DE2546487A1 - POSITION MEASURING AND TRANSFER DEVICE - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Stellungsmeß- und Umsetzvorrichtung, die sich eines langgestreckten Rohres bedient, welches aus einem magnetisch sättigungsfähigen Material hergestellt ist. Durch das Rohr verläuft parallel zu seiner Längsachse ein Meßdraht, und auf einander diametral gegenüberliegenden Außenabschnitten des Rohres sind entgegengesetzt gepolte Magnete angeordnet, so daß der Magnetfluß von den Magneten den Abschnitt des Rohres, welcher zwischen den Magneten liegt, vollständig sättigt, während der verbleibende Teil des Rohres ungesättigt verbleibt. Die Verwendung eines Ferritelements von einer wulst-' förmigen Gestalt, welches zwischen zwei sättigenden Magneten angeordnet ist, um auf einer durch den Kern hindurchgehenden Meßleitung ein Ausgangssignal zu erzeugen, ist in dem US-Patent 3 638 221 offenbart, das im Namen von Victor M. Bernin am 25. Jamiar 1972 ausgegeben und dem Anmelder der vorliegenden Erfindung überschrieben wurde. Die Vorrichtung des Bernin-PatentsThe invention relates to a position measuring and relocating device which makes use of an elongated tube made of a magnetically saturable material. A measuring wire runs through the tube parallel to its longitudinal axis, and oppositely polarized magnets are arranged on diametrically opposite outer sections of the tube, so that the magnetic flux from the magnets completely saturates the section of the tube which lies between the magnets, while the remaining part of the pipe remains unsaturated. The use of a ferrite element of a bulbous shape disposed between two saturating magnets to produce an output signal on a test lead passing through the core is disclosed in U.S. Patent 3,638,221 issued in the name of Victor M. Bernin on July 25, 1972 and assigned to the assignee of the present invention. The device of the Bernin patent
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»». 033QO33»». 033QO33
bhb. 2813-200bhb. 2813-200
besteht in einem Armaturenbrettschalter, bei welchem der gesamte wulstförmige Kern vollständig gesättigt ist, wenn die Magnete auf einem Tastarm in die Nähe der Kerne abgesenkt werden. Um den Zweck des Bernin-Patents zu erfüllen, ist der Kern des Schalters dieses Patents so angeordnet, daß seine Achse parallel zu dem breiten Teil der Magnete liegt, die von erheblich größerer Abmessung sind als die Dicke des Kerns.consists in a dashboard switch in which the entire bead-shaped core is completely saturated when the magnets be lowered on a probe arm close to the nuclei. To accomplish the purpose of the Bernin patent, the core of the Switch of this patent arranged so that its axis is parallel to the broad part of the magnets, which is of considerably larger size Dimension are called the thickness of the core.
Die vorliegende Erfindung benutzt im Gegensatz dazu ein hohles langgestrecktes zylindrisches Rohr, hergestellt aus einem Material, das magnetisch sättigungsfällig ist, einen Meßdraht, der sich durch das Rohr hindurcherstreckt, sowie zwei entgegengesetzt gepolte Magnete, die sich auf der Außenseite des Rohres entlangbewegen, um eine genaue lineare Angabe der Stellung der Magnete mit Bezug auf das Rohr auf der Meßleitung zu erzeugen. Mit anderen Worten sieht die Erfindung kein "1" oder 11O"-Aus— gangssignal vor, sondern kann statt dessen benutzt werden, um die Stellung der Sättigungsmagnete mit Bezug auf das Rohr genau zu bestimmen. Der Abschnitt des langgestreckten Rohres, welcher zwischen den Magneten liegt, ist gesättigt, während der verbleibende Teil nicht gesättigt ist. Da das Rohr einen geschlossenen Flußpfad bietet, entsteht an den Enden der Sättigungsmagneten kein nennenswerter Randefifekt. Daher verbleibt der Teil des Rohres, der nicht zwischen den Magneten liegt, im wesentlichen ungesättigt. Da das Ausgangssignal, welches auf dem durch das Rohr hindurchführenden Meßdraht erzeugt wird, nicht von den . magnetischen Charakter!stika des Rohres, sondern lediglich von der Stellung der Magnete mit Bezug auf das Rohr abhängig ist, wird ein sehr lineares Ausgangssignal erzielt. Außerdem sindThe present invention, in contrast, uses a hollow elongated cylindrical tube made of a material susceptible to magnetically saturation, a measuring wire extending through the tube, and two oppositely polarized magnets moving around the outside of the tube to generate an exact linear indication of the position of the magnets in relation to the pipe on the measuring line. In other words, the invention does not "1" or 11 O "-Off- output signal provides, but may instead be used to adjust the position of the saturation magnets with respect to the tube to accurately determine. The portion of the elongated tube connected between the Magnet is saturated, while the remaining part is not saturated. Since the pipe offers a closed flux path, there is no significant edge defect at the ends of the saturation magnets. Therefore, the part of the pipe which is not between the magnets remains essentially unsaturated. Since the output signal which is generated on the measuring wire passing through the pipe does not depend on the magnetic characteristics of the pipe, but only on the position of the magnets in relation to the pipe, a very linear output signal is achieved
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auch die Schwierigkeiten, welche magnetische Meßeinrichtungen beeinträchtigen, die von einer Teilsättigung des Meßelements abhängig sind, wie beispielsweise Temperaturschwankungen und Veränderungen durch Altern, ausgeschaltet. Darüber hinaus ist die magnetische Kraft, die erforderlich ist, um die Vorrichtung gemäß der Erfindung zu betreiben, nicht kritisch, da zur Erzeugung des Ausgangssignals die Sättigung des Rohres zwischen den Magneten maßgebend ist. Dies steht in direktem Gegensatz zu den Meßvorrichtungen, wie sie beispielsweise in.dem McAdam-Patent Nr. 2 915 637 gezeigt werden, wo die magnetische Sättigung des gesamten wulstförmigen Kerns durch die Stellung des benachbarten Magneten beeinträchtigt wird. Somit unterliegt der Kern den soeben erwähnten Temperatur- und Alterungsfehlern, und die Vorrichtung hat einen kritischen magnetischen Kraftbedarf für den Steuermagneten. also the difficulties which affect magnetic measuring devices from partial saturation of the measuring element such as temperature fluctuations and changes due to aging. In addition, is the magnetic force that is required to operate the device according to the invention is not critical, since the Generation of the output signal the saturation of the pipe between the magnets is decisive. This is in direct contrast to the measuring devices such as shown in McAdam Patent No. 2,915,637, where the magnetic saturation of the entire bead-shaped core is affected by the position of the adjacent magnet. Thus, the core is subject to the just now mentioned temperature and aging errors, and the device has a critical magnetic force requirement for the control magnet.
Die vorliegende Erfindung wird durch Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:The present invention is made clear by referring to the accompanying drawings Drawings explained in more detail. Show it:
Fig. 1 eine Seitenansicht einer Ausführungsform der Erfindung mit einem einzigen Rohr,Fig. 1 is a side view of an embodiment of the invention with a single pipe,
Fig. 2 eine Endansicht der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform des Umsetzers,FIG. 2 is an end view of the embodiment shown in FIG of the converter,
Fig. 3 eine graphische Darstellung, welche die Beziehung zwischen der Stellung der Sättigungsmagnete und der Induktanz der als ein Induktanzelement betriebenen und gemäß Fig. 1 ausgelegten Vorrichtung zeigt,Fig. 3 is a graph showing the relationship between the position of the saturation magnets and the inductance of the operated as an inductance element and designed according to FIG Device shows
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Fig. k eine Ausführungsform der Erfindung, bei welcher zwei Rohre miteinander verbunden sind, um ein Differentialpotentiometer zu bilden,Fig. K shows an embodiment of the invention in which two tubes are connected together to form a differential potentiometer,
Fig. 5 eine graphische Darstellung, welche die Beziehung des Verhältnisses der Induktanzen der zwei Rohre der Fig. 4 mit Bezug auf die Verschiebung der Sättigungsmagnete zeigt, undFig. 5 is a graph showing the relationship of the Ratio of the inductances of the two tubes of FIG. 4 with respect to the displacement of the saturation magnets shows, and
Fig. 6 eine Ausführungsform, in welcher zwei Rohre benutzt werden, um ein Differentialpotentiometer zu bilden, bei welchem die Rohre in eine halbkreisförmige Gestalt gebogen sind«Figure 6 shows an embodiment in which two tubes are used to form a differential potentiometer in which the tubes are bent into a semicircular shape.
Die Stellungsumsetzer gemäß der Erfindung sind hochgradig linear, kontaktlos, sehr genau und zuverlässig; sie sind in der Lage, in ungünstigen Umgebungen' und unter erschwerten Bedingungen zu arbeiten und sind relativ billig. Die Art, in welcher der lineare Umsetzer konstruiert ist, ist in Fig. 1 gezeigt, in welcher das langgestreckte hohle Rohr 10 aus Ferrit oder einem anderen geeigneten Material hergestellt sein kann, das magnetisch sättigungsfähig ist. Wenn eine induktive Type des Umsetzers erwünscht ist, dann kann ein einziger Meßdraht 12 parallel zur Längsachse des Rohres durch dieses hindurchführen. Wahlweise könnte'auch ein Treibdraht ik in das Rohr 10 eingesetzt und mit einem elektrischen Stromimpuls versorgt werden, um die Transformatorwirkuhg zwischen dem Troibdraht 14 und dem Meßdraht 12 vorzusehen. Durch Vervendung des zylindrischen hohlen Rohres 10 wird um den Meßdraht 12 herum durch die Wunde 16 des Rohres 10 ein geschlossener magnetischer Kraftlinienweg gebildet.The position translators according to the invention are highly linear, non-contact, very accurate and reliable; they are able to work in unfavorable environments and under difficult conditions and are relatively cheap. The manner in which the linear converter is constructed is shown in Figure 1 in which the elongated hollow tube 10 can be made of ferrite or other suitable material that is magnetically saturable. If an inductive type of converter is desired, then a single measuring wire 12 can pass through the pipe parallel to the longitudinal axis of the pipe. Optionally, a drive wire ik could also be inserted into the pipe 10 and supplied with an electrical current pulse in order to provide the transformer effect between the Troibdraht 14 and the measuring wire 12. By using the cylindrical hollow tube 10, a closed magnetic line of force path is formed around the measuring wire 12 through the wound 16 of the tube 10.
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Die eigentliche Länge des Rohres 10 ist abhängig von dor Art und der Genauigkeit der erwünschten Messung. Im allgemeinen liogt jedoch die Längs abmessung L.. des Rohres in der Größenordnung von wenigstens dem Zehnfachen der Dicke bekannter wulstförmigor Kerne, die für eine Verwendung als Magnetspeicherkerne im Handel erhältlich sind j allgemein beträgt die Längsabmessung L des Rohres über 1 Zoll, wenn eine relativ genaue Messung erforderlich ist. Die Längs abmessung L2 der Magnete 18, 20 ist vorzugsweise etwas kürzer als die Länge L1. Je länger das Rohr, um so hochgradiger genau wird die Meßvorrichtung. Die relative Lage der zwei Magnete 18, 20, die entgegengesetzt gepolt sind und im Bereiche der Außenfläche des Umfangs der Welle 16 liegen, bestimmt das Ausgangssignal, welches in dem Meßdraht 12 erscheint. Bei ihrem Weg von links nach rechts, wie in Fig. 1 gezeigt, sättigen die Magnete im wesentlichen ein größer und größer werdendes Volumen des Rohres 10. In der in Fig. 1 gezeigten" Lage ist der Abschnitt A des Rohres 10 zwischen den Magneten 18, 20 im wesentlichen gesättigt, während der Abschnitt B außerhalb der Magnete 18, 20 im wesentlichenThe actual length of the tube 10 depends on the type and accuracy of the desired measurement. In general, however, the longitudinal dimension L. accurate measurement is required. The longitudinal dimension L 2 of the magnets 18, 20 is preferably slightly shorter than the length L 1 . The longer the tube, the more accurate the measuring device becomes. The relative position of the two magnets 18, 20, which are polarized in opposite directions and lie in the area of the outer surface of the circumference of the shaft 16, determines the output signal which appears in the measuring wire 12. As they move from left to right, as shown in FIG. 1, the magnets essentially saturate a larger and larger volume of the tube 10. In the position shown in FIG. 1, the section A of the tube 10 is between the magnets 18 , 20 is essentially saturated, while the section B outside of the magnets 18, 20 is essentially
ungesättigt ist. Obwohl ein gewisser Sättigungsgrad in der Nähe der Grenzlinie 22 zwischen den Abschnitten A und B vorhanden ist, ist diese sehr gering, und zwar wegen der großen Nähe der Magnete 18, 20 zueinander und wegen des geschlossenen magnetischen Kraftlinienwegs, der durch die Wände 16 vorgesehen ist.is unsaturated. Although a certain degree of saturation close by the boundary line 22 between the sections A and B is present, this is very small, because of the close proximity of the magnets 18, 20 to each other and because of the closed magnetic line of force path provided by the walls 16.
Bei der Bewegung der Magnete 18, 20 nach links oder nach rechts über das Rohr wird jeweils eine unterschiedliche Volumenmenge des Rohres magnetisch gesättigt, um auf der Meßleitung eine Angabe hinsichtlich der relativen Lage des Rohres 10 mit Bezug auf dieWhen moving the magnets 18, 20 to the left or to the right A different volume of the pipe is magnetically saturated via the pipe in order to obtain an indication on the measuring line in terms of the relative position of the tube 10 with respect to the
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Magnete I8f 20 zu geben. Da jeder Abschnitt des Rohres entweder vollständig gesättigt oder im wesentlichen ungesättigt ist, ist die Vorrichtung praktisch frei von Temperatur- und Alterungseinflüssen und verlangt keine kritische magnetische Kraft, was der Fall sein würde, wenn die gesamte Konstruktion des Rohres 10 durch die Magnete 18, 20 teilweise magnetisch gesättigt wäre. Somit kann das Rohr 10 bei einem hohen Grad an magnetischer Auflösung und Steuerung allmählich gesättigt werden. Um dieses Ergebnis zu erreichen, muß ein hohes Verhältnis der Länge L1 des Rohres 10 zu seinem Durchmesser d gegeben sein, so daß der schmale Luftspalt zwischen den Magneten 18, 20 und der Wand Λ β zu einer mehr begrenzten und steuerbaren Flußlinienform führt, so daß der Umsetzer nicht gegenüber der Flußdichte empfindlich ist.To give magnets I8 f 20. Since each section of the tube is either completely saturated or essentially unsaturated, the device is practically free from the effects of temperature and aging and does not require any critical magnetic force, which would be the case if the entire construction of the tube 10 were supported by the magnets 18,20 would be partially magnetically saturated. Thus, the tube 10 can gradually become saturated with a high degree of magnetic resolution and control. To achieve this result, there must be a high ratio of the length L 1 of the tube 10 to its diameter d, so that the narrow air gap between the magnets 18, 20 and the wall Λ β leads to a more limited and controllable flux line shape, see above that the converter is not sensitive to the flux density.
Das Rohr 10 kann stranggepreßt sein, was zu einer hohen Gleichmäßigkeit im Querschnittsbereich führt, was wiederum der Genauigkeit des Umsetzers zuträglich ist. Außerdem können, da induktive Wicklungen nicht um das Rohr 10 herumgewickelt werden, die Magnete 18, 20 in großer Nähe der Wand 16 angeordnet werden, und eine geringe Wanddicke der Wand i6 ist ebenfalls einer hochgradigen magnetischen Auflösung zuträglich. Die graphische Darstellung der Fig. 3 zeigt, daß bei einer Zunahme des Abstandes D von der linken Seite des Rohres zu den rechten Seiten 2k, 26 der Magnete 18 bzw, 20 die Induktanz des Rohres 10 im wesentlichen linear gemäß der relativen Lage der Magnete 18, 20 und des Rohres 10 abnimmt·The tube 10 can be extruded, which leads to a high uniformity in the cross-sectional area, which in turn is beneficial to the accuracy of the converter. In addition, since inductive windings are not wound around the pipe 10, the magnets 18, 20 can be placed in close proximity to the wall 16, and a small wall thickness of the wall i6 is also conducive to a high degree of magnetic resolution. The graph in FIG. 3 shows that with an increase in the distance D from the left side of the tube to the right sides 2k , 26 of the magnets 18 and 20, the inductance of the tube 10 is essentially linear according to the relative position of the magnets 18 , 20 and the pipe 10 decreases
Wie oben erwähnt, kann der Umsetzer gemäß der Erfindung durchAs mentioned above, the converter according to the invention can through
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Hinzufügung einer Treibleitung 14 in der Ausführungsform nach Fig. 1 zu der induktiven Ausführung, die lediglich die Meßleitung 12 verwendet, wahlweise als ein Transformatorelement ausgeführt werden. Außerdem kann die vorliegende Erfindung in einer Kombination mit anderen Elementen oder mit zusätzlichen Umsetzern verbunden werden. Beispielsweise zeigt die Ausführungsform nach Fig. h eine Ausgestaltung, in welcher ein erstes magnetisches Rohr 10' in der Nähe eines zweiten magnetischen Rohrs 10" angeordnet ist, so daß die Achse der Längsabmessungen der beiden Rohre miteinander fluchten. Die Meßdrähte 12' durch das Rohr 101 und der Meßdraht 12" durch das Rohr 10" sind an ihren Mittelpunkten miteinander verbunden, um eine Ausgangsvorrichtung mit drei Endanschlüssen zu bilden, die als ein Differentialpotentio-Addition of a driveline 14 in the embodiment according to FIG. 1 to the inductive embodiment, which only uses the measuring line 12, can optionally be implemented as a transformer element. In addition, the present invention can be combined with other elements or with additional converters. For example, the embodiment of Fig. H shows an embodiment in which a first magnetic tube 10 'is arranged in the vicinity of a second magnetic tube 10 "so that the axis of the longitudinal dimensions of the two tubes are aligned with one another. The measuring wires 12' through the tube 10 1 and measuring wire 12 "through tube 10" are connected together at their midpoints to form an output device having three end connections which act as a differential potential.
sich
meter benutzt werden kann. Während/die Magnete 18·f 20· über die
Rohre 10', 10" hinwegbewegen, werden verschiedene Abschnitts der betreffenden Rohre gesättigt und ungesättigt. Fig. 5 zeigt die
Beziehung des Abstands D1 von der Mittellinie C in der Mitte
zwischen dem linksseitigen Ende des Rohres 10' und dem rechtsseitigen
Ende des Rohres 10" zum linksseitigen Ende der Magnete 18', 20", während sich diese nach rechts bewegen, wie in Fig. 4
gezeigt, mit Bezug auf das Verhältnis der Induktanz des Rohres 10" zur Induktanz des Rohres 10· für eine andere Induktorausführung.
Ein ähnliches lineares Induktanzverhältnis wird erzielt, während sich die Magnete nach rechts bewegen. Ahnlich wie bei der
Aus führungs form nach Fig. 1 kann die Vorrichtung lediglich durch Hinzufügen der Treibleitungen i4* , 14", die beim Induktortyp nicht
benutzt werden, in eine Einrichtung vom Typ eines Transformators umgewandelt werden. Die Ausführung nach Fig. h kann auch durch
Hinzufügen von Treibdrähten 14', 14" umgewandelt werden, um einethemselves
meter can be used. As the magnets 18 · f 20 · move across the tubes 10 ', 10 ", various portions of the respective tubes become saturated and unsaturated. Figure 5 shows the relationship of the distance D 1 from the center line C midway between the left-hand end of the pipe 10 'and the right-hand end of the pipe 10 "to the left-hand end of the magnets 18', 20" as they move to the right as shown in Fig. 4 with respect to the ratio of the inductance of the pipe 10 "to the inductance of the tube 10 · for a different inductor design. A similar linear inductance ratio is achieved as the magnets move to the right. Similar to the device of a transformer, the embodiment, in the disclosed embodiment of FIG. 1, only by adding the drive lines i4 *, 14 ", which are not used in the inductor type, in a device of the type to be converted. According to Fig. H can also by adding drive wires 14 ', 14 "can be converted to a
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Gestaltung entsprechend einem Differentialtransformator hervorzubringen. In diesem Fall sind die rechten Seiten der Leitungen 14!, 14" miteinander verbunden, um die Ausgangswicklungen des Potentiometers zu bilden, während die Leitungen 12·, 12" wiederum die Meßwicklungen bilden.Bringing design according to a differential transformer. In this case, the right sides of the lines 14 ! , 14 "are connected together to form the output windings of the potentiometer, while lines 12 ·, 12" in turn form the measuring windings.
Fig. 6 zeigt eine weitere Ausführungsform der Vorrichtung nach Fig. kt in welcher die Rohre 10·, 10" in eine halbkreisförmige Gestalt gebogen sind, um Platz zu sparen, und die Magnete 18·, 20' entsprechend gebogen sind, um über die Außenseite der Rohre 101, 10" herüberzugehen. Es sei darauf hingewiesen, daß das äußere Rohre 18' etwas länger ist als der innere .Magnet 2.0',Fig. 6 shows a further embodiment of the device according to FIG. K t in which the tubes 10 ·, 10 'bent into a semicircular shape, to save space, and the magnets 18 ·, 20' are bent appropriately to about Outside of the tubes 10 1 , 10 "to go over. It should be noted that the outer tube 18 'is slightly longer than the inner' magnet 2.0 ',
Wenn in der Vorrichtung nach Fig. 1 nur der Meßdraht zur Anwendung kommt, und wenn sie als ein Induktormeßelement benutzt wird, dann kommt normalerweise ein Fechselstromerregungssignal zur Anwendung. Die Erregung erfolgt im allgemeinen von einer Stromquelle aus, soIf in the device according to FIG. 1 only the measuring wire is used and when used as an inductor sensing element, an ac excitation signal is normally used. The excitation is generally from a power source, see above
Lage daß die Spannung an dem induktiven Umsetzer der durch die relative/ der Magnete 18', 201 und der Rohre 10', 10" verursachten Induktanzabweichung direkt proportional ist. Der Induktor kann mit einem Oszillatorkreis zum Messen in bekannter Weise gekoppelt sein.Position that the voltage at the inductive converter is directly proportional to the inductance deviation caused by the relative / magnets 18 ', 20 1 and the tubes 10', 10 ". The inductor can be coupled to an oscillator circuit for measurement in a known manner.
Wenn ein Potentiometer-Umsetzer mit drei Endanschlüssen erwünscht ist, wie in Fig. h gezeigt, dann kann an die Meßleitungen 12', 12" eine konstante Spannungserregung angelegt werden. Wennrdie Treibleitungen 14', ikn der in Fig. k gezeigten Ausführungsform hinzugefügt werden, um einen Umsetzer nach Art eines Transformators zu bilden, dann werden sie in entgegengesetzter Phase angeschlossen, so daß bei Lage der Magnete 18', 20' der Art, daß die Mittellinie 28 ihre Längenabmessung L halbiex't, ein Nullausgangssignal ent-If a potentiometer converter is desired three-end connections, as shown in Fig. H, then ', 12 ", a constant voltage excitation are applied. If r the drive lines 14' can be connected to test leads 12, ik n in FIG k. The embodiment shown are added to form a converter in the manner of a transformer, then they are connected in opposite phase, so that when the magnets 18 ', 20' are positioned such that the center line 28 halves its length dimension L, a zero output signal is generated.
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steht. Bei der Bewegung der Magnete ±n die eine oder andere Richtung weicht das Ausgangssignal von seiner Nullstellung ab und macht eine Phasenumkehrung durch, sowie der Mittelpunkt der Magnete über die Mittellinie 28 hinweggeht.stands. When moving the magnets ± n one or the other Direction, the output signal deviates from its zero position and undergoes a phase reversal, as well as the midpoint the magnet passes over the center line 28.
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Claims (1)
und/einer Richtung im wesentlichen parallel zur Längsachse des Rohres durch das Rohr hindurchgeht, und daß die Vorrichtung als ein Transformator verwendet wird, der auf der Meßleitungin
and / in a direction substantially parallel to the longitudinal axis of the pipe passing through the pipe, and that the device is used as a transformer which is on the measuring line
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US51831074A | 1974-10-29 | 1974-10-29 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
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