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Fotometrische Einrichtung zum Vergleich von vier Lichtströmen, die
paarweise einander zugeordnet und innerhalb dieser Zuordnung miteinander zu vergleichen
sind Gegenstand der Erfindung ist eine fotometrische Einrichtung zum elektrischen
Vergleich von vier Lichtströmen, die paarweise einander zugeordnet und innerhalb
dieser Zuordnung miteinander zu vergleichen sind, unter Anwendung lichtelektrischer
Hilfsmittel.
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Fotometrische Einrichtungen zum Vergleich von vier paarweise einander
zugeordneten Lichtströmen werden beispielsweise in Einrichtungen erforderlich, die
zur objektiven Ausrichtung eines an sich beliebigen Gerätes in die Richtung eines
Lichtbüschels oder in die Richtung der Achse eines eine Abbildung vermittelnden
Abbildungsstrahlenganges ausgerichtet werden sollen. So ist es z. B. bekannt, die
Ziellinie von Fernrohren geodätischer Winkelmeßinstrumente unter Anwendung lichtelektrischer
Hilfsmittel fotometrischer Natur in eine bestimmte Richtung dadurch auszurichten,
daß der von dem anzuvisierenden Objekt ausgehende Lichtstrom an zwei aufeinander
senkrecht stehenden Bildtrennungskanten in vier Teillichtströme zerlegt wird. Die
jeder Trennungskante zugeordneten Lichtströme werden lichtelektrisch fotometrisch
miteinander auf ihre Gleichheit hin verglichen, wobei die Anordnung so getroffen
ist, daß die Gleichheit dieser Lichtströme die Ausrichtung der Fernrohrziellinie
auf das anzuvisierende Objekt anzeigt.
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Die bekannten Einrichtungen dieser Art wurden bislang derart ausgebildet,
daß jeder Bildtrennungskante ein gesondertes Fotometer zugeordnet wurde, wobei bevorzugt
Fotometer Anwendung finden, die unter Einsatz eines einzigen lichtempfindlichen
Elements nach Art bekannter Wechsellichtfotometer ausgebildet wurden. Wenngleich
mit solchen Einrichtungen die Ausrichtung der Fernrohrziellinie auf das anzuvisierende
Objekt von Hand oder auch selbsttätig durch Servomotoren, die durch die fotometrischen
Vorrichtungen gesteuert die Drehachsen des Fernrohres verstellen, möglich war, so
zeigte sich doch, daß unterschiedliche Altemngserscheinungen an den beiden lichtelektrischen
Wandlern unter anderem zu unterschiedlichen Empfindlichkeiten der Fotometer Anlaß
gaben, was häufig die erwünschte Einstellung störte. Außerdem treten Unzulänglichkeiten
infolge des unterschiedlichen Verhaltens von Verstärkern oder anderen elektrischen
Bauteilen der Fotometer auf.
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Es war deshalb die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Einrichtungen
dieser und ähnlicher Ausbildung und Zweckbestimmung mit dem Ziel zu verbessern,
die Anwendung zweier gesonderter lichtempfindlicher Elemente und gegebenenfalls
die
Anwendung zweier gesonderter Verstärker entbehrlich zu machen.
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Der vorliegenden Erfindung entsprechend wird deshalb eine fotometrische
Einrichtung zum Vergleich von vier Lichtströmen, die paarweise zugeordnet und innerhalb
dieser Zuordnung miteinander zu vergleichen sind, unter Anwendung lichtelektrischer
Hilfsmittel zur Umwandlung der Lichtstrompaare in elektrische Wechselgrößen, bei
der jedes Lichtstrompaar durch eine Schaltvorrichtung einem lichtempfindlichen elektrischen
Wandler derart zugeführt ist, daß die beiden Lichtströme eines jeden Paares abwechselnd
nacheinander und periodisch auf den Wandler einwirken, und bei der ferner die am
Ausgang des jeden Lichtstrompaares zugeordneten Wandlers entstehende periodische
elektrische Wechselgröße neben einer elektrischen Bezugswechselgröße vorzugsweise
gleicher Frequenz einer elektrischen Vergleichsvorrichtung zum Vergleich der in
dem Paar enthaltenen Lichtströme zugeführt ist, vorgeschlagen, die sich dadurch
kennzeichnet, daß bei Anwendung einer Vergleichsvorrichtung, in der die einem Lichtstrompaar
entsprechende, am Wandlerausgang erzeugte elektrische Wechselgröße mit der dieser
Wechselgröße zugeordneten Bezugswechselgröße gemischt und durch Bildung des zeitlichen
Mittelwerts des Mischergebnisses die Unterschiede der in dem Lichtstrompaar enthaltenen
Lichtströme ermittelt werden, die vier Lichtströme einem einzigen lichtempfindlichen
Wandler
zugeführt sind, und dadurch, daß die Ausgangswechselgröße dieses Wandlers zwei unabhängigen
Mischvorrichtungen zugeführt ist, denen einzeln die dem jeweiligen Lichtstrompaar
zugeordnete Bezugsquellengröße zugeführt wird.
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Bei fotometrischen Einrichtungen nach der Erfindung ist der Vorzug
gegeben, daß sämtliche vier Lichtströme auf das gleiche lichtempfindliche Element
einwirken. Als Folge davon besteht die Möglichkeit, die Ausgangsgröße des lichtempfindlichen
Elements einem einzigen Verstärker zuzuführen, dem dann zwei Vergleichsvorrichtungen
zum Vergleich der in jedem Paar enthaltenen Lichtströme nachgeschaltet werden können.
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In den Figuren sind Ausführungsbeispiele von Einrichtungen nach der
Erfindung schematisch dargestellt. Die Erfindung soll an Hand der Fig. 1 ausführlich
erläutert werden. Die Figuren geben lediglich Anwendungsbeispiele bevorzugter Art
wieder.
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Die Anordnung nach Fig. 1 dient zur Ausrichtung der Ziellinie des
Femrohres von geodätischen Winkelmeßinstrumenten od. dgl. auf ein anzuvisierendes
Objekt. Das Fernrohr ist um zwei aufeinander senkrecht stehenden Achsen drehbar
gelagert, wobei die Verschwenkung der Fernrohrzielachse um jede der beiden Drehachsen
kontrolliert werden soll.
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In der Fig. 1 bezeichnet 1 ein dem Fernrohrobjektiv nachgeschaltetes
optisches abbildendes System, das das Bild des anzuvisierenden Objekts in eine Bildebene
2 transportiert. In der Bildebene 2 ist ein prismatischer, aus den beiden Prismen3
und 4 bestehender Körper angeordnet. Die einander berührenden Flächen der Prismen
3 und 4 sind zur Hälfte mit einem Spiegelbelag 5 versehen, dessen geradlinige Berandung
6 senkrecht zur Darstellungsebene der Figur verläuft. Der Rand 6 des Spiegels 5
dient als Bildtrennungskante. An dieser Kante wird der aus dem System 1 austretende
Lichtstrom in zwei Teillichtströme aufgeteilt, von denen der eine, A, durch den
unverspiegelten Teil der Diagonalfläche des prismatischen Körpers 3, 4 hindurchtritt,
während der andere, B, an der verspiegelten Fläche 5 reflektiert wird. Die Trennkante
6 ist derart orientiert, daß bei Gleichheit der LichtströmeA und B die Fernrohrziellinie
bei Drehung um die horizontale Geräteachse exakt auf das anzuvisierende Objekt ausgerichtet
ist.
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Im Abbildungsstrahlengang des Systems 1 ist ein teildurchlässiger
Spiegel 10 angeordnet, an dem z. B. die Hälfte des aus 1 austretenden Lichtstroms
reflektiert wird. Er wird dem bildaufteilenden Element 11, das gleichartig zur Anordnung
3, 4 aufgebaut ist und dessen Bildtrennungskante mit 12 bezeichnet ist, zugeführt
und dort in zwei Teillichtströme C und D zerlegt. Der Teillichtstrom C wird an der
Spiegelfläche 13 des Elements 11 reflektiert. Der Teillichtstrom D läuft durch dieses
Element hindurch.
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Die Trennkante 12 steht senkrecht auf der Trennkante 6, wodurch diese
die Verdrehung der Fernrohrziellinie um die erwähnte vertikale Drehachse kontrolliert.
Bei Gleichheit der Teillichtströme C und D ist die Fennrohrziellinie auch bezüglich
dieser Drehachse exakt auf das anzuvisierende Objekt ausgerichtet.
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Zum Vergleich der Lichtströme A und B bzw. der Lichtströme C und
D werden diese nach Art bekannter, nach dem Wechsellichtverfahren arbeitender fotometrischer
Einrichtungen über Lichtstromschalt-
vorrichtungen 20 und 21 abwechselnd nacheinander
und periodisch einem einzigen lichtempfindlichen Element, z. B. einer Fotozelle
22, zugeführt.
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Die Schaltvorrichtungen 20 und 21 bestehen im vorliegenden Ausführungsbeispiel
aus motorisch angetriebenen Drehblenden. Die Drehblenden werden durch den Motor
23 gedreht, wobei die Drehblende 21 über ein Getriebe 24 mit der Motorachse in Verbindung
steht. Die Achsen der Drehblenden treiben gleichzeitig Bezugswechselspannungsgeneratoren
25 und 26 an, die Bezugswechselgrößen erzeugen, die zum Vergleich der Lichtströme
A, B bzw. C, D benötigt werden.
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Die periodische Zuführung der Lichtströme A und B zum lichtelektrischen
Wandler 22 bewirkt am Ausgang des Wandlers 22 eine elektrische Wechselgröße, die
im folgenden mit x bezeichnet ist. Ihre Periodizität entspricht der Schaltperiodizität
der Vorrichtung20. Die am Ausgang des Wandlers 22 auftretende elektrische Wechselgröße,
die den Lichtströmen C und D entspricht und deren Periodizität der Schaltperiodizität
der Vorrichtung 21 entspricht. ist im folgenden mit y bezeichnet. Die Bezugswechselgrößen,
die von den Generatoren 25 und 26 erzeugt werden, sind mit xt und x. bezeichnet.
Ihre Periodizität ist vorzugsweise gleich der Periodizität der ihnen zugeordneten
Meßgrößen x und y gewählt.
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Die Ausgangswechselgröße des Wandlers 22 wird im Verstärker 30 verstärkt
und den Eingängen zweier Mischvorrichtungen 31 und 32 zugeführt, denen gleichzeitig
die Bezugswechselgrößen der Generatoren 25 bzw. 26 zugeführt sind. Bei den Mischvorrichtungen
31 und 32 kann es sich um multiplikativ oder anderweitig wirksame Mischvorrichtungen
handeln.
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Zweckmäßig wählt man zur Mischung der einander zugeordneten Wechselgrößen
einen Hallgenerator.
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Die dem Produkt der auf den Hallgenerator einwirkenden Wechselgrößen
entsprechenden Ausgangswechselgrößen werden Meßinstrumenten33 und 34 zugeführt.
Die Meßinstrumente bilden den zeitlichen Mittelwert der Mischprodukte, der bei entsprechender
Ausbildung der Einrichtung immer dann Null ist, wenn die entsprechenden Lichtströme
der beiden Paare gleich sind.
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Die Anordnung kann bei Einrichtungen nach der Erfindung so getroffen
werden, daß entweder die Schaltvorrichtungen 20 und 21 derart ausgebildet sind,
daß ihre Schaltperiodizitäten Periodizitäten der Wechselgrößen x und y bewirken,
die verschieden voneinander sind, oder aber es ist die Anordnung so getroffen, daß
beide Schaltvorrichtungen mit gleicher Schaltfrequenz arbeiten, wobei dann dafür
zu sorgen ist, daß die Wechselgrößen x und y eine Phasenverschiebung gegeneinander
aufweisen. Die Bezugswechselgrößen, die von den Generatoren 25 und 26 erzeugt sind,
weisen - wie bemerkt - eine Frequenz auf, die vorzugsweise gleich der Frequenz der
ihnen zugeordneten Meßwechselgrößen ist, wobei die Bezugswechselgrößen beispielsweise
gegenüber den ihnen zugeordneten Meßwechselgrößen eine Phasenverschiebung von 1800
aufweisen.
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Die Form der Meßwechselgrößen x und y hängt von der Ausbildung der
Schaltvorrichtung ab, so daß diese im allgemeinen Oberwellen ihrer Grundschwingung
enthalten. Über die Form der Bezugswechselgrößen kann weitgehend verfügt werden.
Es ist dabei zweckmäßig, daß sich die Bezugswechselgrößen lediglich aus ungeraden
Harmonischen der
ihnen zugeordneten Meßwechselgrößen zusammen setzen,
so daß bei Mischung beider Größen und zeitlicher Mittelwertbildung des Mischproduktes
die Gleichstromkomponente des Mischproduktes ein Maß für die Lichtstromdifferenz
der in den Meßwechselgrößen enthaltenen Lichtströme ist.
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Für den Fall, daß die beiden vorgesehenen Schaltvorrichtungen mit
unterschiedlicher Frequenz arbeiten, hat es sich als zweckmäßig erwiesen, die beiden
Frequenzen nahezu einander gleich, jedoch eindeutig verschieden voneinander zu wählen,
so daß das Verhältnis der beiden Frequenzen ungefähr gleich Eins ist.
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Es ist bei Einrichtungen nach der Erfindung nicht unbedingt erforderlich,
daß in den Mischvorrichtungen 31 und 32 die miteinander zu mischenden Wechselgrößen
multiplikativ gemischt werden. Sie können auch additiv miteinander kombiniert werden.
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Dieses ist z. B. unter Anwendung phasenempfindlicher, durch die Bezugswechselgrößen
gesteuerter Gleichrichteranordnungen möglich. Die multiplikative Mischung ist indessen
vorteilhaft, da bei Anwendung dieses Mischverfahrens, das - Fvie erwähnt - z. B.
unter Anwendung eines Hallgenerators möglich ist, die bei der additiven Mischung
vorhandenen Effektivanteile des Mischproduktes nicht auftreten, so daß mögliche
Fehler vermindert werden. Es sei noch darauf hingewiesen, daß der die Ausgangsgröße
des lichtelektrischen Wandlers verstärkende Verstärker zweckmäßig derart ausgebildet
ist, daß er an seiner Eingangsgröße möglichst wenig Verzerrungen verursacht.
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Es sei weiterhin bemerkt, daß es nicht erforderlich ist, daß die
von den Bezugswechselspannungsgeneratoren erzeugten Wechselgrößen x1 und x2 die
gleiche Grundfrequenz aufweisen wie die ihnen zugeordneten Meßwechselgrößen x und
y. Vielmehr können die einander zugeordneten Größen lediglich in einer Harmonischen
der Grundschwingung der Meßwechselgröße übereinstimmen.
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Mit der beschriebenen Anordnung nach Fig. 1 ist es also möglich,
durch Beobachten der Anzeigeinstrumente 33 und 34 die Ziellinie des der Vorrichtung
vorgeschalteten Kernrohres exakt auf ein anzuvisierendes Objekt auszurichten. Wie
bereits eingangs erwähnt, ist es dabei auch möglich, die Ausrichtung selbsttätig
unter Anwendung von mit den Geräte achsen gekuppelten Servomotoren durchzuführen,
wobei der Stellmotor jeder Achse durch die entsprechende, diese Achse kontrollierende
Ausgangsgröße der Vorrichtungen 31 und 32 gesteuert wird. Bei Anwendung dynamometrischer
Meßinstrumente als Anzeigeinstrumente erübrigt sich der Einsatz gesonderter Mischstufen,
da diese Instrumente, die auch als Wattmeter bezeichnet werden, sowohl eine selbsttätige
Multiplikation als auch eine Mittelwertbildung vornehmen.
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In der Anordnung nach Fig. 1 ist es noch zweckmäßig, die beiden Schaltvorrichtungen
20 und 21 durch eine einzige, von allen vier Lichtströmen gemeinsam beaufschlagte
Schaltvorrichtung zu ersetzen wobei die Ausbildung der Schaltvorrichtung dem gerade
verwendeten Meßverfahren anzupassen ist. Ein derartiges Vorgehen weist den Vorzug
auf, daß sowohl die Frequenz als auch die Phasendifferenz zwischen den beiden Meßwechselgrößen
stets streng durch die Antriebsmittel der Schaltvorrichtung vorgegeben sind, ohne
daß es einer besonderen Syn-
chronisierung etwa getrennt vorgesehener Antriebsmittel
bedarf.
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In der Fig. 2 ist ein Anwendungsbeispiel von Einrichtungen nach der
Erfindung wiedergegeben, das beispielsweise bei Theodoliten zur mikrometrischen
Ablesung der dort vorgesehenen Seiten- und Höhenkreisteilungen Anwendung finden
kann. Es bezeichnet 100 den Höhen-Seiten-Teilkreis des Theodolitkernrohres und 200
den Seitenteilkreis. Durch optische abbildende Systeme wird das Bild der Ablesestellen
beider Teilkreise in die Ebene der Bildtrennungskante zweier bildaufteilender optischer
Elemente 101 und 102 abgebildet, die analog den entsprechenden Vorrichtungen nach
Fig. 1 ausgebildet sind. Die Abbildungsstrahlengänge, die von den Teilkreisen ausgehen,
durchsetzen drehbar gelagerte Planglasplatten 103 und 104, die nach Art bekannter
Mikrometereinrichtungen eine Parallelverschiebung der in die Ebene der Bildtrennungskante
gelangenden Bilder der Ablesestellen beider Teilkreise meßbar zulassen. Zur Interpolation
der Teilkreisablesungen werden die Planglasplatten 103 und 104 in ihren Abbildungsstrahlengängen
meßbar verschwenkt, und zwar so lange, bis das Bild des jeweils interessierenden
Teilstrichs der beiden Kreisteilungen durch die Bildtrennungskante zur Hälfte geteilt
wird. In diesem Falle sind die Lichtströme, die an den beiden bildaufteilenden Elementen
erzeugt werden, einander gleich. Die Gleichheit dieser Lichtströme wird mit Mitteln
entsprechend der Anordnung nach Fig. 1 nachgewiesen.
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Selbstverständlich ist es auch denkbar, die Wirkungen der Einrichtungen
nach Fig. 1 und 2 miteinander zu kombinieren, so daß mit der Anordnung nach Fig.
2 mit dem einen Lichtstrompaar die Pointierung des Fernrohres nach einer interessierenden
Koordinate und mit dem anderen Lichtstrompaar die Ablesung der dazugehörigen Kreisteilung
durchgeführt wird.
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Die Anwendung von Einrichtungen nach der Erfindung ist auchbeifotometrischenEinrichtungen,
die zur Regelung des Konzentrationsverhältnisses von Flüssigkeiten, zu Analysezwecken
od. dgl. benutzt werden, denkbar, wobei als Mischvorrichtungen neben den erwähnten
Einrichtungen auch Zweiphaseninduktionsmotoren oder andere motorische Elemente eingesetzt
werden können.