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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich im allgemeinen auf eine Vorrichtung
zur Temperatur-Zeit-Integration, im speziellen auf eine Vorrichtung
zur Temperatur-Zeit-Integration
(TTI) mit drahtloser Abfragemöglichkeit.
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Temperatur-Zeit-Integration
ist ein wichtiges Messverfahren, um den Zeitpunkt anzuzeigen, ab welchem
leicht verderbliche Waren (z. B. Lebensmittel, Pharmazeutika, Chemikalien,
aber auch elektronische Bauelemente etc.) nicht mehr verwendet werden
können.
Mit dem Inkrafttreten der europäischen Richtlinie
178/2002 zur Festlegung von Verfahren zur Lebensmittelsicherheit
könnte
eine Temperatur-Zeit-Integration
(TTI) in Bezug auf leicht verderbliche Lebensmittel zwingend erforderlich
werden.
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Derzeit
sind chemische Verfahren (chemischer TTI) im Einsatz, die die Zeit-Temperatur-Integration über einen
Farbumschlag anzeigen und deren chemisches Verhalten den Charakteristika
des zu überwachenden
Produkts angepasst ist. Der Nachteil der chemischen Verfahren liegt
darin, dass ein Auslesen herkömmlicherweise
nicht auf elektronischem Wege möglich
ist. Vielmehr sind herkömmliche
chemische TTI so ausgelegt, dass ein Farbumschlag durch einen menschlichen
Beobachter ausgewertet werden kann bzw. muss. Eine Auswertung auf
elektronischem Wege ist herkömmlicherweise
nicht vorgesehen.
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Des
weiteren gibt es elektronische Verfahren, die Zeit und Temperatur
entweder direkt oder indirekt messen und dann über einen geeigneten Algorithmus
auswerten. Eine direkte Messung der Temperatur ist z. B. mit einem
herkömmlichen
Temperatursensor möglich,
eine Zeitmessung hingegen durch eine herkömmliche elektronische Uhrenschaltung. Eine
indi rekte Messung ist z. B. durch Verwendung von zwei Uhren mit
unterschiedlicher Temperaturempfindlichkeit möglich. Bei einer solchen indirekten Messung
können
aus den Zählerständen beider
Uhren sowohl Temperatur als auch Zeit ermittelt werden. Eine Auswertung
der gemessenen Größen kann über einen
geeigneten Algorithmus erfolgen. Hierbei ist es beispielsweise möglich, eine
Funktion zu definieren, die von der Temperatur abhängig ist,
und dann den Funktionswert zu integrieren. Hierdurch kann bei einer
elektronischen Temperatur-Zeit-Integration beispielsweise eine nichtlineare
Abhängigkeit von
der Temperatur mit eingebracht werden.
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Man
spricht im Zusammenhang mit einer elektronischen Auswertung von
einem elektronischen TTI. Der Nachteil von herkömmlichen elektronischen TTIs
liegt darin, dass physikalische Effekte, auf denen herkömmlicherweise
eine Temperatur- oder Zeitmessung beruht, quasi-instantane Effekte sind.
Das heißt,
die physikalischen Effekte haben kein ausgeprägtes Gedächtnis. Entsprechend kann ein
physikalischer Sensor im wesentlichen nur den Zustand zu einem Zeitpunkt,
an dem er ausgelesen wird, erfassen. Die Zeiten zwischen zwei Auslesevorgängen bleiben
weitgehend unberücksichtigt.
Um somit eine Aussage über
einen Gesamtzeitraum liefern zu können, muss ein elektronischer
TTI also regelmäßig ausgelesen
werden, und die Ausleseintervalle müssen so klein gewählt sein,
dass sich zwischen zwei Auslesungen die äußeren Umgebungsbedingungen
nur unwesentlich ändern,
d. h. keinen starken Schwankungen unterworfen sind. Diese Anforderung
macht bei elektronischen TTIs eine regelmäßige Auslesung nötig. Als
Folge davon müssen
elektronische TTIs regelmäßig oder
dauerhaft mit elektrischer Energie versorgt werden. Dies ist bei
portablem Einsatz, z. B. in Verbindung mit Gütern, die transportiert werden,
sehr schwierig.
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Die
Realisierung einer Batterie ist kosten- und platzaufwendig. Ebenso
wenig vorteilhaft ist die Bereitstellung einer dauerhaften drahtgebundenen Energieversorgung
für einen
elektronischen TTI. Weiterhin ist es bei einem elekt ronischen TTI,
der nicht dauerhaft mit elektrischer Energie versorgt wird, nötig, das
bisherige Integrationsergebnis in einem nichtflüchtigen Speicher abzulegen.
Die Realisierung eines solchen Speichers ist typischerweise aufwendig
und mit relativ hohen Kosten verbunden.
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Die
DE-AS 184 984 zeigt ein Wärmebelastungsmessgerät zur Anzeige
der Dauer, während
der sich eine Maschine oder eine Geräteanordnung auf- oder oberhalb
von mindestens einer vorbestimmten Temperatur befunden hat. Das
Wärmebelastungsmessgerät ist in
der Maschine oder der Geräteanordnung
eingebaut und mit mindestens einem Fühler ausgestattet, der aus
einem Werkstoff hergestellt ist, welcher die Eigenschaft hat, unterhalb
der vorbestimmten Temperatur relativ stabil zu sein und oberhalb
dieser Temperatur einer erkennbaren Umwandlung in Abhängigkeit
von der Temperatur und der Zeit zu unterliegen. Somit ergibt die
messbare Umwandlung eine Anzeige der thermischen Belastung des Fühlers als
eine integrierte Funktion von Zeit und Temperatur. Das Material
des Fühlers
ist dabei eine vergütbare
Legierung, die durch Alterung bei oder oberhalb der Alterungstemperatur
ihren elektrischen Widerstand in Abhängigkeit von der Dauer der
Wärmeeinwirkung
irreversibel ändert.
Während
eines Betriebs wird das Messbauelement an einer Stelle angebracht,
deren thermische Belastung man zu bestimmen wünscht. Nach einem geeigneten
Betriebszeitraum werden dann die Widerstände der verschiedenen Fühler gemessen.
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Die
DE 30 48 426 A1 zeigt
eine Anordnung zum Erfassen des Verwendungszustands eines Gebrauchsguts
zum Zeitpunkt seiner Verwendung und ermöglicht das Abfragen eines zwischenzeitlich
eingetretenen Nichtmehr-Gebrauchszustands. Zu diesem Zweck ist einem
Gebrauchsgut ein Kennzeichnen angebracht, das aus einem Werkstoff
besteht, dessen abzufragende Eigenschaft sich unter den Voraussetzungen ändert, unter
denen sich das Gebrauchsgut aus dem Gebrauchszustand in den Nichtmehr-Gebrauchszustand ändert. Die
Anordnung umfasst ein integrierendes Zeit-/Temperatur-Messsystem
unter Verwendung eines aus einem organischen oder anorganischen
Feststoff gefertigten Kennzeichens, dem eine elektrische leitfähige Substanz
zugesetzt worden ist. Das Kennzeichen ist in einem Gehäuse oder
in einem Verpackungsteil des Gebrauchsgut eingebracht, wobei aus
dem Gehäuse bzw.
aus dem Verpackungsteil elektrisch leitende Kontakte herausgeführt sind,
die mit getrennten Bereichen des Kennzeichens in Berührung stehen.
Widerstandswerte sind dabei derart auslegbar, dass für die Abfrage
jede Änderung
in einem Widerstandsverlauf zu einer Schaltmaßnahme führen kann.
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Die
WO 2004/097357 A2 beschreibt einen elektronischen Zeit-/Temperaturanzeiger
mit einer visuellen Ausgabe sowie andere Einrichtungen und Verfahren,
durch die die thermische Vorgeschichte eines komplexen Materials überwacht
werden kann. Die genannte Schrift zeigt ein schnell umprogrammierbares
elektronisches Zeit-Temperatur-Etikett, das unter Verwendung eines
elektronischen Datenübertragungsverfahrens
an ein thermisches Zeit-/Temperatur-Stabilitätsprofil eines beliebigen Materials angepasst
werden kann. Das Etikett umfasst einen Mikroprozessor oder einen
Mikrokontroller, der die thermischen Eingangsdaten von einem Temperatursensor,
wie einem Thermopaar oder einem Thermistor, empfängt. Der Mikroprozessor empfängt ferner Algorithmen
von einem Stabilitätsspeicher,
der Anweisungen enthält,
um die thermischen Daten in nummerische Daten umzuwandeln, die einen
Einfluss der Tempertur auf die Stabilität des überwachten Materials beschrieben.
Der Mikroprozessor weist zumindest eine Ausgabeeinrichtung auf.
Bei der Ausgabeeinrichtung handelt es sich typischerweise um eine
Flüssigkristallanzeige.
Es können
aber auch andere Ausgabeeinrichtungen wie z.B. licht-emittierende
Dioden, ein akustischer Alarm, eine Vibration, Radiofrequenzsignale,
elektrische Signale oder Infrarotsignale verwendet werden. Ein Speicher,
der in der Lage ist, verschiedene Material-Stabilitäten und
verschiedene Arten von thermischer Vorgeschichte zu verarbeiten,
kann beispielsweise durch Radiofrequenzsignale oder Infrarotsignale
umprogrammiert werden.
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Es
ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur
Temperatur-Zeit-Integration zu schaffen, die während des laufenden Temperatur-Zeit-Integrationsbetriebs
keine elektrische Energieversorgung benötigt, deren Zustand aber auf
elektrischem Wege erfassbar ist.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zur Temperatur-Zeit-Integration
gemäß Anspruch
1 gelöst.
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Die
vorliegende Erfindung schafft eine Vorrichtung zur Temperatur-Zeit-Integration
mit einer chemischen Indikatoreinrichtung, die einen chemischen
Indikatorstoff umfasst, der mindestens eine physikalisch messbare
stoffliche Eigenschaft aufweist, und der so ausgelegt ist, dass
sich mindestens eine der physikalisch messbaren stofflichen Eigenschaften
in Abhängigkeit
von einer anliegenden Temperatur mit der Zeit ändert, und einer elektronischen Einrichtung,
die ausgelegt ist, um eine physikalisch messbare stoffliche Eigenschaft
des chemischen Indikatorstoffs, die sich in Abhängigkeit von der anliegenden
Temperatur mit der Zeit ändert,
oder eine zeitliche Veränderung
derselben erfassbar zu machen.
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Es
ist der Kerngedanke der vorliegenden Erfindung, dass es vorteilhaft
ist, die Temperatur-Zeit-Integration mit Hilfe einer chemischen
Indikatoreinrichtung durchzuführen
und die Veränderung einer
stofflichen Eigenschaft des chemischen Indikatorstoffs mit Hilfe
einer elektrischen Einrichtung von außen erfassbar zu machen. Es
wurde erkannt, dass eine chemische Indikatoreinrichtung eine Temperatur-Zeit-Integration durchführen kann,
ohne während der
Integrationszeit mit elektrischer Energie versorgt zu werden. Ferner wurde
erkannt, dass ein chemischer Indikatorstoff zur Temperatur-Zeit-Integration, der
Teil einer chemischen Indikatoreinrichtung ist, so ausgelegt werden
kann, dass sich mindestens eine physikalisch messbare stoffliche
Eigenschaft in Abhängigkeit
von der anliegenden Temperatur mit der Zeit ändert, und dass somit eine
chemische Indikatoreinrichtung in sehr vorteilhafter Weise mit einer
elektrischen Ausleseeinrichtung kombiniert werden kann.
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Es
wird also die bei einem chemischen Indikatorstoff auftretende irreversible
stoffliche Veränderung,
die in Abhängigkeit
von der Temperatur erfolgt, zur Temperatur-Zeit-Integration ausgenutzt. Anders als bei
herkömmlichen
Vorrichtungen zur Temperatur-Zeit-Integration wird der Indikatorstoff
erfindungsgemäßer Weise
allerdings daraufhin optimiert, dass sich ein elektrisches Verhalten
des Indikators mit der Zeit verändert,
während
herkömmliche
Indikatoren typischerweise einen Farbumschlag aufweisen. Während ein
Farbumschlag aber auf elektrischem bzw. elektronischem Wege nur über große Umwege erfassbar
ist, ist die erfindungsgemäße elektrische Bestimmung
einer Eigenschaft des Indikatorstoffs mit geringem technischen Aufwand
möglich.
Somit ist nur eine vergleichsweise einfache elektrische bzw. elektronische
Schaltungsanordnung nötig,
um ein Maß für die stoffliche
Eigenschaft des chemischen Indikatorstoffs und damit auch ein Maß für das Ergebnis
der Temperatur-Zeit-Integration nach außen bereitzustellen.
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Eine
erfindungsgemäße Vorrichtung
zur Temperatur-Zeit-Integration
verbindet die Vorteile eines chemischen TTI-Verfahrens und eines elektronischen
TTI-Verfahrens. Während
der Durchführung der
Temperatur-Zeit-Integration ist eine Versorgung mit elektrischer
Energie nicht nötig.
Vielmehr wirkt die Temperatur in einer typischerweise irreversiblen
Weise auf die chemische Beschaffenheit des Indikatorstoffs. Hierbei
ist es besonders vorteilhaft, dass die stoffliche Veränderung
des Indikatorstoffs kontinuierlich erfolgt, so dass die Temperatur
während
eines gesamten Zeitintervalls einen Einfluss auf den Zustand des
chemischen Indikatorstoffs zu einem Auslesezeitpunkt hat. Somit
ermöglicht
es die Verwendung eines chemischen Indikatorstoffs, anders als dies
bei elektronischen Verfahren typischerweise der Fall ist, die gesamte
Vorgeschichte der TTI-Schaltung zu erfassen.
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Bei
rein elektronischen Vorrichtungen zur Temperatur-Zeit-Integration wird
hingegen herkömmlicherweise
die Temperatur zu diskreten Zeitpunkten bestimmt. Je weniger Energie
zur Versorgung der elektronischen Schaltung zur Verfügung steht,
desto größer werden
diese Zeitintervalle typischerweise gewählt. Sind die Zeitintervalle
zu lang, so kann eine nur kurzzeitig anliegende Übertemperatur nicht erfasst
werden. Ein chemisches Indikatorelement hingegen kann so ausgelegt
werden, dass es bei Überschreiten
einer bestimmten Temperatur seine Eigenschaften sehr schnell ändert. Das
Verhalten eines chemischen Indikatorelements entspricht somit typischerweise
auch dem Verhalten der zu überwachenden
Waren, wie z. B. Lebensmittel oder Halbleiter. Daher ist ein chemisches
Indikatorelement insgesamt wesentlich besser an die Eigenschaften
der zu überwachenden
Waren angepasst. Eine entsprechende Anpassung wäre mit elektronischen TTIs zwar
theoretisch möglich,
würde jedoch
sehr kurze Abtastintervalle und damit einen sehr hohen Energieverbrauch
mit sich bringen.
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Es
ist weiterhin vorteilhaft, dass chemische Indikatorstoffe in großen Mengen
kostengünstig
hergestellt werden können.
Daneben können
chemische Indikatorstoffe in verschiedenen Aggregatzuständen verwendet
werden, während
herkömmliche
elektronische Schaltungen typischerweise Festkörper darstellen.
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Die
vorteilhaften Eigenschaften von chemischen Indikatorstoffen werden
erfindungsgemäßer Weise
mit den Vorteilen einer elektrischen Ausleseeinrichtung kombiniert.
Eine elektronische Auslesung des Zustands der Temperatur-Zeit- Integration ist von hoher
Bedeutung, da heutzutage eine elektronische Weiterverarbeitung in
Warenwirtschaftssystemen verlangt wird. Hierbei ist es nicht wünschenswert,
einen menschlichen Beobachter einzusetzen, der etwa bei Verwendung
von herkömmlichen
chemischen Indikatorelementen einen etwaigen Farbumschlag erkennen
und die entsprechenden Waren aussortieren würde. Vielmehr erlaubt eine
elektronische Auslesung eine Automatisierung der Warenwirtschaftsprozesse.
Weiterhin ist es sogar möglich,
den Zustand der Vorrichtung zur Temperatur-Zeit-Integration drahtlos
auszulesen, wenn die elektrische Einrichtung, die mit der chemischen
Indikatoreinrichtung bzw. dem chemischen Indikatorstoff gekoppelt
ist, geeignet ausgelegt ist. Dies bringt eine weitere Vereinfachung
der organisatorischen Abläufe
bei Verwendung von Einrichtungen zur Temperatur-Zeit-Integration mit sich.
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Bei
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist
der chemische Indikatorstoff so ausgelegt, dass sich eine elektrische
Eigenschaft, bevorzugter Weise eine Leitfähigkeit oder eine dielektrische
Eigenschaft, in Abhängigkeit
von der anliegenden Temperatur mit der Zeit ändert. Eine solche Auslegung
des Indikatorstoffs bringt den Vorteil mit sich, dass die elektrische Einrichtung,
die die stoffliche Veränderung
des chemischen Indikatorstoffs nach außen erfassbar macht, sehr einfach
ausgelegt werden kann. Die Bestimmung einer Leitfähigkeit
oder einer dielektrischen Eigenschaft ist auf elektrischem bzw.
elektronischem Weg problemlos möglich.
Es ist eine Vielzahl von Anordnungen denkbar, mit deren Hilfe eine
solche Veränderung
erfasst werden kann.
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Bei
einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel
ist der chemische Indikatorstoff ein organischer Festkörperindikator.
Ein solcher Indikator verändert
in besonders vorteilhafter Weise seine elektrischen Eigenschaften
in Abhängigkeit
von Temperatur und Zeit. Weiterhin kann ein organischer Festkörperindikator
in einfacher Weise verarbeitet werden. Beispielsweise kann er als
dünne Schicht auf
eine Folie aufgebracht werden. Auch die mechanischen Eigenschaften
eines organischen Festkörperindikators
sind vorteilhaft, da dieser Verformbar ist und sich somit von seiner
Form her an die jeweilige Anwendung anpassen kann. Bezüglich der
Verarbeitung ist der Festkörperindikator
auch wesentlich vorteilhafter als beispielsweise ein flüssiger Indikator, bei
dessen Einsatz ein Auslaufen mit hohem Aufwand verhindert werden
muss.
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Bei
einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel
ist die elektrische Einrichtung so ausgelegt, dass sie den chemischen
Indikatorstoff mit Elektroden kontaktiert, wobei der mit Elektroden
kontaktierte chemische Indikatorstoff ein Indikatorelement bildet.
Die Ausformung von Elektroden, die einen guten elektrischen Kontakt
zwischen der Auswerteeinrichtung und dem chemischen Indikatorstoff ermöglichen,
ist hierbei vorteilhaft, da somit die elektrischen Eigenschaften
des Indikatorstoffs besonders gut erfasst werden können. Übergangswiderstände werden
durch den Einsatz von gut leitfähigen
Elektroden verringert. Es wird hierbei besonders bevorzugt, die
Elektroden in den Indikatorstoff einzubetten. Dadurch wird ein optimaler
Kontakt sichergestellt.
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Je
nach Anwendungsfall kann es besonders vorteilhaft sein, dass die
Elektroden passiviert sind oder dass die Elektroden eine leitende
Verbindung zu dem chemischen Indikatorstoff herstellen. Werden passivierte
Elektroden eingesetzt, so weist das Indikatorelement als Ganzes,
d. h. die Kombination aus passivierten Elektroden und chemischem
Indikatorstoff, ein kapazitives Verhalten auf, d. h. die kapazitiven
Eigenschaften sind dominant gegenüber resistiven Eigenschaften.
Ein Gleichstrom kann nicht durch das Indikatorelement fließen. In
Verbindung mit einem Resonator beeinflusst ein Indikatorelement
mit passivierten Elektroden typischerweise hauptsächlich die
Schwingfrequenz und nur in geringem Maße die Dämpfung.
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Andererseits
kann es vorteilhaft sein, dass die Elektroden eine leitende Verbindung
zu dem chemischen Indikatorstoff herstellen. In diesem Fall hat die
Leitfähigkeit
des Indikatorstoffs einen dominanten Einfluss auf das Klemmenverhalten
des Indikatorelements. Ist das Indikatorelement Teil eines Resonators,
so beeinflusst der Zustand des Indikatorstoffs hierbei im wesentlichen
das Dämpfungsverhalten.
Es ist auch stark von der Natur des Indikatorstoffs abhängig, ob
es günstiger
ist, passivierte Elektroden zu verwenden oder den Indikatorstoff
leitend zu kontaktieren. Ein Entscheidungskriterium hierbei ist,
ob sich bei einem chemischen Indikatorstoff hauptsächlich der
Realteil oder der Imaginärteil
der Dielektrizitätskonstante
mit der Zeit verändert.
Außerdem
ist freilich die Natur der Ausleseschaltung entscheidend, insbesondere
ob die Auswerteschaltung auf resistive Effekte oder auf kapazitive
Effekte anspricht.
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Bei
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind
die Elektroden Interdigitalelektroden. Interdigitalelektroden ermöglichen
es, bei einer prozesstechnisch einfach realisierbaren planaren Elektrodengeometrie
eine große
Kontaktfläche
zu dem Indikatorstoff herzustellen. Dadurch wird ein Kontaktwiderstand
zwischen Elektroden und Indikatorstoff gering gehalten, und der
Einfluss des Indikatorstoffs auf die Eigenschaften des Indikatorelements
ist dominant. Dies ist gewünscht,
da etwaige Kontaktwiderstände am Übergang
von den Elektroden zu dem Indikatorstoff nicht Teil des auszuwertenden
Messeffekts sind und gering gehalten werden müssen, um eine Verfälschung
des Messergebnisses zu verhindern. Der Einsatz einer Interdigitalelektrode
ermöglicht
es auch, unter Verwendung einer planaren Strukturierung eine große Kapazität oder einen
großen
Leitwert zu erhalten. Dies kann erforderlich sein, um einen Resonator
zu betreiben. Eine hohe Kapazität
ist hierbei geeignet, die Resonanzfrequenz auf einen technisch günstigen
Wert zu verringern. Verluste bleiben gering, da eine gute Ankopplung
an den Indikatorstoff gewährleistet
ist.
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Bei
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist
das Indikatorelement so ausgelegt, dass es ein reaktives Verhalten
aufweist. Vorteil eines reaktiven Elements ist hierbei, dass darin
keine elektrischen Verluste auftreten. Ein reaktives Element ist
vielmehr geeignet, um die Resonanzfrequenz eines Schwingkreises
zu bestimmen. Die Auslegung als reaktives Indikatorelement ist besonders
vorteilhaft bei Anwendungen, bei denen eine drahtlose Übertragung
erfolgen soll, da bei einer solchen Frequenzen nicht verfälscht werden.
Weiterhin ist die Auslegung als reaktives Element vorteilhaft, da
hierbei typischerweise keine Gleichströme fließen. Gleichströme können aber
unter ungünstigen
Umständen
einen chemischen Indikatorstoff zersetzen und somit ein Indikatorelement
zerstören.
Dies wird bei einer erfindungsgemäßen Auslegung vermieden.
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Bei
einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel
ist das Indikatorelement so ausgelegt, dass es ein resistives Verhalten
aufweist. Hierbei wirkt das Indikatorelement im wesentlichen als
veränderbarer
Widerstand. Dies bringt den Vorteil, dass eine Auswertung des Indikatorelements
auch bei niedrigen Frequenzen bzw. sogar mit Gleichstrom möglich ist,
solange sichergestellt ist, dass der Indikatorstoff nicht durch
den Gleichstrom zersetzt wird. Ebenso ist der Einsatz eines resistiven
Indikatorelements in einem Resonator möglich, wobei hierbei im wesentlichen
die Güte
des Schwingkreises bzw. die Dämpfung
beeinflusst wird.
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Es
wird bevorzugt, das Indikatorelement als Teil eines Resonators einzusetzen.
Dies ist vorteilhaft, da ein Resonator besonders empfindlich auf Veränderungen
von dielektrischen Eigenschaften reagiert. Weiterhin bringt der
Einsatz eines Resonators den Vorteil, dass die Veränderung
der Eigenschaften des Indikatorelements auf eine Frequenzänderung rückgeführt werden
kann, die mit besonders hoher Auflösung messbar ist. Weiterhin
kann das Indikatorelement aber auch die Güte des Resonators beeinflussen,
insbesonde re wenn das Indikatorelement ein resistives Verhalten
aufweist. Ein wesentlicher Vorteil eines Resonators liegt auch daran,
dass eine Vielzahl von Ankopplungsmöglichkeiten besteht. Es ist sowohl
eine galvanische Ankopplung möglich
als auch eine induktive oder kapazitive Ankopplung. Ferner kann
ein Resonator mit einer externen Erregung oder in Verbindung mit
einem aktiven Bauteil als Oszillator betrieben werden. Somit eröffnet die
Einbindung eines Indikatorelements in einen Resonator eine Vielzahl
von Möglichkeiten.
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Es
ist besonders vorteilhaft, wenn das Indikatorelement Teil eines
offenen Resonators ist. Ein solcher offener Resonator umfasst konzentrierte
Elemente, wie auch das Indikatorelement, sowie strahlungsfähige Elemente,
die Energie aus dem umgebenden Freiraum aufnehmen können bzw.
Energie an den umgebenden Freiraum abgeben können. Somit ist bei einem offenen
Resonator eine Kopplung mit der Umgebung gewährleistet. Es ist daher möglich, den
Schwingkreis drahtlos anzukoppeln. Eine Kopplung ist hier auch durch
das Fernfeld möglich, da
der Resonator als offener Resonator ausgelegt ist und somit in das
Fernfeld abstrahlt.
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Bei
einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel
ist das Indikatorelement ein Interdigitalkondensator, der mit einem
chemischen Festkörperindikator
beschichtet ist. Der offene Resonator umfasst hierbei eine Hochfrequenzantenne.
Eine solche Ausführungsform
ist besonders vorteilhaft, da das Indikatorelement hierbei die Funktion
eines veränderlichen
Kondensators übernimmt.
Dieser ist in Form eines Resonators mit der Antenne gekoppelt. Somit
bestimmt der Kondensator die Resonanzfrequenz der Gesamtstruktur. Über die
Hochfrequenzantenne kann die Vorrichtung zur Temperatur-Zeit-Integration mit der
Umgebung gekoppelt werden. Es ist hierbei von einem äußeren Aufbau
zu detektieren, wann die Resonatorstruktur der Vorrichtung zur Temperatur-Zeit-Integration in Resonanz
ist, d. h. eine maximale Aufnahme von Energie zeigt. Ausgehend von
dieser Resonanzfrequenz kann dann auf die Kapazität des Interdigitalkondensators
und damit auf den Zustand des chemischen Festkörperindikators geschlossen
werden. Somit ist eine drahtlose Auslesung des Ergebnisses der Temperatur-Zeit-Integration
möglich.
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Es
ist weiterhin besonders vorteilhaft, eine vorbeschriebene Anordnung
auf eine Folie aufzubringen. Sowohl der Interdigitalkondensator,
der mit einem chemischen Festkörperindikator
beschichtet ist, als auch die Hochfrequenzantenne können in
einer mechanisch flexiblen, biegsamen Form aufgebaut werden. Die
Realisierung einer Vorrichtung zur Temperatur-Zeit-Integration auf
einer Folie ermöglicht
es, die Vorrichtungen zur Temperatur-Zeit-Integration auf einem
weiteren Trägermaterial,
beispielsweise auf einer zweiten Folie, anzubringen. Es ist somit
möglich, eine
Vorrichtung zur Temperatur-Zeit-Integration, die als Folie ausgeführt ist,
von dem Trägermaterial
auf eine zu überwachende
Ware zu übertragen.
Dies kann in einer technisch sehr günstigen Weise mit Hilfe von
herkömmlichen
Etikettiergeräten
erfolgen. Daher bietet die Ausführung
einer Vorrichtung zur Temperatur-Zeit-Integration in Form einer
Folie eine sehr kostengünstige
und technisch leicht zu handhabende Anwendungsmöglichkeit. Ein weiterer Vorteil
einer Realisierung auf Folie ist, dass sich die Vorrichtung zur
Temperatur-Zeit-Integration
damit gut an die Form einer zu überwachenden
Ware anpassen kann, wodurch auch ein guter Wärmeübergang gewährleistet ist.
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Es
wird ferner bevorzugt, dass die Vorrichtung zur Temperatur-Zeit-Integration
mindestens ein weiteres passives elektrisches oder elektronisches Element
umfasst, das ausgelegt ist, um ein Auswerten eines Zustand des Indikatorelements
zu ermöglichen.
Sowohl der Einsatz von linearen als auch von nichtlinearen Elementen
ist hierbei denkbar. Beispielsweise können in Verbindung mit einem
Resonator reaktive Elemente verwendet werden, um die Resonanzfrequenz
des gesamten schwingungsfähigen
Systems, das auch das Indikatorelement umfasst, auf einen technisch
günstigen
Wert einzustellen. Auch die Einstellung eines geeigneten Dämpfungsmaßes ist
möglich,
indem beispielsweise ein resistives Bauelement mit der Vorrichtung
zur Temperatur-Zeit-Integration
gekoppelt wird. Im Falle einer drahtgebundenen Übertragung ist es möglich, ein Anpassnetzwerk
zu entwerfen, das das Indikatorelement an die vorhandenen Leitungsstrukturen
anpasst.
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Auf
der anderen Seite kann es auch sehr vorteilhaft sein, passive nichtlineare
Elemente mit dem Indikatorelement zu kombinieren. Nichtlineare Elemente
sind typischerweise geeignet, um eine Frequenzumsetzung zu erzielen.
Beispiele für
solche nichtlinearen Elemente sind z. B. eine Diode, eine Diodenstrecke
eines Transistors sowie nichtlineare Kapazitäten. Es ist beispielsweise
möglich,
das Indikatorelement mit einer Schwingung einer bestimmten Frequenz
anzuregen, wodurch sich ein Signal ergibt, das im wesentlichen die
Anregungsfrequenz aufweist und dessen Amplitude von dem Zustand
des Indikatorelements abhängig
ist. Die Antwort auf die Anregung ist jedoch schwer zu detektieren,
da sie meist deutlich schwächer
als die Anregung selbst ist. Es ist allerdings möglich, mit Hilfe eines nichtlinearen
Elements wie beispielsweise einer Diode eine Frequenzumsetzung,
beispielsweise eine Frequenzvervielfachung, zu erzielen. Das in
der Frequenz umgesetzte Signal ist dann nicht mehr frequenzgleich
der Anregung, sondern von dieser frequenzmäßig versetzt. Es kann somit
durch geeignete Filterung wesentlich leichter detektiert werden
als eine Antwort, die bei der Frequenz des Anregungssignals liegt.
Somit bietet die Anwendung von nichtlinearen Elementen, insbesondere
in Verbindung mit einer drahtlosen Abfrage des Indikatorelements,
wesentliche Vorteile.
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Bei
einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel
umfasst die Einrichtung zur Temperatur-Zeit-Integration mindestens
ein weiteres aktives elektronisches Element, das ausgelegt ist,
um ein Auswerten eines Zustands des Indikatorelements zu ermöglichen.
Die Verwendung von aktiver Schaltungstechnik in Verbindung mit dem
Indikatorelement ermöglicht
es, das Ausgangssignal des Indikatorelements in einer erwünschten
Weise aufzubereiten. Eine aktive Schaltung kann beispielsweise einen
Oszillator umfassen, dessen Frequenz durch einen Resonator, der
das Indikatorelement umfasst, bestimmt wird. Somit kann eine Vorrichtung
zur Temperatur-Zeit-Integration
ein Signal liefern, dessen Frequenz abhängig von dem Zustand des Indikatorelements
ist. Die Bestimmung einer Frequenz aber ist einfach und mit sehr
hoher Genauigkeit möglich,
und eine drahtlose Übertragung
eines Signals mit einer bestimmten Frequenz, die hoch genug ist,
ist möglich.
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Andererseits
kann die aktive Schaltungsanordnung auch den Übergang von dem analogen Ausgangssignal
des Indikatorelements hin zu einem digitalen Signal ermöglichen.
Der Zustand des Indikatorelements kann von einer aktiven Schaltungsanordnung
ausgelesen und analog/digital gewandelt werden. Die digitale Information
kann dann entweder drahtlos oder drahtgebunden übertragen werden. Wie bei digitaler Übertragung üblich, kann
die Zuverlässigkeit
der Übertragung
sehr hoch sein, vorausgesetzt, es wird eine ausreichende Redundanz
zu dem übertragenen
Datenstrom hinzugefügt.
Damit ist ein sehr präzises
Auslesen des Zustands des Indikatorelements möglich, auch wenn gestörte drahtlose
oder drahtgebundene Übertragungsstrecken
vorliegen.
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Weiterhin
ist es in Verbindung mit einer aktiven Schaltung möglich, auf
der Vorrichtung zur Temperatur-Zeit-Integration weitere Informationen, die sich
beispielsweise auf die zu überwachende
Ware beziehen, in digitaler Form zu speichern. Diese können dann
bei einem Auslesen der Vorrichtung zur Temperatur-Zeit-Integration
mit ausgelesen werden. Es kann sich hierbei beispielsweise um Grenzwerte handeln,
die angeben, unter welchen Bedingungen eine bestimmte Ware noch
brauchbar ist. Ebenso kann aber auch die Art oder der Preis der
Ware oder eine sonstige Information gespeichert werden.
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Es
sollte darauf hingewiesen werden, dass die Kombination einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur Temperatur-Zeit-Integration
mit einer aktiven Schaltung sich deutlich von herkömmlichen
elektronischen Einrichtungen zur Temperatur-Zeit-Integration unterscheidet. Bei
herkömmlichen
Einrichtungen zur Temperatur-Zeit-Integration müssen die aktiven elektronischen
Elemente entweder dauerhaft oder doch zumindest regelmäßig mit
elektrischer Energie versorgt werden, um eine ordnungsgemäße Integration zu
ermöglichen.
Bei einem erfindungsgemäßen Konzept
hingegen erfolgt die Integration an sich durch das chemische Indikatorelement
und benötigt
keine elektrische Energie. Die Versorgung einer gegebenenfalls vorhandenen
aktiven elektronischen Schaltung mit Energie ist bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur Temperatur-Zeit-Integration viel mehr nur zu dem Zeitpunkt nötig, an
dem das Ergebnis der Temperatur-Zeit-Integration ausgelesen werden
soll. Dies ist allerdings unproblematisch, da zum Auslesen an sich
eine äußere elektrische
Vorrichtung nötig ist,
so dass hierbei, anders als bei einer reinen Lagerung oder einem
Transport der zu überwachenden Waren,
sowieso eine Stromversorgung zur Verfügung steht.
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Die
Energie für
das gegebenenfalls vorhandene aktive elektronische Element kann
der Vorrichtung zur Temperatur-Zeit-Integration entweder drahtgebunden oder
drahtlos zugeführt
werden. Eine drahtlose Zuführung
kann z. B. durch eine induktive Kopplung der Auslesevorrichtung
mit der Vorrichtung zur Temperatur-Zeit-Integration erfolgen. Alternativ ist
auch eine Stromversorgung der aktiven Schaltungsanordnung durch
eine Batterie, die auf der Vorrichtung zur Temperatur-Zeit-Integration
enthalten ist, möglich.
Somit bietet die Integration eines aktiven elektronischen Elements
in der Vorrichtung zur Temperatur-Zeit-Integration eine große Flexibilität und ermöglicht es,
zusätzliche Intelligenz
in die Vorrichtung zur Temperatur-Zeit-Integration mit einzubinden.
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Bevorzugte
Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf
die beiliegenden Zeichnungen näher
erläutert.
Es zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Temperatur-Zeit-Integration
gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
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2 ein
Schrägbild
eines Indikatorelements gemäß einem
zweiten Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung;
-
3 eine
Draufsicht auf eine Vorrichtung zur Temperatur-Zeit-Integration
gemäß einem
dritten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
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4 ein
Schaltbild einer Vorrichtung zur Temperatur-Zeit-Integration mit
einem passiven Element gemäß einem
vierten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
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5 ein
Schaltbild einer Vorrichtung zur Temperatur-Zeit-Integration mit
einer Hochfrequenzantenne gemäß einem
fünften
Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung; und
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6 ein
Schaltbild einer Vorrichtung zur Temperatur-Zeit-Integration mit
einer aktiven Schaltungsanordnung gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung.
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1 zeigt
eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Temperatur-Zeit-Integration gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung. Die Vorrichtung zur Temperatur-Zeit-Integration
ist in ihrer Gesamtheit mit 10 bezeichnet. Die Vorrichtung 10 zur
Temperatur-Zeit-Integration umfasst hierbei eine chemische Indikatoreinrichtung 12 sowie
eine elektrische Einrichtung 14. Die chemische Indikatoreinrichtung 12 umfasst
einen chemischen Indikatorstoff 20. Dieser weist mindestens
eine physikalisch messbare stoffliche Eigenschaft auf und ist so
ausgelegt, dass sich mindestens eine der stofflichen Eigenschaften
in Abhängigkeit von
einer anliegenden Temperatur T, die auf den Indikatorstoff einwirkt,
in Abhängigkeit
von der Zeit t ändert.
Auf die chemische Indikatoreinrichtung 12 und somit auch
auf den chemischen Indikatorstoff 20 wirken also im wesentlichen
die Temperatur T und die Zeit t ein, was durch entsprechende Wirkpfeile 22, 24 gekennzeichnet
ist.
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Die
elektrische Einrichtung 14 ist ausgelegt, um eine physikalisch
messbare elektrische Eigenschaft des chemischen Indikatorstoffs 20,
die sich in Abhängigkeit
von der anliegenden Temperatur T mit der Zeit t ändert, von außen erfassbar
zu machen. In anderen Worten, die elektrische Einrichtung 14 ermöglicht es,
eine für
die Temperatur-Zeit-Integration charakteristische
Eigenschaft des chemischen Indikatorstoffs 20 messbar zu
machen. Die elektrische Einrichtung 14 ist dabei idealerweise
so ausgebildet, dass eine Messung keine Rückwirkung auf den chemischen
Indikatorstoff hat. Der Wirkzusammenhang zwischen dem chemischen
Indikatorstoff 20 bzw. der chemischen Indikatoreinrichtung 12 und
der elektrischen Einrichtung 14 ist durch einen Wirkpfeil 32 dargestellt.
Die elektrische Einrichtung 14 ist bei dem vorliegenden
Ausführungsbeispiel
so ausgeführt, dass
sie eine Information, die auf dem Zustand des chemischen Indikatorstoffs 20 beruht,
an ihre Umgebung weitergibt. Die Informationsweitergabe ist durch den
Wirkpfeil 34 gekennzeichnet. Die elektrische Einrichtung 14 ist
somit als eine Koppeleinrichtung zu verstehen, die zwischen den
chemischen Indikatorstoff 20 und eine äußere Auswerteschal tung 40 geschaltet
ist. Die Kopplung zwischen der chemischen Indikatoreinrichtung 12 und
der elektrischen Einrichtung 14 kann sowohl elektrisch
leitend als auch über kapazitive
oder induktive Wechselwirkungen sowie über elektromagnetische Fernfeldwechselwirkungen erfolgen.
Auch eine optische Verbindung zwischen elektrischer Einrichtung 14 und
Auswerteschaltung 40 ist möglich.
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Bei
einer typischen Auslegung sind die elektromagnetischen Wechselwirkungen
zwischen der Indikatoreinrichtung 12 und der elektrischen
Einrichtung 14 Nahfeldwirkungen. Die Kopplung zwischen der
elektrischen Einrichtung 14 und der äußeren Auswerteschaltung 40 kann
ebenfalls galvanisch oder drahtlos erfolgen. Während der Informationsaustausch
von der elektrischen Einrichtung 14 zu der äußeren Auswerteschaltung 40 typischerweise
nur in einer Richtung verläuft,
die durch den Wirkungspfeil 34 gekennzeichnet ist, so ist
es durchaus möglich, dass
zusätzlich
eine Anregung oder Energie von der äußeren Auswerteschaltung 40 zu
der elektrischen Einrichtung 14 übertragen wird. Dieser Energiefluss, der
allerdings bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel keine Information
trägt,
ist mit 44 gekennzeichnet. Ein Informationsinhalt kann
allerdings ebenso von der Auswerteschaltung zu der elektrischen
Einrichtung übertragen
werden. Die Information kann beispielsweise lediglich in der Trägerfrequenz
des von der Auswerteschaltung 40 zu der elektrischen Einrichtung 44 übertragenen
Signals beruhen, jedoch ist auch eine ausgeprägtere Modulation mit einem
Informationsinhalt möglich.
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Das
Grundprinzip einer Vorrichtung 10 zur Temperatur-Zeit-Integration ist es
also, dass die eigentliche Temperatur-Zeit-Integration durch einen chemischen
Indikatorstoff 20, der Teil einer chemischen Indikatoreinrichtung 12 ist,
erfolgt. Die Effekte, die die Temperatur-Zeit-Integration ausmachen,
sind also von chemischer Natur. Insbesondere wird das „Gedächtnis" der Integrationseinrichtung
durch einen chemischen Indikatorstoff 20 realisiert, der
seine stofflichen Eigenschaften mit der Zeit in Abhängigkeit von
der Temperatur ändert.
Der Zustand des chemischen Indikatorstoffs ist also ein Maß für das Ergebnis
der Temperatur-Zeit-Integration.
Freilich ist hierbei eine geeignete Auslegung des chemischen Indikatorstoffs 20 zweckmäßig.
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Die
elektrische Einrichtung 14 hingegen ist bezüglich des
Temperatur-Zeit-Verlaufs gedächtnisfrei.
Ihre Aufgabe ist es lediglich, den Zustand des chemischen Indikatorstoffs 20 für eine externe
Ausleseschaltung 40 zugänglich
zu machen. Gemäß dem Kerngedanken
der Erfindung ist hierbei die elektrische Einrichtung 14 Teil
der Vorrichtung zur Temperatur-Zeit-Integration
und somit fest mit der chemischen Indikatoreinrichtung 12 bzw.
dem chemischen Indikatorstoff 20 gekoppelt. Die Kopplung
zu der äußeren Messeinrichtung 40 hingegen
ist als lose bzw. trennbar zu betrachten. So kann zwischen der elektrischen
Einrichtung 14 und der äußeren Auswerteeinheit 40 beispielsweise
eine drahtlose Übertragungsstrecke
liegen. Die elektrische Einrichtung 14 ist hierbei als
Fernkoppeleinrichtung notwendig, da eine direkte elektromagnetische
Kopplung mit dem Indikatorstoff 20 technisch nicht möglich bzw.
nur mit sehr großem
Aufwand möglich
ist.
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Es
sollte weiterhin darauf hingewiesen werden, dass die elektrische
Einrichtung 14 nur dann mit Energie versorgt werden muss,
wen der Zustand des chemischen Indikatorstoffs 20 ausgelesen
und an eine externe Auswerteeinrichtung 40 weitergegeben werden
soll. Somit ist die Einbeziehung einer dauerhaften Stromversorgung
in die Vorrichtung zur Temperatur-Zeit-Integration nicht nötig. Dies
stellt einen wesentlichen Kostenvorteil einer Vorrichtung gemäß der Erfindung
dar, da herkömmliche
elektronische Temperatur-Zeit-Integratoren
eine kosten- und platzintensive dauerhafte Stromversorgung benötigen.
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2 zeigt
ein Schrägbild
eines Indikatorelements gemäß einem
zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung. Das Indikatorelement ist in seiner Gesamtheit mit 110 bezeichnet.
Die Aufgabe des Indikatorelements ist es, einen chemischen Indikatorstoff
bzw. eine chemische Indikatoreinrichtung so mit einer elektrischen
Einrichtung zu kombinieren, dass der Zustand des Indikatorstoffs
durch ein elektrisches Signal erfassbar wird. das Indikatorelement
kombiniert somit allgemein elektrische und chemische Komponenten.
Das hier gezeigte Indikatorelement umfasst ein Substrat 112,
auf dem eine erste Elektrode 114 mit einem ersten Anschluss 115 sowie
eine zweite Elektrode 116 mit einem zweiten Anschluss 117 aufgebracht
ist. Weiterhin umfasst das Indikatorelement 110 ein Indikatormaterial 118, das
ebenfalls auf dem Substrat aufgebracht ist und das die Elektroden 114, 116 zumindest
teilweise umschließt
oder kontaktiert.
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Bei
der gezeigten Ausführungsform
ist das Substrat 112 ein Kunststoffsubstrat. Dies ist bevorzugterweise
als Folie ausgeführt
und somit dünn
und biegsam genug, um beispielsweise mit herkömmlichen Etikettiereinrichtungen
von einem Trägermaterial
(z.B. Trägerfolie)
auf eine Ware bzw. auf die Verpackung einer Ware übertragen
zu werden. Weiterhin ist es charakteristisch für ein Kunststoffsubstrat, dass dieses
nur eine geringe Leitfähigkeit
aufweist. Somit beeinträchtigt
es die Funktion einer elektrischen Einrichtung nicht wesentlich.
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Die
Elektroden 114, 116 sind bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel
als Interdigitalelektroden ausgeführt. Das heißt, die
erste und die zweite Elektrode weisen jeweils mehrere Finger 130, 132 auf, wobei
die Finger der zweiten Elektrode in den Lücken zwischen den Fingern der
ersten Elektrode angeordnet sind. Durch diese abwechselnde Anordnung
der Finger 130, 132 der ersten und zweiten Elektrode wird
eine maximale Kapazität
zwischen den beiden Elektroden 114, 116 erzielt,
da die Fläche,
in der die Elektroden 114, 116 einen geringen
Abstand aufweisen, durch die Interdigitalanordnung maximiert ist.
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Bei
der gezeigten Ausführungsform
sind die erste Elektrode 114, die zweite Elektrode 116 sowie die
zugehörigen
Finger 130, 132 in ein Indikatormaterial 118 eingebettet.
Das Indikatormaterial ist also auf das Substrat 112, das
die erste Elektrode 114 sowie die zweite Elektrode 116 trägt, aufgebracht.
Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel
ist die Dicke des chemischen Indikatormaterials 118 größer als
die Dicke der Elektroden 114, 116, so dass der
chemische Indikator die Elektroden 114, 116 auch
auf der dem Substrat 112 abgewandten Seite kontaktiert.
Die Dicke der Elektroden 114, 116 bzw. des Indikatormaterials 118 ist
hierbei als Ausdehnung in einer Richtung, die senkrecht zu der Ebene,
in der die Elektroden das Substrat berühren, definiert. Es ist hier
anzumerken, dass die Elektroden 114, 116 das Substrat 112 in
einer Ebene kontaktieren, während
sie auf allen anderen Seiten von dem Indikator umschlossen sind.
Der Indikator passt sich somit der Form der Elektroden an.
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Aufbauend
auf der strukturellen Beschreibung wird im Folgenden die Funktionsweise
des gezeigten Indikatorelements 110 beschrieben. Das Substrat 112 dient
hier im wesentlichen als Trägermaterial
und beeinflusst durch seine Eigenschaften das elektrische Verhalten
des Indikatorelements nur geringfügig. Vielmehr bilden die auf
dem Substrat aufgebrachten Elektroden 114, 116 mit
ihren Fingern 130, 132 eine Interdigitalstruktur,
die für
sich genommen ein kapazitives Verhalten aufweist. Die Interdigitalstruktur
ist schließlich
in ein Indikatormaterial 118 bestehend aus einem chemischen
Indikatorstoff eingebettet. Der chemische Indikator 118 kontaktiert hierbei
die in einer Interdigitalstruktur angeordneten Elektroden 114, 116 großflächig.
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Ob
eine direkte leitende Verbindung zwischen den Elektroden 114, 116 und
dem Indikatorstoff 118 entsteht, hängt im wesentlichen davon ab, ob
die Elektroden 114, 116 passiviert, d. h. elektrisch isoliert,
sind. Ein solche Passivierung kann z. B. durch Bildung einer Oxidschicht
oder durch Aufbringen eines anderen isolierenden Materials auf die Elektroden
erfolgen. Genauso gut kann dafür
gesorgt werden, dass eine leitfähige
Verbindung zwischen den Elektroden 114, 116 und
dem Indikatormaterial 118 entsteht. Gegebenenfalls ist
eine geeignete Oberflächenbehandlung
der Elektroden 114, 116 notwendig, um eine dauerhafte
leitfähige
Verbindung zu gewährleisten.
Als Elektrodenmaterial kann beispielsweise Kupfer oder Aluminium
verwendet werden, jedoch ist auch jedes andere leitfähige Material bzw.
eine Legierung geeignet. Auch die Verwendung von organischen leitfähigen Strukturen
als Elektroden 114, 116 ist möglich.
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Das
Vorhandensein des Indikatormaterials 118 verändert freilich
die elektrischen Eigenschaften des Indikatorelements bezüglich der
Elektroden 114 und 116. Je nach den Eigenschaften
des Indikatormaterials 118 und abhängig davon, ob die Elektroden 114, 116 passiviert
sind oder nicht, weist das Indikatorelement 110 bezüglich seiner
Anschlüsse 115, 117 ein
kapazitives oder resistives Verhalten auf. Ein resistives Verhalten
entsteht dann, wenn die Elektroden 114, 116 nicht
passiviert sind und wenn durch das Indikatormaterial 118 ein
Verluststrom fließen kann,
der groß gegenüber dem
dielektrischen Verschiebungsstrom bei einer vorgegebenen Frequenz ist.
Ist die ohmsche Leitung des Indikatormaterials 118 gering,
so dominieren dielektrische Verschiebungsströme, und das Indikatorelement
weist bezüglich
der Anschlüsse 115, 117 ein
dominant kapazitives Verhalten auf.
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Die
wesentliche Eigenschaft des Indikatormaterials 118 ist
es, dass dieses seine dielektrischen Eigenschaften in Abhängigkeit
von der Temperatur T mit der Zeit ändert. Entsprechend der Natur
eines chemischen Indikatorelements ändert sich hierbei die chemische
Zusammensetzung des Indikatorstoffs mit der Zeit. Eine erhöhte Temperatur
führt typischerweise
zu einer beschleunigten chemischen Reaktion. Oftmals ist es der
Fall, dass der Anstieg der Reaktionsgeschwindigkeit mit der Temperatur
mehr als linear ist, also beispielsweise einem exponentiellen Zusammenhang
gehorcht. Je nach den Anforderungen an das Indikatorelement 110 ist
ein geeignetes chemisches Indikatormaterial 118 zu wählen, dessen
dielektrische Eigenschaften sich mit einer Geschwindigkeit gemäß den Anforderungen
verändern.
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Das
gesamte Indikatorelement 110 weist somit bezüglich seiner
Anschlüsse 115, 117 ein
elektrisches Verhalten auf, das von der Vorgeschichte, d. h. dem
zeitlichen Verlauf der anliegenden Temperatur T, abhängig ist.
Die Kapazität
und/oder die Leitfähigkeit des
Indikatorelements gemessen an seinen Klemmen 115, 117 ist
somit ein Maß für die Umgebungsbedingungen
und insbesondere die Temperatur, die auf das Indikatorelement eingewirkt
hat. Hierbei ist die Veränderung
des kapazitiven oder resistiven Verhaltens bzw. ein Übergang
von kapazitivem Verhalten zu resistivem Verhalten von außen detektierbar.
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3 zeigt
eine Draufsicht auf eine Vorrichtung zur Temperatur-Zeit-Integration
gemäß einem dritten
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung. Die Vorrichtung zur Temperatur-Zeit-Integration
ist in ihrer Gesamtheit mit 210 bezeichnet und umfasst
ein Trägersubstrat 212,
eine Leiterschleife 214 sowie ein mit der Leiterschleife 214 verbundenes
Indikatorelement 216. Das Trägermaterial 212 ist
bevorzugter Weise eine Kunststofffolie, die sich durch eine mechanische
Flexibilität
auszeichnet. Die Folie ist bevorzugterweise so ausgelegt, dass sie
für eine Reel-to-Reel-Technologie
geeignet ist. Hierbei ist es vorteilhaft, wenn das Kunststoff-Trägermaterial 212 auf
seiner Unterseite eine Beschichtung aufweist, die ein Verkleben
des Kunststoffträgers
auf eine zu überwachende
Ware ermöglicht,
so dass insgesamt eine selbstklebende Vorrichtung zur Temperatur-Zeit-Integration
entsteht.
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Auf
der Oberseite des Kunststoffträgers 212 ist
eine Leiterschleife 214 angeordnet. Diese wird durch ein
leitendes Material gebildet, das auf dem Kunststoffträger 212 aufge bracht
und gegebenenfalls strukturiert ist. Die Leiterschleife 214 kann
beispielsweise eine rechteckige Form mit abgerundeten Ecken aufweisen,
jedoch ist auch eine runde, ovale oder dreieckige Ausführungsform
möglich.
Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel
umfasst die Leiterschleife 214 mehrere Windungen, d. h.
die leitende Struktur bildet eine Spirale entlang einer vorgegebenen
Schleifengeometrie, also z. B. entlang eines Rechtecks mit abgerundeten
Ecken. Die Schleifengeometrie kann so ausgelegt sein, dass die Leiterschleife 214 entweder
an eine vorgegebene Wellenlänge
einer elektromagnetischen Schwingung angepasst ist, oder dass die
von der Leiterschleife 214 umschlossene Fläche im Rahmen
der geometrischen und prozesstechnischen Randbedingungen möglichst
groß ist.
Die spiralförmige
Leiterschleife 214 weist hierbei einen Anfangspunkt 220 sowie
einen Endpunkt 222 auf, wobei der Anfangspunkt 220 hier
gemäß Definition
an dem außenliegenden
Ende der Leiterschleife liegt und der Endpunkt 222 an dem im
Inneren der Leiterschleife 214 liegenden Ende liegt.
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Ferner
umfasst die Leiterschleife eine Leiterbrücke 224, die von dem
außen
gelegenen Anschlusspunkt 220 der Leiterschleife 214 ausgeht
und eine Verbindung zu der Innenseite der Leiterschleife herstellt.
Das innere Ende der Leiterbrücke 224 ist mit 226 bezeichnet.
Zwischen das innere Ende 226 der Leiterbrücke und
den Endpunkt 222 der Leiterschleife 214 ist ein
chemisches Indikatorelement 216 geschaltet. Dieses entspricht
von seinem Aufbau her dem anhand von 2 beschriebenen
Indikatorelement 110. Es ist somit auf das Kunststoffsubstrat 212 mit
aufgebracht und umfasst ein chemisches Indikatormaterial (Indikatorstoff).
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Aufbauend
auf der strukturellen Beschreibung wird im Folgenden die Funktionsweise
der vorliegenden Vorrichtung 210 zur Temperatur-Zeit-Integration
beschrieben. Das Trägermaterial 212 dient hierbei
in erster Linie als mechanischer Träger, wobei die Auslegung als
Folie sicherstellt, dass die gesamte Vorrichtung 210 zur
Temperatur-Zeit-Integration biegsam ist und sich somit an eine zu überwachende Ware
anpassen kann. Die Folie ist im übrigen
Trägermaterial
sowohl für
die Leiterschleife 214 als auch für den chemischen Indikatorstoff
des Indikatorelements 216.
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Die
Leiterschleife 214 dient hierbei zur elektromagnetischen
Ankopplung des chemischen Indikatorelements 216 an eine
externe Ausleseeinrichtung. Die Leiterschleife 214 koppelt
hierbei typischerweise mit einem magnetischen Nahfeld, das die Leiterschleife 214 durchsetzt.
Eine Fernfeldkopplung tritt nur in geringem Maße auf, da bei einer bevorzugten
Ausführungsform
die Abmessungen der Leiterschleife 214 wesentlich kleiner
als die Wellenlänge der
verwendeten elektromagnetischen Schwingungen sind. Die Leiterschleife 214 kann
somit als Induktionsschleife betrachtet werden. Die in der Leiterschleife 214 induzierte
Spannung ist hierbei proportional zu der von der Leiterschleife 214 effektiv
umschlossenen Fläche.
Die effektiv umschlossene Fläche
steigt im wesentlichen proportional mit der Anzahl der Windungen
an.
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Die
Leiterschleife 214 bildet nun mit dem Indikatorelement 216 einen
offenen Schwingkreis. Die Leiterschleife stellt hierbei im wesentlichen
eine Induktivität
dar, während
das Indikatorelement 216 typischerweise ein kapazitives
Verhalten aufweist. Weiterhin weist das Indikatorelement 216 auch
Verluste auf, die als resistiver Anteil bezeichnet werden. Die Leiterschleife 214 ist
hierbei mit einem äußeren elektromagnetischen
Feld gekoppelt, während
das Indikatorelement 216 als konzentriertes Element zu verstehen
ist. Die Kombination aus Leiterschleife 214 und Indikatorelement 216 legt
die Resonanzfrequenz des offenen Schwingkreises, d. h. die Frequenz,
bei der dieser eine maximale Energie aufnimmt und speichert, fest.
Da sich die dielektrischen Eigenschaften des Indikatorstoffs in
dem Indikatorelement 216 ändern, ändert sich auch die elektrische
Charakteristik des Indikatorelements 216. Damit verändert sich
die Resonanzfrequenz des offenen Schwingkreises sowie ferner auch
die Dämpfung
desselben.
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Es
ist vorteilhaft, mit einer äußeren Anordnung
die Resonanzfrequenz des offenen Schwingkreises bzw. die Dämpfung des
offenen Schwingkreises zu bestimmen. Damit kann bei bekannter Geometrie
der Leiterschleife 214 und bei bekannter Charakteristik
des Indikatorelements 216 auf den Zustand des Indikatorelements 216 geschlossen
werden. Somit bestimmt der Zustand des Indikatorelements 216 die
Eigenschaften eines offenen Schwingkreises bestehend aus einer Leiterschleife 214 und dem
Indikatorelement 216. Durch Bestimmung der Eigenschaften
des Schwingkreises kann auf den Zustand des Indikatorelements 216 zurückgeschlossen werden.
Die mit dem Indikatorelement 216 gekoppelte Leiterschleife 214 sowie
die Elektroden, die den chemischen Indikatorstoff an die Leiterschleife 214 ankoppeln
(siehe 2), ermöglichen
es, den Zustand des chemischen Indikatorstoffs auf elektrischem
Wege zu erfassen. Eben dies ist Kerngedanke der vorliegenden Erfindung.
Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel
ist der Indikatorstoff also frequenzbestimmendes Element eines Schwingkreises. Das
Auslesen des Schwingkreises erfolgt hierbei durch eine elektromagnetische
Ankopplung des offenen Schwingkreises an ein Auslesesystem, das
hier nicht näher
gezeigt ist.
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Bei
dem Auslesesystem kann es sich beispielsweise um einen durchstimmbaren
Oszillator mit einem anschließenden
Verstärker
handeln, der wiederum mit einer Antenne, die zumindest ein elektromagnetisches
Nahfeld erzeugt, gekoppelt ist. Während des Durchstimmens des
Oszillators kann messtechnisch ermittelt werden, wie viel Energie
die an das Auswertesystem elektromagnetisch angekoppelte Vorrichtung 210 zur
Temperatur-Zeit-Integration der Auswerteeinrichtung entzieht. Es
wird erwartet, dass eine maximale Energieübertragung erfolgt, wenn die
Vorrichtung 210 zur Temperatur-Zeit-Integration bei ihrer Resonanzfrequenz
angeregt und betrieben wird. Somit lässt sich dann in dem Auswertesystem die
Resonanzfrequenz der Vorrichtung 210 zur Temperatur-Zeit-Integration
drahtlos bestimmen, woraus wiederum auf den Zustand des Indikatorelements 216 und
somit auch auf das Temperatur-Zeit-Integral geschlossen werden kann.
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Zusammenfassend
lässt sich
also festhalten, dass bei der gezeigten Ausführungsform einer Vorrichtung 210 zur
Temperatur-Zeit-Integration ein Indikatorelement 216 als
frequenz- oder dämpfungsbestimmendes
Element in einen entsprechenden Resonator eingebaut ist. Das Indikatorelement 216 besteht
hierbei aus einem chemischen Indikator, der mit geeigneten Elektroden,
z. B. mit Interdigitalelektroden, kontaktiert ist. Das Indikatorelement
hat, je nach Auslegung der Elektroden (passiviert oder nicht passiviert)
und/oder des chemischen Indikators, ein mehr kapazitives oder resistives
Verhalten. Bei der hier gezeigten Ausführungsform wird eine auf Folie aufgebrachte
Hochfrequenzantenne (RF-Antenne) in Verbindung mit einem Interdigitalkondensator,
der mit einem organischen Festkörperindikator
beschichtet ist, verwendet. Wird dieser Resonator über eine entsprechende
Abfrageeinrichtung ausgelesen, so kann über die Dämpfung bzw. Resonanzfrequenz
auf den Zustand des chemischen Elements zur Temperatur-Zeit-Integration
(chemischer TTI) geschlossen werden. Die Anzeige kann über ein
geeignetes Gerät,
das auch einen Auswertealgorithmus enthalten kann, erfolgen.
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Das
gezeigte Ausführungsbeispiel
kann in einem weiten Bereich verändert
werden. So ist es nicht zwingend notwendig, dass als Trägermaterial 212 eine
Folie verwendet wird. Vielmehr kann jedes andere mechanisch geeignet
Material verwendet werden, solange sichergestellt ist, dass die
Vorrichtung zur Temperatur-Zeit-Integration auf der zu überwachenden
Ware angebracht werden kann, wobei ein guter Wärmeübergang zwischen der zu überwachenden
Ware und der Vorrichtung zur Temperatur-Zeit-Integration wünschenswert
ist, insbesondere wenn eine Erwärmung
nicht nur von außen
sondern auch durch die zu überwachende
Ware erfolgen kann (z. B. ein Chip im Betriebszustand). Beispielsweise kann
eine Vorrichtung zur Temperatur-Zeit-Integration auch direkt auf
die Verpackung einer zu überwachenden
Ware gedruckt werden. In diesem Fall entfällt das Aufkleben der Vorrichtung
zur Temperatur-Zeit-Integration, wodurch ein verbesserter Wärmeübergang
erzielt werden kann. Auch der Herstellungsaufwand kann so verringert
werden.
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Weiterhin
kann auch die Ausführung
der Leiterschleife 214 deutlich verändert sein. Es kann im wesentlichen
jede beliebige Geometrie verwendet werden, solange sichergestellt
ist, dass die eingeschlossene Fläche
groß genug
ist. Die Zahl der Windungen kann an die jeweilige Anwendung angepasst werden.
Je mehr Windungen die Leiterschleife aufweist, desto stärker ist
die Ankopplung an das externe elektromagnetische Feld. Für Anwendungen,
bei denen eine schwache elektromagnetische Kopplung ausreichend
ist, kann es ausreichend sein, nur eine Leiterschleife zu verwenden.
In diesem Fall entfällt die
Leiterbrücke 224.
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Auch
das chemische Indikatorelement 216 kann variiert sein.
Dies gilt insbesondere für
die Elektrodengeometrie, aber auch für die Art des verwendeten Indikators.
So kann beispielsweise anstelle von Interdigitalelektroden auch
eine Plattenkondensator-Geometrie gewählt werden, d. h. zwei parallele Elektroden,
zwischen denen der Indikatorstoff eingebettet ist. Schließlich können auch
mehrere Indikatorelemente 216 an verschiedenen Orten in
der Leiterschleife 214 verwendet werden. Dies ermöglicht bei geeigneter
Auslegung eine höhere
Empfindlichkeit der Gesamtanordnung. Weiterhin können mehrere Indikatorelemente 216 an
einem Ort der Leiterschleife 214 in Serie oder parallel
geschaltet werden, um eine gewünschte
Empfindlichkeit und eine gewünschte
Resonanzfrequenz zu erhalten.
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Zudem
ist festzuhalten, dass es vorteilhaft ist, wenn das chemische Indikatorelement
zu einem wählbaren
Zeitpunkt aktiviert werden kann. Beispielsweise kann das Indikator element
so ausgelegt sein, dass zum Zwecke einer Aktivierung beispielsweise
zwei Phasen bzw. Komponenten vermischt werden können. Dadurch kann das Indikatormaterial bzw.
das Indikatorelement in einen für
eine Temperatur-Zeit-Integration
vorteilhaften Zustand gebracht werden. Ebenso ist es bei geeigneter
Auslegung des Indikatorelements möglich, den Elektronenzustand von
Molekülen
in dem Indikatorstoff durch Licht zu verändern, wodurch das Indikatormaterial
ebenfalls aktiviert werden kann. Durch die genannten Maßnahmen
kann ein wohldefinierter Anfangszustand des chemischen Indikatorelements
erreicht werden.
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Ebenso
ist es möglich,
auf das Indikatorelement so einzuwirken, dass sich ein gewünschter
Anfangszustand ergibt. Dies kann beispielsweise durch eine gezielte
Wärmebehandlung
oder durch eine Bestrahlung mit Licht erfolgen.
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Ist
eine Aktivierung des Indikatormaterials oder eine Einstellung eines
gewünschten
Anfangszustands nicht möglich
oder wünschenswert,
so kann der Anfangszustand des Indikatorelements auch gespeichert
werden. Dies kann entweder auf der Vorrichtung zur Temperatur-Zeit-Integration
selbst oder auch extern, beispielsweise in einer Datenbank eines Warenwirtschaftssystems,
erfolgen.
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4 zeigt
ein Schaltbild einer Vorrichtung zur Temperatur-Zeit-Integration
mit einer passiven Schaltungsanordnung gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung. Die Vorrichtung zur Temperatur-Zeit-Integration
ist in ihrer Gesamtheit mit 310 bezeichnet und umfasst
eine chemische Indikatoreinrichtung 312 sowie eine mit dieser
gekoppelte passive Schaltungsanordnung 314. Die chemische
Indikatoreinrichtung 312 umfasst hierbei ein chemisches
Indikatorelement 320. Dieses umfasst einen chemischen Indikatorstoff 322,
der mit zwei Elektroden 324, 326 kontaktiert ist.
Der Kontakt zwischen den Elektroden 324, 326 und
dem Indikatorstoff 322 kann entweder elektrisch isoliert
oder galvanisch sein, je nachdem, ob die Elektroden 324, 326 passiviert
oder nicht passiviert sind. Die Elektroden 324, 326 sind
durch elektrisch leitende Verbindungen 330, 332 mit
einer passiven Schaltungsanordnung 314 gekoppelt.
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Die
passive Schaltungsanordnung 314 wiederum weist einen Schaltungseingang 340 auf, über den
die gezeigte Vorrichtung 310 zur Temperatur-Zeit-Integration
mit weiteren externen Komponenten gekoppelt werden kann. Die passive
Schaltungsanordnung 314 kann jede Art von passiven Ein-
und Mehrtoren umfassen, beispielsweise Widerstände, Kapazitäten, Induktivitäten, nichtlineare
Bauelemente wie Dioden, nichtlineare Kapazitäten und Induktivitäten, Übertrager,
Zirkulatoren, Isolatoren, Filter, Mischer und andere. Auch verteilte
Schaltungselemente können
verwendet werden. Die passive Schaltung 314 kann hierbei
verschiedene Aufgaben übernehmen.
Beispielsweise ist es möglich,
dass die passive Schaltungsanordnung 314 die Aufgabe eines Filters übernimmt.
Es können
dann nur Signale passieren, die in einem vorgegebenen Frequenzbereich liegen.
Somit kann gegebenenfalls das Signal des Indikatorelements besser
ausgewertet werden. Ebenso können
die passiven Elemente ausgelegt sein, um weitere Resonanzen zu erzeugen,
falls beispielsweise ein offener Schwingkreis verwendet wird.
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Solche
weiteren genau festgelegten Resonanzen können beispielsweise geeignet
sein, um einer Vorrichtung zur Temperatur-Zeit-Integration ein Identifizierungsmerkmal
zu geben. So ist es denkbar, mehrere weitere resonanzfähige Elemente
mit unterschiedlichen Resonanzfrequenzen auf einer Einrichtung zur
Temperatur-Zeit-Integration vorzusehen, wobei diese Resonanzen bei
der Herstellung oder einer Programmierung der Vorrichtung zur Temperatur-Zeit-Integration einstellbar
sind. Somit dienen die passiven elektronischen Elemente bzw. Netzwerke zur
Identifizierung des Indikatorelements.
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Weiterhin
können
passive elektronische oder elektrische Elemente auch dazu dienen,
eine bessere Auswertung des Indikatorelements 320 zu gewährleisten.
Ist beispielsweise das chemische Indikatorelement 320 Teil
eines Resonanzkreises, so kann ein weiteres passives Element dazu
dienen, die Resonanzfrequenz des Kreises auf einen technisch vorteilhaften
Wert einzustellen. Hierzu kann beispielsweise eine Kapazität oder eine
Induktivität
verwendet werden. Auch die Einstellung einer geeigneten Dämpfung des
Resonanzkreises ist mit Hilfe eines resistiven Elements möglich.
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Weiterhin
kann die passive Schaltungsanordnung 314 ein nichtlineares
Element zur Frequenzumsetzung umfassen. Hierbei kann es sich beispielsweise
um eine Diode oder ein Mischerelement handeln. Es ist dann möglich, dass
das Indikatorelement 320 Teil eines Schwingkreises ist,
der mit einer bestimmten Frequenz angeregt wird. Die Anregung kann
hierbei beispielsweise drahtlos über
eine induktive Kopplung, aber auch über eine Fernfeldkopplung erfolgen.
Die Amplitude der Schwingung in dem schwingungsfähigen Kreis hängt hierbei
von der Frequenz und von dem Zustand des Indikatorelements 320 ab.
Die Oszillation des Schwingkreises dient hierbei als Anregung für das nichtlineare
Element, also beispielsweise für
die Diode oder den Mischer. Somit wird ein Signal mit einer zweiten
Frequenz erzeugt, die gegenüber
der Grundfrequenz in dem Resonanzkreis verschoben ist.
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Es
ist vorteilhaft, dass die zweite Frequenz beispielsweise ein Vielfaches
der Grundfrequenz ist. Die Amplitude des Signals mit der zweiten
Frequenz kann hierbei in einer nichtlinearen Weise mit der Amplitude
des Grundfrequenzsignals zusammenhängen. Das Signal mit der zweiten
Frequenz kann dann drahtlos oder drahtgebunden zu einer äußeren Auswerteschaltung übertragen
werden. Dies ist vorteilhaft, da es unter Umständen schwierig ist, ein Signal bei
der Grundfrequenz in der Auswerteschaltung auszuwerten, da ein Signal
mit einer solchen Frequenz in der Auswerteschaltung selbst erzeugt
wird und deswegen an dem Ort der Auswerteschaltung mit großer Signalstärke vorliegt.
Ein Signal hingegen, das gegenüber
der Grundfrequenz frequenzmäßig versetzt
ist, kann in einer Auswerteschaltung, die auch eine geeignete Filterschaltung
umfasst, deutlich leichter ausgewertet werden als ein Signal bei
der Grundfrequenz.
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Wiederum
kann es zweckmäßig sein,
in der Auswerteschaltung die Frequenz zu variieren, um beispielsweise
zu ermitteln, bei welcher Frequenz das Signal mit der zweiten Frequenz
ein Maximum aufweist. Es kann angenommen werden, dass bei dieser
Frequenz eine maximale Schwingung in einem Schwingkreis, der auch
das Indikatorelement 320 umfasst, vorherrscht. Damit kann
beispielsweise die Resonanzfrequenz des Schwingkreises und somit
auch der Zustand des chemischen Indikatorstoffs bestimmt werden.
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5 zeigt
ein Schaltbild einer Vorrichtung zur Temperatur-Zeit-Integration
mit einer Hochfrequenzantenne gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung. Die Vorrichtung zur Temperatur-Zeit-Integration ist in ihrer Gesamtheit
mit 410 bezeichnet. Sie umfasst eine chemische Indikatoreinrichtung 412 sowie
eine Hochfrequenzantenne 414. Die chemische Indikatoreinrichtung 412 umfasst
ein chemisches Indikatorelement 420. Dieses besteht aus
einem chemischen Indikatorstoff 422, der mit zwei Elektroden 424, 426 kontaktiert
ist. Auf die chemische Indikatoreinrichtung wirkt eine Temperatur
T sowie eine Zeit t ein. Die Elektroden 424, 42b sind
mit einer Hochfrequenzantenne 414 gekoppelt. Die Hochfrequenzantenne 414 ist
hier als Rahmenantenne gezeigt. Das Prinzip der Vorrichtung 410 zur
Temperatur-Zeit-Integration ist es, dass die Indikatoreinrichtung 412 und
die Hochfrequenzantenne 414 eine resonanzfähige Struktur
bilden, die durch ein äußeres Feld
angeregt werden kann. Diese Kopplung mit einem äußeren Feld sollte so stark sein,
dass von außen
detektiert werden kann, ob die Einrichtung 410 zur Temperatur-Zeit-Integration
sich in einem Resonanzzustand befin det. Ist dies möglich, so
kann hierdurch auf den Zustand des chemischen Indikatorstoffs 422 geschlossen
werden.
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Insbesondere
in Bezug auf die Antenne sind hierbei weitreichende Veränderungen
möglich.
Statt einer magnetischen Rahmenantenne kann auch eine Dipolarantenne
verwendet werden. Bei dieser erfolgt die Ankopplung dann dominant über das
elektrische Feld, während
eine Schleifenantenne dominant mit dem magnetischen Feld gekoppelt
ist.
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Weiterhin
ist es möglich,
bei einer solchen Resonatoranordnung eine anhand der 4 beschriebene
passive Schaltungsanordnung 314 einzuführen. Diese wird bevorzugt
zwischen die Indikatoreinrichtung 412 und die Hochfrequenzantenne 414 geschaltet.
Die Vorteile, die durch eine zusätzliche passive
Schaltungsanordnung bestehen, wurden bereits vorher beschrieben.
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6 zeigt
ein Schaltbild einer Vorrichtung zur Temperatur-Zeit-Integration
mit einer aktiven Schaltungsanordnung gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung. Die Vorrichtung zur Temperatur-Zeit-Integration
ist in ihrer Gesamtheit mit 510 bezeichnet. Sie umfasst
eine chemische Indikatoreinrichtung 512, die mit einer
aktiven Schaltungsanordnung 514 gekoppelt ist. Die aktive
Schaltungsanordnung 514 ist mit einer Antenne 516 gekoppelt
und weist einen Anschluss 518 für eine drahtgebundene Verbindung
zu einer externen Auswerteeinheit auf. Weiterhin weist die aktive Schaltungsanordnung 514 einen
Anschluss 520 auf, durch den die aktive Schaltungsanordnung 514 mit Energie
versorgt werden kann. An diesen Anschluss 520 ist beispielsweise
eine Batterie 522 gekoppelt. Die aktive Schaltungsanordnung
umfasst eine Analog-Digital-Wandlerschaltung 530, eine
Speicherschaltung 532, eine Einrichtung 534 zur
Quellen- und/oder Kanalcodierung sowie eine Einrichtung 536 zur
Hochfrequenzsignalaufbereitung.
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Die
Indikatoreinrichtung 512 umfasst wie schon vorher beschrieben
ein Indikatorelement 538 mit einem Indikatorstoff 540,
der von zwei Elektroden 542, 544 leitend oder
nicht-leitend kontaktiert wird.
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Basierend
auf der strukturellen Beschreibung wird im Folgenden die Funktionsweise
einer Vorrichtung 510 zur Temperatur-Zeit-Integration beschrieben.
Die Vorrichtung besteht wieder aus einer chemischen Indikatoreinrichtung 512,
die ein elektrisches Signal an eine aktive Schaltungsanordnung 514 weitergibt.
Die aktive Schaltungsanordnung 514 führt dann eine Signalverarbeitung
bzw. Signalaufbereitung durch. Entscheidend ist hierbei, dass die
aktive Schaltungsanordnung 514 mit elektrischer Energie
versorgt wird. Dies kann, wie hier gezeigt, durch eine Batterie 522 erfolgen,
die mit in der Einrichtung 510 zur Temperatur-Zeit-Integration
integriert ist. Allerdings ist es genauso gut denkbar, dass die
Energieversorgung über
einen Anschluss 518 für
eine drahtgebundene Signalübertragung
geliefert wird. Daneben ist es möglich,
die Energie drahtlos von einer externen Ausleseeinrichtung, die
hier nicht gezeigt ist, zu der Vorrichtung 510 zur Temperatur-Zeit-Integration
zu übertragen.
Dies ist beispielsweise durch eine induktive Kopplung mit einer
externen Ausleseeinrichtung möglich.
Weiterhin ist es denkbar, dass die Vorrichtung 510 zur
Temperatur-Zeit-Integration
einen thermoelektrischen Energiewandler oder einen anderweitigen,
z. B. solaren, Energiewandler aufweist.
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Es
ist im übrigen
festzuhalten, dass die aktive Schaltungsanordnung 514 nur
dann mit Energie versorgt werden muss, wenn der Zustand der chemischen
Indikatoreinrichtung 512 oder eine sonstige Information,
die in der aktiven Schaltungsanordnung 514 gespeichert
ist, ausgelesen werden soll. Damit unterscheidet sich die Vorrichtung 510 zur
Temperatur-Zeit-Integration von herkömmlichen elektronischen Vorrichtungen
zur Temperatur-Zeit-Integration, die ständig oder zumindest regelmäßig mit
Energie versorgt werden müssen.
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Die
aktive Schaltungsanordnung 514 kann hierbei verschiedene
Aufgaben übernehmen.
So umfasst die hier gezeigte aktive Schaltungsanordnung 514 eine
Analog-Digital-Wandlerschaltung 530,
die das von der chemischen Indikatoreinrichtung 512 gelieferte
analoge elektrische Signal in ein digitales Signal umwandelt. Dies
ist vorteilhaft, da eine digitale Signalverarbeitung in vielen Fällen weniger
störanfällig ist
als die Verarbeitung eines analogen Signals. Weiterhin umfasst die
gezeigte aktive Schaltungsanordnung 514 eine Speicherschaltung 532.
In der Speicherschaltung 532 können Nutzinformationen über die
Vorrichtung 510 zur Temperatur-Zeit-Integration abgelegt
werden, aber auch Informationen über
die zu überwachende
Ware. Solche Informationen können
beispielsweise die mit der Vorrichtung 510 zur Temperatur-Zeit-Integration
versehene Ware näher
kennzeichnen und damit Daten liefern, die in einem Warenwirtschaftssystem
benötigt
werden. Die Speichereinrichtung 532 ist hierbei so ausgelegt, dass
sie nichtflüchtig
ist, d. h. dass sie eine Information auch dann behält, wenn
keine Energieversorgung vorliegt. Dies ist in Verbindung mit einer
erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur Temperatur-Zeit-Integration
zweckmäßig, da
diese nicht ständig
mit Energie versorgt werden muss.
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Weiterhin
umfasst die aktive Schaltungsanordnung 514 eine Einrichtung 534 zur
Quellen- und/oder Kanalcodierung. Eine solche Einrichtung ist vorteilhaft,
wenn eine drahtlose und damit störanfällige Übertragung
der Informationen von der chemischen Indikatoreinrichtung 512 oder
von der Speichereinrichtung 532 erfolgen soll. Eine Verfälschung von
Informationen wird so vermieden. Die codierten Informationen werden
in einer Einrichtung 536 zur Hochfrequenzsignalaufbereitung
so aufbereitet, dass eine drahtlose Übertragung möglich ist.
Dies betrifft im wesentlichen eine geeignete Modulation und eine Frequenzumsetzung.
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Die
gezeigte Vorrichtung 510 zur Temperatur-Zeit-Integration kann
in einem weiten Rahmen verändert
werden, ohne von dem Gedanken der Erfindung abzuweichen. Wesentlich
ist hierbei lediglich, dass eine aktive Aufbereitung des von der
Indikatoreinrichtung 512 gelieferten Signals erfolgt. Die
Vorrichtung 510 kann wahlweise für eine drahtlose Übertragung
ausgelegt sein und eine Hochfrequenzantenne 516 umfassen
oder für
eine drahtgebundene Übertragung
ausgelegt sein und somit einen Anschluss 518 für eine drahtgebundene
Verbindung umfassen. Genauso gut können jedoch beide Möglichkeiten
vorhanden sein. Statt einer digitalen Übertragung kann jedoch auch
eine analoge Übertragung erfolgen,
so dass insbesondere auf die Einrichtung 530 zur Analog-Digital-Wandlung
sowie auf die Einrichtung 532 zur Quellen- und/oder Kanalcodierung verzichtet
werden kann. Eine Einrichtung 536 zur Hochfrequenzsignalaufbereitung
ist nur nötig,
falls eine drahtlose Übertragung
vorgesehen ist. Ansonsten wird diese Einrichtung durch einen Leitungstreiber
für eine
drahtgebundene Übertragung
ersetzt. Auch die Speichereinrichtung 532 ist nicht zwingend erforderlich.
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Somit
ist offensichtlich, dass jeweils nur einzelne der gezeigten Einrichtung
der aktiven Schaltungsanordnung 514 von Nöten sind.
Die vorstehend beschriebene Kombination von Einrichtungen ist dennoch
als eine sehr zweckmäßige Wahl
anzusehen, da sie die Vorteile einer digitalen Signalübertragung
ausnutzt, um den Zustand des chemischen Indikatorelements sowie
zusätzliche
in der Speichereinrichtung 532 gespeicherte Informationen übertragen
zu können.
Damit ist eine solche Ausführungsform
besonders vorteilhaft in Verbindung mit automatisierten Warenwirtschaftssystemen.
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Weiterhin
ist es auch möglich,
dass die aktive Schaltungsanordnung 514 lediglich eine
Oszillatorschaltung umfasst, deren Resonanzfrequenz durch die chemische
Indikatoreinrichtung 512 mitbestimmt wird. Der Oszillator
ist freilich nur solange aktiv, wie er eine Energieversorgung erfährt. Diese kann
wiederum wie beschrieben bevorzugterweise von außen eingekoppelt werden. Das
Ausgangssignal des Oszillators kann dann sowohl drahtlos als auch
drahtgebunden übertragen
werden, wobei die Frequenz wiederum ein Maß für den Zustand der chemischen
Indikatoreinrichtung 512 ist und durch eine externe Auswerteschaltung
detektiert und ausgewertet werden kann.
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Es
lässt sich
also festhalten, dass es vorteilhaft ist, wenn neben dem Indikatorelement
auf einer Vorrichtung zur Temperatur-Zeit-Integration (TTI) auch
passive elektronische Elemente oder Netzwerke angebracht sind. Diese
können
zur Identifizierung der Vorrichtung zur Temperatur-Zeit-Integration dienen,
aber auch eine bessere Auswertung des Indikatorelements ermöglichen.
Schließlich
kommt auch die Verwendung aktiver elektronischer Elemente in Frage.
Diese eröffnen
weitere Möglichkeiten
bezüglich
der Auswertung des Indikatorelements, der Übertragung der Informationen
und der Hinzufügung
von weiteren Informationen, allerdings ist die Verwendung aktiver
elektronischer Elemente weniger energiesparend als die Verwendung
rein passiver Elemente.
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Durch
eine geeignete Auslegung und des Indikatorelements kann der Einsatz
von fortgeschrittenen Auswerteverfahren ermöglicht werden. Weist das Indikatorelement
einen kapazitiven Charakter auf, so kann beispielsweise eine Mehrfrequenzmessung
zur elektrischen Bestimmung des Zustandes des Indikatorelements
verwendet werden. Ist ein direkter Elektrodenkontakt zu einem flüssigen Indikator gegeben,
so kann weiterhin eine cyclovoltammetrische Messmethode angewandt
werden. Sind die elektrischen Änderungen
nur schwierig messbar, so kann in diesem Falle auch eine multivariate
Auswertung verwendet werden. Hierzu ist beispielsweise eine Hauptkomponentenanalyse
verwendbar. Auch der Einsatz von neuronalen Netzen zur Auswertung ist
möglich.
Wesentlich für
die vorliegende Erfindung ist hierbei, dass die Vorrichtung zur
Temperatur-Zeit-Integration so ausgelegt ist, dass die für die Auswertung
nötigen
Größen auf
elektrischem Wege ausgelesen werden können. Eine Implementierung weiterer
Auswerteschaltungen auf der Vorrichtung zur Temperatur-Zeit-Integration
kann optional erfolgen.
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Schließlich ist
festzuhalten, dass eine drahtlose Abfragemöglichkeit, wie sei bei einer
erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur Temperatur-Zeit-Integration vorgesehen ist, insbesondere den
Erfordernissen von Warenwirtschaftssystemen entgegenkommt. Sie kann
aber auch dem einzelnen Verbraucher nützen, beispielsweise bei der
Umsetzung des Konzepts eines „intelligenten
Kühlschranks".