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Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Anzeige des Durchganges
eines Gegenstandes durch eine Öffnung mit zwei ebenen, über die Öffnung hinweg einander
gegenüberstehenden, in einander parallelen Ebenen rechtwinkelig zur Ebene der Öffnung
ange ordneten Reflektoren, mit einer Vorrichtung zur Aussendung eines Lichtstrahles
in der Ebene der Öffnung unter einem Winkel zu den Reflektoren, der wenigstens so
groß ist wie derjenige Winkel, dessen Tangens gleich dem zweifachen Abstand der
Reflektoren geteilt durch die Breite des Lichtstrahls ist, mit einer foto elektrischen
Anzeigevorrichtung, auf die der Lichtstrahl trifft, nachdem er praktisch die ganze
Öffnung durch aufeinanderfolgende Reflektionen an den Reflektoren überstrichen hat
und die ein elektrisches Ausgangssignal abgibt, wenn sich ein Gegenstand in der
Ebene der Öffnung befindet.
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Einrichtungen dieser Art sind bekannt (USA.-Patentschriften 1727
930 und 2202060). Bei den bekannten Einrichtungen handelt es sich jedoch um Alarmsysteme,
die einzig und allein die Aufgabe haben, Alarm auszulösen, wenn eine mit einer Lichtschranke
versehene Öffnung durchquert wird. Wird der Lichtstrahl der Lichtschranke unterbrochen,
so löst eine mit dem Lichtdetektor verbundene Anzeigevorrichtung die Alarmanlage
aus. Bei den bekannten Einrichtungen ist es uninteressant, ob die Lichtschranke
durch ein und denselben Gegenstand oder durch die gleiche Person mehrmals unterbrochen
wird oder durch verschiedene Gegenstände oder Personen; es kommt lediglich darauf
an, daß die Lichtschranke überhaupt durchbrochen wird.
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Derartige Einrichtungen sind jedoch zur Anzeige des Durchganges von
zu registrierenden Gegenständen durch eine Öffnung ungeeignet. Zur Lösung dieser
Aufgabe bestehen zwei Probleme: Zunächst einmal muß sichergestellt werden, daß jedes
Objekt angezeigt wird, wenn es die Öffnung durchquert, und dann darf jedes durch
die Öffnung tretende Objekt nur einmal gezählt werden, unabhängig davon, welche
Größe oder Form es hat, und unabhängig davon, ob sogleich ein anderes Objekt folgt
oder nicht. Diese Probleme können mit den bekannten Einrichtungen nicht zufriedenstellend
gelöst werden. Die bekannten Einrichtungen, die empfindlich genug sind, um sehr
kleine Objekte anzuzeigen, neigen zu Doppelzählungen, d. h., ein Gegenstand liefert
zwei oder mehr Zählimpulse.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Einrichtung zur Anzeige des Durchganges
von Gegenständen durch eine Öffnung so auszubilden, daß eine sichere Anzeige unter
Vermeidung von Doppelzählungen gewährleistet ist, unabhängig von Größe, Form und
Folgegeschwindigkeit der einzelnen Objekte.
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Die Aufgabe ist gelöst durch wenigstens eine Differentiations- und
Verstärkerstufe, die das von der fotoelektrischen Anzeigevorrichtung abgegebene
elektrische Ausgangssignal differenziert und verstärkt, durch eine Glättungsschaltung
zur Glättung des differenzierten und verstärkten Signals derart, daß nur derjenige
Anteil des differenzierten und verstärkten Signals, der dem Ende des Durchgangs
des Gegenstandes durch die Öffnung entspricht, wenn der Gegenstand die Ebene der
Öffnung verläßt, einen Schwellwert erreicht und durch eine Auslöseschaltung, die,
von dem geglätteten Signal gesteuert, betätigt wird, wenn das geglättete Signal
einen Schwellwert erreicht.
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Durch die erfindungsgemäße Ausbildung der Einrichtung wird erreicht,
daß auch sehr kleine Objekte angezeigt und gezählt werden, wenn sie ungeordnet durch
die Öffnung fallen. Das liegt daran, daß jeweils ein einziger Ausgangsimpuls erzeugt
wird, wie auch immer die Größe oder Form des jeweiligen Objektes ist. Dieser Ausgangsimpuls
wird nur dann erzeugt, wenn der Ausgangsimpuls der Fotozelle auf seinen Nullwert
zurückkehrt, wenn also das zu zählende Objekt die Öffnung verläßt.
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Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung an Hand der Figuren.
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F i g. 1 zeigt eine Samenzählvorrichtung im Aufriß; F i g. 2 zeigt
eine Draufsicht der Anzeigevorrichtung des in F i g. 1 dargestellten Geräts, dessen
Dekkel entfernt ist; F i g. 3 zeigt ein Schaltdiagramm der Anzeigevorrichtung nach
F i g. 2; F i g. 4 zeigt Schwingungsformen des Schaltkreises der Anzeigevorrichtung
nach F i g. 2.
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Ein Zuführungsgefäß 11 führt Samen durch eine Schüttrinne 12 in einen
Behälter 13. Die Wände der Zuführungsrinne 12 sind in der Nähe ihres oberen Endes
durch die Seiten einer Öffnung 14 in einer Anzeigevorrichtung 15 gebildet.
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Die Anzeigevorrichtung 15 hat eine rhombusförmige Öffnung 14 mit
einer Seitenlänge von etwa 5 cm. Zwei einander gegenüberliegende Seiten des Rhombus
sind von parallelen, ebenen Spiegeln 16, 17 gebildet, deren aluminisierte, reflektierende
Oberflächen einander in der Öffnung 14 gegenüberstehen.
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Die anderen Seiten des Rhombus sind durch undurchsichtige Oberflächen
18 gebildet. Hinter dem einen Spiegel 16 befindet sich eine Lampe 19 mit einem geradlinig
verlaufenden Glühfaden 21, eine planzylindrische Linse 22 und ein zylindrischer
Spiegel 23. Der Glühfaden 21 verläuft parallel zu der Ebene der Öffnung4, und die
Linse22 und der Spiegel 23 sind in einer Geraden angeordnet, die senkrecht auf den
undurchsichtigen Seiten 18 der Öffnung steht. Die Achse des zylindrischen Spiegels
23 verläuft parallel zur Ebene der Öffnung und ist um 450 zu den undurchsichtigen
Seiten 18 geneigt.
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Hinter dem anderen Spiegel 17 befindet sich ein zweiter zylindrischer
Spiegel 24 diametral gegenüber dem ersten Spiegel 23; die Achsen der beiden zylindrischen
Spiegel sind gekreuzt. Ein Linsensystem 25 und ein Fototransistor26 sind längs des
von dem Spiegel 24 reflektierten Strahles angeordnet. Die ebenen Spiegel 16, 17
weisen klare, durchlässige Teile 27 von etwa 1 cm Breite angrenzend an die zylindrischen
Spiegel auf.
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Das von der Lampe 19 kommende Licht wird durch die Linse 22 und den
zylindrischen Spiegel 23 annähernd parallel gerichtet und verläuft durch den klaren
Teil 27 des ebenen Spiegels 16 parallel zu den undurchsichtigen Seiten 18. Die Strahlenbreite
und die Divergenz werden durch die Breiten und die Anordnungen des klaren Teils
27 und des zylindrischen Spiegels 23 kontrolliert. Der Strahl wird an dem zweiten
ebenen Spiegel 17 zu dem ersten Spiegel 16 zurückgeworfen. Wenn der Strahl den ersten
Spiegel 16 erreicht, nachdem er über die Öffnung 14 und wieder zurückgelaufen ist,
ist er von seiner ursprünglichen Lage an dem Spiegel 16 um eine Strahlenbreite versetzt
infolge der Neigung der ebenen Spiegel 16, 17
zu den undurchsichtigen
Seiten 18. Nach wiederholten Reflexionen an den ebenen Spiegeln 16, 17 tritt der
Strahl durch den klaren Teil 27 des zweiten ebenen Spiegels 17 hindurch und trifft
auf den zweiten zylindrischen Spiegel 24, wird dort reflektiert und konvergiert
zu dem Fototransistor 26.
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Die Formgebung des Rhombus, derart, daß die Verschiebung des Strahls
zwischen aufeinanderfolgenden Reflexionen von einem Spiegel einer Strahlenbreite
entspricht, stellt sicher, daß jeder Punkt in der Öffnung von dem Strahl zwischen
seiner ersten Reflexion an dem zweiten Spiegel 17 und seiner letzten Reflexion an
dem ersten Spiegel 16 zweimal überstrichen wird. Der Winkel des Rhombus muß, um
diese Bedingung zu erfüllen, gleich demjenigen Winkel sein, dessen Tangens gleich
dem zweifachen Abstand der Reflektoren geteilt durch die Breite des Lichtstrahls
ist. Würden die Winkel des Rhombus sich mehr einem rechten Winkel nähern als dem
durch die obengenannte Bedingung angegebenen Winkel, dann würde der Strahl Punkte
innerhalb der Öffnung mehr als zweimal bedecken. Die Öffnung außerhalb des Flächenbereiches,
der von dem Strahl mindestens zweimal bedeckt wird, kann abgeschlossen werden, um
die Samen dazu zu zwingen, innerhalb des Flächenbereiches hindurchzulaufen.
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Der Strahl ist durch die Linse und den Spiegel nicht vollständig
parallel gerichtet, sondern weist eine geringe Divergenz (bis zu 30) auf. Diese
Divergenz ermöglicht, daß der Strahl die Öffnung überquert und den Fototransistor
erreicht, wie dies erwünscht ist, obwohl die Linsen und Spiegel nicht exakt justiert
worden sind. Ein genau parallel gerichteter Strahl würde eine größere Genauigkeit
in der Herstellung und der Justierung der Linsen und Spiegel fordern.
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Der Vorteil, daß jeder Punkt in einem Flächenbereich mindestens zweimal
durch die geneigten Strahlen bedeckt wird, liegt darin, daß die Möglichkeit der
Anzeige eines Gegenstandes, dessen Größe kleiner als die Strahlenbreite ist, vergrößert
wird.
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Schneidet beispielsweise ein flacher Gegenstand -z. B. eine Scheibe
- einen Strahl, so daß seine Hauptebene parallel zu der Bahn des Strahls verläuft,
dann wird dieser Gegenstand keinen großen Anteil des Strahls abschneiden. Schneidet
er aber zwei geneigt verlaufende Strahlen, dann kann er nicht parallel zu der Bahn
beider Strahlen liegen, so daß die Verminderung der Amplitude an dem Fototransistor
26 stärker angezeigt wird, als wenn nur ein Strahl geschnitten würde. Schneidet
ein Gegenstand zwei Strahlen, dann ist es möglich, daß er die eine Seite eines Strahls
und die andere Seite des anderen Strahls schneidet, so daß das Licht von beiden
Seiten des Strahls, der an dem klaren Teil des zweiten Spiegels ankommt, abgeschnitten
sein wird, so daß die Verminderung der Amplitude an dem Fototransistor deutlicher
ist, als wenn nur eine Seite des Strahls abgeschnitten wäre.
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Wie aus F i g. 3 zu ersehen ist, ist der Fototransistor 26 über eine
Emitterfolgeschaltung 31 mit einem zweistufigen RC-Verstärker 32 verbunden.
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Der Ausgang des Verstärkers 32 wird über ein a-förmiges Glättungsglied33
mit einem Kondensator 34 von einem Mikrofarad in seinem einen Zweig, einem Widerstand
35 von 33 Kiloohm in seinem Querzweig und einem Hochspannungskondensator 36 von
0,04 Mikrofarad in seinem zweiten Zweig geführt.
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Die Ausgangsspannung der Glättungsschaltung 33 wird einem Schmitt-Triggerkreis
37 zugeführt und dessen Ausgang einem Zähler 38 (F i g. 1). Der Zähler 38 ist auf
die Samenzahl, die in dem Behälter 13 erwünscht ist, eingestellt. Der Zähler 38
betreibt das Zuführungsgefäß 11 mit hoher Geschwindigkeit, so daß die Samen durch
die Schüttvorrichtung 12 in den Behälter 13 zugeführt werden. Sobald der Zähler
38 eine Zahl anzeigt, die etwas unterhalb (beispielsweise fünf) der eingestellten
Zahl liegt, dann ändert der Zähler die Geschwindigkeit des Zuführungsgefäßes 11
in eine langsamere Arbeitsweise um. Sobald die eingestellte Anzahl auf dem Zähler
38 gezählt wird, wird die Zuführung angehalten. Die Endzählung bei geringerer Geschwindigkeit
vermeidet im allgemeinen, daß noch weitere Samen die Schüttvorrichtung 12 hinunterfallen
zwischen der Zeit, in der die eingestellte Anzahl registriert wird und die Zuführungsvorrichtung
11 ihren Betrieb einstellt.
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Die Zuführungsvorrichtung 11 und die Anzeigevorrichtung 15 sind justierbar
auf einem Ständer 39 angeordnet, so daß Behälter 13 verschiedener Höhe verwendet
werden können.
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Die Arbeitsweise der Schaltung nach F i g. 3 ist folgende: Wenn das
Licht, welches auf den Fototransistor 26 fällt, durch einen Gegenstand, welcher
den Strahl über der Öffnung versperrt, vermindert wird, dann wird ein ins Negative
gehender Impuls über die Emitterfolgeschaltung 31 an den Kondensator 41 in dem Eingangskreis
des Verstärkers 32 angelegt. Die Länge und Form des Impulses hängt von der Größe
und Form des Gegenstandes ab. Ein fester Gegenstand - beispielsweise ein Samenkorn
oder eine Kugel - erzeugt einen einfachen Impuls 51 (siehe F i g. 4), während ein
hohler Ring einen Impuls 52 erzeugt mit einer kleinen Einsattelung 53 verminderter
Amplitude in der Mitte, die dem Durchgang des Lichts durch die Ringmitte entspricht.
Der Fototransistorimpuls weist eine kleine Überschwingung 54 auf.
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In dem Verstärker32 werden die Impulse durch die RC-Eingangsschaltung
42 differenziert. Der Ausgangswert der zweiten Stufe ist über den ersten Kondensator
34 des Glättungsgliedes 33 mit Erde verbunden, wodurch die zweite Stufe zu einem
Begrenzer wird, derart, daß die resultierende Schwingungsform einen Eingangsimpuls
55 und einen Ausgangsimpuls 56 aufweist, die begrenzt sind und ins Negative verlaufen
entsprechend dem anfänglichen Anstieg und der überschwingenden Rückkehr des vom
Fototransistor erzeugten Impulses und ferner eine dazwischenliegende größere, ins
Positive gehende Schwingung 57 aufweist, die dem Abfall des vom Fototransistor abgegebenen
Impulses entspricht.
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Der Glättungskreis 33 integriert die Ausgangsspannung des Verstärkers
32 und erzeugt eine kleine Anfangsstufe 58 entsprechend dem Anfangsimpuls, die von
einem größeren Impuls 59 entsprechend der Rückkehr des ins Positive verlaufenden
Teils der Schwingung gefolgt ist. Die Schmitt-Triggerschaltung 37 wird entweder
durch die Stufe 58 oder den Endimpuls 59 getriggert. Die Triggerschaltung 37 wird
nicht zweimal getriggert, da der Endimpuls 59 eintritt, bevor die Triggerschaltung
ihre Auslösetätigkeit, falls sie von dem Anfangsimpuls 58 getriggert wurde, beendet
hat. Der Zündvorgang dauert etwa einige Millisekunden.
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In dem Glättungskreis 33 wird der Rauschpegel
aus
dem Verstärkerausgang entfernt, so daß die Triggerschaltung 37 nicht durch falsche
Signale getriggert wird.
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F i g. 4 zeigt die Schwingungsformen an den Punkten A, B, C, D, E,
F und G der Schaltung nach F i g. 3 für vier Abschattungen des Lichtstrahls. Die
Schwingungsformen a entsprechen einem kleinen kugelförmigen Objekt, b einem großen
ebenen Objekt, c einem Ring, der praktisch parallel zu der Ebene der Spiegel verläuft,
und d einem Ring wie c, der praktisch normal zur Ebene der Spiegel verläuft.
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In allen vier Fällen sind die Schwingungsformen bei E, F und G gleich;
die Anfangsstufe 58 und der Endimpuls 59 der Schwingungsform bei E kommen von dem
anfänglichen Anstieg und dem Endabfall des Transistorausgangsimpulses, die Form
des Transistorausgangsimpulses zwischen beiden hat nur wenig Bedeutung.
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Es wurde festgestellt, daß die Anzeigevorrichtung und ihre Ausgangsschaltung
Gegenstände bis zu einer Geschwindigkeit von 75 Stück pro Sekunde zählt.
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Die Empfindlichkeit des Anzeigers wird durch Veränderung der Intensität
des Lichtstrahls, der über die Öffnung reflektiert wird, eingeregelt. Die Empfindlichkeit
wird so eingestellt, daß beispielsweise unerwünschte Gegenstände wie Schmutzflecken
und Staubteilchen nicht gezählt werden, während die gewünschten Gegenstände, beispielsweise
Samen, gezählt werden. Sollen jedoch Gegenstände, die in der Größe der Schmutzflecken
liegen, gezählt werden, dann wird die Empfindlichkeit durch Steigerung der Strahlenintensität
erhöht. Werden große Gegenstände gezählt, dann wird die Empfindlichkeit vermindert,
so daß, obwohl die Schwingungsform bei E von langer Dauer ist, sie keine Stufe 58
solcher Amplitude enthält, die den Triggerkreis 37 zu einer Zeit auslöst, zu der
der Endimpuls 59 den Triggerkreis ein zweites Mal auslöst.
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Bei Anwendungen, bei denen die üblichen Spannungsquellen für eine
elektrische Lampe nicht zur Verfügung stehen, kann eine in sich geschlossene Betastrahlenquelle,
die Phosphor bestrahlt, verwendet werden. Diese kann beispielsweise aus einer mit
Tritium gefüllten, dichten Hülle bestehen, deren Innenfläche mit dem Phosphor überzogen
ist. Da das von einer solchen Quelle emittierte Licht eine geringere Amplitude als
das Licht einer Glühlampe hat, muß ein empfindlicherer Anzeiger verwendet werden.
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Bei Anwendungen, die öffnungen benötigen, welche beträchtlich größer
als der beschriebene Rhombus mit einer Seitenlänge von etwa 5 cm sind, kann ein
Laser 34 an Stelle der Lampe und der Kollimatoranordnung aus Linse und Spiegel verwendet
werden. Der Laser ist in Fig. 2 gestrichelt eingezeichnet. Ein Laser kann beispielsweise
dazu verwendet werden, um Gegenstände anzuzeigen, die sich durch einen Türrahmen
hindurchbewegen. Bei dieser Anwendung können die ebenen Spiegel aus einer Anzahl
kleiner ebener Spiegel gebildet sein, falls einzelne große Spiegel nicht zur Verfügung
stehen.
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Um eine erhöhte Empfindlichkeit zu erreichen, können zwei Vorrichtungen
rechtwinklig um die gleiche Öffnung angeordnet sein. Die Öffnung hat in diesem Falle
an allen vier Seiten Spiegel, wobei ein Paar einander gegenüberstehender Spiegel
den einen Teil der einen Vorrichtung und das andere Paar einen Teil der zweiten
Vorrichtung bilden. Die Aus-
gangswerte der beiden Vorrichtungen werden miteinander
kombiniert und dem Zähler zugeführt.
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Die Schaltung nach F i g. 3 kann mit anderen optischen Systemen verwendet
werden. Beispielsweise kann das Licht einer Lampe in einen Strahl parallel gerichtet
werden, der so breit wie die Öffnung ist und welcher über die Öffnung läuft. An
der anderen Seite der Öffnung wird der Strahl gesammelt und auf den Fototransistor
der Schaltung nach F i g. 3 fokussiert.
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Die Empfindlichkeit der Vorrichtung wird so eingestellt, daß die Modulation
des Fototranssitorausgangs bei Durchgang eines Gegenstandes ausreicht, um die Triggerschaltung
auszulösen.
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Wird der Lichtstrahl über eine Öffnung gerichtet, die größer ist
als die Öffnungen gewöhnlicher Anzeigevorrichtungen, dann kann der Anzeiger in einer
größeren Entfernung von der Zuführungsvorrichtung angeordnet werden. Anzeiger mit
kleinen Öffnungen müssen jedoch in der Nähe des Endes einer Zuführungsvorrichtung
angeordnet werden, um sicherzustellen, daß die Bahn des zugeführten Gegenstandes
durch die Öffnung verläuft. Anzeiger mit großen öffnungen können in einer gewissen
Entfernung unter dem Ende des Ausgangs der Zuführungsvorrichtung angeordnet sein,
so daß die Gegenstände, die nacheinander aus dem Ausgang herauskommen, den Anzeiger
in einem größeren Abstand voneinander erreichen, als sie an dem Ausgang haben. Diese
Anordnung vergrößert das Auflösungsvermögen des Gerätes und erleichtert die Einstellung
des Gerätes, da die Lage der Anzeigeöffnung so lange nicht kritisch ist, bis die
Anderung der Bahn die Abmessungen der Öffnung erreicht.