DE1911767A1 - Amplification device for low-frequency signals - Google Patents
Amplification device for low-frequency signalsInfo
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Description
DIPL-CHEM. DR. WERNER KOCHDIPL-CHEM. DR. WERNER KOCH
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HAMBURGHAMBURG
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DR.-ING. RICHARD GLAWE DIPL-PHYS. DR. WALTER MOLLDR.-ING. RICHARD GLAWE DIPL-PHYS. DR. WALTER MOLL
MDNCHEN ·MDNCHEN
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A 95A 95
MÜNCHENMUNICH
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Verstärkungseinrichtung für niederfrequente Signale.Amplification device for low-frequency signals.
Die Erfindung betrifft eine Verstärkungseinrichtung für die Verstärkung von Signalen mit sehr niedriger Frequenz, z.B. O,öl bis 0,1 Hz. .The invention relates to an amplification device for amplifying signals with a very low frequency, e.g. O, oil to 0.1 Hz.
Ein Verstärker für niederfrequente Signale kann.grundsätzlich ausgebildet werden&ls ein üblicher Wechselspan- An amplifier for low-frequency signals can, in principle, be designed as a conventional alternating voltage
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nungsverstärker. Den einzelnen Schaltelementen eines derartigen Verstärkers für niederfrequente Signale müssen jedoch solche Werte gegeben werden, die in der Praxis schwierig zu realisieren sind.voltage amplifier. The individual switching elements of a such amplifier for low-frequency signals, however, must be given such values that in the Are difficult to realize in practice.
Ein anderes Verfahren zur Verstärkung von niederfrequenten Signalen besteht darin, daß man einen Gleichspannungsverstärker verwendet. Ein Verstärker dieser Art besitzt jedoch ein inhärentes Ungleichgewicht, das kompensiert werden muß, insbesondere bei Verstärkern mit hoher Verstärkung. Das Ungleichgewicht ändert sich mit der Temperatur, der Versorgungsspannung und der Zeit, so daß es von Zeit zu Zeit erforderlichist, die Abgleichung neu einzustellen.Another method of amplifying low frequency signals is by using a DC voltage amplifier used. However, an amplifier of this type has an inherent imbalance that is must be compensated, especially with high gain amplifiers. The imbalance changes with the temperature, the supply voltage and of time, so that from time to time it is necessary reset the adjustment.
Es ist ferner bekannt, einen Wechselspannungsverstärker für die Verstärkung von Gleichspannung zu verwenden, wobei die zu verstärkende Gleichspannung zunächst einem Modulator in Form eines Zerhackers zugeführt wird, der durch einen Vibrator so gesteuert ist, daß die Gleichspannung in Impulse verwandelt wird, die in dem Wechselspannungsverstärker verstärkt werden können. Ein derartiger, mittels Zerhacker stabili-It is also known to use an AC voltage amplifier for amplifying DC voltage, wherein the direct voltage to be amplified is first fed to a modulator in the form of a chopper which is controlled by a vibrator in such a way that the direct voltage is converted into pulses, which can be amplified in the AC amplifier. Such a, stabilized by means of a chopper
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ORIGINAL INSPECTEDORIGINAL INSPECTED
sierter Gleichspannungsverstärker kann auch für die Verstärkung einer Wechselspannung mit sehr kleiner Frequenz verwendet werden. Der Zerhacker erzeugt jedoch seinerseits Ungleichgewichtsspannungen, die groß genug seti können.,. um den Verstärker anzuregen.sized DC voltage amplifier can also be used for the Amplification of an alternating voltage with a very small frequency can be used. The chopper generates however, in turn, imbalance voltages that can seti large enough.,. to excite the amplifier.
Die Erfindung "bezieht sich auf einen Verstärker der zuletzt genannten Art. Die Erfindung zielt darauf ab, eine automatische Kompensierung der genannten Ungleichgewichtsspannungen vorzusehen. Die Erfindung bezieht sich somit auf eine Verstärkungseinrichtung mit einem Wechselspannungsverstärker, an dessen Eingang ein erster Modulator in Form eines Zerhackers angeschlossen ist. Der Zerhacker wird durch eine Steuerspannung angetrieben, deren Frequenz höher ist als die Frequenz der zu verstärkenden Signale. Der Zerhacker erzeugt somit eine Folge von Impulsen, deren Wiederholungsfrequenz von der Frequenz der Steuerspannung bestimmt wird, während die Amplitudenwerte der Impulse sich entsprechend dem niederfrequenten Signal ändern. Diese Impulse werden in dem Wechselspannungsverstärker verstärkt und nach der Verstärkung demoduliert, so daß man ein verstärk-The invention "relates to an amplifier of the last mentioned type. The aim of the invention is to automatically compensate for the mentioned Provide imbalance voltages. The invention thus relates to an amplification device with an AC amplifier the input of which is connected to a first modulator in the form of a chopper. The chopper will driven by a control voltage whose frequency is higher than the frequency of the signals to be amplified. The chopper thus produces a sequence of Pulses whose repetition frequency depends on the frequency the control voltage is determined, while the amplitude values of the pulses change according to the low frequency Change signal. These pulses are amplified in the AC amplifier and gradually of the amplification, so that one amplifies
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tes Signal, das dem ursprünglichen Ausgangssignal entsprioht, erhält.tes signal, which originates from the original output signal, is received.
Gemäß der Erfindung ist nun eine erste Rückkopp- V lungsschaltung zwischen dem Ausgang des Verstärkers und dem Eingang des ersten Modulators vorgesehen, die in Serie vom Verstärkerausgang her gesehen einen ersten Demodulator und eine erste Integrierstufe enthält, wobei der erste Demodulator durch eine Steuerspannung angetrieben ist, die dieselbe Frequenz wie die Steuerspannung für den ersten Modulator und eine solche Phase hat, daß die demodulierte Spannung eineAccording to the invention, a first feedback V is now management circuit between the output of the amplifier and the input of the first modulator provided in series from the amplifier output seen a first demodulator and a first integrating stage, the first demodulator by a control voltage is driven, the same frequency as the control voltage for the first modulator and a has such a phase that the demodulated voltage has a
entgegengesetzt
Polarität zu der einer vom ersten Modulator erzeugten Ungleichgewichtsspannung annimmt. Ferner ist eine --■
zweite Rückkopplungsstufe zwischen dem Ausgang und dem Eingang des Verstärkers vorgesehen, die in Serie
vom Verstärkerausgang her gesehen, einen zweiten Demodulator,
eine zweite Integrierstufe, und einen zweiten Modulator enthält, wobei der zweite Demodulator und
der zweite Modulator durch Steuerspannungen angetrieben sind, die die selbe Frequenz wie die Steuerspannung
für den ersten Modulator besitzt und die eine solche
Phase bezüglich der Ausgangsspannung des Verstärkers haben, daß die vom zweiten Demodulator dem Eingangopposite
Assumes polarity to that of an imbalance voltage generated by the first modulator. Furthermore, a second feedback stage is provided between the output and the input of the amplifier, which, viewed in series from the amplifier output, contains a second demodulator, a second integrating stage and a second modulator, the second demodulator and the second modulator being controlled by control voltages are driven, which has the same frequency as the control voltage for the first modulator and which have such a phase with respect to the output voltage of the amplifier that the input from the second demodulator
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des Verstärkers zufließende Spannung solchen Komponenten der Ausgangsspannung des Verstärkers entgegenwirkt, die um 90° außer Phase mit der Steuerspannung des ersten Modulators sind.the voltage flowing through the amplifier to such components counteracts the output voltage of the amplifier, which is 90 ° out of phase with the control voltage of the first modulator.
Im folgenden wird die Erfindung näher erläutert unter Bezugnahme auf die Zeichnung, die einHLoc&- diagramm einer bevorzugten Ausfütirungsform der Erfindung zeigt.In the following the invention is explained in more detail with reference to the drawing, which shows aHLoc & - diagram of a preferred embodiment of the invention shows.
Das zu verstärkende Signal wird über eine Klemme 1 und eine Anpaßstufe 2 dem Modulator 3 zugeführt, der als Zerhacker ausgebildet ist und seine Steuerspannung von einem Oszillator 8 empfängt. Das modulierte Signal wird vom Modulator 3 über eine Summierstufe 4 dem Verstärker 5 zugeführt. Vom Ausgang des Verstärkers 5 wird das verstärkte Signal einem Gleichrichter 6 züge-The signal to be amplified is fed to the modulator 3 via a terminal 1 and an adapter stage 2, the is designed as a chopper and its control voltage from an oscillator 8 receives. The modulated signal is sent from the modulator 3 via a summing stage 4 to the amplifier 5 supplied. From the output of the amplifier 5, the amplified signal is fed to a rectifier 6.
führt, von dessen Ausgang 7 das verstärkte und gleichgerichtete Signal abgegriffen wird.leads, of whose output 7 the amplified and rectified Signal is tapped.
Der Verstärker 5 ist vorzugsweise auf ein Frequenzband abgestimmt, dessen-Grenzfrequenzen zu beiden Seiten der Frequenz der Steuerspannung vom Oszillator 8 liegt,The amplifier 5 is preferably tuned to a frequency band, its limit frequencies on both sides is the frequency of the control voltage from oscillator 8,
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Es sei angenommen, daß bei der gezeigten Ausführungsform die Phasenverschiebung vom Eingang des Verstärkers 5 bis zu seinem Ausgang etwa l8o° beträgt.It is assumed that in the embodiment shown, the phase shift from the input of the amplifier 5 is about 180 ° up to its exit.
Der Modulator J5 erzeugt Ungleichgewichtsspannungen, die groß genug sein können, um den Verstärker 5 anzuregen, insbesondere wenn dieser einen hohen Verstärkungsfaktor besitzt. Um diese Ungleichgewichtsspannungen zu kompensieren, ist die Anordnung mit zwei Rückkopplungszweigen versehen.The modulator J5 generates imbalance voltages, which can be large enough to excite the amplifier 5, especially if it has a high gain factor owns. In order to compensate for these imbalance voltages, the arrangement is with two feedback branches Mistake.
Die erste Hückkopplungsschaltung liegt zwischen dem Ausgang des Verstärkers 5 und dem Eingang des Modulators 3. Sie besteht aus einer Amplitudenbegrenzungsstufe 9i einem Demodulator Io und einer Integrierstufe Der Demodulator Io wird in Phase mit dem Modulator 3 durch die Steuerspannung vom Oszillator 8 gesteuert.The first feedback circuit is between the Output of amplifier 5 and the input of modulator 3. It consists of an amplitude limiting stage 9i a demodulator Io and an integration stage The demodulator Io is in phase with the modulator 3 controlled by the control voltage from the oscillator 8.
Diese erste Rückkopplungsschaltung 9> lo, 11 wirkt in folgender Weise. Es sei angenommen, daß der Schaltung kein Eingangssignal zugeführt wird, daß jedoch das Ungleichgewicht im Modulator 5 Ursache für ein starkes Wechselstromsignal am Ausgang des Verstärkers 5 vor dem Gleichrichter 6 ist. Dieses Ausgangssignal wird nachThis first feedback circuit 9> lo, 11 works in the following way. Assume that the circuit No input signal is supplied, but the imbalance in the modulator 5 is the cause of a strong AC signal at the output of the amplifier 5 before Rectifier 6 is. This output signal is after
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dem Beschneiden der Amplituden in der Stufe 9 dem Demodulator Io zugeführt. Hierdurch erzeugt der Demodulator Io eine Gleichspannung, die proportional zu der Komponente der Ausgangsspannung ist, welche in Phase mit der Steuerspannung für den Modulator 3 ist. Da die Phasenverschiebung vom Modulator 5 bis zum Ausgang des Verstärkers 5 etwa l80 beträgt, hat die Gleichspannung vom Demodulator Io eine Polarität entgegengesetzt zu der Polarität der vom Modulator 5 erzeugten ungleiehgewichtsspannung. Die Gleichspannung vom Demodulator Io wird in der Integrierstufe 11, die eine große Zeitkonstante besitzt, gefiltert und verzögert. Somit wird dem Modulator 5 allmählich ein Gleichstrom zugeführt, wobei diese Gleichspannung eine Polarität hat, die entgegengesetzt der Polarität der ursprünglichen Ungleichgewichtsspannung ist. Deshalb .wirkt die Gleichspannung von der Integrierstufe 11 der Ungleichgewichtsspannung entgegen, so daß nach einer Zeit, die vom Betrag der Ungleichgewichtsspannung und von den Eigenschaften der Ruckkopplungsschaltung abhängt, das Ausgangssignal bis auf einen vernachlässigbar kleinen Wert abnimmt, der durch die ursprüngliche Ungleichgewichtsspannung und durch die Rückkopplungsschaltung bestimmt vird.fed to the cutting of the amplitudes in stage 9 to the demodulator Io. As a result, the demodulator Io generates a DC voltage that is proportional to is the component of the output voltage which is in phase with the control voltage for the modulator 3. Because the phase shift from the modulator 5 to the output of the amplifier 5 is about 180, the DC voltage from the demodulator Io has an opposite polarity to the polarity of the imbalance voltage generated by the modulator 5. The DC voltage from the demodulator Io is in the integrating stage 11, the has a large time constant, filtered and delayed. Thus, a direct current is gradually supplied to the modulator 5, which is a direct voltage has a polarity opposite to the polarity of the original imbalance voltage. That's why .The DC voltage from the integrating stage 11 counteracts the imbalance voltage, so that after a time that depends on the magnitude of the unbalance voltage and the properties of the feedback circuit depends, the output signal decreases to a negligibly small value, which is due to the original Imbalance voltage and determined by the feedback circuit.
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Die beschriebene Rückkopplungsschaltung 9* lo> H reicht aus, um die vom Modulator 3 herkommenden Instabilitätsspannungen zu kompensieren, wenn diese kleinsind und wenn die Phasenverschiebung des Verstärkers nicht wesentlich von l8o° abweicht. Wenn jedoch der Modulator 3 eine große Instabilität aufweist und wenn diese ungleichmäßig über die Ein- und Aus-Intervalle des Modulators verteilt sind, was bei einem Halbleitermodulator der Pail 1st, und wenn die Phasenverschiebung des Verstärkers 5 von 18O° abweicht, enthält die Ausgangsspannung des Verstärkers 5 eine Komponente, die um 90° außer Phase zur Steuerspannung des Modulators 3 ist. Wenn der Verstärkungsfaktor groß ist, reicht diese Komponente aus, um den Verstärker anzuregen. Um dieser Komponente entgegenzuwirken, ist die Einrichtung mit einer zweiten Rückkopplungsschaltung versehen, die zwischen dem Ausgang und dem Eingang, des Verstärkers 5 liegt und aus einer Amplitudenbegrenzungsstufe 12, einem Demodulator 13, einer Integrierstufe 14 und einem Modulator 15 besteht. Der Modulator 13 und der Modulator 15 erhalten ihre Steuerspannung von dem Oszillator 8 über eine Phasenvers chi e-r.: ; bungseinrichtung 16, die eine Phasenverschiebung von 90° erzeugt. Die Aus gangs spannung vom Verstärker 5The described feedback circuit 9 * lo> H is sufficient to avoid the instability voltages coming from the modulator 3 to compensate when these are small and when the phase shift of the amplifier does not deviate significantly from 180 °. However, if the modulator 3 has great instability and if these are unevenly distributed over the on and off intervals of the modulator, which is the case with a semiconductor modulator the Pail 1st, and if the phase shift of the amplifier 5 deviates from 180 °, contains the output voltage of the amplifier 5 is a component that is 90 ° out of phase with the control voltage of the Modulator 3 is. If the gain is large, this component will be enough to power the amplifier to stimulate. To counteract this component, the device is equipped with a second feedback circuit provided, which lies between the output and the input, of the amplifier 5 and consists of an amplitude limiting stage 12, a demodulator 13, an integration stage 14 and a modulator 15 consists. The modulator 13 and the modulator 15 receive their control voltage from the oscillator 8 via a phase shift chi e-r .:; exercise device 16, which generates a phase shift of 90 °. The output voltage from the amplifier 5
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wird auch dieser zweiten Verstärkungsschaltung zugeführt, wird in der Stufe 12 amplitudenbegrenzt und im Demodulator Ij5 demoduliert. Die Ausgangsgleichspannung vom Demodulator I5 wird in der integrierstufe 14 gefiltert und verzögert. Die von der Stufe 14 erzeugte Spannung wird wiederum moduliert im Demodulator 15, der durch eine Steuerspannung gesteuert wird, die um 90° außer Phase zur Steuerspannung für den Modulator j5 ist. Das Ausgangssignal vom Modulator 15 wird dem Ausgangssignal vom Modulator 3 in der Summierstufe 4 überlagert, die aus einer Vorstufe des Verstärkers 5 bestehen kann. Hierdurch wird der ursprünglichen 90°- Ungleichgewichtsspannung in dem Verstärker entgegengewirkt., so daß nach einer Zeit, die von dem Betrag der Instabilitätsspannung und von den Übertragungseigenschaften der Rückkopplungsschaltung abhängt, auch diese Komponente bis auf einen vernachlässigbar kleinen Wert herabgesetzt.ist.is also fed to this second amplification circuit, the amplitude is limited in stage 12 and demodulated in demodulator Ij5. The DC output voltage from demodulator I5 is filtered and delayed in integrating stage 14. The voltage generated by stage 14 is in turn modulated in demodulator 15 , which is controlled by a control voltage which is 90 ° out of phase with the control voltage for modulator j5. The output signal from modulator 15 is superimposed on the output signal from modulator 3 in summing stage 4, which can consist of a preliminary stage of amplifier 5. This counteracts the original 90 ° imbalance voltage in the amplifier, so that after a time which depends on the magnitude of the instability voltage and the transmission properties of the feedback circuit, this component is also reduced to a negligibly small value.
Wenn ein normales Eingangssignal dem Verstärker zugeführt wird, sprechen die Rückkopplungsstufen in der gleichen Weise wie bei Instabilitätsspannungen an, so daß die Ausgangsspannung des Verstärkers langsam verringert wird. Die Zeitkonstanten der IntegrierstufenWhen a normal input signal is fed to the amplifier, the feedback stages in FIG same way as with instability voltages, so that the output voltage of the amplifier slowly decreases will. The time constants of the integration levels
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11 und 12 sind jedoch sehr groß im Verhältnis zur ' Periode des ankommenden Signals, so daß trotz der Wirkung der Rückkopplungsstufen am Ausgang des Verstärkers ein verstärktes Signal erhalten wird. Wegen des Vorhandenseins der Rückkopplungsschaltungen arbeitet der Verstärker als Wechselspannungsverstärker mit einer bestimmten unteren Grenzfrequenz. Diese kann sehr klein gemacht werden, wenn die Zeitkonstante der Integrierstufen 11 groß genug gewählt wird. Die Zeitkonstante der Integrierstufe 14 ist weniger wichtig, da ein normales Eingangssignal vom Modulator 3 mit O°-Phase moduliert wird. Nur wenn die Phasenverschiebung des Verstärkers wesentlich von l8o° abweicht, wird die Zeitkonstante der Integrierstufe 14 wichtig.11 and 12 are, however, very large in relation to the period of the incoming signal, so that despite the effect the feedback stages at the output of the amplifier an amplified signal is obtained. Because of the presence of the feedback circuits, the works Amplifier as an AC voltage amplifier with a specific lower limit frequency. These can be very small be made if the time constant of the integration stages 11 is chosen large enough. The time constant the integrating stage 14 is less important, since a normal input signal from the modulator 3 with 0 ° phase is modulated. Only if the phase shift of the amplifier deviates significantly from 180 ° will the Time constant of integration level 14 is important.
Die Amplitudenbegrenzung in den Stufen 9 und 12 der Rückkopplungsschaltungen setzt die untere Grenzfrequenz weiter herab für solche Signale, die am Verstärkerausgang das Amplitudenbegrenzungsniveau überschreiten, da die Rückkopplungsschaltung dann ein schwächeres Signal erhält und infolgedessen langsamer kompensiert.The amplitude limitation in stages 9 and 12 of the Feedback circuits further reduce the lower cut-off frequency for those signals that are at the amplifier output exceed the amplitude limiting level, as the feedback circuit then has a weaker Receives signal and as a result compensates more slowly.
Die Verstärkungseinrichtung gemäß der Erfindung kann Signale ve'stärken, die wesentlich schwächer sindThe amplification device according to the invention can amplify signals which are significantly weaker
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als die Instabilitätsspannungen, die von dem Modulator 3 erzeugt werden. Deshalb wird die Einrichtung mit der Zeit sehr stabil, da der Betrag des Ungleichgewichts im Modulator j5 nur sehr kleinen Einfluß auf das Verstarkerausgangssignal hat. Es ist auch unschädlich, wenn die Instabilität sich mit der Temperatur, der Versorgungsspannung und der Zeit ändert. Wenn der Verstärker 5 abgestimmt wird, können die Instabilitäten auch ohne weiteres hochfrequente Anteile enthalten, ohne daß dies störende Auswirkungen hat. .than the instability voltages produced by the modulator 3 can be generated. Therefore, the facility becomes very stable over time as the amount of the Imbalance in modulator j5 has only a very small influence on the amplifier output signal. It is also harmless if the instability increases with the Temperature, supply voltage and time changes. When the amplifier 5 is tuned, the instabilities can also contain high-frequency components without further ado, without this being disruptive Has an impact. .
Die Signalverstärkung hängt nur vom Verstärkungsfaktor des abgestimmten Verstärkers ab, während die Verstärkung von Gleichspannung (z.B. Instabilitätsspannungen) von den Rückkopplungsschaltungen abhängt und·deshalb sehr klein gehalten werden kann.The signal gain depends only on the gain factor of the tuned amplifier, while the Amplification of direct voltage (e.g. instability voltages) depends on the feedback circuits and can therefore be kept very small.
Bei der beschriebenen Ausführungsform war angenommen, daß der Verstärker 5 eine Phasenverschiebung zwischen Eingang und Ausgang von etwa 180 besitzt. Die erfindungsgemäße Einrichtung kann jedoch auch dann verwendet werden, wenn der Verstärker 5 eineIn the embodiment described, it was assumed that the amplifier 5 has a phase shift between input and output of about 180. However, the device according to the invention can also be used when the amplifier 5 has a
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beliebige andere Phasenverschiebung hat, vorausgesetzt, daß man den Steuerspannungen für die Demodulatoren Io und I.3 und für den Modulator 5 die richtigen Phasen bezüglich der Steuerspannung für den Modulator 3 gibt. ■has any other phase shift provided that the control voltages for the demodulators Io and I.3 and for the modulator 5 are the correct ones There are phases with respect to the control voltage for the modulator 3. ■
Die verschiedenen Bestandteile der Verstärkungseinrichtung,, die in der Zeichnung in Blockform dargestellt sind, können in bekannter Weise ausgebildet sein und sind deshalb nicht im einzelnen beschrieben. Die aktiven Elemente des Verstärkers, der Oszillator, die Modulatoren und die Demodulatoren bestehen vorzugsweise aus Halbleiterelementen.The various components of the reinforcement device, which are shown in the drawing in block form, can be formed in a known manner and are therefore not described in detail. The active elements of the amplifier, the oscillator, the modulators and demodulators preferably consist of semiconductor elements.
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1969
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- 1969-03-07 DE DE19691911767 patent/DE1911767A1/en active Pending
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Publication number | Publication date |
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