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Winkelmeßgeråt mit einem Kernrohr
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Die Erfindung betrifft ein Winkelmeßgerät mit einem Fernrohr, das
auf einem Träger mit einem Fadenkreuz zur Pestlegung der Ziellinie versehen und
um mindestens eine Achse drehbar gelagert ist und dessen Drehungen um die Achse
mit Hilfe eines Teilkreises und mindestens eines mit dem Teilkreis zusammenwirkenden
Lichtzeigers gemessen werden, der beim Durchgang eines Teilkreisstriches auf wenigstens
einen licht elektrischen Empfänger trifft, wobei eine Interpolation innerhalb eines
Teilkreisintervalles mit Hilfe eines lichtelektrischen Mikrometers erfolgt, das
mit einem Strichraster versehen ist, welches mit dem kleinsten Teilkreisintervall
korrespondiert.
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Bei bekannten Winkelmeßgeräten erfolgt die Grobablesung und auch
die Feinablesung der Winkel mittels mechanischer Teilkreisrastungen. Diese sind
beispielsweise Zahnkranzscheiben, bei denen der Zahnabstand einem bestimmten Winkel
entspricht. Bei der Drehung des Fernrohrs zur Winkelgrobeinstellung rastet dieses
bei Erreichen der Ziellinie zu einem Objekt in die nächstgelegene Xut ein.
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Von dieser Stellung aus muß dann mittels eines Mikrometers die Feineinstellung
des Fernrohrs auf das Objekt vorgenommen werden. Mit dem Mikrometer ist eine Zähleinrichtung
gekoppelt,
die die Drehung in Winkeleinheiten bis zur Zieleinstellung zählt. Zur Objektanzielung
werden in den Zielfernrohren bekannter optischer Meßgeräte, wie Kollimatoren und
Theodolite auch Mehrfachstrichkreuze verwendet. Sie sind jedoch nicht unmittelbar
mit dem Winkelablesevorgang an den Teilkreisen, z. B. eines Theodoliten, verbunden.
Bei Kollimatoren dienen derartige Mehrfachstrichkreuze zur genaueren Lokalisierung
von anderen im Kollimator enthaltenen Strichmarkierungen. Bei Theodoliten werden
zusätzliche Strichmarkierungen im Fernrohrsehfeld beispielsweise zur Entfernungsmessung
nach dem Reichenbachschen Verfahren oder für Mehrfachanzielungen beweglicher Objekte
in der geodätischen Astronomie verwendet.
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Die bekannten Winkelmeßsysteme haben verschiedene Mängel. Durch die
Verwendung von Zahnkranzscheiben als Ersatz für die Teilkreise und von durch Motoren
oder von Hand betätigte Mikrometer
sind diese Winkelmeßgeräte mechanisch
sehr aufwendig. An dic Genauigkeit der abstände der Rastungsnuten in den Zahnkranzscheiben
werden hohe Forderungen gestellt und der Zahnabstand kann nicht beliebig klein gehalten
werden, da sonst keine sichere Rastung mehr erfolgt. Die Zahnkranzscheiben sind
gerätefest angeordnet und können deshalb nicht reiteriert werden, das heißt, es
muß immer mit einem zufällig vorgegebenen Äusgangswinkelwert gearbeitet weraen.,
was den Meßvorgang kompliziert.
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Zur Vermeidung dieser Mängel ist es Aufgabe der Erfindung, ein Winkelmeßsstem
zu schaffen, das statt der mechanischen Rastung eine optische verwendet, das den
mechanischen aufwand durch Wegfall der Zahnkranzscheiben verringert und bei dem
der Horizontal-Teilkreis reiterierbar ist, so daß jede beliebige Richtung zur Nullrichtung
gemacht werden kann.
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Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß symmetrisch
zu mindestens einem Strich oder Strichpaar des Fadenkreuzes auf dem Träger eine
Zone markiert ist, die im wesentlichen parallel zur Drehachse gerichtet ist, und
daß die Breite der Zone mindestens dem doppelten kleinsten Teilkreisintervall entspricht.
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Durch die Erfindung wird in einem Winkelmeßgerät die Möglichkeit
einer optischen Rastung geschaffen. Sie wird durch die zu jedem Strich paar des
Fadenklleuzes sgmmetrisch gelegene Zone realisiert und erfolgt in den Abständen
der Teilstriche auf dem Teilkreis. Die Grobanzielung erfolgt außerhalb dieser Zone.
Mit der Felnanzielung des Zielpunktes wird das Restintervall
ausgemessen.
Beim Durchlaufen der Zone bis zum Fadenkreuz durch das Zielobjekt findet eine Koinzidenz
zwischen einem Strich des Teilkreises und einem llchtelektrischen Empfänger statt,
der ein elektrisches Signal erzeugt. Dieses ist der Startimpuls für eine Auswerteelektronik
zur Winkelausmessung.
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Eine genauere Beschreibung des Winkelmeßsgstems erfolgt an Hand der
Zeichnung. Es zeigen Fig. 1 eine Vorderansicht des schematischen Aufbaus des Winkelmeßgerätes,
Fig. 2 eine Draufsicht auf das Winkelmeßgerät, Fig. 3 das Fernrohrsehfeld des Winkelmeßgerates,
Fig. 4 das Blockschaltbild der Auswerteelektronik des Winkelmeßgerätes, Fig. 5 eine
schematische Darstellung des Winkelmeßprin zips mit einer Ablesestelle, Fig. 6 eine
weitere schematische Darstellung des Winkel meßprinzips mit zwei fiblesestellen.
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In den Fig. 1 und 2 ist in einem Gehäuse 1 e'r Fernrohr 2 um eine
Achse K-K und eine achse H-H drehbar gelagert. Die Achsen H-H und K-K sind rechtwinklig
zueinander gerichtet. Eine im Fernrohr 2 befindliche Strichplatte 3 trägt ein Fadenkreuz
4 und Zonen 5, die in Fig. 3 näher beschrieben werden. Koaxial zur Achse H-H ist
ein Teilkreis 6 angeordnet, dessen Teilung 30 aus durchscheinenden Strichen auf
lichtur,durchlässigem Grund besteht. Ein erster lichtelektrischer Empfänger 7 und
ein zweiter lichtelektrischer Empfänger 8, vorzugsweise ein
Differenzfotoempfänger,
liegen über dem Teilkreis 6 und sind mit einer Puswerteelektronik 31 verbunden.
Mit dem lichtelektrischen Empfänger M gemeinsam auf einer Achse B-B befinden sich
ein erstes und ein zweites optisches Abbildungssystem 9 10, wobei der llchtelektrische
Empfänger i in der Bildebene des optischen Abbildungssystems 9 10 vorgesehen ist.
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Im Gehäuse 1 ist ein lichtelektrisches Mikrometer 14 angeordnet,
das aus einer Rasterscheibe 15, zwei llchtelektrlschen Empfängern 16 17 und einer
Meßschraube 21 besteht.
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Das Gehäuse ist drehbar um eine Achse H-H in einer feststehenden Buchse
12 gelagert. ebenfalls drehbar um die achse H-H auf der Buchse 12 befindet sich
der Stellhebel 13, der gegen die Buchse 12 geklemmt werden kann. Der Teilkreisträger
11, der den Teilkreis 6 trägt, Ist zur Reiterierung unabhängig von den anderen Elementen
drehbar auf der Buchse 12 gelagert. Die lichtelektrischen Empfänger 16 17 sind mit
der Auswerteelektronik 31 verbunden. Unterhalb des Teilkreises 6 er der Verlängerung
der @ achse B-B ist eine Lamp- 18 angeordnet, die' den Teilkreis 6 beleuchtet. Das
Fernrohr 2 wird aus einem Objektiv 19, einem Okular 20 und der Strlchplatte 3 gebildet,
die auf der gemeinsamen Achse C-C, der Ziellinie, liegen.
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Die zum Mikrometer 14 gehörige Meßschraube 21 wird durch eine am Gehäuse
1 befestige Gewindebuchse 22 geführt. Bin Feder 23 dient zur abstützung des Gehäuses
1 über die Meßschraube 21 gegen den Stellhebel 13. Von der Lampe 18 führt ein Lichtleitkabel
24 zur Rasterscheibe 1, zur Beleuchtung
deren Teilung Bei der Grobanzielung
eines nicht dargestellten Objektes wird das Fernrohr 2 um die Achse H-H gedreht.
Die folgende Feineinstellung des Objektes wird mit dem Mikrometer 14 realisiert.
Eine Betätigung der Meßschraube 21, die durch die Gewindebuchse 22 geführt wird,
, hat eine Drehung des Gehäuses 1 und des mit ihm verbundenen Fernrohres 2 sowie
der lichtelektrischen Empfänger 7 3 mit den optischen Abbildungssystemen 9 10 gegen
den festen Tcilkreis 6 zur Folge, wobei der Betrag der Drehung bei allen gleich
ist. Wird dabei ein durch die Lampe 13 beleuchteter Teilstrich 30 von dem lichtelektrischen
Empfänger u überstrichen, so löst das entstehende elektrische Signal die Auswerteelektronik
31 aus, wir weiter unten beschrieben. Über lichtelektrische Empfänger 7 erfolgt
gleichzeitig die inkelgrobablesung. Die durch die ebenfalls vor der Lampe 18 über
das Lichtleitkabel 24 beleuchteten Teilungsstriche der Rasterscheibe 15 in den lichtelektrischen
Empfängern 16 @@ @7 entstehenden elektrischen Signale ergeben die Winkelfeinablesung
in der tuswerteelektronik 3-i.
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Fig. 3 zeigt die im Fernrohr 2 (Fig. 2) vor dem Okular 20 angebrachte
Strlchplatte 3 mit dem Fadenkreuz 4. Symmetrisch zu den Strichen 26 27 und den Strichpaaren
28 29 des Fadenkreuzes 4 sind die Begrenzungslinien 25 der Zonen 5 angeordnet, deren
Breite mindestens dem doppelten kleinsten Teilkreisintervall entspricht und die
eine Interpolation sowohl bei horizontalen als auch be vertikalen
Winkelmessungen
erlauben.
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In Fig. 4 ist ein Blockschaltbild der verwendeten tuswerteelektronik
aufgezeichnet. Die von lichtelektrischen Empfängern 7 gelieferten Signale gelangen
über Trigger- und Impulsformerstufen 32 und Abfragetore 33 zu einem Rückwärtszähler
34. Das elektrische Signal vom lichtelektrischen Empfänger 8 wird zu einer zweiten
Trigger- und Impulsformerstufe 35 geleitet. Deren Ausgang ist gleichzeitig mit den
Abfragetoren 33, über eine Speicherstufe 36 und ein Tor 37 mit dem Rückwärtszählers
34 und mit dem Nullungseingang eines Vorwärts-Rückwärtszahler 38 verbunden. Eine
Vorwärts-Rückwärtsentscheidungsstufe 39 verarbeitet die von den lichtelektrischen
Empfängern 16 17 kommenden Signale. Ihre Ausgänge 40 41 sind mit dem Vorwärts-Rückwärtszähler
38 gekoppelt. Gleichzeitig führt vom Rückwärtsentscheid-Ausgang 40 eine Verbindung
zum Tor 37. Vom Zählimpulsausgang 42 der Vorwärts-Rückwärtsentscheidungsstufe 39
führt eine Verbindung zu der Speicherstufe 36 und über eine Unters et zungs stufe
43 zum Vorwärts-Rückwärts zähler 38.
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Das beim ßberstreichen eines beleuchteten Teilstriches 30 (Fig. 2)
durch den lichtelektrischen Empfänger 3 gelieferte elektrische Signal gelangt zur
Trigger- und Impulsformerstufe 35.
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Der in dieser Stufe erzeugte Impuls, im weiteren als Taktimpuls bezeichnet,
öffnet die Abfragetore 33 und dient gleichzeitig zur Nullsetzung des Vorwärts-Rückwärtszählers
38. Die von dem lichtelektrischen Empfänger 7 kommenden elektrischen Signale, die
der Winkelgrobcodierung auf dem Teilkreis 6 (Fig. 2) entsprechen,
werden
in der Trigger und- Impulsformerstufe 32 in elektrische Impulse umgewandelt und
gelangen über die jetzt offenen Abfragetore 33 an die Voreinstelleingänge des Rückwärtszählers
34, der den Winkelgrobwert anzeigt. Der Rückwärtszähler 34 wird verwendet, weil
bei einer Rückwärtsdrehung des Mikrometers 14 (Fig. 1) der anzuzeigende Winkel grobwert
eine Einheit niederer liegen muß, Die Entscheidung über Vor- und Rückwärts zählung
geschieht durch die von den lichtelektrischen Empfängern 16; 17 gelieferten Signale,
die in der Vorwärts-Rückwärtsentscheidungsstufe 39 verarbeitet werden. Am Ausgang
40 liegen dann das Steuersignal für Rückwärtszählung und am Ausgang 41 das für Vorwärts
zählung an, die dem Vor- und Rückwärts zähler 38 zugeführt werden, der das durch
das Mikrometer 14 (Fig. 1) eingestellte Winkelmaß anzeigt. Zur Rücksellung des Rückwärtszählers
34 um eine Einheit wird der letzte Taktimpuls in der Speicherstufe 36 gespeichert.
Der nächstfolgende Zählimpuls vom Ausgang 42 der Vorwärts-Rückwärtsentscheidungsstufe
39 stellt den Taktimpuls zum Tor 37 durch, das durch das bei Rückwärtszahlung vorhandene
Signal am Ausgang 40 der Vor-Rückwärtsentscheidungsstufe 39 geöffnet wird, und der
Rückstellimpuls gelangt somit zum Rückwärts zähler 34.
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Um den Anschlußfehler der Teilung der Rasterscheibe 15 an die Teilung
30 des Teilkreises 6 gering zu halten, ist es vorteilhaft, die Teilung auf der Rasterscheibe
15 (Fig. 1) feiner zu unterteilen. Wird beispielsweise die Anzahl der Ra sterstriche
verzehnfacht, so kommt vom Ausgang 42 der Vor-
Rückwärtsentscheidungsstufe
39 die zehnfache Zählimpulsanzahl zum Vor- Rückwärtszähler 36. Um aber die ursprüngliche
Auflösung des Interpolationssgstems beizubehalten, wird die letzte Stelle des angezeigten
Winkelwertes nicht mitgelesen, was einer Untersetzung 10 : 1 gleichkommt. Bei Verwendung
von anderen LLasterunterteilungen ist dem Vor- Rückwärts zähler 38 die Impulsuntersetzungsstufe
43 vorgeschaltet, die die Zählimpulszahl auf den ursprünglichen, der nicht feiner
unterteilten Rasterscheibe 15 (Fig. 1), also der gewünschten Auflösung des Interpolationssystems
entsprechenden Wert herabsetzt.
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Anhand der in Fig. 5 aufgezeichneten schematischen Darstellung eines
ersten Winkelmeßprinzips wird der Meßvorgang näher erläutert. 3 stellt die im Fernrohr
2 (Fig. 1) befindliche Strichplatte mit den erfindungsgemäßen Zonen 5 und dem Fadenkreuz
4 dar. Ein Zielpunkt 44 wird grob so anvisiert, daß sein Bild außerhalb der Zone
5 im Fernrohrsehfeld erscheint.
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In dieser Stellung wird das Gehäuse 1 indirekt über den Hebel 13 gegen
die Buchse 12 festgeklemmt und der die Auswertelektronik 31 startende lichtelektrische
Empfänger 8 (Fig. 1) nimmt eine Stellung 45 zwischen zwei Teilkreisstrichen ein.
Die Feineinstellung des Zielpunktes 44 in das Fadenkreuz 4 erfolgt mit dem in Fig.
1 beschriebenen Mikrometer 14. In einer Stellung 46, der Koinzidenzstellung zwischen
einem beleuchteten Teilkreisstrich 30 und dem lichtelektrischen Empfänger 8 wird
die Auswerteelektronik 31 ausgelöst. Mit der Sinstellung des Zielpunktes 44 in das
Fadenkreuz 4 (Stellung 47) ist der Meßvorgang beendet. Da die Breite der Zone 5
mindestens
dem doppelten kleinsten Teilkreisintervall entspricht, ist immer eine Koinzidenzstelle
45 vorhanden, die während der Belneinstellung überstrichen wird. Das gilt für die
Zielpunkteinstellung von beiden Seiten und ebenso für Vertikalwinkelmessung.
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Die schematische Darstellung eines zweiten Winkelmeßprinzips ist
in Fig. 6 aufgezeigt. 3 stellt die bekannte im Fernrohr 2 (Fig. 1) angebrachte Strichplatte
mit der Zone 5 und dem Fadenkreuz 4 dar. Juf einem Teilkreis 43 befinden sich diametral
gegenüberliegende Striche 49 50 einer Teilung.
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Die Teilstriche 49* 50 werden von lichtdurchlässigen '-usnehmungen
auf unduchlässigem Untergrund gebildet. Bin Zielpunkt 51 wird zunächst so anvisiert,
daß sein Bild auf der Strichplatte 3 außerhalb der Zonen 5 legt (Ausgangsstellung
52). Fei festgeklemmtem Teilkreis 48 erfolgt jetzt die Feineinstellung. Bei Überstreichen
eines beleuchteten Teilstriches der Teilung 49 (Stellung 53) bekommt eine erste
lichtempfindliche Fläche eines nicht dargestellten lichtelektrlschen Empfängers,
vorzugsweise ein Differenzfotoempfänger, über ein ebenfalls nicht dargestelltes
optisches Abbildungssystem ein Lichtsignal und das entstehende elektrische Signal
löst die in Fig. 4 beschriebene Auswerteelektronik aus. Bei der fortlaufenden Feineinstellung
wird ein beleuchteter Teilstrich der Teilung 50 von einer zweiten lichtempfindlichen
Fläche des nicht dargestellten lichtelektrischen Empfängers mittels des nicht dargestellten
optischen Abbildungssgstemes überstrichen (Stellung 54). Die abgegebenen elektrischen
Signale steuern in
der Auswerteelektronik eine Mittelwertbildung
der in den Stellungen 53 und 54 abgelesenen Winkelgrobwerte. Gleichzeitig wird die
Elektronik zur Auszählung des Restintervalles zwischen Mittelstellung 53/54 und
Endstellung 55 ausgelöst. Infolge der mindestens dem doppelten kleinsten Teilkreisintervall
entsprechenden Breite der Zone 5 und der Anordnung der beiden Strichteilungen 49:
50 des Teilkreises 48 sind immer zwei Koinzidenzstellungen 53 54 garantiert. Die
dadurch ermöglichte Mittelwertbildung hat den orteil der durch Ausscheidung von
vorhandenen Deilungs- und Exzentrizitätsfehlern erzielbaren größeren Ablesegenauigkeit.
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L e e r s e i t e