DE3314686C2 - Einrichtung zum Messen des Flächeninhaltes der Projektion eines Prüfkörpers auf eine Ebene - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Messen des Flächeninhaltes der Projektion eines Prüfkörpers auf eine Ebene. Dabei wird ein Lichtstrahlprojektor quer zur Projektionsrichtung zeilenweise über den Prüfkörper hinweg traversiert, wobei die Traversiereinrichtung laufend die Lage des Lichtstrahles koordinatenmäßig festhalten kann. Mittels eines Sensors wird festgestellt, ob der Lichtstrahl am Prüfkörper vorbeiläuft und in den Sensor hineintrifft, oder ob der Lichtstrahl vom Prüfkörper unterbrochen wird. Um eine zusätzliche Traversiereinrichtung für den Sensor einsparen zu können, ist der Sensor seitenversetzt gegenüber dem Projektor auf der gleichen Travesiereinrichtung angeordnet und wird mit ihr mitbewegt. Auf der gegenüberliegenden Seite ist lediglich eine matte Projektionswand angeordnet, auf der der am Prüfkörper vorbeistreichende Lichtstrahl einen Lichtfleck erzeugt. Der Sensor hat eine Fernrohroptik, die genau auf diesen Lichtfleck ausgerichtet und auf ihn scharf eingestellt ist. Es können mehrere Sensoren um den Projektor herum angeordnet sein, damit der Lichtfleck zumindest von einem der Sensoren aus wahrnehmbar ist. Derartige Einrichtungen werden benötigt zur Ermittlung des Luftwiderstandsbeiwertes von umströmten Körpern wie z. B. Fahrzeugkarosserien.

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Messen des Flächeninhaltes der Projektion eines Prüfkörpers auf eine Ebene nach dem Oberbegriff von Anspruch 1, wie sie beispielsweise aus der DE-PS 21 34 450 als bekannt hervorgeht.

Derartige Einrichtungen werden zur Bestimmung des Widerstandsbeiweites von umströmten Körpern, beispielsweise zur Ermittlung des Widerstandsbeiwertes von Fahrzeugkarosserien benötigt. Und zwar muß dazu nicht nur in einen Windkanal der Strömungswiderstand des Prüfkörpers selber, sondern auch seine Querschnittsfläche in Anströmrichtung genau ermittelt werden.

Bei der bekannten Einrichtung ist jeweils vor und hinter dem Prüfkörper eineTraversiereinrichtung angebracht, die beide untereinander synchronisiert sind. Die eine Traversiereinrichtung trägt den Projektor, der einen Laser-Lichtstrahl aussendet. Die andere Traversiereinrichtung trägt den Sensor, der mit einer Genauigkeit bzw. einer Lageabweichung, die kleiner als der Lichtstrahldurchmesser ist, der Lage des Projektors folgen muß. Nur bei einer entsprechend genauen Synchronisation zwischen beiden Traversiereinrichtungen kann sichergestellt werden, daß das Fehlen eines Lichtsignais am Sensor tatsächlich auf eine Strahlunterbrechung durch den Prüfkörper zurückgeht, und nicht etwa darauf zurückzuführen ist, daß der Projektor und der Sensor in Traversierrichtung zueinander lageversetzt sind.

Auch andere Einrichtungen, beispielsweise nach der EP-OS 00 49 875 arbeiten mit zwei verschiedenen Traversiereinrichtungen, von denen eine vor und die andere hinter dem Prüfkörper angeordnet ist. Diese Einrichtungen arbeiten zwar mit einem im Durchmesser größeren Bündel paralleler Lichtstrahlen, so daß die Synchronisationsgenauigkeit zwischen den beiden verschiedenen Traversiereinrichtungen nicht so hoch zu sein braucht, jedoch ist der Aufwand zweier gesonderter Traversiereinrichtungen auch hier sehr hoch.

Aufgabe der Erfindung ist es, die bekannte Einrichtung zur Messung des Flächeninhaltes der Projektoren eines Prüfkörpers auf eine Ebene zu vereinfachen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale von Anspruch 1 gelöst. Danach wird der Projektor und der Lichtsensor von der gleichen Traversiereinrichtung bewegt und auf der anderen Seite des Prüfkörpers ist lediglich eine Projektionswand angeordnet, auf der das Vorhandensein oder

NichtVorhandensein eines vom ausgesendeten Lichtstrahl erzeugten Lichtfleckes beobachtet wird.

An sich ist es auch denkbar, den Strahlengang des auf den Lichtfleck ausgerichteten und eingestellten Fernrohres des Sensores über Prismen und/oder teildurch· lässige Spiegel gleichachsig zum ausgesendeten Lichtstrahl umzuleiten; jedoch würde dann auch am Sensor ein Lichtsignal erzeugt werden, wenn der Lichtfleck auf den Prüfkörper fällt. Lediglich im unmittelbaren Randbereich des Prüfkörpers bzw. seiner Projektionsfläche,

wo zumindest bei Fahrzeugkarosserien die Oberfläche in Projektionsrichtung liegt und somit ein Lichtfleck von der Projektionsseite her gar nicht feststellbar ist, würde das Lichtsignal zumindest kurzzeitig wegfallen; bei einer entsprechend »intelligenten« Auswerteeinrichtung

könnte dieses jedoch durchaus zu brauchbaren Ergebnissen führen. Lediglich dort, wo eine quer zur Projektionsrichtung liegende Prüfkörperoberfläche unmittelbar bis in den Randbereich der Projektion heranreicht und dort scharfkantig begrenzt ist, würde diese Art der Strahlführung keine brauchbaren Ergebnisse zeitigen. Deswegen ist in zweckmäßiger Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, daß das Fernrohr des Sensors unmittelbar auf den vom Lichtstrahl auf der Projektionswand erzeugten Lichtfleck ausgerichtet ist. Dadurch verläuft

das in den Sensor einfallende Licht im gesamten Prüfkörperbereich seitenversetzt gegenüber dem ausgesendeten Lichtstrahl. Wenn also der Lichtfleck auf den Prüfkörper selber fällt, führt dies nicht zu einer Signalerregung am Sensor; die Auswerteelektronik kann also

ω relativ einfach sein. Selbstverständlich muß der Sensor in Traversierrichtung derart seitenversetzt gegenüber dem Projektor angeordnet sein, daß er zuerst, d. Ii. vor dem Projektor aus dem »Schatten« des Prüfkörpers auftaucht bzw. als letzter in ihn eintaucht. Aus diesem Grunde ist es zweckmäßig, wenn mehrere Sensoren um den Lichtstrahl herum angeordnet sind, die mit ihren elektrischen Ausgängen parallel geschaltet sind. Der oder die Sensoren können auch drehbar um den Licht-

strahl herum angeordnet sein, so daß sie durch den »Schatten« hindurch auf die richtige Seite geschwenkt werden können.

Die Erfindung ist anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles nachfolgend noch kurz erläutert; dabei zeigt die einzige Figur eine Schrägansicht auf eine Einrichtung zum Messen des Flächeninhaltes der Projektion eines Kraftfahrzeuge? auf eine Projektionswand.

Ein Prüfkörper 1, im dargestellten Ausführungsbeispiel eine Fahrzeugkarosserie ist mit seiner Längsachse parallel zur Projektionsrichtung 2 ausgerichtet Normalerweise ist die geschiiderte Einrichtung mit in einem Windkanal eingebaut, in denen der Prüfkörper von den Luftwiderstandsmessungen her ohnehin bereits genau ausgerichtet aufgestellt ist. In dieser Stellung werden dann auch die Querschnittsmessungen durchgeführt. Auf der einen Seite des Prüfkörpers ist eine Traversiervorriehtung 5 aufgestellt, die es erlaubt, einen Projektor

6 zeilenweise über die Projektionsebene 4 hinwegzuverfahren. Die Traversiervorriohtung ist im Grunde genommen eine zweidimensional arbeitende Meßmaschine mit einem ersten Verschiebeschlitten 9 für die innerhalb der Traversierebene liegende Horizontalrichtung. Dieser Verschiebeschlitten trägt seinerseits einen vertikal aufgerichteten Mast, auf dem ein weiterer Verschiebeschlitten 10 für die Vertikalrichlung innerhalb der Traversierebene verfahren werden kann. Beiden Verschicbcschlitten ist jeweils ein wegempfindlicher Sensor zur genauen Lageermittlung des Verschiebeschlittens zugeordnet, so daß die koordinatenmäßige Lage des Verschiebeschlittens 10 laufend genau ermittelt werden kann. Auf dem Verschiebeschlitten 10 ist ein Projektor 6 gehalten, der einen eng gebündelten Laserlichtstrahl 7 parallel zur Projektionsrichtung 2 aussendet.

Auf der anderen Seite des Prüfkörpers 1 ist quer zur Projektionsrichtung eine Projektionswand 15 von matter heller Oberfläche angeordnet. Sofern der Lichtstrahl

7 an dem Prüfkörper vorbeiläuft, erzeugt dieser auf der Projektionswand einen Lichtfleck 8. Trifft der Lichtstrahl jedoch auf den Prüfkörper auf, so bleibt in diesem Bereich die Projektionswand dunkel. Durch ein zeilenwcises Überstreichen des Projektors über das gesamte vom Prüfkörper eingenommene Profil kann nach und nach die Projektionsfläche 3 des Prüfkörpers gezeichnet werden. Hierbei kann die Zeilenrichtung bei der optischen Abtastung des Prüfkörpers horizontal oder vertikal sein.

Bei der Ermittlung des Flächeninhaltes der Projektionsfläche muß der Zeitpunkt und/oder die koordinatenmäßige Lage des Lichtstrahles im Moment der Strahlunterbrechung durch den Prüfkörper festgestellt werden. Das heißt, es wird ein eindeutiges Sign«! für die Sirahlunterbrechung benötigt. Bei der Einrichtung nach der Erfindung wird dieses Signal auf einfache Weise dadurch gewonnen, daß der vom Lichtstrahl 7 auf der Projektionswand erzeugte Lichtfleck 8 laufend durch einen mit dem Projektor mitbewegten Sensor U beobachtet wird. Letzterer ist mit einem Fernrohr 12 und einem Lichtverstärker 13 versehen. Das Fernrohr ist mit seiner optischen Achse 14 genau und unmittelbar auf den Lichtfleck 8 ausgerichtet und auf ihn scharf eingestellt. Der Sensor selber ist gegenüber dem Projektor 6 mit einem gewissen Seitenversatz 16 angeordnet.

Solange der Lichtfleck 8 auf die Projektionswand 15 fällt, erzeugt der Sensor Il ein Lichtsignal, welches an eine Auswerteelekironik weitergeleitet weiden kann. Füllt der Lichtfleck jedoch auf den Prüfkörper selber, so bleibt aufgrund des Seitenversatzes des Strahlenganges des Fernrohres 12 .gegenüber dem Lichtstrahl 7 ein Lichtsignal im Sensor aus. Der auf dem Prüfkörper hervorgerufene Lichtfleck liegt weit außerhalb der optisehen Achse 14 des Objektives 12 und wird daher von ihm nicht wahrgenommen; und zwar selbst dann nicht, wenn auch die optische Achse 14 mit auf den Prüfkörper auftrifft.
Um sowohl beim zeilenweisen Auftauchen als auch

to beim Auftauchen des Projektors 9 aus dem »Schattenbereich« des Prüfkörpers sicherzustellen, daß die optische Achse 14 des Sensors im Prüfkörper vorbei bis auf die Projektionswand 15 verläuft, sind gemäß einer strichliert angedeuteten Ausgestaltungsvariante gegenüberliegend zwei verschiedene Sensoren 11 und 1Γ seitenversetzt gegenüber dem Lichtstrahl 7 angeordnet, die beide auf den Lichtfleck 8 auf der Projektionswand genau ausgerichtet und scharf eingestellt sind Die in der Figur dargestellte Anordnung der Sensoren oberhalb und unterhalb des Lichtstrahles 7 ist für eine vertikale zeilenmäßige Abtastung des Prüfkörpers gedacht Bei einer horizontalen Abtastung des Prüfkörpers müßten die beiden Sensoren^ in eine höhengleiche Anordnung zum Lichtstrahl 7 verschwenkt werden. Bei stark zerklüfteten Prüfkörpern mit unregelmäßig gestalteter Umrißkontur — dies kann bei vielen Fahrzeugen insbesondere im Bodenbereich der Fall sein — können auch mehrere Sensoren um den Projektor herum angeordnet sein, die alle ebenfalls auf den Lichtfleck auf der Projek-

jo tionswand ausgerichtet und scharf eingestellt sind. Sämtliche Sensoren sind dabei mit ihren elektrischen Ausgängen einander parallel geschaltet. Trotz einer Abschattung des einen oder anderen der Sensoren durch den Prüfkörper und durchlaufendem Lichtstrahl wird sicher wenigstens einer der Sensoren den auf der Projektionswand hervorgerufenen Lichtfleck wahrnehmen können, so daß trotz des zerklüfteten und unregelmäßigen Verlaufes der Umrißkontur das Durchlaufer, des Lichtstrahles bis zur Projektionswand sicher angezeigt werden kann. Denkbar ist es auch, die Sensoren exzentrisch drehbar um den Projektor herum anzuordnen, wie dies mit dem Schwenkpfeil angedeutet ist, damit die Sensoren in die jeweils günstigste Position geschwenkt werden können. Hierbei ist darauf zu achten, daß die Drehachse der schwenkbaren Sensoren mit der Lichtsirahlachse zusammenfällt. Selbstverständlich ist es auch denkbar, die Sensoren ständig um den Projektor 6 herumkreisen zu lassen, insbesondere wenn mehrere Sensoren um den Projektor herum angeordnet sind. In einem solchen Fall wird auch beim Abtasten einer unregelmäßigen Umrißkontur ein Sensorsignal nur dann ausbleiben, wenn der Lichtstrahl 7 durch den Prüfkörper unterbrochen ist, mögen vorübergehend der eine oder andere Sensor auch durch den Prüfkörper abge-

^ri5 schattet sein.

Die beschriebene Einrichtung liefert bei vertretbaren meßtechnischem Aufwand eine Folge von binären Signalen, aus denen auf verschiedene Weise der Flächeninhalt der Projektionsfläche 3 errechnet werden kann, bo Zum einen ist es möglich, aus der Länge der abgeschatteten Zeilen beim zeilenweisen Abtasten des Prüfkörpers unmittelbar auf die Projektionsfläche zu schließen. Bei Jieser Berechnungsmethode muß der Profilkörper über seine ganze Erstreckung hinweg abgetastet wer-(i5 den. Bei dieser Art der Abtastung und Flächeninhaltsermittlung wird die Projektionsfläche gewissermaßen in viele schmale Streifen bekannter Höhe und meßtechnisch erfaßter Länge »zerschnitten«, die gemeinsam den

Flächeninhalt ergeben. Zwar kann auf diese Weise ein relativ einfacher Rechner vorgesehen werden, jedoch ist der Zeitaufwand für das vollständige zeilenweise Abtasten des Prüfkörpers relativ zeitaufwendig. Eine andere Möglichkeit besteht darin, lediglich den Randbereich der Projektionsfläche zeilenweise abzutasten, wobei die Abtastrichtung möglichst quer zum Umrißverlauf des Prüfkörpers erfolgt. Die Traversiereinrichtung pendelt lediglich kurz im Bereich der Umrißlinie hin und her und es wird auf diese Weise eine Vielzahl von Umrißpunkten koordinatenmäßig erfaßt, aus denen dann rechnerisch mit einem leistungsfähigeren Rechner der Flächeninhalt der Projektionsfläche errechnet werden kann. Wegen der kürzeren von der Traversiereinrichtung zurückzulegenden Wege gestaltet sich, diese Ermittlungsmethode zeitlich kurzer, was wegen der Belegungszeit des Windkanals durchaus ins Gewicht fällt. Beide Ermittlungsmethoden sind mit der hier geschilderten Einrichtung realisierbar.

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Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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Claims (5)

Patentansprüche:

1. Einrichtung zum Messen des Flächeninhaltes der Projektion eines Prüfkörpers auf eine Ebene, mit einer vor dem Prüfkörper angeordneten, das gesamte vom Prüfkörper eingenommene Profil in einer quer zur Projektionsrichtung liegenden Traversierebene zeilenweise überstreichenden Traversiervorrichtung, die einen parallel zur Projektionsrichtung ausgerichteten Projektor für einen eng gebündelten Lichtstrahl trägt, dessen Lage innerhalb der Traversierebene von der Traversiervorrichtung laufend koordinatenmäßig erfaßbar ist. ferner mit einem synchron zum Projektor traversierten. Licht des ausgesendeten und am Prüfkörper vorbeigelangenden Lichtstrahles auffangenden, eine Fotodiode oder dergleichen enthaltenden Sensor, dadurch gekennzeichnet, daß hinter dem Prüfkörper (1) eine das gesamte vom Prüfkörper (I) eingenommene Profil überdeckende helle matte Projektionswand (15) quer zur Projektionsrichtung (2) angeordnet ist und daß der mit einem langbrennweitigen Fernrohrobjektiv oder dergleichen (12) versehene Sensor (11) auf der gleichen Seite des Prüfkörpers (1) wie der Projektor (6) seitenversetzt (16) zum Projektor (6) angeordnet und mit seinem Objektiv (12) scharf auf den vom Lichtstrahl (17) auf der Projektionswand (15) erzeugten Lichtfleck (8) eingestellt ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (11) mit seiner optischen Achse (14) unmittelbar auf den Lichtfleck (8) ausgerichtet ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß um den Projektor (6) herum mehrere Sensoren (11,1 Γ) gleicher Art, Ausrichtung und Funktion angeordnet sind die mit ihren elektrischen Ausgängen parallel geschaltet sind.

4. Einrichtung nach Anspruch 1,2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor um eine mit dem projezierten Lichtstrahl (17) lagegleich liegende Drehachse exzentrisch drehbar gelagert ist.

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Sensor (11) ein Lichtverstärker (13) angebracht ist.