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Die
vorliegende Erfindung betrifft integrierte resonante Mikrostruktur-Sensoren
(RIM-Sensoren), und insbesondere integrierte resonante Mikrostruktur-Sensoren
für hohe
Temperaturen.
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Ein
elektrischer RIMS-Sensor ist in 1 dargestellt.
Mikrostrahl 11 vibriert auf einer resonanten Frequenz seiner
Struktur. Strahl 11 wird von Stützpfeilern 12 abgestützt, die
ein Teil einer mikrobearbeiteten Silizium-basierten Vorrichtung 16 ist. Der
Strahl 11 wird elektrostatisch durch eine kapazitative
Platte 13 gesteuert, die in der Nähe des Strahlenzentrums angeordnet
ist und den Strahl elektrostatisch dazu veranlasst, sich in Richtung
auf einen Kondensator 13 oder von diesem weg zu beugen oder
zu vibrieren. Das Messen der Frequenz von Strahl 11 erfolgt
durch einen Piezowiderstand 14, der in Strahl 11 eingebettet
ist. Eine Steuer/Messelektronik 25 stellt elektrische Signale
an die kapazitative Platte 13 für die Steuerung von Strahl 11 bereit
und empfängt
elektronische Signale von Sensor 14, die verarbeitet werden,
um die Frequenz von Strahl 11 anzuzeigen. Ein Nachteil
eines Sensors 16 liegt darin, dass er bei Temperaturen über 200 °C nicht gut arbeiten
kann. So versagen Piezowiderstände
bei Temperaturen über
250 °C.
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Neben
dem elektrischen RIMS-System 16 gibt es außerdem ein
optisches RIMS 17, dargestellt in 2, das ähnlich unzureichend
für das
Messen von Parametern in Umgebungen mit hohen Temperaturen ist.
Das System 17 verfügt
in gleicher Weise über
einen resonanten Strahl 11, der von Stützpfeilern 12 abgestützt wird,
die Teil einer mikromechanisch bearbeiteten integrierten Siliziumvorrichtung sind.
Eine Leuchtdiode (LED) oder ein Laser 18 emittieren Licht 19 über Glasfaser 20 durch
den Strahl 11 auf eine Photodiode 21, die unterhalb
von Strahl 11 angeordnet ist. Wenn die Photodiode 21 Licht 19 empfängt, erzeugt
sie eine elektrische Ladung, die dann den Strahl 11 elektrostatisch
anzieht und ihn so dazu veranlasst, in seiner natürlichen
Frequenz zu vibrieren. Licht 22 wird von der Photodiode 21 reflektiert
und Strahl 11 wird über
Faser 23 auf eine Photodiode 24 übertragen,
die mit der Steuer/Messelektronik 25 verbunden ist. Die
Elektronik 25 verarbeitet Lichtsignale 22 zur
Bestimmung der tatsächlichen
Vibrationsfrequenz des resonanten Strahls, wobei es sich um einen
Vergleich der Signale 22 und um die Bestimmung der Schwebungsfrequenz
zwischen den Signalen 22 handelt, die jeweils von Photodetektor 21 und
Strahl 11 reflektiert werden, sowie zur Bestimmung und
Bereitstellung eines geeigneten Steuersignals zur Aufrechterhaltung
der Vibration des Strahls. Es ist dem System 17 ebenfalls
nicht möglich,
in Umgebungen mit einer hohen Temperatur zu arbeiten. So versagen
beispielsweise Photodioden bei Temperaturen über 250 °C.
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Die
europäische
Patentschrift Nr. 0 451 992 offenbart einen resonanten Mikrostrahl-Sensor
für hohe
Temperaturen und einen Steuerkondensator, der den resonanten Strahl
vibrieren lässt.
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KURZDARSTELLUNG
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung stellt einen Sensor gemäß Anspruch 1 bereit. Der Sensor
kann die Merkmale von einem oder mehreren der abhängigen Ansprüche 2 bis
6 aufweisen.
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Die
vorliegende Erfindung benutzt weder eine piezoelektrische Messung
noch eine Photodiodensteuerung wie im Fall der oben erwähnten elektrischen
und optischen RIMS-Sensoren.
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Die
Erfindung kann in diversen Umgebungen mit hoher Temperatur angewandt
werden, wie z. B. Triebwerke, tiefe (geothermisch erwärmte) Brunnen und
Prozesssteuerungen. Der RIMS-Sensor mit Standardaufbau für hohe Temperaturen
kann mit einer Empfindlichkeit von etwa fünfzig Picostrain und einer
Verschiebungsempfindlichkeit bis auf etwa 1/10.000 Angstrom bei
Dehnungsverschiebungen benutzt werden. Die Erfindung kann als Drucksensor für die Differentialmessung,
die absolute Messung und die Druckmessung von Durchfluss- und/oder akustischen
Parametern benutzt werden. Die Empfindlichkeit und Genauigkeit eines
solchen Drucksensors können
bei bis zu zwei ppm der Druckmessspanne liegen. Eine Blattfederversion
des Mikrostrahlsensors für
hohe Temperaturen kann für
Kraft-, Gewicht- und/oder Drehmomentmessungen benutzt werden. Die
Blattfederversion des Sensors kann zur Messung von Temperatur, Magnetfeldern,
Feuchtigkeit und flüchtigen
organischen Verbindungen bimorphe dünne Schichten aufweisen, wie
in 7 und 8 gezeigt. Diese Version kann
jeweils mit Fehlpassung durch Wärmeausdehnung,
Magnetostriktion (Nickel, Fe-Co, Terfenol usw.) und mit organischen oder
anorganischen Filmen benutzt werden, die Feuchtigkeit absorbieren
oder selektiv in Verbindung mit flüchtigen organischen Verbindungen
anschwellen. Der RIMS-Aufbau für
hohe Temperaturen kann als ein Beschleuniger zur Messung von Beschleunigung,
Neigung und Vibration (spektrales Rauschen) benutzt werden. Die
Beschleunigungsmessversion weist eine Empfindlichkeit und Stabilität nahe dem Mikro-g-Bereich
auf. Bei dem Sensor kann neben dem Strahl oder Mantel eine Photodiode
angeordnet sein. Es kann sich um einen Sensor handeln, der zum Messen
von Licht oder für
spektrale und/oder chemische Analysen benutzt wird. Mit engen optischen
Bandpassfiltern (einschließlich
Ultraviolett- und Infrarotfiltern) und RIM-basierten Array-Detektoren
kann eine breite Spanne von chemischen Analysen durchgeführt werden.
Zusammen mit der Elektronik können
oft Techniken zur weiteren Erhöhung der
Messempfindlichkeit eingesetzt werden. Die Aufbauvarianten des elektrisch gesteuerten
und des optisch messenden RIMS-Sensor können bei extrem hohen Temperaturen
(um 600 °C)
für alle
oben genannten Messungen benutzt werden. In der Polysilikonversion
arbeitet der Strahl bis zum plastischen Fließen des Polysilikons. Sensoren
für höhere Temperaturen
können
für den
Strahl Metall sowie Saphir für
das Plättchen
und den Strahlmantel benutzen. Glasfaser kann nah an den Sensor
herangebracht werden, um zum einen den Strahl kapazitativ zu steuern
und zum anderen die natürliche
Frequenz des Strahls zu messen.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER FIGUREN
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1 zeigt
einen elektrischen RIMS-Sensor.
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2 zeigt
einen optischen RIMS-Sensor.
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3 zeigt
einen hybriden elektrisch/optischen RIMS-Sensor für Umgebungen mit sehr hohen Temperaturen,
der nicht mit der vorliegenden Erfindung beansprucht wird.
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4 zeigt
einen hybriden elektrisch/optischen RIMS-Sensor für Umgebungen mit extrem hohen
Temperaturen, der nicht mit der vorliegenden Erfindung beansprucht
wird.
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5 zeigt
einen optischen RIMS-Sensor gemäß der vorliegenden
Erfindung für
Umgebungen mit sehr hohen Temperaturen.
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6 zeigt
einen RIMS-Sensor-Aufbau.
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7 erläutert einen
bimorphen Blattfeder-RIMS-Sensor.
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8 erläutert einen
Mantel-gekoppelten bimorphen RIMS-Sensor.
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BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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In 3 ist
der resonante Mikrostrahl 11 durch Stützpfeiler 12 abgestützt. Der
Strahl 11 wird durch Steuerkondensator 13 kapazitativ
gesteuert, welcher über
einen elektrischen Leiter 31 mit der Steuer/Messelektronik 25 verbunden
ist. Die Länge von
Leiter 31 kann zwischen 5 Millimetern und 5 Kilometern
liegen. Der Mikrostrahl 11 ist von einem Polysilikonmantel 26 abgedeckt
und eingeschlossen. Außerdem
sind auch Mikrostrahl 11 und Stützpfeiler 12 durch
mikromechanische Bearbeitung aus Polysilikon gebildet und bilden
zusammen eine integrierte Siliziumvorrichtung. Licht 27 wird
von Faser 28 weiter durch den Mantel 26 und teilweise
weiter durch Strahl 11 zum Kondensator 13 geleitet.
Licht 27 wird von Strahl 11 und Kondensator 13 zurückt durch
Mantel 26 in die Faser 28 reflektiert, die mit
einem Photoelektronenvervielfacher 29 verbunden ist. Eine Schwebungsfrequenz
des reflektierten Lichts 27 von Strahl 11 und
Kondensator 13 zeigt die Vibrationsfrequenz von Strahl 11 an.
Die elektrische Ausgabe von Photoelektronenvervielfacher 29 geht
an die Steuer/Messelektronik 25 von System 10.
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Der
dielektrisch isolierte Steuerkondensator 13 arbeitet gut
bei sehr hohen Temperaturen. Das optische Messen, bei dem Licht 27 von
der Oberfläche von
Strahl 11 und Kondensator 13 reflektiert wird, funktioniert
ebenso gut bei sehr hohen Temperaturen. Die Grenzen dieses hybriden
elektrisch/optischen RIMS-Sensors 10 werden deutlich, wenn
die Temperatur erreicht ist, bei der das Polysilikon von Strahl 11 plastisch
zu fließen
beginnt. Dieser Zustand schränkt
die mechanische Stabilität
des Strahls bei Temperaturen über
etwa 600 °C
ein.
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Die
Steuer/Messelektronik 25 von System 10 stellt
ein geeignetes Steuersignal zur Verfügung, um Strahl 11 in
seiner natürlichen
Frequenz vibrieren zu lasen. Die von Strahl 11 als Licht 27 über Faser 28 gemessenen
Signale gehen an den Photoelektronenvervielfacher 29 weiter,
der die Lichtsignale 27 in elektrische Signale an Elektronik 25 umwandelt,
welche verarbeitet werden, um die tatsächliche Frequenz von Strahl 11 anzuzeigen.
Die von Strahl 11 gemessenen Parameter werden anhand des
Abstands zwischen den Stützpfeilern 12 gemessen, welcher
den Strahl 11 entweder ausdehnt oder zusammenzieht, wodurch
dessen Resonanzfrequenz beeinflusst wird, was als Anzeige für einen
bestimmten Parameterwert dient.
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4 offenbart
die Ausführungsform 30 eines
elektrisch/optischen RIMS-Sensors für extrem hohe Temperaturen
von 500 bis 1000 °C.
Zwei wichtige Merkmale, welche die Temperaturleistungen des Systems 30 gegenüber denen
des Systems 10 aus 3 erhöhen, sind
die in der mikromechanisch bearbeiteten integrierten Vorrichtung
benutzten Materialien. Beispielsweise ist der resonante Mikrostrahl 32 aus
einem Metall wie z. B. Wolfram hergestellt. Mantel 33,
das Substrat sowie die Stützpfeiler 12 sind
aus Saphir (d.h. AI2O3)
oder anderen Materialien hergestellt. Der resonante Mikrostrahl 32 wird über einen elektrischen
Leiter 31, der ein Steuersignal von der Steuer/Messelektronik 25 trägt, durch
Steuerkondensator 13 elektrostatisch gesteuert. Die Länge von
Leiter 31 kann wieder zwischen 5 Millimetern und 5 Kilometern
liegen, je nach den praktischen Bedingungen für den Aufbau von System 30.
Eine bestimmte natürliche
Frequenz von Strahl 32 hängt nach dessen Steuerung durch
Kondensator 13 von dem Material und der Größe von Strahl 32 ab
sowie davon, ob der Strahl 32 von den Stützpfeilern 12 gemäß den Parametern,
die von der Vorrichtung gemessen werden, in welcher der RIMS und
der kapazitative Sensor angeordnet ist, zusammengezogen oder gedehnt
wird.
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Um
die natürliche
Frequenz von Strahl 32 zu messen, kann ein Licht 34 von
einer Glasfaser 28 aus durch Mantel 33 in Strahl 32 gelangen.
Licht 35 wird dann von Strahl 32, Steuerkondensator 13 und/oder Mantel 33 zurück in die
Glasfaser 28 auf den Photoelektronenvervielfacher oder
die Diode 29 reflektiert. Bei Temperaturen von 600 °C oder darüber ist
kein Licht 34 nötig,
um Strahl 32 anzuleuchten, da die Temperatur des Strahls
hoch genug ist, dass der Strahl 32 ein sehr guter Infrarotstrahler
und also eine Quelle für
Licht sein kann, das durch Mantel 33 weiter in Faser 28 geleitet
wird. Mantel 33 ist teilweise reflektierend und teilweise
transparent für
infrarotes Licht ausgebildet. Licht 35 geht durch Infrarotfilter 54 und
auf Photoelektronenvervielfacher oder Diode 29, um in elektrische
Signale umgewandelt zu werden. Elektrische Signale von Vorrichtung 29 werden
an die Steuer/Messelektronik geleitet 25, welche die Signale
verarbeitet, um die Frequenz von Strahl 32 und so die von
System 30 gemessenen Parameterwerte anzuzeigen. Das gemessene
Signal ermöglicht
es der Steuerelektronik 25, dem Steuerkondensator das geeignete
Signal zur Verfügung
zu stellen, um die Vibration von Strahl 32 in seiner natürlichen
Frequenz aufrechtzuerhalten.
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5 zeigt
ein nahezu vollständig
optisches RIM-Sensor-System
für Umgebungen
mit sehr hohen Temperaturen gemäß der vorliegenden
Erfindung. Das Merkmal von System 40 ist, dass die gesamte
Distanzkommunikation zwischen der Steuer/Messelektronik 25 und
dem Mikrostrahl-Sensor 36 über Glasfasern 28 und 39 erfolgt.
Dieser Faseraufbau kann auch bei dem Aufbau 10 und 30 aus 3 bzw. 4 benutzt
werden.
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Der
Mantel 37 des Systems 40 ist ein schwacher Schwarzkörperstrahler
und ist transparent für
infrarotes Licht. Der Mikrostrahl 36 ist für infrarotes Licht
teilweise reflektiv und teilweise transparent. Das Substrat ist
ein guter Schwarzkörperstrahler.
Die Steuer/Messelektronik 25 sendet ein Steuersignal über eine
Leuchtdiode oder eine Laser-Lichtquelle in Form eines Lichtsignals
durch die Glasfaser 39 aus, die mit der Photodiode 38 verbunden
ist. Die Länge der
Glasfaser 39 kann zwischen 5 Millimetern und 5 Kilometern
liegen. Der Vorteil des Einsatzes von Glasfaser über große Distanzen liegt in der Vermeidung
von Problemen mit dem Signal-Rausch-Verhältnis, die bei der Übertragung
von elektrischen Signalen in langen Leitungen entstehen. Die Photodiode 38 ist
physikalisch nah am Sensor-Mikrostrahl 36 angeordnet, jedoch
weit genug beabstandet, dass sie in einer Umgebung verbleibt, deren
Temperatur unter 185 °C
liegt. Der Leiter 31 überträgt ein elektrisches Steuersignal
von der Photodiode 38 an Steuerkondensator 13,
der den Mikrostrahl 36 elektrostatisch dazu veranlasst,
in seiner natürlichen
Frequenz zu vibrieren.
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Eine
Erfassung von Strahl 36 erfolgt durch infrarotes Licht
vom Substrat als Schwarzkörperstrahler
durch Strahl 36 und Mantel 37 hindurch. Licht 41 wird
durch Infrarotfilter 42 gefiltert und tritt in die Glasfaser 28 ein,
um zurück
zum Photoelektronenvervielfacher 29 geleitet zu werden,
wo das Messsignal in ein elektrisches Signal umgewandelt wird. Dieses
elektrische Signal wird an die Steuer/Messelektronik 25 geleitet.
Die Elektronik 25 verarbeitet das elektrische Signal von
Photodetektor 29 zu einer Anzeige des Parameterwertes,
der von Strahl 36 aufgrund seines Zusammenziehens oder
Dehnens durch die Stützpfeiler 12 gemessen
wird, welche Teil einer mikromechanisch bearbeiteten integrierten
Vorrichtung sind, welche ein Teil eines am Messen von Parametern
beteiligten Apparates ist.
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6 zeigt
eine Ausführungsform
der Erfindung, die in eine Paketeinrichtung 50 integriert
ist. Auf einem Siliziumplättchen 43 sind
ein mikromechanisch verarbeiteter Mikrostrahl 44 und ein
Mantel 45 angeordnet, Das Siliziumplättchen 43 weist ein
Röhrchen 46 aus
Pyrex (oder einem anderen ähnlichen Material)
auf, das daran Te-gebunden ist. Die Rückseite ist mit Al2O3 überzogen.
Auf der anderen Seite des Siliziumplättchens 43 ist ein
Pyrex-Röhrchen 47 angeordnet,
das daran Tegebunden ist. Glasfaser 48 ist in die Öffnung des
Pyrex-Röhrchens 47 eingeführt. Anschlüsse 49 sind
an Vorrichtung 50 mit Drahtverbindungen 51 an
Siliziumplättchen 43 angebracht.
Die Drahtverbindungen 51 sind letztlich mit Steuerkondensator 13 verbunden,
der im Siliziumplättchen 43 benachbart
zu Mikrostrahl 44 angeordnet ist, welcher von den Stützpfeilern 12 abgestützt wird.
Die zu messenden Parameter wie z. B. Druck werden über Röhrchen 46 gemessen
und beeinflussen Siliziumplättchen 43 durch
Biegen desselben, was wiederum von Mikrostrahl 44 in Form
eines Zusammenziehens oder Ausdehnens gemessen wird, was die natürliche Frequenz
von Strahl 44 beeinflusst. Strahl 44 wird elektrostatisch
von Kondensator 13 gesteuert, der Steuersignale über Drähte 49 und Drahtverbindungen 51 von
der externen Elektronik 25. Licht zum Messen der natürlichen
Frequenz von Strahl 44 kann über die Glasfaser 48 eingebracht werden,
oder das Siliziumplättchen 43 kann
eine solche Quelle für
Licht zum Messen sein. Das erfasste Licht wird von Strahl 44 durch
die Glasfaser 48 an die Steuer/Messelektronik 25 geschickt.
Die Drähte 49 für den Steuerkondensator 13 können mit
der Steuer/Messelektronik 25 verbunden sein oder können über eine
Photodiode 38 und eine Glasfaser 39 mit der Steuer/Messelektronik 25 verbunden
sein, wie es anhand des Beispiels in 5 gezeigt
ist. Verschiedene Ausnehmungen an Röhrchen 47 in der Nähe von Plättchen 43 könne mit
Hochtemperaturzement 52 gefüllt sein. Eine flexible Verkleidung 53 umgibt
für Montagezwecke
und/oder aus umwelttechnischen Gründen den gesamten Aufbau von
Apparat 50. Die Vorrichtung 50 ist ein Aufbau,
der wahrscheinlich zum Druckmessen benutzt wird.
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7 zeigt
den bimorphen Blattfeder-RIM-Mikrostrahl-Sensor 55. An einer Silizium-Blattfeder 56 ist
ein magnetostriktiver Film 57 angeordnet. Jede Veränderung der
Ausdehnung des magnetostritkiven Films aufgrund einer Parametermessung
wie der eines Magnetfeldes beeinflusst die Silizium-Blattfeder 56,
indem sie in die eine oder die andere Richtung gebogen wird, so
dass die Stützpfeiler 12 den
Strahl 58 dazu veranlassen, sich als Resultat der Messung
des Parameters durch Film 57 entweder zusammenzuziehen
oder zu dehnen. Die natürliche
Frequenz von Strahl 58 wird in den verschiedenen Arten
gemäß 3 bis 5 gemessen,
wie oben beschrieben. Ein Vakuummantel 59 ist über dem
RIMS-Strahl 58 ausgebildet. Der Film 57 kann aus
anderen Substanzen hergestellt sein, die sensibel auf Temperatur,
Feuchtigkeit und/oder flüchtige
organische Verbindungen reagieren.
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8 offenbart
einen Mantel-gekoppelten bimorphen Aufbau 60 eines Sensors,
in den die vorliegende Erfindung integriert ist. Siliziumsubstrat 61 stützt den
Vakuummantel 62 ab. Auf dem Vakuummantel 62 sind
Stützpfeiler 12 ausgebildet,
die den RIMS-Strahl 63 abstützen. Auf der anderen Seite
des Vakuummantels 62 ist ein magnetostriktiver Film 64 ausgebildet,
dessen Ausdehnung in relativer Abhängigkeit zu einem bestimmten
gemessenen Parameter wie z. B. einem Magnetfeld steht. Diese Veränderung
der Ausdehnung von Film 64 verformt den Mantel 62,
wodurch wiederum über
die Stützpfeiler 12 der Strahl 63 entweder
zusammengezogen oder ausgedehnt wird, was die natürliche Frequenz
von Strahl 63 beeinflusst. Der Film 64 kann aus
anderen Substanzen hergestellt sein, die sensibel auf Temperatur, Feuchtigkeit
und/oder flüchtige
organische Verbindungen reagieren. Der Strahl 63 wird durch
die oben beschriebenen Techniken und Vorrichtungen gesteuert und
gemessen, und die resultierenden Signale werden von Elektronik verarbeitet,
um eine Anzeige der natürlichen
Frequenzen zu erzielen, so dass verschiedene Werte der gemessenen
Parameter angezeigt werden.