DE2927525A1 - Einrichtung zur ueberwachung des zustands eines elektrischen kreises - Google Patents

Einrichtung zur ueberwachung des zustands eines elektrischen kreises

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Description

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BAD ORIGINAL
Ein Anwendungsgebiet für eine solche Einrichtung sind Längen- oder Koordinatenmeßmaschinen.
Es ist bei Längenmeßmaschinen bereits bekannf, den relativ zu einem zu vermessenden Werks tjlck_yer schiebbaren Meßkopf der Maschine mit einem auswechselbarehT^dTh. lösbar am Meßkopf befestigbaren Tastkopf auszustatten. Der Tastkopf enthält einen primären elektrischen Kreis, der beim Antasten des Werkstücks durch den Taster des Tastkopfes seinen elektrischen Zustand ändert und demzufolge ein elektrisches Signal abgibt. Dieses Signal, das zur Messung der beim Antasten des Werkstücks erreichten Meßkopfposition mit Bezug auf eine Bezugsposition benötigt wird, muß zunächst auf den Meßkopf übertragen werden.
Wenn_die Montage und Demontage des Tastkopfes am bzw. vom Meßkopf mittels eines automatischen Werkzeugwechselmechanismus erfolgen soll, ist es zweckmäßig, mechanische elektrische Kontakte zu vermeiden, da solche Kontakte in einer verhältnismäßig schmutzigen Umgebung verschmutzen und hinsichtlich ihrer Schaltfunktion unzuverlässig werden.
Es ist daher schon vorgeschlagen worden, das genannte Signal durch induktive Kopplung durch einen Isolator, bei-
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-D-
spielsweise einen zwischen dem Tastkopf und dem Meßkopf vorhandenen Luftspalt hindurch, auf den Meßkopf zu übertragen. Dies erfordert einen im Tastkopf untergebrachten, batteriebetriebenen Oszillator.
Es ist jedoch oftmals unzweckmäßig und umständlich, den Ladezustand der Batterien ständig überwachen und erschöpfte Batterien jeweils austauschen zu müssen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung der eingangs genannten Art so zu verbessern, daß der bisher im Hinblick auf die Batteriestromversorgung des primären elektrischen Kreises erforderliche Wartungsaufwand entbehrlich wird.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebene Anordnung gelöst.
Damit ermöglicht die Erfindung die Zustandsüberwachung des primären elektrischen Kreises ohne das Erfordernis einer eigenen Stromversorgung des primären Kreises, so daß bei der Anwendung auf eine Längenmeßmaschine keine Batterie mehr im Tastkopf erforderlich ist. Bei der genannten rückwirkenden Kopplung kann es sich um eine induktive oder um eine kapazitive Kopplung handeln.
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Ein A;«sführun.rsbeispieO. de-» Erfindung viird
mit Bezug xf Cie c.nliegenaen Zeichnungen mehr im ein^c.liii"-beschrieberi. Es zeigt: -'.'"'"■' ---^---—____-_—^~_,F.,-- V "^-."-"r^-^,. .-
Pig, '. " ". eine Ansicht eines Meßkopfes eintr
Meßmasoliine. mit einer Einrichtung nach der Erfindung,
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Pig. 5 ■ ". eine Teil ansicht in Richtung des :
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der Erfindung.
Die Fig. ί und 2.zeigen einen Teil einer numerisch gesteuerten Werkzeugmaschine mit einem Maschinenkopf 10,
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an welchem wahlweise jeweils eines aus einer gegebenen Anzahl von Werkzeugen zur Bearbeitung eines Werkstücks 11 anbringbar ist. Die Werkzeuge befinden sich in einem Magazin und können jeweils mittels eines nicht dargestellten, an sich bekannten automatischen Werkzeugwechselmechanismus am Maschinenkopf montiert bzw. von diesem demontiert werden. Nach Abschluß der Bearbeitung oder in irgendeinem geeigneten Zwischenstadium wird statt eines Bearbeitungswerkzeuges ein Tastkopf zur Vermessung des Werkstücks am Maschinenkopf angebracht.
Der Tastkopf weist einen Taster 15 mit einer kugelförmigen Tastspitze 16 zum Antasten des Werkstücks 11 auf. An seinem von der Tastspitze 16 abgewandten Ende weist der Taster 15 drei Radialarme 18 auf, mit denen er im Tastkopfgehäuse l4 auf elektrischen Kontaktpaaren 17 gelagert ist. Diese Kontakte 17 und eine Induktionsspule 20 sind in einem primären elektrischen Kreis 19 in Reihe geschaltet, der den hinsichtlich seines elektrischen Zustande zu überwachenden elektrischen Kreis darstellt. Die Spule 20 stellt die Sekundärspule einer induktiven Kopplungsanordnung 23 dar.
Die Kontaktpaare 17 bilden, wie schon gesagt, die Lagerung des Tasters und bestimmten dessen Nullstellung, in welcher jedes Kontaktpaar 17 durch den zugeordneten
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Radialarm l8 des Tasters überbrückt und demzufolge der elektrische Kreis 19 geschlossen ist. Wenn im Zuge eines Meßvorgangs der Maschinenkopf 10 verschoben wird, um den Taster in Berührung mit dem Werkstück zu bringen, wird der Taster beim Antasten des Werkstücks aus seiner Nullstellung ausgelenkt und dabei wird mindestens einer der Radialarme des Tasters von mindestens einem der beiden Kontakte des zugehörigen Kontaktpaars 17 abgehoben* Dadurch wird der elektrische Kreis mit Ausnahme eines zur Spule 20 parallelgeschalteten, einen Kondensator 22 enthaltenden Zweiges geöffnet. Diese öffnung des Kreises 19 zeigt an, daß der Tastkopf eine bestimmte Position relativ zum Werkstück, nämlich die Antastposition, erreicht hat.
Die Spule 20 ist in einem Gehäuseansatz 21 des Tastkopf gehäuses 14 angeordnet, der einem mit geringem Abstand davon angeordneten, am Maschinenkopf angebrachten Gehäuse 25 : zugewandt ist, welch letzteres eine überwachungsschaltung zur überwachung des elektrischen Zustands des primären Kreises 19, d.h. dessen geöffneten oder geschlossenen Zustands, enthält. Der Gehäuseansatz 21 des Tastkopfgehäuses 14 und das Gehäuse 25 sind durch einen schmalen Spalt von beispielsweise etwa 3 mm voneinander getrennt, der zur Vermeidung einer gegenseitigen Berührung beim Anbringen des Tastkopfes am
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Maschinenkopf wünschenswert ist. Der Tastkopf selbst ist mittels eines Konus 33, eines Keiles 33A und einer motorgetriebenen Schraubspindel 34 am Maschinenkopf gehaltert. Der Keil 33A stellt die Pluchtung zwischen dem Gehäuseansatz 21 und dem Gehäuse 25 sicher.
Die überwachungsschaltung 26 weist gemäß Fig. 4 einen Oszillator 27 auf, der im wesentlichen aus einer ungeraden Anzahl, im vorliegenden Fall aus drei digitalen Wechselrichtern 28a, 28b und 28C besteht, die in einem sekundären elektrischen Kreis 29 in Reihe geschaltet sind und wobei der Ausgang des letzten Wechselrichters 28C mit dem Eingang des ersten Wechselrichters 28A verbunden ist. Dies bewirkt eine Schwingung des Stromflusses im sekundären Kreis 29 in Form einer Rechteckwelle 29A, die in Fig. 5 gezeigt ist. Die Schwingungsparameter, d.h. Frequenz, Amplitude und Phasenlage dieser Rechteckschwingungen werden durch die Impedanz des Kreises 29 bestimmt. Diese Impedanz wird in erster Linie durch bestimmte Schaltungselemente festgelegt, zu denen eine Induktionsspule 30 gehört, welche die Primärspule der Kopplungsanordnung 23 bildet.
Die beiden Spulen 20 und 30 sind so nahe beieinander angeordnet, daß gegenseitige Induktion zwischen ihnen vorhanden ist. Demzufolge werden die Schwingungen im sekundären
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Kreis 29 durch Induktion auf den primären Kreis 19 übertragen und erzeugen in diesem sekundäre Schwingungen, und die den primären Schwingungen 29A entgegenstehende Impedanz wird durch die induktive Beeinflussung der beiden Kreise 19 und 29 bestimmt, die davon abhängt, ob der primäre Kreis 19, je nach dem Schaltzustand seiner Kontakte 17, geöffnet oder geschlossen ist. Mit anderen Worten, infolge der gegenseitigen Induktion zwischen den beiden Spulen 20 und 30 zieht eine Änderung des Ohm'sehen Widerstandes des primären Kreises 19 durch öffnen oder Schließen des Kreises eine Änderung der Parameter der primären Schwingungen nach sich.
Diese Parameter sind, wie bereits erwähnt, die Frequenz, die Amplitude und die Phasenlage der Rechteckschwingungen 29A (siehe Fig. 5). Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Frequenz, d,h. die Periodendauer, als der zu überwachende Parameter gewählt. Die Spule 30 ist derart in den sekundären Kreis 29 geschaltet, daß die Schwingungen 29A bei geöffnetem primärem Kreis 19 eine lange Periodendauer 29C und bei geschlossenem primären Kreis 19 eine kurze Periodendauer 29B haben.
Die Änderung der Frequenz der Primärschwingungen bei einer Änderung des Schaltzustands des primären Kreises 19 wird mittels eines Detektors 35 abgetastet, der an den
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Ausgang des letzten Wechselrichters 28C angeschlossen ist. Dieser Detektor weist zwei monostabile Kippstufen 36 und 37 auf, die in Reihe geschaltet sind. Diese monostabilen Kippstufen werden jeweils durch die Anstiegsflanke eines Eingangssignals eingeschaltet und ihr Ausgang verbleibt danach während einer bestimmten, als Schaltzeit bezeichneten Dauer im Binärzustand "1" (oder, bei invertierter Schaltung, im Binärzustand "0"). Jede monostabile Kippschaltung ist während ihrer Schaltzeit durch eine nachfolgende Anstiegsflanke ihres Eingangssignals jederzeit von neuem einschaltbar, d.h. beim Auftreten einer weiteren Anstiegsflanke noch während der Schaltzeit beginnt die Schaltzeit jeweils von neuem. Demzufolge verbleibt der Ausgang einer Kippschaltung, sofern vor dem Ende einer jeweils laufenden Schaltzeit ein neues Einschaltsignal auftritt, so lange im Binärzustand "1" (oder "0" bei invertierter Schaltung), wie sich die Einschaltsignale jeweils vor dem Ende der Schaltzeit wiederholen.
Die erste monostabile Kippschaltung 36 weist einen Ausgang 36A und eine Schaltzeit 36B auf, die länger als die kurze Periodendauer 29B, jedoch kürzer als die lange Periodendauer 29C ist.
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Infolgedessen bleibt der Ausgang der ersten monostabilen Kippschaltung 26 kontinuierlich im Binärzustand "1", so lange der primäre Kreis 19 geschlossen ist; wenn jedoch der primäre Kreis 19 geöffnet wird, springt der Ausgang der Kippschaltung am Ende der jeweiligen Schaltzeit 36B auf den Binärzustand "0". Im letzteren Fall wird aber die monostabile Kippschaltung 36 durch die nächste Anstiegsflanke 29D der primären Schwingung 29A wieder eingeschaltet, so daß zwischen dem Ende der vorhergegangenen Schaltzeit 36B und der nächsten Anstiegsflanke 29D praktisch ein negativer Impuls 3&C auftritt.
Der Ausgang 36ä der ersten monostabilen Kippschaltung 36 ist an den Eingang der zweiten monostabilen Kippschaltung 37 angeschlossen. Diese zweite Kippschaltung weist einen nicht invertierten Ausgang 37A und einen invertierten Ausgang 37AI und eine Schaltzeit 37B auf, die länger als die Periodendauer 29B der Primärschwingungen bei geöffnetem primärem Kreis 19 ist. Ist der primäre Kreis 19 geschlossen und befindet sich demzufolge der Ausgang der ersten monostabilen Kippschaltung 36 kontinuierlich im Binärzustand "1", tritt keine Anstiegsflanke am Eingang der zweiten monostabilen Kippschaltung 37 auf, so daß diese nicht eingeschaltet werden kann und ihr Ausgang 37AI demzufolge kontinuierlich im Binärzustand "1" verbleibt. Wird der primäre Kreis 19 geöffnet und
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erscheint demzufolge am Ausgang der ersten monostabilen Kippschaltung 36 jedesmal bei deren Einschalten durch die Anstiegsflanke 29D der Primärschwingung eine Anstiegsflanke 36D, welche die zweite Kippschaltung 37 eingeschaltet hält, so daß ihr Ausgang 37AI kontinuierlich den Binärzustand "0" einnimmt. Der Ausgang 37AI der zweiten Kippschaltung 37 zeigt daher jeweils den elektrischen Zustand des primären Kreises 19 an, d.h. ob der Schalter 15 das Werkstück bereits angetastet hat oder nicht.
Das Ansprechen der sekundären Schaltung 29 und des Detektors 35 auf das öffnen des primären Kreises 19 sollte natürlich möglichst weitgehend von der Bewegungsgeschwindigkeit des Maschinenkopfes zum Werkstück hin unabhängig sein. Zu diesem Zweck wird vorzugsweise eine verhältnismäßig hohe Primärschwingungsfrequenz von beispielsweise 500 kHz, d.h. eine Periodendauer 29C von etwa 2 Us bei geöffnetem primärem Kreis 19 gewählt. Ein zweckmäßiger Prequenzsprung beim Schließen des primären Kreises 19 liegt im Bereich von 10 %t was dann bei geöffnetem primärem Kreis eine Frequenz von 450 kHz bzw. eine Periodendauer 29B von 1,8 as ergibt.
Während des Öffnens des primären Kreises 19 findet der Sprung von der kürzeren Periodendauer 29B zur längeren
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Periodendauer 29C mit endlicher Geschxvindigkeit statt. Demgemäß vergrößert sich die Breite des Impulses 36C von Null auf ihren Maximalwert während einer gewissen Zeitspanne, die im Hinblick auf das Erfordernis eines deutlichen Ansprechens auf das Antasten des Werkstücks durch den Taster unannehmbar lang sein kann. Zur Sicherstellung eines schnellen und deutlichen Ansprechens auf die Impulse 36C, selbst wenn diese gerade erst zu erscheinen beginnen, ist der nichtinvertierte Ausgang 37A der zweiten monostabilen Kippschaltung 37 derart mit den die Schaltzeit bestimmenden; Komponenten 38 der ersten Kippschaltung 36 verbunden, daß er beim beginnenden Erscheinen der Impulse 36C eine Reduzierung der Schaltzeit der ersten Kippschaltung 36 bewirkt. Dadurch tritt eine schnelle Vergrößerung der Impulsbreite der Impulse 36C in dem bei 36CI in Fig. 5 gezeigten Sinne ein. Man erreicht damit eine frühere Erzeugung einer ausgeprägten Anstiegsflanke 36D zum Einschalten der zweiten Kippschaltung 37.
Wie bereits erwähnt, findet der Sprung von der kürzeren Periodendauer 29B zur längeren Periodendauer 29C mit endlicher Geschwindigkeit statt. Dies ergibt sich teilweise aus der Tatsache, daß der Ohm'sche Widerstand zwischen den Kontakten 17 und 18 bei deren öffnung ebenfalls nur mit endlicher Geschwindigkeit ansteigt. Dies rührt wiederum teil-
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weise daher, daß beim öffnen der Kontakte zunächst der Kontaktdruck nachläßt und der Widerstand daher mit endlicher Geschwindigkeit bis auf den Wert unendlich beim tatsächlichen Trennen der Kontakte ansteigt. Der Kondensator stellt eine verbessernde Ausgestaltung dar und ist grundsätzlich nicht notwendig.
Die überwachungsschaltung 26 wird mittels einer Gleichspannungsquelle 39 gespeist, die ihrerseits wiederum aus dem Netz betrieben wird.
Bei der beschriebenen Anordnung ist natürlich keine Batterie, d.h. keine unabhängige Stromversorgung im Tastkopf selbst erforderlich, und infolge der Gestaltung der Kopplungsanordnung 23 kann der Taster am Maschinenkopf angebracht und mit der überwachungsschaltung in Wirkungsverbindung gebracht werden, ohne daß dazu elektrische Kontakte erforderlich sind.
Bei dem abgewandelten Ausführungsbeispiel nach Fig. 6 ist in einem Tastkopf 112, der ähnlich dem Tastkopf 12 nach Fig. 1 ist, ein primärer elektrischer Kreis 119 angeordnet, der Schaltkontakte 117, H8 enthält. Eine kapazitive Kopplungsanordnung 123 weist einen ersten Kondensator 124 mit zwei einander zugewandten, durch einen Spalt 132
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getrennten Kondensatorplatten 120 und 130 und einen zweiten Kondensator 124a mit zwei einander zugewandten, durch den Spalt 132 voneinander getrennten Kondensatorplatten 120A und 130A auf.
Der primäre elektrische Kreis 119 ist an die beiden Kondensatorplatten 120 und 120A angeschlossen und kann einen weiteren, über die Kontakte 117 und Il8 geschalteten Kondensator 122 aufweisen.
Ein dem sekundären Kreis 29 nach Fig. 4 entsprechender sekundärer elektrischer Kreis 129 ist an die Kondensatorplatten 130 und I30A angeschlossen und enthält einen Oszillator 127. Die den Oszillatorschwingungen im sekundären Kreis 129 entgegenstehende Impedanz ist durch die kapazitive Kopplung der beiden Kreise 119 und 129 bestimmt, die jeweils davon abhängt, ob der primäre Kreis II9 geöffnet oder geschlossen ist. Die Änderung des 0hm1sehen Widerstandes des primären Kreises 119 beim öffnen oder Schließen desselben zieht eine entsprechende Änderung der Parameter der Oszillatorschwingungen nach sich. Diese Schwingungsänderung wird von einem Detektor 135 festgestellt, der dem Detektor nach Fig. 4 entspricht und einen Ausgang 137AI aufweist.
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Pig. β zeigt außerdem eine Abwandlungsmöglichkeit, gemäß welcher der primäre Kreis 119» anstatt im Ruhezustand durch die geschlossenen Kontakte 117, Il8 geschlossen zu sein, im Ruhezustand geöffnet und erst durch das Antasten des Werkstückes infolge der Berührung zwischen dem Taster und dem Werkstück geschlossen wird. Zu diesem Zweck ist der Taster 115 des Tastkopfes 112 elektrisch an den einen Kondensator 124 der Kopplungsanordnung angeschlossen, wie beim l40 angedeutet ist, während der andere Kondensator 124A der Kopplungsanordnung elektrisch geerdet, d.h. mit dem Maschinenkopf 10 verbunden ist, wie bei l40A angedeutet ist. Das Werkstück 11 ist elektrisch leitend und ebenfalls geerdet. Wenn also der Taster 115 das Werkstück berührt, wird der primäre Kreis geschlossen und umgekehrt.
Mit anderen Worten, das Signal 137AI springt jedesmal um, wenn der Taster 115 des Tastkopfes in oder außer Berührung mit dem Werkstück kommt. Es ist klar, daß der Tastkopf bei diesem Ausführungsbeispiel nur einen Teil des primären Kreises 119 enthält, während der übrige Teil dieses primären Kreises durch die das Werkstück 11 mit dem Maschinenkopf 10 elektrisch verbindende Erdung gebildet ist. Weiter dienen bei diesem letzteren Beispiel die Radialarme 118 des Tasters und die
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beim vorangehenden Beispiel als Kontakte dienenden Kugeln ausschließlich der mechanischen Lagerung des Tasters und haben in elektrischer Hinsicht keine Bedeutung mehr. Es ist dabei natürlich auch unwesentlich, ob eine kapazitive oder induktive Kopplung 123 Anwendung findet.
Bei allen beschriebenen Ausführungsbeispielen erfolgt die Zustandsänderung des primären Kreises 19 bzw. 119 durch vollständiges öffnen oder Schließen dieses Kreises, d.h. durch Ändern seines Ohm'sehen Widerstandes zwischen Null bzw. einem Minimalwert und dem Wert Unendlich. Eine derartige starke Zustandsänderung in dem eine passive Schaltung darstellenden primären Kreis ist vorteilhaft, damit im sekundären Kreis 29 bzw. 129 eine möglichst starke Reaktion erfolgt und damit die Feststellung bzw. Anzeige des jeweiligen Zustands des primären Kreises erleichtert wird.
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Leerseite

Claims (7)

Patentansprüche
1.; Einrichtung zur überwachung des Zustande eines primären elektrischen Kreises mittels eines durch eine rückwirkende Kopplungsanordnung mit diesem gekoppelten sekundären elektrischen Kreises, wobei die Kopplungs- ; anordnung zwei durch einen Isolator voneinander getrennte, jeweils einem der beiden Kreise zugeordnete Kopplungselemente aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der sekundäre elektrische Kreis (29; 129) einen Oszillator (28A, 28B3 28c) zur Erzeugung von Schwingungen enthält, welche über die Kopplungsanordnung (20, 30; 120, 130) auf den primären elektrischen Kreis (19; 119) übertragen werden, wobei die beiden Kreise zusammen die dem Oszillator entgegenstehende Impedanz ergeben, und daß der primäre Kreis ein Schaltglied (1.7, 18; 117, 118) zur Änderung seines elektrischen Zustande und folglich der dem Oszillator entgegenstehenden Impedanz, und der sekundäre Kreis eine auf die impedanzänderungsbedingte Änderung der Oszillatorschwingungen ansprechende Ansprechschaltung (35; 135) aufweist. . . " "
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltglied (17, 18; 117, 118) den Ohm'schen Widerstand des primären elektrischen Kreises (19; 119) verändert.
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3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltglied (17, 18; 117, 118) den primären elektrischen Kreis (19; 119) öffnet und schließt.
4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansprechschaltung (35; 135) auf eine Änderung der Periodendauer der Oszillatorschwingungen anspricht.
5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansprechschaltung (35; 135) eine in den sekundären elektrischen Kreis (29; 129) geschaltete monostabile Kippschaltung (36) aufweist, die durch die aufeinanderfolgenden Oszillatorschwingungen jeweils einschaltbar ist und deren Schaltzeit länger als die kürzere, durch den einen elektrischen Zustand des primären Kreises (19; 119) bedingte Periodendauer der Oszillatorschwingungen, jedoch kürzer als die längere, durch den anderen elektrischen Zustand des primären Kreises bedingte Periodendauer der Oszillatorschwingungen ist, so daß am Kippschaltungsausgang (36A) nur beim Auftreten der längeren Periodendauer eine Folge von Impulsen erscheint, und daß die Ansprechschaltung Mittel (37) aufweist, die beim Auftreten dieser Impulse ein kontinuierliches Ausgangssignal erzeugen.
6. Einrichtung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch Mittel (37A) zur Verkürzung der Schaltzeit der monostabilen
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Kippschaltung (36) in Abhängigkeit vom Auftreten des genannten kontinuierlichen Ausgangssignals. " . .
7. Anwendung einer Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 in Verbindung mit einer Längenmeßmaschine mit einem Meßkopf, an welchem ein Tastkopf lösbar befestigbar ist und welcher zum Antasten eines Werkstückes durch den Taster des Tastkopfes relativ zu dem Werkstück verschiebbar ist j dadurch gekennzeichnet, daß der Tastkopf (12) mindestens teilweise den primären elektrischen Kreis (19; 119ί enthält und das Schaltglied (17/ 18;.-117 y 118)'den elektrischen Zustand dieses primären Kreises beim Antasten des Werkstückes (11) durch den Taster (15) ändert, und daß der sekundäre elektrische Kreis (29; 129) im Meßkopf (10) angeordnet ist.
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