DE2651221A1 - Magnetfeldsonde - Google Patents
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Description
NIPPON STEEL CORPORATION, No. 6-3, Otemachi 2-Chome,
Chiyoda-Ku, TOKYO 100, Japan MISHIMA KOSAN Co., Ltd., No. 1-15, 2-chome Edamitsu, Yawata-ku,
Kitakyushu-City, Fukuoka Prefecture/japan
Magnetfeldsonde
Die Erfindung betrifft eine Magnetfeldsonde.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein heißes Medium, zum Beispiel den Schmelzfluß eines Schmelzofens, mittels eines Magnetfeldes
zu vermessen und eine dazu geeignete Magnetfeldsonde zu schaffen.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die magnetisch aktiven Elemente - Magnetfeldtaster, Erreger und Treiber - innerhalb eines
rohrförmigen Innengehäuses angeordnet sind, daß das Innengehäuse unter Aussparung eines das Innengehäuse ringförmig umgebenden
Zwischenraums von einem ebenfalls rohrförmigen Außengehäuse umgeben ist, daß am rückwärtigen Ende in den Zwischenraum
eine Kühlmitteleiniaßleitung und eine Kuhlmittelauslaßleitung eines
äußeren Kühlsystems angeschlossen ist und daß der Zwischenraum durch eine Zwischenwand, die sich über die ganze Länge des
Innengehäuses erstreckt, in zwei Abteilungen unterteilt ist, die
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nur am freien Ende des Innengehäuses miteinander kommunizieren und von denen die eine auf der Zulaufseite und die andere auf
der Ablaufseite des Kühlmittels liegt.
Nach der Erfindung befindet sich der Magnetfeldtaster im Einflußbereich
des vom Erreger ausgehenden Magnetfeldes und dieses Magnetfeld durchsetzt das zu vermessende Medium, zum Beispiel den
Schmelzfluß eines Schmelzofens. Die Art der Beeinflussung ist abhängig von Zustandsgrößen des Mediums, also beispielsweise
des Schmelzflusses, die sich dann in Veränderungen der von dem Magnetfeldtaster gemessenen Magnetfeldwerte ausdrücken. Magnetische
Messungen sind temperaturabhängig, und um die an dieser Messung beteiligten Schaltungselemente, also den Magnetfeldtaster,
den Erreger und den Treiber, vor der direkten Hitzeeinwirkung des zu vermessenden Mediums zu schützen, dient der nach der Erfindung
vorgesehene Kühlmantel, der nach einer Weiterbildung der Erfindung, die Gegenstand des Anspruchs 2 ist, auf eine immer gleichförmige
Kühlung geregelt werden kann.
Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung sind Gegenstand
der übrigen Unteransprüche.
Die Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnung näher
erläutert.
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In der Zeichnung zeigt:
Figur 1
Figur 2
Figur 3
Figur 3
Figur 4
Figur 5a, 5b,
5c, 5d,
6a, 6b
5c, 5d,
6a, 6b
im Querschnitt eine Magnetfeldsonde nach der Erfindung,
den Schnitt II - II aus Figur 1,
einen Schnitt durch die Wandung eines Schmelzofens mit eingesetzter Magnetfeldsonde - die
Sonde in Seitenansicht,
ein gegenüber Figur 1 und 2 abgeändertes Ausführungsbeispiel in der Schnittdarstellung entsprechend
den Pfeilen II - II, und
die elektrischen Schaltungen verschiedener Ausführungsbeispiele von Magnetometern, wie sie in
Verbindung mit der Magnetfeldsonde aus Figur 1 verwendbar sind.
Mit 1 ist ein inneres Kernelement bezeichnet, das einen Magnetfeldtaster
2, einen Erreger 3 und einen Treiber 4 für den Magnetfeldtaster 2 aufgereiht aufweist.
Der Erreger 3 erzeugt ein magnetisches Erregerfeld, um eine Ladung in einem Schmelzofen zu magnetisieren. Ein solcher Erreger
kann zum Beispiel aus Erregerspulen in Zusammenwirken mit einem Magnetkern bestehen, wobei der Erregerstrom, der die Spulen durchsetzt
Gleich- oder Wechselstrom sein kann. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Erreger ein Permanentmagnet, weil dieser
konstruktiv einfacher und praktischer ist.
Der Magnetfeldtaster 2 ist am freien Ende des Kernelementes 1 vor dem Erreger 3 angeordnet und tastet Änderungen des Magnetfeldes,
die durch einen Ladungsabfall innerhalb des Schmelzofens hervorgerufen sind. Der Magnetfeldtaster 2 bildet zusammen mit dem
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Treiber 4, der am Fußende des Kernelementes 1 fußseitig vom
Erreger 3 angeordnet ist, ein Magnetometer. Der Treiber 4 treibt den Magnetfeldtaster 2.
Für einen solchen Magnetometer können flußschaltende Magnetometer,
Hallelemente, SMD, magnetische Reluktanzelemente, Systeme mit orientierten Spulen und alle anderen bekannten Magnetfeldsondenelemente
verwendet werden. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist ein magnetischer Vielfachtaster eingesetzt, der ein magnetisches
Oszillationsphänomen ausnutzt, das durch einen Transistor und eine Magnetspule hervorgerufen wird. ·
Das Kernelement 1 ist ein stabiler Träger, der Ausnehmungen zur Aufnahme des Magnetfeldtasters, des Erregers und des Treibers
auf einem Substrat 1a aufweist. Am Fußende des Kernelementes
ist ein Verbinder 21 angeordnet.
Mit 5 ist ein Innengehäuse bezeichnet, das das Kernelement 1 umgibt. Mit 7 ist ein Außengehäuse bezeichnet, innerhalb dessen
das Innengehäuse 5 untergebracht ist, so daß zwischen den beiden Gehäusen ein ringförmiger Zwischenraum 6 stehenbleibt.
Die beiden Gehäuse 5 und 6 bestehen aus nicht magnetisierbarem
Material, zum Beispiel Kupfer oder rostfreiem Stahl. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel bestehen sie aus rostfreiem Stahl.
Mit 8 ist eine feststehende Wand bezeichnet. Es sind mehrere solche feststehende Wände auf den Umfang verteilt am Innengehäuse
5 befestigt, die paarweise einander gegenüberstehen, sich über den Zwischenraum 6 erstrecken und am Außengehäuse 7 abgestützt
sind, um Schwingungen des Innengehäuses 5 innerhalb des Zwischenraums 6 zu vermeiden.
Mit 1O ist eine Kühlmitteleinspritzdüse bezeichnet, durch die
Kühlmittel über die Kühlmitteleinlaßleitung 15, die das Außengehäuse 7 durchsetzt, in den Zwischenraum 6 gelangt. Mit 12 ist
ein Steuerventil für den Kühlmitteleinlaß bezeichnet. Als Kühl mittel wird gekühltes Wasser verwendet.
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Mit 11 ist ein Kühlmittelauslaßstutzen bezeichnet, der an die Kühlmittelauslaßleitung 16, die das Außengehäuse 7 durchsetzt,
angeschlossen ist und mit einem Steuerventil 13 ausgestattet ist. Als Kühlmittel kommen neben Wasser in Frage : gekühlte
Gase, wie Luft, Stickstoff und dergleichen, oder gekühlte Flüssigkeiten, wie Öl.
Mit 9 ist eine Zwischenwand bezeichnet, die sich mit zwei einander
diametral gegenüberliegenden Teilen über die gesamte Länge des Innengehäuses 5 über den Zwischenraum 6 erstreckt und diesen
in eine einlaufseitige, in Figur 1 unten gezeichnete, und in
eine auslaufseitige, in Figur 1 oben gezeichnete, Abteilung unterteilt, die nur am freien Ende des Innengehäuses miteinander
verbunden sind. Auf diese Weise wird das Kühlmedium gezwungen, zunächst von der Kühlmitteleinlaßleitung entlang der unteren
Abteilung um das freie Ende des Innengehäuses herum in die obere Abteilung zu strömen und erst von da zurück zur Kühlmittelauslaßleitung.
Auf diese Weise wird eine gleichförmige Kühlung beider Gehäuse 5 und 7 erzielt.
Statt die Zwischenwand 9 diametral anzuordnen, kann man sie auch ringförmig konzentrisch zu den beiden Gehäusen zwischen diesen
anordnen, wie dies in dem Querschnitt gemäß Figur 4 dargestellt ist. Eine solche konzentrische Zwischenwand wird dann durch beidseitig angeordnete Wände 8' gestützt. Die Kühlmitteleinlaßleitung
15 mündet bei der Abänderung gemäß Figur 4 in dem inneren
Zwischenraum zwischen der Zwischenwand 9' und dem Innengehäuse. Aus diesem inneren Zwischenraum strömt das Kühlmittel am freien
Ende des Innengehäuses in den äußeren Zwischenraum zwischen der Zwischenwand 9' und dem Außengehäuse und von da an die Kühlmittelauslaßleitung.
Mit 14 ist ein Flansch bezeichnet, der vor der Kühlmitteleinspritzdüse
1ο und auch vor dem Kühlmittelauslaßstutzen 11 auf
dem Umfang des Außengehäuses 7 befestigt ist. Mit diesem Flansch wird die dargestellte Magnetfeldsonde an der Wand eines
Schmelzofens angeschlagen, die an dieser Stelle einen Durchbruch aufweist, um das freie Ende des Außengehäuses in den Schmelzofen
zu stecken. Der Flansch 14 wird an der Wand des Schmelzofens mit
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Schellen oder dergleichen befestigt.
Mit 2o ist eine Dichtung bezeichnet, die zwischen den Gehäuseteilen
5a und 7a angeordnet ist. Die beiden Gehäuseteile 5a und 7a sind aneinander mit Bolzen verschraubt und an das Gehäuseteil 5a ist
ein Kragenteil 22 mit Bolzen angeschraubt, innerhalb dessen der Verbinder 21 angeordnet ist, von dem das Kabel 23 ausgeht, das
aus dem offenen Ende des Kragenteils 22 herausgeführt ist.
Das Kernelement 1 ist an dem Gehäuseteil 5a befestigt.
Mit 24 und 25 sind Verbinder bezeichnet, die oben und unten an der Magnetfeldsonde A angeordnet sind und an Kühlmitteltemperaturfühler
17 und 1.8 angeschlossen sind, die ihrerseits in bestimmten
Positionen innerhalb der Kühlmitteleinspritzdüse 1O und des Kühlmittelauslaßstutzens 11 angeordnet sind.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist, wie aus Figur 3 ersichtlich, bei Betrieb die Magnetfeldsonde A bis zum Flansch
in ein horizontales Bohrloch 32 des Schmelzofens eingesteckt. Die Magnetfeldsonde ist durch die Ummantelung 3o des Schmelzofens
in das Mauerwerk 31 des Schmelzofens gesteckt und an der Ummantelung 3o mit Hilfe des Flansches 14 befestigt. Mit der Magnetfeldsonde
können die Fließgeschwindigkeit, die Schichtdicke und andere Betriebsbedingungen von das Magnetfeld beeinflussenden Medien, zum
Beispiel Eisen während eines Schmelzprozesses innerhalb des Schmelzofens vermessen werden. Die Vermessung erfolgt dabei aufgrund
von Veränderungen , die das magnetische Feld, das von dem Erreger 3 ausgeht, auf dem wege zum Magnetfeldtaster erfährt.
Während der Messung wird das Kühlmedium ständig durch den Zwischenraum 6 gespült, um die beiden Gehäuse 5 und 7 zu Kühlen,
damit die Messung nicht durch allzu starke Hitzeeinwirkung gestört wird. Um dabei im Interesse einer exakten Messung sicherzustellen,
daß die Kühlung immer gleichförmig erfolgt, sind die erwähnten Temperaturfühler 17 und 18 innerhalb der Kühlmittelein
spritzdüse io und des Kühlmittelauslaßstutzens 11 angeordnet.
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Aufgrund der mit diesen Temperaturfühlern gemessenen Temperaturwerte wird der Kühlmittelstrom so nachgesteuert, daß die Kühlung
mit der gewünschten Gleichförmigkeit erfolgt. Die Nachsteuerung kann am Mengendurchfluß des Kühlmittelstroms und/oder an der
Kühlmitteltemperatur steuernd angreifen.
In den Figuren 5a bis 5d sind die Schaltungen von Magnetometern dargestellt, die mit magnetischer Oszillation arbeiten und in
Verbindung mit der in Figur 1 bis 4 dargestellten Sonde Anwendung finden können. Die Magnetometer weisen einen einzigen
Transistor, einen Wandler, zwei Wicklungen und eine Gleichspannungsquelle auf. Gemäß Figur 5a ist der Transistor vom Typ NPN.
Mit 41 ist ein geradliniger Wandler bezeichnet, auf den zwei Spulen 42 und 43 gewickelt sind. Das eine Ende der Spule 42 ist
an den widerstand R. angeschlossen, der mit seinem anderen Anschluß
an den negativen Pol der Gleichspannungsquelle Ed angeschlossen ist. Das andere Ende der Spule 42 ist an die Basiselektrode
des Transistors Q1 und über einen Widerstand R2 an dem positiven
Pol der Spannungsquelle Ed angeschlossen. Die Spule ist zwischen die Kollektorelektrode des Transistors Q1 und den
positiven Pol der Gleichspannungsquelle Ed geschaltet. Zwischen die Emitterelektrode des Transistors Q und den negativen Pol
der Gleichspannungsquelle Ed ist ein Widerstand RQ geschaltet.
Aufgrund eines durch den widerstand RQ fließenden Oszillatorstroms
fällt über diesem widerstand eine Ausgangsspannung e01 ab.
Der Gleichspannungsanteil der Oszillatorspannung kann an den Anschlüssen EQ1 über die Kapazität CQ abgegriffen werden. Die
Kapazität CQ ist parallel zu dem Widerstand RQ geschaltet.
Die Oszillatorfunktion ist folgende. Das Flußniveau in dem Wandler 41 wird durch ein äußeres magnetisches Feld H hervorgerufen.
Wenn demzufolge die Spannung aus der Spannungsquelle Ed an den Transistor Q1 gelangt, dann fließt ein Strom über den
folgenden Strompfad Ed©—> R3->
Q —> RQ—» EdG. Der Kollektorstrom
des Transistors Q1 beginnt aufgrund des genannten Stromes
zu fließen und es wird in der Spule 42 eine Spannung induziert und als Folge davon steigt der Basisstrom des Transistors Q1 'an.
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AO
Der Kollektorstrom des Transistors Q steigt daraufhin, bedingt
durch die positive Rückkoppelung, sehr schnell an und macht den Transistor Q1 leitend. Der Wandler 41 hat jedoch eine nicht lineare
Charakteristik und kann gesättigt werden, so daß bei ansteigendem Kollektorstrom die Flußänderung d^/dt immer kleiner wird, die
induzierte Spannung in der Spule 42 abnimmt und der Kollektorstrom des Transistors Q langsam reduziert wird, bis schließlich der
Transistor wieder nicht leitend wird.
Wenn nun der Kollektorstrom nicht fließt, kehrt das Flußniveau in dem Wandler 41 wieder auf den ursprünglichen Wert zurück. Diese
Vorgänge wiederholen sich periodisch und führen zu der bereits erwähnten Oszillation der Schaltung. Das durch das äußere Magnetfeld
H in dem Wandler 41 hervorgerufene Magnetfeld bestimmt das Verhältnis
zwischen der Phase, in der der Transistor Q leitend ist, und der Phase, in der der Transistor Q1 nicht leitend ist.
In den Figuren 5b und 5c sind Schaltungen dargestellt, die gegenüber
der in Figur 5a dargestellten modifiziert sind. Die Oszillation ist im Prinzip die gleiche wie im Text zu Figur 5a beschrieben.
Nach Figur 5d, die ebenfalls eine gegenüber Figur 5a modifizierte Schaltung zeigt, ist der vorgesehene Transistor Q„ vom Typ PNP.
Ein dem Widerstand R_ aus Figur 5a entsprechender Widerstand ist in Figur 5d nicht vorgesehen, weil diese Schaltung ohne einen
solchen Widerstand oszilliert. Die Oszillatorfunktion entspricht im übrigen im wesentlichen der aus Figur 5a.
Figur 6a und 6b zeigen Magnetometer bestückt mit Multivibratoren.
Diese Magnetometer sind ausgerüstet mit einem Wandler, zwei Transistoren, vier Spulen und einer Gleichspannungsquelle Ed.
Nach Figur 6a sind die Transistoren Q_ und Q. vom Typ NPN und
die Oszillation erfolgt wie folgt.
Sobald Gleichspannung am Transistor Q„ liegt, fließt Strom entlang
des Strompfades ED©'-^ R5 —>
Q3—> RQ —» EdQ. Der Kollektorstrom
von Q„ beginnt über die Spule 46 und durch den Widerstand RQ
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zu fließen und es wird eine Spannung in der Spule 45 induziert. Durch diese induzierte Spannung steigt der Kollektorstrom des
Transistors CU, da die Basisseite auf Plus-Polarität liegt und
die Emitterseite an negativer Spannung liegt. Der Transistor Q„
wird auf diese Weise leitend. Andererseits wird durch die in der Spule 48 induzierte Spannung der Transistor Q4, der basisseitig
an negativem und emitterseitig an positivem Potential liegt, nicht
leitend. Dieser Zustand bleibt aber nur eine bestimmte Zeit aufrechterhalten, bedingt durch die nicht lineare Charakteristik des
Wandlers 41. Aufgrund dieser Charakteristik wird der Wert von d^/dt
in dem wandler 41 immer kleiner und schließlich Null, wie das im Text zu Figur 5a schon beschrieben worden ist. Die in der Spule 45
induzierte Spannung wird dann auch Null und der Kollektorstrom des Transistors Q„ verringert sich und das Flußniveau in dem Wandler 41
kehrt wieder zurück auf den Wert der durch das äußere magnetische Feld H hervorgerufen ist, so daß nun in der Spule 48 eine Spannung
mit umgekehrtem Vorzeichen induziert wird, wodurch die Basisseite des Transistors Q4 positiv wird und die Emitterseite negativ wird.
Dadurch wird der Transistor Q4 leitend und sein Kollektorstrom
fließt über die Spule 47 und den Widerstand RQ. Die in der Spule 45
induzierte Spannung macht nun den Transistor Q„ nicht leitend.
Diese Operationen wiederholen sich periodisch, was zu der erwähnten magnetischen Oszillation führt.
Figur 6b zeigt eine gegenüber Figur 6a modifizierte Schaltung, bei
der die beiden verwendeten Transistoren vom Typ PNP sind
Wird eine Magnetfeldsonde A gemäß Figur 1 wie in Figur 3 dargestellt
in einen Schmelzofen gesteckt, dann wird das von dem Erreger 3 ausgehende magnetische Erregerfeld durch die in unmittelbarer
Umgebung des in den Schmelzofen ragenden Teils der Sonde stattfindenden Veränderungen der auf das Magnetfeld einwirkenden
Medien, zum Beispiel flüssigem Eisen, verändert. Die Veränderungen, die auf den axialen Magnetfeldvektor einwirken, können
mit der Magnetfeldsonde vermessen werden und erlauben Rückschlüsse auf die äußeren Einflüsse, die von dem innerhalb des Schmelzofens
gelegenen Medium, zum Beispiel flüssigem Eisen, ausgehen.
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Wenn man zwei Magnetfeldtaster 2 an beiden Seiten des Erregers 3, also am freien Ende und am Fußende des Kernelementes 1, anordnet
und wenn man diese beiden Magnetfeldtaster 2 von einem Treiber 4 antreibt, dann kann man eine Kompensation erzielen, indem man
den äußeren Störfeldeinfluß, der bei beiden Magnetfeldtastern der gleiche ist, abzieht. Da die Sonde nur mit dem Magnetfeldtaster 2
in das Innere des Schmelzofens ragt, gehen deren Meßergebnisse auf Einflüsse aus dem Inneren des Schmelzofens zurück.
Wenn man statt eines Magnetfeldtasters 2, der im Ausführungsbeispiel
in axialer Richtung orientiert ist, mehrere Magnetfeldtaster am freien Ende des Kernelementes anordnet und diese in verschiedenen
Winkeln orientiert, dann kann man die Feldbeeinflussung im Inneren des Schmelzofens hinsichtlich entsprechend vieler Vektoren
vermessen und man kann durch eine entsprechende Anzahl im Winkel zueinander angeordneter Magnetfeldtaster, die außerhalb des Ofens
angeordnet sind, auch bei dieser Messung eine Kompensation äußerer Felder vorsehen.
Man kann zum Beispiel mit zwei Magnetfeldtastern, von denen der eine in Achsrichtung des Kernelementes und der andere senkrecht
dazu angeordnet ist, eine Meßvektorebene aufspannen und entsprechend mit drei Magnetfeldtastern ein räumliches Meßdiagramm aufspannen.
Leerseite
Claims (1)
- P 3ο 921ANSPRÜCHE1J Magnetfeldsonde, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetisch ""'■ aktiven Elemente - Magnetfeldtaster ( 2 ), Erreger ( 3 ) und Treiber ( 4 ) - innerhalb eines rohrförmigen Innengehäuses ( 5 ) angeordnet sind, daß das Innengehäuse ( 5 ) unter Aussparung eines das Innengehäuse ( 5 ) ringförmig umgebenden Zwischenraums von einem ebenfalls rohrförmigen Außengehäuse umgeben ist, daß am rückwärtigen Ende in den Zwischenraum ( 6 ) eine Kühlmitteleinlaßleitung ( 15 ) und eine Kühlmittelauslaßleitung ( 16 ) eines äußeren Kühlsystems angeschlossen ist und daß der Zwischenraum durch eine Zwischenwand ( 9, 9' ),·die sich über die ganze Länge des Innengehäuses ( 5 ) erstreckt, in zwei Abteilungen unterteilt ist, die nur am freien Ende des Innengehäuses ( 5 ) miteinander kommunizieren und von denen die eine· auf der Zulaufseite und die andere auf der Ablaufseite des Kühlmittels liegt.2. Magnetfeldsonde nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Temperaturfühler im Kühlmittelzulauf ( 1O, 15 ) und im Kühlmittelablauf ( 11, 16 ) für eine äußere Regelung der Kühlung.709821 /0284- 2 P 3o 9213· Magnetfeldsonde nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Flansch ( 14 ), der außen am Außengehäuse ( 7 ) befestigt ist und zum Anschlag der Magnetfeldsonde an der Außenwandung eines Schmelzofens geeignet ist, und daß der Magnetfeldtaster ( 2 ) vollständig und der Erreger ( 3 ) mindestens teilweise auf derjenigen Seite des Flansches ( 14 ) angeordnet sind, die den Kühlmittelanschlußleitungen ( 15, 16 ) abgekehrt ist.4. Magnetfeldsonde nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetfeldtaster die Frequenz mitbestimmender Teil einer Oszillatorschaltung ist.5. Magnetfeldsonde nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Oszillatorschaltung mit einem Transistor bestückt ist, bei dem das Verhältnis zwischen leitender Phase und nicht leitender Phase abhängig ist von dem auf den Magnetfeldtaster einwirkenden äußeren Magnetfeld.6. Magnetfeldsonde nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetfeldtaster sich im Wirkungsbereich eines vom Erreger ( 3 ) ausgehenden Magnetfeldes befindet, daß der Magnetfeldtaster in die Nähe des Schmelzflusses eines Schmelzofens gebracht wird, derart, daß dieser Schmelzfluß das Magnetfeld des Erregers ( 3 ) und damit dessen Einwirkung auf den Magnetfeldtaster beeinflußt.709821/0284
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IT1064364B (it) | 1985-02-18 |
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