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Die Erfindung betrifft ein Verfahren, sowie eine Einrichtung zur Aufnahme und Übertragung von Messdaten in einem Hüttenwerk.
Ein Hüttenwerk besteht aus einer oder mehreren Anlagen zur Gewinnung oder Weiterverarbei- tung von einem oder mehreren metallischen und/oder nichtmetallischen Werkstoffen. Dieses Hüt- tenwerk ist insbesondere ein Eisenhüttenwerk, bestehend vorzugsweise aus einer Kokerei, und/ oder einer Sinterei, und/oder einem Reduktionsaggregat, und/oder einem Einschmelzaggregat, und/oder einem Aggregat zur sekundärmetallurgischen Behandlung, und/oder einem Stahlerzeu- gungsaggregat, insbesondere einem Stahlerzeugungskonverter und/oder einem Elektrolichtbogen- ofen, und/oder einer Giessvorrichtung, und/oder einer Stranggiessanlage etc.
Nachdem sich bei- spielsweise die Stahlerzeugung von einem vielerorts empirischen, zu einem wissenschaftlich an- spruchsvollen Prozess entwickelt hat, wird insbesondere in der Aufzeichnung aller prozessrelevan- ten Daten des Stahlherstellungsprozesses eine hohe Priorität erkannt. Für eine Prozessoptimie- rung, für eine Steigerung der Qualität des Produktes, wie auch zur Vermeidung langer Stillstands- zeiten durch Materialgebrechen, ist es heutzutage unabdingbar eine ständige objektive Überwa- chung des Stahlerzeugungsprozesses durchzuführen. Dabei werden Sensoren zur Aufnahme pro- zessrelevanter physikalischer, chemischer oder anderer technischer Eigenschaften verwendet Der Begriff Sensor bezeichnet dabei ein Bauteil, welches unmittelbar mit der Messgrösse in Kontakt steht, und diese Messgrösse in eine, zumeist elektronisch, weiterverarbeitbare Form wandelt.
Die Erfassung der Mess- oder Prozessdaten besteht unter anderem aus der Datenaufnahme, der Da- tenübertragung sowie der Datenauswertung.
Im Stand der Technik sind verschiedene Prozessüberwachungssysteme im Stahlwerk bekannt.
Schwierigkeiten treten bei hohen Umgebungstemperaturen, und anderen Beeinträchtigungen, wie Staub, Korrosion oder mechanischen Belastungen auf. Insbesondere bei beweglichen Teilen ist die Signalübertragung problematisch.
Aus dem Stand der Technik sind Losungen zur Funkübertragung von Daten bei Zentralhei- zungsanlagen, beispielsweise nach dem Dokument EP0635812A1, oder zur kabelgestützten Über- tragung von Daten in der Papierindustrie, beispielsweise nach dem Dokument EP0908555A2, be- kannt. Diese Lösungen sind durchwegs nicht fur eine Anwendung in der Hütten- bzw Stahlindust- rie geeignet.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie eine Einrichtung zur kostengünstigen und störungsarmen Erfassung und Übertragung von Mess- und Prozessdaten in einem Hüttenwerk, insbesondere bei der Gewinnung und/oder Umformung von metallischen und/ oder keramischen Werkstoffen einzufuhren Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss entsprechend dem Verfahren nach dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1, sowie entsprechend der Vor- richtung entsprechend dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 5 gelöst.
Nach einer besonderen Ausführungsform der Erfindung werden Informationen durch Funksig- nale von einem Sensor zu einer Abfrageeinheit, und gegebenenfalls umgekehrt übertragen, und ist der Sensor über Funksignale abfragbar ist. Durch die verwirklichte drahtlose Ubertragung der Messinformationen werden keine stationären Messleitungen zur Übertragung der Daten mehr be- nötigt. Damit entfällt auch die kostspielige Adaption der störungsanfälligen Messleitungen an die besonderen, weil problematischen, Umgebungsbedingungen in einem Huttenwerk, insbesondere in einem Stahlwerk
Eine derartige Messdatenerfassung besteht aus folgenden Schritten:
Einer Datenaufnahme, die jene Teile des Verfahrens und der Einrichtung kennzeichnet, welche unmittelbar mit der Aufnahme der Messgrösse in Zusammenhang stehen.
Einer Datenübertragung, die jene Teile des Verfahrens und der Einrichtung kennzeichnet, welche unmittelbar mit der Über- tragung der Messgrösse in ein Mess-Signal, und mit der Übertragung des Mess-Signals in Zu- sammenhang stehen. Einer Datenauswertung, die jene Teile des Verfahren und der Einrichtung kennzeichnet, welche unmittelbar mit der Auswertung des Mess-Signals in Zusammenhang ste- hen. Unter einer Messgrösse versteht man eine gemessene oder zu messende quantitative und qualitative Eigenschaft oder ein Merkmal einer physikalischen Erscheinung, das sich in einem zah- lenmässigen Wert ausdrücken lässt. Die beschriebene Einrichtung besteht aus zwei wesentlichen Bestandteilen: Mindestens einer Abfrageeinheit, und mindestens einem Funksensor.
Die Abfrage- einheit kann mittels elektromagnetischer Signale, beispielsweise durch Mikrowellen, einen oder mehrere Sensoren abfragen Das ist möglich, da jeder Sensor seine Messdatenübertragung mit
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seinem spezifischen Identifikationscode kombiniert, und damit von der Abfrageeinheit eindeutig identifiziert wird. Diese Identifikation ist durch die speziellen Eigenschaften der Oberflächenwellen, insbesondere deren ausgeprägter Laufzeitabhängigkeit möglich. Durch Verzögerungsleitungen kann so eine reflektierte Welle eindeutig einem speziellen Sensor zugeordnet werden. Die ver- wendbaren elektromagnetischen Wellen umfassen ein weites Spektrum und schliessen sowohl elektromagnetische Wellen im Frequenzbereich von 100 MHz bis 3 GHz, wie auch Mikrowellen, das sind elektromagnetische Wellen in einem Frequenzbereich von 3 bis 300 GHz, ein.
Eine be- sonders vorteilhafte Ausführung der Erfindung liegt dabei im Bereich von 400MHz bis 2,5GHz, insbesondere in einem Bereich von 1 GHz bis zu 2,5GHz.
Eine vorteilhafte Realisierung der vorliegenden Erfindung ergibt sich dadurch, dass als Sensor selbst, oder als wesentliche Bauteile eines Sensors Oberflachenwellenfilter eingesetzt werden.
Durch einen Oberflächenwellenfilter wird das von der Abfrageeinheit gesendete Signal in eine Oberflächenwelle umgewandelt. Die Oberflächenwelle wird in der Folge durch eine Wechselwir- kung mit der jeweiligen Messgrösse verändert, reflektiert, und durch das Oberflächenwellenfilter in ein elektromagnetisches Signal rückgewandelt. Die Oberflächenwelle erfährt dabei unbedingt die vollständige Information der Messung. Im elektromagnetischen Signal, welches an die Abfrageein- heit zurückgesendet wird, ist nun sowohl die Messgrösse, wie auch die Identifikationsinformation des Sensors enthalten
Der Sensor selbst liegt zumeist in einer integrierten Bauweise vor, kann aber auch zwei oder mehrteilig ausgeführt sein. Arbeitet der Sensor aktiv, ist es denkbar, dass er in kontinuierlichen oder diskontinuierlichen Abständen selbständig Signale an die Abfrageeinheit sendet.
Um Mess- Störungen sowie Fehler durch den Funkkanal zu vermeiden, wird häufig eine Differenzmessung angewandt. Sowohl die Antenne des Sensors, der Sensor selbst, wie auch sein Gehäuse sind nach den jeweiligen technischen Erfordernissen aus hochtemperaturbeständigem, und stossfestem Material gefertigt, wobei insbesondere das Gehäuse den Sensor vor Temperatur, insbesondere vor Strahlungswärme, vor Staub und anderen schädlichen Umgebungseinflüssen schützen soll. Der funkabfragbare Sensor arbeitet zumeist passiv, d. h. ohne Versorgungsleitung zu einer Energie- quelle.
Da die Sensoreinheit passiv arbeitet, kann sie in vielfältiger Weise und vielerorts eingesetzt werden, und unterliegt nicht weiter der Einschränkung einer stationären Versorgungsleitung. Durch Verwendung hochtemperaturbeständiger und schlagfester Werkstoffe kann die Sensoreinheit auch an Stellen eingesetzt werden, die besonderen Umgebungseinflüssen, insbesondere höherer Tem- peratur, ausgesetzt sind. Durch die eindeutige Zuordnung des Mess-Signals zu einem Sensor, können mehrere Sensoren über eine Abfrageeinheit abgefragt werden, wodurch zusätzlich Kosten gespart werden.
Mit dieser Methode kann z B. die Temperatur an verschiedenen Einrichtungen, insbesondere an Hüttengefässen, bestimmt werden, etwa die Temperatur am Mantel eines Konverters, oder einer Pfanne, zur Bestimmung möglicher Durchbruchstellen, oder die Temperatur am Mantel und den Kühleinrichtungen eines Elektrolichtbogenofens. Unter dem Begriff Hüttengefäss werden sämtliche
Einrichtungen eines Hüttenwerkes, insbesondere eines Stahlwerkes zusammengefasst, die zur temporären Aufnahme des Zwischen- oder Endproduktes dienen. Darunter versteht man insbe- sondere einen Stahlwerkskonverter oder einen Elektrolichtbogenofen. Weiters kann die Tempera- tur vorzugsweise auch an einem Tragring oder einem Aufhängungselement eines Konverters, oder eines anderen Hüttengefässes gemessen werden.
Der Temperaturbereich in welchem mit diesem Verfahren gute Ergebnisse erzielt werden, ist im wesentlichen durch die verwendeten Bauteile bestimmt, insbesondere durch die Wahl des Oberflächenwellensubstrates.
Weiters besteht die Möglichkeit Dehnungen an den jeweiligen Einrichtungen zu messen, wie etwa Langzeitverformungen, die ebenfalls als Indiz für ein bevorstehendes Versagen einer Einrich- tung gelten. Als weitere Anwendung kann mit dem beschriebenen Verfahren, und der beschriebe- nen Einrichtung ein Identifikationsmerkmal übertragen werden, um Aufschluss über die genaue
Position und Verweildauer der entsprechenden Einrichtung zu erhalten. Denkbar ist weiters ein
Schlackenfrüherkennungssystem, wobei eine Änderung der Induktivität mittels Oberflächenwellen in eine Änderung der Phasenlage des Funksignals umgewandelt wird, oder die Aufnahme anderer relevanter Kenngrössen eines Prozesses.
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Im folgenden werden drei nicht einschränkende Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig 1 schematisch das Funktionsprinzip einer Einrichtung sowie eines Verfahrens zur Erfas- sung von Messdaten in einem Hüttenwerk durch einen passiven Sensor
Fig. 2 schematisch das Funktionsprinzip einer Temperaturmessung an einem Konverter
Fig.3schematisch das Funktionsprinzip einer Einrichtung, sowie eines Verfahrens zur Erfas- sung von Messdaten in einem Hüttenwerk durch einen aktiven Sensor
Fig. 4 einen Sensor bevorzugt zur Anwendung nach Fig.
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Fig.5 schematisch das Funktionsprinzip einer Einrichtung, sowie eines Verfahrens zur Erfas- sung von Messdaten in einem Hüttenwerk mit einem passiven zweiteiligen Sensor
Die dargestellten Ausführungsbeispiele der Erfindung umfassen eine Auswerteeinheit 1, Ver- bindungsleitungen 6, eine Abfrageeinheit 5, eine oder mehrere Abfrageantennen 4, wobei die Auswerteeinheit 1 mit den Verbindungsleitungen 6 und der Abfrageeinheit 5 auch in einer Einheit integriert sein können, und einen Funksensor 3 mit einer oder mehreren Sensorantennen 2. Zu- satzlich kann die Erfindung bei einem zwei oder mehrteiligen Funksensor 3 Verbindungsleitungen 7, zu einem weiteren Bauteil 8 des Sensors, sowie eine Energieversorgung 10, und eine weitere Verbindungsleitung 9 aufweisen.
Der Sensor 3 umfasst im einfachsten Falle ein dem Fachmann bekanntes Oberflächenwellenfilter, welches in seiner einfachsten Ausführungsform ein IDT (inter- digital transducer) und mindestens einen Reflektor umfasst. Ein IDT in seiner einfachsten Ausfüh- rungsform wiederum umfasst eine Reihe von parallelen planaren Metallelektroden die sich in pen- odischen Abstanden auf der Oberfläche eines piezoelektrischen Substrats befinden, wobei sie abwechselnd miteinander kontaktiert sind.
Die in Fig. 1 dargestellte Ausführungsform der erfindungsgemässen Einrichtung bzw. des erfin- dungsgemassen Verfahrens wird wie folgt beschrieben-
Durch eine Auswerteeinheit 1 wird zu bestimmten Zeiten, zweckmässig in regelmässigen Ab- ständen, eine neue Messdatenerfassung in Gang gesetzt. Dabei wird beispielsweise von der Aus- werteeinheit 1 über Verbindungsleitungen 6 die Abfrageeinheit 5 mit Daten versorgt. Diese Daten dienen zur Spezifikation des Messvorganges, und enthalten beispielsweise Informationen betref- fend welche Sensoren abgerufen werden.
Die Abfrageemheit 1 verarbeitet diese Daten in geeigneter Weise und steuert über ein elektro- magnetisches Signal, welches über eine Abfrageantenne 4 abgestrahlt wird, einen Funksensor 3 an. Dieser Funksensor 3 empfangt uber eine Sensorantenne 2, vorzugsweise als Batchantenne mit V4 = 167 mm ausgeführt, das Signal der Abfrageeinheit 1, und wandelt dieses mit Hilfe eines Oberflächenwellenfilters, insbesondere durch einen IDT, in akustische Oberflächenwellen um Das Oberflächenwellenfilter besteht aus einem temperaturbeständigem Substrat, beispielsweise aus Langasit oder Galliumorthophosphat, insbesondere aus Lithiumniobat mit einer Kontaktierung aus Aluminium. Vorzugsweise wird eine Differenzmessung mit einem Laufzeitunterschied von 5 us bei 20 C angewendet, der Temperaturkoeffizient betrage 75 bis 94 ppm und die Abfragefrequenz 450 MHz.
Diese Oberflächenwellen werden nun nach Fig. 1 durch die Messgrösse verändert, re- flektiert, gegebenenfalls mit dem Indentifikationscode des Sensors erweitert, und/oder vorverarbei- tet, sowie in elektromagnetische Wellen rückgewandelt und mittels der Sensorantennen 2 abge- strahlt. Das elektromagnetische Signal trifft an der Abfrageantenne 4 der Abfrageeinheit 5 ein, und wird geeignet weiterverarbeitet Schliesslich wird das Messsignal an die Auswerteeinheit 1 gesendet, wo die Auswertung erfolgt.
Fig. 2 zeigt als weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel eine drahtlose Temperaturüberwa- chung an einem Konverter 13.
Nach Fig. 3 sendet ein aktiver Sensor, der durch eine Energieversorgungsleitung 9 mit einer Energieversorgung 10 verbunden ist, selbständig, das heisst aktiv, kontinuierlich oder diskontinuier- lich Signale an die Abfrageeinheit. Der nachfolgende Prozess unterscheidet sich nicht von jenem in Fig.
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The invention relates to a method and a device for recording and transmitting measurement data in a steel mill.
A metallurgical plant consists of one or more plants for the extraction or further processing of one or more metallic and / or non-metallic materials. This smelting works is in particular an iron and steel works, preferably consisting of a coking plant, and / or a sintering plant, and / or a reduction unit, and / or a melting unit, and / or a unit for secondary metallurgical treatment, and / or a steel production unit, in particular a steel production converter and / or an electric arc furnace, and / or a casting device, and / or a continuous casting installation, etc.
For example, after steel production has evolved from a process that is empirical in many places to a scientifically demanding process, a high priority is recognized in the recording of all process-relevant data of the steel manufacturing process. For process optimization, for increasing the quality of the product, as well as for avoiding long downtimes due to material breakdowns, it is indispensable to carry out a permanent objective monitoring of the steelmaking process. Sensors are used to record process-relevant physical, chemical or other technical properties. The term sensor refers to a component that is in direct contact with the measurement variable and converts this measurement variable into a form that is usually electronically processable.
The acquisition of measurement or process data consists, among other things, of data acquisition, data transmission and data evaluation.
Various process monitoring systems in the steel mill are known in the prior art.
Difficulties arise with high ambient temperatures and other impairments such as dust, corrosion or mechanical loads. Signal transmission is particularly problematic for moving parts.
Solutions are known from the prior art for radio transmission of data in central heating systems, for example according to document EP0635812A1, or for cable-supported transmission of data in the paper industry, for example according to document EP0908555A2. All of these solutions are not suitable for use in the metallurgical or steel industry.
The invention is therefore based on the object of introducing a method and a device for cost-effective and low-interference detection and transmission of measurement and process data in a steel mill, in particular when extracting and / or shaping metallic and / or ceramic materials the method according to the characterizing part of claim 1, and according to the device according to the characterizing part of claim 5 solved.
According to a special embodiment of the invention, information is transmitted by radio signals from a sensor to an interrogation unit, and possibly vice versa, and the sensor can be interrogated via radio signals. As a result of the wireless transmission of the measurement information, stationary measurement lines are no longer required to transmit the data. This also eliminates the costly adaptation of the test leads, which are susceptible to malfunction, to the special, because problematic, environmental conditions in a hut mill, particularly in a steel mill
Such measurement data acquisition consists of the following steps:
A data acquisition that identifies those parts of the method and the device that are directly related to the acquisition of the measured variable.
A data transmission which identifies those parts of the method and the device which are directly related to the transmission of the measurement variable into a measurement signal and to the transmission of the measurement signal. A data evaluation which identifies those parts of the method and the device which are directly related to the evaluation of the measurement signal. A measurand is understood to mean a measured or measurable quantitative and qualitative property or a characteristic of a physical phenomenon that can be expressed in a numerical value. The described device consists of two essential components: at least one interrogation unit and at least one radio sensor.
The interrogation unit can interrogate one or more sensors by means of electromagnetic signals, for example by means of microwaves. This is possible since each sensor also carries out its measurement data transmission
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its specific identification code combined, and thus clearly identified by the interrogation unit. This identification is possible due to the special properties of the surface waves, especially their pronounced dependence on the transit time. By means of delay lines, a reflected wave can be clearly assigned to a special sensor. The usable electromagnetic waves encompass a broad spectrum and include both electromagnetic waves in the frequency range from 100 MHz to 3 GHz and microwaves, which are electromagnetic waves in a frequency range from 3 to 300 GHz.
A particularly advantageous embodiment of the invention lies in the range from 400 MHz to 2.5 GHz, in particular in a range from 1 GHz to 2.5 GHz.
An advantageous realization of the present invention results from the fact that surface wave filters are used as the sensor itself or as essential components of a sensor.
The signal sent by the interrogation unit is converted into a surface wave by a surface wave filter. The surface wave is subsequently changed by an interaction with the respective measured variable, reflected, and converted back into an electromagnetic signal by the surface wave filter. The surface wave necessarily receives the complete information of the measurement. The electromagnetic signal, which is sent back to the interrogation unit, now contains both the measured variable and the identification information of the sensor
The sensor itself is usually in an integrated design, but can also be made in two or more parts. If the sensor works actively, it is conceivable that it independently sends signals to the interrogation unit at continuous or discontinuous intervals.
In order to avoid measurement disturbances and errors due to the radio channel, a differential measurement is often used. Both the antenna of the sensor, the sensor itself, and its housing are made of high-temperature-resistant and shockproof material according to the respective technical requirements, with the housing in particular protecting the sensor from temperature, in particular from radiant heat, from dust and other harmful environmental influences. The radio-interrogable sensor mostly works passively, i. H. to an energy source without a supply line.
Since the sensor unit works passively, it can be used in a variety of ways and in many places, and is no longer subject to the restriction of a stationary supply line. By using high-temperature resistant and impact-resistant materials, the sensor unit can also be used in places that are exposed to special environmental influences, in particular higher temperatures. Due to the clear assignment of the measurement signal to a sensor, several sensors can be queried via a query unit, which also saves costs.
This method can be used, for example, to determine the temperature at various devices, in particular at smelters, such as the temperature on the jacket of a converter or a pan to determine possible breakthrough points, or the temperature on the jacket and cooling devices of an electric arc furnace. All are referred to as hut vessels
Facilities of a steel mill, in particular a steel mill, combined, which serve to temporarily accommodate the intermediate or end product. This means in particular a steel mill converter or an electric arc furnace. Furthermore, the temperature can preferably also be measured on a support ring or a suspension element of a converter, or another hut vessel.
The temperature range in which good results are achieved with this method is essentially determined by the components used, in particular by the choice of the surface wave substrate.
There is also the possibility of measuring strains at the respective facilities, such as long-term deformations, which are also an indication of impending failure of a facility. As a further application, the described method and the described device can be used to transmit an identification feature in order to obtain information about the exact
Obtain position and length of stay of the corresponding facility. Another is conceivable
Early slag detection system, where a change in inductance is converted into a change in the phase position of the radio signal by means of surface waves, or the recording of other relevant parameters of a process.
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Three non-limiting exemplary embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to drawings. Show it:
1 schematically shows the functional principle of a device and a method for acquiring measurement data in a steel mill by means of a passive sensor
Fig. 2 shows schematically the principle of operation of a temperature measurement on a converter
3 shows schematically the functional principle of a device and of a method for acquiring measurement data in a steel mill by an active sensor
4 shows a sensor, preferably for use according to FIG.
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5 shows schematically the functional principle of a device and a method for acquiring measurement data in a steel mill with a passive two-part sensor
The illustrated exemplary embodiments of the invention include an evaluation unit 1, connection lines 6, a query unit 5, one or more query antennas 4, wherein the evaluation unit 1 with the connection lines 6 and the query unit 5 can also be integrated in one unit, and a radio sensor 3 with one or more sensor antennas 2. In addition, in the case of a two-part or multi-part radio sensor 3, the invention can have connecting lines 7 to a further component 8 of the sensor, as well as a power supply 10 and a further connecting line 9.
In the simplest case, the sensor 3 comprises a surface wave filter known to the person skilled in the art, which in its simplest embodiment comprises an IDT (interdigital transducer) and at least one reflector. In its simplest embodiment, an IDT in turn comprises a series of parallel planar metal electrodes which are located at specific distances on the surface of a piezoelectric substrate, with which they are alternately contacted with one another.
The embodiment of the device according to the invention and the method according to the invention shown in FIG. 1 is described as follows.
An evaluation unit 1 initiates a new measurement data acquisition at certain times, expediently at regular intervals. In this case, the evaluation unit 1 is supplied with data by the evaluation unit 1 via connecting lines 6. These data are used to specify the measurement process and contain, for example, information regarding which sensors are called up.
The interrogation unit 1 processes these data in a suitable manner and controls a radio sensor 3 via an electromagnetic signal which is emitted via an interrogation antenna 4. This radio sensor 3 receives the signal of the interrogation unit 1 via a sensor antenna 2, preferably in the form of a batch antenna with V4 = 167 mm, and converts it into acoustic surface waves with the aid of a surface wave filter, in particular an IDT. The surface wave filter consists of a temperature-resistant substrate, for example made of langasite or gallium orthophosphate, in particular of lithium niobate with a contact made of aluminum. A difference measurement with a transit time difference of 5 us at 20 C is preferably used, the temperature coefficient is 75 to 94 ppm and the interrogation frequency 450 MHz.
These surface waves are now changed according to FIG. 1 by the measured variable, reflected, possibly expanded with the identification code of the sensor, and / or preprocessed, and converted back into electromagnetic waves and emitted by means of the sensor antennas 2. The electromagnetic signal arrives at the query antenna 4 of the query unit 5 and is suitably processed. Finally, the measurement signal is sent to the evaluation unit 1, where the evaluation takes place.
2 shows, as a further preferred exemplary embodiment, wireless temperature monitoring on a converter 13.
According to FIG. 3, an active sensor, which is connected to a power supply 10 by a power supply line 9, sends signals to the interrogation unit independently, that is to say actively, continuously or discontinuously. The subsequent process is no different from that in Fig.