DE8302799U1 - Vorrichtung zur Erfassung von Meßgrößen - Google Patents

Description

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Vorrichtung zur Erfassung von Messgrössen

Die Neuerung betrifft eine Vorrichtung zur Erfasung von Messgrössen mit einer Lichtquelle, einer Empfängerfläche und einer zwischen Lichtquelle und Empfangerfläche angeordneten Skala.

Bei Messungen von Längen oder Winkeln wird eine hohe Genauigkeit angestrebt. Die hierfür verwendeten bekannten Messgeräte, wie zum Beispiel geodätische Geräte sind so konstruiert, dass die Bedienungsperson die Messgrösse auf einer Skala, die aus optischen Marken, wie zum Beispiel Strichen, Spalten oder Ziffern, besteht oder an einer digitalen Anzeige abliest. Die sogenannte Aufbereitung der Messgrössen ist von Ablesemethode zu Ablesemethode unterschiedlich. Die Ablesung von Skalen ist subjektiv, hat jedoch den Vorteil eines geringen Apparateaufwands. Die Ablesung von digitalen Anzeigegeräten ist wesentlich genauer, hat jedoch den Nachteil des grossen Apparateaufwandes. Bekanntlich sollen geodätische Messgeräte, wie zum Beispiel Theodolite, einen kleinen, einfachen und leichtgewichtigen Apparateaufbau mit geringerem Leistungsverbrauch aufweisen. Ferner sollen diese Geräte wartungsfrei über Jahre hinaus den Betrieb mit der gleichen Präzision ausführen können. Diese Geräte werden im Gelände verwendet und müssen einen sehr rauhen Betrieb aushalten können.

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Die bekannten digitalen Messsysteme, die zum Beispiel a

in der DE-OS 2 211 235 und US-PS 3 973 119 beschrie-

ben sind, erfüllen keineswegs die genannten Forderungen. So besitzen zum Beispiel statische Messsysteme a priori eine Genauigkeit, die bei geodätischen Geräten meist nicht ausreicht.

Inkrementelle Messsysteme hingegen sind empfindlich gegen Unterbrüche der Versorgungsspannung, da der Winkel- oder Längenwert bei einer Veränderung der Messgrösse laufend, d.h. inkrementell erfasst und gespeichert werden muss. Hochgenaue dynamische Messsysteme sind schliesslich sehr aufwendig und besitzen verschleissempfindliche Antriebs- und Regelsysteme. Diese bekannten Messsysteme sind also sehr teuer, aufwendig, kompliziert und müssen während des Betriebs oft einer Wartung und Pflege durch teures Fachpersonal unterzogen werden oder sind ungenau und haben keine einfache Konstruktion.

Die Neuerung hat die Aufgabe, diese Nachteile der bekannten Messsysteme, die deren Vorteile wieder aufheben, zu vermeiden und die Vorteile, wie Genauigkeit, | einfacher und billiger Apparateaufbau, keine Wartung | und Pflege, zu vereinen.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art gelöst, die gemäß der Neuerung gekennzeichnet ist durch die Merkmale des kennzeichnenden Teiles des Anspruches 1.

Die Neuerung wird anhand der Zeichnungen näher erläucert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Teil einer Skala mit codierten optischen Marken;

Fig. 2 eine graphische Darstellung der Intensitätsverteilung einer optischen Marke und der Fotoempfänger;

Fig. 3 eine Schaltungsanordnung zur Auswertung der

durch die optische Marke repräsentierten Messgrösse;

.S Fig. 4 die Schaltungsanordnung der Fig. 3 mit einer

■>. Kompensationseinrichtung.

Als typisches Anwendungsbeispiel soll eine Winkelmesseinrichtung im folgenden beschrieben werden. Die Messung erfolgt durch Erfassung der Lage eines codierten Messkreises, wie er zum Beispiel in den Figuren 1 und 3 angedeutet ist. Eine Skala 3 mit optischen Marken 31 kann beleuchtet werden durch eine Lichtquelle 1 und Optiken 2 und/oder 2' können vorgesehen sein oder auch nicht. Die optischen Marken können verschiedene Formen aufweisen, wie dies bereits als bekannt beschrieben wurde. Die optischen Marken 31 sind vorzugsweise transparent ausgebildet. Sie können jedoch auch undurchlässig gegen einen transparenten Hindergrund geformt sein. Zur Messung von einer Länge oder von einem Winkel sind die optischen Marken 31 so angeordnet, wie die Figur 1 zeigt. Zum Aufbau eines Winkelmessers sind diese optischen Marken radial ausgerichtet, während sie bei einem Längen-

messer parallel verlaufen. Die Figur 1 zeigt die Veiwendung von drei verschiedenen Breiten dieser optischen Marken, die alle äquidistant angeordnet sind. Die breiten Marken, die mit la bezeichnet sind, identifizieren die Grenzen der Intervalle. Die schmalen, mit Ib bezeichneten Marken und die mit Ic bezeichneten mittelbreiten Marken dienen zur Codierung des entsprechenden Intervalls. Durch Zuordnung der Strichbreiten können somit unter Verwendung verschiedener binärer Codes maximal 128 Intervalle codiert werden.

Diese Codierung erlaubt es, die zu messende Grosse aufzuteilen. Dies wird später im Zusammenhang mit der Figur S noch näher erklärt.

Im folgenden wird die Wirkungsweise des Ausführungsbeispiels der Figur 3 unter Zuhilfenahme der Figur 2 näher erklärt. Es sei angenommen, dass die Lichtquelle über die Optik 2 die auf der Skala 3 befindliche optische Marke 31 beleuchtet. Die Optik 2' soll in diesem Beispiel nicht vorhanden sein. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel kann die Optik 2" ohne die obere Optik 2 benutzt werden. Es ist auch daran gedacht, dass keine der Optiken 2, 2¹ Verwendung findenmüssen. Die Fläche 4 enthält eine Vielzahl von Fotoempfängern 41, die entweder als Zeile oder gleichmässig in mehreren Zeilen auf dieser Fläche verteilt sind. Das Bild der beleuchteten optischen Marke 31 ergibt auf den angestrahlten Fotoempfangern die Intensitätserteilung, wie sie in Fig. 2 dargestellt ist. Die

Figur 2 zeigt nur eine Zeile der Fotoempfanger, die mit N bis N + 9 bezeichnet sind. Es werden jedoch nur die Fotoempfänger N bis N + 7 belichtet. Die Intensitätsverteilung ist durch den Abstand 22 der einzelnen Fotoempfänger und durch die analoge Grosse der Belichtung gegeben. Die Lage der optischen Marke 31 in bezug auf die einzelnen Fotoempfänger ist durch die Lage des Schwerpunktes der Intensitätsverteilung 21 gegeben. Die Ermittlung des Schwerpunktes kann sowohl analog als auch digital erfolgen. Beim Ausführungsbeispiel der Figuren 2 und

3 wird der Schwerpunkt digital ermittelt, was im folgenden näher beschrieben wird. In der Figur 2 sind auf der Ordinate die Werte für die Intensität I aufgetragen. Die einzelnen Fotoempfänger haben eine unterschiedliche Intensität, die mit I„ bis I„ , bei-

N N+J

spielshalber bezeichnet sind. Diese Signale der einzelnen Fotodioden gelangen von der Fiächenanordnung

4 auf das Anpassungsglied 5, das im folgenden Beispiel als Differenz-Verstärker ausgebildet ist. Hierzu wird noch erwähnt, dass die Signale entweder sequentiell über die beiden, in der Figur 3 gezeigten Leitungen auf das Anpassungsglied gelangen oder aber jedes Fotoelement 41 eine eigene Leitung zu dem Anpassungsglied 5 besitzt. Die einzelnen Signale gelangen zum Vergleicher 6, der über den Digital-Analogwandler 7 in einer bestimmten Reihenfolge Referenzsignale erhält, die mit den Intensitätssignalen der einzelnen Fotoempfänger verglichen werden. Dies ist in der Figur 2 schematisch dargestellt. Dort wird angenommen/ dass das Referenzsignal 2 3 mit den Intensi-

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tätssignalen verglichen wird. Nur ein Teil der Fotoempfänger, nämlich diejenigen N+2 bis N+6 haben ein Intensitätssignal, das höher als dieser Schwellwert 23 ist. Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel werden die Intensitätssignale aller Fotoempfänger mit dem Schwellwert 23 verglichen. Das Ergebnis gelangt über Leitung 61 auf die monostabile Kippschaltung 8.

Nun wird vom Digital-Analogwandler 7 das nächste Referenzsignal in die Vergleicherschaltung 6 gegeben. Dieses nächste Referenzsignal wird in der Vergleicherschaltung 6 als Schwellwert 24 verwendete Dies ist in der Fig. 2 ebenfalls eingezeichnet. Der Vergleich aller Fotoempfänger wird auf die gleiche Weise durchgeführt, wie bereits im Zusammenhang mit dem vorherigen Schwellwert 23 beschrieben wurde. Nun werden laufend weitere Schwellwerte gebildet und zwar solange, bis kein Signal mehr aus der Vergleicherschaltung 6 über die Leitung 61 auf den monostabilen Kippkreis 8 gelangt.

In der Fig. 3 ist ein weiterer Stromkreis gestrichelt dargestellt, der aus der Vergleicherschaltung 6a, dem Digital-Analogwandler 7a und dem monostabilen Kippkreis 8a besteht. Die Wirkungsweise dieser drei Bauelemente ist die gleiche wie bereits beschrieben wurde. Dieser weitere Stromkreis dient dazu, dass die Intensitätssignale der Fotoempfänger 41 zur gleichen Zeit mit zwei verschiedenen Schwellwerten verglichen werden können. Es wird noch darauf hingewiesen, dass in der Fig. 3 noch weitere gleiche Schaltungen angefügt werden können, die es gestatten, die Intensitätssignale der Fotoempfänger gleichzeitig mit weiteren Schwell-

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werten zu vergleichen. Dies bringt eine wesentliche Verkürzung der Messzeit mit sich.

Die Ausgangssignale der Vergleicherschaltungen 6 bzw. 6a, usw. stellen die Quantisierungs-Information der Intensitätsverteilung der optischen Marke 31 dar. In dem monostabilen Kippkreis 8, 8a, usw. werden diese sehr kurzen Signale zeitlich verlängert und dem Mikroprozessor 9 über die Leitung 81 in der Weise zugeführt, dass die Intensitätsquantisierung für einen Schwellwert sequentiell übertragen wird. Im Mikroprozessor 9 wird der Schwerpunkt der gesamten Schwellwertverteilung 21 mit Eingang der Quantisierungssignale für die anderen Schwellwerte errechnet. Der Schwerpunkt dieser Schwellwertverteilung 21 wird im Rechner 9 p,1s Mass für die zu messende Grosse (z.B. Winkelmass oder Längenmass) erkannt. Es besteht auch die Möglichkeit, dass die Intensitätssignale der einzelnen Fotoelemente 41 mit verschiedenen Faktoren im Rechner 9 gewichtet werden. Dies kann zum Beispiel bedeuten, dass die Schwellwertverteilung 21 der Figur 2 in der Mitte (d.h. bei den Fotoempfängern N+3 und N+4)grosser geworden ist.

Der Rechner stelle also die Messgrösse fest, die durch die optische Marke 31 repräsentiert wird. Da nun jedoch die optische Marke , die in der Figur 1 mit Ic bezeichnet ist, im vorliegenden Beispiel

berechnet wurde und diese Marke in einem Intervall liegt, so muss noch die Codierung des betreffenden Intervalls vom Rechner 9 ebenfalls erarbeitet werden. Wie bereits im Zusammenhang mit der Figur 1 gesagt, ist jedes Intervall durch optisch unterscheidbare Marken la, Ib, lc codiert. Diese Marken sind in ihrer Breite unterschiedlich, haben jedoch äquidistante Abstände zueinander. Die unterschiedliche Breite der Marken gibt dem Rechner 9 die notwendige Information, in welchem Intervall die gerade berechnete Marke Ic liegt. Diese Information gibt der Rechner gemeinsam mit der Schwerpunkt-Information über die Leitung 91 auf das Anzeigegerät 10. In diesem Gerät wird die zu messende Grosse vollständig angegeben. Diese Grosse kann, wie bereits mehrmals schon erwähnt, entweder ein Längenmass oder auch ein Winkelmass sein. Eine andere Möglichkeit der Codierung der einzelnen Intervalle kann durch optisch identische Marken mit variablem Abstand zueinander vorgesehen sein.

Der Rechner 9 gibt über die Leitung 92 die jeweiligen Referenzsignale zu dem Digital-Analogwandler 7 bzw. 7a und dies ist bereits schon beschrieben. Im folgenden wird jedoch darauf hingewiesen, dass zum automatischen Intensitätsabgleich der Schwellwertverteilung die Referenzsignale aus dem Rechner 9 verändert werden können. Ein solcher Intensitätüabgleich ist notwendig, weil im Laufe der Betriebszeit entweder die Lichtquelle 1 oder die Empfindlichkeit der Fotoempfänger auf der Fläche 4 in unkontrollierter ftdise sich verändern können. Es sei nun angenommen, dass die Empfindlichkeit der Fotoempfänger durch Alterserscheinunger sich verringert. Dies bedeutet, dass die Intensitäts-

Verteilung 21 nicht mehr die Schwellwerte erreicht, wie es früher der Fall gewesen ist. Der Rechner 9 hält dieses fest und verringert entweder die Schwellwerte, so dass sie von der Schwellwertverteilung 21 wieder getriggert werden können oder die Lichtquelle 1 erhält einen höheren Beleuchtungsstrom, so dass trotz verminderter Empfindlichkeit der Fotoelemente 41 die bisherigen Schwellwerte wieder getriggert werden können. Es besteht auch die Möglichkeit, dass die bereits oben erwähnte Gewichtung der verschiedenen Intensitätssignale so durchgeführt wird, dass die Schweilwertverteilung 21 an den gewünschten Stellen ansetzt. Abschliessend kanu gesagt werden, dass infolge des beschriebenen Messprinzips der automatische Intensitätsabgleich immer vorhanden ist. Hierdurch wird das Verhältnis der Schwellenwerte 23, 24, usw. zur maximalen Intensität der Schwellwertverteilung 21 während der gesamten Betriebszeit optimiert.

Die Figur 4 zeigt im wesentlichen die gleichen Bauteile wie das Ausführungsbeispiel der Figur 3, nur mit dem Unterschied, dass eine Kompensationseinrichtung zwischen der Skala 3 und der Fläche 4 der Fotoempfänger 41 angeordnet ist. Diese Kompensationseinrichtung, die aus einem Strahlverschiebungselement und einem Antriebsmotor 13 besteht, wird vom Mikroprozessor 9 über den Digital-Analogwandler 11 und Verstärker 12 gesteuert. Zur Erklärung der Wirkungsweise der Kompensationseinrichtung sei angenommen, dass

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die Skala 3, auf der die optischen Marken 31 (Figur 4) oder la, Ib, Ic (Figur 1) angeordnet sind, entsprechend dem Messvorgang sich bewegt. Die den Lichtstrahl von der Quelle 1 kreuzenden optischen Marken 31 werden auf die Fotoempfänger 41 der Fläche 4 projiziert. Wie bereits im Zusammenhang mit den Figuren 2 und 3 beschrieben, ergibt sich eine in der nachgeordneten Auswerteschaltung 5, 6, 7, 'J

8, 9 ermittelte Schwellwertverteilung 21. Sollte sich nun herausstellen, dass der ermittelte Schwerpunkt dieser Schwellwertverteilung 21 nicht genau in seiner Null-Lage sich befindet, gibt der Rechner 9 über Leitung 93 ein Ausgangssignal, das über den '§

Digital-Analogwandler 11, Verstärker 12 den elektrischen Motor 13 so ansteuert, dass das Strahlverschiebungselement 14, das ein Prisma sein />ann, wieder in die eine oder andere Pfeilrichtung dreht. Die Drehung wird so lange durchgeführt, bis der Schwerpunkt der Schwellverteilung 21 seine Null-Lage wieder eingenommen hat. Durch diese automatische Kompensation wird sichergestellt, dass die optischen Messmarken, die für einen Messvorgang benutzt werden müssen, die gleiche Null-Lage auf der Fläche 4 aufweisen. Durch diese Massnahme ist die Messgenauigkeit erhöht.

Claims (8)

G 83 02 799.8 Wild Heerbrugg AG 10. Oktober 1983 SCHUTZANSPRÜCHE

1. Vorrichtung zur Erfassung von Meßgrößen

mit einer Lichtquelle, einer Empfängerfläche und einer zwischen Lichtquelle und Empfängerfläche angeordneten Skala, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Skala (3) optisch unterscheidbare Marken (la, Ib, Ic; 31) und auf der Empfängerfläche (4) eine Mehrzahl einzelner Empfänger (41) in einem vorgegebenen Muster angeordnet sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß die Skala eine Mehrzahl von Meßintervallen enthält, die durch die Marken (la, Ib, Ic; 31) codiert sind, und daß jede dieser Marken kleiner ist als die Empfängerfläche (4).

3. Vorrichtung nach Anspruch 2,

dadurch gekennzeichnet, daß die Marken (la, Ib, Ic; 31) äquidistant zueinander angeordnet sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2,

dadurch gekennzeichnet, daß die Marken (la, Ib, Ic; 31) mit variablem Abstand zueinander angeordnet sind.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß Inverfallanfang und -ende durch separate Marken (la) codiert sind.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-5,

dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Lichtquelle (1) und der Empfängerfl'^che (4) mindestens ein optisches Element (2, 2¹) vorgesehen ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Skala (3) und der Empfängerfläche (4) eine Kompensationseinrichtung (14) zur Herstellung der Null-Lage der Schwellwertverteilung angeordnet ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompensationseinrichtung (14) aus einem Prisma besteht.