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Die
Erfindung betrifft eine elektromagnetische Durchflußmesseranordnung
mit einem Meßrohr,
einer Spulenanordnung zur Erzeugung eines Magnetfeldes im wesentlichen
senkrecht zur Durchströmrichtung
durch das Meßrohr,
einer Elektrodenanordnung im wesentlichen senkrecht zur Durchströmrichtung
und zum Magnetfeld, einer Auswerteeinrichtung und einer Überprüfungseinrichtung.
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Eine
derartige Anordnung ist aus
GB
2 309 308 A bekannt. Hier wird zum Überprüfen oder Testen des Meßrohres
mit seiner Auswerteeinrichtung die normale Verbindung zwischen dem
Meßrohr
und seiner Auswerteeinrichtung unterbrochen. Danach wird eine externe
Meßschaltung
an die Auswerteeinrichtung und am Meßrohr angeschlossen. Während der Überprüfung erfolgt
keine Messung des Durchflusses durch das Meßrohr. Der zuletzt gemessene Wert
wird von der Auswerteeinrichtung festgehalten. Die Meßschaltung
ermittelt zunächst
den ohmschen Widerstand der Spulenanordnung, indem die Spulenanordnung
mit einer Spannung beaufschlagt wird. Sobald der ohmsche Widerstand
durch Verhältnisbildung
ermittelt worden ist, wird die Spannung über die Spule auf Null gesetzt
und der expotentiell abfallende Spulenstrom wird überwacht.
Damit kann dann die Induktivität
der Spule ermittelt werden. Der Vergleich zwischen Soll- und Istwerten
von ohmschen Widerstand und Induktivität gibt Aufschluß über mögliche Änderungen
an der Durchflußmesseranordnung,
die zu einem Nachkalibrieren nötigen.
Das Kalibrieren wird dann durch Verwendung neuer Rechenwerte vorgenommen.
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Der
Aufwand für
eine Überprüfung ist
relativ groß.
Dementsprechend ist zu befürchten,
daß eine Überprüfung nur
in relativ großen
Abständen
vorgenommen wird. Auch besteht die Gefahr, daß durch das Auftrennen und
Wiederverbinden von Leitungen Fehler eingebaut werden, die sich
bei der eigentlichen Messung negativ bemerkbar machen, beispielsweise
durch ungenaue oder falsche Meßwerte. Dies
kann insbesondere dann problematisch werden, wenn der Durchflußmesser
zur Abrechnung eines Verbrauchs verwendet wird.
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Aus
DE 27 43 954 C2 ist
eine Anordnung bekannt, bei der die Meßspannungen aus drei Schaltzuständen des
Elektromagneten jeweils zu einem Ausgangssignal verarbeitet werden.
Die drei Schaltzustände
sind dabei die Erregung in die eine Richtung, die Erregung in die
andere Richtung und keine Erregung. Hierdurch sollen lediglich Fehler
in den Meßwerten
kompensiert werden.
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JP 09 325 058 A zeigt
eine Vorrichtung bei der die Stromstärke einer Spule, die ein Magnetfeld eines
Durchflußmessers
erzeugt, mit einem Referenzwert verglichen wird. Bei Überschreitung
dieses Referenzwertes wird der Schaltkreis der Spule unterbrochen
und damit der Meßbetrieb
ausgeschaltet.
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Aus
JP 09 126 849 A und
JP 07 248 240 A sind
weitere Durchflußmeßanordnungen
bekannt, die die Magnetfelderregungen ihrer Spule kurzzeitig unterbrechen,
um währenddessen
andere Funktionen auszuführen,
wie beispielsweise die Übermittlung
von Signalen oder die Messung einer Leitfähigkeit.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Überprüfung der Durchflußmesseranordnung auf
einfache Art und Weise vornehmen zu können.
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Diese
Aufgabe wird bei einer elektromagnetischen Durchflußmesseranordnung
der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß die Überprüfungseinrichtung erste Mittel
aufweist, um die Spulenanordnung mit Spannung zu beaufschlagen ohne ein
Magnetfeld zu erzeugen, und zweite Mittel, um eine ohmsche und/oder
induktive und/oder kapazi tive Kopplung zwischen der Spulenanordnung
und der Auswerteeinrichtung zwecks Überwachung ihrer Änderung
zu ermitteln, wobei die Spulen der Spulenanordnung beim Überprüfen kurzgeschlossen
sind.
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Bei
der Überprüfung (im
folgenden auch als ”testen” bezeichnet)
werden damit elektrische Verhältnisse
geschaffen, die denen im Betrieb relativ nahe kommen. Die Spule
wird nämlich
mit Spannung beaufschlagt und man kann an der Elektrodenanordnung
Signale abnehmen. Im Unterschied zum normalen Meßbetrieb können diese Signale nicht durch das
Magnetfeld und das durchströmende
Fluid erzeugt worden sein, weil man dafür Sorge getragen hat, daß kein Magnetfeld
erzeugt wird. Falls Signale auftreten, dann können diese nur von einer elektrischen
Kopplung zwischen der Spulenanordnung und der Auswerteeinrichtung
herrühren.
Wenn sich diese Kopplung ändert,
dann ist dies ein Zeichen dafür,
daß sich
die Durchflußmesseranordnung
insgesamt verändert
hat, so daß gegebenenfalls
eine Kalibrierung erforderlich ist. Falls sich diese Kupplung nicht
geändert
hat, dann ist davon auszugehen, daß eine ursprünglich vorgenommene
Kalibrierung weiterhin gültig
ist. Die Kopplung kann sich durch unterschiedlich physikalische
Größen ausdrücken. Man
kann die ohmsche, induktive und kapazitive Kopplung oder nur eine
oder zwei Arten dieser Kopplung überwachen.
Für die
Ermittlung dieser Kopplung ist in der Regel keine längere Zeit
notwendig. Das Testen kann also auch während des normalen Meßbetriebes
erfolgen, der hierfür
nur ganz kurz unterbrochen werden muß. Es herrschen in den Spulen
der Spulenanordnung die gleichen Bedingungen und das Überprüfen wird
vereinfacht.
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Vorzugsweise
sind die zweiten Mittel durch die Auswerteeinrichtung gebildet oder
in sie integriert. Man kann also mit Hilfe der Auswerteeinrichtung
die von der Elektrodenanordnung stammenden Signale erfassen und
auf gleiche Art und Weise weiterarbeiten wie die beim Messen ermittelten
Signale. Man muß der
Auswerteeinrichtung lediglich mitteilen, daß hier keine Meß-Signale,
sondern Test-Signale anliegen. Danach kann sich die weitere Verarbeitung richten.
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Mit
Vorteil weist die Überprüfungseinrichtung einen
Zeitgeber auf, der spätestens
nach Ablauf vorbestimmter Zeitabstände eine Überprüfung einleitet. Damit ist man
nicht darauf angewiesen, die Überprüfung von
Zeit zu Zeit selbst oder durch ein Wartungspersonal durchführen zu
lassen. Die Überprüfung erfolgt
vielmehr automatisch spätestens
in vorgewählten
Zeitabständen.
Natürlich
kann man diese Testintervalle auch verkürzen.
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Vorzugsweise
ist die Spannung als gesteuerte Wechselspannung ausgebildet. Dementsprechend wird
die Spulenanordnung mit unterschiedlichen Spannungspotentialen beaufschlagt
und man kann für
die unterschiedlichen Spannungspotentiale die entsprechenden Kopplungen
untersuchen. Die Gefahr, daß ein
Fehler unentdeckt bleibt, weil er nur bei einem bestimmten Betriebszustand
der Spannung auftritt, ist relativ klein, weil alle im Betrieb vorkommenden
Spannungspegel durchlaufen werden.
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Hierbei
ist besonders bevorzugt, daß die Spannung
durch eine Zusatzspannung gebildet ist. Eine derartige ”Boost”-Spannung ist eine
verstärkte Spannung,
die in vielen Durchflußmessern
ohnehin vorhanden ist, um den Aufbau des Magnetfeldes zu beschleunigen.
Diese höhere
Spannung macht eine möglicherweise
vorhandene Kopplung noch leichter erkennbar.
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Besonders
bevorzugt ist hierbei, daß die Spannung
beim Überprüfen die
gleichen Parameter wie beim Messen aufweist. Man kann mit anderen Worten
die ohnehin vorhandene ”Boost”-Spannung verwenden,
um auch die Überprüfung durchzuführen. Die ”Boost”-Spannung
hat dann beim Messen und beim Testen die gleiche Amplitude und die
gleiche Frequenz.
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Vorzugsweise
wird die Spannung durch eine H-Brücke erzeugt, die in jedem Zweig
einen gesteuerten Schalter aufweist, wobei die H-Brücke beim Messen
kreuzweise und beim Überprüfen einseitig aktiv
ist. Beim Messen werden in an sich bekannter Weise die über Kreuz
liegenden Zweige des H, in dessen Mitte die Spulenanordnung angeschlossen ist,
betätigt,
so daß ein
Strom in die eine oder in die andere Richtung durch die Spulenanordnung
fließen kann.
Auf diese Weise wird ein Wechselfeld in der Spulenanordnung erzeugt.
Beim Testen kann man nun die gleiche H-Brücke verwenden, wobei der Unterschied
lediglich darin besteht, daß die
Brücke
nicht mehr kreuzweise betrieben wird, sondern jeweils eine Hälfte der
Brückenzweige,
und zwar die, die mit dem gleichen Spannungspotential verbunden
sind, geschlossen werden. Damit ist es auf einfache Art und Weise
möglich,
die Spulenanordnung mit Spannung zu beaufschlagen, ohne ein Magnetfeld
zu erzeugen. Ein Stromfluß wird
nämlich
verhindert.
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Mit
Vorteil sind die kurzgeschlossenen Spulen beim Überprüfen abwechselnd mit einer Spannungsquelle
und mit Masse verbunden. Damit lassen sich Kriechströme von der
Spulenanordnung zur Auswerteeinrichtung und auch umgekehrt ermitteln.
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Auch
ist von Vorteil, daß die Überprüfungseinrichtung
eine Speichereinrichtung aufweist, in der beim Überprüfen ermittelte Werte und/oder
Sollwerte abgelegt sind. Die Sollwerte können beispielsweise aus der
ersten oder aus der letzten gültigen
Kalibrierung stammen. Die beim Testen ermittelten Werte können dann
mit den gespeicherten Werten verglichen werden. Abweichungen können verwendet
werden, um zu beurteilen, ob die Durchflußmesseranordnung noch zuverlässig genug
arbeitet oder nicht. Man kann die Speichereinrichtung aber auch
verwenden, um der Reihe nach eine gewisse Anzahl von Testwerten
abzuspeichern und sozusagen die ”Geschichte” der Durchflußmesseranordnung
aufzuzeichnen. Natürlich
kann man auch vergangene Testwerte verdichten und beispielsweise
ihren Mittelwert und ihre Streubreite speichern, wobei diese Größen bei
jedem Test aktualisiert und wieder gespeichert werden.
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Vorzugsweise
ermittelt die Überprüfungseinrichtung
eine Zuverlässigkeitskoeffizienten
aus der Streuung von beim Überprüfen ermittelten
Werten und wiederholt die Überprüfungen in
Abhängigkeit vom
Zuverlässigkeitskoeffizienten.
Hierbei geht man davon aus, daß die Überprüfung öfter stattfinden
sollte, wenn sich zeigt, daß die
einzelnen Werte stark streuen. Wenn hingegen keine größeren Abweichungen
erkennbar sind, dann kann man mit der nächsten Überprüfung länger abwarten. Durch die vorgegebenen
Zeitabstände,
die oben erwähnt
worden sind, ist hier nach oben eine Grenze gesetzt.
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Die
Erfindung wird im folgenden anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
in Verbindung mit der Zeichnung näher beschrieben. Hierin zeigt:
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die
einzige Figur eine schematische Darstellung einer Schaltung eines
elektromagnetischen Durchflußmessers.
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Ein
Durchflußmesser
weist ein elektrisch isoliertes Meßrohr 2 auf, das senkrecht
zur Zeichenebene von einer Flüssigkeit
oder einem Gas durchströmt werden
kann. Senkrecht zur Durchströmungsrichtung
sind Meßelektroden 5 und 6 angeordnet.
Senkrecht zur Durchströmungsrichtung
und senkrecht zur Anordnung der Meßelektroden 5, 6 sind
Spulen 3, 4 einer Spulenanordnung angeordnet,
die in Reihe miteinander geschaltet sind. Die Spulen 3, 4 erzeugen also,
wenn sie von einem Strom durchflossen werden, ein Magnetfeld, das
senkrecht zur Durchflußrichtung
und senkrecht zur Verbindung zwischen den Meßelektroden 5, 6 gerichtet
ist.
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Ein
derartiger Durchflußmesser
ist an sich bekannt. Wenn ein Fluid durch das Meßrohr 2 strömt, dann
entsteht zwischen den Meßelektroden 5, 6 eine Spannung,
die von der Geschwindigkeit des Fluids und von der Stärke des
Magnetfeldes abhängig
ist.
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Zusätzlich sind
im Meßrohr
noch Erdungselektroden 7, 8 angeordnet. Sämtliche
Elektroden 5–8 sind
elektrisch vom Meßrohr
isoliert.
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Ein
Stromregler 18 regelt einen konstanten Strom I.
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Eine
H-Brückenschaltung
weist vier Schalter 10–13 auf,
die jeweils von einer Freilaufdiode 14–17 geschützt sind.
Die Schalter 10–13 sind
zwischen einer Spannungsquelle 9 und dem Stromregler 18 angeordnet.
Die Diagonale dieser Brückenschaltung
ist mit den Spulen 3, 4 der Spulenanordnung verbunden.
Wenn der Schalter 10 und der Schalter 13 geschlossen
sind, dann fließt
(bezogen auf die Figur) ein Strom im Gegenuhrzeigersinn durch die
Spulen 3, 4. Wenn die Schalter 11 und 12 geschlossen
sind, die Schalter 10, 13 aber geöffnet sind,
dann fließt
der Strom in die entgegengesetzte Richtung.
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Die
Messung des Durchflusses durch das Meßrohr 2 erfolgt mit
Hilfe der Meßelektroden 5, 6, die
mit einem Differenzverstärker 19 verbunden
sind. Das Ausgangssignal des Differenzverstärkers 19 wird einem
Analog/Digital-Wandler 21 zugeführt, der aufgrund einer Referenzspannung
Vref an einem Eingang 20 das analoge Eingangssignal in
ein digitales Signal umwandelt, das über ein Klemme 22 zu
einer digitalen Auswerteschaltung geleitet wird, die aufgrund der
Messungen die Durchflußwerte
ermittelt. An der Klemme 22 stehen Zahlenwerte, gegebenenfalls
in codierter Form zur Verfügung.
Die digitale Auswerteschaltung wird zweckmäßigerweise durch einen Mikroprozessor
gebildet.
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Insoweit
entspricht die Schaltung einem herkömmlichen Durchflußmesser.
Die Schalterpaare 10, 13 und 11, 12,
die kreuzweise in der H-Brücke
liegen, werden abwechselnd geöffnet
und geschlossen, so daß sich
ein Wechselstrom durch die Spulen 3, 4 und damit
ein magnetisches Wechselfeld im Meßrohr 2 ergibt. Das
an den Elektroden 5, 6 gewonnene Signal ist abhängig von
der Stärke
des Magnetfeldes und der Geschwindigkeit des durchströmenden Fluids.
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Im
Normalbetrieb wird die H-Brücke
mit der Spannung Vnom versorgt. Man kann nun auch vorsehen, daß eine Zusatzspannungsversorgung 44 eine Zusatzspannung
Vboost liefert. Diese Zusatzspannung ist größer als die Spannung Vnom.
Sie wird beispielsweise in einem Zeitraum verwendet, der sich an das
Umschalten der Schalterpaare anschließt, und zwar solange, bis der
Strom I wieder einen vorbestimmten Wert erreicht hat. Die Zeit,
in der sich das Magnetfeld aufbaut und in der keine genauen Messungen
möglich
sind, wird daher verkürzt.
Zum Umschalten ist ein Schalter 36 vorgesehen.
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Der
Stromregler 18 wird von einer Referenzspannung Vref geregelt,
die an einem Anschluß 37 einen
Spannungsteiler 40 anliegt. Diese Spannung dient als Referenz.
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Zusätzlich wird
die Spannung, die auch dem Stromregler 18 als Referenz
dient, einem Operationsverstärker 43 zugeführt, dessen
Ausgang mit der Zusatzspannungsvesorgungseinrichtung 44 verbunden
ist. Der andere Eingang des Operationsverstärkers 43 ist mit dem
Mittelabgriff eines Spannungsteilers aus zwei Widerständen 41, 42 verbunden,
der zwischen dem Ausgang 45 der Zusatzspannungsversorgungseinrichtung 44 und
Masse angeordnet ist. Damit regelt der Ausgang des Operationsverstärkers 43 die
Zusatzspannungversorgungseinrichtung 44, die man auch als ”Boost”-Genertor bezeichnen
kann.
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Die
Zusatz- oder Boost-Spannung hat die gleiche Fre quenz wie die normale
Versorgungsspannung Vnom. Lediglich ihre Amplitude ist größer.
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Zur Überprüfung wird
nun die H-Brücke
abweichend betrieben. Die Spannungsquelle 9 gibt nach wie
vor die nominale Spannung Vnom ab. Alternativ kann man zum Testen
auch die verstärkte Spannung
(Boost-Spannung) verwenden. Auch der Stromregler 18 arbeitet
wie bisher. Nunmehr wird die H-Brücke aber nicht mehr so betrieben,
daß die Schalter
kreuzweise gleichzeitig betätigt
werden, sondern es werden die Schalter in einer Brückenhälfte, die
mit dem gleichen Potential verbunden ist, gleichzeitig betätigt, also
entweder die Schalter 10 und 11 geschlossen oder
die Schalter 12 und 13. Wenn nun beispielsweise
die Schalter 10, 11 geschlossen sind, dann sind
die Spulen 3, 4 kurzgeschlossen und werden mit
der Spannung Vnom oder Vboost versorgt. Damit liegt die Spannung
an den Spulen 3, 4 an, ohne daß ein Magnetfeld im Meßrohr erzeugt
wird. Wenn die Schalter 10, 11 geöffnet und die
Schalter 12, 13 geschlossen werden, dann liegen die
Spulen 3, 4 an Masse an.
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In
beiden Fällen
wären Signale,
die an den Meßelektroden 5, 6 abgenommen
werden, auf eine Kopplung zurückzuführen, die
zwischen der Versorgungsschaltung für die Spulen 3, 4 und
den Meßelektroden
oder ihrer Auswerteschaltung vorliegt. Diese Kopplung kann ohmscher,
kapazitiver oder induktiver Art sein. In einer bevorzugten Ausgestaltung
werden alle drei Kopplungsmöglichkeiten
ausgewertet. In manchen Fällen
reicht es aber auch aus, nur eine oder zwei dieser Möglichkeiten
zu berücksichtigen.
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Auch
die Kopplung erzeugt einen gegebenenfalls codierten Zahlenwert am
Ausgang 22 des Analog/Digital-Wandlers 21. Der
Mikroprozessor, der an den Ausgang 22 angeschlossen ist,
kann nun diesen Zahlenwert für
die Überprüfung verwenden.
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Ein
Fehler liegt nicht unbedingt bereits dann vor, wenn beim Überprüfen oder
Testen an den Elektroden 5, 6 ein Potential oder
eine Potentialdifferenz anliegt. Ein Fehler ist aber dann zu vermuten,
wenn sich bei wiederholten Überprüfungen,
die in vorbestimmten zeitlichen Abständen durchgeführt werden können, Änderungen
in dem Verhalten der Meßelektroden 5, 6 ergeben.
Man kann also beispielsweise bei der ersten Kalibrierung oder bei
der Inbetriebnahme der Durchflußmesseranordnung
die entsprechenden Testwerte ermitteln und ablegen oder speichern und
dann später
mit Werten vergleichen, die bei einem erneuten Testen ermittelt
werden.
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Zum
Ermitteln der Test-Werte kann man die gleiche Schaltung verwenden,
die auch zum Ermitteln der Meßwerte
verwendet wird.
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Man
kann nun die bei wiederholten Überprüfungen ermittelten
Testwerte in einem Speicher ablegen und bei jedem Test die Streubreite
der ermittelten Werte ermitteln. Wenn die Streubreite zu groß wird, ist
dies ein Zeichen dafür,
daß sich
Veränderungen
in der Durchflußmesseranordnung
ergeben haben, die entweder eine erneute Kalibrierung erfordern
oder eine Reparatur notwendig machen.
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Man
kann auch in nicht in näher
dargestellter Weise die Streubreite der Test-Werte dazu verwenden,
einen Zuverlässigkeitskoeffizienten
zu errechnen. Wenn nur eine geringe Streuung vorliegt, ist dies
ein Zeichen dafür,
daß die
ursprüngliche
oder zuletzt vorgenommene Kalibrierung noch ”stimmt”. In diesem Fall kann man
die Überprüfungen seltener vornehmen.
Wenn sich hingegen eine größere Streuungsbreite
ergibt, dann ist es angeraten, die Überprüfungen öfters vorzunehmen.
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Für die Überprüfung ist
eine Veränderung der
Schaltungskonfiguration nicht notwendig. Es ist lediglich notwendig,
daß die
H-Brücke
mit den Schaltern 10–13 in
der vorbeschriebenen Art verwendet wird.
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Mit
den Überprüfungen wird
sichergestellt, daß jede
unerwünschte
Signalübertragung,
sei es im Sensor, in den Zuleitungen oder auf einer Schaltungsplatine,
zu einem Spannungssignal führen
wird, das mit einem selektiven Voltmeter des Elektronikteiles gemessen
werden kann.