DE2807622A1 - Vorrichtung zum herleiten eines rueckfuehrungs-regelsignals in einem thermischen system - Google Patents

Vorrichtung zum herleiten eines rueckfuehrungs-regelsignals in einem thermischen system

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DE2807622A1
DE2807622A1 DE19782807622 DE2807622A DE2807622A1 DE 2807622 A1 DE2807622 A1 DE 2807622A1 DE 19782807622 DE19782807622 DE 19782807622 DE 2807622 A DE2807622 A DE 2807622A DE 2807622 A1 DE2807622 A1 DE 2807622A1
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Iii Chester Garfield Fisher
Carl R Sebens
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Applied Biosystems Inc
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Description

THE PERKIH-ELMER CORPORATION
Korwalk, Connecticut 06856, USA
Vorrichtung zum Herleiten eines Rückführungs-Regelsignals in einem thermischen System
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Herleiten eines Rückführungs-Regelsignals in einem thermischen System, in dem ein elektrisches Element Wärme zum Aufrechterhalten eines stabilisierten Zustandes liefert. Zwar sind derartige Vorrichtungen allgemein bekannt, die bekannten Vorrichtungen sind jedoch entweder bei sehr hohen Temperaturen von beispielsweise 25000C nicht funktionsfähig oder erzeugen dann einen beträchtlichen Regelungsfehler, wenn sich die elektrothenaischen Parameter, beispielsweise der Widerstand des Heizelementes, ändern. Ein typisches Beispiel einer bei hohen Temperaturen nicht funktionsfähigen Vorrichtung ist eine Vorrichtung, bei der ein Temperatur-Rückführungssignal dadurch hergeleitet wird, dass ein Thermoelement verwandt wird, das im geregelten Bereich des thermischen
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TELEX 08-2D3B0
TELEQRAMME MONAPAT
telekopierer
Systems angeordnet ist. Bekannte Vorrichtungen, bei denen Rückführungs-Regelsignale innerhalb elektrothermischer Systeme entweder von dem durch das Heizelement fliessenden Strom oder ■ der Spannung über dem Heizelement oder der Eingangsleistung des Heizelementes hergeleitet werden, sind typische Beispiele für diejenigen Vorrichtungen, bei denen ein beträchtlicher Regelungsfehler auftritt.
Ziel der Erfindung ist daher die Herabsetzung der Regelungsfehler elektrothermischer Systeme mittels einer adaptiven Regeleinrichtung, bei der ein Rückführungssignal dadurch hergeleitet wird, dass die Funktionen des durch ein elektrisches Heizelement fliessenden- Stromes und der darüber auftretenden Spannung jeweils linear kombiniert werden.
Ziel der Erfindung ist es auch, die linear kombinierten Funktionen bei einer Änderung des stabilisierten Zustandes des thermischen Systems unabhängig zu verändern oder den Regelungsfehler herabzusetzen, der durch die Änderung einer Vielzahl elektrothermischer Parameter verursacht wird.
Durch die Erfindung soll weiterhin ein Mikroprozessor in das thermische System eingebaut werden, um die linear kombinierten Funktionen zu verändern und dadurch einen fortlaufenden Bereich stabilisierter Zustände zu erhalten.
Das wird gemäss eines Äusführungsbeispiels der Erfindung dadurch erreicht, dass sowohl der Stromfluss durch ein Heizelement in dem thermischen System als auch der darüber auftretende Spannungsabfall überwacht werden, wobei die Funktionen jedes überwachten Wertes linear durcheinen Differentialverstärker kombiniert werden, dessen Äusgangssignal das Rückführungssignal ist. Bei anderen Ausführungsbeispielen der Krfindung werden die Funktionen der überwachten Werte in dem Rückführungs signal verändert,, um den stabilisierten Zustand des thermischen Systems festzulegen, und ist ein Mikroprozessor eingebaut r um diese
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Funktionen entsprechend zu ändern, wobei die elektrothermischen Parameter des Systems veränderlich sind.
Ein besonders bevorzugter Gedanke der Erfindung besteht darin, dass einem elektrischen Element Energie geliefert wird, um ein thermisches System im stabilisierten Zustand zu halten, und dass ein Ruckführungssignal hergeleitet wird, um die elektrische Eingangsleistung für das Heizelement zu steuern, indem linear die Funktionen des durch das Heizelement fliessenden Stromes und des darüber auftretenden Spannungsabfalles kombiniert werden. Bei einem Ausführungsbeispxel kann jede der linear kombinierten Funktionen im Rückführungssignal unabhängig verändert werden, um den stabilisierten Zustand des thermischen Systems zu ändern, während bei einem anderen Ausführungsbeispxel ein Mikroprozessor eingebaut ist, um für eine solche Änderung für einen fortlaufenden Bereich stabilisierter Zustände zu sorgen.
Im folgenden wird anhand der zugehörigen Zeichnung ein bevorzugtes Ausführungsbeispxel der Erfindung näher erläutert:
Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild einer Regeleinrichtung für ein elektrother10isch.es System mit einem eingebauten Ausführungsbeispxel der erfindungsgemässen Vorrichtung zum Herleiten eines Rückführungssignals.
Fig. 2 zeigt in einer grafischen Darstellung die Regelfehler— kurven zum Vergleich der bekannten Vorrichtung mit dem Ausführungsbeispxel der erfindungsgemässen Vorrichtung.
Fig. 3 zeigt in einer grafischen Darstellung den Strom durch einen Graphitofen in einem atomaren Absorptions— spektrophotometer und den darüber auftretenden Spannungs abfall, wobei dargestellt ist, dass eine genaue Regelung mit dem Ausführungsbeispxel der erfindungsgemässen Vorrichtung bei einer hohen Temperatur möglich ist.
Fig. 4 zeigt ein kombiniertes schematisches Schaltbild und ein Blockschaltbild des Ausführungsbeispiels der Erfindung,von dem die Fehlerkurve in Fig. 2 und die Präzisionsregelung von Fig. 3 abgeleitet sind=
In das in Fig. 1 dargestellte Blockschaltbild ist ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgetnässen Vorrichtung zum Herleiten eines Rückführungssignals eingebaut, wobei die elektrische Eingangsleistung für das Heizelement 10 in anderer üblicher Weise gesteuert wird, um den stabilisierten Zustand eines nicht vollständig dargestellten thermischen Systems aufrechtzuerhalten. Eine Einrichtung 12 zum Steuern der Ausgangsleistung einer elektrischen Energiequelle 14 ist über eine Einrichtung zum überwachen des Stromflusses durch das Element 10 mit diesem Heizelement 10 verbunden, während eine Einrichtung 18 zum Überwachen des Spannungsabfalles über dem Heizelement 10 über dieses Element 10 geschaltet ist. Die Ausgangssignale von der Stromüberwachungseinrichtung 16 und der Spannungsüberwachungseinrichtung 18 liegen getrennt als Eingangssignale an einer Einrichtung 20 zum linearen Kombinieren der Funktionen seiner unabhängigen Eingangssignale» Das Ausgangssignal der Signalkombinationseinrichtung 20 liegt als Rückführungssignal· an der Steuereinrichtung 12, wo es mit einem vorher festgelegten Wert verglichen wird, um ein Regelsignal zu erzeugen, wie es allgemein bekannt ist.
Die. unabhängigen Beiträge im Ausgangssignal der Signalkombinationseinrichtung 20 sind natürlich jeweils als Funktionen de"s Stromflusses durch das Heizelement 10 und des Spannungsabfalls über dem Heizelement veränderlich. Das Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen Vorrichtung zum Herleiten eines Rückführungssignals entwickelt somit die bekannten thermischen Regelsysteme dadurch weiter, dass eine adaptive Regelung vorgesehen ist, mit der genau für einen stabilisierten Zustand des thermischen Systems gesorgt wird, obwohl sich die elektro-
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thermischen Parameter des Systems ändern können. Ein wichtiger stabilisierter Wert der meisten thermischen Systeme ist die Temperatur, die mit den bekannten Einrichtungen, die bei sehr hohen Temperaturen arbeiten können, nur schwer genau zu regeln war, da der Widerstand des Heizelementes 10 sich mit der Temperatur und/oder der Benutzungsdauer und/oder durch einen Austausch ändert. Beispielsweise bewirkt ein höherer Widerstand, dass ein beträchlicher Regelungsfehler, auftritt, wenn das Rückführungssignal nur entweder von dem Stromfluss durch das Heizelement 10 oder dem darüber auftretenden Spannungsabfall hergeleitet wird, indem eine nicht proportional grössere Wärmemenge entwickelt wird, wenn die Temperatur im ersten Fall ansteigt, während eine nicht proportional geringere Wärmemenge entwickelt wird, wenn die Temperatur im zweiten Fall ansteigt. Selbst wenn das Rückführungssignal von der durch das Heizelement 10 verbrauchten Leistung hergeleitet wird, tritt aufgrund von Änderungen anderer elektrothermischer Parameter des Systems oftmals ein beträchtlicher Regelungsfehler auf, wie es im folgenden näher erläutert wird.
Dass die erfindungsgemässe Vorrichtung den Regelfehler herabsetzt, der bei der bekannten Vorrichtung auftritt, korinte durch eine genaue Regelung der Temperatur eines Graphitofens in einem atomaren Absorptionsspektrophotometer nächgewiesen werden, das Temperaturen bis zu 30000C entwickelt. In Fig. 2 ist der Regelfehler bei der erfindungsgemässen Vorrichtung zum Herleiten eines Rückführungssignals zum Vergleich zusammen mit dem Fehler aufgetragen, der bei den oben beschriebenen bekannten Vorrichtungen im selben thermischen System des Spektrophotometers auftritt. Der Graphitofen ist gleichfalls ein Beispiel für die verwickelten Probleme, die bei der Regelung von Hochtemperatursystemen auftreten, da man auf Änderungen in anderen elektrothermischen Parametern als des elektrischen Widerstandes des Graphitofens,wie beispielsweise der körperlichen Abmessungen und der thermischen Leitfähigkeit trifft. Ein typisches Beispiel der Änderung der räumlich
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körperlichen Abmessungen allein ist die Tatsache, dass sich die Wandstärke eines rohrförmigen Graphitofens ändern kann, was natürlich seine Wärmeübertragung beeinflusst. Eine genaue Regelung des Graphitofens wurde mit der erfindungsgemässen Vorrichtung erreicht, wie es in Fig. 3 dargestellt ist, in der eine typische Lastkennkurve aufgetragen ist, wobei Abweichungen aufgrund der Herstellungstoleranzen durch gestrichelte Linien auf beiden Seiten dargestellt sind= Die tatsächliche Regelungskurve zum Beibehalten einer konstanten Temperatur bei einer Änderung der elektrothermischen Parameter des Graphitofens und die Regelungskurve für eine konstante Leistung sind zum Vergleich mit den Ergebnissen dargestellt, die durch die adaptive Rückführungsregelung gemäss der vorliegenden Erfindung erreicht werden.
Die Schaltung, die bei einem Spektrophotometerofen mit einem Ausführungsbeispiel· der Erfindung verwandt wird, von dem die in den Fig. 2 und 3 dargestellten Ergebnisse erhalten werden, ist in Fig. 4 dargestellt, wo die Steuereinrichtung 12 über einen Transformator 22 den Graphitofen 10 mit Wechselstrom versorgt, der bei diesem Ausführungsbeispiel das Heizelement darstellt. Die Stromüberwachungseinrichtung 16 enthält eine Toroidspule 24, die um eine der elektrischen Zuleitungen zum Ofen 10 herum angeordnet ist und deren Ausgang über einen Widerstand 26 geschaltet ist, wobei eine Seite an Masse liegt. Die Spannungsüherwachungseinrichtung 18 enthält einen Funktionsverstärker 28, dessen nicht invertierter Eingang über einen Widerstand 30 an Masse liegt und dessen Ausgang über einen Widerstand 32 mit seinem invertierenden Eingang verbunden ist, während seine Eingänge gleichfalls getrennt über Widerstände 34 und 36 quer über den Ofen 10 geschaltet sind. Aufgrund des Eingangswechselstromes für den Ofen 10 liegen die Ausgangssignale der Stromüberwachungseinrichtung 16 und der Spannungsüberwachung seinrichtung 18 getrennt an den Eingängen der Signalkombinationseinrichtung 20,und zwar jeweils über Wechsel-Gleichspannungswandler 38 und 40. Die Signalkombinationseinrichtung
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enthält einen Funktionsverstärker 42, dessen nicht invertierender Eingang über einen Widerstand 44 an Masse liegt und dessen Ausgang über einen veränderlichen Widerstand 46 mit seinem invertierenden Eingang verbunden ist, während sein invertierender und sein nicht invertierender Eingang gleichfalls getrennt über veränderliche. Widerstände 48 und 50 jeweils an den Ausgängen der- Wechsel-Gleichspannungs-wandler38 und 40 jeweils liegen.
Der Wechselstrom in der Toroidspule 24 und der Wechselspannungsabfall über dem Widerstand 26 sind natürlich beide proportional dem Wechselstromfluss durch den Ofen 10, so dass die Ausgangsgleichspannung vom Wandler 38 gleichfalls proportional zum Wechselstromfluss durch den Ofen 10 ist. Es versteht sich ohne weiteres, dass die Funktionsverstärker 28 und 42 jeweils so angeordnet und ausgebildet sind, dass sie differentiell arbeiten, indem ihre Ausgangssignale gleich der algebraischen Differenz zwischen den bekannten Funktionen der Spannungswerte an den Widerständen an ihrem invertierenden und nicht invertierendem Eingang sind. Die Ausgangssignale vom Funktionsverstärker 38 und vom Wandler 40 sind daher proportional dem Wechselspannungsunterschied oder Spannungsabfall des Ofens 10, wobei die Werte der Widerstände 30, 32, 34 und 36 diese Proportionalität bestimmen. Aufgrund der veränderlichen Widerstände 46, 48 und 50 kann der algebraische Unterschied zwischen den variablen Funktionen der Ausgangssignale der Wandler 38 und 40 am Ausgang des Funktionsverstärkers 42 wiedergegeben werden. Das Rückführungssignal von der Signal-Kombinationseinrichtung 20 zur Steuereinrichtung 12 ist daher die lineare Kombination der variablen Funktionen bezüglich des Stromes durch den Ofen 10 und des darüber auftretenden Spannungsabfalls jeweils. Bei dem Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen Vorrichtung zum Herleiten eines Rückführungssignals, von dem die Regelfehlerkurve von Fig. 2 und die genaue Temperaturregelung von Fig. 3 erhalten wurden, betragen die Widerstandswerte der Widerstände in der Signal-Kombinationseinrichtung 20 bezüglich des Wider-
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Standes 44 10 K Ohm, bezüglich des Widerstandes 46 1,82 K Ohm, bezüglich des Widerstandes 48 10 K Ohm und bezüglich des Widerstandes 50 0 Ohm während des gesamten Betriebes. Die Steuereinrichtung 12 ist andererseits von einem herkömmlichen Typ, bei dem halbleitergesteuerte Gleichrichter so geschaltet sind, dass sie das Ein/Aus-Tastxerhältnis jeder Halbwelle von der elektrischen Wechselspannungsversorgungsquelle 14 liefern. Die Steuerelektroden dieses halbleitergesteuerten Gleichrichters sind getrennt mit den abwechselnden Ausgängen eines Impulsgenerators verbunden, der über einen Phasendetektor betrieben wird, der das Ausgangssignal von einem RC Oszillator mit der Frequenz der elektrischen Wechselspannungsversorgung 14 vergleicht- Das Ausgangssignal von einem Differentialverstärker betreibt den RC Oszillator, wobei das Rückführungssignal der erfindungsgemässen Vorrichtung und eine Sollspannung an den Eingängen dieses Differentialverstärkers liegen»
Ausser dem Widerstand des Graphitofens 10 sind bei dem in Fig» 4 dargestellten Ausführungsbeispiel die Parameter des thermischen Systems in dem Spektrophotometer relativ konstant. Daher können die Werte der veränderlichen Widerstände 46, 48 und 50 während des Betriebes, der in Fig. 3 aufgetragen ist? festgelegt werden, ohne dass ein merklicher Regelungsfehler auftritt. Es kann jedoch selbst der sehr kleine Regelungsfehler, der auftritt, dadurch beseitigt werden, dass diese veränderlichen Widerstände 46, 48 und 50 nachgeregelt werden. Es versteht, sich, dass die Signaleingabe für die Signal-Kombinationseinfichfcung 20 in Fig. 4 über Verstärker mit veränderlichem Verstärkungsfaktor' erfolgen kann, die automatisch durch einen Mikroprozessor oder durch eine andere Schaltung eingestellt t'?erdenp um eine ideale Regelung des stabilisierten Zustandes über einen Arbeitsbereich mit der erfindungsgemässen Vorrichtung zum Herleiten eines Rückführungssignals in anderen thermischen Systemen mit grösserer Kompliziertheit zu erhalten. Thermische Systeme
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grösserer Kompliziertheit können es sonst erforderlich machen, dass die linear kombinierten Funktionen des durch den Ofen 10 fliessenden Stromes und des darüber auftretenden Spannungsabfalls jeweils summiert werden. Bei einem solchen Ausführungsbeispiel würde der Funktionsverstärker 42 in Fig. 4 mit seinem nicht invertierenden Eingang an Masse liegen und mit seinem Ausgang über einen ersten Widerstand an seinem invertierenden Eingang liegen. Die Ausgangssignale von der Stromüberwachungseinrichtung 16 und der Spannungsüberwachungseinrichtung 18 würden dann an dem invertierenden Eingang über einen zweiten und eine dritten veränderlichen Widerstand jeweils liegen. Das Ausgangssignal vom Funktionsverstärker wäre dann die algebraische Summe der veränderlichen Funktionen bezüglich des Stromes durch den Ofen und bezüglich des Spannungsabfalles über denj'Ofen, wobei diese Funktionen proportional zu den Verhältnissen des ersten veränderlichen Widerstandes zu dem zweiten und zum dritten veränderlichen Widerstand jeweils wären. Es versteht sich ohne weiteres, dass die erfindungsgemässe Vorrichtung zum Herleiten eines Rückführungssignals in Anordnungen eingebaut werden kann, bei denen die Steuereinrichtung 12 von Fig. 1 einen Gleichstrom dem Heizelement 10 liefert, so dass die Anwendung nicht allein auf das in Fig. 4 beschriebene, mit Wechselstrom arbeitende Ausführungsbeispiel beschränkt ist.
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Leerse ite

Claims (8)

  1. J& α. GRÜNECKER
    H. KINKELDEY
    DFI-IN&
    W. STOCKMAiR
    K. SCHUMANN
    Oft HER NAT · DlPL-PHYS.
    P. H. JAKOB
    DlFL-INCi
    Q. BEZOLD
    ORRERNÄT-DIR-CHavl
    8 MÜNCHEN 22
    MAXIMILIANSTRASSE 43
    P 12 468
    Vorrichtung zum Herleiten eines Rückführungs-Regelsignals in einem thermischen System
    PATENTANSPRÜCHE
    '' 1 -J Vorrichtung zum Herleiten eines Rückführungs-Regelsignals Cn einem thermischen System, in dem von einem elektrischen Element Wärme geliefert wird, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (16) zum überwachen des Stromflusses durch das Heizelement (10), durch eine Einrichtung (18) zum überwachen des über dem. Heizelement (10) auftretenden Spannungsabfalls und durch eine Einrichtung (20) zum linearen Kombinieren der unabhängigen Funktionen der Ausgangssignale der Stromüberwachungseinrichtung (16) und der Spannungsüberwachungseinrichtung (18) zu einem, zusammengesetzten Signal.
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    TELEFON (OSS) 2228θα TELEX Ο5-2938Ο TELEGRAMME MONAPAT TELEKOPIERER
    ORIGINAL INSPECTED
  2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dass die Signal-Kombinationseinrichtung (20) einen Funktionsverstärker (42} aufweist, dessen nicht invertierender Eingang über einen ersten Widerstand (44) an Masse liegt und dessen Ausgang über einen ersten veränderlichen Widerstand (46) mit seinem invertierenden Eingang verbunden ist, wobei die Ausgangssignale von der Stromüberwachungseinrichtung (16) und der Spannungsüberwachungseinrichtung (18) getrennt über einen zweiten und einen dritten veränderlichen Widerstand (48, 50) jeweils am invertierenden und nicht invertierenden Eingang liegen und wobei das Ausgangssignal des Funktionsverstärkers (42) gleich der algebraischen Differenz zwischen den veränderlichen Funktionen bezüglich der Ausgangssignale der Stromüberwachungseinrichtung (16) und der Spannungsüberwachungseinrichtung (18) ist, wobei die Veränderlichkeit proportional zum ersten, zweiten und dritten veränderlichen Widerstand (46, 48, 50) ist.
  3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Werte des ersten, zweiten und dritten veränderlichen Widerstandes (46, 48, 50) über einen Mikroprozessor automatisch eingestellt werden, um die Regelung des thermischen Systems über einen veränderlichen Bereich der thermischen Parameter zu idealisieren.
  4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Signal-Kombinationseinrichtung (20) einen Funktionsverstärker (42) aufweist, dessen nicht invertierender Eingang an Masse liegt und dessen Ausgang über.einen ersten Widerstand mit seinem invertierenden Eingang verbunden ist, wobei die Ausgangssignale von der Stromüberwachungseinrichtung (16) und der Spannungsüberwachungseinrichtung (18) über einen zweiten und einen dritten veränderlichen Widerstand jeweils am nicht invertierenden Eingang liegen, das Ausgangs-Signal des Funktionsverstärkers (42) gleich der algebraischen Summe der veränderlichen Funktionen bezüglich der Ausgangssignale der Stromüberwachungseinrichtung (16) und der Spannungsüberwachungseinrichtung (18) sind, wobei die Veränderlichkeit proportional zu den Verhältnissen des ersten Widerstandes zum zweiten
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    und dritten veränderlichen Widerstand jeweils ist.
  5. 5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dass die Spannungsüberwachungseinrichtung (18) einen Funktionsverstärker (28) aufweist, dessen nicht invertierender Eingang über einen ersten Widerstand (30) an Masse liegt und dessen Ausgang über einen zweiten Widerstand (32) mit seinem invertierenden Eingang verbunden ist, während seine Eingänge gleichfalls getrennt über einen dritten und einen vierten Widerstand (34, 36) jeweils quer über das Heizelement (10) geschaltet sind, und das Ausgangssignal des Funktionsverstärkers (28) proportional zum Spannungsabfall über dem Heizelement (10) entsprechend den Werten der Widerstände (32, 34, 36) ist.
  6. 6. ' Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dass dem Heizelement (10) ein Wechselstrom geliefert wird, und dass die Stromüberwachungseinrichtung (16) eine Toroidspule (24) aufweist, die um eine elektrische Zuleitung des Heizelementes (10) herum angeordnet ist, während der Ausgang der Toroidspule (24) quer über einen Widerstand
  7. (26) geschaltet ist, dessen eine Seite an Masse liegt.
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DE19782807622 1977-02-25 1978-02-22 Vorrichtung zum herleiten eines rueckfuehrungs-regelsignals in einem thermischen system Ceased DE2807622A1 (de)

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