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Automatische Registriereinrichtung für ein Präzisionswinkel- oder
- längenmessinstrument Es sind bereits automatisch registrierende Messgeräte hoher
Genauigkeit bekannt, welche ausserordentlich rasch arbeiten. Bei diesen bekannten
Feinmessgeräten müssen die Massstäbe oder die Teilkreise mit sehr feinen und teuren
Codeteilungen versehen sein und für die automatische Registrierung und gegebenenfalls
auch Auswertung der Messwerte sind komplizierte und sehr teure elektrische oder
elektronische Registrier-und Auswertegeräte unerlässlich. Derartige automatisch
registrierende Feinmessgeräte sind in allen Fällen unumgänglich, bei welchen Messwerte
fortlaufend und in sehr kurzen Zeitintervallen registriert werden müssen. Fr viele
andere Anwendungsmöglichkeiten, bei welchen eine automatische Registrierung der
Messwerte an sich sehr erwünscht wäre, bei welchen jedoch ein grösserer Zeitaufwand
für die einzelnen Registrierungen in Kauf genommen werden kann, z. B. bei geodätischen
Winkel-oder Längenmessungen, oind die erwahnten automatisch registrierenden Feinmessgeräte
viel zu
teuer. Durch die Erfindung wird nun eine automatische Registrierung
von Winkel-und Langenmesswerten mit höchster Präzisior, aber unter Inkaufnahme eines
etwas höheren Zeitaufwandes, mit wesentlich geringerem Aufwand an technischen Mitteln
ermöglicht.
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Die Erfindung betrifft eine automatische Registriereinrichtung für
ein Präzisionswinkel-oder-längenmessinstrument mit Grob-und Feinmessstufe, bei welcher
für die Grobmessstufe eine Codierung und für die Feinmessstufe eine einfache Strichteilung
benützt wird, welche dadurch gekennzeichnet ist, dass eine als Index dienende Strichteilung
einer Strichplatte auf eine Stelle der Strichfeinteilung des Teilungsträgers des
Iviessinstrumentes, oder eine als Index dienende Stelle der Strichfeinteilung des
Teilungsträgers des Messinstrumentes auf eine andere Stelle dieser Strichfeinteilung
oder umgekehrt durch ein optisches Abbildungssystem abgebildet wird und dass im
Sinne des Strahlenganges des Abbildungssystems vor der einen dieser Stellen eine
Lichtquelle und hinter der anderen dieser Stellen eine als Kommeu. dogeber für ein
Registriergerät dienende Photozelle angeordnet ist, dass im Strahlengang des genannten
Abbilclungssystems ein als optisches BS, ikrometer dienendes optisches Glied vorgesehen
ist, das eine Parallelverschie'bung der gegenseitigen Lage der als Index dienenden
Strichteilung und der Strichteilung der Feinstufe um mindestens ein Teilungsintervall
ermöglicht, vorgesehen ist, dassdas als optisches blikrometer dienende optische
Glied mit einem Mikrometerteilungsträger so in AJltriebsverbindung steht, dass eine
bestimmte gegenseitige Lage der als Index dienenden Strichteilung und der Strichteilung
der Feinstufe einer
bestimmten Stellung des Mikrometerteilungsträgers
entspricht, und ds, ss elektro-optische Mittel vorgesehen sind, welche das Registriergerät
veranlassen, auf ein Commando der als Kommandogeber dienenden Photozelle die Stellung
des Teilungsträgers des Xinkel-oder Lärgenmessinstrumentes und die Stellung des
ikrotneterteilungsträgers zu registrieren und den daraus sich engebenden Winkel-
oder Längenwert auf einen Speicher zu übertragen.
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Eine solche automatische Registriereinrichtung ermöglicht es, die
Registrierung eines Messwertes innert etwa 0, 1 bis 1 Sekunde durc@zuführen. Dies
ist verhältnismässig lang im Vergleich zur Zeit, welche bei Anwendung der in der
Einleitung erwämten, vollautomatisch direkt registriererden Messgeräte benötigt
wird, aber unbedeutend für Kessinstrumente, die nach jedr Registrierung wieder in
eine andere Position gebracht werden müssen, wie z.B. geodätische Winkelmessinstrumente.
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In der Zeichnung sind zwei beispielsweise Ausführungsformen der automatischen
Registriereinrichtung gemäss der Erfindung für ein Präzisionswinkelmessinstrument
und Einzelheiten. hiezu schematisch dargestellt. Es zeigen : 'ig. 1 die erste Ausführungsform
der automatischen Registriereinrichtung für ein Winkelmessinstrument im Aufriss,
Fig. 2 einen Grundriss zu Fig. l, Fig. 3 einen Teil des der einfacheren Darstellung
wegen gerade gezeichneten Teilkreises des im weiteren nicht dargestellten Winkelmessinstrumentes,
Fig. 4 eine Draufsicht auf den Mikrometerteilungsträger dieser Registriereinrichtung,
Fig.
5 einen Teil der zweiten, für ein Winkelmessinstrument, bei welchem an zwei einander
diametral gegenüberliegenden Kreisstellen abgelesen wird, bestimmten Registriereinrichtung
im Auf'riss, Fig. 6 eine Draufsicht auf den Teilkreis des Winkelmessinstr@mentes,
für welches die Registriereinrichtung nach der Fig. 5 verwendet wird, Fig. 7 eine
Draufsicht auf den Mikrometerteilungsträger der Registriereinrichtung nach der Fig.5,
Fig. 8 und 9 je eine graphische Darstellung des Verlaufes des Photostromes einer
als Kommando@eber dienenden Photozelle, und Fig. 10 und 11 je eine graphische Darstellung
des Verlaufes des Photostromes einer als Kommandogeber dienenden Photozelle, welche
den Leginn und das s Ende des auffallenden Lichtimpulses meldet und bei welcher
das mittel aus diesen zwei Meldungen gebildet wird.
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Die in den Fig. l und 2 dargestellte automatische Registriereinrichtung
für ein Präzisionswinkelmessinstrument besitzt eine ortsfest angeordnete Strichplatte
1C,-. velche durch eine Lichtouelle 11 über eine Beleuchtungslinse 12 beleuchtet
und durch ein Objektiv 13 (uf den Teilkreis la aus Glas des Winkelmessinstrumentes
abgebildet wird. Eine hinter dem Iviesskreis 14 angeordneteLinse 15 sammelt das
durch den Teilkreis 14 hindurch einfallende Licht auf eine Photozelle 16.
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Zwischen der Strichplatte 10 und dem Objektiv 13 ist eine als optisches
Mik@ometer wirkende Planparallelplatte 17 angeordnet, welche an einer im Winkeluesinstrument
gelagerten Welle 18 sitzt. Diese Welle 18 und mit ihr die Planparallelplatte 17
kann
über ein auf ihr sitzendes Zahnrad 19 und ein auf dem Wellenstumpf eines Klein.
otores 20 sitzendes Zahnritzel 21 gedreht werden. Im Winkelmessinstrument is ferner
eine zur Welle 18 parallele Welle 22 gelagert, auf welcher ein Mikrometerteilungsträger
23 in Form eines Glaskreises sitzt. Die Drehung der Welle 18 wird dber ein mit dem
Zahnrad 19 kämmendes Zahnritzel # 24 auf die Welle 22 und damit den lviikrometerteilungsträger
23 übertragen.
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Wie aus der Fig. 4 ersichtlich ist, trägt der der einfacheren Darstellung
wegen gerade gezeichnete Teilkreis 14 einen Grobcode 14t, der irgendeine gebräuchliche
Form aufweisen kann, als Grobteilung und zudem eine regelmässige Strichteilung 14",
deren Intervall in der Regel der kleinsten Einheit des Grobcodes 14'entspricht,
als Feinteilung. Das Objektiv 13 und die Abstände zwischen der Strichplatte 10 und
dem Objektiv 13 einerseits und dem Objektiv 13 und dem Teilkreis 14 andererseits
sind so gewählt, dass die auf dem Teilkreis~ 14 abgebildeten Intervalle der Strichteilung
10'der Strichplatte 10 senau den Intervallen der Strichteilung 14"des Teilkreises
14 entsprechen. Die Strichteilung 14"desTeilkreises 14 kann positiv oder negativ
sein, d. h. aus dunklen Strichen auf undurchsichtigem Grund oder aus durchsichtigen
Strichen auf undurchsichtigem Grund bestehen. Ist die Strichteilung 14"des Teilkreises
14 positiv, so muss die Strichteilung 10'der Strichplatte 10 negativ sein. Ist dagegen
die Strichteilung 14"des Teilkreises 14 negativ, so kann die Strichteilung 10'der
Strichplatte 10 positiv oder negativ sein. Der Mikrometerteilungsträger 23 weist
eine Teilung 23'auf, welche alc Oodeteilung gestaltet sein kann.
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Der Grobcode 14'des Teilkreises 14 wird an einer Stelle des letzteren
durch eine Lichtquelle 24 über eine Beleuchtungslinse 25 beleuchtet und auf der
gegenüberliegenden Seite des Messkreises 14 ist eine Gruppe von Photozellen 26 angeordnet,
deren Photozellen Licht erhalten je nachdem, ob der beleuchtete Teil des Grobcodes
14'ein. entsprechendes helles Veld aufweist. Unmittelbar vor dem Teilkreis 14 ist
auf der Seite der Lichtquelle 24 eine Schlitzblende 27 angeoranet, welche nur einen
radialen Lichtstreifen auf den Grobcode 14' durchfallen lässt.
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Ein Ausscimitt des Mikrometerteilungsträgers 23 wird von einer Lichtquelle
28 über eine Beleuchtungslinse 29 eine der Schlitzblende 27 entsprechende Schlitzblende
30 beleuchtet.
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Der Schlitzblende 30 in Bezug auf den Mikrometerteilur.'. sträger
23 gegenüberliegend ist eine Gruppe von Photozellen 31 augeordnet, deren Photozellen
Licht erhalten, je nachdem, ob der beleuchtete Teil des Feincodes 23'ein entsprechendes
helles Feld aufweist.
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Die beschriebene automatische Registriereinrichtung für ein Winkelmessinstrument
besitzt ferner ein in der Zeichnung nicht dargestelltes elektrisches oder elektronisches
Registrier-6 gerät bekannter Art, welches die erhaltenen Impulse verarbeitet und
speichert oder sofort an ein geeignetes Speichermittel, z. B. einen Lochstreifen,
eine Locharte, ein Magnetband, weitergibt. Ferner besitzt diese Registriereinrichtung
eine in der Zeichnung ebenfalls nicht dargestellte Steuer- und Kommandoeinrichtung
bekannter Art für die Steuerung des Iileinmotors 20 und den ganzem Registrierab
auf.
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Die Registrierung eines Messwertes mittels der
beschriebenen
Registriereinrichtung erfolgt, nachdem der Teils-reis 14 des Rin@elmessinstrumentes
in irgend eine zu registrerende Position gebracht worden ist, wie folgt : Durch
die Steuer- und Eommandoeinrichtung wird über den @leinmotor 20 bewirkt, das die
Tlanparallelplatte 17 und der Feinteilun-strä er 23 nach Abschlbss jeder Registrierung
in die in der Zeichnung dargestellte ausgangslage gebracht wird.
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-ivird nun durch Betätigung des Komandoschalters ein Registriervor@ang
eingeleitet, beginnt der Kleinmotor 20 die Planparallelplatte 10 und mit dieser
auch den IX irometerteilungsträger 23 za @ drehen. Dadurch wird das Bild der Strichteilung
10'der Strlchplatte 10 gezenüber der Strichteilung 14" des Teilkreises 14 verschoben
und Kommt in irgend einer Stellung der Planparallelplatte 17 zwischen deren Ausgangsstellung
und deren in der Fig.1 gestrichelt gezeichneten Endstellung zur Deckung, bzw. zu
einer @anz bestimmten relativen Lage der beiden Stricht ma@@ 10' uld 14", in welchem
Moment die als Ko-mandogeber wirkende Photoze le 16 dem Registriergerät den Befehl
zum Redistrieren der Stellung des Mikrometerteilungsträgers 23 mit Hilfe der :Photozellen
31 gibt. Im gleichen oder auch in einem anderen Moment ilmerhslb des Ablaufes des
Registriervorganges erbalten auch die Photozellen 26 den Befehl zum Registrieren
des Grobcodes 14'des Teilkreises 14. Samit sind Grob-und Feinmesswert auf dem Speichrmittel
registriert und die Regi-@ @rierung ist abgeschlossen. Die Planparallelplatte 17
und der mir. rcmeterteilungsträger 23 werden hierauf sofort in ihre Aus-. gangsstellung
zurückgedreht. Die Uebersetzung vom Zahnrad 19 zum Zahnritzel 24 ist so gewahlt,
dass dem Iviessbereich der Planoparallelplatt 17 eine ganze Umdrehung des Mikrometerteilungsträgers
23
entspricht.
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Die beschriebene Registriereinrichtung ist vor allem für geodätische
Winkelmessinstrumente inteessant, weil sie es z. B. bei je 2000 Einheiten in der
Grobstufe und in der Feinstufe ermöglicht, als feinste Einheit die Centesimal-Sekunde
zu registrieren.
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Die Lichtquelle 11 und die Photozelle 16 können ohne Sinfluss auf
das ganze registrierprinzip vertauscht werden. Die Planparallelplatte 17 kann gewünschtenfalls
bei entsprechender Wahl der vergrôsserung des Obj@ktives 13 und der Abstände zwischen
dem Objektiv 13 und der Strichplatte lo und dem Teilkreis 14 auch zwischen dem Objektiv
13 und dem T'eilkr-eis 14 angeordnet sein. Als optisches Mikrometer kann anstelle
der Planparallelplatte 17 auch ein Glaswürfel, ein mehrseitiges Glasprisma, ein
Schiebekeil aus Glas oder ein anderes als Mikrometer geeignetes optisches Glied
verwendet werden.
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Liese automatische Registriereinrichtung kann aucgh in einem Längerunessinstrument
verwendet werden.
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Die in der Fig. 5 nur zum Teil dargestellte Ausführungsform der automatischen
Registriereinrichtung, welche im Prinzip gleich arbeitet wie die automatische REgistriereinrichtung
nach den Fig. l bis 4, ist für ein Winkelmesainstrument bestimmt, bei welchem die
Registrierung von Winklwerten unter Bezmtzung zweier diametraler Kreisstellen zur
Ausschaltung der durch exzentrische Kreisteilung hervorgerufenen Winkelfehler erfolgt.
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Bei dieser Registriereinrichtung ist der Teilkreis des im weiteren
nicht dargestellten Winkelmessinstrumentes mit 40 bezeichnet.'Dieser Teilkreis 40
trägt, wie aus der Fig. 6 ersichtlich ist, eine Grobteilung in Form eines jrobcodes
40' und eine
S 40". Die Strichteilung 40"ersetzt dabei die Strichteilung
IC* der Strichplatte 10 der vorher beschriebenen Ausführungsform der Registriereinrichtungt.
Ene Stelle der Strichteilung 40" wirdn durch eine Lichtquelle 41 über eine Beleunhtun
slinse 42 beleuchtet und durch ein Prisma 43, ein Objektiv 44 und ein zweites Prisma
45 auf den gegenüberliegenden Abschnitt der Strichteilung 40"abgebildet. Dieses
Abbildungssystem (43, 44, 45) muss so @estaltet sein, dass beim Drehen des Teilkreises
40 das Bild der Strichteilung 40" der ersten Kreisstelle sich entgegengesetzt zum
Abschnitt entgegengesetzt Strichteilung 40", auf welchen das Bild geworfen wird,
bewegt. Zu diesem Zwecke ist das Prisma 43 als Dachprisma ausgebildet. Das die zweite
Zreisstelle durchsetzende Licht wird durch eine Linse 46 gesanmelt und auf eine
Photozelle 47 geworfen. Auch bei dieser Reglistriereinrlcttung könnn die Lichtquelle
41 und die Photozelle 47 ohne Einfluss auf die Arbeitsweise vertauscht sein. Ist,
wie dargestellt, auf dem Teilkreis 40 eine einzige SLrichteilung 40"vorhanden, so
muss diese negativ sein, d. h. aus hellen Strcichen auf undurchsichtigem Grund bestehen.
Es konnten aber auch zwei konzentrische Strichteilungen 40" auf dem Teilkreis 40
oder zwei konzentrische Kreise mit je einer Teilung vorgesehen sein, in welchem
Falle beide negativ oder aber die eine negativ und die andere positiv sein können.
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Im Winkelmessinstrument ist eine Welle 48 gelagert, welche wie bei
der Registriereinrichtung nach den Fig. l bis 4 durch einen in der Fig. 5 nicht
dargestellten Kleinmotor, der von einer Scheuer- und Kommandoeinrichtung gesteuert
wird, antreibbar ist. Auf der Welle 48 ist mittels einer Nabe 49 ein Glaskreis als
Mikrometerteilungsträger 50 angeordnet. Ferner ist
an der Nsbe
49 eine als optisches Mikrometer dienende, im S-trahlen ng des Abbildungssystems
4j, 44, 45 liegende Planparallelplatte 51 befestigt. Der l ikrometerteilun » sträger
5C ist, v, ie aus der Fig. 7 ersichtlich ist, mit einer sehr feinen Strichteilung
50', z. B. einer solchen mit einem Strichaustand von 0, 01 mm, die positiv oder
negativ sein kann, und mindestens einem auf einem anderen durchmesser liegenden
Strich 50" versehen, der ebenfalls positiv oder neg&tiv sein kann. v=nLittlbar
vor der Strichteilung 50' ist eine mit einer zur Strichteilung 50' gegengleichen,
d. h. negativen oder positiven Striohteilung 52'versehene Strichplatte 52 feststehend
angeordnet. voi, dem si-ch der Strich 50" befindet, ist eine undurchstiohtige Strichpatte
53 fest angeordnet, welche einen strichförmigen Lichtspalt aufweist. Selbstverständlich
kann der sirichförmige Lichtspalt der Strichplatte 53 auch durch einen Strich auf
einem durchsichtigen Grund erstzt sein, wenn der Strich 50" bzw. die Strict-le 50"hell
auf undurchsichtigem Grund ist bzw. sind. Die Stellung des Striches 50" auf dem
Mikrometerteilungsträger 50 muss so sein, dass er in der Ausgangslage der Planparallelplatte
51 mit dem Strich der btrichplatte 53 zur Deckung kommt.
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Soll die Blanparallelplatte 51 in zwei um 180° verschiedenen Stellungen
benutzt werden, muss der Mikrometerteilungsträger 50 zwei einander diametral gegenüberliegende
Striche 50" aufweisen. Wie bei der egistriereinrichtung nach den Fig. l bis 4 kann
als optisches Mikrometer an Stelle einer Flanparallelplatte 51 auch ein GlEswuirfel
oder ein regelmassiges Glasprisma verwendet werden, in welchem Falle der Mikrometerteilungsträger
50 vier oder eine grössere Zahl von entsprechend
auf der Umfang
verteilt angeordneten Strichen 50" aufweisen iUES.
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Eine Lichtquelle 54 beleuchtet über eine Beleuchtungslinse 5 eine
Stelle des Grobcodes 40" des Teilkreises 40. Das den Teilkreis 40 durchsetzende
Licht passiert eine Schlitzblerde 56 und wird auf eine Gruppe von j/hotozellen 57
geworfen.
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Die Lichtquelle 54 wirft ferner über eine Befeuchtungslinse 58 und
einen Spiegel 59 Licht auf einen Abschnitt der Strichteilung 5C'des Mikrometerteilungsträgers
50 und durch die Strichplatte 52 auf eine Ihotozelle 60. Weiterhin wirft die Lichtquelle
54 über die Beleuchtungslinse 58 und einen weiteren Spie el 61 Lie@t auf einen Abschnitt
des durchmessers des I, 5C, auf welchem der Strich 50"oder die Striche 50" Liegen,
und durch die Strichplatte 54 auf eine e Ehot@zeile 62.
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Der Mess- und Registriervorgang bei Verwendung der Regis",riereinrichtungr'rchderFig.
5 unterscheidet sich vom mess- und @@gistriervorgang bei Verwendung der Registriereinru@@tung
naci den Fig.1 bis 4, auf welchen hier hingewiesen wird, lediglich darin, dass fir
die Feinregistrierung nicht die Fosition des Mikrometerteilungsträgers festgehalten
wird, sondern dass sic@ bein Befehl "Registrieren" die Planparallelplatte 51 und
der Mikrometerteilungsträger 50 zu drehen beginnen und dass die Feinmessung durch
Abzählen der Intervalle der Strichteilung 50'erfolgt. Sobald dabei nach Einleitung
eines Registriervorranges ein Strich 50" des Mikrometerteilungsträgers 50 mit des
Strich der Strichplatte 53 zur Deckung kommt, gibt die Photozelle 62 einen Impuls
an das Registriergerät, welcher den Befehl"Zählbeginn"bedeutet. Die Zahl der von
der
Photozelle 60 an das nicht dargestellte Registriergerät abge-.
gebenen Impulse stellt die Feinregistrierung dar. Der Zählvorgang der von der Photozelle
60 an das Registriergerät abgegebenen Impulse dauert so lange, bis das Registriergerät
von der Photozelle 47 einen Impuls erhält, welcher den Befehl "Zählende"bedeutet.
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Diese Ausbildung der automrtischen Registriereinrichtung ermöglicht
es z. B., bei einem ? finkelmessinstrument, dessen Teilkreis 40 einen Grobcode mit
1000 Einheiten auf dem Umfang aufweist und dessen Mikrometerteilungsträger 50 eine
Strichteilung 50' mit 2000 Strichen (entsprechend 4000 Impulsen), verteilt auf den
Winkel, der dem Messbereich der Planpazallelplatte 51 entspricht, besitzt, die Centesimal-Sekunden
direkt zu registrieren.
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Sollen bei einem Theodoliten die Messwerte sowohl des Horizontalkreises
als auch des Vertiksikreises registriert werden, können die ermittelten Messwerte
nach entsprechender Umstellung nacheinander über das gleiche Registriergerät regis-triert
und gespeichert werden.
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Da die durch die sich drehende Planparallelplatte 17 bzw.
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51 bewirkte Parallelverschiebung nicht exakt linear zum Drehwinkel
verläuft, muss eventuell die Codierung 23'bzw. die Strichteilung 50'des Ilikrometerteilungsträgers
23 bzw. 50 entsprechend unlinear ausgeführt sein. Eine andere Korrekturmöglichkeit
besteht darin, die Abbild ngsoptik so zu oerechnen, dass sie die durch die Planparallelplatte
17 bzw. 51 verursachte Nichtlinearität der Parallelverschiebung korrigiert.
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Es ist leicht einzusehen, dass die maximal erreichbare Mess-un Registriergenauigkeit
der beschriebenen Registriereinrichtungen davon abhängig ist, wie exakt, d.h. mit
welcher
Streuung die Photozelle 16 bzw. 47 den Befehl zur Registrierung
der Feinmessung an das Registriergerät übermittelt. Je nachdem, ob positive oder
negative Teilungen vorgesehen sind, erhalten diese Photozellen 16 bzw. 47 dauernd
Licht, dessen Intensität bei der Ueberdeckung von Strichteilung und Index gegen
Null abfällt und nachher wieder auf die ursprüngliche Höhe ansteigt, oder sie erhalten,
wenn beide Teilungen negativ sind, kein Licht, es sei denn, es finde eine U'eerdeckung
der Qtrichteilungen statt, in welchem Falle ddese Photozellen einen Photostrom abgeben,
welcher vom Beginn der Ueberdeckung an bis auf ein Kiaxiium ansteigt und dann wieder
auf Null abfällt. In den Fig. 8 und 9 ist der Verlauf des Photostromes dargestellt,
wobei der Verlauf des Photostromes nach der gestrichelten Linie dann entsteht, wenn
die Strichbreiten ungleich sind. In beiden Fig. 8 und 9 ist mit a die Breite des
Teilstriches und mit b eine angenommene Streuung des Schaltmomentes der Photozelle
eingetragen.
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Eine höhere Genauigkeit kann dadurch erreicht werden, dass die Photozelle
so ausgebildet und geschaltet wird, dass sie sowohl den lovent des Uebersohreitens
als auch den Moment des Unterschreitens eines bestimmten. Photostromes meldet. Aus-diesen
beiden Meldungen kann dann das Mittel gebildet werden. In den Fig. 10 und 11, in
welchen c und d die Schaltmomente der Photozen-le bedeuten und e den Mittelwert,
d. h. die Strichmitte darstellt, ist dies veranschaulicht.
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Sofern konstruktive Gronde es wunschbar erscheinen lassen, können
bei Vorsehen zusätzlicher, geeigneter Abbildungssysteme Lichtquellen, Schlitzblenden
und Photozellen an beliebig anderen, weiter weg liegenden Stwllen angeordnet werden.