ES2639089T3 - Método y aparato de accionamiento de solenoide configurable - Google Patents

Abstract

Un método para hacer funcionar una pluralidad de solenoides utilizando un módulo de entrada / salida provisto de conexiones y configurable (15), conectado eléctricamente a las bobinas de dichos solenoides, que comprende las etapas de: (a) en respuesta a que una señal de excitación de solenoide se haga verdadera, conectar una tensión de accionamiento y establecer una corriente de accionamiento hacia la bobina por parte de dicho módulo (15), de tal manera que dicha tensión de accionamiento y dicha corriente de accionamiento hacen que dicho solenoide se cierre o cebe; (b) al cerrar o cebar dicho solenoide, cambiar a una tensión sostenida y una corriente sostenida en la bobina por parte de dicho módulo (15), de tal manera que dicha tensión sostenida o corriente sostenida es menor que dicha tensión de accionamiento o corriente de accionamiento, y mantener dicho solenoide en una posición cerrada o cebada; y (c) mantener dichas tensión sostenida y corriente sostenida por parte de dicho módulo (15); en el que dicho módulo (15) incluye: (i) un aparato conectador de comunicación de dispositivo, para conectar al menos un conductor entre dicho módulo y cada uno de dichos solenoides, (ii) un aparato de interfaz (84), para hacer que dicho módulo (15) sitúe cualquiera de una pluralidad de señales en cualquiera de una pluralidad de contactos (16) de dicho aparato conectador de comunicación de dispositivo, (iii) al menos una fuente de suministro de energía (81), para dirigir potencia a dichos solenoides, y (iv) un microprocesador (80), para hacer que dicho módulo (15) sitúe cualquiera de una pluralidad de señales en cualquiera de una pluralidad de contactos (16) de dicho aparato conectador de comunicación de dispositivo; en el cual cualquier contacto (16) de dicho aparato de comunicación de dispositivo puede haberse configurado para una amplia variedad de funciones eléctricas, incluyendo la medición de una tensión, la generación de una tensión, la medición de una corriente, la generación de una corriente, la generación de diversas magnitudes de potencia e incluso el manejo de información de frecuencia, tal como datos de comunicación en serie.

Description

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En la fase 22, en respuesta a que la señal de accionamiento del solenoide se hace verdadera, según se indica por la referencia 30, el módulo de entrada / salida provisto de conexiones y configurable 15 conecta la tensión de magnitud de accionamiento al solenoide 10. En esta realización preferida, dicha tensión de magnitud de accionamiento es 24V. En respuesta a la tensión impuesta, la corriente por la bobina de solenoide se incrementa rápidamente, referencia 40, y el solenoide se mueve rápidamente debido a que la tensión impuesta es, preferiblemente, más grande que la tensión de bobina de estado estacionario sostenible. Sin embargo, variando la duración de la fase 23, es posible controlar la fuerza de accionamiento del solenoide.

En la fase 23, el módulo de entrada / salida provisto de conexiones y configurable 15 mantiene la tensión en la bobina del solenoide en la magnitud de puesta en marcha, y la corriente de la bobina se desplaza asintóticamente hasta el estado estacionario, según se indica por la referencia 41. La longitud de la porción de fase 23 se ha dimensionado de manera tal, que dicha corriente de solenoide puede no alcanzar el estado estacionario con el fin de controlar la fuerza de accionamiento del solenoide. Al final de la fase 41, el solenoide está, preferiblemente, en su posición cerrada o cebada.

En la fase 24, el módulo de entrada / salida provisto de conexiones y configurable 15 desconecta, esencialmente de forma simultánea, la tensión de magnitud de accionamiento del solenoide y conecta al solenoide la tensión de magnitud de sostenimiento. Alternativamente, la magnitud de tensión de una fuente de suministro de energía individual puede ser modificada para conseguir el mismo objetivo. La tensión de magnitud de sostenimiento se escoge para proporcionar una gran fuerza de mantenimiento para el solenoide, en tanto que dicha tensión de magnitud de sostenimiento puede no ser suficiente para poner en marcha de forma fiable el solenoide en todas las circunstancias. Dicha tensión de magnitud de sostenimiento puede, preferiblemente, ser ajustada por el microprocesador 80. Al iniciarse la fase 24, la corriente 42 de la bobina de solenoide comienza a decrecer en respuesta a la tensión aplicada, más baja. Dicha corriente de la bobina de solenoide disminuye hasta una estado estacionario 43 transcurrido un cierto periodo de tiempo que es función de las características eléctricas del solenoide.

En la fase 25, la tensión de magnitud de sostenimiento se mantiene aplicada al solenoide con el fin de mantener el solenoide cebado. La fase 25 se mantiene tanto tiempo como se requiera por el sistema de control. Este tiempo puede oscilar de milisegundos a meses, o ser aún mayor.

En la fase 26, se inicia el procedimiento de retirar potencia del solenoide en respuesta a que la señal de excitación del solenoide se hace falsa, referencia 31. El circuito de excitación de solenoide configurable no puede simplemente abrir sus transistores de excitación hacia el solenoide, debido a que la inductancia de la bobina de solenoide –que hace impracticable una rápida reducción de la corriente– haría que la tensión en la patilla 16 del módulo de entrada / salida provisto de conexiones y configurable se hiciera muy negativa con respecto a tierra y, probablemente, dañara

o destruyera los medios de conmutación 82. Si la bobina del solenoide está equipada con un denominado diodo de retorno, entonces se proporciona un camino a dicha corriente de solenoide mientras la energía de la bobina es disipada. Sin embargo, si o hay diodo de retorno, entonces la tensión de la bobina pasará por cero voltios y se hará negativa. El módulo de entrada / salida provisto de conexiones y configurable 15 de la presente invención está, por tanto, configurado para comenzar a estrangular la corriente de la bobina y sujetar la tensión de la bobina a un cierto valor, el cual, en la realización preferida, es aproximadamente -5 V con respecto a tierra.

En la fase 27, el procedimiento de estrangulación continúa hasta que la tensión que la bobina es capaz de suministrar cae hasta ser menor que el valor sujetado de la tensión. Durante la fase 27, la corriente 44 de la bobina de solenoide disminuye linealmente.

En la fase 28, el módulo de entrada / salida provisto de conexiones y configurable 15 detiene el estrangulamiento activo de la corriente de la bobina de solenoide y, en lugar de ello, proporciona una excitación de puerta de transistor fija, con lo que disipa la energía remanente de la bobina de solenoide. La corriente del solenoide, según se indica por la referencia 45, cae exponencialmente a cero durante la fase 28, y la bobina de solenoide retorna a su estado libre.

En la fase 29, la bobina de solenoide se encuentra en el mismo estado en que estaba en la fase 21: la bobina está quieta, el solenoide no está acoplado, y el solenoide está de nuevo listo para ser accionado. La corriente del solenoide, según se indica por la referencia 46, es también nula.

Haciendo referencia a las Figuras 6 y 7, el aparato de interfaz 84 puede haberse configurado para conectar una de una pluralidad de fuentes de suministro de energía al conectador 16 de dispositivo al que está conectado el solenoide 10. Por ejemplo, puede hacerse inicialmente que los medios de conmutación 82 conecten una fuente de suministro de energía de 24 VCC [voltios de corriente continua] a dicho dispositivo conectador 16 con el fin de conseguir la fase de puesta en marcha del solenoide. De la misma manera, puede hacerse entonces que dicho aparato de interfaz 84 conecte una fuente de suministro de energía de 5 VCC a dicho conectador 16 de dispositivo, a fin de conseguir la fase de sostenimiento del solenoide.

Las Figuras 9A, 9B y 9C son muy similares a las Figuras 8A, 8B y 8C, con la excepción de que, en lugar de estrangular la corriente del solenoide, las dos patillas del módulo de entrada / salida provisto de conexiones y

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configurable 15 que se conectan al solenoide 10 se ajustan en la misma tensión, ya sea en el lado de alta o en el lado de baja. Al hacer esto, la corriente del solenoide fluye a través de dicho módulo 15 hasta que la corriente del solenoide se agota. De esta forma, la fase 27 de la Figura 9B permanece en cero voltios, no en -5 voltios como en la Figura 8B. Y la corriente de la Figura 9C decrece asintóticamente hasta cero en la fase 46.

En el contexto de la presente invención, la determinación del estado del solenoide, ya esté cebado, abriéndose o completamente abierto, se consigue midiendo la inductancia de la bobina de solenoide, ya que dicha inductancia es inversamente proporcional a la reluctancia, que es, en cuanto a esta, una función del espacio de separación de aire del solenoide: la reluctancia disminuye conforme se reduce el espacio de separación de aire, y decrece entonces adicionalmente cuando el solenoide se ceba por completo y se suprime esencialmente el espacio de separación de aire. La presente invención proporciona diversos métodos y diversos aparatos para medir dicha inductancia. Se describirán dos métodos y dos aparatos, pero estos están destinados únicamente a propósitos ilustrativos. Son posibles métodos más simples o más apropiados que se sirven de otras características de la presente invención, pero esta descripción está destinada a trasladar la esencia de la invención.

La Figura 10 representa un modelo de circuito eléctrico común que se utiliza para describir la medición de la inductancia de la presente invención. Específicamente, el solenoide 10 se ha separado en dos partes constitutivas. Su componente resistivo 95 está conectado en serie a su componente inductivo 96. Este modelo facilitará la descripción del sistema de medición de la inductancia.

La Figura 11A representa la tensión de CC a través del solenoide. Dicha tensión puede ser cualquier valor apropiado que sea mayor o igual que cero voltios. La Figura 11B representa la corriente CC resultante, dada la tensión aplicada representada en la Figura 11A, de manera que dicha corriente CC resultante es mayor o igual que cero. La Figura 11C representa una señal de tensión sinusoidal de una frecuencia adecuada, impuesta a la señal de tensión de CC de la Figura 11A, siendo dicha tensión sinusoidal un porcentaje de la tensión de CC suficientemente pequeño para no afectar el funcionamiento del solenoide, pero suficientemente grande para generar una corriente medible en dicho solenoide 10. Dicha señal de tensión sinusoidal se establece realizando pequeño cambios en el punto de ajuste de la tensión de cualquiera de las múltiples fuentes de suministro de energía 81 conectadas al módulo de entrada / salida provisto de conexiones y configurable 15 de la presente invención. Dicha señal de tensión sinusoidal provocará una variación en la señal de corriente CC de la Figura 11B, que es también esencialmente sinusoidal. Dicha variación en la señal de corriente CC se muestra en la Figura 11D. La fase de la señal de la Figura 11D con respecto a la señal de tensión sinusoidal de la Figura 11C será función de las magnitudes relativas de los dos elementos constitutivos representados en la Figura 10, los componentes resistivo 95 e inductivo 96 de dicho solenoide 10. Específicamente, si el elemento resistivo 95 de la Figura 10 hubiera de ser grande y el componente resistivo 96 de la Figura 10 hubiera de ser pequeño, entonces la fase de la señal de corriente de la Figura 11D con respecto a la señal de tensión de la Figura 11C sería pequeña y más cercana a 0 grados que a 90º. Si, por el contrario, el componente resistivo 95 de la Figura 10 hubiera de ser pequeño y el componente inductivo 96 de la Figura 10 hubiera de ser grande, entonces la fase de la señal de corriente de la Figura 11D con respecto a la señal de tensión de la Figura 11C sería grande y más cercana a 90 grados que a 0 grados. Utilizando métodos bien conocidos de tratamiento de señal en los que pueden ser extraídas las componentes en cuadratura de la señal de corriente, es posible medir el componente inductivo del solenoide 10.

Pueden utilizarse métodos y aparatos alternativos para la medición de la inductancia, tales como la excitación de onda cuadrada periódica, en lugar de la excitación de onda senoidal periódica, con resultados similares y, quizá, una realización más simple y efectiva. Por otra parte, cambios en escalón en la tensión o en la corriente y la subsiguiente medición de la respuesta en la tensión o en la corriente pueden proporcionar mediciones de inductancia similares en una realización que puede ser más apropiada para los circuitos electrónicos que se emplean.

Un método alternativo para la determinación del estado del solenoide se basa en la observación de las respuestas ante los escalones, en lugar de observar la fase y la magnitud de la respuesta a una excitación periódica. La Figura 12A representa la tensión del solenoide para una secuencia típica de aporte y eliminación de energía, de tal manera que se utilizan impulsos de indagación de estado para determinar si el solenoide está cebado. La magnitud o la polaridad así como la duración de estos impulsos de indagación se han diseñado para evitar alterar el estado del solenoide. La Figura 12B representa la respuesta de corriente del solenoide a esta secuencia de la Figura 12A y sus impulsos de indagación. Las tres tensiones impuestas a través del relé en este método serán, en una realización preferida, de la misma magnitud que se utiliza para el aporte de energía, el mantenimiento la eliminación de la energía, si bien este no es un aspecto crucial de la presente invención. Se describirá en detalle, a continuación, este método en el orden de sucesos o fases de la secuencia representada.

Inicialmente, el solenoide carece de energía, con corriente y tensión nulas. En este estado, pueden aplicarse impulsos de indagación de amplitud y duración suficientemente pequeñas para producir la respuesta de corriente 50 sin mover la armadura del solenoide. Muestreando dicha respuesta de corriente en su pico conocido, al final del impulso de indagación, es posible inferir la inductancia del solenoide con una sola muestra, siempre y cuando la duración del impulso de indagación sea corta en comparación con la constante de tiempos L/R del solenoide en su estado cebado o descebado, o entre estos estados. Como se ha descrito anteriormente, la inductancia indica el estado del solenoide, lo que constituye un propósito de la invención.

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En algún momento, se aporta energía al solenoide, lo que produce la respuesta de corriente 51 y una de las respuestas de corriente 52 o 53, dependiendo de si la armadura del solenoide se mueve o no. Debido a que la inductancia puede medirse para el estado carente de energía, y comoquiera que las respuestas 51 y 53 forman, ambas, parte de una exponencial real simple determinada por esa inductancia conocida y por la resistencia, conocida por otros medios, esta respuesta de patilla que no se mueve puede distinguirse fácilmente del par de respuestas 51 y 52, que exhiben trayectorias marcadamente diferentes. Esta distinción puede realizarse muestreando la corriente en instantes a lo largo de la respuesta cuya separación temporal sea corta en comparación con la constante de tiempos L/R, con lo que se permite una computación simple por parte del microprocesador 80 para detectar la desviación 52 de trayectoria con respecto a la exponencial real simple, desviación que indica el movimiento deseado de la armadura del solenoide. Este método representa una mejora sobre una invención anterior, la Patente de los EE.UU. Nº 3.946.285, la cual se basa en la detección de la punta al final de la fase de respuesta 52, debido a que no está basado en una doble diferenciación o existencia de la punta que pueda ser suavizada o eliminada si la armadura del solenoide no se detiene bruscamente al final de su desplazamiento de acumulación de energía.

Tras una acumulación de energía satisfactoria, la tensión del solenoide se reduce hasta su magnitud de mantenimiento, lo que produce una respuesta de corriente 54, que finalmente se establece en la corriente de mantenimiento de baja potencia al comienzo de la respuesta de corriente 55.

Durante la acumulación de energía, se aplican impulsos de indagación a cualquier ritmo que sea apropiado para la aplicación, lo que produce una respuesta de corriente 55. Si bien esta es similar a la respuesta de corriente 50, el cambio en la corriente con respecto a la amplitud en escalón es más pequeño debido a la inductancia mucho más alta del solenoide en este estado. De nuevo, para la respuesta de corriente 50, puede utilizarse una única muestra del pico de respuesta 55 para inferir la inductancia del solenoide y, por tanto, su estado cebado o descebado. Debido a que la inductancia en el estado descebado es varias veces menor que la inductancia en el estado cebado, la amplitud de la respuesta de corriente 55 con respecto a su línea de base de corriente de mantenimiento distingue fácilmente los estados del solenoide.

En algún momento el solenoide se descarga de energía, produciendo la respuesta de corriente 56 y una de las respuestas de corriente 57 o 58, dependiendo de si la armadura del solenoide se mueve o no. Estas condiciones pueden ser distinguidas por los mismos criterios anteriormente mencionados para la detección de una carga de energía satisfactoria, a excepción de para detectar la descarga de energía satisfactoria.

Por último, se llega al estado descargado de energía, en el que los impulsos de indagación producen la respuesta de corriente 59 a cualquier ritmo que sea adecuado para la aplicación.

Ha de apreciarse que los impulsos de indagación indican la posición de la armadura del solenoide independientemente de si se ha detectado el movimiento de la armadura, al distinguir trayectorias de corriente. Para muchas aplicaciones, bastarán tan solo los impulsos de indagación para detectar fallos en el solenoide. Sin embargo, la detección del movimiento proporciona una indicación más temprana del éxito o del fallo, durante un tiempo en que los impulsos de indagación no pueden ser aplicados. Tal detección temprana puede ser importante en aplicaciones en las que otras acciones del sistema deberán seguir pronto a un cambio en el estado del solenoide, pero únicamente si ese cambio se produce según se ordena.

Dicha medición de la inductancia puede llevarse a cabo de forma constante por parte del sistema provisto de conexiones y configurable de la presente invención. Debido a que la medición no afecta al funcionamiento del solenoide, es preferible que la medición se haga primeramente cuando el solenoide no está cargado de energía, con una tensión de CC por encima de cero. Dicha primera medición se utiliza entonces como la inductancia de línea de base del solenoide.

Cuando se ordena, en primer lugar, al solenoide que se cebe por la acción del módulo de entrada / salida provisto de conexiones y configurable 15, sigue realizándose dicha medición de inductancia. Cuando el solenoide está cebado, la inductancia cebada medida será más alta que dicha primera medición de línea de base de la inductancia, debido a las características eléctricas previamente descritas de un solenoide. Dicha inductancia cebada medida se almacena por el microprocesador 80 del módulo 15 de entrada / salida provisto de conexiones y configurable, y es subsiguientemente utilizada para determinar el estado del solenoide, ya sea cebado, abierto o cerrado.

Dicha medición de la inductancia se lleva a cabo de forma continua durante el tiempo que se pretende que el solenoide permanezca cebado, tiempo durante el cual la tensión del solenoide se encuentra en su magnitud de mantenimiento más baja 25. Si, por alguna razón, dicho solenoide 10 se desceba, su inductancia se reducirá en consecuencia. Dicha medición de la inductancia detectará esta disminución en la inductancia. De forma esencialmente simultánea, el módulo de entrada / salida provisto de conexiones y configurable 15 aumentará la tensión del solenoide hasta su valor de puesta en marcha 23, a fin de recebar el solenoide 10. Al hacer esto, la presente invención puede evitar que la armadura del solenoide 5 se mueva lo bastante lejos como para afectar el estado mecánico del mecanismo al que está conectado el solenoide 10. Una vez recebado el solenoide 10, el módulo de entrada / salida provisto de conexiones y configurable 15 puede, entonces, rebajar de nuevo la tensión de solenoide aplicada hasta el valor de mantenimiento 25, al objeto de reducir de nuevo la energía consumida por el

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digital a analógico 226 está conectado a la patilla de salida 208 a través del conmutador 220. La presente invención también incluye otras disposiciones de circuito para un ASIC 198, para el mismo o similar propósito. Los expertos de la técnica sabrán cómo diseñar una variedad de tales circuitos, de manera que estos estarán incluidos en la presente invención.

Se describirán, a continuación, brevemente características proporcionadas a modo de ejemplo del ASIC de la Figura

13. Puede aplicarse potencia a la patilla 208 mediante el cierre de un conmutador de alta corriente 222b y el ajuste del selector 227 de fuente de suministro en cualquiera de las tensiones de las fuentes de suministro de energía disponibles, tales como 24 voltios, 12 voltios, 5 voltios, tierra o 12 voltios negativos. Dichas tensiones de fuente de suministro de energía disponibles proporcionan las magnitudes de tensión de puesta en marcha y de sostenimiento requeridas para excitar el solenoide.

El ASIC puede medir la tensión en la patilla 208 cerrando el conmutador de baja corriente 222 y leyendo la tensión obtenida por conversión por el convertidor de analógico a digital 216.

El ASIC puede medir la corriente suministrada a la patilla 208 por medio del conmutador de alta corriente 222b, mediante el uso de los múltiples limitadores de corriente programables 224, que contienen aparatos de medición de corriente. Dicha medición de corriente se utiliza para determinar la inductancia del solenoide así como para determinar si dicha bobina de solenoide está en cortocircuito o abierta.

La variación periódica en la tensión hacia el solenoide que se utiliza para determinar la inductancia del solenoide, se consigue, de la manera más fácil, variando ligeramente la tensión de la pluralidad de fuentes de suministro de energía 81, de tal modo que dicha fuente de suministro de energía apropiada se selecciona por el selector 227 de fuente de suministro de energía. El cambio en escalón de la tensión hacia el solenoide que se utiliza para determinar la inductancia del solenoide se consigue, de la manera más fácil, cambiando momentáneamente el selector 227 de fuente de suministro de energía para aumentar o reducir la tensión del solenoide, con el fin de aumentar o reducir la corriente del solenoide al objeto de efectuar la medición de la inductancia del solenoide.

El ASIC 198 tiene la facultad de medir la magnitud de la corriente que fluye hacia o desde el nodo 208 designado como “patilla” en la Figura 13. El circuito excitador 198 de patilla utiliza, en este caso, su convertidor de A/D 216 para medir la corriente que fluye hacia o desde el nodo 208 de patilla, con lo que se hace posible la detección de la corriente excesiva o se detecta si un dispositivo conectado al nodo 208 de patilla está funcionando o se ha cableado correctamente.

El ASIC 198 también tiene la facultad de supervisar la corriente de fluye hacia y desde el nodo 208 de patilla, a fin de desconectar unilateralmente el circuito 198, con lo que se protege el ASIC 198 de daños por cortocircuitos u otras condiciones potencialmente dañinas. El ASIC 198 emplea un denominado “circuito de detección de abusos” 218 para supervisar cambios rápidos en la corriente que podrían, potencialmente, dañar el ASIC 198. Los conmutadores de baja corriente 220, 221 y 222, así como el conmutador de alta corriente 222b, responden al circuito de detección de abusos 218 desconectando la patilla 208.

El circuito de detección de abusos 218 del ASIC 198 tiene la facultad de establecer un límite de corriente para la patilla 208, de tal manera que el límite de corriente se ajusta de forma programada por el microprocesador 80. Esto se indica por las selecciones 224.

El ASIC 198 puede medir la tensión en el nodo 208 de patilla con el fin permitir al microprocesador 80 determinar el estado de una entrada digital conectada al nodo de patilla. El umbral de una entrada digital puede, por tanto, ser programado en lugar de haberse fijado en el hardware. El umbral de la entrada digital es ajustado por el microprocesador 80 utilizando el convertidor de digital a analógico 226. La salida del convertidor de digital a analógico 226 es aplicado a uno de los lados de un comparador de enganche 225. La otra entrada al comparador de enganche 225 es encaminada desde la patilla 208 y representa la entrada digital. Por lo tanto, cuando la tensión de la entrada digital sobre la patilla 208 cruza el umbral establecido por el convertidor de digital a analógico, el microprocesador 80 es capaz de determinar el cambio en la entrada y, por tanto, deducir que la entrada digital ha cambiado de estado.

El ASIC 198 puede medir una señal de corriente presentada en el nodo de patilla, siendo la señal de corriente producida por diversos dispositivos de control industrial. El ASIC 198 puede medir señales que varían sobre los intervalos estándar de 4 mA – 20 mA y de 0 mA a 20 mA. Estos medios de medición de corriente son llevados a efecto por el microprocesador 80, ya que este hace que el registro de almacenamiento intermedio 231 de tensión de ganancia seleccionable produzca una tensión conveniente, tal como cero voltios, en su terminal de salida. Al mismo tiempo, el microprocesador 80 hace que la resistencia 228 de fuente de suministro seleccionable presente una resistencia al camino de la corriente desde el dispositivo de control industrial y su salida de corriente. Esta corriente entra en el ASIC 198 a través de la patilla 208. La tensión impuesta en uno de los lados de una resistencia conocida hará que la corriente, desconocida, procedente del dispositivo externo produzca una tensión en la patilla 208 que es entonces medida por medio del convertidor de analógico a digital 216, a través del conmutador de baja corriente

222. El microprocesador 80 hace uso de la ley de Ohm para resolver la corriente desconocida que se está generando por el dispositivo de control industrial.

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Si bien ciertas realizaciones representativas y detalles se han mostrado para propósitos de ilustrar la invención, resultará evidente para los expertos de la técnica que pueden realizarse diversos cambios en los métodos y aparatos divulgados en esta memoria sin apartarse del alcance de la invención, que se define en las reivindicaciones que se acompañan.

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