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Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Wägen
einer bewegten Last, von welcher an der Waage ein elektrisches Meßsignal mit einem
statischen und einem dynamischen Anteil hervorgerufen wird, wobei die Augenblickswerte
des Meßsignals während einer vorbestimmten Zeit (Integrationsperiode) mehrfach einer
Integrationsvorrichtung zugeführt werden und der Integraiwert durch die Anzahl der
in der Integrationsperiode zugeführten Augenblickswerte dividiert wird.
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Bei einem bekannten Verfahren zum Wägen einer bewegten Last wird
das elektrische Meßsignal, welches einen statischen und einen dynamischen Anteil
aufweist, über eine vorbestimmte Zeitdauer integriert.
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Um hierbei den durch den dynamischen Anteil bedingten Fehler zu verringern,
wird die Integration über eine größere Anzahl von Perioden des sich in seiner Amplitude
mit fortschreitender Zeit verkleinernden dynamischen Anteils durchgeführt. Der.
wesentliche Nachteil eines solchen Verfahrens liegt in dem großen Zeitaufwand, der
für eine einigermaßen genaue Messung erforderlich ist. -Es ist weiterhin ein Verfahren
zum Wägen einer bewegten Last bekannt, bei dem zur Messung ein solcher Ausschnitt
aus dem elektnscher Meßsignal benutzt wird, der ein Minimum des dynamischen Anteils
enthält, wobei dieser Signalausschnitt dann noch in Filterkreisen einer Glättung
unterworfen wird. Auch bei diesem Verfahren muß jedoch zunächst eine gewisse Zeit
bis zum Abklingen der größten Amplituden des dynamischen Anteils verstreichen, ehe
mit der Messung begonnen werden kann. Die Glättung des Signals bedingt eine weitere
Verzögerung.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, unter Vermeidung
dieser Mängel der bekannten Lösungen ein Verfahren zum Wägen einer bewegten Last
zu entwickeln, bei dem trotz kurzer Meßzeit der auf den dynamischen Anteil des Meßsignals
zurückzuführende Fehler wesentlich verringert ist.
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Zur Erläuterung der Lösung nach der Erfindung sei zunächst der auf
dem dynamischen Anteil beruhende Fehler etwas näher betrachtet.
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Das an der Waage hervorgerulene elektrische Meßsignal besteht aus
einem dem tatsächlichen statischen Gewicht der Last entsprechenden statischen Anteil
von konstanter Amplitude sowie einem durch die Bewegungen und Vibrationen der Last
verursachten, zeitveränderlichen dynamischen Anteil.
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Dieser letztere Anteil läßt sich als ein Gemisch von Sinusschwingungen
unterschiedlicher Frequenz darstellen. Der Augenblickswert eines derartigen Meßsignals,
welches aus einem statischen Anteil und einem dynamischen Anteil mit sinusförmigen
Störschwingungen besteht, läßt sich durch die folgende mathematische Gleichung (1)
ausdrücken: A = W # E # sin (2# ft + #). (1) Hierbei bedeutet W = statischer Lastwert,
f = Frequenz des sinusförmigen Störsignals, E = Scheitelwert des sinusförmigen Signals,
(#) = Phasenverschiebungswinkel des sinusförmigen Signals.
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Der Mittelwert M dieses Augenblickswertes A der über eine vorbestimmte
Zeitperiode T gemessenen
Last läßt sich mathematisch durch folgende Gleichung (1
a) ausdrücken:
Gleichung (1 a) läßt sich nach Integration und Einsetzen der Grenzwerte wie folgt
schreiben: E M = W # # {cis # - cos (2# fT + #)}. (2) 2#fT Der Mittelwert M des
Augenblickswertes entspricht daher im allgemeinen nicht dem tatsächlichen statischen
Gewicht W : Der Fehler wird vielmehr durch den zweiten Summanden der rechten Seite
der Gleichung (2) gegeben. Dieser Fehler wird nun wie man Gleichung (2) ohne weiteres
entnehmen kann ein Maximum für cos (-) = 1 (3a) uiid cos(2:rJT+ (-)) = -1, (3b)
Diese Werte treten bei folgenden Argumenten der cos-Funktion auf:
Setzt man die Werte der Gleichungen (4) und (5) in die Gleichung (2) ein, so nimmt
der zweite Summand der rechten Gleichungsseite den Wert an: E af T Für die Werte
T= 1 s und f = 2,5 Hz nimmt der Ausdruck (6) den Wert an: E 7,85 (7) Fehlerwerte
dieser Größenordnung sind mit der gewünschten Genauigkeit der Wägung häufig unvereinbar.
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Die eingangs erläuterte Aufgabe wird nun dadurch gelöst, daß erfindungsgemäß
der Augenblickswert des Meßsignals zunächst mit einer Funktion multipliziert wird,
die innerhalb der Integrationsperiode stets positiv mit einem Maximum nach Ablauf
der halben Integrationsperiode ist und eine symmetrische Form zum Maximum aufweist,
daß daran anschließend das Produkt dieser Multiplikation integriert wird und daß
schließlich die Division dieses Integralwertes mit dem Integral der Funktion als
Divisor erfolgt, welcher der Anzahl der in der Integrationsperiode zugeführten Meßsignalwerte
entspricht.
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Die genannte Funktion kann beispielsweise eine der folgenden Formen
aufweisen: y = A - B cos Kt, (8) y = e-K(t-b)2, (9) y = A + B sin K Bsin K(t-'b)
K(t - b) wobei A, B, K und b jeweils Konstanten sind.
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Zur Erläuterung des durch die Erfindung erzielten technischen Fortschritts
sei angenommen daß die genannte Funktion die ForXn , = = 1 + a - a cos 2# t/T (11)
aufweist. Dies Funktion entspricht der Gleichung (8).
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Der Wert der Konstante a, der die Amplitude der Funktion y = f(t)
bestimmt, wird entsprechend den unerwünschten Frequenzen gewählt die im elektrischen
Meßsignal vorhanden sind. Die Verfahrensschritte nach der Erfindung lassen sich
damit durch folgende Gleichung für den resultierenden Mittelwert M der Last darstellen:
Unter Annahme der für die ungtinstigsten Fälle geltenden Werte der Gleichungen (4)
und (51 sowie für < 7 und T = 1 s folgt aus Gleichung (12) E (8 - f2) M = W #
(13) 8#f(f2 - 1) Für j. = 75 liz nimmt der zweite Summand auf der rechten Seite
der Gleichung (13), der den Fehler werl darstellt, folgenden Wert an: E 188 (14)
Ein Vergleich dieses Ausdruckes (14) mit dem Aus druck (7) läßt die erhebliche Verringelung
des durch den dynamischen Meßsignalanteil hervorgerufenen Fehlers erkennen.
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Die Erfindung ist an Hand der Zeichnungen an einem Ausführungsbeispiel
näher erläutert. Es stellt dar F i g. 1 ein Block schema der Wägevorrichtung Fig.
2 eine graphische Darstellung zur Erläuterung des Prinzips des Wägevorganges mit
der Wägevorrichtung gemäß Fi g. 1, F i g. 3 ein Blockschema des Impulsgebers.
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Gemäß F i g. 1 läuft ein Wägevorgang im Prinzip folgendermaßen ab:
Der zu wägende Wagen 1 fährt auf einen auf einer elektrischen Waage 3 abgestützten
Schienenabschnitt 2 auf. Die Waage gibt beim Ueber fahren durch: dell Wagen ein
dem Gewicht des Wagens entsrechendes, analoges elektrisches Meßsignal ab, wobei
dieses Signal einen statischen Anteil, welcher dem tatsächlicllen Gewicht des Wagens
entspricht, und einen dynamischen Anteil entsprechend der Bewegung des Wagens sowie
der Stöße enthält.
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Dieses Meßsignal wird durch einen Analog-Digitalwandler in ein an
parallelen Ausgängen anstehendes digitales Signal umgesetzt. Während einer vorbestimmen
Zeitspanne T, wobei diese der später zu erläuternden Integrationszeit entspricht,
wird der zu vorbestimmten Zeitpunkten innerhalb der Zeitspanne T anstehende, augenblickliche
Wert des sich innerhalb dieser Zeitspanne ändernden Meßsignals an eine Summier-
und Dividiervorrichtung 8 weitergegeben, d. h., innerhalb der Zeitspanne 7'werden
N Augenblickswerte des Meßsignals der Summier-
vorrichtung zugeführt. Dabei sind
die zeitlichen Abstände zwischen den einzelnen Weitergaben des Augenblickswertes
des Meßsignals gernäß der Amplitude der Funktion j = f(t) vorgegeben, d. h., bei
größer werdender Amplitude der Funktion werden die Zeitabstände kleiner, womit eine
größere Anzahl von Augenblickswerten pro Zeiteinheit summiert werden, während bei
kleiiier werdender Amplitude der Funktion y f(t) demgemäß eine geringere Anzahl
von augenblickswerten pro Zeiteinheit summiert wird. Das bedeutet mit anderen Worten
eine Multiplikation der Augenblickswerte der Meßspannung mit demjeweiligen Augenblickswert
der Funktion y = f(t), denn je nach dem Wert der Funktion y = f'(t) werden pro Zeiteinlleit
mehr oder weniger Augenblickswerte der Meßspannung addicrt. Die verschiedenzeitigen
Abstände für die Weitergabe der Augenblickswerte des Meßsignals werden von einem
1 mpulsgeber 6 mit veränderbarer Impulsfolgefrequenz entsprechend der Funktion y
= f(t) vorgegeben, wobei die in der Summier- und Dividiervorrichtung 8 anstehenden
summierten Augenblickswerte anschließend durch die Zahl N dividiert werden. Da die
Augenblickswerte in der Summier- und Dividiervorrichtung 8 zunächst addiert werden,
bedeutet dieser Verfahrensschritt die Integration der Augenblickswerte über die
Zeit T. Der nachfolgende Verfahrensschritt, nämlich die Division durch das Integral
der Funktion y = j'(t) über die Zeit 7; ist durch die Division der Zahl N gegeben,
da die Zahl N der Anzahl der in F i g. 2 gestrichelt dargestellten Rechtecke entspricht,
wobei diese Rechtecke alle die gleiche Fläche halben. Dieses Ergebnis, welches dem
statischen Gewicht des Wagens weitgehend gemäß obigem entspricht, wird in einer
bekannten Registriervorrichtung 9 angezeigt.
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Diese Wirkungsweise der ganzen Vorrichtung wird durch die nachfolgend
erläuterte Anordnung und Ausbildung der einzelnen Baugruppen erreicht: Der Einschaltimpuls
für einen Wägevorgang wird von einem Schalter 10 gegeben, welcher bei der Annäherung
des Wagens 1 an den Wägeschienenabschnitt 2 geschlossen wird. Dessen Einschaltimpuls
geht über eine Verzögerungsschaltung 11 entsprechend der Zeit, welche der Wagen
bis zum Erreichen des Wägeschienenabschnittes noch benötigt. auf ein Steuertor 12.
Dessen Ausgangssignal schallet einmal einen Oszillator 15 mit konstanter Frequenz
ein und öffnet zum anderen ein dem Analog-Digitalwandler 5 nachgeordnetes Tor 13
für eine vorbestimmte Zeit dauer, während welcher das am Analog-Digitalwandler anstehende
digitale Signal an den Speicher 14 übergeben wird. Dieser Speicher ist in bekannter
Weise aus bistabilen Stufen aufgebaut, wobei deren Zahl von der anzuzeigenden Stellenzahl
des Ergebnisses abhängt.
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Die Ausgangsimpulse des Oszillators werden über einen umsteuerbaren
Untersetzer 19 einer mehrstufigen Schalt- und Zählvorrichtung 16, deren Anzahl von
Schaltstufen wieder der obengenannten Stellen zahl entspricht, zugeführt. Von dieser
Schalt- und Zählvorrichtung -werden die den einzelnen Stellen zugeordneten Tore
in einer Torschaltung 17 gesteuert.
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Für die Ubergabe der Augenblickswerte des Meßsignals aus dem Speicher
14 an die Summier- und Dividiervorrichtung 8 müssen der Schalt- und Zählvorrichtung
16 so viel Impulse zugeführt werden, daß
alle Stellen der Schaltvorrichtung
geschaltet haben, wobei mit dem Durchschalten einer Stelle immer ein Fertigimpuls
abgegeben wird Die erforderliche Zahl P von Impulsen ist hierbei immer gleich, da
sie nur von der Stellenzahl des anzuzeigenden Ergebnisses abhängt. Der beim Durchschalten
einer Stelle in der Schaltvorrichtung auftretende Impuls öffnet das dieser Stelle
zugeordnete Tor in der Torschaltung 17, womit die im Speicher 14 in paralleler Digitalform
anstehende Information stellenmäßig nacheinander abgefragt wird, d. h., durch den
Serienbildner 7, wobei dieser die Torschaltung 17 und die Schalt- und Zählvorrichtungdo
umfaßt, wird die parallel anstehende Information in eine Serienform umgesetzt.
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Der Fertigimpuls der letzten Stufe der Schalt- und Zählvorrichtung
16, womit das Ende der Ubernahme der Augenblickswerte aus dem Speicher 14 angezeigt
wird, wird einem Prüfzähler 18 zugeführt, welcher ein Teil des Impulsgebers 6 bildet
und die Anzahl der vorgenommeneh Ubernahmen bzw. Umsetzungen additiv registriert.
Der obengenannte letzte Fertigimpuls der Schalt- und Zählvorrichtung wird darüber
hinaus dem dem Analog-Digitalwandler nachgeordneten Tor 13 zugeführt, womit dieses
öffnet. Damit wird ein neuer Augenblickswert des gerade anstehenden Meßsignals vom
Analog-Digitalwandler 5 in den Speicher 14 übergeben. Nunmehr werden wieder von
dem Impulsgeber 6 der Schalt- und Zälilvorrichtung 16 Impulse für das Oeffnen der
Tore in der Torschaltung 17 zugeführt, und es erfolgt wie die erste Seriendarstellung
des augenblicklichen Meßwertes die zweite Seriendarstellung. Dieser Vorgang wiederholt
sich nun so ofr, bis eine vorbestimmte Anzahl N von Umsetzungen der Paralleldarstellung
des Meßwertes in eine Seriendarstellung stattgefunden hat. In diesem Augenblick
gibt der Prüfzähler 18 einen Stopimpuls an das Steuertor 12, wodurch der Oszillator
15 abgeschaltet wird und der Wägevorgang beendet ist. In der Summier- und Dividiervorrichtung
8 sind somit die in Serienform umgesetzten digitalen Informationen des Analog-Digitalwandlers
aufsummiert, und zwar N Augenblickswerte während der Zeitspanne 7: Das bedeutet
mit anderen Worten die Integration der augenblicklichen Meßwerte über die Zeit 7:
Die in der Summier- und Dividiervorrichtung, welche in bekannter Weise aus bistabilen
Stufen besteht, aufsummierten Informationen werden daran anschließend durch die
Zahl N, d. h. die Anzahl der summierten Augenblickswerte, dividiert, worauf in der
Registriervorrichtung 9 ein digitales Signal ansteht, welches dem statischen Gewicht
des Wagens weitgehend entspricht.
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Aus den obigen Ausführungen geht hervor, daß die Ubernahme eines
Meßwertes aus dem Speicher 14 und die Umsetzung in eine Serieninformation jeweils
dann beendet ist, wenn die erforderliche Anzahl P von Impulsen in die Schalt- und
Zählvorrichtung 16 eingelaufen ist. Die Zeitdauer der Ubernahme und Umsetzung hängt
dabei, wenn man die Schaltzeit der einzelnen Stufen als klein ansieht, primär von
der Folgefrequenz der Impulse ab. Treten in einer Sekunde R Impulse auf, so ist
die genannte Zeitdauer durch P/R vorgegeben. Die Ubernahme- und Umsetzungsgeschwindigkeit,
welche dieser Zeit umgekehrt proportional ist, entspricht zur Ubernahmen pro Sekunden.
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Um nun diese Ubernahmen entsprechend der Funk-
tion y = f (t) zu ändern,
muß die Impulsfolgefrequenz der der Schalt- und Zählvorrichtung 16 zugeführten Impulse
geändert werden, was durch den Impulsgeber 6 erfolgt.
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Die Steuerung des Impulsgebers, damit also die Häufigkeit, mit welcher
die Augenblickswerte des Meßsignals pro Zeiteinheit an die Summier- und Dividiervorrichtung
8 übermittelt werden, die sich entsprechend der Funktion y = f (t) ändert, womit
das Integral der einzelnen Augenblickswerte des Meßsignals, multipliziert mit der
Funktion y = f (t) über die Zeit T entsteht, erfolgt nun dadurch, daß die Funktion
y = f (t) durch eine Rechteck-Treppenkurve möglichst weitgehend angenähert wird.
Die Impulsfolgefrequenz wird also stufenweise geändert, wobei die in der nachfolgenden
Beschreibung erläuterten vier verschiedenen J lmpulsfolgefrequenzen, womit zweiunddreißig
Ubernahmen des Augenblickswertes des Meßsignals möglich sind, lediglich zur vereinfachenden
Darstellung gewählt sind. In der Praxis wird man selbstverständlich eine höhere
Anzahl von verschiedenen Impulsfolgefrequenzen und damit Ubernahmen der Augenblickswerte
des Meßsignals wählen, um eine bessere Annäherung an die Kurve y = f(t) zu erhalten.
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Die Schaltung des derart vereinfachten Impulsgebers ist in F i g.
3 veranschaulicht. Der Prüfzähler 18 ist ein bekannter, umschaltbarer Binärzähler
mit vier bistabilen Stufen FFI, FF2, FF3 und FF4. Die dem Prüfzähler zugeführten
Impulse kommen, wie oben schon ausgeführt wurde, von der Schalt- und Zählvorrichtung
16. Der Prüfzähler 18 zählt somit die Anzahl der vorgenommenen l : bernahmen der
Augenblickswerte des Meßsignals über die Torschaltung 17 in die Summier- und Dividiervorrichtung
8. Mit den Ausgängen der vier bistabilen Schaltstufen sind die UND-Tore A2, A5,
A9 und A 16 verbunden, wobei das vierte UND-Tor A 16 den Prüfzähler 18 und einen
weiteren Zähler 21 umschaltet, worauf weiter unten noch eingegangen wird.
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Die UND-Tore A2, A5 und A9 haben dabei die Aufgabe, ein Umschalten
der Impulsfolgefrequenz dann vorzunehmen, wenn ein vorbestimmter Zählerstand im
Prüfzähler 18 erreicht ist. Gemäß F i g. 2 muß somit das Tor A 2 nach zwei Ubernahmen
ein Umschaltsignal abgeben, das Tor A5 nach insgesamt fünf Ubernahmen und das Tor
A9 nach insgesamt neun 1 : Ubernahmen. Das Tor A 16 gibt nach insgesamt sechzehn
Ubernahmen, d. h. im vorliegenden Fall bei der halben Integrationszeit, einen Umschaltimpuls
ab. womit durch Umschalten des Zählers 21 und des Prüfzählers 18 die obengenannten
Umschaltungen nunmehr (in der zweiten Hälfte der Integrationsperiode T) in absteigender
Folge verlaufen.
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Die Impulse des Oszillators 15 werden, wie oben schon ausgeführt
wurde, dem umsteuerbaren Untersetzer 19 zugeführt. Dieser besteht, wie in Fig.3
dargestellt ist, aus drei Binärstufen FFS, FF9 und FF 10, wobei auch diese Zahl
auf das erläuterte Ausführungsbeispiel abgestimmt und in der Praxis gemäß obigem
zu erhöhen ist. Da die Binärstufen eine Division durch zwei bewirken, lassen sich
an den Ausgängen der drei Binärstufen bei einer Impulsfolgefrequenz des Oszillators
15 von 8 R die Impulsfolgefrequenzen 4 R, 2 R und R abnehmen. Jede dieser Impulsfolgefrequenzen
wird über ein ihr zugeordnetes, steuerbares Tor G3, G4 und G5 an eine gemeinsame
Leitung 20 geführt, wobei diese Leitung zu der Schalt-und
Zählvorrichtung
16 führt. Die drei genannten Tore G3, G4 und G5 werden von dem Zähler 21 gesteuert,
wobei dieser drei bistabile Stufen FF5, FF6 und FF7 enthält. Beim Beginn des Wägevorganges
steht der Zähler 21 auf 1. Demgemäß ist das Tor G5 geöffnet, während die Tore G3
und G4 geschlossen sind. Die der Schalt- und Zählvorrichtung 16 zugeführte Impulsfolgefrequenz
beträgt demnach R.
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Mit dieser Impulsfolgefrequenz werden, wie oben schon dargelegt wurde,
zwei Ubernahmen des Augenblickswertes des Meßsignals durchgeführt. Die Uber-R nahmegeschwindigkeit
beträgt daher p. Nach den zwei Ubernahmen gibt das UND-Tor A 2 ein Umschaltsignal
ab, und zwar über das ODER-Tor 22 auf den Zähler 21. Dieser wird dadurch auf 2 gestellt,
wodurch das Tor G4 geöffnet wird, während die Tore G5 und G3 geschlossen sind bzw.
werden.
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Die der Schalt- und Zählvorrichtung 16 zugeführte Impulsfolgefrequenz
erhöht sich demnach auf 2R, womit die Ubernahmegeschwindigkeit auf 2R herauf-P gesetzt
wird. Bei dieser Schaltstellung werden drei Ubernahmen durchgeführt, wobei dann
nach insgesamt fünf Ubernahmen das Tor A5 einen Umschaltimpuls an den Zähler 21
abgibt. Damit werden die Tore G4 und G5 geöffnet, während das Tor G3 geschlossen
bleibt. Die Ubernahmegeschwindigkeit 3R erhöht sich daher auf 3p, wobei mit dieser
Ubernahmegeschwindigkeit vier Ubernahmen vorgenommen werden. Nach insgesamt neun
Ubernahmen gibt das Tor A9 einen Umschaltimpuls auf den Zähler 21, wodurch die Ubernahmegeschwindigkeit
auf 4R erhöht wird. Nach weiteren sieben Ubernahmen, P d. h. insgesamt sechzehn
Ubernahmen, ist die halbe Integrationsperiode 2 verstrichen, und das UND-Tor A 16
liefert einen Umschaltimpuls für den Prüfzähler 18 und'den Zähler 21. Damit läuft
der oben beschriebene Vorgang in umgekehrter Reihenfolge ab, d. h., nach weiteren
sieben Ubernahmen mit der 4R Ubernahmegeschwindigkeit 4R wird die Ubernahmegeschwindigkeit
stufenweise verringert. Das bedeutet ferner, daß die Funktion y = fett) symmetrisch
bezüglich der Abszisse T ist. Nach Beendigung der ins-2 gesamt zweiunddreißig Ubernahmen
gibt die bistabile Stufe FF4 einen Impuls ab, durch welchen der Oszillator 15 abgeschaltet
wird.
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Die gemäß obigem erforderliche bessere Anpassung der Rechteck-Treppenkurve
an die tatsächliche Funktlon y =f'(t) erfolgt durch die dementsprechende Erhöhung
der Stufen in der Schaltung gemäß F i g. 3.