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Meß- und/oder Überwachungseinrichtung für Änderungen der Spalt
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weite zwischen relativ zueinander bewegbaren Bauelementen, Die Erfindung
betrifft eine Meß- und/oder Überwachungseinrichtung für Änderungen der Spaltweite
zwischen relativ zueinander bewegbaren Bauelementen, insbesondere zwischen dem Stator
und Rotor von elektrischen Maschinen.
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Die berünrungsfreie Messung der Spaltweite zwischen Bauelementen mit
Hilfe von induktiven Meßeinrichtungen ist bekannt.
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Eine solche Meßeinrichtung weist eine elektrische Spule in der Nähe
des MeßobJektes auf und die magnetische Verkoppelung von Spule und Meßobjekt bewirkt
eine Impedanzänderung der Spule in Abhängigkeit von einer Änderung der Spaltweite.
Die Impedanz der Spule ist somit ein Maß für die Spaltweite. Nachteilig ist hierbei,
daß die Messung oder Überwachung von inhomogenen Materialzusammensetsungen gestört
und durch relative Querbewegungen zwischen Spule und MeßobJekt sowie durch elektrische
Fremdfelder erheblich verfälscht werden kann.
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Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Meß- und/ oder
Überwachungseinrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, die bei einfachem
Aufbau unabhängig von äußeren Einflüssen, wie inhomogenen Materialzusammensetzungen,
ErschUtterungen, Störfeldern ist und hauptsächlich bei Querbewegungen zuverlässig
arbeitet, d.h. die bei preisgünstigem Aufbau sicher funktioniert. Zusätzlich soll
die Einrichtung für die Spaltüberwachung bzw. Spaltmessung zwischen feststehenden
und umlauf enden Teilen von insbesondere elektrischen Maschinen geeignet sein.
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Erfindungsgemüß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß wenigstens
ein von einem ersten Bauelement ausgehenden, den Spalt durchdringendes und sich
erweiterndes Lichtstrahlenbtindel einen Lichtfleck auf ein zweites Bauelement wirft,
der sich im Falle von Spaltänderungen ändert und im Zusammenwirken mit der Relativbewegung
der Bauelemente eine als Maß für die Spaltänderung dienende Belichtungsseitänderung
wenigstens eines lichtempfindlichen Detektors bewirkt. Auf ein zweites Bauelement
wird also ein Lichtfleck proJiziert, der durch die Relativbewegung der Bauelemente
wandert und wenigstens einen lichtempfindlichen Detektor berührt oder überstreicht.
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Diese Belichtungen des Detektors bilden sich bei gleichbleibender
Spaltweite und regelmäßigen Bewegungsablauf der Bauelemente in einem angeschlossenen
Meßgerät als Rechteck-Impulse von gleichbleibender Länge ab. Eine Änderung der Spaltweite
bewirkt nun eine Veränderung des Lichtweges des Lichtbündels und somit eine Veränderung
der Größe des Lichtfleckes mit der Folge, daß sich die Belichtungszeiten des Detektors
und somit die vom Meßgerät abgegebenen Rechteck-Impulse in ihrer Dauer verändern.
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Es wird also, im Gegensatz zu den induktiven Meßeinrichtungen, die
Relativbewegung der Bauelemente fUrßie Messung ausgenutzt.
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Weiter ist ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Meßeinrichtung
darin zu sehen, daß das Lichtstrahlenbündel selbst durch Erschütterungen und magnetische
und/oder elektrische Felder nicht beeinflußbar ist. Da sowohl die für die Erzeugung
des Lichtbündels erforderliche Lichtquelle und der lichtempfindliche Detektor sich
sehr klein ausführen lassen, können auch bereits bestehende Maschinen ohne großen
Aufwand mit der erfindungsgemäßen Meß- und/oder Überwachungseinrichtung ausgerüstet
werden. Der Begriff "Licht" im Sinne der vorliegenden Erfindung umfaßt alle elektromagnetische
Strahlung sowie Kernstrahlung, gleiches gilt auch für die Lichtempfindlichkeit der
Detektoren, Ein besonders einfacher Aufbau der erfindungsgemäßen Einrichtung ist
dann gegeben, wenn am ersten Bauelement mindesten eine Lichtquelle fiir die Aussendung
des Lichtstrahlenbündels angeordnet ist.
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Ist eines der Bauelemente fest angeordnet und das andere bewegbar,
so kann eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung darin bestehen, daß am vorzugsweise
ruhenden zweiten Bauelement mindestens eine Lichtquelle und wenigstens am ersten
Bauelement ein Reflektor angeordnet ist zur Umlenkung des von der Lichtquelle ausgehenden
Lichtstrahlenbiindels in Richtung des Detektors. Hierdurch wird der Anschluß von
Lichtquelle und Detektor an die vorgesehenen Meß- und Steuergeräte besonders einfach.
Gleichzeitig ist der vom Lichtstrahlenbündel durchlaufene Weg verlängert und somit
die Meßgenauigkeit erhöht.
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Ist die Einrichtung hierbei für die Messung und/oder Überwachung der
Spaltweite zwischen einem Rotor und einem Stator vorgesehen, so ist es empfehlenswert,
wenn das von der am Stator angeordneten Lichtquelle ausgesandte Lichtstrahlenbündel
unter einem spitzen Winkel zu einer die Lichtquelle und die Drehachse des Rotors
verbindenden geraden Linie verläuft und sich wenigstens ein am Stator angeordneter
Detektor an den bei normaler Spaltweite gebildeten Lichtfleck derart anschließt,
daß bei einer Spaltänderung der Lichtfleck auf den Detektor trifft.
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Um hierbei sowohl Verkleinerungen als auch Vergrößerungen der Spaltweite
erfassen zu können, kann vorteilhaft sich je ein Detektor rechts und links an den
bei normaler Spaltweite gebildeten Lichtfleck anschließen.
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Eine andere, ebenfalls für die Messung und/oder Überwachung der Spaltweite
zwischen einem Rotor und einem Stator vorgesehene, vorteilhafte Weiterbildung der
Erfindung kann darin bestehen, daß das von der am Stator angeordneten Lichtquelle
ausgesandte Lichtstrahlenbündel unter einem spitzen Winkel zu einer die Lichtquelle
und die Drehachse des Rotors verbindenden geraden Linie verläuft und wenigstens
ein Detektor in jenem Bereich oder jenen Bereichen angeordnet ist, der vom Lichtfleck
bei normaler sowie extremer Spaltweite getroffen wird.
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Da Unregelmäßigkeiten im Bewegungsablauf der Bauelemente Änderungen
der Belichtungszeit des Detektors bewirken und somit eine Spaltänderung vortäuschen,
kann eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung darin bestehen, daß Jeweils während
der Belichtungsdauer des Detektors erste Impulse
von einer gleichbleibenden
ersten Frequenz F1 durch ein vom Detektor gesteuertes elektronisches erstes Tor
einem ersten Impulszähler zuführbar und dort zählbar sind, daß Jeweils während eines
Bewegungszyklus der Bauelemente, z.B. eines Umlaufs des Rotors, zweite Impulse einem
zweiten ImpulssEbler durch ein vom Detektor gesteuertes elektronisches weites Tor
zufUhrbar und dort zählbar sind, wobei die zweiten Impulse eine konstante zweite
Frequenz F2 aufweisen, die der Beziehung F2 F1 ' uLed F2 F1 ' uLed F2 = F1 u entspricht,
worin F1 die erste Frequenz, lD die Länge den vom Detektor bei normaler Spaltweite
gelieferten Impulsen und u die Länge des zurückgelegten Weges während eines Bswo£ungzyklus,
z.B. der surUckgeigte Weg des den Reflektor bzw. die Lichtquelle tragenden Rotors,
bedeuten und daß dle ZEhlergebnisse der beiden Impuls zähler selbsttätig zueinander
addierbar, dividierbar, multiplizierbar oder vorteilhaft voneinander subtrahierbar
sind, wobei Ergebnisse verschieden von einer vorgegebenen Konstanten Spaltänderungen
bedeuten.
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Hierdurch werden Unregelmäßigkeiten im Bewegungsablauf erfaßt und
Ihr Einfluß auf die Spaltmessung eliminiert. Am einfachsten ist es hierbei, wenn
die Zählergebnisse voneinander subtrahiert werden, da hierbei die Konstante au null
wird.
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Weitere Vorteile der Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung
von AunftihrungsbeispielenAustUhrungsbeispielen AunftihrungsbeispielenAustUhrungsbeispielen
im ZussmmenhangZunannenhang ZussmmenhangZunannenhang mit den schematischen Zeichnungen
hervor. Hierbei zeigen: Fig. 1 einen Querschnitt durch zwei von einem spalt getrennte
Bauelemente mit einer an einem Bauelement angeordneten Lichtquelle und einem am
anderen Bauelement angeordneten lichtempfindlichen Detektor,
Fig.
2 den Gegenstand der Figur 1 mit verringerter Spaltweite, Fig. 3 den Querschnitt
durch zwei von einem Spalt getrennte Bauelemente, wobei am einen Bauelement der
Detektor und die Lichtquelle und am anderen Bauelement ein Reflektor angeordnet
ist, Fig. 4 den Gegenstand der Figur 3 mit verringerter Spaltweite, Fig. 5 den Querschnitt
durch einen Rotor und einen Stator, die durch einen Spalt voneinander getrennt sind,
wobei am Stator die Lichtquelle sowie zwei Detektoren und am Rotor ein Reflektor
angeordnet sind und Fig. 6 eine Ausfubrungsvariante des Gegenstandes der Figur 5,
wobei am Stator nur ein Detektor angeordnet ist, der an zwei Impulssählern angeschlossen
ist.* Gleiche Teile sind in den einzelnen Figuren mit den gleichen Bezugs zeichen
versehen.
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Im Ausftlbrungsbeispiel gemäß den Figuren 1 und 2 ist am ersten Bauelement
10 die Lichtquelle 12 versenkt angeordnet. Die Lichtquelle besteht hierbei vorzugsweise
aus einer pulabaren Lichtquelle. Vom ersten Bauelement 10 durch den Spalt 14 getrennt,
ist ein zweites Bauelement 16 vorgesehen, das mit dem vorzugsweise versenkt angeordneten
lichtempfindlichen Detektor 18 versehen ist. Dieser Detektor ist silber eine Leitung
20 an das Meßgerät 22 angeschlossen, das ggf. als Alarm- und/oder Registriergerät
ausgebildet sein kann.
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Die als Teile einer Maschine dargestellten Bauelemente 10 und 16 fUhren
in dem fUr die Messung vorgesehenen Bereich eine regelmäßige Relativbewegung zueinander
aus, die, wie die Doppel-Pieile K den Figuren 1 bis 4 andeuten, auch hin- und hergehend
sein kann.
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Die Lichtquelle 12 und der Detektor 18 sind nun so an den Bauelementen
angeordnet, daß das von der Lichtquelle 12 ausgehende tichtstrahlenbündel 26 auf
das weite Bauelement 16 auftrifft und einen Lichtfleck 28 bildet, der im Falle der
Relativbewegung der beiden Bauelemente ueber den Detektor 18 wandert und Belichtungsimpulse
auslöst. Diese Belichtungsimpulse werden vom Detektor in elektrische Impulse umgewandelt
und vom Meßgerät 22 angezeigt und/oder registriert.
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Die Form dieser elektrischen Impulse ist rechteckig und in Figur 1
unten angedeutet.
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Verringert sich nun der Spalt 14 zwischen den beiden Bauelementen,
so daß diese eine Stellung gemäß Figur 2 einnehmen, so wird auch die Länge des Lichtstrahlenbündels
26 verklirit und damit der Lichtfleck 28 verkleinert. Da die Relativbewegung zwischen
den Bauelementen regelmäßig ist, bedeutet dies zwar keine Änderung in der Belichtungs-
und somit Impulsfolge, Jedoch ist infolge des kleineren Lichtflecks 28 die Länge
des Impulses 30 verkürzt, gegenüber der Länge des Impulses 31 bei größerer Spaltweite
14.(dgl. Fig. 1 und 2 unten Um den Einfluß von Fremdlicht auszuschalten, ist das
von der Lichtquelle 12 ausgesandte Lichtstrahlenbündel 26 vorzugsweise moduliert
und das Meßgerät zur Erfassung von modulierten Signalen ausgerüstet. Dies hat zur
Folge, daß sich Jeder Impuls aus einer Vielsahl von Einzelimpulsen zusammensetzt
und zur Erfassung von Spaltänderungen die Länge dieser Impulsgruppen ausgenutst
wird.
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Die Anordnungen gemäß den Figuren 1 und 2 lassen sich selbstverständlich
auch zur Überwachung der Spaltweite von relativ zueinander umlaufenden Bauelementen,
wie Stator und Rotor einer elektrischen Maschine einsetzen, wobei die Lichtquelle
vorzugsweise am Rotor angeordnet ist und induktiv mit elektrischer -ergie versorgt
wird.
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Die Ausführungsbeispiele 3 und 4 stellen eine Ausftflirungsvariante
der Ausführungsbeispiele 1 und 2 dar. Hierbei befinden sich Lichtquelle 12 und Detektor
18 am zweiten Bauelement 16. Am ersten Bauelement 10 ist ein Reflektor 32 vorsugsweise
versenkt angeordnet, der das Lichtstrahlenbündel 26, welches von der Lichtquelle
12 ausgesandt wird, auf den Bereich des Detektors 18 reflektiert, so daß dort der
Lichtfleck 28 gebildet ist. Der Reflektor 32 besteht vorzugsweise aus einem spiegelnden
Metallstück, ebensogut ist es möglich, eine dünne spiegelnde Schicht auf der Oberfläche
des ersten Bauelementes 1S aufzubringen.
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Verkleinert sich der Spalt 14 zwischen den beiden Bauelementen 10
und 16, so daß die beiden Bauelemente von ihrer in Figur 3 dargestellten Ausgangslage
in eine Stellung gemäß Figur 4 wandern, so wird, wie aus den Figuren ersichtlich,
der Weg des Lichtstrahlenbündels 26 verkürzt und der Lichtfleck 28 verkleinert.
Dies bewirkt genau wie beim Ausfilhrungs beispiel nach den Figuren 1 und 2 eine
Verkürzung der Impulslänge. Diese Verkürzung wird von dem in den Figuren 3 und 4
nicht dargestellten Meßgerät erfaßt und als Maßstab ftlr eine Spaltveränderung benutzt,
Vorgenannte Anordnung wird man hauptsächlich dann einsetzen, wenn das zweite Bauelement
16 ruht oder nur eine geringe Bewegung ausführt.
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Selbstverständlich kann mit den vorgenannten Einrichtungen jeweils
ausgehend von der Normalstellung nach den Figuren 1 und 3, eine Spalterweiterung
erfaßt werden. Diese wUrde sich als eine Iinpulsverlängerung bemerkbar machen.
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In den Ausführungsbeispielen gemäß den Figuren 5 und 6 besteht das
erste Bauelement 10 aus einem Rotor, das zweite Bauelement 16 aus einem Stator einer
elektrischen Maschine, die durch den Spalt 14 voneinander getrennt sind. Rotor und
Stator einer solchen Maschine dürfen sich während des Betriebs nicht berühren, so
daß hauptsächlich Spaltverringerungen zu tiberwachen sind, Jedoch auch Spaltvergrösseruagen
erfaßt werden können.
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Gemäß dem Ausführungsbeispiel nach Figur 5 ist am zweiten Bauelement
16, welches den Stator darstellt, die Lichtquelle 12 sowie ein Detektor 18 und mit
Abstand dasu gegebenenfalls ein Detektor 38 angeordnet. Am ersten Bauelement, welches
den umlaufenden Rotor darstellt, ist der Reflektor 32 vorgesehen.
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Das von der Lichtquelle 12 ausgesandte Lichtstrahlenbündel 26 verläuft
hierbei unter einem spitzen Winkel a zu einer Linie 34, welche das Zentrum der Lichtquelle
12 mit der nicht dargestellten Drehachse des Rotors verbindet. Der abstand der beiden
Detektoren 18 und 38 ist so gewählt, daß bei normaler Spaltweite, die mit nicht
unterbrochenen Strichen in Figur 5 dargestellt ist, der Lichtfleck 28 auf die Wand
zwischen den Detektoren 18 und 38 geworfen wird, so daß keiner dieser Detektoren
belichtet ist.
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Nähert sich nun das erste Bauelement 10 dem zweiten Bauelement 16
in die gestrichelt eingezeichnete Lage, so wandert der Lichtfleck, wie ebenfalls
eingezeichnet ist, alimihlich auf den Detektor 18 und erzeugt einen Impuls von immer
größer werdender Länge. Diese Impulslänge ist auch hier wieder ein Maß tUr die Spaltweite.
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Entfernt sich das erste Bauelement 10 vom zweiten Bauelement 16, d.h.
der Spalt 14 wird größer, so wandert der Nicht fleck 28 auf den Detektor 38 und
erzeugt ebenfalls Impulse, deren Länge ein Maß für die Spaltvergrößerung ist. Sollen
houptsächlich Spaltverringerungen überwacht werden, kann auf den Detektor 38 gegebenenfalls
verzichtet werden.
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I>er besondere Vorteil der Einrichtung gemäß Figur 5 ist darin
zu sehen, daß bei normaler Spaltweite kein Belichtungsimpuls ausgelöst wird, sondern
erst bei sich verändernder Spaltweite, wobei die Impulslänge wiederum ein Maß für
die Cr(;ße der Spaltänderung dnrstellt. Wird der Detektor bei normnler otorln belichtet,
bei nicht normaler Lag. nicht belichtet, können attch Ausfälle des Meßgerätes erkannt
werden.
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Zu bemerken ist noch, daß bei der Einrichtung gemäß Figur 5 die periphere
Länge der Detektoren 18 und 38 mindestens der peripheren Länge des Lichtfleckes
28 entsprechen muß.
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Das Ausführungsbeispiel gemäß Figur 6 ist eine Variante des vorangegangenen
Ausführungsbeispiels. Wie aus der Zeichnung zu ersehen, ist im Falle normaler Weite
des Spaltes 14 im Bereich des Lichtfleckes 28 ein Detektor 18 vorgesehen. Bei einer
Annäherung des ersten Bauelementes 10 - also einer Verkleinerung des Spaltes 14
- wird der vom Lichtstrahlenbündel 26 ausgelöste Lichtfleck 28 verkleinert, so daß
sich kürzere Belichtungsimpulse ergeben. Diese Verkürzung der Belichtungsimpulse
wird, wie bereits zuvor besprochen, vom Meßgerät 22 erfaßt und als Maßstab für die
Spaltverkleinerung benutzt.
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Um den Einfluß von Unregelmäßigkeiten der Relativbewegung auf die
Messung auszuschalten, ist der Detektor 18 in Fig. 6 über die Leistung 20 an ein
elektronisches erstes und zweites Tor 44 bzw. 46 angeschlossen. Diese Tore 44, 46
steuern die Zufuhr von elektrischen Impulsen von dem stabilen ersten und zweiten
Oszillator 50 bzw. 52 zu dem ersten und zweiten Impuiszähler 40 bzw. 42. Die Ausgänge
der Impulszähler 40, 42 sind über ein Subtraktionsglied 54 mit einem Anzeige- und/oder
Registriergerat 48 verbunden.
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Wcihrend des Betriebs wird vom Belichtungsimpuls des Detektors in
fortinufond dno ornte Tor 44 geöffnet und geschlossen, no dnß die im ersten Ozi).lntor
g0 mit einer konstanten Frequenz F1 erzeugten elektrischen Impulse während der Beiichtungsdnuer
des Detektors 18 dem ersten Impulszähler 40 zugeführt und gezählt werden.
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Gleichzeitig wird vom Detektor 18 das zweite Tor 46 Jeweils während
eine9eineg eine9eineg Zyklus der Relativbewegung der Bauelemente offen gehalten,
so daß jeweils Impulse von konstanter Frequenz vom zweiten Oszillator 52 dem zweiten
Impulszähler 42 zugefffhri und dort gezählt werden. Hierbei beginnt die Zählung
bei Jedem neuen Zyklus mit null, genau wie auch die Zählung im ersten Impulssähler
bei Jedem Belichtungsimpuls mit null beginnt. Im vorliegenden Ausfi;Ulrungsbeispie1Ausfiihrungabeispiel
Ausfi;Ulrungsbeispie1Ausfiihrungabeispiel mit einem umlaufenden Bauelement (Rotor)
10 entspricht ein Bewegungszyklus einem Umlauf des Rotors und das zweite Tor 46
wird z.B. Jeweils von der ansteigenden Flanke der aufeinender folgenden Belichtungsimpulse
gesteuert, d.h. geöffnet und geschlossen.
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Die vom zweiten Oszillator 52 gelieferte zweite Frequenz F2 steht
zur ersten Frequenz F1 in der im Anspruch 8 genannten Beziehung. Anstelle die aweite
Frequenz F2 in einem zweiten Oszillator 52 zu gewinnen, kann man diese auch durch
elektronische Division bzw. Multiplikation aus der ersten Frequenz F1 ableiten.
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Die Zählergebnisse der beiden Impulszähler 40, 42, d.h. die unzahl
der Impuls J1, J2 werden im Subtraktionsglied 54 voneinander subtrahiert und das
Ergebnis dem Anzeige- und/oder Registriergerät 48 zugeführt. Hierbei bedeuten Subtraktionsergebnisse,
die verschieden von null sind, eine Spaltänderung, wie folgenden Ausführungen zu
entnehmen ist.
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Die Anzahl der vom ersten Impulszähler 40 jeweils eingezählten ersten
Impulse J1 mit der Frequenz F1 ist J1 = Be]ichtungsdauer des Detektors . Frequenz
F1 1 F = c 1 hierin bedeuten 1 = periphere Länge des Lichtflecks 28, c = Relativgeschwindigkeit
zwischen den Bauelementen 10, 16. (vgl. Fig. 6) Für die Anzahl der jeweils während
eines Bewegungszyklus, d.h. Umlauf des Rotors in den zweiten Impulszähler 42 eingezählten
zweiten Impulse J2 gilt entsprechend J2 -J2 = c F2 hierin bedeuten u = Länge des
zurückgelegten Weges während eines Bewegungszyklus, das entspricht bei Rotoren einem
Umlauf und somit etwa dem Umfang c = Relativgeschwindigkeit F2 = Frequenz des zweiten
Oszillators.
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Wird jetzt F2 gemäß der Angaben nach Anspruch 8 gewählt und die Differenz
J1 - ~ - ~ J2 gebildet, so ergibt sich bei regelmäßiger Relativbewegung - j2 = 1
. F1 - u F . - 0 fUr (1 = 1) J1 zu zu J2 = cl Cm cl Cm P Zu P Zu F1 ~ ~ c 1 u (1
= DM DM Das heißt, das Ergebnis null ist unabhängigunabhangig unabhängigunabhangig
von einer solchen Änderung der Belichtungsdauer des Detektors, die infolge Unregelmäßigkeiten
der Relativbewegung der Bauelemente ausgelöst wird. Ändert sich die Spaltweite und
somit die Belichtungsdauer 1, so ändert sich die Anzahl der ersten Impuls J1 und
das Ergebnis der Differenzbildung ist verschieden von null.
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Anstelle die Differenz aus den Zählergebnissen zu bilden, kann auch
die Summe, das Produkt oder der Quotient gebildet werden. Hierbei ergibt sich bei
regelmäßiger Relativbewegung Jeweils eine Konstante verschieden von null und ein
Abweichen der gebildeten Werte von dieser Konstanten bedeutet eine SpaltRederung.Spaltanderimg.
SpaltRederung.Spaltanderimg.
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Wie die Ossillatoren, Tore, Impulszähler usw. im einzelnen aufgebaut
und gegebenenfalls in einer Einheit zusammengeschaltet sein müssen, ist dem entsprechenden
Fachmann geläufig, so daß sich nähere Angaben erübrigen.
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