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Die vorliegende Erfindung betrifft
im allgemeinen Vorrichtungen zur Regenmessung durch experimentelle
Bestimmung der Eigenschaften des Regens, wie der Größenverteilung,
der Geschwindigkeiten der an einer gegebenen Stelle auftreffenden
Regentropfen und der Auftreffzeiten der Regentropfen.
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Man kennt bereits Vorrichtungen zur
Regenmessung, deren Messungen für
Anwendungen wie die Echtzeitmodellierung von Wetterbedingungen für den Luftverkehr,
oder die Vorhersage von Störungen der
Telekommunikation durch Regen, insbesondere im Ultrakurzwellenbereich,
eingesetzt werden.
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Diese Vorrichtungen beruhen auf unterschiedlichen
physikalischen Prinzipien, deren grundlegendste sind:
- – das
Sammeln der Regentropfen in einem Gefäß,
- – die
Radarmessung,
- – die
Detektion von Ultraschall-Impulsen, die mit dem Auftreffen von Regentropfen
auf einer Membran übereinstimmen,
- – die
optische Detektion des Passierens von Tropfen durch ein Lichtbündel.
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Weder die herkömmlichen Regenmesser (Sammeln
von Tropfen) noch die Radar-Regenmesser erlauben es, individuelle
Messungen der Größe und der
Passier-Zeitpunkte der detektierten Tropfen zu erhalten.
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Die anderen Techniken erlauben es
zwar, individuelle Informationen über jeden Regentropfen zu erhalten,
aber sie erlauben es nicht, die Größe der kleinen Tropfen zu messen
(insbesondere Durchmesser von Tropfen unter 0,5 mm).
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Diese Einschränkung ist nachteilig:
- – für die allgemeine
Bestimmung des Regens, da die Tropfen mit einem Durchmesser unter
0,5 mm einen nicht vernachlässigbaren
Anteil der meisten Regenspektren darstellen,
- – und
insbesondere für
die Bestimmung der Auswirkungen des Regens auf die Telekommunikation,
da die Tropfen mit geringem Durchmesser in diesem Bereich einen
bedeutenden Einfluß haben.
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Ein Ziel der vorliegenden Erfindung
ist es, die Realisierung einer Vorrichtung zu ermöglichen,
die fähig
ist, Spektren von in Bewegung befindlicher Regentropfen und die
Verteilungen ihrer Ankunftszeiten für Tropfendurchmesser unter
0,5 mm wiederzugeben.
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Man kennt bereits aus
US 4 529 309 und
US 4 318 180 Vorrichtungen zum Messen
des Durchmessers von einen Meßraum
durchquerenden Teilchen, umfassend Mittel zur optischen Emission, Empfangsmittel,
die mindestens einen Photodetektor umfassen, der mindestens einen
Teil des von den Emissionsmitteln ausgesandten Lichts empfängt, nachdem
dieses den Meßraum
durchquert hat, sowie Behandlungsmittel, die das Signal am Ausgang
des genannten Sensors empfangen, wobei die Empfangsmittel mindestens
zwei solcher Photodetektoren umfassen, die Teile des von den Emissionsmitteln
ausgesandten Lichts empfangen, wobei diese Teile gemäß der allgemeinen
Bewegungsrichtung der Teilchen übereinander
angeordneten sind.
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Die Erfindung selbst schlägt eine
Vorrichtung zur Regenmessung vor, die dadurch gekennzeichnet ist,
daß die
Vorrichtung ein Regensmeßgerät zum Messen
des Durchmessers von Regentropfen ist, wobei die Behandlungsmittel
Mittel umfassen, um den Wert, mit dem die Stromstärke am Ausgang
eines Photodetektors abnimmt, während
ein Tropfen vor dem besagten Photodetektor passiert, zu bestimmen
und um daraus den individuellen Durchmesser des Tropfens abzuleiten,
wobei die Behandlungsmittel außerdem
Mittel umfassen, um die Stromstärken am
Ausgang des einen und des anderen der beiden Photodetektoren miteinander
zu korrelieren, um das Passieren kleiner Tropfen vor diesen bezüglich des Rauschens
der Stromstärken
am Ausgang der Photodetektoren zu unterscheiden.
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Wie man anhand der Beschreibung eines
im folgenden Text gegebenen Ausführungsbeispiels
der Erfindung verstehen wird, ermöglicht es eine derartige Vorrichtung,
sich bewegende Regentropfen von kleinem Durchmesser (bis zu 0,1
mm oder kleiner) zu detektieren.
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Sie erlaubt zudem, die Geschwindigkeit
dieser Teilchen, sowie deren Bewegungsrichtung zu bestimmen.
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Bevorzugte, aber nicht einschränkende Aspekte
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
sind die folgenden:
- – die Emissionsmittel umfassen
eine Elektrolumineszenzdiode, sowie optische Mittel, um das von der
Diode ausgesandte Licht zu einem parallelen Bündel auszurichten;
- – die
Empfangsmittel umfassen mindestens zwei Spalte, die entsprechend
der allgemeinen Bewegungsrichtung der Teilchen übereinander angeordnet sind
und die das Licht, das den Meßraum durchquert
hat, in zwei Teile aufteilt, die auf den einen bzw. den anderen
Sensor gesandt werden;
- – die
Empfangsmittel umfassen nach den Spalten optische Mittel, um das
empfangene Licht auf die Sensoren zu konzentrieren;
- – es
umfaßt
Mittel zur Erhitzung der optischen Mittel der Empfangsmittel;
- – es
umfasst Mittel zum Schützen
der Lichtsensoren vor Umgebungslicht, das die Vorrichtung umgibt;
- – die
Behandlungsmittel umfassen Mittel zum Bestimmen der Geschwindigkeit
der Regentropfen;
- – die
Behandlungsmittel umfassen Mittel zum Bestimmen der Auftreffzeitpunkte
der Regentropfen;
- – die
Behandlungsmittel umfassen Mittel zum Bestimmen der Bewegungsrichtung
der Regentropfen.
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Weitere Aspekte, Ziele und Vorteile
der vorliegenden Erfindung ergeben sich bei der Lektüre des folgenden
Ausführungsbeispiels,
das beispielhaft angeführt
ist und auf die beigefügten
Zeichnungen Bezug nimmt, in denen
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die 1 eine
schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung
ist, das dafür
bestimmt ist, Regenmessungen durchzuführen,
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die 2 eine
schematische Darstellung der in dieser Vorrichtung verwendeten optischen
Anordnung ist,
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die 3a bis 3c den zeitlichen Verlauf
der durch das Passieren eines Regentropfens verursachten Signale
veranschaulichen,
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die 4 zwei
Kurven der durch das Passieren mehrerer Regentropfen verursachten
Signale darstellt.
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Die in 1 veranschaulichte
Vorrichtung zur Regenmessung umfaßt eine photoelektrische Einheit 10 zum
Erfassen von Signalen, die das Passieren von Regentropfen G in einem
Meßraum 110 beschreiben,
sowie verschiedene, in 1 mit
20, 30, 40 und 50 bezeichnete Mittel zur Steuerung dieser Einheit
und zur Verarbeitung der durch sie erhaltenen Signale.
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Die Erfassungseinheit 10 umfaßt ein Emissionsgehäuse 100,
das ein paralleles Lichtbündel 11 erzeugt,
welches sich über
eine horizontale ebene Fläche
erstreckt, um die Regentropfen mit einem Winkel von annähernd 90° abzufangen.
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Dieses Lichtbündel tritt aus dem Emissionsgehäuse durch
einen lang gezogenen horizontalen Spalt aus (nicht in der Figur
dargestellt). Dieser Spalt hat eine Höhe von insgesamt 8 mm, wovon
6 mm für die
Messung benutzten werden, und jeweils 1 mm Spiel nach oben und 1
mm Spiel nach unten vorgesehen sind, um die mechanischen Schwankungen zwischen
Emissions- und Empfängergehäuse zu berücksichtigen.
Er hat eine Breite von insgesamt 42 mm, wobei 40 mm zur Messung
benutzt werden und wobei 1 mm Spiel nach links und 1 mm Spiel nach rechts
vorgesehen sind. Das Lichtbündel 11 hat
eine Wellenlänge
nahe dem Infraroten.
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Das Lichtbündel 11 breitet sich,
sobald es aus dem Emissionsgehäuse
ausgetreten ist, im Meßraum 110 aus,
welcher ein offener Raum ist, den die Einheit 10 in ihrer
Mitte aufweist und durch welchen Regentropfen fallen können.
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Das Lichtbündel 11 wird demzufolge
in diesem Meßraum 110 von
Regentropfen durchquert.
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Es wird dann in einem Empfängergehäuse 120 empfangen,
das am Eingang zwei rechteckige, senkrecht übereinander angeordnete horizontale Spalte
aufweist, die das besagte Lichtbündel
in zwei Teile spalten, welche die optischen Mittel des Gehäuses 120 auf
zwei Photodioden konzentrieren.
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Das Lichtbündel 11, das den Meßraum 110 durchquert,
kann somit als aus zwei übereinander angeordneten
aktiven Komponenten (in 1 mit 11a und 11b bezeichnet)
bestehend angesehen werden, die durch eine Zwischenkomponente getrennt sind,
deren Information nicht verwertet wird.
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Beim Fallen durchqueren die Regentropfen nacheinander
die obere aktive Komponente 11a, die Zwischenkomponente,
und dann die untere aktive Komponente 11b, wobei die Tropfen
die drei Lichtbündel
in einem Winkel von annähernd
90° zu den Ebenen
der Bündel
durchqueren.
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2 ist
eine Darstellung der optischen Elemente der Erfassungseinheit 10,
wobei die Elemente eine optische Anordnung bilden, um das Lichtbündel 11 auszustrahlen
und das Licht der aktiven Komponenten 11a, 11b getrennt
zu sammeln, nachdem es den Meßraum 110 durchquert
hat.
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Das Emissionsgehäuse 100 umfaßt eine Lichtquelle 102 die
eine Elektrolumineszenzdiode ist.
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Das von dieser Diode 102 ausgestrahlte Licht
wird von einer ersten Anordnung 103 empfangen, die aus
einem aplanatischen Meniskus und aus zwei gegenüberliegenden Dubletts besteht.
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Alternativ kann die Lichtquelle 102 ein
Laser sein.
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Diese Anordnung 103 konzentriert
das Licht der Lichtquelle 102 auf eine Lochblende 104.
Das aus der Lochblende 104 austretende Lichtbündel 11 wird
dann von einem Triplett 105 ausgerichtet, um ein horizontales
paralleles Lichtbündel
zu bilden, und verläßt dann
das Emissionsgehäuse 100 durch
den oben erwähnten
und in 2b mit 101 bezeichneten rechteckigen
Spalt.
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Beim Austritt aus dem Emissionsgehäuse 100 durchquert
das Lichtbündel 11 den
Meßraum 110 und
dringt in das Gehäuse 120 durch
die zwei rechteckigen horizontalen Eintrittsspalte ein, die das
Gehäuse 120 aufweist.
Diese Spalte wurden mit 121a und 121b bezeichnet.
Ihre Abmessungen betragen 40 × 2
mm und sie sind durch 2 mm getrennt.
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Das Licht der zwei aktiven Komponenten 11a und 11b wird,
nachdem es in das Gehäuse 120 eingedrungen
ist, durch ein Prisma 122 und ein Triplett 123 auf
die beiden Photodioden 124a beziehungsweise 124b eines
doppelten photoelektrischen Empfängers 124 konzentriert.
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Wie in 1 dargestellt
ist, umfaßt
die Vorrichtung zur Regenmessung, in Verbindung mit der Erfassungseinheit
außerdem:
- – eine
Schnittstelle 19, welche die vom Empfänger stammenden analogen Signale
in numerische serielle Signale konvertiert;
- – eine
mit der Erfassungseinheit 10 verbundene Schnittstelle 20.
Diese Schnittstelle verwandelt die von der Schnittstelle 19 stammenden
Signale in parallele Signale;
- – einen
mit der Schnittstelle 20 verbundenen Verwaltungscomputer 30,
um die numerischen Signale zu empfangen, diese Signale zu verarbeiten um
daraus Informationen über
den Regen, der den Meßraum
der Erfassungseinheit durchquert, abzuleiten, und diese Informationen
zu visualisieren und zu speichern;
- – einen
zwischen den Computer 30 und die Erfassungseinheit 10 geschalteten
Eichungsregler 40. Dieser Eichungsregler empfängt Befehle
des Verwaltungscomputers und übertragt
demgemäß Eichsignale
auf die Einheit 10,
- – eine
mit der Erfassungseinheit verbundene Stromversorgung 50.
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Da die Lichtstärke des vom Gehäuse 100 ausgesandten
Lichts während
der Meßdauer
als konstant angesehen werden kann, hat das Durchqueren eines Tropfens
von einer der beiden aktiven Lichtbündel-Komponenten 11a und 11b eine
Verminderung der Lichtstärke
zur Folge, die auf die Photodiode konzentriert wird, die der Lichtbündel-Komponente entspricht.
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In 3a wird
der Fall eines Regentropfens G durch die Lichtbündel 11a und 11b dargestellt,
sowie in den Graphen der 3b und 3c die Änderungen der Lichtstärken Ia und Ib, die während dieses Falls
von den Photodioden 124a und 124b empfangen werden.
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Bei Abwesenheit von Regentropfen
im Meßraum,
entsprechen die Stromstärken
Ia und Ib den Referenzwerten
Ia und IOb, die
der Gesamtheit des Lichts der Lichtbündel-Ebenen 11a beziehungsweise 11b entsprechen.
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Wenn nun ein Tropfen G in den vertikalen Durchmesser
der oberen Lichtbündel-Ebene 11a eindringt,
nimmt der Wert von Ia während eines Zeitintervalls ΔTDa mit einer negativen Steigung Da ab, bis sich
der Tropfen vollständig
in der Komponente 11a befindet und Ia sich
auf einen Wert IGa stabilisiert hat.
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Der seinen Fall fortsetzende Tropfen
G verläßt die Ebene 11a und
Ia steigt während eines Zeitintervalls ΔTMa von IGa auf IOa mit einer positiven Steigung Ma an.
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Wenn der Tropfen G in die untere
Lichtbündel-Ebene 11b eindringt,
nimmt der Wert von Ib während des Zeitintervalls ΔTGb von IOb auf IGb ab. Wenn dann der Tropfen den unteren
Rand der Lichtbündel-Ebene 11b verläßt, nimmt
Ib durch eine Veränderung während ΔTMb seinen
Referenzwert IOb wieder an.
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Die vom Tropfen absorbierte oder
abgelenkte Lichtmenge hängt
von der Größe des Tropfens
ab. Es ist möglich,
die Werte IGb und IGa mit
einer charakteristischen Dimension des Tropfens G in Beziehung zu
setzen, zum Beispiel mit seinem äquivalenten Durchmesser,
welcher jener Durchmesser ist, den der sphärische Tropfen hätte, wenn
er nicht den durch seinen Fall bedingten aerodynamischen Kräften sowie
den daraus hervorgehenden Verformungen ausgesetzt wäre.
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Wenn auch die Herstellung einer solchen Relation
zwischen der empfangenen Lichtstärke
und der Größe des Tropfen
an sich bekannt ist (siehe beispielsweise die Patentschrift FR 2
293 718), so erlaubt doch die erfindungsgemäße Verwendung zweier übereinander
angeordneter Lichtbündel,
von denen jedes ein Signal liefert, dank der Behandlungsmittel des
Verwaltungscomputers 30, die vorteilhafte Durchführung einer
präzisen
Korrelation der Signale Ia und Ib.
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In den Graphen der 4 ist ein Beispiel einer Aufzeichnung
der Signale Ia und Ib dargestellt.
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Es ist festzustellen, daß jedes
Signal Rauschen beinhaltet, welches das zuverlässige Erfassen von kleinen
Tropfen unmöglich
macht.
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Die vom Verwaltungscomputer vorgenommene
Korellierung der Signale Ica und IGb, welche von den beiden Lichtbündeln beim
Passieren eines gleichen Tropfens G durch den Meßraum übertragen werden, erlaubt es
auch, die Meßgenauigkeit
deutlich zu verbessern, dadurch daß Tropfen bestimmt werden,
deren effektiver Durchmesser einen annähernd so kleinen Wert wie 0,1
mm haben kann.
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Die Korellierung kann auf vielerlei
verschiedene Weisen durchgeführt
werden. Sie kann zum Beispiel in einer Korellierung mittels Fast-Fourier-Transformation (in
der Fachsprache FFT) bestehen.
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Es ist zu bemerken, daß die vorangehende Beschreibung
Tropfen mit einem Durchmesser unter 2 mm betraf. Das Prinzip der
Messung ist jedoch auch auf Teilchen mit einem größerem Durchmesser anwendbar,
sofern die Behandlung die Tatsache berücksichtigt, daß die verdunkelte
Fläche
zur Schnittfläche
zwischen der Spaltoberfläche-
und der Partikeloberfläche
proportional ist.
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In 4 sind
die eingekreisten Werte die effektiven Radien der die Lichtbündel durchquerenden Tropfen
(in mm). Diese Werte gehen, wie gesagt, aus den mit dem Verwaltungscomputer 30 verbundenen Behandlungsmitteln
hervor, wobei die Behandlungsmittel die Korellation der von den
beiden Photodioden der Vorrichtung empfangenen Signale durchführen.
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Außerdem erlaubt die Tatsache, über zwei Lichtbündel zu
verfügen,
die Dicke der Lichtbündel
zu reduzieren und somit die Wahrscheinlichkeit zu verringern, daß zwei verschiedene,
gemeinsam fallende Tropfen ein Signal verursachen, das als ein einzelnes erscheint,
wenn diese das Lichtbündel
durchqueren.
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Andererseits erlauben die Behandlungsmittel
der Vorrichtung es auch, aus den Steigungen Da und
Ma, sowie der Aufenthaltsdauer eines Tropfens
in einem Lichtbündel,
die Fallgeschwindigkeit des Tropfens abzuleiten.
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Ein zusätzlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung
liegt darin, daß es
die Tatsache, über zwei
Signale zu verfügen,
erlaubt, die Bewegungsrichtung der Tropfen eindeutig zu bestimmen,
was bei Vorrichtungen des Stands der Technik, wie beispielsweise
in der Patentschrift FR 2 293 718 beschrieben, nicht der Fall war.
Dieser Vorteil ist insofern nicht zu vernachlässigen, als zahlreiche Regentropfen,
durch Konvektionsströme
getrieben, die Vorrichtung von unten nach oben durchqueren.
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Gemäß einer nicht in den Figuren
dargestellten Variante, umfassen die zwei Gehäuse der Einheit 10 Mittel
zum Heizen der optischen Elemente, die an die Stromversorgung 50 der 1 angeschlossen sind. In
dieser Variante erlauben es die Heizmittel, die Auswirkungen von
Kondensation auf die Optik zu verringern.
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Eine andere Variante der Erfindung
sieht Mittel, wie etwa lichtdurchlässige Klappen vor, welche die
beiden Spalte des Gehäuses 120 umgeben,
um zu verhindern, daß Umgebungslicht
die Messung des Lichts der Lichtbündel-Komponenten 11a und 11b stört, und
um im Fall von Anwendungen bei der Regenmessung die Elemente des
Gehäuses 120 vor Wasserabscheidung
zu schützen.
Beim erfindungsgemäßen Einsatz
der Vorrichtung befindet sich die Erfassungseinheit vor Ort im Strom
der zu bestimmenden Tropfen (oder Teilchen).
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Im Fall von Regenmessungen können die anderen
Elemente der Vorrichtung in einem geschützten Bearbeitungsbereich gesammelt
werden.
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Zur Eichung der Vorrichtung ist es
gemäß der Erfindung
möglich,
mit Hilfe von senkrechten Stiften, die im Meßraum 110 in den Verlauf
der Lichtbündel
gebracht werden können,
abwechselnd einen der beiden seitlichen Ränder der beiden Lichtbündel-Komponenten 11a und 11b teilweise
zu verdecken.
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Da die durch den Stift abgedeckte
Lichtmenge dem Bediener bekannt ist, ist es möglich, den Stift im Meßraum zu
versetzen, um eventuelle räumliche Inhomogenitäten der
Lichtverteilung in den Lichtbündeln
zu messen.
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Solche Inhomogenitäten können durch
eine Verunreinigung oder einen Fremdkörper (Insekt,...) im Meßraum bedingt
sein. Das Versetzen der Stifte wird durch den Eichungsregler 40 gesteuert.
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Gemäß einem weiteren Merkmal der
Erfindung ist es möglich,
Mittel zur Modulation des von der Lichtquelle 120 ausgesandten
Lichts vorzusehen. Die Modulation der Lichtemission erlaubt einerseits, das
Signal/Rausch-Verhältnis
der Signale Ia und Ib zu vergrößern und
andererseits, durch Vergleich der während der Lichtimpulse und
zwischen diesen Impulsen empfangenen Signale, schnelle Messungen der
Stärke
des Umgebungslichts durchzuführen.
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Als weitere Variante ist es möglich, die
Lichtquelle 102 direkt an die Stelle der Lochblende 104 zu bringen.
Man entfernt also die Anordnung 103 und die Lochblende 104.
Die verwendete Lichtquelle 102 ist das mit HE8404SG bezeichnete
Modell von HITACHI. Die anderen Elemente bleiben unverändert.