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Die
Erfindung betrifft die Überwachung
physikalischer Parameter von Gegenständen bei ihrem Transport und
insbesondere eine Sensorvorrichtung für den Druck in Transportbehältnissen
gemäß dem Oberbegriff
von Anspruch 1.
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Beim
Versand und Transport von Waren kann es erforderlich sein, dass
diese unter Vakuum oder Überdruck
gehalten werden müssen.
Dies ist beispielsweise der Fall bei Lebensmitteln, die im Vakuum
transportiert werden, oder Medikamenten, die steril verpackt sind
oder unter Sauerstoffabschluss transportiert werden müssen.
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Unter Überdruck
werden z.B. Produkte gelagert und transportiert, die in einer speziellen
(inerten) Gas-Atmosphäre
gehalten werden müssen
oder bei denen das Austreten von Gasen aus Sicherheitsgründen, z.B.
weil sie giftig oder explosiv sind, vermieden werden muss.
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In
diesen Fällen
ist es wichtig, auch noch nachträglich
eine Über-
oder Unterschreitung des Drucks beim Transport feststellen zu können und
damit möglicherweise
schadhafte oder sogar gefährliche
Waren und Verpackungen identifizieren zu können. Dies sollte an möglichst
vielen Stellen in der Logistikkette ohne großen Aufwand machbar sein.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung zu schaffen,
mit der das Überschreiten
bzw. Unterschreiten eines Schwellenwertes für den Druck in der Vergangenheit
erkannt werden kann.
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Diese
Aufgabe wird gelöst
durch die Vorrichtung nach Anspruch 1. Bevorzugte Ausführungsformen
der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die
Erfindung beruht auf dem Erfindungsgedanken, für die Überwachung von derartigen Logistikketten
einen Sensor einzusetzen, der eine Über- oder Unterschreitung des
Drucks derart erfasst, so dass ein solcher Vorgang zu einer irreversiblen Änderung
des Sensors führt.
Darüber
hinaus soll sich der Sensor einfach, d.h. berührungslos, verschleißfrei, d.h.
beliebig oft, und unabhängig
von einer Sichtverbindung auslesen lassen.
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Die
erfindungsgemäße Sensorvorrichtung für ein Transportbehältnis zur
Aufnahme von Waren für
den Transport, die zum Überwachen
des Druckes in dem Transportbehältnis
dient, ist gekennzeichnet durch mindestens einen Drucksensor zum
Erfassen des Drucks in dem Transportbehältnis und mindestens eine RFID-Übertragungseinrichtung
zum kontaktlosen Einkoppeln elektrischer Energie in den Drucksensor
und zum Aussenden von Funksignalen in Abhängigkeit von dem physikalischen
Zustand des Drucksensors.
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Insbesondere
umfasst der Drucksensor: a) ein Probevolumen, welches ein Gas mit
einem vorgegebenen Druck einschließt und das eine Grenzfläche mit
dem Transportbehältnis
aufweist, so dass wenigstens ein Teil der Grenzfläche in Abhängigkeit
von der Druckdifferenz zwischen dem Probevolumen und dem Transportbehältnis verformbar
ist, und b) einen elektrischen Leiter, der mit der Grenzfläche fest
verbunden ist und der aufgrund der Verformung der Grenzfläche irreversibel
unterbrochen wird, wenn die Druckdifferenz einen vorgegebenen Schwellenwert über- oder
unterschreitet.
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Der
Begriff Transportbehältnis
umfasst hier allgemein jede Art von Transportvolumen mit beliebiger
Form und beliebiger Beschaffenheit der Außenhülle.
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Insbesondere
umfasst die Grenzfläche
eine flexible Membran, die sich je nach Außendruck konvex oder konkav
verformt. Dies hat den Vorteil, dass das Probevolumen intakt bleibt
und nicht die Umgebungsluft kontaminiert oder umgekehrt durch diese kontaminiert
wird.
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Vorzugsweise
ist in der Membran ein dünner Draht
eingebettet, der bei einer zu starken Verformung der Membran reißt.
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Insbesondere
kann die Steifheit der Membran in Abhängigkeit von der gewünschten
Sensitivität der
Messung gewählt
werden. Damit lässt
sich die erfindungsgemäße Sensorvorrichtung
auf den jeweiligen Anwendungsfall abstimmen, so dass man die optimalen
Messergebnisse bekommt.
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Bei
einer alternativen bevorzugten Ausführungsform umfasst die Grenzfläche eine
Berstscheibe, die bei Verformung zerbricht. Diese Ausführungsform
hat den Vorteil, dass man bei Sichtkontrolle, also zusätzlich zu
der berührungslosen
Abfrage, sofort erkennt, ob ein Druckschwellenwert über- oder unterschritten
wurde.
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Vorzugsweise
ist wenigstens über
einem Teil der Grenzfläche
außerhalb
des Probevolumens ein Gitter zum Schutz vor mechanischer Einwirkung
vorgesehen. Damit beugt man unbeabsichtigten Beschädigungen
der Sensorvorrichtung vor, die dadurch entstehen können, dass
Gegenstände
in dem Behältnis
auf die Berstscheibe drücken.
Außerdem wird
auch die Verletzungsgefahr im Umgang mit der Sensorvorrichtung verringert.
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Insbesondere,
wenn das Transportbehältnis elektrisch
leitend ist, kann die RFID-Übertragungsvorrichtung
außen
und der Drucksensor innen angebracht werden, und beide können über eine
mindestens zweiadrige Leitung miteinander verbunden werden. Ein
derartiger modularer Aufbau hat die dem Fachmann geläufigen Vorteile.
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Vorzugsweise
ist jeder Drucksensor mit einem Vorwiderstand in Reihe geschaltet,
wobei mehrere Drucksensoren mit einem jeweils spezifischen Grenzwert
für die
Druckdifferenz parallel geschaltet sind, so dass die maximal erreichte
Druckdifferenz quantitativ erfassbar ist. Damit erhält man nicht
nur die Aussage, dass ein Schwellenwert überschritten wurde, sondern
man kann auch die Höhe
der maximalen Abweichung des Druckes von seinem Sollwert angeben,
wenigstens mit einer Auflösung,
die der Differenz zwischen zwei benachbarten Schwellenwerten entspricht.
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Insbesondere
kann jeder Vorwiderstand einen von dem spezifischen Grenzwert abhängigen Wert
haben, so dass man auch statistische Ausfälle als solche sofort von einem
tatsächlich
physikalisch bedingten Ausfall unterscheiden kann.
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Der
Begriff "Grenzfläche" ist hier nicht im
exakten mathematischen Sinne zu verstehen, sondern hier wird davon
ausgegangen, dass die "Grenzflächeneinrichtung", also Membran oder
Berstscheibe eine endliche Dicke aufweist.
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Ein
Vorteil der Erfindung liegt u.a. darin, dass zum Erkennen der Überschreitung
eines Schwellenwertes keine Stromversorgung und kein elektronischer
Speicher notwendig ist.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden
Beschreibung von Ausführungsbeispielen,
wobei auf die beigefügte Zeichnung
Bezug genommen wird.
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1 zeigt
eine erste Ausführungsform
der Erfindung in unversehrtem Zustand.
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2 zeigt
die Ausführungsform
nach 1 nach Überschreiten
eines Druckschwellenwertes.
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3 zeigt
eine zweite Ausführungsform
der Erfindung in unversehrtem Zustand.
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4 zeigt
die Ausführungsform
nach 3 nach Überschreiten
eines Druckschwellenwertes.
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5 zeigt
die zweite Ausführungsform nach 3 mit
einem zusätzlichen
Schutzgitter.
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Die
Zeichnung ist nicht maßstabsgetreu. Gleiche
oder gleich wirkende Elemente sind mit denselben Bezugsziffern versehen.
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In 1 ist
eine erste Ausführungsform
der Erfindung gezeigt, wie sie in einem Transportbehältnis 1 für den Transport
von Waren Anwendung finden kann. Die erfindungsgemäße Sensorvorrichtung
ist an einer Boden- oder Seitenwand oder einem Deckel 2 des
Transportbehältnisses 1 angebracht.
Die Sensorvorrichtung besteht im Wesentlichen aus einem Probevolumen 3,
d.h. einem Hohlraum, der mit einem Gas bei einem vorgegebenen Druck
gefüllt
ist. Das Probevolumen 3 ist formschlüssig mit dem Transportbehältnis 1 verbunden,
so dass zwischen beiden eine Grenzfläche definiert ist. Diese Grenzfläche stellt
bei der Ausführungsform
nach 1 eine Membran 4 dar. In die Membran
eingebettet ist ein Sensordraht 5, der zwei gegenüberliegende
Punkte der Grenzfläche
entlang einer geraden Linie oder – wie in 1 dargestellt – entlang
einer mäandrierenden
Linie miteinander verbindet. Über
die beiden Endpunkte des Sensordrahtes 5 wird mittels Sensorzuleitungen 6 eine
Verbindung zu einer Sende- und Empfangsvorrichtung 7 hergestellt,
die in der bevorzugten Ausführungsform
ein RFID-Modul ist. Über
dieses RFID-Modul 7 wird eine berührungslose Verbindung von dem Drucksensor
nach außen
ermöglicht,
die wiederum dazu dient, elektrische Energie in die Sensorvorrichtung
einzukoppeln und Hochfrequenzsignale in Abhängigkeit von dem physikalischen
Zustand des Drucksensors nach außen zu übertragen.
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Durch
die Verwendung von RFID-Modulen macht man sich bereits standardisierte
Komponenten zunutze, die bereits auf dem Markt vorkonfektioniert
zur Verfügung
stehen.
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Das
RFID-Modul 7 kann sich dabei in unmittelbarer Nähe des eigentlichen
Drucksensors mit Probevolumen 3 befinden oder über Verlängerungsleitungen 6a nach
außen
geführt
werden, wenn sich das RFID-Modul außerhalb des eigentlichen Transportbehältnisses
befindet. Dies ist in den zeichnerisch dargestellten Ausführungsformen
jeweils angedeutet, und hierauf wird genauer nochmals weiter unten
eingegangen werden.
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Wie
aus 1 ersichtlich liegt der Sensordraht bei ausgeglichenem
Druck zwischen dem Transportbehältnis 1 und
dem Probevolumen 3 naturgemäß in der Ebene der Membran 4.
Die Membran 4 ist flexibel und dehnbar, d.h. ihre Fläche kann zu- bzw. abnehmen. Dehnt
sich die Membran 4 aufgrund einer Druckdifferenz zwischen
Probevolumen 3 und Transportbehältnis 1 in das Probevolumen 3 oder
in das Transportbehältnis 1 aus,
so ändert
sich folglich ihre Fläche
und damit auch ihre Ausdehnung zwischen zwei vorher gewählten Randpunkten.
Insbesondere vergrößert sich
der Weg auf der Membran zwischen dem ersten und dem zweiten Endpunkt
des Sensordrahtes. Dieser Weg wird länger. Der Sensordraht 5 kann
seine Länge
nicht ändern,
und als Folge der Ausdehnung der Membran 4 reißt der Draht 5. Damit
ist der elektrische Kontakt zwischen den beiden Endpunkten des Drahtes 5 über den
Draht 5 irreversibel unterbrochen. Wenn dieser Vorgang
bei einer bestimmten Druckdifferenz, d.h. Ausdehnung der Membran
auftritt, so weiß man,
wenn der Draht 5 gerissen ist, dass beim Transport dieser
Wert für
die Druckdifferenz überschritten
worden sein muss. Umgekehrt kann man die Membran 4 und
den Draht 5 so auslegen, dass die Unterbrechung erst bei
einem gewünschten
Wert für
die Druckdifferenz eintritt. Bei der Membran 4 lässt sich
der Wert für
diese Druckdifferenz über
das gewählte
Material und seine Stärke einstellen.
Bei dem Draht 5 lässt
sich dies über
seine Länge
einstellen, d.h. über
die Anzahl und Länge
der einzelnen Mäander.
Der Arbeitspunkt des erfindungsgemäßen Drucksensors lässt sich
darüber
hinaus auch insbesondere über
den Bezugsdruck in dem Probevolumen einstellen, d.h. ein gegenüber dem
normalen Umgebungsdruck niedrigerer Innendruck wird vorzugsweise
dann in dem Probevolumen eingestellt, wenn auch der Innendruck des
Transportbehältnisses/Transportvolumens
auf einem niedrigeren Wert gehalten werden soll, und ein höherer Druck wird
in dem Probevolumen eingestellt, wenn der Innen druck des Transportbehältnisses/Transportvolumens
höher als
der normale Umgebungsdruck sein soll. Dem Fachmann ist klar, dass
insbesondere bei Flugfracht der erfindungsgemäße Sensor entsprechend konditioniert
werden muss.
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In 2 ist
der Zustand der Sensorvorrichtung gezeigt, nachdem der vorher festgelegte Schwellenwert
für die
Druckdifferenz überschritten worden
ist. Gezeigt ist die Membran 8 in ihrer in das Transportbehältnis 1 ausgestülpten Form,
wobei davon ausgegangen wird, dass der Druck in dem Probevolumen 3 größer als
in dem Transportbehältnis 1 ist.
Die folgenden Aussagen gelten jedoch in gleichem Maße, wenn
der Druck in dem Probevolumen 3 kleiner als in dem angrenzenden
Transportbehältnis 1 ist
und sich die Membran in das Probevolumen hinein ausstülpt. Die
Ausdehnung der konvex verformten Membran 8 in 2 bedeutete
eine zu große Wegverlängerung
für den
Draht 5, der zur Veranschaulichung in seiner ursprünglichen
Form gestrichelt in der 2 gezeigt ist. Der Draht ist
in der Darstellung gerissen, so dass die beiden Sensordrahtreste 9 blind
enden und ein Kontakt zwischen ihnen nicht mehr besteht.
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Die
Abfrage ob der Draht leitet wie in 1 oder nicht,
wie in 2, erfolgt über
das angeschlossene RFID-Modul 7.
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Eine
alternative Ausführungsform
der Erfindung ist in den 3, 4 und 5 gezeigt
und wird im Folgenden erläutert.
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In 3 befindet
sich an der Grenzfläche zwischen
dem Probevolumen 3 und dem Transportbehältnis 1 eine so genannte
Berstscheibe 10. Diese ist im Gegensatz zu der dünnen Membran
in 1 schraffiert dargestellt, um ihre größere Dicke
anzudeuten. Die Berstscheibe 10 ist weniger auf reversible
Verformung ausgelegt, sondern bleibt bei Änderung des Drucks in dem Transportbehältnis 1 gegenüber dem
Druck in dem Probevolumen l im wesentlichen in ihrer alten Form
(bis auf mikroskopische Veränderungen,
die jedoch die im folgenden beschriebene Drahtverbindung nicht betreffen).
Erst bei Über schreiten
eines Schwellenwertes für
die Druckdifferenz zwischen den beiden benachbarten Volumina ändert sich
die Form der Berstscheibe 10, indem sie bricht oder reißt. Analog
zu der Ausführungsform nach 1 ist
in der Ausführungsform
nach 3 ein Sensordraht 5 in der Berstscheibe 10 eingebettet, so
dass seine Unversehrtheit durch diejenige der Berstscheibe sichergestellt
ist und umgekehrt der Sensordraht 5 unterbrochen wird,
sobald die Berstscheibe 10 beschädigt wird.
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Der
Zustand der Sensorvorrichtung nach Überschreiten eines Schwellenwertes
für die
Druckdifferenz ist in 4 gezeigt, wo ein Riss 11 durch
die Berstscheibe 10 verläuft. Wenn die Berstscheibe 10 auf
diese Art zerstört
wird, so wird die elektrisch leitfähige Drahtverbindung 5 zwischen
zwei Punkten am Rand der Berstscheibe, die durch den Sensordraht hergestellt
ist, irreversibel unterbrochen. Damit bleiben dann wie im Falle
der Membran zwei Drahtreste 12 stehen, die einen Kontakt
zwischen den Zuführleitungen 6 nicht
mehr herstellen können.
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Auch
in der Ausführungsform
mit einer Berstscheibe wird ein mäandrierender Drahtverlauf gewählt. Damit
wird erreicht, dass eine möglichst
große Fläche durch
den Draht 12 abgedeckt wird, und es wird sichergestellt
ist, dass auf jeden Fall bei Bruch der Berstscheibe der Draht 12 durch
eine Bruchlinie unterbrochen wird und die Bruchlinie nicht an der Drahtverbindung
vorbei verläuft.
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Ein
Vorteil der Ausführungsform
nach 3 und 4 gegenüber der Ausführungsform
nach 1 und 2 liegt darin, dass die Bedingungen, unter
denen die Berstscheibe bricht, zuverlässiger vorhergesagt und eingestellt
werden können,
als dies bei einer flexiblen Membran der Fall ist.
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Da
die Berstscheibe 10 unmittelbar bricht, wenn sie belastet
wird, ist es wichtig, sie gegen unbeabsichtigte Beschädigungen
zu schützen.
Dazu ist in der Ausführungsform
der Erfin dung nach 5 vorgesehen, ein Schutzgitter 13 auf
der dem Transportbehältnis 1 zugewandten
Seite vor der Berstscheibe 10 anzubringen. Damit lässt sich
die Grenzfläche
effektiv schützen,
ohne ihre Funktionsfähigkeit
einschränken
zu müssen.
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Dem
Fachmann ist klar, dass der Einbau eines Schutzgitters nicht auf
eine Berstscheibe an der Grenzfläche
beschränkt
ist. Ebenso kann das Gitter auch über der Membran vorgesehen
werden, um die Membran vor mechanischer Einwirkung zu schützen.
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Zusammenfassend
wird also erfindungsgemäß ein RFID-Chip 7 mit
einem Drucksensor gekoppelt. Der Drucksensor weist ein kleines Probevolumen
in einer Hülle
auf. Diese wird teilweise bei Über- oder
Unterschreitung zumindest zerstört.
Dadurch wird auch durch den Über-
oder Unterdruck ein elektrischer Leiter zerstört, der sich auf oder in der
Hülle befindet
bzw. in ihr integriert ist. Die Leitfähigkeit des Sensors wird mit
einem RFID überprüft, der
die Daten dann bei Bedarf ausgibt. Die Sensorvorrichtung ist also
der Speicherzelle einer RFID-Einheit
vergleichbar, deren logischer Zustand sich durch eine Grenzwertüberschreitung ändert, wobei
der logische Zustand durch den Zustand des elektrischen Leiters definiert
wird.
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Handelt
es sich bei dem Transportbehältnis 1 um
eine elektrisch leitende Verpackung, wie z.B. Edelgas-Druckflasche,
so wird das RFID-Modul 7 an einer Außenwand des Transportbehältnisses 1 angebracht,
um den Aufbau einer Funk- bzw. Induktionsverbindung zwischen einem
externen Sende-Empfangs- und Versorgungsgerät und der erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung
nicht zu behindern. Der Drucksensor bleibt natürlich innerhalb des Transportbehältnisses.
Der Drucksensor und das RFID-Modul sind
in diesem Fall über
eine zweiadrige Leitung 6a durch die Wand des Transportbehältnisses 1 hindurch
miteinander verbunden.
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Dem
Fachmann ist aufgrund der obigen Beschreibung klar, dass es auf
die Art der Verbindung zwischen Grenzfläche, also Membran 4 oder
Berstscheibe 10 und dem Sensordraht 5 bzw. 12 nicht
ankommt. So kann bei der Sensorvorrichtung als Unter- bzw. Überdrucksensor
der Draht über
bzw. unter die Membran 4 gespannt werden. Alternativ kann
der Draht wie oben beschrieben in der Membran eingebettet sein.
Unabhängig
von dieser Befestigung zwischen Draht und Membran gilt, dass wenn
sich der Außendruck
gegenüber
dem Innendruck ändert,
sich die Membran ausdehnt, so dass das Drähtchen reißt und sich der logische Zustand
einer Speicherzelle des RFIDs ändert.
Die Messgenauigkeit bzw. die Sensitivität der Messung kann durch die
Steifheit der Membran verändert
werden.
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Darüber hinaus
ist die Erfindung nicht auf die Verwendung eines einzelnen Drucksensors
beschränkt,
es ist ohne weiteres möglich,
mehrere Drucksensoren einzusetzen. In diesem Fall wird der RFID
mit mehreren Drucksensoren verbunden, die alle unterschiedliche
Grenzwerte haben, d.h. alle bei unterschiedlichen Druckdifferenzen
die elektrische Verbindung zwischen zwei Punkten an ihrem Rand unterbrechen.
Insbesondere sind diese Drucksensoren jeweils in Reihe geschaltet
mit einem vorgegebenen ohmschen Vorwiderstand, und mehrere dieser Vorwiderstand-Sensor-Elemente
sind parallel geschaltet. Damit ergibt sich der Gesamtwiderstand dieses
Aufbaus als Gesamtwiderstand aller parallel geschalteten Einzelwiderstände. Über die
RFID-Einheit wird der Gesamtwiderstand abgefragt. Wenn alle Drucksensoren
intakt sind, hat der Gsamtwiderstand seinen geringsten Wert. Wird
ein erster Schwellenwert für
die Druckdifferenz überschritten
und damit ein erster Drucksensor zerstört, so nimmt der Gesamtwiderstand
zu, da einer der Vorwiderstände nicht
mehr zum Gesamtwiderstand beiträgt.
Entsprechend fallen bei Überschreiten
des zweiten Schwellenwertes durch den Druck zwei Widerstände aus, und
der Gesamtwiderstand erhöht
sich weiter, etc. Die Vorwiderstände
vor den Drucksensoren können alle
denselben Wert haben, sie können
aber auch abgestuft sein, d.h. die Werte 1R, 2R, 4R etc. an nehmen,
so dass man auch statistische Ausfälle von Sensoren erkennen kann.
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In
der genannten Ausführungsform
lässt sich die
Druckdifferenz zwischen Transportbehältnis und Probevolumen somit
quantitativ erfassen. In Verbindung mit dem ursprünglichen
Druck in dem Probevolumen, der bei der Fertigung der erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung
bekannt ist, lässt
sich dann ein Absolutwert für
den Umgebungsdruck des Transportbehältnisses angeben.