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"Fühlvorrichtung zur Wahrnehmung von Temperaturänderungen" Die Erfindung
bezieht sich auf eine Fühlvorrichtung zur Wahrnehmung von Temperaturänderungen,
wobei von der vorzugsweise in einem elektrischen Regelkreis liegenden Fühlvorrichtung
immer dann ein Schaltorgan betätigbar ist, wenn sich die Temperatur in der unmittelbaren
Umgebung der Wahrnehmungs stelle plötzlich ändert.
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In der Regelungstecknik ist es ganz allgemein bekannt, nach dem Rückkoppelungsprinzip
automatische Regelungen verschiedenster physikalischer Parameter, so beispielsweise
der Temperatur, vorzunehmen. Bei den bekannten Regelkreisen wird ein eingestellter
fester Sollwert mit dem jeweils vorhandenen Istwert verglichen und immer dann ein
Regelvorgang ausgelöst, wenn die beiden genannten Werte unterschiedlich sind oder
zumindest einen zulässigen Abweichungsbereich verlassen.
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Falls für Messungen oder andere Regelvorgänge hohe Genauigkeiten erforderlich
werden, bedient man sich oft der sogenannten Nullmethode. Hierbei wird eine zu messende
größe bzw. der
sogenannte Istwert mit einer bekannten anderen Größe,
dem Sollwert, verglichen, indem beide Werte gegeneinander kompensiert werden, so
daß die Kompensation dann und nur dann den Wert Null ergibt, wenn der Istwert gleich
dem Sollwert ist. Jede Abweichung des Istwertes von dem Sollwert oder umgekehrt
ergibt einen endlichen von Null verschiedenen Meß wert in der Kompensationsschaltung,
der nachfolgend in äeweils gewünschter Weise entsprechend verarbeitet werden kann.
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Eine der bekanntesten Kompensationsschaltungen, die in diesem Zusammenhang
Verwendung findet, ist die Wheatstone'sche Brückenschaltung, bei der der Abgleich
über eine diagonale der Brücke erfolgt. Der bei der Kompensation gegebenenfalls
von Null abweichende Wert, wobei es sich im letztgenannten Ausführungsbeispiel um
einen Spannungswert handelt, kann vorteilhafterweise einem Verstärker zugeführt
werden, um nachforgend unmittelbar ein Schaltorgan zu betätigen, welches die Rückkoppelungsregelung
in der Weise auslöst, daß der vorhandene Istwert dem Sollwert weiter angenähert
wird.
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In der modernen Technik, und zwar sowohl in der Industrie als auch
im privaten Haushalt, finden Regelungskreise für die Einstellung und Konstanthaltung
der Temperatur eine vielseitige und weit verbreitete Verwendung.
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Beispielsweise ist eine Schaltung für die Laugentemperaturreglung
einer Waschmaschine bekannt, bei der als Temperaturfühler ein NTC-Widerstand verwendet
wird, der in einem Zweig einer Wheatstone'schen Brückenschaltung liegt.
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Der jeweilige Widerstandswert des NTC-Widerstandes und damit der sogenannte
Istwert wird hier mit einem festen Sollwert verglichen, der einem Festwiderstand
in dem entgegengesetzten Brückenzweig entspricht. Da bei der bekannten Schaltung
die Möglichkeit gegeben werden soll, mehrere diskrete Sollwerte vorzugeben, sind
durch einzelne Schalter einzeln und nacheinander unterschiedliche Festwiderstände
in den zugehörigen Zweig der Brückenschaltung einschaltbar. Der Ausgang der Meßbrücke
liegt am Differenzeingang eines Operationsverstärkers. Die Brückenzweige der bekannten
Schaltung sind so dimensioniert, daß unterhalb des Sollwertes der invertierende
Eingang des Verstärkers positiver ist als der nicht invertierende Eingang. Wenn
eingangsseitig an dem Verstärker Spannungsverhältnisse vorliegen, die denselben
durchschalten, dann wird ein ausgangsseitig an den Verstärker angelegtes Relais
angezogen bzw. ein entsprechendes Schaltorgang betätigt. Beim Überschreiten des
Sollwertes kehrt die eingangsseitig an dem Operationsverstärker anliegende Spannung
ihre Richtung um, so daß ein Ausgangstransistor sperrt und das Relais abfällt. Erst
wenn der Sollwert wieder unterschritten wird, beginnt der obengenannte Vorgang von
neuem.
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Obwohl Regelkreise zur Temperaturregelung für Haushalt- und Industriezwecke
bereits eine breite Anwendung gefunden haben, sind sie im Zusammenhang mit sanitären
Anlagen in der oben beschriebenen Weise bisher noch nicht verwendet worden. Die
auf diesem Gebiet gegebene Aufgabe liegt im übrigen auch nicht darin, einen Temperaturwert
oder eine
andere physikalische Größe so zu regeln, daß sie über
ein vorgegebenes Zeitintervall konstant gehalten werden kann, sondern beispielsweise
für Spülbecken oder ähnliche Objekte darin, daß ein Spülvorgang nur dann erfolgt,
wenn eine Benutzung des Spülbeckens tatsächlich stattfindet.
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Entsprechend der auf diesem speziellen Gebiet vorliegenden völlig
anderen Aufgabenstellung sind hier bisher auch andere Lösungen bekanntgeworden,
die von den eingangs beschriebenen Steuerkreisen erheblich abweichen.
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Bisher bekannte automatische Spülungen von Spülbecken, wie sie etwa
in Herrentoiletten installiert sind, sowie andere Objekte der Wassersteuerungstechnik
arbeiten häufig so, daß ein Lichtstrahl auf eine Fotozelle fällt, der nur dann unterbrochen
wird, wenn ein Benutzer der Anlage in den Strahlengang gelangt. Die Unterbrechung
des Lichtstrahles löst ein Signal der Fotozelle aus, welches auf einen Verstärker
gegeben, ausgangsseitig in der Lage ist, ein Relais zu betätigen, das seinerseits
ein Magnetventil ansteuert. Das Magnetventil gibt dann nachfolgend den Wasserfluß
für ein vorgegebenes Zeitintervall frei. Ein Nachteil dieser automatischen Wassersteuerung
besteht darin, daß der Lichtstrahl unabhängig von der Benutzung des Objektes unterbrochen
werden kann und somit durch den zwangsläufig ausgelösten Vorgang unnötig sauberes
Wasser in die Abwasserleitung gegeben wird.
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Weiter ist eine sogenannte Annäherungsschaltvorrichtung bekannt,
deren Wirkung auf der Verstimmung eines Hochfrequenzoszillators
durch
Annäherung einer Masse und damit Veränderung der gegebenen Dielektrizitätskonstanten
beruht.
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In dem für derartige Hochfrequenzoszillatoren vorgegebenen und zulässigen
Frequenzbereich treten jedoch, wie es sich in der Praxis gezeigt hat, durch andere
Vorrichtungen sehr häufig Störungen auf, die einen zuverlässigen Betrieb dieser
Schaltvorrichtungen unmöglich machen oder zumindest erheblich erschweren.
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Schließlich besteht noch ein Nachteil der bekannten automatischen
Wassersteuerungen ganz allgemein darin, daß diese verhältnismäßig kompliziert aufgebaut
sind und daher nur unter Aufwendung nicht unerheblicher finanzieller Mittel beschafft
und installiert werden können.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Fühlvorrichtung
zur Wahrnehmung von Temperaturänderungen zu schaffen, die unter Vermeidung der oben
aufgeführten Nachteile sich vorteilhaft in Verbindung mit automatischen Spülvorrichtungen
für sanitäre Anlagen oder ähnliche Objekte verwenden läßt, wobei auf die bewährten
und günstigen Eigenschaften von elektronischen Steuerungskreisen für die Temperaturregelung
zurückgegriffen wird.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist es jedoch nicht möglich, die sogenannten
bekannten elektronischen Temperaturregler zu verwenden, da nicht die Temperatur
als solche geregelt und gesteuert werden soll, sondern der Steuerkreis dann und
nur dann ein Schaltorgan betätigen soll, wenn sich die Umgebungstemperatur
einer
Fühlvorrichtung plötzlich ändert.
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Im Zusammenhang mit der vorliegenden Aufgabenstellung interessieren
langsame Temperaturänderungen, wie sie etwa bei der Umgebungstemperatur durch die
Tag und Nacht bedingten Schwankungen oder durch die Veränderungen innerhalb der
einzelnen Jahreszeiten gegeben sind, nicht. Es ist vielmehr so, daß derartige Langzeitschwankungen
der Umgebungstemperatur von einem in einen Regelkreis eingebauten Meßfühler nicht
wahrgenommen werden dürfen.
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Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird nunmehr dadurch
gelöst, daß die Fühlvorrichtung aus zwei ihre elektrischen Kennwerte in Abhängigkeit
von der Temperatur gleichartig ändernden Fühlern besteht, die derart in ein eine
zeitlich verzögerte Wärmeübertragung ermöglichendes Medium eingebracht sind, daß
der eine Fühlenur teilweise in das Medium eingebetet, direkt mit der Umgebung der
Wahrnehmungsstelle in Verbindung steht, während-der zweite Fühler vollständig in
dieses Medium eingebettet nur mittelbar und zufolge der allmählichen Wärmeleitung
durch das Medium zeitverzögert der Temperaturänderung der Umgebung ausgesetzt ist.
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Während also bei den bekannten Regelkreisen für die Konstanthaltung
der Temperatur der sogenannte Sollwert immer ein fest vorgegebener oder je nach
Wahl fest einstellbarer Wert ist, der mit dem jeweiligen Istwert verglichen wird,
kommt es bei dem vorliegenden Regelkreis ausschlielich auf
die plötzliche
Änderung der Temperatur an der interessierenden Wahrnehmungsstelle an. Nur bei entsprechend
schnellen Umweltsänderungen befindet sich der eine Meßfühler auf einem anderen Temperaturwert
als der zweite, wobei der jeweilige Temperaturwert an sich keine Rolle spielt. Die
Bedingung, über einen entsprechenden Schaltkreis ein Schaltorgan nicht nur dann
auszulösen, wenn sich die Temperatur der Umgebung irgendwie ändert, sondern vielmehr
ausschließlich dann, wenn die Temperaturänderung entsprechend plötzlich erfolgt,
kann somit mit der vorliegenden Fühlvorrichtung auf einfache Weise und sicher erfüllt
werden.
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In diesem Zusammenhang ist für die Erfindung auch von Bedeutung,
daß die Fühler zur Wahrnehmung der Temperaturänderung aus zwei NGC-Widerständen
mit vorzugsweise gleichen Kennlinien bestehen. Die Verwendung von handelsüblichen
NTO-Widerständen ermöglicht nicht nur einen verhältnismäßig einfachen und gegen
mechanische Einflüsse robusten AuSbau der Fühlvorrichtung, sondern garantiert auch
eine Empfindlichkeit der Vorrichtung, die in der Größenordnung von plus minus 1
Grad Celsius liegt.
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daß Ein weiteres Merkmal der Erfindung besteht noch darin/ das Medium,
in welches die beiden Fühler wenigstens teilweise eingebettet sind, aus einer elektrisch
isolierenden und gegen wässrige Lösungen aller Art weitgehenst unempfindlichen Vergußmasse
besteht. Somit ist es möglich, die Fühlvorrichtung ohne Bedenken ganz oder teilweise
in Flüssigkeiten einzutauchen
oder sie auch dauerhaft in feuchter
Umgebung einzusetzen ohne daß Beschädigungen zu befürchten wären. Auch ist das Auftreten
elektrischer SchlOichströme von vornherein ausgeschlossen In diesem Zusammenhang
ist es für die Erfindung auch von Bedeutung, daß die Vergußmasse in ein sie umgebendes
Gehäuse eingebracht ist, und daß der unmittelbar mit der Umgebung in Verbindung
stehende eine Fühler der Vorrichtung durch den oberen Teil des Gehäuses hindurchgeführt
ist. Das Gehäuse bietet eine zusätzliche mechanische Festigkeit für die Vorrichtung,
macht sie bei entsprechender Formgebung universell einsetzbar und hindert dennoch
den einen Fühler durch eine entsprechend eingebrachte Bohrung nicht daran, unmittelbar
mit der Umgebung in Wechselwirkung zu treten.
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Besonders vorteilhaft ist es auch, das Gehäuse aus zwei mit einander
verbindbaren Hälften zu fertigen, da sich hierdurch die Vergußmasse besonders einfach
und ohne daß die Gefahr der Bildung von Luftblasen bestünde, einbringen und fest
mit dem Gehäuse verbinden läßt. Der paßgerechte Sitz der beiden Gehäusehälften und
die das Gehäuse füllende Vergußr masse sorgen für einen dauerhaften Zusammenhalt
der Gehäuseteile.
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In Fig. 1 ist eine beispielsweise Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Fühlvorrichtung zur Wahrnehmung von Temperaturänderungen dargestellt, während die
Fig. 2 und 3 vorzugsweise Anwendungsmöglichkeiten der Fühlvorrichtung in
einem
an sich bekannten elektrischen Regelkreis wiedergeben.
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Gemäß Fig. 1 ist die Fühlvorrichtung in ein Gehäuse 3,3' eingebracht,
welches aus zwei zusammensteckbaren bzw. verbindbaren Hälften, und zwar dem oberen
Teil 3 und dem unteren Teil 3' besteht. An der bodenseitigen Stirnfläche des etwa
zylindrisch ausgebildeten Gehäuses 3,3' ist dieses vorzugsweise in Form eines Sockels
6 flanschartig erweitert, wodurch die Einbaumöglichkeiten der Fühlvorrichtung erleichtert
werden können.
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Um die beiden Hälften des Gehäuses 3,3 paßgerecht ineinanderstecken
bzw. verbinden zu können, weisen die beiden Hälften über eine geeignete Länge entlang
ihrer Umfangsfläche nur Jeweils die Hälfte der übrigen Wandstärke auf, wie dieses
in Fig. 1 mit den Linienführungen 9 in dem geschnitten dargestellten Gehäuse angezeigt
ist. Der obere Teil des Gehäuses ist in seinem Endabschnitt konisch ausgeführt,
so daß die obere Stirnfläche des im übrigen zylindrischen Gehäuses einen Kegelstumpf
bildet. Durch die Mitte des Kegels ist in Richtung der Längsachse des Gehäuses 3,3'
eine Bohrung 5 hindurchgeführt. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel besteht
das Gehäuse aus Polyvinylchlorid, so daß es sowohl gegen eine chemisch aggressive
Atmosphäre als auch gegen Flüssigkeiten aller Art, wie Säuren, Basen und dergl.
besonders unempfindlich und widerstandsfähig ist.
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Das Innere der Gehäusehälfte 3 ist vollständig mit einer Vergußmasse
4 gefüllt, die ebenfalls gegen Feuchtigkeitseinflüsse unempfindlich ist und die
elektrisch islierend
jegliche Schleichströme unterbindet.
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Zwei ihre elektrischen Kennwerte in Abhängigkeit von der Temperatur
ändernde Fühler 1,2 sind zumindest teilweise in die Vergußmasse 4 eingebettet. Hierbei
ist der Fühler 1 durch die Bohrung 5 in dem Gehäuse 3,3' derart hindurchgeführt,
daß sein Kopf in etwa fluchtend zu der schräg verlaufenden Oberfläche des oberen
Gehäuseendes verläuft. Obwohl eitgehend gegen mechanische Beschädigung geschützt,
steht somit der Fühler 1 unmittelbar mit der die Fühlvorrichtung umgebenden Atmosphäre
oder einem anderen Medium, wie Wasser oder dergl. in Verbindung. Demgegenüber ist
der Fühler 2 vollständig in die Vergußmasse 4 eingebettet und liegt innerhalb des
Gehäuses 3,3'.
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Die Fühler 1,2 bestehen im vorliegenden Ausführungsbeispiel vorteilhafterweise
aus NTC-Widerständen, deren Widerstandswerte sich gleichartig mit der Temperatur
verändern. Der negative Temperaturkoeffizient der Fühler 1,2 ermöglicht unter Verwendung
einer entsprechenden elektronischen Schaltung eine Wahrnehmung von Temperaturänderungen,
die in der Größenordnung von einem Grad Celsius liegen. Die Zuführungsleitungen
7 zu den NTC-Widerständen sind gleichfalls vollständig in die elektrisch isolierende
Vergußmasse 4 eingebettet, sie können beispielsweise in Form eines dreiadrigen Kabels
8 aus der Fühlvorrichtung herausgeführt werden, es ist jedoch auch möglich, den
Sockel 6 der Fühlvorrichtung als Steckkonsole auszubilden, wie das etwa bei elektronischen
Röhren oder dergl. der Fall ist.
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Zufolge des schlechten Wärmeleitvermögens des Gehäuses 3,3' und der
Vergußmasse 4 ändert sich der Widerstandswert des Fühlers 1 bei linderung der Umgebungstemperatur
in jedem Falle schneller als derjenige des Fühlers 2. Erst wenn die gesamte Fühlvorrichtung,
d.h. das Gehäuse 3,3' und die Vergußmasse 4 vollständig die neue Umweltstemperatur
eingenommen hat, befinden sich beide Fühler, wenn auch auf einer anderen so doch
auf gleicher Temperatur.
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Solange sich die beiden Fühler 1,2, die in der beispielsweisen Ausführungsform
aus NDC-Widerständen bestehen, auf unterschiedlichen Temperaturen befinden, sind
ihre Widerstandswerte verschieden, so daß sie in der in Fig. 2 wiedergegebenen an
sich bekannten Brückenschaltung einen Verstärker 30 derart ansteuern, daß dieser
durchgeschaltet wird und über den Widerstand 14 einen Leistungstransistor 25 ansteuern
kann. Solange die Temperaturdifferenz zwischen den beiden NTC-Widerständen in der
Fühlvorrichtung außerhalb eines vorwählbaren oder durch die Empfindlichkeit der
Anordnung gegebenen Wertes liegt, wird somit ein Impuls von dem Verstärker 30 abgegeben,
wodurch ein in dem Emitterkreis des Leistungstransitors liegendes Magnet-Selbstschlußlode
oder anderes Schaltorgan Ventil betätigt wird, um nach einer für das Ventil vorwählbaren
Zeit von beispielsteise 30 bis 40 sec. wieder in den Ausgangs zustand zurückgeführt
zu werden. Die im Stromkreis Magnetdes Selbstschlußventils 16 liegende Zehner-Diode
17 bewirkt, daß die im Leistungstransistor 25 vorhandene Restspannung
nach
einer eventuellen Betätigung des Magnetselbtschlußventils 16 nicht mehr wirksam
werden kann, damit eine unbeabsichtigte wiederholte Betätigung desselben verhindert
wird. Mit den Widerständen 18 und 19 wird die Spannung für den Stromkreis des Leistungstransistors
25 konstant gehalten. Mittels des Potentioneters 10 läßt sich über die Widerstände
11, 12 und 13 die Empfindlichkeit der Schaltungsanordngng den jeweiligen Erfordernissen
entsprechend anpassen.
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Ein bevorzugstes Anwendungsgebiet für die erfindungsgemäße Fühlvorrichtung
in Verbindung mit der an sich bekannten Regelschaltung gemäß Fig. 2, für die selbständig
kein Schutz begehrt wird, ist der Bereich der sanitären Anlagen.
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Die Fühlvorrichtung kann als Detektor für gewöhnliche in Herrentoiletten
installierte Spülbecken verwendet werden, wobei sie sich besonders -vorteilhaft
in den Geruchsverschluß derartiger Becken einbauen läßt.
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Bei Benutzung des Spülbeckens wird etwa durch den eingebrachten Urin
die Temperatur des Fühlers 1 unmittelbar und ohne jegliche Zeitverzögerung geändert,
während sich die Temperatur des Fühlers 2 noch auf der zuvor gegebenen Umwälztemperatur
befindet. Erst nach einer Zeitverzögerung in Abhängigkeit von der gegebenen Wärmeleitfähigkeit
des Gehäuses 3,3' und der Vergußmasse 4 gleicht sich die Temperatur des Fühlers
2 allmählich derjenigen des Fühlers 1 an. Solange jedoch die Temperaturen der beiden
Fühler 1, 2 unterschiedlich sind, d.h. solange diese unterschiedliche Widerstandswerte
besitzen, wird ein Impuls von der Fühlvorrichtung
abgegeben, der
von der Schaltvorrichtung gemäß Magnet-Fig. 2 entsprechend verarbeitet, das genannte
Selbstschlußventil betätigt, das seinerseits den erforderlichen Spülvorgang auslöst.
Die Abkühlung der beiden Fühler 1,2 erfolgt nach Benutzung des Spülbeckens entsprechend
langsam genug und somit für jeden der NTC-Widerstände weitgehenst gleichzeitig,
sodaß nunmehr keine meßbarwn Temperaturdifferenzen zwischen beiden Fühlern mehr
auftreten, obwohl sich der Absolutwert ihrer Temperatur fortwährend ändert oder
ändern kann.
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Da die Fühlvorrichtung im dargestellten Anwendungsbeispiel in den
Geruchverschluß eines Spülbeckens eingebaut ist, ist diese ständig von Wasser umgeben,
was durch seine hohe Wärmekapazität nach erfolgter Benutzung des Spülbeckens für
eine ausreichend langsame Abkühlung der Umgebungstemperatur Sorge trägt. Da die
erfindungsgemäße Fühlvorrichtung dann und nur dann eine Information zur Betätigung
eines Schaltorgans oder dergl. abgibt, wenn die Temperaturänderung plötzlich erfolgt,
wird sichergestellt, daß eine Spülung ausschließlich dann erfolgt, wenn das Spülbecken
tatsächlich benutzt worden ist. Langsame änderungen der Umgebungstemperatur, wie
sie beispielsweise jahreszeitmäßig bedingt sind oder wie sie durch Öffnen eines
Fensters in einem an sich beheizten Raum auftreten können, lösen die automatische
Spülvorrichtung nicht aus, da hier den beiden Fühlern 1,2 in der Fühlvorrichtung
ausreichend Zeit bleibt, sich gleichmäßig
und gleichzeitig der
neuen Umgebungstemperatur anzupassen, d.h. es treten keine Temperaturdifferenzen
zwischen den beiden Fühlern 1,2 auf.
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Da die erfindungsgemäße Fühlvorrichtung nur auf ausreichend schnelle
Temperaturänderungen reagiert, wobei die absoluten Temperaturwerte innerhalb der
Grenzen der Linearität der verwendeten Fühler keine Rolle spielen, ist die Fühlvorrichtung
außerordentlich vielseitig und für eine große Zahl von Anwendungsgebieten verwendbar.
So ist es beispielsweise möglich, die erfindungsgemäße Fühlvorrichtung als Berührungsschalter
etwa in Aufzügen oder dergl. zu verwenden, wobei durch die Berührung des aus dem
Gehäuse 3,3 herausragenden Fühlers 1 mit einem auf Körpertemperatur befindlichen
Finger einer Hand der gewünschte Schaltvorgang ausgelöst wird.
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parüberhinaus ist es mit der erfindungsgemäßen Fühlvorrichtung möglich,
in kontinuierlich fließenden, flüssigen oder gasförmigen Medien plötzlich Temperaturschwankungen
wahrzunehmen und durch entsprechende Rückkoppelung mit einem Temperaturregler zu
steuern.
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Die der Fühlvorrichtung innewohnende Zeitkonstante, d.h. diejenige
Zeit, die erforderlich ist, um eine plötzliche Temperaturänderung des die Fühlvorrichtung
umgebenden Mediums auch auf den vollständig eingebetteten Fühler 2 zu übertragen,
ist durch geeignete Vorwahl der Dicke und des Materials des Gehäuses 3,3' und der
Vergußmasse 4 gegeben
und kann demnach je nach den vorliegenden
Anforderungen optimal ausgestaltet werden.
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Schließlich ist in Fig. 3 noch eine Schaltungsanordnung angegeben,
die in der Lage ist, in dem oben aufgezeigten Anwendungsbeispiel für Spülbecken
gleichzeitig zwei derartige Becken zu betätigen. Wie der Schaltungsanordnung zu
entnehmen, entspricht diese weitgehend der Darstellung in Fig. 2, wobei unter Verwendung
nur eines Verstärkers 30 Magnet-und eines gemeinsamen Selbstschlußventils 16 lediglich
zwei zusätzliche NTC-Widerstände 1a und Ib erforderlich sind.
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Nach dem Ausführungsbeispiel in Fig. 3 wird durch die Benutzung eines
oder beider Spülbecken in beiden gleichzeitig ein Spülvorgang ausgelöst.
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Ansprüche