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Die
Erfindung betrifft einen Wirbelstromsensor, insbesondere zur inkrementellen
Weg- oder Winkelmessung gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1.
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Wirbelstromsensoren
werden heute insbesondere als Näherungssensoren
zur Abstandsmessung oder zur Positionsbestimmung beweglicher Teile
eingesetzt. Bekannte Wirbelstromsensoren umfassen in der Regel einen
Sensor mit einer Spule und einen leitfähigen Geber und arbeiten im
wesentlichen nach folgendem Prinzip:
Die Spule wird mit einem
hochfrequenten Strom betrieben und erzeugt in ihrer näheren Umgebung
ein hochfrequentes magnetisches Feld, das im Geber Wirbelströme hervorruft.
Die Wirbelströme
erzeugen ihrerseits wiederum ein dem Magnetfeld der Spule entgegengesetztes
magnetisches Feld. Je nach Abstand zwischen Sensor und Geber, der
Leitfähigkeit sowie
der im Feldbereich befindlichen Geberfläche ist dieses Gegenfeld unterschiedlich
groß.
Die Spule zeigt somit je nach Abstand, Leitfähigkeit und Fläche eine
unterschiedliche Ersatzinduktivität bzw. eine unterschiedliche
komplexe Impedanz. Die Induktivität der Spule kann auf verschiedene
Weise z.B. durch Messung der Resonanzfrequenz eines aus der Spule und
einem Kondensator bestehenden LC-Schwingkreises ermittelt und daraus
der Abstand bestimmt werden.
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Die
aus dem Stand der Technik bekannten Wirbelstromsensoren dienen üblicherweise
zur Abstandsmessung oder Positionsbestimmung. Wirbelstromsensoren,
die zur Weg- oder zur Winkelmessung eingesetzt werden können, sind
aus dem Stand der Technik dagegen nicht bekannt.
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Es
ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Wirbelstromsensor
zur Weg- oder Winkelmessung zu schaffen. Dieser sollte möglichst einfach
aufgebaut, störfest
und temperaturunempfindlich sein.
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Gelöst wird
diese Aufgabe gemäß der Erfindung
durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale. Weitere Ausgestaltungen
der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
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Ein
wesentlicher Aspekt der Erfindung besteht darin, eine Wirbelstromsensoranordnung
zu schaffen deren Geber eine Spur aufweist, die vom Sensor in Längs- bzw.
Bewegungsrichtung abgetastet wird und die derart gestaltet ist,
dass bei der Abtastung ein impulsförmiges Signal erzeugt wird.
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Die
Spur hat zu diesem Zweck periodische Abschnitte (Inkremente), wie
z.B. Zähne
und Lücken, die
die impulsförmige
Impedanzänderung
der Sensorspule bewirken und somit das Impulsförmige Sensorsignal verursachen.
Dabei wird unter der Bezeichnung "Zahn" jede
Struktur verstanden, die im Sensor einen ersten Signalpegel (z.B. "high") und unter der Bezeichnung "Lücke" eine Struktur verstanden, die einen
zweiten Signalpegel (z.B. "low") erzeugt. Das Sensorsignal
ist somit ein impulsförmiges
Signal mit im wesentlichen zwei Zuständen (low, high). Im Bereich
eines Inkrements ist das Sensorsignal vorzugsweise konstant.
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Die
Strukturen „Zahn" und „Lücke" können auf
verschiedenste Art und Weise realisiert werden:
Gemäß einer
ersten Ausführungsform
der Erfindung sind die Zähne
als Vorsprünge,
die in Richtung des Sensors vorstehen, und die Lücken als zurückspringende
Abschnitte realisiert.
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Gemäß einer
zweiten Ausführungsform
der Erfindung umfasst die abgetastete Spur abwechselnd mehrere Abschnitte
mit hoher elektrischer Leitfähigkeit
(Zähne)
und mehrere Abschnitte mit geringer elektrischer Leitfähigkeit
(Lücken).
Die Zähne können in
diesem Fall beispielsweise als metallische Folie und die Lücken aus
einem gering oder nicht-leitenden Material gebildet sein.
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Wahlweise
kann auch eine periodisch alternierende Dotierung in der Spur vorgesehen
sein, wobei Bereiche mit hoher Dotierung z.B. als Zähne und Bereiche
mit niedriger Dotierung als Lücken
wirken können.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der Erfindung umfasst der Geber eine gelochte Spur, bei der sich
gelochte (Lücken)
und nicht-gelochte Abschnitte (Zähne)
abwechseln. Der Geber kann z.B. als Lochscheibe realisiert sein.
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Unabhängig von
der Gestaltung der Zähne und
Lücken
ist die Spur vorzugsweise derart gestaltet, dass der Signalübergang
zwischen dem ersten Pegel (z.B. low) und dem zweiten Pegel (z.B.
high) möglichst
linear ist. Dadurch kann auch der Schaltzeitpunkt, an dem sich der
Signalzustand eines aus dem Sensorsignal abgeleiteten Signals (z.B.
ein Komparatorausgangssignal) ändert,
linear eingestellt werden.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung wird der Geber von mehreren Sensoren abgetastet. Durch
Abtastung der Spur mit mehreren in Bewegungsrichtung versetzt angeordneten Sensoren
kann die Auflösung
wesentlich erhöht
werden.
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Die
Sensoren sind vorzugsweise um 360°/n (oder
ein Vielfaches davon) bezüglich
einer Periode in Bewegungsrichtung versetzt angeordnet, wobei n die
Anzahl der Sensoren ist. Drei Sensoren sind somit z.B. um 120° versetzt
angeordnet. D.h. es tritt alle 60° eine
Schaltflanke auf.
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Bei
Betrieb des Wirbelstromsensors bewegen sich Spule und Geber vorzugsweise
in etwa gleichbleibendem Abstand relativ zueinander in Bewegungsrichtung.
Dies hat den Vorteil, dass bei der Auswertung der Spuleninduktivität bzw. Spulenimpedanz
der Abstand zwischen Spule und Geber nicht berücksichtigt werden muss und
somit die Auswertung einfacher ist.
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Die
Spur ist vorzugsweise an einem Geberrad angeordnet, das an einer
Welle befestigt ist. Die inkrementelle Spur kann dabei an einer
Seitenfläche oder
an der Umfangsfläche
vorgesehen sein.
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Die
Wirbelstromsensoranordnung umfasst eine Auswerteeinheit, die z.B.
die Resonanzfrequenz eines aus der Sensorspule und einem Kondensator bestehenden
LC-Schwingkreises auswertet und daraus die gesuchte Messgröße (Weg
oder Winkel) bestimmt. Bei dem Kondensator kann es sich auch um die
parasitäre
Kapazität
der Spule handeln.
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Die
Auswerteeinheit umfasst vorzugsweise eine Verstärkerschaltung, die den LC-Schwingkreis in
der Resonanzfrequenz anregt. LC-Schwingkreis und Verstärkerschaltung
sind vorzugsweise in Mitkopplung verschaltet. Dies hat den Vorteil,
dass der LC-Schwingkreis allein durch Verstärken des vorhandenen Rauschens
angeregt werden kann und kein separater Oszillator zu diesem Zweck
erforderlich ist.
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Die
Auswerteeinheit umfasst vorzugsweise einen Frequenz-Spannungs-Wandler,
wie z.B. einen Phasenregelkreis (PLL). Der f/U-Wandler wandelt vorzugsweise
das von der Verstärkerschaltung
ausgegebene Signal und demoduliert dieses.
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Die
Auswerteeinheit umfasst vorzugsweise auch einen Komparator, dem
das demodulierte Signal zugeführt
wird. Am Ausgang des Komparators wird schließlich ein impulsförmiges Schaltsignal
bereitgestellt.
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Die
Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Figuren beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine
Wirbelstromsensoranordnung mit mehreren Sensoren und einem Geber
in Abwicklungsansicht;
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2 eine
Messanordnung zur Winkelmessung mit einem Geberrad gemäß einer
ersten Ausführungsform
der Erfindung;
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3 ein
Geberrad gemäß einer
zweiten Ausführungsform
der Erfindung;
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4 ein
Geberrad gemäß einer
dritten Ausführungsform
der Erfindung;
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5 ein
Geberrad gemäß einer
vierten Ausführungsform
der Erfindung;
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6 eine
Wirbelstromsensoranordnung mit einer Auswerteschaltung gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung; und
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7 den
Verlauf der Sensorsignale der Sensoren von 2.
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1 zeigt
eine Wirbelstromsensoranordnung mit drei Sensoren 1a, 1b, 1c und
einem Geber 6. Der Geber 6 umfasst eine Spur 5,
die von den Sensoren 1a, 1b, 1c abgetastet
wird. Hierzu sind die Sensoren 1a, 1b, 1c und
der Geber 6 relativ zueinander in Längs- bzw. Bewegungsrichtung
C des Gebers 6 beweglich.
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Die
Spur 5 umfasst mehrere Zähne 3 und Lücken 4,
die periodisch alternierend angeordnet sind und die von den Sensoren 1a, 1b, 1c erkannt
werden. Dabei arbeitet die Sensoranordnung 1,4 im
wesentlichen nach folgendem Prinzip.
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Jeder
der Sensoren 1a, 1b, 1c umfasst eine Spule 2,
die von einem transienten oder wechselförmigen HF-Strom durchflossen
wird, dessen Frequenz z.B. in einem Bereich zwischen 500kHz und l0MHz
liegt. Dadurch wird in der näheren
Umgebung der Spulen jeweils ein ebenso hochfrequentes magnetisches
Feld erzeugt, das wiederum in der leitfähigen Spur 5 des Gebers 6 Wirbelströme induziert.
Die Wirbelströme
erzeugen ihrerseits wiederum ein dem Magnetfeld der Spulen 2 entgegengesetztes
Magnetfeld.
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Je
nach relativer Position des Gebers 6 bezüglich der
Sensoren 1a, 1b, 1c sind die induzierten Wirbelströme und somit
auch das Gegenfeld unterschiedlich groß. Liegt einem der Sensoren,
z.B. 1a, ein Zahn 3 gegenüber, so ist das induzierte
Gegenfeld relativ groß.
Liegt dem Sensor 1a dagegen eine Lücke 4 gegenüber, so
ist das Gegenfeld wesentlich kleiner.
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Durch
das entgegengesetzte Magnetfeld verändert sich die Ersatzinduktivität bzw. komplexe Impedanz
der Spulen 2 bezüglich
ihrer Anschlussklemmen. Steht einer Spule 2 z.B. ein Zahn 3 gegenüber, so
hat diese Spule 2 eine kleine Ersatzinduktivität und somit
eine betragsmäßig kleine
komplexe Impedanz. Steht der Spule 2 hingegen eine Lücke 4 gegenüber, so
weist diese Spule 2 eine große Ersatzinduktivität und somit
eine betragsmäßig große komplexe
Impedanz auf. Die Induktivitätsänderung kann
durch eine geeignete Auswerteschaltung 7 (siehe 2)
erfasst werden.
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Die
Sensorspulen 2 können
z.B. als flache Spulen in Form einer gedruckten Schaltung oder auch
als flache gewickelte Spulen ausgeführt sein. Als Trägermaterial
kann beispielsweise eine Polyimidfolie oder ein Keramiksubstrat
eingesetzt werden. Hierdurch wird eine hohe Temperaturbeständigkeit erreicht.
Zum Schutz gegen aggressive Medien können die Spulen 2 auch
von temperaturbeständigen Werkstoffen,
wie z.B. Silicon oder Polyphenylensulfid (z.B. Tedur) umgeben werden.
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7 zeigt
den Verlauf der Ersatzinduktivitäten
der Spulen 2 (bzw. eines entsprechenden Signals) bei Abtastung
der leitfähigen
Spur 5. Dabei bezeichnet a den Verlauf der Ersatzinduktivität des ersten
Sensors 1a, b den Verlauf der Ersatzinduktivität des zweiten
Sensors 1b und c den Verlauf der Ersatzinduktivität des dritten
Sensors 1c. Wegen der periodisch abwechselnden Anordnung
von Zähnen 3 und Lücken 4 ergibt
sich ein impulsförmiges
Sensorsignal mit zwei Zuständen
(high, low).
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Die
Signale a, b, c sind um 120° phasenverschoben,
da die Sensoren 1a, 1b, 1c um einen Abstand
von jeweils 120° (eine
Periode entspricht 360°) bezüglich einer
Periode in Längsrichtung
C bzw. Umfangsrichtung D versetzt zueinander angeordnet sind.
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Ein
Messanordnung mit drei Sensoren 1a, 1b, 1c hat
den Vorteil, dass die Auflösung
im Vergleich zu einer Anordnung mit nur einem Sensor wesentlich
erhöht
werden kann. Bei einer Anordnung mit drei Sensoren erhält man alle
60° eine
Schaltflanke, d.h. eine Auflösung
von 60°.
Mit mehr als drei Sensoren kann die Auflösung entsprechend erhöht werden.
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2 zeigt
eine Seitenansicht einer Messanordnung mit drei Sensoren 1a, 1b, 1c und
einem Inkremental-Geberrad 8. Das Geberrad 8 ist
an einer Welle befestigt und rotiert in Umfangsrichtung D. Bei dieser
Ausführungsform
umfasst das Geberrad 8 eine umfangsseitige Spur 5 mit
mehreren Zähnen 3 und
Lücken 4.
Die von den Sensoren 1a, 1b, 1c aufgenommenen
Signale werden einer Auswerteschaltung 7 zugeführt, die
beispielsweise als Elektronikschaltung (Hardware) oder als Mikrocontroller
mit einer entsprechenden Software realisiert sein kann.
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Bei
Verwendung dieser Anordnung zur Rotorlagebestimmung in einer elektrischen
Maschine, z.B. in einem Fahrzeug zur Bestimmung des elektrischen
Winkels des Fahrzeuggenerators, ist die Anzahl der Perioden derart
gewählt,
dass sie mit der Polpaarzahl p der elektrischen Maschine übereinstimmt.
Eine Periode entspricht in diesem Fall einem elektrischen Winkel
von 360°.
Durch Auswertung der Ersatzinduktivität bzw. Impedanzänderung
der Spulen 2, 3 des Sensors 1 kann der
elektrische Winkel zu jeder Zeit mit der vorgegebenen Auflösung bestimmt werden.
Der elektrische Winkel wird insbesondere zur sogenannten feldorientierten
Regelung benötigt, bei
der die Drehströme
im R-S-T-System in ein dq-System
(karthesisches Koordinatensystem) und zurück transformiert werden. Der
elektrische Winkel des Generators wird daher auch als "Transformationswinkel" oder Polradwinkel
bezeichnet. Der elektrische Winkel ist dabei gleich dem tatsächlichen
mechanischen Winkel des Rotors multipliziert mit der Polpaarzahl
p der Maschine. Eine Maschine mit der Polpaarzahl p hat also p Perioden
(jeweils vor. 0 bis 350°)
des elektrischen Winkels pro mechanischer Umdrehung. Für die Regelung
ist es in der Regel unerheblich, in welcher der Perioden sich der
Rotor gerade befindet. Wichtig ist, wo sich der Rotor innerhalb einer
solchen Periode befindet. Dies kann mittels der hier dargestellten
Messanordnung mit einer Auflösung
von 60° genau
bestimmt werden.
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3 zeigt
eine andere Ausführungsform
eines Geberrades 8 mit einer umfangsseitig angeordneten
Spur 5. Die Zähne 3 der
Spur 5 sind dabei als Abschnitte mit hoher elektrischer
Leitfähigkeit
und die Lücken
als Bereiche mit geringer elektrischer Leitfähigkeit gebildet. Die Zähne können beispielsweise
aus einer metallischen Folie hergestellt sein, die auf einem nicht-leitfähigen Geberrad
aufgebracht ist. Die Lücken
der Spur zeichnen sich in diesem Fall durch das Fehlen der metallischen
Folie aus. Die Folie kann beispielsweise eine Aluminium- oder Kupferfolie
sein.
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4 zeigt
eine weitere Ausführungsform der
Erfindung, bei der das Geberrad 8 in Form einer Lochscheibe
realisiert ist, die in ihrer Seitenfläche eine Spur mit gelochten 4 und
nicht-gelochten Abschnitten 3 umfasst. Die gelochten Abschnitte 4 wirken
in diesem Fall als Lücken
und die nichtgelochten Abschnitte 3 als Zähne. Die
Löcher
sind bei dieser Ausführungsform
rechteckförmig
gebildet.
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5 zeigt
ebenfalls eine Lochscheibe als Geberrad 8, deren Löcher jedoch
trapezförmig
gestaltet sind. Die Form der Löcher 4 ist
derart gestaltet, dass der Übergang
zwischen einem Loch 4 und einem Zahn (bzw. umgekehrt) ein
Sensorsignal mit einer möglichst
linearen Schaltflanke erzeugt. Auf diese Weise ist es möglich, den
Schaltwinkel des Sensorausgangssignals linear zu verstellen.
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6 zeigt
eine Ausführungsform
einer Auswerteschaltung 7 zur Bestimmung eines elektrischen Winkels.
Diese umfasst einen LC-Schwingkreis, umfassend eine Spule 2 und
einen Kondensator 10. Bei dem Kondensator 10 kann
es sich auch um die parasitäre
Kapazität
der Spule 2 handeln. Wie erwähnt, ändert sich die Impedanz der
Spule 2 bezüglich
ihrer Anschlüsse,
je nachdem, ob der Spule 2 gerade ein Zahn 3 oder
eine Lücke 4 gegenüberliegt.
Dadurch verändert
sich auch die Resonanzfrequenz des LC-Schwingkreises. Die relative
Position des Geberrades 8 kann also durch Auswertung der
Resonanzfrequenz bestimmt werden.
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Die
Auswerteschaltung 7 umfasst eine Verstärkerschaltung 11,
die das am Schwingkreis anliegende Spannungssignal verstärkt und
den LC-Schwingkreis in der Resonanzfrequenz anregt (Signal s1).
LC-Schwingkreis 2, 10 und Verstärkerschaltung 11 sind
dabei in Mitkopplung verschaltet. Bei dieser Schaltung ist es nicht
erforderlich, einen externen Oszillator zur Anregung des LC-Schwingkreises
vorzusehen, da es ausreichend ist, wenn die Verstärkerschaltung 11 das
vorhandene Rauschen verstärkt.
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Die
Auswerteschaltung 7 umfasst ferner einen Phasenregelkreis 12 (PLL),
der das Ausgangssignal der Verstärkerschaltung
demoduliert und ein frequenzabhängiges
Signal s2 ausgibt.
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Die
Auswerteschaltung 7 umfasst außerdem einen Komparator 14,
dem das demodulierte Signal s2 bzw. ein daraus abgeleitetes Signal
s3 zugeführt wird.
Am Ausgang des Komparators wird schließlich das impulsförmige Schaltsignal
s4 ausgegeben, wie es in 7 dargestellt ist.
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Ferner
kann eine Einrichtung zum Offset-Abgleich 13 vorgesehen
sein, mit der Signalverschiebungen im Ausgangssignal der PLL 12 aufgrund
von Bauteile- oder Fertigungstoleranzen oder auch Temperaturdriften
abgeglichen werden können.
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Die
Auswerteschaltung 7 kann bei Umgebungstemperaturen von
weniger als 200°C
direkt an den Sensorspulen 2 platziert werden. Für Hochtemperaturanwendungen
sollten die Spulen über
temperaturbeständige
geschirmte Leitungen mit der Auswerteschaltung 7 verbunden
sein.
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Die
erfindungsgemäß Sensoranordnung
hat außerdem
den Vorteil, dass der elektrische Winkel bzw. Transformationswinkel
sofort nach dem Einschalten ermittelt werden kann. Eine Initialisierung
ist nicht erforderlich. Darüber
hinaus ist das beschriebene Messprinzip relativ unempfindlich gegen
statische oder dynamische magnetische Störfelder und sehr temperaturbeständig.
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- 1a,
1b, 1c
- Sensoren
- 2
- Spulen
- 3
- Zähne
- 4
- Lücken
- 5
- Spur
- 6
- Geber
- 7
- Auswerteschaltung
- 8
- Geberrad
- 10
- Kondensator
- 11
- Verstärker
- 12
- Phasenregelkreis
- 13
- Subtrahier
- 14
- Komparator
- s1
- impulsförmiges Signal
- s2
- demoduliertes
Signal
- s3
- Offset-korrigiertes
Signal
- s4
- Schaltsignal