DE4200578A1 - Temperatur-sensor mit piezoelektrischem schwingkristall - Google Patents
Temperatur-sensor mit piezoelektrischem schwingkristallInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen Temperatur-Sensor mit einem als Meßfühler dienen
den temperaturabhängigen ersten piezoelektrischen Schwingkristall als fre
quenzbestimmendes Glied eines ersten Oszillators mit nachgeschaltetem ersten
Zähler und einem von der Temperatur weitgehend unabhängigen zweiten piezo
elektrischen Schwingkristall als frequenzbestimmmendes Glied eines zweiten
Oszillators mit nachgeschaltetem zweiten Zähler, wobei der Ausgang des ersten
Zählers an eine Speichervorrichtung angeschlossen ist, die mit einer elektro
nischen Auswerteschaltung zur Ermittlung eines Temperaturwertes durch Ver
gleich beider Zählerstände verbunden ist, sowie ein Verfahren zur Temperatur
messung.
Aus der DE-OS 33 18 538 ist ein elektronisches Fieberthermometer bekannt, das
einen als Meßfühler dienenden Schwingquarz als frequenzbestimmendes Teil eines
Oszillators aufweist, dessen Schwingungsfrequenz sich mit der Temperatur stark
ändert; weiterhin ist ein zweiter Oszillator mit einem weitgehend temperatur
stabilen Schwingquarz vorgesehen, dessen Frequenz bei Temperaturänderungen
relativ stabil ist. An die Oszillatoren sind jeweils Frequenzteiler ange
schlossen, um Tastimpulse zu erzeugen, mit deren Hilfe jeweils die Frequenz
des anderen Oszillators gemessen und jeweils in einer Speichereinrichtung
festgehalten wird; anschließend werden die Inhalte der ersten und zweiten
Speichereinrichtung in einer Vergleichsschaltung miteinander verglichen, um
die Inhalte der beiden Speicher miteinander zu vergleichen, so daß wahlweise
der Inhalt des ersten oder des zweiten Speichers in Abhängigkeit von dem
Ausgangssignal der Vergleichsschaltung angezeigt werden kann und immer der
maximale Meßwert gespeichert und angezeigt wird.
Weiterhin beschreibt die DE-PS 35 29 778 eine elektronische Temperaturmeß- und
Anzeigeeinrichtung für Temperaturfühler mit beliebiger Kennlinie, die aus
einem festprogrammierten Teiler mit einer ersten Torschaltung, einem festpro
grammierten Teller mit einer zweiten Torschaltung, mit einem RS-Flip-Flop,
einer Anzeige mit Anzeigezähler und Anzeigeverstärker, einem temperaturunab
hängigen Oszillator mit Teller und einem Impulsformer mit einem weiteren Im
pulsformer zur Herstellung von Taktimpulsen zur Meßablaufsteuerung sowie einem
temperaturabhängigen Oszillator mit Impulsformer aufweist. Die zugehörige
integrierte Schaltung enthält zwei maskenprogrammierbare Teile zur Kalibrierung
der Temperaturkennlinie des temperaturabhängigen Oszillators.
Als problematisch erweist sich bei den genannten Temperaturmeßvorrichtungen
der verhältnismäßig komplizierte Aufbau mit einer Vielzahl elektronischer
Bauelemente sowie das Fehlen der Anschlußmöglichkeit an ein Datenübertragungs
system zur Auswertung beziehungsweise Steuerung bei räumlicher Trennung, wie
sie z. B. in einer Schaltwarte vorliegt.
Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, einen Temperatursensor mit möglichst
einfachem Aufbau anzugeben, der unter Verwendung üblicher Bauelemente geschaf
fen werden kann; weiterhin soll ein Verfahren zur Temperaturmessung angegeben
werden, das auf einfache Weise eine Linearisierung der Temperatur-Frequenz-
Kennlinie eines solchen Sensors ermöglicht, wobei die ermittelten Temperatur
daten zwecks weiterer Auswertung und Steuerung an ein Daten-Bus-System zwecks
Steuerung und Auswertung unter räumlicher Trennung vom Temperatursensor wei
tergeleitet werden können.
Die Aufgabe wird vorrichtungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des
Anspruchs 1 gelöst.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Auswerteschaltung wenigstens
eine Schnittstelle zum externen Datenaustausch auf. Die Auswerteschaltung
enthält einen Mikroprozessor mit angeschlossenem Arbeits-, Festwertspeicher
sowie Eingabe- und Ausgabeeinheit, die sämtlich durch ein Daten- und Steuer
bus-System miteinander verbunden sind; der Festspeicher dient dabei als
Korrektur-Wertspeicher zur Linearisierung der Temperatur-Frequenz-Kennlinie
des im Meßfühler befindlichen piezoelektrischen Schwingkristalls.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist wenigstens dem ersten Oszil
lator ein Frequenzzähler nachgeschaltet, um die Frequenz des temperatursensi
tiven Schwingkristalls aufzunehmen innerhalb eines Zeitintervalls, das von der
Frequenz des als Zeitbasis dienenden Schwingkristalls vorgegeben wird.
Die Aufgabe wird verfahrensgemäß mittels der kennzeichnenden Merkmale des
Anspruchs 9 gelöst.
In einer bevorzugten Ausführung des Verfahrens wird zu Beginn eines Zeitinter
valls der zweite Zähler in seinen Ausgangszustand versetzt und gleichzeitig
ein Startsignal zum ersten Zähler gesendet und bei Erreichen der vorgegebenen
Zahl von Impulsen im zweiten Zähler ein Stopsignal ausgelöst, das an den er
sten Zähler übermittelt wird. Nach Auslösung des Stopsignales wird aus der
Zahl der im ersten Zähler ermittelten Impulse eine Adresse abgeleitet, der
durch die Temperatur-Frequenzkennlinie des als Meßfühler dienenden ersten
Schwingkristalls ein Temperaturwert zugeordnet wird.
Als vorteilhaft erweist sich die verhältnismäßig hohe Meßgenauigkeit aufgrund
der hohen Auflösung der Zähler und der aus dem Festspeicher abrufbaren Korrek
turwerte für die Temperatur-Frequenzkennlinie des als Meßfühler dienenden
ersten piezoelektrischen Schwingkristalls sowie die Möglichkeit einer Tempera
turkompensation des als Zeitbasis dienenden zweiten piezoelektrischen Schwing
kristalls mittels Korrekturfaktor, der durch die Temperaturwerterfassung fest
gelegt ist und als Umgebungstemperaturkompensation bezeichnet werden kann. Ein
weiterer Vorteil besteht in der Möglichkeit, die Anordnung in miniaturisierter
Form einfach zu realisieren, wobei beispielsweise auf die Herstellung mittels
der ASIC-Technik zurückgegriffen werden kann. Aufgrund des einfachen Aufbaus,
ist auch eine verhältnismäßig hohe Zuverlässigkeit zu erreichen.
Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, daß der Temperatur-Sensor sowohl im
Allein-Betrieb d. h. mit einem Meßfühler als auch in einem Temperatur-Meß
system mit einer Vielzahl von Meßfühlern, die einer gemeinsamen elektronischen
Schaltung angeschlossen sind, einsetzbar ist.
Im folgenden ist der Gegenstand der Erfindung anhand der Fig. 1 und 2a, 2b
näher erläutert.
Fig. 1 zeigt im Blockschaltbild den Aufbau des Temperatursensors;
Fig. 2a zeigt ein Diagramm des zeitlichen Ablaufs der Zählvorgänge.
Fig. 2b zeigt im Ausschnitt die Temperatur-Frequenz-Kennlinie.
Gemäß Fig. 1 weist der erste Oszillator 1, als frequenzbestimmendes Glied ein
erstes piezoelektrisches Schwingkristall 2 als Meßfühler auf, dessen Frequenz
sich in Abhängigkeit von der Temperatur ändert. Der Ausgang des mit einem
Impulsgenerator versehenen Oszillators 1 ist mit einem ersten Zähler 3 verbun
den, dessen Ausgang mit einem Register 4 verbunden ist. Das Register 4 ist
mittels paralleler Übertragungsleitung 5 (3·8 bit-Übertragung nacheinander)
mit der Auswerteeinheit 6 verbunden, die als Mikroprozessor ausgebildet ist.
Oszillator 1 weist eine Frequenz im Bereich von 224 Hz auf.
Der zweite Oszillator 7 enthält als frequenzbestimmendes Glied einen weit
gehend temperaturstabilen zweiten piezoelektrischen Schwingkristall 8, welcher
eine temperaturunabhängige Frequenz als Basis des Zeitnormals für den Mikro
prozessor erzeugt. Außerdem ist er mit Leitung 10 über UND-Glied 20 an den
Eingang des zweiten Zählers 11 angeschlossen, der ein definiertes Zeitfenster
(Gate Time) erzeugt. Zur Übertragung des von der Auswerteeinheit 6 ausgehenden
Startsignales ist Leitung 13 mit den Startsignaleingängen des ersten Zählers 3
und über UND-Glied 20 des zweiten Zählers 11 verbunden. Der das Stopsignal
bereitstellende Ausgang des zweiten Zählers 11 ist über Stopsignalleitung 14
mit dem Stopsignaleingang des ersten Zählers 3 und dem Eingang des UND-Glie
des 20 verbunden. Die Auswerteeinheit 6 ist über eine bidirektionale Übertra
gungsleitung 15 mit dem Festspeicher 16 verbunden, aus dem die zur Lineari
sierung der Temperatur-Frequenzkennlinie erforderlichen Korrekturwerte mittels
Adressierung abrufbar sind. Weiterhin sind in einer erweiterten Ausführungs
form im Festwertspeicher zusätzlich Korrekturwerte für einen im thermischen
Kontakt mit dem als Zeitnormal dienenden zweiten Schwingkristall 8 stehenden
Thermosensors vorgesehen, über welchen eine Korrektur das Frequenzverhalten
des zweiten Schwingkristalles bei sich ändernder Umgebungstemperatur möglich
ist. Es handelt sich hier jedoch nur um eine zusätzliche Ausführungsform, auf
die bei präzisionsgeschliffenen Schwingkristallen für die Zeitbasis verzichtet
werden kann. Als Temperaturgeber 17 ist beispielsweise ein Thermistor
einsetzbar, wobei mittels Wandler 18 aus der anliegenden Spannung über
Auswerteeinheit 6 eine Abfrageadresse für den Festspeicher 16 zur Korrektur
der Zählerstandsvorgabe für den zweiten Zähler 11 abgeleitet wird.
Im Folgenden ist unter Zuhilfenahme des in Fig. 2a dargestellten Zeitplanes
die Funktionsweise der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 1 näher erläutert.
Gemäß Kurve A der Fig. 2a wird vom ersten Oszillator 1 nach Fig. 1 eine
temperaturabhängige Frequenz erzeugt, welche als Amplitude A entlang der
Zeitachse t dargestellt ist. Mittels eines im Oszillator 1 befindlichen
Impulsgenerators wird aus der sinusförmigen Wechselspannung gemäß Kurve B eine
Folge von Impulsen erzeugt, deren Impulsabstände umgekehrt proportional der
Frequenz des ersten Oszillators 1 sind. Die Impulse werden mittels Leitung 12
zum ersten Zähler 3 geleitet und dort gezählt, sofern am ersten Zähler 3 das
von einem Startsignal-Impuls I gemäß Kurve C generierte Zeitfenster gemäß
Kurve D anliegt. Der Beginn des Zeitfensters wird gemäß Kurve C durch den
Start-Impuls I ausgelöst, an den sich eine Folge von Impulsen II in konstantem
Zeitabstand T2 anschließt; diese Impulsfolge wird ebenso wie die anhand des
ersten Oszillators 1 beschriebene Folge aus einer im zweiten Oszillator 7
mittels zweitem Schwingkristall 8 erzeugten Sinusschwingung abgeleitet, wobei
allerdings im Gegensatz zum ersten Oszillator 1 im zweiten Oszillator eine
praktisch temperaturunabhängige Frequenz erzeugt wird. Das in Kurve D
dargestellte Zeitfenster mit der Amplitude 1 wirkt zusammen mit den zu
zählenden Impulsen gemäß Kurve B über eine logische UND-Verknüpfung auf den
Zähler 3, so daß nur bei Anliegen beider Signale gemäß Kurven B und D der
erste Zähler 3 in Funktion tritt. Das Zeitfenster D wird mittels eines
Stopsignal-Impulses III gemäß Kurve C beendet, wobei der Stop-Signal-Impuls
durch Überlauf des vorgegebenen Zählerstandes im zweiten Zähler 11 erzeugt
wird.
Das Startsignal gemäß Kurve C für das Zeitfenster D wird entweder durch
manuelle Betätigung, beispielsweise eines Starttasters oder durch zyklisches
Starten im Prozessor, z. B. Ansteuerung der Auswerteeinheit 6 ausgelöst, wobei
das auslösende Steuersignal beispielsweise über eine Daten-Bus-Leitung mittels
Schnittstelle 21 in die Auswerteeinheit 6 gelangt; d. h., der zur Erzeugung des
Zeitfensters D erforderliche Stopsignal-Impuls III wird durch eine vorgegebene
Anzahl von Impulsen gemäß Kurve C ausgelöst, die aus einem mit dem zweiten
Oszillator 7 verbundenen Impulsgenerator über Leitung 10 in den zweiten
Zähler ll (Auf- oder Abwärtszähler) gelangen, wobei die Zahl der zwischen
Startsignal und Stopsignal liegenden Impulse zur Erzeugung eines konstanten
Impulsabstandes zwischen Start- und Stopsignal fest vorgegeben ist. Das heißt,
daß durch das Startsignal eine logische 1 gemäß Kurve D erzeugt wird, die
zusammen mit den aus dem Impulsgenerator des 2. Oszillators 7 austretenden
Impulsen mittels logischer Und-Verknüpfung auf den Zählereingang des 2.
Zählers ll solange gelangt, bis der vorgegebene Zählerstand erreicht ist und
der Stopsignal-Impuls III die vom Startsignal-Impuls I ausgelöste logische 1
in eine logische 0 umwandelt, so daß keine weiteren Impulse in den Eingang des
zweiten Zählers 11 gelangen können. Die vom ersten Zähler 3 ermittelte Zahl,
der aus dem Impulsgenerator des ersten Oszillators 1 abgeleiteten Impulse,
wird in einem Register 4 geladen, das mittels einer Übertragungsleitung 5 (3·8
bit-Übertragung) mit der Auswerteeinheit 6 in Verbindung steht. Da die Zahl
der Impulse der Frequenz des als ersten Schwingkristall 2 ausgebildeten Meß
fühlers direkt proportional ist, kann aus der in Register 4 gespeicherten Zahl
eine Adresse abgeleitet werden, die einen Abruf des im Prozessor als Tempera
turwert abgelegten Speicherinhaltes ermöglicht, so daß aufgrund der
Adreß-Speicher-Zuordnung eine Linearisierung der Temperatur-Frequenzkennlinie
möglich ist.
Weiterhin kann in der bereits oben genannten weiteren bevorzugten
Ausführungsform ein verhältnismäßig einfacher zusätzlicher Temperatursensor
17, der beispielsweise als Thermistor ausgebildet ist, ein seiner Spannung
entsprechendes Signal mittels Wandler 18 über Leitung 19 an die
Auswerteeinheit 6 weiterleiten, wobei aus dem Signal ebenfalls eine Adresse
für den Festspeicher 16 abgerufen wird, so daß gemäß Kurve E bei
Temperaturerhöhung die Zahl der zur Auslösung des Stopsignals III
erforderlichen vorgegebenen Impulse im 2. Zähler verringert und gemäß Kurve F
bei Temperaturerniedrigung im Bereich des als Zeitbasis dienenden zweiten
piezoelektrischen Schwingkristalls 8 die vorgegebene Zahl der Impulse für den
2. Zähler 11 erhöht, um einen konstanten Zeitabstand zwischen Start- und
Stopsignal zu bewahren, wie es anhand der Kurve D erkennbar ist. Die Kurven
A-F zeigen lediglich einen schematischen zeitlichen Zusammenhang.
Weiterhin ist es auch möglich, die Länge des Zeitfensters gemäß Kurve D durch
Vorgabe eines ganz bestimmten Zählerstandes des zweiten Zählers 11 am Anfang
des jeweiligen Zählzyklus zu variieren. Hierdurch kann beispielsweise die
Auflösung der Genauigkeit des Meßverfahrens den jeweiligen Erfordernissen
optimal angepaßt werden; weiterhin ist es möglich, auf einfache Weise eine
Temperaturkompensation der Umgebungstemperatur bzw. eine Kalibration
beispielsweise infolge Alterung der Schwingkristalle durch Vorgabe eines ganz
bestimmten Zählerstandes im zweiten Zähler am Anfang des jeweiligen Zählzyklus
vorzunehmen.
Der Zusammenhang zwischen Temperatur und Frequenz des ersten Schwing
kristalls 2, ist anhand der Fig. 2b erkennbar, wobei hier nur ein Ausschnitt
aus der Kennlinie dargestellt ist. Anhand der auf Kennlinie L befindlichen
Punkte M und N ist erkennbar, daß bei Temperaturerhöhung von Punkt M auf Punkt
N um beispielsweise 1° C eine Verringerung der Frequenz um Δ f erfolgt.
Claims (14)
1. Temperatur-Sensor mit einem als Meßfühler dienenden temperaturabhängigen
ersten piezoelektrischen Schwingkristall als frequenzbestimmendes Glied
eines ersten Oszillators mit nachgeschaltetem ersten Zähler und einem von
der Temperatur weitgehend unabhängigen zweiten piezoelektrischen Schwing
kristall als frequenzbestimmendes Glied eines zweiten Oszillators mit
nachgeschaltetem zweiten Zähler, wobei der Ausgang des ersten Zählers an
eine Speichervorrichtung angeschlossen ist, die mit einer elektronischen
Auswerteschaltung zur Ermittlung eines Temperaturwertes durch Vergleich
beider Zählerstände verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden
Zähler (3, 11) über wenigstens eine Leitung (13, 14) zur Übertragung von
Start- und Stop-Signalen miteinander verbunden sind, wobei durch das
Start-Signal beide Zähler (3, 11) jeweils auf einen vorgegebenen
Ausgangszustand einstellbar sind und das Stop-Signal bei Erreichen eines
vorgegebenen Zählerstandes des zweiten Zählers (11) auslösbar ist und daß
das Stop-Signal zur Ermittlung des Zählerstandes des ersten Zählers (3)
dient, aus dem ein Adressen-Signal zur Abfrage eines dem Zählerstand
entsprechenden Temperaturwertes aus einem Festspeicher (16) ableitbar ist.
2. Temperatur-Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch das
Start-Signal wenigstens einer der beiden Zähler (3, 11) auf seine
Null-Stellung zurücksetzbar ist.
3. Temperatur-Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die
Auswerteschaltung (6) einen die Start-Stop-Signale erzeugenden Mikropro
zessor mit angeschlossenem Arbeitsspeicher, Festspeicher sowie Eingabe-
Ausgabe-Einheit aufweist, die durch ein Bus-System miteinander verbunden
sind.
4. Temperatur-Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeich
net, daß die Auswerteschaltung (6) wenigstens eine Schnittstelle (21) zum
externen Datenaustausch mit einem räumlich getrennten Steuergerät aufweist.
5. Temperatur-Sensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß an das
Steuergerät ein Registriergerät angeschlossen ist.
6. Temperatur-Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeich
net, daß der Festspeicher (16) als Korrekturwert-Speicher ausgebildet ist,
aus dem Werte zur Linearisierung der Temperatur-Frequenzkennlinie des
ersten piezoelektrischen Schwingkristalls (2) abrufbar sind.
7. Temperatur-Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeich
net, daß der erste piezoelektrische Schwingkristall (2) ein Schwingquarz
ist.
8. Temperatur-Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeich
net, daß der zweite piezoelektrische Schwingkristall (8) in thermischem
Kontakt mit einem zusätzlichen Temperatur-Sensor (17) steht, welcher mit
dem Eingang der Auswerteschaltung (6) verbunden ist, wobei deren Fest
speicher (16) zusätzliche Korrekturwerte zur Linearisierung der Tempera
tur-Frequenzkennlinie des zweiten piezoelektrischen Schwingkristalls auf
weist.
9. Verfahren zur Temperatur-Messung mittels eines ersten Oszillators, dessen
frequenzbestimmendes Glied als temperaturabhängiger erster piezoelektri
scher Schwingkristall eine von seiner Temperatur abhängige Frequenz er
zeugt, die in eine Folge von Impulsen umgewandelt und einem ersten Zähler
zugeführt wird wobei zur Auswertung die Zahl der Impulse dieses Zählers
mit der Zahl der Impulse eines zweiten Zählers, dessen Folge von Impulsen
aus einem weitgehend temperaturstabilen zweiten Oszillator abgeleitet
wird, verglichen und das Vergleichs-Ergebnis in einer logischen Schaltung
gespeichert und ausgewertet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulse
im ersten Zähler nur während eines Zeitintervalls gezählt werden, dessen
Länge durch Erreichen einer vorgegebenen Anzahl von Impulsen festgelegt
Ist, die dem zweiten Zähler zugeführt werden und daß nach Ablauf des Zeit-
Intervalls die im ersten Zähler ermittelte Anzahl der Impulse gespeichert
wird und ein der Anzahl der Impulse entsprechender Temperaturwert ermit
telt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß zu Beginn des Zeit
intervalls beide Zähler in ihren Ausgangszustand versetzt werden und daß
bei Erreichen der vorgegebenen Zahl von Impulsen im zweiten Zähler ein
Stop-Signal ausgelöst und an den ersten Zähler zwecks Ermittlung seines
Zählerstandes übertragen wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der
Ausgangszustand wenigstens eines der beiden Zähler durch Vorgabe eines
bestimmten Zählerstandes einstellbar ist.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß
nach Auslösung des Stop-Signals aus der Zahl der im ersten Zähler
ermittelten Impulse eine Adresse abgeleitet wird, mit deren Hilfe ein
Korrekturwert der Temperatur-Frequenzkennlinie des ersten Schwingkristalls
aus dem Festspeicher abgerufen und der logischen Schaltung zur Auswertung
zugeführt wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß
die Frequenz des zweiten Oszillators mittels eines temperaturstabilen
zweiten piezoelektrischen Schwingkristalls erzeugt wird.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich des
zweiten piezoelektrischen Schwingkristalls die Temperatur gemessen wird
und aus dem Temperaturwert eine Adresse für den Festspeicher zur Korrektur
des Zählerstandes für die vorgegebenen Impulse des zweiten Zählers abge
leitet wird.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19924200578 DE4200578A1 (de) | 1992-01-11 | 1992-01-11 | Temperatur-sensor mit piezoelektrischem schwingkristall |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE19924200578 DE4200578A1 (de) | 1992-01-11 | 1992-01-11 | Temperatur-sensor mit piezoelektrischem schwingkristall |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE4200578A1 true DE4200578A1 (de) | 1993-07-15 |
Family
ID=6449387
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19924200578 Withdrawn DE4200578A1 (de) | 1992-01-11 | 1992-01-11 | Temperatur-sensor mit piezoelektrischem schwingkristall |
Country Status (1)
Country | Link |
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