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Verfahren zur berührungslosen Längenmessuny Die Erfindung hat ein
Verfahren zur berührungslosen Messung von Längen z. B. des Abstandes paralfeler
Kanten flächenhafter Werkstücke zum Inhalt.
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Es eignet sich besonders zur Ausmessung selbstleuchtender Körper,
wie z. B. glühen. der Platten und Bleche, kann aber auch immer dann angewandt werden,
wenn ein starker Helligkeitskontrast zwischen dem Meßobjekt und seiner Unterlage
vorhanden. ist.
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Die Bedingungen, unter denen derartige Messungen vorgenommen werden
müssen, sind im allgemeinen folgende: Die Ebene, in der das Werkstück liegt, ist
durch dessen Untelrlage (Fließband, Tisch, Rollgang beim Blechwalzen usw.) gegeben.
Man wird dann einen mehr oder weniger ausgedehnten Bereich dieser Ebene zur Messung
vorsehen, der von dem Meßgerät erfaßt wird und in den das Meßobjekt gebracht werden
muß.
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In. diesem Bereich muß aber bei jeder beliebigen Verschiebung oder
Verdrehung g des Meßobjektes mit gleicher Genauigkeit gemessen werden können.
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Derartige Messungen sind z. B. notwendig, wenn die Breite bandförmigen
Gutes oder die Länge (Breite) von rechteckigen Blechen oder Brammen während des
Walzens bestimmt werden soll. Diese Messung, die schon wegen der hohen Temperaturen
in der Nähe des Meßobj ektes schwierig durchzuführen ist, ist manchmal noch mit
erheblichen zusätzlichen Schwierigkeiten verbunden; z. B. kann es beim Blechwalzen
notwendig sein, das Meßinstrument außerhalb des Laufweges von. Kränen anzubringen.
Es können sich dann beträchtliche Entfernungen. zwischen dem Rollgang und dem Meßinstrument
(beispielsweise 20 m) ergeben. Häufig werden die Messungen auch dadurch erschwert,
daß das Gerät nur an einer schwer zugänglichen Stelle angebracht werden kann, so
daß der Aufenthalt eines Beobachters in seiner unmittelbaren Nähe unmöglich ist.
In einem solchen Falle muß die ! Meßmethode eine verzögerungslose Fernübertragung
des Meßwertes und eine Fernbedienung des Gerätes s zulassen.
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Schließlich besteht fast immer die Forderung, die Messung so schnell
vorzunehmen, daß das fertige Meßergebnis spätestens in. einigen Sekunden vorliegt,
ohne e daß verzögernde Umrechnungen vorgenommen bzw. Eichkurven oder ähnliches benutzt
werden müssen.
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Es war bisher kein Verfahren bekannt, das unter den vorgenannten
Bedingungen. befriedigend genaue Meßergebnisse mit nicht zu teueren Einrichtungen
geliefert hätte. Optische Verfahren lassen zwar sehr genaue Längenmessungen zu,
geben aber keine Möglichkeit der Fernübertragung des ermittelten Meßwertes und kommen
daher für den vorbezeichneten Aufgabenbereich nicht in Betracht. Ein elektro-
optisches
Verfahren, das derartige Messungen vorzunehmen gestattet und noch. nicht zum Stande
der Technik gehört, weist Nachteile auf, die seine Anwendung nur in beschränktem
Umfange gestatten.
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Nach diesem Verfahren wird die Anzahl derjenigen Zeilen eines Fernsehbildes
ausgezählt, die von dem Bild des Meßobjektes überdeckt werden. Ein Nachteil dieses
Verfahrens s besteht darin, daß hierbei die Genauigkeit der Ausmessung wesentlich
von. der Konstanz und Linearität der Ablenkspan. nungen (Kippspannungen) abhängt,
die bei der Abtastung des Bildes verwendet werden. Wenn man hohe Genauigkeiten fordert,
sind kostspielige, spezielle Ausführungen in den Kippgeräten der Ferusehanlagen
erforderlich. Das Auflösungsvermögen und d die Querleitfähigkeit der Bildaufuahmeschichten
der heute üblichen Fernsehempfangsröhren. bilden ebenfalls natürliche Grenzen bei
diesem Verfahren.
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Ein anderes Verfahren arbeitet mit einer elektrischmechanischen Abtastung,
wobei die Spannung-Zeit-Kurve, die am Lichtempfänger im Verlauf der Abtastung registriert
wird, in mathematischem Sinne differenziert wird. Auf diese Weise entstehen zu Beginn
und d Ende der Abtastung Impulse, deren zeitlicher Mittelwert an einem Gleichstrominstrument
abgelesen werden kann. Da der zeitliche Mittelwert von dem Zeitabstand der Impulse,
also der Größe der Meßstrecke, abhängt, stellt er ein Maß für die Länge oder Breite
des Meßobjektes dar. Bei dieser Arbeitsweise muß eine große Zahl von schnell und
im gleichen Zeitabstand aufeinanderfolgen. den Messungen vorgenommen werden.
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Dieses Verfahren hat den Nachteil, daß die Messung oft durch unvermeidliche
impulsartige Störungen,
deren Flanken etwa die gleiche Steigung
haben wie die Anstiegs- und Abstiegsfianken des Signals, verfälscht wird. Diese
Störungen können durch Inhomogenitäten in der Leuchtdicke oder durch Überlagerung
des Meßsignals mit einer Rauschspannung entstehen. Letzteres ist besonders dann
der Fall, wenn das Meßgerät in. großer Entfernung vom Meßobjekt angebracht werden
muß, wie es z. B. beim Blechwalzen (Freihalten von. Kranwegen über der Walzenstraße)
der Fall ist. Die Ausmessung von Temperaturstrahlern. bringt dann n Rauschstörungen
mit sich, da zur Vermeidung von Störungen durch blaues Licht (Tageslicht) dieses
ausgefiltert, also die Empfindlichkeit der Strahlungsempfänger extrem ausgenutzt
werden muß; dies. muß insbesondere dann der Fall sein, wenn im Strahlengang mit
Absorptionen. durch Staub und Dampf zu rechnen ist. Es ist durchaus möglich, daß
hierbei der ursprüngliche lange Impuls nur einige Male so hoch ist wie unvermeidliche
Störimpulse. In diesem Falle führt nur eine Signalimpulserzengung zu brauchbaren
Ergebnissen, bei der die Höhe der abgeleiteten Impulse der Höhe des ursprünglichen
Impulses proportional ist.
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Das Verfahren nach der Erfindung entspricht diesen Forderungen, ermöglicht
Messungen unter den geschilderten. Bedingungen und vermeidet die Nachteile der bekanten
Verfahren. Benutzt wird ein Verfahren zur berührungslosen Längenmessung an gegen.
über ihrer Unterlage einen Helligkeitskontrast hervorruf enden Meßobjekten, wobei
die Messung der Länge (Breite) des optischen Bildes des Meßobjelites durch Abtasten
desselben und Auszählen der Zeitdauer eines hierbei erzeugten elektrischen Impulses
erfolgt. Gemäß der Erfindung wird vorgeschlagen, zwischen dem Meßobjekt und einem
lichtelektrischen Element ein lichtundurchlässiges und mit einer Schlitzbiende versehenes
Band mit konstanter und genau bestimmbarer Geschwindigkeit zu bewegen. Hierbei wird
vorteilhaft der ursprüngliche Impuls, der von dem durch die Schlitzblende tretenden
Licht stammt, in zwei Impulse umgewandelt, deren. Auslösen und Erlöschen durch den.
An- und Abstieg des ursprünglichen Impulses bestimmt wird und deren Höhe proportional
der Höhe des ursprünglichen Impulses ist. Bei der Anwendung des Verfahrens kann
der durch das Auslösen des ursprünglichen Impulses. bestimmte Impuls in bekannter
Weise ein elektronisches Zählwerk einschalten, das durch den durch. das Erlöschen
des ursprünglichen Impulses bestimmten Impuls abgeschaltet wird, wobei der elektronische
Zähler die Spannungsspitzen eines Oszillatoirs zählt und diese Zählung auf eine
bestimmte Höhe der beiden Einzelimpulse anspricht. Dieser Ansprechwert kann beliebig
eingestellt werden. Dadurch ist gewährleistet, daß Störimpulse - sofern sie nicht
so gro, ß sind wie die Meßiinpulse - unwirksam gemacht werden können.
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Diese Messung der Impulsdauer kann natürlich auch mit anderen bekannten
Methoden vorgenommen werden.
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Um eine einwandfreie Messung durchzuführen, ist Voraussetzung, daß
die Meßstreclie mit der Richtung der Längsachse der Blendenöffnung einen Winkel
von -900 bildet. Demgemäß ist das Meßinstrument vor der Messung in eine derartige
Lage zu bringen.
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In den. Zeichnungen 1, 2 und 3 ist ein Ausführungs--beispiel einer
Meßanordnung gemäß der r Erfindung im Prinzip wiedergegeben.
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In Abb. list das Meßobjekt 1 und das Meßgerät dargesfellt, das die'
Form einer Kamera hat, deren optisclle Achse senkrecht auf der Ebene des Äießobjek
tes
steht; das Objektiv2 entwirft ein Bild in einer Ehene, in der sich ein unendliches,
lichtundurchlässiges Band 3 mit konstanter, genau bekannter Geschtvindigkeit bewegt.
In dieses Band ist ein schmaler Schlitz 4 eingearbeitet, der senkrecht zur Bewegungsrichtung
des Bandes angeordnet ist. Mit der Ziffer 5 ist ein lichtelektrisches Element bezeichnet,
z. B. eine großflächige Kathode eine Fotozelle oder eines Sekundärelektronenvervielfachers,
die unmittelbar über dem Band oder aber auch - wie in der Abbildung angel deutet
- in einiger Entfernung davon angebracht werden können. Im letzteren Fall wird zwischen
dem Bild und der Fotokathode eine verkleinernde Optik 6 befestigt. Es ist dann möglich,
die handelsüblichen, billigeren Fotozellen mit kleinfiächigen Kathoden zu verwenden.
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Es kann also jeweils nur derjenige Teil des Lichtstromes zur Fotokathode
gelangen, der durch die in Bewegung befindliche Schlitzblende hindurchtritt. In
Abb. 2a ist das Bild des Meßobjektes 1 mit der Schlitzblende 4 dargestellt. Die
Bewegungsrichtung der Schlitzblende ist durch den Pfeil angedeutet. In Abb. 2b.
ist der der Schlitzbewegung entsprechende zeitliche Verlauf der Spannung, die der
Fotozelle entnommen wird, eingezeichnet. Er hat die Form eines Impulses. Seine Zeitdauer
hängt praktisch nur von der Länge der Meßstreclçe und der Geschwindigkeit des umlaufenden
Bandes ab. Wenn also die letztere Größe mit ausreichender Genauigkeit bekannt ist
und eingehalten wird, kann aus der Zeitdauer dieses Impulses auf die Länge der Meßstrecke
geschlossen werden.
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Zur Messung der Impulsdauer werden die Anstiegs-und Abstiegsflanken
dieses ursprünglichen Impulses mit Hilfe einer an sich bekannten Widerstands-Kondensator-Schaltung
jeweils in zwei kurze Impulse umgewandelt, deren Auslösen und Erlöschen praktisch
für den einen kurzen Impuls nur durch den. Anstieg und für den anderen kurzen Impuls
durch den Abstieg des ursprünglichen langen Impulses bestimmt wird.
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Diese beiden kurzen Impulse, die also Anfang und Ende des langen Impulses
anzeigen, werden zweckmäßigerweise in einer Gleichrichteranordnung auf gleiche Polarität
gebracht, so daß schließlich zwei Impulse gleicher Polarität und Form vorliegen.
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Abb. 3 veranschaulicht diesen Sachverhalt. Abb. 3 a zeigt den langen
Spannungsimpuls, der an der Fotozelle oder dem Sekundärelektronenvervielfacher entsteht;
in Abb. 3 b sind die beiden kurzen, am Ausgang der Differenzierstufe entnehmbaren
und in Al)l). 3 c die gleichgerichteten Impulse zu erkennen.
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Die Zeitmessung wird so vorgenommen, daß der Impuls, der der Anstiegsflanke
des langen Impulses entspricht, ein elektronisches Zählwerk einschaltet, das die
Spannungsspitzen eines Wechselspannungsgenerators mit hoher Frequenzgenauigkeit
zählt, also eine Zeitmessung durchführt. Der zweite, der Abr stiegsflanke entsprechende
Impuls beendet dann den Zählvorgang. Die Frequenz des Generators und die Bandgeschwindigkeit
können so gewählt und aufeinander abgestimmt werden, daß als Ergebnis der Zählung
bereits unter Berücksichtigung der Bandgeschwindigkeit und des Abbildungsmaßstabes
der Optik 2 unmittelbar die Meßgröße angezeigt wird.
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Zweckmäßigerweise wird ein elektronischer Zähler gewählt, der auf
einen bestimmten Schwellenwert der Spannung anspricht; als gemessene Impulsdauer
ergibt sich dann mit großer Genauigkeit der Zeitabstand zwischen n je zwei Punkten
gleicher Höhe auf den Anstiegsflanken der beiden kurzen Impulse, so,
fern
diese gleiche Gestalt haben. Die beiden Punktes und B in der Abb. 3 c veranschaulichen
dies.
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Bei der beschriebenen Messung ist, wie aus Abb. 2a ersichtlich, vorausgesetzt,
daß die Richtung der Meßstrecke mit der Richtung der Längsachse der Blendenöffnung
4 einen Winkel von 900 bildet.
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Ist dies nicht der Fall, bildet also die Schlitzblende mit der Meßstrecke
einen von 900 abweichenden Winkiel, so muß vor der Durchführung der eigentlichen
Messung die Lage der Kamera so verändert werden, daß die Schlitzblende in senkrechter
Richtung zur Meßstreckenrichtnng steht, d. h., die I Kamera muß um ihre Achse gedreht
werden. In so einem Falle besteht also der Meßvorgang aus zwei Phasen: a) das Eindrehen
des Meßinstrumentes in Meßrichtung; b) die eigentliche Messung.
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Das Eindrehen der Kamera um ihre optische Achse in die Meßstellung
geschieht vorzugsweise auf folgende Weise. Neben dem Meßinstrument wird als Hilfsgerät
eine Fernsehkamera mit zur optischen Achse des Meßinstrumentes paralleler, optischer
Achse angebracht, die den gleichen Sichtbereich wie das Meßgerät hat. Beide Geräte,
deren optische Achsen auf der Ebene des Meßobjelçtes senkrecht stehen, sind so gekoppelt,
daß sie um ihre Achsen nur gleiche Drehungen ausführen können. Auf dem Bildschirm
des Fernsehempfangsgerätes werden nun an Hand eines Rasters, gegebenenfalls mit
Hilfe einer Fernsteuerung mit Servomotor, beide Geräte in die gewünschte Meßlage
eingestellt.