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nnwort: "OberflEchenfehler bei bahnförmigen itaterialien" Verfahren
und Vorrichtung zur Ermittlung von Oberflächenfehlern bahnförmiger Materialien Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und Vorrichtungen zur Durchführung des Verfahrens
zur laufenden Ermittlung von Oberflächenfehlern bahnförmiger Materialien mit Hilfe
von quer zur Bewegungsrichtung der Bahn nebeneinander angeordneten optisch-elektrischen
Abtastelementen.
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3ei der Fertigung und Verarbeitung bahnrörmiger Materialen, wie .B.
Papier, Fließstoffe, Textilien, Folien, Metallbleche u.ä., Lst es notwendig, auftretende
Oberflächenfehler nach Art und Anzahl :u erfassen, um möglichst bereits während
der Fertigung oder der rerarbeitung korrigierende Eingriffe oder das Aussortieren
von feherhaften Stücken vorzunehmen.
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5 sind bereits Verfahren bekannt zur Prüfung von Oberflächen bahn-'örmiger
Materialien, und zwar durch mechanisches Abfühlen und auch urch optisch-elektrische
Abtastung. Durch mechanische Abtastung tonnen Erhebungen und Vertiefungen der Materialoberfläche,
wie Knoen, Risse, Knicke und ähnliche Fehler, und durch optisch-elektriche Abtastung
können darüber hinaus noch Flecken in der Oberfläche er Bahnen, z.B. Verfärbungen,
abgefühlt und erkannt werden. Die ehlerstellen werden durch geeignete Beleuchtung
und Reflexwirkungen
in Helligkeitsänderung bzw. Schattenwirkungen
überführt und von den optischen Abtastorganen als Helligkeitsänderung registriert.
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Geräte, mit deren Hilfe solche Oberflächenfehler ermittelt werden,
sind beispielsweise in "Wochenblatt für Papierfabrikation11, 19/1970 und "Das Papier1,,
9/1970 beschrieben. Diese Geräte benutzen als Abtastelemente eine Vielzahl von Fotodioden
oder Fotoelementen, die in einer Reihe quer zur Laufrichtung der zu prüfenden Bahn
eng nebeneinander angeordnet sind, und von denen Jedes nur einen schmalen Längsstreifen
der Materialbahn prüft. Das Sichtfeld jedes einzelnen Abtastelementes ist eine Kreisfläche.
Die Erkennbarkeit eines Fehlerfleckes ist aber abhängig von dem Verhältnis der Fläche
des Flek kes zur Fläche des'Sichtfeldes. Für Jede Größe des Sichtfeldes gibt es,
die Empfindlichkeit des Abtastelementes einbezogen, eine Fleckgröße, die gerade
noch erkannt wird, d.h., wenn kleine Fehlerflecke ermittelt werden sollen, dürfen
die Sicht felder nur so groß sein, daß das Flächenverhältnis noch auswertbare Werte
ergibt. Daher wähl man kleine Sichtfelder, wodurch sich aber die Anzahl der erforderlichen
Abtastelemente erhöht, Dies ist nachteilig und wiegt besonders schwer, weil Jedem
Abtästelement ein Verstärker nachgeschaltet ist. Bei Materialbreiten von 3 bis sogar
5 m übersteigen daher der technische Aufwand und die Kosten die Grenzen des noch
wirtschaftlich Tragbaren.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile durch Ver
kleinerung der Anzahl der Abtastelemente zu beseitigen und dadurch die Wirtschaftlichkeit
der Vorrichtung zu erhöhen.
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Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß das Sichtfeld
der einzelnen Abtastelemente in der Richtung quer zur Abtastrichtung
erweitert
wird. Die Erfindung zeigt einen Weg, dies zu erreichen, ohne daß die Fläche des
Sichtfeldes größer wird. So können die Abstände zwischen den Abtastelementen vergrößert
und die Gesamtanzahl der Elemente verkleinert werden.
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Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß zwischen Abtastelement
und Abtaststelle auf der Materialoberfläche optisch wirksame Mittel vorgesehen sind,
welche die durch die Abtastelemente erfaßte Fläche auf der Materialoberfläche in
der Richtung quer zur Bewegungsrichtung der Bahn vergrößern.
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Die'Ausdehnung der Abtastfläche in der Abtastrichtung soll möglichst
verkleinert werden. Dies wird nach einem weiteren Merkmal der Erfindung dadurch
erreicht, daß Mittel vorgesehen sind, welche die von den Abtastelementen erfaßte
Fläche in der der Bewegungsrichtung parallelen Richtung verkleinern.
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Vorteilhafte Ausführungen der Erfindungsmerkmale bestehen darin, daß
das Abtastfeld elliptisch oder rechteckig geformt ist.
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Als Vorrichtung zur Durchführung der Erfindung ist ein Glaskörper
vorgesehen mit einer Oberfläche, die in zwei orthogonal zueinander verlaufenden
Achsen verschieden gekrümmt ist, wobei die konkave Krümmung quer zur Abtastrichtung,
die konvexe Krümmung der Abtåstrichtung entsprechend verläuft.
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Eine weitere vorteilhafte Ausführung der Erfindung besteht darin,
daß ein quaderförmiger Lichtleiter zwischen den Abtastelementen und der Materialbahn
vorgesehen ist, deren Querschnitt an der der Materialbahn zugewandten Seite die
Form eines Rechteckes mit unterschiedlichen
Seitenlängen hat und
daß die Längsabmessung des Lichtleiters größer als seine Querschnittabmessungen
ist.
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Weitere vorteilhafte Formen dieser Vorrichtung sind, daß der Lichtleiter
ein von festen Seitenwänden begrenzter Hohlraum oder ein Glaskörper ist.
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Die Flächen gegenüberliegender Wände sollen in Anpassung an besondere
Aufgaben so beschaffen sein, daß hohe Lichtreflexionen im Innern des Lichtleiters
auftreten, und im Falle anderer Aufgaben, daß gegenüberliegende innere Wände wenig
Licht reflektieren.
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Diese und weitere Merkmale der Erfindung gehen aus dem im folgenden
Beschriebenen und aus den in den Figuren 1 bis 4 dargestellten Ausführungsbeispielen
hervor. Es zeigen: Fig.- 1 eine prinzipielle Ausführungsform einer Prüfanlage für
bahnförmiges Material, Fig. 2 die Wirkungsweise fotoelektrischer Abtastelemente
entsprechend der Anlage nach Fig. 1, Fig. 3 die Formung der Abtastbereiche der Abtastelemente
zu langgestreckten elliptischen Feldern mit Hilfe von zweckmäßig geformten Glaskörpern,
Fig. 4 die Formung der Abtastbereiche der Abtastelemente in langgestreckte Rechtecke
mit Hilfe von quaderförmigen Lichtleitern.
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Zur Verdeutlichung der Erfindung sei in Fig. 1 die Funktion eines
herkömmlichen Abtastgerätes kurz beschrieben. Eine Materialbahn 1, z.B. Papier,
Textilien, Metallfolien und ähnliches, ist über eine quer zur Längsrichtung angeordnete
Walze 2 geführt und bewegt sich durch nicht dargestellte Antriebsmittel in der Richtung
eines Pfeiles 3. Es sind Rollen 4 und 5 vorgesehen, die dafür sorgen, daß die Materialbahn
an die Walze 2 gedrückt wird und sich nicht von ihr abheben kann. Oberhalb der Berührungslinie
von Materialbahn und Walze ist eine Linie 6 punktiert eingezeichnet, welche die
Abtastlinie darstellen soll. Über der -Abtastlinie 6 ist eine Reihe von fotoelektrischen
Abtastelementen 7 nebeneinander angeordnet. Die Länge dieser Reihe ist wenigstens
so groß wie die Breite der Materialbahn.
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Unmittelbar neben den Abtastelementen 7 ist eine stabförmige Lichtquelle
8 angeordnet, deren Länge wenigstens gleich der Papierbahnbreite ist und die einen
Bereich der Papierbahn, durch welchen die Linie 6 verläuft, beleuchtet.
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Es sei vorausgesetzt, daß auftretende Fehler sich als Helligkeitsänderungen
auswirken. So werden Flecken auf dem Material, Risse und Löcher im Material und
Falten eindeutig erkennbar. Doch auch Verdickungen und Knoten bewirken Helliglceitsänderungen
für das abtastende Element dadurch, daß das seitwärts einfallende Licht an den schrägen
Hängen der Knotenberge reflektiert wird, so daß es durch die Bahnbewegung von den
Abtastelementen als Helligkeitsänderungen wahrgenommen wird.
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Die Helligkeitsänderungen werden in den Abtastelementen in elektrische
Slfr,nale umgevlalldelt, die über ci Kabel 10 an ein elektronisches Gerät 11 geführt,
dort ausgewertet und als Ergebnisse im Anzeigegerät 12 aniJ'e 1gb werdn
Geräte
dieser konventionellen Art erfüllen die Anforderung, kleine Fehler zu erfassen,
nur dann, wenn sehr viele Abtastelemente verwendet werden, von denen jedes einen
nur kleinen kreisförmigen Sichtbereich hat und deshalb einen nur sehr schmalen Längsstreifen
der Materialbahn abtasten kann.
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In Fig. 2 ist die Wirkungsweise dieser Abtastelemente dargestellt.
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Fig. 2a zeigt ein Teilstück einer Reihe von Abtastelementen 7. Durch
eine Lichböffnung 13 eines Abtastelementes 7 fällt Licht in das Innere und erreicht
die lichtempfindliche Substanz 14. Dabei ist d Offnungswinkel des Strahlenkegels,
der von dem Element erfaßt wirc relativ groß. Die Empfindlichkeitsverteilung bei
verschieden geneil ten Strahlen 15 ist durch eine keulenrörmige Kurve 16 dargestellt.
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Der Abtastabstand 17 der Oberfläche des Bandmaterials 1 von dem Ab
tastelement ist so groß, daß er die Empfindlichkeitskeule etwa im Bereich ihrer
größten Ausdehnung schneidet. Die Fig. 2 ist etwa mai stabsgerecht im Verhältnis
5:1 gezeichnet. Der Abtastabstand ist also etwa 2,5 mm.
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Wie in der als Draufsicht dargestellten Figur 2b gezeigt, sind die
Wirkungsbereiche der Abtastelemente Kreis flächen 18. Ihre Mittelpunkte sind auf
die Abtastlinie 6 projiziert. Ihre Abstände 19 sinc so groß, daß sich die Wirkungsbereiche
überdecken. So entsteht ein durch die Linien 20 begrenzte Zone, die von den Abtastelementen
er faßt wird. Betrachten wir den Wirkungsbereich 18 eines Abtastelementes 22. Der
von ihm geliefert Strom ist durch die Summe der von allen Punkten der Flächen 18
ausgehenden Lichtstrahlen bestimm Durchwandert ein Fehlerfleck 23 diese Fläche,
so verringert sich d
vom Abtastelement gelieferte Abtaststrom, weil
weniger Lichtstrahlen zon dem Abtastelement empfangen werden. Die Stromverminderung
ist am größten, wenn der Fleck schwarz ist und keine Lichtstrahlen liefert. Sie
ist in diesem Falle dem Verhältnis der Flächen des Fleckes 23 zur AbtasSfläche 18
gleich. Sollen kleine Fehler erfaßt werden, so muß zwangläufig auch die Fläche 23
vergleichsweise klein sein.
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Der Durchmesser der Abtastfläche ist in der Praxis etwa 5 mm, die
Fläche selbst etwa 20 mm2. Ein Fleck der Größe von 1 mm2 würde den Strom des Abtastelementes
um nur etwa 5% sinken lassen, wenn er die Abtastfläche passiert. Tatsächlich äber
sinkt der Strom meist nur um kleinere Beträge, da die Fehler flecke nur selten ganz
schwarz sind. Um aber trotzdem die Registrierung solcher geringen Stromänderungen
anzuzeigen, wird eine Differenzierung des Abtaststromes durchgeführt.
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In Fig. 2c durchläuft der Fleck 23 auf der Papierbahn 1 in einem Abstand
17 von dem Abtastelement die Empfindlichkeitskeule 16. Es entsteht ein Strom, dessen
Betrag dem Kurvenzug 24 in Fig. 2d entspricht, und dessen Amplitude durch den Pfeil
25 dargestellt ist.
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Dieser Strom wird differenziert, so daß ein Strom nach Kurve 26 entsteht,
der zur Fehleranzeige benutzt wird. Hierdurch ist eine größere Sicherheit bei der
Fehleranzeige gegeben, da Langzeitänderungen, z.B.
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der Stromversorgung oder durch Alterung der Abtastelemente, unwirksam
gemacht werden.
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Trotz der Differenzierung des Abtaststromes arbeitet eine Anlage mit
den genannten Abmessungen an der unteren Grenze der Sicherheit, bei deren Unterschreiten
normale Unhomogenitäten der Materialoberflache leicht zu Fehlanzeigen fUhren. Der
geringe Durchmesser der
Abtastfläche der Abtastelemente zwingt dazu,
die Abstände der Abtastelemente klein und damit ihre Gesamtzahl groß zu machen,
so groß, daß eine wirtschaftliche Herstellung solcher Geräte kaum noch möglich ist.
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Von diesen Tatsachen ausgehend, schlägt die Erfindung vor, eine Veränderung
des Abtastfeldes aus einer Kreisform in eine flächengleiche Form vorzunehmen, die
in der Längsrichtung des Bahnmaterials nur geringe, in der Querrichtung dagegen
Jedoch möglichst große Abmessungen hat. Diese Deformierung des Abtastfeldes führt
zunächst zu einer elliptischen Form, wie sie in Fig. 3 gezeigt ist. In Fig. 3a sind
elliptische Abtastfelder 27 dargestellt, die den Kreis flächen 18 der Fig. 2b flächengleich
sind. Durch die Ausdehnung in der Querrichtung rücken die Abtastelemente trotz ausreichender
Uberlappung benaci barter Abtastfelder becrächtlich auseinander, im Beispiel von
4 auf 6 mm. Das bedeutet, daß nur 2/3 der Anzahl von Abtastelementen als bisher
benötigt werden.
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Die Stromänderung beim Durchgang eines Fleckes, wie 23 durch die Fläche
27, würde die gleiche Amplitude erreichen wie die Amplitude 25 der Stromkurven 24
in Fig. 2d, weil Ellipse 27 und Kreis 18 flächengleich sind, also auch die prozentuale
Bedeckung durch den Fleck 23 gleich ist.
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Die Deformierung des kreisförmigen Abtastfeldes in eine flächengleiche
elliptische geschieht erfindungsgemäß durch einen in Fig. 3c perspektivisch dargestellten
Glaskörper 28 mit zwei in orthogonal zueinander verlaufenden Achsen verschieden
gekrümmten Oberflächen.
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Eine konkav gekrümmte ist der Richtung quer zur Bahnrichtung, die
zweite konvex gekrümmte der Bahnrichtung zugeordnet. Die konkave
Krümmung
dehnt das Abtastfeld auf die Länge 29, die konvexe Krümmung verkleinert es auf die
Länge 30.
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In Weiterverfolgung des Erfindungsgedankens ergibt sich Jedoch eine
vorteilhaftere Form des Abtastfeldes, und zwar als ein Rechteck mit unterschiedlichen
Seitenlängen. Die große Länge ist quer zur Material bahn gerichtet, die kleine in
Bahnrichtung.
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Um eine genaue Abgrenzung eines solchen Abtastfeldes zu erreichen,
wird in Durchführung des Erfindungsgedankens zwischen das Abtastelement und die
Materialbahn ein kaminförmiger Lichtleiter geschaltet, der bis nahe an die Bahnoberfläche
reicht und dessen oeffnung an der Bahnseite die eben erwähnte Rechteckform hat.
Die Wände des Lichtleiters verhindern, daß Lichtstrahlen, die ihren Ursprung nicht
in dem durch das Rechteck begrenzten Bereich der Bahnoberfläche haben, an das Abtastelement
gelangen.
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In Fig. 4a bis 4d ist ein solches Ausführungsbeispiel der Erfindung
dargestellt. Der Maßstab ist zur besseren Vergleichsmöglichkeit der gleiche wie
in den früheren Figuren, nämlich 5:1. Unter dem Abtastelement 7 ist ein Lichtleiter
9 in Quaderform mit rechteckigem Querschnitt angeordnet, der aus den parallelen
Seitenpaaren 31 bzw. 32 gebildet wird. Die Länge des Lichtleiters ist durch die
Maßlinie 33 dargestellt. Die Lichtleiter der Abtastelemente sind nebeneinander angeordnet
und berühren sich mit ihren Schmalseiten 31. Die abtastseitigen (3ffnungen aller
Lichtleiter bilden einen langen Streifen 34, der in der Richtung quer zur Materialbahn
in einem Abstand 35 von der Materialoberfläche entlang der Abtastlinle 6 der ig.
1 verläuft.
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Der Abstand beträgt etwa 2,5 mm. Eine der Kurve 16 in Fig. 2a ent-Sprechende
Empfindlichkeit@@@@@@@ 36 ist in Fig. 4a dargestellt. Sie
ist Jedoch
nicht rotationssymmetrisch, sondern stellt die Empfindlichkeit nur in der Richtung
quer zur Bahn dar.
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Zu bemerken ist, daß die Länge 33 des Lichtleiters gegenüber den AL
messungen des Abtastfeldes groß ist, damit die direkten Wege-der Lichtstrahlen von
jeder Stelle der Abtastfläche bis zum Abtastelement und damit die Empfindlichkeit
überall angenähert gleich ist.
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So sind die Lichtstrahlen 37 und 38 angenähert gleich lang. Dies ist
damit erreicht, wenn die Länge 33 etwa drei- bis viermal größer ist als die Ausdehnung
der Abtastfläche quer zur Bahnrichtung.
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Im Lichtleiter sollen im allgemeinen Lichtstrahlen genutzt werden,
welche ohne Reflexionen an der Innenwand unmittelbar zum Abtastelement gelangen.
Ist die Beleuchtung der Materialbahn und die Empfinc lichkeit der Abtastelemente
groß genug, so genügen diese Lichtstrah len. In diesem Falle sind die Innenwände
matt und reflektieren weni Reichen die direkten Lichtstrahlen nicht aus, so können
auch reflektierte Strahlen ausgenutzt werden. Zu diesem Zweck werden die Wände 31
blank gemacht oder verspiegelt. Dann werden auch Lichtstrahlen wirksam, die wie
die Strahlen 39 und 40 einmal und wie Strahl 41 zweimal reflektiert werden.
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An den Angrenzungsstellen benachbarter Abtastbereiche tritt eine kl
ne Überlappung der AbtastRlSchen ein. Sie ist gering, wenn ohne Reflexlon im Lichtleiter
gearbeitet, wird, weil die direkten Randstrat len, wie z.B. der Strahl 58, die Uberlappung
bestimmen. Die Uberlat pung ist durch den schraffierten Bereich 42 angedeutet. Tragen
aber aueh fleflexionsstrahlen zur Abtastung bei, so ist die Überlappung grißer,
wte durch den 1reieh 43 angedeutet ist.
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Die Empfindlichkeit für die Abtastung ist in Fig. 4c durch die Kurve
44 dargestellt. Die Seitenflanke der Kurve ist hier bedeutend steiler als bei der
Kurve 36 in Fig. 4a, da die direkten Lichtstrahlen 45 und auch Lichtstrahlen 46
bzw. 47 nach einer oder zwei Reflexionen unter sehr viel steileren Winkeln auf das
Abtastelement treffen als die für die Richtung quer zur Abtastrichtung bedeutsamen.
Lichtstrahlen, die mehr Reflexionen durchlaufen, verlieren umso mehr an Intensität
Je größer. die Anzahl der Reflexionen ist und bleiben ohne Bedeutung.
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Eine Bilanz gegenüber der Anlage nach Fig. 1 soll den technischen
Fortschritt der Erfindung deutlicher machen. Ein Fehlerfleck 23> der bei der
Abtastung die Abtastfläche 48 nach Fig. 4b passiert, erzeugt, da die Flächen 48
der Fläche 18 nach Fig. 2b angenähert gleich groß sind, eine Stromänderung, deren
Amplitude gleich der Amplitude 25 in Fig. 2d ist. Die Kurvenformen 24 in Fig. 2d
und 49 in Fig. 4d unterscheiden sich aber wesentlich voneinander. Vor allem ist
bei Kurve 49 die Steilheit im An- und Ablauf bedeutend größer, und deshalb kann
die Auswertung bei der Differenzierung des Stromes mit größerer Sicherheit erfolgen,
denn die Amplituden der Kurve 50 , welche die differenzierte Abtastspannung darstellt,
sind wesentlich größer als die Amplituden der Kurve 26 in Fig. 2d der differenzierten
Abtastspannung. Ein weiterer Vorteil wird wegen der großen Flankensteilheit der
Kurven 49 und durch die durch die Differenzierung gewonnenen hohen Impulse 50 geboten,
denn dadurch können auch Materialien, die mit geringer Geschwindigkeit produziert
werden, wie z.B.
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Metallbleche oder Textilien, unmittelbar beim Verlassen der Produktionsmaschine
geprüft werden.
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Da auch für Fig. 4 der Maßstab 5:1 gilt,. ist ein unmittelbarer Vergleich
der Abstände der Abtastelemente möglich. Dieser Abstand, der bei vergleichbaren
Anlagen bisher bekannter Art etwa 4 mm beträgt, ist in der erfindungsgemäßen Anlage
auf 10 mm gestiegen. Das bedeutet, daß diese neue Anlage weniger als die Hälfte
der Abtastelemente benötigt.
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Der Lichtleiter ist im Laufe der bisherigen Beschreibung als Hohlraum
betrachtet worden. Eine vorteilhafte Weiterentwicklung der Erfindung ist, den Lichtleiter
als Glaskörper herzustellen. Diese Ausführungsform bietet für die Fertigung große
Vorteile. Sehr leich herzustellen sind z.B. quaderförmige Körper aus Plexiglas.
Die Seitenflächen können nach Wunsch mattiert, poliert oder geschwärzt sei] Die
Stirnfläche an der Abtastseite ist vorteilhafterweise eben und poliert. In der Mitte
der gegenüberliegenden Fläche ist das Abtastelement befestigt. Die Montage solcher
Bausteine zu langen Reihen von Abtastelementen ist einfach. In der Praxis hat sich
zudem ein weiterer Vorteil ergeben. Auf die Verspiegelung der Seitenflächen kann
verzichtet werden, denn Lichtstrahlen, die innerhalb des Glaskörpers unter kleinen
Neigungswinkeln auf die Seitenwände auftreffer werden total reflektiert, weil die
Wände verschieden dichte Medien, nämlich Glas und Luft, trennen. Schräg eintretende
Strahlen aber werden umso mehr absorbiert, Je größer der Winkel ist, unter dem sie
die Innenwände des Lichtleiters treffen.
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Die einzelnen Lichtleitkörper sind mit ihren schmalen Wänden 31 aneinandergefügt.
Damit nicht eventuell schräg einfallende Lichtstrahlen
von einem
Leiter in einen Nachbarleiter dringen, werden die Wände in vorteilhafter Weise mit
nicht durchscheinendem Lack beschichtet oder durch undurchscheinende Folien getrennt.