DE3545366C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine Meßvorrichtung zur optischen
Bestimmung der Dicke eines Wasserfilms nach dem Oberbegriff
des Patentanspruches 1.
Eine derartige Meßvorrichtung ist aus der DE-Z: (ATM) Archiv für technisches Messen (1966),
Blatt V 1124-12, Seite 3 bis 8
bekannt. Eine Temperaturkompensation
ist hier nicht vorgesehen, so daß Einrichtungen vorgesehen
sein müssen, um die Temperatur der Anordnung konstant zu
halten. Derartige Einrichtungen sind aber aufwendig.
Aus der DE 32 48 157 A1 ist eine Vorrichtung zur Messung der
Dicke einer Beschichtung auf einer Unterlage bekannt, bei
welcher im Zeitmultiplexverfahren neben der von der Oberfläche
der Beschichtung abgestrahlten Meß- und Referenzstrahlung
auch die Eigentemperatur der Meßvorrichtung als
Korrekturwert berücksichtigt wird. Bei dieser Anordnung
werden in einem Sensor abwechselnd die reflektierte Strahlung
bei zwei verschiedenen Wellenlängen und die Temperatur eines
Filterträgers gemessen. In einem weiteren Sensor werden die
Eigenstrahlung des Substrats bei verschiedenen Wellenlängen
und wiederum die Temperatur des Filterträgers gemessen. Aus
einer Differenzbildung der Ausgangswerte der beiden Sensoren
soll ein Meßwert errechnet werden, welcher die Eigenstrahlung
des Körpers nicht mit einschließt. Über die Messung der
Temperatur des Filterträgers soll der Temperatureinfluß der
Meßanordnung auf die Ausgangssignale der Sensoren kompensiert
werden. Dieser Aufbau setzt zwei vollständig voneinander
getrennte Meßsysteme voraus, was recht kompliziert ist.
Darüber hinaus ist die Temperaturkompensation nur näherungsweise
korrekt, da die Temperatur des Filterträgers nicht
vollständig der störenden und zu kompensierenden Strahlung
entspricht.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Meßvorrichtung
der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, daß
ihre Konstruktion und Handhabung vereinfacht werden.
Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Patentanspruches
1 angegebenen Merkmale gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen
der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
anhand von Abbildungen näher erläutert. Hierbei zeigt
Fig. 1 eine perspektivische Darstellung zur Erläuterung
der Anordnung einer Meßvorrichtung zur optischen
Bestimmung der Dicke eines Wasserfilmes gemäß einer
Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 2 ein Blockschaltbild zur Erläuterung von Einzelheiten
der Anordnung der Meßvorrichtung;
Fig. 3 ein Zeitablaufdiagramm zur Erläuterung des Zusammenhanges
zwischen den elektrischen Signalen der
Meßvorrichtung; und in
Fig. 4 ein Flußdiagramm zur Erläuterung der Signalverarbeitung
im Rechner der Meßvorrichtung.
Bei der nachstehenden Beschreibung wird zunächst
auf Fig. 1 Bezug genommen, die eine perspektivische
Darstellung der Meßvorrichtung zeigt. Wie aus Fig. 1 ersichtlich,
weist die Meßvorrichtung zur optischen Bestimmung
der Dicke eines Wasserfilmes eine
Meßeinrichtung 100 und eine Verarbeitungseinheit 200 auf.
Zur Messung der Dicke eines dünnen Wasserfilmes auf der
Oberfläche einer Substanz, wie zum Beispiel Metall, strahlt
die Meßeinrichtung 100 Licht auf die Oberfläche 300 des
Wasserfilmes aus, nachstehend auch kurz als Wasserfilmoberfläche
300 bezeichnet. Das von der Oberfläche 300
reflektierte Licht wird von der Meßeinrichtung 100 empfangen
und in ein elektrisches Signal umgewandelt. Die Verarbeitungseinheit
200 verarbeitet das von der Meßeinrichtung
100 umgewandelte elektrische Signal, um die Filmdicke
zu ermitteln. In diesem Falle wird das elektrische Signal
von der Meßeinrichtung 100 über ein Leitungskabel 400 der
Verarbeitungseinheit 200 zugeführt.
Fig. 2 zeigt die Anordnung der Meßeinrichtung 100 und der
Verarbeitungseinheit 200 gemäß Fig. 1 im einzelnen. Die
Meßeinrichtung 100 weist eine Lichtquelle 102, zum
Beispiel eine Glühlampe, auf. Das von der Lichtquelle 102
emittierte Licht geht durch ein Referenzstrahlfilter 106
oder ein Meßstrahlfilter 108, das auf einer Filterscheibe
104 angeordnet ist, oder durch ein Durchgangsloch 110 in
der Filterscheibe 104 hindurch und bestrahlt die Oberfläche
300. Die Filter 106 und 108 sowie das Durchgangsloch 110
sind konzentrisch angeordnet.
Die Filterscheibe 104 wird von einem Motor 112 mit vorgegebener
Geschwindigkeit gedreht. Der Außenumfang der
Filterscheibe 104 wird mit einem Synchronisationssignaldetektor
114, zum Beispiel einem Photokoppler, abgetastet.
Das Meßsignal vom Detektor 114 wird als Positionsmeßsignal
über eine Leitung 402 des Leitungskabels 400 einem
Zeitimpulsgenerator 201 zugeführt. Der Zeitimpulsgenerator
201 mißt einen Zeitimpuls in Abhängigkeit vom Positionsmeßsignal.
Der Zeitimpuls wird einem Mikrocomputer
202, nachstehend auch kurz als CPU 202 bezeichnet, und
einem Dunkelstromdetektor 122 zugeführt. Das
Licht, das beide Filter 106 und 108 passiert, die zusammen
mit der Filterscheibe 104 gedreht werden, wird auf die
Wasserfilmoberfläche 300 ausgestrahlt, woraufhin es abgetastet
oder gemessen werden kann.
Das von der Wasserfilmoberfläche 300 reflektierte Licht
wird mit einer Konvergenzlinse 116 fokussiert oder gebündelt
und von einer fotoelektrischen Umwandlungseinrichtung 118, zum Beispiel einer
Photodiode, zur photoelektrischen Umwandlung empfangen.
Das Ausgangssignal vom Meßfühler 118 wird mit einem Verstärker
120 verstärkt und dann einem ersten Verstärker
204 in der Verarbeitungseinheit 200 über eine Leitung 404
des Leitungskabels 400 zur weiteren Verstärkung zugeführt.
Das Ausgangssignal der fotoelektrischen Umwandlungseinrichtung 118 wird außerdem von
dem Dunkelstromdetektor 122 in eine Gleichspannung umgewandelt
und dann einem zweiten Verstärker 206 über eine
Leitung 406 des Leitungskabels 400 zur weiteren Verstärkung
zugeführt. In letzterem Falle arbeitet der Dunkelstromdetektor
122 in Abhängigkeit vom Zeitimpuls vom
Zeitimpulsgenerator 201, der über eine Leitung 407 des
Leitungskabels 400 angelegt wird.
Eine Anzeige 124 der Meßeinrichtung 100 zeigt die Filmdicke
an, die von der CPU 202 in der Verarbeitungseinheit
200 berechnet und über eine Leitung 408 des Leitungskabels
400 zugeführt wird.
Das Ausgangssignal des ersten Verstärkers 204 in der Verarbeitungseinheit
200 wird mit einer Pegelvorgabeschaltung
208 auf einen bestimmten Pegel gesetzt und einem Analogschalter
210 zugeführt. Der Analogschalter 210 erhält
außerdem das Ausgangssignal vom zweiten Verstärker 206.
Der Analogschalter 210 versorgt selektiv einen Analog/Digital-Wandler
212 mit dem Ausgangssignal von der Pegelvorgabeschaltung
208 oder dem Verstärker 206. Die Umschaltsteuerung
wird mit der Zentraleinheit oder der CPU 202
vorgenommen. Das Digital-Signal vom Analog/Digital-Wandler
212 wird der CPU 202 zugeführt. Die CPU 202 steuert die
Pegelvorgabeschaltung 208, den Analog/Digitla-Wandler 212
sowie eine Tongeneratorschaltung 214 zusätzlich zum
Analog-Schalter 210.
Die Energie für die Komponenten in der Meßeinrichtung 100
und der Verarbeitungseinheit 200 wird von einer Batterie
216 in der Verarbeitungseinheit 200 geliefert, die in
Fig. 2 nur allgemein angedeutet ist.
Die Wirkungsweise der Meßvorrichtung zur optischen Bestimmung
der Dicke eines Wasserfilmes mit einer Anordnung der
oben beschriebenen Art wird nachstehend unter Bezugnahme
auf Fig. 3 und 4 näher erläutert. Wie in dem Flußdiagramm
gemäß Fig. 4 dargestellt, wird die Lichtquelle 102 eingeschaltet,
und der Motor 112 wird erregt (Schritt 1).
In diesem Zustand strahlt die Meßeinrichtung 100 von der
Lichtquelle 102 emittiertes Licht auf die Wasserfilmoberfläche
300 alternativ durch Filter 106 und 108, die
auf der Filterscheibe 104 montiert sind, welche an dem
Motor 112 befestigt sind. Durch das Filter 106 wird ein
Referenzstrahl gesendet, mit einer Wellenlänge, die von der Wasserfilmoberfläche
300 wenig absorbiert werden kann. Durch das Filter
108 wird demgegenüber ein Meßstrahl gesendet mit einer Wellenlänge,
die von dem Wasserfilm mehr absorbiert wird. Die
Filterscheibe 104 hat ein Durchgangsloch 110, durch welches
sichtbares Licht hindurchgehen kann, um die bestrahlte
Position der Referenz- und Meßstrahlen anzugeben. Falls
erwünscht, kann ein Farbfilter oder ein Neutraldichtefilter
auf dem Durchgangsloch 110 angebracht sein.
Die reflektierten Referenz- und Meßstrahlen von der Wasserfilmoberfläche
300 werden mit der Konvergenzlinse 116
konvergent gemacht und von der fotoelektrischen Umwandlungseinrichtung 118 in ein elektrisches
Signal umgewandelt. Das elektrische Signal wird
vom Verstärker 120 verstärkt, und zur gleichen Zeit wird
ein Dunkelstrompegel vom Dunkelstromdetektor 122 gemessen.
In der Verarbeitungseinheit 200 wird das vom Verstärker
120 verstärkte elektrische Signal mit dem ersten Verstärker
204 weiter verstärkt. Der vom Dunkelstromdetektor 122
abgetastete Dunkelstrompegel wird vom zweiten Verstärker
206 verstärkt. Das Ausgangssignal vom ersten Verstärker
204 wird einer Pegelkorrektur mit der Pegelvorgabeschaltung
208 unterworfen. Das korrigierte Signal wird dann
vom Analog/Digital-Wandler 212 in ein digitales Signal
umgewandelt, und zwar durch den Analog-Schalter 210 gemäß
einem Signal von der CPU 202, und das umgewandelte Signal
wird der CPU 202 zugeführt. In gleicher Weise wird das
Ausgangssignal vom zweiten Verstärker 206 durch den Analog/Ditial-Wandler
212 sowie den Analog-Schalter 210 in
Abhängigkeit von einem Signal von der CPU 202 in ein digitales
Signal umgewandelt und dann der CPU 202 zugeführt.
Fig. 3 zeigt die von der fotoelektrischen Umwandlungseinrichtung 118 abgegebenen elektrischen
Signale. Ein elektrisches Signal 510 der fotoelektrischen Umwandlungseinrichtung
118 besteht aus einem
Referenzsignal 512, das auf dem Referenzstrahl mit einer
Wellenlänge basiert, die von dem Wasserfilm wenig absorbiert
werden kann, einem Meßsignal 514, das auf dem Meßstrahl
mit einer Wellenlänge basiert, die von dem Wasserfilm
mehr absorbiert werden kann, und einem Basispegelsignal
516.
In Fig. 3 bezeichnet das Bezugszeichen
520 ein Motor-Synchronisationssignal, das synchron mit
der Rotation des Motors 112 erhalten wird. Das Signal 520
wird zum Zeitpunkt T1 von dem Synchronisationssignaldetektor
114 erzeugt.
Um das Signal 510, das aus den Signalen 512, 514 und 516
besteht, in ein Digitalsignal umzuwandeln, erzeugt die
CPU 202 ein Analog/Digital-Umwandlungssteuersignal 530
zum Zeitpunkt T2 auf der Basis des Signals 520. Das Digitalsignal
510, das heißt, der Pegelwert des Signals 512
zum Zeitpunkt T3, der Pegelwert des Signals 514 zum Zeitpunkt
T4, und der Wert des Basispegelsignals 516, werden
dann der CPU 202 zugeführt.
Die Pegelvorgabeschaltung
208 wird von einem Steuersignal der CPU 202
gesteuert, so daß ihr Ausgangssignal innerhalb eines
vorgegebenen Eingangspegelbereiches konstant gehalten
wird.
Um einen geeigneten Abstand zwischen der Meßeinrichtung
100 und der Wasserfilmoberfläche 300 beizubehalten, wenn
der Eingangssignalpegel zur Pegelvorgabeschaltung 208
einen vorgegebenen Wert überschreitet, treibt die CPU eine
Tongeneratorschaltung 214, um einen Alarmton zu erzeugen.
Beispielsweise wird ein Signal erzeugt, das entweder
die Lautstärke oder die Frequenz des Tones ändert, wenn
der tatsächliche Abstand außerhalb eines vorgegebenen
Bereiches liegt, und dieses Signal wird einem Schallerzeuger,
zum Beispiel einem Kopfhörer, zugeführt, um in
einfacher Weise die Beibehaltung eines geeigneten Abstandes
zu gewährleisten (Schritt 2).
Wie bereits erwähnt, wird sichtbares Licht ausgestrahlt,
um die bestrahlte Position der Lichtstrahlen anzugeben.
Sobald die bestrahlte oder angestrahlte Position bestätigt
ist, beginnt die Messung. Die Temperatur-Korrekturverarbeitung des Signals der fotoelektrischen Umwandlungseinrichtung 118 wird auf
der Basis des Pegels des Ausgangssignals vom zweiten Verstärker
206 durchgeführt (Schritt 3). Ausgehend von dem
Signal 512 werden von der CPU 202 die Pegel genau gesetzt
(Schritt 4) und die Dateneingabeverarbeitung vorgenommen
(Schritt 5).
Außerdem werden die Signale 512, 514 und 516 N-mal eingegeben
(Schritt 6), und diese Eingabesignale werden beim
Schritt 5 verarbeitet. Dann wird der Durchschnittswert
von jedem dieser Signale erhalten (Schritt 7). Die Durchschnittswerte
ändern sich in Abhängigkeit von der Wasserfilmdicke.
Somit kann unter Verwendung der nachstehenden
Gleichung ein Wert aus diesen Durchschnittswerten oder
Mittelwerten erhalten werden, der proportional zur Wasserfilmdicke
ist (Schritt 8):
(Ausgangssignal proportional zur Wasserfilmdicke) =
((durchschnittlicher Meßsignalpegel) / (durchschnittlicher Referenzsignalpegel)) × (Temperaturkorrekturkoeffizient).
((durchschnittlicher Meßsignalpegel) / (durchschnittlicher Referenzsignalpegel)) × (Temperaturkorrekturkoeffizient).
Das erhaltene Ausgangssignal wird von der CPU 202 in die
für den Benutzer erfordelrichen Anzeigedaten umgewandelt
und von der Anzeige 124 in der Meßeinrichtung 100 angezeigt.
Da die Meßeinrichtung und die Verarbeitungseinheit
separat vorgesehen sind, kann die Meßvorrichtung
in einfacher Weise an einen gewünschten Ort
gebracht und dort verwendet werden, so daß eine verbesserte
Meßvorrichtung zur optischen Bestimmung der Dicke eines
Wasserfilmes zur Verfügung steht.
Claims (6)
1. Meßvorrichtung zur optischen Bestimmung der Dicke eines
Wasserfilms auf einer festen Oberfläche, mit einer Meßeinrichtung
(100) und einer Verarbeitungseinheit (200),
mit einer Lichtausstrahlungseinrichtung in der Meßeinrichtung
(100), um die Oberfläche (300) des Wasserfilms
periodisch mit einem Referenzstrahl mit einer ersten
Wellenlänge zu bestrahlen, der vom Wasserfilm wenig absorbiert
wird, und mit einem Meßstrahl zu bestrahlen,
der eine zweite Wellenlänge aufweist und vom Wasserfilm
mehr absorbiert wird;
mit einer fotoelektrischen Umwandlungseinrichtung (118) in der Meßeinrichtung (100), welche den Meß- und den Referenzstrahl, die vom Wasserfilm reflektiert werden, empfängt und ein Referenzsignal sowie ein Meßsignal entsprechend den empfangenen Strahlen abgibt;
mit Verarbeitungseinrichtungen zum Berechnen der Dicke des Wasserfilms aus den Pegeln des Referenzsignals und des Meßsignals und mit Anzeigemitteln in der Meßeinrichtung zum Anzeigen der berechneten Dicke des Wasserfilms, wobei die Lichtausstrahlungseinrichtung (102, 106, 108, 104) derart ausgebildet ist, daß zusätzlich zur Abstrahlung von Meß- und Referenzstrahl während eines definierten Periodenabschnittes keine Strahlung ausgesandt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Verarbeitungseinrichtungen derart ausgebildet sind, daß das Ausgangssignal der fotoelektrischen Umwandlungseinrichtung (118) mittels eines Dunkelstromdetektors (122) zusätzlich während der Periodenabschnitte abgetastet wird, in denen keine Strahlung ausgesandt wird, und daß aus diesem Dunkelstrom-Abtastwert ein Korrekturwert hergeleitet wird, mittels dessen ein temperaturkorrigierter Wert für die Dicke des Wasserfilms auf den Anzeigemitteln (124) darstellbar ist.
mit einer fotoelektrischen Umwandlungseinrichtung (118) in der Meßeinrichtung (100), welche den Meß- und den Referenzstrahl, die vom Wasserfilm reflektiert werden, empfängt und ein Referenzsignal sowie ein Meßsignal entsprechend den empfangenen Strahlen abgibt;
mit Verarbeitungseinrichtungen zum Berechnen der Dicke des Wasserfilms aus den Pegeln des Referenzsignals und des Meßsignals und mit Anzeigemitteln in der Meßeinrichtung zum Anzeigen der berechneten Dicke des Wasserfilms, wobei die Lichtausstrahlungseinrichtung (102, 106, 108, 104) derart ausgebildet ist, daß zusätzlich zur Abstrahlung von Meß- und Referenzstrahl während eines definierten Periodenabschnittes keine Strahlung ausgesandt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Verarbeitungseinrichtungen derart ausgebildet sind, daß das Ausgangssignal der fotoelektrischen Umwandlungseinrichtung (118) mittels eines Dunkelstromdetektors (122) zusätzlich während der Periodenabschnitte abgetastet wird, in denen keine Strahlung ausgesandt wird, und daß aus diesem Dunkelstrom-Abtastwert ein Korrekturwert hergeleitet wird, mittels dessen ein temperaturkorrigierter Wert für die Dicke des Wasserfilms auf den Anzeigemitteln (124) darstellbar ist.
2. Meßvorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Meßeinrichtung (100) von der Verarbeitungseinheit
(200) räumlich getrennt aufstellbar ist.
3. Meßvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Verarbeitungseinheit (200) eine Einrichtung
(214) aufweist, um einen für die Messung geeigneten Abstand
zwischen der Meßeinrichtung (100) und der Oberfläche
(300) des Wasserfilms anzuzeigen.
4. Meßvorrichtung nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Einrichtung (214) als Tongenerator ausgebildet
ist und einen Ton abstrahlt, der in einer definierten
Beziehung zum Pegel des empfangenen Referenzsignales
steht, so daß der Ton in Übereinstimmung mit dem Pegel
des Referenzsignals in Abhängigkeit vom Abstand zwischen
der Meßeinrichtung (100) und dem Wasserfilm variiert.
5. Meßvorrichtung nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Tongenerator (214) ein Tonsignal in Übereinstimmung
mit dem Referenzsignal dann abgibt, wenn der Pegel
des Referenzsignals außerhalb eines vorbestimmten Bereiches
liegt.
6. Meßvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Verarbeitungseinheit (200) einen Analogschalter
(210) umfaßt, welcher das Referenzsignal (512), das Meßsignal
(514) und den Dunkelstromabtastwert empfängt und
gesteuert von einer Recheneinheit (202) weitergibt.
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP59275680A JPS61155804A (ja) | 1984-12-28 | 1984-12-28 | 光学式水膜厚計 |
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DE3545366A1 DE3545366A1 (de) | 1986-07-03 |
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Family
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Family Applications (1)
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Country Status (3)
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1985
- 1985-12-18 US US06/810,257 patent/US4687333A/en not_active Expired - Fee Related
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