DE3424692A1 - Verfahren und messanordnung zur analyse von periodischen oder quasi periodischen signalen, insbesondere von schallsignalen bei maschinen und anlagen - Google Patents
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Description
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- Verfahren und Meßanordnung zur Analyse von periodischen
- oder quasi periodischen Signalen, insbesondere von Schall signalen bei Maschinen und Anlagen Beschreibung: Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Meßanordnung zur Analyse von periodischen oder quasi periodischen Signalen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 bzw. 9.
- Aus der älteren, nicht vorveröffentlichten deutschen Patentanmeldung P 33 32 941.9 ist ein Verfahren zur Schallanalyse eines Prüflings entnehmbar, bei dem die von dem Prüfling erzeugten Schallgeräusche gemessen und segmentweise (abschnittsweise) analysiert werden, wobei die Segmente in Abhängigkeit von spezifischen Kenngrößen des Prüflings bestimmt werden.
- Als spezifische Kenngröße des Prüflings wird dabei eine Bewegungsgröße des Prüflings verwendet, beispielsweise der Kurbelwellenwinkel einer Verbrennungskraftmaschine. Jedes Segment entspricht dabei einem vorgegebenen Kurbelwellenwinkelbereich. Innerhalb jedes Segmentes wird nur ein einziger Meßwert, beispielsweise der Scheitelwert des Schallgeräusch-Signales ermittelt, in digitaler Form abgespeichert, wobei anschließend die gespeicherten Digitalwerte mehrerer Segmente miteinander und/oder mit vorgegebenen Schwellwerten verglichen werden.
- Die entsprechende Vorrichtung besitzt einen Meßfühler für die Körper-Schallsignale, ein Meßgerät, das spezifische Kenngrößen des Prüflings erfaßt, einen dem Körperschallaufnehmer nachgeschalteten Analysator sowie einen Steuerkreis, der in Abhängigkeit von Signalen des Meßgerätes eine Auswerteschaltung steuert, sowie einen der Auswerteschaltung nachgeschalteten Speicher. Die Steuerung erfolgt hierbei entsprechend den Ausgangssignalen eines Meßfühlers für einen objektabhängigen Parameter.
- Kurz zusammengefaßt, wird bei dem älteren Verfahren eine zweidimensionale Auswertung durchgeführt, wobei die beiden "Dimensionen" der objektabhängige Parameter und die Meßgröße (z.B. Körperschallsignal) sind. Eine dritte Dimension wird bei der älteren Anmeldung dadurch eingeführt, daß zeitlich nacheinander die Messung in verschiedenen Frequenzberei chen durchgeführt wird.
- Es hat sich nun herausgestellt, daß die bei der älteren Anmeldung erhaltenen Meßwerte nur begrenzte Aussagen über den Prüfung gestatten. So treten beispielsweise bei Verbrennungskraftmaschinen gewisse Signale, die einen Fehler der Maschine anzeigen statistisch verteilt auf, so daß es nicht genügt, nur einen Zyklus der Maschine (720° Kubelwellenwinkel) durchzumessen. Mißt man dagegen über mehrere Zyklen, so wächst der Bedarf an Speicherplatz immens an, wobei dann zusätzlich die richtige Interpretation bzw. Auswertung durch die Fülle des Datenmateriales problematisch wird und aus dem normalen Rahmen fallende Meßergebnisse als "Ausreißer" und nicht als spezifischer Fehler erkannt bzw. interpretiert werden. Schließlich beansprucht die Auswertung des umfangreichen Datenmateriales dann verhältnismäßig große Rechnerzeit.
- Mit der Erfindung sollen diese Nachteile beseitigt werden.
- Aufgabe der Erfindung ist es, das ältere Verfahren dahingehend zu verbessern, daß mit geringem Meß- und Apparateaufwand zuverlässigere Aussagen über den Prüfling erhalten werden.
- Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil der Patentansprüche 1 bzw. 9 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
- Der Grundgedanke der Erfindung liegt darin, daß hier eine vierdimensionale Messung bzw. Auswertung vorgenommen wird. Die einzelnen "D;mensionen" sind hierbei: 1. Signal, das bei der Bewegung des Meßobjektes erzeugt wird; 2. objektabhängiger Parameter (Meßintervall bzw.
- 3. Frequenzbereich; und 4. Periode bzw. Anzahl der Durchläufe des Signales der Ziffer 1.
- Die Meßwerte in den einzelnen Meßintervallen bzw.
- Segmenten eines Durchlaufes werden also mit den Meßwerten der entsprechenden Segmente der nachfolgenden Durchläufe in Beziehung gesetzt. Ist beispielsweise bei einer Verbrennungskraftmaschine ein bestimmtes Segment der Kurbelwellenwinkelbereich von 0 bis 2", so wird der in diesem Intervall ermittelte und gespeicherte Meßwert zu den in den Intervallen von 720 bis 722" oder allgemein von n x 720 + (0 bis 2") in Beziehung gesetzt. Vorzugsweise erfolgt hierbei eine Mittelwertbildung. Um Speicherplätze zu sparen, erfolgt diese Mittelwertbildung unmittelbar im Anschluß an jeden Durchlauf, wobei also nach jedem Durchlauf aus dem Mittelwert der vorangegangenen Durchläufe und dem aktuellen Wert des vergangenen Durchlaufes ein neuer Mittelwert gebildet und gespeichert wird.
- Hierzu ist vorgesehen, daß die Anzahl der Durchläufe mitgezählt wird, um diese Rechenoperation durchführen zu können. Kurz nach dem Ende des letzten Durchlaufes erhält man dann bereits die fertige Auswertung, so daß quasi in Echtzeit gearbeitet werden kann.
- Das Verfahren nach der Erfindung ist ganz allgemein auf die Analyse von periodischen oder quasi periodischen Signalen von Maschinen und Anlagen anwendbar.
- Einige Anwendungsbeispiele sollen nachfolgend angegeben werden. Bei der Prüfung von Verbrennungskraftmaschinen werden Körperschallsignale in Abhängigkeit vom Kurbelwellenwinkel gemessen. Die vier "Dimensionen" sind also Amplitude des Körperschallsignales, Kurbelwellenwinkel, Frequenzbereich und Zyklen der Maschine.
- Bei der Prüfung von Getrieben oder Zahnrädern werden folgende Größen ausgewertet: Amplitude des Körperschallsignales, Signal eines Gebers (z.B. induktiv oder optisch), der die einzelnen Zähne abtastet, Frequenz und Anzahl der Umdrehungen des zu prüfenden Zahnrades.
- Bei Motoren, insbesondere Elektromotoren kann als auszuwertendes Signal ein Körperschal 1 signal oder auch ein elektrisches Signal des Motors, wie z.B.
- Strom oder Spannung verwendet werden. Als objektabhängiger Parameter kann der Drehwinkel des Läufers verwendet werden, es kann aber auch die Drehzahl verwendet werden, indem die einzelnen Meßintervalle bzw.
- Segmente ein vorgegebener Drehzahlbereich ist. Der Meßfühler für den objektabhängigen Parameter ist dann ein Tachogenerator. Als objektabhängiger Parameter kann auch das Drehmoment verwendet werden, wenn man die Belastungscharakteristik prüfen will. Der Meßfühler für den objektabhängigen Parameter ist dann beispielsweise eine Pendelmaschine, ein auf der Ausgangswelle angebrachter Dehnungsmeßstreifen oder eine sonstige Meßeinrichtung zur Bestimmung des Drehmomentes. Die Meßinterval le bzw. Segmente sind dann bestimmte Drehmomentbereiche. Auch kann die Beschleunigung, d.h.
- zeitliche Änderung der Drehzahl der Maschine als objektabhängiger Parameter herangezogen werden. Insbesondere bei der Motorprüfung von Elektromotoren werden in Hochlaufversuchen mit und ohne Last die Drehzahl, das Drehmoment oder die Beschleunigung der zweckmäßige Parameter sein. Für den obengenannten vierten Parameter werden dann mehrere Hochlaufversuche hintereinander durchgeführt. Bei Anlagen mit nicht feststellbarer Periodizität des Meßsignales kann die Breite der Meßintervalle bzw. Segmente auch zeitabhängig vorgegeben werden, d.h. ein Segment entspricht einer festgelegten Meßzeit. Nach Ablauf einer vorgegebenen Anzahl von Meßintervallen wird dann ein Zeitgeber neu gestartet, wobei jeder Durchlauf des Zeitgebers als Meßdurchlauf definiert wird.
- Für die Auswertung der Meßergebnisse werden folgende Größen bevorzugt herangezogen: Die oben erwähnten Mittelwerte sowie die hier aus dem quadratischen Mittel gebildete Streuung. Präzisere Aussagen erhält man wenn man zusätzlich die Extremwerte, d.h. Minima und Maxima der einzelnen Meßintervalle heranzieht.
- Hieraus läßt sich dann die Häufigkeit des Auftretens der Extremwerte ermitteln und deren Aufeinanderfolge.
- Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles im Zusammenhang mit der Zeichnung ausführlicher erläutert. Es zeigt: Fig. 1 ein Blockschaltbild der Meßanordnung nach der Erfindung ; und Fig. 2 den schematischen Verlauf der Meßsignale bei einer Verbrennungskraftmaschine.
- Die Meßanordnung der Fig. 1 besitzt einen Meßfühler 1, dessen Ausgangssignal das Meßsignal ist. Sollen Körperschallsignale analysiert werden, so ist der Meßfühler 1 ein Körperschallaufnehmer oder ein Mikrophon. Das Ausgangssignal des Meßfühlers 1 gelangt zu einem Frequenzfilter 2, das hier ein Bandpaßfilter ist. Selbstverständlich kann hier auch ein Hochpaß-oder ein Tiefpaßfilter verwendet werden. Das Ausgangssignal des Filters 2 wird einem gesteuerten Abtast-und Haltekreis 3 zugeführt, der gesteuert den Scheitelwert der Amplitude seines Eingangssignales abtastet, zwischenspeichert und einem Analog/Digitalwandler 4 zuleitet, dessen Ausgang mit einem Eingang eines Speichers 7 verbunden ist.
- Ein weiterer Meßfühler 5 mißt den objektabhängigen Parameter, beispielsweise den Kurbelwellenwinkel einer Verbrennungskraftmaschine. Wird hierzu ein Impulsgeber verwendet, der Marken beispielsweise auf dem Schwungrad der Maschine abtastet, so wird das Ausgangssignal des Meßfühlers 5 einem Umsetzer 6 zugeführt, der jeweils nach einer vorgegebenen Anzahl von Eingangsimpulsen einen Ausgangsimpuls erzeugt. Der Umsetzer 6 kann extern voreingestellt werden, um letztlich die Breite der Meßintervalle bzw. Segmente verändern zu können. Das Ausgangssignal des Umsetzers 6 wird Steuereingängen des Abtast- und Haltekreises 3, des Analog/Digital -Wandl ers 4 und des Speichers 7 zugeführt. Dieses Ausgangssignal legt die Meßintervalle bzw. Segmente fest. Der Abtast- und Haltekreis 3 wird durch das Ausgangssignal des Umsetzers 6 so gesteuert, daß er in jedem Meßintervall einen Scheitelwert erfaßt und zwischenspeichert. Der Analog/Digital-Wandler 4 wird durch das Ausgangssignal des Umsetzers so gesteuert, daß er am Ende jedes Meßintervalles den in dem Abtast- und Haltekreis 3 zwischengespeicherten Wert in ein digitales Signal umwandelt. Schließlich wird der Speicher 7 durch das Ausgangssignal des Umsetzers 6 so gesteuert, daß er dann den Digitalwert des Analog/Digital-Wandlcrs 4 übernimmt, wenn die Anlaog/Digital-Umwandlung vollendet ist. Zur zeitlichen Abstimmung der Vorgänge in den Baugruppen 3, 4 und 7 können deren Steuereingänge noch Zeitverzögerungsglieder enthalten, welche die Arbeitszeiten der jeweils vorhergehenden Baugruppen berücksichtigen. Der Speicher 7 ist mit einem Digital-Rechner 8 verbunden, der die im Speicher 7 enthaltenen Werte - wie oben beschrieben - verarbeitet und dann in verarbeiteter Form in dem Speicher 7 wieder ablegt. An den Rechner 8 kann auch ein weiterer Speicher 9 mit wahifreiem Zugriff (RAM-Speicher) angeschlossen sein, in welchem Zwischenwerte und/oder Programme für den Rechner abgespeichert sind.
- Die Bauelemente 1, 2, 3 und 4 bilden einen Meßkanal.
- Bei der Erfindung sind nun mindestens zwei, im Ausführungsbeispiel der Fig. 1 sogar 6 Meßkanäle vorgesehen. In der Praxis wird man als Regelfall sogar 12 Meßkanäle vorsehen. Die einzelnen Meßkanäle unterscheiden sich lediglich durch den Durchlaßbereich der Filter. Im Ausführungsbeispiel der Fig. 1 sind an den Meßfühler 1 insgesamt 4 Filter 2, 21, 22 und 23 angeschlossen. An die Ausgänge der Filter 21, 22 und 23 ist - ebenso wie an den Ausgang des Filters 2 jeweils ein (in Fig. 1 nicht dargestellter) Abtast-und Haltekreis 3 und ein Analog/Digital-Wandler angeschlossen. Die Ausgänge sämtlicher Analog/Digital-Wandler der einzelnen Frequenzkanäle sind dann jeweils an einen Eingang des Speichers 7 angeschlossen.
- Für manche Anwendungszwecke ist es sinnvoll, mehrere Meßfühler, z.B. Körperschallaufnehmer zu verwenden, die an unterschiedlichen Stellen des Meßobjektes angebracht sind. Dies ist in Fig. 1 durch einen weiteren Meßfühler 10 angedeutet, dessen Ausgang in verschiedene Frequenzkanäle (Filter 24 und 25) angeschlossen ist. Jeder Frequenzkanal besitzt dann wieder entsprechende Abtast- und Haltekreise und Analog/Digital-Wandler. Für den Frequenzkanal, der durch das Filter 25 bestimmt wird, ist in Fig. 1 noch ein Abtast- und Haltekreis 31 und ein Analog/Digital -Wandl er 41 dargestellt.
- Hervorzuheben ist, daß die Steuerung sämtlicher Abtast-und Haltekreise 3 .. 31 und sämtlicher Analog/Digital-Wandler 4 . . 41 von dem Ausgangssignal des einzigen Umsetzers 6 durchgeführt wird.
- Nach Beendigung des gesamten Meßvorganges können die gewünschten Größen von dem Rechner 8 abgerufen werden, beispielsweise auf einem Bildschirm, einem Drucker oder Leuchtanzeigen.
- Die Auswertung bzw. Interpretation der Meßergebnisse kann ebenfalls im Rechner 8 vorgenommen werden, indem beispielsweise Sollwerte von Meßergebnissen einwandfreier Meßobjekte in dem Speicher 9 gespeichert sind und mit den aktuellen Meßwerten verglichen werden.
- Auch kann mit in dem Speicher 8 abgespeicherten "Fehlerwerten" eine Interpretation der aktuellen Meßwerte der Gestalt durchgeführt werden, daß bestimmte Abweichungen als bestimmter Fehler erkannt werden, worauf dann der Rechner ein Fehlerprotokoll ausgeben kann.
- Da sich bestimmte Fehler von Anlagen auch in bestimmten Meßergebnisse niederschlagen, können somit einen Fehler signalisierende "Meßwerte" in dem Speicher 9 gespeichert sein, wobei dann beim aktuellen Meßvorgang der Fehler als erkannt gilt, wenn die entsprechenden aktuellen Meßwerte vorliegen.
- Fig. 2 zeigt schematisch ein Körperschallsignal einer Verbrennungskraftmaschine in Abhängigkeit vom Kurbelwellenwinkel. Die einzelnen Meßintervalle bzw. Segmente haben jeweils eine Breite von 2" Kurbelwellenwinkel. Die durchgezogene Linie zeigt das Signal beim ersten Durchlauf, d.h. beim ersten Zyklus der Maschine von 720" Kurbelwellenwinkel. Der Kurbelwellenwinkel wird durch den Meßfühler 5 der Fig. 1 abgetastet, beispielsweise mittels eines Impulsgebers, der Marken an der Schwungscheibe des Motors abtastet. Seine Ausgangsimpulse werden von dem Umsetzer 6 so verarbeitet, daß immer nach 2" Kurbelwellenwinkel ein neues Segment beginnt. In jedem Segment wird hier nur der Scheitelwert festgehalten, was durch den Abtast- und Haltekreis 3 . . 31 erfolgt. Dieser Wert ist in Fig. 2 jeweils als horizontale, durchgezogene Linie dargestellt.
- Alle diese Scheitelwerte pro Segment werden dann in dem Speicher 7 abgespeichert. Bei einer Segmentbreite von 2" und einem "Durchlauf" von 720" werden somit im ersten Durchlauf insgesamt 360 Werte abgespeichert.
- In ähnlicher Weise wird nun beim zweiten Zyklus der Maschine, d.h. bei Kurbelwellenwinkeln von 720 bis 14400 die Scheitelwerte ermittelt. Diese Scheitelwerte sind in Fig. 2 durch horizontale gestrichelte Linien dargestellt. Das Körperschallsignal des zweiten Durchlaufes ist der Übersichtlichkeit halber fortgelassen.
- Aus den Scheitelwerten der einzelnen Segmente vom ersten und zweiten Durchlauf wird dann der Mittelwert und das quadratische Mittel errechnet (Rechner 8) und abgespeichert. Dies kann bereits kontinuierlich während des zweiten Durchlaufes erfolgen oder auch erst dann, wenn alle Meßwerte des zweiten Druchlaufes vorliegen und der dritte Durchlauf andauert. Die Anzahl der Durchläufe wird kontinuierlich mitgezählt, um die Mittelwertbildung durchführen zu können. Hierzu werden die Ausgangssignale des Umsetzers 6 einem (nicht dargestellten) Durchlaufzähler zugeführt, der beispielsweise in dem Speicher 7 enthalten sein kann.
- In entsprechender Weise wird bei weiteren Durchläufen verfahren.
- Zusätzlich kann vorgesehen sein, daß für jedes Segment der maximale Scheitelwert und der minimale Scheitelwert gespeichert werden, wie oben bereits beschrieben.
- Sämtliche in den Patentansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung dargestellten technischen Einzelheiten können sowohl für sich als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.
- B e z u g s-z e i c h e n 1 i s t e : 1 Meßfühler 2, 21-25 Frequenzfilter 3, 31 Abtast- und Haltekreis 4, 41 Analog/Digital-Wandler 5 Meßfühler 6 Umsetzer 7 Speicher 8 Rechner 9 RAM-Speicher 10 Meßfühler - Leerseite -
Claims (10)
- Verfahren und Meßanordnung zur Analyse von periodischen oder quasi periodischen Signalen, insbesondere von Schallsignalen bei Maschinen und Anlagen Ansprüche: 1. Verfahren zur Analyse von periodischen oder quasi periodischen Signalen, insbesondere von Schallsignalen bei Maschinen und Anlagen (Meßobjekten), bei dem von einem Meßobjekt stammende Signale gemessen, analysiert und gespeichert werden, dadurch gekennzeichnet, a) daß die Spitzenwerte der Amplitude der Signale in festgelegten Meßintervallen gemessen werden; b) daß die Spitzenwerte der Amplitude der Signale in vorgegebenen Frequenzbereichen separat gemessen werden; c) daß ein objektabhängiger Parameter, insbesondere eine periodische oder quasi periodische Bewegungsgröße des Meßobjektes (z.B. Kurbelwellenwinkel; Drehstellung etc.) gemessen wird und die Länge der Meßintervalle in Abhängigkeit von dem objektabhängigen Parameter bestimmt wird; d) daß die Meßwerte gemäß den Schritten a) und b) in Abhängigkeit von den gemäß Schritt c) festgelegten Meßintervallen gruppiert gespeichert werden; e) daß mindestens zwei Perioden (Durchläufe) der periodischen oder quasi periodischen Signale ausgemessen werden; und f) daß die gemäß den Schritten a) bis d) ermittelten Meßgrößen aufeinanderfolgender Durchläufe miteinander in Beziehung gesetzt werden.
- 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Durchläufe gemessen und gespeichert wird.
- 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß unmittelbar nach jedem Durchlauf aus den einzelnen spitzen Werten der Amplituden gleicher Meßintervalle der Mittelwert und ggf. das Quadratmittel gebildet werden, wobei dies separat in jedem vorgegebenen Frequenzbereich erfolgt.
- 4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der objektabhängige Parameter folgendes ist: - die Drehzahl eines sich drehenden Teiles des Meßobjektes; oder - der Drehwinkel (z.B. Kurbelwellenwinkel) des sich drehenden Teiles des Meßobjektes; oder - das abgegebene Drehmoment des sich drehenden Teiles des Meßobjektes; oder - die Ordnungszahl der einzelnen Zähne eines Zahnrades; oder - die Beschleunigung (zeitliche Änderung der Drehzahl) des sich drehenden Teiles des Meßobjektes; oder - eine fest vorgegebene Meßzeit.
- 5. Verfahren nch Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die durch den objektabhängigen Parameter festgelegten Meßintervalle ganzzahlige Teiler der Wiederholperiode des objektabhängigen Parameters sind.
- 6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die periodischen oder quasi periodischen Signale Körperschallsignale des Meßobjektes sind.
- 7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die periodischen oder quasi periodischen Signale vom Meßobjekt erzeugte elektrische Signale sind.
- 8. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem letzten Durchlauf folgende Größen ermittelt werden: - maximale Amplitude der Signale in den einzelnen Meßintervallen und/oder - minimale Amplitude der Signale in den einzelnen Meßintervallen und/oder - Mittelwerte der Amplitude der Signale in den einzelnen Intervallen und/oder - Streuung der Amplitude der Signale in den einzelnen Meßintervallen und/oder - Häufigkeit von Extremwerten der Amplitude der Signale in den einzelnen Meßintervallen und/oder - Folge von Extremwerten der Amplituden der Signale in den einzelnen Meßintervallen bezogen auf die einzelnen Durchläufe.
- 9. Meßanordnung zur Analyse von periodischen oder quasi periodischen Signalen, insbesondere von Schallsignalen bei Maschinen und Anlagen (Meßobjekten) zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, mit mindestens einem Meßfühler für die Signale, mit einem weiteren Meßfühler für einen objektabhängigen Parameter, mit mindestens zwei Frequenzfiltern für die Signale zur Bildung paralleler Frequenzkanäle, mit mindestens einem in Abhängigkeit von dem weiteren Meßfühler gesteuerten Abtast- und Haltekreis pro Frequenzkanal, mit einem Speicher und einem diesem nachgeschalteten Rechner, gekennzeichnet durch Steuerungseinrichtungen (6, 8, 9), die die Abspeicherung der Ausgangssignale der Abtast- und Haltekreise (3, 31) in den Speicher (7) so steuern, daß die Ausgangssignale der Abtast-und Haltekreise (3, 31) pro Frequenzkanal, pro objektabhängigen Parameter und pro Durchlauf separat abgespeichert werden und daß der Rechner (8) so angesteuert wird, daß er nach jedem Durchlauf aus den gespeicherten Werten mit gleichem objektabhängigen Parameter den Mittelwert und ggf. das Quadratmittel ermittelt und dann abspeichert.
- 10. Meßanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der weitere Meßfühler (5) für den objektabhängigen Parameter ein Drehzahl geber, ein Drehwinkelgeber, ein Drehmomentgeber, ein Impulsgeber, ein Beschleunigungsmesser oder ein Zeitgeber ist.
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