DE2704320A1

DE2704320A1 - Einrichtung zur elektrisch-optischen bestimmung einer messgroesse

Info

Publication number: DE2704320A1
Application number: DE19772704320
Authority: DE
Inventors: Theo Stutz; Georg Zemp
Original assignee: Oerlikon Contraves AG
Current assignee: Rheinmetall Air Defence AG
Priority date: 1976-03-15
Filing date: 1977-02-02
Publication date: 1977-09-29
Also published as: JPS52111773A; DE2704320B2; DE2704320C3; CH593489A5; US4077252A; GB1570248A

Description

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Dipl.-In₉. H. MITSCHERLICH D-8000 MÖNCHEN 22 Dipl.-Ing. K. GUNSCHMANN Steinsdorfstraße 10 Dr.rer.not. W. KÖRBER ^ ® ⁽⁰⁸⁹⁾ ' ²⁹ " ^M Dipl.-Ing. J. SCHMIDT-EVERS PATENTANWÄLTE , „ . . _ _ ^

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Die rrfindunrt bpfcrifft eine Fi nri clituncj zur cilektrisch-optischen 'instir^nunq einer MosscrrTsse an einen Vi skosireter, inrs·>asonderG an einem ^lotationsviskosimetor, wclclies oiaea in dar; zu messende Medium oir.tauchbarer. unti iait dein '.lotor eines Motor¹? verbundenen ^Ttotationsl:örner sowie eine mit der ."tator des Motors drehfest verbundene und aeqen die iückstellkraft einer Torsionsfeder schv.'onkVar gelagerte .velle aufv/eist.

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In Zusammenhang mit der Viskositätsmessung eines Mediums mittels eines Rotationsviskosimeters sind unterschiedlich ausgebildete und arbeitende Systeme zum Messen einerseits und zum Anzeigen des Messergebnisses andererseits bekannt, wovon zwei der an sich bekanntesten Systeme nachstehend erwähnt sind. Bei dem einen System, beispielsweise ge'mäss der CH-PS 474 055, erfährt ein drehbar gelagertes Getriebegehäuse durch das auftretende Bremsmoment eine Auslenkung aus der Null-Lage, wobei der Ablenkwinkel ein Mass für das Bremsmoment und somit für die Viskosität des Mediums ist und beispielsweise mit einem elektromagnetischen, unter dem Namen "Pick-Off" bekannt gewordenen System gemessen und an einem Anzeigegerät abgelesen werden kann. Bei dem anderen System, beispielsweise gemäss der DT-PS 1 648 858 wird das auftretende Bremsmoment auf eine gegen die Rückstellkraft einer Torsionsfeder verschwenkbaren Statorwelle übertragen, welche im Masse der wirksamen Viskosität mit einem an ihr befestigten Messzeiger aus der Ruhelage verdreht wird, so dass von einer entsprechend dem Messzeiger zugeordneten, in Viskositätsgraden geeichten Skalenscheibe die Viskosität ablesbar ist.

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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, an einem Viskosimeter mit einer schwenkbaren Welle eine Einrichtung zu schaffen, mit welcher das Mass der Schwenkung der Welle in ein Zeitmass umgewandelt wird, indem der einen Spiegel tragenden Welle auf elektrisch-optischem Weg, in der Ausgangsund in der Endstellung, je eine Reihe von Lichtimpulsen zugeordnet und die Phasenverschiebung der einen Reihe von Lichtimpulsen zu der anderen gemessen wird. Die Lösung dieser Aufgabe besteht erfindungsgemäss darin, dass zur Erreichung einer von der Messgrösse unabhängigen Reihe von Lichtinjpulsen sowie zur Erreichung einer anderen von der Messgrösse abhängigen Reihe von Lichtimpulsen, im Abstand und im wesentlichen achsparallel zu der mit einem Spiegel versehenen, schwenkbaren Welle mindestens ein von einem Motor um eine Drehachse rotierend angetriebener Spiegel und in entsprechend geometrischer Anordnung zu dem rotierenden Spiegel ein ortsfester Optik-Block angeordnet sind, und dass der Optik-Block eine, ein auf den rotierenden Spiegel gerichtetes Lichtbündel erzeugende Lichtquelle sowie einen Lichtempfänger zur Verarbeitung der Lichtimpulse aufweist.

Mit dieser Einrichtung wird erreicht, dass einerseits die Möglichkeiten der präzisen und digitalen Zeitmessung optimal ausgenutzt werden können, und andererseits keine im Bereich der Fertigungstoleranzen liegenden und eventuell auftretenden radialen Achsverschiebungen der schwenkbaren Welle sowie rückwirkende Kräfte oder Temperaturschwankungen das Messergebnis beeinflussen können.

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Die Erfindung wird nachstehend an Hand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die schematischen Zeichnungen näher beschrieben.
Es zeigen:

Fig. 1 einen Diametralschnitt durch ein Rotationsviskosimeter mit der erfindungsgemässen Anordnung einer elektrisch-optischen Winkelmess-Einrichtung,

Fig. 2 eine in vergrössertem Masstab und teilweise im Schnitt dargestellte Seitenansicht der Winkelmess-Einrichtung mit versetzt gezeichnetem Optik-Block,

Fig. 3 eine Draufsicht auf die Einrichtung gemäss Fig. 2, bei welcher der Optik-Block in der für die Funktion erforderlichen Lage gezeichnet ist,

Fig. 4 eine in Seitenansicht und teilweise im Schnitt dargestellte Variante der Winkelmess-Einrichtung mit versetzt gezeichnetem Optik-Block,

Fig. 5 eine Draufsicht auf die Einrichtung gemäss Fig. *j, bei welcher der Optik-Block in der für die Funktion erforderlichen Lage gezeichnet ist, und

Fig. 6 bis 8 zeigen verschiedene, von einem in Abhängigkeit von der Zeit t rotierenden Spiegel auf eine schwenkbare Projektebene und wieder zurück reflektierte Strahlengänge.

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In einem Gehäuse 10 aes Viskosimeters nach Fig. 1 ist ein mit feststehenden Wicklungen 11, 12 und entsprechenden Stromzuleitungen 13, 14 versehener Synchronmotor eingebaut. Die in den Wicklungen 11, 12 durch den zugeführten Wechselstrom induzierten Magnetflüsse werden über entsprechend vorgesehene Luftspalte L, , L und L, auf miteinander verbundene, ferromagnetische Teile eines Stators übertragen. Der Stator ist auf der einen Seite mit einem Statorteil 17 über eine drehbare Welle 24 mit einem am freien Ende befestigten Rotationskörper 25 und auf der anderen Seite mit einem Statorteil 15 über eine formschlüssig in einer Platte 21 drehbar gelagerten Welle 22 mit einer daran befestigten Torsionsfeder 23 wirkverbunden. Im Innern der Statorteile 15> 16 und 17 ist der Rotor 20 des Motors gelagert, an welchem die Welle 2k befestigt ist. Der an dem freien Ende der Welle 2k auswechselbar befestigte Rotationskörper 25 ist in ein mit dem zu messenden Medium 27 gefülltes Gefäss 26 eintauchbar.

Wie weiterhin in Fig. 1 ersichtlich, ist auf der Platte 21 eine mit nicht dargestellten Mitteln befestigte Winkelmess-Einrichtung 70 angeordnet, welche nachstehend näher beschrieben wird.

Fig. 2 zeigt die teilweise im Schnitt dargestellte Seitenansicht der Winkelmess-Einrichtung in vergrössertem Masstab, und man erkennt einen auf der Platte 21 befestigten, mit einer

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Oeffnung 62 versehenen Plansch 51, Durch die Oeffnung 62 ist die Welle 22 des Viskosimeters hindurchgeführt, welche im oberen Bereich einen Absatz aufweist, der als Anlagefläche für eine auf die Welle aufsteckbare und mit nicht dargestellten Mitteln drehfest verbundene Nabe 6l dient.

Die Nabe 61 weist eine von der Oberkante nach unten gerichtete, mit einem Absatz 65 versehene Ausnehmung 63 auf, deren Stirnfläche 64 im dargestellten Beispiel vorzugsweise von der Oberkante ausgehend leicht nach innen geneigt und der Absatz 65 leicht nach aussen geneigt ausgebildet sind. Die Ausnehmung 63 dient zur Aufnahme eines Spiegels 60, welcher an der Stirnfläche 64 befestigt wird.

Im Abstand und im wesentlichen achsparallel zu der Welle 22 ist auf dem Flansch 51 ein mit einer Welle 44 versehener Motor, vorzugsweise ein Synchronmotor 40 angeordnet und befestigt. An der Motorwelle 44 ist ein schematisch dargestellter, beispielsweise aus einer Schwungmasse und einer Feder gebildeter, mechanischer Filter 4l, sowie oberhalb des Filters eine auf die Welle 44 aufsteckbare Nabe 42 mit einem Steg 43 angeordnet, an welchem mindestens ein Spiegel 45 befestigt ist. Der Steg 43 kann jedoch auch zur Aufnahme von zwei oder mehreren Spiegeln ausgebildet sein.

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Zu beiden Seiten des Motors ¹JO ist vorzugsweise je ein mit dem Flansch 51 festverbundener Stehbolzen 48 zur Auflage einer in geringem Abstand über dem rotierenden Spiegel 45 und dem Steg 43 angeordnete Lasche 49 vorgesehen, welche durch Schrauben 47 an den Bolzen 48 befestigt ist, so dass die Nabe 42 mit dem daran befestigten Spiegel 45 gegen Herausfallen gesichert ist.

Auf dem Flansch 51 ist weiterhin ein in Fig. 2 aus Gründen der vereinfachten Darstellung versetzt und im Schnitt gezeichneter, ortsfester Optik-Block 52 angeordnet, in welchem eine Lichtquelle 56 mit einem entsprechend zugeordneten, auf den Spiegel 45 gerichteten. Lichtkanal 55 sowie achsmittig übereinanderliegend zu der Lichtquelle 56 ein Lichtempfänger 5¹J mit einem zugeordneten, ebenfalls auf den Spiegel 45 gerichteten Lichtkanal 53 vorgesehen sind. Die beiden Kanäle 53, 55 sind möglichst lang auszuführen, um somit ein begrenztes Lichtbündel zu gewährleisten, wobei diese Anforderung jedoch auch durch eine entsprechend zugeordnete Optik erreichbar ist.

In Fig. 3 ist die für die Funktion erforderliche Lage und geometrische Anordnung des mit der Lichtquelle 56 und dem Lichtempfänger 5¹J versehenen Blockes 52 zum rotierenden Spiegel 45 sowie die Anordnung des Spiegels 45 zu dem um einen bestimmten Winkel auslenkenden Spiegel 60 in der Draufsicht

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dargestellt. An einem an dem Flansch 51 vorgesehenen, vorzugsweise parallel zu der Rückseite des Blockes 52 verlaufenden Absatz 67 ist eine Anschluss-Platte 57 (Print) mit nicht dargestellten Mitteln befestigt. In dem Plansch 51 ist ausserdem eine Ausnehmung 66 vorgesehen, welche zur Durchführung nicht dargestellter, am Motor des Viskosimeters angeschlossener Stromzuleitungen dient.

In Pig. "ή und Pig. 5 ist eine Variante der Winkelmess-Einrichtung 70 dargestellt, welche sich einerseits von der Einrichtung gemäss Fig. 2 und Fig. 3 dadurch unterscheidet, dass an der Stirnseite 59 des Blockes 52',vorzugsweise zwischen den beiden Lichtkanälen 53» 55 ein zusätzlicher, ortsfester Spiegel 58 angeordnet sowie an der von dem Motor 40 rotierend angetriebenen Nabe ¹J2 entweder zwei voneinander getrennte, oder ein in der Mitte abgedeckter Spiegel 5.0 befestigt ist, und dass andererseits der an der Nabe 61' befestigte Spiegel 60' nicht geneigt, sondern parallel zu der Achsmitte der Welle 22 verläuft. Die in den Figuren 4 und 5 für die einzelnen Teile nicht angezogenen Bezugszeichen sind mit den in den Figuren 2 und 3 angezogenen Bezugszeichen identisch.

An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass die in Fig. 2 und Fig. ¹I angedeuteten Strahlengänge nur zur Darstellung des Strahlenverlaufes eingezeichnet und die Winkelstellung der einzelnen Strahlen zueinander aufgrund des versetzt gezeichneten Optik-Blockes 52, 52· wirklichkeitsfremd sind.

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In Fig. 6 bis 8 sind die einzelnen, von der Lichtquelle 56 ausgehenden und in den Lichtempfänger 5^ reflektierten Strahlengänge 75, 75' und 75" sowie 80, 80^f und 80" dargestellt, welche mit neben den eigentlichen Strahlengängen angedeuteten Richtungspfeilen gekennzeichnet sind.

Der Verlauf der einzelnen Strahlengänge mit dem Mess- und Auswertvorgang der in Verbindung mit einem Rotations-Viskosimeter beschriebenen Einrichtung verläuft folgendermassen:

Je nach der Frequenz des Erregerstromes erhält der Rotor 20 eine entsprechende Umdrehungsgeschwindigkeit, mit welcher der in dem mit Medium gefüllten Gefäss 26 eingetauchte Rotationskörper 25 gedreht und dabei je nach der Zähigkeit des Mediums mehr oder weniger stark gebremst wird. Die dabei auftretenden Bremsmomente werden auf das Statorteil 15 übertragen, so dass die mit dem Statorteil drehfest verbundene Welle 22 sowie die an der Welle befestigte Nabe mit dem Spiegel 60 gegen die Rückstellkraft der Torsionsfeder 23 im Masse der wirksamen Viskosität aus der Ruhelage verschwenkt wird.

Ausgehend von der Ruhelage, bei welcher sich die Welle 22 mit dem Spiegel 60 beispielsweise in der Lage geraäss Fig.6 und der Spiegel ^5 sich in der durch die Linie 76 angedeuteten, dem Zeitpunkt t entsprechenden und rechtwinklig zu der ortsfesten Lichtquelle 56 sowie dem Lichtempfänger 5^ verlaufenden Lage befindet, wird der von der Lichtquelle abge-

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gebene, rechtwinklig auf den Spiegel 45 treffende Lichtstrahl 75, als Lichtstrahl 8O^f auf den Lichtempfänger reflektiert, wodurch ein elektrisches Signal entsteht. Im Zeitintervall von t bis t, dreht sich der von dem Motor 40 angetriebene Spiegel 45 so, dass der Lichtstrahl 75 in dem durch die Linie 77 angedeuteten Zeitpunkt t. , als Lichtstrahl 75' auf den Spiegel 60 und von dort als Lichtstrahl 80 zurück über den Spiegel 45 als Lichtstrahl 80^f auf den Lichtempfänger 54 reflektiert wird, wo wiederum ein elektrisches Signal entsteht. Bei jeder Umdrehung des Spiegels 45 wiederholt sich dieser Zyklus, wobei in der Zeit zwischen t, und t der Lichtstrahl 75, ohne ein elektrisches Signal zu erzeugen, in den freien Raum gestrahlt wird.

Wird nunmehr bei einem auftretenden Bremsmoment die Welle mit dem Spiegel 60 aus der in Fig. 6 dargestellten Ruhelage beispielsweise in eine der beiden Positionen gemäss Fig. 7 oder Fig. 8 verschwenkt, so vergeht von dem ersten elektrischen Signal bis eine Reflektion und somit ein weiteres elektrisches Signal entsteht, entweder das in Fig. 7 durch die Linie 78 angedeutete Zeitintervall t bis tp , oder aber das in Fig. 8 durch die Linie 79 angedeutete Zeitintervall

t bis t, .
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·.'. / U 4 J ». ν Bei der Einrichtung gemäss der Variante nach Fig. 4 und

Fig. 5 ist der Vorgang analog dem in Verbindung mit den Fig. 6 bis 8 voran beschriebenen Vorgang, jedoch verläuft der Strahlengang für das erste elektrische Signal derart, dass der von der Lichtquelle 56 im Zeitpunkt t ausgehende und rechtwinklig auf den Spiegel 50 gerichtete Lichtstrahl 75 von dem unteren Teil des Spiegels 50 als Lichtstrahl 75" auf den für die Variante nur in Fig. 6 eingezeichneten Spiegel 58 und von dem Spiegel 58 als Lichtstrahl 80" über den oberen Teil des Spiegels 50 als Lichtstrahl 80' auf den Lichtempfänger reflektiert wird. Bei einem auftretenden Bremsmoment wird die Welle 22 mit dem Spiegel 60* ebenfalls verschwenkt; so vergeht von dem ersten elektrischen Signal bis eine Reflektion und somit ein weiteres elektrisches Signal entsteht, wiederum entweder das Zeitintervall t bis t oder t bis t bzw. t bis t . Der Strahlengang verläuft jedoch derart, dass ausgehend von der Lichtquelle der Lichtstrahl 75 von dem unteren Teil des rotierenden Spiegels 50 als Lichtstrahl 75' auf den verschwenkten Spiegel 60' und von dort als Lichtstrahl 80 über den oberen Teil des Spiegels als Lichtstrahl 80' auf den Lichtempfänger reflektiert wird.

Für beide Ausführungsbeispiele ,gemäss den Fig. 2, 3 und Fig. ¹I, 5 ist das zwischen den elektrischen Signalen liegende Zeitintervall t einerseits abhängig von der durch die Linie 73

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angedeuteten, geometrischen Anordnung des mit der Lichtquelle und dem Lichtempfänger versehenen Blockes 52 bzw. 52' zu dem ortsfesten Spiegel 45 bzw. 50 (Fig. 6 bis 8), und ist andererseits proportional zu dem Auslenkwinkel α, ο¹ des Spiegels bzw. 60·, welcher zwischen dem durch die Linien 71» 72 angedeuteten, dem Mass für die Messgrösse entsprechenden Bereich liegt. Versuche haben gezeigt, dass die optimalsten Messergebnisse bei einer durch die Linie 73 gekennzeichneten Winkelstellung von 25 bis 45 erreicht wurden.

Aufgrund des zusätzlichen, ortsfesten und an der Stirnseite des Blockes 52' entsprechend angeordneten Spiegels 58, ist gegenüber dem Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 2, 3 bei der Variante gemäss Fig. 4, 5 der für das erste elektrische Signal von der Lichtquelle abgegebene und von den Spiegeln 50, 58 auf den Lichtempfänger reflektierte Lichtstrahl 75, 75" und 80, 80" sowie der bei einem auftretenden Bremsmoment von der Lichtquelle abgegebene und von den Spiegeln 50, 60' in den Lichtempfänger reflektierte Lichtstrahl 75, 75* und 80,· 80ⁿ gleich lang, wodurch eine noch exaktere Auswertung erreicht wird.

Je nach der Viskosität des zu prüfenden Mediums kann eine Reflektion und somit ein elektrisches Signal bei beiden Ausführungsbeispielen ohne weiteres auch zwischen den beiden, durch die Auslenkwinkel α bzw. α' gekennzeichneten in Fig. 6 bis 8 dargestellten Positionen erfolgen.

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Die elektrischen Signale werden mittels entsprechender, nicht näher dargestellter Zuleitungen von der Anschluss-Platte 57 auf ein in Fig. 1, 2 und k schematisch dargestelltes Auswertgerät 30 übertragen. Als Auswertgerät kann beispielsweise ein Perioden-Messgerät, ein Kathodenstrahl-Oszillograph oder dergleichen vorgesehen sein.

Mit der beschriebenen Winkelmess-Einrichtung kann die Viskosität eines Mediums bei optimaler Betriebssicherheit und unter Beibehaltung der erforderlichen Messgenauigkeit mit wesentlich kleinerem Auslenkwinkel ermittelt werden, wodurch sowohl bei der Viskositäts-Regelung, als auch bei unterschiedlichen Messgeschwindigkeiten, d.h. Umdrehungsgeschwindigkeiten des Rotationskörpers, eine wesentlich kürzere Messdauer erreicht wird.

Die Auswertung kann bei dieser elektrisch-optischen Winkelmess-Einrichtung sowohl direkt am Viskosimeter, als auch in beliebigem Abstand erfolgen und eignet sich aufgrund dessen insbesondere auch für in Industrie-Anlagen installierte Viskosimeter.

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Claims

270432Ü Patentansprüche

1.) Einrichtung zur elektrisch-optischen Bestimmung einer Messgrösse an einem Viskosimeter, insbesondere an einem Rotationsviskosimeter, welches einen in das zu messende Medium eintauchbaren und mit dem Rotor eines Motors verbundenen Rotationskörper sowie eine mit dem Stator des Motors drehfest verbundene und gegen die Rückstellkraft einer Torsionsfeder schwenkbar gelagerte Welle aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erreichung einer von der Messgrösse" unabhängigen Reihe von Lichtimpulsen sowie zur Erreichung einer anderen von der Messgrösse abhängigen Reihe von Lichtimpulsen, im Abstand und im wesentlichen achsparallel zu der mit einem Spiegel (60 oder 60^f) versehenen schwenkbaren Welle (22) mindestens ein von einem Motor (¹JO) um eine Drehachse rotierend angetriebener Spiegel (45 oder 50) und in entsprechend geometrischer Anordnung zu dem rotierenden Spiegel ein ortsfester Optik-Block (52 oder 52·) angeordnet sind, und dass der Optik-Block (52 oder 52') eine, ein auf den rotierenden Spiegel (45 oder 50) gerichtetes Lichtbündel erzeugende Lichtquelle (56) sowie einen Lichtempfänger (54) zur Verarbeitung der Lichtimpulse aufweist.

2. Einrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Optik-Block (52 oder 52') von der Drehachse des Spiegels (45 oder 50) gesehen, in einer Richtung liegt, die

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in einer Winkelstellung (73), vorzugsweise in einer

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Winkelstellung zwischen 25 und 45 in Bezug auf die Richtung der Welle (22) steht, und zur Aufnahme der Lichtquelle (56) und des Lichtempfängers (5U) jeweils einen ebenfalls auf den rotierenden Spiegel (U5 oder 50) gerichteten Lichtkanal (53) bzw. (55) aufweist.

3. Einrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Spiegel (60) mit der dem Spiegel (U5) zugewandten Spiegelfläche entsprechend dem zu reflektierenden Lichtbündel (75, 75¹ und 80, 80») an der Welle (22) drehfest und in Bezug auf die Welle (22) leicht geneigt befestigt ist (Fig. 2).

U. Einrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Optik-Block (52¹) ein zusätzlicher, an der Stirnseite (59) befestigter Spiegel (58) vorgesehen ist, und dass der entsprechend zugeordnete, rotierende Spiegel (50) zweiteilig ausgebildet ist (Fig. U).

5. Einrichtung nach Patentanspruch 1 und U, dadurch gekennzeichnet, dass der Spiegel (60¹) mit seiner Spiegelfläche parallel zu der Drehachse des Spiegels (50) verlaufend an der Welle (22) befestigt ist (Fig. U).

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6. Einrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dem Motor (¹IO) ein aus einer Schwungmasse und einer Feder gebildeter, mechanischer Filter (¹Il) zugeordnet ist.

7. Einrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Optik-Block (52 bzw. 52') mit dem Motor (40), dem Filter (Ml) und dem Spiegel (45 bzw. 50) gemeinsam auf einem Flansch (51) angeordnet und befestigt sind.

Der Patentanwalt

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