DE1798286A1 - Brueckenschaltung - Google Patents

Description

OR-INO. DIPL.-INQ. M.SC. DIPL.-PHVS. DR. DIPL-PHYS.

HÖGER - STELLRECHT - GRIESSBACH - HAECKER

PATENTANWÄLTE IN STUTTGART

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19- 9. 1968

Neville Ryland Davis Birchanger Hall, Bishop's Stortford, Hertfordshire / England

Brückenschaltung

Die Erfindung betrifft Brückenschaltungen, die mit Temepraturfühlern versehen sind, die eine im wesentlichen exponentiale Temperaturcharakteristik haben.

Die erfindungsgemäße Brückenschaltung umfaßt eine Brücke mit einem ersten Zweig, der einen Temperaturfühler enthält, der eine praktisch exponentiale Temperaturcharakteristik hat, einem an den ersten angrenzenden zweiten Zweig mit einem V/iderstand, der temperaturunabhängig und praktisch gleich demjenigen des

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Fühlers bei einer Temperatur innerhalb des Arbeitsbereiches der Brücke ist, einem dritten und einem vierten Zweig, die aneinandergrenzen und einen festen Gesamt-Reihenwiderstand haben und die mit einem Potentiometer versehen sind, ferner mit einer Einrichtung, die auf die Unsymmetrie der Brücke anspricht und die in eine Diagonalverbindung der Brücke eingebaut ist, die von dem Kontaktarm des Potentiometers zur Verbindungsstelle zwischen dem ersten und dem zweiten Zv/eig geht.

Der Temperaturfühler kann ein Thermistor sein, der einen negativen Temperaturkoeffzienten hat, oder ein Widerstandsthermometer, das einen positiven Temperaturkoeffizienten mit exponentieller Charakteristik hat, z. B. ein Platinwiderstandselement.

Diese Anordnung erlaubt eine besonders einfache Linearisierung der Brückencharakteristik gegen die logarithmische Temperaturcharakteristik des Fühlelelementes. Die Anordnung kann über einen geeigneten Temperatur-Arbeitsbereich angewandt werden, wobei die um Atgleich der Brücke erforderliche Einstellung des Potentiometers praktisch der Temperatur des Fühlerelementes proportional ist.

Vorzugsweise umfaßt die Reihenkombination des dritten und vierten Zweiges einen dritten Widerstand, der an einem Ende mit dem zweiten Zweig verbunden ist, ferner einen vierten Widerstand,

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der an einem Ende mit dem ersten Zweig verbunden ist, wobei der Potentiometer in Reihe zwischen die Widerstände gelegt ist.

Die erfindungsgemäße Brückenschaltung ist vorzugsweise mit einer Einrichtung zum Messen des Diagonalstromes oder der Diagonalspannung der Brücke über der Diagonalverbindung versehen, die von der Verbindungsstelle des ersten und des zweiten Zweiges zur Verbindung des dritten und des vierten Zweiges verläuft.

Bei dieser Anordnung ist die Brücke nicht für den Abgleich während des Betriebes eingestellt und es wurde festgestellt, daß der Diagonalstrom und die Diagonalspannung sich bezüglich der Temperatur linear ändern, trotz der Exponentialcharakteristik des Fühlerelementes.

Der dritte und der vierte Zweig können daher einfach aus Festwiderständen bestehen und die Eichung kann durch einen veränderlichen Widerstand erfolgen, der in der Diagonalverbindung in Reihe liegt.

In einer Ausfuhrungsform der Erfindung besitzt jedoch die Reihenkombination aus dem dritten und vierten Zweig einen dritten Widerstand, der an einem Ende mit dem zv/eiten Zweig verbunden

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ist, einen vierten Widerstand, der an einem Ende mit dem ersten Zweig verbunden ist und ein Potentiometer, das in Reihe zwischen den Widerständen liegt, und es ist ein Regelkreis vorgesehen, der zwischen den Kontaktarmen des Potentiometers und die Verbindungsstelle des ersten und des zweiten Zweiges geschal-φ tet ist, um ein Relais entsprechend dem in der Diagonalverbindung fließenden Diagonalstrom zu betätigen. Die Diagonalspannung oder der Diagonalstrom können durch ein in der Diagonalverbindung in Reihe geschaltetes Meßgerät (vorzugsweise mit hoher Impedanz) gemessen werden.

Die Eichung wird erleichtert, wenn das Meßgerät in Reihe mit einem variablen Widerstand liegt und ein Schalter vorgesehen wird, durch den diese Reihenkombination entweder an diese Diagonalverbindung zum Messen oder über einen Teil der Kombination aus drittem und viertem Zweig zur Eichung angeschlossen wird. Vorzugsweise ist die Größe des V/iderstandes des dritten Zweiges nicht kleiner als ein Fünftel des Gesamtwiderstandes des dritten und vierten Zweiges und die Größe des V/iderstandes des vierten Zweiges nicht kleiner als ein Viertel dieses Gesamtwiderstandes.

Gewöhnlich wird der zweite Zweig durch einen Einzelwiderstand gebildet, der mit seinem zugehörigen Fühlerelement in eine Temperatursonde eingebaut ist, die mit einem Kabel für den Anschluß an den Rest der Brücke versehen ist.

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Diese Temperatursonde umfaßt erfindungsgemäß einenTemperaturfühler mit praktisch exponentieller Temperaturcharakteristik, das zusammen mit einem Widerstand eingebaut und in Reihe mit diesem geschaltet ist, wobei die Größe des Widerstandes gleich dem Widerstand des Fühlerelementes bei einer Temperatur innerhalb des Arbeitsbereiches der Sonde ist, ferner Anschlüsse, die von dem vom Fühlerelement entfernten Ende des WiderStandes, von dem vom Widerstand entfernten Ende des Fühlerelementes und von der Verbindungsstelle zwischen Fühlerelement und Widerstand ausgehen. Die Anschlüsse führen in der oben beschriebenen Weise zu dem übrigen Teil einer Brückenschaltung. Der Festwiderstand kann örtlich direkt neben dem FUhlerelement oder in den Anschluß leitungen der Sonde oder in einer Steckverbindung angeordnet wer den, durch die die Sonde mit dem Rest der Brücke verbunden wird. Der Widerstand kann aus einem Einzelwiderstand oder einen Kombination von Wider ständen bestehen.

Wenn das Fühlerelement einen großen Temperaturkoeffizienten hat, wie z. B. ein Thermistor, besitzt vorzugsweise der erste Zweig der Brücke einen in Reihe mit dem Fühlerelement liegenden Widerstand mit einem relativ kleinen Widerstandswert. Eine Einstellung des Wertes dieses zusätzlichen Widerstandes gestattet es, den Bereich ch.T Brücke einzustellen, um Veränderungen des Tempercturkofiffizitmfcen de« Fühlerelementen aufgrund von Herstellungstole-

^;i')8 1 7 / f) 77/,

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ranzen oder der. gev/ählten Betriebstemperatur zu kompensieren. Der zusätzliche Widerstand ist vorzugsweise in der Sonde eingebaut.

Beispielsweise Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben, in der

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Brückenschaltung zeigt. Fig. 2 zeigt eine erfindungsgemäße Temperatürsonde.

Fig. 3 zeigt eine andere Ausführungsform der Brückenschaltung.

Fig. ^ zeigt eine Modifikation der Schaltung nach Fig. 3.

Fig. 5 zeigt eine weitere bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgeinäfien Brückenschaltung.

In Fig. 1 besteht eine Sonde P aus einer Reihenkombination aus einem Thermistor T, der einen temperaturabhängige« Widerstand R,-, und einen Festwiderstand R„ hat, dessen Widerstandswert gleich demjenigen von IL₁ bei einer vorgegebenen Temperatur ist, die

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praktisch etwa in der Mitte des Bereiches der Arbeitstemperaturen der Schaltung liegt. Drei flexible Leitungen verbinden die Sonde mit einer aus Stecker und Passung bestehenden Steckverbindung PS und damit mit dem Rest der Brückenschaltung.

Der erste und der zweite Zweig der Brücke werden entsprechend durch den Thermistor T und den V/iderstand R gebildet. Der dritte Zweig der Brücke besteht aus einem V/iderstand R-,, der aus einem Festwiderstand RF-, und einem Teil eines Potentiometers VR gebildet ist. Der vierte Zweig der Brücke hat einen V/iderstand R₁., der aus dem Rest des Widerstandes des Potentiometers VR und einem Festwiderstand RFj, gebildet ist. Der Gesamtv/iderstand des dritten und vierten Zweiges ist auf einen Wert R,^ festgesetzt. Durch eine Battierie B, die ein konstantes Eingangspotential auf eine Diagonale der Brücke gibt und ein Voltmeter G mit hoher Impedanz in der anderen Diagonale kann der Brückenabgleich festgestellt werden.

Bei dieser Anordnung ist der Abgleich der Brücke durch folgende Gleichungen gegeben:

durch Differenzierung erhält man

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_dR

(R₂

Rm

(R₂ + R_T)

wobei Λ der Temperaturkoeffizient des Thermistors ist, wie %. B,

^dRT = CL -DT

Rm

R₁. steht in linearer Beziehung zur Temperatur bei einem BrÜckenabgleich über einen Bereich, in dem der Ausdruck

(R₂ + R_T)²

praktisch konstant ist. Das Potentiometer VR ist somit linear nach der Temperatur geeicht.

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Der Temperaturarbeitsbereich der Schaltung erstreckt sich von einer niedrigeren Temperatur, bei der der Widerstand des Thermistors ein Maximum R_T (max) ist auf eine höhere Temperatur,
bei der der Thermistorwiderstand ein Minimum R™ (min) ist.
Aus Gründen der Linearität sollte der Wert R₂ den Wert

R_T (max) ^RT ^(min)

"drei" und der Wert ~ den Wert "vier" nicht übersteigen. Dies führt zu der Bedingung, das RF, nicht kleiner als R,h

und RPi. nicht kleiner als ^J sein soll.

In Fig. 2 ist eine bevorzugte Ausführungsform der Sonde P von
Fig. 1 dargestellt, die zusätzlich mit einem kleinen Widerstand r versehen ist, der in Reihe mit dem Thermistor liegt. Bei dieser Anordnung können die obigen Bedingungen, die das Verhältnis von R₂ zu Rm (max) und R„ (min) betreffen, folgendermaßen geschrieben werden:

2 = n_o(nicht größer als 3)

R_T(min) + r
und

R_m(max) * r / . ^₄. «„
T = n, (nicht größer als

R₂

Da r klein im Vergleich mit Rm(max) ist, kann es in der zweiten Gleichung vernachlässigt werden. Somit wird

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R_T(max)

= H₁ n₂

R_(min) 1 - "2 r

R₂

und der Bereich der Brücke ist durch den Sagenden Ausdruck gegeben

(1 - ⁿ2 r)
R₂

Es ist im allgemeinen nicht notwendig, den effektiven Temperaturkoeffizienten um mehr als 10 % zu verändern, so daß r nur etwa 3 % von R₂ und weniger als 1 % von R„(max) beträgt.

Bei Verwendung des zusätzlichen Widerstandes r wird bei der Einstellung der Brücke zuerst R₂ eingestellt, um die richtige Mindesttemperatureinstellung zu erhalten, worauf r eingestellt wird, um die richtige Maximaleinstellung zu erhalten. In dieser Reihenfolge sind die beiden Einstellungen praktisch unabhängig. Für einen gegebenen Satz von Betriebsbedingungen erfolgt die Einstellung vorzugsweise durch Einsetzen von_;Fsstwiderständen geeigneter Werte. Die Widerstände Rg und/oder r können aber auch verstellbare Widerstände sein.

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Ein Meßgerät mit hohem Widerstand kann an die Pumpe X und Z oder Y und Z angeschlossen v/erden, die in Fig. 1 angegeben sind. Der Skalenwert des Meßgerätes steht dann in linearer Beziehung zur Temperatur der Sonde.

Fig. 3 zeigt eine andere Ausführungsform der Erfindung, bei der das Voltmeter G der Fig. 1 durch ein geeichtes Meßinstrument I ersetzt ist, das eine hohe Impedanz hat. Ein variabler Widerstand VRC unterstützt die Eichung. Im Betrieb ist die Brücke infolge der Temperaturänderungen der Sonde nicht mehr abgeglichen und der durch das Instrument I fließende Strom steht in linearer Beziehung zu der Temperatur der Probe. Der Zusammenhang ist durch folgende Gleichung gegeben:

de = V i ^R2^RT οίάΊ ^R (R₂+R_T)²

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wobei i der durch das Instrument fließende Strom* V die Eingangsspannung der Brücke und R der Widerstand der Diagonalen einschließlich des Instruments sind. Die obige Gleichung entspricht dem für R₁, erhaltenen Ausdruck bei der Anordnung nach Fig. 1, so daß die Linearitätsbetrachtungen dieselben sind.

Fig. 4 zeigt eine abgeänderte Ausführungsform der Schaltung nach Fig. 3, wobei das Potentiometer VR durch einen Festwiderstand R₁- versetzt worden ist und außerdem ein Schalter S P

vorgesehen ist, um die Reihenkombination aus VRC und dem Instrument I zur Messung an die Punkte XZ und zur Eichung sn die Punkte XY anzuschließen* wie oben beschrieben wurde.

Wenn die Sonde bei Z eine Spannung abgibt, die gleich derjenigen bei X ist zeigt das Instrument den Wert "0" an und die Temperatur, die bei Z die gleiche Spannung wie bei Y abgibt kann auf dem Meßgerät irgendeine gewünschte Anzeige z.B. einen vollen Skalen - Ausschlag ergeben, und zwar durch Verstellung des veränderlichen Widerstandes VRC bei der Eichung.

Die Anordnung nach Fig. 1 kann, wenn gewünseht, in Verbin-

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dung mit derjenigen nach Fig. 3 oder nach Fig. 4 verwendet werden. So können beispielsweise zwei Brückenschaltungen parallel zu der Sonde B zusammengeschaltet werden, die einen Teil von beiden bildet, wobei eine Brücke gemäß Fig. 1 und die andere gemäß Fig. 3 oder Fig. 4 angeordnet ist. Ferner kann die Anordnung nach Fig. 3 mit derjenigen nach Fig. 1 kombiniert werden, in dem die beiden entsprechenden Diagonalverbindungen von dem Punkt Z aus parallel an entsprechende unabhängig bewegliche Kontaktarme des Potentiometers VR angeschlossen werden.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 5 dargestellt, in der, wo es zweckmäßig ist, dieselben Bezeichnungen wie in Fig. 4 verwendet werden. Bei der Anordnung nach Fig. 5 ist das Meßgerät I angeschlossen, um den zwischen den Punkten ZX fließenden Strom anzuzeigen, wenn ein Druckknopf PBI gedrückt wird. Eine Eichung zur Kompensierung von Änderungen der Batteriespeisespannung wird durch Drücken eines Druckknopfes PBC bewirkt, wodurch das Meßinstrument I und der veränderliche Widerstand VRC über die Punkte XY verbunden werden. Insoweit ist die Schaltung gleich derjenigen nach Fig. 4. Bei der Anordnung nach Fig. 5 wird

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jedoch bei der Freigabe des Druckknopfes PBI eine Verbindung von dem Kontaktarm des Potentiometers VR über die Diagonale der Brücke zu dem Punkt Z geschaffen. In diese Diagonale ist ein Differenzverstärker eingeschaltet, der aus zwei Transistoren T. und T_? gebildet ist, die in Form eines "long-tailed" Transistorpaares verbunden sind und die einen gemeinsamen Emitter-Belastungswiderstand EL und einzelne Kollektor-Belastungswiderstände CL₁ und CLp aufweisen.Der Ausgang aus dem Widerstand CL_? wird auf die Basis eines Steuertransistors T, gegeben, der in Reihe mit der Wicklung eines Relais RL liegt. Die Kontakte des Relais sind nicht gezeigt, aber sie können normalerweise offen oder normalerweise geschlossen oder beides sein.

Wenn die Brücke durch eine vorgegebene Änderung der Temperatur der Sonde P außer Abgleich kommt, so betätigt der Diagonalstrom den Differenzverstärker, wodurch dieser das Relais erregt. Die Relaiskontakte werden dadurch betätigt und wenn sie so geschaltet sind, daß sie den Strom durch eine Heizeinrichtung steuern, so bildet die gesamte Anordnung einen Temperaturregler. Die besondere Temperatur, bei der die Regelung erfolgt,

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ist durch die Einstellung des veränderlichen Widerstandes VR bestimmt.

Um eine Temperaturabweichung ablesen zu können,kann, wenn gewünscht, das Meßinstrument I oder ein ähnliches Meßgerät, wie gestrichelt angegeben, zwischen den Kontaktarm des Potentiometers VR und den Punkt Z angeschlossen werden.

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Claims (9)

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1. Brückenschaltung, gekennzeichnet durcl·! eine Widcrstandr,-brücke mit einem ersten Zweig, die einen Temperatur- fühler mit einer praktisch exponentiellen Temperaturcharakteristik aufweist, einem an den ersten angrenzenden zweiten Zweig mit einem Widerstand, der temperaturunabhängig und praktisch gleich demjenigen des Fühlers bei einer Temperatur innerhalb des Arbeitsbereiches der Brücke ist, mit einem dritten und einem vierten Zweig, die aneinander grenzen und einen festen Gesamtreihenwiderstand haben und ein Potentiometer einschließen, ferner durch eine Einrichtung, die auf die Unsymmetrie der Brücke anspricht und die in einer Diagorialverbindung der Brücke liegt, die von dem Kontaktarm des Potentiometers zu der Verbindungsstelle zwischen dem ersten und dem zweiten Zweig geht.

2. Brückenschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Reihenkombination aus drittem und vierten Zweig einen- dritten Widerstand auf v/eist, der mit einem Ende

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mit dem zweiten Z-weig verbunden- ist, ferner einen vierten VUderstarid, der an einem Ende mit dem ersten Zweig verbunden. ist, und daß dun Potentiometer in Reihe zwischen den Widerständer, liegt.

3. Brückenschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung, die auf die Unsymmetrie der Brücke.anspricht, ein Regelkreis ist,

um ein Relais ents.pr cherid dem in der Diagonal verbindung • fließenden Diagonalstrom zu betätigen.

4. Brückenschaltung nach Anspruch 3, dadurch'-gekennzeichnet, daß der Regelkreis einen ersten und zweiten Transistor enthält, die in Form eines"long-tailed" Transistorpaares verbunden sind, und die eine gemeinsame Emitterbelastung und unabhängige Kollektorbelastungen haben, und daß ferner die Basis der Transistoren entsprechend mit dem Kontaktarm des Potentiometers und der Verbindungsstelle des ersten und des zweiten Zweiges der Brücke verbunden sind.

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5. Brückenschaltung nach Anspruch H₁ gekennzeichnet durch einen dritten Transistor, der in Reihe mit der Arbeitswicklung des Relais liegt und dessen Basis angeschlossen ist, um einen Eingang von einer der Kollektorbelastungen des "long-tailed" Transistorpaares aufzunehmen.

6. Brückenschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung, die auf die Unsymmetrie der Brücke anspricht, ein Meßgerät aufweist,

" das in dieser Diagonalverbindung liegt oder an diese durch einen Schalter anschließbar ist.

7. Brückenschaltung nach Anspruch 6, und einem der Ansprüche 3 bis 53 dadurch gekennzeichnet, daß der Regelkreis und das Meßgerät alternativ in diese Diagonalverbindung der Brücke

'einahaltbar sind.

8. Brückenschaltung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Messen de ti Diagonalstromes oder der Diagonalspannung der Brücke in der Diagonalverbindung, die von der Verbindungsstelle des ernten und des zweiten Zweiges zu der Verbindungsstelle des dritten und vierten Zweiges verläuft.

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9. Brückenschaltung nach Anspruch 8,.dadurch gekennzeichnet, daß der dritte und der vierte Zweig aus Festwiderständen gebildet sind.

10. Brückensehaltung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,

daß die Reihenkombination aus drittem und viertem .Zweig einen,dritten Widerstand aufweist, der an einem Ende mit dem zweiten Zweig verbunden ist, ferner einen vierten Widerstand, der an einem Ende mit dem ersten Zweig verbunden ist, und daß ein Potentiometer in Reihe zwischen den Wider ständen liegt, daß ferner ein Regelkreis vorgesehen ist, der in einer Verbindung zwischen dem Kontaktarm des Potentiometers und der Verbindungsstelle des ersten und des zweiten Zweiges liegt, um ein Relais entsprechend dem in dieser Verbindung fließenden Diagonalstrom zu betätigen.

11. Brückenschaltung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Messen des Diagonalstromes oder der Diagonalspannung ein Meßgerät mit hoher Impedanz ist.

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12. Brückenschaltung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßgerät in Reihe mit einem veränderlichen Widerstand liegt und daß ein Schalter vorgesehen ist, durch den das Meßgerät und der veränderliche Widerstand alternativ an diese Diagonalverbindung oder an einen Teil

. des dritten und des vierten Zweiges zur Eichung anschließbar sind.

13. Brüekensehaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstandswert des dritten Widerstandes nicht kleiner als ein Fünftel des Gesamtwiderstandes des dritten und vierten Zweiges ist, und daß der Widerstandswert des vierten Widerstandes nicht kleiner als ein Viertel dieses Gesamtwiderstandes ist.

14. Temperatursonde, gekennzeichnet durch einen Temperaturfühler mit praktisch exponentieller Temperaturcharakteristik, der zusammen mit einem Widerstand eingebaulAnd in Reihe, mit diesem geschaltet ist, ferner dadurch, daß die

.. Größe, des Widerstandes gleich derjenigen des Widerstandes des Fühlers bei einer Temperatur innerhalb des Arbeitsbereiches der Sonde ist, ferner durch Anschlüsse, die von dem dem Fühler entfernt liegenden Ende des Widerstandes,

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von dem dem Widerstand entfernt liegenden Ende des Fühlers und von der Verbindungsstelle zwischen Fühler und Widerstand ausgehen.

15. Temperatursonde nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Festwi-derstand örtlich neben dem Fühler eingebaut ist..

16. Temperatursonde nach Anspruch lh oder 15> dadurch gekennzeichnet, daß in die Sonde ein zusätzlicher Festwiderstand eingebaut ist, der in Reihe mit dem Fühler liegt und dessen Widerstandswert klein gegenüber dem Widerstandswert der Sonde ist.

17. Brückenschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 13_S dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Sonde nach einem der Ansprüche 14 bis 16 enthält.

18. Brückenschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn2sichnet, daß der Temperaturfühler ein Thermistor ist.

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