DE102016015057B3 - measuring system - Google Patents
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Abstract
Messsystem (10) zur Erfassung einer Position eines um eine Drehachse (D) rotierenden Körpers (100), aufweisend eine Gebereinheit (30), eine Magnetfeldsensoranordnung (20) und eine Auswerteeinheit, wobei die Magnetfeldsensoranordnung (20) einen Bias-Magneten (22) und zwei Magnetfeldsensoren (24, 26) zum Erfassen von zueinander senkrechten Magnetfeldkomponente (Hz) aufweist. Die Gebereinheit (30) ist fest mit dem Körpers (100) verbunden und weist mindestens einen in einer lineare Zwangsführung (32.1, 34.1) zwischen einem minimalen und einem maximalen Abstand geführten Messwertgeber (32, 34), mindestens eine Minimalwertgeberspur (36) und mindestens eine Maximalwertgeberspur (38) auf. Die Minimalwertgeberspur (36) und die Maximalwertgeberspur (38) erstrecken sich jeweils in einem festen Abstand (d3, d4) zu der Drehachse (D) über einen ersten bzw. einen zweiten Winkelbereich (a1, a2) um die Drehachse (D). In einer Projektion entlang der Drehachse (D) ist die Zwangsführung (32.1, 34.1) zwischen dem ersten und dem zweiten Winkelbereich (a1, a2) angeordnet, wobei der erste und der zweite Winkelbereich (a1, a2) jeweils einen Abstand von höchsten 45° zu der Zwangsführung (32.1, 34.1) aufweisen und die Minimalwertgeberspur (36) und die Maximalwertgeberspur (38) der Magnetfeldsensoranordnung (20) jeweils einen Grenzwert liefern.Measuring system (10) for detecting a position of a body (100) rotating about a rotation axis (D), comprising a transmitter unit (30), a magnetic field sensor arrangement (20) and an evaluation unit, wherein the magnetic field sensor arrangement (20) comprises a bias magnet (22) and two magnetic field sensors (24, 26) for detecting mutually perpendicular magnetic field component (Hz). The transmitter unit (30) is fixedly connected to the body (100) and has at least one transmitter (32, 34) guided between a minimum and a maximum distance in a linear positive guide (32.1, 34.1), at least one minimum sensor track (36) and at least a maximum value track (38). The minimum value sensor track (36) and the maximum value encoder track (38) each extend at a fixed distance (d3, d4) to the axis of rotation (D) over a first or a second angular range (a1, a2) about the axis of rotation (D). In a projection along the axis of rotation (D), the forced guidance (32.1, 34.1) is arranged between the first and the second angle range (a1, a2), wherein the first and the second angle range (a1, a2) each have a maximum distance of 45 ° to the forced operation (32.1, 34.1) and the minimum value sensor track (36) and the maximum value sensor track (38) of the magnetic field sensor arrangement (20) each provide a limit value.
Description
Die Erfindung betrifft eine Messsystem zur Erfassung einer Position eines um eine Drehachse rotierenden Körpers, aufweisend eine Gebereinheit, eine Magnetfeldsensoranordnung und eine Auswerteeinheit zur Auswertung von Messsignalen der Magnetfeldsensoranordnung.The invention relates to a measuring system for detecting a position of a body rotating about a rotation axis, comprising a transmitter unit, a magnetic field sensor arrangement and an evaluation unit for evaluating measuring signals of the magnetic field sensor arrangement.
Es ist bekannt, zur Erfassung einer Position eines um eine Drehachse rotierenden Körpers, z.B. einer Kurbelwelle oder einer Nockenwelle oder einer Schwungmasse, ein Geber-Aufnehmer-System zu verwenden, wobei der Messwertgeber an dem Körper befestigt ist und von dem feststehenden Aufnehmer abgetastet wird. Beispielsweise induziert der vorbeilaufende Messwertgeber in dem Aufnehmer einen Spannungsimpuls.It is known to detect a position of a body rotating about a rotation axis, e.g. a crankshaft or a camshaft or a flywheel, to use a donor pick-up system, wherein the transmitter is attached to the body and is scanned by the fixed pickup. For example, the passing transducer induces a voltage pulse in the transducer.
Ein solches Messsystem, welches die Drehzahl sowie die Winkelstellung einer Welle mittels eines Geberrads mit einer Vielzahl von Winkelgebern ermittelt, ist beispielsweise aus der
Aus der
Vor diesem Hintergrund besteht die Aufgabe der Erfindung darin, eine Vorrichtung anzugeben, die den Stand der Technik weiterbildet.Against this background, the object of the invention is to provide a device which further develops the prior art.
Die Aufgabe wird durch ein Messsystem mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.The object is achieved by a measuring system having the features of patent claim 1. Advantageous embodiments of the invention are the subject of dependent claims.
Gemäß dem Gegenstand der Erfindung wird ein Messsystem zur Erfassung einer Position eines um eine Drehachse rotierenden Körpers bereitgestellt. Das Messsystem weist eine Gebereinheit, eine Magnetfeldsensoranordnung und eine Auswerteeinheit zur Auswertung von Messsignalen der Magnetfeldsensoranordnung auf.According to the subject matter of the invention, a measuring system is provided for detecting a position of a body rotating about a rotation axis. The measuring system has a transmitter unit, a magnetic field sensor arrangement and an evaluation unit for evaluating measuring signals of the magnetic field sensor arrangement.
Die Magnetfeldsensoranordnung weist einen Bias-Magneten zur Erzeugung eines Magnetfelds, mindestens einen ersten Magnetfeldsensor zum Erfassen einer parallel zu der Drehachse verlaufenden Magnetfeldkomponente und einen zweiten Magnetfeldsensor zur Erfassung einer senkrecht zu der Drehachse verlaufenden Magnetfeldkomponente auf, d.h. die beiden Magnetfeldkomponenten sind orthogonal.The magnetic field sensor arrangement comprises a bias magnet for generating a magnetic field, at least one first magnetic field sensor for detecting a magnetic field component parallel to the rotational axis, and a second magnetic field sensor for detecting a magnetic field component perpendicular to the rotational axis; the two magnetic field components are orthogonal.
Der erste Magnetfeldsensor und der zweite Magnetfeldsensor sind jeweils in einer festen Position zwischen dem Bias-Magneten einerseits und dem rotierenden Körper andererseits angeordnet. Vorzugsweise sind die beiden Magnetfeldsensoren bezüglich der Drehachse fixiert und weisen jeweils zu der Drehachse einen festen Abstand auf.The first magnetic field sensor and the second magnetic field sensor are each arranged in a fixed position between the bias magnet on the one hand and the rotating body on the other hand. Preferably, the two magnetic field sensors are fixed with respect to the axis of rotation and each have a fixed distance to the axis of rotation.
Die beiden Magnetfeldsensoren sind vorzugsweise als 2-D Magnetfeldsensoren, insbesondere als Hallsensoren, ausgebildet. Vorzugsweise weisen der erste Magnetfeldsensor und der zweite Magnetfeldsensor jeweils den gleichen Schwerpunkt auf.The two magnetic field sensors are preferably designed as 2-D magnetic field sensors, in particular as Hall sensors. Preferably, the first magnetic field sensor and the second magnetic field sensor each have the same center of gravity.
Die Gebereinheit ist fest mit einer der Magnetfeldsensoranordnung zugewandten Oberfläche des rotierenden Körpers verbunden und weist mindestens einen Messwertgeber und mindestens eine lineare Zwangsführung für den mindestens einen Messwertgeber auf.The transmitter unit is fixedly connected to a surface of the rotating body facing the magnetic field sensor arrangement and has at least one transmitter and at least one linear positive guide for the at least one transmitter.
Der eine Messwertgeber ist in der linearen Zwangsführung innerhalb einer ersten Ebene radial zu der Drehachse zwischen einem ersten Abstand und einem zweiten Abstand zu der Drehachse geführt und umfasst zur lokalen Veränderung des Magnetfelds ein ferromagnetisches Material.The one transmitter is guided in the linear positive guide within a first plane radially to the axis of rotation between a first distance and a second distance to the axis of rotation and includes a magnetic material for local variation of the magnetic field.
Die erste Ebene verläuft senkrecht zu der Drehachse, wobei der erste Abstand zu der Drehachse kleiner als der zweite Abstand zu der Drehachse ist.The first plane is perpendicular to the axis of rotation, wherein the first distance to the axis of rotation is smaller than the second distance to the axis of rotation.
Die Gebereinheit weist weiterhin mindestens eine Minimalwertgeberspur und mindestens eine Maximalwertgeberspur auf.The encoder unit furthermore has at least one minimum value track and at least one maximum value track.
Die mindestens eine Minimalwertgeberspur und die mindestens eine Maximalwertgeberspur umfassen jeweils ein ferromagnetisches Material und sind zwischen dem Körper und der Magnetfeldsensoranordnung angeordnet. Die beiden Wertgeberspuren sind als Referenzwertgeberspuren ausgebildet.The at least one minimum value sensor track and the at least one maximum value value track each comprise a ferromagnetic material and are arranged between the body and the magnetic field sensor arrangement. The two encoder tracks are designed as Referenzwertgeberspuren.
Die mindestens eine Minimalwertgeberspur erstreckt sich radial in einem dritten Abstand zu der Drehachse über einen ersten Winkelbereich um die Drehachse.The at least one minimal encoder track extends radially at a third distance from the axis of rotation over a first angular range about the axis of rotation.
Die mindestens eine Maximalwertgeberspur erstreckt sich radial in einem vierten Abstand zu der Drehachse über einen zweiten Winkelbereich um die Drehachse, wobei der dritte Abstand kleiner als der vierte Abstand ist.The at least one maximum encoder track extends radially at a fourth distance from the axis of rotation over a second angular range about the axis of rotation, the third distance being less than the fourth distance.
Der erste Winkelbereich und der zweite Winkelbereich sind voneinander verschieden, d.h. die beiden Winkelbereiche sind zueinander beabstandet. The first angle range and the second angle range are different from each other, ie, the two angle ranges are spaced from each other.
Bevorzugt ist der dritte Abstand kleiner oder gleich dem ersten Abstand und der vierte Abstand größer oder gleich dem zweiten Abstand.Preferably, the third distance is less than or equal to the first distance and the fourth distance is greater than or equal to the second distance.
Die Zwangsführung des Messwertgebers ist in einer Projektion entlang der Drehachse zwischen dem ersten Winkelbereich und dem zweiten Winkelbereich angeordnet.The positive guidance of the transmitter is arranged in a projection along the axis of rotation between the first angle range and the second angle range.
Die mindestens eine Minimalwertgeberspur und die mindestens eine Maximalwertgeberspur liefern während einer Rotationsbewegung des Körpers der Magnetfeldsensoranordnung jeweils einen konstanten Referenzwert.The at least one minimum value sensor track and the at least one maximum value value track each deliver a constant reference value during a rotational movement of the body of the magnetic field sensor arrangement.
Vorzugsweise stellen die beiden Referenzwerte jeweils einen Grenzwert dar.Preferably, the two reference values each represent a limit value.
Es sei angemerkt, dass die Geberspuren jeweils als sich entlang bzw. über einen Kreisbogen um die Drehachse erstreckender Körper ausgebildet sind. Es versteht sich, dass die Geberspuren jeweils über ihre gesamte Länge, also den Kreisbogen einen festen Abstand zu der Drehachse aufweisen.It should be noted that the encoder tracks are each formed as extending along or over a circular arc around the axis of rotation body. It is understood that the encoder tracks each have over their entire length, so the arc a fixed distance to the axis of rotation.
Durch die Anordnung der Minimalwertgeberspur und der Maximalwertgeberspur auf jeweils einer Seite des Messwertgebers in einer Projektion entlang der Drehachse, wird während der Rotation des Körpers von der Magnetfeldsensoranordnung vor und nach dem durch den Messwertgeber erzeugten Signal jeweils ein Signal eines der Geberspuren erfasst.By arranging the minimum value sensor track and the maximum value sensor track on one side of the sensor in a projection along the rotation axis, a signal of one of the sensor tracks is detected by the magnetic field sensor arrangement before and after the signal generated by the sensor during the rotation of the body.
Hierdurch liefert die Gebereinheit zu jedem Messwert einen von dem oberen Grenzwert und dem unteren Grenzwert eingeschlossenen Messwertbereich. Vorzugsweise bewegt sich die Position des Messwertgebers in der Zwangsführung zwischen dem unteren Grenzwert und dem oberen GrenzwertAs a result, the transmitter unit supplies, for each measured value, a measured value range enclosed by the upper limit value and the lower limit value. Preferably, the position of the transmitter in the positive control moves between the lower limit and the upper limit
Es wird weiterhin angemerkt, dass auf den mindestens einen Messwertgeber bei Rotation des Körpers eine Zentrifugalkraft wirkt.It is further noted that acts on the at least one transmitter upon rotation of the body, a centrifugal force.
Es versteht sich, dass ein Strahl eine an einem Punkt beginnende, gerichtete gerade Linie bezeichnet.It is understood that a ray denotes a straight line starting at a point.
Mit dem Messsystem, d.h. aus den beiden Messwerten der beiden Magnetfeldsensoren, lässt sich die Position des mindestens einen Messgebers zu der Drehachse bestimmen.With the measuring system, i. From the two measured values of the two magnetic field sensors, the position of the at least one sensor can be determined relative to the axis of rotation.
Aus der Position, d.h. aus der Auslenkung des Messgebers lässt sich eine aus der Winkelgeschwindigkeit des Körpers dessen Drehzahl und/oder ein Drehwinkel des Körpers bestimmen.From the position, i. From the deflection of the encoder can be determined from the angular velocity of the body whose speed and / or rotational angle of the body.
Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es, dass durch die Referenzspuren sich neben der sehr präzisen Ermittlung der Drehzahl auch eine Unwucht, d.h. präzise eine Vibration des rotierenden Körpers ermitteln lässt. Hierdurch lassen sich auch auf eine Belastung von Lagern des Körpers schließen und gegebenenfalls Korrekturmaßnahmen ableiten. Vorzugsweise umfasst der Körper ein auf einer Welle angeordnetes Schwungrad. Auch temperaturbedingte Ausdehnungen des Körpers lassen sich präzise erfassen.An advantage of the device according to the invention is that by the reference tracks in addition to the very precise determination of the speed and an imbalance, i. Precisely a vibration of the rotating body can be determined. In this way, it is also possible to conclude on a load of bearings of the body and if necessary to derive corrective measures. Preferably, the body comprises a flywheel arranged on a shaft. Temperature-related expansions of the body can also be detected precisely.
In einer Weiterbildung weist die Gebereinheit mindestens zwei Messwertgeber auf. In einer anderen Weiterbildung sind die beiden Messwertgeber punktsymmetrisch zu der Drehachse angeordnet. In einer Ausführungsform sind die beiden Messwertgeber hinsichtlich der Drehachse einander gegenüberstehend angeordnet.In a further development, the transmitter unit has at least two transducers. In another development, the two transducers are arranged point-symmetrical to the axis of rotation. In one embodiment, the two transducers are arranged opposite one another with regard to the axis of rotation.
Ein Vorteil von zwei Messwertgebern besteht darin, dass sich die Messgenauigkeit auch in zeitlicher Hinsicht weiter erhöht. Insbesondere lassen sich die Drehzahl und Änderungen der Drehzahl und der Drehwinkel des Körpers gegenüber der Ausführung mit nur einem Messwertgeber präziser ermitteln. Auch lassen sich Vibrationen schneller und genauer erfassen.An advantage of two transducers is that the measurement accuracy increases even in terms of time. In particular, the speed and changes in the speed and the angle of rotation of the body relative to the version with only one transmitter can be determined more precisely. Also, vibrations can be detected faster and more accurately.
In einer anderen Ausführungsform sind beide Messwertgeber identisch aufgebaut.In another embodiment, both sensors are constructed identically.
In einer anderen Ausführungsform weist die Gebereinheit wenigstens einen gesteuerten Messwertgeber auf, wobei der Messwertgeber mit einer Steuereinheit in einer hydraulischen und / oder elektrischen und / oder elektromechanischen Wirkverbindung steht.In another embodiment, the transmitter unit has at least one controlled transmitter, wherein the transmitter is connected to a control unit in a hydraulic and / or electrical and / or electromechanical operative connection.
Mittels der Steuereinheit lässt sich eine Stellkraft erzeugen. Es versteht sich, dass die Stellkraft sich hydraulisch und / oder elektrisch und / oder elektromechanisch oder rein mechanisch erzeugen lässt.By means of the control unit can generate a force. It is understood that the force can be generated hydraulically and / or electrically and / or electromechanically or purely mechanically.
Die Stellkraft bewirkt, dass sich die Position des mindestens einen Messwertgebers sowohl abhängig von der Drehzahl als auch unabhängig von der Drehzahl in der linearen Zwangsführung einstellen lässt. Anders ausgedrückt auch bei einer Drehzahl von Null lässt sich mit der Stellkraft die Position des Messwertgebers ohne weiteres verändern, d.h. der Messwertgeber lässt sich von der Drehachse wegbewegen als auch auf die Drehachse zu bewegen.The actuating force causes the position of the at least one transmitter to be set both as a function of the rotational speed and independently of the rotational speed in the linear forced operation. In other words, even with a speed of zero, the position of the transmitter can be easily changed with the actuating force, i. The transmitter can be moved away from the axis of rotation as well as to move on the axis of rotation.
Ein Vorteil ist, dass sich mit dem gesteuerten Messwertgeber Vibrationen des rotierenden Körpers entgegenwirken lässt. Hierzu wird die Position des Messwertgebers mittels der Stellkraft verändert, um insbesondere Vibrationen zu unterdrücken und den Verschleiß von Lagern zu verringern.One advantage is that with the controlled transmitter vibrations of the rotating body counteracts. For this purpose, the position of the transmitter is changed by means of the adjusting force, in particular to suppress vibrations and to reduce the wear of bearings.
Es versteht sich, dass ohne die Stellkraft auf den Messwertgeber bei einer Drehzahl größer als Null zumindest die Zentrifugalkraft wirkt, wobei ohne eine Stellkraft oder insbesondere eine Rückstellkraft der Messwertgeber sich mit zunehmender Drehzahl von der Drehachse wegbewegt.It is understood that without the force on the transmitter at a speed greater than zero, at least the centrifugal force acts, wherein without a force or in particular a restoring force of the transmitter moves away with increasing speed from the axis of rotation.
In einer Weiterbildung ist die Stellkraft als eine Rückstellkraft ausgebildet. Vorzugsweise ist die Rückstellkraft proportional oder nicht proportional zu der Zentrifugalkraft ausgebildet.In a development, the actuating force is designed as a restoring force. Preferably, the restoring force is proportional or non-proportional to the centrifugal force.
In einer Ausführungsform wird die Rückstellkraft mittels eines Federelements oder einer hydraulischen Rückstellvorrichtung bewirkt.In one embodiment, the restoring force is effected by means of a spring element or a hydraulic return device.
Vorzugsweise sind die beiden Messwertgeber mittels einer Feder verbunden. In einer anderen Weiterbildung weist jeder Messwertgeber eine eigene Stellvorrichtung, insbesondere eine Rückstellvorrichtung, auf. Vorzugsweise umfasst die Rückstellvorrichtung jeweils eine Feder. Um die Stellkraft zu verändern ist hierbei die Rückstellvorrichtung oder das Federelement mit einer Steuervorrichtung verschaltet.Preferably, the two transducers are connected by means of a spring. In another development, each transmitter has its own adjusting device, in particular a reset device. Preferably, the return device each comprises a spring. In order to change the actuating force in this case, the restoring device or the spring element is connected to a control device.
Hierdurch lässt sich die Rückstellvorrichtung steuern oder regeln. Vorzugsweise lässt sich die Höhe der Stellkraft verändern. In einer Weiterbildung wird die Stellkraft in Abhängigkeit der Drehzahl verändert.As a result, the return device can be controlled or regulated. Preferably, the height of the force can be changed. In a further development, the actuating force is changed as a function of the rotational speed.
Insbesondere lässt sich mit der Steuervorrichtung die Höhe der Stellkraft derart einstellen, dass der Messwertgeber aus der nächstliegenden Position in Bezug auf die Drehachse erst oberhalb einer Mindestdrehzahl entlang der linearen Zwangsführung von der Drehachse wegbewegt.In particular, can be adjusted with the control device, the height of the actuating force such that the transmitter moves away from the closest position with respect to the axis of rotation only above a minimum speed along the linear positive guidance of the axis of rotation.
In einer anderen Weiterbildung ist die Stellkraft quantisiert ausgebildet. Hierdurch lassen sich auch einfache Weise Bereiche der Zentrifugalkraft bzw. der Drehzahl Stufen der Messwertgeber zuordnen. Anders ausgedrückt bewegt sich der Messwertgeber von der Drehachse nur in Stufen weg.In another development, the force is quantized. As a result, regions of the centrifugal force or the speed of rotation of the transducers can also be assigned in a simple manner. In other words, the transmitter moves away from the axis of rotation only in steps.
Mittels der Referenzspuren wird die Empfindlichkeit des Magnetfeldsensors gegenüber mechanischen Toleranzen, wie axialem Versatz, Vibrationen oder temperaturbedingten Ausdehnungen reduziert und eine hohe Messgenauigkeit gewährleistet.By means of the reference tracks, the sensitivity of the magnetic field sensor to mechanical tolerances, such as axial offset, vibrations or temperature-induced expansions is reduced and ensures a high accuracy of measurement.
In einer Weiterbildung weisen der erste Winkelbereich und der zweite Winkelbereich jeweils einen Abstand von höchsten 45°, bevorzugt von höchstens 15° oder höchstens 5°, zu der Zwangsführung auf.In a development, the first angle range and the second angle range each have a distance of at most 45 °, preferably at most 15 ° or at most 5 °, to the positive guidance.
Gemäß einer alternativen Weiterbildung weist die Gebereinheit mindestens zwei Minimalwertgeberspuren und mindestens zwei Maximalwertgeberspuren auf.According to an alternative development, the transmitter unit has at least two minimum value sensor tracks and at least two maximum value encoder tracks.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Hierbei werden gleichartige Teile mit identischen Bezeichnungen beschriftet. Die dargestellten Ausführungsformen sind stark schematisiert, d.h. die Abstände und die lateralen und die vertikalen Erstreckungen sind nicht maßstäblich und weisen, sofern nicht anders angegeben, auch keine ableitbaren geometrischen Relationen zueinander auf. Darin zeigt:
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1 eine schematische Aufsicht auf eine erste erfindungsgemäße Ausführungsform eines Messsystems, -
2 eine schematische Seitenansicht eines mittleren Ausschnitts der ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform des Messsystems, -
3 eine schematische Ansicht eines über die Zeit aufgetragenen Messsignals des Messsystems, -
4 eine schematische Ansicht einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Gebereinheit.
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1 a schematic plan view of a first embodiment of a measuring system according to the invention, -
2 FIG. 2 a schematic side view of a middle section of the first embodiment of the measuring system according to the invention, FIG. -
3 FIG. 2 a schematic view of a measuring signal of the measuring system applied over time, FIG. -
4 a schematic view of a second embodiment of a transmitter unit according to the invention.
Die Abbildungen der
Das Messsystem weist eine Magnetfeldsensoranordnung
Die Magnetfeldsensoranordnung
Der erste Magnetfeldsensor
Die Gebereinheit
Die Gebereinheit
Die beiden Messwertgeber
Die beiden Messwertgeber
Die beiden Messwertgeber
Die beiden Messwertgeber
Die Minimalwertgeberspur
Die zweite Maximalwertgeberspur
Gemäß der dargestellten Ausführungsform ist der dritte Abstand d3 kleiner als der erste Abstand d1 und der vierte Abstand d4 größer als der zweite Abstand d2.According to the illustrated embodiment, the third distance d3 is smaller than the first distance d1 and the fourth distance d4 is greater than the second distance d2.
In der Abbildung der
In einer nicht dargestellten Ausführungsform weist der erste Messwertgeber 32 und der zweite Messwertgeber
In einer nicht dargestellten Ausführungsform ist die Stellkraft als Rückstellkraft umfassend vorzugsweise ein Federelement ausgebildet.In one embodiment, not shown, the actuating force is formed as a restoring force comprising preferably a spring element.
In der Abbildung der
Die beiden Messwertgeber
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