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Verfahren und Vorrichtung zur Messung paralleler Kanten an feststehendem
oder durchlaufendem, vorzugsweise bandförmigem Gut Die Erfindung bezieht sich auf
ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung der Breite, der seitlichen Verschiebung,-des
Durchmessers bzw. Abstandes paralleler Begrenzungen, z. B. Kanten, von Gegenständen
an sich beliebiger Art, vorzugsweise von bandförmigem Gut, insbesondere bei der
kontinuierlichen Messung von sich bewegendem Gut.
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Gemäß Anmeldung E 9301 IX/42b, auf das die Erfindung zurückbezogen
ist, wird das Bild der Begrenzungen des Gegenstandes, z. B. der beiden Bandkanten,
mittels zweier Fernsehkameras erfaßt und auf eine gemeinsame Bildröhre abgebildet.
Durch eine Winkelverstellung der Kameras wird eine entsprechende Winkelverstellung
der Begrenzungen, z. B. der Bandkanten, erreicht, so daß der Winkel, den die optischen
Achsen der Kameras untereinander bilden, genau dem Winkel entspricht, unter dem
sich die Abbildungen der Kanten schneiden. Der Winkel, unter dem sich die Bandkanten
schneiden, legt das Anzeigeverhältnis der Breitenänderung e zur Parallelverschiebung
f des Bandes fest. Es ist im allgemeinen erstrebenswert, das Verhältnis f = f so
groß wie möglich zu machen, weil hierdurch die Breitenänderung gegenüber der Parallelverschiebung
hervorgehoben wird.
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Die nachfolgend beschriebene weitere Ausbildung der Erfindung beruht
auf der Möglichkeit, das elektrooptische Vergrößerungs- bzw. Verkleinerungsverhältnis
zwischen der Kamera und dem Bildschirm, im
folgenden. elektrooptisches
Übersetzungsverhältnis « genannt, zu variieren. Erfindungsgemäß wird nunmehr das
Anzeigeverhältnis # 2 dadurch in gewünschtem Sinne durch an sich bekannte elektrooptische
Maßnahmen beeinflußt, insbesondere vergrößert, indem das elektrooptische Übersetzungsverhältnis
in der Richtung der Höhe des Bildschirms und in der Richtung der Breite desselben
verschieden gewählt wird. Das Anzeigeverhältnis n kann also in den gegebenen Grenzen
durch elektrooptische Maßnahmen beliebig geändert werden. Hierbei wird natürlich
auf dem Bildschirm ein vom relativen Verdrehungswinkel der Kameras verschiedener
Schnittwinkel der abgebildeten Kanten erzielt, da der relative Verdrehungswinkel
und der abgebildete Schnittwinkel der beiden Bandkanten hinsichtlich Bildhöhe und
Bildbreite nur bei gleichem elektrooptischem Übersetzungsverhältnis übereinstimmen.
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An Hand der Figuren wird die Erfindung beispielsweise veranschaulicht,
wobei weitere erfindungsgemäße Einzelheiten erläutert werden.
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Fig. I veranschaulicht die Verhältnisse bei reiner Breitenänderung
des zu messenden bandförmigen Gutes, während Fig. 2 die Verhältnisse bei der reinen
Parallelverschiebung des Bandes untersucht.
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Fig. 5 bis 8 dienen zur Erläuterung der geometrischen Verhältnisse
bei den Anordnungen gemäß Fig. 3 und 4, wobei die elektrooptische Übersetzung hinsichtlich
der Bildhöhe verringert wird.
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Fig. 9 rund 10 veranschaulichen die Anbringung besonders ausgestalteter
Photoelemente an dem Bildschirm der Bildröhre, um eine Messung der Breite des bandförmigen
Gutes zu erleichtern.
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Fig. II stellt schematisch eine Anordnung zur Soll-Ist-Anzeige dar.
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In den Fig. r bis 4 kennzeichnet die Bezugsziffer I den zu messenden
Gegenstand, z. B. ein Band mit den Begrenzungen a und b. Die Fernsehkameras sind
mit 2 und 3 bezeichnet. Die Abbildung erfolgt mittels der Fernsehkameras über Draht
oder drahtlos auf einem gemeinsamen Bildschirm 4. Die Mittellinie des aufzunehmenden
Gegenstandes, z. B. des Bandes I, ist durch die strichpunktierte Linie X gegeben.
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Wird eine Fernsehkamera um ihre optische Achse um einen Winkel ç
verdreht, so kreuzen sich die Abbildungen der Bandkanten al und bl auf dem Bildschirm
des Empfängers im Schnittpunkt S unter dem Verdrehungswinkel.
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Ändert sich die Breite des Walzgutes um den Betragd unter der Voraussetzung,
daß die Mittelachse des X des Bandes sich nicht parallel verschiebt, so erfährt
das Bild der Kante al eine Parallelverschiebung entsprechend dem gewählten Abbildungsmaßstab
um die Strecke 2 nach a1, und entsprechend b1 nach bl'.
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Der Schnittpunkt S wandert hierbei auf der Winkelhalbierenden w des
Winkels 97 zwischen den beiden Kanten al und b1 bzw. a1, und b1, von S nach S'.
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Wird das optische Übersetzungsverhältnis bezüglich der Bildbreite
von dem der Bildhöhe verschieden gewählt, so wird die Kante a des Bandes in die
Linie al, die Bandkante b in die Linie b1 abgebildet; die Kanten a' und b' des gestrichelt
angedeuteten breiteren Bandes werden in entsprechender Weise auf dem Bildschirm
in Form der Linien a1, * und b1, * abgebildet. Findet keine Parallelverschiebung
statt, d. h. bleibt die Mittelachse X des Bandes während der Breitenänderung erhalten,
so werden die beiden seitlichen Breitenänderungen im Betrag b in vergrößertem Maßstab
auf dem Bildschirm abgebildet.
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Bei verschiedenen elektrooptischen Übersetzungsverhältnissen gehen
die beiden Schnittpunkte S und S' in die entsprechenden Schnittpunkte S* und S'*
über, wie dies in Fig. I an Hand der beiden übereinanderliegenden Abbildungen der
Bandkanten erläutert ist. Durch die Änderung des optischen Übersetzungsverhältnisses
wird ebenfalls der Winkel ç zwischen den Bandkanten verzerrt. Es findet also keine
winkelgetreue Abbildung mehr statt, sondern der Winkel* weist je nach dem Unterschied
des elektrooptischen Übersetzungsverhältnisses bezüglich der Bildhöhe und der Bildbreite
eine entsprechend große Abweichung von dem ursprünglichen Winkel auf, der sich ergibt,
wenn das elektrooptische Übersetzungsverhältnis bezüglich der Bildhöhe gleich dem
elektrooptischen Übersetzungsverhältnis bezüglich der Bildbreite ist. Gleichfalls
findet eine Verzerrung der beiden Abstände d*/2 zwischen den abgebldeten Kanten
a1* und a1'* sowie zwischen den Kanten b* und b1,* statt, die nunmehr infolge des
verschiedenen elektrooptischen Übersetzungsverhältnisses ebenfalls verschieden große
Abstände haben.
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In Fig. 2 sind in analoger Weise die Verhältnisse bei einer reinen
Parallelverschiebung des Bandes (konstante Breite) veranschaulicht. Bei gleichem
elektrooptischem Übersetzungsverhältnis nach Höhe und Breite wandert der Schnittpunkt
S der Bändkante längs der Winkelhalbierenden n des Komplementärwinkels von ? nach
S', während bei der Änderung des elektrooptischen Übersetzlingsverhältnisses bezüglich
der Höhe des Bildes eine Wanderung des Schnittpunktes der abgebildeten Bandkante
längs der Linie » * nach S'* stattfindet.
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Bei einer reinen Parallelverschiebung verschiebt sich die Mittelachse
x des Bandes und geht in die Achse x' über. Die Kanten a' und b' des parallel verschobenen
Bandes gehen auf dem Bildschirm wieder in die Kanten a1, und b1, über. Bei Änderung
des elektrooptischen Übersetzungsverhältnisses findet wiederum eine Verzerrung der
Abbildung statt, und die Kanten a' und b' werden nunmehr in die Kanten a1,* und
b1,* übergeführt. Die Kanten a und b gehen bei verschiedenen elektrooptischen Übersetzungsverhältnissen
bezüglich Bildhöhe und Bildbreite in die Linien al* und bl* über. Bei gleichem elektrooptische'mÜbersetzungsverhältnis
sind bei einer reinen Parallelverschiebung die Abstände p1 zwischen den abgebildeten
Linien al und a1, bzw. P1 und b1, gleich groß. Die entsprechenden Abstände P1 werden
bei verschiedenen elektrooptischen Übersetzungsverhältnissen natürlich verschieden
groß, wie man aus der Fig. 2 entnehmen kann. Die der Winkelhalbierenden w
des
Winkels # entsprechende Linie w*, die sich bei verschiedenen elektrooptischen Übersetzungsverhältnissen
ergibt, besitzt natürlich nicht mehr die Eigenschaften einer Winkelhalbierenden.
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In den Fig. 3 bzw. 4 weist sowohl die Kamera 2 als auch die Kamera
3 eine Verdrehung ihrer optischen Achse um den Betrag D gegenüber der zugehörigen
Kante auf, wobei insgesamt eine Relativverdrehung der optischen Achsen gegeneinander
entsteht, welche dem Betrage # entspricht. Wie die Abbildungen der Kanten al und
b1 bzw. a1, und b1' zeigen, wandert bei der beschriebenen Kamerastellung während
einer entsprechenden Breitenänderung des Bandes der Schnittpunkt S beider Bandkanten
von S nach S'längs einer waagerechten Linie. Auch eine Verringerung des elektrooptischen
Übersetzungsverhältnisses hinsichtlich der Bildhöhe ändert hieran nichts, so daß
der Schnittpunkt S* bei einer reinen Breitenänderung nach S'4 wandert, also längs
der Winkelhalbierenden des Winkels, der natürlich infolge des verschiedenen elektrooptischen
Üb ersetzungsverhältnisses eine andere Größe als (p* aufweist. Die symmetrische
Änderung der Breite des Bandes um den Gesamtbetrag d bedingt eine Verschiebung der
beiden Kanten um den Betrag d/2.
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Bei gleichem elektro optisch em Übersetzungsverhältnis bezüglich Bildbreite
und Bildhöhe wird diese Breitenänderung ebenfalls symirietrisch übertragen, d. h.,
der Abstand dl zwischen der abgebildeten Kante a1 und a1, ist gleich dem Abstand
zwischen den abgebildeten Kanten b1 und b1'. Im allgemeinen führt ein verschiedenes
Übersetzungsverhältnis von Bildhöhe und Bildbreite dazu, daß die den Abständen d1/2
der Bandkanten bei gleichem elektrooptischem Übersetzungsverhältnis entsprechenden
Breitenänderungen d1*/2 ebenfalls verschieden groß ausfallen. Im Sonderfalle der
Fig. 3 sind jedoch auch die Abstände zwischen den Kanten a1* und a2'* sowie zwischen
den Kanten b1* und bj': gleich groß, was sich aus der symmetrischen gegenseitigen
Verdrehung der beiden Kameras 2 und 3 um gleiche Winkelbeträge bezüglich der parallelen
Bandkanten ergibt.
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In Fig. 4 sind in analoger Weise die Verhältnisse für den Fall einer
reinen Parallelverschiebung des Bandes S veranschaulicht. Der Schnittpunkt S der
beiden Bandkanten wandert somit in senkrechter Richtung zu der obengenannten waagerechten
Linie von S nach S' bzw. von S* nach S':. Die Anordnungen gemäß den Fig. 3 und 4
haben insbesondere den Vorteil, daß die reinen Breitenänderungen bzw. die reinen
Parallelverschiebungen parallel zu den Koordinatenachsen eines rechtwinkligen Systems
verlaufen, was eine besonders gute Übersichtlichkeit der Messung ermöglicht. Ferner
wird der Schnittwinkel der Änderungslinien für die reine Parallelverschiebung mit
den entsprechenden Änderungslinien für die reine Breitenänderung unabhängig vom
elektrooptischen Übersetzungsverhältnis, d. h., bei einer Änderung des elektrooptischen
Übersetzungsverhältnisses bleibt die Orthogonalität des obengenannten Koordinaten--systems
erhalten. Außerdem werden die Winkel # ur,d #* sowie deren entsprechende Komplementärwinkel
unabhängig vom elektrooptischen Übersetzungsverhältnis durch die Änderungslinien
S-S' bzw.
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S :-S'* halbiert.
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Die genannten Fälle lassen sich auch leicht quantitativ an Hand der
Fig. 5 bis 8 übersehen, in denen die elektrooptische Übersetzung hinsichtlich der
Bildbreite konstant gehalten ist, während sie hinsichtlich der Bildhöhe verringert
ist. Somit ergibt sich zunächst e = e* und f* = m1 f, wobei m1 der elektrooptische
Übersetzungsfaktor bezüglich der Bildhöhe ist, d. h.,
Aus den Fig. 7 bzw. 8 ergibt sich:
bzw.
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Das Anzeigeverhältnis # und ? beträgt also:
wegen e = e* und m1f = f : = f* und :. : e*/f* ergibt sich außerdem
Aus diesen Gleichungen geht hervor, daß bei gegebener Winkelstellung # der Kameras
und dadurch gegebener Strecke bei Änderung der Bandbreite, wenn die Breitenübersetzung
konstant gehalten, die Höhenübersetzung jedoch geändert wird, das Anzeige vernältnis
umgekehrt proportional dem elektrooptischen Übersetzungsverhältnis bezüglich der
Bildhöhe entsprechend dem dadurch entstandenen Winkel : 65 70 75 80 85 90 95 100
105 110 125 120 125
geändert wird. Analog gilt dasselbe für Änderung
der Breitenübersetzung bei konstanter Höhenübersetzung.
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Auch durch Kombinationen von Änderungen der Breiten- und Höhenübersetzungen
werden verschiedene Winkel * und damit verschiedene Anzeigeverhältnissex7* erzielt.
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Auch bei sehr günstigem Anzeigeverhältnis 77 = T kann wegen der.
starken Parallelverschiebungen P des Bandes auf dem Rollgang, die in der Praxis
oft wesentlich höher sind als die Abweichungen des Bandes von der Sollbreite, der
Schnittpunkt S der beiden Bandkanten erheblich in Richtung der Normalen n zur Richtung
der Winkelhalbierenden w des auf dem Bildschirm gebildeten Winkels ç zwischen den
Abbildungen der Bandkanten schwanken und damit die Ablesung erschweren. Je größer
die elektrooptische Bildvergrößerung ist, desto unangenehmer macht sich diese Erscheinung
bemerkbar : Die Möglichkeit, das Band auf dem Rollgang seitlich mit hinreichender
Genauigkeit zu führen, ist nicht immer gegeben. Außerdem nutzt man in der Praxis
derartige Möglichkeiten nur sehr ungern aus, da man bestrebt ist, dem mit hoher
Geschwindigkeit über den Rollgang laufenden Band alles aus dem Wege zu räumen, was
ein Festhaken der Bandspitze und damit eine Unterbrechung des glatten Walz- und
Bandführungslaufes bis zum nächsten Walzgerüst oder bis zur Haspel bewirken würde
Dieser Nachteil kann gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung dadurch vermieden
werden, daß geeignete, beispielsweise streifenförmige Photoelemente, die am Bildschirm
angebracht. werden, in Richtung der Normale in verlaufen. Durch geeignete Schaltungsmaßnahmen
läßt sich nun erreichen, daß unabhängig von der Parallelverschiebung des Bandes
nur die Breitenänderung vom Meßinstrument angezeigt wird.
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In den Fig. gbisll sind Anordnungen zur Lösung dieser meßtechnischen
Aufgabe veranschaulicht. Auf dem Bildschirm 4 werden die Kanten 5 und 6 des Bandes
so abgebildet, daß sie ein zeigerförmiges Flächenstück 7 begrenzen.
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Die Breiten bzw. die Breitenabweichung werden durch die Skalenteile
8 erfaßt, während sich bei einer reinen Parallelverschiebung des Bandes (bei konstanter
Breite) eine Verschiebung des zeigerförmigen Flächenstücks in Richtung des Doppelpfeiles
g ergibt, wobei keine Änderung der Anzeige des Meßimstrumentes erfolgt.
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Fig. 10 erläutert die Anbringung von streifenförmigen Photoelementen
10 am Bildschirm 4. Durch die Beleuchtungsstärke des Zeigers 7, der hell gegenüber
den Bandkanten ist, werden in den Photoelementen Ströme erzeugt, die über den Verstärker
II auf ein Anzeigegerät I2 übertragen werden und als Maß für die Breite des Bandes
dienen.
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Fig. II veranschaulicht ein besonders einfaches Beispiel einer Soll-Ist-Anzeige.
Die Photoelementstreifen I3, 14 und Ig zeigen über den Verstärker 19 und die Lampen
I6, I7 und I8 an, ob das Band zu breit ist, innerhalb der Breitentoleranz liegt
oder zu schmal ist. Durch Verschieben der Photoelementstreifen I3 und 15 in vertikaler
Richtung werden die Toleranzbereiche geregelt, durch, Verschieben des Streifens
14 wird der Nullpunkt des Meßinstrumentes für die Sollbreite bei gegebenem Band
eingestellt.