DE3139591A1 - Elektronische wiegeeinrichtung auf induktionsbasis - Google Patents

Elektronische wiegeeinrichtung auf induktionsbasis

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DE3139591A1
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Masashi Tokyo Miyane
Tsutomu Miyaoshi
Shuichi Yanagita
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Tanita Corp
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Description

Bench reib u ng Elektronische Wiegeeinrichtunp; auf Induktionsbasis
Die Erfindung betrifft im allgemeinen eine V/iegeeinrichtung und insbesondere eine elektronische Wiegeeinrichtung.
Eine bekannte elektronische Viegeeinrichtung mit einer elektrischen Spule arbeitet auf Spannungsbasis, wobei ein Differentialtransformator vorgesehen ist zur Umsetzung des Gewichts der zu messenden Last in eine Spannung 5 nach einer Analog/Digital-Umsetzung der Spannung erfolgt eine Anzeige des Lastgei.\richts. Elektronische Wiegeeinrichtungen auf Spannungsbasis haben jedoch die folgenden Nachteile: Da der Differentialtransformator eine Primärwicklung und eine Sekundärwicklung besitzt, ergeben sich mehrere Leitungen, die die Handhabung umständlich machen-, bei dem verwendeten Analog/Digitälum- setzer ist eine Kompensation von Temperatur- und Feuchtigkeit sänderungen erforderlich, was ebenfalls mühsam ist; außerdem erhöht ein derartiger Umsetzer die Kosten der Einrichtung.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine elektronische Wiegeeinrichtung auf Induktionsbasis anzugeben, bei der die vorgenannten Nachteile vermieden werden.
Eine elektronische Wiegeeinrichtung auf Induktionsbasis 3^ gemäß der Erfindung besitzt ein Wiegeglied, das gemäß dem Gewicht der zu messenden Last bewegt wird, ein veränderbares Induktivitatselement, bestehend aus einer Spule und einem Magnetkern, der relativ zur Spule durch diese bewegbar ist, einem Verbindungsglied zwischen dem Wiegeglied und entweder der Spule odex· dem Hagnetkern
-ir
den induktiven Elements, so daß das eine gegenüber dem anderen gemäß der Bewegung den Viegegliedes bewegt wird und sich die Induktivität des induktiven Elementes proportional zur Bewegung des Wiegegliedes ändern kann, einen Sensoroszillator, der das veränderbare Induktivitätsei enent als eines seiner Schwingungsparameter umfaßt und zur Erzeugung einer Impulsfolge dient, die eine Eigenschaft beßitzt, die die Induktivität des veränderbaren Induktivitätselements darstellt, eine Umsetzerschaltung zum Umsetzen der Eigenschaft der Ausgangsimpulse von dem Sensoroszillator in ein V/iegesignal, das das Gewicht der Last anzeigt und eine Anzeige zum Empfang des Gewichtssignals von der Umsetzerschaltung und zur Abgabe einer Anzeige des Gewichts iler Last. Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Wiegeeinrichtung wird nun unter Bezugnahme auf die Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine teilweise weggebrochene perspektivische Ansieht einer Ausführungsform einer elektronischen Wiegeeinrichtung auf Induktionsbasis in der "Form einer Plattformwaage gemäß der Erfindung,
Fig. 2 eine Schnittansicht, die weitere Einzelheiten des veränderbaren Induktivität-el em ent es der Wiegeeinrichtung der Figur 1 veranschaulicht.
Fig. 3 ein Blockschaltbild der elektronischen Schaltung» wie sie in der Wiegeeinrichtung der FigurA verv/endet wird,
Fig. 4 ein Schaltbild des Sensoroszillators*wie er in der Wiegeeinrichtung nach Figur 1 verwendet wird,
Fig. 5 eine graphische Darstellung des Grades der Kompensation der Linearität mittels eines Kompensationswider Standes,wie er In dem Sensoroszillator
der Figur -;·!- verwendet wird und
Fig. 6 ein Zeitdiagramm für die Viegeeinrichtung nach
Fig. 1. ■
■ ■
Pig. 1 zeigt eine Plattformwaage nit eines: Grundteil 1, wie es gemäß der Erfindung aufgebaut ist. Das Grundteil 1 besitzt an seinen Ecken Schneidenabstützungsglieder 2, 3i 4- und 5- Die einen Enden kurzer Verbindungshebel 6 und 7 werden durch die Abstützungsglieder 3 bzw. 4 • gehalten, während die einen Enden langer Verbindungshebel 8 und 9 von den Abstütsungsgliedern 2 bzw. 5 abgestützt werden. Die anderen Enden 5a und 7a der kurzen Verbindungshebel 6 und 7 sind an den Zwischenteilen der langen Verbindungshebel 8 und 9 mittels Aufhängeringen aufgehängt. Die anderen Enden ca und 9a der langen Hebel 8 und 9 sind an einer Verbindungsplatte 11 befestigt.
Ein Montagerahaen 13 ist auf dem Grundteil 1 aufgebracht und eine Hauptfeder 14 ist an dec Kontagerahmen 13 derart befestigt, daß sie von diesem herunterhängt. Ein Hebel 12 ist an seinem einen Ende nit dem Mittelteil der Verbindungsplatte 11 befestigt und an einen Mittelteil mit dem unteren Ende 14a der Hauptfeder 14 verbunden. Ein Arm 15 ist schwenkbar mittels Stiften 13a am Rahmen 13 befestigt- Der Arm 15 trägt eine Stange 16 deren mittlerer Teil gegen das obere Ende 12b des abgewinkelten ^eils 12a des Hebels 12 anliegt.
Ein veränderbares Induktivitätselement ist etwa in der Mitte des Unterteils 1 angebracht. Das veränderbare Induktivitätselement besitzt eine Spule 17 und einen Magnetkern 2o. Wie im Schnitt der Figur 2 gezeigt, besteht die Spule 17 aus drei Wicklungen 19, die um entsprechende drei Blöcke 18a, 18b, 18c eines Spulenkerns 18 ge-
wickelt sind. Die Wicklungen eier äußeren Blöcke 18s, 18c hnben eine größere Windungszahl als die Wicklung des mittleren Blockes 18b, wodurch eine Linearität in der Induktivitätsanderung des veränderbaren Induktivitatsele-πentes entsprechend der Bewegung des Magnetkerns 2o in Richtung der Achse des Spulenkerns 18 bzw. der Spule 1? über ein größeres Bewegungsausrcaß hin erreicht wird. Für eine weitere Ausdehnung der Linearität kann der Wickelkern 13 in noch ta ehr Blöcke unterteilt sein, wobei die Wicklungen jedes Blocks derart gewickelt sind, daß die Wicklungen der äußeren Blöcke eine größere Windungszahl haben.
Der Magnetkern 2o besteht aus magnetischen Material und ist durch den Wickelkern 18 bewegbar. Der Magnetkern 2o ist an seinen beiden Enden 2oa und 2ob mit.Verbindungsstangen 21 und 22 versehen. Eine Zugfeder 23 verläuft ■ zwischen den Ende 22a.der Verbindungsstange 22 und einem Haken la am Grundteil 1. Das Ende 21a der Verbindungsstange 21 ist schwenkbar an einem Lager 15a des Arms 15 mittels eines Haltestiftes 24 angebracht. Der Magnetkern wird somit normalerweise durch die Zugfeder 31 soweit gezogen bis die Verbindungsstange 16 gegen das obere Ende 12b des abgewinkelten Teiles 12a des Eebels 12 anliegt.
Obgleich bei diesem Ausführungsbeispiel die Spule 17 an dem Grundteil befestigt und der Magnetkern 2o bezüglich der Spule 17 beweglich ist, kann auch der Magnetkern am
Grundteil 1 angebracht und die Spule bezüglich des Magnetkerns 2o durch Verbinden mit dem Arm 15 bewegbar gemacht werden.
Figur 3 veranschaulicht eine elektronische Schaltung zum · 35
Umsetzen des Änderungswertes in der Induktivität des ver-
änderbaren Induktivitätselements in ein Signal, das das Gewicht einer zu wiegenden Last angibt. Die elektronische Schaltung "besitzt einen Sensoroszillator 5o. Wie in Pig. 1V gezeigt, umfaßt der Sensoroszillator 5o einen Operationsverstärker verwendenden Vergleicher 5"> und einen Integrator 52. Das Ende 19a der Wicklungen der Spule 17 des veränderbaren Induktivitätseiements ist mit dem Ausgang 51a des Vergleichers 51 und das Ende I9"o der Wicklungen der Spule 17 mit dem nicht-invertierenden Eingang 52a des Integrators 52 verbunden. Ein Widerstand EQ ist" zwischen dem nicht-invertierenden Eingang 52a und dem Ausgang 52c des Integrators 52 geschaltet. Ein Widerstand R^ liegt zwischen dem Ausgang 52c des Integrators 52 und dem invertierenden Eingang 51b des Vergleichers 51- Der
15. invertierende Eingang 51b ist über einen Widerstand. Sp mit dem Ausgang 51a des Vergleichers 51 verbunden. Der Ausgang 51s des Vergleichers 51 liegt an dem Eingang 53a eines Inverters 53 zum Formen des Ausgangssignals des Vergleichers 51· Der- nicht-invertierende Eingang 51c des Vergleichers 51 und der invertierende Eingang 52b des Integrators 52 sind geerdet. Die Periode C der Schwin gungsimpulse vom Sensoroszillator yo steht somit mit der Änderung der Induktivität L des veränderbaren Induktivitätselementes durch folgende Gleichung in Beziehung T = 4 R2ZR1 . LZE0
Aus dieser Gleichung ergibt sich, daß die Periode T proportional zur Induktivität L ist.
Bei einem derartigen Sensoroszillator 5o neigt die Periode T der Schwingungsimpulse des Sensoroszillators dazu, in einer nicht-linearen Beziehung zu dem WegZ,zu stehen, den der Magnetkern 2o zurücklegt, da Verzögerungen bei
der Übertragung vom Integrator 52 zum Komparator 51 oder 35
Veränderungen der Induktivität der Spule 17 auftreten, wie dies durch eine Kurve a in Pig. 5 gezeigt ist. Zur
Kompensation einer derartigen ITient-Linearität kann ein. KocipencotioiiGwiclerstand R7 über die Wicklung X] des veränderbaren Induktivitatselements geschaltet sein. Die Beziehung der Periode T zu dem V/eg^kann, wie Kurve b - 5 in ITigur 5 zeigt, durch Verstellen des Kompensationswiderstandes 3, linear gemacht werden, wodurch die Genauigkeit des Sensoroszillators verbessert wird.
Um ferner eine Änderung der Schvdngungsimpulse des Sen-1^ soroszillators infolge Änderungen der Umgebungstemperatur zu kompensieren, kann ein Widerstand R^ mit einem w positiven Temperaturkoeffizienten .in Reihe mit dem Widerstand Sq geschaltet werden, der an den Integrator 52 angeschlossen ist; es kann auch ein Taktgenerator 1^ mit entgegengesetzter Temperaturcharakteristik als ein Taktgenerator 8o (Fig. 5) zur Erzeugung eines Bezugstaktimpulses verwendet werden.
Wie ]?igur 3 zeigt, besitzt die elektronische Schaltung auch einen ersten Zähler 6o, der eine vorbestxmmte Anzahl von Schwingungsimpulsen P^1 des Sensoroszillators 5o zahlt und dann einen Ausgangsimpuls mit einer Impulsbreite TZ abgibt, die proportional zu der Zeit ist, die erforderlich war, um die bestimmte Anzahl von Imw pulsen P^ zu zählen (vergleiche Figur 6). Ein Taktgeneratoi1 8o erzeugt Taktimpulse Po über einen Frequenzteiler 9ο- Ein Zeitgabeimpulsgenerator T.P.G. empfängt Taktimpulse Ί?^ von dem Frequenzteiler 9o und erzeugt einen Zeitgabeimpuls T.P. Ein Gatter ?o wird durch den Zeitgabeimpuls T.P. des Zeitgabeimpulsgenerators T.P.G. und durch den Impuls mit der Impulsbreite TZ vom Zähler 6o geöffnet und läßt Taktimpulse ?o vom Frequenzteiler 9o durch. Somit ist die Anzahl der Taktimpulse P2, die durch das Gatter 7o laufen, proportional zur Impulsbrei-, te TZ des Impulses vom Sensoroszillator 5o-
1EIn zweit ei* Zähler 1oo zählt die Tsktimpulse Pp am Ausgang des Gatters 7o. Insbesondere sHhlt der Zähler 1oo zuerst die Taktimpulse Pp am Ausgang des Gatters 7o, wenn keine Last auf der Wiegeeinrichtung liegt und zwar unter Steuerung durch den Zeitgabeimpuls '2.P des Zeitgabeimpulsgenerators T.P.G. und die Anzahl der gezählten Taktimpulse Pp wird in einem Register lic gespeichert.' Wird nun die Last auf die Wiegeeinrichtung gelegt, dann zählt der Zähler 1oo die Taktimpulse P0 an Ausgang des Gatters 7o und die dann gezählte Anzahl von Taktinpulsen P0 wird dann unter Zusammenarbeiten des Registers 11o und eines Vergleichers 12ο verarbeitet wie dies noch beschrieben wird, so daß ein Wiegesignal entsprechend dem Gewicht der Last zu einer Anzeigehalteschaltung I3o. übertragen werden
!5 kann und das Gewicht der Last mittels der Anzeigeeinheit 1Ao angezeigt wird.
Ein Null-Detektor 15° stellt den ITuIl a st zustand fest und Schalter eine Versorgungsquelle I7o in Zusammenarbeit mit einem Zeitgeber 16ο ab, wenn ein derartiger Nullast zustand über eine vorbestimmte Zeit andauert.
Mittels einer Schaltung 18ο wird die Versorgungsquelle wieder angeschaltet und gleichzeitig ein Rucksteilimpuls 2^ erzeugt, der die Rückstellung des Zeitgabeimpulsgenerators T-P.G. der Anzeigehalteschaltung 13o und des Zeitgebers 16o bewirkt.
Die Arbeitsweise der Wiegeeinrichtung, die gemäß der vorstehenden Beschreibung aufgebaut ist, wird nun unter Bezugnahme auf das Zeitdiagramm der ?igur 6 beschrieben.
Zuerst liegt noch keine Last auf der Wiegeeinrichtung; die Schaltung 18ο wird aktiviert und dann vom Zeitgabeimpulsgenerator T.P.G. ein Rückstellimpuls erzeugt, der den Zeit
gabeimpulsgenerator T-P.G., das Register 11o, den ersten Zähler 6o, den zweiten Zähler 1oo und den Zeitgeber 16ο rückstellt. Während dieses ITullastzustands zählt der erste Zähler 6o eine vorbestimmte Anzahl, z.5. 2ooo Schwingungsimpulse P. vom Sensoroszillator 5o und gibt dann einen Impuls ab, der eine Impulsbreite TZ besitzt, die proportional zu der Zeit ist, die erforderlich war, um die vorbestimmte Anzahl von Impuls P^, zu zählen. Das Gatter 7o empfängt den Impuls mit der Impulsbreite TZ vom Zähler 6o
^O und Taktimpulse Po vom Frequenzteiler 9o und gibt eine Anzahl von Taktimpulsen P^ ab, die proportional der Impulsbreite TZ ist. Der zweite Zähler 1oo zählt die Taktimpulse Pp vom Gatter 7o. Unter Ansprechen auf einen Registerladeimpuls P-, vom Zeitgabeimpulsgenerator T.P. G. wird die An- zahl der durch den Zähler 1oo gezählten Taktimpulse Pp in dem Register 1"lo gespeichert.
Hiernach leitet der Zeitgabeimpulsgenerator T.P.G. einen · normalen Ileßzyklus ein. Der Zähler loo wiederholt eine Zähl operation wie sie zuvor beschrieben wurde. Wird jedoch die Anzahl der Taktimpulse Pp gezählt von Zähler loo gleich der jenigen, die in dem Register 11o gespeichert ist, dann wird der Zähler 1oo wiederum auf Null zurückgestellt. Unter Ansprechen auf einen Ilalteimpuls P^ von Zeitgabeimpulsgenerator T-P.G. wird eine Null von der Anzeigeeinheit I4o angezeigt.
Wird in dieser Situation eine zu wiegende Last auf die Wiegeplatte gelegt,· dann wirK: das Gewicht der Last auf die Gewichtempfangspunkte 8b, 9b und 6b, 7b der langen Verbindungshebel 8,9 bzw. der kurzen Verbindungshebel 6,7 über die Kanten eines nicht gezeigten Deckels der Waage. Das obere Ende 12b des abgewinkelten Teils des Hebels 12 senkt sich entgegen dem Druck der Feder 14 um einen Weg der proportional dem Gewicht der Last multipliziert mit.dem Hebelarm der langen bzw. kurzen Verbindungshebel 8,9 und 6,7 ist.
Nun wird das untere Ende des Arnos 15 durch die Zugfeder 23 angezogen und somit der AiT1 15 im Gegenuhrzeigersinn un den Schwenkpunlct 13a geschwenkt "bis die Verbindungsstange 16 gegen das obere Ende 12b des Hebels 12 anliegt. Hierdurch wird auch der Magnetkern 2o in der Wicklung 17 um einen Weg verschoben, der proportional zu dem Lastgewicht ist, wodurch die Induktivität des veränderbaren Induktivitätselements geändert wird, proportional zu dem Gewicht der Last. Da die Beziehung zwischen der Periode T der Schwingungsimpulse P„ des Sensoroszillators 5o und die Induktivität L des veränderbaren Induktivitätselements 17 dargestellt wird, durch die Gleichung T=A-R2ZR,. . L/Rq, wie dies zuvor angegeben wurde, zeigt sich, daß die Periode T der Schwingungsimpulse P„ des Sensoroszillators 5° proportional zum Gewicht der zu wiegenden Last erhöht ist. Der Zähler 6o beginnt nun eine vorbestimmte Anzahl z.B. 2ooo Schwingungsimpulse Px, zu zählen. ITach Beendigung dieser Zählung erzeugt der Zähler 6o einen Impuls mit einer Impulsbreite TZ1 proportional zu der Zeit, die erforderlich war, um die vorbestir:nte Anzahl von Schwingungsimpulsen Έ. zu zählen. Der Zähler 1oo beginnt die Taktimpulse Po zu zählen, die durch das Gatter 7o während einer Zeitperiode laufen, die gleich der Impulsbreite TZ1 des Impulses vom Zähler 6o ist. Wenn während einer derartigen Zählung die Anzahl von Zähler 1oo gezählten Taktimpulse P2 gleich der Anzahl derjenigen Taktimpulse P2 wirkt, die vom Zähler 1oo unter Hullastzustand gezählt und zuvor in dem Register 11o gespeichert wurde, dann stellt der Komparator I2o diesen Zustand fest und erzeugt einen Rückstellimpuls P,- durch den der Zähler 1oo auf Null zurückgestellt wird. Hiernach zählt der Zähler 1oo die durch das Gatter 7o laufenden Taktimpulse P2 weiter bis das Ende der Zeitperiode erreicht wird, die gleich der Impulsbreite TZ1 ist. Schließlich zählt der Zähler loo eine Anzahl von Taktimpulsen P2 proportional zu dem Zuwachs TX in der Impulsbreite entsprechend dem
ye -4t
Gewicht der Last, welche Anzahl dem Lastgewicht entspricht. Unter Ansprechen auf den Halteimpuls P^ wird die dem Lastgewicht entsprechende Anzahl an die Anzeigehalte schaltung 130 übertragen und mittels der Anzeigeeinheit 14o angezeigt.
Nach Beendigung des Meßzyklus schaltet der Zeitgeber 160 die Stromversorgung I7o ab, v;enn der Itullastzustand einige Sekunden andauert.
10
Die elektronische Schaltung kann als integrierte Schaltung oder Mikrocomputer ausgeführt sein; sie wird dadurch noch einfacher. Obwohl die Erfindung anhand einer Wiegeeinrichtung in Form einer Plattformwaage beschrie-
1^ ben wurde, läßt sich die Erfindung auch auf Wiegeeinrichtungen verschiedener anderer Arten von -Waagen etwa automatischer Zählerwaagen anwenden. Obgleich bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel das Gewicht durch Zählen der Periode der Schwingungsimpulse P„ angezeigt wurde, ist es auch möglich, die Anzeige des Gewichts mittels der Frequenz der Schwingungsimpulse P^ zu erzielen.
Die Viegeeinrichtung gemäß der Erfindung mit einem Aufbau, wie er zuvor beschrieben wurde, hat folgende Vorteile: ■
1. Sie ist nicht empfindlich gegenüber Änderungen in der Umgebungstemperatur und Feuchtigkeit.
2. Eine Linearität der Änderung der Induktivität mit
. dem Lastgewicht kann durch einfache Kompensation erzielt werden.
3. Da die Wicklung des veränderbaren Induktivitätselementes eine geringere Anzahl von Zuleitungen besitzt, ist die Anordnung dieser Zuleitungen vereinfacht.
1 4. Es wird kein Analog-Digitalu:asetzer "benötigt
5- Die Lineax'ität der Änderung cer Induktivität nit den
Lastgewicht kann über einen weiten Bereich erzielt 5 werden, wodurch sich die Heßgenauigkeit der Viegeein richtung verbessert.

Claims (1)

  1. Patentansprü c h e
    (/\y Elektronische yiegeeinrichtung auf Induktionsbasis mit einem Viegeglied, das geisä-xß der: Gewicht einer zu wiegenden Last bewegt wird, gekennzeichnet durch ein veränderbares Inöuktivitätselement (175 19) mit einer Spule (1?) und einem Magnetkern (19)5 der relativ zur Spule (17) durch diese bewegbar ist, eine Einrichtung (15? 21) zum Verbinden des Wiegegliedes (12) entweder mit der Wicklung (17) oder dem Magnetkern (19) des Induktivitätselements, so daß die Wicklung oder der Magnetkern bezüglich des Magnetkerns bzw. der Wicklung gemäß der Bewegung des Wiegegliedes (12) bewegt und die Induktivität des Induktivitätselements proportional zur Beilegung des Wiegegliedes (12) geändert wird, durch einen Sensoroszillator (5o), der das veränderbare Induktiv!tatselement (17j 19) als einer seiner Bclrwingungsparameter umfaßt und eine Impulsfolge tn.it einer Eigenschiifb er-
    sengt, die die Induktivität den verHnäerbnren induktivitätseletnent. <; (17, 19) darstellt, durch eine Einrichtung (Go, 7'J, Ίοο, 11o) zur. Umsetzer· der Eigenschaft der Ä.usgarigsimpulse des Sensoroszillators (5°) in ein Wiegesignal, dac das Gewicht der Last angibt, und durch eine Anzeige (I4o) sun Empfang des Wiegesignals von der Umsetzereinrichtung (δο, 7°: Ιοο, Ho) und zur Anzeige des Gewichts der Lest.
    ?.. Elektronische V/iegeeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Sensorossillator (5o) eine Impulsfolge nit einer Periode erzeugt, die proportional der Induktivität des veränderbaren Induktivitätselements (175 19) ist, daß die Umsetzer einrichtung (6o, 7o, loo, Λ'\ο) einen ersten Zähler (6o) zum Zählen einer vorbestimmten Anzahl von Ausgangsimpulsen des Sensoroszillators (5o) und zur Abgabe eines Impiilses mit einer Impulsbreite proportional zu der zum Zählen der vorbestimmten Anzahl der Ausgangsimpulse erforderlichen Zeit, einen Taktimpulsgenerator (3o) und einen zweiten Zähler (loo) zum Zählen der Taktimpulse des Taktimpuisgenerators für eine Zeitperiode gleich der Impulsbreite des Impulses
    vom ersten Zähler umfaßt.
    25
    3- Elektronische Wiegeeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Spule (17) des veränderbaren Induktivitätselements aus zu-, mindest drei Wicklungen besteht, die längs der Achse ° der Spule angeordnet sind, wobei die äußeren Wicklungen eine größere Windungszahl als die inneren haben-
    4. Elektronische Wiegeeinrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet , daß der Sensoroszillator (5o) einen Sompensationswiderstand (lU)umfaßt, der parallel zum veränderbaren Induktivitätselement (17i 19) geschaltet ist.
DE19813139591 1981-06-15 1981-10-05 Elektronische wiegeeinrichtung auf induktionsbasis Ceased DE3139591A1 (de)

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