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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Spektrometer, bei
dem über einen Unterbrecher, z. B. einen rotierenden Sektorspiegel, ein Meß- und
ein Vergleichsstrahlenbündel abwechselnd einem Strahlungsempfänger zugeleitet werden.
Bei einem solchen Zweistrahlgerät ist im Vergleichs strahlengang eine Abschwächvorrichtung
angeordnet, und das der Differenz der Intensitäten in beiden Strahlengängen entsprechende
Ausgangssignal des Strahlungsempfängers dient zur Steuerung dieser Abschwächvorrichtung.
Die bei Intensitätsabgleich erreichte Stellung der Abschwächvorrichtung stellt dann
den Meßwert dar. Dieser Meßwert wird normalerweise registriert, indem die Bewegung
der Abschwächvorrichtung auf ein Registriergerät übertragen wird, welches die Probendurchlässigkeit
über der Wellenlänge aufzeichnet.
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Bei einem Zweistrahlgerät der beschriebenen Art ist der abgeglichene
Zustand unabhängig von der Intensität der benutzten Strahlungsquelle oder deren
spektraler Verteilung sowie unabhängig von Absorptionen des Meß- und Vergleichsstrahlenbündels
in beispielsweise Kohlendioxyd oder Wasserdampf.
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Diese Einflüsse wirken sich jedoch auf die Größe des Ausgangssignals
des Strahlungsempfängers aus, welches den Stellmotor für die Abschwächvorrichtung
steuert. Dadurch wird das Dämpfungsverhalten des Gerätes beeinflußt, so daß z. B.
bei zu starkem Absinken der Intensitäten der beiden Strahlenbündel der Stellmotor
bei schnellem Registrieren den Intensitätsunterschieden nicht schnell genug zu folgen
vermag und das aufgezeichnete Spektrum verwaschen wird. Im anderen Fall kann auch
eine Überregelung eintreten.
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Es ist bekannt, zur Vermeidung dieser störenden Effekte die verfügbare
Strahlungsenergie zu messen und durch entsprechende Regelung konstant zu halten.
Zu diesem Zweck wird meist die Spaltbreite des im Strahlengang angeordneten Monochromators
geregelt.
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Bezeichnet man in üblicher Weise mit 1o die Intensität des ungeschwächten
Lichtstrahls (Meß- bzw.
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Vergleichsstrahlenbündel nicht abgeschwächt) mit I die Intensität
des geschwächten Lichtstrahls (Meßstrahlenbündel nach Durchsetzen des Meßobjekts
bzw. Vergleichsstrahlenbündel nach Durchsetzen der Abschwächvorrichtung im Fall
des Abgleichs) und mit a die Schwächung des Meßstrahlenbündels (a Io = I im Fall
des Abgleichs), so besteht die erwähnte Regelung darin; die Größe 1o konstant zu
halten.
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Es ist ein Spektrometer bekannt (USA.-Patent 2900 866), bei dem das
auf den Empfänger fallende Licht mittels eines zweiten Unterbrechers zusätzlich
unterbrochen wird, wobei sich diese Unterbrechung bezüglich Frequenz oder Phase
von dem Wechsel Meß-/Vergleichslicht unterscheidet. Ein auf diesen zweiten Unterbrecher
ansprechender Demodulator liefert ein Signal, das der Summe aus Meß- und Vergleichslicht,
d. h. im Fall des Abgleichs der Größe I, proportional ist. Dieses Signal wird nun
um den über die Abschwächvorrichtung gewonnenen Faktor l/a verstärkt und gibt somit
das Signals, (ist). Dieses Signal wird mit der elektrisch vorgegebenen Größe In
(soll) verglichen, und ein eventuelles Differenzsignal regelt die Spaltbreite des
Monochromators.
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Es ist ferner ein Zweistrahl-Spektrometer bekannt (deutsches Patent
1 157 406), bei dem ebenfalls über
einen zweiten Unterbrecher ein Signal erzeugt
wird, das der Größe I (ist) proportional ist. Aus der elektrisch vorgegebenen Größer,
(soll) wird nach Gewinnung des Faktors a das Signal a 1o (soll) = I (soll) gewonnen.
Dieses Signal wird mit dem Signal l (ist) verglichen, und das Differenzsignal regelt
beispielsweise die Spaltbreite des Monochromators.
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Diesen bekannten Spektrometem ist der Nachteil gemeinsam, daß die
Dunkelpausen, d. h. die Zeit innerhalb jeder Periode, während der der Strahlungsempfänger
durch den zweiten Unterbrecher vollkommen abgeschirmt ist, für den Vergleich von
Meß-und Vergleichs strahl nicht genutzt werden können.
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Dadurch wird die bei vorgegebener Auflösung und Genauigkeit erforderliche
Registrierdauer verlängert.
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Ziel der vorliegenden Erfindung ist ein Spektrometer, bei dem die
notwendige Regelung auf Konstanz der Größer, ohne eine Verlängerung der Registrierdauer
möglich ist.
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Die Erfindung geht aus von einem Spektrometer, bei dem über einen
ersten Unterbrecher ein Meß-und ein Vergleichs strahlenbündel abwechselnd einem
Strahlungsempfänger zugeleitet werden, der ein zur Steuerung einer Abschwächvorrichtung
für das Vergleichsstrahlenbündel dienendes Signal liefert, und bei dem mittels eines
zweiten Unterbrechers ein Signal zur Regelung des Spannungspegels proportional der
Intensität 1o des ungeschwächten Vergleichsstrahlenbündels erzeugt wird. Die Erfindung
zeichnet sich dadurch aus, daß der zweite im Vergleichsstrahlengang angeordnet und
so ausgebildet ist, daß er nur einen Teil der Energie des ihm zugeordneten Strahlenbündels
unterbricht.
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Der gemäß der Erfindung ausgebildete zweite Unterbrecher ebenso angeordnet
sein wie der zweite Unterbrecher bei den vorstehend besprochenen bekannten Geräten.
In an sich bekannter Weise kann dann aus dem vom zweiten Unterbrecher modulierten
Signal die notwendige Regelgröße gewonnen werden.
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Mit Hilfe dieser Regelgröße läßt sich die Spaltbreite des Monochromators
so beeinflussen, daß die Strahlungsenergie konstant bleibt. Die Regelgröße kann
bei entsprechend abgewandelten Anordnungen auch verwendet werden, um die Verstärkung
des Verstärkers oder die Zeitkonstante eines eventuell im Regelkreis vorhandenen,
an sich bekannten RC-Gliedes zu regeln. Dann ergibt sich die Möglichkeit, die Spaltbreite
am Monochromator so zu wählen, daß der vom Monochromator durchgelassene Wellenlängen-
oder Wellenzahlbereich bei Veränderung der Wellenlänge einer vorgegebenen Funktion
folgt. Der unterschiedlich großen Strahlungsenergie wird dann im Regelkreis für
die Registrierung durch entsprechende Regelung der Verstärkung oder der Zeitkonstante
Rechnung getragen.
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Eine ganz besonders vorteilhafte Ausbildung des Erfindungsgedankens
besteht darin, den zweiten Unterbrecher im Vergleichsstrahlengang an einer Stelle
anzuordnen, an der die auf den Empfänger bezogene wirksame Strahlungsdichte auch
bei durch die Meßblende geschwächtem Strahl gleich der bei ungeschwächtem Strahl
vorhandenen Strahlungsdichte ist.
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Das vom zweiten Unterbrecher modulierte Signal ist dann unmittelbar
der Größe In (ist) proportional, d. h., die relativ aufwendige Gewinnung des Faktors
a bzw. 1/a und die notwendige Multiplikation der Größe 1 (ist) bzw. 1o (soll), wie
sie bei den bekannten
Geräten notwendig ist, entfällt bei der beschriebenen
Ausbildung des neuen Spektrometers.
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Bei einer als Abschwächvorrichtung dienenden Meßblende im Vergleichsstrahlengang
ist es vorteilhaft, den zweiten Unterbrecher in unmittelbarer Nähe der Meßblende
oder eines Bildes von ihr so anzuordnen, daß er nur den Teil der Querschnittsfläche
des Strahlenbündels abwechselnd abdeckt und freigibt, der von der Meßblende erst
bei sehr kleinen Probendurchlässigkeiten verdunkelt wird. Der zweite Unterbrecher
wird also oberhalb eines sehr kleinen Wertes der Probendurchlässigkeit mit gleichbleibender,
von der Meßblendenstellung unabhängigen Strahlungsdichte beaufschlagt, so daß das
vom zweiten Unterbrecher modulierte Signal oberhalb eines gewissen vorbekannten
Wertes unmittelbar der Strahlungsenergie 1o proportional und unabhängig vom Schwächungsfaktor
a der Meßblende ist.
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Es kann auch zweckmäßig sein, die Vorrichtung so auszubilden, daß
die Meßblende selbst die Funktion des zweiten Unterbrechers ausübt, indem sie mit
einer von der Frequenz (f) des ersten Unterbrechers verschiedenen Frequenz (12)
um eine der Abgleichstellung entsprechende Mittellage mit einer Amplitude schwingt,
die nur einen Bruchteil des gesamten Verstellweges der Meßblende ausmacht. Die beiden
Frequenzen fl und 19 können grundsätzlich völlig unabhängig voneinander gewählt
werden, doch ist es vorteilhaft, die Frequenz 12 der Schwingung der Meßblende in
einer festen vorgegebenen Beziehung zur Frequenz, des ersten Unterbrechers zu wählen.
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Ganz besonders vorteilhaft ist es, 1, kleiner als fit zu wählen, um
die höhere Wechsellichtempfindlichkeit des Empfängers bei geringen Frequenzen ausnutzen
zu können.
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Um eine gute Registrierung auch bei geringer Probendurchlässigkeit
zu ermöglichen, ist es zweckmäßig, Mittel vorzusehen, die bei Absinken der Durchlässigkeit
der Meßblende unter einen vorgegebenen Wert den zweiten Unterbrecher in seiner Mittellage
festhalten.
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Die Erfindung soll im folgenden an Hand der Ausführungsbeispiele
darstellenden F i g. 1 bis 10 näher erläutert werden. Dabei zeigt Fig. 1 eine Prinzipdarstellung
des nach der Erfindung aufgebauten Spektrometers, F i g. 2 a das vom Strahlungsempfänger
des in Fig. 1 dargestellten Gerätes gelieferte Gesamtsignal in seiner zeitlichen
Abhängigkeit, F i g. 2 b das Signal der Frequenz 12, F i g. 2 c das Signal der Frequenz
lt, F i g. 3 einen am Ort der Meßblende angeordneten zweiten Unterbrecher in der
Stellung, in der er den größten Schatten wirft, F i g. 4 den Unterbrecher der F
i g. 3 in der Stellung, in der er den kleinsten Schatten wirft, F i g. 5 die Meßblende
der F i g. 3 bei sehr kleiner Probendurchlässigkeit, wobei der zweite Unterbrecher
in seiner Mittellage festgehalten ist, F i g. 6 eine Rückansicht einer Vorrichtung
zur Betätigung des zweiten Unterbrechers, Fig. 7 eine Seitenansicht der Vorrichtung
nach Fig. 6, Fig. 8 eine Vorderansicht der Vorrichtung nach Fig. 6, Fig. 9 eine
als Kammblende ausgebildete Meßblende, die zugleich als zweiter Unterbrecher verwendet
ist,
F i g. 10 eine als Kammblende ausgebildete Meßblende sowie einen ebenfalls als
Kammblende ausgebildeten zweiten Unterbrecher.
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In Fig. 1 ist mit 1 eine Strahlungsquelle bezeichnet. Die von dieser
Quelle ausgehende Strahlung wird mit Hilfe der rotierenden Sektorspiegel 2 und 3
sowie der feststehenden Spiegel 4 und 5 abwechselnd über den Meßstrahlengang 6 und
den Vergleichsstrahlengang 7 geleitet. Die Meß- und die Vergleichsstrahlung trifft
deshalb abwechselnd auf den schematisch dargestellten Monochromator 8.
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Im Meßstrahlengang befindet sich die Probe 9, während im Vergleichsstrahlengang
eine Vergleichssubstanz 10, eine Meßblende 11 sowie ein zweiter Unterbrecher 12
angeordnet sind.
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Die durch den Ein und Austrittsspalt 13 des Monochromators 8 tretende
Strahlung trifft auf den Strahlungsempfänger 14. Dort wird sie in ein elektrisches
Signal umgewandelt, das über den Verstärker 15 zu den beiden phasenempfindlichen
Gleichrichtern 16 und 17 gelangt.
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Der Gleichrichter 16 erhält vom Frequenzgeber 18 ein Steuersignal
der Frequenzft, das synchron zum Lichtwechsel zwischen Meß- und Vergleichsstrahl
ist. Das Ausgangssignal des Gleichrichters 16 gelangt über den Leistungsverstärker
19 zum Servomotor 20. Dieser Motor dient sowohl zur Verstellung der Meßblende 11
als auch zur Bewegung des Schreibstiftes des Registriergerätes 21. Der Papiervorschub
dieses Registriergerätes erfolgt synchron zur Verstellung der Wellenlänge am Monochromator
8.
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In bekannter Weise verstellt der Servomotor20 die Meßblende 11 so
lange, bis die Lichtintensitäten im Meßstrahlengang 6 und im Vergleichsstrahlengang
7 gleich groß sind.
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Der zweite Unterbrecher 12 im Vergleichsstrahlengang 7 arbeitet mit
einer Frequenz 12. Der Gleichrichter 17 erhält vom Frequenzgeber 22 ein Steuersignal
der Frequenz 12, das synchron der Bewegung des Unterbrechersl2 ist. Das Ausgangssignal
des Gleichrichters 17 ist direkt proportional der Größer (ist). Dieses Signal wird
mit der Spannung aus einem Sollwertgeber 23 verglichen, die proportional der Größer,
(soll) ist. Bei Vorliegen einer Differenzspannung wird diese im Verstärker 24 verstärkt
und dem Potentiometer 25 zugeführt. Über das Potentiometer 25 erhält der Servomotor
26 Spannung, und dieser Motor dient zur Betätigung der Spalte des Monochromators
8 und zur Verschiebung des Abgriffs am Potentiometer 25.
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Dieses Potentiometer, dessen Schleifer zusammen mit den Spalten 13
bewegt wird, dient dazu, im Regelkreis trotz des quadratischen Zusammenhangs zwischen
Spaltbreite und Energie einen Abgleich in kürzester Zeit unabhängig von der Spaltbreite
zu gewährleisten. Potentiometerschleifer und Monochromatorspalte sind dazu so miteinander
gekoppelt, daß der Schleifer des Potentiometers 25 bei wachsender Spaltbreite zum
oberen Ende 27 und bei abnehmender Spaltbreite des Monochromators 8 zum unteren
Ende des Potentiometers 25 bewegt wird.
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Der zeitliche Verlauf des vom Strahlungsernnfänger 14 erzeugten Signals
ist in F i g. 2 a dargestellt.
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Bei dieser Darstellung ist angenommen. daß der Vergleichsstrahlengang
7 und der Meßstrahlenrang 6 nicht die gleiche Durchlässigkeit haben. Während der
mit 27, 28 bezeichneten Signalperioden gelangt
Strahlung aus dem
Vergleichsstrahlengang'7 auf den Strahlungsempfänger 14 ; während der Signalperioden
29 gelangt Strahlung aus dem Meßstrahlengang 6 auf den Signalempfänger. Wie man
aus Fig. 2 a erkennt, ergibt sich während der Signalperioden27 eine größere Signalamplitude
als während der Perioden 28. Dies beruht auf der durch den zweiten Unterbrecher
12 bewirkten Modulation des Signals.
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Zur Veranschaulichung des Modul ations effekts dienen die F i g.
3 und 4. In diesen Figuren sind mit 30 Teile bezeichnet, welche die obere und die
untere Begrenzung des Strahlenganges bilden. Als Meßblende ist hier die den Strahlengang
umschließende Aperturblende 31 gewählt, welche der in F i g. 1 mit 10 bezeichneten
Meßblende entspricht. Am Ort der Aperturblende 31 ist der zweite Unterbrecher angeordnet,
welcher hier als schmaler, um seine Längsachse drehbarer undurchsichtiger Streifen
32 ausgebildet ist. Dieser Streifen entspricht dem zweiten Unterbrecher 12 in F
i g. 1. Der Streifen 32 liegt mit seiner Längsrichtung senkrecht zur Papierebene
und deckt in der in Fig. 3 dargestellten Querlage nur einen Bruchteil F2/F ; der
gesamten vom Strahlengang beaufschlagten Fläche, ab. Die in Fig. 3 dargestellte
Lage des Streifens 32 entspricht den in F i g. 2 mit 28 bezeichneten Signalperioden.
Die mit 27 bezeichneten Signalperioden entsprechen der in F i g. 4 dargestellten
Lage des Streifens 32. In dieser Lage wirft der Streifen 32 praktisch keinen Schatten,
so daß die durchgelassene Energie in diesem Fall um den Anteil F2/F größer ist als
im Fall der F i g. 3.
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Wie man aus den Fig.3 und 4 ferner erkennt, erzeugt der mit der Frequenz
12 hier und herpendelnde Streifen 32 ein über den Gleichrichter 17 isoliertes Signal,
welches unmittelbar der Intensität 1o (ist) proportional ist und das unter Beschränkung
auf Probendurchlässigkeiten über einem bestimmten kleinen Grenzwert von beispielsweise
5 ovo unabhängig von der Abgleichstellung der Meßblende 31 ist. Aus diesem Grund
ist bei dem neuen Spektrometer die bei den bekannten Geräten erforderliche Vorrichtung
zur Berücksichtigung der Meßblendenstellung im Regelkreis für die Spaltbreite überflüssig.
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Sinkt die Probendurchlässigkeit unter den erwähnten kleinen Grenzwert
ab, so wird der Streifen 23 in der in Fig. 5 dargestellten Mittellage bei F2/2 festgehalten,
und die Regelung auf konstante Energie wird außer Betrieb gesetzt, und zwar so lange,
bis sich die Meßblende 31 wieder auf einen Wert geöffnet hat, welcher oberhalb des
Wertes F2 liegt.
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Zerlegt man das in F i g. 2 a dargestellte Signal in seine Komponenten,
so ergibt sich zunächst ein hier nicht dargestellter Gleichstromanteil, dann der
in F i g. 2 b dargestellte Anteil mit der Frequenz 12 und der in F i g. 2 c dargestellte
Anteil mit der Frequenz f,. Mit Hilfe des Servomotors 20 wird die Meßblende im Vergleichsstrahlengang
7 so lange verändert, bis das in F i g. 2 c dargestellte Signal zu Null wird. Der
Servomotor26 arbeitet in der Art, daß das in Fig. 2 b dargestellte Signal konstant
bleibt.
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Damit wird erreicht, daß die Größer, (ist) stets der Größe lo (soll)
entspricht.
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Wird die Wellenlänge der den Monochromator 8 verlassenden Strahlung
in bekannter Weise verändert, so ergibt sich mit der in F i g. 1 dargestellten Vorrichtung
auf dem Registriergerät 21 ein Spektrogramm bei größtmöglicher Auflösung und Registrier-
geschwindigkeit.
Die auf den Strahlungsempfänger 14 fallende Strahlung wird bei dieser neuen Vorrichtung
nie ganz unterbrochen, sondern es wird immer nur ein geringer Bruchteil der gesamten
Strahlungsenergie unterbrochen, so daß also keine Verlängerung der Registrierdauer
notwendig wird.
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Bei der in den F i g. 6, 7 und 8 dargestellten Vorrichtung ist der
in F i g. 3 ersichtliche Streifen 32 auf einer Achse 33 befestigt, welche einen
Stabmagneten 34 trägt. Zwei Metallplatten 37 und 38 dienen zur Halterung der mit
den Polschuhen 35 und 36 ausgerüsteten Elektromagneten sowie zur Lagerung der Achse
33. Zur Erregung der Magneten 35 und 36 dienen die Wicklungen 39 bzw. 40. Diese
Wicklungen werden so erregt, daß der Streifen 32 um seine Längsachse in zwei verschiedene
Lagen gedreht und dort jeweils für eine gewisse Zeit festgehalten wird.
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In einer dieser Lagen (F i g. 3) wirft der Streifen 32 einen größeren
Schatten als in der anderen Lage (Fig. 4). Ein zusätzlicher Elektromagnet mit den
Polschuhen 41 ist zum Festhalten des Streifens 32 in der in Fig. 5 dargestellten
Mittellage vorgesehen.
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Dieser Elektromagnet wird erregt, sobald die öff nung der Meßblende
31 unter einen vorgegebenen Wert sinkt.
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F i g. 9 zeigt eine Kammblende 42, welche zugleich als Meßblende
und als zweiter Unterbrecher verwendet ist. Die Kammblende 42 schwingt dazu, wie
durch den Doppelpfeil 43 dargestellt ist, um die mit 44 bezeichnete Mittellage mit
der Amplitude 45 hin und her, wobei 45 nur einen Bruchteil des gesamten Verstellweges
46 der Blende 42 ausmacht. Die Kammblende 42 kann sinusförmig oder rechteckförmig
um die Mittellage 44 schwingen, die der Abgleichstellung der Meßblende entspricht.
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Die in Fig. 10 mit 47 bezeichnete kammförmige Meßblende wird nicht
in Schwingungen versetzt, sondern sie wird durch den Servomotor 20 lediglich in
die Abgleichstellung 44 gebracht. Als zweiter Unterbrecher ist hier eine ebenfalls
kammförmige Blende 48 verwendet, welche, wie durch den Doppelpfeil 49 dargestellt,
mit einer Amplitude 50 um die Mittellage 44 schwingt, welche ebenfalls wieder kleiner
ist als der gesamte Verstellweg der Meßblende 47.