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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen energieautarken Druck- oder Berührungssensor, welcher, basierend auf einer Druckänderung oder einer Berührung oder einem Kontakt ein Signal erzeugt.
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Drucksensoren oder Kontaktsensoren sind aus dem Stand der Technik in unterschiedlichen Ausgestaltungen bekannt. Die bekannten Sensoren weisen eine Kabelanbindung zur Energieversorgung und zur Informationsübertragung auf. Ferner sind Sensoren bekannt, welche auf piezoelektrischer Basis bei Berührung kleinste Energiemengen erzeugen, welche zur Signalerzeugung verwendet wird. Insbesondere bei derartigen piezoelektrischen Sensoren muss jedoch eine entsprechend hohe Kraft auf den Piezoaktor ausgeübt werden, um die erforderlichen Energiemengen zur Verfügung zu stellen. Wenn somit eine zu geringe Kraft auf den Piezoaktor ausgeübt wird, kann die notwendige Energieerzeugung nicht erfolgen.
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Ferner sind Druck- oder Berührungssensoren bekannt, welche als Energiequelle eine Batterie aufweisen. Nachteilig an derartigen Sensoren ist, dass die Batterien regelmäßig gewartet werden müssen. Wie bei kabelgebundenen Sensoren ist somit eine Anordnung derartiger Sensoren nur an gut zugänlichen Stellen möglich. Es sind jedoch Anwendungsfälle für Sensoren denkbar, bei denen eine Überwachungsfunktion über einen langen Zeitraum, z. B. mehrere Jahre, notwendig ist oder eine Überwachung unter kritischen Umgebungsbedingungen, z. B. das Vorhandensein von gesundheitsschädlichen Medien, notwendig ist.
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Vorteile der Erfindung
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Der erfindungsgemäße energieautarke Sensor zur Erfassung eines Druckes oder einer Berührung bzw. eines Kontaktes mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass er energieautark ist. Somit ist keine Kabelverbindung oder die Verwendung einer Batterie notwendig. Der erfindungsgemäße Sensor kann dabei über einen langfristigen Zeitraum in einer Wartestellung (Stand-by-Stellung) gehalten werden und erst bei Auftreten einer Druckänderung oder einer Berührung aktiviert werden. Darüber hinaus kann der erfindungsgemäße Sensor über einen längeren Zeitraum mit intern erzeugter Energie versorgt werden. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass der Sensor einen Latentwärmespeicher und einen thermoelektrischen Wandler zur Wandlung von thermischer Energie aus dem Latentwärmespeicher in elektrische Energie umfasst. Der Sensor umfasst ferner eine Schaltung zur Erzeugung eines Signals, welches bei Erfassung einer Druckänderung oder einer Berührung erzeugt wird. Darüber hinaus umfasst der Sensor eine Signalübertragungseinrichtung zur Übertragung des Signals an eine externe Einrichtung und/oder einen Speicher zur Speicherung des Signals. Bei Verwendung des Speichers kann das Signal dann später ausgelesen werden. Erfindungsgemäß hält der Latentwärmespeicher des Sensors somit latent gespeicherte Energie bereit, welche durch die Erfassung einer Druckänderung oder einer Berührung als Wärme freigesetzt werden kann. Der Latentwärmespeicher umfasst eine unterkühlte Schmelze, welche infolge des erfassten Drucks oder der Berührung beginnt auszukristallisieren. Dieses Auskristallisieren erzeugt Wärme, welche dann durch den thermoelektrischen Wandler in elektrische Energie umgewandelt werden kann. Basierend auf dieser elektrischen Energie erzeugt die Schaltung dann das Signal.
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Vorzugsweise ist die Signalübertragungseinrichtung als drahtlose Signalübertragungseinrichtung ausgebildet. Dadurch kann der erfindungsgemäße Sensor an beliebigen Stellen, insbesondere an schwer zugänglichen Stellen oder an Stellen, welche sich in einer kontaminierten Umgebung befinden, verwendet werden.
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Weiter bevorzugt überträgt die drahtlose Signalübertragungseinrichtung Signale optisch und/oder akustisch und/oder per Funk und/oder induktiv. Vorzugsweise ist hierbei eine Redundanz vorgesehen, um insbesondere bei geplanten Langzeiteinsätzen eine sichere Übertragung von Signalen sicherzustellen.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfasst der Sensor eine Überwachungseinrichtung, welche mit der Schaltung verbunden ist und welche durch das von der Schaltung erzeugte Signal eingeschaltet wird. Die Überwachungseinrichtung ermöglicht es, beispielsweise Räume, Fahrzeuge usw. zu überwachen. Der Sensor kann dabei vollständig autark in einem zu überwachenden Raum angeordnet werden und wird erst bei Auftreten eines Ereignisses, z. B. einer Druckänderung, aktiviert. Dies bietet den Vorteil, dass beispielsweise in einer Zentrale keine Daten empfangen und verwaltet werden müssen, solange kein Anlass besteht, und erst im Falle des Auftretens des Ereignisses, z. B. einer Druckänderung oder einer Berührung, wird die Überwachung aktiv.
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Die Überwachungseinrichtung umfasst vorzugsweise eine Kamera und/oder ein Mikrofon.
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Ein besonders einfacher und kompakter Aufbau ergibt sich, wenn die Überwachungseinrichtung mittels des thermoelektrischen Wandlers mit Energie versorgt wird.
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Besonders bevorzugt ist der Latentwärmespeicher regenerierbar. Dadurch kann nach einer Aktivierung des energieautarken Sensors der Latentwärmespeicher wieder aufgeladen werden, und der energieautarke Sensor steht für einen neuen Einsatz zur Verfügung. Die Energieaufladung des Latentwärmespeichers erfolgt dabei vorzugsweise durch Zuführung von externer Wärme.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist der Latentwärmespeicher eine Umhüllung auf, welche zumindest einen flexiblen Bereich aufweist. Der flexible Bereich ist bei Auftreten einer Druckänderung, insbesondere einer Druckerhöhung, oder einer Berührung bzw. eines Kontaktes verformbar. Aufgrund der Verformung des flexiblen Bereichs startet die Wärmeerzeugung im Latentwärmespeicher, so dass durch den thermoelektrischen Wandler die elektrische Energie bereitgestellt wird. Selbstverständlich kann die Erzeugung der elektrischen Energie auch gleichzeitig als Signal verwendet werden. Alternativ kann die gesamte Hülle des Latentwärmespeichers aus einem flexiblen Material hergestellt sein.
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Weiter bevorzugt umfasst der Sensor einen optischen und/oder akustischen Signalgeber, welcher mit der Schaltung verbunden ist und bei Erhalt eines Signals der Schaltung ein optisches und/oder akustisches Warnsignal ausgibt.
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Vorzugsweise weist der Latentwärmespeicher eine Größe auf, um eine längerfristige Energieversorgung von wenigstens einer Minute, vorzugsweise wenigstens 10 Minuten und weiter vorzugsweise wenigstens einer Stunde, zu ermöglichen. Somit kann der Sensor beispielsweise eine Druckänderung über einen längeren Zeitraum erfassen.
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Der Latentwärmespeicher umfasst vorzugsweise Natriumacetat-Trihydrat. Natriumacetat-Trihydrat kann unter Luftabschluss weit unter seinen Schmelzpunkt von ca. 58°C abgekühlt werden, wobei eine ”unterkühlte” Schmelze entsteht. Infolge einer von außen z. B. durch eine Druckänderung ausgelösten Störung wird dieser metastabile Zustand des Natriumacetat-Trihydrats gestört und die Kristallisation angestoßen. Hierdurch kristallisiert das Natriumacetat-Trihydrat schlagartig aus und gibt die im System gespeicherte Wärme frei. Dabei erwärmt sich das Natriumacetat-Trihydrat auf seinen Schmelzpunkt von ca. 58°C, welcher üblicherweise höher als die Umgebungstemperatur liegt. Somit kann der Latentwärmespeicher auf der einen Seite des thermoelektrischen Wandlers als Wärmereservoir genutzt werden, wobei die andere Seite des thermoelektrischen Wandlers sich auf Umgebungstemperatur (ca. 20°C) befindet. Somit gibt das Natriumacetat-Trihydrat die in der „unterkühlten” Schmelze gebundene Energie nach Anstoßen der Kristallisation als Kristallisationswärme ab. Der Anstoß für die Kristallisation erfolgt dabei von außen durch eine erfasste Druckänderung, insbesondere Druckerhöhung, oder eine Berührung, die auf den Latentwärmespeicher übertragen wird.
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Erfindungsgemäß kann somit ein energieautarker Druck- oder Berührungssensor bereitgestellt werden, welcher das Auftreten eines Ereignisses, die z. B. eine Druckänderung oder eine Berührung bzw. einen Kontakt nutzt, um die im Latentwärmespeicher gespeicherte Wärmeenergie freizusetzen, die dann in elektrische Energie umgewandelt wird. Die elektrische Energie kann dann ferner einerseits als Signal und andererseits auch zur Energieversorgung nachgeschalteter Verbraucher verwendet werden. Der energieautarke Sensor kann dabei sehr klein und kompakt gebaut werden, so dass Anwendungen beispielsweise im Inneren eines Fahrzeugs als Diebstahlsicherung oder Anwendung in kontaminierten Umgebungen möglich sind. Da ein Signal erst erzeugt wird, sobald das gewünschte Ereignis (Druckänderung, Berührung) aufgetreten ist, muss der Sensor nicht gewartet werden und kann an unzugänglichen Stellen dauerhaft eingesetzt werden. Bei Verwendung einer drahtlosen Energieübertragung ist ferner auch beispielsweise eine Nutzung auf bewegten Teilen möglich, wie auch ein Einsatz an wechselnden Einsatzorten.
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Zeichnung
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Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
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1 eine schematische Ansicht eines energieautarken Sensors gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
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2 eine schematische Ansicht eines energieautarken Sensors gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung, und
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3 eine schematische Ansicht eines energieautarken Sensors gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
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Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die 1 ein energieautarker Sensor 1 zur Erfassung eines Drucks oder einer Berührung bzw. eines Kontaktes gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung im Detail beschrieben.
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Wie aus 1 ersichtlich ist, umfasst der energieautarke Sensor 1 einen Latentwärmespeicher 2, welcher eine Umhüllung mit einem flexiblen Bereich 2a aufweist. Der Latentwärmespeicher 2 enthält luftdicht abgeschlossenes Natriumacetat-Trihydrat in Form einer unterkühlten Schmelze. Hierzu wurde der Latentwärmespeicher 2 vor Einbau in den Sensor 1 über seinen Schmelzpunkt von ca. 58°C erwärmt, wobei durch die Energiezufuhr die Kristalle des Natriumacetat-Trihydrats geschmolzen wurden. Nach Abkühlung ist ein metastabiler Zustand durch eine unterkühlte Schmelze im Latentwärmespeicher 2 entstanden, welcher auch über einen längeren Zeitraum erhalten bleibt und somit Energie speichern kann. Ferner umfasst der energieautarke Sensor 1 einen thermoelektrischen Wandler 3, welcher unmittelbar benachbart zum Latentwärmespeicher 2 angeordnet ist. Der thermische Wandler 3 wandelt thermische Energie in elektrische Energie. Der thermoelektrische Wandler 3 ist über eine Leitung 3a mit einer Schaltung 4 verbunden. Die Schaltung 4 ist vorzugsweise eine Low-Power-Schaltung, welche nur einen geringen Energiebedarf aufweist. Die Schaltung 4 erzeugt ein Signal, welches über eine Leitung 4a an eine Signalübertragungseinrichtung 5 übertragen wird. Die Signalübertragungseinrichtung 5 ist eine drahtlose Einrichtung zur Signalübertragung an eine schematisch dargestellte Auswerteeinheit 7, die einen Empfänger 6 aufweist. Die Auswerteeinheit 7 bildet zusammen mit dem energieautarken Sensor 1 ein energieautarkes System zur Erfassung und Auswertung eines Drucks oder einer Berührung.
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Die Funktion des erfindungsgemäßen Sensors 1 ist dabei wie folgt. Wenn eine Druckänderung in einer zu überwachenden Umgebung des Sensors 1 auftritt, wird diese über den flexiblen Bereich 2a der Umhüllung des Latentwärmespeichers 2 auf das im Latentwärmespeicher 2 befindliche Natriumacetat-Trihydrat übertragen. In 1 ist diese Druckänderung durch den Pfeil P angedeutet. Die flexible Umhüllung 2 arbeitet dabei wie eine Membran, wobei aufgrund der Bewegung der flexiblen Umhüllung 2a eine Keimbildung im Natriumacetat-Trihydrat auftritt, was zu einer Kristallisation fährt, welche sich lawinenartig fortsetzt. Dadurch wird Kristallisationswärme im Latentwärmespeicher 2 freigegeben, welche durch den thermoelektrischen Wandler 3 in elektrische Energie umgewandelt wird. Diese elektrische Energie wird der Schaltung 4 zugeführt, welche ein entsprechendes Signal erzeugt, das über die Leitung 4a an die Signalübertragungseinrichtung 5 übertragen wird. Das Signal kann von der Signalübertragungseinrichtung 5 drahtlos an die Auswerteeinheit 7 übertragen werden.
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Die Funktion des Sensors 1 ist dabei identisch, wenn beispielsweise eine Berührung des flexiblen Bereichs 2a der Umhüllung durch eine Person oder einen Gegenstand o. Ä. auftritt.
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Erfindungsgemäß wird dabei die Berührung auch zur Auslösung der Energieversorgung des Sensors 1 verwendet. Somit kann der Sensor 1 in einer Art Wartestellung an einer Position verbleiben, bis ein vorbestimmtes Ereignis wie eine Druckänderung oder eine Berührung auftritt und der Sensor 1 dann ein entsprechendes Signal erzeugt. Die Energieerzeugung basierend auf dem Latentwärmespeicher 2 ist dabei längerfristig, z. B. über mehrere Jahre, und vorzugsweise reicht die Energieversorgung mittels des Latentwärmespeichers 2 über einen Zeitraum von ca. einer Stunde. Die Verwendung der drahtlosen Signalübertragungseinrichtung 5 ermöglicht es, dass der Sensor 1 kabellos sein kann. Weder sind Kabel zur Energieversorgung noch zur Datenübertragung notwendig. Dies ermöglicht eine hohe Flexibilität des energieautarken Sensors und insbesondere einen dauerhaften Einbau an unzugänglichen Stellen. Der erfindungsgemäße Sensor 1 wird somit nur dann aktiviert, wenn das vorbestimmte Ereignis auftritt und benötigt weder Wartung noch eine andere Art von Überwachung.
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Es sei angemerkt, dass der Sensor 1 des ersten Ausführungsbeispiels alternativ noch zusätzlich mit einem Speicher ausgestattet sein kann, welcher das von der Schaltung 4 erzeugte Signal speichert. Der Speicher kann dann über eine geeignete Einrichtung ausgelesen werden.
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2 zeigt einen Sensor 1 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel, wobei gleiche bzw. funktional gleiche Teile mit den gleichen Bezugszeichen wie im ersten Ausführungsbeispiel bezeichnet sind.
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Der Sensor 1 des zweiten Ausführungsbeispiels umfasst ebenfalls einen Latentwärmespeicher 2, einen thermoelektrischen Wandler 3 und eine Schaltung 4. An Stelle einer Signalübertragungseinrichtung umfasst der Sensor 1 des zweiten Ausführungsbeispiel jedoch einen Speicher 8, welcher über eine Leitung 4a mit der Schaltung 4 verbunden ist. Der Speicher 8 dient zur Speicherung des von der Schaltung 4 erzeugten Signals. Am Speicher 8 ist ferner eine Schnittstelle 9 vorgesehen, über die der Speicher 8 mittels eines Auslesegeräts 10 ausgelesen werden kann. Das Auslesen erfolgt vorzugsweise drahtlos, die Schnittstelle könnte jedoch auch eine Steckeraufnahme sein, welche mit einem Auslesegerät verbunden werden kann. Ansonsten entspricht dieses Ausführungsbeispiel dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel, so dass auf die dort gegebene Beschreibung verwiesen werden kann.
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3 zeigt einen Sensor 1 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei gleiche bzw. funktional gleiche Teile mit den gleichen Bezugszeichen wie im ersten Ausführungsbeispiel bezeichnet sind. Wie in 3 gezeigt, entspricht das dritte Ausführungsbeispiel im Wesentlichen dem ersten Ausführungsbeispiel, wobei zusätzlich noch eine Kamera 11 als Überwachungseinrichtung vorgesehen ist. Die Kamera 11 ist über eine Leitung 4b mit der Schaltung 4 verbunden, so dass eine Energieversorgung der Kamera 11 vom thermoelektrischen Wandler 3 über die Leitung 3a und die Schaltung 4 möglich ist. Die Kamera 11 ist ferner über eine Leitung 11a mit der Signalübertragungseinrichtung 5, welche drahtlos ist, verbunden. Dadurch kann ein von der Kamera 11 aufgezeichnetes Bild über die Signalübertragungseinrichtung 5 einer Auswerteeinheit 7 übertragen werden. Da durch den Latentwärmespeicher 2 über einen längerfristigen Zeitraum Wärmeenergie freigesetzt wird, ist die Energieversorgung der Kamera 11 über eine längeren Zeitraum sichergestellt, so dass die Kamera über diesen Zeitraum einsatzbereit ist. Zusätzlich oder alternativ zur Kamera kann auch ein Mikrofon o. Ä. vorgesehen sein. Die Aufzeichnungen der Kamera können auch in einem Speicher abgespeichert werden und erst zu einem späteren Zeitpunkt ausgelesen werden. Dadurch ist keine Energie zur Bereitstellung einer Sendeleistung zur Übertragung der Kameraaufzeichnung notwendig.
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Es sei angemerkt, dass bei allen dargestellten Ausführungsbeispielen beispielsweise noch zusätzlich ein weiterer optischer und/oder akustischer Signalgeber zur Abgabe eines Warnsignals vorgesehen sein kann. Ein erfindungsgemäßer Sensor ist insbesondere für Einsätze geeignet, bei denen der Sensor lediglich eine einmalige Berührung oder Druckänderung anzeigen muss und anschließend aus Sicherheitsgründen ohnehin ausgetauscht werden muss. In Verbindung mit einem Speicher oder einer Überwachungseinrichtung wie einer Kamera kann durch das Aufrechterhalten der Energiequelle des Latentwärmespeichers 2 über einen längeren Zeitraum eine Datenaufzeichnung oder eine optische und/oder akustische Überwachung durchgeführt werden. Der erfindungsgemäße Sensor kann dabei besonders variabel eingesetzt werden, insbesondere wenn eine drahtlose Signalübertragungseinrichtung vorgesehen ist.
