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Meßvorrichtung zum genauen Bestimmen der Größe und der Richtung der
Bewegungen eines Gegenstandes relativ zu einem festen Bezugssystem Es ist bekannt,
als Anzeigevorrichtung in Feinmeßgeräten an Stelle von Zeigern übereinander angeordnete
optische Gitter zu verwenden, deren undurchsichtige Striche ein gemeinsames Streifenmuster
bilden und von denen das eine Gitter mit dem Bezugssystem, das andere mit dem bewegten
Gegenstand verbunden ist, das sich entsprechend der Größe und dem Sinn der Bewegung
des Gegenstandes bewegt, wobei die Anzahl der Gitterstriche des sekundären Gitterbildes,
um die das sekundäre Gitterbild relativ zu einer Grundlinie verschoben wird, ein
Maß für die durchgeftihrte Bewegung darstellt. Es ist ferner bekannt, die Gitterlinien
des einen Gitters geneigt zu den Gitterlinien des anderen Gitters anzuordnen, so
daß beim Bewegen des einen Gitters zyklische Schnitthildmuster entstehen, die sich
etwa in Richtung der Linien des optischen Gitters bewegen.
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Diese Einrichtungen gestattet nur, den absoluten Wert der Größe einer
Bewegung, nicht aber auch deren Richtungssinn zu bestimmen.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß das beim Bewegen des
sekundären Gitters entstehende, sich etwa senkrecht zur Meßbewegnng bewegende zyklische
Sekundärgitterbild abwechselnder Lichtdurchlässigkeit und Lichtundurchlässigkeit
von zwei Lichtbündeln durchstrahlt, die im Abstand eines Bruchteiles der halben
Gitterkonstante des sekundären Gitters angeordnet sind und die nach dem Durchdringen
des sekundären Gitterbildes auf zwei Photozellen treffen, deren Signale über getrennte
Leitungen elektronischen Schaltstufen zugeführt werden, die aus der relativen Phasenlage
der beiden Signalfolgen die Richtung und aus der Zahl der während eines Bewegungsvorganges
des sekundären Gitters erzeugten Impulszyklen die Größe der Bewegung des Gegenstandes
ermitteln.
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Es ist zwar vorgeschlagen worden, zum Messen von Strecken Impulse
von Teilungen photoelektrisch abzunehmen, deren Intervalle kleiner als die gewünschte
Einstelltoleranz und die untereinander so gleich seien, daß jede beliebige Summe
der Intervalle eine noch innerhalb der gewünschten Toleranz liegende Meßstrecke
ergibt, und diese Impulse in Zählanordnungen zu zählen, wobei durch eine Hilfsspur
der Teilung eine vorzeichenrichtige Addition erzwungen werden soll.
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Derartige Teilungen lassen sich technisch nur sehr schwer oder kaum
reproduzieren, so daß eine praktische Anwendung in Frage gestellt ist.
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Durch die Einrichtung nach der Erfindung, bei der die gewünschten
Impulse durch die Interferenz von Gitterstrichen zweier übereinanderliegender optischer
Gitter ausgelöst werden, werden derartige Teilungsschwierigkeiten vermieden.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann für die verschiedensten Meßzwecke
verwendet werden, beispielsweise bei Spannungsmessern, Extensometern und anderen
physikalischen Apparaten.
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In der Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen ist die Erfindung
an Hand von zwei Ausführungsbeispielen erläutert. Im einzelnen zeigt Fig. 1 eine
teilweise aufgeschnittene perspektivische Ansicht des Apparates, Fig. 2 ein Einzelteil
in gegenüber der Fig. 1 -vergrößertem Maß stab, Fig. 3 bis 10 verschiedene Formen
des Einzelteiles der Fig. 2, Fig. 11 eine vereinfachte Aufsicht auf eine abgewandelte
Form eines Teiles des Apparates der Fig. 1, Fig. 12 ein Schaltschema von Einzelteilen
der elektrischen Ausrüstung des in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiels, Fig.
13 die elektrischen Wellenformen zur Erläuterung der Arbeitsweise der elektrischen
Ausrüstung der Fig. 12, Fig. 14 ein Schaltschema eines von Fig. 12 abweichenden
Ausführungsbeispiels, Fig. 15 Wellenformen zur Demonstration der Arbeitsweise der
Anordnung der Fig. 14, Fig. 16 ein Einzelteil der Anordnung der Fig. 14,
Fig.
17 die Wellenformen zur Erläuterung der Arbeitsweise der Anordnung der Fig. 16.
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Die Ausdrücke »undurchsichtig« und »Undurchsichtigkeit« werden im
folgenden in dem Sinn von »nicht lichtdurchlässig« gebraucht - sei es, daß diese
Lichtundurchlässigkeit auf Absorption oder auf totale innere Reflexion zurückzuführen
ist.
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Das dargestellte Ausführungsbeispiel betrifft ein Meßgerät, mit dessen
Hilfe die Größe und die Richtung der geradlinigen Bewegung eines Tisches 10 (vgl.
Fig. 1) einer Drehbank relativ zu dem festen Bett 11 der Drehbank bestimmt werden
soll. Sie be sitzt zwei übereinandergelagerte optische durchsichtige Gitter 12 und
13. Das Gitter 12 ist an dem einen Ende einer vorspringenden Feder 14 befestigt,
welche von einer Konsole 15 in der im folgenden zu beschreibenden Weise getragen
wird.
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Die Konsole 15 ist an dem Bett 11 der Maschine hefestigt. Das Gitter
13, welches lang genug ist, um eine volle Bewegung des Tisches 10 zu gestatten,
ist an dem Tisch 10 mittels des Winkeleisens 101 befestigt. Die Gitter 12 und 13
bestehen aus Glas oder einem anderen durchsichtigen oder durchscheinenden Material,
das mit geraden, parallelen undurchsichtigen Strichen versehen ist, deren gegenseitiger
Abstatid mindestens annähernd der gleiche für beide Gitter ist.
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Vorzugsweise werden je zweihundert undurchsichtige Striche je mm angebracht;
aber im Bedarfsfall können selbstverständlich auch größere oder geringere Strichabstände
gewählt werden. Die Breite der undurchsichtigen Striche ist mindestens annähernd
gleich der Breite der zwischen ihnen liegenden durchsichtigen Striche. Die Striche
der Gitter liegen jeweils in der gleichen Ebene.
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Die Striche des Gitters 13 verlaufen transversal zur Bewegungsrichtung
des Tisches. Zur Erläuterung sei der Einfachheit halber angenommen, daß diese Richtung
horizontal verläuft und daß dementsprechend die Striche des Gitters 12 vertikal
verlaufen.
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Die Feder 14 ist schwenkbar gelagert, dergestalt, daß die Striche
des Gitters 12 etwas gegen die Vertikale verschwenkt werden können, wodurch die
Striche der beiden Gitter ein wenig schräg zueinander gestellt werden. Die Feder
14 drückt das Gitter 12 gegen das Gitter 13. Ein unmittelbarer Kontakt zwischen
den beiden Gittern wird jedoch durch zwei horizontale Streifen 16 mit geringem Reibungskoeffizienten
am oberen und unteren Rand des Gitters 12 verhindert.
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Die Gitter werden durch eine Lampe 17 erleuchtet, die in dem Gehäuse
18 untergebracht ist und von einer Verlängerung 15" der Konsole 15 getragen wird.
Die Lampe 17 besitzt einen vertikalen geradlinigen Leuchtfaden. Ihr Licht gelangt
zu den Gittern über die Sammellinse 20, den unter einem Winkel von annähernd 450
stehenden Spiegel 21 und durch die Fenster 23 und 24 in der - im übrigen undurchsichtigen
- Wandung des Gehäuses 18. Diese Fenster liegen in einer zu den Gitterstrichen etwa
parallelen Richtung nebeneinander, d. h. bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel
vertikal übereinander in einer Entfernung, worüber weiter unten Näheres gesagt wird.
Von diesen Fenstern gehen zwei - durch die gestrichtelten Linien 25 und 26 angedentete
- Lichtstrahlen durch die übereinanderliegenden Gitter. In dem Weg dieser Strahlen
außerhalb des Bereiches der Gitter ist ein Schirm 27 angeordnet, der - zu einem
weiter unten näher beschriebenen Zweck - eine Öffnung in Form eines vertikalen Schlitzes
28 besitzt.
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Hinter dem Schirm 27 ist in den Weg der Strahlen 25 und 26 ein Paar
geneigter Spiegel 31 bzw. 32 ein-
geschaltet, durch die die Strahlen zu den Photozellen
33 und 34 reflektiert werden, welche gegenüber allem anderen Licht abgeschirmt sind.
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Die von den Photozellen 33 und 34 erzeugten elektrischen Ausgangssignale
werden über besondere Leitungen A bzw. B zu einem empfindlichen Gerät 35 geleitet,
welches dazu bestimmt ist, eine Folge von StromstöBen zu erzeugen, welche eine periodische
Frequenz aufweisen, die abhängig ist von der Frequenz der Stromstöße der Photozellen,
und diese Folge von Stromstößen nur über eine Stromleitung C oder nur über eine
Stromleitung D in Abhängigkeit von der relativen Phase der Photozellenstromstöße.
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Die Leitungen C und D sind mit einem Differentialzähler36 gekuppelt,
der die über die Leitung C empfangenen Stromstöße addiert und hiervon die über die
Leitung D erhaltenen Stromstöße subtrahiert.
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Dank der gegenseitig geneigten Anordnung der bei den Gitter bilden
sie zusammen ein periodisches Koinzidenzstreifenmuster als sekundäres Gitterbild
von abwechselnd dunklen und hellen Streifen - wie in Fig. 2 dargestellt -, bei dem
die Breite und der Abstand der Streifen sowie der Neigungswinkel wesentlich vergrößert
sind. Die lineare Bewegung des Gitters 13 relativ zum Gitter 12 läßt dieses Sekundärgitterbild
sich in einer Richtung bewegen, die senkrecht zu der Bewegungsrichtung 37 des Gitters
13 verläuft.
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Das Sekundärgitterbild bewegt sich also vertikal, und in dieser Richtung
sind die Fenster 23 und 24 angeordnet, durch welche zwei Ausschnitte des Sekundärgitterbildes
beleuchtet werden. Die Fenster sind so relativ zu dem Neigungswinkel angeordnet.
daß die Ausschnitte um einen Bruchteil der Hälfte der Sekundärgitterkonstante des
Sekundärgitterbildes voneinander entfernt sind. Dieser Bruchteil kann durch Veränderung
des Neigungswinkels des Gitters 12 in einer noch zu beschreibenden Weise variiert
werden. Um das beste Resultat zu erhalten. sollte der Bruch 1L sein, d. h., die
beiden Fenster sind um ein Viertel der Sekundärgitterkonstanten voneinander entfernt.
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Wenn sich das Gitterl3 relativ zu dem Gitter12 bewegt, bewegt sich
daher das Sekundärgitterbild vertikal an den Fenstern 23 und 24 vorbei mit dem Ergebnis,
daß die Intensität der Lichtstrahlen 25 und 26 in annähernd sinusartiger Weise moduliert
wird, wobei die beiden Sinuswellen aus dem obengenannten Grund um ein Viertel der
Sekundärgitterkonstante gegeneinander verschoben sind. Der Bewegungssinn des Gitters
13 bestimmt, welche von den Wellen die Leitwelle ist. Die elektrischen Stromstöße
der Photozellen 33 und 34 über die Leitungen A und B sind daher Signalströme von
annähernd sinusartiger Wellenform, die um ein Viertel der Sekundärgitterkonstante
gegeneinander verschoben sind. Die Frequenzen der beiden Stromstöße sind natürlich
gleich und abhängig von der Geschwindigkeit der Bewegung des Gitters 13 und von
dem Abstand der Striche auf den Gittern.
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Da der letztgenannte Faktor konstant ist. so ist die Frequenz eines
jeden der beiden Signalströme direkt proportional der Geschwindigkeit der Tischbewegung.
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Die Verwendung des geschlitzten Schirmes 27 empfiehlt sich, wenn
die Striche der Gitter fein und eng genug sind. um eine nennenswerte Lichtbeugung
an den Gittern zu bewirken. Das Ergebnis hievon ist. daß das Licht der Strahlen
25 und 26 in eine Serie von Spektren zerlegt wird, die an jeder Seite der optischen
Achse 40 des Apparates längs eines Bandes angeordnet sind, das sich in der Richtung
der Bewegung des Gitters 13 erstreckt. Da nur die Spektren erster Ordnung durch
die Bewegung des Gitters 13
hinreichend moduliert werden, so geht
durch den Schlitz 28 des Schirmes 27 nur eines dieser Spektren erster Ordnung zu
den Photozellen. Da die Mittellinie dieses Spektrums erster Ordnung um annähernd
3° zur optischen Achse geneigt ist, so kann der Winkel des Spiegels 21 so justiert
werden, daß das Licht, welches dieses Spektrum bildet, von den Gittern senkrecht
ausstrahlt.
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Die Ströme in den Leitungen A und B - in der Folge der Einfachheit
halber als Strom,4 und Strom B bezeichnet - sind um ein Viertel der Sekundärgitterkonstante
gegeneinander verschoben. Welches der Leitstrom ist, hängt von dem Bewegungssinn
des Gitters 13 und daher von dem Bewegungssinn des Tisches 10 relativ zu dem Maschinenbett
11 ab. Wenn die Bewegung des Tisches in der einen Richtung ver-Eåu5t, steuert der
Strom A den Strom B. Wenn jedoch die Bewegung in entgegengesetzter Richtung verläuft,
so steuert der Strom B den Strom A. Der Diskriminator (Vektoranzeiger) 35 spricht
in der Weise an, daß er einen Strom nur über die Leitung C abgibt, wenn der Strom
A steuert, aber nur einen Strom über die Leitung D abgibt, wenn der Strom B steuert.
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Die Stromabgabe erfolgt in jedem Fall in Form von elektrischen Impulsen
mit einer periodischen Frequenz, die direkt proportional ist der Frequenz der Ausgangssignale
der Photozellen und daher direkt proportional zu der Tischbewegung.
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Der Zähler 36 addiert, wie bereits oben angedeutet, die über die
Leitung C und subtrahiert die über die Leitung D empfangenen Impulse. Das Gesamtergebnis
zu irgendeiner Zeit ist daher ein Maß für die Größe der genauen Bewegung des Tisches
in der einen oder anderen von zwei entgegengesetzten Richtungen 37.
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Der Zähler kann so geeicht werden, daß er diese Bewegung unmittelbar
anzeigt und in welcher der bei den Richtungen sie liegt.
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Um das Gitter 12 zwecks Schrägstellung der Striche leicht um eine
horizontale Achse schwenken zu können. ist das andere Ende der Feder 14 an dem ei
neu Ende des Querträgers 63 befestigt, dessen anderes Ende um die hohle Büchse 64
verschwenkt werden kann, die in einer zylindrischen Offnung 65 eines anderen an
der Konsole 15 befestigten Querträgers 66 gelagert ist. Die hohle Büchse 64 verläuft
koaxial mit der optischen Achse 40, und die beiden Lichtstrahlen 25 und 26 können
durch den Schirm 27 hindurchgehen. Die Verschwenkung des Gitters 12 wird durch Drehen
des in einer weiteren Öffnung 65 des Querträgers 66 gelagerten zylindrischen Bolzens
67 bewirkt, zu welchem Zweck der Bolzen 67 einen exzentrischen Stift 69 besitzt.
der in den Schlitz 70 des um die optische Achse 40 verschwenkbaren Querträgers 67
eingreift.
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Vor der Beschreibung der zweckmäßigen Ausbildung des Diskriminators
(Vektoranzeigers) 35 und des Zählers 36 sollen einige abweichende Ausführungsformen
des optischen Teiles des Apparates kurz angedeutet werden. In allen Figuren sind
die Breite und der Abstand der Gitterstriche erheblich vergrößert.
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An Stelle der Ausgangsphasenmodulation des Lichtes in den Strahlen
25 und 26 mittels leicht schräg zueinander stehender Gitter - wie oben beschrieben
- kann der Effekt auch auf folgende Weise erzielt werden: Zwei Strichgitter mit
annähernd der gleichen Zahl von Strichen je Längeneinheit werden zu diesem Zweck
verwendet. Die Striche des Gitters 12 sind dahei in zwei Abschnitten hergestellt,
wie dies im ein-
zelnen in Fig, 3 dargestellt ist, in der die beiden Gitter nebeneinandergezeichnet
sind. Zu beiden Seiten der Mittellinie 44, welche in der Bewegungsrichtung verläuft
in in diesem Beispiel senkrecht zu den Strichen -, sind die Striche des einen dieser
Teile des Gitters 12 relativ zu den Strichen des anderen Teiles versetzt. Das andere
Gitter 13 ist so geritzt, daß sich seine Striche ohne Unterbrechung zu beiden Seiten
der Mittellinie 44 erstrecken. Die Gitter 12 und 13 werden so übereinandergelegt,
daß ihre Striche parallel verlaufen und die Mittellinie 44 eine für beide Gitter
gemeinsame Mittellinie bildet. Auf diese Weise bildet sich in beiden Teilen ein
periodisches Koinzidenz-S ekundärgitterbild, wobei das eine oberhalb, das andere
unterhalb der gemeinsamen Mittellinie liegt und beide Teile des Sekundärgitterbildes
um ein Viertel der Sekundärgitterkonstante gegeneinander verschoben sind.
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Die durch die Fenster 23 und 24 beleuchteten Gitterausschnitte sind
so angeordnet, daß einer der beleuchteten Ausschnitte des Sekundärgitterbildes oberhalb
und der andere beleuchtete Ausschnitt unterhalb der Mittellinie44 liegt. Die Bewegung
eines der Gitter relativ zu dem anderen in Richtung der Mittellinie erzeugt auf
diese Weise die gewünschte Viertel-Sekundärgitterkonstanten-Modulation des Lichtes
in den Strahlen 25 und 26.
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Bei einer anderen Ausführungsform ist das Gitter 12 mit m geraden
dunklen Strichen je cm und das Gitter 13 mit n geraden dunklen Strichen je cm versehen.
Die Gitter werden mit parallel verlaufenden Strichen übereinandergelegt, wodurch
ein periodisches Koinzidenz-Sekundärgitterbild mit (rn - n) Strichen je cm gebildet
wird, wie dies in Fig. 4 dargestellt ist.
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Bei dieser Anordnung sind die Fenster 23 und 24 nebeneinander in der
Bewegungsrichtung angeordnet, d. h. horizontal in einem solchen Abstand, daß die
beleuchteten Ausschnitte des Sekundärgitterbildes um einen Teil der Hälfte der Wellenlänge
des Sekundärgitterbildes voneinander entfernt sind. Eine Viertel Sekundärgitterkonstanten-Beziehung
ist wiederum zweckmäßig. Eine geradlinige Bewegung des Gitters 13 relativ zum Gitter
12 läßt das Sekundärgitterbild horizontal in Richtung der nebeneinanderliegenden
Fenster verlaufen, wodurch die Lichtstrahlen 25 und 26 moduliert werden.
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Bei den beschriebenen Ausführungsformen ist die Bewegung des zu überwachenden
Gegenstandes geradlinig. Die Bewegung kann aber auch anders als geradlinig sein,
z. B. kreisförmig. Die Gitterstriche können dann annähernd parallel zur Drehachse
verlaufen. So kann z. B. (vgl. Fig. 5) das lange Gitter 13 der Fig. 1 in Form eines
Zylindermantels 131 ausgebildet sein, der koaxial mit der Drehachse liegt, wobei
die Striche auf der zylindrischen Mantelfläche liegen.
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Das andere Gitter 121, das schräg liegend dargestellt ist. kann einen
kleinen Ausschnitt der Mantelfläche eines koaxialen Zylinders bilden, dessen Striche
auf dieser Mantelfläche liegen.
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Bei einer abgewandelten Ausführungsform der vorher beschriebenen
Anordnung liegen die Striche jedes Gitters auf der Mantelfläche eines Kegels, annähernd
parallel zu seiner Achse, wobei die beiden Kegel koaxial mit der Achse der Drehbewegung
liegen.
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Oder die Gitter können mit annähernd radial zur Drehachse verlaufenden
Strichen versehen sein. Bei einer solchen Anordnung (vgl. Fig. 6) hat das bewegliche
Gitter die Form einer Kreisscheibe 50, die in der Nähe ihrer Peripherie auf einer
der Seiten mit
dunklen Strichen auf einem durchsichtigen Untergrund
versehen ist. Die Scheibe 50 ist mit dem Gegenstand, dessen Drehbewegung gemessen
werden soll, fest verbunden, und die Achse der Drehbewegung geht durch den Mittelpunkt
51 der Scheibe 50. Das feststehende Gitter 52, das zwecks deutlicherer Darstellung
rechts neben dem Gitter 50 dargestellt ist, ähnelt einem Sektor der Kreisscheibe
50 und ist in der Nähe seiner Peripherie mit Strichen versehen, die den gleichen
Abstand wie die Striche der Scheibe 50 haben. Das Zentrum 53 der Scheibe, von welcher
der Sektor 52 abgeleitet ist. ist ein wenig versetzt von dem Zentrum 51 der Scheibe
50, wie dies in Fig. 7 dargestellt ist. Dies hat die Wirkung, daß die Striche des
einen Gitters ein wenig schräg zu denjenigen des anderen Gitters stehen, wie dies
bei dem eingangs beschriel)enen Ausführungsbeispiel der Fall ist, und es bilden
sich ähnliche Koinzidenz-Sekundärgitterbilder.
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Die Fenster 23 und 24 sind jeweils in einem gewissen Abstand voneinander
angeordnet, und zwar in einer Richtung, die - wie vorbeschriehen - transversal zu
der Bewegungsrichtung verläuft, wobei zu berücksichtigen ist, daß in vorliegendem
Fall diese Richtung selbstverständlich radial verläuft. Eine vollständige Drehung
des Objekts und daher des Gitters 50 relativ zu dem Gitter 52 ist möglich. Die übrige
Ausstattung und ihre Handhabung sind sinngemäß die gleichen wie hei dem zuerst beschriebenen
Ausführungsbeisl)iel.
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Die Schrägstellung der Striche kann auch dadurch bewirkt werden,
daß man die Striche des Sektors ein wenig schräg zur Radialrichtung verlaufen läßt
und daß man den Sektor 54 und die Scheibe 50 alsdann mit übereinstimmenden Zentren
50 übereinandersetzt.
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Diese Anordnung ist in Fig. 8 dargestellt, wobei der auf diese Weise
abgewandelte Sektor mit 54 und der gemeinsame Mittelpunkt mit 55 bezeichnet ist.
Bei einer weiteren Abwandlung können die Striche des Sektors radial verlaufen und
die der Scheibe leicht schräg stehen. In jedem Fall sind die Fenster 23 und 24 in
Radialrichtung getrennt voneinander angeordnet.
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Die Ausfiihrungsform gemäß Fig. 8 kann dahin abgewandelt werden.
daß die Striche der Scheibe oder des Sektors - der letztere wie in Fig. 9 dargestellt
in zwei gegeneinander versetzte radiale Teile in ähnlichzr Weise wie hei dem Ausführungsbeispiel
gemäß Fig. 3 angeordnet werden, wobei die Striche des Scheil)engitters radial verlaufen.
Der auf diese Weise al)gewalldelte Sektor ist in Fig. 9 mit 56 bezeichnet und die
beiden Teile seiner durch eine Kreislinie 59 oneiiiaiider getrennten Schraffur mit
57 und 58. Die Fenster 23 und 24 liegen in diesem Fall oberhalh bzw. unterhalb der
Kreislinie 59. Im übrigen arbeitet diese Anordnung ähnlich wie die in Fig. 3 dargestellte.
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Die Ansfü.hrungsform der Fig. 8 kann auch noch dadurch abgewandelt
werden. daß sowohl der Sektor ali auch die Scheibe mit radial verlaufenden Strichen
versehen werden. jedoch mit verschieden großem Strichabstand. Die Anordnung, welche
weitgehend der Fig. 4 ähnelt. ist in Fig. 10 dargestellt, wobei der Sektor (der
mit »l radialen Strichen je cm versehen ist) mit 61 bezeichnet ist und die Scheibe.
welche n radiale Striche je cm aufweist, mit 62. Für diese Anordnung müssen selbstverständlich
die Fenster 23 und 24 in Richtung der Bewegung, d. h. circumpolar angeordnet sein.
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Bei jeder der hisher beschriebenen Ausführungsformen kann eines der
Gitter ein optisch-reflektierendes Gitter sein, in welchem Fall die Lichtquelle
auf der gleichen Seite der Gitter angeordnet ist wie die
Photozellen. Eine derartige
Anordnung ist in Fig. 11 dargestellt, welche eine vereinfachte Aufsicht auf einen
Teil der in geeigneter Weise modifizierten Apparatur der Fig. 1 ist.
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Das bewegliche Gitter 1311 ist hier das Reflexionsgitter, dessen
Striche auf einem lichtreflektierenden Material angehracht sind. Das andere Gitter
12 ist durchsichtig, wie vorbeschrieben. Da die Striche senkrecht zur Zeichenebene
verlaufen, sind sie symbolisch durch kleine \'erdickullgell angedeutet. Die Gitter
werden mittels der Lampe 171 durch die Sammellinse 201 und zwei - nicht dargestellte
Fenster in eineni Ieil des Lampengehäuses 181 beleuchtet. Dic optische Achse (Lichtweg)
des Systems ist mit 401 bezeichnet.
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Das Licht geht durch das durchsichtige Gitter 12 hindurch. wird von
dem Gitter 1311 reflektiert und gelangt wieder durch das Gitter 12 und durch den
geschlitzen Schirm 27 zu den Spiegeln 31 und 32 und den Photozellen 33 und 34. Eine
Bewegung des Gitters 1311 verursacht eine Modulation der Lichtstrahlen, wie weiter
oben beschrieben.
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Nunmehr soll eine geeignete Ausbildung des nil<riminators (Vektoranzeigers)
35 und des Zählers 36 Iwschriel)en werden in Verbindung mit der Fig. 12 der Zeichnung
und den Wellenformen der Fig. 13a. in welcher X der Steuer- oder Leitstrom ist,
und der Fig. 13h. bei der B der Steuer- oder Leitstrom ist.
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Der Diskriminator (Vektoranzeiger) 35 umfaßt einen A-Kanal und einen
1-Kanal. welche von den Stromsignalen gespeist werden, die von den Ph:,tozellen
33 und 34 iiber die Leitungen 4 hzw. B empfangen werden. Der ,4-Kanal umfaßt eine
kombinierte Gleichstromverstärker- und Rechteckwandlerstufe 71. die dazu dient.
aus dem 4-Strom (vgl. Fig. 13.
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Wellenform a) einen Strom von rechteckiger \R'ellenform b zu erzeugen
der synchron mit ihm ist. An diese Stufe schließt sich eine Impulserzeugungsstufe
72 an. die dazu dient, aus dem aus der Stufe 71 austretenden Rechteckstrom einen
scharfen Stromimpuls 73 (Wellenform c) in Koinzidenz mit jedem negativ gehenden
Rand der Wellenform b zu erzeugen. Ein Differentiator mit einem nachgeschalteten
Gleichrichtir sind die zweckmäßigen Bestandteile dieser Stufe, die jeweils einen
scharfen Stromimpuls je Periode des Stromes 4 erzeugt. Diese Impulse werden der
Einfachheit halber als Impulse bezeichnet.
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Der B-Kanal umfaßt eine andere Gleichstromverstärker- und Rechteckwandlerstufe
74, die der Stufe 71 ähnelt und dazu dient, den B-Strom (Wellenform d) in einen
mit ihm synchronen Strom voll rcchteckiger Wellenform umzuwandeln. Dieses Signal
wird auf eine Gegentaktstufe 75 übertragen. die dazu l>>-stimmt ist. ein erstes
Rechteckwellenausgangssignal f in Phase mit dem Signal e und ein zweites Rechteckwellenausgangssignal
g in Gegenphase mit dem Signal e zu erzeugen.
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In dem ,4-Kanal ist eine Sperr- oder Torstufe 76 und in dem B-Kanal
ist eine andere Sperr- oder Torstufe 77 angeordnet. Diese Stufen werden der Einfachheit
halber als A-Schleuse und B-Schleuse bezeichnet. Jede Torstufe erzeugt nur dann
ein Ausgangssignal. wenn jedes der beiden Eingangssignale positiv ist. Die Impulse
der Stufe 72 dienen in positivem Sinn als eines der Eingangssignale zu jeder Schleuse.
Das erste Ausgangssignal f der Gegentaktstufe 75 dient als das andere Eingangssignal
zu der 4-Schleuse, während das zweite Ausgangssignal g als das andere Eingangssignal
zu der B-Schleuse dient.
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Jede der Schleusen kann üblicherweise eine Pentodenröhre aufweisen,
zu deren Steuergitter und Bremsgitter
die 4-Impulse bzw. die Rechteckwellensignal'
geleitet werden. Die Röhre ist mit beiden Gittern an die Anodenstromsperre angeschlossen
und dient als Stromleiter, wenn beide Signale an diesen Gittern positiv sind. Die
Ausgangssignale der l- und B-Schleusen werden über die- obenerwähnten Leitungen
C bzw. D zu dem Zähler 36 geleitet.
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Aus dieser Beschreibung ergibt sich ohne weiteres folgendes: a) Je
Periode des ersten und des zweiten Ausgangssignals f und g existiert ein 4-Impuls.
b) Dank der Viertel-Sekundärgitterkonstanten-Verschiebung der Strömen und ß verläuft
jeder 4Impuls 73 annähernd synchron mit dem Mittelpunkt einer Rechteckwellenhalbperiode
dieser Signale. Jeder Impuls 73 liegt daher vollkommen innerhalb einer Halbperiode
der Signale f und g. d. h., der Impuls liegt nicht teilweise in einer Halbperiode
und teilweise in der nächsten. c) Eine der Halbperioden, mit denen jeder Impuls
73 zusammenfällt, ist positiv und die andere negativ, da diese Signale in Gegenphase
sind. d) Jede Schleuse 76 und 77 läßt den A-Impuls durch. wenn die koinzfdenzierende
Halbperiode von positivem Sinn ist. wobei dieser Sinn vorbestimmt und der gleiche
für jede Schleuse ist. e) Das Kriterium, welches bestimmt, ob diese positiven Halbperioden
jene der ersten oder der zweiten Ausgangssignale f oder g sind, ist die Phasenbeziehung
zwischen den um ein Viertel der Sekundärgitterkonstante verschobenen A- und B-Strömen,
d. h. welches der Steuer- oder Leitstrom ist.
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Es wird angenommen, daß die Anordnung eine solche ist, daß - wenn
der Strom der Leitstrom ist (FiR. 13a) - die positiven Halbperioden, die mit den
4Impulsen zusammenfallen, jene Halbperioden 80 des ersten Ausgangssignals f sind,
und daß - wenn der B-Strom der Leitstrom ist (Fig. 13 b) - die positiven Halbperioden,
welche mit den =4-Impulsen zusammenfallen, die Halbperioden 81 des zweiten Ausgangssignals
g sind.
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Wenn daher der Strom der Leitstrom ist, kommt jeder Impuls bei der
Schleuse zu einer Zeit an, da das andere Eingangssignal zu der Schleuse auch in
positivem Sinne ist; das Ergebnis ist, daß diese Schleuse jeden Impuls über den
oben angegebenen Leiter C durchläßt. Auf der anderen Seite kommt jeder Impuls bei
der B-Schleuse an. wenn das andere Eingangssignal zu dieser Schleuse negativ ist,
und zwar aus dem oben unter Ziffer c) angegebenen Grund. Diese Schleuse bleibt entsprechend
geschlossen. und es gehen keine Impulse über die Leitung D. Die Impulse zu dem Zähler
36 werden daher nur über den Leiter C geleitet. In ähnlicher Weise wird - wenn der
B-Strom der Leitstrom ist - die 4-Schleuse geschlossen gehalten, und der Zähler
empfängt nur Impulse über die Leitung D.
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Der Zähler 36 kann aus einer hinreichend großen Anzahl von Zehnerzählröhren
in Kaskadenschaltung bestehen, die für algebraische Summation angeordnet sind. Die
Einer- und Zehnerröhren sind allgemein mit 85 und 86 bezeichnet. Diese Röhren können
beispielsweise gasgefüllte Zählröhren mit symmetrischen I(athoden sein, wie sie
unter dem Namen »Dekatron-Röhren« im Handel sind. In diesem Fall ist die Anordnung
so getroffen, daß die Impulse auf den Leiter C zu dem Leitring Nr. 1 (s. Bezugszeichen
87) der Einerröhre 85 ohne Zeitverlust und zu dem Leitring Nr. 2 (s. Bezugszeichen
88) mit einem Zeitverlust ge-
leitet werden, der durch eine \erzögcrungsstufe 89
hervnrgerufen wird, und daß- die Impulse auf dem Leiter n zu den Leitringen 87 und
88 mit einem Zeitverlust geleitet werden, der durch eine Verzögerungsstufe 90 erzeugt
wird bzw. ohne Zeitverlust. In jeder der vier Verbindungen zu den Leitringen sind
ÄIetallgleichrichter 91 angeordnet, um eine wechselseitig' Störung zu verhindern.
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Die neunte und zehnte Elektrode 92 bzw. 93 der Röhre 85 sind mit
den passenden Leitringen 94 und 95 der Röhre 86 über die Schleusen 97 und 96 gekuppelt,
die durch das zweite bzw. erste Ausgangssignal f und 5 von der Gegentaktstufe 75
kontrolliert werden. so daß die Impulse von der zehnten Elektrode 93 durchgehen,
wenn Addition erforderlich ist, und die Impulse von der neunten Elektrode durchgehen,
wenil Subtraktion erforderlich ist. Selbstverständlich werden zweckmäßigerweise
auch vor den Leitringen 9 und 95 Aggregate angeordnet, welche den Aggregaten 89
bis 91 vor den Leitringen 87, 88 entsprechen.
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Da die Röhre 85 mit einem nennenswerten Zeitverlust arbeitet, ist
es notwendig, diese Kontrollsignale zu den Schleusen 96 und 97 durch eine Art von
Verzögerungsvorrichtung oder einen mit 98 bezeichneten Zaun zu leiten, und diesen
Signalen eine zusätzliche Verzögerung aufzuerlegen mittels einer weiteren Verzögerungsvorrichtung
99, bevor sie zu dem nicht gezeichneten Schleusenpaar zwischen der Zehnerröhre 86
und der - nicht dargestellten - Hunderterröhre geleitet werden. Eine zusätzliche
Verzögerung muß in ähnlicher Weise bei jeder nachfolgenden Stufe vorgesehen werden.
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Die Arbeitsweise des Zählers braucht im einzelnen nicht beschrieben
zu werden, da jede Röhre in bekannter Weise arbeitet, indem sie jeden Impuls in
Abhängigkeit davon, auf welchem der beiden Leitringe sie der Impuls zuerst erreicht,
addiert oder subtrahiert.
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Bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel ist die periodische
Frequenz der an den Zähler 36 gelieferten Impulse die gleiche wie die Frequenz des
periodischen Koinzidenz-Sekundärgitterbildes, mit anderen Worten: Für jede Periode
des Sekundärgitterbildes wird ein Impuls an den Zähler geliefert.
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Der Diskriminator (Vektoranzeiger) kann modifiziert werden, so daß
er Impulse mit einer rascheren periodischen Frequenz liefert, so z. B. zwei oder
mehr bis zu zehn - Impulse je Periode des Sekundärgitterbildes. Der Vervielfältigungseffekt
dieses Verfahrens steht in direkter Übereinstimmung mit der Genauigkeit der Apparatur:
Wenn z. B. die Zahl der Sekundärgitterstriche n Striche je cm beträgt und der Diskriminator
p Impulse je Periode des Sekundärgitterbildes hervorbringt, so entspricht die Genauigkeit
einer Zahl von n p Streifen je cm bei nur einem Impuls je Periode der Sendefrequenz.
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Nunmehr soll noch eine Abwandlung des Diskriminators (Vektoranzeigers)
35 beschrieben werden, der in der Lage ist, zwei Impulse je Periode des Sekundärgitterhildes
zu liefern. Die Abwandlung wird - kurz gesagt - durch Verdoppelung der Wiederholung
der Impulse bewirkt (um einen Impuls je Halbperiode des =4-Stromes hervorzurufen),
durch Verdoppelung der Frequenz der ersten und der zweiten Ausgangssignale der Gegentaktstufe
in dem B-Kanal und dadurch, daß die drei Signale zu den ,4- und B-Schleusen geleitet
werden, wie zuvor, nach einer weiter unten erläuterten Phasenverschiebung.
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Diese Modifikation soll nun unter Bezugnahme auf die Fig. 14 und
15 beschrieben werden, in welchen
jene Bestandteile und Wellenformen,
welche ähnlich ;tcn oben beschriebenen Bestandteilen und Wellentevrmell sind, die
gleichen Bezugszeichen und die gleichen Bezugsbuchstaben erhalten haben. Die \\ellenformen
der Fig. 15 gelten für den Fall, daß der Strom der Leitstrom ist.
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Um die Impulse zu erhalten, wird das Rechteckwellensignal b, das
von dem A-Strom durch die Stufe 71 erzeugt wird, zu einer Gegentaktstufe 101 geleitet.
l)ie beiden Ausgangssignale der Stufe 101 werden zu v iner Impulsbildungsstufe 102
geleitet, welche einen .>charfen Impuls 103 erzeugt, der synchron ist mit dem
negativ gehenden Rand für jede Wellenform, in ähnlicher Weise wie bei der Stufe
72 der Fig. 12; diese Signale (Wellenformen h und i) werden der Stufe 102 zugeführt,
um über die Leitungen 104 die Doppeltrequenzfolge der Impulse j herzustellen.
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Um die Frequenz der ersten und zweiten Ausgangs-Signale der Gegentaktstufe
75 des Kanals B (s. Wellenformen f und g der Fig. 13) zu verdoppeln, wird jedes
dieser Signale -- zusammen mit den näher in Phase mit i t den Gegentaktstufenausgangssignalen
der Stufe 101 stehenden - zu einer Schleusenstufe 105 hzrv.
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106 geleitet. Jede dieser Schleusen erzeugt nur dann ein Ausgangssignal,
wenn beide Eingangssignale positiv sind. Die beiden resultierenden Signale werden
addiert. um über einen Leiter 107 ein Doppelfrequenz-4techteckwellensignal zu erzeugen,
wie dies durch den l'>uchstal>en k bezeichnet ist. Dieses Signal wird über
eine Phasenverschiebungsstufe 108 (deren Arbeitsweise weiter unten erläutert ist)
zu einer Gegentaktstufe109 geleitet. Die Ausgangssignale von den Stufen 102 und
109 werden zu der A-Schleuse76 und der "-Schleuse 77 geleitet, wie dies bei den
Ausgangs-Signale von den Stufen 71 und 72 bei der in Fig. 12 heschriehenen Anordnung
der Fall war.
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Der Zweck der Phasenverschiebungsstufe 108 ist der folgende: Aus
dem Vergleich der Wellenformen i und k ersieht man mühelos, daß die Impulsel03 in
den Leitungen 104 mit den positiv gehenden Rändern der Wellenform k und daher auch
mit den Rändern der Signale zusammenfallen, welche durch die Zuleitung der Wellenform
k direkt zu einer Gegentaktstufe erzeugt werden. Um diese Signale zu erzeugen, welche
den A- und B-Schleusen zugeleitet werden können, ist es selbstverständlich notwendig,
eine Phasenverschiel'uiig vorzunehmen, um jeden Impuls 103 vollständig in eine Halhperiode
eines jeden der entsprechenden Rechteckwellenform-Gegentaktsignale zu bringen.
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Diese Phasenverschiebung wird durch die Stufe 108 bewirkt, deren Ausgangssignal
die Wellenform I hat.
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Es ist klar, daß jeder Impuls 103 vollständig innerhalh einer Halbperiode
der beiden Wellenformen nt und n liegt, welche aus der Wellenform I durch die Gegentaktstufe
109 erzeugt wird.
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Die Ausgangssignale von den A- und B-Schleusen werden über die Leitungen
C und D zu dem Zähler 3r geleitet. Die Arbeitsweise ist im übrigen wie vorbeschrieben
mit der Ausnahme, daß die gezählten Impulse die doppelte Frequenz der zuerst beschriebenen
Ausführungsform für die gleiche Größe der Bewegung des Ohjekts und für die gleiche
Strichzahl der Gitter haben.
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Nunmehr soll unter Bezugnahme auf die Fig. 16 und 17 eine geeignete
Ausbildung der Phasenverschiebungsstufe 108 beschrieben werden. Das Eingangssignal
von der Leitung 107 wird zu einem Integrator 111 geleitet. in welchem die Wellenform
k in die Wellenform 0 (s. Fig.17) umgewandelt wird. Das
Ausgangssignal von der Stufe
111 wird zu einem Gleichstrommultiplikator 112 geleitet, der jedesmal umgeschaltet
wird, wenn die durch die Wellenform o dargestellte Spannung eine durch die Linie
113 bezeichnete Höhe erreicht. Dadurch wird ein Signal mit der erforderlichen phasenverschobenen
Wellenform I erzeugt und zu der Gegentaktstufe 109 geleitet.
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Der Apparat kann in ähnlicher Weise abgewandelt werden, um Impulse
mit einer periodischen Frequenz von mehr als zweimal der Frequenz des Streifenbildes
zu erzeugen.
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Verschiedene beschriebene Einzelheiten des Apparates können innerhalb
des Rahmens der Erfindung abgewandelt werden. Zum Beispiel können die beiden Ausschnitte
des Streifenbildes durch eine Blende zwischen den Gittern und den Photozellen gebildet
werden anstatt zwischen der Lampe und den Photozellen. Bei der zuerst beschriebenen
Ausführungsform brauchen die Striche der Gitter nicht annähernd senkrecht zur Bewegungsrichtung
zu sein, solange sie ein wenig in dieser Richtung geneigt sind, ähnlich wie in dem
unter Bczugnahme auf Fig. 3 beschriebenen Ausführungsbeispiel. Die Striche oberhalb
der Mittellinie können in einer abweichenden Richtung zu den Strichen unterhalb
der Mittellinie geneigt sein, solange die Striche eines jeden Gitters parallel zu
denjenigen des anderen Gitters auf der entsprechenden Seite der LIittellinie sind.
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In den unter Bezugnahme auf die Fig. 12 und 14 beschriebenen Diskriminatoren
brauchen die beiden Rechteckwellenausgangssignale von der Stufe 75 nicht in Phase
bzw. in Gegenphase mit dem B-Strom zu sein, solange sie eine feste Phasenbeziehung
relativ zu dem B-Strom haben und von entgegengesetzter Phase zueinander sind. Die
f- und B-Schleusen können so modifiziert werden, daß der vorhestimmte Sinn der Halbperioden,
welche die zu dem Zähler hindurchgehenden koinzidierenden Impulse erzeugen. cher
negativ als positiv ist. In diesem Fall können diese Rechteckwellensignale zu den
Kathoden der XTentilröhren geleitet werden.
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Jede besondere Ausführungsform der oben beschriebenen Erfindung kann
gebraucht werden als ein Spannungsmesser, als Extensometer oder als ein anderes
Instrument, mit dem die Größe und der Sinn der Bewegung eines Gegenstandes in der
einen oder anderen X on zwei entgegengesetzten Richtungen relativ zu irgendeinem
Bezugssystem genau bestimmt werden soll.
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Die Erfindung kann auch dazu benutzt werden. uln ein Fehlersignal
in einem Servosystem zu erzeugen. z. B., um das Vorriicken eines Werkzeughalters
längs eines Drehbankbettes zu kontrollieren. Bei einer solchen Anordnung können
zwei optische Gitter ähnlich den oben beschriebenenan dem Werkzeugbalter bzw. an
dem Drehballkbett befestigt werden. wobei jedoch die übrige Apparatur. wie vod>eschrieben,
bleibt. Wenn das Werkzeug gegen das Werkstück vorrückt. stellt das Ausgangssignal
des Zählers in jedem gegebenen Augenblick die genaue Vorwärtshewegung fest, welche
das Werkzeug von einer gegebenen Position aus, die es zu Beginn des Bearbeitungsprozesses
einnimmt. zuriicklexsoTt. und daher stellt es den Abstand des Werkzeuges von jeder
vorgegebenen Linie fest.
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Gleichzeitig wird - vorzugsweise bei photoelektrisehen Methoden -
von einem Streifenbild. das synchron mit dem Werkstück rotiert. ein Bezugssignal
erzeugt, welches bei jeder gegebenen Winkelstellung des Werkstückes den genauen
Abstand des Werkzeuges
von der Ausgangslinie für diese Stellung
darstellt. Dieses Bezugssignal wird mit dem Ausgangssignal des Zählers in irgendeiner
Art von Komparator verglichen. der eine Ausgangs-Gleichstromspannung von geeigneter
Polarität liefert, sobald die beiden Signale infolge der Tatsache, daß sich das
Werkzeug in einer ungenauen Stellung befindet, ungleich sind.
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Diese Spannung wird nach hinreichender Verstärkung als Fehlersignal
angewandt, um das Werkzeug auf die korrekte Stellung vorwärts oder rückwärts zu
bewegen.
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PATETNSPROCHE: 1. Meßvorrichtung zum genauen Bestimmen der Größe
und der Richtung der Bewegungen eines Gegenstandes relativ zu einem festen Bezugssystem
mit einem in dem Bezugssystem ruhenden optischen Gitter mit etwa senkrecht zur Bewegungsrichtung
s-erlaufenden Strichen, das von einem mit dem bewegen Gegenstand v erhundenen, gleichartigen
Gitter überdeckt ist. dessen Striche einen sehr kleinen Winkel mit den Strichen
des feststehenden Gitters bilden. dadurch gekennzeichnet, daß das heim Bewegen des
sekundären Gitters (12) entstehende, sich etwa senkrecht zur Mefibewegung bewegende
zyklische Sekundärgitterbild abwechselnder Lichtdurchlässigkeit und Lichtundurchlsissigkeit
von zwei Lichtbündeln (25, 26) durchstrahlt wird, die im Abstand eines Bruchteiles
der halben Gitterkonstante des sekundären Gitters angeordnet sind und die nach dem
Durchdringen des sekundären Gitterbildes auf zwei Photozellen (33, 34) treffen,
deren Signale über getrennte Leitungen (§, B) elektronischen Schaltstufen (35, 36)
zugeführt werden, die aus der relativen Phasenlage der beiden Signalfolgen die Richtung
und aus der Zahl der während eines Bewegungsvorganges des sekundären Gitters (12)
erzeugten Impulszyklen die Größe der Bewegung des Gegenstandes ermitteln.