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TECHNISCHES
GEBIET
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Die
vorliegende Erfindung betrifft Erfassungssysteme. Spezieller betrifft
die vorliegende Erfindung sogenannte Smart-Sensoren.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Viele
Erfassungssysteme setzen ein redundantes Erfassen ein, um die Genauigkeit
und Unempfindlichkeit ihrer Messungen zu verbessern. Solche Systeme
zeichnen sich durch eine Vielzahl an im Wesentlichen identischen
Sensoren aus, die ausgebildet sind, um einen vorbestimmten Parameter
zu messen. Im Wesentlichen basiert eine Redundanz auf einer einfachen
Wiederholung der Funktionalität des
gleichen Sensortyps entweder an dem gleichen oder an verschiedenen
Orten.
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Wie
es in 1 gezeigt ist,
benötigt
jeder Sensor (Sn) in solch einem redundanten
Aufbau einen einer begrenzten Anzahl an Eingängen (In)
an einem Mikroprozessor oder einem programmierbaren Logikcontroller
(PLC) 110. Mit anderen Worten gibt es eine Eins-zu-Eins-Zuordnung
von Sensoren zu Eingabepunkten. Jeder Sensor benötigt deshalb erhebliche Prozessor-
oder PLC-Systemressourcen für Signalverarbeitungsaufgaben
wie beispielsweise ein Signalkonditionieren und -filtern, eine Analog-Digital-Wandlung (A/D-Wandlung),
Fehler- und Offset-Kompensationen, eine Linearisierung, eine Datenspeicherung
etc. Je mehr Sensoren in einer redundanten Anordnung verwendet werden,
desto mehr Prozessorressourcen sind natürlich erforderlich und werden
verbraucht.
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Bei
solchen redundanten Sensoraufbauten werden durch den Mikroprozessor
oder PLC auch eine Datenfusion und -validierung ausgeführt, wodurch
noch mehr der begrenzten Prozessorressourcen verbraucht werden und
die Gegenstand von Prozessorzyklusverzögerungen und Durchsatzbeschränkungen
sind. Es ist schwierig, einzelne Sensoren unter nur einem Paar Sensoren
zu validieren, wenn abgesehen von den Daten an den Eingängen des
Mikroprozessors oder PLC keine Informationen über die Sensoren verfügbar sind.
Einfachere, analoge Systeme können
arithmetische Mittelwertbildungstechniken einsetzen, um die Daten
von einem Paar Sensoren zu fusionieren. Unempfindlichere Systeme
setzen drei Sensoren ein und validieren einzelne Sensordaten mit
Kovarianztechniken. Natürlich benötigen, wie
erwähnt,
mehr Sensoren mehr der bereits begrenzten Eingangspunkte und Prozessorressourcen,
verbrauchen zusätzlichen
Platz und verursachen zusätzliche
Systemkosten.
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Sogenannte
Smart-Sensoren können
durch Ausführen
eines großen
Teils der Signalverarbeitung vor Ort (zum Beispiel Signalkonditionieren
und -filtern, Analog-Digital-Wandlung (A/D-Wandlung), Fehler- und
Offset-Kompensationen,
Linearisierung, Datenspeicherung) die Belastung des Mikroprozessors oder
PLC verringern, und stellen zusätzlich
eine Übertragung
und ein Puffern von Daten zu und von dem Mikroprozessor oder PLC
bereit. Während
dies die Notwendigkeit einer sehr anwenderspezifischen Nach-Verarbeitung
an dem Mikroprozessor oder PLC beseitigen kann, hat ein Aufbau redundanter
Sensoren mit solchen Smart-Sensoren immer noch bestimmte Nachteile
und erfordert eine Validierung auf Prozessor- oder PLC-Ebene. Zum Beispiel unterliegen
herkömmliche
Validierungstechniken allgemeinen Einflüssen auf die Sensoren, wie
beispielsweise Hochfrequenzstörung
(RFI) und elektromagnetische Störbeeinflussung
(EMI), und sind nicht dazu in der Lage, solche Gleichtaktprobleme
festzu stellen. Es wurde eine räumliche
Verschiedenheit redundanter Sensoren (d.h. eine Verschiedenheit
von Sensororten) bei einem Versuch eingesetzt, solche allgemeinen
Einflüsse
zu berücksichtigen.
Es wird jedoch kein praktischer Grad an räumlicher Verschiedenheit den Einfluss
von homogen verteilten allgemeinen Einflüssen 115 verringern.
Wenn allgemeine Einflüsse
konzentriert oder gebündelt
sind 120, kann eine räumliche
Verschiedenheit eine gewisse Abhilfe schaffen; eine räumliche
Verschiedenheit kann jedoch unpraktisch sein, oder sie kann andere
Messfehlerquellen einführen,
insbesondere bei räumlich
kritischen Erfassungsanwendungen wie beispielsweise Messungen von
lokalisierten Parametern, bei denen eine Verteilung der Sensoren
im Allgemeinen unerwünscht
oder unpraktisch ist oder keinen Sinn macht.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung beseitigt die Nachteile einer redundanten
Erfassung und räumlichen
Verschiedenheit. Gemäß der vorliegenden
Erfindung umfasst ein Sensoraufbau zum Messen eines vorbestimmten
Parameters eine Vielzahl an Erfassungselementen. Die Erfassungselemente
sind in einem einheitlichen Sensorpaket integriert. Jedes der Sensorelemente
arbeitet gemäß einem
einzelnen Erfassungsprinzip, um ein jeweiliges Messsignal zu liefern,
das dem vorbestimmten Parameter entspricht. Ein Signalprozessor
ist in dem einheitlichen Sensorpaket integriert und ist wirksam,
um die jeweiligen Messsignale zu fusionieren. Der Signalprozessor
ist ebenfalls wirksam, um auf der Grundlage der Messsignale, die
durch die Vielzahl an Erfassungselementen geliefert werden, ein
einzelnes Sensorausgangssignal zu liefern, das den vorbestimmten
Parameter angibt. Jedes der Erfassungselemente ist im Wesentlichen
unempfindlich gegenüber
Gleichtakteffekten aufgrund von Einflüssen, die auf alle Sensorelemente einwirken
können.
Der Signalprozessor kann auch eine Konditionierung und Validierung
der Sensorelementsignale bereitstellen.
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Gemäß einer
bevorzugten Implementierung umfasst der Signalprozessor einen Mikrocontrollerschaltkreis,
der ein Speichermedium mit einem Computerprogramm, das darin codiert
ist, umfasst. Das Computerprogramm umfasst einen Code zum Abfragen
von Erfassungselementsignalen, einen Code zum Konditionieren von
Erfassungselementsignalen, einen Code zum Validieren von Erfassungselementsignalen
und einen Code zum Fusionieren der Erfassungselementsignale, um
ein integriertes Sensorsignal bereitzustellen.
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Eine
beispielhafte Ausführungsform
einer Temperaturerfassungsanwendung umfasst zum Beispiel einen Thermistor,
ein Thermoelement und ein Pyrometer als Erfassungselemente. Vorzugsweise umfasst
das Erfassungselementkomplement ein Erfassungselement vom berührungslosen
Typ (z.B. Pyrometer, thermische Bildwandler und Verhältnisthermometer)
und ein Erfassungselement vom Berührungstyp (z.B. Thermistor,
Thermoelement und Thermosäule).
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Ein
Verfahren zum Erfassen eines vorbestimmten Parameters gemäß der vorliegenden
Erfindung umfasst, dass eine Vielzahl an Erfassungselementen in
einem integrierten Erfassungspaket bereitgestellt wird. Mindestens
zwei der Vielzahl an Erfassungselementen zeichnen sich durch Prinzipien
einer ungleichen Erfassung aus, um jeweilige Erfassungselementsignale,
die dem vorbestimmten Parameter entsprechen, zu liefern. Das Verfahren
umfasst auch ein Fusionieren der Erfassungselementsignale mit einem
Verarbeitungsschaltkreis in dem integrierten Erfassungspaket, und
kann des Weiteren ein Validieren der Erfassungselementsignale umfassen.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Es
wird nun Bezug auf die Zeichnungen genommen, die als Beispiele einer
bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, und nicht als diese beschränkend zu
verstehen sind, und in denen:
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1 ein
schematisches Blockdiagramm eines redundanten Sensorsystems ist;
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2 ein
schematisches Blockdiagramm eines Systems ist, das eine quasiredundante Smart-Erfassung
gemäß der vorliegenden
Erfindung umfasst;
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3 ein
detailliertes schematisches Blockdiagramm eines quasiredundanten
Sensors gemäß der vorliegenden
Erfindung ist; und
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4 ein
Flussdiagramm ist, das verschiedene Operationen zeigt, die durch
den quasiredundanten Sensor gemäß der vorliegenden
Erfindung ausgeführt
werden.
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BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
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Die
vorliegende Erfindung wird nun in Bezug auf 2 und 3 beschrieben,
die eine Ausführungsform
eines quasiredundanten Smart-Sensors 301 mit mehreren Elementen
in Anwendung mit einer Mikroprozessor- oder PLC-basierten Steuerung 210 zeigen.
In der Figur ist der Sensor 301 mit der Steuerung 210 über eine
Leitung 211 in Wirkverbindung gezeigt. Die Leitung 211 umfasst
ein beliebiges einer Vielzahl an geeigneten Kommunikationsmitteln,
die Kabel- oder drahtlose Verbindungen umfassen.
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Bei
Kabelverbindungen umfasst eine Datenübertragung serielle oder parallele
Daten gemäß der bestimmten
Anwendung. Zum Beispiel können
Hochgeschwindigkeitsanwendungen von einer Übertragung über einen parallelen Bus profitieren,
wohingegen bei Anwendungen, in denen eine Hochgeschwindigkeitsübertragung
nicht so entscheidend ist, eine serielle Datenübertragung ausreichen kann.
Die Steuerung 210 kann eine unabhängige Steuerung oder ein Teil
eines komplexeren Netzwerkes von zusätzlichen Controllern (nicht
separat gezeigt) sein, die über
jeden/jedes einer Vielzahl an Bussen/Netzwerken 215 kommunizieren,
die geschlossene und offene Netzwerke umfassen. Der Sensor 301 kann, obwohl
dies nicht separat gezeigt ist, auch für eine Übertragung direkt über das
Netzwerk 215 oder jedes Zwischennetzwerk oder busgestütztes Kommunikationsmittel
ausgebildet sein.
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Insbesondere
Bezug nehmend auf 3 umfasst eine Vielzahl an Sensorelementen
(S) ein erstes Sensorelement Sa, das eine
Messung eines vorbestimmten Parameters, der von Interesse ist, zum
Beispiel einer Temperatur eines vorbestimmten Ziels wie beispielsweise
eines Fahrzeugmotorblocks 307, bereitstellt. Zweite und
dritte Sensorelemente Sb und Sc liefern
ebenfalls jeweilige Messungen des gleichen vorbestimmten Parameters.
Vorzugsweise sind alle einzelnen Sensorelemente Sa,
Sb und Sc gemeinsam
in einem integrierten Paket 310 angeordnet. Das integrierte
Paket kann zum Beispiel einen einheitlichen Sensorkörper zum
Einbau und zum Betrieb auf modulare Weise umfassen. Mindestens zwei der
Vielzahl an Sensorelementen (S) zeichnen sich durch ungleiche Messprinzipien
aus. Zum Beispiel umfasst bei der vorliegenden beispielhaften Ausführungsform
für eine
Temperaturmessung das erste Sensorelement (Sa)
einen Thermistor, das zweite Sensorelement (Sb)
umfasst ein Thermoelement, und das dritte Sensorelement (Sc) umfasst ein Pyrometer. Während hier
eine Temperaturerfassung ausgewählt ist,
um die vorliegende Erfindung zu erläutern, ist die vorliegende
Erfindung auf jede Erfassung anwendbar, die nicht beschränkende Beispiele
wie Druck, Strömung,
Annäherung,
Bewegung etc. oder jegliche Varianten von diesen umfasst. Während der
Thermistor (Sa) und das Thermoelement (Sb) beide Sensoren vom Berührungstyp sind, ist das Pyrometer
(Sc) ein Sensor vom berührungslosen Typ. Der Thermistor (Sa) ist ein thermisch empfindlicher Widerstand,
der eine Änderung
des elektrischen Widerstands mit einer Änderung seiner Temperatur zeigt.
Der Widerstand kann dadurch gemessen werden, dass ein kleiner gemessener
Gleichstrom durch ihn geführt
wird und der erzeugte Spannungsabfall gemessen wird. Das Thermoelement
(Sb) umfasst ein Paar unterschiedlicher
Metalldrähte,
die an einem Ende verbunden sind, um eine Verbindungsstelle zu bilden,
die eine thermoelektrische Nettospannung zwischen den anderen Enden
entsprechend der Größe des Temperaturunterschieds
dazwischen erzeugt. Das Pyrometer (Sc) misst
die Temperatur aus dem Betrag der thermischen elektromagnetischen
Strahlung, die von einem Bereich des Ziels, das von Interesse ist,
empfangen wird. Es sei angemerkt, dass alle drei Sensorelemente
ungleiche Messprinzipien aufweisen. Vorzugsweise werden die Sensorelemente
auf im Wesentlichen verschiedene Arten durch äußere Einflüsse und Umweltfaktoren beeinträchtigt.
Während
das Thermoelement (Sb) zum Beispiel unerwünscht durch
RFI und EMI beeinträchtigt
oder beeinflusst sein kann, sind dies der Thermistor (Sa)
und das Pyrometer (Sc) im Allgemeinen nicht.
Während
der Thermistor (Sa) und das Thermoelement
(Sb) zum Beispiel zusätzlich dem thermischen Moment
des in Kontakt stehenden Ziels und ihrer eigenen inhärenten thermischen
Massen unterliegen, was zu Nachteilen bei Antwortzeiten führt, ist
das Pyrometer (Sc) von solchen Einflüssen entkoppelt
und weist eine im Wesentlichen schnellere Temperaturmessungsfähigkeit
auf. Jeder der einheitlichen Sensoren ist im Wesentlichen von dem
anderen in Bezug auf bestimmte unerwünschte Umweltfaktoren entkoppelt.
Zusätzlich kann
die ungleiche Natur der Sensorelemente auch Unter schiede der Fehlerarten
und ein ähnliches
Entkoppeln von diesen darstellen.
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Natürlich können komplexere
Varianten von einfachen Sensoren, wie beispielsweise diese, die oben
erläutert
wurden, als die Erfassungselemente gemäß der vorliegenden Erfindung
implementiert werden, wobei angemerkt sei, dass das Aufweisen von
ungleichen Messprinzipien erhalten bleiben sollte. Zum Beispiel
kann eine Thermosäule,
die eine Vielzahl an Thermoelementen umfasst, anstatt oder in Verbindung
mit einem einzelnen Thermoelement verwendet werden. Eine Vielzahl
an pyrometerbasierten Sensoren umfasst auch zweidimensionale thermische
Bildwandler und Verhältnisthermometer, von
denen jeder anstatt oder in Verbindung mit einem einfachen Pyrometer
verwendet werden kann.
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Ein
Signalprozessorschaltkreis 305 in dem integrierten Paket 310 mit
Smart-Sensoren 301 stellt ein Signalkonditionieren und
-filtern, eine Analog-Digital-Wandlung (A/D-Wandlung) (wie erfordert),
Fehler- und Offset-Kompensationen,
eine Linearisierung etc. der Vielzahl an Sensor-Signalen (S-Signalen) bereit.
Zusätzlich
können
durch den Schaltkreis 305 eine Datenspeicherung und -übertragung
und ein Puffern von Daten zu und von dem Mikroprozessor oder PLC
bereitgestellt sein. Der Schaltkreis 305 kann bei bestimmten
Anwendungen auf eine vollständig
analoge Weise implementiert sein. Der Schaltkreis 305 ist
jedoch vorzugsweise mikrocontrollerbasiert mit einem herkömmlichen
Steuer- und Logikschaltkreis, wie er durch die bestimmte Sensoranwendung
erforderlich ist, und umfasst eine CPU, Nur-Lese- und Lese-Schreib-Speichereinrichtungen, in
denen eine Vielzahl an Routinen zum Ausführen von Operationen gemäß der vorliegenden
Erfindung gespeichert sind, die Routinen für ein Signalkonditionieren
und -filtern, Fehler- und Offset-Kompensationen, eine Linearisierung
etc. der Signale von der Vielzahl an Sensoren (S) umfassen.
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Der
Schaltkreis 305 kann zum Beispiel auch einen gewöhnlichen
Eingabe/Ausgabe-Schaltkreis (I/O-Schaltkreis) mit A/D- und D/A-Wandlern,
nichtflüchtige
Speichereinrichtungen, digitale Signalprozessoren, Schaltkreise
für gemischte
Betriebsarten etc. umfassen. Wenn solche Schaltkreise prozessorbasiert
sind, können
sie anwenderspezifisch programmiert werden, um spezifische Systemanforderungen
zu erfüllen
und später
nach Bedarf neu programmiert oder wieder kalibriert zu werden.
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Unabhängige Messungen
von der Vielzahl an Sensoren (S) werden in dem Sensor validiert
und fusioniert, um eine zuverlässige
Informationsquelle für
den Controller 210 zu bieten. Solch eine verteilte Verarbeitung
erleichtert solche Verarbeitungsfunktionen von dem Controller 210 und
beseitigt vorteilhafterweise die begleitenden Durchsatzbeschränkungen
und Verzögerungen.
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4 zeigt
bestimmte beispielhafte Operationen, die vorzugsweise durch den
mikrocontrollerbasierten Schaltkreis 305 gemäß der vorliegenden
Erfindung und Anweisungssätze,
die zum Beispiel in nichtflüchtigen
Speichereinrichtungen gespeichert sind, ausgeführt werden. Obwohl die Operationen
allgemein als eine Vielzahl serieller Unteroperationen 410 bis 460 gezeigt
sind, werden Fachleute erkennen, dass sie nicht notwendigerweise
in solch einer Reihenfolge ausgeführt werden.
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Zuerst
beginnend mit Block 410 umfasst eine Sensorelement-Datenabfrage
Schritte, die notwendig sind, um die einzelnen Sensoren (Sa–Sc) auszulesen. Solche Schritte können auf
einer regelmäßigen Basis,
wie zum Beispiel über
eine herkömmliche
Timer-Interrupt-Schleife, oder über
andere unregelmäßige Interrupts,
wie beispielsweise ereignisbasierte Interrupts, ausgeführt werden.
Die Frequenz der Datenabfrage variiert gemäß Faktoren wie dem Parameter,
der erfasst wird, und dem Messprinzip des Erfassungselements. Diese
Operation kann des Weiteren ein Bereitstellen von Spannung oder
Strom für den
Sensor, zum Beispiel einen Steuerstrom für einen Thermistor, um eine
Abfrage einer sich ergebenden Spannung zu ermöglichen, umfassen. Zusätzlich würde ein
Multiplexing der verschiedenen Sensorelemente auf eine einzelne
Eingangsstufe bei einem Einsetzen eine Koordination und eine Verwaltung
an diesem Punkt erfordern.
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Block 420 stellt
das Konditionieren der Sensorelementdaten, die so abgefragt werden,
dar. Zum Beispiel wird ein Signalkonditionieren der abgefragten
Daten ausgeführt,
das ein herkömmliches "Entprellen", ein Filtern, eine
Mittelwertbildung, Fehler- und Offset-Kompensationen, eine Linearisierung, etc.
umfasst. Eine Analog-Digital-Wandlung der Daten wird auch als Teil
der Signalkonditionierung ausgeführt.
Solch eine A/D-Wandlung kann jedoch an verschiedenen Stellen bei
der Konditionierung – und sogar
der Validierung – der
erfassten Daten ausgeführt
werden, da bestimmte Operationen in den digitalen Bereichen oft
komplexer sind, und es kann bevorzugt sein, die Daten in dem analogen
Gebiet zu verarbeiten. Schließlich
ist es jedoch vorzuziehen, analoge Sensorelementdaten zu digitalisieren.
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Als
nächstes
stellt Block 430 eine Validierung der einzelnen Sensorelementdaten
dar, wobei die Intaktheit eines bestimmten Sensorelements geprüft werden
kann. Solch eine Operation kann Rationalitätsprüfungen auf der Grundlage gespeicherter
Datentabellen, neuen Sensorelementverlaufsdaten oder quasikovarianz-relativ
zu den anderen gemeinsam gepackten Sensorelementen oder echtkovarianz-relativ
zu anderen ähnlichen
Sensorelementen in einem System, das solche redundanten Sensorelemente
entweder als zusätzliche
Sensorelemente, als Teil oder getrennt von dem gleichen integrierten Paket 301 einsetzt,
umfassen.
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Die
validierten Sensordaten können
dann auf jede Vielzahl von bekannten Arten fusioniert werden, um
einen integrierten Sensorausgang zu erreichen, wie es in Block 440 gezeigt
ist. Verschiedene Fusionsprinzipien, deren Komplexität von einfach korrelativ über analytisch
bis empirisch gelernt reicht, oder Mischungen aus diesen, können verwendet werden,
um die Sensorelementdaten unter Verwendung von zum Beispiel einer
Dempster-Shafer- oder einer Bayes'schen Datenfusion zu fusionieren, und somit
Signale anzusammeln, die von verschiedenen Quellen und sogar zu
verschiedenen Zeiten abgefragt werden. Wenn es erwünscht ist,
werden an dieser Stelle nach Bedarf auch zusätzliche Ausgänge synthetisiert.
Zum Beispiel kann eine Leistungsmessung indirekt durch Messen des
Stroms durch einen und der Spannung über einen elektrischen Schaltkreis
oder ein Element und Bestimmen der elektrischen Leistung als eine
Funktion von Strom und Spannung erhalten werden.
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Block 450 stellt
als nächstes
eine Datenspeicherung dar, die einzelne Sensorelementdaten, fusionierte
und synthetisierte Sensordaten und jegliche anderen Daten, die bei
der Sensoroperation, Diagnose und Prognose verwendet werden können, umfassen
kann. Schließlich
stellt Block 460 eine Kommunikationsverwaltung und einen
Datentransfer zwischen dem Smart-Sensor 301 und der Steuerung 210 oder anderen
Bussen oder Netzwerken 215 dar.
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Die
Erfindung wurde in Bezug auf bevorzugte Ausführungsformen beschrieben, die
nur zur Erläuterung
der Erfindung und nicht zur Beschränkung beabsichtigt sind. Während die
Erfindung zum Beispiel in Bezug auf eine Fahrzeugmotortemperatur-Erfassungsanwendung
beschrieben wurde, ist sie gleichermaßen mit geeigneten Abwandlungen
auf andere Erfassungsanwendungen anwendbar.