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Die Erfindung bezieht sich auf eine
Vorrichtung zur Übertragung
mindestens eines analogen oder digitalen Signals zwischen einem
Feldgerät
und einer externen Einheit, wobei das Feldgerät über mindestens ein Gehäuse verfügt, das
das Feldgerät abschließt oder
das im Feldgerät
angeordnet ist.
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Von der Anmelderin werden Feldgeräte vertrieben
zur Messung und/oder Überwachung
physikalischer Größen – z.B. Füllstand,
Dichte, Viskosität usw. – von Medien
in Behältern.
Zu nennen wären der „Micropilot
M" oder der „Liquiphant". Diese Feldgeräte machen
es gelegentlich erforderlich, dass Parametrier-, Mess- oder sonstige
Servicedaten oder z.B. Programmcode zwischen dem Feldgerät und einer
externen Einheit, z.B. einem Laptop oder einem anderen Servicegerät, übermittelt
werden müssen. Es
kann z.B. auch erforderlich sein, direkt vor Ort einzelne Messsignale
auszuwerten. Eine Möglichkeit der
Signalübertragung
zwischen dem Feldgerät
und der externen Einheit ist z.B. die über ein Kabelinterface mit
einer Schnittstelle am Feldgerät
oder über Funk,
bzw. Infrarot (Irda). Die Schnittstelle am Feldgerät bedeutet
jedoch entweder, dass das Feldgerät nicht abgeschlossen ist oder
dass es für
die Signalübertragung
geöffnet
werden muss. Ein Nachteil der Variante der Kommunikation mittels
einer Schnittstelle oder mittels eines Öffnens des Gehäuses besteht darin,
dass dies die Trennung zwischen Außenraum und Feldgerät unmöglich macht
oder aufhebt, was besonders beim Arbeiten in explosionsgefährdeten Bereichen
ungünstig,
bzw. gefährlich
sein kann. Weiterhin wird auch der Schutz des Feldgerätes gegenüber Verschmutzungen
von außen
aufgehoben. Diese Schwierigkeiten sind bei der Kommunikation über Funk
oder Infrarot nicht gegeben, jedoch erfordert diese Art der Signalübertragung
eine zu hohe Leistung, was besonders bei 4...20 mA-Geräten nicht sinnvoll
zu bewerkstelligen ist.
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Daher ist es Aufgabe der Erfindung,
eine Signalübertragung
zwischen dem Feldgerät
und einer externen Einheit oder zwischen Einheiten innerhalb des
Feldgerätes
zu ermöglichen,
die möglichst
kostengünstig
ist, die keine hohe Leistung erfordert und die vor allem die Trennung
des Feldgerätes
oder einer Einheit im Feldgerät
gegenüber
der Umwelt nicht aufhebt, so dass diese Methode zur Signalübertragung
auch in explosionsgefährdeten
Bereichen einfach einsetzbar ist.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass
sich innerhalb des Gehäuses
mindestens eine erste Elektrode befindet, dass sich innerhalb der
externen Einheit mindestens eine zweite Elektrode befindet, dass
sich zwischen der ersten und der zweiten Elektrode mindestens ein
Dielektrikum befindet, und dass das Gehäuse oder ein Teil des Gehäuses des
Feldgerätes
mindestens einen Teil des Dielektrikums bildet, so dass das Signal
kapazitiv übertragen
wird.
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Die Lösung der Aufgabe ist also,
dass die Signalübertragung
kapazitiv durch das Gehäuse
des Feldgerätes
hindurch oder durch eine Abtrennung im Feldgerät hindurch vorgenommen wird.
Die Idee ist, dass im Feldgerät
und in der externen Einheit jeweils eine oder mehrere leitende Schichten
angebracht werden. Als Teil des Dielektrikums dienen ein Glas- oder
Keramikfenster als Teil des Gehäuses
oder eine Wand des Gehäuses
des Feldgerätes
oder entsprechend des Gehäuses
im Feldgerät.
Gleiches gilt für die
externe Einheit, die ebenfalls einen Teil des Dielektrikums bildet.
Werden die leitenden Schichten über
das Dielektrikum in Kontakt miteinander gebracht, so ergibt sich
ein Kondensator und somit die Möglichkeit
einer kapazitiven Signalübertragung.
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Eine Möglichkeit, die eine sehr einfache
und kostengünstige
Umsetzung ermöglicht,
ist, dass diese leitende Schicht oder die Schichten im Feldgerät Bestandteile
eines kapazitiven Bedienelements sind. Dazu geht z.B. aus der Patentschrift
DE 197 44 791 eine Anordnung
für eine
kapazitive Tastatur hervor. Die dort vorgestellten Sensortasten
bestehen aus Leiterbahnen, die mit einer Auswerteelektronik verbunden
sind und die eine Breitenaufweitung aufweisen, so dass sich Schaltflächen ergeben.
Ein Annähern
oder ein Entfernen eines Fingers von diesen Schaltflächen ändert die
Kapazität
des sich durch Leiterbahn und Finger ergebenden Kondensators. Die
Kapazitätsänderungen
werden dann als Zeichen verwendet, dass die entsprechende Taste
betätigt worden
ist. Solch eine Tastatur wird in der Erfindung dahingehend erweitert,
dass darüber
Signale in das Feldgerät hinein
und aus dem Feldgerät
heraus übertragen
werden. Die Aufgabe des Fingers übernimmt erfindungsgemäß in der
externen Einheit eine leitende Schicht. Die zu übertragenden Signale werden dann
mittels Amplituden- und/oder
Frequenzmodulation Trägersignalen
aufgeprägt.
Dies erfordert die Bereitstellung von Modulator und Demodulator
im Feldgerät
und in der externen Einheit.
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Die Erfindung hat mehrere Vorteile.
Handelt es sich um ein geschlossenes Gehäuse des Feldgerätes oder
im Feldgerät,
so ist und bleibt dieses Gehäuse
geschlossen. Damit sind eine Anwendung des Feldgerätes und
auch die Servicearbeiten in explosionsgefährdeten Bereichen möglich, da
es zwischen Feldgerät
und externer Einheit nicht zu einer galvanischen Kopplung kommen
kann. Weiterhin ist die Gehäusekonstruktion
kostengünstig.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung sieht
im Falle eines elektrisch leitenden Gehäuses eine nicht-leitende Schicht
im oder am Gehäuse
als Dielektrikum vor. Dabei kann es sich z.B. um ein Fenster im
Gehäuse
des Feldgerätes
handeln.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung beinhaltet, dass
im Feldgerät
und/oder in der externen Einheit ein Verbindungselement vorgesehen
ist, das einen Kontakt zwischen dem Feldgerät und der externen Einheit
ermöglicht,
so dass die erste Elektrode, die zweite Elektrode und das Dielektrikum
einen Kondensator bildet. Über
die Gehäuseform
und die Gestaltung des Verbindungselements wird also ein möglichst
guter Kontakt zwischen dem Gehäuse
und der externen Einheit für
die Zeit der Signalübertragung
ermöglicht.
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Eine Realisierung sieht vor, dass
im Feldgerät
und/oder in der externen Einheit mindestens ein Modulator und/oder
mindestens ein Demodulator zur Frequenz- und/oder Amplitudenmodulation
vorgesehen ist. Die Modulatoren ermöglichen es, dass die zu übertragenden
Signale Trägersignalen
aufgeprägt werden,
die dann über
den oder die Kondensatoren – bestehend
aus den Elektroden und dem Dielektrikum – überfragen werden. Die Demodulatoren
dienen der Gewinnung der zu übertragenden
Signale aus den modulierten Trägersignalen.
Dabei lassen sich durch die Modulatoren entweder analoge oder digitale
Trägersignale
mit dem zu übertragenden Signal
modulieren. Dies hängt
z.B. davon ab, welche Art von Signalen übertragen werden sollen. So
ist z.B. bei der Übertragung
einer Hüllkurve
der Messung eine analoge Übertragung
ausreichend und sinnvoll. Es besteht auch die Möglichkeit, das zu übertragende
Signal direkt ohne die Modulation eines Trägersignals zu übertragen.
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Eine sinnvolle Weiterentwicklung
sieht in dem Fall, dass mindestens zwei Signale zwischen dem Feldgerät und der
externen Einheit übertragen werden,
für jedes
Signal eine eigene Elektrode im Feldgerät und/oder in der externen
Einheit vor. Dabei kann die Anzahl der Elektroden auf beiden Seiten identisch
oder unterschiedlich sein. Finden sich auf der Seite des Empfängers der
Signale weniger Elektroden, deckt aber mindestens eine Elektrode
mehr als eine Elektrode der Senderseite ab, so wird von dieser einen
Empfängerelektrode
die Summe der Signale der Senderseite empfangen. Auch für diesen Fall
beinhaltet eine sinnvolle, weil für vielerlei Umstände einsetzbare
Ausgestaltung, dass für
jedes zu übertragende
Signal ein eigenes Trägersignal
vorgesehen ist, wobei sich die Trägersignale in mindestens einer
Eigenschaft derart unterscheiden, dass die Trägersignale durch diese Eigenschaft
mit entsprechenden Filter auf der Empfängerseite trennbar sind. Eine Möglichkeit
ist, dass sich die Trägersignale
in ihrer Trägerfrequenz
unterscheiden. Diese Unterscheidbarkeit der Trägersignale ermöglicht es,
dass neben den modulierten Trägersignale
auch Summensignale aus mehreren Trägersignalen übertragen
werden. Die einzelnen modulierten Trägersignale lassen sich also
passend zu Summensignalen bündeln.
Indem auf der Senderseite solche Summensignale auf die Elektroden
gegeben werden, kann die Anzahl der Elektroden auf dieser Seite
kleiner sein als die Anzahl der zu übertragenden Signale, denn
passende Filter ermöglichen
es auf der Empfängerseite,
diese einzelnen modulierten Trägersignale
wieder voneinander zu trennen.
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Eine Ausgestaltung sieht vor, dass
im Feldgerät
mindestens ein erster Mikroprozessor und dass in der externen Einheit
mindestens ein zweiter Mikroprozessor vorgesehen ist dergestalt,
dass eine bidirektionale Signalübertragung
zwischen dem Feldgerät
und der externen Einheit ermöglicht
ist. Durch die Mikroprozessoren soll also die Übertragung von Signalen in
beiden Richtungen möglich
sein. Mit Hilfe dieser Mikroprozessoren lassen sich teilweise auch erst
digitale Signale gewinnen, bzw. lassen sich empfangene Daten, z.B.
Programmcode oder Parametrierdaten passend weiterverarbeiten oder
an passende Stellen weiterleiten.
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Eine weitere Ausgestaltung sieht
vor, dass die Anzahl der Elektroden im Feldgerät nicht identisch ist mit der
Anzahl der Elektroden in der externen Einheit. Dies könnte bedeuten,
dass z.B. zwei Elektroden nur mit einer gegenüberliegenden Elektrode einen
Kondensator ausbilden, so dass die beiden Signale an den beiden
Elektroden zu einem Summensignal auf der anderen Seite mit der einen
Elektrode führen.
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Eine Variante sieht vor, dass im
Feldgerät
ein kapazitives Bedienelement vorgesehen ist, dass das Feldgerät also über eine
oder mehrere Tasten verfügt.
Dabei können
die erste Elektrode und der erste Mikroprozessor im Feldgerät Bestandteile
dieses Bedienelements sein. Das bedeutet, dass die Elektroden im
Feldgerät
zum einen als manuell zu betätigende
Tasten funktionieren, dass sie zum anderen auch mit der externen
Einheit der Signalübertragung
dienen.
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Eine weitere Variante sieht vor,
dass es sich bei dem Feldgerät
und der externen Einheit um zwei Einheiten handelt, die sich in
einem Feldgerät
befinden, dass zwischen der ersten und der zweiten Einheit mindestens
eine Abtrennung vorgesehen ist, dass in der ersten Einheit mindestens
eine erste Elektrode vorgesehen ist, dass in der zweiten Einheit mindestens
eine zweite Elektrode vorgesehen ist, dass die Abtrennung zwischen
der ersten und der zweiten Einheit als Dielektrikum zwischen den
Elektroden funktioniert. Die Signalübertragung wäre so zwischen
einzelnen Bereichen im Feldgerät
möglich. Diese
Variante könnte
dazu dienen, dass Signale innerhalb des Feldgerätes zwischen unterschiedlichen Bereichen übermittelt
werden, von denen z.B. einer in einem explosionsgefährdeten
Flaum ist.
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Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden
Zeichnungen näher
erläutert.
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Es zeigt:
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1:
ein Blockschaltbild der Signalübertragung
eines digitalen Signals mittels Amplitudenmodulation;
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2:
ein Blockschaltbild für
die Übertragung
analoger Signale;
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3:
ein Blockschaltbild für
die simultane Übertragung
mehrerer Signale über
entsprechend viele Elektroden;
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4:
eine perspektivische Ansicht einer schematischen Darstellung der
Verbindungselemente, mit denen der Kontakt zwischen dem Feldgerät und der
externen Einheit stattfinden kann; und
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5:
eine schematische Darstellung, dass die Signalübertragung zwischen zwei Einheiten
im Feldgerät
vorgenommen wird.
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1 zeigt
ein Blockschaltbild für
eine mögliche
Realisierung der digitalen Signalübertragung mittels Amplitudenmodulation
zwischen dem Feldgerät 1 und
der externen Einheit 2. Dargestellt sind die dafür wesentlichen
Teile der externen Einheit 2 und des Feldgerätes 1.
Die Elektrode 3 im Feldgerät 1 und
die Elektrode 4 in der externen Einheit 2 bilden mit
dem Dielektrikum 5 zwischen ihnen einen Kondensator. Das
Dielektrikum 5 ergibt sich aus der Gestaltung des Feldgerätes 1 und
der externen Einheit 2. Die Elektrode 3 im Feldgerät 1 erfüllt auch
die Aufgabe einer Taste im kapazitiven Bedienelement 32 des
Feldgerätes 1.
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Die Elektrode 3 des Feldgerätes 1 ist
mit einer Einheit für
die Tastenfunktion 6 und mit einer Einheit für die Signalübertragung 7 zur
externen Einheit 2 verbunden. Die Einheit für die Tastenfunktion 6 besteht
aus einem Tiefpassfilter 8 und einem Signalgenerator 9.
Der Tiefpassfilter 8 lässt
nur die Signale von der Elektrode 3 zum Mikroprozessor 10 durch, die
sich durch die manuelle Betätigung
der Taste ergeben. Der Signalgenerator 9, der über einen
Widerstand 11 ebenfalls mit der Elektrode 3 verbunden
ist, ermöglicht
das Auslesen der Kapazität
des Kondensators, der sich bei der Tastenfunktion aus der Elektrode 3 und
dem manuellen Berühren
der Taste ergibt. Dieser Signalgenerator 9 kann beispielsweise auch
das Taktelement des Mikroprozessors 10 sein. In der Einheit
für die
Signalübertragung 7 befinden sich
ein Modulator 12 und ein Demodulator 13. Beim Modulator 12 wird
das Signal eines Rechteckgenerators 14, das als Trägersignal
dient, über
ein Gate 15 mit dem Signal TxD des Mikroprozessors 10 amplitudenmoduliert.
Das modulierte Signal passiert einen Hochpassfilter 16 und
wird auf die Elektrode 3 gegeben. Beim Demodulator 13 wird
das empfangene amplitudenmodulierte Signal von der externen Einheit 2 nach
Passieren des Hochpassfilters 16 durch einen Gleichrichter 17,
der als Spitzenwert- oder Vollweggleichrichter ausgeführt sein
kann, demoduliert. Nach dem Passieren eines Tiefpassfilters 18 ergibt sich
dann das Signal RxD der externen Einheit 2, das zum Mikroprozessor 10 gelangt.
Die Filter (Hochpass für
Signalübertragung 16 und
Tiefpass 8 für
die Taste 6) trennen also zwischen den möglichen
Signalen, die an der Elektrode 3 im Feldgerät 1 ankommen können.
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In der externen Einheit 2 befinden
sich hinter der Elektrode 4 ein Modulator 12 und
ein Demodulator 13, deren Bau und Funktion denen im Feldgerät 1 entsprechen.
Der Mikroprozessor 18 in der externen Einheit 2 kann
beispielsweise in einem Laptop oder in einem PC eingebaut sein.
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2 demonstriert
eine Übertragung
von analogen Signalen, bei der simultan zwei Signale (in diesem
Beispiel handelt es sich um Hüllkurve
und Triggersignal) übertragen
werden. Dafür
wird jeweils ein Trägersignal
mit dem zu übertragenden
Signal moduliert, wobei sich die Trägersignale in ihrer Frequenz
(f1 und f2) unterscheiden. Die modulierten Trägersignale werden summiert
(Addierelement 20), und das Summensignal wird auf die Elektrode 3 gegeben.
Auf der Seite der externen Einheit 2 macht diese Verwendung
von zwei Frequenzen die beiden Bandpassfilter 21 erforderlich,
die jeweils nur Signale der jeweiligen Frequenzen f1 und f2 passieren
lassen. Somit können
beide modulierten Trägersignale wieder
getrennt werden. Da es sich um analoge Signale handelt, können diese
im gezeigten Beispiel auch direkt auf einen Oszilloskopen 22 in
der externen Einheit 2 gegeben werden, um dort die Messsignale
direkt zu beobachten. Für
den gezeigten Fall ist somit in der externen Einheit kein Mikroprozessor
erforderlich. Im Feldgerät 1 kommt
der Mikroprozessor 10 nur für die Einheit für die Tastenfunktion 6 zur
Anwendung.
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Die zu übertragenden analogen Signale (Hüllkurve
und Triggersignal) stammen direkt von der Messung und daher wird
für deren Übertragung
auch kein Mikroprozessor benötigt.
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Diese Figur zeigt gleichzeitig auch,
wie es möglich
ist, Signale zu übertragen,
wenn die Anzahl der zu übertragenden
Signale größer ist
als die Anzahl der Elektroden: Für
die Übertragung
werden Trägersignale
mit den zu übertragenden
Signalen moduliert, die sich in ihrer Frequenz voneinander unterscheiden.
Somit können
die amplitudenmodulierten Signale summiert und auf die Elektroden
gegeben werden. In der externen Einheit 2 sorgen dann unterschiedliche
Bandpassfilter (hier 21) dafür,
dass zwischen den einzelnen Signalen wieder unterschieden werden
kann.
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3 zeigt
eine Realisierung der Möglichkeit,
für jedes
zu übertragende
Signal eine einzelne Elektrode zu verwenden. Von den Bauteilen und
dem Aufbau her stellt diese Figur eine Zusammenführung der Ideen in 1 und 2 dar. Die Signalübertragung findet in diesem
Beispiel mit drei Elektrodenpaaren statt: Im Feldgerät 1 sind
dies die Elektroden 3 und in der externen Einheit 2 die
zugehörigen
Elektroden 4. Vom Feldgerät 1 werden Hüllkurve
und Triggersignal analog und wird das Signal TxD digital übertragen. Empfangen
wird vom Feldgerät 1 das
digitale Signal RxD von der externen Einheit 2. In der
externen Einheit 2 ist für jede Elektrode 4 ein
entsprechender Bandpassfilter 21 vorgesehen. Es wäre jedoch
auch möglich,
jeweils einen Hochpassfilter zu verwenden. Ebenfalls wäre es möglich, da
jedes zu übertragende Signal über eine
eigene Elektrode übertragen
wird, dass alle Trägersignale
die gleiche Frequenz haben. Diese Ausgestaltung der Signalübertragung
mit drei Elektroden ermöglicht
es zudem, drei Tasten über
die Einheit für
die Tastenfunktion 6 des kapazitiven Bedienelements 32 zu
benutzen.
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4 zeigt
eine Möglichkeit
für die
Verbindungselemente am Feldgerät
und an der externen Einheit, um den Kontakt zwischen dem Feldgerät und der
externen Einheit zu ermöglichen.
Im Gehäuse des
Feldgerätes 26 ist
eine Art von Base 27 ausgebildet, in der sich eine Elektrodenplatte 28 befindet.
Um diese Elektrode 28 für
das Bedienelement als Taste zu benutzen, müsste der Benutzer beispielsweise
die Nase 27 zwischen Daumen und Zeigefinger nehmen oder
es würde
auch das Drücken
gegen eine Seite der Nase 27 ausreichen. Die externe Einheit
verfügt über eine
Art von Clip 31, bei dem sich in jeder Klemmbacke 29 eine
Elektrode 30 befindet. Dieser Clip 31 in Art einer
Wäscheklammer
wird dann an die Nase geklemmt. Der Vorteil dieser Ausgestaltung
ist, dass die Kapazität
des sich ergebenden Kondensators doppelt so groß ist als bei der einfachen
Ausgestaltung, wie sie die Figuren 1 bis 3 andeuten, und dass die
externe Einheit leicht und sicher mit dem Feldgerät verbunden
werden kann.
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5 zeigt
den Fall, dass es sich um die Signalübertragung zwischen zwei Einheiten
(33, 34) im Feldgerät (1) handelt. Hierbei
besteht das Dielektrikum aus der Abtrennung (35) zwischen
den beiden Einheiten (33, 34). Weiterhin ergibt
sich aus den beiden Elektroden (36, 37) und der
Abtrennung (35) ständig
ein Kondensator, über
den die Signale übertragen
werden können.
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- 1
- Feldgerät
- 2
- Externe
Einheit
- 3
- Elektrode
- 4
- Elektrode
- 5
- Dielektrikum
- 6
- Einheit
für die
Tastenfunktion
- 7
- Einheit
für die
Signalübertragung
- 8
- Tiefpass
- 9
- Signalgenerator
- 10
- Mikroprozessor
- 11
- Widerstand
- 12
- Modulator
- 13
- Demodulator
- 14
- Signalgeber
- 15
- Gate
- 16
- Hochpass
- 17
- Gleichrichter
- 18
- Mikroprozessor
- 19
- Modulator
- 20
- Addieren
- 21
- Bandpass
- 22
- Oszilloskop
- 23
- Einheit
für digitale
Signalübertragung
- 24
- Einheit
für analoge
Signalübertragung
- 25
- Demodulator
- 26
- Gehäuse
- 27
- Nase
- 28
- Elektrode
- 29
- Clip-Backe
- 30
- Elektrode
- 31
- Clip
- 32
- Kapazitives
Bedienelement
- 33
- Einheit
im Feldgerät
- 34
- Einheit
im Feldgerät
- 35
- Abtrennung
- 36
- Elektrode
- 37
- Elektrode