DE2834052A1 - CIRCUIT ARRANGEMENT FOR THE FORMATION OF THE EFFECTIVE VALUE - Google Patents

CIRCUIT ARRANGEMENT FOR THE FORMATION OF THE EFFECTIVE VALUE

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DE2834052A1 DE19782834052 DE2834052A DE2834052A1 DE 2834052 A1 DE2834052 A1 DE 2834052A1 DE 19782834052 DE19782834052 DE 19782834052 DE 2834052 A DE2834052 A DE 2834052A DE 2834052 A1 DE2834052 A1 DE 2834052A1
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    • G—PHYSICS
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Description

Titel der ErfindungTitle of the invention

Schaltungsanordnung zur Bildung des Effektivwertes Anwendungsgebiet der ErfindungCircuit arrangement for the formation of the effective value Field of application of the invention

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Bildung des Effektivwertes einer Wechselgröße, wobei die Ausgangsgröße dem Effektivwert oder dessen Quadrat oder dessen Logarithmus proportional ist. Schaltungen dieses Typs finden in Meßtechnik und Betriebsüberwachung breite Verwendung.The invention relates to a circuit arrangement for forming the effective value of an alternating quantity, the output quantity the rms value or its square or its logarithm is proportional. Circuits of this type are widely used in measurement technology and operational monitoring.

Charakteristik der bekannten technischen LösungenCharacteristics of the known technical solutions

Von den schaltungstechnischen Lösungen zur Bildung des Effektivwertes einer Wechselgröße erlangten solche Verfahren Bedeutung, welche die in einem sehr großen Bereich gültige exponentielle Charakteristik von bipolaren Transistoren oder Dioden ausnutzen, um eine quadratische Kennlinie zu erzeugen. Derartige Schaltungen zeichnen sich durch geringen Aufwand, unkomplizierte Dimensionierung und vor allem durch einen großen Dynamikbereich aus. Der Scheitelfaktor der Wechselgröße kann mit abnehmender Aussteuerung zunehmen. Es ist bereits eine Anordnung bekannt (DL-PS 11 43 09), bei der mit bekannten Mitteln eine gleichgerichtete und mittels zweier Dioden logarithmierte Wechselspannung der Reihenschaltung von zwei gleichsinnig in Flußrichtung gepolten Dioden mit exponent!eller Spannungs-Strom-Charakteristik, die an den invertierenden Ein-From the technical circuit solutions for the formation of the effective value of an alternating quantity, such methods have become important that the exponential, which is valid in a very large range Use the characteristics of bipolar transistors or diodes to generate a square characteristic. Such circuits are characterized by low effort, uncomplicated Dimensioning and above all by a large dynamic range. The crest factor of the alternating size can increase with decreasing modulation. It's already an arrangement known (DL-PS 11 43 09), in the case of known means a rectified alternating voltage, logarithmized by means of two diodes, of the series connection of two diodes polarized in the same direction in the flow direction with exponential Voltage-current characteristics, which are applied to the inverting input

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gang eines Operationsverstärkers angeschlossen ist, zugeführt ist. Weiterhin ist zwischen Ausgang und invertierendem Eingang des Operationsverstärkers ein Widerstand und zwischen Ausgang "und dem Verbindungspunkt der beiden Dioden ein Kondensator eingefügt. Das effektivwertproportionale Signal kann am Ausgang des Operationsverstärkers entnommen werden»output of an operational amplifier is connected. Furthermore there is between the output and the inverting input of the operational amplifier a resistor and a capacitor is inserted between output "and the connection point of the two diodes. The signal, which is proportional to the effective value, can be taken from the output of the operational amplifier »

Die Zeitkonstante der Anordnung ist allerdings nur für hinreichend große Effektivwerte aussteuerungsunabhängig0 Dieser Nachteil tritt besonders dann in Erscheinung, wenn, bei-= spielsweise bei Batteriebetrieb, mit geringen Spannungen gearbeitet werden muß. In der Praxis treten zwischen Logarithmier- und Delogarithmierdioden in der Regel Flußspannungsdifferenzen auf, die sich auf die Ausgangsspannung wie ein von Eins verschiedener Faktor auswirken,, Eine Kalibrierung der Schaltungsanordnung ist zwar auf einfache Weise möglich, indem der vom Ausgang zum invertierenden Eingang des Operationsverstärkers führende Widerstand korrigiert wird, jedoch wird dabei im gleichen Maße der Wert der Zeitkonstante verändert«The time constant of the arrangement but only for sufficiently large effective values aussteuerungsunabhängig 0 This disadvantage is particularly apparent when, examples = play as is necessary to operate in battery mode, with low voltages. In practice, forward voltage differences usually occur between logarithmic and delogarithmic diodes, which affect the output voltage as a factor other than one Resistance is corrected, but the value of the time constant is changed to the same extent «

Ziel der ErfindungObject of the invention

Ziel der Erfindung ist es9 die genannten Nachteile zu beseitigen,, The aim of the invention is to eliminate the disadvantages mentioned 9,

Darlegung des Wesens der ErfindungExplain the essence of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordntang mit geringem Bauelementeaufwand zur Bildung fies Effektivwertes 2U schaffen, deren Z@itkonstante auch bei kleinen Effektivwerten von der Aussteuerung unabhängig ist und eine einfache, bezüglich der Zeitkonstante rückwirkungsfreie Kalibrierung gestattet.The invention is based on the object of a circuit arrangement With little component effort to form fies rms value 2U create whose time constant even with small RMS values are independent of the modulation and a simple calibration that is free of feedback with regard to the time constant allowed.

Wesentliche Merkmale der Erfindung bestehen darin, daß eine Spannung, die proportional der mit bekannten Mitteln gleichgerichteten und logarithm!erten WachselgrSße ists der BasisEssential features of the invention consist in the fact that a voltage which is proportional to the growth variable rectified and logarithmized by known means s the base

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- 28340Ä- 28340Ä

eines ersten Transistors zugeführt wird, dessen Emitter mit dem Ausgang eines Operationsverstärkers und der Basis eines zweiten Transistors vom gleichen Leitfähigkeitstyp, dessen Emitter an Masse liegt, verbunden ist. YiTeiterhin führt die Anschlußklemme einer Versorgungsspannungsquelle sowohl über die Parallelschaltung eines Kondensators und eines ersten Widerstandes zum Verbindungspunkt von invertierendem Eingang des Operationsverstärkers und Kollektor des ersten Transistors als auch über einen Widerstand zum Verbindungspunkt von nichtinvertierendem Eingang des Operationsverstärkers und Kollektor des zweiten Transistors. Die über dem ersten Widerstand abfallende Spannung stellt die effektivwertproportionale Ausgangsgröße dar,a first transistor is supplied, the emitter of which is connected to the output of an operational amplifier and the base of a second transistor of the same conductivity type, whose Emitter is connected to ground. Yi continues to lead the Terminal of a supply voltage source both via the parallel connection of a capacitor and a first resistor to the connection point of the inverting input of the operational amplifier and collector of the first transistor as well as via a resistor to the connection point of the non-inverting Input of the operational amplifier and collector of the second transistor. The one falling above the first resistance Voltage represents the output value proportional to the rms value,

Gleichfalls können auch der Strom durch den ersten Widerstand, der Spannungsabfall über dem zweiten Widerstand oder der Kollektorstrom des Transistors, dessen Kollektor mit dem zweiten Widerstand verbunden ist, als effektivwertproportionale Ausgangsgrößen genutzt werden.Likewise, the current through the first resistor, the voltage drop across the second resistor or the collector current can also be used of the transistor, the collector of which is connected to the second resistor, as output values proportional to the effective value be used.

Um eine dem Logarithmus des Effektivwertes proportionale Ausgangsgröße zu bilden, wird zweckmäßigerweise die Basisspannung des zweiten Transistors genutzt. Das geschieht vorzugsweise mittels eines dritten Transistors des gleichen Leitfähigkeitstyps, dessen Kollektor mit einer geeigneten Versorgungsspan-, nungsquelle, dessen Basis mit der Basis des zweiten Transistors und dessen Emitter mit einer Gleichstromquelle verbunden ist, Die Emitterspannung des dritten Transistors stellt die dem Logarithmus des Effektivwertes proportionale Ausgangsgröße dar.An output variable proportional to the logarithm of the rms value to form, is expediently the base voltage of the second transistor used. This is preferably done by means of a third transistor of the same conductivity type, whose collector is connected to a suitable supply voltage. voltage source whose base is connected to the base of the second transistor and whose emitter is connected to a direct current source, The emitter voltage of the third transistor represents the output variable proportional to the logarithm of the rms value.

Eine weitere Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Lösung sieht vor, daß der zweite Widerstand durch eine Gleichstromquelle ersetzt und der invertierende Eingang des Operationsverstärkers abgetrennt und an eine Gleichspannungsquelle angeschlossen wird. Dabei ist der Spannungsabfall über dem ersten Widerstand die dem Quadrat des Effektivwertes proportionale Ausgangsgröße. Zum Zwecke einer Analogwert-Frequenz-Wandlung können am VerMndungspunkt von Kondensator und Kollektor des entsprechenden TransistorsAnother embodiment of the solution according to the invention provides suggest that the second resistor is replaced by a direct current source and the inverting input of the operational amplifier is disconnected and connected to a DC voltage source. The voltage drop across the first resistor is the same as that Square of the rms value proportional output variable. For the purpose an analog value-frequency conversion can be done at the connection point of the capacitor and collector of the corresponding transistor

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definierte Ladungsmengen entnommen werden? der erste Widerstand entfällt dabei.defined quantities of charge are removed? the first resistance not applicable.

Sieht man von der Bildung einer logarithmischen Ausgangsgröße ab, so läßt sich die dynamische Belastung des Operationsverstärkerausgangs vermindern, indem der Kollektor des ersten Transistors und der Kollektor des zweiten Transistors bzw. der invertierende und der nichtinvertierende Eingang des Operationsverstärkers jeweils miteinander vertauscht angeschlossen werden.If you look at the formation of a logarithmic output variable from, the dynamic load on the operational amplifier output can be reduced by removing the collector of the first Transistor and the collector of the second transistor or the inverting and the non-inverting input of the operational amplifier can be connected interchanged.

lusführungsbeispi elExample of execution

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. In der zugehörigen Zeichnung zeigen:The invention is to be explained in more detail below using an exemplary embodiment. In the accompanying drawing show:

Pig. 1: Bekannte Schaltung zur Logarithm!erung der gleichgerichteten WechselgrößePig. 1: Known circuit for taking the logarithm of the rectified alternating quantity

Pig. 2: Schaltung zur Bildung einer effektivwertproportionalen AusgangsgrößePig. 2: Circuit for forming an effective value proportional Output variable

Pig. 3: Schaltung zur Bildung einer dem Logarithmus des Effektivwertes proportionalen AusgangsgrößePig. 3: Circuit for generating an output variable proportional to the logarithm of the rms value

Fdg. 4: Schaltung zur Bildung einer dem Quadrat des Effektivwertes proportionalen AusgangsgrößeFig. 4: Circuit for forming an output variable proportional to the square of the rms value

Pig. 5: Schaltung mit verminderter dynamischer Belastung des OperationsverstärkersPig. 5: Circuit with reduced dynamic load on the operational amplifier

Aus Pig. 1 erkennt man eine bekannte Schaltung zur Logarithmierung des gleichgerichteten Eingangsstromes I , Entsprechend dem exponent!eilen Zusammenhang von Basis-Emitter-Spannung und Kollektorstrom ist bei Vernachlässigung der Basisströme die Ausgangs spannungFrom Pig. 1 shows a known circuit for taking the logarithm of the rectified input current I, Correspondingly the exponential relationship between base-emitter voltage and If the base currents are neglected, the collector current is the output voltage

Ua - 2 UT in -5_ , CDU a - 2 U T in -5_, CD

1CES 1 CES

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Wobei TJm die Temperaturspannung und I _ den der Einfachheit halber für alle Transistoren als gleich angenommenen Transfersättigungsstrom bezeichnen. Die derart gebildete Spannung U& wird der Schaltung gemäß Pig. 2 als Eingangsspannung U zugeführt. Pur den Kollektorstrom I^ des Transistors Ts 1 erhält manWhere TJ m denotes the temperature voltage and I _ denotes the transfer saturation current assumed to be the same for all transistors for the sake of simplicity. The voltage U & formed in this way is used in the circuit according to Pig. 2 supplied as input voltage U. Pur the collector current I ^ of the transistor Ts 1 is obtained

u- U1 m iC2/ices-u- U 1 mi C2 / i ces -

C2C2

UT (II) U T (II)

1CV = 1CES e 1 CV = 1 CES e

mit I02 als Kollektorstrom des Transistors Ts 2 und unter Yerwendung von Gleichung I ergibt sichwith I 02 as the collector current of the transistor Ts 2 and using equation I results

X01 . LeLX 01 . LeL

XC2 . (Ill) X C2. (Ill)

Der Mittelwert des Kollektorstromes Ιβ- ist bei stationärer Eingangsgröße der Strom I«. durch den Widerstand R-, das heißtThe mean value of the collector current Ι β - with a stationary input variable is the current I «. through the resistance R-, that is

1- 1 *■ ~1- 1 * ■ ~

TC1 T C1 S jS j :1 ; : 1 ; Aus Pig. 2 liestFrom Pig. 2 reads manman I02.ss I 02. ss hH 22 Daraμs folgt, daßIt follows that derthe Stromcurrent

~v J0 ~ v J 0

wie auch der Strom Ic„ und die entsprechenden Spannungsabfälle U1 und U2 dem Effektivwert as well as the current I c "and the corresponding voltage drops U 1 and U 2 the rms value

des gleichgerichteten Eingangsstromes I proportional sind.of the rectified input current I are proportional.

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Die Zeitkonstante des Effektivwertbildners wird ausschließlich durch den Widerstand IL und Kondensator C bestimmt. Die ,rückwirkungsfreie Kalibrierung ist daher mittels des zweiten Widerstandes R0 möglich.The time constant of the rms value generator is determined exclusively by the resistor IL and capacitor C. The reaction-free calibration is therefore possible by means of the second resistor R 0 .

C.C.

In der Schaltung nach Fig. 3 wird die Basis-Emitterspannung TL,.™ des Transistors Ts2 zur Bildung einer dem LogarithmusIn the circuit according to FIG. 3, the base-emitter voltage TL, ™ of the transistor Ts2 is used to form a logarithm

±5Jh et ± 5 Jh et

des Effektivwertes proportionalen Spannung genutzt. Mitvoltage proportional to the effective value is used. With

I 7V0 UBE2 - UT ln I™ ' ^v Ii L;I 7V 0 U BE2 - U T ln I ™ '^ v Ii L;

findet man für die Emitterspannung TJ des Transistors Ts3 U-, = TT In -" one finds for the emitter voltage TJ of the transistor Ts3 U-, = TT In - "

wobei I, den eingespeisten konstanten Emitterstrom des Transistors Ts3 bezeichnet.where I, denotes the fed-in constant emitter current of the transistor Ts3.

Die Schaltung nach Fig« 4 bildet ein dem Quadrat des Effektivwertes proportionales Ausgangssignal, indem Transistor Ts2 ein konstanter Kollektorstrom Ip aufgeprägt wird? aus Gleichung IT ergibt sich dannThe circuit according to FIG. 4 forms an output signal proportional to the square of the rms value in the transistor Ts2 constant collector current Ip is impressed? from equation IT then arises

U1 = -f- R1. CX)U 1 = -f- R 1 . CX)

In Fig. 5 sind die Transistorfunktionen gegenüber der Schaltung in Fig. 4 ausgetauscht worden. Dadurch wird erreicht, daß die quadrierten Wechselstromanteile nicht vom Ausgang des Operationsverstärkers OV aufgenommen werden müssen; somit vermindert sich dessen dynamische Belastung. Desweiteren wird in Fig.. 5 gegenüber der Schaltung in Fig„ 4 der Widerstand R1 fortgelassen, so daß durch den Kollektorstrom des Transistors Ts2 der Kondensator C fortwährend aufgeladen wird und dieser, beispielsweise zum Zwecke einer Analogwert-Frequenz -Wandlung, jeweils bei Erreichen einer bestimmten Ladespannung über die Anschlußklemme A entladen werden kann.In FIG. 5, the transistor functions have been exchanged with respect to the circuit in FIG. This ensures that the squared AC components do not have to be absorbed by the output of the operational amplifier OV; thus its dynamic load is reduced. Furthermore, the resistor R 1 is omitted in Fig. 5 compared to the circuit in Fig. 4, so that the capacitor C is continuously charged by the collector current of the transistor Ts2 and this, for example for the purpose of an analog value-frequency conversion, is always reached a certain charging voltage can be discharged via terminal A.

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Die Frequenz der Entladungen ist dabei dem Quadrat des Effektivwertes proportional. Da der Kollektor des Transistors Ts2 Stromquelleneigenschaft besitzt, hat die veränderliche Spannung über dem Kondensator C keinen Einfluß auf die Wirkungsweise des Effektivwertbildners„The frequency of the discharges is the square of the effective value proportional. Since the collector of the transistor Ts2 has the property of a current source, it has a variable voltage over the capacitor C no influence on the mode of operation of the rms value generator "

Die erfindungsgemäße Lösung gewährleistet bei geringem Bauelementeaufwand außer einer einfachen, rückwirkungsfreien Kalibrierung mittels des zweiten Widerstandes bzw. der ihn ersetzenden Gleichstromquelle eine von der Aussteuerung unabhängige Zeitkonstante auch bei kleinen Effektivwerten.The solution according to the invention ensures low component outlay apart from a simple, reaction-free calibration using the second resistor or the one replacing it DC source has a time constant that is independent of the modulation, even with small effective values.

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eereer

Claims (6)

Erf indung sans ρ rücheInvention without ρ smells ( 1./ Schaltungsanordnung zur Bildung des Effektivwertes einer Wechselgröße, wobei mit bekannten Mitteln eine Spannung gebildet wird, die proportional der gleichgerichteten und logarithmierten Wechselgröße ist, gekennzeichnet dadurch, daß diese Spannung (U) der Basis eines ersten Transistors (Ts1) zugeführt ist, dessen Emitter mit dem Ausgang seines Operationsverstärkers (OV) und der Basis eines zweiten Transistors (Ts2) vom gleichen Leitfähigkeitstyp, dessen Emitter an Masse liegt, verbunden ist und daß weiterhin die Anschlußklemme einer Versorgungsspannungsquelle (TJ. ) sowohl über die Parallelschaltung eines Kondensators (C) und eines ersten Widerstandes (R^) zum Verbindungspunkt von invertierendem Eingang des Operationsverstärkers (OV) und Kollektor des ersten Transistors (Ts1) als auch über einen zweiten Widerstand (R2) zum Verbindungspunkt von nichtinvertierendem Eingang des Operationsverstärkers (OV) und Kollektor des zweiten Transistors (Ts2) führt, wobei die über dem ersten Widerstand (R.) abfallende Spannung (U-) die effektivwertproportionale Ausgangsgröße darstellt.(1. / circuit arrangement for the formation of the effective value of an alternating quantity, with known means forming a voltage which is proportional to the rectified and logarithmic alternating quantity, characterized in that this voltage (U) is fed to the base of a first transistor (Ts1), the emitter of which is connected to the output of its operational amplifier (OV) and the base of a second transistor (Ts2) of the same conductivity type, the emitter of which is connected to ground, and that furthermore the connection terminal of a supply voltage source (TJ.) both via the parallel connection of a capacitor (C ) and a first resistor (R ^) to the connection point of the inverting input of the operational amplifier (OV) and the collector of the first transistor (Ts1) and via a second resistor (R 2 ) to the connection point of the non-inverting input of the operational amplifier (OV) and the collector of the second transistor (Ts2) leads, the one above the first Resistance (R.) falling voltage (U-) represents the output variable proportional to the effective value. 2. Schaltungsanordnung nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß der Strom (I-) durch den ersten Widerstand (R-) , der Spannungsabfall (U2) über dem zweiten Widerstand (R2) oder der Kollektorstrom des Transistors, dessen KoI ektor mit dem zweiten Widerstand (R?) verbunden ist, als effektivwertproportionale Ausgangsgrößen genutzt sind.2. Circuit arrangement according to item 1, characterized in that the current (I-) through the first resistor (R-), the voltage drop (U 2 ) across the second resistor (R 2 ) or the collector current of the transistor whose KoI ektor with the second resistor (R ? ) is connected, are used as output values proportional to the effective value. 3. Schaltungsanordnung nach Punkt 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Basis-Emitter-Spannung (U-gE2) des zweiten Transistors (Ts2) genutzt wird, um eine dem Logarithmus des Effek-, tivwertes proportionale Ausgangsgröße zu bilden, vorzugsweise mittels eines dritten Transistors (Ts3) des gleichen Leitfähigkeitstyps, dessen Kollektor mit einer geeigneten Versorgungsspannungsquelle (U, )> dessen Basis mit der Basis des zweiten Transistors (Ts2) und dessen Emitter mit einer Gleichstromquelle (I, ) verbunden ist, wobei die Emitterspannung3. Circuit arrangement according to items 1 and 2, characterized in that the base-emitter voltage (Ug E 2) of the second transistor (Ts2) is used to form an output variable proportional to the logarithm of the effective value, preferably by means of an output variable third transistor (Ts3) of the same conductivity type whose collector is connected to a suitable supply voltage source (U,)> whose base is connected to the base of the second transistor (Ts2) and whose emitter is connected to a direct current source (I,), the emitter voltage n 909819/0562 n 909819/0562 (TJo) des dritten Transistors (Ts3) die dem Logarithmus des Effektivwertes proportionale Ausgangsgröße darstellt.(TJo) of the third transistor (Ts3) which corresponds to the logarithm of the Rms value represents proportional output variable. 4. Schaltungsanordnung nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß der zweite Widerstand (Rp) durch eine Gleichstromquelle (I„) ersetzt und der invertierende Eingang des Operationsverstärkers (OV) abgetrennt und an eine Gleichspannungsquelle (U ef) angeschlossen ist, so daß der Spannungsabfall (IL) über dem ersten Widerstand (R1) die dem Quadrat des Effektivwertes proportionale Ausgangsgröße ist. 4. Circuit arrangement according to item 1, characterized in that the second resistor (R p ) is replaced by a direct current source (I ") and the inverting input of the operational amplifier (OV) is disconnected and connected to a direct voltage source (U ef ), so that the Voltage drop (IL) across the first resistor (R 1 ) is the output variable proportional to the square of the rms value. 5» Schaltungsanordnung nach Punkt 4, gekennzeichnet dadurch, daß der erste Widerstand (R.) entfällts wobei am Verbindungspunkt von Kondensator (C) und dem Kollektor des entsprechenden Transistors definierte Lad'ungsmengen entnehmbar sind.5 »Circuit arrangement according to Item 4, characterized in that the first resistor (R.) is omitted s wherein at the connection point of the capacitor (C) and the collector of the corresponding transistor defined Lad'ungsmengen are removable. 6. Schaltungsanordnung nach Punkt 1, 2, 4 und 5, gekennzeichnet dadurch, daß der Kollektor des ersten Transistors (Ts1) und der Kollektor des zweiten Transistors (Ts2) bzw. der invertierende und der nichtinvertierende Eingang des Operationsverstärkers (OV) jeweils miteinander vertauscht angeschlossen sind.6. Circuit arrangement according to item 1, 2, 4 and 5, characterized in that the collector of the first transistor (Ts1) and the Collector of the second transistor (Ts2) or the inverting one and the non-inverting input of the operational amplifier (OV) are connected interchanged. 909819/0562909819/0562
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0189754A1 (en) * 1985-01-09 1986-08-06 REFAC Electronics Corp. Power measuring apparatus

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