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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur ortsaufgelösten Detektion von elektromagnetischen Oberflächenwellen bei elektrischen Schaltungen, die mit elektrischen und/oder elektronischen Bauteilen versehen und insbesondere auf Leiterplatinen ausgebildet sind.
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Um sicherzustellen, dass Geräte, welche über Einrichtungen zum Aussenden und/oder Empfangen von elektromagnetischen Wellen verfügen, auch in der Umgebung von anderen elektronischen Geräten betrieben werden können, ohne Funktionsstörungen zu erleiden oder zu verursachen, muss bei der Entwicklung aller elektronischen Geräte auf die Einhaltung der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) geachtet werden. Dabei müssen im Rahmen von Tests auch Störemissionen geprüft und Störunempfindlichkeit verifiziert werden, um die Einhaltung geltender Vorschriften sicherzustellen.
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Im Folgenden wird auf die Störemission von Geräten und Baugruppen eingegangen, welche entscheidend dafür ist, dass keine Funkdienste beeinflusst werden. Die Erfindung aber ist auf deren Anwendung bei Störemissionsdetektionen nicht beschränkt.
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Eine übliche Messung eines Prüflings auf die Einhaltung vor maximalen Störemissionspegeln wird normalerweise in einer geschirmten und (meist bis auf den Boden) echofreien Kammer ausführt. Dabei wird der Prüfling nahe eines Endes der Kammer in definierter Höhe aufgestellt und betrieben. Am gegenüberliegenden Ende werden die emittierten Störungen mittels breitbandiger Antenne aufgenommen und mit einem Messempfänger quantitativ ausgewertet.
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Obwohl nur auf diese Art (von einer äquivalenten Messung im Freifeld abgesehen) der Fernfeldmessung gesetzlich zulässige Messergebnisse erzeugt werden können, liefert sie keinerlei Aussage darüber, welche Schaltungsteile des Prüflings die Störung erzeugen und wo ggf. Undichtigkeiten im Gehäuse sind oder an welchen Leitungen Mantelstromwellen abfließen. Damit wird eine Nachbesserung oder eine Vermeidung von EMV-Problemen im Vorfeld zum „Orakeln“.
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Zur Detektion von Mantelstromwellen siehe beispielsweise
DE 198 24 157 C1 sowie zur Detektion der Ausbreitungsrichtung von Mantelstromwellen siehe den Vorschlag gemäß
DE 10 2016 123 238 A1 , die eine vorangemeldete und nachveröffentlichte deutsche Patentanmeldung betrifft.
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Zur Lokalisation vor Störquellen sind daher eine Vielzahl von Nahfeldsonden erhältlich, die zwar nur bedingt Aufschlüsse auf das Verhalten im Fernfeld zulassen, jedoch die Ursachen für eine Überschreitung von Grenzwerten leichter finden lassen. Diese messen üblicherweise das magnetische, seltener das elektrische Feld, welches über einer Baugruppe bzw. einem Bauteil oder an einer Leitung auftritt. Nachteilig an diesen Sonden ist, dass die manuell geführt werden müssen, um die verschiedenen möglichen Störquellen untersuchen zu können.
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Deutlich komfortabler sind hier Systeme, welche aus einem gemultiplexten Array an (magnetischen) Nahfeldsonden bestehen und die gemessenen Feldstärken als zweidimensionales Bild aufbereiten (siehe
US 6,268,738 B2 und
US 4,829,238 A ). Diese nutzen eine Schaltmatrix, um die Nahfeldsonden, welche für die Messung von Interesse sind, der Reihe nach auf einen Messempfänger zu schalten, welcher dann für die interessanten Frequenzen die Störamplituden bestimmt. Eine PC-gestützte Software fasst die Messungen aller gewünschten Sensoren zusammen und stellt diese grafisch als zweidimensionales Emissionsbild in Falschfarben dar.
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Mit den oben beschriebenen Nahfeldsonden und Sensorarrays können nun zwar Bereiche hoher Feldstärke lokalisiert werden, jedoch kann diese Information irreführend sein, da die Abstrahlung von Störungen insbesondere bei kleinen Baugruppen und niedrigeren Frequenzen selten direkt über die Platine erfolgt, sondern meistens über angeschlossene Leitungen. Auch zeigt eine hohe Feldstärke nicht zwingend die Quelle einer Störung an, so dass eine Lokalisation des verursachenden Bauteils schwierig ist. Weiterer Stand der Technik ist aus folgender Veröffentlichung bekannt: Woods W. et al., „Radiative Coupling in BGA Packaging for Mixed-Signal and High-Speed Digital", Proceedings of the 51st Electronic Components and Technology Conference ECTC 2001, Seiten 511 – 517.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine komfortablere Detektion von elektromagnetischen Oberflächenwellen bei elektrischen Schaltungen zu schaffen.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird mit der Erfindung eine Vorrichtung zur ortsaufgelösten Detektion von elektromagnetischen Oberflächenwellen bei elektrischen Schaltungen mit elektrischen und/oder elektronischen Bauteilen vorgeschlagen, wobei die Vorrichtung versehen ist mit
- - einem Trägerelement, das eine Sensorebene aufweist, die mit mindestens einer Sensorzone versehen ist, wobei innerhalb der mindestens einen Sensorzone mindestens eine zwei Enden aufweisende Streifenleitung angeordnet ist, die zur Auskopplung einer in Erstreckung der Streifenleitung gerichteten Komponente einer elektromagnetischen Oberflächenwelle oder zur Auskopplung der in Erstreckungsrichtung der Streifenleitung gerichteten Komponente einer Oberflächenwelle, die aus in mehreren Richtungen verlaufenden und sich überlagernden Oberflächenwellen resultiert, vorgesehen ist, die innerhalb desjenigen Ortsbereichs der elektrischen Schaltung verläuft, dem die Sensorzone zugeordnet ist,
- - einer mit den beiden Enden der mindestens einen Streifenleitung der mindestens einen Sensorzone verbundenen oder wahlweise verbindbaren Auswerteeinheit zur Auswertung der an den Enden der mindestens einen Streifenleitung anliegenden Signale,
- - wobei dasjenige Ende der mindestens einen Streifenleitung, an dem das Signal mit der größeren Amplitude anliegt, angibt, in welche Richtung entlang der Erstreckung der mindestens einen Streifenleitung die Komponente der Oberflächenwelle oder die Komponente der aus mehreren Oberflächenwellen resultierenden Oberflächenwelle verläuft, und
- - einer Anzeigeeinheit zur optischen und/oder graphischen und/oder akustischen Anzeige der Ausbreitungsrichtung der entlang der mindestens einen Streifenleitung verlaufenden Komponente der Oberflächenwelle oder der entlang der mindestens einen Streifenleitung verlaufenden Komponente der aus mehreren Oberflächenwellen resultierenden Oberflächenwelle und/oder zur Anzeige der Amplituden der Signale an den Enden der mindestens einen Streifenleitung oder zur Anzeige der Amplitude der Summe von Signalen an den Enden der mindestens einen Streifenleitung,
- - wobei die mindestens eine Sensorzone voneinander isolierte Streifenleitungen aufweist, die gegeneinander verdreht angeordnet sind, und dass in der Auswerteeinheit anhand der Signalamplituden an den beiden Enden jeder Streifenleitung die Richtung und/oder Stärke jeder durch die jeweilige Streifenleitung definierte Komponente und daraus die Ausbreitungsrichtung und/oder Stärke der aus den Komponenten resultierenden Oberflächenwelle innerhalb des Bereichs der elektrischen Schaltung, dem die Sensorzone zugeordnet ist, ermittelbar und an der Anzeigeeinheit anzeigbar ist.
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Sinngemäß wird mit der Erfindung also vorgeschlagen, durch eine Streifenleitung, also einen elektrischen Leiter, der über eine Massepotential aufweisende Fläche oder parallel zu einem Massepotential aufweisenden Streifen geführt ist, nach Art eines „halben“ Richtkopplers fungiert, sich auf elektrischen Schaltungen ausbreitende Oberflächenwellen ortsaufgelöst auszukoppeln und hinsichtlich Ausbreitungsrichtung und ggf. auch Amplitude zu analysieren und zu detektieren. Die diesem Vorschlag zu Grunde liegende Konzeption ist in der nachveröffentlichten
DE 10 2016 123 238 A1 beschrieben. Der Inhalt dieser früheren deutschen Patentanmeldung wird hiermit durch Bezugnahme zum Gegenstand der vorliegenden Patentanmeldung.
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Der erfindungsgemäße Ansatz ist es nun, mit einem derartigen „halben“ Richtkoppler eine elektrische Schaltung „abzufahren“ bzw. zu scannen, um dann ortsaufgelöste Informationen über die Richtung und/oder die Stärke einer Oberflächenwelle zu erhalten. Strenggenommen erhält man bei Verwendung einer einzigen Streifenleitung die Richtungsangabe und ggf. Stärke derjenigen Komponente der Oberflächenwelle, die in Richtung der Ausbreitung der Streifenleitung gerichtet ist. Verwendet man nun pro Sensorzone zwei gegeneinander isolierte und vorzugsweise um 90° gegeneinander versetzte Streifenleitungen, so kann man aus den Ausbreitungsrichtungen der beiden durch den Verlauf der Streifenleitungen definierten Komponenten die resultierende Oberflächenwelle ortsaufgelöst detektieren. Hierzu dient eine Auswerteeinheit, die pro Streifenleitung vorgesehen ist oder mit der sequentiell die Enden mehrerer bzw. sämtlicher Streifenleitungen verbindbar sind. In der Auswerteeinheit kann anhand desjenigen Endes einer Streifenleitung, an dem das größere Signal anliegt, bestimmt werden, in welcher Richtung sich die Oberflächenwelle bzw. die längs der Streifenleitung gerichtete Komponente der Oberflächenwelle ausbreitet. Dabei gilt, dass die in Richtung des Verlaufs der Streifenleitung gerichtete Oberflächenkomponente von demjenigen Ende der Streifenleitung aus, an dem die größere Signalamplitude detektiert wird, an der Streifenleitung entlangläuft. Damit ist die Ausbreitungsrichtung dieser Oberflächenwellenkomponente ermittelt. Werden nun pro Sensorzone zwei um 90° oder in einem anderen Winkel versetzt zueinander ausgerichtete Streifenleitungen genutzt, so kann anhand der Amplituden der Signale an den vier Enden die Stärke und Richtung der beiden winklig zueinander verlaufenden Oberflächenwellenkomponenten und daraus die Richtung und gegebenenfalls auch Stärke der resultierenden Oberflächenwelle errechnet werden (z.B. durch Trigonometrie). Über eine Anzeigeeinheit kann dann graphisch angezeigt werden, in welcher Richtung längs der Streifenleitung die Oberflächenwelle bzw. ihre Komponente verläuft. Die Anzeige kann zusätzlich optisch und/oder auch akustisch erfolgen.
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In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Sensorebene des Trägerelements mehrere in Zeilen- und/oder Spaltenform nebeneinander angeordnete Sensorzonen mit jeweils mindestens einer Streifenleitung aufweist. Mit einem derartigen „Zeilensensor“ kann also durch Überfahren der elektrischen Schaltung in einer quer zur Erstreckung der Zeile verlaufenden Richtung die elektrische Schaltung abgescannt werden. Vorzugsweise ist der Zeilensensor länger als die kürzere Dimension (Länge oder Breite) der zu untersuchenden elektrischen Schaltung.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Sensorebene eine Vielzahl von in Form eines Array angeordnete Sensorzonen mit jeweils mindestens einer, bevorzugt zwei Streifenleitung(en) aufweist. Bei dieser Ausgestaltung der Erfindung wird die zu untersuchende elektrische Schaltung auf das entsprechend groß dimensionierte Trägerelement aufgelegt. Es ist also keine Relativverschiebung zwischen Trägerelement und elektrischer Schaltung erforderlich. Die einzelnen Sensorzonen bzw. deren Streifenleitungen werden entweder nach dem Prinzip des Multiplexens sequentiell mit ein und derselben Auswerteeinheit verbunden oder aber es existieren mehrere Auswerteeinheiten, von denen jede einer Sensorzone und deren Streifenleitung bzw. -leitungen zugeordnet ist. Bei der Nutzung eines Multiplexers sollten bevorzugt zumindest alle Ausgänge aller Streifenleiter einer Sensorzone gleichzeitig ausgewertet werden, um Aliasing-Effekte zu vermeiden.
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Durch Verfahren des oben genannten Zeilensensors in Richtung der Aufeinanderfolge von Sensorzonen oder durch Verfahren des oben als Alternative aufgeführten Array von Sensorzonen in eine oder beiden Flächendimensionen, wobei das Verfahren bzw. Verschieben relativ zur zu untersuchenden Schaltung um jeweils weniger als die Erstreckung einer Sensorzone erfolgt, kann die Ortsauflösung der Oberflächenwellendetektion erhöht werden.
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Vorteilhaft ist es ferner, wenn die beiden Streifenleiter der mindestens einen Sensorzone sich bevorzugt senkrecht überkreuzen oder nebeneinander angeordnet sind.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand mehrerer Ausführungsbeispiele und unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Im Einzelnen zeigen dabei:
- 1 schematisch ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Detektionsvorrichtung mit in Array-Form angeordneten Sensorzonen,
- 2 eine Draufsicht auf die Sensorseite bzw. Sensorebene der Vorrichtung nach 1 und
- 3 bis 6 verschiedene Anordnungen für die pro Sensorzone vorzusehenden Streifenleitungen.
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Um die oben im Zusammenhang mit dem Stand der Technik beschriebenen Nachteile zu umgehen, wird eine Vorrichtung
10 vorgeschlagen, welche statt der ortsaufgelösten Messung des magnetischen Feldes allein, eine Messung von magnetischem und elektrischem Feld in Kombination durchführt, entsprechend der Ausführung als „halber Richtkoppler“, wie in der bereits oben erwähnten nachveröffentlichten
DE 10 2016 123 238 A1 beschrieben. Diese Vorrichtung
10 erlaubt es, in einer Dimension zu bestimmen, in welche Richtung und mit welcher Feldstärke eine Störung an der Oberfläche einer Leitung entlang läuft. Auf der Oberfläche einer Baugruppe kann sich eine elektromagnetische Welle jedoch in zwei Dimensionen bewegen. Deswegen wird hier eine Vorrichtung
10 vorgeschlagen, welche auch die Laufrichtung einer Welle auf einer Oberfläche bestimmen kann.
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Die Vorrichtung 10 ist in ihren Grundzügen in den 1 und 2 gezeigt. Sie weist ein Trägerelement 12 auf, das in diesem Ausführungsbeispiel die Form einer Platte bzw. eines Tisches hat. Das Trägerelement 12 dient zur Aufnahme einer zu untersuchenden elektrischen Schaltung auf einer Leiterplatine (nicht dargestellt), die auf die Sensorfläche 14 des Trägerelements 12 aufgelegt wird. Das Trägerelement 12 ist elektrisch mit einer Auswerteeinheit 18 verbunden, in der die Sensorsignale ausgewertet und zur Detektion der Ausbreitungsrichtung und Stärke von Oberflächenwellen verrechnet werden, und zwar zur ortsaufgelösten Detektion. An einer Anzeigeeinheit 20 kann dann beispielsweise durch Fehlfarben, optisch bzw. graphisch angezeigt werden, wie sich die Verteilung der Stärke und/oder Ausrichtung der Oberflächenwellen über einer elektrischen Schaltung darstellt.
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2 zeigt einen Blick auf die Ausbildung der Sensorebene 22 des Trägerelements 12, die in der Sensorfläche 14 oder fluchtend mit dieser im Trägerelement 12 angeordnet ist. Die Sensorebene 22 ist unterteilt in eine Vielzahl von Sensorzonen 24, in denen jeweils zwei Streifenleitungen 26, 28 verlaufen, deren jeweils beiden Enden entweder sequentiell mit der Auswerteeinheit 18 verbunden werden (und zwar nach dem Prinzip des Multiplexens) oder aber die parallel mit der Auswerteeinheit 18 verbunden sind, die zu diesem Zweck mehrkanalig ausgeführt sein müsste.
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Verallgemeinert ausgedrückt besteht der Sensor der Vorrichtung 10 aus mindestens einem Sensorelement, nämlich mindestens einer Sensorzone 24, die wie eine Nahfeldsonde manuell oder automatisch verfahren wird, um die elektrische Schaltung abzutasten, oder aber aus einer Reihe oder einer Matrix von Sensorelementen bzw. Sensorzonen 24, die dann in der Sensorebene 22 angeordnet sind. Jedes Sensorelement bzw. jede Sensorzone 24 weist in diesem Ausführungsbeispiel mindestens zwei „halbe Richtkoppler“ in Streifenleitungstechnik auf, d. h. die beiden Streifenleitungen 26, 28 mit einem pro Sensorzone 24 vorhandenen elektrischen Massefläche 30, die so zueinander stehen, dass sich aus ihren Ausgangssignalen eindeutig die Laufrichtung und Amplitude einer elektromagnetischen Welle bestimmen lässt, die nahe der Messebene verläuft.
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Die Realisierung der Sensorzonen 24 erfolgt dabei zweckmäßigerweise in Form einer mehrlagigen Leiterplatte. Im Folgenden werden anhand der 3 bis 6 verschiedene Ausführungsvarianten einer Sensorzone beschrieben. Dabei verlaufen mit durchgezogenen Linien versehenen Abschnitte der Streifenleitungen 26, 28 oberhalb und die mit gestrichelten Linien gezeigten Abschnitte der Streifenleitungen 26, 28 unterhalb der metallisierten Fläche, die die elektrisch leitende Massefläche 30 bildet. Die Kreise verdeutlichen Durchkontaktierungen. Die Breiten und Abstände der Leiterbahnen zur metallisierten Fläche sind so gewählt, dass sich ein konstanter, für die nachgeschaltete Auswertung sinnvoller Wellenwiderstand ergibt.
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3 zeigt zwei sich optimalerweise im rechten Winkel kreuzende aber nicht untereinander verbundene, in unterschiedlichen Lagen einer z.B. Platine o.dgl. Trägerelement angeordnete Leiterbahnen, die über einer metallisierten Fläche geführt werden. Die Isolation zwischen den Bahnen kann über einen Lagensprung einer der Leitungen im Bereich der Kreuzung in die Lage der metallisierten Fläche oder auf eine Lage unter dieser, oder durch Verlegen der Bahnen in zwei Platinenlagen realisiert werden. Die tiefere Bahn muss dann allerdings die geringere Breite aufweisen, um wieder den gleichen Wellenwiderstand 32 zu besitzen. Alternativ kann der Unterschied im Wellenwiderstand 32 ebenso wie die unterschiedliche Empfindlichkeit durch die auswertende Schaltung (Auswerteeinheit 18) berücksichtigt werden. Das Bild zeigt die Anordnung in den Diagonalen der Fläche eines Sensorelements. Natürlich können die Leitungen auch parallel zu den Kanten angeordnet werden, was jedoch aufgrund der geringeren Länge zu weniger Signalausbeute, dafür aber zu einer höheren Betriebsfrequenz führt.
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4 zeigt zwei bevorzugt senkrecht zueinander stehende und ebenfalls über eine metallisierte Fläche geführte Leitungen, die sich nicht kreuzen.
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5 zeigt vier (benötigt werden mindestens drei) an einem Ende mit dem Wellenwiderstand 32 der Leitung abgeschlossene und bevorzugt mit gleichen Zwischenwinkeln radial um einen gemeinsamen Mittelpunkt angeordnete und über einer metallisierten Fläche geführte Leiterbahnen Die Abbildung zeigt die Abschlusswiderstände auf der Oberseite, sie können natürlich - über Durchkontaktierungen angeschlossen - auch auf der Unterseite zu liegen kommen.
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In je zwei Viertel der Sensorfläche verlaufende horizontale und vertikale Leitungen, welche unterhalb der metallisierten Fläche durchverbunden sind (siehe 6).
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2 zeigt die prinzipielle Anordnung der Sensorzone 24 als Matrix. Hier wurde ein Quadrat als Sensorzonenform gewählt. Prinzipiell ist auch eine hexagonale Sensorzonenform möglich.
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Die mindestens drei (typisch vier) Ausgangssignale einer Sensorzone 24 können nun entweder über eine Schaltmatrix, welche auch mit auf der Platine untergebracht sein kann, einem Messempfänger (in der Auswerteeinheit 18) zugeführt werden. Bevorzugt ist jedoch, dass alle Ausgänge einer Sensorzone 24, mindestens jedoch die beiden Ausgänge eines der „halben Richtkoppler“ jeweils einem eigenen Messempfänger zugeführt werden, um Artefaktbildung durch Unterabtastung eines Signals mit variierender Störamplitude zu verhindern. Mehrere Sensorzonen 24 können ihrerseits ebenfalls durch eine Schaltmatrix gemultiplext werden. Bevorzugt wäre jedoch, jeder Sensorzone einen eigenen, entsprechend der Anzahl der Richtkopplerausgänge mehrkanaligen Messempfänger zur Verfügung zu stellen.
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Ein derartiger integrierter Messempfänger ist beispielsweise auf einer Platine untergebracht, welche senkrecht zur Sensorebene 22 angeordnet ist und für die einfachere Montage über Stecker angeschlossen wird. Um dabei die maximale Platinenfläche nutzen zu können, bietet sich eine Platine an, welche in der Diagonale des Quadrats des Sensorelements steht. Aufgrund des Frequenzgangs 1. Ordnung der Richtkoppler ist es zweckmäßig, den Frequenzgang des Messempfängers soweit anzupassen, dass der Frequenzgang des Sensors kompensiert wird.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Vorrichtung
- 12
- Trägerelement
- 14
- Sensorfläche
- 18
- Auswerteeinheit
- 20
- Anzeigeeinheit
- 22
- Sensorebene
- 24
- Sensorzone
- 26
- Streifenleitungen
- 28
- Streifenleitungen
- 30
- Massefläche
- 32
- Wellenwiderstand