DE2313997A1 - Beruehrungsloses potentiometer - Google Patents

Description

HÖGER - STELLRECHT-GRIESSBACH - HAECKER

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9.Febr.1973

Firma Intermadox AG Hochhaus I Friedbach CH-6300 ZUG/Schweiz

Berührungsloses Potentiometer

Die Erfindung betrifft ein berührungsloses Potentiometer mit einer Lichtquelle und einem lichtempfindlichen Empfihger, vorzugsweise einem Photoelement, wobei eine Schlitzmaske verschiebbar in dem optischen Pfad zwischen Lichtquelle und Photoelement angeordnet ist.

Berührungslose, ohne direkte Schleifkontakte arbeitende Potentiometer sind bekannt, beispielsweise aus der US-PS 3 539 oder dem Aufsatz "Using photocells for electro-optical potentiometer" von Brown und Tomasulo in der Zeitschrift "electronic products" vom September 1969 auf den Seiten 150 und 151.

Bei der genannten US-Patentschrift ist ein innerer, in seinem Inneren mit einer Lampe versehener und einen Schlitz in einer

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Seitenwandung aufweisender Hohlzylinder in einem äußeren Hohlzylinder angeordnet, an dessen Innenfläche eine lichtempfindliche Halbleiterschicht angeordnet ist. Durch Verdrehen des inneren Hohlzylinders gelangt man bei Anlegen einer, äußeren Spannung zu einem berührungslosen Potentiometer mit beträchtlichen Vorteilen gegenüber normalen Potentiometern, nämlich einem aufgrund der Berührungslosigkeit verschleißfreien Abgriff, sehr hoher Auflösung und sehr hoher, möglicher Verstellgeschwindigkeit.

Bei dem angezogenen Aufsatz in "electronic products" werden zur Erzeugung eines Sägezahngenerators mit entsprechend steilen

Photo-Flanken zwei widerstände elektrisch in Reihe geschaltet und abwechselnd von einer rotierenden Schlitzblende gegenüber einer Lichtquelle abgedeckt, wodurch man dann zu der gewünschten Sägezahnform gelangt.

Nachteilig bei den bisher bekannten berührungslosen Potentiometern ist jedoch, daß keine ausreichende Linearität zwischen Verstellwinkel bzw. dem Verstellweg der Schlitzmaske und der Ausgangsspannung erreicht werden kann, aufgrund von den verwendeten lichtempfindlichen Schichten innewohnenden Nichtlinearitäten und daß auch die Stabilität der Ausgangsspannung hinsichtlich ihres Temperaturgangs beträchtlich zu wünschen übrig läßt. Weiterhin ergeben sich, insbesondere bei Verwendung von Photowiderständen, sogenannte "Vergangenheitseffekte", d.h. bei längerem Verbleiben auf einer eingestellten Position benötigt ein solches Potentiometer eine gewisse Zeit, um von diesem Wert wieder abzukommen.

Nachteilig ist weiterhin, daß Änderungen in der Beleuchtungsstärke, Alterungen der Lampen und ähnliche Effekte voll in das Meßergebnis eingehen.

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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein berührungsloses Potentiometer mit sämtlichen Vorteilen des optischen Abgriffs zu schaffen, dabei jedoch die erwähnten Nachteile insofern zu vermeiden, als eine genaue Linearität zwischen Verstellwinkel und Ausgangsspannung und eine extreme Unempfindlich-: keit gegenüber Temperaturschwankungen und Alterungserscheinungen

Speisespannungsschwankungen erreicht wird.

Zur Lösung dieser Aufgabe geht die Erfindung aus von dem eingangs genannten berührungslosen Potentiometer und besteht erfindungsgemäß darin, daß zwei von der gleichen Lichtquelle beleuchtete Photoelemente, ein Meßelement und ein Referenzelement in äquithermer Anordnung vorgesehen sind und daß der Ausgangsstrom des Referenzelementes einer diesen Ausgangsstrom dadurch konstant haltenden Regelschaltung zugeleitet ist, daß an deren Ausgang die Lichtquelle angeschlossen ist und Ausgangsstromänderungen über eine Beeinflussung der Lichthelligkeit ausgeglichen werden.

Erfindungsgemäß wird also so vorgegangen, daß das Referenzphotoelement in einer geschlossenen Regelschleife liegt, der an einer bestimmten Stelle ein Sollwert eingegeben wird. Die Eingabe
dieses Sollwerts erfolgt vorzugsweise in Form einer vorgespannten Senerdiode; die Regelschaltung bemüht sich dann, den Photostrom des Referenzphotoelementes mit diesem Sollwert in
Beziehung zu setzen und ändert auf diese Weise, wenn etwa aufgrund von Alterungserscheinungen ein Nachdunkeln der Lichtquelle eintritt, die Helligkeit der Lichtquelle in entgegengesetzter Richtung, so daß der Meßausgang absolut unbeeinträchtigt von solchen Schwankungen konstant verbleibt und nur von
der Schlitzmaskenverschiebung abhängig ist. Insofern gelingt es

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der Erfindung aber auch, gleich zwei wesentliche Punkte einer Problemlösung zuzuführen, indem nämlich auch Linearitätsfehler in dem Meßphotoelement dadurch ausgeglichen werden, daß der Schlitzmaske für das Referenzphotoelernent entsprechende Abschattungen verliehen werden, die so bemessen sind, daß Linearitätsfehler kompensiert werden.

Zweckmäßigerweise werden hierbei für Meß- und Referenzphotoelement unterschiedliche Schlitzmasken in Form von mehr oder weniger durchsichtig gestalteten Filmstreifen verwendet.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche und in diesen niedergelegt.

Im folgenden auf Aufbau und Wirkungsweise eines Ausführungsbeispiels der Erfindung im einzelnen näher eingegangen. Dabei zeigt:

Fig. 1 den Aufbau des mechanischen Teils des erfindungsgemäßen berührungslosen Potentiometers,

Fig. 2 die verwendeten Schlitzmasken in Form von Filmstreifen in der Abwicklung,

Fig. 3 eine bevorzugte Positionierung der Lichtquelle

mit Bezug auf Meß- und Referenzphotoelement, während die

Fig.4a und 4b die elektrischen Schaltungen zeigen, in welche jeweils das Meßphotoelenient und das Referenzphotoelement eingebaut sind.

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Bevor auf eine Erläuterung der Figuren genauer eingegangen wird, sei darauf hingewiesen, daß die grundsätzliche Wirkungsweise des erfindungsgemäßen berührungslosen Potentiometers darin besteht, daß eine Meßphotozelle, in den Figuren mit den Bezugszeichen 8 versehen, von einer stetig veränderbaren Lichtmenge angestrahlt wird und einen Ausgangsphotostrom abgibt, der der sich ändernden Anstrahlung proportinal ist. Nach Verstärkung und Umwandlung dieses Photostroms vorzugsweise mittels eines gegengekoppelten Operationsverstärkers gewinnt man dann eine Ausgangsspannung, die der sich verändernden, das Phötoelement erregenden Lichtmenge proportional ist. Im folgenden wird erläutert, wie erfindungsgemäß vorgegangen wird, um diese Linearität tatsächlich bis zu extremen Genauigkeiten zu erhalten und auch eine entsprechende Stabilität bei Temperaturschwankungen und Alterungserscheinungen der gesamten Apparatur herbeizuführen.

Wie Fig. 1 zeigt, ist eine als Potentiometerachse 3 ausgebildete Welle vorzugsweise beidseitig in Lagern 4 und 5 gelagert und kann eine Drehbewegung ausführen. Fest verbunden mit der Achse 3 sind zwei zueinander einen Abstand einhaltende Scheiben 1 und 2. Die einander zugekehrten Randbereiche der-beiden Scheiben 1 und 2, die vorzugsweise aus einem Metall wie Aluminium hergestellt sind, sind mit einem ringförmigen Einstich 20 versehen, in wel-

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chem die Schlitzmasken 9 und 10, die wie vorre schon erwähnt, als Filmstreifen ausgebildet sind, gelagert sind. Die Filmstreifen 9 und 10 sind daher kreisförmig angeordnet und bilden zusammen mit den ihnen zugeordneten Scheiben 1 und 2 mit ihren Innenseiten einander zugekehrte Halbschalen auf der Potentiometerachse 3 aus.

In der Darstellung der Fig. 2 sind diese Filmstreifen 9 und 10 nochmals in der Abwicklung gezeigt, dabei ist der Filmstreifen 9

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dem Meßphotoelement 8 und der Filmstreifen 10 dem Referenzphotoelement 7 zugeordnet. Vorzugsweise sind/ wie auch der Darstellung der Fig. 1 entnommen werden kann, die beiden Filmstreifen räumlich etwas voneinander getrennt gehalten, das gleiche trifft für die angrenzend an die Filmstreifen 9 und 10 angeordneten Photoelemente 8 und 7 zu; zur Abschirmung von Streulicht ist zweckmäßigerweise ein Trennelement 21 zwischen beiden angeordnet. Wie die Fig. 1 zeigt, sind die Photoelemente 8 und 7 oberhalb der Lageranordnung für die Filmstreifen 9 und 10 und oberhalb der Filmstreifen angeordnet, wobei sich die Lichtquelle 6 im Inneren der halbschalenartigen, aus den Scheiben 1 und 2 und den Filmstreifen 9 und 10 gebildeten Elemente befindet. Aus Gründen der Temperaturgleichheit, d.h. um die beiden Photoelemente, d.h. das Meßphotoelement 8 und das Referenzphotoelement 7 in einer äquithermen Position zu halten, sind beide auf einem Metallblock 11 guter Wärmeleitfähigkeit angeordnet, es ist aber auch möglich, entsprechend der Technilogie die Photoelemente aus einem einzigen Halbleiterstück, vorzugsweise aus einem Siliziumstück, herzustellen.

Wie Fig. 2 zeigt, ist der dem Meßphotoelement 8 zugeordnete Filmstreifen 9 mit gleichmäßigen Schwarzkeilen 22 versehen, so daß klar ersichtlich ist, daß bei einer Verdrehung der Potentiometerachse 3 um gleiche Verdrehwinkel in gleichem Maße unterschiedliche Lichtmengen auf das Meßphotoelement 8 fallen, so daß auch dessen Photoausgangsstrom sich in entsprechendem Maße verändert und eine getreue Abbildung des Verdrehwinkels durch den Ausgangsstrom des Photoelementes 8 erzeugt wird. Wie weiter vorn schon erwähnt, zeigt Fig. 4a, daß dieser Ausgangsphotostrom des Photoelements 8 über einen Operationsverstärker 12 mit Gegenkopplungswiderstand 13 verstärkt wird und als Ausgangsspannung UA in Erscheinung tritt.

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Wesentlich ist in diesem Zusammenhang die Anordnung des Referenzphotoelementes 7 in einer Regelschaltung, wie Fig. 4b zeigt, sowie der Aufbau des diesem Photoelement zugeordneten Filmstreifens lo.

Fig. 2 zeigt, daß der Referenzfilmstreifen 10, der aus gleichem Material wie der MeBfilmstreifen 9 besteht, im wesentlichen nicht eingefärbt ist, seitlich jedoch Abschattungen 23 zeigt, die Llnearitätskorrekturen darstellen. Es ist offensichtlich, daß,da Meßphotoelement 8 und Referenzphotoelement von der gleichen Lichtquelle 6 bestrahlt werden, auch das Referenzphotoelement 7 auf Änderungen der Strahlungsintensität der Lichtquelle sowie auf die Abschattungen 23 mit einer Änderung seines Ausgangsstroms reagieren wird. Die Schaltung des Referenzphotoelementes 7 ist nun jedoch, wie Fig. 4b zeigt, so getroffen, daß die diesem Photoelement zugeordnete Regelschaltung bemüht ist, durch Nachregelung der Helligkeit der Lichtquelle 6 den Ausgangsphotostrom des Referenzphotoelements 7 konstant zu halten. Hierzu wird, wie Fig. 4b zeigt, ein über einen Widerstand 15 nur sehr lose gegengekoppelter Operationsverstärker 14 verwendet, dessen Eingang der Ausgangsstrom des Referenzphotoelementes 7 zugeführt ist. Wie bekannt sei auch im folgenden vorausgesetzt, daß es sich bei dem Operationsverstärker um einen gegenkoppelbaren Verstärker handelt, dessen Verstärkung im Idealfall unendlich ist und der einen vernachlässigbar kleinen Eingangsstrom besitzt, so daß sich entsprechende Operationen durchführen lassen. Dem Ausgangsstrom I des Photoelementes 7 ist nun der Strom i_ eines Referenzelementes, welches im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Zenerdiode 18 ist, entgegengeschaltet. Zur entsprechenden Vorspannungserzeugung für die Zenerdiode sind, wie Fig. 4b zeigt, noch eine Vorspannungsquelle -U_v mit einem zugeordneten Widerstand 17 vorgesehen; der Referenzstrom i_R

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fließt über einen weiteren Widerstand 16. Da wie vorausgesetzt, der Eingangsstrom des Operationsverstärkers 14 vernachlässigbar klein ist und aufgrund der losen Gegenkopplung der Widerstand 15 relativ groß ist, ergibt sich, daß bereits ein kleiner Differenzstrom Ip - i_= ig eine beträchtliche Ausgangsspannung

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erzeugt, so daß schon bei einer geringfügigen Änderung des Photostroms ip des Referenzphotoelementes 7 eine merkliche Aussteuerung der Lichtquelle 6 am Ausgang des Operationsverstärkers 14 erfolgt. Da nun jedoch das Referenzphotoelement 7 (und auch das Meßphotoelement 8) von dem Licht der Lichtquelle 6 beleuchtet sind, ergibt sich, daß Schwankungen des Photostroms Ip durch entsprechende Lichtintensitätsänderungen ausgeglichen werden; d.h. weiterhin, daß man aber auch mit Hilfe der Referenzfilmstreifen 10 Linearitätsfehlern, die das Meßphotoelement 8 aufweist, kompensierend begegnen kann, nämlich in Form von vorzunehmenden Abschattungen 23, so daß dann, wenn ein solcher Linearitätsfehler (der selbstverständlich bekannt sein muß) bei einem gegebenen Drehwinkel auftritt, aufgrund der Regelwirkung über den Referenzkreis eine entsprechende Nachstellung der Lichtausgangsleistung der Lichtquelle 6 erfolgt, üblicherweise sind die Linearitätsfehler der Photoelemente nicht im voraus bekannt, so daß es zweckmäßig 1st, die Abschattungen auf der Referenzseite, d.h. auf dem Referenzfilmstreifen zur Linearisierung nachträglich einzufügen. Man geht dann so vor, daß nach Zusammenbau des Potentiometers entweder von Hand oder auch automatisch die teilweise Abschattung des Referenzfilmstreifens vorgenommen wird, in der Weise, daß höchste Genauigkeit des Potentiometers erreicht wird, was zweckmäßigerweise durch Einbau in eine Meßschaltung erreicht wird, wodurch man auch sofort eine Automatisierung dieses Korrekturvorganges in der Weise bewirken kann, daß der Ausgangsstrom der Meßschaltung, gegen

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ein absolut linear ansteigendes Signal geschaltet das Korrektursignal wird, welches den mechanischen Abschattungsvorgang führt. Auf diese Weise ergibt sich die Möglichkeit, alle Größen, die Einfluß auf die Linearität haben, auszuschalten, das sind beispielsweise Ungenauigkeiten des keilförmigen Meßfilmstreifens selbst, Michtlinearitäten im Meßphotoelernent, Ungleichmäßigkeiten in der Beleuchtungscharakteristik der Lichtquelle und schließlich die mechanischen Ungenauigkeiten des Aufbaus. Sämtliche dieser sich als Linearitätsfehler bemerkbar machende Umstände können auf diese Weise ausgeschaltet werden.

Eine solche Regelung in Form einer Nachstellung der Lampenhelligkeit erfolgt selbstverständlich auch dann, wenn etwa bei der Lichtquelle selbst Temperaturschwankungen, Alterungserscheinungen und Speisespannungsschwankungen auftreten, da diese zu einem Zurückgehen des Photostroms Ip führen würden, dem die Regelschaltung dann entsprechend entgegenwirkt. Auch gelingt es auf diese Weise, TemperatürSchwankungen auszugleichen, wie klar ersichtlich, da bei einer erhöhten Temperatur der beiden Photoelemente 8 und 7 dann eben ein entsprechendes entgegengesetztes Nachziehen der Beleuchtungsintensität erfolgt. Für den Fachmann ist offensichtlich, daß dann, wenn der Widerstand 15 und damit die Rege!verstärkung groß genug gewählt wird, selbst große Änderungen in der Empfindlichkeit des Photoelementes oder des Lampenwirkungsgrades weitgehend ohne merkliche Änderungen des Photostroms Ip ausgeregelt werden können.

Gemäß einem vorteilhaften Merkmal der Erfindung wird als Lichtquelle 6 eine Lumineszenzdiode, vorzugsweise aus Gallium-Arsenid verwendet, außerdem ist diese GA-Diode, wie die Darstellung der Fig. 3 zeigt, mit Bezug auf die Position der Photoelemente 8 und 7 versetzt, also nicht mittig angeordnet, wie das Ausführungsbeispiel der Fig. 1 zeigt, so daß der größte Teil

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der Lichtmenge 19 auf die Meßzelle 8 einfällt. Dies hat zwei Vorteile. Erstens ist es aufgrund dieser absichtlich ungleich gewählten Lichtverteilung möglich, am Außenrand des Referenz filmstreifens 10, wie die Fig. 2 zeigt, Linearitatskorrekturen vorzunehmen, die trotz der üblicherweise an sich nur kleinen notwendigen Linearitäskorrekturen relativ große Abschättungen ermöglichen, so daß auch sehr genau gearbeitet werden kann.

Weiterhin ist es auf diese Weise möglich, die auf das Meßphoto element und auf das Referenzphotoelement auffallende Lichtmenge wie das Verhältnis von maximaler Ausgangsspannung UA des Meßoperationsverstärkers 12 zur Referenzausgangsspannung an der Lichtquelle 6 zu verteilen, so daß sich für die Widerstände und 16 gleich große Werte ergeben, die sich im lemperaturgang kompensieren. Zweckmäßigerweise werden schließlich für die Photoelemente 7 und 8 Siliziumphotoelementc verwendet, da Siliziumphotoelemente kein Remanenzverhalten wie Photowiderstände haben, sie haben eine kaum merkliche Alterung, weisen einen reproduzierbaren Temperaturgang auf und sind sehr schnell.

Zusammengefaßt sei also festgestellt, daß die Lichtquelle 6 bei jeder Änderung des aus dem Referenzphotoelement 7 kommenden Photostroms so nachregelt, daß stets der gleiche Photostrom erhalten bleibt, so daß die Meßausgangsspannung UA unabhängig von der Temperatur, einer erwähnten Alterung der Lichtquelle, von den Photoelementen an sich innewohnenden Linear!tatsfehlern und dergl. stets und absolut genau proportional ist der jeweiligen Position der Schwarzkeile 22, so daß eine Änderung ausschließlich vom Drehwinkel abhängt.

Es versteht sich, daß die Referenz- und Meßstreifen notwendigerweise nicht auf Filmstreifen aufgebracht sein müssen, sondern es kann hierbei grundsätzlich jeder beliebige Aufbau gewählt sein, beispielsweise also Scheiben aus Glas, die selber licht-

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durchlässig sind und die bereits mit den beiden unterschiedlichen lichtdurchlässigen Spuren versehen sind, auch kann der mechanische Aufbau gegenüber dem Ausführungsbeispiel der Fig. vollkommen unterschiedlich gestaltet sein in der Weise, daß keine Drehbewegung,sondern eine leine translatorische Bewegung bei der Verschiebung der Schwarzkeile und der Abschattungen auf Meß- und Referenzstreifen vorgenommen wird.

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Claims (1)

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   Patentansprüche

   Berührungsloses Potentiometer mit einer Lichtquelle und einem lichtempfindlichen Empfänger,vorzugsweise einem Photoelement, wobei eine Schlitzmaske verschiebbar in dem optischen Pfad zwischen Lichtquelle und Photoelement angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß zwei von der gleichen Lichtquelle (6) beleuchtete Photoelemente (7, 8), ein Meßphotoelement (8) und ein Referenzphotoelement (7), in äqulthermer Anordnung vorgesehen sind und daß der Ausgangsstrora (I) des Referenzphotoelementes (7) einer diesen Ausgangsstrom (I) dadurch konstanthaltenden Regelschaltung (14, 15, 16, 17) zugeleitet ist, daß an deren Ausgang die Lichtquelle (6) angeschlossen ist und Änderungen des Ausgangsstromes (I) über eine Beeinflussung der Lichthelligkeit ausgeglichen werden.

   2. Potentiometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, da0 jedem Photoelement (7, 8) eine eigene in Form von Filmstreifen (9, 10) ausgebildete Schlitzmaske zugeordnet ist, die von einer gemeinsamen Lagerung getragen sind.

   3. Potentiometer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Filmstreifen (9, 10) in inneren Ausnehmungen (20) zweier auf einer Achse (3) im Abstand gelagerten Scheiben (1, 2) angeordnet sind und daß die Lichtquelle, vorzugsweise eine Gallium-Arsenid-Leuchtdiode (6) innerhalb des von Scheiben (1, 2) und Filmstreifen (9_f 10) gebildeten Raumes und die Photoelemente (7, 8) außerhalb desselben angeordnet sind.

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   4. Potentiometer nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß der dem Meßphotoelement (8) zugeordnete und das Licht der Lichtquelle (6) abschattende Filmstreifen (9) gleichmäßige Schwarzkeile aufweist und daß auf dem Referenzfilmstreifen (10) vorzugsweise seitlich Linearitätskorzekturen in Form von Abschattungen (23) aufgebracht sind.

   5. Potentiometer nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die vorzugsweise als Silizium-Photoelemente ausgebildeten Photoelemente (7, 8) auf einem gemeinsamen Metallblock (9) nebeneinander angeordnet sind und daß zur Vermeidung von Streulichteinflüssen zwischen beide eine Trennscheibe (21) vorgesehen ist.

   6. Potentiometer nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (6) mit Bezug auf die nebeneinander angeordneten Photoelemente (7, 8) derart versetzt angeordnet ist, daß der größere Teil der Lichtmenge auf das Meßphotoelement (8) fällt und die Lichtverteilung zum äußeren Rand des Referenzphotoelements (7) derart abnehmend ist, daß ausreichend große Abschattungen (2 3) für kleine Photostromänderungen möglich sind.

   7. Potentiometer nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgangsphotostrom des Meßphotoelements (8) einem gegengekoppelten Operationsverstärker (12) zuführbar ist, an dessen Ausgang die dem Verdrehwinkel der Achse (3) entsprechende Ausgangsspannung (UA) erscheint.

   8. Potentiometer nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgangsphotostrom (Ip) des Referenzphotoelementes (7) dem Eingang eines weiteren Operationsverstärkers (14) mit loser Gegenkopplung (großer Ge-

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   genkopplungswiderstand 15) zuführbar ist und daß diesem Ausgangsphotostrom (I) ein von einer über einen Widerstand (L7) und einer Spannungsquelle (Uy) an einer Zenerdiode (18) erzeugter konstanter Referenzstrom (i_D) entgegengeschaltet ist.

   9. Potentiometer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtverteilung bei versetzter Lichtquelle (6) auf das Meßphotoelement (8) und das Referenzphotoelement (7) dem Verhältnis maximaler Ausgangsspannung des iMeßoperationsverstärkers (12) zur Spannung der Referenz-Zenerdiode (18) entspricht, derart, daß sich im Temperaturgang kompensierende gleich große Widerstände einmal als Rückführv/iderstand (13) des Meßoperationsverstärkers (12) und als von dem Referenzstrom (i_R) durchflossenen Widerstand (16) ergeben.

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