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Die
Erfindung betrifft ein Verbindungssystem und insbesondere ein Steckverbindungssystem
zur Übertragung
von Daten- und Energieversorgungssignalen zwischen einer Sensoreinrichtung
und einer Basiseinheit in einem Mess- und Übertragungssystem mit den im
Oberbegriff des Patentanspruches 1 angegebenen Merkmalen. Wenn dabei
von einem "Verbindungssystem" die Rede ist, so
sollen darunter alle möglichen
mechanisch und elektrisch verbind- und trennbaren Kopplungsmechanismen
gemeint sein, wobei Steckverbinder mit Steck- und Buchsenelement
natürlich
die in der Elektrotechnik gebräuchlichsten
Vertreter solcher Verbinder darstellen.
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Die
kontaktlose Übertragung
von Schaltsignalen und Wechselspannungen in Telekommunikations-
und Datenübertragungssystemen
ist beispielsweise aus der
DE
195 40 854 A1 in Form eines elektromagnetischen Mehrfachkopplers
bekannt. Die dabei verwendeten kontaktfreien und passiven Übertragungsmittel
des Mehrfachkopplers ersetzen Steckverbindungen und ermöglichen
die galvanische Trennung der elektrischen Signale zwischen beispielsweise
einem Hauptgerät
der Telekommunikations- und Datenübertragungstechnik und einem
außenliegenden
Bediengerät,
wie es beispielsweise in explosionsgefährdeten Anwendungsbereichen,
wie Treibstofflager, Erdölförderanlagen
und Erdölverarbeitungsanlagen
eingesetzt werden soll.
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Die
DE 100 55 090 A1 offenbart
ein Steckverbindungssystem zum Anschluss einer Übertragungsleitung an einen
Sensor, das ebenfalls kontaktlos arbeitet und mit einer steckerinternen
Elektronik versehen ist. Die Signal übertragung erfolgt auf induktivem
Wege, wobei das übertragene
Signal ein Versorgungsspannungs- und Messsignal in überlagerter Form
umfasst.
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Der
nächstkommende
Stand der Technik ist durch die
DE 197 19 730 C1 repräsentiert, die sich ebenfalls
mit einem Steckverbindungssystem zur kontaktlosen Übertragung
von Daten- und Energieversorgungssignalen zwischen einer Sensoreinrichtung
und einer Basiseinheit in einem Mess- und Übertragungssystem beschäftigt. Dabei
ist eine Sensoreinrichtung beispielsweise für einen Temperaturfühler mit
einem sensorseitigen Steckverbindungselement gekoppelt. Die Sensoreinrichtung
verfügt über eine
gewisse „Intelligenz", da sie einen AD-Wandler
für das
Messsignal des den Messsensor repräsentierenden Thermopaares und
eine diesem nachgeschaltete mikroprozessorgestützte Steuer- und Speichereinheit
aufweist. Im sensorseitigen Steckverbindungselement, das mit der
Sensoreinrichtung gekoppelt ist, ist eine Daten-Modulator-Demodulator-Einheit
in Kombination mit einem Energieempfänger vorgesehen, die mit einem
ersten Koppelpartnerelement einer induktiven Kopplung zur kontaktlosen Übertragung
von Daten- und Energieversorgungssignalen verbunden ist. Das zweite
Koppelpartnerelement der induktiven Kopplungsstrecke sitzt im basisseitigen
Steckverbindungselement, das daten- und energieversorgungstechnisch
an die entsprechenden Leitungen eines Bussystems angebunden ist.
In diesem basisseitigen Steckverbindungselement ist wiederum kombiniert
eine Daten-Modulator-Demodulator-Einheit mit Energiesender vorgesehen,
die über
die vom Bussystem herrührende
Primärstromversorgung
für eine
Spannungsversorgung des Sensorsystems sorgt.
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Zum
Hintergrund der Erfindung ist darauf hinzuweisen, dass derartige
Mess- und Übertragungssysteme
vielfach in rauer Industrieumgebung, wie beispielsweise in großtechnischen
chemischen Prozessanlagen, eingesetzt werden. Die Messstellen sind
dabei oftmals von der zentralen Leitwarte weit entfernt. Problematisch
für das
Prozessbedienungspersonal ist daher die Tatsache, dass vor Ort an
einer Messstelle bei Erkennen eines Fehlerzustandes oder einer Unregelmäßigkeit
keine direkte Eingriffsmöglichkeit
für das
Prozessbedienungspersonal besteht. Als Beispiel kann hier ein Kalibrationsvorgang
an einem elektrochemischen Messsensor, wie einer pH-Messsonde genannt
werden.
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Davon
ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verbindungssystem
und insbesondere ein Steckverbindungssystem zur vorzugsweise kontaktlosen Übertragung
von Daten- und Energieversorgungssignalen anzugeben, bei dem am Ort
des Verbindungssystems selbst eine Eingriffsmöglichkeit für das Prozessbedienungspersonal
besteht.
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Diese
Aufgabe wird durch die im Kennzeichnungsteil des Anspruches 1 angegebenen
Merkmale gelöst,
wonach eine Eingabeeinheit an mindestens einem der Verbindungselemente
zur Eingabe von sensorrelevanten Befehlen vorgesehen ist. Bei dieser
Eingabeeinheit kann es sich beispielsweise um einen einfachen Tastknopf
handeln, mit dem z. B. ein Startsignal für eine Kalibriervorgang der
mit dem Verbindungssystem gekoppelten elektrochemischen Sensoreinrichtung
eingebbar ist. Auch Testroutinen für die Ermittlung des Sensorzustandes
können durch
Betätigung
der Eingabeeinheit initiiert werden. Weitere Varianten für die Eingabeeinheit
können
beispielsweise ein Magnetschalter oder eine elektromagnetisch arbeitende Übertragungseinrichtung,
wie beispielsweise ein RFID-Chip oder eine IrDA-Schnittstelle sein.
Möglich
wäre auch
die Eingabe über
einen Fingerprint-Sensor. Damit wäre beispielsweise eine Nutzererkennung
bzw. Zugangsberechtigung machbar. Überdies ist dann eine lückenlose
Rückverfolgbarkeit
der Zugriffe auf das System (Stichwort Audit-Trail) gegeben.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform
kann am Verbindungssystem eine optische Anzeigeeinheit vorgesehen
sein, mittels derer eine befehlsrelevante Meldung visualisierbar
ist. Es kann sich dabei – wie
in der zeitgleich von der Anmelderin hinterlegten Patentanmeldung
mit identischem Titel „Verbindungssystem,
insbesondere Steckverbindungssystem zur Übertragung von Daten- und Energieversorgungssignalen" offenbart ist – um eine optische
Diagnose-Anzeigeeinheit zur Visualisierung von Zustandsparametern
innerhalb des Mess- und Übertragungssystems
handeln. Mit Hilfe dieser Diagnose-Anzeigeeinheit erkennt das Prozessbedienungspersonal
vor Ort, dass beispielsweise aufgrund einer durchgeführten Testroutine
eine Kalibrierung der Sensoreinrichtung notwendig wäre. Das
Personal kann dann mit Hilfe der gemäß der vorliegenden Erfindung
vorgesehenen Eingabeeinheit am Verbindungssystem direkt dem Befehl
zur Durchführung des
oben erwähnten
Kalibriervorganges geben. Die Durchführung der Kalibrierung und
deren erfolgreicher Verlauf wiederum können über die optische Anzeigeeinheit
dann in Form einer befehlsrelevanten Rückmeldung ebenfalls visualisiert
werden.
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Grundsätzlich kann
die optische Diagnose-Anzeigeeinheit auf einer oder mehreren Leuchtdioden
basieren, wobei unterschiedliche Zustandsparameter des Mess- und Übertragungssystems
durch unterschiedliche Farbgebung und/oder Blinkfrequenzen des Visualisierungssignals
anzeigbar sind. So können
auch mehrere, den Grundfarben Rot, Blau und Grün entsprechende Leuchtdioden
in der optischen Diagnose-Anzeigeeinheit vorgesehen sein. Diese
sind nach dem Prinzip der additiven Farbmischung zur Generierung
eines beliebig-farbigen Visualisierungssignals ansteuerbar.
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Bei
einer pH-Messstelle etwa könnte
die Farbe des Leuchtdiodenmoduls in Abhängigkeit von der gemessenen
Wasserstoffionenkonzentration angesteuert werden. Damit kann die
optische Diagnose-Anzeigeeinheit dem sogenannten Lackmus-Test nachempfunden
werden. Bei einem niedrigen gemessenen pH-Wert leuchtet die optische
Diagnose-Anzeigeeinheit rot, bei hohem pH-Wert blau.
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Andere
optische Anzeigen, wie beispielsweise LCD-Displays, die gegebenenfalls
Fehler- oder Statuscodes bzw. gleich Klartextmeldungen ausgeben,
sind ebenfalls einsetzbar.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
kann das Verbindungssystem zusätzlich
mit einer Schnittstelle zur drahtlosen Datenkommunikation mit einer
separaten Instanz, wie z. B. einem PDA, MDA, PC Laptop und dergleichen
ausgestattet sein. Die Schnittstelle kann als Funk- oder Infrarotschnittstelle
ausgeführt
werden, wobei die Infrarot-Übertragung
(IrDA) gegenüber
Funklösungen,
wie beispielsweise Bluetooth, signifikante Vorteile, wie einen geringeren
Energiebedarf und eine hohe Sicherheit der Datenübertragung durch den direkten
optischen Übertragungsweg
sowie einen unkomplizierten Verbindungsaufbau, zeigt. Zudem gehört eine
solche Schnittstelle heute bereits zur Grundausstattung vieler Kommunikationsgeräte.
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Weitere
Merkmale, Vorteile und Einzelheiten des Erfindungsgegenstandes ergeben
sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der ein Ausführungsbeispiel
anhand der beigefügten
Zeichnungen näher
erläutert
wird. Es zeigen:
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1 und 2 Seitenansichten
eines Steckverbindungssystems in gekoppeltem und gelöstem Zustand,
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3 ein
Blockdiagramm des internen Aufbaus des Steckverbindungssystems,
und
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4 einen
Axialschnitt eines Buchsenelements des Steckverbindungssystems.
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Das
in den 1 und 2 gezeigte Steckverbindungssystem
umfasst ein sensorseitiges Steckerelement 1, an dem direkt
eine hier schematisch röhrenförmig gezeigte
Sensoreinrichtung 2 befestigt ist. Es kann sich dabei z.
B. um eine pH-Messsonde mit Temperaturerfassung, aber auch um beliebig
andere Sensoren, wie beispielsweise eine Sauerstoff- oder Leitfähigkeits-Messsonde handeln.
Die Sensoreinrichtung 2 sitzt dabei in dem zu überwachenden Prozess.
Um die Messdaten an eine entsprechende Basiseinheit, wie beispielsweise
ein Feldbusgerät weiterzuleiten,
wird über
das erfindungsgemäße Steckverbindungssystem
eine Daten- und Versorgungsleitung 3 zum Feldbusgerät angekoppelt.
Die Datenleitung könnte
dabei auch als zweiadrige Busleitung ausgeführt sein. Mit dem Steckerelement 1 kooperiert
dabei das Buchsenelement 4, das eine dem Steckteil 5 des
Steckelements 1 formangepasste Aufnahme 6 zur
mechanischen und induktiven Kopplung zwischen Steckerelement 1 und
Buchsenelement 2 aufweist. Die hier nicht näher zu beschreibende
Verrastung zwischen dem Steckerelement 1 und dem Buchsenelement 4 wird
durch eine Lösehülse 7 entarretiert,
sodass das Steckverbindungssystem in die entkoppelte Stellung gemäß 2 verbringbar
ist.
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Aus
den 3 und 4 ist der funktionale Aufbau
des Steckverbindungssystems mit dem Steckerelement 1 und
dem Buchsenelement 4 erkennbar. So weist die Sensoreinrichtung 2 beispielsweise einen
Elementarsensor 8 zur Erfassung eines pH-Wertes und/oder
eines Redox-Potentials einer Prozessflüssigkeit und einen Elementarsensor 9 zur Erfassung
der Temperatur der Prozessflüssigkeit
auf. Beide Sensoren 8, 9 liefern jeweils ein analoges Spannungssignal,
das an den signaltechnisch angekoppelten AD-Wandler 10 in
Steckerelement gegeben wird. Letzterer ist in einen Mikrocontroller 11 integriert,
der als zentrale Steuer- und Speichereinheit für die grundsätzliche
Steuerung, die Verarbeitung von Befehls- und Messdaten und deren
Weitergabe in bekannter Weise funktional zuständig ist.
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Im
Steckerelement 1 ist ferner ein Schaltungskomplex mit Energiesignalempfänger 12 und Daten-Modulator-Demodulator-Einheit 13 sowie
ein erstes Koppelpartnerelement 14 für die induktive kontaktlose
Koppelstrecke 15 zwischen Steckerelement 1 und
Buchsenelement 4 vorgesehen.
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Das
zweite Koppelpartnerelement 16 ist kopfseitig am Buchsenelement 4 angeordnet
und steht mit einem Schaltungskomplex aus Energiesignalsender 17 und
Modulator-Demodulator-Einheit 18 in Verbindung. Analog
dem Steckerelement 1 übernimmt
auch im Buchsenelement 4 ein Mikrocontroller 19 die
zentralen Steuer- und Speicherausgaben im Zusammenhang mit der Energieversorgung
und dem Datenaustausch des Steckverbindungssystems. Letzterer erfolgt über ein
RS 485-Modem als Datenschnittstelle 20 zu einer nicht näher dargestellten
Basiseinheit, wie beispielsweise einem Profibus-Feldgerät. Schließlich ist
die gesamte Steckverbindungseinheit über eine Primärstromversorgung 21 mit
Energie versorgt. Das gesamte Steckverbindungssystem mit der Sensoreinrichtung 2 genügt den Explosionsschutzbestimmungen.
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Im
Buchsenelement 4 ist schließlich eine als Ganzes mit 22 bezeichnete
optische Diagnose-Anzeigeeinheit vorgesehen, die vom Mikrocontroller 19 angesteuert
wird und im hier gezeigten Ausführungsbeispiel
zwei Leuchtdioden 23, 24 umfasst. In noch näher zu erörternder
Weise dienen diese beiden Leuchtdioden 23, 24 zur
Visualisierung von Zustandsparametern innerhalb des Mess- und Übertragungssystems.
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Bevor
hierauf eingegangen wird, soll kurz die grundsätzliche Funktionsweise des
Steckverbindungssystems, wie sie an sich aus dem Stand der Technik
bekannt ist, umrissen werden. Ausgehend von der Sensorseite werden
die von den beiden Elementarsensoren 8, 9 gelieferten
Analogsignale im AD-Wandler 10 digitalisiert. Der Mikrocontroller 11 errechnet
die entsprechenden Messwerte und gibt diese auf das den Energiesignalempfänger 12 und
die Modulator-Demodulator-Einheit 13 realisierende Schaltungsteil
aus. Dieses setzt die Digitalinformationen über die Messwerte in eine für die Übertragung über die
induktive Koppelstrecke 15 geeignete Modulation um, wofür beispielsweise
eine Amplituden-, Frequenz- oder Phasenmodulation in Frage kommen.
Auf der Seite des Buchsenelements 4 werden die entsprechenden
Digitalinformationen von der Modulator-Demodulator-Einheit 18 herausgefiltert
und über
die Datenschnittstelle 20 und die Busleitung 3 an
ein Feldgerät
zur Weiterverarbeitung übermittelt. Der
Mikrocontroller 19 steuert dabei den Datenfluss, indem
er beispielsweise die Datenschnittstelle 20 von Empfangen
auf Senden schaltet.
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Zur
Spannungsversorgung des gesamten Steckverbindungssystems wird ausgehend
von der basisseitigen Primärstromversorgung 21 über den Mikrocontroller 19 der
Energiesignalsender 17 mit Modulator-Demodulator-Einheit 18 so
gesteuert, dass über
die Koppelstrecke 15 neben aufmodulier ten Datensignalen,
wie sie beispielsweise zur Parametrisierung der Sensoreinrichtung 2 dienen,
auch Energieversorgungssignale, also beispielsweise eine Trägerspannung übertragen
werden. Diese wird vom Energieempfänger 12 mit Modulator-Demodulator-Einheit 13 so
aufbereitet, dass daraus die gesamte Spannungsversorgung der Komponenten
im Steckerelement 1 realisiert werden kann.
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Es
ist ferner eine Diagnose-Anzeigeeinheit 22 vorgesehen,
die vom Mikrocontroller 19 gesteuert und als Statusanzeige
zur Visualisierung von Zustandsparametern direkt am Steckverbindungssystem
dient. Damit ist eine einfache Vor-Ort-Diagnose des in dem Steckverbindungssystem
vorgesehenen Messsystems möglich.
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So
kann zum einen der ordnungsgemäße Zustand
der Energieversorgung beispielsweise durch Dauerlicht der grünen Leuchtdiode 23 bzw.
ein Spannungsausfall oder eine ungenügende Energieversorgung durch
ein Ausschalten dieser LED 23 signalisiert werden. Eine
fehlerfreie Datenübertragung innerhalb
des Steckverbindungssystems über
Steckerelement 1 und Buchsenelement 4 und auch
eine fehlerfreie Datenübertragung
zwischen dem Steckverbindungssystem selbst und dem Feldgerät als übergeordneter
Basiseinheit kann durch Blinken der grünen Leuchtdiode 23 signalisiert
werden. Eine gestörte
Datenübertragung
zwischen den beschriebenen Kommunikationspartnern kann beispielsweise mittels
Dauer- oder Blinklicht der roten Leuchtdiode 24 dargestellt
werden.
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Weitere
Zustandsparameter, die visualisiert werden können, ist beispielsweise der
Sensorstatus. Dazu enthält
das Steckerelement Mittel zur Funktionsüberwachung. Bei ionensensitiven
Sensoren beispielsweise, die in der Regel aus einer hochohmigen Messelektrode
und einer relativ niederohmi gen Bezugselektrode bestehen, wird dazu
der Innenwiderstand der Elektroden gemessen, indem Testspannungen
den eigentlichen DC-Messsignalen überlagert werden. Aus der Beziehung
zwischen Ausgangsspannung und Testspannung kann die Impedanz der
hochohmigen Messelektrode bzw. der Bezugselektrode errechnet werden.
Diese Berechnung kann von den Mikrocontrollern 11 bzw. 19 im
Steckverbindungssystem selbst oder in einer gesonderten Basiseinheit,
wie dem Feldgerät,
durchgeführt
werden. Wenn der ermittelte Innenwiderstand festgelegte Grenzen über- oder
unterschreitet, ist dies ein Zeichen dafür, dass in einer der Elektroden
ein Fehler aufgetreten ist. Diese Überprüfung erfolgt in aller Regel
im Feldgerät,
das im Fehlerfall eine entsprechende Fehlermeldung generiert und
diese über
die Datenschnittstelle 20 an das Buchsenelement 4 des Steckverbindungssystems
weitergibt. Dessen Mikrocontroller 19 kann daraufhin die
rote Leuchtdiode 24 ansteuern. Unterschiedliche Fehlerursachen,
wie Störung
der Datenübertragung
oder Elektrodenfehler, können
dann durch unterschiedliche Blinkfrequenzen der Leuchtdiode 24 visuell
dargestellt werden.
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Die Überprüfung von
Fehlern und/oder Diagnosegrenzen kann auch direkt im Steckverbindungssystem über deren
Mikrocontroller 11, 19 erfolgen. Das Steckverbindungssystem
kann damit unabhängig
vom Feldgerät
Fehlermeldungen generieren und diese ebenfalls durch die Leuchtdioden 23, 24 anzeigen
lassen.
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Die
Leuchtdioden 23, 24 können ferner auch zur Übertragung
von Informationsdaten benutzt werden. Dazu wird ihre Ansteuerung
vom Mikrocontroller 19 derart vorgenommen, dass das sichtbare LED-Licht
für die
Datenübertragung
zusätzlich
moduliert ist. Als Modulation kommen wiederum eine Amplituden-,
Frequenz- oder Phasenmodulation in Frage. Mittels ei nes Zusatzgerätes können diese
Daten dann aus dem LED-Signal extrahiert und weiter ausgewertet
werden.
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Schließlich zeigt 3 im
Buchsenelement 4 noch eine separate Datenschnittstelle 25 in
Form einer IrDA-Infrarotschnittstelle.
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Anhand
von 4 ist der innere mechanische Aufbau des Buchsenelementes 4 zu
erläutern. So
ist das zweite Koppelpartnerelement 16 in Form einer angedeuteten
Induktionsspule 26 als Kern der ringförmigen Aufnahme 6 für das Steckteil 5 ausgelegt.
Bei eingestecktem Steckteil 5 kommt eine entsprechende
Ringspule im Kopf des Steckteils 5 radial außerhalb
der Induktionsspule 26 zuliegen, womit die Koppelstrecke 15 gebildet
ist.
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Die
elektronischen Komponenten des Buchsenelementes 4, wie
sie anhand von 3 erörtert wurden, sind auf einer
zentralen Leiterplatte 27 im Gehäuse 28 des Buchsenelements 4 angeordnet. Dazu
gehören
auch die beiden Leuchtdioden 23, 24, deren Lichtsignale über Fenster 29 im
Gehäuse 28 des
Buchsenelementes 4 erkennbar sind. Die Lichtleitung zwischen
den LEDs 23, 24 und dem Fenster 29 kann über nicht
näher dargestellte
Lichtleiter in Form beispielsweise Y-förmiger Kunststoffkörper verbessert
werden. Generell ist festzuhalten, dass alle lichtemittierenden
Komponenten im Buchsenelement 4 über entsprechende Fenster im
Gehäuse 28 einen Licht-
bzw. Strahlungsaustausch ermöglichen
müssen.
Beispielhaft ist in 4 strichliert ein Ringfenster 30 im
rückwärtigen Gehäuseabschnitt 31 angedeutet, über das
in alle Radialrichtungen das Licht nicht näher dargestellter Leuchtdioden
abgestrahlt werden kann.
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Wie
in den 1, 2 und 3 erkennbar
ist, weist das Buchsenelement 4 als Kern der vorliegenden
Erfindung an seinem Gehäuse 28 einen Taster 32 auf,
der mit dem Mikrocontroller 19 in Verbindung steht. Mit
Hilfe dieses Tasters 32 können die eingangs erwähnten sensorrelevanten
Befehle in das System eingegeben werden, wie beispielsweise der Befehl
zur Durchführung
einer Kalibrierung. Dieser Befehl wird über den Mikrocontroller 19 und
die Datenschnittstelle 20 an die entfernt liegende Leitwarte weitergegeben,
die dann den Kalibrierungsablauf steuern kann. Alternativ dazu,
können
auch die Mikrocontroller 19, 11 die entsprechende „Intelligenz" aufweisen, sodass
die Kalibrationssteuerung von dort aus durchgeführt wird. Der Kalibrierungsprozess kann
beispielsweise durch ein hochfrequentes Blinken der roten LED 24 visualisiert,
der erfolgreiche Abschluss der Kalibrierung durch ein hochfrequentes Blinken
der grünen
LED 23 angezeigt werden.
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Wird
die Kalibrierung über
einen Fingerprint-Sensor ausgeführt,
können
Kalibrierdaten – wie in
einer Audit-Trail-Protokollierung verlangt – personenbezogen direkt im
Stecksystem unterlegt werden. Audit-Trail ermöglicht es, genau zu prüfen, wer
wann welche Kalibration und/oder welche Fehlermeldung bearbeitet
hat. Diese Informationen können
beispielsweise von der übergeordneten
Einheit, z. B. ein Feldgerät,
angezeigt und/oder ausgewertet werden.