DE2756364B2

DE2756364B2 - Fotoelektrische Nivellierlatte

Info

Publication number: DE2756364B2
Application number: DE19772756364
Authority: DE
Inventors: Paul 4650 Gelsenkirchen Weddig
Original assignee: Ruhrkohle AG
Current assignee: RAG AG
Priority date: 1977-12-17
Filing date: 1977-12-17
Publication date: 1980-12-18
Also published as: DE2756364A1; DE2756364C3

Description

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Die Erfindung betrifft eine fotoelektrische Nivellierlatte, deren Meßbereich übereinander angeordnete lichtempfindliche Blättchen von Fotodioden trägt, mit denen impulse eines Lichtstrahles aus einem als Nivellierinstrument dienenden Lasersender abgetastet -to werden. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf fotoelektrische Nivellisrlatten, bei denen der Lasersen der auf einem Drehgestell montiert ist und um eine im wesentlichen senkrechte Achse rotiert; dazu ist der Sender meistens notorisch angetrieben. v,

Solche Nivelliereinrichtungen, mit denen Höhenunterschiede zwischen verschiedenen Punkten im Gelände festgestellt werden, unterscheiden sich von den bisher üblichen Nivellierinstrumenten, die ein auf einem drehbaren Instrumententräger festes Fernrohr aufwei- >n sen, dessen Zielachse mit einer oder mehreren Wasserwaagen sehr genau in die Horizontale gestellt werden kann. Bei der Messung werden ausgehend von einem seiner Höhenlage nach bekannten Punkt die Höhenunterschiede zu anderen Punkten ermittelt. Dazu γ, wild die Nivellierlatte auf dem jeweiligen Punkt aufgestellt. Die Nivellierlatte weist einen Meßbereich mit Teilungen auf, die mit dem Fernrohr anvisiert und festgestellt werden. Die ermittelten Teilungen des Meßbereiches geben Höhen wieder, die von der w> Meßlatte unmittelbar abgelesen werden können. Allerdings hängt bei derart einfach aufgebauten Nivellierlaiten die Meßgenauigkeit weitgehend von der Geschicklichkeit des Bedienungspersonals ab und läßt sich auch nicht beliebig steigern. ηί

Günstiger sind demgegenüber Nivellierinstrumente, deren Zielachse durch einen Laser wiedergegeben wird, dessen Strahl rotiert. Voraussi i/.ung für derartige Nivellierinstrumente ist eine fotoelektrische Latte, Sie weist gemäß einer bekannten Ausführungsform in ihrem Meßbereich einen Zeiger mit einer Fotozelle auf, der von einem Antrieb über den Meßbereich auf- und abwärts bewegt werden kann. Wird die Fotozelle von dem Laserstrahl getroffen, so wird der Antrieb stillgesetzt und der Zeiger arretiert Er steht deshalb an der Stelle des Meßbereiches der Latte, an eier der Strahl auftrifft Die Ablesung des Meßwertes ergibt sich aus der Stellung des Zeigers. Seine Genauigkeit hängt einerseits von der Laserstrahlbreite ab, die mit der Entfernung vom Lasersender zunimmt Deswegen ist die Einsatzmöglichkeit einer solchen optischen Nivellierlatte auf einen verhältnismäßig geringen Radius um den Lasersender, der bei praktischen Ausführungsform des bekannten Instrumentes kleiner als 200 m ist begrenzt. Andererseits entstehen Meßfehler dadurch, daß der zusammen mit der Fotozelle auf der Nivellierlatte auf- und abwärts bewegliche Zeiger beim Auftreffen des Laserstrahles abgebremst werden muß. Der Zeiger hat dadurch einen gewissen Nachlauf.

Auch die eingangs bezeichnete optische Nivellierlatte ist bekannt (Dissertation Aachen, 1969, Wenzel, S.). Diese Latte trägt auf ihrem Meßbereich vierundfünfzig vertikal übereinander angeordnete elektronische Bauelemente, sowie parallel zu diesen Linsen, die den Laserstrahl in der Horizontalen bündeln und dafür sorgen, daß praktisch die gesamte Beleuchtungsstärke auf eines der Fotoelemente konzentriert wird. Die zylindrische Linse bündelt den Lichtstrahl jedoch parallel zur Fotoelementleiste, so daß der Laserstrahl nur in horizontaler Richtung zusammengezogen wird. Die hierfür verwendbaren Fotoelemente sind sehr empfindlich und müssen deswegen gegen Fremdlicht entsprechend abgeschirmt werden. Bei Ausfall eines Fotoelementes treten erhebliche Meßfehler auf.

Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß bei rotierendem Lasersender der den Meßbereich der Nivellierlatte überstreichende Latrstrahl elektronisch in vertikaler Richtung zu einer Linie zusammengezogen werden kann, wenn man den Meßwert aufgrund einer Rechenoperation mit Hilfe eines Programms ermittelt, das für jeden Meßwert die Signale mehrerer Fotodioden verarbeitet.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugruide, für eine nach dieser Erkenntnis arbeitende Meßeinrichtung eine fotoeiektrische Nivellierlatte zu schaffen, mit der gegebenenfalls durch einen angeschlossenen Computer die mit den Höhenmessungen verbundenen Arbeiten in ihrer Genauigkeit erhöht und bei ihrer Auswertung vereinfacht werden können.

Bei einer optischen Nivellierlatte mit den eingangs bezeichneten Merkmalen wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Blättchen zu einer Vielzahl von die Länge des Meßbereiches abdeckenden und zueinander parallelen Leisten angebracht sind, in denen jeweils eine Reihe der mit Ausnahme der den Enden des Meßbereiches zugeordneten Blättchen gleiche, in Leistenrichtung verlaufende Höhen aufweisende und einander benachbarte Blättchen untergebracht sind, und daß die Blättchen Zeilen bilden, deren in Querrichtung verlaufende Kanten durch die Kanten der um gleiche Teilhöhen von in gleicher Leistenrichtung gegeneinander versetzt angeordneten Blattchen derselben Zeile gebildet sind.

Mit einer erfindungsgemäß ausgebildeten fotoelektri· sehen Nivellierlatte kann man nun jeder Diode einen bestimmten Wert elektrisch zuordnen, wenn man die

Leisten mit einem elektrischen Rechengerät verbindet Diese Gewichtung der Dioden ist in den Leisten und in den Zeilen unterschiedlich. Wenn nun der Laserstrahl den Meßbereich in Querrichtung überstreicht, so Hefern die Dioden der bestrichenen lichtempfindlichen Blatt- ι chen Signale, die nach den Gewichten und nach der Anzahl elektrisch dargestellt und weiter verarbeitet werden können. Darunter kann eine Speicherung, eine Digital- oder araloge Anzeige und/oder eine weitergehendere Rechenoperation verstanden werden. ι ο

Es läßt sich zeigen, daß die Meßgenauigkeit von der Größs des Blättchenversatzes derart abhängt, das, je kleiner der Versatz, um so größer die Meßgenauigkeit ist Danach wählt man die Größe des Versatzes. Wenn man die Zeilenzahl bestimmen will, gilt die Voraussetzung, daß es sich um eine ganze Zahl handeln muß und daß die gesuchte Zahl das Ergebnis einer Funktion aus dem Quotienten aus Blättchenhöhe und Blättchenversatz ist

Da die Blättchen andererseits mit den beschriebenen Ausnahmen sämtlich die gleiche Höhe aufweisen, ergibt sich für die Höhe Ai für die jeweils in den Le?.-ten ersten Dioden bei einem Versatz von ν für die jeweils m-te Leiste

Ai=Ot (m—1) · ν

und für die Höhe At der letzten Diode At=A-(m-l)- ν

Diese Dioden können jedoch ebenfalls benutzt werden. Denn Voraussetzung für eine richtige Auswertung des Laserstrahles ist es, daß der Laserstrahl den Meßbereich der erfindungsgemäßen Nivellierlatte voll trifft Wird der Meßbereich nicht voll getroffen, d. h. ein Teil des Strahles läuft über das obere bzw. das untere Ende des Meßbereiches hinweg, kann es zu Fehlmessungen kommen. Erfindungsgemäß läßt sich das dadurch verhindern, daß die an den Enden des Meßbereiches angeordneten und nur an jeweils eine Diode in der betreffendes. Leiste angrenzenden Fotodioden als Signaldioden ausgebildet werden und zur Wiedergabe der Meßbereichenden Verwendung finden.

Die Erfindung hat zunächst den Vorteil, daß Fehlmessungen bei Ausfall einzelner Fotodioden praktisch ausgeschlossen sind, weil in der Horizontalen wie in de,· Vertikalen des Meßbereiches Fotodioden angeordnet sind. Fehlmessungen können nur auftreten, wenn jeweils die äußeren Dioden gleichzeitig auffallen. Die Ablesegenauigkeit ist praktisch beliebig und erfordert nur die wiedergegebene mathematische Anordnung der Fotodioden; physikalische Hilfsmittel bedarf es darüber hinaus nicht

Die Fotodioden sind als solche bereits wie angegeben bekannt Die für die Erfindung notwendigen Fotodioden können daher aus erprobten Teilen bestehen. Solche Fotodioden lassen sich so auslegen, daß sie erst oberhalb einer zulässigen Sperrstellung einen reversiblen Durchbrach erlauben. Dadurch ist es möglich, den Einfluß des Tageslichtes weitgehend auszuschalten.

Insgesamt gesehen weist die erfindungsgemäße bo fotoelektrische Nivellierlatte bzw. die sie enthaltene Nivelliereinrichtung den Vorteil auf, daß unabhängig von der Breite des Laserstrahles jeweils eine einheitliche Meßebene hergestellt wird. Die theoretische Genauigkeit solcher Messungen beträgt S ±5 mm. Sie »-, kann mit einem Rolationslaser bekannter Art bei Nivellements aus 300 m "Entfernung und darüber hinaus durchgeführt werden. Daraus ergeben sich je nach

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40 Gelände Vorteile, wenn z, B, ein Nivellement über einen Fluß oder ähnliche örtliche Gegebenheiten hinausgehen soll und eine geringe Entfernung zum Lasersender nicht eingehalten werden kann.

Die Erfindung wird in der nachfolgenden Beschreibung einer Ausführungsform anhand der Zeichnung erläutert, die schematisch den Meßbereich einer Nivellierlatte wiedergibt, der jedoch unterbrochen gezeichnet ist

Der Meßbereich 1 ist z. B. mit insgesamt 1004 Fotodioden, z. B. 7—13, besetzt, die ein lichtempfindliches Blättchen aufweisen, das durch die wiedergegebenen Rechtecke dargestellt ist 996 der Fotodioden haben Blättchen mit einer Kantenlänge von 5 mm und sind auf insgesamt fünf Leisten angeordnet, die mit 2—6 bezeichnet sind. Diese Leisten decken ihrerseits den Meßbereich 1 ab und verlaufen zueinander parallel. Sie enthalten jeweils eine Reihe von Dioden, die mit Ausnahme der an den Enden des Meßbereiches befindlichen Blättchen, z. B. 7 un'i 8, einheitlich in Leistenrichtung hohe Blättchen 'ainVeisen. Die Höhe beträgt z. B. 5 mm.

In Querrichtung des Meßbereiches bilden die einander benachbarten Blättchen Zeilen, die in der Darstellung mit 20—30 bezeichnet sind, jede Zeile hat in Querrichtung des Meßbereiches 1 verlaufende Zeilenkanten 31 und 32. Diese Kanten werden von den an der gleichen Leiste angeordneten Blättchen gebildet Diese einander benachbarten Blättchen svnd um gleiche Teilhöhen und in der gleichen Richtung gegeneinander versetzt angeordnet Dadurch entstehen die aus der Zeichnung ersichtlichen gebrochenen Kanten zwischen den Enden 14 und 15 des Meßbereiches.

Lediglich die an den Enden des Meßbereiches angeordneten Dioden haben die beschriebenen abweichenden Höhenabmessungen. Die Nivellierlatte bzw. der mit den Fotodioden besetzte Meßbereich wird an einen Elektronenrechner angeschlossen, der den jeweiligen Meßwert ermittelt. Hierbei wird eine Summierung der eingangs beschriebenen Gewichte der durch den Laserstrahl bestrichenen Dioden vorgenommen, wobei sich Ablesung I wie folgt ergibt

e =

G, + G₂

In dieser Funktion sind die einzelnen Gewichte mit den Ordnungszahlen 1... ^bezeichnet.

Jede Fotodiode ist z. B. mit einem Speicher verbunden, der das Gewicht dieser Diode speichert wenn sie von einem Strahl getroffen wird Fs müssen also genau so viele Speicher wie Dioden vorhanden sein.

Mit Hilfe eines in der Zeichnung dargestellten Taschenrechners läßt sich erläutern wie der Anschluß an einen Elektronenrechner erfolgen und wie man elektronische Ablesungen simulieren kann.

Die Fotodioden entsprechen den Ziffer- und Speichertasten des Taschenrechners. Der Rechner besitzt acht Speid jr und ist für neunundvierzig Schritte programmierbar. Wegen dieser geringen Kapazität können die simulierten elektronischen Ablesungen aus maximal nur vier Gewichten per Programm abgeleitet werden. Das genügt aber, um die grundsätzlichen Zusammenhänge aufzuzeigen. Der Rechner muß prüfen, welche Dioden angeregt bzw. welche Tasten gedruckt, also welche Speicher belegt worden sind. Er muß ferner einmal unterscheiden können /wischen leer ( = 0) und belegt, zum anderen zwischen leer (-=0) und dem

Gewicht O, dessen Speicherung auch erforderlich werden könnte. Der Maßstab kann allerdings auch so konstruiert werden, daß man das Gewicht 0 nicht zu berücksichtigen braucht, indem man z. B. die unteren Dioden bis einschließlich der Diode mit dem Gewicht 0 >

abdeckt.
Diese hat natürlich zur Folge, daß die Unterscheidung

zwischen leer( = 0) und dem Gewicht 0 entfällt. Es wird deshalb auch nicht näher darauf eingegangen.

Nachfolgend soll nun aufgezeigt werden, wie man in

über den Elektronenrechner zu der elektronischen Ablesung nach der allgemeinen Gleichung

^Γ ~ ' ΙΪ

kommen kann.

3.1 I.Programm

Die Speicher 1, 2 und 3 sind jeweils mit der Zifferntaste 1.2 und 3 sowie mit der Speichertaste jn fiktiv verbunden. In Speicher 4 werden im 2. Programmteil und in Speicher 5 im 1. Programmteil die belegten Speicher gezählt.
Während in Speicher 7 die Summierung der Gewichte im 2. Programmteil vorgenommen _n wird. Zunächst werden durch Betätigen der Zifferntasten in Verbindung mit der Speichertaste — hiermit wird Vorgang Laserstrahl bestreicht Dioden dimuliert — die Speicher mit den Gewichten belegt. Dann beginnt das Rechenpro- in gramrn.

3.11 !.Programmteil

Im 1. Programmteil werden — vom höchsten Speicher beginnend — die Speicher abgefragt und die belegten Speicher gezählt. Ihre Anzahl um 1 vermindert und in Speicher 5 festgehalten. Es wird also ermittelt:

z- 1 = Inhalt Speicher 5. _4|)

3.Ϊ2 2. Programmteil

Im 2. Programmteil werden wieder — beim höchsten Speicher beginnend — die Speicher nach den Gewichten abgefragt, die Gewichte ·>> summiert, im Speicher 7 sowie die belegten Speicher im Speicher 4 gezählt. Ferner wird ständig der Inhalt von Speicher 4 mit dem von Speicher 5 verglichen. Sind beide Speicherinhalte gleich, so geht das Programm zu Teil 3 über. >o

Gi + ... G_z = Inhalt Speicher 7.

3.13 3. Programmteil

Hier wird nun der Inhalt des Speichers 7 durch ss den Inhalt des Speichers 5 dividiert und somit die elektronische Ablesung Eerhalten.

3.2 2. Programm

Die Speicher 1, 2, 3 und 4 sind jeweils mit der &o Zifferntaste 1, 2, 3 und 4 sowie mit der Speichertaste fiktiv verbunden. In Speicher 5 wird der jeweilige Inhalt der abgefragten Speicher im 2. Programmteil zwischengespeichert In Speicher 6 werden im 2. Programmteil die belegten fcs Speicher gezählt In Speicher 7 wird im 2.

Programmteil die Sumniierung der Gewichte vorgenommen.

Zunächst werden durch Betätigen der Zifferntaste in Verbindung mit der Speichertaste hiermit wird Vorgang Laserstrahl bestreicht Dioden simuliert - die Speicher mit den Gewichten belegt.
Dann beginnt das Rechenprogramm.

3.21 !.Programmteil

Es werden — vom höchsten Speicher beginnend — die Speicher abgefragt und beim ersten bekgien Speicher übergeleitet zu der entsprechenden Stelle im 2. Programmteil.

3.22 2. Programmteil

Hier werden dann die Speicher so lange weiter abgefragi, ihre inhaiie im Speichel 7 »uiiuniuii, sowie die belegten Speicher im Speicher 6 gezählt, bis wieder ein freier Speicher erreicht wird. Dann sind nämlich alle belegten Speicher erfaßt.

Gi + Ch + Gi + ... G₁ = Inhalt Speicher 7 ζ = Inhalt Speichere Jetzt wird übergeleitet zum 3. Programmteil.

3.23 3. Programmteil

Hier wird die elektronische Ablesung ermittelt, indem die Summe der Gs'.vichte um das niedrigste Gewicht vermindert und durch die um eins verminderte Anzahl der Gewichte dividiert wird.

3.24 Prüfprogramm

Um nun zu erläutern, wie die Dioden leistenweise geprüft werden können, wird unterstellt, daß der fiktive Maßstab aus zwei Leisten zu je zwei Dioden besteht

Leiste 1 aus den Dioden mit dem Gewicht 1 und 3 sowie Leiste 2 aus den Dioden mit dem Gewicht 2 und 4.

Im Programmteil 2 müßten dann die Schritte 15, 2! und 28 umgewandelt werden in GTO 19, GTO 26 und GTO 33.

Werden nun Speicher 1 und 3 belegt — hiermit wird Vorgang Laserstrahl bestreicht Leiste 1 simuliert — so muß 3 angezeigt werden, wenn die DiC'den von Leiste I in Ordnung sind. Wird bei Leiste 2 sinngemäß verfahren, muß 4 angezeigt werden, wenn sie in Ordnung ist Um ferner den Ablauf bei einer Vielzahl von Dioden bzw. Speichern zu verkürzen, muß die Möglichkeit geschaffen werden, daß schon mit dem Bestreichen der Dioden durch den Laserstrahl, beim Belegen der Speicher also, der Teil des Programms angesteuert wird, der die belegten Speicher betrifft.

Dies kann man erreichen, wenn man Dioden der ersten und der letzten Leiste mit dem Sprungbefehl GTO koppelt Sobald die Dioden bestrichen werden, wird der Sprungbefehl ausgelöst Es ist allerdings darauf zu achten, daß der Abstand zwischen den Dioden, die mit GTO gekoppelt sind, größer ist als die maximale Strahlbreite.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche;

t. Fotoelektrische Nivellierlatte, deren Meßbereich übereinander angeordnete lichtempfindliche -, Blättchen aus Fotodioden trägt, mit denen Impulse eines Lichtstrahles aus einem als Nivellierinstrument dienenden Lasersender abgetastet werden, d a -durch gekennzeichnet, daß die Blättchen in einer Vielzahl von die Länge des Meßbereiches (1) κι abdeckenden und zueinander parallelen Leisten (2—6) angebracht sind, in denen jeweils eine Reihe der mit Ausnahme der den Enden (14, 15) des Meßbereiches zugeordneten Blättchen (7,8) gleiche, in Leistenrichtung verlaufende Höhen (h) aufweisende und einander benachbarte Blättchen untergebracht sind, und daß die Blättchen Zeilen (20—30) bilden, deren in Querrichtung verlaufende Kanten (31,32) durch die Kanten der um gleiche Teiliiöhen (v) von ^i gleicher Leistenrichtung gegeneinander versetzt angeordneten Blättchen derselben Zeile gebildet sind.
2. Fotoelektrische Nivellierlatte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Leisten (2—6) dem Quotienten aus Blättchenhöhe (h) und Blättchenversatz (^entspricht
3. Fotoelektriscbc Nivellierlatte nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die an einem oder beiden Enden (14, 15) des Meßbereiches angeordneten Blättchen (7, 8) zur Wiedergabe des Meßbereiches dienen.