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Gerät zur Untersuchung von flächenhaften Proben auf optisch erkennbare
Abweichungen Die Erfindung betrifft ein Gerät zur Untersuchung von flächenhaften
Proben auf optisch erkennbare Abweichungen sowohl hinsichtlich der Zahl der Abweichungen
als auch der von den Abweichungen insgesamt überdeckten Fläche.
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Das Problem der Untersuchung von Proben auf optisch erkennbare Abweichungen
(Teilchen) ist für verschiedene Gebiete von Bedeutung, z. B. bei der Bestimmung
der Zahl der Blutkörperchen oder bei Güteprüfungen von Papier und ähnlichen Stoffen.
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Meist handelt es sich dabei um die Auswertung einer zweidimensionalen
Probe, die aus dem zu untersuchenden Stoff hergestellt wird.
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Die Auszählung der Teilchen kann visuell, gegebenenfalls unter dem
Mikroskop, durchgeführt werden. Die visuelle Auszählung durch den Menschen ist häufig
für eine objektive Beurteilung ungeeignet, da die Meßergebnisse von der unterschiedlichen
Beurteilung durch die einzelnen Beobachter abhängen.
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Auch der zeitliche Aufwand wird dabei sehr groß.
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Zur Vermeidung der vorstehenden Nachteile sind Methoden bekanntgeworden,
um die Auszählung maschinell, insbesondere elektronisch, durchführen zu können.
Bei allen diesen Methoden wird die Probe, das Meßpräparat, von einem Lichtbündel
in Verbindung mit einer photoelektrischen Empfangsanordnung zeilenweise abgetastet.
In der Mehrzahl erfolgt die Abtastung punktförmig. Es ist dabei bekannt, die Probe
auf eine Trommel aufzuspannen, die mit axialem Vorschub vor einer Photozelle rotiert.
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Das Lichtbündel kann elektronisch oder mechanisch über die Probe
bewegt werden. Der Vorteil der elektronischen Abtastung liegt in der sehr hohen
Abtastgeschwindigkeit. Das mit den gebräuchlichen Bildröhren bei großen Probeflächen
zu erzielende Auflösungsvermögen ist jedoch für manche praktischen Fälle, z. B.
für Qualitätsuntersuchungen an Papieren, nicht ausreichend. Bei dem erfindungsgemäßen
Gerät wird daher die mechanische Abtastung angewendet, zumal eine extrem kurze Meßzeit
in vielen Fällen ohne Bedeutung ist.
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Die Auswertung eines zu messenden Präparates (Probe) kann unter verschiedenen
Gesichtspunkten erfolgen. Von besonderer Bedeutung ist dabei eine Größenanalyse
der Teilchen, an der man die Größenverteilung, d. h. die funktionelle Abhängigkeit
der Teilchenzahl von der Fläche der Teilchen, ermitteln kann. Es ist bisher kein
Gerät bekanntgeworden, das die exakte Größenanalyse bei beliebigen Teilchenformen
und -größen gestattet. Obwohl das Problem bei Anwendung moderner Rechenautomaten
durch-
aus lösbar ist, wird der dafür notwendige technische Aufwand sehr groß.
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Für viele Zwecke genügt es, die Anzahl der Teilchen bei nahezu beliebiger
Form und Größe sowie die von ihnen insgesamt bedeckte Fläche, die sogenannte Fleckfläche,
zu kennen. Bereits aus diesen Ergebnissen, die sich in vorteilhafter Weise mit relativ
unerheblichem Aufwand gewinnen lassen, können weitgehende Schlüsse bezüglich der
Probe gezogen werden.
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Die Erfindung bezieht sich deshalb auf ein Gerät, das sowohl die
Anzahl der Teilchen als auch die Fleckfläche ermitteln soll.
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Prinzipien, die die Anzahl der Teilchen ermitteln, sind bekannt.
Wird ein Teilchen abgetastet, so entsteht ein Signal an der Photozelle, aus dem
der Zählimpuls abgeleitet wird. Das Problem liegt bei dieser Auswertungsart in der
Vermeidung der Mehrfachzählung von Teilchen, die sich über mehrere Abtastzeilen
erstrecken. Zur Feststellung, ob die Lichtstrahlunterbrechungen in aufeinanderfolgenden
Abtastzeilen vom selben oder von verschiedenen Teilchen herrühren, benutzen bekannte
Geräte das sogenannte »Überlappungskriterium«. Nach diesem Kriterium sind zwei Unterbrechungen
in aufeinanderfolgenden Abtastzeilen ein und demselben Fleck zuzuschreiben, wenn
diese Unterbrechungen einander überlappen. Die Mehrfachzählung läßt sich somit durch
elektronische Auswertung dieser Koinzidenzbedingungen vermeiden. Es ist dazu eine
Speichereinrichtung bzw. eine Verzögerungseinrichtung für die durch die Abtastung
erhaltenen Signale erforderlich. Der Speicher braucht dabei jeweils die Signalunterbrechungen
nur für die Dauer einer einzelnen Zeilenabtastperiode zu speichern (Zeilenspeicher);
gleichzeitig mit der Abtastung einer Zeile und deren Speicherung muß die Aufzeichnung
der vorhergehenden Zeile gelesen werden. Tritt eine Signalunterbrechung auf und
wird gleichzeitig eine gespeicherte
Unterbrechung der vorhergehenden
Zeile gelesen, so wird die Abgabe eines Zählimpulses verhindert. Nur ein Teilchen,
das erstmalig vom Lichtpunkt getroffen wird, liefert somit ein Abtastsignal, das
nicht mit einem aus dem Speicher stammenden Signal assoziiert ist. Davon wird Gebrauch
gemacht, um für jedes Teilchen einen besonderen Zählimpuls entstehen zu lassen.
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Es ist ersichtlich, daß bezüglich der technischen Realisierung des
Überlappungskriteriums dem Zeilenspeicher bzw. seiner Synchronisierung mit der Abtastbewegung
eine wesentliche Bedeutung beikommt.
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Wegen der unter Umständen recht schmalen Unterbrechungen bzw. der
kurzen Signaldauer sind insbesondere an die Synchronisierung sehr strenge Anforderungen
zu stellen. Man hatte zunächst daran gedacht, übliche Speicher, wie magnetische
Trommelspeicher, Magnetbandspeicher usw., als Zeilenspeicher bei einer ebenen Abtastung
zu verwenden.
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Dabei bereitete offenbar die Synchronisation so große Schwierigkeiten,
daß bisher in der Praxis nicht diese einfachen üblichen Speicher, sondern in nachteiliger
Weise komplizierte akustische Verzögerungsleitungen, insbesondere Quecksilber-Verzögerungsleitungen,
als Zeilenspeicher verwendet worden sind, die die Signale der Photoempfangseinrichtung
um eine Abtastperiode verzögern. Obige Verzögerungsleitungen, die sehr genau arbeiten
müssen, bedeuten insbesondere bei kleinen Geräten einen im allgemeinen nicht tragbaren
Aufwand.
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Trotz mannigfaltiger Vorschläge konnte eine befriedigende praktische
technische Realisierung des Überlappungskriteriums, insbesondere für die mechanische
Abtastung, bisher noch nicht gefunden werden.
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Der Erfindung liegt daher im wesentlichen die Aufgabe zugrunde, für
eine mechanische Abtastung des Uberlappungskriteriums auf technisch einfache Weise,
d. h. mit einem einfachen Zeilenspeicher, zu realisieren mit exakter Synchronisierung
zwischen Abtastbewegung und Betätigung des Zeilenspeichers.
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Die Lösung dieser Aufgabe gelingt für eine Einrichtung zur Untersuchung
von flächenhaften Proben auf optisch erkennbare Abweichungen hinsichtlich der Zahl
der Abweichungen, bei der die Probe mechanisch zeilenweise und punktförmig abgetastet
wird und Doppelzählungen elektronisch unter Anwendung des »Überlappungskriteriums«
sowie eines magnetischen Speichers nach Art eines Trommelspeichers als Zeilenspeicher
vermieden werden, gemäß der Erfindung dadurch, daß die zumindest teilweise ausgeleuchtete
Probe in an sich bekannter Weise auf einer Trommel (Abtasttrommel) aufgespannt ist,
die mit axialem Vorschub vor einer photoelektrischen Empfangsanordnung rotiert und
mit der zur Gewährleistung einer exakten Synchronisierung der magnetische Zeilenspeicher
in Drehrichtung starr verbunden ist.
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Durch die erfindungsgemäße Kombination der rotierenden Abtastung
mit der Bewegung des Zeilenspeichers sind mit Vorteil Schwierigkeiten bezüglich
der Synchronisierung nicht vorhanden. Wegen der starren Kopplung liegt eine exakte
Synchronisierung vor.
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Es ist somit durch die erfindungsgemäße Maßnahme im Gegensatz zur
bekannten Auffassung mit Vorteil möglich, für die mechanische Abtastung einen einfachen
Zeilenspeicher, einen rotierenden magne-
tischen Speicher nach Art eines Trommelspeichers,
ohne Nachteile bezüglich der Synchronisierung anzuwenden. Im folgenden wird der
Einfachheit halber lediglich von einem magnetischen Trommelspeicher gesprochen.
Unter diesem Begriff sollen natürlich auch äquivalente Speicherformen, z. B. ein
magnetischer Plattenspeicher od. dgl. verstanden werden.
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Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht, wie bereits eingangs erläutert,
darin, neben der Zahl der Abweichungen auch die von den Abweichungen insgesamt überdeckte
Fläche (Fleckfläche) zu messen.
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Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist zu diesem Zweck zusätzlich
auf dem Trommelspeicher eine magnetische Spur aufgebracht, die mit Taktimpulsen
besprochen ist und der ein Wiedergabekopf zugeordnet ist, der mit einem Eingang
einer UND-Stufe in Verbindung steht, deren zweiter Eingang von der photoelektrischen
Empfangsanordnung ausgesteuert wird, wodurch jeweils für die Dauer der Abtastung
einer Abweichung Taktimpulse in einen Zähler eingezählt werden (digitale Ausmessung
der Fläche).
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Der Trommelspeicher hat somit eine doppelte Funktion. Er dient einmal
als Zeilenspeicher zur Vermeidung von Doppelzählungen und zum anderen als Speicher
für die Taktspur (Elementarfläche) bei der Fleckflächenmessung.
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Ein Gerät, das gleichzeitig die Anzahl der Abweichungen und die Fleckfläche
exakt ermittelt, ist noch nicht bekannt.
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Die digitale Messung der Fleckfläche ist an sich bekannt. Bei der
bekannten Anordnung ist die photoelektrische Empfangsanordnung in einer wechselstromgespeisten
Brücke angeordnet, die beim Abtasten der fehlerfreien Probe abgeglichen ist. Wird
jedoch eine Abweichung in der Probe, z. B. ein dunkler Fleck, abgetastet, so wird
die Brücke für die Dauer des Dunkelimpulses verstimmt. Die durch einen Zähler erfaßte
Anzahl der Perioden der Wechselspannung in der Brückendiagonale ist somit jeweils
ein Maß für die abgetastete Fläche. Bei dieser bekannten Methode muß in nachteiliger
Weise eine Vergleichsfläche vorgesehen werden, die ebenfalls beleuchtet wird und
deren reflektiertes Licht von einer zweiten Photozelle aufgefangen wird, die in
der Brückenschaltung angeordnet ist. Abgesehen von dem erhöhten Aufwand bereitet
obige Anordnung in nachteiliger Weise Schwierigkeiten bezüglich der Abstimmung der
Vergleichsfläche mit der Meßprobe bzw. dem Abgleich der Brücke (Oberwellen).
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In einigen Anwendungsfällen enthalten die Meßproben Teilchen mit
unterschiedlichem Schwärzungsgrad (Grauwert). Die Meßergebnisse hängen dann von
der Bewertung der Schwärzung ab. Verfahren, die nur ein photographisches Bild der
Meßprobe auswerten, haben die Schwierigkeit, daß die unterschiedliche Entwicklung
der Photographie die Schwärzungsverteilung der Teilchen beeinflußt.
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Zur Auswertung der Probe als Funktion der Schwärzung der Teilchen
ist bei der Einrichtung nach der Erfindung hinter die photoelektrische Empfangsanordnung
ein Schwellwertglied mit vorzugsweise einstellbarer Schwelle geschaltet.
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Eine derartige Auswertung ist an sich bekannt.
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Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung
ergeben sich an Hand der Beschreibung eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispieles
der Erfindung. Es zeigt
F i g. 1 eine Gesamtanordnung des erfindungsgemäßen
Gerätes in schematischer Darstellung, Fig. 2 a den Teil des Gerätes, der zur Messung
der Fleckanzahl dient, Fig. 2 b das zur F i g. 2 a gehörige Impulsbild, F i g. 3
a den Teil des Gerätes, der zur Messung der Fleckfläche dient, F i g. 3 b das zur
F i g. 3 a gehörige Impulsbild.
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Der Aufbau des erfindungsgemäßen Gerätes ist im Prinzip der Fig.
1 zu entnehmen. Ein viereckiges Probeblatt, das beispielsweise auf Flecken untersucht
werden soll, wird mit Hilfe einer Haltespange H auf einen zylindrischen Glaskörper
G aufgespannt, der mit axialem Vorschub vor der Photozelle F rotiert. Auf diese
Weise ist die zeilenförmige Abtastung des Meßpräparates möglich. Grundsätzlich ist
es zur Erreichung dieses Zieles auch möglich, den Glaszylinder nur rotieren zu lassen
und die Photozelle bzw. die Lichtquelle relativ zum Zylinder axial zu verschieben.
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Die Probe kann mittels der Lichtquelle Q,, der Linse L1 und des Spiegels
Sp im durchfallenden sowie mittels der Lichtquelle Q2, der Linse L2 bzw. der Linse
L3 im auffallenden Licht geprüft werden.
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Die Öffnung der vor der Photozelle F angeordneten Blende B bestimmt
dabei die Größe des jeweils beobachteten Flächenelementes.
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Das Auflösungsvermögen der Anlage erlaubt bei einem Vorschub der
Glastrommel von 0,1 mm/Umdrehung und einer quadratischen Abtastblende B von 0,1
0,1 mm die Beobachtung einer kleinsten Fläche von 0,01 mm2. Die Abtastzeit beträgt
für die Auszählung eines Probeblattes von A = 15 15 cm (= 2,25 106 Flächenelemente)
etwa 120 Sekunden.
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Mit dem GlaszylinderG, der Abtasttrommel, ist gemäß der Erfindung
ein magnetischer Trommelspeicher in Drehrichtung starr gekuppelt. Der Trommelspeicher
dient bei der Messung der Fleckanzahl als Zeilenspeicher und bei der Messung der
Fleckfläche als Speicher für die Taktspur. Im dargestellten Ausführungsbeispiel
sind an dem Trommelspeicher zwei kombinierte Aufsprech-Wiedergabeköpfe M2, M3 und
ein WiedergabekopfM, angebracht, deren Bedeutung und Funktion an Hand der F i g.
2 a bis 3 b noch erläutert wird.
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Zur elektronischen Auswertung der Signale der Photozelle F und der
Magnettrommel T dient die Stufe A, die später noch ausführlich beschrieben wird.
Zwischen die Photozelle F und die Stufe A ist dabei noch ein Verstärker V und ein
Schwellwertglied SG mit in ihrer Größe variabel einstellbarer Schwelle S geschaltet,
die eine Auswertung der Probe als Funktion des Grauwertes der Flecken erlaubt.
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Der Stufe A ist ein Zähler Z nachgeschaltet, der je nach Einstellung
in der Stufe A die Fleckanzahl oder die Fleckfläche anzeigt. Grundsätzlich wäre
es möglich, zwei Zähler vorzusehen und so mit der Stufe A zu verbinden, daß die
Fleckanzahl durch den Zählstand des einen Zählers und die Fleckfläche durch den
Zählstand des anderen Zählers angezeigt werden kann.
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Die F i g. 2 a zeigt in schematischer Darstellung die Teile des Gerätes,
die zur Messung der Fleckanzahl dienen. Die Photozelle F, der Verstärker V,, das
Schwellwertglied SG, der Zähler Z, die als Zeilenspeicher dienende, eine Mehrfachzählung
nach dem Überlappungskriterium vermeidende Trommel T und
die elektronische Auswertestufe
wurden bereits bei der Beschreibung der F i g. 1 erwähnt, ebenso wie die kombinierten
Aufsprech-Wiedergabeköpfe M2, M3.
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Im Ausführungsbeispiel nach F i g. 2 a sind zur lückenlosen Speicherung
jeder Abtastzeile auf dem Trommelspeicher T zwei magnetische Spuren aufgebracht,
denen jeweils ein Kopf M2, Ms zugeordnet ist. Die Köpfe sind über gekoppelte SchalterS,,
Sl mit dem Verstärker V2 und dem Schwellwertglied SG verbunden. Die Schalter werden
nach jeder Zeile jeweils beim Abtasten der Haltespange (F i g. 1), beispielsweise
durch eine zusätzliche, nicht dargestellte Abtastspur auf der Magnetrommel T umgeschaltet.
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In der gezeichneten Stellung schreibt der Kopfs, die Aufzeichnungen
der gerade abgetasteten Zeile, während der Kopf M2 die in der zweiten Spur gespeicherten
Signale liest, die über den Verstärker V2 in der Auswertestufe A mit den gerade
abgetasteten Signalen verglichen werden. Die Anordnung ist also so getroffen, daß
jeweils, während der eine Kopf die Information der Photozelle aufschreibt, der andere
Kopf die Aufzeichnungen der vorhergehenden Zeile liest.
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Die Vermeidung der Doppelzählung durch die Anordnung nach F i g.
2 a geht aus dem Impulsbild nach F i g. 2 b hervor. Dieses Impulsbild zeigt in der
ersten Reihe einen Fleck, der sich über zwei Abtastzeilen erstreckt. In der linken
Spalte sind die Signale der ersten Abtastzeile, in der rechten Spalte die Signale
der zweiten Abtastzeile aufgezeichnet.
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Es soll zunächst die linke Spalte beschrieben werden. Beim Abtasten
des Flecks in der ersten Abtastzeile entsteht an B (Ausgang des Schwellwertgliedes
SG) ein Schwellwertimpuls, wie er in der zweiten Reihe dargestellt ist. Dieser Impuls
wird in der Stufe A differenziert (Reihe 3). Der positive Impuls öffnet eine in
der Stufe A angeordnete Torstufe (Reihe 4). Aus dem negativen Impuls wird einmal
der Fleck-Zählimpuls abgeleitet (Reihe 5), zum anderen durch Verzögerung ein Impuls
zum Schließen (Sperren) der Torstufe gewonnen (Reihe 6). Die Reihe 7 ist den Signalen
zugeordnet, die vom Trommelspeicher über den Verstärker V2 die Torstufe in der Auswertung
A im sperrenden Sinne beeinflussen.
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Da der Fleck zum ersten Mal abgetastet wird, findet sich an der entsprechenden
Stelle im Speicher keine Information, so daß die Torstufe entsprechend der der Reihe
8 geöffnet ist und der Zählimpuls (Reihe 9) an den Zähler Z abgegeben wird.
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Während der Abtastung der ersten Zeile ist jedoch der Schwellimpuls
der Reihe 2 gespeichert worden, z. B. mittels des Kopfes, (Fi i g. 2 a). Wegen des
Synchronismus zwischen Abtastbewegung und Speicherbewegung steht diese Information
gerade dann wieder zur Verfügung, wenn der betreffende Fleck in der zweiten Zeile
wieder abgetastet wird (Reihe 7, Spalte2), wobei die Signale des Kopfes3 wegen der
zwischenzeitlich am Ende der ersten Abtastzeile erfolgten Umschaltung der Schalter
S,, S2 über den Verstärker V2 die Torstufe der Auswertung A beeinflussen.
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Bei der zweiten Abtastung (rechte Spalte) entsteht zunächst wieder
ein Schwellimpuls (Reihe 2), der differenziert wird (Reihe 3) und dessen positiver
Impuls die Torstufe öffnet (Reihe 4). Der negative Impuls (Reihe 5) und der daraus
abgeleitete Torschließimpuls (Reihe 6) kommen jedoch nicht zur Auswirkung, da vorher,
wie die Reihe 7 zeigt, der Speicherinhalt
der ersten Abtastzeile
die Torstufe schließt. Die Torstufe ist somit, wie in der Reihe 8 dargestellt, nur
kurzzeitig offen, so daß die Abgabe eines Zählimpulses (Reihe 9) auf Grund der negativen
Flanke des Schwellenimpulses (Reihe 5) unterbleibt.
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Es wird also bei der Abtastung einer jeden Zeile die entsprechende
Information der vorhergehenden Zeile gelesen. Liegt eine »Überlappung« der Signale
vor, wird kein Zählimpuls gegeben. Nur wenn der Fleck zum ersten Mal von der Photozelle
erkannt wird, liefert er ein Signal, was nicht mit der Speicherinformation assoziiert
ist. Dieses Signal kann für die Zählung des Fleckes verwendet werden.
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An Stelle der in F i g. 2 a dargestellten zwei Spuren auf dem Trommelspeicher
und den beiden kombinierten Aufsprech-Wiedergabeköpfen ist auch eine elektronisch
einfachere Anordnung denkbar, bei der der Trommelspeicher mechanisch untersetzt
an die Abtasttrommel angekoppelt ist. Es besteht hierbei die Möglichkeit, auf einer
einzigen Spur einen mit dem Ausgang vom Schwellwertglied verbundenen Aufsprech-
und einen mit der Auswertung verbundenen Wiedergabekopf um den Weg einer Abtastumdrehung
(Zeile) versetzt anzuordnen.
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In Fig.3a sind die Elemente zur Messung der Fleckfläche dargestellt.
Die ElementeF, V, SG, Z, V2 und T sind bereits im Zusammenhang mit den F i g. 1
und 2 a erläutert worden. Zusätzlich ist ein UND-Gatter U dargestellt, das Bestandteil
der elektronischen Auswertung A nach F i g. 1 ist. Auf dem Trommelspeicher T ist
weiterhin eine dritte Spur aufgebracht, die mit Taktimpulsen besprochen ist.
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Die Taktimpulse können mittels eines Wiedergabekopfes, abgenommen
und an einen Eingang der UND-Stufe geschaltet werden. Wie man auch aus dem Impulsbild
nach F i g. 3 b erkennt, werden in den Zähler jeweils für die Dauer der Unterschreitung
der Schwelle S Taktimpulse in den Zähler eingezählt, weil jeweils dann die UND-Bedingung
erfüllt ist. Die besonders starken Dunkelimpulse in der ersten Reihe der F i g.
3 b, die vom Abtasten der Haltespangen herrühren, werden dabei durch bekannte Einrichtungen
ausgetastet.
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Zur Messung der Fleckfläche wird also der Mittelwert der Schwärzung
innerhalb einander gleicher quadratischer Elementarflächen (0,01 mm2) gebildet.
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Es werden diejenigen Flächenelemente registriert, deren Mittelwert
die gewählte Schwelle S unterschreitet. Die vom Zähler Z erfaßte Meßzahl ist, multipliziert
mit der Elementarflächeneinheit, ein Maß für die mit Teilchen belegte Fläche. Die
Taktspur ermöglicht dabei die Unterteilung der Abtastbahn in Elementarflächen.
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Die Anwendungen für das erfindungsgemäße Gerät sind sehr vielseitig.
Es kann ganz allgemein bei der Auswertung von dispersen Systemen und Materialoberflächen
angewendet werden.
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Zunächst möchten wir auf Qualitätsuntersuchungen von Papieren oder
ähnlichen Stoffen hinweisen.
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Weitere Anwendungsgebiete sind die Untersuchung von Blutbildern hinsichtlich
der Zahl der Blutkörperchen, die Auswertung von Sternaufnahmen (Astronomie), die
Untersuchung von Zerstäubungsvorgängen von Brennstoff, das Auszählen von Bakterienkulturen,
die Auswertung von Staubproben, insbesondere für Bergwerksbetriebe, die Untersuchung
der Emulsion von Filmen (wegen der Emp-
findlichkeit der Filme, die von der Korngröße
abhängt), die Untersuchung der Schokoladenmasse in der Schokoladenindustrie (Kakaoverteilung),
die Auswertung von Schliffbildern und Stahlproben in der Metallurgie usw.