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Optisch-elektrische Messeinrichtung
Die Erfindung bezieht sich auf eine optisch-elektrische Messeinrichtung zum objektiven Ermitteln von Grösse und Richtung des relativen Bewegungsweges zweier zueinander entweder längs einer Geraden verschiebbarer oder um eine gemeinsame Achse verdrehbarer Bauteile, von denen der eine einen sich über den Bewegungsbereich erstreckenden optischen Strichmassstab und der andere einen Ablesekopf mit einer Ableseplatte, einer Beleuchtungsvorrichtung und drei Photozellen trägt, welche elektrische Messsignale erzeugen,
die momentanen örtlichen Helligkeiten in drei Bezirken des sich aus der Überlagerung der Ableseplatte mit dem Strichmassstab ergebenden Gitterbildes entsprechen und die sich bei der Bewegung der Bauteile in einer von der Bewegungsrichtung abhängigen Phasenfolge zyklisch ändern und zur Bildung eines verfeinerten Messsignals miteinander kombiniert werden.
Für besondere Formen von Strichmassstäben und Auswertungen der Photozellensignale ist schon vorgeschlagen worden, drei nebeneinander angeordnete Photozellen in einem Ablesekopf vorzusehen und deren Signale zwecks Gewinnung eines verfeinerten Messsignals miteinander zu kombinieren. Die auf dieser Grundidee basierende bekannte Einrichtung vermag aber die an solche Messeinrichtungen heute zu stellenden Anforderungen hinsichtlich Betriebssicherheit und Genauigkeit nicht zu erfüllen.
Die Nachteile der bisher bekannten Messeinrichtungen dieser Art werden gemäss der Erfindung dadurch vermieden, dass die zueinander um je 1/3 einer Periodenlänge phasenverschobenen Messsignale der drei Photozelle, 1 an die drei Eingänge einer Differentialschaltung geführt sind, welche dazu bestimmt und ausgebildet ist, die gemeinsamen Komponenten der drei Eingangssignale zu unterdrücken und differentielle Komponenten der Eingangssignale mit gleichem Übertragungsmass an die drei Ausgänge abzugeben.
Mit Vorteil werden aus je zweien der drei Ausgangssignale der Differentialschaltung eine grössere Anzahl von linearen Kombinationen erzeugt, die sich ebenfalls bei der Bewegung der beiden Bauteile in Einheiten des Strichmassstabes periodisch verändern und zueinander um entsprechend kleinere Periodenbruchteile phasenverschoben sind. Mit Hilfe von Polaritätsdiskriminatoren, beispielsweise bekannten Schmitt-Triggern, lassen sich daraus Mehrphasen-Systeme von Binärsignalen gewinnen, bei denen jede der möglichen Zustandskombinationen einen bestimmten Bruchteil einer Strichmassstabeinheit eindeutig kennzeichnet, so dass das Auflösungsvermögen der Messeinrichtung entsprechend feiner wird.
Die Wechsel der genannten Zustandskombinationen der Binärsignale lassen sich vorzeichengerecht, d. h. je nach der Phasenfolge vorwärts oder rückwärts in einem geeigneten Zählwerk zählen, so dass dieses jederzeit die Summe der gezählten Periodenbruchteile und damit die momentane Relativposition der Bauteile gegen- über einer Ausgangslage anzeigt. Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes sind in den Zeichnungen
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mehrphasigen Systems von Binärsignalen G, H, J, K, L, Fig. 4 ein Vektordiagramm zur Veranschaulichung der Bildung linearer Kombinationen aus den Ausgangssignalen der Differentialschaltung, die Fig. 5 bis 8 verschiedene Ausführungsbeispiele von Differentialschaltungen DV aus Fig. 4 und Fig. 9 eine logische Schaltung zur Auswertung der Codedarstellung am Ausgang der Stufe 0 von Fig. 4.
Gemäss Fig. 1 ist ein Strichmassstab 1 relativ zu einer Ableseplatte 2 in Richtung des eingezeichneten Pfeiles + X oder in entgegengesetzter Richtung verschiebbar. Der Strichmassstab besteht aus einer Reihe paralleler Dunkelstriche, die praktisch kein Licht reflektieren und/oder durchlassen und voneinander durch Hellstriche, die fast alles Licht reflektieren oder durchlassen, getrennt sind. Die Dunkelstriche und die Hellstriche sind gleich breit, d. h. je halb so breit wie das Einheitsintervall E des Massstabes 1. Strichmassstäbe dieser Art lassen sich heute mit grosser Präzision bis zu einer Teilung von zehn oder sogar hundert Einheiten E pro mm Massstablänge herstellen.
Die Ableseplatte 2 besteht aus einem schwarzen bzw. undurchsichtigen Material und enthält gemäss Fig. 1 drei parallele Lichtspalte 21,22, 23 der Breite E/2. Diese Lichtspalte sind voneinander
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+-diestanziert, d. h :te hell und zur Hälfte dunkel zeigt, ist der Spalt 21 zu 5/6 dunkel und zu 1/6 hell. Der Spalt 23 ist zu 1/6 dunkel und zu 5/6 hell. Es ist leicht einzusehen, dass bei einer Verschiebung des Strichmassstabes 1 in positiver Richtung +X gemässFig.1 die Helligkeit im Spalt 21 noch weiter bis zu einem Minimum abnimmt und dann wieder zunimmt. Für den Spalt 22 ergibt sich vorerst eine dauernde Zunahme der Helligkeit und für den Spalt 23 eine dauernde Helligkeitsabnahme. Bei einer Verschiebung desStrichmassstabes1inentgegengesetzterRichtungändernsichdieHelligkeitenindendreiSpalten in umgekehrtem Sinn.
Im Diagramm nach Fig. 2 ist gestrichelt ein Ablesekopf 20 mit drei als Kreisen symbolisierten Photozellen 41,42, 43 innerhalb eines Zweikoordinaten-Feldes mit der Abszissenrichtung +X und der Ordinatenrichtung Ua gezeichnet. Der momentane Abszissenwert des Ablesekopfes ist mit X. bezeichnet und die zugehörigen von den Photozellen 41,42, 43 über den Lichtspalten 21,22, 23 gemessenen momentanen Helligkeitswerte sind in den Kreisen 41,42, 43 als Kreuze eingezeichnet.
Diese Kreuze liegen auf periodischen Kurven U a,U a,U a, die hier als Sinuskurven dargestellt sind, praktisch aber auch Dreieck- oder Trapezkurven sein können. Sie zeigen an, wie die von den Photozellen 41, 42, 43 gemessenen Helligkeiten der Lichtspalte 21,22, 23 bzw. der Ableseplatte 1 von Fig. 1 schwanken, wenn der Strichmassstab 1 in Richtung +X oder in Gegenrichtung verschoben wird. Dabei ist in Fig. 2 der punktierte Ablesekopf 20 mit den Photozellen in entsprechender Richtung iX verschoben zu denken und anzunehmen, dass die Ordinatenwerte in den Kreisen den Kurven
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in der Ableseplatte 2 von Fig. 1 relativ zum Strichmassstab 1 um Werte E/3 verschieden gestellt werden und die Photozellen genau auf diese Lichtspalte eingestellt werden.
Die Kurven U @ U @ U al a2 a3 von Fig. 2 haben je denselben Mittelwert Ua0 und dieselbe Amplitude sou . Dies setzt aber voraus, dass die Photozellen gleiche Charakteristiken haben und auf gleiche Empfindlichkeiten eingestellt sind. Beim praktischen Betrieb wird zwar der Mittelwert Ua0 nicht konstant bleiben, sondern in Abhängig- keit von der Leuchtstärke der zugehörigen Beleuchtungsvorrichtung oder der örtlichen und zeitlichen Re-
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Strichmassstabes 1 zur Ableseplatte 2, gemessen in Einheitsintervallen E pro Zeiteinheit At entspricht und den Wert 0 hat, wenn keine Verschiebung des Strichmassstabes stattfindet.
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Wenn gegenüber der groben Darstellung von Fig. 1 ein wesentlich feiner geteilter Strichmassstab 1 verwendet wird (z. B. E = 0,1 oder 0, 01 mm), ist es notwendig, die Ableseplatte 2 statt mit drei einzelnen Lichtspalten 21, 22, 23 mit drei Scharen solcher Lichtspalten zu versehen. Diese Spaltscharen bilden dann je einen Ausschnitt aus einem optischen Strichgitter, das mit demjenigen des Strichmassstabes hinsichtlich der Teilung und der Orientierung identisch ist. Es ist aber zu beachten, dass diese Spaltscharen gegenüber dem Strichmassstab und unter sich um Werte E/3 verschieden gestellt sind, wie die einzelnen Spalte aus Fig. l.
Es können dann über diesen Spaltscharen ebenfalls die Helligkeiten von drei Bezirken des resultierenden Gitterbildes ausgewertet werden, deren Positionen also ebenfalls relativ zum Stric'lmassstab 1 um je 1/3 einer Massstabeinheit verschieden sind.
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U, Ubeschriebenen Eigenschaften ist in der Stufe M von Fig. 3 schematisch dargestellt. Der Strichmassstab l ist beispielsweise an einem längsverschiebbaren Schlitten einer Werkzeugmaschine oder am Umfang einer drehbaren Scheibe, deren Winkellage gemessen werden soll, befestigt. An einem relativ dazu feststehenden Bauteil ist ein Ablesekopf befestigt, der eine Ableseplatte 200, eine Lichtquelle 30 und eine Kondensorlinse 31, die zusammen eine Beleuchtungsvorrichtung bilden, sowie eine Gruppe von drei Photozellen 41,42, 43 umfasst.
Die Ableseplatte 200 ist als Ausschnitt eines optischen Strichgitters ausgebildet, das an sich gleich wie der Strichmassstab 1 ausgebildet und orientiert ist, aber auf eine grössere Anzahl von q Einheiten des Strichmassstabes, ähnlich wie bei Noniusgeräten, q 1 Striche umfasst. Es ergibt sich dann durch die Überlagerung der beiden Strichgitter ein Gitterbild, in welchem über die Länge der Ableseplatte 200 die örtlichen Helligkeitswerte zwischen einem Maximalwert und einem Minimalwert alle Zwischenwerte in stetigem Übergang haben.
Die drei Photozellen 41,42, 43 sind dann längs der Ableseplatte 2 über derselben so nebeneinander anzuordnen, dass jede von ihnen die Helligkeit in einem Streifen auswertet, der im Vergleich zu den Streifen, die den benachbarten Photozellen zugeordnet sind, um Werte E/3 unterschiedlich zum Gitter des Strichmassstabes 1 orientiert sind. Unter diesen Voraussetzungen entstehen auch in die-
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mit Hilfe von andern, zum Teil erläuterten Varianten erzeugt werden können und im wesentlichen in ihrer gegenseitigen Beziehung dem Diagramm nach Fig. 2 entsprechen, werden nun den drei Eingängen einer Differentialschaltung DV der Stufe N zugeführt.
Diese ist dazu bestimmt und ausgebildet, die gemeinsamen Komponenten der drei Photozellensignale, nämlich deren Mittelwert
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(v = gemeinsamer Übertragungsfaktor)
Diese Bedingungen werden am besten mit durchgängiger Gleichstromkopplung z. B. gemäss den in den Fig. 5-8 dargestellten Schaltungsbeispielen erfüllt.
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mit je einem Innenwiderstand Ri symbolisiert sind, in einem gemeinsamen freien Knoten zusammengeschaltet, um jederzeit die Erfüllung der Bedingung
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I+I+I=0 1 2 3 zu erzwingen.
Die Spannungen an den Lastwiderständen R1 haben dann die Werte
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R. ; Ub2 =I R ; Ub3 =1 Ri,d. h. ihre Summe hat jederzeit den Wert 0.
Ub1+Ub2+Ub3= (I1+I2+I3)Ri=0 Damit werden die gestellten Bedingungen erfüllt.
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me L der Gleichstromquelle Q angeschlossen und über diesen Lastwiderständen entstehen die Aus- gangsspannungen Ub1' Ub2' Ub3' deren Summe bei gleicher Stromverstärkung der drei Transistoren konstant bleibt.
Das Schaltbild nach Fig. 7 zeigt eine Differentialschaltung DV mit drei identischen Gleichstrom-
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V,, Vg.erfüllt.
Der Verstärkungsfaktor v0 0 der Verstärker V ohne Gegenkopplung soll wesentlich grösser sein als das Verhältnis R/r der Widerstände R und r, und dieses soll wieder wesentlich grösser sein als 1, d. h.
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Widerstände R von Spannungsteilern, deren kleine Widerstände r in einem gemeinsamen Knoten. vereinigt sind, so dass die Bedingung 11 + 12 + 13 = 0 erzwungen wird. Die Spannungen U,U ,
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UDie Schaltung nach Fig. 7 kompensiert auch die in Transitorschaltungen oft unvermeidbaren Drifter scheinungen sehr gut.
Ein detailliertes, mit Wertangaben versehenes Schaltbild einer Verstärkerstufe V 1 aus dem Prin-
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7Mit den drei Ausgangssignalen Ub1, Ub2, Ub3 der Differentialschaltung DV haben auch alle Linearkombinationen davon die Eigenschaft gemeinsam, dass die Nulldurchgänge unabhängig sind von ge-
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sondere von denjenigen Helligkeitsschwankungen, die allen drei erfassten Lichtströmen gemeinsam sind, und die praktisch zustande kommen durch veränderliche Lampenhelligkeit, oder im Grossen unterschiedliche Strichverbreiterung und Verschmutzung von feinen Strichteilungen.
Im folgenden wird die Wahl der Koeffizienten solcher Linearkombinationen einfachheitshalber durch Betrachtung der Grundharmonischen der Signale Ub1, Ub2, U@ erklärt. Selbstverständlich kann durch Variation dieser Koeffizienten der Nulldurchgang der Linearkombination auch bei allgemeineren Kurven- formen beliebig gelegt werden.
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kriminatoren ST sind an sich bekannt (z. B. Lit. K. Steinbuch : Taschenbuch der Nachrichtenverarbei- tung, Springer 1962).
Gemäss Fig. 3 werden also an den einen Ausgängen der Schmitt-Trigger ST fünf zweiwertige Gleichstrompulssignale G, H, J, K, L und deren Negationen G, H, J. K, 1 gebildet. Die Ausgangsimpedanzen der Differentialschaltung DV und die Eingangsimpedanzen der Schmitt-Trigger ST werden dabei als verschwindend klein gegenüber den in den Scottschen Schaltungen der Stufe O verwendeten Widerstandswerten vorausgesetzt.
Die Zustandskombinationen der fünf Binärsignale G, H, J, K, L wechseln für jede in der photoelektrischen Messvorrichtung M festgestellte Relativverschiebung der beiden Bauteile um eine Längeneinheit E des Strichmassstabes 1 nach folgendem Schema :
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<tb>
<tb> G <SEP> H <SEP> J <SEP> K <SEP> L
<tb> JE
<tb> N. <SEP> E <SEP> + <SEP> O <SEP> . <SEP> 10 <SEP> 1 <SEP> 0 <SEP> 0 <SEP> 0 <SEP> 0
<tb> E
<tb> N. <SEP> E-hl. <SEP> 10 <SEP> 1 <SEP> 1 <SEP> 0 <SEP> 0 <SEP> 0
<tb> E
<tb> N. <SEP> E <SEP> + <SEP> 2 <SEP> . <SEP> 10 <SEP> 1 <SEP> 1 <SEP> 1 <SEP> 0 <SEP> 0
<tb> N <SEP> . <SEP> E <SEP> + <SEP> 3 <SEP> . <SEP> 10 <SEP> 1 <SEP> 1 <SEP> 1 <SEP> 1 <SEP> 0
<tb>
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Tabelle (Fortsetzung)
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<tb>
<tb> G <SEP> H <SEP> J <SEP> K <SEP> L
<tb> E
<tb> N. <SEP> E <SEP> + <SEP> 4.
<SEP> 10 <SEP> 1 <SEP> 1 <SEP> 1 <SEP> 1 <SEP> 1 <SEP>
<tb> E
<tb> N. <SEP> E+5. <SEP> 10 <SEP> 0 <SEP> l <SEP> l <SEP> l <SEP> l <SEP>
<tb> E
<tb> N. <SEP> E <SEP> + <SEP> 6. <SEP> 10 <SEP> 0 <SEP> 0 <SEP> 1 <SEP> 1 <SEP> 1
<tb> E
<tb> N. <SEP> E <SEP> + <SEP> 7. <SEP> 10 <SEP> 0 <SEP> 0 <SEP> 0 <SEP> 1 <SEP> 1
<tb> E
<tb> N. <SEP> E <SEP> + <SEP> 8. <SEP> 10 <SEP> 0 <SEP> 0 <SEP> 0 <SEP> 0 <SEP> 1
<tb> E
<tb> N <SEP> . <SEP> E <SEP> + <SEP> 9 <SEP> . <SEP> 10 <SEP> 0 <SEP> 0 <SEP> 0 <SEP> 0 <SEP> 0
<tb>
(N = ganze Zahl)
Durch eine bes@mmte Zustandskombination des fünfphasigen Binärsignalsystems am Ausgang der Stufe P wird also eindeutig eine bestimmte Zehntelsperiode der ursprünglichen Messsignale bestimmt.
Falls die durch das Messsystem M gemessene Verschiebung der Bauteile in entgegengesetztem Sinn, also negativ erfolgt, erfolgen auch die Übergänge von einer Zustandskombination in die andere in umgekehrtem Sinn, d. h. in der Reihenfolge von unten nach oben, statt von oben nach unten. Ein derartiges fünfphasiges Binärsignalsystem lässt sich nun mit Hilfe einer relativ einfachen logischen Schaltung gemäss Fig. 9 in eine binär codierte Dezimaldarstellung umwandeln. Es sei angenommen, dass zu diesem Zweck als Code der sogenannte CZ-Code verwendet werde, der in der österr. Patentschrift Nr. 233869 erstmals bekanntgemacht worden ist.
Es ist ein Gewichtscode mit den Gewichten 4, 2,2, 1 und entspricht folgender Tabelle :
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<tb>
<tb> A4 <SEP> A3 <SEP> A2 <SEP> A1 <SEP> Binärstellen
<tb> 4 <SEP> 2 <SEP> 2 <SEP> 1 <SEP> Gewicht
<tb> Dezimal-Ziffer
<tb> 0 <SEP> 0 <SEP> 0 <SEP> 0 <SEP> 0
<tb> 1 <SEP> 0 <SEP> 0 <SEP> 0 <SEP> 1 <SEP>
<tb> 2 <SEP> 0 <SEP> 0 <SEP> 1 <SEP> 0 <SEP>
<tb> 3.
<SEP> 0 <SEP> 1 <SEP> 0 <SEP> 1 <SEP>
<tb> 4 <SEP> 0 <SEP> 1 <SEP> 1 <SEP> 0 <SEP>
<tb> 5 <SEP> 1 <SEP> 0 <SEP> 0 <SEP> 1 <SEP>
<tb> 6 <SEP> 10 <SEP> 1-0 <SEP>
<tb>
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Tabelle (Fortsetzung)
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<tb>
<tb> A <SEP> A3 <SEP> A <SEP> Al <SEP> Binärstellen
<tb> 4 <SEP> 2 <SEP> 2 <SEP> 1 <SEP> Gewicht
<tb> Dezimal-Ziffer
<tb> 7 <SEP> 1 <SEP> 1 <SEP> 0 <SEP> 1 <SEP>
<tb> 8 <SEP> 1 <SEP> 1 <SEP> 1 <SEP> 0 <SEP>
<tb> 9 <SEP> 1 <SEP> 1 <SEP> 1 <SEP> 1
<tb>
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EMI7.3
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EMI8.1
<tb>
<tb> DezimP8 <SEP> P7 <SEP> P6 <SEP> P5 <SEP> P4 <SEP> P3 <SEP> P2 <SEP> P1 <SEP> A <SEP> B
<tb> 0 <SEP> 0 <SEP> 0 <SEP> 0 <SEP> 0 <SEP> 0 <SEP> 0 <SEP> 0 <SEP> 0 <SEP> 0
<tb> 1 <SEP> 0 <SEP> 0 <SEP> 0 <SEP> 0 <SEP> 0 <SEP> 0 <SEP> 0 <SEP> 0 <SEP> 1
<tb> 1 <SEP> 1 <SEP> 0 <SEP> 0 <SEP> 0 <SEP> 0
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<tb> 1 <SEP> 1 <SEP> 1 <SEP> 1 <SEP> 0 <SEP> 0 <SEP> 0 <SEP> 0 <SEP> 0 <SEP> 0
<tb> 1111100001
<tb> 1 <SEP> 1 <SEP> 1 <SEP> 1 <SEP> 1 <SEP> 1 <SEP> 0 <SEP> 0 <SEP> 1 <SEP> 1
<tb> 1 <SEP> 1 <SEP> 1 <SEP> 1 <SEP> 1 <SEP> 1 <SEP> 1 <SEP> 0 <SEP> 1 <SEP> 0
<tb> 1111111100
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<tb> 0 <SEP> 0 <SEP> 1 <SEP> 1 <SEP> 1 <SEP> 1 <SEP> 1 <SEP> I <SEP> 1 <SEP> 1 <SEP> 1 <SEP>
<tb> 0 <SEP> 0 <SEP> 0 <SEP> 1 <SEP> 1 <SEP> 1 <SEP> 1 <SEP> 1 <SEP> 1 <SEP> 0 <SEP>
<tb> 0 <SEP> 0 <SEP> 0 <SEP> 0 <SEP> 1 <SEP> 1 <SEP> 1 <SEP> 1 <SEP> 0 <SEP> 0
<tb> 0 <SEP> 0 <SEP> 0 <SEP> 0 <SEP> 0 <SEP> 1 <SEP> 1 <SEP> 1 <SEP> 0 <SEP> 1
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<SEP> 0 <SEP> 0 <SEP> 0 <SEP> 0 <SEP> 0 <SEP> 1 <SEP> 1 <SEP> 0
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<tb>
p-phasiges Binärsignalsystem zweiphasiges
Binärsystem am
Ausgang
EMI8.2
pe von zwei Zählstufen nach der bereits mehrfach erwähnten österr. Patentschrift Nr. 233869 zugeführt wird, in jedem Einheitsintervall der Messgrösse 16 Bruchteile davon diskret angezeigt werden und vier Intervalle zu je vier Viertelsperioden sind durch einen voreinstellbaren Zählerstand bestimmt.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Optisch-elektrische Messeinrichtung zum objektiven Ermitteln von Grösse und Richtung des relativen Bewegungsweges zweier zueinander entweder längs einer Geraden verschiebbarer oder um eine gemeinsame Achse verdrehbarer Bauteile, von denen der eine einen sich über den Bewegungsbereich erstreckenden optischen Strichmassstab und der andere einen Ablesekopf mit einer Ableseplatte, einer Beleuchtungsvorrichtung und drei Photozellen trägt, welche elektrische Messsignale erzeugen, die momentanen örtlichen Helligkeiten in drei Bezirken des sich aus der Überlagerung der Ableseplatte mit dem Strichmassstab ergebenden Gitterbildes entsprechen und die sich bei der Bewegung der Bauteile in einer von der Bewegungsrichtung abhängigen Phasenfolge zyklisch ändern und zur Bildung eines verfeinerten Messsignales miteinander kombiniert werden,
dadurch gekennzeichnet, dass die zueinander um
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