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Die
Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Erfassung einer unzulässigen Über- oder
Unterschreitung einer einem temperatursensitiven Gegenstand zugeordneten
Maximal- oder Minimaltemperatur.
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Verschiedenartigste
Gegenstände
oder Produkte wie beispielsweise Lebensmittel oder Medikamente haben
häufig
eine zeitlich begrenzte Haltbarkeit. Diese maximale Haltbarkeitsdauer
kann im Normalfall aber nur dann ausgeschöpft werden, wenn das Produkt
nicht bei zu hoher oder niedriger Temperatur gelagert oder transportiert
wird. In diesem Zusammenhang ist es nun wichtig, zu erkennen, ob
ein Produkt stets in den verlangten klimatischen Bedingungen gelagert
und transportiert wurde, oder ob sich die Lagerungs- oder Transportbedingungen
so geändert
haben, dass das Produkt zu hohen oder niedrigen Temperaturen, die
seine Eigenschaften beeinträchtigen
können,
ausgesetzt war. Das Problem einer Erfassung der klimatischen Lagerungs-
oder Transportbedingungen stellt sich jedoch nicht nur auf dem Bereich
der Lebensmittel oder der Medikamente, sondern bei einer Vielzahl
anderer Waren auch, beispielsweise elektronischer Gerätschaften
oder dergleichen. Dabei spielt die Erfassung der Temperatur, der
das einzelne Produkt ausgesetzt ist, eine wichtige Rolle, um den
tatsächlichen
möglichen
Zustand des einzelnen Gegenstandes erfassen zu können.
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Der
Erfindung liegt damit das Problem zugrunde, eine Erfassungseinrichtung
anzugeben, die es ermöglicht,
produktindividuell einen unzulässigen Temperatureinfluss,
der produktschädigend
sein kann, auf sichere Weise zu erfassen und erkennen zu können.
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Zur
Lösung
dieses Problems ist eine Einrichtung der eingangs genannten Art
vorgesehen, die am Gegenstand anzubringen ist und ein elektronisch auslesbares
Speicherelement, insbesondere einen RFID-Chip, mit wenigstens einer
Speicherzelle sowie einen der Speicherzelle zugeordneten temperatursensitiven
Sensor aufweist, welcher Sensor bei einer unzulässigen Über- oder Unterschreitung einer sensorspezifischen
Solltemperatur eine irreversible Zustandsänderung erfährt, wobei der auslesbare Speicherzelleninhalt
in Abhängigkeit
des Sensorzustands variiert.
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Zur
individuellen Temperaturüberwachung wird
die erfindungsgemäße Einrichtung
zunächst
am zu überwachenden
Gegenstand, sei es ein Lebensmittel, ein Medikament oder dergleichen,
angebracht, so dass kontinuierlich und unmittelbar am Gegenstand
die Temperaturkontrolle erfolgt. Zum Auslesen einer etwaigen, eine
unzulässige
Temperaturüberschreitung
oder -unterschreitung anzeigenden Information nutzt die erfindungsgemäße Einrichtung
ein Speicherelement, zweckmäßigerweise
einen RFID-Chip, der als bekanntes Element ein Informationsträger ist,
dessen gespeicherte Information im Bedarfsfall über ein Lesegerät ausgelesen
werden kann. Dabei sind RFID-Chips mit einer eigenen integrierten
Leistungsversorgung bekannt, die den Sendebetrieb im Lesefall ermöglicht.
Alternativ sind auch RFID-Chips bekannt, die einen entsprechenden Schwingkreis
aufweisen, in den von außen über das Lesegerät Energie
induziert werden kann, die dem Übertragungsbetrieb
dient. Auch andere Speicherelemente sind grundsätzlich verwendbar, wenngleich im
Folgenden exemplarisch ein RFID-Chip beschrieben wird.
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Ein
solcher RFID-Chip weist üblicherweise einen
Speicher mit einer Vielzahl separater Speicherzellen auf, in die
unterschiedlichste Produktinformationen wie Seriennummer, Herstellungsdatum
etc. eingespeichert sind. Eine einzige einer solchen Speicherzelle
wird nun erfindungsgemäß als Informationszelle
betreffend den bezogen auf die thermische Vergangenheit des Produktes
gegebenen Produktzustand verwendet. Dieser Speicherzelle zugeordnet ist
ein temperatursensitiver Sensor, dem eine produktspezifische Maximal-
oder Minimaltemperatur zugeordnet ist. Handelt es sich bei dem Produkt
beispielsweise um ein Medikament, das eine bestimmte Temperatur
nicht überschreiten
darf, so ist dem temperatursensitiven Sensor eine Maximaltemperatur, die
eben dieser Temperatur entspricht, zugeordnet. Der temperatursensitive
Sensor ändert
nun irreversibel seinen Zustand, wenn die Maximaltemperatur durch
die Umgebungstemperatur, der das Produkt ausgesetzt ist, überschritten
wird. Der Sensorzustand ist das definierende Kriterium für den Speicherzelleninhalt,
also die Information in der einen zugeordneten Speicherzelle oder
dem gegebenenfalls aus mehreren Zellen bestehenden Speicherabschnitt.
Wird beispielsweise die Maximaltemperatur nicht überschritten, ist also die
thermische Kette nicht unzulässigerweise
unterbrochen worden, so ist in der Speicherzelle beispielsweise
eine „0" eingeschrieben,
was beim Auslesen über
ein Lesegerät
sofort erfasst werden kann, das Produkt ist also „thermisch einwandfrei". Bei einer Überschreitung
und einer irreversiblen Sensorzustandsänderung ist in der Speicherzelle
beispielsweise eine „1" eingeschrieben, was über das
Lesegerät
erfasst werden kann und das Produkt dann beispielsweise ausgesondert
werden kann, nachdem seine Qualität nicht mehr sichergestellt
ist. Unter dem Begriff „Speicherzelle" ist grundsätzlich ein
Speicherbereich oder Speicherabschnitt zu verstehen, in dem eine
erfindungsgemäß relevante
Information, in welcher Form oder Struktur auch immer, abgespeichert
ist.
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Die
erfindungsgemäße Einrichtung
lässt damit
wie beschrieben eine unmittelbar am einzelnen Produkt oder dem einzelnen
Gegenstand erfolgende Temperaturüberwachung
auch auf lange Zeit hin zu. Die Verwendung eines RFID-Chips als
eines der zentralen Einrichtungselemente bietet die Möglichkeit zum
einfachen Informations- bzw. Datenaustausch und nutzt eine hinlänglich bekannte
Technik. Der temperatursensitive Sensor schließlich, dessen Zustand erfindungsgemäß temperaturabhängig ist
und sich mit der Temperatur irreversibel ändert, lässt darüber hinaus die sehr sichere
exakte Erfassung einer unzulässigen Temperaturbeeinflussung
zu. Eine aufwändige
Datenerfassung über
die tatsächlich
gemessenen Temperaturen, Messzeitpunkte etc. ist mit dem erfindungsgemäßen Sensor
nicht erforderlich, vielmehr kommt es für eine sichere Qualitätserfassung
allein darauf an, dass eben eine unzulässige Temperaturüber- oder
-unterschreitung erfolgt ist, weshalb ein derart einfach ausgeführtes und
in seinem Zustand nicht mehr variierbares bzw. manipulierbares Sensorelement
zum Einsatz kommt.
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Zentrales
Element ist wie oben ausgeführt der
temperatursensitive Sensor, der eine irreversible Zustandsänderung
in Abhängigkeit
der tatsächlich herrschenden
Temperatur erfahren kann. Hier sind unterschiedliche Sensorausgestaltungen
denkbar. Nach einer ersten Erfindungsalternative kann der Sensor
bei einer Über-
oder Unterschreitung der sensorspezifischen Solltemperatur irreversibel
zerstört werden,
das heißt,
es erfolgt eine mechanische Sensorzerstörung, die den letztendlich
in die eine oder die mehreren Speicherzellen eingeschriebenen Speicherinhalt
definiert. Bei dieser Erfindungsausgestaltung wird also der Sensor,
der beispielsweise die Form eines sehr dünnen elektrischen Leiters aufweist,
der mit dem Speicher oder direkt der Speicherzelle gekoppelt ist,
mit Überschreiten
der zugeordneten Soll-Temperatur irreversibel zerstört und mithin die
Leitungsverbindung unterbrochen. Eine Alternative ist darin gegeben,
dass der Sensor bei Überschreiten
der sensorspezifischen Solltemperatur seine elektrische Leitfähigkeit ändert und
es beispielsweise zu einer extremen Widerstandserhöhung kommt.
Die Leitereigenschaften ändern
sich also von gut leitend bei Temperaturen unterhalb der Solltemperatur
bis hin zu extrem schlecht leitend bei Überschreiten der Temperatur,
wobei der Übergang
zwischen den unterschiedlichen Leitfähigkeits- bzw. Widerstandszuständen an
der Solltemperaturschwelle sehr scharf ist.
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Unabhängig von
der Ausgestaltung des Sensors hinsichtlich seiner irreversiblen
Zustandsveränderbarkeit
weist der Sensor zweckmäßigerweise
einen in eine temperatursensitiven Masse eingebetteten Leiter auf,
welche Masse bei einer Über-
oder Unterschreitung der Solltemperatur einen Phasenwechsel vornimmt,
wobei der Leiter freigelegt wird, womit die Zustandsänderung
einhergeht. Nach dieser Erfindungsausgestaltung ist also der Sensor
bzw. dessen Leiter in einer Masse gekapselt. Die Masse ist eine solche,
die einen Phasenwechsel vornehmen kann, wobei dieser Phasenwechsel
bei der Solltemperatur eintritt. Dieser Phasenwechsel erfolgt beispielsweise von
fest zu flüssig.
wird beispielsweise bei einem keiner hohen Temperatur aussetzbaren
Produkt die zugeordnete Maximaltemperatur überschritten, so entspricht
diese Maximaltemperatur der zugeordneten Sensor-Solltemperatur.
Mit Erreichen der Solltemperatur setzt der Phasenwechsel ein, die
Masse ändert ihren
Zustand von fest zu flüssig
und gibt dabei den Leiter frei. Mit dem Freilegen des Leiters setzt
dann umgehend auch die Zustandsänderung
ein, die wie vorstehend beschrieben in unterschiedlicher Weise erfolgen
kann. Als eine solche Masse sind unterschiedlichste Massen denkbar,
wie beispielsweise ein Wachs, das bei einer bestimmten Solltemperatur von
seinem ausgehärteten
Zustand in einen flüssigen
Zustand übergeht.
Denkbar ist auch die Verwendung von Wasser zur Erfassung einer 0°C-Überschreitung,
wobei hier das Wasser bei Überschreiten der
0°-Grenze
schmilzt. Zur Erfassung niedrigerer Temperaturen unter 0°C sind Wasser-Salz-Gemische
als Masse denkbar. Für
die Erfassung sehr tiefer Temperaturen von –70°C wären auch kristalliner Stickstoff,
der bei einer Überschreitung
der zugeordneten Solltemperatur verdampft, verwendbar. Für die Überwachung
hoher Temperaturen oberhalb von 50°C ist beispielsweise Bitumen
verwendbar, der ebenfalls einen Phasenwechsel von fest nach flüssig vornimmt.
Diese Aufzählung
ist nicht abschließend, selbstverständlich sind
auch unterschiedlichste andere Phasenwechselmassen verwendbar, die
hinreichend scharfe Phasenwechseltemperaturen aufweisen, so dass
mit Erreichen bzw. Über-
bzw. Unterschreiten der zugeordneten Solltemperatur auch sicher
der Phasenwechsel und damit die Zustandsänderung erfolgt.
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Wie
bereits beschrieben, ist eine Möglichkeit einer
irreversiblen Zuständsänderung
die der Leiterzerstörung.
Dabei kann in einem solchen Fall die Masse den Leiter mechanisch
stabilisieren, welcher Leiter nach dem Freilegen, wenn also die
Masse beispielsweise aufgeschmolzen ist, stabilitätsbedingt reißt. Dieses
Reißen
kann noch durch ein den Leiter mechanisch belastendes Gewicht unterstützt werden,
welches Gewicht bzw. welche Kraft bei „intakter" stabilisierender Masse von dieser kompensiert
ist, jedoch bei Aufschmelzen der Masse auf den Leiter wirkt und
diesen zerbricht.
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Alternativ
zur mechanischen Zerstörung steht
wie beschrieben die Leitfähigkeitsänderung.
In einem solchen Fall ist der Leiter zweckmäßigerweise samt Masse in einer
gasgefüllten
Umhüllung
angeordnet, wobei das Gas mit dem freigelegten Leiter unter Änderung
seines Zustands reagiert. Wird also der Leiter mit Aufschmelzen
der „isolierenden" Masse freigelegt,
so wird er der aggressiven Gasumgebung ausgesetzt, welches Gas unmittelbar
mit dem Leiter reagiert, so dass dieser eine chemisch induzierte
Widerstandsänderung
erfährt.
Je nach verwendetem Leitermaterial ist natürlich ein entsprechendes, aggressives
Gas zu verwenden, das die erforderliche Reaktion einleitet.
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Alternativ
zur Verwendung eines besonderen Gases als Reaktionspartner für den Leiter
ist es natürlich
auch denkbar, den Leiter aus einem Material zu fertigen, das bei
Freilegen des Leiters unter Änderung
seines Zustands, also seiner elektrischen Leitfähigkeit, mit der Umgebungslust
reagiert. Hier ist also der Leiter über die „intakte" Masse gegenüber der Umgebungsluft isoliert.
Mit Freilegen des Leiters kommt das metallische Leitermaterial mit
der Luft in Kontakt und reagiert mit dem Luftsauerstoff, so dass es
auch in diesem Fall zu einer chemischen Widerstandsänderung
kommt. Als ein solches Material wäre beispielsweise Natrium denkbar,
das sehr aggressiv mit Luftsauerstoff reagiert.
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Mitunter
ist eine nur sehr kurzzeitige Überschreitung
der zugeordneten Maximaltemperatur bzw. Unterschreitung der zugeordneten
Minimaltemperatur für
das Produkt nicht schädlich.
Das heißt, dass
auch der Sensor bzw. die Einrichtung eine ge wisse Trägheit aufweisen
sollte, damit nicht jede noch so kurze Über- oder Unterschreitung sofort
zu einem entsprechenden Eintrag in den Speicher bzw. die Speicherzelle
führt,
wenngleich die Zeitdauer der Temperaturänderung in keinem Fall schädlich für die Produkteigenschaften
oder die Produktqualität
war. Zu diesem Zweck ist vorteilhaft die Menge der den Leiter einbettenden
Masse derart gewählt,
dass bis zum Freilegen des Leiters eine definierte Zeit vergeht.
Die Menge der den Leiter umgebenden Masse wird also so gewählt, dass
es je nach tatsächlich
gegebener Umgebungstemperatur eine bestimmte Zeit dauert, bis die
Masse den Phasenwechsel vornimmt bzw. dieser unter Freilegen des
Leiters abgeschlossen hat. Ist der Leiter, beispielsweise ein sehr
feines Golddrähtchen,
in einer Wachshülle
eingebettet, so kann je nach Durchmesser dieser Wachshülle die Zeitspanne,
die bei einer gegebenen Umgebungstemperatur bis zum Aufschmelzen
und Freilegen des Leiters vergeht, variiert werden. Denn eine dicke
Umhüllung
braucht zwangsläufig
länger
zum Aufschmelzen und Freilegen des Leiters als eine dünne Umhüllung, bezogen
auf dieselbe Temperatur. Je höher
die Umgebungstemperatur ist, um so schneller schmilzt natürlich die
jeweilige Umhüllung
auf, so dass auch deutliche Maximaltemperaturüberschreitungen zu einem gegenüber geringen
Temperaturüberschreitungen
frühzeitigen
Einschreiben einer entsprechenden Information in den Speicher bzw.
die Speicherzelle führt.
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Eine
alternative Sensorausführung
zu der oben beschriebenen, eine den Leiter umhüllende Masse aufweisenden Ausgestaltung
sieht demgegenüber
vor, dass der Sensor einen Leiter mit einem Leiterabschnitt aus
einer Formgedächtnislegierung aufweist,
die bei einem temperaturbedingten Formwechsel bei Erreichen der
Solltemperatur den Leiter öffnet.
Hier macht man sich den Formgedächtnis- oder
Memory-Effekt verschiedener Metalle zu Nutze. Solche Metalle zeigen üblicherweise
einen Ein-Weg-Effekt, der dadurch bedingt ist, dass bei einem Überschreiten
einer Phasenwechseltemperatur ein Übergang von einem Martensit-Gefüge in ein Austenit-Gefüge einsetzt
und der Leiter eine ihm aufgeprägte
Form einnimmt. Diesen Effekt nutzt diese Erfindungsausgestaltung
dahingehend, dass mit dem Einnehmen dieser aufgeprägten Form
durch den thermisch induzierten Phasenwechsel der Sensorleiter geöffnet wird
und es mithin zum entsprechenden Eintrag der Speicherinformation
kommt. Dieser Effekt ist irreversibel, nachdem eine Rückstellkraft
zum erneuten Schließen
des Leiters nicht vorhanden ist.
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Weitere
Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus
den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der
Zeichnungen. Dabei zeigen:
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1 eine
Prinzipdarstellung eines eine erfindungsgemäße Einrichtung aufweisenden
Gegenstands nebst Leseeinrichtung für die erfindungsgemäße Überwachungseinrichtung,
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2 eine
vergrößerte Prinzipdarstellung der
zentralen Komponenten der erfindungsgemäßen Einrichtung,
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3 eine
erste Ausführungsform
eines temperatursensitiven Sensors,
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4 eine
zweite Ausführungsform
eines temperatursensitiven Sensors,
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5 eine
dritte Ausführungsform
eines temperatursensitiven Sensors, und
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6 eine
vierte Ausführungsform
eines temperatursensitiven Sensors.
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1 zeigt
eine erfindungsgemäße Einrichtung 1,
die an einem Gegenstand 2, hier beispielsweise ein Medikament,
das in einem Medikamentenröhrchen
eingebracht ist, angeordnet ist. Bei der Einrichtung 1 handelt
es sich um ein Speicherelement in Form eines RFID-Chips, der über eine
Leseeinrichtung 3 elektronisch auslesbare Informationen
eingespeichert hat, die unterschiedlichster Natur sein können. Bei
diesen kann es sich um Produktinformationen wie beispielsweise eine
Seriennummer, ein Herstellungsdatum, eine Chargennummer etc. handeln. Eben
diese Eigenschaften kann der RFID-Chip der erfindungsgemäßen Einrichtung
gleichermaßen
aufweisen, zentral ist jedoch, dass der RFID-Chip Teil einer Temperaturerfassungseinrichtung
ist, worauf nachfolgend in Verbindung mit 2 eingegangen wird.
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2 zeigt
die erfindungsgemäße Einrichtung 1 in
Form einer detaillierteren Prinzipdarstellung, wobei hier selbstverständlich nur
die wesentlichen Komponenten dargestellt sind. Gezeigt ist zum einen
der RFID-Chip 4, bestehend aus dem Steuer- und Speicherteil 5,
einem zugeordneten elektromagnetischen Schwingkreis 6 sowie
einer Antenne 7. Der Steuer- und Speicherabschnitt 5 weist
im gezeigten Beispiel eine Vielzahl separater Speicherzellen 8 auf, von
denen hier exemplarisch nur einige wenige dargestellt sind. In diesen
ist beispielsweise die Seriennummer oder eine sonstige zu übertragende
Information eingespeichert. Der Schwingkreis 6 dient zur Energieerzeugung,
die benötigt
wird, um die gewünschten
Informationen über
die Antenne 7 auszusenden. Über ein äußeres elektromagnetisches Wechselfeld
wird der Schwingkreis 6 in Resonanz gebracht. Die dabei
aufgenommene bzw. erzeugte Energie wird benutzt, um einen mit dem
Inhalt der Speicherzellen 8 modulierten HF-Puls über die
Antenne 7 auszusenden. Dieses Wechselfeld kann über die
in 1 gezeigte Leseeinrichtung 3 erzeugt
werden, die gleichzeitig zum Empfang der ausgesendeten Speicherinformation
dient und die diese Speicherinformation an eine Auswerteeinrichtung
weiterleitet. Der grundsätzliche
Aufbau eines solchen RFID-Chips ist hinlänglich bekannt.
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Der
hier erfindungsgemäß verwendete RFID-Chip 4 weist
ferner eine weitere Speicherzelle 9 auf, deren Speicherinhalt
ausschließlich
dazu dient, anzugeben, ob die Einrichtung 1 und mit ihr
der zugeordnete Gegenstand, an dem sie unmittelbar angeordnet ist,
hier also beispielsweise das Medikament 2, einer unzulässig hohen
Temperatur ausgesetzt wurde, so dass die Gefahr einer temperaturbedingten
Eigenschafts- oder Qualitätsbeeinflussung des
Produktes gegeben sein kann. Um die Temperaturerfassung zu ermöglichen
und gleichzeitig erfassungsbedingt den Speicherzelleninhalt der
Speicherzelle 9 entsprechend einzustellen, ist ein temperatursensitiver
Sensor 10 vorgesehen, der in dem zweiten gestrichelten
Kästchen über den
exemplarisch als Schalter 11 dargestellten Teil gezeigt
ist. Der Sensor 10 ist mit dem Steuer- und Speicherteil 5 gekoppelt, gegebenenfalls
direkt mit der Temperatur-Speicherzelle 9. Der Sensor 10 ist
temperatursensitiv, ihm ist eine sensorspezifische Solltemperatur
zugeordnet, die der zulässigen
maximalen Produkttemperatur entspricht oder bezogen auf diese definiert
wurde. Über
den Sensor bzw. sein Erfassungsergebnis wird nun der Inhalt der
Speicherzelle 9 entsprechend programmiert.
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Die
Funktionsweise des Sensors 10 ist derart, dass er – nachdem
er in gleicher Weise der Umgebungstemperatur ausgesetzt ist wie
alle anderen Komponenten bzw. das Produkt selbst – in Abhängigkeit
der herrschenden Umgebungstemperatur bei einem im Beispielsfall
angenommenen Überschreiten der
sensorspezifischen Solltemperatur eine Zustandsänderung erfährt. Diese Zustandsänderung
ist das auslösende
Moment für
eine Änderung
des Speicherzelleninhalts der Speicherzelle 9. Denn die
Zuständsänderung
zeigt an, dass eine unzulässig
hohe Umgebungstemperatur gegeben ist, die sich nachteilig auf das
Produkt auswirken kann. Infolgedessen muss eine entsprechende Information
in die Speicherzelle 9 eingeschrieben werden, die über das
Lesegerät 3 erfassbar
ist. Beispielsweise sei angenommen, dass bei einer Temperatur unterhalb
der sensorspezifischen Solltemperatur in der Speicherzelle eine „0" eingeschrieben ist,
das Produkt ist also thermisch gesehen „unbelastet", was in 1 mit
dem „+" dargestellt ist.
Erfährt
der Sensor 10 eine temperaturbedingte Zustandsänderung,
so wird eine „1" in die Speicherzelle 9 eingeschrieben
bzw. ist eine solche Speicherinformation auslesbar, das Produkt
ist thermisch belastet, wie in 1 durch
das zugeordnete Symbol „-" darge stellt ist.
Der Anwender kann also anhand der Speicherzelleninformation sofort
erkennen, ob das Produkt thermisch belastet ist, mithin also qualitativ
möglicherweise
beeinflusst und minderwertig ist, und folglich auszusortieren oder
für den menschlichen
Verzehr nicht mehr geeignet ist, oder nicht.
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Die
Zustandsänderung
des Sensors 10 ist irreversibel, das heißt, der
temperaturbedingt eingenommene Zustand kehrt sich bei einem erneuten
Abkühlen
nicht wieder um. Daraus resultiert zwangsläufig auch, dass der Speicherzelleninhalt
der Speicherzelle 9, einmal infolge der Temperaturüberschreitung auf „1" gesetzt, auch remanent
gespeichert bleibt, mithin also ebenfalls irreversibel und damit
unmanipulierbar ist. Für
den Anwender bedeutet dies folglich ein Höchstmaß an Sicherheit, da er auf
diese Weise exakt und unmanipulierbar Kenntnis darüber erhält, ob die
Temperaturkette, beispielsweise eine Kühlkette oder dergleichen, zu
irgendeinem Zeitpunkt seit Aufbringen der Einrichtung 1 unterbrochen
wurde oder nicht. Dabei ist der Steuer- und Speicherteil 5 des
in 2 gezeigten RFID-Chips 4 sehr einfach konzeptioniert,
es ist lediglich eine Speicherzelle 9 hierfür vorgesehen.
Selbstverständlich
wäre es
auch denkbar, zwei oder mehr Speicherzellen als Redundanzen vorzusehen.
Auf eine Speicherung des Erfassungszeitpunkts der beispielsweise
unzulässigen Temperaturüberschreitung
kommt es nicht zwingend an, nachdem diese Information für den Anwender, der
letztlich nur Sicherheit über
die Produktqualität haben
möchte,
nicht von allzu hoher Bedeutung ist. Selbstverständlich wäre es aber auch denkbar, dem RFID-Chip
ein entsprechendes Zeitglied zuzuordnen, das auch die Erfassung
und Abspeicherung des Zeitpunkts, zu dem der Sensor 10 einen
unzulässigen
Temperaturgang sensiert, in einen entsprechenden Speicherbereich
im Steuer- und Speicherteil 5 einspeichert.
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Wie
beschrieben ist der Sensor temperatursensitiv und vollzieht im Bereich
der zugeordneten Solltemperatur eine irreversible Zustandsänderung. Diese
Zustandsänderung
kann unterschiedlicher Natur sein, sie kann einerseits eine rein
mecha nische Zustandsänderung
sein, alternativ ist auch eine elektrische Zustandsänderung
denkbar. Verschiedene Ausgestaltungen eines Sensors sind in den
Prinzipskizzen gemäß den 3 bis 5 dargestellt.
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3 zeigt
einen ersten Sensor 10, bestehend aus einem Leiter 12,
der in eine Leitung 13, die zum Steuer- und Speicherteil 5 führt, geschaltet
ist. Bei dem Leiter 12 handelt es sich beispielsweise um einen
sehr dünnen,
im Rahmen eines aus dem Bereich der Chip-Herstellung bekannten Bonding-Verfahrens
angebondeten Golddraht, der extrem dünn ist. Die Drahtdicke kann
beispielsweise durch ein Abheizen des angebondeten Leiters mittels
eines Lasers oder eines darüber
geführten
Stroms oder dergleichen eingestellt werden. Der Leiter 12 ist
so dünn, dass
er zwar noch elektrisch leitend ist, mithin also eine dauerhafte
elektrische Leitung bzw. signaltragende Verbindung zur Speicherzelle 9 gegeben
ist, gleichwohl ist er jedoch mechanisch instabil. Der Leiter 12 ist
in einer Masse 14 aufgenommen bzw. vollständig in
diese eingebettet. Diese Masse 14 ist in einem festen Zustand,
stabilisiert also den mechanisch instabilen Leiter 12.
Die Masse 14, bei der es sich beispielsweise um ein ebenfalls
temperatursensitives Wachs oder dergleichen handeln kann, vollzieht
bei einer bestimmten Temperatur einen Phasenwechsel, sie ändert dabei
den Zustand von fest (mechanisch stabilisierend) auf flüssig, tropft
also ab und legt den Leiter 12 frei. Diese Phasenwechseltemperatur
entspricht der sensorspezifischen Solltemperatur. In 3 links
gezeigt ist in Form der Prinzipskizze der Zustand, in welchem, die
Masse 14 den Leiter 12 vollständig einhüllt und umgibt, mithin also
mechanisch stabilisiert. Erhöht
sich also nun die Temperatur T über
die Solltemperatur TS, so beginnt mit Übersteigen
der Solltemperatur TS die Masse 14 aufzuschmelzen.
Sie tropft ab und legt dabei den Leiter 12 frei. Der Leiter 12 wird
mit zunehmender Abtropfmenge immer weniger von der Masse 14 fixiert
und stabilisiert, bis ein Zustand erreicht ist, in dem er weitestgehend
freiliegt und aufgrund seiner Instabilität sich verformt und dabei reißt. Dieser
Zustand ist in 3 rechts dargestellt, wobei unterhalb
des Leiters die aufgeschmolzene, abgetropfte Masse 14 dargestellt ist,
während
der Leiter 12 zerrissen ist. Zur Beschleunigung des Zerreißens ist
im gezeigten Beispiel am Leiter 12 ein Gewicht 15 vorgesehen,
bei dem es sich beispielsweise um eine lokale Leiterverdickung handeln
kann, welches Gewicht den Leiter hier in seiner Mitte mechanisch
belastet, so dass sein Zerreißen auch
in jedem Fall sichergestellt ist.
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Diese
Zustandsänderung
ist ersichtlich irreversibel, denn selbst bei einem erneuten Sinken
der Temperatur unter die Solltemperatur TS bleibt
trotz wieder in den festen Zustand übergehender Masse 14 der
Leiter 12 zerrissen und mithin die Verbindung zur Speicherzelle 9 geöffnet. Mit
dem Öffnen
dieser Verbindung korreliert auch eine Änderung des Speicherinhalts
der Speicherzelle 9 von der ursprünglich eingeschriebenen „0" in eine „1".
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Ersichtlich
dauert es eine gewisse Zeit, bis die Masse 14 soweit abgeschmolzen
ist, dass der instabile Leiter 12 zerreißt, wobei
an dieser Stelle darauf hinzuweisen ist, dass es sich bei der Menge
der Masse 14 um eine minimale geringste Menge handelt,
auch der Leiter 12 selbst ist mikroskopisch klein, nachdem
die gesamte Einheit in die extrem kleine Einrichtung 1 (die
in 1 natürlich
auch nicht maßstabsgetreu
dargestellt ist) integriert werden soll. Das heißt, der Sensor 10 weist
eine gewisse Trägheit
auf, bis er tatsächlich
die Zustandsänderung
vollzieht. Diese Trägheit
kann nun genutzt werden, um der Speicherprogrammierung eine Zeitkomponente
zu verleihen. Denn nicht jede Überschreitung
der Solltemperatur muss zwangsläufig
zu einer Qualitäts- oder
Eigenschaftsänderung
des Produkts führen. Eine
sehr kurzzeitige Überschreitung
kann durchaus unproblematisch sein. Dem kann über die Menge der Masse 14 Rechnung
getragen werden. Je nachdem, wie viel Masse 14 vorgesehen
ist, kann es mehr oder weniger lange dauern, bis diese aufgeschmolzen
ist und die mechanische Instabilität des Leiters 12 zum Zerreißen desselben
führt.
Dies kann letztlich auch durch die Wahl des Masse materials variiert
werden. In jedem Fall besteht auf diese Weise die Möglichkeit einer
gewissen produktspezifischen Anpassbarkeit eines zulässigen Zeitintervalls
für eine
Temperaturüberschreitung
ohne Speicherzellenveränderung.
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4 zeigt
eine weitere Ausgestaltung eines Sensors 10. Auch hier
ist in eine Leitungsverbindung 13 ein Leiter 12 geschaltet,
auch hier beispielsweise ein extrem dünnes, gebondetes Golddrähtchen.
Der Leiter 12 ist wiederum in einer ihn vollständig einhüllenden
Masse 14 eingebettet. Die Masse 14 wiederum ist
in einer sie vollständig
kapselnden Umhüllung 16 aufgenommen,
die mit einem extrem reaktiven Gas 17 gefüllt ist,
welches Gas sofort mit dem Leiter 12 chemisch reagiert,
sofern dieser freigelegt ist.
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Steigt
nun die Temperatur T wieder über
die Solltemperatur TS, die hier wieder der
Phasenwechseltemperatur der Masse 14 entspricht, so beginnt die
Masse 14 abzuschmelzen. Sobald der Leiter 12 an
einer Stelle freigelegt ist, siehe 4 rechts, kommt
seine Oberfläche
in Kontakt mit dem hoch reaktiven Gas 17. An dieser Stelle
findet also eine chemische Reaktion statt, die dazu führt, dass
sich dort lokal die elektrischen Eigenschaften des Leiters 12 ändern, dieser
wird lokal sehr hochohmig infolge der Erzeugung der chemischen Reaktionsprodukte,
die die Leitereigenschaften ändern.
Dies ist durch das in 4 rechts gezeigte Widerstandssymbol 18 dargestellt.
Aus dem vormals extrem guten Leiter 12 wird nun infolge
der temperaturbedingten Zustandsänderung
ein extrem schlechter Leiter, mithin also ein Widerstand. Diese
Widerstandsänderung
ist das auslösende
Moment für
eine Änderung
des Inhalts der Speicherzelle 9, die die unzulässige Temperaturüberschreitung
wiederum anzeigt. Die verwendete Kombination Leitermaterial – Gas ist
selbstverständlich
so aufeinander abgestimmt, dass sich in sehr kurzer Zeit entsprechende
widerstandserhöhende
Reaktionsprodukte am Leiter ergeben und mithin die Zustandsänderung
sehr schnell vonstatten geht.
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5 zeigt
eine dritte Ausführungsform
eines Sensors 10, auch hier wiederum umfassend einen sehr
dünnen
Leiter 12, der in eine Leitungsverbindung 13 geschaltet
ist, und der auch hier von einer Masse 14 umhüllt ist.
Der Leiter 12 besteht hier aus einem Material, das extrem
reaktiv auf Umgebungsluft reagiert und bei Kontakt mit derselben
eine Änderung
der elektrischen Leitfähigkeit über die
erzeugten Reaktionsprodukte, also auch hier eine deutliche Widerstandserhöhung eintritt.
Ein solches Material wäre beispielsweise
Natrium. Steigt die Temperatur T über die Solltemperatur TS, die auch hier wiederum der Phasenübergangstemperatur
der Masse 14 entspricht, so schmilzt diese wiederum ab,
bis der Leiter 12 an einer Stelle freigelegt ist und in
Kontakt mit der Umgebungsluft 19 bzw. dem Luftsauerstoff
kommt. An genau dieser Position findet wiederum eine chemische Reaktion
unter Erzeugung von Reaktionsprodukten, die widerstandserhöhend sind,
statt, so dass auch hier aus dem vormals guten Leiter 12 ein schlechter
Leiter mit hohem Widerstand wird, welche Zustandsänderung
das auslösende
Moment für
eine Änderung
der Speicherzelleninformation ist. Das Funktionsprinzip des in 5 gezeigten
Sensors ist also das gleiche wie das des Sensors 10, jedoch kommt
hier keine separate Umhüllung
und kein besonderes reaktives Gas zum Einsatz.
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6 zeigt
schließlich
eine weitere Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Sensors 10, der
auch hier wiederum in eine Leitungsverbindung eingeschaltet ist.
Der Sensor 10 besteht aus einem Leiterabschnitt 20 aus
einem Formgedächtnismetall (Memorymetall).
Ein solches Metall wird häufig
für Stellaufgaben
verwendet. Diese Materialien zeichnen sich dadurch aus, dass sie
in Abhängigkeit
ihrer Temperatur die Form ändern
können.
Man erreicht dies dadurch, dass man ihnen durch geeignete Formglühung eine
Vorzugsrichtung aufprägt,
in welcher sich die Körner
bei der temperaturbedingten Phasenumwandlung bevorzugt ausrichten.
Bei dem hier verwendeten Leiterabschnitt 20 handelt es
sich um einen Ein-Weg-Aktor, der bei einer Temperaturerhöhung ab
Erreichen einer bestimmten Umwandlungstemperatur, die hier der sensorspezifischen
Solltem peratur entspricht, von der Form des kalten Zustands in eine
andere, nämlich
die aufgeprägte
Form wechselt, was durch eine Phasenänderung von Martensit zu Austernit
und das Kornwachstum in Richtung der aufgeprägten Vorzugsrichtung geschieht.
Gängige Formgedächtnis-Materialien
sind beispielsweise CuAl-Ni-Legierungen
und NiTi-Legierungen.
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Steigt
nun die Temperatur T über
die Solltemperatur TS, so kommt es zur Phasenumwandlung des
Formgedächtnismaterials
infolge des metallurgischen Phasenwechsels, der Leiterabschnitt 20 nimmt
seine eingeprägte
Form ein, die hier leicht gebogen ist, siehe 6 rechts.
In dieser Form öffnet sich
die über
den Leiterabschnitt 20 vormals geschlossene Leitung, wie
in 6 rechts dargestellt ist. Die Signalleitung ist
unterbrochen, der Sensor 10 hat seinen Zustand geändert, es
kommt zu einer Änderung
des Speicherzellendatums. Nachdem es sich bei dem Leiterabschnitt 20 um
einen Ein-Weg-Aktor handelt, der nur eine Formänderung in die eine Richtung
bei einer Temperaturerhöhung über die
Umwandlungstemperatur vornehmen kann, jedoch keine Rückstellung
mehr bei einer erneuten Temperaturerniedrigung durchführt, bleibt
zwangsläufig
die Leitungsverbindung 13 auch bei einer erneut erfolgenden
Temperaturerniedrigung irreversibel geöffnet, der Speicherzustand
der Speicherzelle 9 ändert
sich nicht mehr.
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An
dieser Stelle ist darauf hinzuweisen, dass selbstverständlich die
obigen Ausführungsbeispiele des
Sensors 10 wie auch des verwendeten RFID-Chips 4 nur
exemplarischer Natur sind. Selbstverständlich können beliebig andere Sensorausgestaltungen
verwendet werden, so lange sie sicherstellen, dass eine irreversible
Zustandsänderung
in Abhängigkeit
der Temperatur durchlaufen wird, die zu einer entsprechenden Belegung
einer Speicherzelle im RFID-Chip führt. Der in 2 gezeigte RFID-Chip
ist auch lediglich exemplarischer Natur. Selbstverständlich wäre es auch
denkbar, einen Chip mit einer von Haus aus integrierten Leistungsversorgung
oder dergleichen zu verwenden.