DE2718807C2 - Gerät zur Messung einer Dimension, insbesondere des Durchmessers, eines Objekts - Google Patents
Gerät zur Messung einer Dimension, insbesondere des Durchmessers, eines ObjektsInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Gerät zur Messung einer Dimension, insbesondere des Durchmessers,
eines Objekts, mit zwei gegenseitig abgleichbaren Lichtkanälen, von welchen der eine als Meßkanal, in
welchen das Objekt eingebracht wird, und der andere als Vergleichskanal dient, mit gegeneinander geschalteten
photoelektrischen Wandlern zur Erzeugung von Strömen in Abhängigkeit von der Beleuchtungsstärke in
jedem der Lichtkanäle, und mit einem Verstärker, an dessen Eingang ein der Differenz der genannten Siröme
entsprechendes Signal erscheint
Ein bekanntes Gerät die?.er Ai. (CH-PS 3 47 358)
weist in Serie an den hochohmigen Eingang des Verstärkers geschaltete Photozellen auf, die unter hoher
Betriebsspannung arbeiten. Abgesehen von dem Nachteil, daß diese Schaltungsart eine hohe Betriebsspannung
benötigt wird keine genaue und lineare Messung erzielt
Ähnliche Geräte zeigen auch die US-PS 26 99 701 und die US-PS 25 65 500. Auch hier sind mit hochohmigen
Verstärkereingängen verbundene photoelektrische Wandler vorgesehen, die mit erheblicher Betriebsspannung,
je nach den Beleuchtungsverhältnissen an verschiedenen Stellen ihrer nichtlinearen Charakteristik
arbeiten. Es ist somit auch hier keine genaue und lineare Messung möglich.
Bei einem weiteren Gerät gemäß DE-AS 21 38 999 wird zwar hohe Genauigkeit angestrebt Es ist jedoch
nur ein photoelektrischer Meßwandler vorgesehen, der auf Beugungserscheinungen anspricht Die Messung ist
in diesem Falle mit hohem Aufwand verbunden.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, mit einfachen Mitteln zugleich hohe Genauigkeit und
Linearität der Messung zu erzielen.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die photoelektrischen Wandler Photodioden sind, die
antiparallel direkt an den Eingang des Verstärkers geschaltet sind, und daß die Stromdifferenz der beiden
Dioden über einen mit dem Verstärkerausgang verbundenen Gegenkopplungswiderstand kompensiert
Die beiden Photodioden arbeiten hierbei praktisch im Kurzschluß. Es wurde festgestellt, daß unter diesen
Umständen eine Vergleichsmessung zwischen den beiden Diodenströmen erfolgt, was eine praktisch
lineare Charakteristik ergibt, indem ein weitgehend linearer, Zusammenhang zwischen der Beleuchtungsstärke und dem Diodenstrom im Kurzschluß besteht
Schaltungsaufbau und Betrieb sind sehr einfach, indem keine Betriebsspannung für die Photodioden erforderlich ist
Zu weiteren Verbesserungen des Meßergebnisses können die photoelektrischen Wandler mit Vorteil auf
gleicher Temperatur gehalten werden.
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher
erläutert
F i g. 1 zeigt schematisch den Aufbau des optischen
Teils des Gerätes;
Fig.2 zeigt schematisch den wesentlichen Teil der
elektronischen Meßschaltung,
F i g. 4 zeigt schematisch einige wahlweise mschaitbare Hilfskreise und
Das dargestellte Gerät weist eine Lichtquelle 1 und eine Optik 2 zur Erzeugung einer parallelen Beleuchtung in einem durch die optische Achse 3 gekennzeichneten Meßkanal auf. In diesen Meßkanal kann ein
feststehendes oder quer zur Achse 3 durchlaufendes Meßobjekt 4, beispielsweise ein Draht ein Kabel oder
dergleichen bzw. ein Normobjekt, eingebracht werden. Durch die Optik 5 wird das aus dem Meßkanal
austretende Licht auf einen photoelektrischen Wandler, im vorliegenden Falle eine Photodiode D1, vorzugsweise Silizium-Photodiode, geworfen. Die Beleuchtungsstärke im Meßkanal kann mittels einer Blende 6, die
durch einen Mikrometer 7 verstellbar ist fein eingestellt werden.
Im Bereiche der Optik 2 befindet sich ein Doppelprisma 8, welche 5 einen gewissen Anteil des parallelen
Lichtes seitlich auslenkt und einem Vergleichskanal mit der optischen Achse 9 zuführt In diesem Vergleichskanal befinden sich eine Blendenöffnung 10a, ein mittels
Mikrometerschraube betätigbarer Regulierkegel 11 sowie eine Optik 12, welche das den Vergleichskanal
durchsetzende Lichv auf eine der Photodiode Di
gleiche Photodiode D 2 wirft
Die Blendenöffnung 10a befindet sich in einer Blende 10 (Fig.3), die außerdem eine Blendenöffnung iOb
aufweist Die Blendenöffnungen 10a und 106 bestimmen die Querschnitte der für die Messung maßgebenden
Lichtbündel in den beiden optischen Kanälen derart daß diese Lichtbündel auch im Doppelprisma 8 und in
der Optik 2 vollständig getrennt sind. Die Blendenöffnung 10b kann sich bei dieser Anordnung über einen
Durchmesser der Oktik 2 erstrecken, was bedeutet, daß der Durchmesser der Optik nur unwesentlich größer zu
sein braucht als die durch die Länge der Blende 106 bestimmte obere Grenze des Meßbereichs.
Die beiden Dioden Di und D 2 befinden sich auf
einem gemeinsamen Träger 13 aus gut leitendem Material, beispielsweise Kupfer, welcher Träger durch
ein Heizelement 14 mittels eines nicht dargestellten Regelkreises den Träger 13 und damit die beiden
Dioden D1 und D 2 auf gleicher Temperatur hält Diese
Temperatur wird im vorliegenden Falle genügend hoch über der Umgebungstemperatur gehalten, so daß für
alle Fälle die beiden Dioden praktisch dieselbe Temperatur aufweisen. Es könnte auch zum Beispiel
mittels Peitier-Element auf konstante Temperatur gekühlt werden.
Wie F i g. 2 zeigt sind die beiden Dioden D1 und D 2
antiparallel an den Eingang eines Operationsverstärkers Vi angeschaltet Diesem Verstärker sind ein Kompensationswiderstand R1 und ein Gegenkopplungswiderstand R 2 zugeordnet Diese Widerstände weisen
ι ο ähnliche Werte gleicher Größenordnung auf und sind so
bemesssen, daß der Gegenkopplungswiderstand R 2 die Stromdifferenz Ai= /1-/2 der beiden Photodioden
D1 und D 2 kompensiert Der Ausgang des Operationsverstärkers Vl ist über einen regelbaren Widerstand
is R3 und einen festen Widerstand A4 mit dem einen
Eingang eines Meßverstärkers V2 verbunden. Diesem Meßverstärker sind ein Kompensationswiderstand R 5
und zur Wahl des Verstärkungsbereiclies umschaltbare
Gegenkopplungswiderstände R6,R7und R8 zugeord
net die mittels eines Bereichsschalters 51 wahlweise
eingeschaltet werden können. Die Verstärkung des Verstärkers V2 ist so ausgelegt, ci?3 er bei einer
Aussteuerung von über 100% des vorgewählten Bereichs sättigt Der nachfolgende, aus den Widerstän
den R9 und Ä10 gebildete Spannungsteiler teilt die
Ausgangsspannung U2 des Verstärkers V2 derart, daß die Eingangsspannung i/3 an einem Trennverstärker
V 3 bei 100% der geforderten Normalspannung entspricht Der Trennverstärker K3 weist einen
jo Verstärkungsfaktor von 1 auf, so daß die Ausgangsspannung (Ja gleich ist der Spannung t/3, und diese
Ausgangsspannung kann als normierter Meßwert weiter verstärkt werden. Durch die Sättigung des
Verstärkers V2 ist der Ausgangswert begrenzt
Zur Messung einer Dimension, insbesondere des Durchmessers eines Objekts, wird das dargestellte
Gerät wie folgt vorbereitet und betrieben:
Die Lichtquelle 1 wird eingeschaltet und vorzugsweise mit nichtdargesteliten Mitteln auf konstante Belsuch-
tungsstärke geregelt Das Licht gelangt in der dargestellten Weise einerseits durch den Meßkanal und
anderseits durch den Vergleichskanal zu den Photodioden Di und D 2. Die Blende 6 wird mittels des
Mikrometers 7 in ihre Nullstellung, d. h. in die einem
Durchmesser Null entsprechende Stellung, gebracht.
Sodann wird durch axiale Verstellung des Regulierkonus 11 im Vergleichskanal die Lichtstärke in diesem
Kanal so lange geregelt bis die Anzeige auf Null geht Damit ist der Abgleich beendet Zum Messen wird die
Blende 6 in die dem Sollwert entsprechende Stellung gebracht Will man in einem bestimmten Meßbereich
die absolute Genauigkeit speziell abgleichen, wird in den Meßkanal ein Normalobjekt mit Solldurchmesser
eingebracht und die Blende 6 wird mittels des
Mikrometers 7 in die dem Sollmaß entsprechende
Stellung gebracht Ffir diese Einstellung wird nun die Anzeige am Anzeigeinstrument durch Verstellen des
Regelkonus wiederum auf Null gebracht. Zur Eichung der Empfindlichkeit wird mittels des Mikrometers 7 eine
nominelle Sollwertr bweichung eingestellt. Mittels dem
regelbaren Widerstand R 3 kann die Ausgangsspannung L/3 auf den normierten Wert abgeglichen werden Nach
dem einen oder anderen oben angegebenen Abgleich ist das Gerät für die Messung vorbereitet, und es kann im
letzteren Falle anstelle des Normobjekts ein Meßobjekt
. in den Meßkanal gebracht werden. Entspricht der
Durchmesser des Meßobjekts genau demjenigen des vorher eingebrachten Normobjekts, dann wird die
Anzeige auf Null stehen, d. h. die Abweichung vom Sollmaß beträgt Null. Bei zu großer oder zu kleiner
Abmessung des Meßobjekts 4 ist die Beleuchtungsstärke an der Diode D 1 niedriger oder höher und damit der
Photostrom in dieser Diode niedriger oder höher als in > der Vergleichsdiode D 2. Es entsteht damit eine
Stromdifferenz Δι, welche in der oben erwähnten Weise
durch die Gegenkopplung des Operationsverstärkers Vl kompensiert wird, so daß am Verstärkereingang
eine dem Wert Null zustrebende Spannung e auftritt. Damit wird erreicht, daß die beiden Dioden D1 und D 2
im Arbeitsbereich praktisch linear arbeiten, und daß somit die Anzeige ein direktes Maß für die Abweichung
vom Sollmaß im positiven oder negativen Sinne darstellt. Mit anderen Worten wird die Stromdifferenz ι >
Ai = /1 — /2 kompensiert durch den Gegenkopplungsstrom , woraus folgt, daß die Ausgangsspannung U1
R 2
proportional zur Stromdifferenz Διund somit proportional
zur Differenz der Beleuchtungsstärke an den ■?"
Dioden D 1 und D 2 ist. Die Linearität und Genauigkeit der Messung und Anzeige wird weiterhin dadurch
verbessert, daß die beiden Photodioden D\ und D 2 thermostatisch auf gleicher Temperatur gehalten
werden, daß die Lichtstärke der Lichtquelle 1 geregelt -'"i wird, und daß gleiche Dioden verwendet werden, die bei
Sollwert mit gleicher Beleuchtungsstärke beaufschlagt werden.
Dem Ausgang A des Meßkanals nach F i g. 2 können beliebige geeignete Zusatzaggregate nachgeschaltet in
werden. Eine Direktanzeige kann mittels Zeigerinstrument oder Digitaivoltmeter erfolgen. Es kann gemäß
F i g. 4 zum Beispiel wahlweise ein Integrationsglied, bestehend auf einem Seriewiderstand RW und einem
parallel geschalteten Kondensator CH, in den Kanal J5
eingeschaltet werden, um rasche Variationen zu unterdrücken. Umgekehrt ist es möglich, ein Differentiationsglied,
bestehend aus einem Seriekondensator C12 und einem parallel geschalteten Widerstand R 12,
vorzusehen, um schnelle Variationen, wie sie beispiels- w weise beim Durchlaufen von Knoten des Meßobjektes
auftreten, sicher zu erfassen, ohne daß langsame Sollwertänderungen störend wirken. Mit dem Ausgang
kann ferner ein Regler 15 verbunden sein, der beispielsweise bei der Kabelproduktion die Abzugsgeschwindigkeit
und/oder die Isolationsstoffmenge in Abhängigkeit des Meßergebnisses zu steuern gestattet
Es kann auch eine Schaltung zur Toleranzüberwachung gemäß Fig.5 vorgesehen sein, in welcher der
Meßwert mit zwei einstellbaren Vorgabewerten verglichen wird. Ein positiver und ein negativer Vorgabewert,
die an Widerständen R 13 und R 14 einstellbar sind, werden je einem Eingang eines von zwei Differentialverstärkern
16 und 17 zugeführt, während der Meßwert vom Ausgang A den beiden verbleibenden Eingängen
der Differentialverstärker zugeführt werden. Die Ausgänge der Differentialverstärker sind mit den
Eingängen eines ODER-Tors 18 verbunden, dessen Ausgang die Anzeige 19 oder eine geeignete Alarmvorrichtung
steuert Wird ein bestimmter Toleranzwert in w> positiver oder negativer Richtung überschritten, gelangt
ein Ausgangssignal vom einen Verstärker über das ODER-Tor, womit das Überschreiten einer Toleranz
angezeigt und/oder ein Alarm bewirkt wird Werden die
Ausgänge der Verstärker 16 und 17 separat herausgeführt, so kann auch eine Korrektur bewirkt werden.
Die Toleranz- oder Grenzwertüberwachung ist sehr wirkungsvoll dank der hohen Stabilität und Grenzfrequenz
der kontinuierlich arbeitenden Meßvorrichtung, und dank der kurzen Ansprechzeit der Toleranzüberwachung
selbst. Es ergibt sich dabei gesamthaft bei sehr kurzer Ansprechzeit eine hohe Stabilität und Anzeigegenauigkeit.
Die Grenzwertüberwachung kann als wirksamer Knotenwächter dienen.
Die oben beschriebenen Abgleich- und Eichvorgänge können auch automatisiert werden. Zu diesem Zweck
wird der Mikrometer 7 mit einem Servomotor verbunden, der über einen geeigneten Regler durch das
Meßsignal gesteuert wird. Zum Nullabgleich wird ohne Objekt im Meßkanal die über den Regler vom
Servomotor gesteuerte Blende 6 so weit geschlossen, daß auf gleiche Beleuchtungsstärke in den beiden
optischen Kanälen geregelt ist. Danach ist der Regulierkegel 11 so zu verstellen, daß der Mikrometer
nach erfolgtem Nullabgleich auf Null steht. Anschließend wird das Servosystem ausgeschaltet und die
Blende 6 automatisch mit dem Servomotor über einen Vorwahlzähler bis zum SollmaU geöffnet. Nach dem
Einführen des Meßgutes in den Meßkanal kann an einem besonderen Anzeigeinstrument die Sollwertabweichung
abgelesen werden.
Der Vorwahlzähler kann aber auch nach Erreichen des vorgewählten Sollmaßes auf Null gesetzt und ein
Meßobjekt in den Meßkanal eingebracht werden, worauf das Servosystem wieder eingeschaltet wird. Die
Blende 6 wird nun automatisch nachreguliert, so daß die optischen Kanäle dauernd abgeglichen sind. Der
Vorwahlzähler ist als Auf-Ab-Zähler geschaltet und erfaßt die Verstellungen in beiden Richtungen um den
Sollmaßnullpunkt. Somit kann der Zählerstand digital als Sollmaßabweichung direkt und dauernd abgelesen
werden.
Der oben beschriebene Vorgang zum Erreichen der Sollwertposition kann in dem Sinn abgewandelt werden,
daß ein Normobjekt in den Meßkanal gebracht wird, worauf man die Blende automatisch in die Normwertstellung,
die dem gewünschten Sollwert entspricht, laufen läßt. Die Messung und Anzeige der Abweichung
vom Sollwert kann zum Beispiel erfolgen wie oben beschrieben.
Es wäre schließlich auch möglich, nach Durchführung des Nullabgleiches ohne Objekt wie beschrieben, das
Servosystem und den Zähler dauernd eingeschaltet zu lassen, d. h. dem Meßobjekt dauernd nachzuführen.
Damit würde der Zählerstand immer den gemessenen Absolutwert anzeigen.
Als weitere Variante könnte das System mit der Absolutwertanzeige mit einem zweiten Zähler erweitert
werden, welcher bei Sollmaß auf Null gesetzt wird und wie schon beschrieben die Sollwertabweichung erfaßt,
das heißt, daß man die beschriebenen Systeme kombiniert
Es wäre schließlich auch möglich, wie beschrieben von Hand oder automatisch während der Produktion
bei Bedarf einen neuen Nullabgleich vorzunehmen. Zu diesem Zwecke müßte das durchlaufende Meßobjekt,
zum Beispiel ein Kabel, vorübergehend aus der Meßposition ausgehoben werden. Dann wird die Blende
6 in Nullstellung gebracht und der Abgleich wird damit vorgenommen, daß der Zählerstand auf Null gebracht
wird. Sodann wird die Blende wieder in Sollmaßstellung gebracht Bei automatischer Blendenverstellung kann
der Nullabgleich und nach Wiedereinführung des Meßobjekts in der. optischen Meßkana! die Rückführung
der Blende in die Istmaßstellung automatisch erfolgen.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
Claims (14)
1. Gerät zur Messung einer Dimension, insbesondere des Durchmessers, eines Objekts, mit zwei
gegenseitig abgleichbaren Lichtkanälen, von welchen der eine als Meßkanal, in welchen das Objekt
eingebracht wird, und der andere als Vergleichskanal dient, mit gegeneinander geschalteten photoelektrischen
Wandlern zur Erzeugung von Strömen in Abhängigkeit von der Beleuchtungsstärke in jedem
der Lichtkanäle, und mit einem Verstärker, an dessen Eingang ein der Differenz der genannten
Ströme entsprechendes Signal erscheint, dadurch
gekennzeichnet, daß die photoelektrischen Wandler Photodioden (D 1, D 2) sind, die antiparallel
direkt an den Eingang (e) des Verstärkers (Vi) geschaltet sind, und daß die Stromdifferenz der
beiden Dioden über einen mit dem Verstärkerausgang verbundenen Gegenkopplungswiderstand
(R 2) kompensiert ist
2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß die Photodioden (Di, Di) auf gleicher
Temperatur gehalten sind.
3. Gerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Photodioden (Di, D2) auf einem
gemeinsamen, heiz- oder kühlbaren Träger (13) angeordnet sind und mit demselben auf eine über
oder unter der Umgebungstemperatur liegende Temperatur aufheiz- oder kühlbar sind.
4. Gerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des Trägers (13) bzw. der
Photodioden (Di, D2) thermostatisch geregelt ist
5. Gerät nach einem der Anbrüche 1 —4, dadurch
gekennzeichnet daß d-?r Gegenkopplungswiderstand (R 2), der Eingang (e) einer Operationsverstärkers
(Vi) und ein Kompensationswiderstand (R 1) in Serie geschaltet sind.
6. Gerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Gegenkopplungswiderstand (R 2) und
der Kompensationswiderstand (R i) Werte gleicher Größenordnung aufweisen.
7. Gerät nach einem der Ansprüche 1 -6, dadurch gekennzeichnet daß in den elektrischen Meßkan J
ein Differentiationsglied (R\2, C12) geschaltet ist
um rasche Meßwertänderungen sicher zu erfassen, ohne daß langsame Meßwertänderungen störend
wirken.
8. Gerät nach einem der Ansprüche 1 — 6, dadurch gekennzeichnet, daß in den elektrischen Meßkanal
ein Integrationsglied (7711, CIl) geschaltet ist um so
rasche Meßwertänderungen zu unterdrücken.
9. Gerät nach einem der Ansprüche 1 -8, dadurch gekennzeichnet daß ein Toleranzüberwachungskreis
(Fig.5) zum Vergleich des Meßwertes mit zwei Vorgabewerten, die unter bzw. über dem
Sollmeßwert liegen, vorgesehen ist, der beim Überbzw. Unterschreiten eines der Vorgabewerte ein
Warn- bzw. Alarmsignal abgibt
10. Gerät nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet
daß der Toleranzüberwachungskreis (Fig.5) zwei Differentialverstarkef (16, 17) aufweist, deren
Ausgänge mit einem ODER-Tor (18) verbunden sind, dessen Ausgang das Warn- bzw. Alarmsignal
abgibt wobei je ein erster Eingang jedes Differentialverstärkers mit dem Ausgang (A) des Meßkanals
und je ein zweiter Eingang jedes Differentialverstärkers mit einer Quelle (R 14, R 13) für einen der
Vorgabewerte verbunden ist.
11. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß einstellbare Blenden (6, 11) zur Regelung der Beleuchtungsstärke sowohl im Meß- als auch im
Vergleichskanal angeordnet sind, wobei die Blende (6) im Meßkanal (3) mittels einer Mikrometerschraube
(7) einstellbar ist
IZ Gerät nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet
daß ein Servoregler zum automatischen Verstellen der Blende (6) im optischen Meßkanal (3)
zwecks Regelung der Lichtstärke im Meß- (3) und Vergleichskanal (9) auf gleiche Werte vorgesehen
ist
13. Gerät nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet daß der Servoregler mit einem Meß- und
Anzeigesystem gekoppelt ist das einen der Stellung der Blende (6) entsprechenden Meßwert mißt bzw.
anzeigt
14. Gerät nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet daß ein Servomotor, der die
Position des Systems erfaßt zum Beispiel ein Schritt-Servomotor vorgesehen ist
Ί5. Gerät nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet
daß dem Schritt-Servomotor ein Schrittzähler parallelgeschaltet ist wobei die Stellung des
Zählers derjenigen des Schritt-Servomotors bzw. der Blende (6) entspricht
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