DE2601705A1 - Verfahren und vorrichtung zur bestimmung der lage eines systems mindestens eines abtasters - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur bestimmung der lage eines systems mindestens eines abtasters

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DE2601705A1 DE19762601705 DE2601705A DE2601705A1 DE 2601705 A1 DE2601705 A1 DE 2601705A1 DE 19762601705 DE19762601705 DE 19762601705 DE 2601705 A DE2601705 A DE 2601705A DE 2601705 A1 DE2601705 A1 DE 2601705A1
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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Lage eines Systems mindestens eines Abtasters, der auf oder nahe einer Fläche angebracht ist, und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Bisher bekannte Verfahren zur Bestimmung der Lage eines Abtasters benutzen eine mechanische Kopplung an einen mechanischen Indikator oder an Elemente, die die mechanische Bewegung in eine elektrische Größe umwandeln, z. B. Potentiometer, oder in eine Codekombination mit Hilfe von verschiedenen Schaltern, Blenden, optischen Systemen od. dgl.
Weitere Verfahren benutzen die übertragung des Bildes des zu bestimmenden Punkts mit Hilfe eines optischen oder
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optoelektrlschen Systems auf eine Bildröhre mit bekannten Koordinaten, aus dem die Lage dieses Punkts bestimmt werden kann.
Ein gewisser Vorteil, insbesondere der mechanischen Abtaster der Lage, besteht in der im allgemeinen einfachen Ausführbarkeit insbesondere für grobe Messungen.
Ein Nachteil dieser Vorrichtungen besteht darin, daß der Abtaster mechanisch mit beweglichen Armen oder anderen Teilen verbunden ist. Bei der Bewegung dieses Abtasters müssen Trägheitskräfte und der Widerstand des mechanischen Systems überwunden werden, was seine genaue Zielsuchlenkung an den gewünschten Punkt erschwert. Es ist auch sehr anspruchsvoll und für eine höhere Genauigkeit technologisch sehr schwierig, ein stabiles und genügend genaues Getriebe herzustellen. Außerdem sinkt die Genauigkeit ständig mit der fortschreitenden Abnutzung der mechanischen Bestandteile. Die erreichbare Genauigkeit der Bestimmung der Lage des Abtasters ist klein.
Die bisher bekannten Verfahren und Vorrichtungen für das Abtasten von Koordinaten, die elektromagnetische Rückkopplungen benutzen, beruhen auf dem Lesen des Werts, der durch ein elektromagnetisches Feld gebildet wird, das eine dimensionale Information trägt, weiter auf der Umsetzung eines analogen Signals in ein digitales Signal, ferner auf der Auswertung des Phasenunterschieds zwischen dem Quellensignal und dem Empfangssignal oder der Auswertung der Amplituden der übertragenen Impulse, gegebenenfalls der Kombination dieser Verfahren. Diese bekannten Verfahren haben eine kompli-
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zierte Auswertung, die die Geschwindigkeit der Abtastung herabsetzen oder auch ein verhältnismäßig kleines Auflösungsvermögen besitzen.
Eine typische bekannte Schaltung (vgl. SU-Erfinderschein 327 501) stellt die Lage der Sonde mit Hilfe von Abfrageimpulsen fest, die in die einzelnen Leiter des Koordinatensystems eingespeist werden, und wertet die Amplitude der einzelnen Spannungsimpulse aus, die in der Sonde induziert werden. Die Speisung der einzelnen Leiter und der Antwort in der Sonde ist schematisch in der beigefügten Fig. 7 dargestellt, die den Betrieb der Vorrichtung nach dem bekannten Stand der Technik charakterisiert. Aus den Amplituden der Antworten auf die einzelnen Abfrageimpulse wird auf eine komplizierte und technisch schwer realisierbare Weise die Lage der Sonde im Koordinatensystem berechnet.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, bei einem derartigen Verfahren und einer derartigen Vorrichtung die oben angeführten Nachteile und Mängel unter Steigerung der Stabilität und der Genauigkeit bei verhältnismäßig kleinen Kosten zu beseitigen.
Ein Verfahren zur Bestimmung der Lage eines Systems mindestens eines Abtasters, der auf oder nahe einer Fläche angebracht ist, ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß auf der Fläche mit gegebener Geschwindigkeit und Richtung ein Lauf-Magnetfeld erzeugt wird, daß das Erreichen eines gewählten Punkts auf der Kurve des Verlaufs der Spannung, vorzugsweise in seinem steilsten Teil, festge-
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stellt wird, die durch das Magnetfeld im System des Abtasters induziert wird, wo sich die Quelle des Magnetfelds in einer Entfernung vom System des Abtasters befindet, die dem gewählten Punkt der Kurve des Verlaufs der induzierten Spannung im Abtaster entspricht.
Es ist zweckmäßig, daß das Lauf-Magnetfeld durch fortlaufende Stromeinspeisung in das System der Leiter fortschreitend mit der Geschwindigkeit und Richtung des Lauf-Magnetfelds erzeugt wird.
Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung, mit mindestens einem System von Leitern, die in einer Fläche angeordnet sind, deren jeder an einen Verteiler angeschlossen ist, mit mindestens einem induktiven Abtaster in der Nähe des Systems von Leitern, der gemeinsam mit dem Verteiler an einen Auswerter angeschlossen ist, ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß der Verteiler durch einen Verteiler des gewählten Gesamtstroms fortlaufend in mindestens einen Leiter in der gewählten Richtung des Verlaufs des gesamten Stroms gebildet ist, und daß der Ausgang des Auswerters der Lage des Abtasters mit dem Steuereingang des Verteilers verbunden ist, wobei der Ausgang des Abtasters an den Eingang einer Schwellenlogik des Auswerters der Lage des Abtasters angeschlossen ist.
Eine Ausgestaltung der Vorrichtung besteht darin, daß zwischen das System der Leiter und mindestens einen Läufer, z. B. einen Abtaster, parallel zu den Leitern eine leitende Schicht eingeschoben ist.
Ebenfalls kann die Schwellenlogik des Spannungspegels auf einen Pegel in der Nähe des Punkts eingestellt werden,
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der am wenigsten von der Temperatur und Verstärkung abhängig ist, d. h. den Durchgang der Antwort durch den Ruhepegel.
Einen der Hauptvorteile der Erfindung bildet die verhältnismäßig große Genauigkeit der Bestimmung der Lage des Abtasters, unabhängig von der Größe der Abtastfläche, indem ein quasi stetiger Vorgang benutzt wird, so daß eine verhältnismäßig feine Interpolation durchgeführt werden kann.
Es können auch mehrere Abtaster und nicht nur ein Abtaster benutzt werden, wobei die Abtaster unabhängig sind, z. B. zum gleichzeitigen Abtasten von mehreren Kurven.
Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 schematisch die Anordnung des Abtasters und der Leiter zum Erzeugen eines Lauf- oder Wander-Magnetfelds und den Verlauf der Antwort;
Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel in Abwandlung von Fig. Ij
Fig. 3 ein Blockschaltbild der ganzen Vorrichtung;
Fig. 4 Beispiele der Systeme der Leiter für kartesisches und für Polarkoordinatensystem;
Fig. 5 eine Abwandlung der in Fig. 3 abgebildeten Vorrichtung;
Fig. 6 eine andere Abwandlung der in Fig. 3 abgebildeten Vorrichtung;
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Fig. 7 eine Zeitfolge der Abfrageimpulse und der ihnen entsprechenden Antworten in typischen bekannten Vorrichtungen; und
Fig. 8 eine vorteilhafte Stromverteilung der einzelnen Leiter der Vorrichtung nach der Erfindung für eine konstante Lauf-Geschwindigkeit des Magnetfelds und eine technisch anspruchslose Näherung dieser Stromverteilung.
Das Verfahren zur Bestimmung der Lage eines Systems mindestens eines Abtasters, der auf oder nahe einer Fläche angebracht ist, besteht darin, daß auf dieser Fläche mit einer gegebenen Geschwindigkeit und Richtung ein Magnetfeld läuft, wobei das Erreichen eines gewählten Punkts im Spannungsverlauf festgestellt wird, welche Spannung durch das Magnetfeld induziert wird, vorzugsweise in seinem steilsten Teil, im System des Abtasters, wo sich die Quelle des Magnetfelds in einer Entfernung vom System des Abtasters befindet, die dem gewählten Punkt der Kurve des Verlaufs der induzierten Spannung im Abtaster entspricht.
Der Leiter, durch den der Strom fließt, bildet die Quelle des elektromagnetischen Felds. Falls dieser Leiter in der Nähe des Abtasters bewegt wird, der z. B. durch eine Spule gebildet ist, wird in Abhängigkeit νση der Änderung der Größe ein elektromagnetischer Strom als Antwort induziert, die durch die Entfernung des Leiters und des Abtasters gegeben ist, wie in Fig. 1 und 2 dargestellt ist. Die Bewegung des Leiters kann durch Umschaltung des Stroms (fortschreitendes Umschalten) nach Fig. 8 in das System der Leiter, die genügend nahe aneinander angeordnet sind, ersetzt werden. Da-
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durch entsteht ein quasi stetiger Effekt, womit eine verhältnismäßig feine Interpolation durchgeführt werden kann, deren Folge ein verhältnismäßig hohes Auflösungsvermögen ist.
Fig. 1 zeigt den Verlauf der induzierten Spannung 15a in Abhängigkeit davon, durch welchen von Leitern 2 - 14 fortschreitend Strom fließt. Dieser Strom ruft ein Magnetfeld hervor, das durch den in einer leitenden Schicht 20 induzierten Strom gebildet ist unter gegenseitiger Rückkopplung der Schicht 20 mit den Leitern 2 - 14, wobei das Feld so läuft, wie der Strom durch das fortlaufende Speisen der Leiter 2 14 fortschreitet.
In einem Abtaster 1, der durch eine Spule realisiert ist, wird eine veränderliche Spannung in Abhängigkeit von der Entfernung der Quelle des Stroms von diesem Abtaster induziert. Beim Lauf oder Wandern des Magnetfelds in Richtung zürn Abtaster steigt die induzierte Spannung langsam an vom Ruhewert bis zum Maximum einer Polarität, sinkt weiter auf den Ruhewert und steigt nachher auf das Maximum der entgegengesetzten Polarität und sinkt nachher wieder fortlaufend auf den Ruhewert. Der ganze Verlauf der Spannung ist durch die Entfernung der Quelle des Magnetfelds gegeben, wobei es am vorteilhaftesten ist, den Verlaufspunkt als Ruhepunkt zu benutzen. Aus der Kenntnis der Lage der Quelle des Magnetfelds und eines Zeitpunkts, der durch den gewählten Punkt des Verlaufs der Spannung in der Spule gegeben ist, kann deren Lage bestimmt werden.
In Flg. 2 ist ein anderes Ausführungsbeispiel der Vor-
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richtung nach der Erfindung gezeigt. Es ist hier das Entstehen der induzierten Spannung 15b in Abhängigkeit davon angedeutet, durch welchen der Leiter 2-14 fortschreitend der Strom fließt, der durch das fortschreitende Speisen der Leiter 2-14 hervorgerufen wird. Wie weiter in Fig. 8 dargestellt ist, ist es vorteilhaft, daß bei dem fortschreitenden Speisen der Leiter mit dem Sinken des Stroms im vorangehenden Leiter gleichzeitig im folgenden Leiter ein entsprechender Anstieg "des Stroms stattfindet, so daß die Summe der Ströme in sämtlichen Leitern im wesentlichen konstantbleibt.
In Fig. 3 ist eine schematische Anordnung der ganzen Vorrichtung gezeigt, wo das System der Leiter 2 - 14 dargestellt ist, die parallel zur Abtastfläche gelagert sind, welches System die Koordinatenachse auf dieser Fläche bestimmt.
Ein mögliches Ausführungsbeispiel der Vorrichtung zur Durchführung des oben angeführten Verfahrens nach der Erfindung besteht darin, daß die Vorrichtung ein System von Leitern 2-14 parallel zur Abtastfläche enthält, von denen wenigstens ein Leiter durch Strom als Quelle elektromagnetischen Felds durchflossen wird, die die erste Koordinatenachse bestimmt. In der Nähe dieses Systems ist ein Abtaster 1 mit mindestens einer Windung angeordnet. Der Abtaster ist leitend mit einem Auswerter 18 für die Verarbeitung der induzierten Signale verbunden, der mindestens eine Schwellenlogik 24 des Spannungspegels (nicht gezeigt) des Abtasters enthält, wobei der Auswerter 18 durch Rückkopplung mit Strom-Verteilern 16, 17 (Schaltern) eines Programmgebers durchgeschaltet ist, um die einzelnen Leiter fortlaufend zu speisen, nämlich ent-
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sprechend dem Lauf des Magnetfelds. Der Auswerter 18 enthält weiter (nicht gezeigt) Zähler und Signalquellen, die mindestens ein Erregersignal in jeden Leiter 2-14 schicken.
Ebenfalls kann die Schwellenlogik 24 vorteilhaft auf einen Pegel eingestellt werden, der dem Punkt naheliegt, der am wenigsten von der Temperatur und der Verstärkung abhängig ist, das heißt dem Punkt des Durchgangs der Antwort durch den Ruhepegel.
Die Vorrichtung besteht aus den programmgesteuerten Stromverteilern 16, 17, aus dem System von Leitern 3, 4, 5» 6, 7» aus dem Abtaster 1 und dem Auswerter 18, die gegenseitig durch eine Rückkopplung 19 des Programmgebers und des Auswerters l8 durchgeschaltet sind. Die Stromverteiler 16, 17 werden so gesteuert, daß der Strom fortschreitend durch die Leiter 3, 4, 5, 6 und 7 fließt. Jeder Leiter, durch den gerade Strom fließt, erzeugt ein Magnetfeld, das so vorvrärts läuft, wie fortschreitend der Strom in die Leiter 3, 4, 5, 6 und 7 eingeführt wird. Die Änderungen dieses Magnetfelds induzieren eine Spannung im Abtaster 1, der durch eine Spule realisiert ist. Die Spannung aus dieser Spule wird in den Auswerter 18 geleitet, der in Abhängigkeit vom Zustand der Verteiler 16, 17 des Stroms und der Spannung aus dem Fühler 1 dessen Lage auswertet.
Für die Bestimmung der Lage in mehrdimensionalem System ist es möglich, mehrere Systeme von Leitern zu benutzen, die so angeordnet sind, daß sie ein Koordinatengitter bilden. Ihre Anordnung kann jedoch völlig beliebig sein, z. B. auf allgemeinen Flächen od. dgl. Auch der Verlauf und das Fortschreiten des Stroms können verschieden sein nach der
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geforderten Durchführung und Genauigkeit der Auswertung.
In Fig. 4 sind Methoden der Anordnung der Systeme für kartesisches und Polarkoordinatensystem dargestellt.
In Flg. 5 1st eine Abwandlung der Vorrichtung nach Fig. 3 dargestellt. Der Auswerter 18 besteht aus einem Konstantfrequenz-Generator 21, dessen Ausgang an den Eingang eines Zählers 22 angeschlossen ist. Die Ausgänge höherer Ordnung des Zählers 22 sind einerseits an den Steuereingang der Stromverteiler 16, 17, andererseits an Aufzeichnungseingänge höherer Ordnung eines Resultatspeichers 23 angeschlossen. Die Ausgänge niedrigerer Ordnung des Zählers 22 sind an die Aufzeichnungseingänge niedrigerer Ordnung des Resultatspeichers 23 angeschlossen. Der Ausgang des Abtasters 1 ist an den Eingang der Schwellenlogik 24 angeschlossen, deren Ausgang an den Ansteuereingang des Resultatspeichers 23 angeschlossen ist.
Der Ausgang des Abtasters 1 kann auch mit den Eingängen ' von Schwellenlogiken 241, 242 verbunden sein, deren Eingänge an die Eingänge eines Folgeschaltkreises 25 angeschlossen sind. Der Ausgang des Folgeschaltkreises 25 ist an den Ansteuereingang des Resultatspeichers 23 angeschlossen.
Die Schaltung nach Fig. 6 bildet eine Abwandlung der Schaltung von Fig. 5, die sich von derselben durch die Art der übertragung der Information in den Resultatspeicher 23 unterscheidet, in dem in Fig. 5 eine Parallel-übertragung und in Fig. 6 eine Serien-Übertragung in den Resultatspeicher 23 durchgeführt ist. Eine Torschaltung 26 bewirkt die Eingabe der Information in den Resultatspeicher 23 in Abhängig-
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keit vom Zustand der Schwellenlogik 21J, gegebenenfalls der Schwellenlogiken 241, 242 und 25.
In Fig. 7 sind eine charakteristische Methode der Speisung der einzelnen Leiter 7, 8, 9 in bekannten Vorrichtungen und der Amplitudenverlauf der einzelnen Spannungsimpulse dargestellt, die im Abtaster durch die Abfrageimpulse aus den Speiseleitern zeitlich induziert werden. Aus dem Verlauf der induzierten Signale ist ersichtlich, daß die Bestimmung der Lage ohne Interpolation mit einem Fehler durchgeführt werden kann, der durch den Abstand der einzelnen Leiter gegeben ist. Eine Steigerung der Genauigkeit kann durch Interpolation erzielt werden, die einen komplizierteren Rechner erfordert.
In Fig. 8 ist ein geeigneter Verlauf des Stroms der einzelnen Leiter 7,8,9 der Vorrichtung nach der Erfindung da.rgestellt für eine konstante Lauf-Geschwindigkeit des Magnetfelds und für eine technisch anspruchslose Näherung dieser Anforderung, wodurch das Magnetfeld mit einer im wesentlichen konstanten Geschwindigkeit läuft, was als Ergebnis der Bewegung der effektiven Quelle des Magnetfelds vorstellbar ist, das laufend auch in den Zwischenräumen zwischen den Leitern fortschreitet, wodurch eine feine Interpolation durchgeführt werden kann, deren Genauigkeit nur vom Maß der Näherung an eine absolut gleichmäßige Bewegung des Magnetfelds abhängt.
Das oben angeführte quasi stetige Laufen des Magnetfelds wird durch eine dichte Folge der Speisung der benachbarten Leiter bzw. durch zeitliche Koinzidenz der Speisung dieses Systems von Leitern erzielt, und zwar aus der Stromquelle,
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um ein langsames Anwachsen und Sinken des Stroms in den einzelnen benachbarten Leitern zu erreichen, was durch eine direkte Formung des Verlaufs dieses Stroms oder bei einem rechtwinkligen (allgemeinen) Verlauf der Speisespannung der Leiter durch eine absichtliche Verzerrung des Verlaufs des Stroms erzielt wird. Dasselbe gilt für die Speisung mit verschieden gewichteten Strömen.
Das Verfahren und die Vorrichtung nach der Erfindung können überall dort angewendet werden, wo ein berührungsfreies Messen notwendig ist, z. B. durch Abtasten von Punkten in der Kartographie, in der Geodäsie, bei Benutzung von NC-Systemen, bei der maschinellen Verarbeitung von Belegen für die Datenerfassung, für das Abtasten der Lage der Schreibfedern auf Zeichnungstischen, für die Bestimmung der Lage in mehr- und eindimensionalen Systemen, wo es notwendig ist, mehrere Systeme von Leitern zu benutzen, die so angeordnet sind, daß sie ein Koordinatengitter bilden. Die Gruppierung der Systeme der Leiter kann völlig beliebig sein, z. B. auf allgemeinen Flächen od. dgl.
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Claims (7)

  1. - 13 Patentansprüche
    l.J Verfahren zur Bestimmung der Lage eines Systems mindestens eines Abtasters, der auf oder nahe einer Fläche angebracht ist, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Fläche mit gegebener Geschwindigkeit und Richtung ein Lauf-Magnetfeld erzeugt wird, daß das Erreichen eines gewählten Punkts auf der Kurve des Verlaufs der Spannung, vorzugsweise in seinem steilsten Teil, festgestellt wird, die durch das Magnetfeld im System des Abtasters induziert wird, wo sich die Quelle des Magnetfelds in einer Entfernung vom System des Abtasters befindet, die dem gewählten Punkt der Kurve des Verlaufs der induzierten Spannung im Abtaster entspricht.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Lauf-Magnetfeld durch fortlaufende Stromeinspeisung in das System der Leiter fortschreitend mit der Geschwindigkeit und Richtung des Lauf-Magnetfelds erzeugt wird.
  3. 3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, mit mindestens einem System von Leitern, die in einer Fläche angeordnet sind, deren jeder an einen Verteiler angeschlossen ist, mit mindestens einem induktiven Abtaster in der Nähe des Systems von Leitern, der gemeinsam mit dem Verteiler an einen Auswerter angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Verteiler (16, 17) durch einen Verteiler des gewählten Gesamtstroms fortlaufend in mindestens einen Leiter (2 - 14) in der gewählten Richtung des Verlaufs des gesamten Stroms gebildet ist, und
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    daß der Ausgang des Auswerters (18) der Lage des Abtasters (1) mit dem Steuereingang des Verteilers (16, 17) verbunden ist, wobei der Ausgang des Abtasters (1) an den Eingang einer Schwellenlogik des Auswerters (18) der Lage des Abtasters (1) angeschlossen ist.
  4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen das System der Leiter (2 - 1*0 und den Abtaster (1) parallel zum System der Leiter (2 - 14) eine leitende Schicht (20) eingelegt ist.
  5. 5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Auswerter (18) aus einem Konstantfrequenz-Generator (21) besteht, dessen Ausgang an den Eingang eines Zählers (22) angeschlossen ist, dessen Ausgänge höherer Ordnung einerseits an den Steuereingang des Verteilers (16, 17), andererseits an Aufzeichnungseingänge höherer Ordnung eines Resultatspeichers (23) angeschlossen sind, daß die Ausgänge niedrigerer Ordnung des Zählers (22) an die Speichereingänge niedrigerer Ordnung des Resultatspeichers (23) angeschlossen ' sind, und daß der Ausgang des Abtasters (1) an den Eingang der Schwellenlogik (24) angeschlossen ist, dessen Ausgang an den Ansteuereingang des Resultatspeichers (23) angeschlossen ist.
  6. 6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 -'5, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang des Abtasters (1) mit den Eingängen der Schwellenlogik (241, 242) verbunden ist, deren Ausgänge an die Eingänge eines Polgeschaltkreises (25). angeschlossen sind, dessen Ausgang an den Ansteuereingang des ResultatSpeichers (23) angeschlossen ist.
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  7. 7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang des Generators (21) einerseits an den Eingang des Zählers (22),andererseits an den Eingang einer Torschaltung (26) angeschlossen ist, deren Ausblende-Eirtgang an den Ausgang der Schwellenlogik (24) und deren Ausgang an den Serien-Speichereingang des Resultatspeichers (23) angeschlossen ist.
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