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Die
Erfindung betrifft einen Drehwinkelsensor für einen Stellantrieb zur Betätigung einer
Armatur, mit einer drehbar gelagerten Scheibe, die drehfest mit
einer Antriebswelle verbunden ist, aus einem transluzenten Material
besteht und mit einer Mehrzahl kreisförmiger konzentrischer Bahnen
versehen ist, die Abschnitte verminderter Lichtdurchlässigkeit oder
geringeren Lichtreflexionsvermögens – verglichen
mit anderen Abschnitten der jeweiligen Bahn – aufweisen, wobei jeder Bahn
mindestens ein lichtempfindliches Element zugeordnet ist, das durch
die Scheibe hindurch mit Licht von mindestens einer Lichtquelle
oder unter einem Ausfallwinkel über
der Scheibe mit unter einem Einfallwinkel einfallendem und reflektiertem
Licht von der Lichtquelle beaufschlagbar ist und in Abhängigkeit
der empfangenen Lichtintensität
ein Ausgangssignal erzeugt, wobei mittels einer Auswerteelektronik
aus der Kombination der Ausgangssignale der lichtempfindlichen Elemente
die Winkelstellung der Scheibe und des damit koppelbaren Stellantriebs
ableitbar ist.
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Im
Armaturbereich, insbesondere für
Stellantriebe, sind derartige Drehwinkelsensoren aus Kostengründen nicht
gebräuchlich,
allerdings wird z.B. von der Firma HEIDENHAIN ein Drehgeber hergestellt,
der ebenfalls eine drehbar gelagerte Scheibe aufweist, die mit einer
kreisförmiger
konzentrischer Bahnen versehen ist und die ein feines Strichgitter aufweist,
welches photoelektrisch abgetastet wird, wobei allerdings der Bahn
mehrere lichtempfindliche Elemente, insbesondere Photoelemente zugeordnet sind,
die durch die Scheibe hindurch mit Licht aus einer Lichtquelle in
Form einer Leuchtdiode beaufschlagbar sind, wobei das von der Lichtquelle
emittierte Licht zuvor von einem Kondensor gebündelt wird und durch eine Abtastplatte
hindurch strahlt. Die Abtastplatte ist in geringem Abstand zur drehbare
gelagerten Scheibe angeordnet und trägt vier Felder mit einer Gitterteilung
und ein Feld mit einer Referenzmarken-Teilung. Alle Felder werden
von dem durch den Kondensor parallel ausgerichteten Lichtbündel durchstrahlt,
wobei der Lichtstrahl je nach Drehung der Teilscheibe moduliert
und seine Intensität
von den Photoelementen hinter der Scheibe erfasst wird. Für Stellantriebe
ist der auf der Inkrementmesstechnik basierende HEIDENHAIN-Drehgeber
nicht ohne weiteres geeignet, da eine Absolutmessung der Scheibenposition
erst nach einem Referenzlauf durchführbar ist. Das ist beispielsweise
bei einer Stromabschaltung im Bereich von Sicherheitskreisläufen, wie
beispielsweise in Kühlkreisläufen bei Kernkraftwerken,
nicht optimal bzw. tolerierbar.
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Zudem
sind absolut messende Drehwinkelsensoren bekannt, bei denen die
Winkelposition als digitale Information auf der Scheibe enthalten
ist. Damit steht im Gegensatz zum HEIDENHAIN-Drehgeber nach dem
Einschalten, nach Stromunterbrechungen oder nach dem Überschreiten
der Grenzfrequenz die genaue Position als digitales Bit-Muster zur
Verfügung.
Die Scheibe ist in mehrere Bänder oder
Spuren aufgeteilt, die jeweils von einem optischen Sensor abgetastet
werden. Die Werte werden digitalisiert und können als Kodierung am Ausgang des
Drehwinkelsensors abgegriffen werden. Am häufigsten wird der einschrittige
Gray-Code verwendet, der prinzipiell in DUBBEL, Taschenbuch für den Maschienenbau,
14. Auflage, S. 1262 beschrieben ist und bei dem sich pro Messschritt
nur eine Code-Information ändert
und der daher leicht auf Übertragungsfehler
hin überwacht
werden kann. Verbreitet sind auch die Binär- und die BCD- Kodierung.
Sowohl inkrementale als auch absolute Impulsgeber sind in der Regel
mit optoelektronischer Abtastung erhältlich.
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Die
Auflösung
der Winkelposition wird bei bekannten Drehwinkelsensoren durch die
Strichzahl der Scheibe bestimmt. Die Scheibe ist entsprechend der
Auflösung
in eine bestimmte Anzahl von Schlitzen aufgeteilt, die an einem
Strichgitter vorbeigedreht werden. Dieses Strichgitter wird von
einer Lichtquelle (LED) beleuchtet. Ein lichtempfindlicher Fototransistor
hinter der Scheibe empfängt
die Lichtimpulse und wandelt diese in elektrische Signale um. Diese
Signale werden verstärkt
und in Rechteckimpulse umgeformt. Die Signalpegel hängen von
der nachgeschalteten Impulselektronik ab. Diese Elektroniken sind
im Regelfall in einen Geber integriert, können aber auch extern untergebracht
werden.
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Aufgrund
der feinen Unterteilung der Scheibe in massive Abschnitte und Schlitze
nach dem jeweilig verwendeten Code ist ein hoher Aufwand erforderlich,
die Scheiben so zu gestalten, dass keine Fehler in der Unterteilung
schon bei der Produktion der Scheiben oder während des Betriebs des Drehwinkelsensors
entsteht, etwa durch Grate oder Verschmutzungen, die die Schlitze überdecken.
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Der
Aufwand für
die Scheibenherstellung führt
zu erheblichen Herstellungskosten der Drehwinkelsensoren, so dass
diese nur für
besonders exakte Messungen in Bereichen genutzt werden, wo eine Geringhaltung
der Kosten nicht oberste Priorität
hat. Zudem muss zur Erreichung einer hohen Präzision eine aufwändige Linsenoptik
verwendet werden, welche ebenfalls zu hohen Herstellungskosten beiträgt.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, eine Code – Scheibe zu schaffen, die
erheblich kostengünstiger hergestellt
werden kann und dennoch hinreichend exakte Winkelmessungen erlaubt.
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Die
erfindungsgemäße Aufgabe
wird dadurch gelöst,
dass die eine geringere Lichtdurchlässigkeit aufweisenden Abschnitte
der Bahnen drucktechnisch aufgebracht sind oder alternativ, dass
die ein geringeres Lichtreflexionsvermögen aufweisenden Abschnitte
der Bahnen drucktechnisch aufgebracht sind.
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Die
Anwendung der Drucktechnik in diesem technischen Präzisionsbereich
erlaubt aufgrund der damit einhergehenden Reduktion der Kosten auf
einen Bruchteil der üblichen
Herstellungsaufwendungen die Erschließung völlig neuer Anwendungsfelder. Insbesondere
die Siebdrucktechnik hat sich in diesem Zusammenhang als effizient
und qualitativ hinreichend herausgestellt. Bei dem erfindungsgemäßen Drehwinkelgeber
kann auf besondere optische Linsen mit und ohne Vergütung und
andere technisch aufwändige
Optik-Komponenten völlig
verzichtet werden.
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Die
zum Bedrucken gewählte
Scheibe kann aus Kunststoffmaterial, insbesondere PVC oder PC, oder
aber aus Papier, Pappe, Holz, Metall, Glas oder irgendeinem anderen
Material bestehen, sofern es zum Bedrucken geeignet ist und eine
gewisse Stabilität
aufweist. Die Grenzen der Auflösung
der Winkelpositionen werden durch die Erfindung nicht erheblich
nach unten verschoben, da durch die Drucktechnik mit einer Auflösung von
z.B. 600 dpi noch genügend
feine Unterteilungen der Abschnitte der Bahnen erreichen werden
können,
als es durch mechanische, plastische und übrige Ausformungen der Code-Strukturen der Scheiben,
insbesondere durch Einätzen
der Bahnabschnitte, zumindest bei deren Massenproduktion möglich wäre. Damit
bilden die physikalischen Ausmaße
der optoelektronischen Elemente, die die Bahnen abtasten, die Grenzen
der Auflösung
der Winkelpositionen bei in Massenproduktion hergestellten Drehwinkelsensoren
mit drucktechnisch hergestellten Scheiben.
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Selbstverständlich können zwischen
den Extremen des quasi völlig
opaken und nicht reflektierenden Schwarzdrucks und eines Nichtbedruckens
der Scheibe alle Zwischenstufen gewählt werden, um die Intensitäten des
durchscheinenden bzw. reflektierten Lichtes in mehr als zwei Zuständen für eine entsprechende
Mehrinformation zu nutzen. Im übrigen
hätten
derartige Zwischenstufen in der bekannten massiven Ausführung der
Bahnen keine Entsprechung, jedoch ist die dem Binärsystem
entsprechende zweiteilige Ausführung
der Bahnen, also der Schwarzdruck und der unbedruckte Zustand, die
am einfachsten zu realisierende. Ebenso ist es durch Farbdruck möglich, Filter
zu schaffen, um bestimmte Spektralanteile des Lichtes auszublenden
oder passieren zu lassen und so bei entsprechenden lichtempfindlichen Elementen
ebenfalls einen Informationszuwachs zu erreichen. Doch wird man
erfindungsgemäß meist auf übliche filterlose
Scheiben bzw. Lichtquellen zurückgreifen,
die ein weites Lichtspektrum durchlassen bzw. emittieren können.
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In
einer Weiterbildung kann der Drehwinkelsensor so ausgebildet werden,
dass die Lichtquelle und die lichtempfindlichen Elemente auf einer
gemeinsamen Platine angeordnet sind und dass einer Lichtleiteinrichtung
das von der Lichtquelle emittierte Licht an die den lichtempfindlichen
Elementen auf der anderen Seite der Scheibe gegenüberliegenden
Orte leiten. Die platzsparende Verwendung lediglich einer Platine
führt zu
einer weiteren Einsparung bei den Herstellungskosten, da eine automatisierte
Standardbestückung
ermöglicht
wird.
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Eine
Weiterbildung ist, dass eine Lichtleiteinrichtung ein Mehrfachreflektor
ist. Die Lichtleiteinrichtung leitet das Licht von der Lichtquelle
zu der Scheibe. Durch die Ausführung
derLichtleiteinrichtung als Mehrfachreflektor kann das Licht sehr
viel kleinräumiger
als beispielsweise mittels eines einfachen Prismas geleitet werden.
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Eine
Weiterbildung ist noch, dass die lichtempfindlichen Elemente in
n Gruppen angeordnet sind, wobei die lichtempfindlichen Elemente
innerhalb der Gruppe nebeneinander angeordnet und den n-fachen Abstand
benachbarter Bahnen voneinander aufweisen, wobei n eine natürliche Zahl
größer oder gleich
2 ist. Durch eine derartige Anordnung der Gruppen kann weiterer
Platz gespart und der Drehwinkelsensor kleiner ausgeführt werden,
weil die Bahnen dichter neben einander liegen können als es die Baugröße der lichtempfindlichen
Elemente erlauben würde.
So wird beispielsweise eine erste innenliegende Bahn von dem ersten
lichtempfindlichen Element der ersten Gruppe und die benachbarte Bahn
von ersten lichtempfindlichen Element der zweiten Gruppe abgetastet.
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Eine
vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ist noch, dass die Lichtleiteinrichtung
eine Abdeckung, die auf der den lichtempfindlichen Elementen gegenüberliegenden
Seite der Scheibe angeordnet ist und parallel zu dieser verläuft, in
Durchbrüchen mittels
zapfenförmiger,
auf die lichtempfindlichen Elemente ausgerichteten Vorsprünge durchdringt und
damit das Licht zielgenau und ausschließlich durch einen lichtdurchlässigen Bereich
der jeweiligen Bahn auf das zugeordnete lichtempfindliche Element leitet.
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Die
Erfindung kann außerdem
dadurch weitergebildet werden, dass jeweils eine Gruppe von lichtempfindlichen
Elementen mit Licht aus einer separaten Lichtquelle beaufschlagbar
ist, wobei die unterschiedlichen Gruppen zugeordneten Lichtquellen phasenverschoben
betreibbar sind und die Signale der zugeordneten lichtempfindlichen
Elemente phasenverschoben auswertbar sind. Dadurch können die
Signale, welche die Zustände
der einzelnen lichtempfindlichen Elementen wiedergeben mit der Hälfte der Übertragungsleitungen
zu einem Prozessor übertragen
werden, als sonst benötigt
würden.
Zudem braucht der Prozessor auch nur die Hälfte der sonst benötigten Eingänge.
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Eine
weitere Möglichkeit,
die Erfindung vorteilhaft weiterzubilden, ist, dass die Scheibe
durch ihre Drehbewegung von einem an mindestens einer Seite anliegenden
Reinigungselement reinigbar und dadurch der Drehwinkelsensor nach
Inbetriebnahme völlig
wartungsfrei ist, da störungsträchtige Schmutzpartikelablagerungen
nicht zu befürchten
sind.
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Schließlich kann
eine Weiterbildung sein, dass die Scheibe auf vorstehenden Gleitelementen, insbesondere
ringförmigen
Erhebungen, gleitet. Hierdurch lassen sich die durch Reibung verursachten Abnutzungen
der Scheibe vollständig
auf die Gleitelemente begrenzen. Die Bedruckten und unbedruckten
Abschnitte der Scheibenbahnen, die sich auf der den Gleitelementen
gegenüberliegenden
Seite befinden, werden somit in keiner Weise durch Materialabtrag
beschädigt.
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Anhand
eines Ausführungsbeispiels,
dass in der Zeichnung dargestellt ist, soll der erfindungsgemäße Drehwinkelsensor
näher erläutert werden.
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Es
zeigt schematisch
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1 eine
perspektivische Ansicht eines Drehwinkelsensors (ohne Gray-Code-Scheibe),
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2 einen
Längsschnitt
durch den Drehwinkelsensor gemäß 1,
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3 eine
vergrößerten Aufsicht
auf den Drehwinkelsensor gemäß 1,
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4 einen
Ausschnitt des in 2 gezeigten Längsschnitts,
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5 eine
Aufsicht auf eine erfindungsgemäße Scheibe
mit aufgedrucktem Gray-Code zur Verwendung in dem in 1 gezeigten
Drehwinkelsensor,
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6 wie
in 1 den Drehwinkelsensor mit einer Lochblende, jedoch
ohne Abdeckung und Gray-Code-Scheibe,
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7 den
Drehwinkelsensor gemäß 6, jedoch
ohne die Lochblende
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Die 1 bis 4 zeigen
einen erfindungsgemäßen Drehwinkelsensor 1,
welcher während
des Betriebs eines hier nicht gezeigten Stellantriebs zur Betätigung einer
ebenfalls nicht gezeigten Armatur geeignet ist, eine exakte absolute
Winkelposition der Antriebswelle des Stellantriebs zu messen und
an ein Rechenwerk weiterzugeben.
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Der
Drehwinkelsensor 1 weist eine drehbar gelagerten Scheibe 2 auf,
die drehfest mit einer Antriebswelle 3 verbunden ist und
aus einem transparenten Material in Form von Plexiglas mit einer
Dicke von 0,5 mm besteht. Die Antriebswelle 3 ist dabei kraftschlüssig mit
einer nach außen
geführten,
hier nicht gezeigten, oberen Verlängerung einer Antriebswelle
des Stellantriebs verbunden.
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Kernstück des Drehwinkelsensors 1 ist
die nochmals in 5 gezeigte Scheibe 2 mit
aufgedrucktem Gray-Code, welcher aus zehn konzentrische Bahnen 4 besteht,
die durch ein Bedrucken mit schwarzer Farbe und durch ein entsprechendes
Freihalten von Farbe in lichtundurchlässige Abschnitte 5 und
lichtdurchlässige
Abschnitte 6 aufgeteilt sind.
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Der
Gray-Code ist ein inkrementaler, absolut codierter Parallelmaßstab, der
photoelektrisch von Lichtschranken 9, bestehend jeweils
aus einem lichtempfindlichen Element 7 in Form eines Fototransistors
und einer Lichtquelle 8 in Form einer Leuchtdiode, abgetastet
wird. Die Bahnen 4 des Maßstabs werden dabei von den
Lichtschranken 9 so abgelesen, dass sie sich wie die Potenzen
von Zwei verhalten. Entsprechend repräsentiert die erste außenliegende
Bahn 4' die
zehnte Potenz von Zwei und die nächst
dem Zentrum der Scheibe 2 gelegene Bahn 4" die Potenz
Null von Zwei. Selbstverständlich
betrifft die Erfindung auch andere Kodierungen wie die Binär- oder
die BCD-Kodierung.
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Anders
als bei Hochpräzisionsmessungen, bei
denen eine Auflösung
von 0,01 ☐m erreicht und pro Bahn 4 zwei Lichtschranken
verwendet werden, wird im Ausführungsbeispiel
nur eine Lichtschranke 9 pro Bahn genutzt, wobei im übrigen eine
Lichtquelle 8 für
fünf lichtempfindliche
Elemente 7 genutzt werden kann. Das führt zu einer Auflösung von
etwa 0,35 Grad und ist für
die exakte digitale Überwachung
der Drehwinkelposition von Stellantrieben für Armaturen eine bisher nicht
erreichte Genauigkeit.
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Der
Drehwinkelsensor 1 ist folgendermaßen aufgebaut:
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Auf
einer Grundplatte 10 befindet sich eine von dieser mittels
Abstandshaltern 11 beabstandete Platine 12, wie
sich insbesondere aus 4 ergibt. Neben den hier nicht
weiter beschriebenen Einrichtungen 13, 14, 15, 16 zur
Spannungumwandlung und Signalverarbeitung weist die Platine 12 eine
relativ mittig liegende Rundöffnung 17 auf,
durch die die Antriebswelle 3 geführt ist. Die Antriebswelle 3 ist
in einer Lagerbuchse 18 an der Grundplatte 10 gelagert und
weist eine Abflachung 19 auf, so dass die Scheibe 2 mittels
eines Vorsprungs 20 in einer Öffnung 21 formschlüssig und
drehfest mit der Antriebswelle 3 verbunden werden kann.
Die Lagerbuchse 18 dient neben den Abstandshaltern 11 ebenfalls
der Halterung der Platine 12.
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6 zeigt
insbesondere noch eine Lochblende 23, die Aussparungen 25, 26 zur
Durchführung
der lichtempfindlichen Elemente 7 und der Lichtquellen 8 aufweist
und die mit der Lagerbuchse formschlüssig verbunden ist. Zudem ist
die Lochblende 23 noch mit erhabenen Gleitelementen 24 versehen, auf
denen die Scheibe 2 gleiten kann. Die lichtempfindlichen
Elemente 7 besitzen eine Breite von 2,5 mm und können, da
sie in zwei Gruppen von je fünf Elementen
um eine Bahn 4 versetzt angeordnet sind, Bahnen 4 mit
einem Bahnabstand von nur 1,25 mm abtasten.
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Über die
lichtempfindlichen Elemente 7, die Lichtquellen 8,
die Lochblende 23, die Scheibe 2 und die Lagerbuchse 18 ist
eine balkenförmige
Abdeckung 27 aufgesteckt, welche zwei Lichtleiteinrichtungen 28 trägt und zwei Öffnungen 28' für die Lichtquellen 8 aufweist.
Die Abdeckung 27 gewährleistet, dass
kein unerwünschter
Lichteinfall auf die lichtempfindlichen Elemente 7 stattfindet.
In jeweils fünf Öffnungen 29 in
der Abdeckung 27 können
fünf transparente
zapfenförmige
Vorsprünge 30 der
Lichtleiteinrichtungen 28 passgenau eingesteckt werden.
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Jede
Lichtleiteinrichtung 28 wird von der zugehörigen Lichtquelle 8 beleuchtet
und reflektiert über
eine erste, in ihrer Ebene gegenüber
der Horizontalen um 45 Grad geneigte, verspiegelte Fläche 31 das
einfallende Lichtbündel
der Lichtquelle 8 um 90 Grad zur Mittelachse der Antriebswelle 3,
von wo es mittels fünf
weiteren verspiegelten Flächen 32,
deren Ebenen gegenüber
der ersten Fläche
um 90 Grad geneigt sind, nochmals um 90 Grad nach unten reflektiert
wird und durch die transparenten Vorsprünge 30 auf die jeweiligen
Bahnen 4 und schließlich – bei Vorliegen
transparenter Abschnitte 6 – durch die Scheibe 2 auf
die lichtempfindlichen Elemente 7 fällt, die einen der Lichtintensität umgekehrt
proportionalen Spannungsabfall verursachen. Zudem besitzt jede Lichtleiteinrichtung 28 mehrere
Sichtfenster 33, 34, 35, welche einerseits
zur seitlichen und oberen Sichtkontrolle der jeweiligen Lichtquelle 8 dienen
und andererseits eine Kennzeichnungsfunktion innehaben, da beide
Lichtleiteinrichtungen 28 nicht baugleich sind.
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Die
Lichtquellen 8 werden im Gegentakt betrieben, so dass jeweils
nur eine Gruppe von lichtempfindlichen Elementen 7 signaltechnisch
abgefragt zu werden braucht. Hierdurch wird eine doppelte Nutzung
der Eingänge
des die Signale auswertenden, hier nicht gezeigten Prozessors ermöglicht.
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- 1
- Drehwinkelsensor
- 2
- Scheibe
- 3
- Antriebswelle
- 4,
4', 4"
- Bahn
- 5,
6
- Abschnitt
- 7
- lichtempfindliches
Element
- 8
- Lichtquelle
- 9
- Lichtschranke
- 10
- Grundplatte
- 11
- Abstandshalter
- 12
- Platine
- 13–16
- Einrichtungen
- 17
- Rundöffnung
- 18
- Lagerbuchse
- 19
- Abflachung
- 20
- Vorsprung
- 21
- Öffnung
- 23
- Lochblende
- 24
- Gleitelement
- 25,
26
- Aussparung
- 27
- Abdeckung
- 28
- Lichtleiteinrichtung
- 28'
- Öffnung
- 29
- Öffnung
- 30
- Vorsprung
- 31,
32
- Fläche
- G1,
G2
- Gruppe
von lichtempfindlichen Elementen