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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Feldgerät gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Aus dem Stand der Technik ist eine Vielzahl von Feldgeräten bekannt. Diese können bspw. in der Automatisierungstechnik oder der Prozessautomatisierung zum Einsatz kommen. Bekannte Feldgeräte weisen häufig einen modularen Aufbau mit mehreren Komponenten auf. Feldgeräte mit einem solchen modularen Aufbau werden bspw. von der Anmelderin der vorliegenden Anmeldung als modulares Feldgerätesystem unter der Marke plics ® angeboten. Das modulare Feldgerätesystem weist eine Mehrzahl aufeinander abgestimmter Komponenten auf. Unter anderem umfasst das modulare Feldgerätesystem eine Mehrzahl unterschiedlicher Gehäuseformen, darauf abgestimmt eine Mehrzahl von Sensoren, an die Gehäuse und die Sensoren angepasste Elektronikmodule sowie mehrere unterschiedliche Anzeige- und/oder Bedienmodule, die untereinander kombinierbar sind. Durch die Modularität können auf einfache Art und Weise Feldgeräte mit jeweils anforderungsspezifischen Eigenschaften zusammengestellt werden.
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Die einzelnen Module kommunizieren in der Regel drahtgebunden und weisen eine zentrale Energieversorgung, in der Regel über das Elektronikmodul auf. Alternativ existieren bspw. Anzeige- und/oder Bedienmodule mit einer Funkanbindung und eigener Energieversorgung, die entweder kabelgebunden oder mit einem eigenen Energiespeicher ausgebildet ist.
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Unter dem Begriff Automatisierungstechnik wird ein Teilgebiet der Technik verstanden, welches alle Maßnahmen zum Betrieb von Maschinen und Anlagen ohne Mitwirkung des Menschen beinhaltet. Ein Ziel der damit zusammenhängenden Prozessautomatisierung ist es, das Zusammenspiel einzelner Komponenten einer Werksanlage in den Bereichen Chemie, Lebensmittel, Pharma, Erdöl, Papier, Zement, Schifffahrt oder Bergbau zu automatisieren. Hierzu können eine Vielzahl an Sensoren eingesetzt werden, welche insbesondere an die spezifischen Anforderungen der Prozessindustrie, wie bspw. mechanische Stabilität, Unempfindlichkeit gegenüber Verschmutzung, extremen Temperaturen und extremen Drücken, angepasst sind. Messwerte dieser Sensoren werden üblicherweise an eine Leitwarte übermittelt, in welcher Prozessparameter wie Füllstand, Grenzstand, Durchfluss, Druck oder Dichte überwacht und Einstellungen für die gesamte Werksanlage manuell oder automatisiert, verändert werden können.
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Ein Teilgebiet der Automatisierungstechnik betrifft die Logistikautomation. Mit Hilfe von Distanz- und Winkelsensoren werden im Bereich der Logistikautomation Abläufe innerhalb eines Gebäudes oder innerhalb einer einzelnen Logistikanlage automatisiert. Typische Anwendungen finden z.B. Systeme zur Logistikautomation im Bereich der Gepäck- und Frachtabfertigung an Flughäfen, im Bereich der Verkehrsüberwachung (Mautsysteme), im Handel, der Paketdistribution oder aber auch im Bereich der Gebäudesicherung (Zutrittskontrolle). Gemein ist den zuvor aufgezählten Beispielen, dass eine Präsenzerkennung in Kombination mit einer genauen Vermessung der Größe und der Lage eines Objektes von der jeweiligen Anwendungsseite gefordert wird. Hierfür können Sensoren auf Basis optischer Messverfahren mittels Laser, LED, 2D-Kameras oder 3D-Kameras, die nach dem Laufzeitprinzip (time of flight, ToF) Abstände erfassen, verwendet werden.
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Ein weiteres Teilgebiet der Automatisierungstechnik betrifft die Fabrik-/Fertigungsautomation. Anwendungsfälle hierzu finden sich in den unterschiedlichsten Branchen wie Automobilherstellung, Nahrungsmittelherstellung, Pharmaindustrie oder allgemein im Bereich der Verpackung. Ziel der Fabrikautomation ist, die Herstellung von Gütern durch Maschinen, Fertigungslinien und/oder Roboter zu automatisieren, d. h. ohne Mitwirkung des Menschen, ablaufen zu lassen. Die hierbei verwendeten Sensoren und spezifischen Anforderungen im Hinblick auf die Messgenauigkeit bei der Erfassung der Lage und Größe eines Objektes sind mit denen der im vorigen Beispiel der Logistikautomation vergleichbar. Üblicherweise werden daher auch im Bereich der Fabrikautomation im großen Stil Sensoren auf Basis optischer Messverfahren eingesetzt.
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Sowohl im Bereich der Logistikautomation, als auch im Bereich der Fabrikautomation und der Sicherheitstechnik dominieren bislang optische Sensoren. Diese sind schnell (schnelle Befüllvorgänge mit >=10 Messungen / Sekunde) und preisgünstig und können die Lage und/oder den Abstand zu einem Objekt aufgrund der relativ einfach fokussierbaren optischen Strahlung, welche der Messung zu Grunde liegt, zuverlässig ermitteln.
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Insbesondere bei Feldgeräten mit abgesetzten, d.h. von dem Elektronikmodul entfernt angeordneten weiteren Modulen, bspw. Sensor- oder Anzeige und/oder Bedienmodulen besteht im Stand der Technik die Notwendigkeit, diese abgesetzten Module mit für jede Ausgestaltung eigens konfektionierten Kabeln zur Daten -und Energieübertragung zu kontaktieren, oder diese Module mit einer eigenen Energieversorgung und einer Kommunikationsschnittstelle auszustatten.
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Dies wird häufig als aufwändig, kostenintensiv und damit insgesamt als nachteilig empfunden.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Feldgerät dahingehend weiterzubilden, dass auf einfache und kostengünstige Art und Weise eine Energieversorgung von abgesetzten Modulen eines modular aufgebauten Feldgeräts erfolgen kann.
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Diese Aufgabe wird durch ein Feldgerät mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand abhängiger Patentansprüche.
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Ein erfindungsgemäßes Feldgerät mit wenigstens einem ersten Modul mit einer Energieversorgung und einem davon abgesetzten zweiten Modul, wobei das zweite Modul wenigstens teilweise von dem ersten Modul mit Energie versorgt wird, zeichnet sich dadurch aus, dass das erste Modul einen Sender und das zweite Modul einen Empfänger zur optischen drahtlosen Energieübertragung aufweist.
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Durch ein Sender-Empfänger-Paar zur optischen drahtlosen Energieübertragung kann eine Übertragung von Energie von dem ersten Modul zu dem zweiten Modul mittels Lichts ermöglicht werden. Der Sender und der Empfänger sind vorzugsweise derart aufeinander abgestimmt, dass der Empfänger in einem Wellenlängenbereich, in dem der Sender optische Energie in Form von Licht aussendet, sensitiv ist. Ferner ist der Sender derart zu dem Empfänger ausgerichtet, angeordnet und derart ausgebildet, dass möglichst viel der ausgesendeten optischen Energie bei dem Empfänger angelangt und dort wieder in elektrische Energie umgewandelt werden kann.
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Die erfindungsgemäße Lösung ist dadurch insbesondere verschleißfrei, unempfindlich gegen EMV-Störungen sowie mechanisch unempfindlich, da sich keine Kabel- oder Steckverbindungen aufgrund mechanischer Einflüsse lösen können.
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Der Sender weist vorzugsweise einen elektrooptischen Wandler zur Wandlung von elektrischer Energie in zu übertragende optische Energie auf. Dies kann bspw. in Form einer Lichtquelle, vorzugsweise einer Leuchtdiode erfolgen.
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Um einen möglichst guten Wirkungsgrad zu erzielen, ist es vorteilhaft, wenn der elektrooptische Wandler eine Laserdiode umfasst. Mittels der Laserdiode kann Licht einer bestimmten Wellenlänge mit hoher Intensität erzeugt werden. Das Licht wird vorzugsweise mittels einer geeigneten Optik, die bspw. aus Reflektoren und Linsen bestehen kann geeignet fokussiert, sodass möglichst viel Licht bei dem Empfänger ankommt.
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In bestimmten Ausgestaltungen können auch mehrere Empfänger mittels eines Senders mit Energie versorgt werden. Eine Aufteilung der Energie auf die verschiedenen Empfänger kann bspw. unmittelbar an der Lichtquelle des Senders oder bspw. durch geeignete Strahlteiler oder Prismen erfolgen.
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Eine Wandlung der optisch übertragenen Energie in elektrische Energie kann einfach erfolgen, wenn der Empfänger einen optoelektronischen Wandler aufweist. Dieser kann bspw. als photovoltaische Zelle ausgebildet sein.
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Die optische Übertragung der Energie erfolgt vorzugsweise in Form von Licht im Infrarotbereich vorzugsweise einer Wellenlänge von wenigstens 400nm, vorzugsweise 700 nm, vorzugsweise wenigstens 1,2 µm weiter bevorzugt 3 µm oder mehr.
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Eine bevorzugte Ausgestaltung sieht vor, dass der Sender und der Empfänger zusätzlich zur Energieübertragung zur drahtlosen optischen Datenübertragung geeignet ausgebildet sind. Auf diese Weise kann auf zusätzliche Schnittstellen zur Datenübertragung, bspw. Funkmodule oder dergleichen, für die Kommunikation zwischen dem ersten Modul und dem zweiten Modul, verzichtet werden.
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In einer praktischen Umsetzung kann das erste Modul als Elektronikmodul mit einer kabelgebundenen Energieversorgung ausgebildet sein. Das Elektronikmodul kann bspw. eine Zweidraht-Schnittstelle aufweisen, sodass das Feldgerät insgesamt als Zweileiter-Feldgerät ausgebildet ist.
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Unter einem Zweileiter-Feldgerät gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Feldgerät verstanden, das über zwei Leitungen mit einer übergeordneten Einheit verbunden ist, wobei über diese beiden Leitungen sowohl eine Energieversorgung als auch eine Messwertübermittlung stattfindet.
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Die Energie- und/oder Signalübertragung zwischen dem Zweileiter-Feldgerät und der übergeordneten Einheiten erfolgt dabei nach dem bekannten 4 mA bis 20 mA Standard, bei dem eine 4 mA bis 20 mA Stromschleife, d.h. eine Zweidrahtleitung zwischen dem Feldgerät und der übergeordneten Einheit ausgebildet ist. Zusätzlich zu der analogen Übertragung von Signalen besteht die Möglichkeit, dass die Messgeräte gemäß verschiedenen anderen Protokollen, insbesondere digitalen Protokollen, weitere Informationen an die übergeordnete Einheit übermitteln oder von dieser empfangen. Beispielhaft seien hierfür das HART-Protokoll oder das Profibus-PA-Protokoll genannt. Weitere Protokolle und Schnittstellen können beispielsweise IO-Link sowie Funkprotokolle sein.
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Die Energieversorgung dieser Feldgeräte erfolgt ebenfalls über das 4 mA bis 20 mA Stromsignal, sodass neben der Zweidrahtleitung keine zusätzliche Versorgungsleitung notwendig ist. Um den Verdrahtungs- und Installationsaufwand sowie die Sicherheitsmaßnahmen, beispielsweise beim Einsatz in explosionsgeschützten Bereichen, so gering wie möglich zu halten, ist es auch nicht gewünscht, zusätzliche Stromversorgungsleitungen vorzusehen.
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Bei Zweileiter-Feldgeräten ist die zur Verfügung stehende Eingangsleistung erheblich beschränkt. Die Elektronik im Feldgerät muss so ausgelegt sein, dass sie auch bei einem minimalen Signalstrom von 4 mA noch zuverlässig arbeitet.
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Das zweite Modul kann bspw. als Sensormodul ausgebildet sein. Alternativ kann das zweite Modul als Anzeige- und/oder Bedienmodul ausgebildet sein. In einer Ausgestaltung mit zwei Modulen, die drahtlos optisch mit Energie versorgt werden, können sowohl das Sensormodul als auch das Anzeige- und/oder Bedienmodul mit Energie versorgt werden.
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Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die genannten Module beschränkt, vielmehr können sämtliche Module, die eine Energieübertragung benötigen, grundsätzlich drahtlos optisch mit Energie versorgt werden.
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Durch eine drahtlose, optische Energieübertragung kann eine galvanische oder sogar explosionssichere Trennung erreicht werden. Dies kann erfindungsgemäß dadurch erreicht werden, dass das zweite Modul von dem ersten Modul beabstandet angeordnet ist und ein Strahlengang zwischen dem Sender und dem Empfänger durch eine Schutzeinrichtung, vorzugsweise ein Schutzrohr ummantelt ist. Für eine explosionssichere Trennung, muss zwischen dem Sender und dem Empfänger eine explosionssichere Barriere einer vorgegebenen Explosionsschutzklasse aus einem für die optischen Energie durchlässigen Material angeordnet sein. Auf diese Weise kann bspw. ein Teil des Gehäuses in der Schutzklasse druckfeste Kapselung zur Verfügung gestellt werden, während ein zweiter Teil außerhalb des explosionsgefährdeten Bereichs nicht gekapselt ausgeführt zu sein braucht.
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Beispielsweise kann die Barriere für Licht im Infrarotbereich durchlässig ausgestaltet sein um eine Energieübertragung in diesem Wellenlängenbereich zu ermöglichen.
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Wird eine Energieübertragung gewünscht, bei der keine unmittelbare Sichtverbindung zwischen dem Sender und dem Empfänger besteht, kann dies bspw. über geeignete Reflektoren oder andere Einrichtungen zur Strahlumlenkung dennoch ermöglicht werden.
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Um eine möglichst konstante Energieversorgung des zweiten Moduls zu gewährleisten, kann das zweite Modul einen Energiespeicher oder einen Energiezwischenspeicher aufweisen. Durch einen eigenen Energiespeicher, bspw. eine Batterie, kann eine temporär zu geringe Energieversorgung abgepuffert werden. Eine Lebensdauer der Batterie kann so deutlich verlängert werden. Durch einen Energiezwischenspeicher, der zusätzlich oder alternativ zu dem Energiespeicher vorgesehen sein kann, kann bei geringem Energiebedarf des zweiten Moduls empfangene Energie zwischengespeichert und zu Zeiten erhöhten Energiebedarfs abgegeben werden.
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Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren eingehend erläutert. Es zeigen:
- 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Feldgeräts gemäß der vorliegenden Anmeldung mit abgesetztem Sensormodul,
- 2 ein zweites Ausführungsbeispiel eines Feldgeräts gemäß der vorliegenden Anmeldung mit abgesetzter Anzeige- und Bedieneinheit und
- 3 ein drittes Ausführungsbeispiel eines Feldgeräts gemäß der vorliegenden Anmeldung mit abgesetzter Anzeigeeinheit und einem Reflektor.
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In den Figuren bezeichnen - soweit nicht anders angegeben - gleiche Bezugszeichen gleiche oder einander entsprechende Komponenten mit gleicher Funktion.
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1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines Feldgeräts 1 gemäß der vorliegenden Anmeldung. Bei dem in 1 dargestellten Feldgerät 1 ist ein als Sensormodul 51 ausgebildetes zweites Modul 5 von einem als Elektronikmodul 31 ausgebildeten ersten Modul 3 abgesetzt ausgebildet. Dass das zweite Modul 5 von dem ersten Modul 3 abgesetzt ist bedeutet, dass das zweite Modul 5 von dem ersten Modul 3 eine gewisse Entfernung entfernt ist, die im Stand der Technik mittels eines Kabels zur Kommunikation und Energieversorgung überbrückt werden müsste.
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Gemäß dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel weist das erste Modul 3 eine eigene Energieversorgung 7 auf, die einen Sender 9 zur Übertragung von Energie, der im vorliegenden Ausführungsbeispiel einen als Laserdiode 92 ausgebildeten elektrooptischen Wandler 91 aufweist, mit Energie versorgt. Die Laserdiode 92 sendet einen energiegeladenen Lichtstrahl zu einem Empfänger 11 des zweiten Moduls 5, der im vorliegenden Ausführungsbeispiel als ein als photovoltaische Zelle 96 realisierter optoelektronische Wandler 95 ausgebildet ist.
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Ein Strahlengang 15 zwischen dem Sender 9 und dem Empfänger 11 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel durch eine als Schutzrohr ausgebildete Schutzeinrichtung 17 vor äußeren Einflüssen, beispielsweise Staub, Sprühnebel oder anderen für eine optische Übertragung schädlichen Einflüssen geschützt.
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Das Sensormodul 51 weist einen Sensor 13 auf, der im vorliegenden Ausführungsbeispiel als Schwingungseinheit eines Vibrations-Grenzstandsensors ausgebildet ist. Es sei an dieser Stelle angemerkt, dass als Sensor 13 auch jeder andere übliche Sensor zum Einsatz kommen kann, sodass der vorliegend dargestellt Vibrations-Grenzstandsensor lediglich beispielhaft zu verstehen ist.
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Der Sensor 13 kann damit über den elektrooptischen Wandler 91 des zweiten Moduls 3 optisch und drahtlos mit Energie versorgt werden, wobei die von dem Sender 9 ausgesendete Lichtenergie von dem in dem Empfänger 11 angeordneten optoelektronischen Wandler 95 am Ort des zweiten Moduls 5, vorliegend des Sensormoduls 51 in elektrische Energie umgewandelt wird.
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2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines Feldgeräts 1, wobei in dem dargestellten Ausführungsbeispiel das abgesetzten zweiten Modul 5 als Anzeige- und Bedieneinheit 52 ausgebildet ist.
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An dem ersten Modul 3 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel unmittelbar das Sensormodul 51 mit dem Sensor 13, vorliegend einem Radarsensor, angeordnet.
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Das Anzeige- und Bedienmodul 52 wird über einen Sender 9, der wie in dem Ausführungsbeispiel der 1 an dem ersten Modul 3 angeordnet ist, mit Energie versorgt. Das zweite Modul 5, das vorliegend als Anzeige- und Bedienmodul ausgebildet ist, weist den Empfänger 11 auf, mittels dessen die optisch übertragene Energie wieder in elektrische Energie zur Versorgung des Anzeige- und Bedienmoduls 52 gewandelt wird. Das Anzeige- und Bedienmodul 52 weist im vorliegenden Ausführungsbeispiel einen Energiezwischenspeicher 55 auf, mittels dessen an das Anzeige- und Bedienmodul 52 übertragene Energie für Zeitpunkte erhöhten Energiebedarfs, bspw. Zeitpunkte, an denen ein Display aktiviert wird, zwischengespeichert werden kann.
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Zwischen dem ersten Modul 3 und dem zweiten Modul 5 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel im Strahlengang 15 zwischen dem Sender 9 und dem Empfänger 11 symbolisch eine Barriere 19 eingezeichnet, mittels derer das erste Modul 3 und das zweite Modul 5 beispielsweise gemäß einer vorgegebenen Explosionsschutzklasse voneinander getrennt werden können. Beispielsweise kann das zweite Modul 5 außerhalb eines explosionsgefährdeten Bereichs angeordnet sein, während das erste Modul 3 innerhalb des explosionsgefährdeten Bereichs angeordnet ist. Die Barriere 19 kann beispielsweise in der Außenhaut eines Tanks, in dem das erste Modul 3 und das Sensormodul 51 angeordnet sind und so diesen Tank druckdicht und explosionssicher abschließen.
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3 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel eines Feldgeräts ein gemäß der vorliegenden Anmeldung mit abgesetztem Anzeige- und Bedienmodul 52, wobei im Gegensatz zu der Ausgestaltung gemäß 2 der Sender 9 und der Empfänger 11 keine unmittelbare Blickverbindung aufweisen. Um dennoch eine Energieversorgung des Anzeige- und Bedienmoduls 52 mittels einer drahtlosen optische Energieübertragung zu ermöglichen ist im Strahlengang 15 ein Reflektor 21 angeordnet, der den Strahlengang 15 von dem Sender 9 auf den Empfänger 11 umgelenkt. Wie dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 ist der Strahlengang 15 auch im vorliegenden Ausführungsbeispiel mittels einer Schutzeinrichtung 17 die im Ausführungsbeispiel der 3 ebenfalls als Schutzrohr ausgebildet ist, gegen äußere Einflüsse geschützt.
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Bezugszeichen
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- 1
- Feldgerät
- 3
- Erstes Modul
- 5
- Zweites Modul
- 7
- Energieversorgung
- 9
- Sender
- 11
- Empfänger
- 13
- Sensor
- 15
- Strahlengang
- 17
- Schutzeinrichtung
- 19
- Barriere
- 21
- Reflektor
- 31
- Elektronikmodul
- 51
- Sensormodul
- 52
- Anzeige- und Bedienmodul
- 55
- Energie-Zwischenspeicher
- 91
- elektrooptischer Wandler
- 92
- Laserdiode
- 95
- optoelektronischer Wandler
- 96
- photovoltaische Zelle
