DE60010935T2 - Versorgungsstromregler für zweidrahtsensoren - Google Patents

Versorgungsstromregler für zweidrahtsensoren Download PDF

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    • G08C19/02Electric signal transmission systems in which the signal transmitted is magnitude of current or voltage
    • GPHYSICS
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Description

  • Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Versorgungsstromregler für Zweidrahtsensoren.
  • Allgemeiner Stand der Technik
  • Ein Zweidrahtsensor wird gewöhnlich eingesetzt, um einen Zustand zu erfassen und einen Meßwert des erfaßten Zustandes über zwei Drähte an einen Regler oder Anzeiger zu übertragen. Der Zweidrahtsensor wird typischerweise über zwei Drähte mit einer Spannung VS versorgt, und der Zweidrahtsensor steuert den Versorgungsstrom IS als Reaktion auf den erfaßten Zustand. Dieser Versorgungsstrom IS wird von einem Regler erfaßt, um eine Last zu regeln, und/oder der Versorgungsstrom IS wird von einem Anzeiger erfaßt, um den erfaßten Zustand anzuzeigen.
  • Vorhandene Stromquellen für Zweidrahtsensoren sind mit mehreren Problemen behaftet. Zum Beispiel ergeben sich aus Fluktuationen bei der Versorgungsspannung VS entsprechende Fluktuationen beim Versorgungsstrom IS. Weil solche Fluktuationen des Versorgungsstroms IS keinen Bezug zum erfaßten Zustand haben, ist die Ausgabe des Zweidrahtsensors keine genaue Wiedergabe des erfaßten Zustandes. Auch sind vorhandene Stromquellen temperaturempfindlich. Wenn die Temperatur nicht der zu messende Zustand ist, kann die Ausgabe des Zweidrahtsensors mit den Temperaturänderungen schwanken, was daher zu einer ungenauen Anzeige des gemessenen Zustands führt.
  • Weiterhin können auch Variationen im Strom, der von Zweidrahtsensor-Meßwertgebern im Stand der Technik aufgenommen wird, sowie auch von mit diesen Meßwertgebern verbundenen Schaltungen, ungenaue Anzeigen des gemessenen Zustands erzeugen. Ein Meßwertgeber und die damit verbundene Schaltungen eines Zweidrahtsensors werden hier als Sensorlast bezeichnet.
  • Die vorliegende Erfindung zielt auf eine Anordnung ab, die ein oder mehrere Probleme bei Stromquellen für Zweidrahtsensoren im Stand der Technik löst.
  • Gemäß eines Aspekts der vorliegenden Erfindung ist ein Stromregler für einen Zweidrahtsensor bereitgestellt, umfassend erste und zweite Leiter, die so angeordnet sind, daß sie bereitstellen einen Sensorausgabestrom (IS), eine an den ersten und zweiten Leiter gekoppelte Stromreferenz und eine an den ersten und zweiten Leiter gekoppelte Sensorlast und einen Verstärker, wobei der Stromregler dadurch gekennzeichnet ist, daß:
    der Verstärker zwischen der Stromreferenz und der Sensorlast in einer Konfiguration von geschlossenem Regelkreis mit Rückkopplung gekoppelt ist, so daß die Stromreferenz so gesteuert wird, daß sie den Sensorausgabestrom (IS) als Reaktion auf einen Zustand variiert, der von der Sensorlast erfaßt wurde.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Die Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden beim Lesen der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen klarer, bei welchen:
  • 1 ein allgemeines Schaubild eines Stromregelkreises für den Einsatz in Verbindung mit einem Zweidrahtsensor ist;
  • 2 einen Stromlaufplan eines Stromreglers gemäß der vorliegenden Erfindung illustriert und eine Stromreferenz und eine Sensorlast beinhaltet;
  • 3 die Sensorlast der 2 mit zusätzlichen Einzelheiten illustriert; und
  • 4 die Stromreferenz der 2 mit zusätzlichen Einzelheiten illustriert.
  • Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
  • Wie in 1 dargestellt, umfaßt ein Zweidrahtsensor 10 typischerweise ein Paar Leiter 12 und 14, die an einen Sensor/Regler 16 angeschlossen sind. Eine Spannung VS ist zwischen den Leitern 12 und 14 bereitgestellt, und der Sensor/Regler 16 regelt den Versorgungsstrom IS gemäß des Zustandes, der gemessen wird. Der Versorgungsstrom IS wird daher an den Leitern 12 und 14 erfaßt und wird von einem Regler verwendet, um den gemessenen Zustand zu regeln, und/oder von einem Anzeiger, um den gemessenen Zustand anzuzeigen.
  • Ein Zweidrahtsensor 20 gemäß der vorliegenden Erfindung ist in 2 dargestellt. Der Zweidrahtsensor 20 beinhaltet ein Paar Leiter 22 und 24. Eine Spannung VS ist zwischen den Leitern 22 und 24 bereitgestellt. Ebenfalls zwischen den Leitern 22 und 24 angeschlossen sind ein erster Widerstand 26 und eine Stromreferenz 28, wobei dazwischen ein Knotenpunkt 30 liegt. Die Stromreferenz 28 stellt einen Strom IREF so bereit, daß der Strom I1 durch den ersten Widerstand 26 und der Strom IREF im wesentlichen gemäß der folgenden Gleichung in Beziehung stehen:
    Figure 00030001
  • Eine Spannung V1 am Knotenpunkt 30 ist durch die folgende Gleichung gegeben:
    Figure 00030002
    wobei R1 der Widerstand des ersten Widerstands 26 ist.
  • Ein zweiter Widerstand 32 und eine Sensorlast 34 sind zwischen den Leitern 22 und 24 angeschlossen, wobei dazwischen ein Knotenpunkt 36 gebildet ist. Wie hiernach behandelt, beinhaltet die Sensorlast 34 einen Meßwertgeber, der den gewünschten Zustand angibt. Ein steilheitsgesteuerter Operationsverstärker (OTA) 38 hat eine erste Eingabe an den Knotenpunkt 30 angeschlossen, eine zweite Eingabe an den Knotenpunkt 36 angeschlossen und eine Ausgabe auch an den Knotenpunkt 36 angeschlossen.
  • Eine Spannung V2 am Knotenpunkt 36 ist durch die folgende Gleichung gegeben:
    Figure 00040001
    wobei VOS klein ist und eine Eingangs-Fehlspannung des steilheitsgesteuerten Operationsverstärkers 38 ist. Somit zwingen die negative Rückkopplung und die hohe Verstärkung des steilheitsgesteuerten Operationsverstärkers 38 die Spannung V2, im wesentlichen der Spannung V1 gleich zu sein. Darüber hinaus fließt ein Strom I2 durch den zweiten Widerstand 32 und er ist durch die folgende Gleichung gegeben:
    Figure 00040002
    wobei R2 der Widerstand des zweiten Widerstands 32 ist.
  • Nach dem ersten Kirchhoffschen Gesetz steht der Versorgungsstrom IS in den Leitern 22 und 24 mit dem Strom I1 und dem Strom I2 gemäß der folgenden Gleichung in Beziehung:
    Figure 00050001
    wobei IQ der Ruhestrom des steilheitsgesteuerten Operationsverstärkers 38 ist, was in 2 dargestellt ist. Durch Kombination der Gleichungen (1)–(5) ergibt sich die folgende Gleichung:
    Figure 00050002
  • 2 zeigt auch einen Strom IL durch die Sensorlast 34 und einen Strom IA in die Ausgabe des steilheitsgesteuerten Operationsverstärkers 38. Da der Strom IL aufgrund des Meßwertgeberbetriebs variiert, schafft der Strom IA einen Ausgleich, um einen regulierten Wert für den Strom I2 beizubehalten. Wie sich aus Gleichung (6) ersehen läßt, ist der Versorgungsstrom IS im wesentlichen eine Funktion von nur dem Strom IREF und dem Verhältnis R1 zu R2, wenn angenommen wird, daß die Fehlspannung VOS und der Ruhestrom IQ minimiert sind. Der Ruhestrom IQ kann zum Beispiel minimiert werden, indem der steilheitsgesteuerte Operationsverstärker 38 an der Spannung V2 anstatt an der Versorgungsspannung VS stabilisiert wird, wie in 2 dargestellt.
  • Wie schon oben erörtert, ist es für den Strom IREF, der von der Stromreferenz 28 zur Verfügung gestellt wird, sehr wünschenswert, gegenüber den Fluktuationen der Versorgungsspannung VS und den Fluktuationen der Temperatur unempfindlich zu sein (es sei denn, daß die Temperatur der Zustand ist, der gemessen wird). Wie daher unten erörtert wird, ist die Stromreferenz 28 so aufgebaut, daß sie gegenüber Fluktuationen der Versorgungsspannung VS und der Temperatur im wesentlichen unempfindlich ist. Das Verhältnis R1 zu R2 wird nur als Skalierungsfaktor verwendet. Demgemäß stellt die Stromreferenz 28 die gewünschte Verschlüsselung des Versor gungsstroms IS bereit, so daß nur der Zustand angezeigt wird, der gemessen wird.
  • Wie in 3 mit mehr Detail dargestellt, enthält die Sensorlast 34 einen Bandlücken-Spannungsregler 50, der eine regulierte Spannung für den Rest der Sensorlast 34 und die Stromreferenz 28 bereitstellt. Ein Meßwertgeber 52 ist an die Ausgabe des Spannungsreglers 50 angeschlossen und wandelt den erfaßten Zustand in ein elektrisches Signal um, das ein Maß des erfaßten Zustands darstellt und das an eine Eingabe eines Differentialverstärkers 54 mit Widerstandslast geleitet wird.
  • Der Meßwertgeber 52 kann zum Beispiel eine Wheatstone-Brücke sein, die aus Widerständen besteht, die aus Permalloy hergestellt sind und die eine differentielle Magnetflußdichte in ein elektrisches Signal umwandeln, das in den Differentialverstärker 54 eingespeist wird. Diese Art von Meßwertgeber in Verbindung mit einem Ringmagneten ist besonders nützlich für das Erfassen der Geschwindigkeit eines sich drehenden Geräts, wie beispielsweise eines Rades. Wenn der Ringmagnet sich dreht, erzeugen seine Polstücke Ausgabeimpulse von der Wheatstone-Brücke, welche die Ausgaben des Differentialverstärkers 54 abwechselnd zwischen hohem und niedrigem Pegel umschalten. Es versteht sich jedoch, daß der Meßwertgeber 52 anders angeordnet werden kann, um die Drehung oder irgendeinen anderen Zustand zu erfassen.
  • Der Differentialverstärker 54 bildet zusammen mit einem Vergleicher 56 und einem Hystereseerzeuger 58 einen Schwellenschalter 60. Der Hystereseerzeuger 58 ist ein gesättigter Differentialverstärker, der Kollektoren aufweist, die den Vorstrom IDIFF durch den einen oder anderen Lastwiderstand RL des Differentialverstärkers 54 ziehen, womit eine Fehlspannung erzeugt wird, welche die Ausgabe des Meßwertgebers 52 überwinden muß, ehe der Vergleicher 56 schalten kann. Wenn der Vergleicher 56 schaltet, sättigt sich der Hystereseerzeuger 58 im entgegengesetzten Zustand, was eine Hysterese erzeugt (d. h. eine Schalthysterese), die der Meßwertgeber 52 überwinden muß, ehe der Vergleicher 56 wieder schalten kann.
  • Die Ausgaben des Vergleichers 56 sind an einen Differential-zu-Einfach-Verstärker 62 angeschlossen, der die Basis des Transistor-Schalters 64 antreibt. Wenn der Schwellenschalter 60 zwischen seinen beiden Ausgabezuständen schaltet, wird die Basis des Transistor-Schalters 64 durch den Verstärker 62 zwischen einem Kurzschlußzustand, bei welchem die Basis und der Emitter des Transistor-Schalters 64 praktisch zusammen kurzgeschlossen sind, und einem überangetriebenen Zustand betrieben. Im kurzgeschlossenen Zustand ist der Kollektor des Transistor-Schalters 64 eine hohe Impedanz und der Transistor-Schalter 64 ist geöffnet. Im überangetriebenen Zustand wird der Kollektor des Transistor-Schalters 64 in eine niedrige Impedanzsättigung getrieben und der Transistor-Schalter 64 ist geschlossen. Wie weiter unten erörtert, verändert der Transistor-Schalter 64 den Strom IREF, der von der Stromreferenz 28 bereitgestellt wird, um so den Versorgungsstrom IS zwischen zwei Pegeln zu kodieren.
  • Wie in 4 mit mehr Detail dargestellt, enthält die Stromreferenz 28 die Transistoren 70 und 72 und die Widerstände 74 und 76. Der Transistor 70 hat seinen Kollektor an den Knotenpunkt 30 angeschlossen, seinen Emitter an den Transistor 72 angeschlossen und seine Basis an den Spannungsregler 50 angeschlossen, um eine Vorspannung VBIAS zu empfangen. Der Kollektor und die Basis des Transistors 72 sind miteinander verbunden, so daß der Transistor 72 als Diode fungiert. Der Widerstand 74 ist zwischen dem Emitter des Transistors 72 und dem Leiter 24 angeschlossen, und der Widerstand 76 ist zwischen dem Emitter des Transistors 72 und dem Kollektor des Transistor-Schalters 64 angeschlossen.
  • Wenn der Transistor-Schalter 64 umschaltet zwischen seinen Zuständen offen und geschlossen, wird die Schaltung des Widerstandes 76 geöffnet und geschlossen. Wenn die Schaltung des Widerstandes 76 geschlossen ist, sind die Widerstände 74 und 76 so parallelgeschaltet, daß ihr kombinierter Wert geringer ist als der Wert des Widerstandes 74 alleine. Daher nimmt der Strom IREF seinen hohen Pegel an. Folglich nimmt der Versorgungsstrom IS seinen hohen Pegel an. Wenn die Schaltung des Widerstandes 76 geöffnet ist, ist der Widerstand 76 so vom Widerstand 74 getrennt, daß ihr kombinierter Wert zum Wert des Widerstandes 74 wird. Daher nimmt der Strom IREF seinen niedrigen Pegel an. Folglich nimmt der Versorgungsstrom IS seinen niedrigen Pegel an.
  • Da der Transistor 70 durch den Spannungsregler 50 gesteuert wird, ist die Empfindlichkeit der Spannung zwischen den Widerständen 74 und 76 gegenüber Fluktuationen der Versorgungsspannung VS minimiert.
  • Weiterhin ist die Empfindlichkeit des Referenzstroms IREF gegenüber Temperatur-Schwankungen durch die richtige Auswahl der Bauteile für die Stromreferenz 28 minimiert. Um zum Beispiel die Temperatur-Empfindlichkeit des Referenzstroms IREF zu minimieren, muß die Temperatur-Empfindlichkeit der Spannung am Emitter des Transistors 72 mit der Temperatur-Empfindlichkeit der Widerstände 74 und 76 übereinstimmen. Dieser Ausgleich kann erreicht werden, indem die Widerstände 74 und 76 aus einem Material mit einem Widerstands-Temperatur-Koeffizienten (TCR) gebildet werden, der fast proportional zur absoluten Temperatur (PTAT) verläuft, und indem ein Spannungspegel von VBIAS gewählt wird, mit dem sich am Emitter des Transistors 72 eine Spannung ergibt, die der PTAT entspricht. Wenn somit der Widerstands-Temperatur-Koeffizient (TCR) der Widerstände 74 und 76 gemäß T variiert und wenn die Spannung zwischen den Widerständen 74 und 76 auch gemäß T variiert, dann wird IREF im wesentlichen gegenüber Temperatur-Schwankungen unempfindlich sein.
  • Gewisse Änderungen der vorliegenden Erfindung sind oben erörtert worden. Andere Änderungen werden für jene ersichtlich sein, die mit der Technik der vorliegenden Erfindung praktisch arbeiten. Gemäß der obigen Beschreibung treibt der Schwellenschalter 60 zum Beispiel den Versorgungsstrom IS zwischen zwei Pegeln als eine Funktion der Ausgabe des Meßwertgebers 52. Es sollte sich jedoch verstehen, daß der Versorgungsstrom IS in eine beliebige Anzahl von Einzelzuständen getrieben werden kann, oder der Versorgungsstrom IS kann so gesteuert werden, daß er sich stufenlos ändert. Ein sich stufenlos ändernder Strom ist einem Strom gleichwertig, der eine sehr große Anzahl von Einzelschritten aufweist.
  • Darüber hinaus ist oben eine spezielle Anordnung beschrieben, welche die Empfindlichkeit des Referenzstroms IREF gegenüber Temperatur-Schwankungen minimiert. Ein Fachmann wird jedoch verstehen, daß andere Anordnungen eingesetzt werden können, um diese Minimierung der Empfindlichkeit zu erreichen.
  • Demgemäß ist die Beschreibung der vorliegenden Erfindung nur als illustrativ anzusehen und sie hat den Zweck, Fachleuten den besten Weg aufzuzeigen, auf dem die Erfindung verwirklicht werden kann. Einzelheiten können erheblich abgeändert werden, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen, wie sie in den angefügten Ansprüchen definiert ist.

Claims (16)

  1. Stromregler (20) für einen Zweidrahtsensor umfassend erste und zweite Leiter (22 und 24), die so angeordnet sind, daß sie einen Sensorausgabestrom (IS) bereitstellen, eine Stromreferenz (28), die an den ersten und zweiten Leiter (22 und 24) gekoppelt ist, eine Sensorlast (34), die an den ersten und zweiten Leiter (22 und 24) gekoppelt ist, und einen Verstärker (38), wobei der Stromregler (20) dadurch charakterisiert ist, daß: der Verstärker (38) zwischen der Stromreferenz (28) und der Sensorlast (34) in einer Konfiguration von geschlossenem Regelkreis mit Rückkopplung gekoppelt ist, so daß die Stromreferenz (28) so geregelt wird, daß sie den Sensorausgabestrom (IS) als Reaktion auf einen Zustand variiert, der durch die Sensorlast (34) erfaßt worden ist.
  2. Stromregler (20) nach Anspruch 1, wobei die Stromreferenz (28) einen variablen Widerstand (74, 76, 64) beinhaltet und wobei die Sensorlast (34) so eingekoppelt ist, daß sie den variablen Widerstand (74, 76, 64) regelt.
  3. Stromregler nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Verstärker (38) erste und zweite Eingaben und eine Ausgabe aufweist, wobei die erste Eingabe an die Stromreferenz (28) gekoppelt ist und wobei die Ausgabe an die zweite Eingabe und an die Sensorlast (34) gekoppelt ist.
  4. Stromregler nach Anspruch 1, wobei ein erster Widerstand (26) und die Stromreferenz (28) zwischen den ersten und zweiten Leitern (22 und 24) eingekoppelt sind, wobei ein zweiter Widerstand (32) und die Sensorlast (34) zwischen den ersten und zweiten Leitern (22 und 24) eingekoppelt sind, wobei der Verstärker (38) erste und zweite Eingaben und eine Ausgabe aufweist, wobei die erste Eingabe an einen ersten Knotenpunkt (30) zwischen dem ersten Widerstand (26) und der Stromreferenz (28) eingekoppelt ist, wobei die zweite Eingabe an einen zweiten Knotenpunkt (36) zwischen dem zweiten Widerstand (32) und der Sensorlast (34) eingekoppelt ist, wobei die Ausgabe so angeschlossen ist, daß der Sensorausgabestrom (IS) in den ersten und zweiten Leitern (22 und 24) geregelt wird, und wobei der Verstärker (38) so angeordnet ist, daß eine erste Spannung (V1) am ersten Knotenpunkt (30) im wesentlichen einer zweiten Spannung (V2) am zweiten Knotenpunkt (36) gleicht.
  5. Stromregler nach Anspruch 4, wobei die Sensorlast (34) so an die Stromreferenz (28) gekoppelt ist, daß sie den Sensorausgabestrom (IS) regelt.
  6. Stromregler nach Anspruch 5, wobei die Stromreferenz (28) einen variablen Widerstand (74, 76, 64) enthält, der zwischen dem ersten Knotenpunkt (30) und einem der ersten und zweiten Leiter (24) eingekoppelt ist, und wobei der variable Widerstand (74, 76 und 64) so durch die Sensorlast (34) geregelt wird, daß er den Sensorausgabestrom (IS) regelt.
  7. Stromregler nach Anspruch 1, wobei die Stromreferenz (28) eine Vielzahl von Bauteilen (70, 72, 74, 76 und/oder 64) umfaßt, wobei die Sensorlast (34) an die Stromreferenz (28) gekoppelt ist, wobei die Sensorlast (34) einen Spannungsregler (50) enthält, wobei die Sensorlast (34) angeordnet ist, um die Stromreferenz (28) so zu regeln, daß sie den Sensorausgabestrom (IS) regelt, wobei die Stromreferenz (28) so an den Spannungsregler (50) gekoppelt ist (durch VBIAS), daß sie den Stromregler (20) im wesentlichen unempfindlich gegenüber der Versorgungsspannung macht, und wobei die Bauteile (70, 72, 74, 75 und/oder 64) so ausgewählt sind, daß sie den Stromregler (20) im wesentlichen unempfindlich gegenüber der Temperatur machen.
  8. Stromregler nach Anspruch 7, wobei eines der Bauteile ein variabler Widerstand (74, 76, 64) ist, wobei der variable Widerstand (74, 76, 64) an die Sensorlast (34) gekoppelt ist, und wobei die Sensorlast (34) den variablen Widerstand (74, 76, 64) so variiert, daß sie den Sensorausgabestrom (IS) regelt.
  9. Stromregler nach Anspruch 2, 6 oder 8, wobei die Sensorlast (34) einen Schalter (64) enthält, der zum Schalten des variablen Widerstands (74, 76, 64) zwischen nur zwei diskreten Widerständen angeordnet ist.
  10. Stromregler nach Anspruch 2, 6 oder 8, wobei die Sensorlast (34) einen Schalter (64) enthält, der zum Schalten des variablen Widerstands (74, 76, 64) zwischen einer Vielzahl von diskreten Widerständen angeordnet ist.
  11. Stromregler nach Anspruch 7 weiterhin umfassend: einen ersten Widerstand (26), der zum Einkoppeln der Stromreferenz (28) zwischen den ersten und zweiten Leitern (22 und 24) angeordnet ist; einen zweiten Widerstand (32), der zum Einkoppeln der Sensorlast (34) zwischen den ersten und zweiten Leitern (22 und 24) angeordnet ist; und wobei der Verstärker (38) erste und zweite Eingaben und eine Ausgabe aufweist, wobei die erste Eingabe an einen ersten Knotenpunkt (30) zwischen dem ersten Widerstand (26) und der Stromreferenz (28) eingekoppelt ist, wobei die zweite Eingabe an einen zweiten Knotenpunkt (36) zwischen dem zweiten Widerstand (32) und der Sensorlast (34) eingekoppelt ist, und wobei der Verstärker (38) so angeordnet ist, daß eine erste Spannung (V1) am ersten Knotenpunkt (30) im wesentlichen einer zweiten Spannung (V2) am zweiten Knotenpunkt (36) gleicht.
  12. Stromregler nach Anspruch 4, 6 oder 11, wobei die Ausgabe an die zweite Eingabe gekoppelt ist.
  13. Stromregler nach Anspruch 2, 3, 4, 6 oder 11, wobei der Verstärker (38) ein Operationsverstärker ist.
  14. Stromregler nach Anspruch 11, wobei eines der Bauteile ein variabler Widerstand (74, 76, 64) ist, der zwischen dem ersten Knotenpunkt (30) und einem der ersten und zweiten Leiter (24) eingekoppelt ist, und wobei die Sensorlast (34) die variablen Widerstände (74, 76, 64) so regelt, daß sie den Sensorausgabestrom (IS) regelt.
  15. Stromregler nach Anspruch 8 oder 14, wobei ein anderes der Bauteile (70) ein Spannungsregelgerät ist, das auf den Spannungsregler (50) so reagiert, daß es den Stromregler (20) im wesentlichen unempfindlich gegenüber den Schwankungen in der Versorgungsspannung macht.
  16. Stromregler nach Anspruch 8, 14 oder 15, wobei der variable Widerstand (74, 76, 64) mit der Temperatur in einer ersten Richtung variiert, und wobei ein anderes der Bauteile (72) mit der Temperatur im wesentlichen in derselben Richtung variiert.
DE60010935T 1999-10-28 2000-10-19 Versorgungsstromregler für zweidrahtsensoren Expired - Lifetime DE60010935T2 (de)

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