DE2333932A1

DE2333932A1 - Einrichtung zum ermitteln des ladezustandes von akkumulatorbatterien

Info

Publication number: DE2333932A1
Application number: DE19732333932
Authority: DE
Inventors: Martin-Ulrich Dipl I Reissland; Walter Prof Dr Schweizer
Original assignee: Mannesmann VDO AG
Current assignee: Mannesmann VDO AG
Priority date: 1973-07-04
Filing date: 1973-07-04
Publication date: 1975-06-26
Also published as: FR2236285B1; FR2236285A1; GB1432318A; DE2333932B2; IT1015604B; JPS5033434A; US3895284A

Description

VDO * 6 FRANKFURT/MAIN 90

ADOLF SCHINDLING GMBH GRÄFSTRASSE 103

Einrichtung zum Ermitteln des Ladezustandes von Akkumulatorbatterien.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zum Ermitteln des Ladezustandes einer Akkumulatorbatterie, insbesondere der Starterbatterie von Kraftfahrzeugen, durch Integration des Batterieströmes, mit einem in den Batteriestromkreis eingeschalteten Meßwiderstand, einer von der an dem Meßwiderstand abfallenden Spannung beaufschlagten Integrierstufe und einer dieser nachgeschalteten Anzeigestufe.

Insbesondere bei Starterbatterien von Kraftfahrzeugen, aber auch bei stationären Stromversorgungsanlagen mit Akkumulatorbatterien besteht häufig der Wunsch, die bis zu einer völligen Entladung der Akkumulatorbatterie noch zur Verfügung stehende Kapazität der Akkumulatorbatterie zu kennen, um Schaden durch Tiefentladungen zu vermeiden.

Zur Ermittlung des Ladezustandes von Akkumulatorbatterien werden im allgemeinen Aräometer verwendet, die entweder an die Akkumulatorbatterie angebaut sind oder nach Entfernen eines Batterieverschlußstopfens in die Akkumulatorbatterie eingesetzt werden. Abgesehen davon, daß sie relativ schwierig abzulesen sind, haben sie den Nachteil, daß die Ablesung unmittelbar am Einbauort der Akkumulatorbatterie vorgenommen werden muß. An diesen ist jedoch häufig, insbesondere bei Kraftfahrzeugen, nur sehr schwer heranzukommen. Des weiteren ist es bekannt, die Säuredichte der Akkumulatorbatterie statt mit einem Aräometer mit einer optischen Einrichtung zu messen, bei der ein von einer Lichtquelle ausgehendes Lichtbündel durch ein von der Säure gefülltes Prisma auf mehrere lichtempfindliche Empfänger gerichtet ist. Je nach der Dichte der Säure wird das Lichtbündel mehr oder

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weniger stark durch das Prisma gebrochen und trifft infolgedessen entsprechend dem jeweiligen Brechungsindex auf einen der diesem Brechungsindex zugeordneten lichtempfindlichen Empfänger. Zwar kann die Anzeige bei dieser Einrichtung an einem akkumulatorfernen Ort vorgenommen werden, jedoch ist die Messung noch relativ ungenau.

Es ist des weiteren bereits vorgeschlagen worden, den Ladezustand der Akkumulatorbatterie durch Integration des Batteriestromes zu ermitteln. Zu diesem Zweck ist in den Batteriestromkreis ein niederohmiger Meßwiderstand eingeschaltet und parallel zu diesem eine im wesentlichen aus einem Operationsverstärker bestehende Integrierstufe angeschlossen, in deren Ausgang ein Anzeigeinstrument liegt. Es hat sich jedoch gezeigt, daß bei der Langzeitintegration, die hier durchgeführt werden muß, hauptsächlich die Offset- und Driftgrößen zu einer beträchtlichen Verfälschung des Meßergebnisses führen können, so daß eine derartige Einrichtung für den vorliegenden Zweck nicht brauchbar ist.

Diese Schwierigkeiten und Nachteile der bekannten und vorgeschlagenen Einrichtungen sollen durch die Erfindung beseitigt werden. Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine auf der Basis der Integration des Batterie stromes arbeitende Einrichtung zum Ermitteln des Ladezustandes einer Akkumulatorbatterie zu schaffen, die einwandfreie Meßergebnisse liefert, einen möglichst bauteilarmen Aufbau aufweist und insbesondere rauhen Einsatzbedingungen wie sie beispielsweise bei Kraftfahrzeugen zu finden sind, genügt.

Diese Aufgabe wird ausgehend von der eingangs erwähnten Einrichtung erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zwischen dem Meßwiderstand und der Integrier stufe ein Umschalter vorgesehen ist,

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der die am Meßwiderstand abfallende Spannung abwechselnd in einer ersten Polarität und danach in einer dieser entgegengesetzten Polarität auf die Integrierstufe schaltet, und der Integrierstufe eine Komparatorstufe nachgeschaltet ist, die jeweils bei Erreichen eines bestimmten positiven oder negativen Wertes des Integrierstufenausgangssignals einen Impuls an den Umschalter und einen in der Anzeigestufe befindlichen, auf- und abwärts zählenden Zähler abgibt, dessen Zählrichtung durch die Polarität der am Meßwiderstand abfallenden Spannung festgelegt ist.

Durch diese erfindungsgemäßen Maßnahmen wird erreicht, daß in der einen Stellung des Umschalters die Offset- und Driftspannungen der Integrierstufe additiv und in der anderen Stellung des Umschalters subtraktiv in die zu integrierende Spannung eingehen. Da aufgrund der beiden gleichbleibenden Komparatorschwellen der zeitliche Abstand zweier aufeinander folgenden Impulse von der Höhe der an der Integrierstufe anliegenden Eingangsspannung abhängt, bedeutet dies, daß nach jedem zweiten Impuls ein auf Offset- oder Driftspannungen beruhender Fehler korrigiert ist. Des weiteren werden durch den zwischen dem Meßwiderstand und der Integrierstufe angeordneten Umschalter aber auch durch thermoelektrische und elektrolytische Effekte hervorgerufene Spannungen am Meßwiderstand eliminiert, so daß sich eine äußerst genaue Anzeige erzielen läßt.

Der Umschalter besteht am zweckmäßigsten aus vier zu einer Brücke zusammengefaßten Sperrschicht-Feldeffekttransistoren, von denen jeweils zwei in einander gegenüberliegenden Zweigen befindliche Feldeffekttransistoren gleichzeitig ansteuerbar sind. Ein derartiger Umschalter besitzt einen äußerst breiten Übertragungsbereich, was im Hinblick auf das Verhältnis von

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maximalem zu minimalem Batteriestrom sehr erwünscht ist. Aus diesem Grunde ist auch die Verwendung bipolarer Transistoren für den Umschalter nicht sinnvoll, da diese eine Kollektor-Emitter-Rest spannung von einigen zehn Millivolt aufweisen und die kleinste vorkommende Eingangsspannung im Mikrovoltbereich liegt. Des weiteren hat es sich als zweckmäßig erwiesen, Sperrschicht-Feldeffekttransistoren vom N-Kanal-Typ einzusetzen, da deren temperaturabhängiger Durchlaßwiderstand zwischen der Drain- und der Source-Elektrode kleiner ist als bei einem P-Kanal-Typ und somit einen geringeren Fehler verursacht.

Zur weiteren Erhöhung der Genauigkeit der Einrichtung empfiehlt es sich, zwischen dem Umschalter und der Integrierstufe einen Differenzverstärker anzuordnen, um die am Meßwiderstand abfallenden Spannungen soweit zu verstärken, daß sie genügend hoch über den Drift- und Offsetwerten der im wesentlichen aus einem Operationsverstärker bestehenden Integrierstufe liegen.

In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Integrierstufe und der dieser vorgeschaltete Differenzverstärker durch einen in einem Miniatur-Thermostaten angeordneten driftarmen Operationsverstärker, der als Differenzintegrierer arbeitet, substituiert. Eine solche Ausführungsform hat den Vorteil, daß die Driftwerte besonders klein gehalten werden können und das angestrebte Verhältnis von minimalem zu maximalem Batteriestrom von 1 : 10 leicht erreichbar ist. Zudem kann ein Operationsverstärker eingespart werden.

Bekanntlich muß bei einer Akkumulatorbatterie die beim Ladevorgang der Batterie zugeführte Strommenge um den sogenannten Ladefaktor größer sein als die während des Entladevorgangs der Batterie entnommene Strommenge, wenn nach einer Entladung der ursprüngliche Ladezustand wieder erreicht werden soll. Dieser Effekt kann nach einem weiteren Gedanken der Erfindung

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dadurch berücksichtigt werden, daß die Integr^ierstufe ein RC-Glied mit mindestens zwei Widerständen enthält, von denen mindestens einer während des Ladevorgangs im Sinne einer Vergrößerung der Zeitkonstante des RC-Gliedes wirksam bzw. unwirksam schaltbar ist. Dadurch wird erreicht, daß bei einem während eines Ladevorgangs durch den Meßwiderstand fließenden Strom am Ausgang des !Comparators Impulse mit einem größeren zeitlichen Abstand erscheinen als bei einem gleich großen Strom, der während des Entladevorganges durch den Meßwiderstand fließt. Dies hat aber eine Änderung der Zählgeschwindigkeit des in der Anzeigestufe befindlichen Zählers um einen bestimmten, von der Zeitkonstante des RC-Gliedes abhängigen Wert zur Folge, der in seiner Größe dem Ladefaktor entspricht. Mit anderen Worten, die Zählgeschwindigkeit während des Ladevorgangs ist um den Ladefaktor kleiner als die bei' einem gleich großen Strom während des Entladevorgangs.

Eine weitere Besonderheit der Akkumulatorbatterien ist die Abhängigkeit ihrer Kapazität von der Höhe des Entladestromes: je höher nämlich die Entladestromstärke ist, desto geringer ist die Kapazität der Akkumulatorbatterie. Bei einem großen Entladestrom ist also die Akkumulatorbatterie wesentlich schneller entladen als bei einem kleinen Entladestrom. Die Berücksichtigung dieser Eigenschaft erfolgt nach einem weiteren Gedanken der Erfindung dadurch, daß die Komparatorstufe von einer während des Entladevorgangs wirksam schaltbaren Strombewertungsstufe angesteuert ist, die in Abhängigkeit vom jeweiligen Entladestrom entsprechend der Kapazität-Entladestrom-Kennlinie der Akkumulatorbatterie die Schaltschwellen des Komparators verschiebt. Eine andere Möglichkeit, die Abhängigkeit der Batteriekapazität von der EntladeStromstärke zu berücksichtigen, besteht darin, eine der Kapazität-Entladestrom-Kennlinie zugeordnete

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Spannung beispielsweise mittels eines Diodenfunktionsgenerators zu erzeugen und diese Spannung auf den Summenpunkt der Integrierstufe zu geben. Diese Ausführungsform hat gegenüber der zuerst beschriebenen den Nachteil, daß hohe Ansprüche an die Genauigkeit der Integrierstufe gestellt werden müssen.

Die Ermittlung des jeweiligen Betriebszustandes dei* Akkumlatorbatterie, d.h. des Lade- bzw. Entladebetriebs, kann durch Messung der Polarität der am Meßwiderstand abfallenden Spannung mittels eines einen Operationsverstärker enthaltenden !Comparators erfolgen. Die Genauigkeit einer solchen Ausführungsform läßt jedoch aufgrund der Offset- und Driftgrößen des Operationsverstärkers zu wünschen übrig. Wesentlich günstiger und genauer ist es, zur Ermittlung der Betriebszustände ein Antivalenz-Gatter - auchEXCLUSIVES-ODER-Gatter genannt - vorzusehen, dessen einer Eingang mit einem der Steuereingänge des Umschalters und dessen anderer Eingang über einen als Komparator arbeitenden Operationsverstärker mit dem Eingang der Integrierstufe verbunden ist.

Die Anzeige des Ladezustandes kann in analoger oder digitaler Form vorgenommen werden, wobei einer analogen Anzeige wegen der besseren Tendenzerkennung im allgemeinen der Vorzug gegeben wird. Eine analoge Anzeige des den jeweiligen Ladezustand angebenden Zählerinhalts erfolgt am zweckmäßigsten dadurch, daß dem Zähler ein Digital-Analog-Wandler nachgeschaltet wird, an dessen Ausgang ein analoges Anzeigdnstrument angeschlossen ist.

Bekanntlich nimmt die Kapazität einer Akkumulatorbatterie mit sinkender Temperatur ab und mit steigender Temperatur zu. Diese Abhängigkeit wird am zweckmäßigsten dadurch berücksichtigt, daß zwischen dem Digital-Analog-Wandler und dem Anzeigeinstrument eine Multiplizierstufe vorgesehen ist, die von einem Temperaturbewertungssignal angesteuert ist.

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Die Erfindung sei anhand der Zeichnung, die ein vereinfachtes Schaltbild eines Ausführungsbeispiels enthält, näher erläutert.

Zur Ermittlung des Jeweiligen Ladezustandes der Starterbatterie eines Kraftfahrzeuges ist in den Batteriestromkreis 2, in dem sich eine Vielzahl von Verbrauchern und die Lichtmaschine summarisch mit 3 bezeichnet - befinden, ein Meßwiderstand 4 eingeschaltet. Die Größe des Meßwiderstandes 4 liegt im Milliohmbereich.

Die an dem Meßwiderstand 4 abfallende Spannung U wird über einen Umschalter 5 und einen diesem nachgeschalteten Differenzverstärker 6 auf den Eingang einer Integrierstufe 7 gegeben. Der Umschalter 5 ist aus vier Sperrschicht-Feldeffekttransistoren 8, 9,10 und 11 aufgebaut, die zu einer Brücke zusammengeschaltet sind. Die beiden in einander gegenüberliegenden Zweigen angeordneten Feldeffekttransistoren 8 und 11 sowie die beiden Transistoren 9 und 10 sind jeweils gemeinsam ansteuerbar. Je nach Ansteuerung des Umschalters 5 erscheint die am Meßwiderstand 4 abfallende Spannung U in der ihr durch den Stromfluß im Batteriestromkreis 2 gegebenen Polarität oder in der entgegengesetzten Polarität am Eingang des Differenzverstärkers 6 und somit auch am Eingang der Integrierstufe 7.

Die Integrierstufe 7 besteht aus einem Operationsverstärker 12 und einem RC-Glied 13, das zwei Widerstände 14 und 15 und einen Kondensator 16 umfaßt. Der Widerstand 15 kann mittels des Feldeffekttransistors 17 wirksam bzw. unwirksam geschaltet und somit die Zeitkonstante des RC-Gliedes 13 auf zwei unterschiedlich große Werte umgeschaltet werden.

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An den Ausgang der Integriere t-ufe 7 ist eine Komparatorstufe 18 mit zwei Operationsverstärkern 19 und 20 angeschlossen. Der invertierende Eingang des Operationsverstärkers 19 liegt ebenso wie der Normaleingang des Operationsverstärkers 20 auf einem bestimmten Potential, das durch die Widerstände, die Speisespannung + U_ß bzw. - U_ß und die Strombewertungsstufe 21 mit den beiden Teilstufen 22a und 22b festgelegt ist. Die beiden anderen Eingänge der Operationsverstärker 19 und 20 sind jeweils über einen Vorwiderstand mit dem Ausgang der Integrierstufe 7 verbunden. Erreicht demzufolge der Ausgang der Integrierstufe 7 einen positiven oder negativen Wert, der gleich dem Potential am invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 19 bzw. am Normaleingang des Operationsverstärkers 20 ist, so gibt einer der beiden Operationsverstärker einen positiv gerichteten Impuls ab, der unmittelbar oder über einen als Impulsformerstufe arbeitenden Schmitt-Trigger, der nicht dargestellt ist, einem ODER-Gatter 23 zugeführt ist.

Vom Ausgang des ODER-Gatters 23 gelangen die Impulse zu einem Flipflop 24 und von dessen beiden Ausgängen über einen Regelumsetzer 25 zum Umschalter 5, der mithin jedesmal betätigt wird und die Polarität der Spannung U am Eingang des Differenzverstärkers 6 ändert, wenn eins der beiden Schwellen der Komparatorsbufe 18 erreicht wird. Die aus den Baugruppen 5,6,7,18,23,24 und 25 bestehende Schaltung erzeugt also selbstätig Impulse, deren zeitlicher Abstand von der Spannung U, der Verstärkung des Differenzverstärkers 6, der Zeitkonstante des RC-Gliedes 13 der Integrierstufe 7 und der Strombewertungsstufe 21 abhängt.

Diese Impulse werden einer Anzeigestufe 26 zugeführt, die einen zwei- oder mehrstufigen Binärzähler 27 enthält. Der Zählerinhalt kann digital oder, wie bei vorliegender Ausführungsform analog angezeigt werden. Zu diesem Zweck ist dem Binärzähler 27 ein

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Digital-Analog-Wandler 28 nachgeschaltet, an den ein analoges Anzeigeinstrument 29 angeschlossen ist.

Die jeweilige Festlegung der Zählrichtung des Zählers 27, der während des Ladebetriebs aufwärts und während des Entladebetriebs abwärts zählt, erfolgt durch Bestimmung der Polarität der am Meßwiderstand 4 abfallenden Spannung U, Diese Polaritätsbestimmung wird mittels eines Antivalenz-Gatters 30 durchgeführt, dessen einer Eingang mit einem der Steuereingänge des Umschalters 5 bzw. des Pegelumsetzers 25 und dessen anderer Eingang über einen als Komparator arbeitenden Operationsverstärker 31 mit dem Eingang der Integrierstufe 7 verbunden ist. Der Ausgang des Antivalenz-Gatters 30 ist nicht nur mit den Zählrichtungsumschalteingängen des Binärzählers 27 sondern auch über einen Pegelumsetzer 32 mit dem Feldeffekttransistor 17 verbunden. Über einen Negator 33 sind die Strombewertungsteilstufen 22a und 22b an den Ausgang des Verstärkers 6 angeschlossen.

Befindet sich die Starterbatterie 1 im Ladebetrieb, so erscheint am Ausgang des Antivalenzgatters 30 ein "1"-Signal, das den Feldeffekttransistor 17 über den Pegelumsetzer 32 in seinen Sperrzustand steuert und somit den Widerstand 15 unwirksam schaltet, wodurch die Zeitkonstante des RC-Gliedes 13 vergrößert wird. Dies führt zu einer Vergrößerung des zeitlichen Abstandes der vom Komparator 18 abgegebenen Impulse und damit zu einer Verringerung der Zählgeschwindigkeit des Zählers 27 um einen dem Ladefaktor der Starterbatterie 1 entsprechenden Wert. Gleichzeitig bewirkt das "1"-Signal am Ausgang des Antivalenzgatters 30, daß der Zähler 27 auf "Aufwärtszählerf und die Strombewertungsteilstufen 22a und 22b unwirksam geschaltet werden.

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Wenn die Starterbatterie 1 ?~cs aera Ladebetrieb in den Entladebetrieb übergeht_f kehrt sich c'is Polarität der am Meßwiderstand 4 abfallenden Spannung U um, vas zur Folge hat, daß das Antivalenzgatter 30 ein ^w0"-Signal abgibt. Durch dieses ⁿOⁿ-Signal wird der Feldeffekttransistor 17 über den Regel- . umsetzer 32 in seinen leitenden Zustand gesteuert, sodaß der Widerstand 15 in den RC-Stromkreis eingeschaltet und' die Zeitkonstante entsprechend vermindert wird. Gleichzeitig werden durch das "O"-Signal der Zähler auf "Abwärtszählen" und die Strombewertungsteilstufen 22a und 22b wirksam geschaltet. Letzteres bewirkt, daß mit wachsendem Entladestrom die Schaltschwellenpotentiale näher an das Bezugs- bzw. NullpotentLal der Komparatorstufe herankommen und somit die Zahl der von der Komparatorstufe abgegebenen Impulse pro Zeiteinheit progressiv entsprechend der Kapazitat-Entladestrom-Kennlinie anwächst. Damit wird der bei hohen Entladestromstärken wesentlich geringeren Kapazität der Starter batterie Rechnung getragen,

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Claims

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Ansprüche.

Einrichtung zum Ermitteln des Ladezustandes einer Akkumulatorbatterie, insbesondere der Starterbatterie von Kraftfahrzeugen, durch Integration des Batteriestromes, mit einem in den Batteriestromkreis eingeschalteten Meßwiderstand, einer von der an dem Meßwiderstand abfallenden Spannung beaufschlagten Integrierstufe und einer dieser nachgeschalteten Anzeigestufe, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Meßwiderstand (4) und der Integrierstufe (7) ein Umschalter (5) vorgesehen ist, der die am Meßwiderstand (4) abfallende Spannung (U) abwechselnd in einer ersten Polarität und danach in einer dieser entgegengesetzten Polarität auf die Integrierstufe (7) schaltet, und der Integrierstufe (7) eine Komparatorstufe (18) nachgeschaltet ist, die jeweils bei Erreichen eines bestimmten positiven oder negativen Wertes des Integrierstufenausgangssignals einen Impuls an den Umschalter (5) und einen in der Anzeigestufe (26) befindlichen,auf- und abwärts zählenden Zähler (27) abgibt, dessen Zählrichtung durch die Polarität der am Meßwiderstand (4) abfallenden Spannung (U) festgelegt ist.
2./ Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Umschalter (5) aus vier zu einer Brücke zusammengefaßten Sperrschicht-Feldeffekttransistoren (8,9,10,11) besteht, von denen jeweils zwei in einander gegenüberliegenden Zweigen befindliche Feldeffekttransistoren (8,11; 9,10) gleichzeitig ansteuerbar sind,
3./ Einrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch Sperrschicht-Feldeffekttransistoren vom N-Kanal-Typ.

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4./ Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Umschalter (5) und der Integrierstufe (7) ein Differenzverstärker (6) eingeschaltet ist.
5./ Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Integrierstufe (7) und der Differenzverstärker (6) durch einen in einem Miniatur-Thermostaten angeordneten driftarmen Differenzverstärker, der als Differenzintegrierer arbeitet, substituiert sind.
6./ Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Berücksichtigung des Ladefaktors der Akkumulatorbatterie (1) die Integrierstufe (7) ein RC-Glied (13) mit mindestens zwei Widerständen (14,15) enthält, von denen mindestens einer während des Ladevorgangs im Sinne einer Vergrößerung der Zeitkonstante des RC-Gliedes (13) wirksam bzw. unwirksam schaltbar ist'.
7./ Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Komparatorstufe (18) von einer während des Entladevorgangs wirksam schaltbaren Strombewertungsstufe (21) angesteuert ist, die in Abhängigkeit vom jeweiligen Entladestrom entsprechend der Kapazität-Entladestrom-Kennlinie der Akkumulatorbatterie (1) die Schaltschwellen der Komparatorstufe (18) verschiebt.
8./ Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet. daß zur Ermittlung des Lade- bzw. Entladebetriebs der Akkumulatorbatterie (1) ein Antivalenz-Gatter (30) vorgesehen ist, dessen einer Eingang mit einem der Steuereingänge des Umschalters (5) und dessen anderer Eingang über einen als Komparator arbeitenden Operationsverstärker (31) mit dem Eingang der Integrierstufe (7) verbunden ist.

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9./ Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß dem Zähler (27) ein Digital-Analog-Wandler (28) nachgeschaltet ist, an dessen Ausgang ein analoges Anzeigeinstrument (29) angeschlossen ist.
10./ Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Digital-Analog-Wandler (28) und dem Anzeigeinstrument (29) eine Multiplizierstufe vorgesehen ist, die von einem Temperaturbewertungssignal angesteuert ist.

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