DE2553321C2

DE2553321C2 - Anordnung zur berührungslosen Messung der Geschwindigkeit nach dem Korrelationsprinzip mit mehreren Meßfühlern

Info

Publication number: DE2553321C2
Application number: DE19752553321
Authority: DE
Inventors: Rainer Dipl.-Ing. 7500 Karlsruhe Fritsche; Franz Prof. Dr. Mesch
Original assignee: Ernst Leitz Wetzlar GmbH
Current assignee: Leica Microsystems Holdings GmbH
Priority date: 1975-11-25
Filing date: 1975-11-25
Publication date: 1985-07-25
Also published as: DE2553321A1

Description

tionsfunlction Φυ\υ₂ durch Aufsuchen der dem Maximum zugeordneten Nullstelle der abgeleiteten Korrelationsfunktion (bzgL der auf 1 Bit quantisierten Signale sgn u_t(t) und sgn u₂(t) Φφ «^« bei ν = ^bestimmt (vgL Meßtechnik, Juli 1971, S. 152 ff »Geschwindigkeitsmessung mit Korrelationsverfahren«, F. Mesch, H.-H. Daucher und R. Fritsche, Karlsruhe).

Maßgebend für das Verhalten des Regelkreises ist bei der Polaritätskorrelation die Funktion

R_n = lim —— j Xu (ί, Ti₂) d /

mit einem Reglereingangssignal x\ ₂(t, η ₂), das im Falle der Polaritätskorrelation beispielsweise in der Form x\i(t, tu) = [sgn ui(t-T\₂) - sgn u₂(tj\ sgn-^u₂(O

dargestellt werden kann.
Tstellt die Meßzeit dar.

Der integrand Xi₂(U Ti₂) wird bei der bekannten Anordnung mit Hilfe elektronischer Mittel aus den beiden Meßfühlersignalen mit Hilfe elektronischer Mittel aus den beiden Meßfühlersignalen u_t(t) und u₂(t) gewonnen und über einen Dreipunktregler dem Eingang eines Integrationsglifcdes zugeführt, dessen Aus^angssignal über einen Spar.nungsfrequenzwandler die Modeüaufzeit eines das Signal u\(t) verzögernden Scvüberegisters verstellt Um zu verhindern, daß sich dieser Regelkreis auf ein Nebenmaximum der Korrelationsfuiktion Φυι u₂ einstellt wird Ln der genannten Patentschrift vorgeschlagen, einen weiteren Meßfühler in Bewegungsrichtung nahe bei dem ersten Meßfühler anzuordnen, welcher zusammen mit diesem auf einen zweiten unabhängigen Regelkreis, der die Geschwindigkeit grob mißt und sie dem Korrelator als Anfangsbedingung vorgibt Es ist dabei als nachteilig anzusehen, daß hierzu Umschalteinrichtui.gen zwischen Grob- und Feinkreis sowie ein gesonderter Integralregler und Spannungsfrequenzwandler für den Grobkreis notwendig sind.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, eine Anordnung anzugeben, die es gestattet, für beliebige Korrelationsverfahren ein Einstellen auf falsche Extrema der Korrelationsfunktion unter Vermeidung der erwähnten Nachteile in einfacher Weise zu verhindern. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs gelöst.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel nach der Erfindung anhand der F i g. 1 und 2 näher erläutert.

In der F i g. 1 sind mit Mu M₂ und M₃ die Meßfühler bezeichnet die die Oberfläche des Objektes O, das sich mit der Geschwindigkeit ν in Pfeilrichtung bewegt abtasten und infolge der Rauhigkeit der Oberfläche statistisch schwankende, elektrische Signale u_x (t), u₂(t) und U₃(O erzeugen.

In einem Block X werden hieraus mit elektronischen Mitteln drei Reglereingangssignale x\₂(t, Γ12), xiz(t, r\₂) und x₂i(t, T₂₃) gewonnen, welche beispielsweise je nach der Art des verwendeten Korrelationsverfahrens die folgende Struktur haben können:

(1) Genaue Korrelation mit Differenzierer: Xik(U Tik) = [u{t-r,k) - Uk(O] ■ "df ** (0

(2) Korrelation mit angezapfter Laufzeit statt Differenzierer:

Xik(t. Tile) = [U(t-Zra-Tn) - u/t-Tii + Tb)] ■ Uk(t)

(3) Polaritätskorrelation mit angezapfter Laufzeit statt Differenzierer:

Xik(t, Tik) = [sgn u(t—Tik- Td) — sgn u(t—T_ik + T_D)] ■ sgn Uk(t)

(4) Relaiskorrelation mit Differenzierer:

Xik(t,Tik) = [sgn Ui (t- Tik)] ■ -^ Ut(O

(5) Polaritäskorrelation mit Differenzierer:

f\ Cf)

Xik(t, tik - [sgn u(t-Tik) - sgn Uk(tJ\ ■ sgn-^- Uk(t)
U= 1A3

Dabei ist mit r,* jeweils die Modellaufzeit bezeichnet, um die das Signal u, gegenüber dem Signal u* künstlich verzögert wird.

Zwischen der genauen Korrelation (keine Quantisierung) und Polaritätskorrelation (Qantisierung aller Signale auf 1 bit) sind die verschiedensten Zwischenstufen (Quantisierung auf einige bit) möglich. Dabei können die zu korrellierendcn Signale auch verschieden quantisiert sein; so wird bei der Relaiskorrelation ein Signal gar nicht, das andere auf 1 bit quantisiert.

Wie die Gleichungen zeigen, läßt sich z. B. bei allen diesen Formen der Differenzierer auch ersetzen durch eine angezapfte Laufzeit, denn es gilt angenähert für Td < r,*:

[u,(t-r_ik-T₀)-U₁(I-τ,, + Το)) ■ u_kU) ~-2T_d-f «iC-»») ' ^U*W·

d/

In dem Blockschaltbild gemäß der F i g. 1 werden die Signale x\it, Γ12), xn(t. Tu) und Xn(t. Γ23) nach Addition A dem Eingang des Integralreglers / zugeführt, dessen Ausgangsspannung m nach Rückführung zu den in dem Block X enthaltenen Verzögerungsgliedern (nicht dargestellt) die Modellaufzeiten r,n derart verstellt, daß zu jedem Zeitpunkt zwischen ihnen und den Meßfühlerabständen In die Relation

/13 : /11 : hi — Fu : fu : Γ3.1

erfüllt ist.

Insgesamt werden bei der erfindungsgemäßen Anwendung Regelkreise parallel geschaltet.
Die Wirkung dieser Parallelschaltung läßt sich am besten verdeutlichen durch Betrachtung der zugehörigen Korrelationsfunktionen. F i g. 2a zeigt schematisch die drei Korrelationsfunktionen Φ\ι, Φη und Φη für die drei Signale u\, 1/2 und U₃. Für die den ersten Abteilungen dieser Korrelationsfunktionen zugeordneten Regelkreisfunktionen Ä,* gilt

r
Λ,* = lim -— · \x_ikdi

Lk- U
Lk- 1,3
Lk = 23

Trägt man sie in normierter Form auf, d. h. über die Zeit rn jeweils bezogen auf die entsprechende Laufzeit

Hk
Μι· Mj bzw. Τη, mit Tik = —■ so ergeben sich die in F i g. 2b dargestellten Kurven. Als Gesamtkennünie für den

Reglereingang wirkt nun die Summe dieser normierten Ableitungen, so daß sich die in F i g. 2c gezeigte gemeinsame Kennlinie

RgCS =Äl2 + R\i + R73

für den Regelkreis mit der Abgleichsbedingung R_gcs = 0 ergibt. Wie ersichtlich, ist der Bereich des sicheren Einschwingens (R_g„ positiv für τ,*/7/*< 1, negativ für z>/7/*> 1) viel größer geworden. Dabei ist der Einzugsbereich um so größer, je »flacher« die Kennlinie R_gts verläuft, je kleiner also der Abstand der beiden Meßfühler für den »Grobkreis« ist

Durch die erfindungsgemäße Anordnung wird also bei geeigneter Wahl der Meßfühlerabstände das Einschwingen des Korrelators auf ein Nebenmaximum vermieden. Darüber hinaus ergeben sich durch die Parallelschaltung von drei Regelkreisen besonders günstige Verhältnisse hinsichtlich der Kompensation von Fehlereinflüssen unter Berücksichtigung des verhältnismäßig geringen Aufwandes. Durch das Zuschalten weiterer Re£ Ά-kreise kann das Verfahren prinzipiell weiter verbessert werden.

Hierzu 2 Biatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Anordnung zur berührungslosen Messung der Relativgeschwindigkeit eines Objektes nach dem Korrelationsprinzip mittels in Bewegungsrichtung des Objektes bzw. der Meßapparatur hintereinander angeordneter Meßfühler, die der physikalischen Struktur des Objektes entsprechende, um die Laufzeit ^gegeneinander verschobene Signale u(t), uift) = u(t—T) erzeugen, aus denen mit Hilfe eines Verzögerungsgliedes zur Einstellung einer Modellaufzeit τ und weiteren elektronischen Mitteln ein Reglereingangssignal xn(t, τ) gewonnen wird, das einem Integralregler zugeführt wird, dessen Ausgangssignal die Laufzeit rdes Verzögerungsgliedes derart verstellt, bis das Ausgangssignal des Integrationsgliedes bei ν = T abgeglichen ist, ίο dadurch gekennzeichnet, daß

a) insgesamt drei hintereinander in Bewegungsrichtung angeordnete Meßfühler M₁, M₂, M₃) vorgesehen sind mit Meßfühlerabständen/12 i/u = M\ M₂\l_l3(l_i3 = M₁ M₃) und Z₂₃ (I₂₃ = M₂M₃ = I_i3—/12) weiche drei Signale u\(t) u₂(t)ima U₃(I) erzeugen und daß

b) insgesamt drei Verzögerungsglieder vorgesehen siid zur Einstellung dreier Modellaufzeiten Ti₂, i.13 und Γ23 zur Verzögerung des Signals ui(t), gegenüber u₂(t), des Signals u\(t)gegenüber U₃(I) und des Signals U^t), gegenüber U₃(I), und daß
c) mit Hilfe weiterer elektronischer Mittel insgesamt drei Reglereingangssignale

Xi i(l> *i 2), x\ jft ΖΊ 3) und x₂₃(t, T₂₃)

gewonnen werden, welche nach Addition (A) dem Eingang des Integralreglers (I) zugeführt werden, dessen Ausgangssignal (ui) die Modellaufzeiten der Verzögerungsglieder derart verstellt, daß zu jedem Zeitpunkt zwischen Meßfühlerabständen und den Modellaufzeiten die Relation

/12 : A3 : /23 = T\₂ : Ti₃ : T₂₃

besteht.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs.
Bei der Geschwindigkeitsyness^ng laufender Bänder aus Blech oder Papier, von Knüppeln, Drähten oder anderem Walzgut besteht häufig uer Wunsch, die üblichen Laufrollen durch ein berührungsloses Meßverfahren zu ersetzen. Der Grund dafür liegt entweder bei Warmwalzwerken in der hohen Eigentemperatur des Walzgutes, oder wie bei Papier und Feinblech in der Empfindlichkeit der Oberflächen; oft stört auch der Meßfehler infolge des Schlupfes von Laufrollen, 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 Tdes betreffenden Mediums zwischen zwei festen Punkten gemessen wird. Bei bekanntem Abstand /

zwischen diesen Punkten ist die Geschwindigkeit ν = -=. Laufzeit-Messungen sind weit verbreitet, sofern

determinierte periodische oder impulsförmige Signale zur Verfugung 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 statistische Schwankungen erzeut. In diesen Fällen ist die Laufzeit aus den von zwei geeigneten Meßfühlern aufgenommen 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 Blr-chbändern in Walzwerken. Des weiteren hat es bei der Geschwindigkeitsmessung von Flugzeugen über Grund mit Radarsignalen sowie zur akustischen Abstandsmessung beim Empfang von Schall- und Funksignalen zur Ortung, zum gerichteten Empfang u. dgl. Anwendung gefunden.

Dabei ist es prinzipeil gleichgültig, ob die abzutastende Oberfläche oder das Meßfühlerpaar als ruhend betrachtet werden, da nur die Relativgeschwindigkeit von Bedeutung ist. Der Grundgedanke des Korrelationsverfahrens ist folgender: Zwei in Bewegungsrichtung hintereinander angeordnete Meßfühler erzeugen die Signale u\(t) und u₂(t). Im Idealfall sind beide Signale von identischer Form und nur um die Laufzeit !"gegeneinander verschoben:

U₂(I)= U₁(I-T).

Das Meßverfahren beruht nun darauf, daß das Signal ui(t)des ersten Meßfühlers künstlich ebenfalls verzögert wird, und zwar um eine Modeüaufzeit τ, die der Korrelationsrechner auf r = Γ einstellen muß. Der Vergleich beider Laufzeiten wird über den Vergleich der beiden verzögerten Signale u₂(t) = u\(t—T) durchgeführt. Allgemein ausgedrückt muß der Korrelationsrechner die mittlere quadratische Abweichung beider Signale zum Minimum machen. Das heißt also, daß von der Korrelationsfunktion Φ_υ,υ,(τ) der beiden Signale das Maximum aufzusuchen ist, das gerade bei r = Tliegt.
Gemäß DE-PS 21 33 942 wird diese Aufgabe durch eine Anordnung gelöst, welche das Maximum der Korrela-