DEST009501MA - - Google Patents
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Description
BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND
Tag der Anmeldung: 1. März 1955 Bekanntgemacht am 15. November 1956
DEUTSCHES PATENTAMT
KLASSE 42k GRUPPE 7o5 INTERNAT. KLASSE GOII
St 950 HX/42 k
Heinz Steinbach, Kornwestheim
ist als Erfinder genannt worden
Hellmuth-Hirth-Str.
und Federanordnungen
Die Messung von Zugkräften, beispielsweise von elektromagnetischen, Systemen, als Funktion eines
Weges wird meist in Ermangelung besonderer Einrichtungen, punktweise, durchgeführt und, ist daher
sehr zeitraubend,. Dabei ist außerdem nachteilig, daß während der langen. Dauer der Messung, insbesondere
bei hohen, Erregungen infolge Erwärmung der Spule, die Messung noch erschwert wird.
Es sind Meßeinrichtungen bekannt, bei denen die
Kräfte durch geeignete Mittel, z. B. PiezokristaJle,
als entsprechende elektrische Werte dargestellt und in Verbindung mit einer geeigneten Übertragung
des Weges in einem Koordinatensystem kontinuierlich innerhalb kurzer Zeit aufgezeichnet werden
können. Diese Einrichtungen sind jedoch sehr umfangreich und, kostspielig.
Es sind weiterhin Meß- und Regeleinrichtungen bekannt:, bei denen eine äußere Kraft auf einen
einem magnetischen, Kreis angehörenden Kontakt einwirkt. In der einen von, zwei Endlagen dieses
Kontaktes wird, periodisch ein elektrischer Stromkreis geschlossen, der die Gittervorspannung einer
Röhrei steuert und. damit auch den in dem Anodenkreis
der Röhre angeordneten Magnetkreis, der die Gegenkraft zur äußeren Kraft erzeugt. Dabei treten
Kippschwingungen annähernd rechteckiger Fo<rm auf. Die durch die Kontaktanordnung gesteuerten
Kippschwingungen weisen jedoch große Strotn-
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Schwankungen auf; so daß dadurch die Kontaktanordnung einer großen Beanspruchung durch
starke Kraftschwankungen, unterworfen ist. Insbesondere im Zeitraum der Kontaktschließung kann
die auftretende große äußere Kraft nicht gemessen werden. Da durch die großen Kraftschwankungen
die Anordnung verhältnismäßig träge arbeitet, ergeben sich, nur grobe Meßergebnisse. Es kann somit
kein feinstufiger Gleichgewichtszustand zwisehen äußerer Kraft und der Gegenkraft erreicht
werden. Ein weiterer Nachteil dieser bekannten Anordnung besteht darin, daß das anzeigende Instrument
infolge der großen Stromschwankungen stark gedämpft werden muß. Es wird sich, somit
nur träge auf die auftretenden Ströme einstellen. Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur
selbsttätigen Anzeige von Kräften und zur Aufnahme von Kraftwegdiagrammen von. Schalteinrichtungen
und Federanordnungen, die in ihrem Aufbau und ihrer Funktion einfach ist und es gestattet,
annähernd kontinuierliche Messungen bzw. mit einem Schreibsystem Aufzeichnungen durchzuführen,
ohne daß an, der Kontakteinrichtung große Spannungsdifferenzen auftreten. Sie, vermeidet die
Nachteile der bekannten Anordnung dadurch, daß der elektromagnetische Kreis eine Einrichtung mit
einer elektrischen, Zeitkonstante1 enthält, durch die
der Strom zur Erzeugung der Gegenkräfte im Rhythmus der periodischen Kontaktunterbrechung
der Kontaktanordnung um einen Mittelwert nur geringfügig schwankt. Die mit einer elektrischen
Zeitkonstante behaftete Einrichtung ist dabei zweckmäßig als Kondensator ausgebildet. Gemäß
weiterer Ausbildung der Erfindung steuern, die zu messenden Kräfte die Kontaktanordnung über ein
doppelarmiges System, an dessen längerem Hebelarm die Kontaktanordnung und, die als permanentdynamisches System ausgebildete Schalteinrichtung
mit ihrer Schwing'spule befestigt ist. Die durch, die Schwingspule erzeugten Gegenkräfte werden gemäß
weiterer Ausbildung der Erfindung in Abhängigkeit von. der Kontaktanordnung durch weehselweises
Laden und Entladen der Kapazität beeinflußt, die schaltungsmäßig parallel zur Schwingspule und
dem mit dieser in Reihe liegenden Meßinstrument angeordnet ist. Dadurch bleibt der durch die
Schwingspule fließende Strom für jede zu messende Kraft annähernd konstant. Durch eine weitere
Ausbildung der Erfindung werden die Gegenkräfte durch die Schwingspule in der Weise beeinflußt,
daß die Ladungshöhe der Kapazität auf den. Gitterkreis einer Elektronenröhre einwirkt, in
dessen Anoden- oder Kathodenkreis die Schwingspule angeordnet ist. Dazu wird, die Kapazität auf
eine solche Ladespannung gebracht, daß der Anodenstrom (bei unbelastetem System) praktisch Null
ist und entsprechend, der durch die Kontaktanordnung (bei Belastung) bewirkten Entladungen der
Kapazität ansteigt, bis in der Schwingspule die zur Betätigung der Kontaktanordnung erforderliche
Gegenkraft erzeugt ist. Gemäß weiterer Ausbildung der Erfindung ist die Pendelbewegung der
Kontaktanordnung beeinflußbar, so daß ein gewünschter Frequenzgang des Hebelsystems erreicht
werden kann. Die Einrichtung ist für eine Fernübertragung des Meßwertes geeignet, so daß ihre
Anwendung auch unter diesen Bedingungen möglich ist.
Die Erfindung wird an Hand eines Ausführungsbeispieles in den Fig. 1 bis 4 näher beschrieben.
Es zeigt
Fig. ι den konstruktiven Aufbau der Einrichtung im Prinzip,
Fig. 2 eine Schaltungsanordnung zur Erzeugung von Gegenkräften in der Schwingspule gemäß
Fig. i,
Fig. 3 ein Diagramm des Stromes in der Schwingspule über die Zeit in. Abhängigkeit von
der Ladung und Entladung der Kapazität gemäß Fig. 2 und 4,
Fig. 4 eine Abänderung der Schaltungsanord,-nung
zur Erzeugung von Gegenkräften in der Schwingspule gemäß Fig. 1.
In der Fig. 1 sind nur die zum Verständnis der Erfindung notwendigen Einzelteile der Einrichtung
zur selbsttätigen Anzeige von Kräften und zur Aufnahme von Kraftwegdiagrammen von Schalteinrichtungen
und Federanordnungen im prinzipmäßigen Aufbau dargestellt. Auf eine mit einem
Winkelansatz versehenen Platte 1, die in Führun.-gen
2 und 3 in nicht näher dargestellter Weise verschiebbar ist, ist in dem Punkt 4 ein doppelarmiger
Hebel S und 6 in bekannter Weise drehbar gelagert. Der kurze Hebelarm 5 ist an seinem freien. Ende 7
gelenkig mit einem Stift 8 verbunden, der auf einer bestimmten, Stelle des Ankers 9 eines zu untersuchenden
und auf einer Grundplatte 1' befestigten Systems 10 aufliegt (z. B. dem Angriffspunkt
der Betätigung eines nicht dargestellten Federsatzes). Der lange Hebelarm 6 ist mit einer
Schwingspule 11 eines permanentdynamischen Systems 12,gekuppelt, das ebenfalls in bekannter,
nicht dargestellter Weise auf der Platte 1 befestigt ist. Die Bewegung des Hebelarmes 6 wird durch
die beiden Kontakte 13, 14 auf einen Hub begrenzt,
der, auf die Bewegung des Stiftes 8 (und damit des Ankers 9) untersetzt, für diesen vernachlässigbar
klein ist. Die Verstellung der Platte 1 erfolgt durch
Drehen einer in dem Ansatz 1" geführten Gewindespindel 15, deren Lager 16 fest mit den Führungen
2, 3 und dem zu, untersuchenden System 10 verbunden
ist. An der Stellung der auf der Spindel 15 befestigten Skalentrommel 17, die von Hand (oder
durch einen nicht dargestellten motorischen Anr trieb) verstellbar ist, kann die Verschiebung der
Platte ι in bezug auf das zu untersuchende System 10 durch den Markierpfeil 17' abgelesen werden.
Die Spindel 15 kann ferner mit einer nicht näher dargestellten Trommel 18 gekuppelt sein, die bei
einer bestimmten, dem Hub des Ankers 9 entsprechenden
Verschiebung der Platte 1 eine volle Umdrehung macht.
Elektrisch in Reihe mit der Schwingspule 11
liegt ein Meßinstrument 19 und parallel zu beiden ein Kondensator 20. Sie sind über den Kontakt 13
und einen Widerstand 21 an eine Spannungs-
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quelle Ug angeschlossen. Das Instrument 19 kann
in Verbindung mit der Trommel 18 als schreibendes Instrument ausgebildet sein, welches in bekannter
Weise ein auf die Trommel 18 gespanntes Pa-5. pier beschreibt.
Die Messung (bzw. Aufzeichnung) einer Kraftwegkurve wird wie folgt durchgeführt:
Die Platte 1 wird, durch Verstellen der Spindel
15 so weit nach links verschoben, bis der Stift 8
bei abgefallenem Anker 9 auf diesen auftrifft und der Kontakt 13 gerade beginnt, zu schließen. Das
System 10 wird, nun mit einer konstanten Erre-,
gung beaufschlagt. Der Anker 9 kann jedoch nicht anziehen, da er über Stift 8 und Hebel 6, S und
Kontakt 13 .,gefesselt ist. Von der Spannungsquelle Uβ fließt ein Strom i (Fig. 2) über den
Widerstand 21, den Kontakt 13 und teilt sich in
einen Ladestrom ic (Fig. 2) des Kondensators 20 und einen Spulenstrom is (Fig. 2) der Schwingspulen,
der auch das Meßinstrument 19 durchfließt. Bei der Zeit t = ο ist die Spannung am Kondensator
20 Null und damit auch is = ο (Fig. 3).
Mit der Aufladung des Kondensators 20 steigt die Spannung an diesem nach bekannten Gesetzen an.
Dadurch beginnt jetzt ein ansteigender Strom is
(Fig. 2) durch Schwingspule 11 und Meßinstrument 19 zu fließen, der von dem letzteren angezeigt
wird. Mit dem ansteigenden Strom is wird eine
entsprechende Kraft von der Schwingspule 11 bzw. ein; Drehmoment auf das Hebelsystems, 6 ausgeübt,
das schließlich die Größe erreicht, die dem von dem Anker 9 erzeugten gleich ist. Ein sehr geringer
weiterer Anstieg des Stromes is läßt das von der
Schwingspule 11 ausgeübte Moment überwiegen, so daß der Kontakt 13 öffnet, und damit wird eine
weitere Aufladung des Kondensators 20. unterbrochen (Punkt 22 in Fig. 3). Die Entladung des
Kondensators 20 setzt nun ein über Schwingspule 11 und Instrument 19. Damit sinkt die von der
Schwingspule 11 ausgeübte Kraft bzw. das auf das Hebelsystem 5, 6 ausgeübte Drehmoment. Das vom
Anker 9 erzeugte Moment überwiegt wieder und schließt den Kontakt 13 erneut (Punkt 23 in Fig. 3).
Von da ab wird der Kondensator 20 wieder geladen,
bis der Strom is den Punkt 24 in Fig. 3 erreicht,
in gleicher Höhe wie Punkt 22. Der Kontakt 13 unterbricht erneut usf. Der Abstand zwischen
den beiden, Werten wird durch geeignete reibungsarme Ausführungen der Lagerungen des Hebels 5,
6, 8 in sehr engen Grenzen gehalten, so daß in Verbindung mit einer geeigneten, nicht dargestellten
Dämpfung des Meßinstrumentes 19 praktisch ein konstanter Wert von diesem angezeigt wird (ismt
in Fig. 3), der in, Krafteinheiten, bezogen z. B. auf die Verbindungsstelle von Stift 8 und Anker 9, ablesbar
sein kann (Pi)-
Durch Verstellen, der Spindel in, dem Sinne, daß eine Bewegung der Platte 1 nach rechts erfolgt,
wird der Anker 9 etwas freigegeben. Er nähert sich der Polfläche io', und die auf ihn ausgeübte
Kraft P steigt an. Das von der Schwingspule 11
auf das Hebelsystem 5, 6 ausgeübte Drehmoment muß daher im Gleichgewichtszustand größer sein,
d. h. die; Ladung des, Kondensators 20 muß so· lange
ansteigen, bis der Strom is in, der Schwingspule n
den entsprechenden. Wert erreicht hat (Punkt 25 in
Fig. 3). Von-da, ab beginnt das Wechselspiel wie
vorher beschrieben. Das Meßinstrument 19 zeigt nunmehr als Mittelwert den Strom ism2 an bzw.
die entsprechend größere Kraft P 2 (Fig. 3). Wird die Spindel 15 so gedreht, daß der in derSchwingspulein
auftretende Gleichgewichtsstrom (ismv
*siB 2 ■ · ■) während dieses Vorganges sich einstellen
kann:, so erhält man eine der jeweiligen, Lage des Ankers 9 entsprechende Anzeige der Kraft P, die
auf den Stift 8 ausgeübt wird. Mit einem schreibenden System 18 kann man die Kraftwegkurve annähernd
kontinuierlich aufzeichnen. Die Anzugskurve des zu messenden. Systems 10 läßt sich voll
oder teilweise und bei Rückwärtsdrehung der Spindel 15 auch die Abfallkurve in gleicher Weise darstellen.
An Stelle eines elektromagnetischen Systems können die Kraftwegkurven von Federn, z. B.
Blatt- oder Spiralfedern, oder von Kontaktfedersätzen,
ebenfalls aufgenommen werden.
Eine weitere Möglichkeit, die Erzeugung von Gegenkräften in der Schwingspule 11 zu beeinflussen,
ist in, der Schaltungsanordnung der Fig. 4 dargestellt. Bei dieser Anordnung wird vermieden,
daß der Steuerkontakt 13 den Spulen- bzw. Meßstrom schaltet. Dazu wird, unter Verwendung einer
Elektronenröhre V der Steuerkontakt 13 mit wesentlich geringeren. Strömen, belastet, die durch, eine
im Gitterkreis der Röhre liegende Widerstandsund Kapazitätsanordnung gegeben sind. Im Kathodenkreis
der Röhre V sind die Schwingspule 11 und das· Meßinstrument 19 angeordnet. Die Anordnung
der Schwingspule 11 im Kathodenkreis hat sich gegenüber einer Anordnung im Anodenkreis
als günstiger erwiesen, da im Kathodenkreis geringere Spannungen gegen Masse vorhanden sind
und eine nachteilige Beeinflussung der Meßergebnisse
nicht eintritt.
Im Gitterkreis der Röhre V liegen, ein Gitterableitwiderstand.
34, der Steuerkontakt 13, eine Kapazität 33, parallel dazu (über Kontakt 13) ein
Widerstand, 32, davor ein weiterer Widerstand, 31, der zu, einem Potentiometer 30 führt, an das eine
Gleichspannung U 1 angeschlossen, ist. Der positive
Anschluß dieser Spannung Ui liegt an der Kathode
der Röhre V. Die Anodenspannung U 2 liegt mit -fan
der Anode, mit — über dem Meßinstrument 19 (oder Schreibwerk) und. Schwingspule 11 an der
Kathode der Röhre V.
Die Spannung Ui' wird so eingestellt, daß der
Anodenstrom Ja praktisch Null wird. Durch Belastung
des Hebels S, 6 durch die Kraft P (Fig. 1) wird der Kontakt 13 geschlossen. Die auf die Spannung
UY aufgeladene Kapazität 33 entlädt sich über Widerstand 32. Dadurch wird die Gitterspannung
U 1" kleiner als die Spannung U 1', d. h. bei sinkender Gittervorspannung Ui" beginnt ein
Anodenstrom Ja zu fließen, der so weit steigt, bis die im System 12 mit Spule 11 erzeugte Kraft der
auf den Hebel 5,6 angreifenden, zu messenden Kraft P· das Gleichgewicht hält. Ein geringer Über-
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schuß der Gegenkraft öffnet den Kontakt 13. Die
Entladung des Kondensators 33 wird unterbrochen. Der Anodenstrom Ja beginnt mit Aufladung der
Kapazität 33 (U τ" ansteigend) zu fallen. Die von der Schwingspule 11 ausgeübte Kraft geht im
.' selben Maße zurück, Kontakt 13 schließt wieder, und das Spiel beginnt von neuem. Die Widerstände
31 und 32 können regelbar oder für einen bestimmten Meßbereich feste Widerstände sein. Ebenfalls
kann die Spannung Ui' ohne Potentiometer 30 konstant sein.
Durch Veränderung der Widerstände 31 und 32
kann der Pendelvorgang der Kontaktanordnung 13 und damit die Frequenz des Hebelsystems S und 6
(Fig. 1) beeinflußt werden. Es ist auch möglich, einen oder beide dieser Widerstände 31 und 32
durch elektronische Schaltmittel zu ersetzen, die, von der Höhe der Gittervorspannung U τ" oder des
Anodenstromes Ja gesteuert, ihre Widerstandswerte so ändern, daß ein gewünschter Frequenzgang des
Hebelsystems 5 und 6 in Fig. 1 entsteht.
Durch Ausbildung der Kontaktanordnung als Weehselkontakt 13 und 14 ist es möglich, die zu
messende Kraft P auf das Hebelsystem 5 und 6 in Fig. ι in umgekehrter Richtung wirken zu lassen
(P'). Die Richtung der Kraft in umgekehrter Richtung ist in Fig. ι durch den gestrichelt gezeichneten
Pfeil P' dargestellt. Dieser Fall tritt auf, wenn beispielsweise die Kräfte zur Betätigung eines nicht
dargestellten Federsatzes aus dem Elektromagnetsystem gemessen werden sollen. Bei der Einwirkung
der zu messenden Kraft P wird durch den Hebelarm 6 der Kontakt 13, wie in der vorhergehenden
Beschreibung dargelegt, geschlossen. Dagegen wird bei Auftreten der Kraft P' der Kontakt
14 der Kontaktanordnung betätigt, der dann in den Schaltungsanordnungen der Fig. 2 und 4
an die Stelle des gezeichneten Kontaktes 13 tritt. Die Stromrichtung in der Schwingspule 11 muß
'40 dabei gleichzeitig umgekehrt werden.
In Abänderung der Anordnung gemäß Fig. 4 ist die Einrichtung auch für eine Fernübertragung des
Meßwertes geeignet. Diese Möglichkeit ist in der Fig. 4 durch die' punktiert gezeichnete Anordnung
zu erreichen. An Stelle des Meßinstrumentes 19
tritt in den Kathodenkreis der Röhre V ein Widerstand 35, an dessen Ausgängen über eine Fernleitung
FL das Instrument 19' angeschlossen ist.
Claims (18)
- PATENTANSPB(ICIiE:ι. Einrichtung zur selbsttätigen Anzeige von Kräften und zur Aufnahme von Kraftwegdiagrammen von Schalteinrichtungen Und Federanordnungen, bei welcher . die zu messenden Kräfte eine Kontakteinrichtung beeinflussen, durch die von einem elektromagnetischen Kreis erzeugten Gegenkräfte gesteuert werden, welche die zu messenden Kräfte im Gleichgewicht halten und elektrisch von einem Meßinstrument angezeigt werden, dadurch gekennzeichnet, daß der elektromagnetische Kreis eine Einrichtung (11, 12) mit einer elektrischen Zeitkonstante enthält, durch die der Strom zur Erzeugung der Gegenkräfte im Rhythmus der periodischen Kontaktunterbrechung der Kontaktanordnung (13, 14) um einen Mittelwert nur geringfügig schwankt.
- 2. Einrichtung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die mit einer elektrischen Zeitkonstante behaftete Einrichtung als Kondensator (20, 23) ausgebildet ist.
- 3. Einrichtung nach Anspruch 1 und 2, · dadurch gekennzeichnet, daß die zu messenden Kräfte (P, P') die Kontaktanordnung (13, 14) über ein doppelarmiges Hebelsystem (4, 5, 6) steuern, an dessen längerem Hebelarm (6) die Kontaktanordnung (13, 14) vorgesehen ist.
- 4. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (11, 12) zur Erzeugung der Gegenkräfte auf den längeren Hebelarm (6) einwirkt.
- 5. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (11, 12) als permanentdynamisches System ausgebildet ist, dessen Schwingspule (11) auf dem längeren HeJ>elarm (6) befestigt ist.
- 6. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwingspule go (11) in Reihe mit dem Meßinstrument (19) liegt.
- 7. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapazität (20) parallel zur Schwingspule (11) und zum Meßinstrument (19) angeordnet ist, und daß der zugehörige Stromkreis durch die Kontaktanordnung (13) derart beeinflußt wird, daß der durch die Schwingspule (11) fließende Strom (is) für jede zu messende Kraft (P) annähernd konstant bleibt.
- 8. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 6,. dadurch gekennzeichnet, daß die Ladungshöhe der Kapazität (33) auf den Gitterkreis einer Elektronenröhre (V) einwirkt, in dessen Anoden- oder Kathodenkreis die Schwingspule (11) und das Meßinstrument (9) angeordnet sind.
- 9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapazität (33) auf eine solche Ladespannung (Ui) gebracht wha, daß der Anodenstrom (Ja) der Elektronenröhre (V) praktisch Null ist.
- 10. Einrichtung nach Anspruch 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapazität (33) durch die Kontaktanordnung (13) so lange entladen wird, bis durch den demzufolge ansteigenden Strom (Ja) im Anodenkreis in der Schwingspule (11) die zur Betätigung der Kontaktanordnung (13) erforderliche Gegenkraft erzeugt wird.
- 11. Einrichtung nach Anspruch 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß dem Lade- und Entladestromkreis der Kapazität (33) jeweils ein veränderbarer Widerstand (31, 32) zugeordnet sind, durch die der Pendelvorgang der Kontaktanordnung (13) und damit die Frequenz des Hebelsystems (5, 6) beeinflußbar ist.707/171St 9501IX/42 k
- 12. Einrichtung nach Anspruch ibis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktanordnung als Arbeitskontakt (13) ausgebildet ist.
- 13. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktanordnung als Wechselkontakt (13, 14) ausgebildet ist und daß dabei die Stromrichtung in der. Schwingspule (11) umkehrbar ist.
- 14. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktanordnung (13, 14) und das permanentdynamische System (11, 12) auf einem Träger (1) angeordnet sind, der in der Richtung der zu messenden Kräfte (P, P') verschiebbar ist.
- 15. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßinstrument (19) ein schreibendes Instrument ist.
- 16. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß das schreibende Instrument (19) auf eine mit Papier bespannte Trommel (18) wirkt, die mit einer den Träger (1) verschiebenden Gewindespindel (15, 16, 17) gekuppelt ist.
- 17. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die bei einer Umdrehung der Trommel (18) durchgeführte Verschiebung des Trägers (1) durch Mittel, z. B. Zahnräder, variiert werden kann.
- 18. Einrichtung nach Anspruch 8 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß zur Fernübertragung des Meßwertes ein Widerstand (35) in Reihe mit der Schwingspule (11) angeordnet ist, dem das Meßinstrument (19') über eine Fernleitung (FL) parallel geschaltet ist.In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 830 700.Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Family
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