DE2658628B2 - Elektromagnetisch kompensierende Kraftmeß- oder Wägevorrichtung - Google Patents
Elektromagnetisch kompensierende Kraftmeß- oder WägevorrichtungInfo
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Description
F=B- J - n- 2nr
ein Maß für die elektromagnetisch erzeugte Kraft Fund ι ο damit für die zu messende Last darstellt; dabei bedeuten
B = magnetische Kraftflußdichte der Magnetanordnung,
/ = Spulenstroir.,
η = Windungszahl der Arbeitsspule, und 2itr = Länge einer Windung.
Dabei wird im allgemeinen vorausgesetzt daß die magnetische Kraftflußdichte konstant ist also der
Spulenstrom direkt proportional zu der elektromagnetisch erzeugten Kraft ist
Im allgemeinen wird der Spulenstrom / in einem Meßwiderstand in eine Meßspannung umgewandelt die
dann mittels eines Analog/Digital-Wandlers im Vergleich mit einer internen Referenzspannung in digitale
Größen umgesetzt wird. Als Magnetanordnung wird ein Permanentmagnet benutzt während die Referenzspannung
mittels einer Referenzdiode (Z-Dkxk) geliefert
wird.
Bei einem solchen System treten folgende Schwierigkeitenauf:
1. Der Temperaturkoeffizient und die Alterung des Permanentmagneten verändern die von der Magnetanordnung
gelieferte magnetische Kraftflußdichte und verfälschen damit das Meßergebnis;
2. auch der Temperaturkoeffizient und die Alterung des Meßwiderstandes verfälschen das Meßergebnis.
Der dadurch entstehende, systematische Fehler hat einen besonders starken negativen Einfluß auf
die Messung, da zur Kompensation von wechseln-
" den Lasten auch entsprechend variierende Ströme verwendet werden müssen, wodurch sich wiederum
eine schwankende Wärmeerzeugung und damit unterschiedliche Temperaturerhöhungen ergeben;
3. auch der Temperaturkoeffizient der Referenzdiode und damit der Referenzspannung sowie die
Alterung der Referenzdiode verfälschen das Meßergebnis. Außerdem lassen sich bei der
Referenzdiode statistische Spannungssprünge nicht vermeiden, die ebenfalls die Messung in
unkontrollierter Weise beeinflussen können.
Die Erfindung betrifft eine elektromagnetisch kompensierende Kraftmeß- oder Wägevorrichtung der im
Neben der einfachen Temperaturkompensation durch zusätzliche, temperaturabhängige Bauelemente
sind verschiedene Möglichkeiten bekanntgeworden, einzelne oder alle dieser Fehlermöglichkeiten systematisch
auszuschließen. Eine Möglichkeit stellt die sogenannte »Quotientenmessung« dar. Dabei wird
gleichzeitig mit zwei herkömmlichen Systemen gearbeitet, wobei das erste System mit der zu messenden Last
und das zweite System mit einer konstanten Masse beaufschlagt wird Dabei ersetzt das zweite System also
die Referenzdiode.
Bei der Ausführungsform nach der DE-PS 11 94 167
sind diese beiden Systeme in zwei Spalten eines
Permanentmagneten angeordnet. Bei der aus der US-PS 33 22 222 bekannten Ausführungsform befinden
sich diese beiden Systeme in dem selben Luftspalt. Bei der Vorrichtung nach der CH-PS 5 21 575 wird
mittels des zweiten Systems die magnetische Kraftfluß·
dichte .8 nachgeregelt.
Weiterhin werden nach dem älteren Patent 25 35 758 der Anmelderin die beiden Systeme mit konzentrischen
Zylindern mit Hilfe von Luftpolstern geführt
Durch diesen Lösungsweg können die oben erwähnten Schwierigkeiten (1) und (3) überwunden werden, da
diese Einflüsse auf die beiden Systeme in gleicher Weise einwirken und damit durch die Quotientenbildung
eliminiert werden können. Schwierigkeiten nach Punkt 2 bleiben sbsr bestehen, da die Meßwiderstände für
beide Systeme getrennt sind. Außerdem hat eine solche Vorrichtung einen sehr komplizierten Aufbau, da alle
Einzelteile zweimal vorhanden sein müssen. Und schließlich können Nullpunktänderungen des zweiten
Systems nicht erkannt oder gar erfaßt werden, so daß sie das Meßergebnis verfälschen können.
Bei einer Modifikation dieser Quotientenmessung wird zusätzlich eine Digitalisierung vorgenommen,
indem der Tragestrom, d. h, der durch die Arbeitsspule fließende Strom / in dem ersten System in Impulse
aufgeteilt wird. Dabei ist bei der Ausgestaltung nach der DE-PS 11 94 167 die Impulshäufigkeit proportional zur
aufgelegten Masse, während bei der Modifikation nach der CH-PS 5 29 999 die Impulslänge proportional zur
aufgelegten Masse ist
Dadurch kann zwar auch die oben erwähnte Schwierigkeit (2) beseitigt werden, die gesamte
Vorrichtung hat jedoch aufgrund der Verwendung des zweiten Systems einen sehr komplizierten Aufbau.
Außerdem können Nullpunktänderungen des zweiten Systems nicht erkannt oder erfaßt werden und
verfälschen damit das Ergebnis. Und schließlich ist eine komplizierte und temperatur- und alterungsanfällige
elektronische Schaltung erforderlich, um die Impulsform konstant zu halten. Insbesondere die Flankenform
ändert sich stark bei geringen Änderungen der Bauteile. Wird die Impulsform nicht konstant gehalten, so ist
keine genaue Messung mehr möglich.
Außerdem kann noch gemäß DE-AS 25 11 103 eine Digitalisierung im Regelkreis vorgenommen werden.
Dadurch können jedoch nur die Schwierigkeiten nach den oben erläuterten Punkten (1) und (2) beseitigt
werden, während die Schwierigkeit (3) bestehen bleibt. Dies kann wiederum nur durch die Verwendung der
Quotientenmessung umgangen werden, wodurch sich jedoch die oben erwähnten Nachteile ergeben würden.
Außerdem stellen die Kennlinie und die Hysterese des verwendeten weichmagnetischen Werkstoffes kritische
Größen dar.
Weiterhin ist aus der DE-OS 2317 756 eine
elektromagnetisch kompensierende Kraftmeß- und Wägevorrichtung bekannt, mit der das folgende
Problem gelöst werden soll: Der Strom / durch die Arbeitsspule beeinflußt im allgemeinen das Magnetfeld
des Permanentmagneten, so daß für die Kraftschlußdichte B im allgemeinen der folgende Ansatz gemacht
wird:
Die Konstante c hängt von der Geometrie der
Magnetanordnurig ab, Dadurch ergibt sich in der Gleichung für die Kraft Fein /2'T<jrm:
/ = B ■ J ■ ,ι ■ 2 π ι = ß„ ■ η ■ 2 ,τ ι ·./- ß„ · η ■ 2 π r ■ ι · J2
Die Korrektur dieses /2-Terms erfolgt gemäß der
DE-OS 23 17 756 mittels einer Korrekturspule und den
aktiven Kern der Magnetanordnung; diese Korrekturspule wird vom Strom durch die Ärbeitsspule
durchflossen und ist so dimensioniert, daß sich die Wirkung der Arbeitsspule und der Korrekturspule auf
die magnetische Kraftflußdichte 8 aufheben, also die magnetische Kraftflußdichte B nicht mehr von dem
Strom /durch die Arbeitsspule abhängt
Nachteilig ist bei einer solchen Lösung, daß ein weiteres, zusätzliches, wärmeempfindlich^ Bauelement
ίο verwendet werden muß.
Schließlich ist aus der DE-PS 12 76 931 noch eine elektromagnetisch kompensierende Kraftmeß- oder
Wägevorrichtung der angegebenen Gattung bekannt Dabei ist im magnetischen Kreis ein Hall-Generator
angeordnet, dessen Betriebsgrößen zur Kraftmessung benutzt werden.
Dieser Hall-Generator dient also sowohl zur Überwachung des Magnetfeldes als auch zur Berechnung
der Größe BxJ, um auch bei veränderlicher magnetischer Kraftflußdichte die elektromagnetisch
erzeugte Kraft zu ermitteln. Denn sowohl die Hall-Spannung als auch die Kraft auf eine Spule im
Magnetfeld sind proportional zu dem Produkt aus magnetischer Feldstärke und Strom.
Bei Verwendung eines solchen Hall-Generators können sowohl die Fehler des Magnetsystems als auch
die Fehler des Meßwiderstandes vermieden werden, so daß sich insoweit eine Verbesserung im Vergleich mit
der oben erläuterten, herkömmlichen Kraftmeß- oder Wägevorrichtung ergibt.
Andererseits müssen jedoch die Fehler eines Hall-Generators in Kauf genommen werden, insbesondere
seine starke Temperaturabhängigkeit, die in etwa in der gleichen Größenordnung wie der Temperaturkoeffizient
von AlNiCo, den üblicherweise für Wagen verwendeten, magnetischen Werkstoff, und der Temperaturkoeffizient
von üblichen Meßwiderständen, nämlich bei etwa 10"4 bis 10-VK, liegt Diese Ausschaltung
der Temperaturinstabilität des Meßwiderstandes muß
4(i also durch die relativ hohe Temperaturempfindlichkeit
des Hall-Generators erkauft werden, wodurch sich insgesamt eine ungünstige Beeinflussung der Genauigkeit
ergibt.
Eine Erhöhung der Genauigkeit ist bei Verwendung von Hall-Generatoren nicht möglich, da die Eigenschaften der üblicherweise als Hall-Generatoren verwendeten Halbleitermaterialien zeitlich im allgemeinen nicht stabi! sind; außerdem hat die Hall-Spannung nur eine äußerst geringe Größe, so daß die Auswertung und Erfassung sehr kompliziert ist; und schließlich ändert sich die Temperatur des Hall-Generators ständig, da der Steuerstrom von der Belastung abhängt
Eine Erhöhung der Genauigkeit ist bei Verwendung von Hall-Generatoren nicht möglich, da die Eigenschaften der üblicherweise als Hall-Generatoren verwendeten Halbleitermaterialien zeitlich im allgemeinen nicht stabi! sind; außerdem hat die Hall-Spannung nur eine äußerst geringe Größe, so daß die Auswertung und Erfassung sehr kompliziert ist; und schließlich ändert sich die Temperatur des Hall-Generators ständig, da der Steuerstrom von der Belastung abhängt
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine elektromagnetisch kompensierende Kraftmeß-
oder Wägevorrichtung der angegebenen Gattung zu schaffen, die bei einfachem mechanischem Aufbau eine
äußerst empfindliche, zeitlich stabile Messung der Last ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen
Merkmale gelöst.
Zweckmäßige Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen zusammengestellt.
D'e mit der Erfindung erzielten Vorteile beruhen insbesondere darauf, daß die sonst übliche, mit den erwähnten Fehlern behaftete Ermittlung des durch die Arbeitsspule fließenden Stroms durch eine Magnetfeldmessung ersetzt wird, die eine zu dem Spulenstrom
D'e mit der Erfindung erzielten Vorteile beruhen insbesondere darauf, daß die sonst übliche, mit den erwähnten Fehlern behaftete Ermittlung des durch die Arbeitsspule fließenden Stroms durch eine Magnetfeldmessung ersetzt wird, die eine zu dem Spulenstrom
proportionale Größe liefert. Für eine solche Magnetfeldmessung stehen sehr genaue, langzeitstabile Meßmethoden
zur Verfügung, insbesondere die Kerndipolresonanz oder die Spinresonanz. Bei diesen Verfahren
kann die Messung und ihre Auswertung auf atomare Konstanten zurückgeführt werden, so daß sich eine mit
anderen Verfahren im allgemeinen nicht zu erreichende Genauigkeit ergibt.
Weiterhin wird auch der komplizierte mechanische Aufbau vermieden, wie er bei einigen herkömmlichen
Kraftmeß- oder Wägevorrichtungen eingesetzt wird.
Außerdem wird mit diesem Verfahren die magnetische Kraftflußdichte B direkt gemessen, so daß die oben
erwähnte Kompensation des /2-Terms mittels einer Korrekturspule nicht mehr erforderlich ist. Auch dies
führt also zu einer Vereinfachung des Meßaufbaus unter
gleichzeitiger Genauigkeitssteigerung.
Und schließlich kann durch die weitere, im Luftspalt
der Magnetanordnung vorgesehene Meßsonde auch eine etwaige Änderung des Magnetfeldes des Permanentmagneten
erfaßt und bei der Messung berücksichtigt werden, wodurch sich eine weitere Erhöhung der
Genauigkeit ergibt.
Zweckmäßigerweise wird die Meßsonde für die Magnetfeldmessung im Innern der Spule angeordnet,
wo sie weitgehend gegen äußere Einflüsse geschützt ist.
Um eine Mittelung über den Gcsamtverlauf des Magnetfeldes zu erreichen, können im Luftspalt zwei
Meßsonden vorgesehen sein, deren Ergebnisse gemittelt
werden. jo
Auch (dadurch ergibt sich eine Verbesserung der Genauigkeit.
Damit im Innern der Spule ein in etwa homogenes Magnetfeld entsteht, sollte der Durchmesser der Spule,
mit deren Hilfe der Spulenstrom / bestimmt wird, ü kleiner als ihre Länge sein.
Um die Beeinflussung durch Fremdfelder so gering wie möglich zu halten, sollte diese Spule durch eine
weichmagnetische Abschirmung umgeben sein.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform wird das Magnetfeld in der Spule durch weichmagnetische
Leitstücke verstärkt, die in das Innere der weiteren Spule reichen. Dabei sollte das Material eine lineare
Magnetisierungskennlinie haben und keine Hysterese aufweisen. 4 j
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beiliegenden,
schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt
F i g. 1 eine Prinzipskizze des magnetischen Kreises einer solchen elektromagnetisch kompensierten Wägeoder
Kraftmeßeinrichtung, in welcher der mechanische Teil nur schematisch angedeutet ist,
F i g. 2 einen Schnitt längs der angedeuteten Pfeile A und 5durch die Magnetanordnung und die Arbeitsspule,
F i g. 3 einen Schnitt durch die weitere Spule und die Meßsonde,
F i g. 4 eine Ausführungsform der weichmagnetischen Leitstücke und der Abschirmung und
Fig.5 ein Blockschaltbild des elektronischen Teils m>
der Vorrichtung.
Wie sich insbesondere aus den F i g. 1 und 5 ergibt,
weist die elektromagnetisch kompensierende Wägeoder Kraftmeßvorrichtung eine Magnetanordnung 6
auf, die im allgemeinen durch einen Permanentmagneten gebildet wird. In dem Luftspalt 6a der Magnetanordnung
6 ist eine Arbeitsspule 5 angeordnet
Wie in F i g. 1 und 5 schematisch angedeutet wird, ist die Arbeitsspule 5 über eine Führung 7 mit einer
Waagschale 8 verbunden, auf welche die zu messende Masse gelegt werden kann.
Außerdem ist mit Arbeitsspule 5 ein Lagenindikator 9 mechanisch verbunden, der anzeigt, ob sich die
Arbeitsspule 5 in einer vorbestimmten Gleichgewichtslage in dem Luftspalt 6a der Magnetanordnung 6
befindet oder unter der Einwirkung der Kraft, die eine auf die Waagschale 8 gelegte Masse erzeugt, aus dieser
Gleichgewichtslage ausgelenkt ist.
Wenn die Arbeitsspule 5 durch diese Kraft in dem Luftspalt 6a nach unten — gemäß der Darstellung in den
Figuren — ausgelenkt wird, zeigt der Lagenindikator 9 diese Auslenkung an, d. h., er liefert ein Signal, das über
einen Regelverstärker 10 den der Arbeitsspule 5 zugeführten Strom solange verändert, bis die Gleichgewichtslage
wieder erreicht ist. Wie oben erläutert wurde, ist die dabei erzeugte elektromagnetische Kraft
proportional zu dem Gewicht der auf die Waagschale 8 aufgelegten Masse, so daß der für die Erhaltung der
Gleichgewichtslage notwendige Strom ein Maß für das zu messende Gewicht ist.
Wie in F i g. 5 dargestellt ist, liegt elektrisch in Reihe zu der Arbeitsspule 5 eine weitere Spule 1, so daß das
Magnetfeld dieser Spule 1 proportional zu dem durch die Arbeitsspule 5 fließenden Strom ist.
Der Aufbau dieser Spule 1 ist im einzelnen in den F i g. 3 und 4 dargestellt. Im einfachsten Fall kann diese
Spule 1 aus einem zylindrischen Hohlkörper 13 bestehen, der mit einer üblichen Wicklung 2 versehen
ist. Der Durchmesser dieser Spule 1 ist also wesentlich kleiner als ihre Länge.
In der Mitte des zylindrischen Hohlkörpers 13 befindet sich eine Meßsinde 3, welche die Größe des von
der Spule 1 erzeugten Magnetfeldes, d. h., die magnetische
Kraftflußdichte der Spule 1 ermitteln kann.
Die so gemessene Kraftflußdichte ist proportional zu dem durch die Arbeitsspule 5 fließenden Strom, so daß
aus dem gemessenen Wert für die Kraftflußdichte der Spule 1 anhand der oben angegebenen Formel das
Gewicht der auf die Waagschale 8 aufgelegten Masse berechnet werden kann.
Bei der Ausführungsform nach F i g. 4 ist diese Spule 1 mit einer weichmagnetischen Abschirmung 17 gegen
Fremdfelder sowie weichmagnetischen Leitstücken 11 zur Verstärkung des Magnetfeldes der Spule 1 versehen.
Das Material für die magnetischen Leitstücke bzw. die magnetische Abschirmung soll eine lineare Magnetisierungskennlinie
haben und keine Hysterese aufweisen.
Bei konstantem Wert für die magnetische Kraftflußdichte B der Magnetanordnung 5 kann mittels des
gemessenen Magnetfeldes der Spule 1 anhand der angegebenen Formel die elektromagnetische Kraft
ermittelt werden.
Um den Temperaturkoeffiz'ienten sowie etwaige Alterungserscheinungen der Magnetanordnung 6 berücksichtigen
zu können, sind in dem Luftspalt 6a der Magnetanordnung zwei weitere Meßsonden 4 und 4a
angeordnet, die, wie in F i g. 2 zu erkennen ist, sich auf
einander gegenüberliegenden Punkten der kreisförmigen Magnetanordnung 6 befinden. Mit Hilfe dieser
Sonden 4 und 4a wird die magnetische Kraftflußdichte B
der Magnetanordnung 6 gemessen.
Die von den beiden Meßsonden 4 und 4a ermittelten Werte für die magnetische Kraftflußdichte der Magnetanordnung
6 werden gemittelt und auf die im folgenden zu erläuternde Weise weiterverarbeiteL
Die Meßsonden 3, 4 und 4a können beispielsweise
entweder nach dem Prinzip der magnetischen Kerndipolresonanz oder nach dem Prinzip der Spinresonanz
arbeiten. Aufbau und Funktionsweise solcher Meßsonden sind in dem Artikel »Ein Rb-Magnetometer für
einen weiten Feldbereich und mit hoher Empfindlichkeit« in PTB-Mitteilungen 4/74, Seite 241 ff. sowie in
dem Buch von Kohlrausch »Praktische Physik«, Band 2, 1968, Seite 274 unter dem Titel »Kernresonanz«
beschrieben.
Der prinzipielle Aufbau des elektronischen Teils der Vorrichtung ist in Fig.5 dargestellt. Das die magnetische
Kraftflußdichte B der Magnetanordnung 6 darstellende Ausgangssignal der Meßsonde(n) 4 bzw. 4a
wird über einen Resonanzoszillator 20 und einen Frequenzzähler 22 in ein digitales Signal umgewandelt,
während das Ausgangssignal der Spule 1, das dem Spulenstrom /der Arbeitsspule 5 proportional ist, über
einen Resonanzoszillator 21 und einen Frequenzzähler 23 ebenfalls in ein digitales Signal umgewandelt wird.
Die beiden Frequenzzähler beziehen ihre Zeitbasis aus einem gemeinsamen Quarzoszillator 19. Die Verknüpfung
der beiden elektrischen Signale aus den Frequenzzählern erfolgt in einem Multiplizierglied 24, das gemäß
der Gleichung F=konst. · B ■ /eine zu der elektromagnetischen
Kraft proportionale Größe bildet.
Das Ausgangssignal des Multipliziergliedes 24 wird in einer Einheit 25 auf die übliche Weise weiterverarbietet,
beispielsweise tariert, gemittelt usw., so daß schließlich in einer Anzeigeeinrichtung 26 das Meßergebnis
dargestellt werden kann.
Hierzu 3 Blatt Zeichnungen
Claims (11)
1. Elektromagnetisch kompensierende Kraftmeßoder Wägevorrichtung mit einer im Luftspalt einer
ortsfesten Magnetanordnung beweglichen, durch die zu messende Last beaufschlagten Arbeitsspule, mit
einem Indikator für die Lage der Arbeitsspule, mit einem dem Indikator nachgeschalteten Regelverstärker,
wobei die Arbeitsspule durch das Ausgangssignal des Regelverstärkers gespeist und in die
Nullage gebracht wird, und mit einem elektrisch in Reihe zu der Arbeitsspule liegenden Wandler zur
Bestimmung einer zu dem Spulenstrom proportionalen Größe Ober ein elektromagnetisches Feld,
wobei das Ausgangssignal dieses Wandlers ein Maß für die zu messende Last ist, dadurch gekennzeichnet,
daß der Wandler als Spule (1) ausgebildet ist, deren Magnetfeld durch eine
Meßsonde (3) bestimmt wird, daß im Luftspalt der Magnetanordnung (6) mindestens eine weitere
Meßsonde (4,4ajzur Bestimmung der magnetischen
Kraftflußdichte der Magnetanordnung (6) angeordnet ist, und daß eine Schaltungsanordnung (24, 25,
26) zur Bestimmung der zu messenden Last aus den Ausgangssignalen der Meßsonden (3; 4,4a) vorgesehen
ist
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßsonde (3) im Innern der Spule
(1) angeordnet ist
3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Luftspalt der
Magnetanordnung (6) zwei Meßsonden (4, 4a) an einander gegenüberliegenden Stellen vorgesehen
sind, und daß die Ausgangssignale der Meßsonden (4,4ajgemittelt werden.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßsonden (3, 4,
4a) nach dem Prinzip der magnetischen Kerndipolresonanz arbeiten.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet daß die Meßsonden (3, 4,
4a^nach dem Prinzip der Spinresonanz arbeiten.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der
Spule (1) wesentlich kleiner als die Länge der Spule (l)ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßsonde (3) etwa
in der Mitte der Spule (1) angeordnet ist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch eine weichmagnetische Abschirmung
(12) für die Spule (1).
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch weichmagnetische Leitstücke
(11), die in das Innere der weiteren Spule (1) reichen.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, daß die weiteren) Meßsonden)
(4, 4a) ortsfest im Luftspalt angebracht ist (sind).
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere(n) Meßsonde^)
(4,4a) im Luftspalt an der Arbeitsspule (5) befestigt ist (sind).
Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Gattung.
Bei einer solchen elektromagnetischen Kraftkompensation wird die von der zu messenden Last beaufschlagte
Arbeitsspule durch Regelung des durch die Spule fließenden Stroms in einer Nullage gehalten, so daß der
durch die Spule fließende Strom /nach der Formel
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