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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung
eines Pegels einer zeitlich veränderlichen
elektrischen Messgröße, insbesondere
einer elektrischen Spannung, einer Leistung oder eines elektrischen
Stromes im logarithmischen Maßstab.
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In
der Kommunikations- und Nachrichtentechnik ist es bekannt, Pegel
einer elektrischen Messgröße, z. B.
einer Leistung, einer elektrischen Spannung oder eines elektrischen
Stromes, zu erfassen und zu visualisieren. Dabei wird im Weiteren
unter einem Pegel eine logarithmische Größe bezeichnet, die durch das
logarithmierte Verhältnis
der jeweiligen elektrischen Messgröße zu einem zugehörigen Bezugswert
definiert ist, z. B. für
einen Empfangspegel einer Empfangsleistung in dBm mit einem Bezugswert
von P0 = 1 mW.
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So
wird beispielsweise bei einer Vorrichtung zur Übertragung von Informationen
mittels Lichtleitern an einem Ende des Lichtleiters Licht über einen
Sender eingekoppelt, welches dann durch den Lichtleiter bis zu dessen
anderem Ende geführt
wird und dort durch einen entsprechenden Empfänger empfangen und ausgekoppelt
wird. Bedingt beispielsweise durch Verschmutzung des oder der Lichtleiter
und/oder durch hohe Dämpfungen
im Lichtleiter ist es von Bedeutung zumindest empfangsseitig einen
Empfangspegel zu erfassen. Als Empfangspegel wird beispielsweise
eine Empfangsleistung in Abhängigkeit
von einer am Empfänger
anliegenden Ausgangsspannung ermittelt. Dabei kann der Empfangspegel
bei einer Übertragung über Lichtleiter in
einem Bereich von mehreren Dekaden, z. B. von –3 dBm bis –30 dBm, für verschiedene Wellenlängen, z. B.
660 nm, 850 nm oder 1300 nm, liegen.
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Zur
Erfassung und Visualisierung elektrischer Pegel ist es bekannt,
einen so genannten Spitzenwertgleichrichter einzusetzen, der den
Scheitelwert einer zeitlich veränderbaren
elektrischen Messgröße ermittelt und
gegebenenfalls anzeigt. Dabei ist der Spitzenwertgleichrichter in
herkömmlicher
Art und Weise aus einer Anzahl von hintereinander geschalteten Operationsverstärkern gebildet.
Nachteilig dabei ist, dass der ermittelte Scheitelwert abhängig von
der betrachteten Frequenz und vom Tastverhältnis ist. Hierdurch ist eine
Pegelerfassung und Pegelbewertung sehr ungenau und nur eingeschränkt möglich.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine
Vorrichtung zur Messung eines Pegels einer elektrischen Messgröße anzugeben,
wobei ein Pegelwert möglichst
genau und sicher bei einfachem Messaufwand bestimmbar ist.
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Hinsichtlich
des Verfahrens wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch die in dem Anspruch
1 genannten Merkmale gelöst.
Hinsichtlich der Vorrichtung wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch
die in dem Anspruch 9 genannten Merkmale gelöst.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Beim
erfindungsgemäßen Verfahren
zur Messung eines Pegels einer zeitlich veränderlichen elektrischen Messgröße, insbesondere
einer elektrischen Spannung oder eines elektrischen Stromes wird
ein Messwert der Messgröße differenziert
und ein momentaner Amplitudenwert der Messgröße ermittelt, wobei durch iterative
Approximation eines Vergleichswertes einer elektrischen Vergleichsgröße an den
momentanen Amplitudenwert ein Pegelwert der Messgröße bestimmt
wird. Durch eine iterative Approximation kann der zu bestimmende
Pegelwert, z. B. ein Spannungswert, sehr genau und in einem weiten
Bereich von Frequenz und Tastverhältnis ermittelt werden. Hierzu
wird die iterative Approximation in analoger Schaltungstechnik,
z. B. anhand eines Komparators, durchgeführt.
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Zweckmäßigerweise
wird mittels des Komparators der momentane Amplitudenwert erfasst
und mit einem vorgebbaren Vergleichswert der Vergleichsgröße verglichen.
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In
einer möglichen
Ausführungsform
wird bei einem als Vergleicher ausgebildeten Komparator als Vergleichswert
ein Referenzwert oder der vorangegangene Pegelwert der Messgröße vorgegeben
und der Vergleichswert um ein vorgebbares Inkrement inkrementiert,
wenn der momentane Amplitudenwert den vorgegebenen Referenzwert
bzw. den vorangegangenen Pegelwert überschreitet oder der Vergleichswert
beibehalten wird, wenn der momentane Amplitudenwert den vorgegebenen
Referenzwert bzw. den vorangegangenen Pegelwert unterschreitet.
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Zweckmäßigerweise
ist das Inkrement konstant, da durch Verwendung eines Differenzierers
anstelle eines Messwertes dessen Amplitudenwert und nicht die Impulslänge erfasst
wird.
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Vorzugsweise
wird als Anfangswert der elektrischen Vergleichsgröße der Vergleichswert
auf Null gesetzt. Darüber
hinaus geht der Vergleichswert der elektrischen Vergleichsgröße bei Nichtanliegen
eines aktuellen Messwertes der elektrischen Messgröße innerhalb
einer vorgebbaren Zeit gegen Null.
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In
einer Weiterbildung der Erfindung kann der ermittelte Pegelwert
optisch ausgegeben werden. Auch kann anhand des ermittelten Pegelwertes,
z. B. eines Spannungspegels, bei bekannter Übertragungsleitung ein zugehöriger Leistungspegel
bestimmt werden.
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Zusätzlich kann
für eine
differenzierte Bewertung der Qualität des ermittelten Pegelwertes
dieser anhand eines durch zwei Schwellwerte begrenzten Pegelbereiches
analysiert und bewertet werden. Dazu kann ein aus zwei weiteren
Komparatoren gebildeter Fensterkomparator vorgesehen sein, welcher
den ermittelten Pegelwert auf Über-
oder Unterschreiten eines Wer tebereiches, der durch zwei Schwellwerte
begrenzt wird, überwacht.
Dabei werden ein erster, unterer Schwellwert und ein zweiter, oberer
Schwellwert vorgegeben. Überschreitet
der ermittelte Pegelwert den oberen Schwellwert und somit den Wertebereich,
so kann ein entsprechendes Ausgangssignal, z. B. zur Ansteuerung
einer optischen Anzeige, erzeugt werden. Ebenso kann beim Unterschreiten
des unteren Schwellwertes und somit des Wertebereiches ein weiteres
Ausgangssignal z. B. zur Ansteuerung einer weiteren optischen Anzeige
erzeugt werden.
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Hinsichtlich
der Vorrichtung zur Messung eines Pegels einer zeitlich veränderlichen
elektrischen Messgröße umfasst
diese zumindest einen Differenzierer zur Differenzierung eines Messwertes
der Messgröße und Ermittlung
eines momentanen Amplitudenwertes der Messgröße sowie einen dem Differenzierer
nachgeschalteten Komparator und einen Verstärker, die zusammen als Inkrementierer
derart wirken, dass durch iterative Approximation eines Vergleichswertes
einer elektrischen Vergleichsgröße an den
momentanen Amplitudenwert ein Pegelwert der Messgröße bestimmbar
ist.
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Je
nach Vorgabe kann dabei der Komparator als ein Vergleicher ausgebildet
sein, der den momentanen Amplitudenwert der Messgröße mit dem
Vergleichswert der Vergleichsgröße vergleicht.
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Zur
Ausgabe des ermittelten Pegelwertes kann dem Inkrementierer eine
optische Anzeige nachgeschaltet sein. Je nach Vorgabe und Ausführung des
Komparators kann die Anzeige als eine Einfarben-Leuchtdioden-Anzeige
oder als eine Mehrfarben-Leuchtdioden-Anzeige, insbesondere eine
Zweifarben-Leuchtdioden-Anzeige
ausgebildet sein. Auch kann die Anzeige als eine Einfarben-Lichtleiter-Anzeige
oder als eine Mehrfarben-Lichtleiter-Anzeige, insbesondere eine
Zweifarben-Lichtleiter-Anzeige ausgebildet sein.
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Zur
Bewertung der Qualität
des ermittelten Pegelwertes kann dem Inkrementierer ein aus zwei
Komparatoren gebildeter Fensterkomparator nachgeschaltet sein, der
den ermittelten Pegelwert mit einem durch zwei Schwellwerte begrenzten
Wertebereich vergleicht.
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In
bevorzugter Ausführungsform
sind der Differenzierer, der Komparator und der Verstärker und
gegebenenfalls der Fensterkomparator in analoger Schaltungstechnik
ausgeführt.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
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1 schematisch
eine Vorrichtung zur Messung eines Pegels einer elektrischen Messgröße für ein optisches Übertragungssystem,
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2 schematisch
eine mögliche
Ausführungsform
für eine
Schaltungsanordnung der Vorrichtung zur Messung des Pegels,
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3 schematisch
eine Ergänzung
der Schaltungsanordnung gemäß 2 zur
Bewertung der Qualität
des ermittelten Pegels, und
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4 ein
Spannungs-Leistungs-Diagramm.
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Einander
entsprechende Teile oder Funktionen sind mit den gleichen Bezugszeichen
versehen.
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1 zeigt
eine Messvorrichtung 1 zur Messung eines Pegelwertes PW
einer zeitlich veränderlichen elektrischen
Messgröße M, insbesondere
einer elektrischen Spannung U. Alternativ kann als elektrische Messgröße M eine
Leistung P oder ein elektrischer Strom I erfasst werden.
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Bei
den zu erfassenden und zu bestimmenden Messgröße M handelt es sich insbesondere
um eine elektrische Spannung U, welche beispielsweise bei einem
optischen Übertragungssystem 2 mit
einem als Übertragungsmedium
eingesetzten Licht leiter 3, insbesondere Quarzglasfasern,
an einem Sender S als Ausgangsspannung ein in den Lichtleiter 3 einzukoppelndes
Lichtsignal S beschreibt, das am anderen Ende vom Lichtleiter 3 an
einem Empfänger
E mit einem Empfangspegel, z. B. einer Empfangsleistungspegel LP, empfangen und eingekoppelt wird.
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Die
Messvorrichtung 1 ist in 2 näher dargestellt.
Dabei wird als analoge Messgröße M die
Ausgangsspannung U des Empfängers
E einem aus einem Kondensator C1 und einem Widerstand R1 gebildeten Differenzierer 5 zugeführt. Der
Ausgang des Differenzierers 5 ist mit einem Eingang eines
Komparators 6 verbunden. Als Ausgangssignal des Differenzierers 5 wird
ein Amplitudenwert AW(n) der Ausgangsspannung U erzeugt, das dem
Komparator 6 als Eingangssignal zugeführt wird. Der Komparator 6 ist
als ein Vergleicher ausgebildet, dem als ein weiteres Eingangssignal
ein Vergleichswert VW(n) einer Vergleichsgröße V, im Ausführungsbeispiel
ein Spannungsbezugs- oder
Spannungsreferenzwert, zugeführt
wird. Dem Komparator 6 ist ein aus einem Widerstand R2,
einer Diode D1, einem Kondensator C2 und einem Widerstand R3 gebildeter Pegelumsetzer 7 und
ein Verstärker 8 nachgeschaltet,
die als ein Inkrementierer 9 derart wirken, dass durch iterative
Approximation des am Komparator 6 anliegenden Vergleichswertes
VW(n) an den momentanen Amplitudenwert AW(n) ein Pegelwert PW(n)
der Messgröße M am
Ausgang der Messvorrichtung 1 bestimmt wird. Der Vergleichswert
VW(n) wird dabei anhand des vorangegangenen Pegelwertes PW(n – 1) oder
eines vorgebbaren Referenzwertes bestimmt, wobei der Anfangswert
des Vergleichswertes VW(n) gleich Null ist. Hierzu sind dem Verstärker 8 eine
Diode D2 und ein aus den Widerständen
R4, R5 gebildetes Widerstandsglied 10 und eine aus den
Kondensatoren C3 bis C5 gebildete Kondensatorenkette 11 nachgeschaltet.
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Gegenüber herkömmlichen
digitalen Spitzenwertgleichrichtern ist die Messvorrichtung 1,
wie in 2 gezeigt, in analoger aktiver Schaltungstechnik
ausgeführt,
d. h. der Differen zierer 5, der Komparator 6 und
der Verstärker 8 sind
in analoger Schaltungstechnik ausgeführt.
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Im
nachfolgenden wird die Wirkungsweise der Messvorrichtung 1 näher beschrieben.
Der Komparator 6 vergleicht den momentanen Amplitudenwert
AW(n) mit dem Vergleichswert VW(n) der Vergleichsgröße V. Ist der
Amplitudenwert AW(n) kleiner oder gleich dem Vergleichswert VW(n)
(mit AW(n) <= VW(n)),
so wird kein Ausgangssignal AS am Komparator 6 erzeugt
und der nächstfolgende
Vergleichswert VW(n + 1) wird durch den vorangegangenen Pegelwert
PW(n) gebildet. D. h. der Vergleichswert VW(n) wird als nächstfolgender
Vergleichswert VW(n + 1) beibehalten. Überschreitet hingegen der momentane
Amplitudenwert AW(n) den Vergleichswert VW(n), so wird ein Ausgangssignal
AS erzeugt und der dem Komparator 6 nachgeschaltete Kondensator
C2 lädt
sich um ein aus der Differenz von AW(n) und VW(n) gebildetes Inkrement
auf einen Spannungswert SW(n) auf, der dem Amplitudenwert AW(n)
annähernd
entspricht. Dabei wird der Kondensator C2 mit jedem nachfolgenden
Messwertimpuls bei steigendem momentanem Amplitudenwert AW(n) um
das Inkrement weiter aufgeladen, wobei das Inkrement konstant ist.
Ist der Vergleichswert VW(n) gleich dem nachfolgenden Amplitudenwert
AW(n + 1) oder kleiner als dieser, so wird kein Komparatorausgangssignal
erzeugt, so dass sich der Kondensator C2 innerhalb einer vorgebbaren
Zeit entlädt
und der Pegelwert PW(n) auf Null geht, bis ein aktuelles Messsignal
einen Amplitudenwert AW(n) aufweist, der größer als der Vergleichswert
VW(n) ist.
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Der
ermittelte Spannungswert SW(n) wird anschließend verstärkt und in den Pegelwert PW(n)
umgesetzt, der je nach Ausführung
der Messvorrichtung 1 optional optisch ausgegeben werden
kann. Hierzu kann dem Inkrementierer 9 eine optische Anzeige 12 nachgeschaltet
sein. Dabei kann die optische Anzeige 12 als eine Einfarben-Leuchtdioden-Anzeige
oder als eine Zweifarben-Leuchtdiode-Anzeige ausgebildet sein, wobei der
durch den Inkrementierer 9 iterativ ermittelte Spannungswert
SW als Maß für den Pegelwert
PW(n) gilt und die optische Anzeige 12 den steigenden oder
fallenden Wert des Pegelwertes PW(n) beispielsweise durch eine Ansteuerung
einer den steigenden bzw. fallenden Wert entsprechenden Anzahl von
Leuchtdioden wiedergibt.
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Auch
kann die optische Anzeige 12 als eine Einfarben-Leuchtdioden-Anzeige
oder als eine Mehrfarben-Leuchtdioden-Anzeige ausgebildet sein,
wobei der durch den Inkrementierer 9 iterativ ermittelte
Spannungswert SW(n) als Maß für den Pegelwert
PW(n) gilt und die optische Anzeige 12 abhängig vom
Pegelwert PW(n) die Helligkeit oder die Farbe ändert.
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In
einem weiteren alternativen Ausführungsbeispiel
kann die optische Anzeige 12 als Einfarben-Leuchtdiode-Anzeige
ausgeführt
sein. Die optische Anzeige 12 leuchtet dann auf, wenn der
ermittelte Pegelwert PW(n) im guten Bereich liegt. Je nach ermittelter
Messgröße kann
beispielsweise die Anzeige 12 leuchten, wenn der ermittelte
Pegelwert PW(n) oberhalb eines vorgegebenen Wertes, z. B. eines
Spannungswertes U von 240 mV, liegt. Dabei wird zur einfachen Erkennung
eines so genannten "guten" Pegelwertes PW(n)
die optische Anzeige 12 beispielsweise grün leuchten.
Zur Erkennung eines so genannten "schlechten" oder "kritischen" Pegelwertes PW(n) kann die optische
Anzeige 12 eine entsprechende andere Leuchtfarbe, z. B.
rot oder orange oder gelb, aufweisen. Dabei ist die Anzeige 12 in
diesem Ausführungsbeispiel
als eine Einfarben-Leuchtdioden-Anzeige
oder eine Einfarben-Lichtleiter-Anzeige ausgeführt.
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In
einem weiteren alternativen Ausführungsbeispiel
kann die optische Anzeige 12 als eine Mehrfarben-Anzeige,
z. B. eine Zwei- oder Dreifarben-Leuchtdioden-Anzeige, ausgeführt sein.
Die Anzeige 12 leuchtet dabei in Abhängigkeit vom ermittelten Pegelwert
PW(n) in verschiedenen Farben.
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Zweckmäßigerweise
leuchtet die optische Anzeige 12 rot, wenn der Pegelwert
PW(n) im "schlechten" Bereich liegt, gelb,
wenn der Pegelwert PW(n) im "kritischen" Bereich liegt und
grün, wenn
der Pegelwert PW(n) im "guten" Bereich liegt.
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Dabei
kann eine als Dreifarben-Anzeige ausgebildete optische Anzeige 12 vorteilhaft
aus zwei farblich unterschiedlichen Leuchtdioden 12a und 12b und
einem Lichtleiter 12c gebildet sein, wobei die Leuchtdioden 12a und 12b durch
einen Fensterkomparator 13 angesteuert werden, wie dies
in 3 näher
dargestellt ist.
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Über einen
Spannungsteiler 14, der aus drei Widerständen 14a, 14b und 14c besteht,
werden als Vergleichswerte des Fensterkomparators 13, der
aus zwei einzelnen Komparatoren 13a und 13b besteht,
zwei Schwellwerte S1 und S2 gebildet. Die Schwellwerte S1 und S2
sind beispielsweise 120 mV (= unterer Schwellwert S1) und 240 mV
(= oberer Schwellwert S2). Der iterativ ermittelte Empfangspegelwert
PW(n) wird mittels des einen Komparators 13a mit dem oberen
Schwellwert S2 und mittels des anderen Komparators 13b mit dem
unteren Schwellwert S1 verglichen. Ist der ermittelte Pegelwert
PW(n) kleiner als beide Schwellwerte S1 und S2 wird nur die rot
leuchtende Leuchtdiode 12a angesteuert, d. h. der ermittelte
Pegelwert PW(n) liegt im "kritischen" Bereich unterhalb
von 120 mV. Ist der ermittelte Pegelwert PW(n) größer als
beide Schwellwerte S1 und S2 wird nur die grün leuchtende Leuchtdiode 12b angesteuert,
d. h. der ermittelte Pegelwert PW(n) liegt im "guten" Bereich oberhalb von 240 mV. Die dritte
Farbe (= gelb) wird in diesem Ausführungsbeispiel durch additive
Farbmischung bei gleichzeitiger Ansteuerung beider Leuchtdioden 12a und 12b erzeugt,
wenn der Pegelwert PW(n) größer als
der untere Schwellwert S1 (z. B. mit PW(n) > 120 mV) und kleiner als der obere Schwellwert
S2 (z. B. mit PW(n) < 240
W) ist und somit innerhalb des Wertebereiches liegt. Das von den
beiden Leuchtdioden 12a und 12b emittierte Licht
wird dabei mittels des Lichtleiters 12c an die Geräteaußenwand
geführt.
Um eine ausreichende Farbmischung zu erreichen, beinhaltet der Lichtleiter 12c diffuse
Anteile.
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4 zeigt
ein Diagramm aus dem beispielhaft die Übertragungsqualität des übertragenen
Signals der Messgröße M anhand
des ermittelten Pegelwertes PW(n) für die Spannung U und eines
diesem Spannungspegelwert PW(n) zugeordneten Empfangsleistungspegels
L
P ermittelt werden kann. In Abhängigkeit
von den Einflussgrößen des
Lichtleiters
3, wie z. B. Stärke der Sendeleistung, Umgebungstemperatur
des optischen Senders S und des Empfängers E, der Dämpfung der Übertragungsstrecke,
der verwendeten Übertragungsrate
wird mittels des oben beschriebenen Verfahrens der Pegelwert PW
(n) für
die Spannung U durch iterative Approximation ermittelt. Dabei kann
der empfangene Pegelwert PW (n) in folgende drei Pegelbereiche klassifiziert
werden:
Pegelwert
PW im normalen Bereich | 5 V > U > 240 mV, |
Pegelwert
PW im kritischen Bereich | 120 mV <= U <= 240 mV |
und | |
Pegelwert
PW im schlechten Bereich | U < 120 mV. |
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Hierzu
kann die optische Anzeige 12 beispielsweise den "guten" Bereich durch eine
entsprechende Anzahl von grünen
Leuchtdioden 12b und den "schlechten" Bereich durch eine entsprechende Anzahl
von roten Leuchtdioden 12a anzeigen, wobei der "kritische" Bereich durch Farbmischung
im Lichtleiter 12c erzeugt und anzeigbar ist.