruppe 15 - 19 und ein Zähler vorgesehen, dessen digitale Werte
durch algebraische Subtraktion mittels eines Komparators mit Referenzwerten, die dem theoretischen Profil des Tunnels entsprechen, verglichen werden. Für jeden Profiltyp werden diese Referenzen von
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— R ■"
Hand voreingestellt. Die derart ermittelte algebraische Differenz wird mittels eines Digital-Analog-Umwandlers in eine analoge Grosse (Spannung) umgewandelt. Die analoge Grosse, welche die Differenz zwischen dem theoretischen und dem wirklichen Profil darstellt, wird auf einen Schreiber registriert. Die dem Vorschub des Wagens entsprechenden Signale werden mittels eines zusätzlichen Kanals des Registriergeräts aufgezeichnet. Auf diese Weise können die digital vorliegenden Messdaten direkt mittels eines Magnetbandgerätes aufgezeichnet werden.
Ein wichtiges Element des Bildauswerters im beschriebenen Beispiel ist die Scheibe 9, welche zur Zeit aus mehreren Gründen die beste Lösung darstellt. Es ist aber durchaus denkbar, sie durch eine opto-elektronische Halbleitervorrichtung zu ersetzen, die es gestattet den Abstand eines Punktes bezüglich eines anderen aufzuzeichnen oder eine Bildröhre, zum Beispiel des Typs "Vidicon" zu verwenden.
Es ist klar, sollten aus irgendeinem Grund nur die Werte R von Wichtigkeit sein, dass es möglich ist diese auf einen Schreiber aufzuzeichnen oder nur einige Mantellinien (Kanäle) zu wählen.
Andererseits könnte es von Interesse sein an Ort und Stelle nur die Fehler des Profils festzustellen. Falls dann ein negatives Zeichen auf dem Komparator erscheint, bedeutet dies, dass der Tunnel nicht in der Norm ist. Dieses negative Signal kann dann dazu dienen einen Alarm auszulösen, welcher akustisch sein kann. Oder
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dieses Signal verursacht eine besondere Aufzeichnung auf dem
Schreiber, zum Beispiel Zeichen mit negativem anstatt positivem Vorschub.
Obwohl die Vorrichtung mittels eines Beispiels der Tunnel-Profilmessung beschrieben wurde und obwohl er hauptsächlich für diese Aufgabe vorgesehen ist, ist es durchaus denkbar diese neue Vorrichtung, mit einigen Veränderungen, in anderen Bereichen anzuwenden, ohne den Erfindungsgedanken zu verlassen. Auch ist es
denkbar einen anderen als einen Gaslaser zu verwenden, zum Beispiel einen Halbleiterlaser.
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Claims (11)

PATENTANSPRÜCHE
1. Vorrichtung zur automatischen Messung von Tunnel-Profilen mit einem Laser und einem optischen System, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen optischen und elektronischen Bildauswerter (9, M, 10, 15, 16, 17, 19 und 20) enthält, auf welchen der vom Auftreffen des Laserstrahls (2) des Lasers (1) auf die Tunnelwand (5) herrührende Lichtfleck (4a) mittels eines optischen Systems (7) abgebildet wird, wobei dieser Auswerter einen Wert angibt, der proportional dem Abstand (R) zwischen der Tunnelachse (3) und dem Schnittpunkt (4) des Laserstrahls mit der Tunnelwand ist.
2. Gebrauch der Messvorrichtung gemäss Anspruch 1 für die Ueberprüfung eines Tunnels, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzeige des Bildauswerters proportional dem Abstand zwischen der Profillehre und dem Tunnel ist, und dass jedesmal wenn dieser Abstand einen vorgeschriebenen Wert überschreitet, dies zur Kenntnis gebracht wird.
3. Vorrichtung gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anzahl η von Leuchtquellen (1) vorgesehen sind, die die gleichzeitige Messung in η Punkten S-...S , wobei jeder Punkt einer Mantellinie P1...P entspricht, der Abstände R-...R gestatten, die es beim Vorschub erlauben, nacheinander die transversalen Profile zu ermitteln.
4. Vorrichtung gemäss den Ansprüchen 1 und 3, dadurch gekennzeich-
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net, dass sie auf einem Wagen (23) aufgebaut ist.
5. Vorrichtung gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der optische und elektronische Bildauswerter aus einer drehbaren Scheibe (9) und einer Elementengruppe (10, 15 - 19) und einem Zähler (20) besteht.
6. Vorrichtung gemäss Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Scheibe (9) eine spiralförmige Spalte (11), eine Referenzspalte (12) und eine Reihe von gleichmässig über den Umfang verteilten Spalten (13) aufweist.
7. Vorrichtung gemäss Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Eigenschaften der Spirale (11) es gestatten, ein lineares Verhältnis zwischen dem Abstand (R1) des Zentrums (3a) bis zur Spirale gemessen auf dem Radius (14) und der Anzahl der Spalten (13), gezählt von der Referenzspalte (12) bis zum Radius (14), aufzustellen.
8. Vorrichtung gemäss Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung der Spalten der Scheibe (9) derart getroffen ist, dass die Anzeige des Zählers (20) direkt den Abstand (R) in einem bestimmten Einheitssystem gibt, zum Beispiel ein Impuls = 1 cm.
9. Gebrauch der Messvorrichtung, gemäss Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Ueberschreiten der Abweichung unmittelbar angezeigt wird.
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10. Gebrauch der Messvorrichtung, gemäss Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das üeberschreiten der Abweichung eine besondere Aufzeichnung auf einem Schreiber verursacht.
11. Gebrauch der Messvorrichtung, gemäss Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Üeberschreiten akustisch angezeigt wird.
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Leerseite
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