DE2357791A1 - Induktiver weggeber - Google Patents
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Description
R. 1861
8. 11. 1973 VeVDo
Anlage zur
Patent- und
Gebrauchsmusterhilfsanmeldung
Die Erfindung betrifft einen induktiven Weggeber mit einer Magnetspule veränderlicher Induktivität.
Ein bekannter induktiver Weggeber ist der Tauchankergeber.
In eine Spule wird ein freibeweglicher, ferromagnetischer Kern eingeschoben wodurch die Induktivität
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L verändert wird. Es können auch zwei Tauchankergeber
in Differentialanordnung eingesetzt sein. Da der Zusammenhang Weg - Induktivität nicht linear ist, ist
jedoch ein ziemlich großer Aufwand an Elektronik erforderlich. Die Empfindlichkeit ist gering. Außerdem
weist der Tauchankergeber eine große mechanische Baulänge im Verhältnis zum ausnutzbaren Linearitätsbereich
auf. Ein weiterer Nachteil ist die relativ große Masse des ferromagneticchen Kerns.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen induktiven Weggeber zu entwickeln, dessen bev/eglicher
Teil eine möglichst geringe Masse aufweist, um auch für dynamische Messungen gut geeignet zu sein. Außerdem soll
der induktive Weggeber sowohl in seinem mechanischen, wie auch in seinem elektronischen Teil möglichst einfach und
billig aufgebaut und somit für eine Massenproduktion geeignet sein. Insbesondere soll dieser Weggeber auch
zur Messung größerer Wege geeignet sein.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß
die Spule auf einem U-förmigen Kern aus ferromagnetisehern
Material aufgebracht ist, daß ein Kurzschlußring vorgesehen ist, der in Abhängigkeit des zu messenden Weges entlang
der beiden Schenkel des U-förmigen Kerns bewegbar ist und daß Mittel zur Erzeugung eines von der Inkuktivität
der Spule und damit vom Weg abhängigen Signals vorgesehen sind.
Eine in ihrem elektronischen Teil besonders einfache
Lösung ergibt sich dadurch, daß in weiterer Ausgestaltung der Erfindung als Oszillator die Reihenschaltung eines
Komparators mit Hysterese, eines die Induktivität enthaltenden induktiven Stellglieds und eines Integrators
vorgesehen ist und daß der Ausgang des Integrators mit
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dem. Eingang des !Comparators verbunden ist.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß das bewegte Teil, der Kurzschlußring,
eine sehr, geringe Masse aufweist, wodurch der Weggeber auch für dynamische Messungen sehr gut geeignet
ist. Bei hohen Frequenzen, ab ungefähr 100 kHz-, genügt als Kurzschlußring eine dünne Metallfolie (vorzugsweise
Kupfer, Silber). Solche dynamischen Messungen des Wegs sind z.B. bei der Luftmengenmessung im Ansaugkanal
einer Brennkraftmaschine erforderlich. Dort kann eine Stauscheibe mit dem Kurzschlußring gekuppelt sein,
oder der Kurzschlußring kann selbst die Stauscheibe darstellen. Die Auslenkung der Stauscheibe durch den
Luftstrom ge ge. n eine Kraft ist dann ein Maß für den Luftmengendurchsatz. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen
induktiven Weggebers ist dabei, daß das Ausgangssignal
wahlweise als digitales oder analoges Signal der Auswertung zugeführt werden kann.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die Schenkel des U-förmigen Kerns beliebig verlängerbar sind, so
daß auch große Wege gemessen werden können. Sowohl der mechanische, wie auch der elektronische Aufbauist
sehr einfach und billig. Der U-förmige Kern kann aus zwei zusammensteckbaren Hälften bestehen, so daß die
Spule in fertigem Zustand aufgebracht werden kann. Der mögliche geringe Luftspalt an der Zusammensetzstelle ist
vernachlässigbar im Vergleich zum Luftspalt zwischen den beiden Schenkeln des U-förmigen Kerns. Die elektronische
Schaltung ist aus Operationsverstärkern aufgebaut, so daß die ganze Schaltung durch einen integrierten Schaltkreis
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realisiert werden kann.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß in einer erfindungsgemäßen
Ausführungsform am Ausgang des induktiven
Weggebers direkt eine wegproportionale Frequenz abgenommen werden kann. Bei einer weiteren, noch einfacheren
Ausführungsform kann an dem Ausgang direkt eine
wegproportionale Periodendauer einer Frequenz abgegriffen werden.
Weiterhin können durch schaltungstechnische Eingriffe beliebige nichtlineare Weg-Frequenzkennlinien erzeugt
werden oder aber die Linearität verbessert werden.
Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher
beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel einer veränderlichen Induktivität mit Kurzschlußring,
Fig. 2 ein Schnittbild des Kurzschlußrings,
Fig. 3 ein Blockschaltbild des elektrischen Teils zum Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 und 2,
Fig. 1I ein Diagramm zur Erläuterung des in Fig. 3 darstellten
Blockschaltbildes,
Fig. 5 ein induktives Stellglied des Ausführungsbeispiels,
Fig. 6 die Kombination eines anderen induktiven Stellglieds mit einem Integrator,
Fig. 7 einen Komparator mit einer Linearisierungseinrichtung und
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Pig. 8 ein zweites Ausführungsbeispiel mit einem Funktionsgenerator
zur Realisierung einer beliebigen Weg-Prequenzkennlini.e.
' ^ .
In dem in den Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist zur Erzielung einer veränderliehen Induktivität
eine Magnetspule 10 auf dem Joch eines U-förmigen Magnetkerns
11 aufgebracht. Έ,ίη Kurzschlußring 12 weist zwei Öffnungen
13, I1I auf, die der Form des Magnetkernquerschnitts ■
angepaßt sind. Die beiden Schenkel des Magentkerns 11
treten durch die beiden öffnungen 13, l4 durch und der
Kurzschlußring 12 ist somit parallel zu den Magnetkernschenkeln frei beweglich. Seine. Bewegung muß der zu
messenden Wegstrecke entsprechen. Als Beispiel sei hierzu ein Flüssigkeitstandmesser genannt\ wobei die Magnetkernschenkel senkrecht in eine Flüssigkeit: eintauchen-und ein
Schwimmer mit dem Kurzschlußring12 gekoppeltist.
Die Wirkungsweise der Anordnung nach Fig..1 und Fig„2
besteht darin,, daß die Magnetspule 10 zwischen den beiden
Schenkeln des Magnetkerns 11 ein, homogenes magnetisches
Wechselfeld erzeugt, dessen Feldlinien 15 in Fig. 1 dargestellt sind. Der Kurzschlußring 12 stellt für jeden
Schenkel eine Kurzschlußwindung dar, so daß kein magnetisches Wechselfeld durch den Kurzsciilußring hindurchtreten kann. Der magnetische Gesamtfluß wird somit in
guter Näherung wegproportional begrenzt. Nach dem Induktionsgesetz
wird dadurch die Induktivität der Magnetspule
10 ebenfalls wegproportional verändert.. Zur Erzielung höchster Linearität kann der Schenkelabstand als Funktion
des Wegs variiert sein. Für Winkel me ssun gen ist eine
analoge Anordnung denkbar, die nicht parallele, sondern kreisförmig gekrümmte Schenkel des U-Kernes besitzt.
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In dem in Pig. 3 dargestellten Blockschaltbild eines in seiner Frequenz von der jeweiligen Größe der Induktivität
abhängigen Oszillators ist ein Komparator 30 mit Hysterese vorgesehen. Er besitzt eine obere Schaltschwelle
U und eine untere Schaltschwelle -UQ. Sein Ausgang
ist sowohl mit der Ausgangsklemme 31 des Oszillators,
wie auch mit dem Eingang eines induktiven Stellglieds 32.verbunden. Dieses induktive Stellglied 32 enthält
als veränderliche Induktivität die in Fig. 1 und Fig.' 2 dargestellte Anordnung. Es ist jedoch für diese Schaltung
auch eine andere veränderliche Induktivität denkbar. Der Ausgang der veränderlichen Induktivität 32 ist sowohl
mit einem Eingang einer Gleichrichterstufe 33 wie auch mit einem Eingang einer Integrierstufe 3^ verbunden.
Der Ausgang der Integrierstufe 32J ist an den Eingang
des !Comparators 30 angeschlossen. Der Ausgang der Gleichrichterstufe
33 ist mit einer analogen Ausgangsklemme 35 des
Oszillators verbunden.
Die Wirkungsweise der in Fig. 3 dargestellten Anordnung
wird im folgenden anhand des Diagramms nach Fig. 4 beschrieben. Es sei angenommen, daß zunächst am Ausgang
des Komparators 30 eine positive Spannung liegt. Diese
Spannung wird vom induktiven Stellglied 32 in Abhängigkeit der Stellung der veränderlichen Induktivität angehoben,
bzw. abgesenkt. Diese Anhebung bzw. Absenkung erfolgt unter Verwendung der in den Fig. 1 und 2 dargestellten
veränderlichen Induktivität in Abhängigkeit des zu messenden Wegs, d.h. in Abhängigkeit der Stellung des Kurzschlußrings
12. Die positive Spannung am Ausgang des induktiven Stellglieds 32 wird durch den Integrator 34 integriert.
Je höher die Spannung am Ausgang des induktiven Stellglieds 32 ist, desto schneller erfolgt die Integration, d.h.
desto schneller ist der Spannungsanstieg am Ausgang des Integrators 34. Wird der obere Schwellwert UQ des
Komparators 30 erreicht, so springt die Spannung am
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Ausgang des Komparators 30 auf einen negativen Wert zurück.
Entsprechend verändert sich der Ausgang des induktiven
Stellglieds 32. Am Ausgang des Integrators 34 wird eine"
absinkende Spannung erzeugt, die solange absinkt, bis der untere Schwellwert -UQ des Komparators 30erreicht
ist. Der Ausgang des Komparators 30 springt dann wieder auf einen positiven Spannungswert. Die Höhe der Spannung
am Ausgang des inkuktiven Stellglieds 32 ist demnach ein Maß für die Anstiegszeit bzw. Abfallzeit der Integratorspannung
und demnach ein Maß für die Frequenz dieses Oszillators.
Durch die Gleichrichterstufe 33 wird die Spannung am Ausgang des induktiven Stellglieds 32 gleichgerichtet
und am analogen Ausgang 35 entsteht ein Gleichspannungssignal,
das proportional zu der veränderlichen Induktivität ist und demnach
proportional zu dem zu messenden Weg. Der zu messende Weg kann somit durch ein digitales und ein. analoges
Ausgangssignal angezeigt werden. '
Die in Fig. 5 dargestellte Schaltung enthält ebenfalls ein
induktives Stellglied 32 .Die vom Komparator 30 herkommende
Rechteckspannung wird in dem Integrator 50 integriert,
so daß am Ausgang des Integrators 50 eine Dreieckspannung
erzeugt wird. Diese Dre\_^eckspannung wird durch den
Trans formator 51 di fferenziert, so daß am Aus gang dies es
induktiven Stellglieds 32 wieder eine Rechteckspannung entsteht. Dies geschieht dadurch, daß der dreieckförmig
verlaufende Strom am Ausgang des Integrators 50 an der
Primärwicklung gemäß dem Induktionsgesetz wieder eine
rechteckförmige Induktionsspannung erzeugt, welche an
der unbelasteten, denselben magnetischen Fluß umfassenden Sekundärwicklung abgenommen werden-kann. Diese Sekundärwicklung
-8 -
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— if —
• kann über der Magnetspule 10 auf dem U-förmigen Magnetkern
aufgebracht sein. Durch den trans formatorischen Abgriff der
Induktionsspannung an der veränderlichen Induktivität wird eine galvanische Auftrennung erreicht. Die dadurch
verlorengegangene Gleichstromstabilität des Oszillators wird durch einen gleichstrommäßig sehr schwach belasteten,
Parallelzweig wiederhergestellt. Dieser Parallelzweig überbrückt als Widerstand 52 das induktive Stellglied
32. Durch die Integrationsdrift des Integrators 34 wäre
ohne den Widerstand 52 keine genügende Stabilität des Oszillators erreichbar. Die Vorteile bei Verwendung
dieses induktiven Stellglieds 32 in der Oszillatorschaltung liegen insbesondere darin, daß die Ausgangsfrequenz
direkt proportional zu dem zu messenden Weg ist.
In Fig. β ist eine Schaltung für eine Kombination eines induktiven Stellglieds 32 mit dem Integrator 34 dargestellt.
Diese Schaltung eines induktiven Integrierers besteht aus einem Operationsverstärker 60, der von einem Widerstand
61 überbrückt ist. Vor den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 60 ist eine variable Induktivität
62 geschaltet, für die vorzugsweise die in Pig. I und
Fig. 2 dargestellte Anordnung Verwendung finden kann.
Die Schaltung stellt praktisch eine Umkehr eines üblichen Differentiators dar, bei dem dem invertierenden Eingang
des Operationsverstärkers ein Kondensator vorgeschaltet ist. Wenn die in Fig. 6 dargestellten Anordnung in einer
Schaltung nach Fig. 3· verwendet wird, ergibt sich eine Vereinfachung gegenüber einer Anordnung nach Fig. 3» in welcher
anstelle des induktiven Stellgliedes 32 eine Anordnung nach
Fig. 5 verwendet wird. Allerdings ist dann die Ausgangsfrequenz
umgekehrt proportional zum zu messenden Weg, also proportional zur Periodendauer der Ausgangs frequenz. Um nun ein
analoges Ausgangssignal zu erhalten, kann die Anordnung
der Gleichrichterstufe 33 nach Fig. 3 nicht mehr gewählt werden. Die Frequenz der dreieckformigen Ausgangsspannung
des Integrators 34 muß jetzt durch
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einen in der Zeichnung nicht, näher dargestellten Differenz
tiator differenziert werden um wieder ein Rechteeksignal zu
erhalten. Dieses Rechtecksignal wird dann durch die Gleichrichterstufe
33 gleichgerichtet, an deren Ausgang wieder das analoge Ausgangssignal erscheint. :
Die in Fig. 7 dargestellte Schaltung stellt einen Komparator
mit Hysterese dar> bei dem zur Verbesserung der Linearität
des induktiven Gebers die Schwell^spannungen U bzw. -U0
beeinflußt werden. Versuche haben gezeigt s daß bei Verwendung
von U-Kernen mit konstantem, nicht allzu geringem Schenkelabst and bei höheren Frequenzen Abweichungen, von der
Linearität auftreten. Die Freq.uenz_ nimmt mit wachsendem, :
zu messendenWeg weniger als proportional zu. Ein Ausgleich
dafür wird erzielt, indem man die Schwellspannungen
U0 bzw. -υ» frequenz abhängig macht, d.h. für'hohe Frequenzen
geringer werden läßt. Der Eingang des Komparators ist über einen Widerstand 70 mit dem invertierenden Eingang
eines Operationsverstärkers 71 verbunden > dessen Ausgang : :
über zwei.Widerstände 72, 73 mit dem invertierenden
Eingang eines -zweiten, Operationsverstärkers 74 verbunden
ist. Dieser zweite Operationsverstärker 74 ist durch
die Parallelschaltung eines Widerstandes 75 und eines
Kondensators-76 überbrückt und sein Ausgang ist über
einen Widerstand 77 an den invertierenden Eingang des ersten Operationsverstärkers/ 71 zurückgeführt. Der Verknüpf ungs·
punkt der beiden Widerstände 72, 73 ist einerseits mit
dem Ausgang des Kompa.rators 30 verbunden und ist andererseits
über eine Bruckenschaltung aus vier Dioden 78bis 81
mit Masse verbunden« Dabei stellen die gegensinnig, gepolten
Dioden 78, 79 den einen Brückeniängszweig und die gegensinnig
gepolten Dioden 80, 81 den anderen Längszweig der Brücke
dar. Im Brückenquer zweig ist.-eine Zenerdiocle 82 geschaltet.
■;■.-■;.■' - lo"-50
9 821/Q562 .
Mo-
Ohne die Bauteile 73 bis 76 würde die Schaltung einen
üblichen, an sich bekannten Komparator darstellen. Durch das Diodennetzwerk 78 bis 82 werden die beiden Niveaus
der Rechteckausgangsspannung stabilisiert. Die am Ausgang anliegende Spannung wird über den Widerstand 77 an den
Eingang, zurückgeführt und stabilisiert den neuen Zustand.
Durch die Bauteile 73 bis 76 , die eine Verzögerungsstufe
darstellen, wird diese Rückführung verzögert. Die Ausgangsspannung
springt genau dann auf ihren entgegengesetzten Wert, wenn die Eingangsspannung den Wert UQ bzw. -UQ
erreicht. Bei hoher Frequenz kann infolge der Zeitverzögerung, insbesondere durch den Kondensator 76, die-Spannun.g
am Ausgang des zweiten Operationsverstärkers 74 nicht mehr ihren Endwert erreichen. Der SchaltVorgang
findet daher schon bei Eingangsspannungen statt, deren Betrag kleiner als U ist. Die beiden Schwellen rücken
somit zusammen. Durch geeignete Dimensionierurig der
Bauteile 73 bis 76 kann dadurch die Abweichung der Linearität der veränderbaren Induktivität ausglichen
werden.
Die in Fig. 8 dargestellte Anordnung stellt eine allgemeine
Anordnung zur Realisierung beliebiger, nichllinearer Weg-Frequenzkermlinien
dar. Der Aufbau und die Wirkungsweise entsprechen im wesentlichen der Anordnung nach Fig. 3- Zwischen dem Komparator
30 und dem induktiven Stellglied 32 ist ein steuerbarer
Spannuhgs umschalter-'vorgesehen, an dessen beiden
Spannungseingängen die Spannungen U. und -ILanliegen. Der
Komparator 30 steuert einen vorzugsweise elektronischen Umschalter im Spannungsumschalter 83, wodurch am induktiven
Stellglied 32 abwechselnd U^ und -U. anliegt. Zwischen das
induktive Stellglied 32 und den Integrator 3^ ist ein
Funktionsgenerator 8^4 geschaltet. Durch den Funktionsgenerator
84 sind die Schwellen UQ bzw. -UQ beliebig
verschiebbar, d.h. es können beliebige, nichtlineare Weg-Frequenzkennlinien erreicht werden. Das Ausgangssignal
des induktiven Weggebers kann somit eine beliebige Funktion des Wegs darstellen. Es können z.B. auch beliebigen
R η Q R ο 1 / η R ß 0
Parametern entsprechende Spannungen U. dem Punktionsgenerator
84 über das induktive Stellglied 32 eingegeben werden, wodurch
die Ausgangsspannung des induktiven Weggebers nicht
nur proportional zu dem Weg sondern zusätzlich noch proportional zu diesen Parametern wird.
Eine Besonderheit des Koniparat or s ergibt sich noch
dadurch, daß die Möglichkeit besteht, die Schwellspannungen und die Aus gangs spannung des !Comparators einander proportional
oder identisch zu wählen. Da die Ausgangsfrequenz, bzw. die Periodendauer dieser Frequenz,.proportional
zu der Komparatorausgangsspannung und umgekehrt proportional
zu.der Komparatorschwellspannung ist, ist die Ausgangsfrequenz
unbeeinflußbar von Schwankungen dieser Spannungen. Es können somit für die Anordnung unstabilisierte Spannungen
verwendet werden.
- 12 -
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Claims (12)
1.) Induktiver Weggeber mit einer Magnetspule veränderlicher
Induktivität, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule (lo)
auf einem U-förmigen Kern (11) aus ferrroraagnetischem
Material aufgebracht ist, daß ein Kurzschlußring (12) vorgesehen ist, der in Abhängigkeit des zu messenden Weges
entlang der beiden Schenkel des U-förmigen Kerns (11) bewegbar ist und daß Mittel zur Erzeugung eines von der
Induktivität der Spule (lo) und damit vom Weg abhängigen Signals vorgesehen sind.
2. Induktiver Weggeber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Mittel ein eine Induktivität enthaltender Oszillator
(3o, 32, 34) vorgesehen ist und daß diese Induktivität durch den Kurzschlußring (12) beeinflußbar ist.
3. Induktiver Weggeber nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß bei hohen Frequenzen des Oszillators (3o, 32, 34) als Kursschlußring (12) eine dünne Metallfolie vorgesehen
ist.
4. Induktiver Weggeber , insbesondere nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Oszillator die Reihenschaltung
eines Komparators (3o) mit Hysterese, eines die Induktivität enthaltenden induktiven Stellglieds (32) und
eines Integrators (34) vorgesehen ist und daß der Ausgang
- 13 509821/0 5 62
des Integrators (3*0 mit dem Eingang des Komparators (3o)
verbunden ist.
5· Induktiver Weggeber nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
daß als Kombination des induktiven Stellglieds (32) mit dem ·
Integrator (3.4) ein an sich bekannter LR-Integrator (6o-62) mit veränderlicher Induktivität (62 bzw. Io-12) vorgesehen
ist. "."-..
6· Induktiver Weggeber nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
daß als induktives Stellglied (32) sin Integrator (5o) vorgesehen
ist, dem ein Transformator (51) nachgeschaltet ist und
daß als Primärwicklung des Transformators (51) vorzugsweise
die veränderliche Induktivität (lo-12) geschaltet ist.
7. Induktiver Weggeber nach Anspruch 6,. dadurch gekennzeichent,
daß parallel zum induktiven: Stellglied (5o, 51) zur Stabilisierung
des Oszillators ein schwacher Gleichstromzweig (52) geschaltet ist, vorzugsweise ein hochohmiger Widerstand .
8,- Induktiver Weggeber nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
daß zur Kompensation_eines Linearitätsfehlers des induktiven
Weggebers bei hohen Frequenzen.ein Verzögerungsglied (73 - 7β)
im Komparator (3o) vorgesehen ist, durch das die Schaltschwellen des' Komparators (3o) symmetrisch verschiebbar sind.
9. Induktiver Weggeber nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
• daß zur Realisierung nicht linearer Weg-Erequenzkennlinien ein
Funktionsgenerator (84) zur Veränderung der Eing'angsspannung
des Integrators (34) vorgesehen ist.
10. Induktiver Weggeber nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
daß ein vom Komparator (3o)' gesteuerter Spannungsums chalter (83) vorgesehen ist, durch den von beliebigen Parametern
abhängige Spannungen (IL , -U.) dem induktiven Stellglied
(32) zuführbar sind.
11. Induktiver Weggeber nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung eines weganalogen Ausgangssignals der
Ausgang des Integrators (34) über einen Differentiator mit nachgeschalteter Gleichrichterstufe (33) mit einem analogen
Ausgang (35) verbunden ist.
12. Induktiver Weggeber nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung eines weganalogen Ausgangssignals der
Ausgang des induktiven Stellglieds (32) über eine Gleichrichterstufe (33) mit einem analogen Ausgang (35) verbunden ist.
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Also Published As
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