DE1929372A1 - Elektrischer Zustandsfuehler - Google Patents

Elektrischer Zustandsfuehler

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    • G05DSYSTEMS FOR CONTROLLING OR REGULATING NON-ELECTRIC VARIABLES
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    • G05D23/24Control of temperature characterised by the use of electric means with sensing elements having variation of electric or magnetic properties with change of temperature the sensing element having a resistance varying with temperature, e.g. a thermistor
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Description

Frankfurt am Main, den 9. Juni 1969
- H 31 P: 151 -
INC.,
2?Q% Fourth Avenue South,. Minneapolis., Minnest>ta /
Elektrischer Zus tandsfühlerS"
Die. E^findung1 betrifft einen elektrischen Sustan(is:fühler für Steuer- oder Regeleiririefrtungen* welcher ein erstes Ausgangssignal liefert* wenn der Istwert größer ist als der Sollwert un<ä ein zweites Äusgärtgssignal liefert,, wenn der Istwert kleiner ist als. der1 Sollwert-
Bei derartigen Zustandsfühlern,, insbesondere wenn sie zur Temperaturregelung dienenj; ist es wichtig,, die durch ihren Energieverbrauch bedingte" Wärmeabgabe mögliehst gering zu halten. Die als Störgröße wirkende Eigenerwärmung des Zustandsfühlers und die Abfuhr dieser Wärme ist. problematisch und verringert die Empfindlichkeit der zugehörigen Regeleinrichtung. Weitere Schwierigkeiten bei einer großen Zahl der bekannten, mit den üblichen Thermostaten versehenen Zustandsfühler treten auf, wenn sie starken mechanischen Schwingungen ausgesetzt werden» Das gilt insbesondere für Zustandsfühler mit Bimetellvorrichtungen»
Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Zustandsfühler darzustellen, der eine möglichst geringe Energieaufnahme und Eigenerwärmung hat.
Die Aufgabe wird dadurch gelöst,, daß an den Ausgang des Zustandsfühlers eine das Stellglied steuernde bistabile Schaltvorrichtung
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und, an; eine Stromquelle eine· Integriervorrientung; angerschlos- ■ sen ist» welche über einen Schwellwert schalt er mit; dem Zu^ Stands fühler in "Verbindung steht und: diesen periodisch: einrschalt-et. · - · . - - . . -■.:-.
In weiterer Ausgestaltung des Zustandsfühlers empfiehlt es sich* daß ein erster Festkörpers ehalt er einem ersten -Ausgangdes Zus-tändsfühlers und ein zweiter Pestkörperschalter einen" zweiten Ausgang des Zustandsfühlers; mit der· bistabilen. Schaltvorrichtung verbindet. Die beiden Festkörperschalfter dienen hierbei aJLs Ter stärker »mit deren Hilfe sich die bistabile; Schaltvorrichtung auch durch ein. schwaches Aus gangs signal des Zustandsfühlers schalten läßt.
In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung ist die Regeleinrichtung derart ausgestaltet, daß die bistabile Schaltvorrichtung ein polarisiertes Relais mit einem das Stellglied bildenden oder steuernden Umschaltkontakt und zwei ¥icklungeci ist, welche über den ersten bzw. den zweiten^ Fest:kö:rperachalt.e:r an die Stromquelle anschließbar sind;..
Die Zeitkonstante der Integriervorrichtung mit nachgeschaltetem Schwellwertschalter ist vorzugsweise derart gewählt, daß an dem Ausgang der inteFriervorrichtung nur im Abstand von mehreren Sekunden, vorzugsweise β - 8s,eine elektrische Leistung; über den Schwellwertschalter an den Zustandsfühler abgegeben wird.
Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Zustandsfühlers wird nachfolgend anhand der Zeichnung erläutert."Hierin zeigt
Figur 1 das Schaltbild einer kompletten Temperatürregeleinrichtung mit er findungs gemäßem Zustands fühler,. Heizlast, Kühllast sowie Energieversorgung und
Figur 2 einen Ausschnitt aus dem Schaltbild nach FigurIx in dem die Heizlast an den Zustandsfühler angeschlossen ist*
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Wie in Figur 1 gezeigt, besitzt die Temperaturregeleinrichtung als Stromquelle 12 einen Transformator, dessen Primärwicklung 13 an eine Wechselspannungsquelle geführt ist. Die Windungszahl der Sekundärwicklung 14 ist kleiner als die der Primärwicklung. Ausgehend von der Sekundärwicklung I1I führt eine Leitung 15 über einen Verbindungspunkt 20 und über einen Widerstand 27^einer Leitung 31· Das andere Ende der Wicklung IM ist über eine Leitung 16 mit einem zum Heizen dienenden Verbraucher l8 verbunden, der aus irgendeiner wärmeabgebenden Vorrichtung bestehen kann. Die Leitung 16 ist weiterhin an einen zur Belüftung dienenden Verbraucher 21 und an einem zur Kühlung dienenden Verbraucher 23 angeschlossen, der gewöhnlich die Luft des Gebläses kühlt. Die drei Verbraucher 18,21 und 23 sind typisch für Klimaregelungsanlagen.
über einen Verbindungspunkt 21I führt die leitung 16 zu einer Integriervorrichtung, die über die beiden Leitungen 15 und 16 mit Energie versorgt wird und aus einer Diode 25, einem Kondensator 26 und einem Widerstand 27 besteht. Der Kondensator 26 wird über die beiden Leitungen 16,15 nur langsam aufgeladen, da der Widerstand 27 relativ groß ist.
Die beiden Leitungen 30,31 führen die am Kondensator 26 liegende Spannung ku einem elektrischen Zustandsfühler 32, der mit der Leitung 3I direkt und der mit der Leitung 30 über zwei Relaiswicklungen 33,31J in Verbindung steht. Wie durch die gestrichelte Verbindungslinie 35 angedeutet, läßt sich der mit den beiden ortsfesten Kontakten 37,38 versehene Umsehaltkontakt 36.durch Erregung der zu einem polarisierten Relais gehörenden Wicklungen 33 und 3k schalten. Dabei wird der das Stellglied der Regeleinrichtung bildende Umschaltkontakt 36 dadurch umgeschaltet, daß die Erregung von einer Wicklung auf die andere übergeht. Der Umschaltkontakt 36 ist mit dem beweglichen Schaltarm 39 versehen, der aus magnetischem Material besteht und von
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einem in der Zeichnung nicht gezeigten Permanentmagneten in der Lage" gehalten wird, in die er durch die Kraft einer der beiden Relaiswicklungen gebracht wurde. Das polarisierte. Relais mit seinen zwei Wicklungen hat den üblichen Aufbau und . wirkt als bistabile Schaltvorrichtung.
■ ■
Die Leitung 30 ist über einen Verbindungspunkt Al und eine Leitung 42 mit einem als Vierschi/chtdiode ausgestalteten Schwellwertschalter 43 verbunden. Der Schwellwertschalter .kann aber auch als Röhrenschaltung oder eine andere Schwellwertschaltung ausgestaltet sein. Voraussetzung ist nur^ daß diese Vorrichtung bei einer über einem bestimmten Grenzwert liegenden Spannung elektrisch leitend ist. Die Vierschichtdiode 43 ist über eine Leitung 44 an eine Brückens-chaltung
45 angeschlossen, die mit einem Festkörperdifferentialverstärker versehen ist. Dieser Verstärker besitzt die beiden. ; Transistoren 46,47, die auf den gemeinsamen Widerstand 1IS einwirken. Der Kollektor des Transistors 46 ist. über Leitung 52 und Widerstand 50 und der Kollektor des Transistors 47-ist über Leitung 53 und Widerstand 51 zu dem Schwellviertschalter 43 geführt. Bei gleicher Leitfähigkeit der beiden Transistoren
46 und 47 ist auch der Spannungsabfall an den beiden Widerständen 52 und 53 gleich und die Brücke ist, abgeglichen. Bei nichtabgegliehener Brücke 45 ist die Leitfähigkeit der. beiden Transistoren 46,47 verschieden, wodurch an den beiden --Widerständen 52 und 53 eine Spannungsdifferenz entsteht, die jeweils auf die Emitterbasisstrecke der beiden Transistoren 54 und einwirkt. Abhängig von der Spannungsrichtung und der Größe der Differenzspannung v/ird jeweils nur einer der beiden Transistoren 54 oder- 55 leitend, wodurch an einem der beiden Widerstände oder 57 eine Spannung abfällt. Der durch die Transistoren 54 oder 55 fließende Strom fließt zur Leitung 31.
Die Widerstände 56 und 57 sind an zwei mit den Thyristoren βθ ,
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und 61 versehene Gatter angeschlossen. Die Anode des Thyristors
60 ist zur Wicklung 3^ und die Anode des Thyristors 61 zur Wicklung 33'der bistabilen Schaltvorrichtung 35 geführt. Die beiden Wicklungen sind über die Dioden 64,65 miteinander verbunden. ι
Die Basis des Transistors 46 liegt einerseits über einen Widerstand 62 an der Leitung 44 und ist andererseits über ein Widerstandsnetzwerk zu der Leitung 31 geführt. Das Widerstandsnetzwerk besteht aus der Reihenschaltung eines zur Sollwerteinstellung dienenden Potentiometers 67 mit der Parallelschaltung aus einem temperaturempfindlichen Meßfühler 66 und einem Widerstand 69. Der Meßfühler 66 ist ein Heißleiter. Die Basis des Transistors 47 ist über eine Reihenschaltung aus eiriem Widerstand 59 und einem Eichpotentiometer 68 an die Leitung 31 und darüberhinaus noch über einen Widerstand 63 an die Leitung 44 angeschlossen. Die Steuerelektroden der beiden Thyristoren 60,
61 sind über jeweils einen Kondensator 70 bzw. 71 mit der Leitung 31 verb.unden. Die Aufgabe der Kondensatoren 70,71 ist es, an den Steuerelektroden möglicherweise auftretende Spannungsstöße kurzzuschließen.
Der durch die gebrochene Linie 72 eingerahmte Regler umfaßt ausschließlich Festkörperbauteile. Der Regler kann daher sowohl als | integrierter Schaltkreis als auch aus einzelnen Bauelementen bestehend aufgebaut sein. Aus diesem Grunde ist der Regler gegenüber mechanischen Einflüssen sehr stabil. Da zusätzlich als Meßfühler ein gegenüber dem Gehäuse sich nicht bewegendes Teil gewählt wurde, so läßt sich der . aus Regler und Meßfühler bestehende Zustandsfühler als kompakte,gegenüber mechanischen Einwirkungen äußerst stabile Einheit aufbauen.
Die Regeleinrichtung besitzt einen zwischen dem Verbindungspunkt 24 und einem Verbindungspunkt 76 liegenden Anpassungsvriderstand 75 zur Anpassung an den zum Heizen dienenden Verbraucher 18, Die
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Regeleinrichtung ist weiterhin noch mit dem ztvischen dem Kontakt 37 und dem Schaltarm 39 befindlichen Anpassungswiderstand 77 zum Anpassen an den zur Kühlung dienenden Verbraucher 22 versehen.
Durch das Schließen des Schalters80 wird der zur Kühlung dienende Verbraucher 22 an die Stromquelle 12 angeschlossen, und von den Zuständsfühler geregelt. Die Energieversorgung und Regelung des zum Heizen dienenden Verbrauchers 18 erreicht man durch das Schließen des Schalters 81. Durch öffnen der beiden Schalter läßt sich die Regelstrecke abschalten.
Figur 2 ist ein Ausschnitt des Schaltbildes nach Figur 1 in dem die Verbindung zwischen dem Zustandsfühler und dem Verbraucher 18 dargestellt wird. .Zur besseren Übersichtlichkeit wurden für die einander entsprechenden Bauelemente die gleichen Bezugsziffern beibehalten.
Bei Verwendung der Regeleinrichtung zur Temperaturregelung des zum Heizen dienenden Verbrauchers 18 ist der Schalter 81 geschlossen, wodurch der Verbraucher 18 an den Zustandsfühler angeschlossen ist. Es sei nun angenommen, daß der Meßfühler 66 eine Temperatur mißt, die gleich' der am Potentiometer 67 eingestellten Sollwerttemperatur ist. In diesem Falle ist die Brückenschaltung k5 abgeglichen und die Spannungen über den Widerständen 50 und 51 sind gleich, d.h. die Spannungsdifferenz ist Null. Gleichzeitig ist die Sekundärwicklung 14 des Transformators 12 an die aus Diode 25, Kondensator .26 und Widerstand 27 bestehende Integriervorrichtunp; angeschlossen. Der Kondensator 26 lädt sich über die Diode mit der in Figur·1 eingezeichneten Polarität auf. Der Widerstand 27 ist so hochohmig gewählt, daß sich der Kondensator 26 bei jeder positiven Halbwelle nur um einen sehr kleinen Betrag auflädt. Die Spannung über dem Kondensator liegt an der Reihenschaltung aus Schwellwertschalter 43 und Brücken-
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schaltung *J*>* in dem fall, daß die Brückenschaltung sich wie angenommen im Gleichgewicht befindet, ist wenn"die Sehwellwertspanriung der Vierschichtdiode 43 überschritten und diese leitend wird, die Spannung an den Widerständen 50 und 51 gleich, und die beiden Transistoren 51J und 55 sind gesperrt. Da infolgedessen auch die beiden Thyristoren 60 und 61 gesperrt sind, sind die Wicklunßeri 33,34 der bistabilen Schaltvorrichtung 35 von der Energiezufuhr abgeschnitten. In dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel wird der Kondensator 26 etwa1 alle sechs bis acht Sekunden über den "'Schwellwertschalter entladen.
Nimmt man nun weiterhin an, daß der vom Meßfühler 66 gemessene Istwert der Temperatur sinkt, wodurch es notwendig wird, den zur Heizung dienenden Verbraucher 18 wieder einzuschalten, so wird die Brücke aus dem Gleichgewichtszustand verschoben. Beim erneuten Durchbruch der Vierschichtdiode ^43 fließt durch die beiden Widerstände 50 und 51 ein unterschiedlicher Strom, woraufhin der Transistor 54 leitend wird und eine Spannung an dem Widerstand 56 abfällt, die bei ausreichender Größe den Thyristor 60 durchschaltet. Der nunmehr kurzzeitig über den Thyristor 60 fließende Strom entlädt den Kondensator 26 und erregt die Wicklung 3Ί des als bistabile Schaltvorrichtung wirkenden polarisierten Relais. Durch die Erregung der Wicklung 34 wird der Umschältkontakt 36 betätigt und der Schaltarm 39 legt sich auf den ortsfesten Kontakt 38» wodurch der Verbraucher 18 zur Energieversorgung tait der Leitung 15 verbunden wird. Der auf diese Weise mit Energie versorgte Verbraueher 18 kann beispielsweise ein Ofen sein, dessen Wärme in den Raun abgeführt wird, in dem sich der mit dem Meßfühler 66 versehene Zustandsfühler befindet. Während der Verbraucher 18 diesen Raum erwärmt, wird der Thyristor, 60 in regelmäßigen Abständen durchgeschaltet, was aber wegen des bistabilen Verhaltens der Schaltvorrichtung 35 keinen Einfluß auf den Ums ehalt kontakt 36 hat. Auch wenn schließlich bei einer gewissen Erwärmung des Raumes sich die Brückensehaltung ^5 wieder im Gleichgewicht befindet und der Thyristor
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60 gesperrt bleibt, ändert das am Zustand des UmsehaTtkontaktes 36 nichts. Erst wenn wegen der fortschreitenden Er- " wärmung des Raumes sich das Brückengleichgewicht in umgekehrte Richtung verschiebt, vrird in Analogie zu dem bereits ' oben Gesagten, der Thyristor 61 durchgeschaltet, woraufhin die Wicklung 33 erregt und der Schaltarm 39 auf den ortsfesten Kontakt 37 gepreßt wird. Die nachfolgend wegen der periodischen Entladung des Kondensators 26 durch die Wick-' lung 33 hindurchtretenden Stromstöße ändern wiederum am Zustand des. Umschaltkontaktes 36 nichts. Daraus ergibt sich, daß die bistabile Schaltvorrichtung 35 jeweils nur beim ' ersten Durchschalten eines Thyristors umschaltet und darin ' bis zum Durchschalten des anderen Thyristors in dem"erreichten Zustand verharrt.
Ist eine kühlung des zu überwachenden Raumes notwendig,· so ' schließt man statt des Schalters 8l den Schalter" 8Ö", wodurch der zur Kühlung dienende Verbraucher 23 an den Zustandsfühler angeschlossen wird. Der Einfluß des "Verbrauchers 23 ist in diesem Falle wirksam, wenn der Schalt arm 39 des UmschaltkOn- ' taktes 36 mit dem ortsfesten Kontakt 37 verbunden isti Läßt man gleichzeitig noch den Schalter 82 in der in Figur l" ge- ~ : zeigten Stellung^ so wird der zur Belüftung dienende Ver-' ' braucher 21 wiederum auch nur wirksam, wenn der Schaltarm'39 mit dem ortsfesten Kontakt 37 verbunden ist. Durch iJmiegen " : des Schalters 82 läßt sich der Verbraucher 21 aber auch direkt : an die Sekundärwicklung des Transformators 12 anschließen, wodurch das Gebläse ständig in Betrieb ist. * ' :'
In Figur 2 wurden die Schalter 8O,8l weggelassen und nur die · Verbindung des Verbrauehers 18 mit dem Zustands fühler gezeigt.;' "■ Die bistabile Schaltvorrichtung 35 wird durch den zweipoligen Umschalter 36' dargestellt, die Arbeitsweise- der Anordnung ' nach Figur 2 entspricht der in Figur 1 gezeigten und· wird -daher nicht nochmals beschrieben.
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Das Wesentliche der Erfindung besteht darin, daß mittels des Schwellwertschalters kj> der Zustande fühler 32 nur periodisch mit Strom versorgt wird. Da nur alle sechs bis acht Sekunden ein Stromstoß über die Brückenschaltung ^5 fließt, ist die Wärmeerzeugung im Zustandsfühler 32 ungewöhnlich klein. Auf diese V/eise wird verhindert, daß die Eigenwärme die Empfindlichkeit des Zustandsfühlers beeinflußt.- Ein weiterer Vorteil der periodischen Energieversorgung des Zustandsfühlers ist der, daß Schwankungen der Versorgungsspannung ohne Einfluß bleiben, da bei Spannungsänderungen zwar die Sehaltfrequenz des Schwellwertschalters H3» nicht aber die Schwellwertspannung variiert. Änderungen der Arbeitsfrequenz haben weitgehend keine Auswirkung auf die Empfindlichkeit des .Zustandsfühlers.· Ebenso wie die Änderung der Versorgungsspannung zeigen auch kurzzeitige Netzspannungsstöße keine Wirkung bezüglich der Meßgenauigkeit des Zustandsfühlers, da durch diese Spannungsstöße der Kondensator 26 wiederum nur schneller aufgeladen wird.
Die in Figur 1 gezeigte Regeleinrichtung läßt sich zum Steuern eines zum Heizen und Kühlen geeigneten Systems verwenden, auch wenn nur wie in Figur 2 ein einpoliger Schalter 36' vorgesehen ist. In diesem Falle ist ein zwischen den Wicklungen 33»31* und den Anoden der Dioden 6*1,65 liegender Umkehrsehalter notwendig, der die Anschlüsse der Wicklungen vertauscht. Solch ein Umkehrschalter kann beispielsweise in der Nähe der Schalter 80,8l angeordnet sein.
Der erfindungsgemäße Zustandsfühler ist in seiner"Verwendung weder auf Regeleinrichtungen noch auf Temperaturmessungen beschränkt. Er läßt sich vielmehr in Verbindung mit einem geeigneten Meßfühler überall da vorteilhaft einsetzen, wo es auf geringen Energieverbrauch und Stabilität des Zustandsfühlers ankommt. So läßt er sich beispielsweise zur Durchflußmessung oder zur Feststellung der Lage eines Gegenstandes verwenden. Es ist auch
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nicht notwendig, daß die Brückenschaltung H5 nur einen Meßfühler 66 besitzt, sondern es können auch mehrere sein. Es ist auch möglich, daß der oder dip Meßfühler nicht,wie in dem gegebenen Beispiel direkt,sondern indirekt von der Meßgröße beaufschlagt werden.

Claims (11)

  1. - li -
    Patentansprüche
    Elektrischer Zustandsfühler für Steuer- oder Regeleinrichtungen, welcher ein erstes Ausgangssignal liefert, wenn der Ist-wert der Regelgröße- größer ist als der Sollwert und ein zweites Ausgangssignal liefert, wenn der Istwert kleiner ist als der Sollwert, d a d u r e h gekenn ζ ei chnet, daß an den Ausgang des ZustandsfUhlers (46-58,66-72) eine das Stellglied (36-39) steuernde bistabile Schaltvorrichtung (33~39) und an eine Stromquelle (12) eine Integriervorrichtung (25-27) angeschlossen ist, welche über einen Schwellwertschalter (*l3) mit dem Zustandsfühler in Verbindung steht und diesen periodisch einschaltet.
  2. 2. Zustandsfühler nach Anspruch !,dadurch geke nn ζ ei chne t, daß er zwei voneinander getrennte Ausgänge (54,55) aufweist und das Ausgangssignal je nach dem ob der Istwert größer oder kleiner ist als der Sollwert an dem einen oder anderen Ausgang abgreifbar ist.
  3. 3. Zustandsfühler nach Anspruch 2, d a d u r c h g e kenn ze ί chnet, daß ein erster Festkörperschalter (6O) den ersten'Ausgang des Zustandsfühlers (46-58,66-72) und ein zweiter Festkörperschalter (61) den zweiten. Ausgang des Zustandsfühlers mit der bistabilen Schaltvorrichtung (33-39) verbindet. ■
  4. 4. Zustandsfühler nach Anspruch 2 oder 3, d a d u r c h g e k e η η ζ e i c h Vi e t, daß die bistabile Schaltvorrichtung ein polarisiertes Relais (33-39) mit einem das Stellglied bildenden oder steuernden Umschaltkontakt
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    (36-39) und zwei Wicklungen (33,31O ist, welche über den ersten bzw. zweiten Festkörperschalter (60 bzw. 6l) an ■ die Stromquelle (12) anschließbar sind. ' ' ;
  5. 5. Zustandsfühler nach Anspruch 4,dadurch gekennzeichnet, daß als Festkörperschalter·
    .Thyristoren (60,61) vorgesehen sind, deren Anoden-Kathoden-Strecke in Reihenschaltung mit der entsprechenden Wicklung (33,31O des polarisierten Relais (33-39) an eine elektrische Spannungsquelle (30) angeschlossen ist.
  6. 6. Zustandsfühler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Spannungsquelle der Ausgang (30) der Integriervorrichtung. (25-27) ist,
  7. 7. Zustandsfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Schwellwertschalter eine Vierschichtdiode (4 3) dient.
  8. 8. Zustandsfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Integriervorrichtung (25-27) ein Kondensator (26) in Reihe mit einem Widerstand (27) und einer Diode (25) an eine Wechselstror.quelie (12) angeschlossen und der Ausgang (30) der Integriervorrichtung mit den Kondensatoranschlüssen verbunden ist.
  9. 9. Zustandsfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitkonstante der Int egriervorri chtunp. (25-27) so gewählt ist, daß an deren Ausgang (30) nur im Abstand von mehreren, vorzugsweise 6 bis 8,Sekunden eine elektrische Leistung über den Schwellwertschalter (^3) an den Zustandsfühler abgegeben wird.
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  10. 10. Zustandefühler nach einem der Ansprüche 1 bis 9} d a durch gekennzeichnet, daß eine Brückenschaltung (.^6-6$) mit einem vom zu messenden Zustand beeinflußten Meßfühler (66-67) vorgesehen ist.
  11. 11. Zustandsfühler nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Brückenschaltung (k&-£>9) einen Pestkörperdifferentialverstärker (54-58) aufweist, dessen erster Ausgang (5*0 an den ersten Pestkörperschalter (60) und dessen zweiter Ausgang (55) an den zweiten Pestkörperschalter (61) angeschlossen ist.
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