AT516195B1 - Passiver drahtloser RFID Temperatur Indikator - Google Patents

Abstract

Die Messung von Temperaturen insbesondere die Detektion der Überschreitung beziehungsweise Unterschreitung einer kritischen Temperatur ist für viele Bereiche von großer Bedeutung. Die Erfindung löst das Problem, der Identifikation und der Detektion einer kritischen Temperatur dadurch, dass bei Überschreitung bzw. Unterschreitung einer Temperatur ein Magnetfeld irreversible geändert wird. Dieses Magnetfeld wird durch einen Magnetfeldsensor delektiert, der mit einem Mikrochip ausgelesen wird. Die Energie für diesen Prozess wird durch das Anregefeld bezogen. Somit wird ein RFID Signal übermittelt, welches die Über/Unterschreitung einer Temperatur enthält und weiters eine eindeutige Identifikation des Sensors liefert. Der Sensor kommt ohne Energieversorgung aus und kann mittels Standardauslesegeräte, wie Beispielsweise eines NFC fähiges Handy ausgelesen werden.

Description

Beschreibung

PASSIVER DRAHTLOSER RFID TEMPERATUR INDIKATOR

[0001] Die Erfindung betrifft die Überwachung von Temperaturen und insbesondere eine dafür geeignete Vorrichtung entsprechend dem Oberbegriff Teil des Anspruches 1.

[0002] Die Messung von Temperaturen insbesondere die Detektion der Überschreitung beziehungsweise Unterschreitung einer kritischen Temperatur ist für viele Bereiche von großer Bedeutung. Für Produkthaftungsfragen sowie Prozessüberwachung kann bei Wissen über kritische Temperaturen die überschritten bzw. unterschritten wurden, Aussagen getroffen werden ob Grenzwerte eingehalten wurden.

[0003] So ist beispielsweise die Temperaturmessung bei Lebensmitteltransporten und Medikamentetransporten essentiell, wo die Einhaltung der vorgeschriebenen Toleranzen der Temperatur protokolliert werden muss. Bei der Überwachung von Kühlketten ist meist nicht die aktuelle Temperatur von Interesse, sondern die Frage, ob die Temperatur des Produkts während des gesamten Logistikprozesses einen zulässigen Maximalwert bzw. Minimalwert überschritten hat. Hierzu werden Indikator- Etiketten am Produkt angebracht. Diese Indikatoren verändern dauerhaft ihre Farbe, falls die zulässige Maximaltemperatur überschritten wurde.

[0004] In DE 19622671 A1 ist eine Vorrichtung zur irreversiblen Anzeige zeitweiliger Überschreitung der zulässigen Temperatur beschrieben. Dieser Sensor beinhaltet ein Medium mit einem Schmelzpunkt, das gerade oberhalb der zulässigen Lagertemperatur liegt. In diesem Medium sind magnetisierbare Partikel suspendiert. Des Weiteren befinden sich in dem Behälter an einzelnen Stellen magnetisierbare Körper, welche sowohl oberhalb wie unterhalb der kritischen Lagertemperatur im festen Zustand vorliegen. Wird die kritische Lagertemperatur unzu-ässigerweise länger als erlaubt überschritten, so verflüssigt sich die Suspension und die in ihr enthaltenen magnetisierbaren oder magnetischen Partikel wandern zu den festen magnetisierbaren Körper und werden dort festgehalten.

[0005] In DE 4210739 A1 wird ein flacher Kunststoffbeutel beschrieben indem ein Eutektikum zusammen mit einer magnetischen Dispersion eingebracht ist. Auf den Beutel wird ein Magnetstreifen aufgeklebt, der ein magnetisch aufgezeichnetes Muster enthält. Bei Aktivierung wird der Streifen abgezogen und im Falle des Auftauens ändert sich das Muster in der Dispersion.

[0006] Diese Indikatoren haben den Nachteil, dass sie schlecht automatisierbar auslesbar sind beziehungsweise ein relative lange Zeit benötigen bis die Flüssigkeit vollständig aufgetaut ist, sodass die magnetischen Partikeln in dem Sensor frei wandern können.

[0007] E in zusätzliches Problem dieser Systeme ist die aufwändige Logistik, sodass die meisten Indikatoren schon im gekühlten Zustand an den Lebensmittelverpacker geliefert werden müssen. Eine Ausnahme bilden Farbindikatoren, die mit UV-Licht erst nach dem Abpacken der Lebensmittel aktiviert werden können. Es muss aber dann im Anschluss noch ein UV-Filter am Indikator angebracht werden, um eine Reaktivierung durch das Tageslicht zu verhindern.

[0008] In (B. Bergmair, J. Liu, T. Huber, 0. Gutfleisch, D. Suess "Wireless and passive tempera-ture indicator utilizing the large hysteresis of magnetic shape memory alloys." Applied Physics Letters, vol 101.4, 2012, p. 042412.) wird in System beschrieben bei dem die Resonanzfrequenz eines magneto-akustischen Plättchens durch die Veränderung der Eigenschaft von „Shape-Memory“ Alloys verändert wird. Dieser Sensor kann nur mittels eines speziellen Lesegeräts ausgelesen werden. Im speziellen wird ein Signal mit der Frequenz von ca. 58 kHz ausgesandt. Die Lese/Sendeeinheit benötigt auf Grund der geringen Frequenz relative große laterale Abmessungen. Weiters besteht in diesem System nicht die Möglichkeit mit dem Sensorsignal eine ID mitzuschicken, welches für viele Anwendungen von Notwendigkeit ist.

[0009] In WO 2005/116599 A1 wird ein System beschrieben, bei dem eine Temperatur mit einem piezoelektrisches oder ferroelektrisches Material aufgezeichnet wird. Dieses Material erzeugt eine Spannung in einem Transistor. Im Fall von Piezoelektrisch ist das Material nicht magnetisch. Im Fall von Ferroelektrisch muss das Material sowohl ferromagnetische als auch piezoelelektrisch sein. In der Erfindung wird eine weit einfachere Materialklasse, nämlich Fer-romagnete verwendet um Temperaturüber/ Unterschreitungen zu detektieren. Der Zustand des magnetischen Materials wird im Gegensatz zu WO 2005/116599 A1 mit mit einem Magnetfeldsensor ausgelesen.

[0010] In AT 511 171 A1 wird führt eine Temperaturüberschreitung zu einer Veränderung eines Magnetfeldes im Sensormaterial, welches durch eine Veränderung einer mechanische Resonanzen eines zusätzlichen magnetischen Plättchens bestimmt wird. Im Gegensatz zu der Verwendung einer mechanischen Resonanz wird in der Erfindung ein magnetischer Phasenübergang erster Ordnung mit dem Konzept von RFID Sensoren in Kombination eines Magnetfeldsensors ausgelesen. Dies hat den großen Vorteil, dass das Auslesen mittels RFID Sensoren eine weit höhere Kompatibilität zu bestehenden Endgeräten hat.

[0011] Die Erfindung hat die Aufgabe, dieses Problem zu lösen und schlägt dazu vor, mittels RFID System passiv die Über/Unterschreitung einer Temperatur zur detektieren. Dieses System hat den Vorteil mit handelsüblichen Lesegeräten ausgelesen werden zu können, wie beispielsweise ein kommerzielles Handy mit NFC Funktionalität.

[0012] Durch die Temperaturüberschreitung/Unterschreitung wird ein Phasenübergang erster Ordnung in dem Sensormaterial verursacht. Dieser Phasenübergang ändert das magnetische Feld des Sensormaterial (2), welches durch einen Magnetfeldsensor (1) detektiert wird.

[0013] Das System kann nach der Auslieferung aktiviert werden (z.b durch mechanisches Anbringen oder Abbrechen von Teilen des Sensors, magnetische Felder und tiefen bzw. hohen Temperaturen). Dies spart Energie und Kosten. Der Sensor ist ein passives Element, das keine eigene Energieversorgung benötigt.

[0014] Eine Ausgestaltung der Erfindung kann die folgenden wesentlichsten Bestandteile des Sensors enthalten: [0015] (i) Einen Microchip (3), welcher die ID des Sensors speichert und einen RFID Trans ponder beinhaltet als auch einen internen oder externen Magnetfeldsensor ausließt.

[0016] (ii) Ein Sensormaterial (2) welches bei Temperaturüberschreitung bzw. Unterschreitung einen Phasenübergang erster Ordnung aufweist.

[0017] (iii) Einen Magnetfeldsensor (1) der das Magnet des Sensormaterial ausließt [0018] Durch das Funksignal des Abfragegeräts kann ein passiver RFID-Transponder genügend Energie beziehen um einen Magnetfeldsensor (1) auszulesen. Als Magnetfeldsensor können Standardsensoren wie beispielsweise Hall, AMR, GMR, TMR Sensoren verwendet werden. Da in den meisten Anwendungsfällen nur zwischen zwei verschiedenen Magnetfeldern unterschieden werden muss, können auch Switches benutz werden, wie Hall, AMR, GMR, TMR Switches.

[0019] Ein zentrales Element ist das Sensormaterial (2) welches innerhalb des Temperaturoperationsbereichs einen Phasenübergang erster Ordnung aufweist, wobei der Phasenübergang im Sensormaterial zu einer Änderung des Magnetfeldes führt. Hier werden in der Erfindung verschiedene Beispiele angegeben.

[0020] In einer Ausgestaltung des Sensors beinhaltet das Sensormaterial (2) magnetische Teilchen bzw. einen Magneten (4) der in einer Flüssigkeit (13) gelagert ist. Wird die Flüssigkeit unter den Gefrierpunkt abgesenkt, erstarrt diese Flüssigkeit und fixiert die Position und Orientierung des Magneten.

[0021] Wird der Magnet vor dem Einfrieren magnetisiert und wird während des Gefrierens ein zusätzliches äußeres Magnetfeld angelegt, kann der Magnet, in jede beliebige Magnetisierungsrichtung eingefroren werden.

[0022] Alternativ kann im eingefroren Zustand durch Anlegen eines starken Magnetpulses die Magnetisierung des Magneten in die Richtung des Magnetfeldpulses magnetisiert werden.

Befindet sich neben dem eingefrorenen Magneten ein weiterer Magnet der im Sensorgehäuse fixiert ist, wird beim Auftauen die Position bzw. die Orientierung des Magneten verändert, so-dass die magnetische Energie minimiert wird.

[0023] Durch die Änderung der magnetischen Ausrichtung bei Überschreiten / Unterschreiten der kritischen Temperatur ändert sich das magnetische Streufeld, das auf den Magnetfeldsensor (1) wirkt. Aus der Änderung des Magnetfeldes, welches vom Microchip ausgelesen wird und mittels RFID Protokoll an das Auslesegerät geschickt wird, kann somit auf die Temperatur und auch auf die Überschreitung bzw. Unterschreitung einer kritischen Temperatur geschlossen werden.

[0024] Viele Flüssigkeiten zeigen das Phänomen von Supercooling, das heisst, die Absenkung der Temperatur einer Flüssigkeit unter den Gefrierpunkt, ohne dass diese erstarrt. Dieser Effekt beschränkt die Genauigkeit von vielen chemischen Indikatoren für die Überwachung der Unterschreitung von kritischen Temperaturen (US 4457252 A). Um dieses Problem zu minimieren können als Flüssigkeiten organische Verbindungen verwendet werden, wie zum Beispiel Verbindungen aus Tabelle 1.

[0025] Tabelle 1: Gefrierpunkt verschiedener Organischer Verbindungen (US 4457252 A).

[0026] Die meisten Flüssigkeiten eigenen sich für diese Aufgabe. So können beispielsweise Alkohol (Ethanol) -Wassergemische verwendet werden um den Gefrierpunkt in einen großen Bereich einzustellen, Wasser-Salz Gemische, Glyzerin oder auch organische Verbindungen wie in Tabelle 1. aufgelistet. Um die Unterschreitung einer kritischen Temperatur detektieren zu können ist die Unterbindung von Supercooling notwendig. Neben der schon erwähnten Verwendung der organischen Materialien können auch nicht organische Flüssigkeiten verwendet werden, mit geeigneten eisbildenten Substanzen, die als Nukleationskeime dienen. In WO 2007148321 A2 wird in Deuterium Dioxide (schweres Wasser) mit den eisnukleation Proteinen von Pseudomonas syringae vorgeschlagen.

[0027] In US 4191125 wird die Verwendung von Kupfersulfat als Eisbildende Substanz vorgeschlagen. In US3877642 A wird die Verwendung von Silberiodid, die Supercooling bei Wasser auf ca. -1 °C limitiert vorgeschlagen.

[0028] Andere Flüssigkeiten die verwendet werden können sind latent Wärmespeichermaterialien. Führt man diesen Materialien Wärme zu, beginnen diese bei Erreichen seiner Schmelztemperatur den Aggregatzustand von fest nach flüssig zu ändern. Während dieses Phasenwechsels absorbieren diese Materialien die Schmelzwärme. Beispiele für Wärmespeichermaterialien sind Salzhydrate.

[0029] Das Sensorelement (2) kann auch zur Gänze oder zu einem Großteil aus einem magnetokalorischen Material oder einer Formgedächtnislegierung bestehen, dessen Magnetisierung und in Folge das erzeugte Streufeld in der Nähe der kritischen Temperatur stark geändert wird.

[0030] Mit Überschreitung / Unterschreitung einer kritischen Temperatur können sowohl bei magnetokalorischen Materialien als auch bei Formgedächtnislegierung die folgenden Übergänge beobachtet werden: [0031] (i) Zustand mit hoher Magnetisierung zu Zustand mit niedriger Magnetisierung [0032] (ii) Zustand mit niedriger Magnetisierung zu Zustand mit hoher Magnetisierung [0033] Bei magnetokalorischen Materialien sind diese Phasenübergänge oft reversibel. Das heißt, wird die kritische Temperatur nach der Überschreitung wieder unterschritten ist der magnetische Zustand des Plättchens der gleiche beziehungsweise sehr ähnlich wie der Ausgangszustand. Solch eine reversible Magnetisierungsänderung ist geeignet um Temperatursensoren für die Bestimmung der momentanen Temperatur mit hoher Auflösung in der Nähe der kritischen Temperatur zu realisieren. So kann beispielsweise, für Fieberthermometer eine hohe Auflösung im Bereich von 35°C bis 42°C erreicht werden. Magnetokalorische Materialien können verwendet werden, die eine starke Änderung der Magnetisierung in diesem Temperaturbereich zeigen. Die kritische Temperatur kann beispielsweise bei 45°C liegen.

[0034] Reversible Magnetisierungsänderung ist jedoch für die Detektion einer Maxi-mal/Minimaltemperatur nicht geeignet. Vielmehr sind für Maximal/Minimaltemperatur Sensoren, magnetische Materialien benötigt, die nach Überschreitung der kritischen Temperatur zu einer irreversiblen Änderung des magnetischen Zustandes führen oder zumindest eine beträchtliche thermische Hysterese zeigen, die oft bei Formgedächtnislegierung zu finden ist.

[0035] Der Begriff thermische Hysterese sollt an folgendem Beispiel illustriert werden. Bei der Formgedächtnislegierung Ni-Mn-In-Co erfolgt beispielsweise ein Übergang von niedriger Magnetisierung zu hoher Magnetisierung, wenn eine Temperatur von 7°C überschritten wird. Bei erneuter Abkühlung ist jedoch die Unterschreitung von -33°C erforderlich um wieder in den Zustand mit niedriger Magnetisierung zu wechseln. In diesem Fall ist die thermische Hysteresis 40°C und ausreichend um eine zumindest einmalige Temperaturerhöhung über 7°C dauerhaft zu detektieren. Erst wenn der Sensor auf -33°C gekühlt wird, wird der Sensor in den Ausgangszustand zurückgesetzt.

[0036] E in Beispiel für ein Material, das in einem Temperatursensor für die Detektion einer kritischen Maximaltemperatur verwendet kann, ist NiMnGa. Die kritische Temperatur wo die martensitische Umwandlung stattfindet, kann durch Wahl der Legierung im Bereich von 175K zu 450K liegen (Y. Ma, S. Awaji, K. Watanabe, M. Matsumoto, and N. Kobayashi, “Effect of high magnetic field on the two-step martensitic-phase transition in NiMnGa,” Applied Physics Letters, vol. 76, 2000, p. 37.). Unterhalb der kritischen Temperatur ist NiMnGa in einer tetragonalen Phase, die bei geeigneter Wahl der Korngröße auch eine genügend große kristalline Anisotropie besitzt um hartmagnetische Eigenschaften aufzuweisen. Im speziellen kann eine Remanenz ungleich Null realisiert werden, wenn das Plättchen bei der Aktivierung durch ein äußeres Feld gesättigt wird. Wird nun der Sensor über die kritische Temperatur erwärmt, findet ein Phasenübergang statt, die tetragonale Phase geht in eine kubische Phase über und die mittlere Magnetisierung verschwindet. Bei erneuter Abkühlung kann zwar wieder die tetragonale Phase erreicht werden, jedoch würde während der Abkühlung ein beträchtliches Feld benötigt werden, um einen magnetischen Zustand mit einer Magnetisierung ungleich Null zu erreichen. Somit wird bei einmaliger Überschreitung der kritischen Temperatur die mittlere Magnetisierung des Sensorelements (2) nahe Null gesetzt. In Folge erzeugt das Sensormaterial kein Streufeld und das Magnetfeldfeld das auf den Magnetfeldsensor wirkt verändert sich. Dadurch kann die einmalige Erwärmung über die kritische Temperatur festgestellt werden.

[0037] Anstatt das Sensormaterial durch Abkühlen zu aktivieren kann auch die Aktivierung durch mechanische Spannungen vorgenommen werden.

[0038] Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das Sensorelement auf Basis einer der Legierungen Gd5(Si1.xGex)4, Ni-Mn, Ni-Mn-Ga, Ni-Mn-ln-(Co), La-Fe-Si, La-Fe-Si-Co, La-Fe-Si-Co-B, , La-Fe-Si-Cu, La-Fe-Si-Ga, La(Fe, Si,Co), LaFexSh.x, La(Fe,Si)13, RCo2 mit R aus (R=Dy,Flo, Er), DyAI2, Ni-Ti, DyNi2 Tb-Gd-Al, Gd-Ni, Mn-As-Sb, MnFe-P-As ausgebildet sein.

[0039] In einerweiteren Ausgestaltung des Sensors können magnetische Teile durch Formgedächtnislegierung mechanisch fixiert werden. Formgedächtnislegierung zeigen die Eigenschaft, dass sich sowohl dir Form als auch das Volumen des Elements bei Erwärmung oder Abkühlung stark verändern. Somit kann Beispielsweise eine Formgedächtnislegierung in der Hochtemperaturphase einen Magneten fixieren, jedoch bei Abkühlung die Form der Art verändern, dass die Fixierung gelöst wird. Ein Beispiel für eine Formgedächtnislegierung mit starker Formänderung ist Nitinol (Nickel-Titan-Legierung).

[0040] Die Erfindung wird im Folgenden anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt dabei [0041] Fig. 1 eine schematische Schrägrissdarstellung eines Sensors [0042] Fig. 2: Aufsicht des Sensors im nicht ausgelösten Zustand (Kühlekette nicht unterbro chen), wobei die obere Verdeckung nicht dargestellt ist, um die Magnete zu zeigen [0043] Fig. 3 Aufsicht des Sensors im ausgelöstem Zustand (Kühlkette wurde unterbrochen), wobei die obere Verdeckung nicht dargestellt ist, um die Magnete zu zeigen [0044] Fig. 4: Alterative Ausgestaltung des Sensors mit rechteckig fixiertem Magnet [0045] Fig. 5: Sensorelement mit Fixierung durch Formgedächtnislegierung (nicht ausgelöst) [0046] Fig. 6: Sensorelement mit Fixierung durch Formgedächtnislegierung (ausgelöst) [0047] Fig. 7: Sensorelement mit alternativer Fixierung durch Formgedächtnislegierung (nicht ausgelöst) [0048] Fig. 8 Sensorelement mit alternativer Fixierung durch Formgedächtnislegierung (aus gelöst) [0049] Fig. 9: Veränderung des Sensorsignals bei Erwärmung über 0°C.

[0050] Fig. 10: Sensor mit mechanischer Aktivierung.

[0051] Fig. 11: Aktivierung des Sensors mit einem isotropen und zwei anisotropen Magneten [0052] Fig. 12: Sensor mit Sensorelement aus magnetischem Phasenübergangsmaterial [0053] Fig. 1 - Fig. 3 zeigen ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung bestehend aus einem Magnetfeldsensor (1), einem Mico-Chip (3), der einen RFID Transponder besitzt, eine Antenne (31) und das Sensormaterial (2).

[0054] Das Sensormaterial beinhaltet zwei fixierte Permanentmagnete (5) und einen Permanentmagnete (4) der in einer Substanz (13) gelagert ist, die oberhalb der kritischen Temperatur T1 flüssig ist. Unterhalb von T1 ist (13) in einem festen Aggregatzustand, und fixiert mechanische die Orientierung von Magnet (4). Die Magnete (5) sind mit einem Teil des Gehäuses fix montiert. Aufgrund der magnetischen Wechselwirkung wirkt ein Drehmoment auf Magnet (4), welches eine parallele Ausrichtung des Magneten (4) bewirkt.

[0055] Befindet sich die Substanz (13) im flüssigen Zustand, kann der Magnet (4) durch Anlegen eines äußeren Magnetfeldes, in die in Fig. 1 und Fig. 2 dargestellt Richtung gedreht werden. Wird nun der Sensor unterhalb von T1 abgekühlt, geht die Substanz (13) in einen festen Zustand über und der Magnet (4) wird in die wie in Fig. 1 dargestellt Richtung fixiert. In diesem Zustand kann der Sensor beispielsweise dem zu überwachenden Produkt (pharmazeutisches Produkt, Tiefkühllebensmittel) beigelegt werden.

[0056] Wird nun beispielsweise, während des Transportes, die Temperatur T1 überschritten, geht (13) in die flüssig Phase über und der Magnet (4) wird durch das Magnetfeld, das von den Magneten (5) erzeugt wird gedreht, wie in Fig. 3 dargestellt ist. Aufgrund dieser Dehnung des Magneten, ändert sich das Streufeld, das der Magnet (4) auf den Magnetfeldsensor (1) ausübt.

[0057] Fig. 4 zeigt eine andere Ausgestaltung des Sensors, wo die fixierten Permanentmagnet (5) eine rechteckige Form haben, sodass diese schon auf Grund seiner Geometrie nicht durch äußere Einflüsse (zb: Magnetfeld, Erschütterungen) gedreht werden können.

[0058] In einer weiteren Ausgestaltung des Sensors, können beispielsweise zwei oder mehr Magnete drehbar gelagert sein. Es wird somit kein fixierter Permanentmagnet benötigt. Werden zwei oder mehr Magnete in einem magnetisch energetisch hohem Zustand eingefroren, ändert sich beim Auftauen von (13) die Orientierung eines oder mehr Magneten um die magnetische Energie zu minimieren.

[0059] Fig. 4 Zeigt eine Ausgestaltung des Sensors, bei dem der rotierende Magnet (4) mit einer Formgedächtnislegierung fixiert ist. Hier, ist der Sensor im nicht ausgelösten Zustand gezeigt. Im speziellen wird hier eine zwei-Weg Formgedächtnislegierung verwendet, die bei Temperaturüberschreitung AF von der Martensit Phase in die Austenit Phase übergehen und demgemäß die Form A annehmen, die in Fig. 5 gezeigt ist.

[0060] Bei der Abkühlung unter die Temperatur MF nimmt die Formgedächtnislegierung die Form an, die in Fig. 6 gezeigt ist. Dadurch wird die Fixierung vom Magnet 4 gelöst, und dieser rotiert in die Richtung parallel zur Magnetisierung der Magnete 5. Der Sensor wird somit ausgelöst.

[0061] Es ist auch möglich die Formgedächtnislegierung derart zu trainieren, dass beim Erhitzen die Form, wie in Fig. 5 eingenommen wird. Beim Abkühlen die Form aus Fig.6. In diesem Fall kann die Unterschreitung einer kritischen Temperatur detektiert werden.

[0062] Fig. 7 zeigt eine weitere Ausgestaltung des Sensors, wobei eine Flüssigkeit in einem Behälter (14) eingefüllt bzw. der Teil (14) eine Formgedächtnislegierung ist. Je nach Wahl der Flüssigkeit bzw. Formgedächtnislegierung kann sich das Volumen beim Gefrieren vergrößern oder verkleinern. Wasser zum Beispiel zeigt eine Volumenvergrößerung um ca. 10%, wobei die organische Flüssigkeiten aus Tabelle 1. Eine Volumenverringerung um ca. 10% zeigen. Bei Formgedächtnislegierung tritt eine Dehnung von einigen Prozent auf, wenn die Temperatur unter AF verringert wird.

[0063] Gefriert nun die Flüssigkeit in (14) und dehnt sich diese aus, wird nun die Verriegelung (51) gelöst und der Magnet (4) kann in die parallele Ausrichtung zu den Magneten (5) gedreht werden. Der gleiche Mechanismus kann mit einer Formgedächtnislegierung realisiert werden, wenn (14) durch Unterkühlung ausgedehnt wird.

[0064] Dieser Sensor kann als Gefrierindikator verwendet werden, da die Unterschreitung von T1 eindeutig und irreversible gezeigt werden kann. Die Form (51) kann beispielsweise aus einem Kunststoffplättchen gestanzt werden.

[0065] Fig. 8 zeigt eine andere Ausgestaltung des Temperaturindikators.

[0066] Wie bereits erwähnt zeigen jedoch viele Wassergemische den Effekt von Supercooling. Teilweise kann dieses Problem durch Hinzugabe einer Eisbildenden Substanz gelöst werden, wie bereits im einleitenden Abschnitt erwähnt wurde.

[0067] Fig. 9 zeigt das Verhalten eines Sensors aus Fig. 1 bei dem Wasser als Flüssigkeit verwendet wurde und somit der Sensor auf eine kritische Temperatur von 0 °C eingestellt wurde. Zur Genauigkeit der kritischen Temperatur ist anzumerken, dass der Sensor - genauso wie das zu überwachende Kühlgut - eine thermische Trägheit aufweist. Daher kann und soll der Zustandswechsel nicht immer bei ein und derselben Lufttemperatur auftreten. Der Sensor soll vielmehr sensibel bezüglich der Dauer und Höhe der Temperaturüberschreitung bzw. des thermischen Ausgangszustands sein.

[0068] I m Falle eines quasistatischen Temperaturanstiegs ist zu erwarten, dass der Übergang exakt bei 0 °C stattfindet. Je steiler der zeitliche Lufttemperaturanstieg ist, desto stärker wird der Übergang verzögert, da die Lufttemperatur der Temperatur im Sensorinneren vorauseilt. In Fig.9 ist der Übergang bei sehr schneller Temperaturänderung dargestellt. Durch die Temperaturänderung schmilzt die Flüssigkeit 13, was zu einer Drehung von Magnet 4 führt. In Konsequenz wird das detektierte Magnetfeld verändert und das Sensorsignal wird mittels RFID Signal übermittelt. In Fig. 9 wurde das Signal mittels NFC Protokoll mit einem handelsüblichen Handy detektiert.

[0069] Die nicht dargestellte Schutzhülle, in die der Sensor eingebettet ist, kann aus den unterschiedlichsten Materialien bestehen. Kunststoffe wie Thermoplaste, Duroplaste, Elastomere sind besonders bevorzugt. Bei Hochtemperaturanwendungen können feuerfeste Keramiken wie Verbindungen von Silicat-Rohstoffen, Verbindungen auf der Basis von Magnesit, Si-Oxide, Aluminiumoxid, Siliciumcarbid, Bornitrid, Zirkonoxid, Siliziumnitrid, Aluminiumnitrid, Wolframcar-bid und Aluminiumtitanat verwendet werden. Die Verwendung von Dampfsperren kann von Vorteil sein, sodass die Flüssigkeit (13) nicht verdampft. Der Sensor kann durch industriell gängige Methoden verschlossen werden, wie zum Beispiel reibschweißen, laserschweißen, kleben oder erhitzen. So kann Beispielsweise der Sensor zuerst mit allen notwendigen Komponenten verschlossen werden und erst in einem weiteren Produktionsschritt die Flüssigkeit (13) nachträglich durch eine oder mehrere Öffnungen in den Sensor gefüllt werden. Es kann von Vorteil sein, wenn zusätzlich ein oder mehrere Lüftungslöcher existieren, sodass die Flüssigkeit in den Sensor gefüllt werden kann. Diese Löcher können nachträglich verschlossen werden. Zum Beispiel durch Erhitzung und Einfüllen eines zusätzlichen Verschlussmaterials, welches schon bei der Produktion der Hülle neben dem Loch angebracht ist.

[0070] Fig. 10 zeigt eine Ausgestaltung des Sensors, bei dem die Aktivierung durch das mechanische Entfernen des Elements (99) geschieht. Das Element (99) beinhaltet einen semiharten bzw. einen Hartmagnet. Wird der Sensor mit dem Element (99) eingefroren, wird eine Magnetisierungsrichtung durch das Streufeld von dem Element (99) auf den Magneten (4) eingestellt. Dadurch wird der Magnet (4) ausgelenkt. Wird nun der Sensor in diesem Zustand eingefroren und danach das Element (99) mechanisch entfernt (z.b.: abgebrochen) ist der Sensor aktiviert. Das heißt, geht die Substanz (13) in die flüssige Phase über, dreht sich der Magnet (4) und das Streufeld ändert sich.

[0071] Alternativ kann der Sensor aktiviert werden, indem während des Einfrierens ein Magnetfeld angelegt wird. Durch Stärke und Richtung des Magnetfeldes kann jede beliebige Richtung von Magnet (4) realisiert werden.

[0072] Eine weitere Möglichkeit der Aktivierung besteht darin, dass ein bestimmter Magnetfeldpuls nach Einfrieren des Sensors angelegt wird. So kann beispielsweise der Magnet (5) aus einem magnetisch härterem Material (mit Koerzitivfeld Hc1) bestehen als Magnet (4) (Koerzitiv-feld Hc2). Somit kann mittels eines Feldpulses der Stärke H>Hc1 in einem ersten Schritt beide Magnete in eine Richtung magnetisiert werden. In einem zweiten Schritt wird mit einem Magnetfeldimplus H, (Hc2<H<Hc1) nur der Magnet (4) magnetisiert. Somit kann wieder jede beliebige Richtung der Magnetisierung in (4) und (5) eingestellt werden. Der Vorteil dieser Aktivierung ist, dass kein Magnetfeld während des Einfrierens angelegt werden muss. Der obige Aktivierungsmechanismus ist nur als Beispiel angegeben. So kann selbstverständlich auch der Magnet (5) magnetisch weicher sein als der Magnet (4).

[0073] Eine weitere Aktivierungsmöglichkeit ist, die Magnete (5) aus einem anisotropen (uniaxi- al) Magnetmaterial zu fertigen, welche nur eine Magnetisierung in eine Richtung erlaubt. In Fig. 11 ist die Anisotropierichtung der Magnete 5 mit den Pfeilen dargestellt. Der Magnet (4) ist aus einem isotropen Material gefertigt, wie in Fig. 11 dargestellt. Es kann somit mit einem Magnetpuls in Richtung Beispielsweise 45° in Bezug auf die anisotrope Richtung von (5) die Magnetisierung in (4) und (5) in einem beliebigen Winkel (Im Beispiel ca. 45°) realisiert werden.

[0074] In Fig. 12 ist ein Sensormaterial dargestellt, welches aus einem magnetischen Material (16) besteht, welches einen Phasenübergang erster Ordnung aufweist. Beispiel für solch ein Material sind Formgedächtnislegierung oder magnetokalorische Materialien.

[0075] Optional kann der Sensor einen Bias Magneten beinhalten (17) welcher den Arbeitspunkt des Sensors einstellt.

[0076] Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten und beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern kann verschiedentlich abgewandelt werden. Wesentlich ist, dass die Temperaturmessung auf eine starke Änderung der Magnetisierung zurückgeführt wird. Der Sensor kommt ohne eigene Energieversorgung aus und die für den Messvorgang nötige Energie ebenso wie das Messergebnis, so wie oben beschrieben, berührungslos übertragen wird.

Claims (20)

1. Patentansprüche

   1. Ein drahtlos auslesbarer Sensor (11) zur Bestimmung einer Temperatur oder einer Temperaturänderung innerhalb eines Temperaturoperationsbereiches dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor ein Sensormaterial (2) und einen Microchip (3) beinhaltet, wobei mit der Energie des elektromagntischen Feldes eines RFID Lesegerätes der Microchip einen Ma-getfeldsensor (1) ausliest und das Sensormaterial (2) innerhalb des Temperaturoperationsbereichs einen Phasenübergang erster Ordnung aufweist, wobei der Phasenübergang im Sensormaterial (2) zu einer Änderung des Magnetfeldes führt, welches auf den Magnetfeldsensor (1) wirkt und das veränderte Magnetfeld, welches vom Magnetfeldsensor ausgelesen wird, zur Identifikation der Temperatur dient und das Sensormaterial (2) oberhalb oder unterhalb des Phasenübergangs Ferromagnete (4,5) beinhaltet.
2. 2. Sensorvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensormaterial (2) eine Substanz beinhaltet, die unterhalb einer kritischen Temperatur T1 in einem festen Aggregatzustand ist und bei der Erwärmung oberhalb einer kritischen Temperatur T1 in eine flüssige Phase übergeht, und auf Grund dieser Änderung des Aggreatzustandes die Orientierung und/oder Position von mindestens einem magnetischen Teil in dem Sensormaterial (2) derart beeinflusst wird, dass das von den Magneten (4,5) erzeugte Magnetfeld verändert wird und dieses Magnetfeld auf den Magnetfeldsensor (1) wirkt.
3. 3. Sensorvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Überschreitung der kritischen Temperatur T1 zu einer irreversiblen Magnetisierungsänderung in einem der Magneten (4,5) im Sensormaterial (2) führt.
4. 4. Sensorvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Magnet (4) direkt in eine Flüssigkeit (13) eingelegt ist.
5. 5. Sensorvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Volumenausdehnung der Flüssigkeit (13) beim Gefrieren mechanisch eine Verriegelung gelöst wird, die bei Verriegelung den Magneten (4) hindert, eine Richtung einzunehmen, die die magnetische Streufeldenergie minimiert.
6. 6. Sensorvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil (99) des Sensors (11) weggebrochen werden kann, der einen Magneten beinhaltet.
7. 7. Sensorvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensormaterial (2) ein Magnetmaterial mit uniaxialer Anisotropierichtung beinhaltet.
8. 8. Sensorvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensormaterial ein Magnetmaterial mit uniaxialer Anisotropierichtung beinhaltet und ein Magnetmaterial mit isotroper Anisotropie beinhaltet.
9. 9. Sensorvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensormaterial (2) eine Formgedächtnislegierung ist.
10. 10. Sensorvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensormaterial (2) aus einem magnetokalorischen Material besteht.
11. 11. Sensorvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei der kritischen Temperatur T1 im Sensormaterial (2) ein Übergang von Austenit zu Martensit oder ein Übergang von Martensit zu Austenit stattfindet.
12. 12. Sensorvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der temperaturinduzierte Phasenübergang im Sensormaterial (2) von ferromagnetisch zu paramagnetisch o-der paramagnetisch zu ferromagnetisch oder ferromagnetisch zu antiferromagnetisch oder anitferromagnetisch zu ferromagnetisch oder ferromagnetisch zu nicht ferromagnetisch o-der nicht ferromagnetisch zu ferromagnetisch ist.
13. 13. Sensorvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Überschreitung der kritischen Temperatur TI zu einer irreversiblen Magnetisierungsänderung im Sensormaterial (2) führt.
14. 14. Sensorvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensormaterial (2) auf Basis einer der Legierungen bzw. Elemente Gd5(Sii_ xGex)4, Ni-Mn, Ni-Mn-Ga, Ni-Mn-In, Ni-Mn-ln-(Co), La-Fe-Si, La-Fe-Si-Co, La-Fe-Si-Co-B, , La-Fe-Si-Cu, La-Fe-Si-Ga, La(Fe, Si.Co), LaFexSh-χ, La(Fe,Si)13, RCo2 mit R aus (R=Dy,Ho, Er), DyAI2, DyNi2 Tb-Gd-Al, Gd-Ni, Mn-As-Sb, MnFe-P-As , Gd, Mn, La, Co, Er, Fe, Nd, ausgebildet ist oder eine Manganit Legierung ist oder Ni-Mn-In-Co Partikel oder Ni-Mn-Ga Partikel enthält.
15. 15. Sensorvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetfeldsensor (1) ein GMR oder TMR Sensor ist.
16. 16. Sensorvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetfeldsensor (1) ein GMR oder TMR Switch ist.
17. 17. Sensorvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetfeldsensor ein Hall Sensor ist.
18. 18. Sensorvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetfeldsensor ein Hall Switch ist.
19. 19. Sensorvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetfeldsensor ein AMR Sensor ist.
20. 20. Sensorvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetfeldsensor ein AMR Switch ist. Hierzu 12 Blatt Zeichnungen