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Die Erfindung betrifft Verbesserungen an den in den
französischen Patenten Nº 2 636 731 und 2 646 904
beschriebenen Verfahren, die von der Anmelderin am 16. September 1988
bzw. am 9. Mai 1989 angemeldet wurden.
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Diese Verfahren enthalten das Abtasten mit konstanter
Geschwindigkeit der Ebene des Querschnitts eines zylindrischen
Gegenstands, dessen Durchmesser von einem Laserstrahl gemessen
werden soll, der sich bewegt, indem er parallel zu einer
vorbestimmten Richtung bleibt, und die Messung der Zeit der
Unterbrechung des Strahls durch den Gegenstand.
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Bei der Anwendung dieser Verfahren auf die Messung des
Durchmessers einer Zigarette erfordert die Kalibrierung
üblicherweise, daß die Messung in einer Vielzahl von Richtungen
des Querschnitts durchgeführt wird, wobei die Zigarette zu
diesem Zweck um ihre Achse in Drehung versetzt wird und der
Mittelwert ihres Durchmessers berechnet wird.
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Das zweite oben erwähnte Patent sieht außerdem vor,
eine Verschiebung der Zigarette in Translationsrichtung
parallel zu ihrer Achse durchzuführen, um ihren Durchmesser in
einer Vielzahl von Querschnitten zu messen und somit
eventuelle axiale Veränderungen zu berücksichtigen, die zum Beispiel
auf das Vorhandensein eines abgerissenen Papierstückchens
zurückzuführen sind, das in Bezug auf den Körper der Zigarette
vorsteht.
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Im Prinzip wird der gemessene Durchmesser durch das
Vorhandensein eines solchen Vorsprungs vergrößert.
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Die Anmelderin hat festgestellt, daß in bestimmten
Fällen, die in der Praxis dem Vorhandensein von "Flusen"
(inhärente Fehler der Struktur des Papiers, das den Tabak umgibt)
entsprechen, der in einem Querschnitt gemessene mittlere
Durchmesser dagegen geringer ist als der reale Wert, wobei der
Fehler 10% betragen kann.
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Um diesen Nachteil zu beseitigen, hat das Patent US
4 007 992 vorgesehen, eine zylindrisch Linse zu verwenden, um
die Form des Lichtstrahls in einer Richtung senkrecht zur
Abtastrichtung zu verlängern. Es hat sich jedoch gezeigt, daß
diese Lösung es nicht erlaubt, den Einfluß von länglichen
Teilchen zu unterbinden, die sich parallel zu und in der Nähe
der Oberfläche des zu messenden Gegenstands befinden.
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Die Erfindung hat ein Verfahren zum Gegenstand, das
diesen Nachteil behebt und es ermöglicht, den Einfluß von
beliebigen parasitären Gegenständen oder Unebenheiten an der
Oberfläche eines Körpers, von dem mindestens eine
Querabmessung gemessen werden soll, vollständig zu vermeiden.
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Sie hat weiter ein Verfahren zum Gegenstand, das es
erlaubt, mehrere Abmessungen in der gleichen Richtung auf
einem Querschnitt zu messen, der 0berflächenunterbrechungen
aufweist, zum Beispiel innere Aushöhlungen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren besteht darin, den
Querschnitt eines Körpers mit konstanter Geschwindigkeit
abzutasten, von dem man-mindestens eine Querabmessung entlang
mindestens einer vorbestimmten-Richtung mittels eines
Laserstrahls messen will, der sich in der Ebene dieses Querschnitts
bewegt und zu dieser Richtung parallel bleibt, und mindestens
eine Unterbrechungs- oder Aufhellungszeit dieses Strahls durch
den Körper mittels opto-elektronischer Erfassung des
Vorhandenseins oder der Abwesenheit des stromabwärts liegenden
Strahls zu messen, in Kombination gekennzeichnet durch die
Erzeugung, in bekannter Weise, von aufeinanderfolgenden
Impulsen, die den Momenten des Verschwindens und Wiedererscheinens
des stromabwärts liegenden Strahls entsprechen, durch die
Erzeugung eines elektronischen Fensters während jedes der
Zeitintervalle, die entweder das Verschwinden des stromabwärts
liegenden Strahls von seinem Wiedererscheinen, wenn die
Abmessung eines massiven Bereichs des Querschnitts gemessen werden
soll, oder das Vorhandensein des Strahls von seinem sein
Verschwinden trennen, wenn die Abmessung eines leeren Bereichs
gemessen werden soll, und durch ein Zählen von Taktimpulsen
während jedes dieser Fenster.
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Dieses Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß es
den Vergleich der erhaltenen Zählerstände mit einer
vorbestimmten, niedrigeren digitalen Schwelle enthält, um die
entsprechende Messung zu validieren.
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Die Einstellung dieser Schwelle in Abhängigkeit von
der Querabmessung des zu kalibrierenden Körpers ermöglicht es
dann, den Einfluß von parasitären Gegenständen parallel zur
Oberfläche des Körpers zu unterdrücken.
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Die Erfindung hat außerdem eine Vorrichtung zur
Anwendung des obengenannten Verfahrens zum Gegenstand.
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In einer bevorzugten Ausführungsform enthält die
Vorrichtung in bekannter Weise eine Laserquelle, die einer
Abtastvorrichtung zugeordnet ist, welche ein optisches System
aufweist, und sie ist dadurch gekennzeichnet, daß das optische
System Mittel aufweist, um die Breite des Abtaststrahls in
einer Ebene senkrecht zur Abtastebene zu vergrößern.
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Diese letztere Maßnahme ermöglicht es, den Einfluß der
parasitären Gegenstände senkrecht zur Oberfläche des zu
kalibrierenden Körpers zu unterdrücken.
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Weitere Besonderheiten sowie die Vorteile der
Erfindung gehen klar aus der nachfolgenden Beschreibung hervor.
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Figur 1 ist ein Prinzipschema eines Geräts gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
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Figur 2 zeigt ein Blockschaltbild der Vorrichtung zur
Verarbeitung der elektrischen Signale des Geräts.
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Figur 3 zeigt die Wellenform der Signale im Fall der
Kalibrierung einer Zigarette, die Flusen aufweist.
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In Figur 1 ist ein Laser 1 geringer Leistung
dargestellt, dessen Strahl von einem drehenden achteckigen Spiegel
3 reflektiert wird, der sich stromaufwärts vor dem Brennpunkt
der Linse 2 befindet. Der so erhaltene drehende Strahl wird
nacheinander vom um 45º geneigten ebenen Spiegel 4 auf die
Achse eines optischen Systems reflektiert, das zwei
konvergierende Linsen 5 und 6 aufweist, durch die Linse 5 parallel zu
dieser Achse ausgerichtet und auf die Achse des Brennpunkts
der Linse 6 konzentriert, wo er von einem Photodetektor 7
erfaßt wird. Eine halbzylindrische Linse 2, die zwischen den
Gegenstand und die Linse 5 eingefügt ist, erlaubt die
Verbreiterung des Strahls.
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Der Spiegel 3 wird mit einer Geschwindigkeit von zum
Beispiel 3000 Umdrehungen pro Minute in Drehung versetzt und
man erhält so eine Verschiebung mit rigoros konstanter
Geschwindigkeit des nützlichen Strahls parallel zur Achse in der
Ebene der Figur.
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Die zu kalibrierende Zigarette wird durch nicht
dargestellte Mittel in einer Stellung senkrecht zur Ebene des
Strahls gehalten und um ihre eigene Achse in Drehung versetzt.
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Vorzugsweise sind die Mittel zum Halten und in Drehung
versetzen von der im ersten erwähnten Patent genannten Art,
d.h. daß sie einen drehbaren rohrförmigen Träger, dessen
zylindrische Bohrung von der Zigarette durchquert wird, und
Öffnungen in der Bohrung aufweisen, die pneumatischen Mitteln zur
Luftansaugung zugeordnet sind.
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Die Zigarette liegt somit gegen die Wand der Bohrung
derart an, daß eine ihrer Mantellinien mit einer Mantellinie
der Bohrung über mindestens ein Drittel der Länge dieser
letzteren zusammenfällt.
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Da das Gerät im allgemeinen Teil einer Kette von
Vorrichtungen für verschiedene Messungen ist, in der die
Zigarette sich mittels Schwerkraft bewegt, ist sie senkrecht, und die
Verschiebeebene des Strahls somit waagrecht.
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Bei jeder Drehung der Zigarette, die zum Beispiel 2,5
Sekunden dauert, führt man zum Beispiel 512 oder 1024
Messungen durch, deren Mittelwert berechnet wird.
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Ein Phototransistor 8 ermöglicht es, die Ankunft des
Strahls in der Nähe des oberen Rands der Linse 5 zu erfassen
und liefert über eine elektronische Schaltung 9, die bei jedem
Signal, das sie erhält, kalibrierte Impulse erzeugt, einen
Synchronisationsimpuls bei jedem Beginn einer Abtastung (I&sub1;,
Figur 3).
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Bei der Ankunft des Strahls in der nützlichen Zone
(Feld des optischen Systems) wird ein zweiter Impuls I&sub2; von der
Schaltung 9 erzeugt, die ein Signal vom Photodetektor 7
empfängt. In gleicher Weise werden aufeinanderfolgende Impulse I&sub3;,
I&sub4; ... I&sub8; bei jedem aufeinanderfolgenden Verschwinden und
Wiedererscheinen des Abschnitts des Strahls erzeugt, der sich
stromabwärts hinter der Zigarette befindet. Der Impuls I&sub9;
entspricht dem Ende der nützlichen Zone.
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Diese Impulse werden an eine elektronische Schaltung
10 angelegt, die nun in Bezug auf Figur 2 beschrieben wird.
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Der Ausgang der Schaltung 9 ist mit einem Generator
101 eines elektronischen Fensters verbunden, das ein UND-Tor
102 freigibt, welches eine von einem Taktgeber 103 erzeugte
Frequenz von 24 Mhz zu einem Zähler 104 überträgt. Diese
Fenster werden bei der Anwendung auf die Messung der Abmessungen
von vollen Zonen zwischen jedem der Impulse ungeradzahligen
Rangsund dem folgenden geradzahligen Impuls erzeugt.
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Der Zählerstand des Zählers wird in einem Komparator
105 mit einer digitalen Schwelle verglichen, und ein Signal
des Vorhandenseins einer Zigarette wird an den Meßausgang SP
übertragen, wenn der Zählerstand höher ist als die Schwelle.
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Im gegenteiligen Fall sendet der Komparator über ein
ODER-Tor 1042 ein Nullrückstellungssignal an den Eingang 1041
des Zählers. Dieses Tor empfängt außerdem ein
Nullrückstellungssignal am Ende jedes Fensters, wobei ein Schaltkreis 1403
die abfallende Front dieses letzteren erfaßt.
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Der Zählerstand des Zählers wird von einem Bus 106 mit
12 Bits an eine Vorrichtung 107 zur Berechnung des Mittelwerts
übertragen, die von dem Signal SP validiert und von einem an
ihren Eingang angelegten Impuls jedesmal auf Null
zurückgesetzt wird, wenn ein Zähler 108 der Anzahl von Abtastungen
(Impuls I&sub1; übertragen vom Schaltkreis 9) einen vorbestimmten
Zählerstand erreicht (zum Beispiel 1, 512 oder 1024).
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Der von der Vorrichtung 106 berechnete Mittelwert wird
über eine Einheit 109 von D-Kippstufen, die am Ende der Anzahl
von Abtastungen validiert wird, einerseits an einen Ausgang
des Busses 110, der den mittleren Durchmesser in digitalem
Wert auf 12 Bits angibt, und andererseits an einen Digital-
Analogwandler 111 angelegt, der den mittleren Durchmesser in
analogem Wert angibt.
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Die Wellenform der Figur 3 entspricht dem Fall, in dem
der Strahl von einer axialen Fluse unterbrochen wird (parallel
zur Achse der Zigarette), bevor er von dieser unterbrochen
wird, und dann von einer zweiten, ebenfalls axialen Fluse.
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Die Impulse I&sub3; I&sub4; und I&sub7; I&sub8; entsprechen diesen beiden
parasitären Unterbrechungen, also Zählerstände des Zählers
104, die weit unter der Schwelle liegen. Der Zähler wird in I&sub4;
auf Null zurückgesetzt, während sein dem-Intervall I&sub5; I&sub6;
entsprechender Zählerstand (Unterbrechung durch den Körper der
Zigarette) von der Vorrichtung 107 berücksichtigt wird.
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Es ist anzumerken, daß der Einfluß jedes parasitären
Gegenstands, der den Strahl in dem Teil des Abtastzyklus
unterbricht, der sich stromabwärts hinter dem Körper der
Zigarette befindet, von der Vorrichtung beseitigt wird, selbst
wenn die Dauer der Unterbrechung I&sub7; I&sub8; größer als die Schwelle
ist. Bei Auftreten einer Validierungsfront SP während des
Abtastzyklus wird nämlich eine Logikschaltung 112 auf dem Pegel
1 blockiert und verhindert so jede neue Validierung der
Vorrichtung 107 vor dem Beginn des darauffolgenden Zyklus, bei
dem die Logikschaltung durch dem Impuls I&sub1; auf Null
zurückgesetzt wird.
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Die Herstellung der verschiedenen erwähnten
Schaltungen ist dem Fachmann geläufig.
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Unter Berücksichtigung der Tatsache, daß zwei
parasitäre Gegenstände einander-sehr nahe sein können, erfordert die
Echtzeitmessung, daß die Umschaltfrequenz der Bauteile der
Rechenvorrichtung und der Logik mehrere zehn MHz erreicht, was
dazu führt, schnelle CMOS-Bauteile zu verwenden.
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Die Abmessungsschwelle wird in Abhängigkeit vom zu
messenden Gegenstand auf den höchstmöglichen Wert eingestellt,
der noch mit der Betriebssicherheit kompatibel ist. Bei
Zigaretten beträgt sie zum Beispiel 2,56 mm.
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Im relativ seltenen Fall, in dem radiale Flusen
(senkrecht zum Körper der Zigarette) vorhanden sind, kann man unter
Berücksichtigung der Feinheit des Laserstrahls fürchten, daß
dieser erst verdunkelt wird, wenn er das freie Ende der Fluse
erreicht, was dazu führen würde, die Summe der Länge dieser
Fluse und des Durchmessers der Zigarette zu messen.
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Aufgrund der Verbreiterung des Querschnitts des
Strahls in einer Ebene senkrecht zur Ebene der Figur, die von
der Linse 2 hervorgerufen wird, kann die radiale Fluse, deren
Querschnitt schmaler ist als der Strahl in dieser senkrechten
Ebene, diesen nicht mehr ausreichend verdunkeln, um einen
Verschwindeimpuls zu erzeugen und wird somit nicht
berücksichtigt.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann ebenfalls
prinzipiell die Abmessung einer Zone ohne Material messen, die von
massiven Zonen umgeben ist, zum Beispiel die Breite des
ausgehöhlten Bereichs einer Rasierklinge. Dieser ausgehöhlte
Bereich befindet sich zwischen zwei massiven Zonen, zwischen
denen er korrekt zentriert sein muß. Diese letzteren werden
gemessen, indem die Intervalle zwischen dem ersten Impuls
ungeradzahligen Rangs (I&sub3;), der sich in der nützlichen Zone
befindet, und dem nachfolgenden Impuls (I&sub4;), und zwischen dem
zweiten Impuls ungeradzahligen Rangs (I&sub5;) der gleichen Zone und
dem darauffolgenden Impuls (I&sub6;) verwendet werden. Die Breite
des ausgehöhlten Bereichs wird gemessen, indem der Intervall
zwischen dem ersten Impuls geradzahligen Rangs (I&sub4;), der sich
in der nützlichen Zone befindet, und dem darauffolgenden
Impuls (I&sub5;) verwendet wird. Die Vorrichtung, wie sie in Figur 2
dargestellt ist, muß natürlich abgeändert werden, um die
während der drei aneinandergrenzenden Fenster I&sub3; I&sub4;, I&sub4; I&sub5; und I&sub5; I&sub6;
erzeugten Taktimpulse auf drei verschiedene Zähler zu leiten.
Eine solche Anordnung ist dem Fachmann geläufig.