DE2036690B2 - Vorrichtung zum feststellen der lage eines uebergangs im beleuchtungspegel - Google Patents

Description

S₁ + S₂ + Sj +

K'

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der opake Schirm (10) des Fühlers (1) drei äquidistante Spalte (11. 12, 13) enthält, hinter denen jeweils eine von drei Photozellen (14, 15, 16) angeordnet ist, und daß die Meßschaltung (20) einen Summierer (26) besitzt, der die halbe Summe Li ■') der von den beiden äußeren Photozellcn (14 und 16) abgegebenen Spannungen (S, und S₃) bildet und dem Differenzverstärker (27) zuführt, der diese halbe Summenspannung mit der von der mittleren Photozelle (15) abgegebenen Spannung (S₂) vergleicht und ein Signal an die Anzeigeeinrichtung (22) abgibt, wenn die verglichenen Spannungen einander gleich sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2. dadurch gekennzeichnet, daß der Fühler (1) auf dem Schwingarm (50) eines optischen Refraktometers angeordnet ist, das außerdem aus einem optischen Prisma (42). von dem eine Oberfläche (45) die lichtbrechende Fläche bildet und das ein Dachprisma (43) enthält, einem Mechanismus (52.53) zum Hin- und Herbewegen des um eine zur lichtbrechenden Fläche parallele Achse schwenkbare Schwingarmes (50) und einer Anzeigeeinrichtung (62 bis 65. 22) Tür die Lage des Schwingarmes (50) besteht, wobei der Schwingarm (50) außerdem eine Lichtquelle (55) und einen Kondensor (56), die ein auf die lichtbrechende Fläche unter einem mit der Schwenkung des Schwingarmes (50) variablen Winkel gerichtetes paralleles Lichtbündel (57) erzeugen, und ein Objektiv (58) zum Erzeugen eines Bildes für die dieses Lichtbündel (57) nach zwei Totalreflexionen an Jer lichtbrechenden Fläche und zwei Reflexionen im Dachprisma (43) begrenzende Trennlinie trügt, ferner Lichtquelle (55), Kondensor (56) und Objektiv (58) so angeordnet sind, daß die optische Achse des Kondensors (56) und die optische Achse des Objektivs (58) parallel zueinander und senkrecht zur Schwenkachse des Schwingarmes (50) verlaufen, weiter die Spalte (11, 12 und 13) des Fühlers (I) parallel zur lichtbrechenden Fläche verlaufen und der mittlere Spalt (12) in der Achse und in der Brennebene des Objektivs (58) oder in einer über einen ebenen Spiegel (60) dazu konjugierten Lage angeordnet ist und schließlich das Ausgangssignal des Differenzverstärkers (27) der Anzeigeeinrichtung (62 bis 65,22) für die Lage des Schwingarmes (50) zugeführt wird.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzeigeeinrichtung für die Lage des Schwingarmes (50) einen Impulsgenerator (62 bis 65) enthält, der bei jedem Schwingungszyklus eine der Auslenkung des Schwingarmes (50) proportionale Anzahl von Impulsen abgibt, wobei diese Impulse einem Zähler (22) über eine UND-Schaltung (31) zugeführt werden, die ihrerseits durch das Ausgangssignal des Differenzverstärkers (27) der Meßschaltung (20) gesteuert wird, indem dieses Ausgangssignal die UND-Schaltung (31) sperrt und die Zählung beendet.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Feststellen der Lage eines Übergangs im Beleuchtungspegel mit einem photoelekirischen Fühler, der aus einem opaken Schirm mit mehreren Spalten und je einer hinter jedem Spalt angeordneten Photozelle besteht, und mit einer Meßschaltung zum Vergleichen zweier aus den Ausgangssignalen verschiedener Photozellen abgeleiteter Spannungen.

In der USA.-Patentschrift 3 323 410 ist ein in dieser Art aufgebautes photoelektrisch arbeitendes Refraktometer beschrieben. Bei diesem bekannten Refraktometer sind hinter jeweils einem eigenen Spalt in einem opaken Schirm zwei Photozellen angeordnet, von denen die eine eine vom Brechungsindex der Untersuchungssubstanz unabhängige und die andere eine davon abhängige Beleuchtung erhält. In einer angeschlossenen Meßschaltung werden dann die Ausgangssignale der beiden Photozellen miteinander verglichen.

und aus dem Ergebnis dieses Vergleichs wird ein Maß für den interessierenden Brechungsindex gewonnen, wobei dieses Maß von Änderungen in der Allgemeinbeleuchlung unabhängig ist. Der photoelektrische Fühler des bekannten Refraktometers bleibt während der Messung selbst feststehend. Dies bedeutet aber, daß die Lage des Beleuchtungspegels nur innerhalb relativ kleiner Bereiche variieren darf, da andernfalls nicht mehr gewährleistet werden kann, daß die eine Photozelle eine konstante und insbesondere von der Untersuchungssubstanz unabhängige Beleuchtung erhält.

Ausgehend von diesem Stande der Technik liegt daher der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs erwähnten Art so auszubilden, daß sie sich auch bei solehen Anwendungsfällen einsetzen läßt, bei denen die Lage der interessierenden Änderung im Beleuchtungspegel innerhalb weiter Grenzen variieren kann.

Die gestellte Aufgabe wird erlindungsgcmüß da durch gelöst, daß der Fühler in über eine Anzeigeeinrichtung anzeigbarer Weise in Richtung der Bcleuchtiingspegeländerung verschiebbar ist, daß die Spalte im Schirm gleichen gegenseitigen Abstand und zur Riehtung der Deleuchtungspegeliinderung senkrechte Richtung aufweisen und daß die gleiche Kenngrößen aufweisenden Photozellen auf zwei Gruppen verteilt sind, deren durch die Anzahl K bzw. K' der ihnen jeweils angehangen Photozcllen geteilte Gesamtaus- ,0 gangsspannungen an den beiden Eingängen eines Differenzverstärkers der MeßschaHung anliegen, der immer dann ein Ausgangssignal an die Anzeigeeinrichtung für die Fühlerstellung abgibt, wenn Tür die Ausgangsspannungen S₁,5,... S_n der einzelnen Photo- ,₅ /eilen die Beziehung

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Die erfindungsgemäß ausgebildete Vorrichtung unterliegt keinerlei Beschränkungen Tür die Lage der festzustellenden Beleuchtungspegelgrenze und läßt sich daher beispielsweise außer in Verbindung mit Refraktometern auch Tür die Feststellung der Lage des Leuchtflecks eines Spiegelgalvanometers verwenden.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform für eine erfindungsgemäß ausgebildete Vorrichtung enthält der opake Schirm des Fühlers drei äquidistante Spalte, hinter denen jeweils eine von drei Photozellen angeordnet ist, und besitzt die Meßschaltung einen Summierer, der die halbe Summe ^S' -t.-Λ der von den

beiden äußeren Photozellen abgegebenen Spannungen .S₁ unfi S₃ bildet und dem Differenzverstärker zuführt, der diese halbe Summenspannung mit der von der mittleren Photozelle abgegebenen Spannung S₂ vergleicht und ein Signal an die Anzeigeeinrichtung abgibt, wenn die verglichenen Spannungen einander gleich sind.

Eine Weiterbildung der Erfindung in Verbindung mit ihrem Einbau in ein optisches Refraktometer ist dadurch gekennzeichnet, daß der Fühler auf dem Schwingarm des optischen Refraktometers angeordnet ist, das außerdem aus einem optischen Prisma, von dem eine Oberfläche die lichtbrechende Fläche bildet und das ein Dachprisma enthält, einem Mechanismus zum Hin- und Herbewegen des um eine zur lichtbrechenden Fläche parallele Achse schwenkbare Schwingarmes und einer Anzeigeeinrichtung Für die Lage des Schwingarmes besteht, wobei der Schwingarm außerdem eine Lichtquelle und einen Kondensor, die ein auf die lichtbrechendc Flache unter einem mit der Schwenkung des Schwingarmes variablen Winkel gerichtetes paralleles Lichtbündel erzeugen, und ein Objektiv zum Erzeugen eines Bildes für die dieses Lichtbündel nach zwei Totalreflexionen an der lichtbrechenden Fläche und zwei Reflexionen im Dachprisma begrenzende Trennlinie trägt, ferner Lichtquelle, Kondensor und Objektiv so angeordnet sind, daß die optisch? Achse des Kondensors und die optische Achse des Objektivs parallel zueinander und senkrecht zur Schwenkachse des Schwingarmes verlaufen, weiter die spalte des Fühlers parallel zur lichtbrechenden Fläche verlaufen und der mittlere Spalt in der Achse und in der Brennebene des Objektivs oder in einer über einen ebenen Spiegel dazu konjugierten Lage angeordnet ist und schließlich das Ausgangssignal des Differenzverstiirkers der Anzeigeeinrichtung für die Lage des Schwingarmes zugeführt wird. Dabei kann die Anzeigeeinrichtung für die Lage des Schwingarmes bevorzugt einen Impulsgenerator enthalten, der bei jedem Schwingungszyklus eine der Auslenkung des Schwingarmes proportionale Anzahl von Impulsen abgibt, wobei diese Impulse einem Zähler über eine UND-Schaltung zugeführt werden, die ihrerseits durch das Ausgangssignal des Differenzverstärkers der Meßschaltung gesteuert wird, indem dieses Ausgangssignal die UND-Schaltung sperrt und die Zählung beendet.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung und ihrer Vorteile soll nunmehr ein Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Vorrichtung an Hand der Zeichnung näher beschrieben verden. Dabei zeigt in der Zeichnung

F i g. 1 eine graphische Darstellung für die Kurvenformen, die sich üblicherweise für die Änderung des Beleuchtungspegels in einer eine optische Trennlinie bildenden Ubergangszone ergeben,

F i g. 2 eine schematisch gehaltene Darstellung für den Einsatz eines in erfindungsgemäßer Weise ausgebildeten Fühlers,

F i g. 3 ein Blockschaltbild für eine mit dem Fühler von F i g. 2 gekoppelte Meßschaltung und

F i g. 4 und 5 eine vereinfachte Darstellung für die Montage eines erfindungsgemäß gestalteten Fühlers auf dem Schwingarm eines optischen Refraktometers, wobei F i g. 4 eine Aufsicht auf diesen Schwingarm und F i g. 5 einen Schnitt durch diesen Schwingarm entlang der Schnittlinie V-V in F i g. 4 sind.

Bei Betrachtung der Kurvendarstellungen in F i g. 1 werden die Schwierigkeiten ohne weiteres deutlich, die sich bei einem bisher üblichen Fühler mit nur einer einzigen Photozelle ergeben, der dann anspricht, wenn die an den Klemmen der Photozelle abnehmbare Spannung eine vorgegebene Schwelle überschreitet.

Die Kurve C in Fig. I gibt die Werte für die Beleuchtungspegel E für das beobachtete Bild wieder, wobei die Verschiebung des Fühlers entlang der Richtung χ für die Beleuchtungspegeländerung erfolgt, und die Trennlinie erstreckt sich über den gesainten Bereich zwischen der Stelle x,, wo der Beleuchtungspegel seinen Minimalwert E₁ aufweist, und der Stelle X₂, ^wo der Beleuchtungspegel seinen Maximalwert E₂ erreicht. Definiert man dann den Zwischenwert E,, für den Beleuchtungspegel zwischen dem Minimalwert E, und dem Maximalwert E₂ als die übergangsschwelle. so ergibt sich für die Ablesung der Lage der Trennlinie ein Abszissenwert X₀. Tritt jedoch während der Messung eine von der beobachteten Erscheinung unabhängige zuR^;llige Änderung der Allgemeinbeleuchtung ein. die also normalerweise ohne Einfluß auf die Lage der Trennlinie ist, so geht die angenommene kurve C in die verschobene Kurve C über, und für die Lage der Trennlinie wird dann ein Abszissenwert x'_o abgelesen. Das gleiche gilt für eine zufällige Änderung des Beleuchtutigspegels, die beispielsweise nur dessen unteren Wert beeinflußt; die Ubergangskurve C geht dann in die verschobene Kurve C" über, und bei der Ablesung eines Ortes für die Trennlinie erhält man einen Abszissenwert x'q.

Betrachtet man nun F i g. 2, so sieht man, daß der Fühler aus einem Gehäuse 1 besteht, das zwischen Gleitschienen 2 verschoben werden kann und durch eine Kurbel 3 in eine hin- und hergehende Bewegung versetzbar ist, dis bei 4 an dem Gehäuse 1 und bei S an

einer mit einem Motor 7 gekoppelten Antriebsscheibe 6 angelenkt ist.

Das Gehäuse 1 besitzt eine Außenfläche, die einen opaken Schirm 10 bildet, in dem drei äquidistante Spalte 11. 12 und 13 von gleicher Breite vorgesehen sind. In dem Gehäuse 1 und gegenüber jeweils einem der drei Spalte 11. 12 und 13 sind drei Photozellen 14. 15 und 16 identischer Ausführung angeordnet.

Das Bild 18 der festzustellenden Trennlinie wird durch eine Optik 19 auf dem Schirm 10 des Gehäuses 1 entworfen. Die Photozellen 14. 15 und 16 sind elektrisch mit einer elektronischen Schaltung 20 verbunden, die ihrerseits mit einem an dem Motor 7 angeschlossenen Impulsgenerator 21 und mit einem Impulszähler 22 in Verbindung steht.

Die Einzelheiten im Aufbau der Meßschaltung 20 sind in F i g. 3 veranschaulicht. Jede der drei Photozellen 14. 15 und 16 ist mit jeweils einem von drei Anpassungsverstärkern 23, 24 und 25 verbunden. Die von den Anpassungsverstärkern 23 und 25 abgegebenen Signale S₁ bzw. S₃ gehören zu den beiden äußeren Photozellen 14 und 16, und diese Signale werden dem Eingang eines Summierers 26 zugeführt, der von üblicher Bauart beispielsweise auf Widerstandsbasis ist und ein Ausgangssignal abgibt, dessen Größe der haiben Summe seiner beiden Eingangswerte, also dem Ausdruck ^S't^S), entspricht. Ein Differenzverstärker

27 erhält einerseits das von dem zu der mittleren Photozelle 15 gehörigen Anpassungsverstärker 24 abgegebene Signal S₂ und außerdem das Ausgangssignal ?' t ^sj des Summierers 26 als Eingangssignale zugeführt. Dieser Differenzverstärker 27 ist so eingestellt, daß er seinen Zustand ändert, wenn die beiden 3s Eingangssignale einander gleich sind, also die Beziehung S₂ =

verwirklicht ist. über je einen

Umkehrverstärker 29 bzw. 30 werden das Ausgangssignal des Differenzverstärkers 27 bzw. das Ausgangssignal des Anpassungsverstärkers 25 den Eingängen einer UND-Schaltung 28 zugeführt. Die von dem Impulsgenerator 21 abgegebenen Impulse werden dem Impulszähler 22 über eine UND-Schaltung 31 zugeführt, die außerdem über einen Umkehrverstärker 32 mit dem Ausgangssignal der UND-Schaltung 28 gespeist wird.

Bei Beginn jedes Zyklus in der Hin- und Herbewegung des Gehäuses 1 vor dem Bild 18 der Trennlinie unter der Einwirkung des Motors 7 und der Kurbel 3 wird der Impulszähler 22 auf Null gestellt, und der Impulsgenerator 21 beginnt mit der Impulsaussendung. Diese Impulse passieren die UND-Schaltung 31, da sich der Ausgang des Umkehrverstärkers 32 auf niedrigem Potential befindet, und der Impulszähler 22 zeichnet diese Impulse auf.

Sind bei Beginn des Bewegungszyklus die drei Photozellen 14, 15 und 16 nicht beleuchtet, so haben die Ausgangssignale der drei Anpassungsverstärker 23, 24 und 25 den Wert Null. In diesem Fall ist die

Gleichung

= S₂ erfüllt Die UND-Schaltungen 28 und 30 verhindern dann eine Berücksichtigung der Information, wobei das hohe Potential am Ausgang des Umkehrverstärkers 30 die UND-Schaltung 28 sperrt. Wenn sich die drei Photozellen 14,15 und 16 vor der Trennlinie verschieben, steigt das Ausgangspotential der Verstärker 23, 24 und 25 an, und wenn die Gleichung '-^- · ?. = S₂ am Eingang des Differenzverstärkers 27 erfüllt ist. steigt dessen Ausgangspotential von dem Wert Null auf einen positiven Wert. Das Ausgangspotential des Umkehrverstärkers 29 nimmt ab, und das Signal passiert die offene UND-Schaltung 28 und bringt nach seiner Umkehr durch den Umkehrverstärker .12 die UND-Schaltung 31 zum Schließen, die daraufhin die Meßimpulse von dem Impulsgenerator 21 sperrt. Das zu diesem Zeitpunkt in den Impulszählern 22 festgehaltene Zählergebnis gibt dann die Lage der Trennlinie wieder.

Bei Betrachtung von F i g. 1 sieht man ohne weiteres, daß der Wert x. für den die Erfüllung der Gleichung

5₂ = ''*'·' erreicht ist. praktisch konstant bleibt.

selbst wenn sich die Kurve C infolge einer Änderung des Beleuchtungspegels im Bereich der Trennlinie zu den Kurven C" oder C" verändert.

In Fig. 4 und 5 sind die einzelnen Bauelemente für eine erfindungsgemäße Vorrichtung dargestellt, die in Verbindung mit dem Schwingarm eines Refraktometers zum Einsatz kommt.

Das dargestellte Refraktometer besitzt einen Behälter 40. in dessen eine Außenfläche ein optisches Prisma 42 eingefügt ist. von dem ein Teil ein Dachprisma 43 bildet. Der Behälter 40 bildet eine Küvette 44. deren Boden aus einer ebenen Oberfläche 45 des Klotzes 42 besteht. In die Küvette 44 wird eine Flüssigkeit 46. deren Brechungsindex gemessen werden soll, eingefüllt, und die Oberfläche 45 des Klotzes 42 bildet die lichtbrechende Fläche zwischen den Medien des Klotzes 42 und der Flüssigkeit 46.

In zwei miteinander fluchtenden Lagern 51 mit gemeinsamer horizontaler und zur Oberfläche 45 paralleler Achse ist ein Schwingarm 50 angelenkt. DeT Schwingarm 50 läßt sich durch einen von einem MotOT

53 angetriebenen Exzenter 52 in eine Schwingungsbewegung in einer Vertikalebene versetzen.

Auf dem Schwingarm 50 sind eine Lichtquelle 55 und ein optischer Kondensor 56 angebracht, die ein paralleles Lichtbündel 57 erzeugen, das eine im wesentlichen durch die Anlenkachse für den Schwingarm 50 hindurchgehende und dazu senkrechte Richtung aufweist. Parallel zum Kondensor 56 fängt ein Objektiv 58 das reflektierte Lichtbündel 59 auf, das ans dem einfallenden Lichtbündel 57 nach einer erstmaligen Totalreflexion an der Oberfläche 45, zwei Reflexionen im Inneren des Dachprismas 43 und einer zweiten Totalreflexion an der Oberfläche 45 entsteht Der Schwingarm 50 trägt außerdem einen Fühler 1, der aus drei Photozellen 14,15 und 16 besteht, die hinter einem opaken Schirm 10 mit drei äquidistanten Spalten 11,12 und 13 angeordnet sind. Unter Berücksichtigung des ebenen Umlenkspiegels 60 liegt der opake Schirm 10 in der Brennebene des Objektivs 58, wobei die Spalte 11,12 und 13 parallel zu der Oberfläche 45 verlaufen und der mittlere Spalt 12 in der Achse des Objektivs 58 liegt

Wenn der Schwingarm 50 hin- und herschwingt, bleiben das einfallende Lichtbündel 57 und das reflektierte Lichtbündel 59 zueinander parallel, jedoch ändert das reflektierte Lichtbündel 59, wenn der Einfallswinkel für das Lichtbündel 57 gegenüber der Oberfläche 45 nahe bei dem Winkel der Totalreflexion Hegt, sehr rasch seine Intensität, und das vom Objektiv 58 entworfene Bild enthält eine Übergangszone für den Lichtpegel. Außerdem verschiebt sich bei der Schwin-

24R?

gung des Schwingarmes SO das Bild dieser Trennlinie auf dem Schi.m 10.

Die drei Photozellen 14, 15 und 16 sind mit einer elektronischen Meßschaltung 20 verbunden, die der oben in Verbindung mit F i g. 3 beschriebenen Schalturrg analog ist. Die Änderung im Zustand des Differenzverstärkers 27, die dann auftritt, wenn das von der mittleren Photozelle 15 abgegebene Signal der halben Summe der von den beiden äußeren Photozellen 14 und 16 abgegebenen Signale gleich wird, gibt den Durchgang der theoretischen Trennlinie durch das Zentrum des Fühlers 1 wieder, und die entsprechende Stellung des Schwingarmes SO kennzeichnet den kritischen Einfallswinkel für das Lichtbündel 57 und stellt damit ein Maß für den gesuchten Brechungsindex dar.

In F i g. 4 und 5 besteht ein dem Impulsgenerator 21 von Fig. 2 analoger Impulsgenerator aus einer Photozelle 62, die über einen ebenen Ablenkspiegel 63 ein Lichtbündel zugeführt erhält, das durch einen Kondensor 64 von der Lichtquelle 55 abgenommen wird. Der Spiegel 63 und die Photozelle 62 sind auf zwei verschiedenen Gabelzweigen des Schwingarmes 50 angebracht, und zwischen diesen beiden Gabelzweigen ist ein Gitter 65 angeordnet, das fest mit dem Rahmen des Refraktometers verbunden ist, also bei der Schwingung des Schwingarmes 50 fest stehenbleibt. Das Gitter 65 besteht aus einer transparenten Platte, die in gleichmäßigen Abständen opake Streifen trägt. Wenn der Schwingarm 50 oszilliert, wird die Belichtung der Photozelle 52 durch das von der Lichtquelle 55 ausgehende Lichtbündel bei jedem Durchgang eines opaken Streifens des Gitters 65 unterbrochen, und das Ausgangssignal der Photozelle 62 nimmt die Form einer Folge von Impulsen an, die wie bei dem Beispiel von F i g. 3 in einem Impulszähler 22 registriert werden, bis die UND-Schaltung 31 durch das Ausgangssignal des Differenzverstärkers 27 gesperrt wird. Bei jedem Zyklus zeigt auf diese Weise der Impulszähler 22 die Stellung des Schwingarmes 50 an, die dem kritischen Einfallswinkel entspricht.

Das dargestellte Ausführungsbeispiel arbeitet mit drei Photozellen 14, IS und 16 im Fühler 1, jedoch kann ein erfindungsgemäß ausgebildeter Fühler auch Photozellen in anderer Anzahl enthalten; wobei diese Anzahl zweckmäßig um so größer wird, je ausgedehnter die Ubergangszone Tür den variablen Beleuchtungspegel ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen 209531/33

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Claims (1)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Feststellen der Lage eines Übergangs im Beleuchtungspegel mit einem photoelektrischen Fühler, der aus einem opaken Schirm mit mehreren Spalten und je einer hinter jedem Spalt angeordneten Photozelle besteht, und mit einer Meßschaltung zum Vergleichen zweier aus den Ausgangssignalen verschiedener Photozellen abgeleiteter Spannungen, dadurch gekennzeichnet, daß der Fühler (1) in über eine Anzeigeeinrichtung (22) anzeigbarer Weise in Richtung der Beleuchtungspegeländerung verschiebbar ist, daß die Spalte (11, 12, 13) im Schirm (10) gleichen gegenseitigen Abstand und zur Richtung der Beleuchtungspegeländerung senkrechte Richtung aufweisen und daß die gleiche Kenngrößen aufweisenden Photozellen (14, 15, 16) auf zwei Gruppen (z. B. 14 und 16; 15) verteilt sind, deren durch die Anzahl K bzw. K' der ihnen jeweils angehörigen Photozellen (14 bis 16) geteilte Gesamtausgangsspannungen an den beiden Eingängen eines Differenzverstärkers (27) der Meßschaltung (20) anliegen, der immer dann ein Ausgangssignal an die Anzeigeeinrichtung (22) für die Fühlerstellung abgibt, wenn für die Ausgangsspannungen S₁, S₂. ■ .S_n der einzelnen Pi.otozellen (14, 15, 16) die Beziehung