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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff
des Hauptanspruchs und eine Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Nebenanspruchs.
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Es
sollen elektrische Potentialunterschiede gemessen werden. Das Ergebnis
dieser Messung soll drahtlos fernabfragbar sein. Die dazu notwendige herkömmliche
Energieversorgung eines Sensors ist entweder aufwändig oder
wartungsabhängig.
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Zur
Messung von elektrischen Potentialunterschieden existieren grundsätzlich zwei
Möglichkeiten:
- 1.) Das Messgerät wird von der zu messenden Spannung
selbst versorgt und belastet auf diese Weise die Messstelle;
- 2.) Das Messgerät
weist eine zusätzliche
Energieversorgung auf und kann auf diese Weise ohne Belastung der
Messstelle den Messwert erfassen.
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Ein
herkömmliches
Beispiel für
die erste Möglichkeit
ist ein Drehspulinstrument, das eine Spannung in eine Zeigerbewegung
umwandelt. Für die
zweite Möglichkeit
ist ein herkömmliches
Beispiel ein batteriebetriebenes Handmultimeter, bei dem die Spannung
extrem hochohmig gemessen und zur Anzeige gebracht wird. Gemäß beiden
Möglichkeiten kann
das Messergebnis ebenso drahtgebunden an einen anderen Ort übertragen
werden, wo das Messergebnis zur Anzeige gebracht wird. Falls eine Übertragung
drahtlos erfolgen soll, ist in der Regel ein aktiver Sender erforderlich.
Ein derartiger aktiver Sender muss an eine Energieversorgung angeschlossen sein,
die gemäß der ersten
Möglichkeit
lediglich selten bereit gestellt ist, da eine Energieentnahme aus der
zu messenden Spannung herkömmlicher
Weise lediglich sehr beschränkt
möglich
ist und nicht ausreicht, um einen derartigen aktiven Sender zu verwenden.
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Eine
notwendige Energieversorgung wird im Allgemeinen entweder durch
Batterien geschaffen, die lediglich eine begrenzte Lebensdauer aufweisen, oder
alternative über
drahtgebundene und unter Umständen
potential trennend aufgebaute Stromversorgungen. Für die Energieversorgung
notwendige Drahtverbindungen machen die Vorteile einer drahtlosen
Kommunikation zumindest teilweise zu Nichte. Insbesondere bei Messstellen,
die entweder selbst auf hohem Potential oder von vorhandenen Stromversorgungen
weit entfernt angeordnet sind, eignet sich lediglich die zweite
Möglichkeit,
die eine externe Energieversorgung beispielsweise eine Batterieversorgung
verwendet. Auf herkömmliche
Weise kann zur Messung von rein dynamisch sich verändernden Spannungen
ein herkömmlicher
Sensor verwendet werden, der keine eigene Energieversorgung benötigt. Derartige
Vorrichtungen sind beispielsweise energieautarke Mikrowellen Backscatter
Transponder (EAMBT). Mit diesen herkömmlichen Vorrichtungen ist
eine Messung von statischen Spannungen nicht möglich.
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Herkömmlicherweise
muss bei drahtlos fernabfragbaren Spannungsmessungen eine eigene
Energieversorgung bereitgestellt sein oder bei einer herkömmlichen
drahtlos fernabfragbaren Spannungsmessung können lediglich sich dynamisch
verändernde
Spannungen, beispielsweise unter Verwendung eines EAMBTs, erfasst
werden.
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Es
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine physikalische Größe, insbesondere
eine statische und/oder dynamisch elektrische Potentialdifferenz,
mittels einer eine kleine elektrische Leistung aufnehmenden Erfassungsvorrichtung
zu erfassen und fernabfragbar bereit zu stellen.
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Die
Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß dem Hauptanspruch und ein
Verfahren gemäß dem Nebenanspruch
gelöst.
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Eine
erfindungsgemäße drahtlose
Vorrichtung zur Erfassung eines Messwertes einer elektrischen Potentialdifferenz,
die ebenso als drahtloser Spannungssensor bezeichnet werden kann,
verwendet zur Übertragung
von Messwerten keinen eigenen Sender, sondern moduliert stattdessen
die Reflektionseigenschaften einer Sensorantenne. Eine Abfrageeinrichtung
sendet Hochfrequenz-(HF-)Energie oder Signale zur Sensorantenne
und empfängt
die von dort reflektierte Hochfrequenz-(HF-)Energie oder Signale über eine
Funkstrecke. Dieses herkömmliche
als Backscatter (energieautarker Mikrowellen Backscatter Transponder
EAMBT) bezeichnete Übertragungsprinzip
wird dahingehend erweitert, dass nicht die zu messende Potentialdifferenz
selbst die Reflektion an der Sensorantenne moduliert, sondern in
der Vorrichtung zur Erfassung des Messwertes, die ebenso als Sensor
bezeichnet werden kann, ein von der zur erfassenden elektrischen
Potentialdifferenz abhängige
Modulationserzeugungseinrichtung betrieben wird, deren Ausgangssignal
wiederum eine Reflektionsmodulationseinrichtung moduliert. Auf diese
Weise wird der Messwert nicht unmittelbar durch die Reflektionseigenschaften
der Sensorantenne repräsentiert,
sondern durch die Eigenschaften der Reflektionsmodulation. Es ist
also eine Reflektionsmodulationseinrichtung bereitgestellt, deren
Ausgangssignal die Reflektionseigenschaften der Sensorantenne bestimmt.
Besonders vorteilhaft wird die Modulationserzeugungseinrichtung
mittels der zu messenden elektrischen Potentialdifferenz selbst
mit Energie versorgt.
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Die
vorliegende Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass der Reflektionsmodulationseinrichtung
eine Modulationserzeugungseinrichtung vorgeschaltet ist, die insbesondere
bei einer zeitlich unveränderten
elektrischen Potentialdifferenz, diese in ein Wechselspannungssignal
umwandelt, dass von der Abfrageeinrichtung gemäß dem EAMBT-Prinzip ohne zusätzliche
Energie des Spannungssensors fern abgefragt werden kann.
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In
den meisten Fällen
sind zur Realisation einer Modulationserzeugungseinrichtung nur
wenige und sehr preiswerte Bauelemente erforderlich, so dass eine
einfache und robuste erfindungsgemäße Vorrichtung beziehungsweise
Spannungssensor bereitgestellt werden kann. Mit dem Sensor kann
ebenso eine statische Spannung drahtlos fern abgefragt werden, ohne
eine eigene Energieversorgung für
den Sensor zu benötigen.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den Unteransprüchen. Zu
jedem Vorrichtungsanspruch ist ein entsprechender Verfahrensanspruch formuliert
worden.
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Gemäß einer
besonders vorteilhaften Ausgestaltung ist die zu erfassende elektrische
Potentialdifferenz statisch, das heißt, sie ist zeitlich konstant. Das
heißt,
neben dynamischen Messwerten können ebenso
statische Messwerte zur Abfrageeinrichtung übertragen werden.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist das Modulationssignal der
Modulationserzeugungseinrichtung mittels Frequenz und/oder mittels
Pulsbreite moduliert. Das heißt,
entsprechend der zu erfassenden elektrischen Potentialdifferenz werden
entsprechende Frequenzen und/oder Pulsbreiten erzeugt.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die mittels der Modulationserzeugungseinrichtung
erzeugte Frequenz typischerweise im Bereich bis einige 100 kHz bereitgestellt.
Da die Modulationserzeugungseinrichtung lediglich also relativ niedrige
Modulationsfrequenzen erzeugt, und da von der Vorrichtung zur Erfassung
eines Messwertes einer elektrischen Potentialdifferenz (Spannungssensor)
aktiv keine Hochfrequenz(HF)-Energie abgestrahlt werden muss, ist
der Energieverbrauch des Spannungssensors wesentlich kleiner als
bei herkömmlichen
Lösungen.
Auf diese Weise ist die Energieversorgung der Vorrichtung zur Erfassung
eines Messwertes einer elektrischen Potentialdifferenz und zur drahtlosen
Abfrage des Messwertes wesentlich vereinfacht.
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Gemäß dem vorstehend
genannten Ausführungsbeispiel
kann eine separate Energieversorgungseinrichtung vermieden werden.
Diese minimale benötigte
Energie kann in vielen Fällen
von der zu messenden Potentialdifferenz selbst bereitgestellt werden.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist eine zur Energieversorgung
der Modulationserzeugungseinrichtung dienende separate Energieversorgungseinrichtung
bereitgestellt, die von der zu erfassenden Potentialdifferenz mit
elektrischer Energie versorgt ist. Das heißt, die von der zu messenden
Potentialdifferenz bereitgestellte elektrische Energie versorgt
die separate Energieversorgungseinrichtung und die Vorrichtung beziehungsweise den
Spannungssenor ausreichend mit Energie.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird der separaten Energieversorgungseinrichtung,
alternativ oder kumulativ zum Anlegen der Potentialdifferenz, mittels
einer separaten Energiequelle, insbesondere einer elektrischen Batterie,
Solarzelle, Thermogenerator und/oder Erschüttungsgenerator, elektrische
Energie zugeführt.
Es ist beispielsweise bei Verwendung einer elektrischen Batterie
einfach, eine ausreichende Lebensdauer zu schaffen. Durch die geringe
elektrische Leistungsaufnahme der Vorrichtung beziehungsweise des
Spannungssensors wird eine Energieversorgung aus beliebigen Energiequellen
wirksam vereinfacht.
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Im
Falle der kumulativen Bereitstellung einer separaten Energiequelle,
kann die Energieversorgungseinrichtung zusätzlich zur Potentialdifferenz elektrische
Energie bereitstellen. Das heißt,
die von der zu messenden Potentialdifferenz bereitgestellte elektrische
Energie versorgt, gegebenenfalls ebenso lediglich zeitweise, eine
separate Energieversorgungseinrichtung, die die Vorrichtung beziehungsweise
den Spannungssensor kontinuierlich ausreichend mit Energie versorgt.
Auf diese Weise sind vorteilhaft ebenso geringe Spannungen messbar,
die zur Versorgung des Sensors nicht ausreichen und daher nicht
verwendet werden könnten.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist zum Abfragen der Identität beziehungsweise
zur Identifizierung der Vorrichtung beziehungsweise des Spannungssensors
die Sensor antenne elektrisch mit einem Radio Frequency Identification(RFID)-Tag,
das ebenso als Marke oder Markierung bezeichnet werden kann, verbunden.
Auf diese Weise kann zusätzlich
eine Identifizierung einer Messstelle ausgeführt werden. Beispielsweise
kann dazu ein herkömmliches
Oberflächenwellenidentifikationssystem
verwendet werden.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird das elektrisch an die
Sensorantenne angeschlossene RFID-Tag zur Überprüfung der Funktionsfähigkeit
der Funkstrecke verwendet. Das heißt, es kann ebenso zusätzlich eine Überwachung der
Funktionsfähigkeit
der Funkstreckte erfolgen, so dass ein Sensorausfall von einem Ausfall
der Funkstrecke unterschieden werden kann.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist zum Abfragen mittels mobilen
und/oder sich bewegenden Abfrageeinrichtungen, diese derart bereitgestellt,
dass eine sehr schnelle Messwertübertragung
geschaffen werden kann. Dies kann beispielsweise durch Verwendung
einer großen
Hochfrequenzbandbreite der von der Abfrageeinrichtung abgestrahlten
Hochfrequenz-(HF-)Signale erfolgen. Das heißt, bei einer geeigneten Auslegung
der Abfrageeinrichtung kann eine sehr schnelle Messwertübertragung
erfolgen. Auf diese Weise ist es beispielsweise möglich, die
Messstellen von einer mobilen und/oder sich relativ zu den Messstellen
bewegenden Abfrageeinrichtung aus abzufragen.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung werden weitere physikalische
Größen erfasst,
die ohne oder mit geringer zusätzlicher
Energieversorgung in die elektrische Potentialdifferenz umgewandelt
werden können.
Das heißt,
die erfindungsgemäße Vorrichtung
beziehungsweise der Spannungssensor kann auch zur Messung von anderen
physikalischen Größen verwendet
werden, falls diese Größen ohne
zusätzliche
Energieversorgung in eine elektrische Spannung umgewandelt werden
können
oder im Falle einer Batterieversorgung die Umwandlung entsprechend
wenig Leistung aufnimmt, wie es bei dem Spannungssensor selbst gegeben
ist.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind diese weiteren physikalischen
Größen Beleuchtungsstärke und/oder
Drehzahl. Diese Größen können ohne
zusätzliche
Energieversorgung in eine elektrische Potentialdifferenz beziehungsweise in
eine elektrische Spannung, beispielsweise Drehzahl nach dem Dynamoprinzip
beziehungsweise Beleuchtungsstärke
durch den Photoeffekt, umgewandelt werden. Weiterhin können physikalische
Größen beispielsweise
Drehwinkel beispielsweise mittels Potentiometerwiderstand oder Drehkondensator
umgewandelt sein. Diese physikalischen Größen erfordern eine kleine Leistungsversorgung,
die beispielsweise mittels einer elektrischen Batterie geschaffen
werden kann.
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Die
vorliegende Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung
mit dem Figuren näher
beschrieben. Es zeigen:
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1 ein
erstes Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur Erfassung eines Messwertes einer elektrischen Potentialdifferenz
und zur drahtlosen Abfrage des Messwertes.
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2 ein
zweites Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur Erfassung eines Messwertes einer elektrischen Potentialdifferenz
und zur drahtlosen Abfrage des Messwertes.
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1 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
eines Spannungssensors S beziehungsweise einer Vorrichtung S zur
Erfassung eines Messwertes einer elektrischen Potentialdifferenz 1 und
zur drahtlosen Abfrage des Messwertes. Die Vorrichtung S weist eine
Modulationserzeugungseinrichtung 2, eine Reflektionsmodulationseinrichtung 3 und
eine Sensorantenne 4 auf. Diese Einrichtungen müssen mindestens
für einen
funktionsfähigen
Spannungssensor S bereitgestellt sein. Zusätzliche Elemente sind eine separate
Energieversorgungseinrichtung 8 und ein RFID(Radio Frequency
Identification)-Tag 7. Eine Abfrageeinrichtung 5 ist
zusätzlich
geschaffen. Zwischen Sensorantenne 4 und der Abfrageeinrichtung 5 ist
eine Funkstrecke 6 vorgesehen. Der Spannungssensor S gemäß dem Ausführungsbeispiel weist
damit fünf
separate Einrichtungen auf. Bezugszeichen 1 bezeichnet
die elektrische Potentialdifferenz, deren Messwert erfasst werden
soll.
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Die
Potentialdifferenz 1 ist eine elektrische Spannung. Diese
Spannung soll durch die Vorrichtung S beziehungsweise durch den
Spannungssensor S erfasst und an die Abfrageeinrichtung 5 übertragen
werden. Dabei ist die Leistungsaufnahme des Spannungssensors S gering
und der Messwert der elektrischen Potentialdifferenz 1 drahtlos
abfragbar. Dies wird folgendermaßen ausgeführt:
Die elektrische Potentialdifferenz 1 beziehungsweise die
elektrische Spannung 1 wird der Modulationserzeugungseinrichtung 2 zugeführt. Ebenso
wird die elektrische Potentialdifferenz 1 an einer Energieversorgungseinrichtung 8 angelegt.
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel
ist die Energieversorgungseinrichtung 8 separat erzeugt.
Die Energieversorgung der Modulationserzeugungseinrichtung 2 kann
ebenso direkt durch das Abgreifen der elektrischen Potentialdifferenz 1 durch
die Modulationserzeugungseinrichtung 2 geschaffen sein.
Gemäß dem Ausführungsbeispiel
versorgt die Energieversorgungseinrichtung 8 die Modulationserzeugungseinrichtung 2 mit
elektrischer Energie oder elektrischer Leistung. Die Modulationserzeugungseinrichtung 2 erzeugt
ein Modulationssignal, dass an die Reflektionsmodulationseinrichtung 3 ausgegeben
wird. In diesem Modulationssignal ist der Messwert der elektrischen
Potentialdifferenz 1 in Form einer Frequenz und/oder Pulsbreite
enthalten. Die Reflektionsmodulationseinrichtung 3 nimmt
dieses Modulationssignal auf und moduliert auf dessen Grundlage
die Reflektionseigenschaften der Sensorantenne 4. Die Sensorantenne 4 wird
dadurch derart moduliert, dass sich die Reflektionseigenschaften
der Sensorantenne 4 entsprechend dem Wert der elektrischen
Potentialdifferenz 1 ändern.
Der Messwert der Potentialdifferenz 1 wird mittels der
Hochfrequenz-Energie abstrahlenden und wieder empfangenden Abfrageeinrichtung 5 von
der Sensorantenne 4 entlang der Funkstrecke 6 abgefragt.
Der Spannungssensor S gemäß der vorliegenden
Erfindung eignet sich besonders vorteilhaft zur Erfassung statischer
elektrischer Potentialdifferenzen 1. Die Modulationserzeugungseinrichtung 2 wandelt
dazu den statischen Potentialdifferenziert 1 in ein dynamisches,
das heißt
in ein sich zeitlich änderndes,
Signal um. Auf diese Weise kann ein statischer elektrischer Potentialdifferenzwert 1 in
ein Frequenzsignal umgewandelt und mit der hier verwendeten Abfrageeinrichtung 5,
insbesondere nach dem EAMBT-Prinzip, abgefragt werden. Ein Radiofrequencyidentifikation(RFID-)Tag 7 ist
an die Reflektionseinrichtung 3 und an die Sensorantenne 4 elektrisch
angeschlossen. Ebenso wie die Reflektionsmodulationseinrichtung 3 beeinflusst
das RFID-Tag 7 die Reflexionseigenschaften der Sensorantenne
(4), jedoch nicht abhängig
von einer Spannung, sondern beispielsweise von einer bei der Herstellung
des RFID-Tags festgelegten Identifikationsnummer. Hierzu sei auf
herkömmliche
Oberflächenwellen-(OFW-)RFID
Systeme Bezug genommen. Mittels des RFID-Tags 7 kann die
Messstelle beziehungsweise der Spannungssensor S beziehungsweise
die Vorrichtung identifiziert werden. Dazu sind in dem Tag 7 die
entsprechenden Angaben hinterlegt und mittels der Abfrageeinrichtung 5 abrufbar.
Des Weiteren kann mittels des RFID-Tags 7 die Funktionsfähigkeit
der Funkstrecke 6 mittels Abfragen durch die Abfrageeinrichtung 5 überprüft werden.
Gemäß dem Ausführungsbeispiel
ist die zur Energieversorgung der Modulationserzeugungseinrichtung
dienende Energieversorgungseinrichtung 8 von der zu erfassenden
Potentialdifferenz 1 mit elektrischer Energie versorgt.
Alternativ oder kumulativ ist die Energieversorgungseinrichtung 8 mittels
Batterie, Solarzelle und/oder Erschütterungsgenerator und/oder
weiteren herkömmlichen
Energiequellen bereitgestellt. Die elektrische Potentialdifferenz 1 kann
ebenso als Spannungsquelle 1 angesehen werden. Gemäß einer
alternativen Ausgestaltung ist diese Spannungsquelle 1 Teil
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
S beziehungsweise des erfindungsgemäßen Spannungssensors S. Das heißt, die
Spannungsquelle 1 ist in dem Spannungssensor S enthalten.
Gemäß dem Ausführungsbeispiel
gemäß 1 ist
die Spannungsquelle 1 außerhalb des Spannungssensors
S angeordnet. Es sind elektrische Verbindungen oder Leitungen von
der Spannungsquelle 1 zu der Modulationserzeugungseinrichtung 2 und
zu der Energieversorgungseinrichtung 8 geschaffen.
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Das
in 1 dargestellte Ausführungsbeispiel schränkt den
Schutzbereich dieser Anmeldung nicht ein. Beispielsweise können verschiedene
Einrichtungen zusammengefasst sein und als kompakte Module erzeugt
sein.
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2 zeigt
ein zweites Ausführungsbeispiel eines
Spannungssensors S beziehungsweise einer Vorrichtung S zur Erfassung
eines Messwertes einer elektrischen Potentialdifferenz 1 und
zur drahtlosen Abfrage des Messwertes. Die Vorrichtung S weist eine
Modulationserzeugungseinrichtung 2, eine Reflektionsmodulationseinrichtung 3 und
eine Sensorantenne 4 auf. Diese Einrichtungen müssen mindestens
für einen
funktionsfähigen
Spannungssensor S bereitgestellt sein. Zusätzliche Elemente wie eine separate
Energieversorgungseinrichtung 8 und ein RFID(Radio Frequency
Identification)-Tag 7 fehlen. Eine Abfrageeinrichtung 5 ist
geschaffen. Zwischen Sensorantenne 4 und der Abfrageeinrichtung 5 ist
die Funkstrecke 6 vorgesehen. Der Spannungssensor S gemäß diesem
Ausführungsbeispiel
weist damit drei separate Einrichtungen auf. Bezugszeichen 1 bezeichnet
die elektrische Potentialdifferenz, deren Messwert erfasst werden
soll. In 2 bezeichnen gleiche Bezugszeichen
zu der 1 gleiche Vor- beziehungsweise Einrichtungen.