DE3514564A1

DE3514564A1 - Messumformer fuer druck

Info

Publication number: DE3514564A1
Application number: DE19853514564
Authority: DE
Inventors: Hisatoshi Hirota; Masahide Ishikawa; Etsumi Hachioji Tokio/Tokyo Nakano
Original assignee: Nihon Radiator Co Ltd; TGK Co Ltd
Current assignee: TGK Co Ltd; Marelli Corp
Priority date: 1984-09-27
Filing date: 1985-04-23
Publication date: 1986-04-03
Also published as: JPS6160135U; US4602513A; AU4168085A; DE3514564C2; FR2570822A1

Description

DIPLrING. HORST ROSE DlPL.-iNÜ. PETER KOSEL DIPLw-ING. PETER SOBISCH

PATENTANWÄLTE ZUGELASSEN BEIM EUROPÄISCHEN PATENTAMT - EUROPEAN PATENT ATTORNEYS

Patentanwälte Rose. Kose! & Sobisch * Odastrasse 4a

Postfach 129, D-3353 Bad Gandersheim 1 Postfach 129

D-3353 Bad Gandersheim 1

Telefon (O 53 82) 40 38 Τε'εχ ? l7-:22 dodp d Telegramm-Adresse: Siedpatent Badgandersheim

22. April 19-5

IhreAkten-Nr.:

Unsere Akten-Nr.: 3065/1

1. NIHON RADIATOR COMPANY, LIMITED

2. TGK COMPANY, LIMITED

Meßumformer für Druck

Die Erfindung bezieht sich auf einen Meßumformer für Druck in ein elektrisches Signal entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Meßumformer für Druck existieren und werden praktisch eingesetzt in einer Vielzahl von Ausführungsformen, um die unterschiedlichsten Drücke in eine andere Signalform, beispielsweise in ein diesen entsprechendes elektrisches Signal umzuwandeln. Lediglich beispielhaft seien in diesem Zusammenhang die den Kolben einer Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeugs beaufschlagenden Drücke, Öl-, Luft-, Kühlmitteldrücke und Drücke von Klimaanlagen genannt.

In der veröffentlichten japanischen Gebrauchsmusteranmeldung Nr. 205,042/82 ist ein Meßumformer für Druck beschrieben, dessen Deckel eine zentrale Einlaßöffnung für ein Druckmedium aufweist, dessen Grundkörper teilweise durch den Deckel überdeckt wird und eine sich vertikal erstreckende, zentral

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PS/J

BAD

Bankkonto: NORD/LB, NL Bad Gandersheim (BLZ 278 537 21). Kto -Nr 22118 970 ■ Postscheckkonto: Postscheckamt Hannover (BLZ 250100 30), Kto.-Nr. 66715-307

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angeordnete Durchgangsöffnung aufweist. Der Grundkörper weist eine dem Deckel angepaßte obere Oberfläche und einen sich nach unten erstreckenden, einen verringerten Durchmesser aufweisenden zylindrischen Abschnitt auf, dessen Seitenwandung mit einem sich vertikal erstreckenden Schlitz versehen ist. Zwischen der Unterseite des Deckels und der Oberseite des Grundkörpers ist eine Membran eingeklemmt. Innerhalb des zylindrischen Abschnitts des Grundkörpers ist ein Kolben vertikal bewegbar gelagert, dessen Kolbenstange sich nach oben durch die zentrale Durchgangsöffnung des Grundkörpers hindurch erstreckt. Das obere Ende der Kolbenstange trägt eine einstückig mit dieser ausgebildete Scheibe. Auf der äußeren Oberfläche des Grundkörpers und zwar im Bereich dessen zylindrischen. Abschnitts befindet sich ein Potentiometer, welches drehbar einen Hebel trägt, der durch den genannten Schlitz hindurch mit dem auf- und abbewegbaren Kolben in Verbindung steht. Ein an dem unteren Ende des Grundkörpers befestigtes Bauteil weist eine AnSchlußleitung auf, die mit dem Potentiometer in Verbindung steht. Das Bauteil ist darüber hinaus mit einer Rückführfeder versehen, durch welche der Kolben in einer Richtung nach oben mechanisch vorgespannt ist. Eine mit der Feder in Verbindung stehende Justierschraube dient der Einstellung einer bestimmten Vorspannung der Feder.

Sobald der Druck innerhalb der durch die innere Oberfläche des Deckels und die obere Oberfläche der Membran umgrenzten Kammer ansteigt, da ein Druckmedium durch dieDurchgangsöffnung des Deckels in diese Kammer einströmt, wird die Membran nach unten gedrückt, sobald der Druck innerhalb der Kammer eine bestimmte Kraft entwickelt, die abhängt von der Gegenkraft der Rückiiirfeder, der druckbeaufschlagten Fläche der Membran und der Höhe des anstehenden Drucks. Durch die nach unten gedrückte Membran wird über die am Ende der Kolbenstange befindliche Scheibe auch der

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35U564 Kolben in den zylindrischen Abschnitt des Grundkörpers hinein verschoben, so daß auch der oben erwähnte Hebel betätigt wird.

Über den Hebel wird der Widerstandswert des Potentiometers entsprechend der nach unten gerichteten Bewegung des Kolbens verändert. Die geradlinige Bewegung der Membran muß hierbei nicht in eine Drehbewegung umgewandelt werden, da das hier eingesetzte Potentiometer nicht von der Art ist, welches zur Verstellung eine Drehbewegung erfordert sondern vielmehr von der Art ist, bei welchem zur Verstellung lediglich eine geradlinige Bewegung erforderlich ist.

Bei dem vorliegenden Meßumformer bewegt sich der Kolben Jedoch unter Überwindung von Reibungsverlusten axial gegen die Kraft der Rückführfeder, so daß die auftretende Reibung zwischen dem Kolben und der Feder einen Druckverlust verursacht. Bei der Umformung des Drucks in ein diesem entsprechendes elektrisches Signal kann letzteres somit nicht den genauen Wert des anstehenden Drucks oberhalb der Membran angeben.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, einen Meßumwandler für Druck dahingehend zu verbessern, daß die dem Stand der Technik innewohnenden Nachteile vermieden werden und insbesondere eine reibungsfreie Bewegung des Kolbens ermöglicht wird, so daß das gebildete elektrische Meßsignal frei von reibungsbedingten Meßfehlern ist. Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Kennzeichnungsteils des Anspruchs 1 gelöst. Der über die Membran mit Druck beaufschlagte Kolben und die Federteller bewegen sich ohne Reibung relativ zueinander. Auf diese Weise werden reibungsbedingte Meßfehler vermieden, so daß das ermittelte elektrische Signal ein genaues Abbild des anstehenden Drucks ist. Es sei darauf hingewiesen, daß die Angaben

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"oben" und "unten" im folgenden sich auf die axiale Richtung des zylindrischen Grundkörpers des Gehäuses des erfindungsgemäßen Meßumformers beziehen bzw. auf die Längsrichtung des Gehäuses. Die Anordnung des Gehäuses relativ zu einem Meßobjekt ist jedoch grundsätzlich beliebig.

Gemäß den Merkmalen des Anspruchs 3 sind die Federteller nach Art eines Pantographen angeordnet. Insbesondere auf diese Weise wird dazu beigetragen, daß zwischen dem Kolben und den Federtellern keinerlei Reibung entsteht, so daß bei der Umwandlung des Drucks in ein diesem entsprechendes elektrisches Signal letzteres die genaue Größe des anstehenden Druckes wiedergibt.

Die obengenannten und weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich für einen einschlägigen Fachmann aus der folgenden detaillierten Beschreibung, in welcher unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben ist. Diese Beschreibung ist jedoch lediglich beispielhaft zu sehen und soll in keiner Weise den Umfang des Erfindungsgegenstands beschränken. Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch den erfindungsgemäßen Meßumformer;

Fig. 2 einen Längsschnitt ähnlich der Fig. 1, wobei der Meßumformer mit Druck beaufschlagt ist;

Fig. 3 eine Explosionsdarstellung von Kolben und Federteller;

Fig. 4 die räumliche Beziehung zwischen dem Hebel und dem Jochteil in Explosionsdarstellung;

Fig. 5 eine schematische Vorderansicht des magnetfeldabhängigen Widerstands;

Fig. 6 eine Grafik aus welcher die Beziehung zwischen dem Eingangsdruck und den elektrischen, den Druck repräsentierenden Ausgangssignalen erkennbar ist.

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Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, welche ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines Meßumformers für Druck zeigen, näher erläutert werden. Der Meßumformer besteht aus einem Grundkörper, dessen äußeres Gehäuseteil 1 eine zentrale Einlaßöffnung 2 für ein Druckmedium aufweist, das mit einer äußeren, zeichnerisch nicht dargestellten Druckquelle in Verbindung steht. Innerhalb des Gehäuseteils 1 und sich quer über dessen Innenraum erstreckend ist eine Membran 3 angeordnet. Die Membran 3 wird in ihrer Stellung durch ein ringförmiges Zwischenteil 4 gehalten, welches innerhalb des Gehäuseteils 1 die Membran unterstützt. Durch die Membran 3 wird innerhalb des Gehäuseteils 1 eine gasdichte Kammer 5 definiert, die mit der Einlaßöffnung 2 in leitender Verbindung steht. Mit den Bezugsziffern 7 und 7a sind ringförmige Federteller bezeichnet, die innerhalb des Gehäuseteils 1 mit Abstand voneinander unterhalb des Zwischenteils 4 angeordnet sind. Jeder Federteller 7, 7a ist in seinem mittleren Bereich nach oben, nämlich in Richtung auf die Einlaßöffnung 2 hin, gebogen und weist eine Vielzahl von Schlitzen auf, die sich ausgehend von dem gebogenen Abschnitt der Federteller radial nach außen erstrecken. Zwischen den Schlitzen ergeben sich auf diese Weise eine Vielzahl von Federteilen

8. Der gebogene mittlere Abschnitt eines Federtellers 7, 7a ist mit einer Durchgangsöffnung 9 versehen. Innerhalb des Gehäuseteils 1 ist ein Kolben 10 vertikal bewegbar gelagert, dessen Kolbenstange 11 sich durch die zueinander fluchtend angeordneten Durchgangsöffnungen 9 der Federteller 7,7a hindurch erstreckt.

Zwischen den einander gegenüberstehenden Federtellern 7,7a befindet sich ein zylindrischer Anschlag 12, durch welchen der obere Federteller 7 gegen das Zwischenteil 4 geklemmt wird. Der Anschlag 12 hat eine zentrale Durch-

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gangsöffnung 13, durch welche hindurch sich die Kolbenstange 11 des Kolbens 10 erstreckt. Das Gehäuseteil 1 umfaßt ferner ein inneres Gehäuseteil 15, welches in das äußere Gehäuseteil 1 eingesetzt ist und durch welches der untere Federteller 7a gegen den Anschlag 12 geklemmt wird. Der Innenraum des Gehäuses des Meßumformers ist auf diese Weise durch die Membran 3 in die bereits erwähnte gasdichte Kammer 5 oberhalb der Membran und einer Betriebskammer 17 unterhalb der Membran unterteilt.

Der Kolben 10 ist für eine aufwärts- und abwärts gerichtete Bewegung innerhalb der Betriebskammer 17 ausgebildet, und zwar in Abhängigkeit von der Druckbeaufschlagung der Kammer 5. Am oberen Ende des Kolbens 10 befindet sich ein erstes Übertragungsteil 18, dessen Durchmesser größer ausgebildet ist als derjenige der Durchgangsöffnung des Anschlags 12. Ein zweites Übertragungsteil 20, dessen Durchmesser im wesentlichen demjenigen des ersten Übertragungsteils 18 entspricht, ist in einer ringförmigen Ausnehmung 19 der Kolbenstange 11 gehalten, und zwar in einer Zwischenstellung zwischen deren oberem und deren unterem Ende. Das Übertragungsteil 20 liegt an einer Scheibe 21 an, die auf der Kolbenstange 11 befestigt ist. Der untere Endabschnitt 22 der Kolbenstange 11 ist abgerundet ausgebildet. An der Bodenwandung des inneren Gehäuseteils 15 ist ein im wesentlichen U-förmig ausgebildetes Jochteil 24 mittels einer Schraube 25 befestigt. Auf der Innenseite des einen, sich nach oben erstreckenden Schenkels 26 des Jochteils 24 befindet sich ein herkömmlicher magnetfeldabhängiger Widerstand

27. Der Widerstand 27 wird durch zwei hintereinander geschaltete magnetfeldabhängige Widerstandselemente 27a und 27b gebildet, deren Ausgangsspannung durch Annäherung

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oder Entfernung eines Permanentmagneten veränderbar ist. Die magnetfeldabhängigen Widerstandselemente 27a und 27b des Widerstands 27 weisen die gleiche Charakteristik auf und wirken mit dem Feld eines Permanentmagneten 30 zusammen. Die Widerstandselemente 27a und 27b weisen Anschlußleitungen 36, 37 und 38 auf, wobei die Anschlußleitung 37 beiden Widerstandselementen gemeinsam ist. In die äußere Oberfläche des anderen, sich aufrecht erstreckenden Schenkels 28 des Jochteils 24 ist eine scharfe Kerbe 29 eingearbeitet, und zwar im Bereich dessen oberen Endes. Diese Kerbe 29 dient der Lagerung des einen Endes eines Hebels 311 an dessen anderem Ende der Permanentmagnet 30 befestigt ist. Das der Lagerung des Hebels 31 dienende Ende desselben ist mit einem seitlichen Vorsprung 32 ausgebildet, der entsprechend der Form der Kerbe 29 ausgestaltet ist. Der Hebel 31 ist durch die, durch den Vorsprung 32 gebildete Schneide drehbar in der Kerbe 29 des Schenkels 28 gelagert. Zwischen dem Hebel 31, und zwar mit Abstand von dessen im Bereich der Kerbe 29 gelegenen Drehpunkt und dem unteren Ende des Schenkels 26 erstreckt sich eine Feder 33. Die Bezugsziffer 35 bezeichnet eine Justierschraube die in das innere Gehäuseteil 15 eingeschraubt ist und der Justierung der Stellung des Permanentmagneten 30 relativ zu dem magnetfeldabhängigen Widerstand 27 dient. Diese Justierung kommt dadurch zustande, daß über die Justierschraube 35 das eine Ende des Jochteils 24 nach oben oder nach unten bewegbar ist. Der Hebel 31 beschreibt auf diese Weise einen nach oben bzw. nach unten gerichteten Bogen um einen Drehpunkt, der sich im Bereich der Kerbe 29 befindet, wobei jedoch eine Berührung des Widerstands 27 ausgeschlossen ist. Der Widerstandswert R₁ des Widerstandselements 27a und der Widerstandswert Rp des Widerstandselements 27b verändern sich entsprechend der Position des Permanentmagneten 30, so daß

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j\. 35H564 die Position dieses Permanentmagneten 30 in ein entsprechendes elektrisches Signal umformbar ist.

Der Kolben 10 steht unter einer nach oben gerichteten, durch die Federteller 7,7a erzeugten Vorspannung, wobei im unbelasteten Zustand das zweite Übertragungsteil 20 an der Unterseite des Anschlags 12 anliegt. In dieser vorgespannten Stellung des Kolbens 10 befindet sich der Hebel 31 ebenfalls unter einer nach oben gerichteten elastischen Vorspannung, welche durch die Feder 33 erzeugt wird und durch welche der Hebel 33 &ⁿ dem abgerundeten Endabschnitt 22 der Kolbenstange 11 anliegt.

Sobald der Druck in der mit einer äußeren Druckquelle über die Einlaßöffnung 2 in Verbindung stehenden Kammer 5 ansteigt, ergibt sich über die Membran 3 eine nach unten gerichtete Kraft auf den Kolben 10, so daß dieser entgegen der nach oben gerichteten Kraft der beiden Federteller 7,7a elastisch nach unten gedrückt wird. Die Bewegungsrichtung des Kolbens ergibt sich somit aus der Reaktionskraft der Federteller 7,7a auf den Druck in der Kammer 5, so daß durch den Druck eine Linearbewegung des Kolbens erzeugt wird. Da während der nach oben oder nach unten gerichteten Bewegung des Kolbens 10 durch diesen und die Federteller 7,7a keinerlei Reibungskräfte entstehen, entfällt auch ein durch Reibungskräfte bedingter Druckverlust.

Sobald sich der Kolben 10 nach unten bewegt, wird durch den abgerundeten Endabschnitt 22 der Kolbenstange 11 der Hebel 31 nach unten geschwenkt, so daß durch die hierdurch bedingte Änderung der relativen Position des an dem einen Ende des Hebels 31 angebrachten Permanentmagneten 30 bezüglich des magnetfeldabhängigen Widerstands 27 die Ausgangsspannung des Widerstands 27 geändert wird und auf diese Weise der Druck in ein diesem entsprechendes

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elektrisches Signal umgeformt wird. Aus Fig. 6 ist die Beziehung zwischen dem zu messenden Druck und einem aus den Widerstandswerten der Widerstandselemente gebildeten Verhältniswert ersichtlich. Die mit A bezeichnete Kurve zeigt eine Funktion an, die sich bei ansteigendem Druck ergibt und die mit B bezeichnete Kurve zeigt eine Funktion an, die sich bei abfallendem Druck ergibt.

Trotz der Differenz zwischen den Kurven A und B, welche durch den Kolben 10 und die Membran 3 verursacht werden, arbeitet der erfindungsgemäß Meßumformer zufriedenstellend, da zwischen den Federtellern 7,7a und der Kolbenstange 11 keine reibende Berührung besteht.

Aufgrund der oben beschriebenen Konstruktion und Anordnung der einzelnen Komponenten des erfindungsgemäßen Meßumformers ergeben sich die folgenden vorteilhaften Wirkungen:

1. Durch die ringförmigen Federteller wird eine den Druckkräften entgegengerichtete Kraft auf den Kolben nach Art eines Pantographen ausgeübt und es ergibt sich aus den Verformungsbewegungen der Federteller keinerlei Reibung zwischen den Federtellern und dem Kolben, so daß ein durch Reibungskräfte bedingter Druckverlust ebenso wie ein hierdurch bedingter Meßfehler bei der Umwandlung des Drucks in ein elektrisches Signal entfällt.

2. Da der Kolben nach Art eines Pantographen durch die Federteller gehalten ist, wird die Bewegungsrichtung des Kolbens durch die Federteller bestimmt, und zwar derart, daß dem Druck eine lineare Bewegung des Kolbens entspricht.

3. Die den magnetfeldabhängigen Widerstand bildenden Widerstandselemente befinden sich in einer Umformungszone, in welcher durch die Stellung des Kolbens einem bestimmten Druck ein bestimmter Hub des Kolbens züge-

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ordnet werden, so daß der Meßumformer konstruktiv einfach ausgebildet sowie leicht und kompakt ausgebildet sein kann.

Es ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnungen im Detail beschrieben worden - diese Beschreibung dient jedoch nur der Darstellung des Ausführungsbeispiels und keineswegs der Beschränkung des Erfindungsgegenstands, der in den beigefügten Ansprüchen umrissen ist.

Patentanwälte Dipl.-lnge. Böse, Kosel & Sobisch

Claims

DIPLvING. HORST ROSE DIPL.~!NG. PETER KOSEL DIPL.-ING. PETER SOBISCH f PATENTANWÄLTE ^j ZUGELASSEN BEIM EUROPÄISCHEN PATENTAMT - EUROPEAN PATENT ATTORNEYS 35U564 Patentanwälte Rose. Kosel & Sobisch * Odastrasse4a Postfach 129, D-3353 Bad Gandersheim 1 Postfach 129 D-3353 Bad Gandersheim 1 Telefon (O 53 82) 4Q 38 Telex £ 57422 sbdp d Telegramm-Adresse: Siedpatent Badgandersheim 22. April 19&5 IhreAkten-Nr.: Unsere Akten-Nr.: 3085/1

1. NIHON RADIATOR COMPANY, LIMITED

2. TGK COMPANY, LIMITED

PATENTANSPRÜCHE

1. Meßumformer für Druck mit einem zylindrischen Grundkörper, der aus einem äußeren, eine zentrale Einlaßöffnung (2) für ein Druckmedium aufweisenden Gehäuseteil (1) und einem inneren Gehäuseteil (15) besteht, mit einer innerhalb und sich über den Querschnitt des äußeren Gehsuseteils (1) erstreckenden Membran (3), durch welche das Gehäuseteil (1) in eine oberhalb der Membran (3) befindliche, gasdichte Kammer

(5) und eine unterhalb der Membran (3) befindliche Betriebskammer (17) unterteilt wird, mit einem innerhalb der Betriebskammer (17) befindlichen, entsprechend dem über die Membran (3) übertragenen Druck der Kammer (5) vertikal bewegbaren Kolben (10), dadurch gekennzeichnet, daß sich an dem einen Ende des Kolbens (10) ein Übertragungsteil (20) befindet, daß der Kolben (10) von einem Paar einander gegenüberliegender und vertikal mit Abstand voneinander angeordneter ring-

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Bankkonto: NORD/LB, NLBad Gandersheim (BLZ 278537 21i. Kto -Nr. 2? 118 97fi · PnstRrhprkknnfn· Pnctejrhw-Uamt Mannnwor /ri 7 cwi-inn.-vn ion .Mr rr7 -ic. ·5Ο

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artiger Federteller (7,7a) umgeben ist, daß zwischen den Federtellern (7_f7a) ein Anschlag (12) angeordnet ist, an welchem das Übertragungsteil (20) anliegt, daß in einem unteren Bereich der Betriebskammer (17) ein Permanentmagnet (30) angeordnet ist, daß innerhalb der

Betriebskammer (17), dem Permanentmagnet (30) gegenüberliegend, ein magnetfeldabhängiger Widerstand (27) sich befindet, dessen Ausgangsspannung entsprechend der Entfernung des Permanentmagneten (30) von dem Widerstand (27) veränderlich ist, daß der Permanentmagnet (30) an dem einen Ende eines beweglich gelagerten Hebels (31) befestigt ist und daß an dem inneren Gehäuseteil (15) das eine Ende einer Feder (33) befestigt ist, deren anderes Ende an dem Hebel (31) angebracht ist, durch welche der Hebel (31) gegen den, mit der Membran (3) in Wirkverbindung stehenden Kolben (10) gedrückt wird.

2. Meßumformer nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Zwischenteil (4), welches zwischen der Membran und

" einem Federteller (7) angeordnet ist und durch welches

ι 20 die Membran (3) fixiert wird.

3. Meßumformer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Federteller (7,7a) die Gestalt eines den Kolben (10) stützenden Pantographen bilden, so daß Reibungen zwischen dem Kolben (10) und den Federtellern (7,7a) vermieden werden.

4. Meßumformer nach einem der vorangegangenen Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (10) eine sich nach unten erstreckende Kolbenstange (11) aufweist, die mit einem abgerundeten unteren Endabschnitt (22) versehen ist, der mit dem Hebel (31) in Wirkverbindung steht.

5. Meßumformer nach einem der vorangegangenen Ansprüche bis 4, gekennzeichnet durch ein im wesentlichen U-förmig

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ausgebildetes Jochteil (24), an welchem das eine Ende des Hebels (31) gelagert ist.

6. Meßumformer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der magnetfeldabhängige Widerstand (27) an einen, sich aufrecht erstreckenden Schenkel (26) des Jochteils (24) befestigt ist und daß der Permanentmagnet (30) an dem anderen Ende des Hebels (31) angebracht ist, wobei der Hebel (31) an dem anderen Schenkel (28) des Jochteils (24) gelagert ist.

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