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Anordnung zur Ümwaudlung von zwei Grössen in eine dem Integral ihres
Produkts proportionale Anzahl von Impulsen.
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung, die es er-@öglicht,
zwei Grössen, die in Porm von elektrischen oder füuitischen Sig@alen verfügbar oder
zuvor in solche Signale umgewandelt worden sind, in eine Anzahl von Impulsen umzu-@andeln,
die dem Integral ihres Produktes proportional ist.
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Eine solche vollkommen statisch ausgebildete Anordnung ist zur zahlreiche
Anwendungsfälle geeignet, insbesondere für die Messung der elektrischen Energie,
die in einem Stromkreis verbraucht wird oder über eine Leitung geht. In der folgenden
Beschreibung soll angenommen werden, dass die erfindungsgemässe Anordnung für diesen
besonderen Anwendungsfall verwendet wird, ohne dass jedoch der Anwendungsbereich
der Erfindung darauf beschränkt ist.
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Wenn die beiden Eingangsgrössen, also bei dem in Betracht gezogenen
Anwendungsfall die Spannung und der Strom, mit x @@@ mit y bezeichnet werden, besteht
das zu lösende Problem @arin, Impulse in aufeinanderfolgenden Zeitpunkten t1 und
t2
abzugeben, welche die folgende Bedingung erfüllen:
worin Q eine Konstante bezeichnet, die im vorlieg@@den Pall eine elektrische Energiemenge
darstellt. Die Zahl der Impulse, die auf diese bis von der Anordnung während einer
bestimmten Zeit abgegeben werden, stellt dann bis auf eine Einheit von Q, die elektrische
Energiemenge dar, die in dem Verbraucherkreis verbraucht worden ist oder über die
Leitung übertragen worden ist.
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Die zu realisierende Funktion kann in drei Elementaroperationen zerlegt
werden: - Bildung eines elektrischen Signals, dessen Grösse dem augenblicklichen
oder praktisch augenblicklichen Produkt der Eingangsgrössen x und y proportional
ist; - Integration dieses Signals; - Abgabe eines Impulses jedesmal dann, wenn das
resultierende Integral um die Menge Q zugenommen hat.
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Die Hauptschwierigkeit beruht auf der Dynamik der Wirkungsweise, die
notwendig ist, dass die praktischen Anwendungsbedingungen erfüllt werden; dies bedeutet,
dass die Anordnung dazu geeignet sein muss, mit einer ausreichenden relativen Genauigkeit
in einem grossen Bereich der Eingangsgrössen zu arbeiten. In den häufigsten Fällen
ändert sich jedoch nur eine dieser Eingangsgrössen, beispielsweise der durch y dargestellte
Strom, in einem grossen Bereich. Diese Schwierigkeit erschwert die Realisierung
der Multiplikationsanordnung und der Integrationsanordnung, wodurch die Zahl
der
praktisch verwendbaren Lösungen für die Ausbildung dieser beiden Schaltungen beschränkt
wird.
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Himnsichtlich der ersten zuvor erwähnten Eementaroperation sind bereits
Multiplikationsanordnungen vorgeschlagen worden, die auf der Beziehung (x + y)²
- (x - y)² = 4 x y ber@hen, wobei die Bildung des Quadrate beispielsweise mit Hilfe
des Joule'schen Effekts erreicht wird. Die zuvor angegebene Bedingung schliesst
diese Art von Multiplikat@onsanordnungen aus, denn wenn x und y sehr verschiedene
Werte haben, liegen die beiden quadratischen Glieder nahe beieinander, und ihre
Differenz ist dann nur mit einer verhältnismässig geringen Genauigkeit bekannt.
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Andere bekanute Multiplikationsanordnungen, bei denen I@pulsfolgen
verwendet werden, deren Freque@z in Abhängig keit t von dem Wert von x oder y veränderlich
ist, sind ebenalls nur schwierig mit einer grossen Dynamik vereinbar: er Berücksichtigung
der gewünschten Bandbreite für x y y werden die auftretenden maximalen Frequenzen
notwendigerweise sehr gross, so dass zur Erzielung der erforderlichen Umwandlungsgenauigkeit
sehr ausgefeilte Schaltungen benötigt werden.
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Es sind auch Eultiplikationsanordnungen bekannt, die auf der Ausnutzung
der besonderen Figenschaften von @albleitern beruhen, beispielsweise von Halleffekt-Generatoren
oder von Feldeffekttransistoren, deren Widerstand Proportional zu einer der Eingangsgrössen
oder zu ihrem Kehrwert verändet wird. Die Genauigkeit der Multiplikat@n hängt dann
von den inneren Eigenschaften jedes Halbleiterelements oder von dem paarweisen Zusammenpassen
von jeweils zwei Halbleiterelementen ab, wodurch
schwierige Probleme
bei der Herstellung oder Bestückung auftreten.
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ei einer weiteren bekannten Art von Multiplikationsanordnungen wird
eine doppelte Pulsamplituden- und Pulslängenmodulation angewendet, wobei eine der
Eingangsgrössen in Impulse zerhackt wird, deren Dauer der anderen Eingangsgrösse
proportional ist. Der Mittelwert dieser impulsförmigen Signale ist dann dem Produkt
der beiden Grössen proportional. Die Genauigkeit und die Dynamik hängen in.
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erster Linie davon ab, ob der Zerhacker oder Modulator in der Lage
ist, dem Steuersignal augenbLickLich zu folgen und die zerhackte Grösse getreu zu
übertragen, wobei die Multiplikation nicht genau ist, wenn sich die Eingangsgrössen
während einer Zerhackerperiode sehr wenig ändern. wenn die Grössen x und y Wechselgrössen
sind, ist es daher erforderlich, dass die Zerhackerfrequenz merklich grösser als
die maximale Frequenz der Änderungen von x und y ist, doch kann durch Integrieren
über eine ziemlich lange Zeit der Restfehler klein gehalten werden, selbst bei einer
mässigen Zerhackerfrequenz.
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Hinsichtlich der zweiten zuvor erwähnten Elementaroperation, d.h.
der Integration, weisen die bekannten Schaltungen hauptsächlich eine Fehlerquelle
auf, die auf der Abtrift der Integrationsschaltung beruht, die einerseits von den
Strom- und Spannungsfehlern des darin enthaltenen Verstärkers und andrerseits von
den Restströmcn und Restspannungen der in der Zerhackeranordnung enthaltenen Torschaltungen
verursacht wird. Daraus kann sich auch der Nachteil ergeben, dass auch dann Impulse
abgegeben werden, wenn eine der Eingangsgrössen und daher auch das Produkt der Eingangsgrössen
während einer bestimmten Zeit Null bleibt.
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Das Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer Multiplikations- und
Integrationsanordnung der zuvor angeebenen Art, bei der Masspahmen getroffen sind,
welche die verschiedenen auftretenden Fehler merklich verringern und die angegebenen
Nachteile beseitigen.
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Zu diesem Zweck enthält die erfindungsgemässe @nordnung einen Modulator
mit veränderlichem Periodenverhältnis, an dem das di@ erste Eingangsgrösse darstellende
Signal zur Umwandlung in dauermoduliete Rechtechsignale zugeführt wird, wenigstens
einen invertierenden Umschalter, an den das die zweite Eingangsgrösse darstellende
Signal angelegt wird, und der an den Ausgang des Modulators aeclossen ist, und wenigstens
eine Integrations-Anordnung, die an den Ausgang des Umschalters angeschlossen ist,
und sie ist dadurch gekennzeichnet, dass der Lategrationsanordnung eine Vergleichsanordnung
mit zwei S@Buelenwerten nachgeschaltet ist, deren Ausgangssignale einer Anordnung
zugeführt werden, die eine zyklische Umkehrung des Eingangssignals der Integrationsanordnung
ermöglicht.
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Gemäss einer ersten Ausführungsform der Erfindung ist die an den Ausgang
der Vergleichsanordnung angeschlossene Anordnung durch eine Antivalenzschaltung
mit zwei Eingängen gebildet, von der ein Eingang mit dem Ausgang des Modulators
und der andere Eingang mit dem Ausgang der Integrations-und Vergleichsaprdnung verbunden
sind, und an deren Ausgang der Steuereingang des invertierenden Umschalters angeschlossen
ist.
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Eine zweite Ausführungsform der Erfindung besteht darin, dass die
an den Ausgang der Vergleichsanordnung angeschlossene Anordnung durch einen dem
Modulator vorgeschalteten invertierenden Hilfsumschalter für das die erste Eingangsgrösse
darstellende Signal gebildet ist.
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Gemäss einer dritten Ausführungsform der Erfindung ist die an den
Ausgang der Vergleichsanordnung angeschlossene Anordnung durch einen invertierenden
Hilfsumschalter für das zweite Eingangssignal gebildet, der dem vom Modulator gesteuerten
invertierenden Umschalter vorgeschaltet ist.
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Die erfindungsgemässe Anordnung eignet sich insbesondere für eine
Ausbildung in Form integrierter Schaltungen, da die diskreten Schaltungselemente
auf die Integrationskondensatoren und auf einen die Änderung des Messbereichs ermöglichenden
Eingangswiderstand beschränkt sind.
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Die Anordnung eignet sich auch für die fluidische Technik und sie
kann aus rein fluidischen Bauelementen aufgebaut werden.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt.
Darin zeigen: Fig. 1 das Übersichtsschema einer Multiplikations- und Integrationsanordnung
bekannter Art, Fig.2 ein Diagramm zur Erläuterung der Wirkungsweise der Anordnung
von Fig.1, Fig.3 das Schaltbild einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemässen
Anordnung, Fig. 4 ein Diagramm zur Erläutaung der Wirkungsweise der Anordnung von
Fig. 3, Fig.5 das Schaltbild einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemässen
Anordnung und Fig.6 das Schaltbild einer dritten Ausführungsform der erfindungsgemässen
Anordnung.
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Fig. 1 zeigt einen Modulator 10 mit veränderlichem Periodenverhältnis,
an dessen Eingang die Grösse x , beispielsweise in Form einer Spannung, angelegt
wird. Dieser Modulator gibt ein binäres logisches Signal G1 ab, dessen Potential
für die Dauer T1 dem Zustand "1" und für die Dauer T2 dem Zustand "O"entspricht,
wie in dem Diagramm von Fig. 2 dargestellt ist, in dem die Zeit t auf der Abszisse
aufgetragen ist. Dieses Signal G1 steuert einen analogen invertierenden Umschalter
20, an dessen Eingänge die Grössen +y und -y nach Umwandlung in Form einer proportionalen
Spannung oder eines propolrtionalen Stroms angelegt werden. Der Umschalter 20 liefert
also an seinem Ausgang ein Signal j, das für G1=1 gleich dem Wert y und für G1 =
0 gleich dem Wert -y ist.
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Sohliesslich ist eine Integrationsanordnung 21 gezeigt, die so ausgeführt
ist, dass sie für jede vorbestimmte Grösse Q des Produkts x . y einen Impuls abgibt.
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Das Zeitintegral des Signals -j während einer Modulationsperiode T1
+ T2 beträgt:
Da das Steuersignal G1 periodisch ist, kann der mittlere Ausgangsstrom J in folgender
Form geschrieben werden:
wobei in diesem Ausdruck das Glied
das Periodenverhältnis bezeichnet. Dieser Modulator hat die Aufgabe,
das Signal G1 mit dem Periodenverhaltnis R = x zu liefern, woraus folgt: J = Ry
= xy.
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Der mittlere Ausgangsstrom J stellt dann das Produkt der beiden Eingangsgrössen
dar.
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Ein solcher Modulator kann auf verschiedene Weise realisiert sein,
beispielsweise mit Hilfe einer Normal-Sägezahnspannung, die als Vergleich@mase für
die Spannung x dient und die Zustandsänderung einer Kippschaltung bei Gleichheit
der beiden Spannungen auslöst, mit Hilfe eines Oszillators mit gesättigtem Magnet
kern usw. Vorzugsweise wird jedoch die Anordnung verwendet, die nun unter Bezugnahme
auf Fig. 3 beschrieben wird, in welcher ein genaueres Schaltbild einer nach der
Erfindung ausgeführten Modulations-Integrationsanordnung dargestellt ist.
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Der Modulator 10 besteht aus einer Integrationsschaltung 11, beispielsweise
einer RC-Integrationsschaltung oder einer Miller-Integationsschaltung, die mit dem
einen Eingang einer Spannungsvergleichsschaltung 12 verbunden ist.
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Dem zweiten Eingang dieser Spannungsvergleichsschaltung wird über
einen vom Ausgangssignal G1 gesteuerten invertierenden Umschalter 13 ein Bezugsspannung
+ Eo bzw. - 20 zugeführt. Diene Spannung wird ausserdem in Gegenkopplung an den
Eingang der Integrationsschaltung 11 über einen Widerstand 15 zugeführt, der mit
dem Eingangweiderstand 14 der Integrationsschaltung zur Bildung einer Summierschaltung
verbunden ist.
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Die Vergleichsschaltung 12 ist beispielsweise ein hochverstärkender
Differanzverstärker, dem eine schnelle Auslöseschaltung nachgeschaltet ist, die
ein Ausgangssignal G1
liefert, das in Abhängigkeit von der Polarität
des Spannungsunterschieds am Eingang entweder den logischen Wert 0 oder den logischen
Wert 1 hat.
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Der Ausgang der Vergleichsschaltung 12 ist ausserdem über eine Antivalenzschaltung
24 mit zwei Eingängen, deren Aufgabe später beschrieben wird, mit dem Steuereingang
des invertierenden Umschalters 20 verbunden, an dessen Eingänge die Grössen +y und
-y angelegt werden. Dieser schalter 20 ist mit dem Eingang einer Integrations-'
und Vergleichsanordnung mit zwei Schwellenwerten verbunden,die von einer eigentlichen
Integrationsschaltung 21 gebildet ist, der eine Spannungsvergleichsschaltung 22
von gleicher Art wie die Vergleichsschaltung 12 nachgeschaltet ist. Der Ausgang
der Vergleichsschaltung 22 ist einerseits mit dem Steuereingang eines analogen Umschalters
23 verbunden, der es ermöglicht, entweder die Spannung E1 oder die Spannung E2 an
den zweiten Eingang der Vergleichsschaltung 22 anzulegen, und andrerseits mit dem
zweiten Eingang der Antivalenzschaltung 24, deren logisches Ausgangssignal mit G3
bezeichnet werden soll.
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Das logische Ausgangssignal G2 der Vergleichsschaltung 22 bildet das
impulsförmige Ausgangssignal der Anordnung.
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Diese Anordnung arbeitet in folgender Weise: Wie bereits zuvor gezeigt
worden ist, hat die mittlere Ausgangsspannung des Umschalters 13 die Form
wobei das Verhältnis der Zeiten T1 und T2 so bemessen werden muss, dass gilt
Für G1=0 hat die Ausgangsspannung V1 des Umschalters 13 den Wert
V1= -E0. Der von der Integrationsschaltung 11 empfangene Strom beträgt dann:
wenn mit R1 der Widerstandswert des Widerstands 14 und mit R2 der Widerstandswert
des Widerstands 15 bezeichnet werden. Die Parameter E0, R1, R2 werden so bemessen,
dass in dem interessierenden Bereich stets gilt:
Unter diesen Bedingungen nimmt die Ausgangsspannung VI der Integrationsschaltung
11 in der in Fig.2 gezeigten Weise ab. Im Zeitpunkt t0 wird die Spannung V11 kleiner
als -E0. Die Vergleichsschaltung 12, für welche der Unterschied derEingangsspannung
jetzt negativ ist, liefert das Signal G1 = 1. Daher geht der Umschalter 13 in den
Zustand, in welchem V1 = +E0. Der von der Integrationsschaltung empfangene Strom
beträgt dann
und ihre Ausgangsspannung VI1 wächst von -E0 bis +E0(Fig.2) in einer Zeit T1, die
dem folgenden Ausdruck proportional ist:
Da im Zeitpunkt t0 + T1 ,die Ausgangsspannung VI1 der Integrationsschaltug grösser
als +E0 wird, liefert die Vergleichs-
@chaltung dann dns Signal
G1 = 0; der Umschalter 15 wird erneut umgeschaltet, und der von der Integrationsschaltung
empfangene Strom beträgt wieder
Die Spannung VI, nimmt dann von +E0 bis - E0 in einer Zeit T2 as, die dem folgenden
Wert proportional ist:
Das Periodenverhältnis
Bs ist festzustellen, dass es dem Wert x proportional ist, bis auf den Proportionalitätsfaktor
Bevor die Wirkungsweise weiter erläutert wird, soll zunächst gezeigt werden, wie
die Verwendung einer Integrations- und Vergleichsanordnung mit zwei Schwellenwerten
E1, E2, in weLcher die Integrationsperilde zweigeteilt ist, die Verringerung der
von den Störsignalen verursachten Schwankungen ermöglicht. Es sei angenommen, dass
die IntegrationsschaL-tung vom Zeitpunkt t1 bis zum Zeitpunkt t1 den Strom J = xy
empfängt, wobei ihre Ausgangsspannung V12 dann von E1 bis E2
@@@teigt,
und dass im Zeitpunkt t1 der Eingangsstrom umgekehrt wird, so dans ihre Ausgangsspannung
zwischen den Zeitpunkten t1 und t2 von E2 nach E1 abnimmt. Wenn der die Abweichung
verursachende Störstrom mit e bezeichnet wird, gilt für diese Zeiten :
worin C eine Konstante ist.
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Für einen konstanten Strom J gilt :
Der relative Fehler ist dann nicht mehr e/J, sondern e²/J², wobei
dieser Wert sehr viel kiciner als e/J ist, wenn dieses Glied seinerseits klein gegen
1 io ist WCnL ferner gilt J = 0, sättigt sich die Integrationsschaltung für den
Störstrom e, was im Höchstfall die Abgabe eines Impulses verursacht, unabhängig
von der Dauer, für welche J den Wert 0 hat, weil keine Umkehrung des Eingangsstroms
mehr stattfindet.
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Die periodische Umkehrung des Stroms J, die vor dem Umschalter 20
erfolgen muss, wenn das von diesem Umschalter eingeführte Störsignal kompensiert
werden soll, erfolgt gemäss der in Fig.3 dargestellten bevorzugten Ausführungsform
in vorteilhafter Weise dadurch, dass das Steuersignal G1 umgekehrt wird, d.h., dass
die Zerhakungszeiten T1 und T2 infolge des Vorhandenseins der Antivalenzschaltung
24 permutiert werden.
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Da die Vergleichsschaltung 22 in gleicher Weise wie die Vergleichsschaltung
12 arbeitet, jedoch mit den beiden Bezugsspannungen E1 und E2 als Integrationsschwellen,
wirkt das im y-Kanal gebildete Ausgangssignal G2 mit dem im xkanal gebildeten Signal
G1 in folgenderWeise zusammen: Für G2= 0 hat das Steuersignal G3 des Umschalters
20 die gleichen Werte wie G1. Für G2 = 1 nimmt das Steuersignal G3 die komplementären
Werte von G1 an, wodurch die Umkehrung des Stroms J während dieser Halbperiode erreicht
wird.
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Die Diagramme von Fig .4 zeigen als Funktion der Zeit den Verlauf
der Signale während einer Periode von t1 bis t1 und dann von t1 bis t2.
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Im Fall der Messung der elektrischen Energie können die das Integral
des Produkts xy darstellenden Impulse G2 in einem Impuls zähler geählt werden, der
dann die elektrische Energiemenge anzeigt, die während einer bestimmtenZeit in einem
Stromkreis verbraucht worden ist, in welchem x die Speisespannung und y den verbrauchten
Strom oder eine dazu proportionalle Spannung darstellen.
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Es ist folgendes zu bemerken; Wenn die Spannung x die gemeinsame Speisespannung
ist, kann ein einziger Modulator 10 mehreren kanälen y1, y2... yn gemeinsam sein,
die zu verschiedenen Verbrauchern gehören; d.h., dass die gleichen Signale G1 diesen
verschiedenen Kanälen über eine entsprechende Anzahl von Antivalenzschaltungen zugeführt
werden.
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I n Fig. 5 und 6, in welcher entsprechende Teile die gleichen Bezugszeichen
wie zuvor tragen, sind zwei weitere Ausführungsformen dargestellt, bei denen die
zyklische Umkehrung des Eingangssignals der Integrationsschaltung mit Hilfe eines
invertierenden Umschalters erreicht wird, der in den Eingang einer der Grössen x
oder y vor der Zerhackung eingefügt ist und von den Ausgangssignalen G2 der Integrations-
und Vergleichsanordnung gesteuert wird.
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Bei der Ausführungsform von Fig. 5 wird die Grösse x einer Umkehrschaltung
30, beispielsweise einem Rechenverstärker zugeführt, der die Grösse -x liefert.
Die beiden Signale +x und -x werden dann an die Eingangsklemmen eines invertierenden
Umschalters 31 angelegt, der von den Ausgangssignalen G2 der Vergleichsanordnung
22 gesteuert wird.
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In Fig.6 wird die Grösse y einer Umkehrschaltung 30' zugeführt, und
die Grössen , und -y werden an einen invertierenden Umschalter 31' augelegt, der
von den Ausgangssignalen G2 der Vergleichsanordnung 22 gesteuert wird.
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Die verschiedenen Umschalter sind in den Figuren in elektromechanischer
Form dargestellt, doch versteht es sich von selbst, dass diese Bestandelle vorzugsweise
durch rein statische Auordungen realisiert sind, beispielsweise aus Halbleiteranordnungen,
die als analoge Schalter arbeiten, insbesondere bipolare Transistoren oder Feldeffekttransistoren,
deren Technologie für den Einbau in die Anordnung geeignet ist.
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ic zuvor angegeben worden ist, kann die Erfindung auch mit Hilfe von
Elementen realisiert werde, die zur fluidischen Technik gehören, wobei die verschiedenen
Grössen dann aus einem Ursprungsdruck der@rt abgeleitet werden, dass man über einen
Messbereich verfügt, der sowohl positive als auch negative werte enthält.
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Die Erfindung ist natürlich nicht auf denAnwendungsall beschränkt,
der zuvor als Beispiel angegeben worden ist, sondern sie eignet sich für die Integrtion
es Produkts beliebiger Grössen, die in Form von elektrischen Strömen oder Spannungen
oder von fluidischen Signalen verfügbar sind oder in solche Signale umgewandelt
werden können, beispielsweise bei der Massensählung, der Kalorienzählung @sw. auf
Grund einer die Volumenströmung angebender. Information und einer Information ,
die das spezifische Gewicht, eine Temperaturdifferenz od. dgl. angibt.
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P a t e n t a n s p r ü c h