DE1908011B2

DE1908011B2 - Mess oder anzeigevorrichtung

Info

Publication number: DE1908011B2
Application number: DE19691908011
Authority: DE
Inventors: der Anmelder GOId 4 10 ist
Original assignee: Wooster, Geoffrey Archer, Cambrid ge (Großbritannien)
Priority date: 1968-02-19
Filing date: 1969-02-18
Publication date: 1971-08-19
Also published as: DE1908011A1

Description

ändert wird, beispielsweise mit Hilfe eines Potentiometers. Diese Lösung erfordert jedoch einen erheblichen Aufwand und vor allem eine zusätzliche Stromquelle für den Steuerstrom.

Es sind andererseits Meß- oder Anzeigevorrichtungen für den gleichen Zweck bekannt, bei denen ein weichmagnetisches Teil, das einen Abschnitt des Magnetkreises bildet, über den sich der koppelnde

einem Steuerstrom durchflossen wird, dessen Größe 15 mechanischen Verstellung ändert,
in Abhängigkeit von der Bewegung des Körpers ver- Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung braucht

der bewegliche Magnet nicht sehr präzise angeordnet und geführt zu werden, weil es nur auf seinen Abstand von dem Magnetkern ankommt. Insbesondere 20 sind keine Teile vorhanden, die in einen Luftspalt des Magnetkerns eintreten; vorzugsweise ist dieser Magnetkern sogar vollständig geschlossen, so daß er überhaupt keinen Luftspalt aufweist. Da dieser Magnetkern nur die beiden zu koppelnden Wicklungen Magnetfluß der beiden Wicklungen schließt, unmittel- 25 trägt, kann er außerordentlich klein gehalten werden, bar in Abhängigkeit von den Bewegungen des Kör- falls erforderlich auch kleiner als der bewegliche pers verstellt wird, so daß die Kopplung zwischen Magnet. Vorzugsweise können dafür Ringkerne verden Spulen verändert wird. Eine solche Vorrichtung wendet werden, wie sie in den Speichermatrizen elekbesitzt jedoch für viele Anwendungszwecke keine ironischer Rechengeräte verwendet werden. Solche ausreichende Empfindlichkeit, weil stets Luftspalte 3° Ringkerne haben bekanntlich Abmessungen in der im Magnetkreis vorhanden sind und sich die Kopp- Größenordnung von 1 Millimeter. Dadurch ist es lung bei einer Verstellung des weichmagnetischen wiederum möglich, mit einem sehr kleinen Magnet, Teils nur sehr allmählich ändert. Außerdem können vorzugsweise einem Permanentmagnet eine vollstänsolche Vorrichtungen mit vernünftigen Anforderun- dige Sättigung des Magnetkerns zu erreichen, so daß gen an die Präzision nicht beliebig klein ausgeführt 35 die Vorrichtung sehr empfindlich wird. Die ganze werden, so daß sie nicht für Anwendungszwecke in Vorrichtung kann dabei außerordentlich klein ge-Frage kommen, bei denen es auf möglichst geringen halten werden.

Raumbedarf ankommt. Eine besonders hohe Empfindlichkeit wird erreicht,

Schließlich ist auch noch ein Meßwertumformer wenn gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der bekannt, bei dem ein Permanentmagnet unmittelbar 40 Erfindung zwei Paare von Wicklungen verwendet in Abhängigkeit von einer zu messenden mecha- werden, die in gegenseitigen Abständen angeordnet nischen Verstellung bewegt wird und dessen Fluß sind, wobei der bewegliche Magnet zwischen denüber einen in sich geschlossenen Kern geschickt wird, selben angeordnet ist. Eine solche Vorrichtung arbeider zwei Wicklungen trägt. Zu diesem Zweck sind tet nach dem Differenzprinzip, wobei das Ausgangsmit dem Kern Magnetjoche derart gekoppelt, daß 45 signal der beiden gegensinnig mit dem Meß- oder auf jeder Seite der beiden Kopplungsstellen ein eine Anzeigegerät verbundenen Sekundärwicklungen in Wicklung tragender Schenkel liegt. Jedes Magnetjoch
ist mit zwei Polstücken versehen, von denen eines in
der einen Endstellung dem einen Magnetpol und das
andere in der anderen Endstellung dem anderen Ma- 50
gnetpol des Permanentmagnets gegenübersteht. Dadurch wird erreicht, daß der Fluß des Permanentmagnets in der einen Endstellung in einer Richtung
und in der entgegengesetzten Endstellung in der

anderen Richtung durch die beiden Wicklungen hin- 55 Magnets. Er kann gemäß einer Ausführungsform so durchgeht. Die beiden Wicklungen sind über ent- gelagert sein, daß er eine im wesentlichen geradlinige gegengesetzt gepolte Gleichrichter parallel an eine Bewegung auf die Wicklungen zu und von diesen gemeinsame Wechselstromquelle angeschlossen, so weg ausführen kann. Eine andere Ausführungsform daß der permanente Magnetfluß in dem einen Sehen- besteht darin, daß der Magnet so gelagert ist, daß er kel des Magnetkerns zu dem von der Wicklung er- 60 eine Drehbewegung um eine feste Achse ausführen zeugten Magnetfluß addiert und in dem anderen Sehen- kann, so daß er sich an den Wicklungen in einer kel von dem Magnefluß der Wicklung subtrahiert wird. Querrichtung vorbeibewegt. In diesem Fall besteht Der Strom, der durch ein in Reihe mit der Strom- eine vorteilhafte Weiterbildung darin, daß der drehquelle geschaltetes Meßinstrument fließt, ist daher bare magnetische Körper eine Mehrzahl von magnetinach Größe und Richtung ein Maß für die Stellung 65 sierten oder magnetisierbaren Polen aufweist, welche des Permanentmagnets. Auch diese Vorrichtung ist sich bei Drehung des Körpers nacheinander den offensichtlich aufwendig und kann nicht beliebig Wicklungen nähern und sich von denselben entklein ausgeführt werden, weil der Permanentmagnet fernen. Diese letzte Ausführungsform ergibt einige

der Mittelstellung des beweglichen Magnets den Wert Null hat und bei einer Auslenkung des Magnets sehr schnell ansteigt.

Da es bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung nur auf den Abstand des beweglichen Magnets von dem Magnetkern, nicht aber auf seinen Ort oder seine Bewegungsrichtung ankommt, bestehen keine Einschränkungen hinsichtlich der Bewegungsform des

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besonders vorteilhafte Anwendungsmöglichkeiten für Empfindlichkeit voll ausgenutzt werden, indem das die erfindungsgemäße Vorrichtung. Sie kann bei- Meßgerät in Differenzschaltung betrieben wird,
spielsweise in einem Drehzahlgeber eingebaut sein, Wenn der Magnet, beispielsweise ein Dauermagnet, wobei der magnetische Körper kontinuierlich drehbar an einer Welle befestigt ist und mehrere Transformaist und einen Ausgang mit vorbestimmter Frequenz 5 toren rings um eine zur Welle konzentrische Kreisin der mit dem Meß- oder Anzeigegerät verbundenen bahn angeordnet sind, werden sie nacheinander erWicklung erzeugt. Für eine andere Anwendung sind regt, wenn sich der Magnet dreht. Dadurch wird ein die Rotorpole so bemessen und angeordnet, daß ein Maß für die Winkelstellung der Welle erzielt. Wenn codierter Signalausgang erzeugt wird. die Anzahl von Änderungen des Ausgangssignals je

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der io Sekunde von irgendeinem der Transformatoren über-

Zeichnung dargestellt. Darin zeigt wacht wird, wird eine Anzeige der absoluten Dreh-

F i g. 1 eine schematische Seitenansicht einer Aus- zahl erzielt. Wenn der Magnet oder der Transforma-

führungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, tor an der Nadel eines Grammophon-Tonabnehmers

F i g. 2 eine andere Ausführungsform der erfin- befestigt ist, sind die Änderungen des Ausgangs-

dungsgemäßen Vorrichtung, 15 Stroms des Transformators direkt auf die Bewegungen

F i g. 3 und 4 in Schrägansicht andere Ausfüh- der Nadel bezogen. Dies kann in Rundungs- oder

rungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Oberflächenmeßvorrichtungen ausgenutzt werden.

Bestimmung von Drehstellungen oder Bewegungs- Wenn der Magnet an der Membran eines Mikro-

geschwindigkeiten, phons befestigt ist, so wird der Ausgang des Trans-

F i g. 5 eine andere Ausführungsform der erfin- 20 formators durch auf die Membran einfallende Schalldungsgemäßen Vorrichtung, bei welcher ein Magnet wellen moduliert.

mit zwei Polen verwendet wird, welcher in einer Bei dem in F i g. 1 dargestellten Ausführungsbei-

kreisförmigen Anordnung von fünf umwickelten Ker- spiel trägt ein Rahmen 1 eine Blattfeder 2, beispiels-

nen drehbar ist, und weise aus Federstahl, welche durch eine Schraube 3

F i g. 6 einen Magneten mit drei Polen, welcher 25 oder durch Niete, Klebstoff, Lötung oder auf andere

einer Anordnung mit fünf Kernen drehbar zugeord- Weise befestigt ist. Das freie Ende der Feder 2 trägt

net ist. einen Magneten 4 und eine Kugel 5 oder ein anderes

Bei den nachstehend beschriebenen Ausführungs- Kontaktorgan, welche beide an der Feder durch einen beispielen wird ein Transformator mit einem Ring- Epoxydharzkleber 6 befestigt sein können,
kern, beispielsweise einem Ferritringkern verwendet, 30 An der Basis des Rahmens ist ein magnetisierbarer welcher eine Primär- und eine Sekundärwicklung Ringkern 7 in einer Linie mit der Achse des Maträgt und einem Magneten zugeordnet ist, der von gneten 4 befestigt. Auf den Ringkern sind zwei Drahteiner Feder neben dem Ringkern gehalten wird. wicklungen I₁ und I₂ gewickelt. Der Ringkern 7 kann

Ein Ringtransformator kann als Transformator an der Basis mit einem Kleber 8 befestigt sein. Die nur wirksam arbeiten, solange das Magnetkernmate- 35 Wicklung I₁ wird mit einem Wechselstrom oder einem rial nicht gesättigt ist. Wenn dann ein Wechselstrom pulsierenden Strom, beispielsweise durch einen Oszilin der Primärwicklung fließt, wird eine Spannung an lator 9, erregt, welcher Schwingungen von 2 MHz erder Sekundärwicklung erzeugt und bewirkt einen zeugt. Vorausgesetzt, daß der Magnet 4 so weit ent-Stromftuß in einem äußeren, damit verbundenen fernt ist, daß der Magnetkern für das vom Eingangs-Kreis. Wenn nun ein äußeres Magnetfeld auf den 40 strom erzeugte Magnetfeld noch nicht in die Sättigung Transformator einwirkt, wird die zusätzliche Perme- gebracht wird und die SpUIeZ₁ in der Lage ist, die abilität des Kernmaterials verändert und das Aus- Magnetisierung des Ringkerns zu beeinflussen, ergibt gangssignal des Transformators ändert sich. sich eine Änderung im Magnetfluß, welcher mit der

Wenn das äußere Magnetfeld ausreichend stark Ausgangswicklung I₂ gekoppelt ist. Dadurch wird

ist, fällt das Ausgangssignal des Transformators 45 eine Spannung an den Enden der Wicklung I₂ er-

nahezu auf Null. zeugt, welche durch eine geeignete Schaltung nach-

Bei einer praktischen Ausführungsform der Vor- gewiesen werden kann. Eine solche Schaltung, welche richtung, bei welcher die genannte Erscheinung in einer einfachen Ausführungsform dargestellt ist, beobachtet werden kann, besteht beispielsweise der weist eine Germaniumdiode 10, einen Kondensator Transformator aus einem Ferritkern mit einem 5° 11 mit 0,01 μΡ und ein Milliamperemeter 12 auf. Außendurchmesser von 1,25 mm, einem Innendurch- Wenn man als Ringkern einen Ferritspeicherringkern messer von 0,75 mm und einer Dicke von 0,5 mm, für Rechenanlagen (Außendurchmesser 1,25 mm, welcher mit 50 Windungen Lackdraht als Sekundär- Innendurchmesser 0,75 mm, Dicke 0,5 mm) verwenwicklung und 10 Windungen Lackdraht als Primär- det, welcher mit 10 Windungen Lackdraht als Wickwicklung bewickelt ist. Die Primärwicklung ist mit 55 lung I₁ und 50 Windungen Lackdraht als Wicklung I₂ einer Hochfrequenzspannungsquelle mit beispiels- bewickelt ist und mit 10 V bei 2 MHz erregt wird, weise 2 MHz verbunden. Die Sekundärwicklung ist wird ein Ausgangsstrom von 5 niA im Meßgerät 12 über eine Diode, beispielsweise eine Germanium- erzielt.

diode, mit einem Drehspul-Milliamperemeter verbun- Wenn ein Körper 13 näher an den Rahmen 1 in den. Der Ausgangsstrom kann bis zu etwa 5 mA 60 Richtung der durch den Magneten und den Ringbetragen. Bei Annäherung eines Magneten an den kern gehenden Linie gebracht wird, berührt er die Kern fällt der Ausgangsstrom auf rund 1 μΑ ab. In Kugel 5 und lenkt die Feder 2 aus, wodurch der Maeinem bestimmten Abstand rufen sehr kleine Bewe- gnet 4 auf den Ringkern 7 zu bewegt wird. Das vom gungen, beispielsweise von 0,25 μ, eine Änderung des Magneten erzeugte Magnetfeld durchsetzt den Ring-Ausgangsstroms von 1 μΑ hervor, wodurch ein sehr 65 kern und verändert dessen Wechsel-Permeabilität, empfindlicher Lagedetektor geschaffen wird. Dadurch wird die magnetische Kopplung zwischen

Durch Verwendung von zwei Transformatoren an den Wicklungen I₁ und I₂ verändert, und die Anzeige

entgegengesetzten Enden eines Magnets kann die des Meßgeräts 12 ändert sich, wodurch die Lage des

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Körpers 13 relativ zu dem Rahmen 1 angezeigt wird.

Die in F i g. 1 gezeigte Anordnung hat den Nachteil, daß sie auch Änderungen der Permeabilität des Ferrits mit der Temperatur und Änderung des Ausgangssignals des Oszillators mit der Temperatur und der Netzspannung anzeigt. Um diese Wirkungen möglichst Idein zu machen, können zwei bewickelte Ringkerne 7 α und 7 b einander gegenüber angeordnet werden, wie in F i g. 2 gezeigt. Der Ringkern 7 b mit Wicklung I_{1 b} und I_{2 b} ist wie vorher an der Basis des Rahmens 1 befestigt und der Ringkern 7 a mit ähnlichen Wicklungen ist unterhalb eines Arms 13 a angebracht, welcher durch einen Abstandshalter oder eine Säule 14 gestützt ist, die am Rahmen 1 durch Schrauben 15 befestigt ist. Die zwischen dem Rahmen 1 und dem Abstandshalter 14 durch die Schrauben 15 festgelegte Blattfeder 2 erstreckt sich zwischen den Ringkernen 7 α und Ib und trägt an ihrem äußeren Ende die Kugel 5 oder ein ähnliches Kontaktorgan. Der von der Feder 2 getragene Magnet weist Schenkel 4 a, 4 b auf, welche auf entgegengesetzten Seiten der Feder jeweils in einer Linie mit den Ringkernen 7 a, 7 b vorstehen. Jede der Eingangswicklungen I₁₀, I_lb der Ringkerne empfängt Impulse oder Schwingungssignale vom Oszillator 9, und die Ausgangswicklungen I_2a, I_2b sind mit einer Meßoder Anzeigeeinrichtung verbunden. Wie vorher kann jeder Ausgangskreis Detektoreinrichtungen 10 a, Ha bzw. IQb, Ub enthalten, welche mit einem Meßgerät 12 mit mittlerem Nullpunkt und einer Anzeige von beispielsweise ± 50 μΑ verbunden sind, wobei das Meßgerät eine positive Anzeige für eine Verschiebung des Magneten 4 a, 4 b in einer Richtung und eine negative Anzeige für eine Verschiebung in der entgegengesetzten Richtung gibt.

Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Anzeige von Drehstellungen sind in den F i g. 3 und 4 dargestellt.

In F i g. 3 ist ein ringförmiger Ferritkern 7 (oder ein Ringkern aus einem anderen magnetisierbaren Material) mit zwei Wicklungen I₁,1₂ wie oben beschrieben, in einem festen Abstand von einer Welle 16 angeordnet, welche in nicht gezeigten Lagern drehbar gelagert ist. Ein Magnet 17 ist an der Welle 16 befestigt, und bei Drehung der Welle geht der Magnet bei einem Teil der Umdrehung nahe an dem Kern? vorbei. Es wird am Meßgerät 18 eine Anzeige gegeben, wenn der Magnet sich dem Kern annähert und diese Stellung der Welle wird daher am Meßgerät angezeigt. Wenn mehrere Kerne (welche alle mit dem gleichen Oszillator 9 verbunden sein können) und Meßgeräte 18 in Winkelabständen rings um die Welle angeordnet sind, können mehrere Stellungsanzeigen erzielt werden.

Da so viele Anzeigen je Umdrehung erzielt werden, wie Kerne eingebaut sind, bildet die Anordnung einen Drehzahlgeber mit einer Ausgangsfrequenz, welche genau von der Drehzahl der Welle 16 abhängt. Für diese Anwendung wird bei einer anderen Ausführungsform nur ein bewickelter Kern 7 (F i g. 4) und eine Vielzahl von Polen 19 am Magneten verwendet. Diese Pole 19 können alle die gleiche Polarität oder abwechselnd entgegengesetzte Polarität aufweisen. Bei Verwendung einer Codieranlage ist es möglich, während einer einzigen Umdrehung mehr Stellungsanzeiger! zu erhalten, als es der Anzahl von Polen und Kernen zusammen entsprechen würde.

Wie beispielsweise in F i g. 5 gezeigt, können fünf Kerne 20, welche in gleichen Abständen in einer kreisscheibenförmigen Platte 21 angebracht sind, mit einem Magnet 22 mit zwei Polen 23, 24 zusammenwirken, welcher frei drehbar in der scheibenförmigen Platte auf einer in Lagern in der Platte laufenden Welle 25 gelagert ist. Die Eingangswicklungen aller dieser Kerne sind in Reihe mit einem Oszillator geschaltet, und die Ausgänge aller Kerne sind zu einer

ίο logischen Resolverschaltung zur Deutung des Ausgangscodes geführt (wenn erforderlich, das heißt für gewisse automatische Zwecke, kann der Ausgangscode direkt verwendet werden, aber zum Betreiben eines Anzeigegeräts mit normalen Dezimalzahlen muß der Ausgang decodiert werden). Bei Verwendung eines Binärcodes, in welchem 0=Aus und = Ein bedeutet, ist die Rotorstellung bei V20 Drehung in der Tabelle I dargestellt. Um eine Auflösung von Vso einer Umdrehung zu erzielen,

ao kann die Fünf-Kernanordnung gemäß F i g. 5 mit einem dreipoligen Magneten zusammengefaßt werden, wie in F i g. 6 gezeigt. In diesem Fall wird mit dem gleichen Binärcode die Rotorstellung durch die Tabelle II wiedergegeben.

Claims

Patentansprüche:

1. Meß- oder Anzeigevorrichtung, in welcher zwischen ,zwei durch einen Kern gekoppelten Wicklungen übertragene Signale durch die Bewegung eines Körpers in der Umgebung der Wicklungen beeinflußbar sind, wobei eine der Wicklungen mit einer pulsierenden oder schwingenden Signalquelle und die andere mit einem Meß- oder Anzeigegerät verbunden ist, und eine Vorrichtung zur Veränderung der Permeabilität des Kerns vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Wicklungen (I₁,1₂) ringförmig auf einem in sich geschlossenen oder nahezu in sich geschlossenen Kern (7) gewickelt sind und daß zur Veränderung der Permeabilität des Kerns in an sich bekannter Weise ein Magnet verwendet wird, dessen Abstand von dem Kern sich in Abhängigkeit von einer zu messenden mechanischen Verstellung ändert.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (7) ringförmig ausgebildet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch zwei Paare von Wicklungen (7_lfl, I_2a, I_lb, I_2b), welche in gegenseitigen Abständen angeordnet sind, wobei der bewegliche Magnet (4 a, 4 b) zwischen denselben angeordnet ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnet

(4) so gelagert ist, daß er eine im wesentlichen geradlinige Bewegung auf die Wicklungen zu und von diesen weg ausführen kann.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnet (17 oder 19) so gelagert ist, daß er eine Drehbewegung um eine feste Achse ausführen kann, so daß er sich an den Wicklungen in einer Querrichtung vorbeibewegt.

6. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnet durch seine Halterung in einer normalen oder neutralen Lage angeordnet ist und daß eine

Einrichtung zur Ausübung einer Rückstellkraft vorgesehen ist, wenn der Magnet aus seiner normalen oder neutralen Lage verschoben wird.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, gekennzeichnet, durch eine Feder (2) zur Erzeugung der Rückstellkraft.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnet auf einem Stück einer Blattfeder (2) angebracht ist, welche an einem Ende fest an einer starren Halterung (1) ι ο befestigt ist.

9. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein Kontaktorgan oder eine Abtasteinrichtung (5), welche mit dem Magnet so verbunden ist, daß sie mit dem zu beobachtenden oder zu untersuchenden Körper zusammenwirkt.

10. Vorrichtung nach den Ansprüchen 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Kontaktorgan (5) an der den Magnet tragenden Blattfeder (2) angebracht ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch die Verwendung bei einem Grammophon-Tonabnehmer oder bei einer Mikrophon-Membrane.

12. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der drehbare magnetische Körper eine Mehrzahl von magnetisierten oder magnetisierbaren Polen (19) aufweist, welche sich bei Drehung des Körpers nacheinander den Wicklungen nähern und sich von denselben entfernen.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß sie in einen Drehzahlgeber eingebaut ist, wobei der magnetische Körper kontinuierlich drehbar ist und einen Ausgang mit vorbestimmter Frequenz in der mit dem Meßoder Anzeigegerät verbundenen Wicklung (I₂) erzeugt.

14. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der drehbare Körper aus einer Scheibe mit einer Mehrzahl von Polen (19) in gleichmäßigen Abständen rings um deren Umfang besteht.

15. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß der drehbare Körper aus einer Scheibe (22) besteht, welche in Abständen rings um ihren Umfang magnetisierte oder magnetisierbare Pole (23, 24) mit verschiedenen Winkelabmessungen aufweist.

16. Vorrichtung nach Anspruch 12,13,14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß der drehbare Körper in einem Ring (21) und zu diesem koaxial angeordnet ist, in welchem eine Mehrzahl von die Wicklungen tragenden Kernen (2) angeordnet ist.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotorpole (23, 24) so bemesen und angeordnet sind, daß ein codierter Signalausgang erzeugt wird.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen 109 534/232