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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überprüfung der Funktion eines Drucksensors für die Erfassung des in einem Medium vorherrschenden Drucks, wobei der Drucksensor eine Druckmesszelle mit wenigstens einem Messwandler und einem als Diode, insbesondere als Zener-Diode ausgeführten Temperaturmessaufnehmer zur Erfassung der an der Druckmesszelle herrschenden Temperatur aufweist.
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Drucksensoren werden in vielen Industriebereichen zur Druckmessung eingesetzt, wobei der kapazitive Drucksensor eine typische Ausführung ist. Kapazitive Drucksensoren weisen häufig eine keramische Druckmesszelle, als Messwandler für den Prozessdruck, und einen Auswerteelektronik zur Signalverarbeitung auf.
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Bei der Druckmessung soll häufig der Druck innerhalb eines an eine Messzelle angrenzenden Mediums erfasst werden. Die Messzelle ist Bestandteil des Messgeräts und besteht typischerweise aus einem keramischen Grundkörper und einer Membran, wobei zwischen dem Grundkörper und der Membran ein Glaslotring angeordnet ist. Der sich dadurch ergebende Hohlraum zwischen Grundkörper und Membran ermöglicht die längsgerichtete Beweglichkeit der Membran infolge eines Druckeinflusses. An der Unterseite der Membran und an der gegenüberliegenden Oberseite des Grundkörpers sind jeweils Elektroden vorgesehen, die zusammen einen Messkondensator bilden. Durch Druckeinwirkung kommt es zu einer Verformung der Membran, was eine Kapazitätsänderung des Messkondensators zur Folge hat. Mit Hilfe einer Auswerteeinheit wird die Kapazitätsänderung erfasst und in einen Druckmesswert umgewandelt. In der Regel dienen diese Drucksensoren zur Überwachung oder Steuerung von Prozessen. Sie sind deshalb häufig mit übergeordneten Steuereinheiten (SPS) verbunden.
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Messzellen und Messgeräte dieser Art sind seit längerem bekannt und werden beispielsweise in vielen Bereichen der Prozessmesstechnik zur messtechnischen Prozessbeobachtung eingesetzt. Derartige Messgeräte werden von der Anmelderin bspw. unter den Gerätebezeichnungen PNxx und PIxx hergestellt und in Verkehr gebracht. Die Messbereiche gehen derzeit üblicherweise bis 600 bar.
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Auch bei der Druckmessung der in Rede stehenden Art spielt der Temperatureinfluss auf das Messergebnis eine große Rolle. Die bei der Druckmessung ausgewertete Kapazitätsänderung ist auch abhängig von der Permittivität des Mediums, dass sich innerhalb des Keramikkörpers und damit zwischen den Elektroden befindet. Üblicherweise ist dieses Medium Luft. Durch eine Temperaturänderung kann sich diese Permittivitätszahl ändern. wodurch eine Druckänderung festgestellt wird, deren tatsächlicher Betrag vom gemessenen Wert abweichen kann. Bspw. kann die tatsächliche Druckänderung Null betragen, während das Messgerät eine Druckänderung feststellt.
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Aufgrund dessen muss der Messwandler temperaturkompensiert werden, d.h. der Anteil der in der unmittelbaren Umgebung des Wandlers herrschenden Temperatur muss aus dem gemessenen Kapazitätswert bzw. Spannungs- oder Stromwert herausgerechnet werden, so dass alle Messwerte ohne Temperatureinfluss miteinander vergleichbar sind.
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Hierfür kann ein Temperaturmessaufnehmer auf der Messzelle vorgesehen werden. Als Temperaturmessaufnehmer kommt vorzugsweise ein NTC- oder PTC-Temperaturfühler infrage, bspw. ein als Pt100-Widerstandsthermometer ausgeführtes Thermistorbauelement. In einer Auswerteeinheit, z.B. einem Mikrocontroller, kann dann rechnerisch der gemessene Druckwert um den Fehlereinfluss der Temperatur bereinigt werden.
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Problematisch ist nun allerdings, dass der Temperaturfühler nicht immer zuverlässig misst, bspw. können sich über eine längere Betriebsdauer Alterungserscheinungen einstellen. Insgesamt ist festzustellen, dass Temperaturfühler Drift- und Degradationseffekten unterliegen, die zu einer Falschmessung der Temperatur und damit zu einer falschen Kompensation des gemessenen Druckwerts führen können. Um also eine zuverlässige Kompensation der Druckwerte durchzuführen ist eine zuverlässige Temperaturmessung notwendig. Insbesondere bei sicherheitsorientierten Anwendungen, kommt es auf eine sichere Temperaturerfassung an bzw. müssen Fehler in der Temperaturerfassung sicher erkannt werden.
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Eine übliche Methode zur permanenten Überprüfung des Temperaturfühlers ist ein redundanter Aufbau. Die Messwerte von zumindest zwei Temperaturfühlern werden betragsmäßig miteinander verglichen und bei entsprechend großer Abweichung wird eine Fehlfunktion erkannt. Ein Nachteil dieses einfachen redundanten Aufbaus ist neben dem Temperaturgradienten zwischen den beiden Bauteilen, dass systematische Fehler nicht oder nur schwer erkannt werden können. Außerdem unterliegen Drift- und Alterungseffekte einer gewissen Zufälligkeit, so dass nicht ausgeschlossen werden kann, dass beide Temperaturfühler über die Zeit ein gleich- oder ähnlich gelagertes Fehlerverhalten aufweisen. Das betragsmäßige Vergleichen beider Temperaturmesswerte würde in diesem Fall keine Unregelmäßigkeiten erkennen lassen.
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Aus diesem Grund schlägt die
DE 10 2004 035 014 A1 einen Aufbau mit diversitärer Redundanz vor. Diese Anordnung beinhaltet mindestens zwei Sensorelemente mit temperaturabhängiger Impedanz, die innerhalb eines Sensorkopfs thermisch gekoppelt integriert sind. Dabei weisen die temperaturabhängigen Impedanzen unterschiedliche Temperatur-/Widerstandskennlinien, um so die diversitäre Redundanz der Fühlerelemente zu gewährleisten. Durch den diversitären Aufbau in Kombination mit einer Redundanz können nun systematische Fehler sowie Drift- und Alterungseffekte zuverlässig erkannt werden. Nachteilig ist allerdings – wie bei jedem redundanten Aufbau – die höheren Herstellkosten, die sich durch die zusätzlichen Bauteile und elektrische Verbindungen ergeben.
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Aufgabe der Erfindung ist es, die zuverlässige Temperaturmessung weiter zu verbessern und dabei Platzbedarf und insbesondere die Herstellkosten zu verringern.
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Die aufgezeigte Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Erfindungsgemäß weist der Drucksensor eine Druckmesszelle mit wenigstens einem Messwandler und einem als Diode, insbesondere als Zener-Diode ausgeführten Temperaturmessaufnehmer zur Erfassung der an der Druckmesszelle herrschenden Temperatur auf. Die Diode wird nun abwechselnd in Durchlassrichtung und in Sperrrichtung betrieben und dabei wird eine temperaturabhängige Durchgangsspannung bzw. eine temperaturabhängige Zenerspannung gemessen. In einer vorherigen Abgleichprozedur wurden die Temperaturkennlinien von Durchgangs- und Zenerspannung in einer Lookup-Tabelle abgelegt, so dass im laufenden Betrieb den beiden gemessenen Werten von Durchgangs- und Zenerspannung jeweils die dazugehörige Temperatur aus der Lookup-Tabelle zugeordnet werden kann. Wenn nun die Differenz der beiden Temperaturbeträge aus der Lookup-Tabelle zueinander bestimmt wird, kann bei signifikanter Über- oder Unterschreitung des Wertes Null eine fehlerhafte Funktion des Temperaturmessaufnehmers erkannt werden.
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Die Abgleichprozedur beinhaltet dabei im Wesentlichen das Abspeichern der Temperaturkennlinie sowohl der Durchgangs- als auch der Zenerspannung, d.h. das Verhalten der Spannung über einem Temperaturbereich, welcher typischerweise zwischen –40°C und +125°C liegt. Mit diesen abgespe icherten Kennlinien ist es dann möglich, zu jeder gemessenen Durchgangs- und Zenerspannung die jeweils zugehörige Temperatur zu ermitteln.
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Das Wesentliche dabei ist, dass Durchgangs- und Zenerspannung jeweils unterschiedliche Temperaturabhängigkeiten und damit unterschiedliche Temperaturkennlinien haben. Die Zener-Diode arbeitet bzw. wirkt somit wie zwei redundant, diversitäre Temperaturfühler, da aus diesem einen Bauteil zwei Temperaturinformationen gewonnen werden können. Der Vorteil dabei besteht darin, dass bei einer Zener-Diode diese zwei Eigenschaften in einem Halbleiterkristall vereint sind und somit ein Temperaturgradient vernachlässigbar ist.
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Werden durch Umweltbedingungen, z.B. Hitze, Strahlung, EMV oder Alterung, die Eigenschaften des Bauteils verändert, wird sich dadurch auch deren Temperatureigenschaft unterschiedlich ändern, d.h. die Temperaturkennlinien von Durchgangs- und Zenerspannung verändern sich nicht im gleichen Maße sondern unterschiedlich. Ändert sich auch nur die Eigenschaft bei einer Polarität, werden den gemessenen Werten von Durchgangs- und Zenerspannung jeweils unterschiedliche Temperaturwerte zugeordnet, was beim letzten Verfahrensschritt, dem Vergleich der beiden Temperaturwerte, auffällt. Dadurch ist eine unsichere Temperaturbestimmung detektierbar.
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Statt einer Z-Diode kann auch ein anderes elektronisches Bauelement eingesetzt werden, mit den Voraussetzungen, dass dessen thermische Eigenschaften möglichst unterschiedlich in beiden Polrichtungen sind. Beispielsweise kann anstatt einer Z-Diode auch ein Schaltungsverbund – z.B. Transistor mit Widerständen – verwendet werden, der dann als Zweipol verwendet wird. Die Alternative kann nötig sein für eine genauere Temperaturmessung bzw. für einen größeren Temperaturbereich.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Lookup-Tabelle in einem Mikrocontroller abgelegt ist, bspw. in einem EEPROM. In einer ersten Alternative weist der Mikrocontroller zwei Anschlüsse auf, wobei einer als Eingang und der andere als Ausgang fungiert. In einer zweiten Alternative weist der Mikrocontroller drei Anschlüsse auf, wobei zwei als Ausgang und einer als Eingang fungiert. Einer der Ausgänge arbeitet dabei vorteilhafterweise als Inverter. Auf diese Weise ist es möglich, den zur Verfügung stehenden Spannungsbereich von typischerweise 0V bis 5V im größeren Maße auszunutzen. Somit sind auch Z-Dioden mit höherer Zenerspannung als Temperaturmesselement möglich.
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Nachfolgend wird die Erfindung im Zusammenhang mit Figuren anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 eine erste Ausführung einer Druckmesszelle mit einer Z-Diode als Temperaturaufnehmer,
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2 eine zweite Ausführung einer Druckmesszelle mit einer Z-Diode als Temperaturaufnehmer,
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3 eine Messschaltung zur sicheren Temperaturerfassung,
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4 die Spannungsverläufe an I/O-Pin und A/D-Eingangspin des Mikrocontrollers,
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5 eine Messschaltung mit zwei Spannungsquellen und
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6 eine Messschaltung mit einer Spannungsquelle.
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In den nachfolgenden Figuren bezeichnen, sofern nicht anders angegeben, gleiche Bezugszeichen gleiche Teile mit gleicher Bedeutung.
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In 1 ist eine erste Ausführung einer Druckmesszelle 1 mit einer Z-Diode D1 als Temperaturaufnehmer dargestellt. Die Druckmesszelle 1 besteht aus einem keramischen Grundkörper 4 mit einer Membran, an der der zu messende Druck anliegt. Derartige Messzellen sind hinlänglich bekannt und bedürfen an dieser Stelle keiner weiteren Beschreibung. Auf der Oberseite des keramischen Grundkörpers 4 befindet sich beabstandet ein Bauteilträger 3 zur Aufnahme der zur Auswertung der Kapazitätsänderung notwendigen elektronischen Schaltung 2. Der Bauteilträger 3 ist als Platine oder ebenfalls aus Keramik ausgeführt. Die Beabstandung erfolgt durch die Kontaktierungspins, durch die die Auswerteschaltung 2 mit den die Kapazitätsänderung messenden Elektroden verbunden ist.
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Die Druckmesszelle 1 wird von der sie umgebenden Temperatur beeinflusst. Auch wenn die Temperatur in 1 nur durch den Pfeil von unten angedeutet ist, so umgibt sie die Messzelle 1 dennoch vollständig. Da aber eine Temperaturänderung überwiegend von dem zu messenden Medium ausgeht, wurde der Pfeil an der Unterseite gezeichnet. Letztlich beeinflusst eine Temperaturänderung das Messergebnis, weil sich dadurch u.a. die mechanische Ausdehnung bzw. Einspannung der Messzelle ändert. Aus diesem Grund muss der Temperaturaufnehmer möglichst nahe an der Messzelle befinden. In 1 ist der Temperaturaufnehmer als Zener-Diode D1 ausgeführt und befindet sich an der Unterseite des Bauteilträgers 3.
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In 2 ist eine zweite Ausführung einer Druckmesszelle 1 mit einer Z-Diode D1 als Temperaturaufnehmer dargestellt. Bei dieser Ausführung entfällt der Bauteilträger 3. Stattdessen befindet sich die gesamte Auswerteschaltung 2 mitsamt der Zener-Diode D1 auf der Oberseite des keramischen Grundkörpers 4. Ansonsten ist die Messzelle 1 mit der aus 1 bekannten Messzelle vergleichbar.
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In 3 ist eine Prinzipskizze abgebildet, wie eine Messschaltung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens aussehen könnte. Im Mittelpunkt steht die Zener-Diode D1 und der Mikrocontroller 10. An dem I/O-Port des Mikrocontrollers 10 liegt ein Rechtecksignal an. Der Widerstand R1 dient als Vorwiderstand zur Begrenzung des durch die Z-Diode D1 fließenden Stromes. Die Widerstände R2 und R3 bilden einen Spannungsteiler zur Beeinflussung der Durchlassspannung, wobei R3 auch als Spannungsreferenz in Form einer Diode ausgeführt sein kann.
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Der zweite, mit ADC bezeichnete Port des Mikrocontrollers 10 ist ein Eingang, an dem das durch die Z-Diode D1 veränderte Rechtecksignal empfangen, digitalisiert und zur weiteren Verarbeitung weitergeleitet wird. Wie die Signale an den beiden Ports aussehen wird in der nachfolgenden 4 veranschaulicht. Die dargestellt Schaltung stellt wie erwähnt nur eine Prinzipskizze zur Verdeutlichung des Verfahrens dar, weil sich in dieser Ausführung an den beiden Widerständen R2 und R3 hohe Verluste ergeben. Eine Verbesserung stellt die in 5 dargestellte Alternative mit zwei Spannungsquellen dar.
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Der mit „A“ gekennzeichnete Signalverlauf in 4 bildet das vom Mikrocontroller 10 generierte und am I/O-Port anliegende Rechtecksignal ab, während das untere Diagramm, mit „B“ bezeichnet, das veränderte Signal am ADC-Eingang des Mikrocontrollers 10 darstellt. VSS liegt bspw. auf 0V und VCC auf 5V. Das generierte Rechtecksignal alterniert von 0V bis 5V. Durch die Z-Diode D1 wird das Signal derart verändert, dass es nur noch zwischen der Zenerspannung UZ und der Durchlassspannung UF alterniert, wobei UF die untere und UZ die obere Begrenzung darstellt. Bei umgedrehter Polarität der Z-Diode D1 sind die „High“ und „Low“ vertauscht, d.h. UF stellt dann die obere und UZ die untere Begrenzung dar. Abhängig von der durch die Zener-Diode D1 „gemessenen“ Temperatur verändern sich nun die jeweiligen Schulterhöhen des Signals.
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5 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel zur Umsetzung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Im Gegensatz zu der in 3 gezeigten Messschaltung wurden die zwei Widerstände R2 und R3 durch zwei Spannungsquellen von je 2,5V ersetzt, um die an den Widerständen auftretenden Verluste zu vermeiden. Der Mikrocontroller 10 wird mit 5V betrieben, während die Z-Diode D1 auf einem Potential von 2,5V liegt. Dementsprechend ist die Z-Diode D1 bis etwa 2,4V dimensionierbar. Der Widerstand R1 ist wie oben erläutert ein Vorwiderstand zur Begrenzung des durch die Z-Diode D1 fließenden Stromes. Am I/O-Port liegt ein Rechtecksignal von 0–5V an, das entsprechend dem Diagramm in 4 von UF bis UZ alternierend am ADC-Port des Mikrocontrollers 10 empfangen wird. Das Signal wird in einem A/D-Wandler digitalisiert. Abhängig vom Takt des ursprünglich generierten Rechtecksignals wird abwechselnd ein Schalter für „High“ bzw. logisch „1“ und für „Low“ bzw. logisch „0“ betätigt. Dies soll durch die gestrichelte Linie angedeutet werden.
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In der hier gezeigten Polarität der Z-Diode D1 liegt entsprechend UZ auf „1“ und UF auf „0“. Wenn der Pfad für UZ durchgeschaltet ist, wird der Betrag für UZ ermittelt und mit der hinterlegten Temperaturkennlinie 12b abgeglichen. Diese Kennlinie 12b wurde in einem Speicher 11, bspw. ein EEPROM, werkseitig hinterlegt und stellt den Spannungsverlauf von UZ über der Temperatur dar. In gleicher Weise wird UF verarbeitet. Wenn der Pfad für UF durchgeschaltet ist, wird der Betrag für UF ermittelt und mit der für UF hinterlegten Temperaturkennlinie 12a abgeglichen, welche ebenfalls in dem Speicher 11 hinterlegt ist.
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Wie bereits erläutert sind UZ und UF temperaturabhängig, sodass sich nach dem Abgleich mit den Kennlinien 12a, 12b die jeweils gemessene Temperatur ermitteln lässt. In einer dem Speicher 11 nachgeschalteten Vergleichereinheit 13 werden die beiden ermittelten Temperaturbeträge miteinander verglichen. Wenn – im Rahmen einer vereinbarten Toleranz – festgestellt wird, dass die Beträge gleich sind, ist dies ein Hinweis darauf, dass die Z-Diode D1 fehlerfrei arbeitet und dass der ermittelte Betrag zur Temperaturkompensation weiterverarbeitet werden kann. Sind die Beträge aber ungleich, ist das ein sicherer Hinweis darauf, dass die Temperaturmessung nicht fehlerfrei erfolgt ist, worauf entsprechend durch eine nicht gezeigte Signalausgabe einer optischen und/oder akustischen Warnung hingewiesen werden kann.
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Die eigentliche Temperaturkompensation erfolgt dann entweder dadurch, dass aus einer weiteren Messwerttabelle ein von der gemessenen Temperatur abhängiger Korrekturwert entnommen wird, mit dem der gemessene Druck verrechnet wird, so dass der um den Temperaturfehler bereinigte, tatsächliche Druck ausgegeben werden kann. Alternativ dazu können auch beide in 5 dargestellten Kennlinien 12a, 12b jeweils bereits die um die gemessene Temperatur korrigierten Druckwerte ausgeben, die dann in der Vergleichereinheit 13 miteinander verglichen werden, um eine Aussage über die Zuverlässigkeit der Temperaturmessung zu erhalten. Vorteil hierbei ist, dass im Falle, dass die Differenz zwischen den beiden verglichenen Druckwerten gleich Null ist, dieser Druckwert unmittelbar zur weiteren Verarbeitung weitergegeben werden kann.
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6 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel zur Umsetzung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Im Unterschied zum vorherigen Ausführungsbeispiel wird die Z-Diode D1 in 6 mit 5V beaufschlagt. Dadurch vergrößert sich die Auswahl an Z-Dioden, da die Zenerspannung im Bereich von 2V bis 4,7 V liegen kann. Abhängig davon, wie genau die Temperaturmessung sein soll, können Z-Dioden mit 1mV/K oder 2–3mV/K verwendet werden, um nur zwei Beispiele zu nennen. Der Vorteil von Z-Dioden mit größerer Zenerspannung ist, dass sich der auswertbare Bereich vergrößert und dadurch die Kennlinie genauer ist. Die nachfolgende A/-D-Wandlung kann dann mit einer geringeren Auflösung durchgeführt werden.
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Der größere Spannungsbereich wird erreicht, indem der Mikrocontroller 10 einen weiteren Ausgang aufweist, der das am ersten Ausgang anliegende Rechtecksignal genau invertiert ausgibt. Auf diese Weise verdoppelt sich die Flankenhöhe des Rechtecksignals. Auf die zweite Spannungsquelle kann damit verzichtet werden, sodass nur eine Spannungsquelle mit 5V notwendig ist. Das Empfangen und Weiterverarbeiten des Signals erfolgt ansonsten in gleicher Weise wie im Ausführungsbeispiel in 5, worauf hiermit zur Vermeidung von Wiederholungen Bezug genommen wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102004035014 A1 [0010]