CN110969820A - 测量设备，相应的方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种测量设备和一种相应的方法。根据一个实施例，测量设备包括如下：测量电路，所述测量电路与一个或多个传感器连接；用于与外部设备进行近场通信(NFC)的HF前端；与HF前端和测量电路耦合的控制器电路，所述控制器电路构成用于接收由测量电路提供的测量值，并且其中控制器电路还构成用于，检查在测量期间是否发生与外部设备的有效通信，并且根据所述检查，存储或者拒绝一个或多个由测量电路提供的测量值。根据另一实施例，检查在测量期间是否存在NFC磁场。其它实施例涉及一种系统，所述系统包括测量设备和具有NFC功能的设备。
Description
技术领域
本发明涉及测量技术的领域，尤其涉及一种具有用于借助于近场通信(NFC)进行无线数据传输的接口的集成的测量系统。
背景技术
近场通信(Near Field Communication,NFC)是基于RFID技术的用于借助于在相对短的距离(例如几厘米)上电磁耦合的线圈和当前最大为424kBit/s的数据传输率无接触地交换数据的国际传输标准。迄今为止，该技术主要在“微支付”(小额无现金支付)领域中并且在访问控制中使用。其它应用例如是传输认证数据，以经由例如蓝牙或者WLAN连接建立通信，以及当在NFC芯片中存储有网页的URL(Uniform Resource Locator，统一资源定位符)时调用网页链接。NFC在ISO/IEC 18092(Near Field Communication Interface andProtocol-1，近场通信接口和协议-1)和ISO/IEC 21481(Near Field CommunicationInterface and Protocol-2，近场通信接口和协议-2)中标准化。
关于所提及的支付功能，许多现代的移动设备、如智能电话配设有NFC收发器(NFCReader/Writer，NFC读/写器)。这种设备称为具有NFC功能的移动设备(NFC-enabledmobile device)。NFC芯片——常常也称为NFC标签或者NFC应答器——通常不具有自身的供能装置并且从电磁场中供给能量，所述电磁场由具有NFC功能的移动设备产生。也就是说，由具有NFC功能的移动设备朝向NFC芯片传输能量，而数据传输沿两个方向是可行的。当前可用的具有NFC功能的设备通常以固定设定的发送功率工作并且不允许功率调节。所设定的发送功率能够根据具有NFC功能的设备的类型和制造商大程度地改变。例如，存在如下具有NFC功能的智能电话，所述智能电话与其它智能电话相比以大约十倍的NFC发送功率工作。
具有NFC功能的设备和NFC芯片(NFC应答器)的天线准确来说是简单的导体回线。在相应的天线电路中，这些导体回线是电感，所述电感与相对应的电容一起形成并联振荡回路。为了从具有NFC功能的设备有效地将能量传输至NFC芯片，天线电路通常在同一谐振频率下运行，由此电感耦合和感应电压最大化。在标准应用中，该谐振频率通常为13.56MHz。
由具有NFC功能的设备放射的电磁功率当然并不百分百朝向NFC芯片传输。具有NFC功能的设备的电磁辐射不仅能够在NFC芯片中、而且也能够在相邻的部件、印制导线等中由于感应电压造成干扰。在许多(例如纯数字的)应用中，这种干扰不成问题，然而也存在如下应用，例如配设有NFC芯片的传感器设备，在所述传感器设备中，所提及的干扰会造成问题。
发明内容
在下文中描述一种测量设备，所述测量设备根据一个实施例包括下述：测量电路，所述测量电路与一个或多个传感器连接；用于与外部设备进行近场通信(NFC)的HF前端；与HF前端和测量电路耦合的控制器电路，所述控制器电路构成用于，接收由测量电路提供的测量值，并且其中控制器电路还构成用于，检查在测量期间是否发生与外部设备的有效通信，并且根据该检查存储或者拒绝一个或多个由测量电路提供的测量值。
根据另一实施例，测量设备包括：测量电路，所述测量电路与一个或多个传感器连接；用于与外部设备进行近场通信的HF前端，所述外部设备经由NFC磁场与HF前端耦合；和与HF前端和测量电路耦合的控制器电路，所述控制器电路构成用于，接收由测量电路提供的测量值。在此，控制器电路还构成用于，检查在测量期间是否存在NFC磁场，并且根据该检查存储或者拒绝一个或多个由测量电路提供的测量值。
此外描述一种方法，所述方法根据一个实施例包括下述：在具有NFC功能的设备和测量设备的NFC前端之间建立NFC连接，所述测量设备具有与一个或多个传感器耦合的测量电路；执行测量，其中由测量电路提供多个测量值；检查在测量期间是否经由NFC连接发生有效通信；并且根据检查的结果存储或者拒绝测量值中的一个或多个测量值。
根据另一实施例，所述方法包括：在具有NFC功能的设备和测量设备的NFC前端之间建立NFC连接，所述测量设备具有与一个或多个传感器耦合的测量电路。NFC连接在此借助于NFC磁场建立。所述方法还包括：执行测量，其中由测量电路提供多个测量值。最后检查，在测量期间是否存在NFC磁场，其中根据检查的结果存储或者拒绝测量值中的一个或多个测量值。
另一实施例涉及一种系统，所述系统包括具有NFC功能的设备和测量设备，所述具有NFC功能的设备构成用于，为近场通信(NFC)产生NFC磁场，所述测量设备具有芯片，所述芯片具有HF前端、测量电路和控制器电路。HF前端经由NFC磁场与具有NFC功能的设备耦合，并且控制器电路构成用于，在测量之前将暂时切断NFC磁场的请求传输给具有NFC功能的设备。
附图说明
接下来根据绘图详细阐述不同的实施例。视图不强制是符合比例的并且实施例并非仅限于所示出的方面。更确切地说，希望示出这些实施例所基于的原理。在绘图中示出：
图1说明NFC芯片与具有NFC功能的设备、例如智能电话等的耦合。
图2说明包括传感器设备和具有NFC功能的设备的测量装置的一个实例，所述传感器设备具有电化学电池和NFC芯片。
图3根据框图说明图2中的传感器设备的一个实例。
图4说明用于运行传感器设备的方法的一个实例，其中在测量期间检查，是否经由NFC传输信道(即NFC磁场的调制)发生通信。
图5说明用于运行传感器设备的方法的另一实例，其中在测量期间去激活(deaktiviert)NFC磁场。
图6说明用于运行传感器设备的另一实例，其中在测量期间，将具有NFC功能的移动设备在空间上与传感器设备分开。
图7说明图3中的具有用于缓存能量供给的附加的储能器的实例。
具体实施方式
如开始提及的那样，近场通信(NFC)是用于在具有NFC功能的设备2(NFC-enableddevice)、例如平板电脑或者智能电话和NFC芯片1之间进行能量和数据传输的标准。该情形在图1中示出。通常，NFC不仅用于(双向的)数据传输，而且也用于通过具有NFC功能的设备2对NFC芯片1的(单向的)能量供给。NFC芯片1和具有NFC功能的设备2的天线通常设计为导体回线(即扁平线圈)，并且数据和能量传输基于这两个天线的电感耦合。
NFC芯片能够在不同的应用中使用。主要地，NFC用于认证，例如与支付系统(例如微支付)或者用于访问控制的系统结合。相对新的应用是借助于近场通信将传感器设备耦合到具有NFC功能的移动设备、例如智能电话上。在此，传感器设备包括一个或多个传感器、所属的传感器电子装置和用于与移动设备进行近场通信的RFID前端(高频(HF)前端电路)。移动设备在测量应用中例如能够用于，将借助于NFC从传感器电子装置传输给移动设备的测量数据进一步处理并且在移动设备的屏幕上示出。此外，移动设备能够接受用户输入并且借助于NFC传输给传感器电子装置。以这种方式，移动设备能够用作为用于传感器电子装置的人机接口(human-machine interface)。具有如下传感器的设备的一个实例在图2中示出，所述传感器借助于NFC与移动设备耦合。
图2说明具有生物化学传感器和集成的传感器电子装置的设备作为传感器设备的实例，所述设备包含用于近场通信(NFC)的接口，以便能够将测量数据传输至具有NFC功能的移动设备2。在图2中所示出的实例中，NFC芯片1不仅包含所提及的传感器电子装置，而且包含NFC接口。NFC芯片的能量供给也能够经由NFC进行。根据图2的传感器设备包括电路板4，在所述电路板上设置有NFC芯片2和天线10。如已经提及的那样，天线10基本上能够具有借助于条状导体(strip line)在电路板上形成的导体回线(即扁平线圈)。在电路板4上根据图2设置有插接连接器3，所述插接连接器能够实现：将设置在测试条5上的电化学电池6(所述电化学电池形成传感器)与电路板连接。电化学电池6的在图2中用WE、RE和CE表示的电极经由插接连接器3和设置在电路板上的条状导线与NFC芯片1连接。如已经提及的那样，NFC芯片1包含用于操控电池6并且用于检测和处理传感器信号的传感器电子装置以及如下电路，所述电路对于近场通信而言是必要的。电化学电池6例如能够用于伏安法或者类似技术，以便定量地确定包含在电化学电池的电解质中的一种或多种物质(分析物)。对此必要的对电极WE、RE和CE的操控由包含在NFC芯片1中的传感器电子装置实现。当电化学电池6直接设置在电路板4上时，能够弃用测试条5和插接连接器3。
传感器设备如在图2中示出的实例本身是已知的，例如用于测量血液中的钾浓度(例如参见Kollegger,C.,Greiner,P.,Siegl,I.等在Elektrotech.Inftech.(2018)135/1,第83-88页的Intelligent NFC potassium measurement strip with hemolysis checkin capillary blood,https://doi.org/10.1007/s00502-017-0572-5)。在此，血滴形成电化学电池的电解质，所述电化学电池作为稳压器运行，以便确定血液中钾的浓度。稳压器例如能够用于循环伏安法(cyclic voltammetry，CV)，借助于所述循环伏安法，能够根据电化学电池中的电压相关的电流变化曲线来确定物质混合物的化学组成。伏安法是电解的形式，其中确定电极电流与施加到电化学电池上的电压的相关性。对样品的进一步检查包含评估所测量的电流-电压曲线，例如以便确定包含在样品中的分析物(例如，特定的金属离子)的浓度。测量结果的所述评估和显示能够至少部分地通过移动设备2完成。特别地，包含在移动设备中的CPU(未示出)能够用于执行软件应用程序，所述软件应用程序构成用于，对(数字化的)测量数据执行所提及的评估并且显示结果。
应理解的是，电化学电池6仅是传感器的一个说明性的实例，所述传感器能够与NFC芯片连接地运行。此外也能够由包含在NFC芯片中的传感器电子装置替代所提及的伏安法来执行其它测量法，例如阻抗光谱法。
如所提及的那样，NFC芯片1也能够借助于NFC供给能量。NFC芯片(和传感器设备作为整体)因此不一定需要自身的供能装置。然而，通过无线的数据和能量传输也会妨碍借助于传感器执行的测量，其具体方式是：HF信号分量干扰传感器信号和/或干扰用于传感器的激励信号，或者在其它情况下妨碍传感器电子装置。HF信号分量通常具有如下频率，所述频率对应于在NFC中所使用的HF载波信号的频率(例如13.56MHz)。因为在实践中整个传感器设备经受由具有NFC功能的设备产生的电磁辐射，所以在实践中能够在传感器设备的每个电部件中感生干扰信号，所述干扰信号会妨碍传感器的运行。对电磁辐射的屏蔽实际上不可行或者至少是非常耗费的。特别地，在电化学传感器中，感生的干扰信号会影响电化学电池中的电化学过程，并且这些不期望的效果无法后续地借助于数字的或者模拟的信号处理来消除。
图3根据框图更详细地说明图2中的传感器设备和尤其NFC芯片1的构造。根据图3，传感器设备具有用于近场通信(NFC)的天线10，所述天线构成用于，从外部的具有NFC功能的设备(参见图2，移动设备2)接收HF信号。传感器设备还具有与天线10连接的NFC前端11，所述NFC前端具有NFC应答器，所述NFC应答器用作为通信接口。传感器设备还具有与NFC前端连接的控制器15，所述控制器构成用于，经由NFC前端11与具有NFC功能的设备(例如智能电话)通信。控制器例如能够是微控制器。该微控制器能够具有存储器和处理器，所述处理器构成用于，执行包含在存储器中的软件指令。也就是说，由控制器15提供的功能能够至少部分地借助于软件来执行。控制器15例如也能够具有一个或多个模数转换器，以便将测量信号数字化。
根据图3，传感器设备具有测量电路12，所述测量电路在一侧与控制器15连接并且在另一侧与传感器6(例如电化学电池)连接。测量电路12构成用于，产生激励信号SE并且将该激励信号输送给传感器6，并且从传感器6接收应答信号SR并且预处理(例如放大)该应答信号。根据传感器的类型，激励信号SE能够是不同的。激励信号SE例如能够是直流电压，用所述直流电压供给传感器。在循环伏安法中，激励信号SE能够是具有限定的信号形状的交流电压。在一些实施例中，能够将多个信号用于激励(excitation)传感器。此外，也能够由传感器提供多个传感器应答信号。最后，测量电路也能够连接有多个传感器，所述传感器能够同时或者依次运行。
经预处理的传感器信号(应答信号)能够输送给控制器15，所述控制器将该传感器信号数字化并且将包含在其中的信息(传感器信息)数字地进一步处理和/或经由NFC通信接口传输给具有NFC功能的设备。同样在图3中示出由具有NFC功能的设备2(在图3中未示出)产生的电磁场(参见虚线)，所述电磁场能够遍布并且妨碍整个传感器设备。在一些实例中，在经由NFC传输信道有效地传输数据时，近场通信的HF载波信号(即NFC磁场本身)与HF载波信号的随后出现的调制相比问题更少。
图4说明用于运行图3中的传感器设备的方法的一个实例，其中在测量期间检查，是否经由NFC传输信道发生通信。在经由NFC传输信道有效地传输数据时，对高频磁场、即HF载波信号(例如13.56MHZ，参见图3)进行调制，其中在NFC中通常使用幅移键控(ASK，amplitude shift keying)或者二进制相移键控(BPSK，binary phase shift keying)，以便调制HF载波信号。
根据图4，在开始过程之后(图4，步骤S10)，检查是否经由NFC传输信道发生有效通信(aktive Kommunikation)(图4，步骤S20)。有效通信引起：高频NFC磁场调制。如果未发生有效通信，那么高频的NFC磁场(即HF载波信号)仍然存在，以便对NFC芯片供给能量，然而不具有HF载波信号的调制。如果确定不再发生有效通信，那么能够执行测量(图4，步骤S30)，也就是说，传感器被激励并且传感器应答被处理，以便生成一个或多个测量值(参见图3，信号SE和SR)。与此同时能够连续地检查，经由NFC传输信道的通信是否(仍是)无效的(inaktiv)(图4，步骤S40)。如果在测量期间通信是无效的，那么暂存(数字化的)测量值(图4，步骤S50)，如果在测量期间开始经由NFC信道的通信，那么拒绝测量值(图4，步骤S51)。所述过程(即执行测量)重复直至测量结束(图4，步骤S60)。
借助在图4中示出的方法能够实现：不使用受NFC磁场的调制干扰的测量值，而是拒绝所述测量值。所述方法能够至少部分地借助于由控制器15运行的软件来执行。特别地，控制器15能够执行所述方法的进程控制并且尤其也执行如下检查：在检测传感器信号期间是否已经发生经由NFC信道的通信(参见图4，步骤40)。
图5根据流程图说明用于运行传感器设备的方法的另一实例，其中在测量期间去激活NFC磁场。也就是说，不仅停顿通信(磁场的调制)，而且切断高频磁场(HF载波信号)。
根据图5，在开始过程(图5，步骤S10)之后经由NFC传输信道从NFC芯片1将切断高频NFC磁场的请求(Request，参见图5，步骤S11)发送给具有NFC功能的移动设备(参见图2)。发送请求能够由NFC芯片1(参见图3)的控制器15开始。替选地，所述请求例如能够直接由用户输入到具有NFC功能的移动设备2中(例如经由具有NFC功能的移动设备的触摸屏)。作为对所述请求的响应，具有NFC功能的移动设备2能够切断高频磁场(即HF载波信号)。这自然引起：NFC芯片1和可能连接在其上的外围部件不再有效地经由NFC磁场由能量供给。出于该原因，在本实施例中，NFC芯片1与储能器连接，所述储能器在NFC磁场切断期间能够暂时确保能量供给。在一个实施例中，储能器是电容器，所述电容器与NFC芯片1连接或者集成到该NFC芯片中。在另一实施例中，储能器能够是可再次充电的电池。
如果NFC磁场切断，那么测量能够借助于与NFC芯片连接的传感器来执行，而传感器信号不受NFC磁场干扰(图5，步骤S30)。虽然如此，在一个实施例中，在测量期间也能够连续地检查，是否磁场仍切断(图5，步骤41)。如果是这种情况，那么能够存储(数字化的)测量值(图5，步骤S50)。如果NFC磁场(无论出于何种原因)在测量期间再次激活，那么拒绝测量值(图5，步骤S51)。
在此处所描述的实例中，将NFC磁场在特定的预定时间中去激活，所述时间能够对应于对于典型的测量而言所需要的任意时间。如果该时间结束(图5，步骤61)，那么NFC磁场由具有NFC功能的移动设备再次重新激活(图5，步骤62)。在图5中示出的方法能够任意频率地重复。例如，当电容器为了缓存能量供给应当保持得小时，会需要多次中断测量，以便对电容器再充电(借助从NFC磁场中获取的电流)。
图6说明方法的一个实例，该实例为图5中的方法的一个替选方案。根据图6，在开始过程(图6，步骤S10)之后，具有NFC功能的移动设备2(参见图2)由用户移开从而在空间上与NFC芯片1分开(图6，步骤S13)，使得NFC芯片1位于近场通信的有效范围之外。NFC芯片1的控制器15连续地检查，是否仍存在NFC磁场(图6，步骤S21)。当由NFC芯片1的NFC前端11不再接收具有足够的场强的NFC磁场时，探测具有NFC功能的移动设备2的间隔。紧接着能够执行测量(图6，步骤S30)，也就是说，传感器被激励并且传感器应答被处理，以便生成一个或多个测量值(参见图3，信号SE和SR)。与此同时能够连续地检查，NFC磁场是否(仍)切断(图6，步骤S41)。如果在测量期间(再次)探测到NFC磁场，那么能够拒绝(数字化的)测量值(图6，步骤S51)，否则能够存储测量值(图6，步骤S50)。所述过程(即执行测量)重复直至测量结束(图6，步骤S60)。在此之后用户能够再次将具有NFC功能的移动设备置于NFC芯片1附近，以便能够再次实现通信。
在所述实例中如在之前图5中的实例中那样，需要储能器，因为在测量期间不能通过具有NFC功能的移动设备来供给能量。在初始化测量过程(图6，步骤S10)时，具有NFC功能的移动设备2例如能够借助于在显示器上显示的消息或者声学信号来指示用户，应当将具有NFC功能的移动设备2从NFC芯片1移开。在预定的、通常对于测量而言所需要的时间段结束之后，具有NFC功能的移动设备2能够指示用户(例如经由声学信号)，应当再次将具有NFC功能的移动设备2置于NFC芯片1附近，以便能够再次实现通信。
图7说明图3中的具有附加的储能器14的实例，所述储能器用于在如下阶段期间缓存能量供给，在所述阶段中通过NFC磁场的直接的能量供给是不可行的。所述阶段涉及如下时间段，在所述时间段中，用户已将具有NFC功能的移动设备2移开(参见图6)或者具有NFC功能的移动设备2暂时地将NFC磁场切断(参见图5)。在图7中所示出的实例中，储能器14是NFC芯片1的一部分。如已经提及的那样，储能器14也能够是单独的、与NFC芯片1连接的电路部件。在其它方面，图7中的实例与图3中的实例相同并且参照上述描述。
Claims (17)
1.一种测量设备，所述测量设备具有：
测量电路(12)，所述测量电路与一个或多个传感器(6)连接；
用于与外部设备(2)进行近场通信(NFC)的HF前端(11)；
与所述HF前端(11)和所述测量电路(12)耦合的控制器电路(15)，所述控制器电路构成用于，接收由所述测量电路(12)提供的测量值，并且
其中所述控制器电路(15)还构成用于，检查在测量期间是否发生与所述外部设备的有效通信，并且根据所述检查，存储或者拒绝一个或多个由所述测量电路(12)提供的测量值。
2.根据权利要求1所述的测量设备，
其中所述控制器电路(15)还构成用于，在开始测量之前检查，是否发生与所述外部设备的有效通信，并且在不发生有效通信时，才开始所述测量。
3.根据权利要求1所述的测量设备，
其中所述HF前端(11)经由NFC磁场与所述外部设备(2)耦合并且构成用于，基于所述NFC磁场，提供用于所述测量电路(12)和所述控制器电路(15)的供给电压。
4.一种测量设备，所述测量设备具有：
测量电路(12)，所述测量电路与一个或多个传感器(6)连接，
HF前端(11)，所述HF前端用于与外部设备(2)进行近场通信(NFC)，所述外部设备经由NFC磁场与所述HF前端(11)耦合，
与所述HF前端(11)和所述测量电路(12)耦合的控制器电路(15)，所述控制器电路构成用于，接收由所述测量电路(12)所提供的测量值，并且
其中所述控制器电路(15)还构成用于，检查在测量期间是否存在NFC磁场，并且根据所述检查，存储或者拒绝一个或多个由所述测量电路(12)提供的测量值。
5.根据权利要求4所述的测量设备，
其中所述控制器电路(15)构成用于，将暂时在预定的时间段内切断所述NFC磁场的请求借助于NFC发送给所述外部设备(2)。
6.根据权利要求4或5所述的测量设备，所述测量设备还具有：
储能器(14)，所述储能器构成用于，缓存用于所述测量电路(12)和所述控制器电路(15)的供给电压。
7.根据权利要求6所述的测量设备，
其中所述HF前端(11)构成用于，基于所述NFC磁场，为所述测量电路(12)和所述控制器电路(15)提供供给电压。
8.一种方法，所述方法包括下述步骤：
在具有NFC功能的设备和测量设备的NFC前端(11)之间建立NFC连接，所述测量设备具有与一个或多个传感器耦合的测量电路(12)；
执行测量，其中由所述测量电路提供多个测量值；
检查在所述测量期间是否经由所述NFC连接发生有效通信；
根据所述检查的结果，存储或者拒绝所述测量值中的一个或多个测量值。
9.根据权利要求8所述的方法，
其中在所述测量开始时等待，直至经由所述NFC连接的有效通信结束。
10.根据权利要求8或9所述的方法，所述方法还包括：
从用于所述NFC连接的NFC磁场中产生用于所述测量电路(12)的供给电压。
11.一种方法，所述方法包括下述步骤：
在具有NFC功能的设备(2)和测量设备的NFC前端(11)之间建立NFC连接，所述测量设备具有与一个或多个传感器耦合的测量电路(12)，其中所述NFC连接借助于NFC磁场建立；
执行测量，其中由所述测量电路提供多个测量值；
检查在测量期间是否存在所述NFC磁场；
根据所述检查的结果，存储或者拒绝所述测量值中的一个或多个测量值。
12.根据权利要求11所述的方法，所述方法还包括：
将切断所述NFC磁场的请求经由所述NFC连接传输给所述具有NFC功能的设备(2)；
在预定的时间段内暂时切断所述NFC磁场。
13.根据权利要求11所述的方法，所述方法还具有：
通过所述具有NFC功能的设备或者所述测量设备，将从所述测量设备移开所述具有NFC功能的设备(2)的消息发给用户。
14.根据权利要求13所述的方法，
其中发给用户的消息包括光学信号或者声学信号。
15.根据权利要求11至14中任一项所述的方法，所述方法还包括：借助于储能器在执行测量期间提供供给电压；并且
当所述HF前端经由所述NFC磁场与所述具有NFC功能的设备(2)耦合时，通过所述HF前端对所述储能器充电。
16.一种系统，所述系统包括下述：
具有NFC功能的设备(2)，所述具有NFC功能的设备构成用于，为了进行近场通信(NFC)产生NFC磁场，和
具有芯片的测量设备，所述芯片具有HF前端(11)、测量电路(12)和控制器电路(15)，
其中所述HF前端(11)经由所述NFC磁场与所述具有NFC功能的设备(2)耦合；
其中所述控制器电路(15)构成用于，在测量之前将暂时切断所述NFC磁场的请求传输给所述具有NFC功能的设备(2)。
17.根据权利要求16所述的系统，
其中所述控制器电路(15)还构成用于，接收由所述测量电路(12)提供的测量值，并且检查在测量期间是否存在所述NFC磁场，并且根据所述检查，存储或者拒绝一个或多个由所述测量电路(12)提供的测量值。
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