DE2022546A1 - UEberwachungsvorrichtung - Google Patents

Description

HÖGER -.-STELLRECHT - GR1ESSBACH - HAECKER

PATENTANWÄLTE IN STUTTGART

k 38 190 m ' ·

6.5.1970

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Frazer-Nash Williamson Limited

Biirgoine House, Lower Teddington Road, Hampton Wick -Kingston Upon Thames, Surrey, England

überwachungsvorrichtung

Die Erfindung betrifft eine überwachungsvorrichtung, insbesondere zum Peststellen von Objekten innerhalb bestimmter Zonen»

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Vorrichtung zur Feststellung solcher Objekte vorzuschlagen, welche Strahlung .reflektieren oder einen strahlungsfluß unterbrechen.

Gemäß der Erfindung wird eine Vorrichtung zum Peststellen von Objekten vorgeschlagen, die folgende Merkmale umfaßt:

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Einen Spiegel, eine Strahlenquelle, die so angeordnet ist, daß ein Strahlenbündel aus ihr auf den Spiegel fällt; eine Einrichtung, die den Spiegel um eine Achse in Drehung versetzt, so daß das vom Spiegel reflektierte Strahlenbündel eine bestimmte Raumzone abtastet, und einen photoelektrischen Wandler, der die aus der abgetasteten Zone reflektierte Strahlung empfängt und sie in elektrische Signale umwandelt, die ihrerseits für die Anwesenheit und/oder die Lage von Objekten in dem abgetasteten Raum charakteristisch sind.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, wird als Strahlung sichtbares Licht und ein reflektierendes Band einer solchen Art verwendet, daß es einen hohen Anteil des einfallenden Lichtes parallel zur Einfallsrichtung zurückwirft. Dieses Band ist entlang der abgetasteten Zone angeordnet, so da£ das abtastende Strahlenbündel in den Wandler zurückreflektiert wird.

Die nachstehende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung dient im Zusammenhang mit beiliegender Zeichnung der weiteren Erläuterung.

Es zeigen:

Fig. 1 eine teilweise schematische Draufsicht einer ersten bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung:

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Fig. 2 ein Band, wie es bei der Ausführungsform gemäß Pig. 1 verwendet werden kann;

Fig. 3 Wellenforinen verschiedener Signale, die in der Vorrichtung gemäß Fig. 1 auftreten;

Fig. 4 eine abgewandelte Ausführungsform;

Fig. 5 ein bei der Aus f ührungs form gemäß Fig. 4 verwendetes Band und

Fig. 6 eine weitere abgewandelte Ausführungsform der Erfindung.

Fig. 1 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung, die sich insbesondere für die Entdeckung unbefugter Eindring^- linge in Schützzonen eignet. Das Bezügszeichen 1 bezeichnet eine Lichtquelle, die beispielsweise eine 100 Watt/10 Volt-Quarz-Jod-Lampe sein kann und im Betrieb mit sieben Volt, sieben Ampere brennt, so daß etwa fünfzig Watt abgegeben werden. Das Licht aus der Lichtquelle .1 verläuft entlang der Linie 2 durch eine Kondensorlinse 3 zu einem Spiegel 4. In der in Fig. 1 dargestellten Stellung des Spiegels k wird die Strahlung in Richtung der Linie 5 reflektiert, wo sie auf ein reflektierendes Band 6 auftrifft, das seinerseits mit seiner Längsachse in der Ebene der Linien 2 und 5 liegt, d.h., in der Zeichenebene der Fig. 1. Das reflektierende "Band ist von solcher Art, daß es einen hohen Anteil des auftreffenden Lichtes in Richtung des einfallenden Strahles zurückreflektiert. Ein hierfür geeignetes Band ist beispielsweise das von

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der 3M-Company unter dem Handelsnamen "Scotch" hergestellte Band. Der Spiegel ¹J rotiert um eine Achse senkrecht zur Zeichenebene, wie dies durch den ausgezogenen Pfeil in Fig. 1 dargestellt is* . lie Rotation erfolgt im Uhrzeigersinn. Hierdurch wird das zur Linie 5 parallele Lichtbündel veranlaßt, in Richtung des gestrichelt gezeichneten Pfeiles den gesamten Raum abzutasten, wobei es über das Band 6 hinwegstreicht. Gleichgültig, wo das Lichtbündel auf das Band 6 auftrifft, stets wird ein beträchtlicher Anteil des auftreffenden Lichtes entlang der Linie 5 zurückreflektiert, wie dies durch das Bezugszeichen 7 angedeutet ist. Nach der Reflektion am Band oder Streifen 6 wird das zurückfallende Licht über den Spiegel k durch die Kondensorlinse 3 hindurch in einen Photo-Transistor 8 zurückgeworfen. Wenn der Spiegel ²J lediglich auf einer Seite eine, z.B. durch Versilberung entstände, Spiegelschicht aufweist, werden für jeden halben Umlauf des Spiegels keine Lichtsignale vom Band 6 aufgenommen; bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung trägt infolgedessen der Spiegel ¹I auf beiden Seiten eine, z.B. durch Versilberung entstandene, Spiegelschicht, so daß dann, wenn der von der einen Spiegelfläche reflektierte Strahl nicht mehr ausgenutzt werden kann, das von der anderen Spiegelfläche zurückgeworfene Lichtbündel zur Verfügung steht.

Das Aussehen des Bandes oder Streifens 6, wie es sich in Blickrichtung parallel zur Linie 5 darstellt, ist in Fig. 2 gezeichnet. Ein Hindernis oder dergl. ist durch das Bezugszeichen 9 symbolisch angedeutet. Wenn die erfindungsgemäße

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Anordnung dazu benutzt wird, einen unbefugten Eindringling in einer Schutzzone festzustellen, so stellt das in Fig. 2 eingezeichnete Hindernis 9 diesen Eindringling dar. Das Hindernis 9 hat die Wirkung, daß es die Intensität des reflektierten Lichtes beträchtlich reduziert, wenn das Strahlenbündel Über den betreffenden Teil des abgetasteten Raumes hinwegstreicht, weil dann jener Liehtanteil nicht mehr vom Band 6 zurückgeworfen werden kann. .

Die Pig. 3a zeigt die Wellenform des Signales a., wie es am Ausgang des Photo-Transistors 8 und in einer Leitung a auftritt. Die großen Impulse 10 entsprechen dem großen Signal, welches ..'-erzeugt wird, wenn der Photo-Transistor 8 das direkt vom Spiegel 4 reflektierte Licht aus der Quelle 1 empfängt. Dies ist der Fall, wenn der Spiegel 4 senkrecht zur Linie 2 steht. Im Zeitpunkt 11 (Fig. 3a) trifft der parallel zur Linie 5 verlaufende Strahl zum ersten Mal auf das Band '65 hierdurch steigt das vom Photo-Transistor 8 empfangene Lichtsignal wieder beträchtlich an. Im Zeitpunkt 12 trifft das Strahlenbündel auf das Hindernis 9» wodurch die vom Photo-Transistor 8 empfangene Lichtintensität vorübergehend reduziert wird. Im Zeitpunkt 13 verläßt die "Strahlung das Ende des Bandes 6. Zur Feststellung eines unbefugten Eindringlings in die abgetastete Schutzzone ist es erforderlich, den bei 12 auftretenden Impuls zu identifizieren. Die im Nachstehenden beschriebene Schaltung dient dazu, diesen Impuls von der in Fig» 3a gezeichneten Wellenform zu separieren.

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Ein zweiter Lichtwandler, z.B. ebenfalls in Gestalt eines Photo-Transistors 1*1, ist in solcher Stellung angeordnet, daß der entlang der Linie 5 vom Spiegel 4 reflektierte Strahl über ihn hinwe^.st^eicht, bevor er bei seinen aufeinanderfolgenden Abtastbewegungen jeweils auf das Band 6 auftrifft. Der Photo-Transistor 1*} ist an eine monostabile Schaltung 15 angeschlossen, die ihrerseits mit einer 2-Tor-Schaltung 6 verbunden ist, deren anderer Eingang über einen Verstärker 17 mit dem Photo-Transistor 8 in Verbindung steht. Der Ausgang der monostabilen Schaltung 15 ist weiterhin über einen Inverter 18 mit dem Eingang einer weiteren 2-TorrSchaltung verbunden, deren anderer Eingang an den Ausgang der Torschaltung 16 angelegt ist. Der Ausgang Mer Torschaltung 19 ist über eine monostabile Schaltung 20 mit dem Eingang einer dritten 2-Tor-Schaltung 21 verbunden,, deren anderer Eingang direkt an den Aasgang der Torschaltung 19 angeschlossen ist.

Wenn der vom Spiegel 4 reflektierte Strahl 5 entlang der Linie seine Abtastung ausführt, trifft er, bevor er das Band 6 erreicht, auf den Photo-Transistor Ik. Der dadurch hervorgerufene Impuls dient dazu_s die monostabile Schaltung 15 zu triggerru Die Schaltung 15 ist dabei so ausgebildet, daß sie einen Impuls erzeugt, dessen Dauer etwas länger als diejenige Zeit ist j die verstreicht, bis der Tastscrahl das {in Fig. 1) untere Ende des Bandes β wieder verläßt. Dieses Signal b ist in Fig. 3b dargestellt» Durch das Anlagen der Signale a und b an die Torschaltung 1β wird der große Impuls IO ausgeschaltet, so daß die in Pig» 3c dargestellte Wellenform c übrig

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bleibt. In der Torschaltung 19 wird eine zum Signal b inverse Form mit der Wellenform c (aus der Torschaltung l6) kombiniert, wodurch die in Fig. 3d dargestellte Wellenform d entsteht. Die vordere Kante 22 der Wellenform d (aus der Torschaltung 19) dient dazu, die monostabile Schaltung 20 zu triggern, so daß der in Fig. 3e dargestellte Impuls e entsteht, dessen Dauer etwas kürzer als die Dauer der Abtastung des Bandes 6 ist. Diese Wellenform wird mit der Wellenform d in der Torschaltung 21 kombiniert, wodurch das in Fig. 3f dargestellte Signal f entsteht. Dieses Signal f ist nunmehr ein Einzelimpuls, der für die Anwesenheit des Hindernisses 9 charakteristisch, ist und dazu ausgenutzt werden kann, in beliebiger Weise Alarmsignale oder dergl. auszulösen.

Die in Fig. 4 gezeigte Anordnung eignet sich besonders zur Entfernungsmessung, beispielsweise im Zusammenhang sit- der überwachung oder Steuerung von Werkzeugmaschinen. Bei dieser Anordnung sind zwei Objekte vorgesehen, die den abtastenden und reflektierten Strahl unterbrechen'. Diese beiden Objekte sind dem Einzelhindernis 9 der Vorrichtung ger.äS ?ig. 1 und äquivalent. Eine.s dieser Objekte wird so befestigt, daS es ein Bezugsobjekt darstellt. Das andere Objekt ist beweglich und wird hierzu beispielsweise mit dem Werkzeug verbunden, dessen Stellung überwacht und/oder gesteuert werden soll. Der Zweck der Anordnung aus Fig. 4 liegt darin, die Entfernung zwischen

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den/ Bezugsobjekt und dem beweglichen Objekt zu messen. Das Bezugsobjekt 23 ist in Fig. 5/ zusammenmit dem beweglichen Objekt 2k dargestellt. Die Gesamtanordnung enthält wieder die

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Vorrichtung gemäß Pig. 1. Da es jedoch nicht ausreicht, lediglich die Anwesenheit eines Objektes festzustellen, wird der Ausgang der Torschaltung 21 mit einer in Fig. 4 dargestellten Eingangsklemme 25 verbunden. Bei Verwendung eines Bandes gemäß Fig. 5 besitzt das an der Klemme 25 erscheinende, aus der Torschaltung 21 stammende Ausgangssignal die in Fig. 3g dargestellte Form. Dieses Signal umfaßt zwei Impulse, die dem Bezugsobjekt bzw. dem beweglichen Objekt entsprechen. Das bei 25 erscheinende Signal wird über eine Differentiationsschaltung 27 geleitet, um die vorderen Kanten der Impulse scharf zu machen. Anschließend wird das Signal an eine bistabile Schaltung 26 angelegt, die in der Weise ausgebildet ist, daß sie durch den ersten Impuls eingeschaltet wird, während ein zweiter Impuls ihre Abschaltung bewirkt. Hierdurch entsteht ein Impuls, dessen Dauer dem zeitlichen Abstand der beiden Impulse und somit der Entfernung zwischen dem Bezugs- und dem beweglichen Objekt entspricht. Ein Oszillator mit fester Frequenz, beispielsweise 10MHz, dient als Zeitmesser. Der Ausgang dieses Oszillators und der Ausgang der bistabilen Schaltung 26 werden an eine 2-Tor-Schaltung 29 angelegt. Der Ausgang dieser Torschaltung stellt sich als Schwingungsfolge dar, wobei die Anzahl der Schwingungen in dieser Folge der zwischen den beiden Impulsen gelegenen Zeit entspricht. Die Schwingungsfolge wird an einen Digitalzähler 30 angelegt, welcher eine Zahl registriert, die für die Entfernung zwischen dem Bezugs- und dem beweglichen Objekt charakteristisch ist. Die vom Zähler gelieferte Angabe kann in bekannter Weise dazu ausgenutzt werden, um bei einer Werkzeugmaschinensteuerung ein Werkzeug in der erforderlichen Stellung zu positionieren.

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Für den Fachmann liegen zahlreiche Abwandlungen der im Voranstehenden beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung ohne weiteres auf der Hand. Wenn es. beispielsweise erforderlich ist, eine Information über die Stellung eines Gegenstandes in zwei Dimensionen zu erhalten, wird der reflektierende Streifen oder das reflektierende Band 6 durch ein Blatt oder eine flächige Schicht aus reflektierendem Material ersetzt. Weiterhin wird eine weitere Abtastvorrichtung vorgesehen, um die zweite Dimension abzutasten.

Man erkennt auch, daß die Entfernungsangabe, wie sie von dem Digitalzähler 30 erzeugt wird, eine Tangensfunktion der linearen Entfernung zwischen dem Bezugs- und dem beweglich Objekt ist. Ein Verfahren, um diesen möglichen Nachteil zu überwinden, ist gestrichelt in Fig. 1 angedeutet: Ein zweites reflektierendes Band β¹ ist auf derjenigen Seite des aus der Quelle 1 austretenden Strahles vorgesehen, die dem Band 6 gegenüberliegt. Man erkennt, daß der entlang der Linie 5 verlaufende Strahl auf einem Teilstück seiner Drehbewegung das Band 6 und auf einem weiteren Teilstück seiner Drehbewegung das Band 6¹ abtastet. In Zusammenhang mit dem Band 6' können Indikationen der angestrebten Position des Werkstückes dadurch vorgenommen werden, daß das Band 6' an einer Bezugsstelle und einer Stelle, die der gewünschten Position des Werkzeuges entspricht, abgedeckt wird. Eine Torschaltung kann dann dazu verwendet werden, um die dem Band 6 entsprechenden Signale von den durch das Band 6' ausgelösten Signalen zu separieren. Die Stromkreise aus Fig. ²J können verdoppelt werden,

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so daß der eine Digitalzähler eine Anzeige der Entfernung zwischen einem Bezugspunkt und dem zu steuernden Werkzeug und der andere Digitalzähler eine im Maß gleiche Anzeige der gewünschten Entfernung zwischen dem Bezugspunkt und dem Werkzeug liefert. Ein das Werkzeug steuernder Servo-Mechanismus wird in der Weise gesteuert, daß die Zählungen an den beiden Digitalzählern abgeglichen sind.

Bei der oben beschriebenen Anordnung wird während der Abtastung ein Lichtbündel auf einem reflektierenden Band entlanggeführt. Das von dem Band reflektierte Licht, welches beim Vorbeilaufen des Taststrahies über das Bezugsobjekt und das bewegliche Objekt jeweils unterbrochen wird, wird von einem Phototransistor aufgenommen. Das hieraus resultierende elektrische Signal wird so weiterbehandelt, daß sich aus ihm eine Anzeige der Entfernung zwischen den beiden Objekten herleiten läßt.

Bei einer abgewandelten Ausführungsform der Erfindung entfällt das reflektierende Band 6, und es werden Streifen eines ähnlich reflektierenden Materials am Bezugsobjekt und am beweglichen Objekt befestigt. Dies hat die Wirkung, daß die Anwe- senheit der Objekte jeweils durch Maxima der reflektierten Lichtintensität angezeigt wird, anstatt durch Intensitätsabnahmen des reflektierten Lichtes ₃ wie sie bei den zuvor beschriebenen Anordnungen, auftreten. Das Ergebnis hiervon ist, daß die in Fig. 3g dargestellte Wellenform mit umgekehrtem Vorzeichen verläuft und die Gegenstände durch "negative"

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Impulse an Stelle von "positiven" Impulsen dargestellt werden. Die elektrische Schaltung wird in diesem Fall in an sich bekannter Weise modifiziert, um jener Vorzeicheninversion Rechnung zu tragen. Die Entfernung der beiden Objekte wird ähnlich, wie zuvor beschrieben, bestimmt.

Die verschiedenen Modifikationen der Anordnung gemäß Fig. 1 bis ¹I, wie sie eingangs beschrieben wurden, lassen sich in gleicher Weise auch auf die Anordnung anwenden, wie sie im voranstehenden Absatz erläutert wurde.

Bei der in Fig. 6 dargestellten Abwandlung einer erfindungsgemäßen Abtastvorrichtung sind Teile, die denjenigen in Fig. 1 entsprechen, mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Bezugszeichen 1 bezeichnet die Lichtquelle. Das Licht aus der Lichtquelle 1 gelangt entlang der Linie 2 über die Kondensorlinse 3 zum Spiegel 4 und wird von diesem entlang der'Linie reflektiert, so daß es schließlich auf das reflektierende Band 6 trifft. Bei der in Fig. 1 dargestellten Anordnung rotiert der Spiegelk umoeine Achse, die senkrecht zur Zeichenebene steht. Bei der Anordnung gemäß Fig.6 rotiert der Spiegel ¹I hingegen um eine Achse 101, die in der Zeichenebene liegt und mit der Achse des aus der Lichtquelle 1 austretenden Lichtbündels vor dessen Reflexion am Spiegel Ά zusammenfällt oder zu dieser Achse parallel ist. Das vom Spiegel ¹J reflektierte Lichtbündel überstreicht somit einen kreisförmigen Weg senkrecht zur Zeichriungsebene und trifft auf das re-

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flektierende Band 6 auf, welches seinerseits entlang diesem kreisförmigen Weg liegt und in Fig. 6 an zwei Stellen eingezeichnet ist, wo es die Zeichenebene schneidet. Das Lichtbündel kann dabei einen Abtastweg über volle 36O⁰ ausführen, so daß keine Blindstellen vorhanden sind, wie sie bei der Anordnung gemäß Fig. 1 auftreten können.

Der Zeit-Bezugsimpuls kann bei der Anordnung gemäß Fig. 6 durch den zweiten Lichtwandler lH in der in Fig. 1 dargestellten Weise erzeugt werden. Bei einer bevorzugten Ausführungsform, wie sie in Fig. 6 eingezeichnet ist, werden die Zeit-Bezugsimpulse jedoch in anderer Weise erzeugt. Der zweite Lichtwandler Ik ist nunmehr hinter dem Spiegel k angeordnet. Ein kleiner Bereich des Spiegels 4 ist nicht verspiegelt, so daß das Licht direkt hindurchtritt und auf den Lichtwandler 1'I fällt, und zwar bei jeder Umdrehung des Spiegels ¹I einmal. Auf diese Weise entsteht bei jedem Umlauf des Spiegels ein Bezugsimpuls für die Zeitgeberschaltung.

Bei den im Voranstehenden beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung wurde sichtbares Licht für das Abtastbündel verwendet. Es ist jedoch offensichtlich, daß jede andere Strahlungsform bei der Verwirklichung der Erfindung benutzt werden kann, wenn diese Strahlung nur entlang einer geraden Linie ausgerichtet werden kann und geeignete Strahlungsquellen, Reflektoren und Wandler zur Verfügung stehen.

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Claims (1)

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   überwachungsvorrichtung zum Peststellen von Objekten, ge- ~ ^ kennzeichnet durch eine Strahlungsquelle (1), aus der ein Strahlenbündel (2) auf einen rotierenden Spiegel (4) fällt und von da als Abtastbündel (5) in eine zu überwachende Zone reflektiert wird, sowie durch einen fotoelektrischen Wandler (8), der die aus der abgetasteten Zone zurückgeworfene Strahlung (75 empfängt und elektrische Signale (12) erzeugt, die die Anwesenheit und/oder Position von Objekten (9, 23» 24) in der abgetasteten Zone anzeigen.

   2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Strahlung sichtbares Licht verwendet ist.

   3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß entlang der abgetasteten Zone ein Streifen oder ein Band (6) aus einem Material angeordnet ist, welches den größten Anteil des Lichtes in der Richtung reflektiert, in der es einfällt.

   k. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Streifen (6) aus einem Material, welches den größten Anteil des einfallenden Lichtes in Einfallsrichtung reflektiert, ' auf einem zu überwachenden Objekt angeordnet ist.

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   5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotationsachse des Spiegels (4) senkrecht zur Achse de~ auf den Spiegel (4) auftreffenden Strahlenbündel (2, 7) steht.

   6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-3» dadurch gekennzeichnet, daß die Rotationsachse des Spiegels (4) parallel zur Achse des auf den Spiegel auftreffenden Strahlenbündels (2) liegt.

   7. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Spiegel (4) an seinen beiden entgegengesetzten Oberflächen reflektierend ausgebildet ist.

   8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2-6, dadurch gekennzeichnet, daß der fotoelektrische Wandler (8) ein Foto-Transistor ist.

   9. Vorrichtung nach Anspruch 3» gekennzeichnet durch eine Schaltung (15 - 21) zur Peststellung von Unterbrechungen des auf den Wandler (8) auftreffenden Lichtes.

   10. Vorrichtung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine Schaltung (15 - 21) zur Feststellung des auf den Wandler (8) auftreffenden Mchtes.

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   11. Vorrichtung nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch eine Zeitgeberschaltung (26- 30), die die Zeit zwischen zwei aufeinander folgenden Lichtunterbrechungen anzeigt, umso die Entfernung zwischen zwei die Lichtunterbrechung verursachenden Objekten (23, 2¹O zu messen.

   12. Vorrichtung nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch eine Zeitgeberschaltung (26- 30), die die Zeit zwischen zwei aufeinander folgenden, auf den Wandler (8) auftreffenden Lichtsignalen anzeigt, um so die Entfernung zwischen zwei Objekten zu messen.

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