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Einstellvorrichtung für Abtastvorrichtungen an Merkmalskalen Die Erfindung
betrifft eine Vorrichtung zur Einstellung eines Bezugspunktes, vorzugsweise des
Nullpunktes für die fotoelektrische Abtastung einer Merkmalskala mit einer größeren
Genauigkeit, als es der digitalen Teilung der Skala entspricht.
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Für die Richtigkeit der meßtechnischen Eigenschaften eines Meßinstrumentes,
z.Bs einer Waage, ist es erforderlich, den Ausgangspunkt der Messung genau festzulegen,
da sich jeder Fehler der Nullpunktlage im Meßergebnis fortpflanzt. Bei Waagen mit
digitaler Gewichtsübertragung zum Beispiel durch fotoelektrische, codierte oder
inkrementale Skalenabtastung ist die genaue analoge Einstellung der unbelasteten
Waage in der Mitte zwischen zwei Abtastpunkten von besonderer Bedeutung für die
Genauigkeit des digitalen WägeresultatesO Wahrend bei Waagen mit analoger Gewichtsanzeige,
bei der ein Zeiger auf einer Strichskala den Gewichtswert angibt, eine
Interpolation
zwischen zwei Teilstrichen möglich ist und der Nullpunkt durch Tarierung der Waage
auf die Mitte des Teilungsstriches "Null" sehr viel genauer möglich ist als es dem
Teilungswert der Skala in Gewichtseinheiten entspricht, entstehen bei digitaler
Gewichtsabtastung Schwierigkeiten, weil hier Zwischenwerte nicht möglich sind. Die
Gewichtsanzeige schreitet schrittweise um jeweils einen Abtastschritt der Größe
d fort, und die Einstellung des Nullpunktes wäre ohne Korrekturmittel mit einem
Fehler bis zur Größe des Gewichtswertes eines Abtastschrittes behaftet. Es muß jedoch
sichergestellt werden, daß die Stufung der digitalen Gewichtsübertragung einer dem
tatsächlichen Gewichtswert analogen, symmetrischen Abrundung entspricht und die
Meßfehler gegenüber einer analogen Gewichtsanzeige nicht größer sind als der sich
durch die Digitalisierung ergebende Rundungsfehler. Das wird erreicht, wenn die
Nulltarierung der Waage genau in der Mitte zwischen zwei Abtastpunkten möglich ist.
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Es ist bereits vorgeschlagen worden, zur Ausführung der Nullstellung
die Waage mit einer Zusatzmasse zu be- oder zu entlasten, deren Gewichtswert halb
so groß ist wie der Abtastschritt der Gewichtsübertragung und hierauf durch Tarieren
den Rundungspunkt dieses Schrittes einzustellen, bei dem die Gewichtsanzeige ein
indifferentes Verhalten zeigt. Nachteilig ist bei diesem Verfahren, daß der Punkt
indifferenten Verhaltens die mehrfache Probe in der Einstellung erfordert, um die
Differenz zu verifizieren, und daß kein Signal abgeleitet werden kann, welches einer
angeschlossenen digitalen Auswertvorrichtung die Nullstellung mitteilt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Abtastvorrichtung
der eingangs erwähnten Art Maßnahmen zur Einstellung des Nullpunktes zu treffen,
die mit großer Genauigkeit die Einstellung in der Mitte zwischen zwei Abtastpunkten
ermöglichen und die Nachteile der bekannten Vorrichtung vermeiden.
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Als Lösung sieht die Erfindung vor, daß zur Einstellung des Nullpunktes
in den Strahlengang einer fotoelektrischen Skalenabtastung solche optischen Mittel
einfügbar sind, die den Abstand zweier Abtastpunkte symmetrisch zueinander derart
verkleinern, daß der zugehörige Meßwert innerhalb einer engen Toleranz festgelegt
ist.
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Eine bestimmte digitale Meßwertanzeige bleibt so nur innerhalb einer
kleinen Wertdifferenz unverändert und die digitale Neßwertanzeige, beispielsweise
des Nullwertes, ist an dieser Stelle lediglich durch eine genaue Tarierung des Instrumentes
innerhalb einer kleinen Meßwerttoleranz erreichbar.
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Im einzelnen können nach der Erfindung als optische Mittel in den
Strahlengang der fotoelektrischen Abtastung mindestens eine lotrecht stehende Glasplatte
einfügbar sein, deren Ebene mit der Strahleneinrichtung einen geringfügig von 900
abweichenden Winkel einschließt. Die Größe des Winkels hängt dabei von dem Glasbechungsindex,
der Glasdicke sowie davon ab, wie groß die Abstände der nebeneinanderliegenden Abtastpunkte
sind und welche Verkleinerung der Abstände erforderlich ist.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, daß
die Winkel stellung der Glasplatte gegenüber der Strahlenrichtung veränderlich ist.
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Nach einem weiteren Merkmal gemäß der Erfindung kann es sich bei der
Glasplatte um eine solche handeln, deren Brechungsindex unter dem Einfluß eines
elektrischen Feldes veränderbar ist.
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In der Zeichnung sind ein Ausführungsbeispiel nach der Erfindung sowie
Schaltbilder dazu und Impulsdiagramme dargestellt. Es zeigen: Fig. 1 eine schematische
perspektivische Darstellung des Abtastsystemes;
Fig. 2 eine Darstellung
der Blende und das Zustandsdiagramm; Fig. 3 den Strahlenverlauf; Fig. 4 die versetzte
Projektion und Fig. 5 das daraus resultierende Zustandsdiagramm der Abtastung.
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In der Fig. 1 ist 1 die Beleuchtungslampe, deren Licht durch den Kondensator
2 auf die Skala 3 geworfen wird. Die Skala 3 ist am Neigungsgewicht 4 mit dem Rahmen
5 an der hier nicht im einzelnen dargestellten Neigungswaage befestigt und wird
in die Stellung 3a ausgelenkt, wenn sich das Neigungsgewicht in Abhängigkeit von
dem Gewicht, mit dem die Waage belastet wird, in eine Stellung 4a bewegt hat.
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Die Strichteilung 6 wird durch das Objekt 7 in der Ebene der Blende
8 scharf als Bild 6a abgebildet. Die Blende 8 enthält drei um jeweils ein Drittel
des Teilungsmaßes senkrecht zur Längsrichtung der Striche versetzte lichtdurchlässige
Strichteilungen 9, 10, 11, denen je ein Kondensator 12, 13, 14 mit Phototransistoren
15, 16, 17 nachgeschaltet sind. Die elektrischen Zustände dieser Transistoren ändern
sich im Takte der Änderung ihrer Beleuchtung, hervorgerufen durch die Bewegung der
Skala 5, indem die zugehörige Strichteilung der Blende 8 entweder von dem von der
Strichteilung 6 der Skala 3 hindurchgelassenen Licht phasengleich oder phasenverschoben
getroffen wird.
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Die von den drei Phototransistoren 15, 16, 17 bei einer Bewegung der
Skala 3 gelieferten elektrischen Zustände 15a, 16a, 17b sind in Fig. 2 dargestellt,
wobei der Zustand mit L bezeichnet wird, wenn der Phototransistor beleuchtet ist
und mit 0, wenn er verdunkelt ist. Der Pfeil weist dabei auf den im oberen Teil
der Fig. 2 dargestellten Beleuchtungszutand der Blende 8. Jede Anderung eines der
drei Zustände wird im Diskriminator 18 als ein Abtastschritt gewertet und in bezug
auf die Bewegungsrichtung richtungsabhängig im nachfolgenden Vorwärt3/RUckwärts
- Zähler 19 gezählt. An seiner Anzeigeeinheit
20 ist der Gewichtswert
digital direkt ablesbar und zwar in einer Stufung, die sich aus der Änderung der
elektrischen Zustände der Phototransistoren in bezug auf den Teilungswert der Skala
in Gewichtseinheiten ergibt.
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Zwischen zwei Änderungen der Zustände der drei Phototransistoren bleibt
die Anzeige des Gewichtswertes konstant, d.h. die Skala 3 muß ihre Stellung unter
dem Einfluß eines geänderten Gewichtes auf der Waage sich um mindestens ein solches
Stück verändern, daß es zu einer Änderung der Beleuchtungsverhältnisse eines der
drei Phototransistoren kommt. Das ist bezogen auf die Bildebene, die Blende 8, das
Inkrement d.
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Um zur genauen Einstellung eines Bezugspunktes, vorzugsweise des Nullpunktes,
ist eine Verkleinerung dieses Stückes erforderlich, so daß die Anzeige des gleichen
Gewichtes sich schon nach einer kleinen Änderung des Gewichtswertes ändert.
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Dazu ist in den Strahlengang eine Glasscheibe 21 eingefügt, die drei
Gebiete 22, 23, 24 unterschiedlicher Glasstärke aufweist. Sie ist normalerweise
so gestellt, daß die Normale auf ihre Ebene parallel zur Strahlrichtung steht. In
dieser Stellung beeinflußt sie den Strahlengang nicht. Je einer der drei Gebiete
22, 23, 24 befindet sich vor je einer Strichteilung 9, 10, 11 der Blende 8, so daß
das Licht, das die jeweilige Strichteilung 9, 10, 11 trifft zuvor einen der drei
Gebiete 22, 23, 24 passiert hat.
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Wird die Glasscheibe 21 im Drehpunkt 25 mm um den Winkel d geschwenkt,
so steht die Normale auf der Ebene der Glasscheibe nicht mehr parallel zur Strahlrichtung
und die Strahlen erfahren eine Parallelverschiebung durch zweifache Brechung am
Luft- Glas- und Glas-Luft-Ubergang wie es Fig. 3 schematisch wiedergibt. Die Größe
der Verschiebung a ist vom Winkel of und der Glasdicke derart abhängig, daß es bei
festliegendem Winkel x eine bestimmte Glasdicke gibt, die eine gewünschte Verschiebung
A bewirkt.
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Durch geeignete Wahl der Glasdicken b kann damit die Abbildung der
Strichteilung 6 der Skala 3 in der Ebene der Strichteilung 9, 10, 11 der Blende
8 in drei gegeneinander verschobene Strichbilder verändert werden, es entsteht eine
Strahlenverschiebung, die zur Folge hat, daß die Änderung der Beleuchtung der Phototransistoren
relativ zueinander zusätzlich verschoben ist.
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Die Auswahl der Glasstärken erfolgt vorzugsweise so, daß der Bereich
zwischen zwei Anderungen der Zustände der Phototransistoren 15, 16, 17, der einer
konstanten Gewichtsanzeige entspricht, symmetrisch zur Mitte durch die Strahlverschiebung
eingeengt wird.
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Die geänderten Verhältnisse sind in der Fig. 4 für die optische Abbildung
und Fig. 5 für die daraus resultierenden elektrischen Zustände der Phototransistoren
15, 16, 17 der Fig. 1 bei einer Bewegung der Skala 3 wiedergegeben. Die Verschiebung
der projizierten Strichteilung der Skala 3 durch die drei Bereiche unterschiedlicher
Glasdicke auf dem um den Winkel K schräggestellten Glasscheibe 21 ist beispielhaft
zub, 1/4 d, Jz= 3|4 3/4 d und 4= 5/4 d ausgewählt worden. Sie bewirkt, daß für die
Phototransistoren 16 und 17 nur innerh eines Bereiches von 1/2 d die Beleuchtung
konstant ist. Wird dieser Zustand als Bezugspunkt definiert, so ist er mit einer
Genauigkeit von + 1/4 d als konstanter Digitalwert festgelegt.
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Durch Änderung der Unterschiede zwischen 4 , und ist es möglich, die
Genauigkeit weiter zu steigern, doch wird man im Regelfall davon absehen können,
weil aus der Einstellgenauigkeit im analogen Bereich eine größere Genauigkeit nicht
mehr zu rechtfertigen ist.
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Zur elektrischen Kennzeichnung der besonderen Stellung der Glasscheibe
21 kann sie im verschwenkbaren Zustand einen Mikroschalter betätigen, dessen Ein-
Zustand zusammen als UND - Verknüpfung mit dem elektrischen Zustand der Phototransistoren
15
: 0; 16: L und 17 : L das Signal liefert, daß die Richtigkeit der Einstellung des
Bezugspunkt mit großer Genauigkeit bestätigt.