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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Vibrationsbestimmungseinrichtung
zur Ermittlung der Vibrationsbelastung von Personen nach dem Oberbegriff
des Anspruches 1.
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Stand der Technik
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Aus
der
DE 10 2007
014 894 A1 ist ein Vibrationsdosimeter zur Ermittlung der
Vibrationsbelastung von Personen bekannt, die durch den Betrieb
eines Werkzeugs wie z. B. einer Bohrmaschine mechanischen Schwingungen
ausgesetzt sind. Das Vibrationsdosimeter umfasst eine Messeinrichtung,
die an dem Werkzeug angeordnet ist und zur Ermittlung des Betriebszustands
des Werkzeugs dient. Des Weiteren ist eine Auswerteeinrichtung vorgesehen,
die vom Benutzer mitgeführt wird und drahtlos mit der Messeinrichtung
kommuniziert. In der Auswerteeinrichtung kann ein aktueller, kumulativer
Belastungswert mit definierten Grenzwerten verglichen werden, um
die Schwingungsbelastung der Bedienperson zu ermitteln.
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Gemäß einer
in der
DE 10 2007
014 894 A1 beschriebenen Ausführungsvariante ist
der Messeinrichtung ein Piezoelement zugeordnet, in welchem die
von dem Werkzeug erzeugten Schwingungen in eine elektrische Spannung
umgewandelt werden, die zur Stromversorgung der Bauteile in der
Messeinrichtung genutzt wird.
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Falls
von der Bedienperson verschiedene Werkzeuggeräte im Wechsel
eingesetzt werden, beispielsweise unterschiedlich große
Winkelschleifer, ein Geradschleifer oder ein pneumatischer Hammer, muss
sichergestellt sein, dass die kumulative Belastung der betreffenden
Bedienperson in korrekter Weise erfasst wird. Das Problem der Zuordnung
wird insbesondere noch für den Fall verschärft,
dass mehrere Personen im Wechsel verschiedene Werkzeuggeräte
benutzen.
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Offenbarung der Erfindung
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, mit einfachen Maßnahmen
die Vibrationsbelastung von Personen, welche durch den Betrieb eines
Werkzeugs mechanischen Schwingungen ausgesetzt sind, mit hoher Zuverlässigkeit
zu ermitteln.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen
des Anspruches 1 gelöst. Die Unteransprüche geben
zweckmäßige Weiterbildungen an.
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Die
erfindungsgemäße Vibrationsbestimmungseinrichtung
dient zur Ermittlung der Vibrationsbelastung von Personen, die durch
den Betrieb eines Werkzeugs mechanischen Schwingungen ausgesetzt
sind. Die Vibrationsbestimmungseinrichtung umfasst eine am Werkzeug
anzuordnende Mess- und Übermittlungseinrichtung, die zum
einen zur Ermittlung von Werkzeugschwingungen und zum andern zur Übertragung
eines Schwingungswerts eingesetzt wird. Des Weiteren ist der Vibrationsbestimmungseinrichtung
eine separat ausgeführte Empfangs- und Auswerteeinrichtung
zugeordnet, auf die der Schwingungswert, welcher in der Mess- und Übermittlungseinrichtung
festgestellt wurde, zur Auswertung übertragbar ist. Die
Empfangs- und Auswerteeinrichtung umfasst des Weiteren eine zusätzliche Schwingungsmesseinheit,
in der ebenfalls ein Schwingungswert ermittelbar ist. In der Empfangs- und
Auswerteeinrichtung wird überprüft, ob eine Korrelation
zwischen dem Schwingungswert, welcher aus der Mess- und Übermittlungseinrichtung
am Werkzeug stammt, und dem Schwingungswert aus der zusätzlichen
Schwingungsmesseinheit besteht, welche der Empfangs- und Auswerteeinrichtung
zugeordnet ist.
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Mittels
der erfindungsgemäßen Vibrationsbestimmungseinrichtung
ist eine eindeutige Zuordnung zwischen der Mess- und Übermittlungseinrichtung
und der zugehörigen Empfangs- und Auswerteeinrichtung gegeben.
Dies hat insbesondere für den Fall Vorteile, dass der Schwingungswert
drahtlos, beispielsweise per Funk von der Mess- und Übermittlungseinrichtung
zur Empfangs- und Auswerte einrichtung übertragen wird.
Die Korrelation zwischen den Schwingungswerten einerseits in der
Mess- und Übermittlungseinrichtung und andererseits in
der Empfangs- und Auswerteeinrichtung andererseits stellt eine zweifelsfreie
Zuordnung sicher. Damit ist insbesondere gewährleistet,
dass der korrekte Schwingungswert in der Empfangs- und Auswerteeinrichtung
berücksichtigt wird, auch wenn auf engem Raum mehrere Werkzeuggeräte
gleichzeitig mit jeweils zugeordneten Mess- und Übermittlungseinrichtungen
in Betrieb sind, die jeweils Schwingungswerte aussenden. Die Gefahr,
dass versehentlich ein Schwingungswert von einem nicht der betreffenden Bedienperson
zugeordneten Werkzeug ausgewertet wird, ist ausgeschlossen oder
zumindest signifikant reduziert.
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Der
von der Mess- und Übertragungseinrichtung ermittelte Schwingungswert
wird in der Empfangs- und Auswerteeinrichtung einer Auswertung unterzogen.
Hierbei wird insbesondere die kumulative Schwingungsbelastung der
jeweiligen Bedienperson festgestellt, um eine unzulässige
Grenzwertüberschreitung zu vermeiden.
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Es
können grundsätzlich verschiedenartige Schwingungswerte übertragen
und ausgewertet werden. Beispielsweise können in der Mess-
und Übermittlungseinrichtung am Werkzeug sensorisch ermittelte
Schwingungen direkt übertragen und in der Empfangs- und
Auswerteeinrichtung mit gleichartigen Schwingungswerten, die in
der dortigen Schwingungsmesseinheit erfasst werden, verglichen werden.
Bei dieser Ausführung werden als Signale die Frequenz,
die Amplitude, die Phasenverschiebung sowie ggf. die Signalstärke
ausgetauscht und miteinander verglichen. Bei einer entsprechend
hohen Korrelation zwischen den Schwingungssignalen, welche vom Werkzeug
ausgehen, und den Schwingungssignalen, die in der weiteren Schwingungsmesseinheit der
Empfangs- und Auswerteeinrichtung ermittelt werden, kann in kumulativer
Weise ein Belastungskennwert in der Empfangs- und Auswerteeinrichtung ermittelt
werden. Es können eine oder mehrere der Kenngrößen
Signalstärke, Phasenverschiebung, Frequenz und Amplitude
berücksichtigt werden.
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Gemäß einer
weiteren zweckmäßigen Ausführung wird
als Schwingungswert jeweils nur der Beginn einer Vibrationsbelastung
bei in Betrieb genommenem Werkzeug berücksichtigt. In dieser
Ausführung wird sowohl über die Schwingungsmesseinheit der
Mess- und Übermittlungseinrichtung am Werkzeug als auch
in der Schwingungsmesseinheit in der Empfangs- und Auswerteeinrichtung
jeweils der Beginn einer Schwingungsbelastung festgestellt und aus
einem technisch bedingten zeitlichen Verzug zwischen dem Beginn
der jeweiligen Schwingungsbelastung auf eine Korrelation bzw. Zugehörigkeit
geschlossen. Die technisch bedingte zeitliche Verzögerung
betrifft vorzugsweise das in der Mess- und Übermittlungseinrichtung
aufgenommene Signal, wobei die Verzögerung beispielsweise
dadurch zustande kommt, dass nur in zyklischen, festgelegten Zeitabschnitten
ein Signal ermittelt wird. Beträgt der zeitliche Abstand
zwischen dem Beginn des Schwingungssignals in der Empfangs- und
Auswerteeinrichtung einerseits und dem Schwingungssignal in der Mess-
und Übermittlungseinrichtung andererseits ein definiertes
Maß, so ist von einer Korrelation auszugehen. Hierbei wird
insbesondere ein Zeitfenster festgelegt, innerhalb dem der zeitliche
Verzug liegen muss.
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Der
zeitliche Verzug kann auch dadurch bedingt sein, dass in der Mess-
und Übermittlungseinrichtung in einem elektrischen Speicherelement
Energie, die aus der Vibration der Werkzeugs herrührt, zwischengespeichert
wird und ein Schwingungswert erst übertragen wird, wenn
die gespeicherte und kumulierte Vibrationsenergie in Form elektrischer
Energie einen Grenzwert übersteigt. Schließlich
ist es auch möglich, nur für den Fall Schwingungswerte
zu übertragen, wenn die erzeugte Vibrationsenergie bzw.
-stärke in der Mess- und Übermittlungseinrichtung
einen Grenzwert überschreitet; in diesem Fall kann auf
ein Speicherelement verzichtet werden. In den vorgenannten Fällen
entsteht jeweils eine zeitliche Verzögerung, die einer
Zuordnung zwischen der jeweiligen Mess- und Übermittlungseinrichtung
mit der zugehörigen Empfangs- und Auswerteeinrichtung zu
Grunde gelegt wird.
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Die
vorgenannte Vorgehensweise hat darüber hinaus den Vorteil,
dass als Schwingungswert keine Vibrationen bzw. Schwingungen übertragen werden
müssen, sondern dass es grundsätzlich genügt,
als Schwingungswert einen werkzeugspezifischen oder ggf. auch betriebsartspezifischen
Vibrationskennwert zu übertragen. Über die Höhe
bzw. die Art des Vibrationskennwertes sowie die Zeitdauer der bestehenden
Schwingungen kann die individuelle Schwingungsbelastung kumulativ
ermittelt werden.
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Ungeachtet
der Art des jeweiligen, zwischen der Mess- und Übermittlungseinrichtung
und der Empfangs- und Auswerteeinrichtung zu übertragenden
Schwingungswertes wird die Schwingungsbelastung auch bei einem Wechsel
zwischen verschiedenen Werkzeugen kumuliert wiedergegeben.
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Grundsätzlich
möglich sind sowohl Ausführungen, bei denen gleichartige
Schwingungswerte in den jeweiligen Schwingungsmesseinheiten ermittelt und
in Korrelation miteinander gesetzt werden als auch Ausführungen
mit sich unterscheidenden Typen von Schwingungswerten, so weit eine
Korrelation gegeben ist. Ein sich unterscheidender Schwingungswerttyp
liegt beispielsweise dann vor, wenn in der Schwingungsmesseinheit
in der Empfangs- und Auswerteeinrichtung lediglich der Beginn einer
Schwingung registriert wird und der von der Mess- und Übermittlungseinrichtung
stammende Schwingungswert die typischen Schwingungsparameter wie
Frequenz, Amplitude, Phasenverschiebung oder Signalstärke wiedergibt.
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Die
Mess- und Übermittlungseinrichtung lässt sich
gemäß weiterer zweckmäßiger
Ausführung mit einer Stromversorgungseinheit kombinieren,
die aus den Schwingungen des Werkzeugs gespeist wird. In dieser
Ausführung (Energy Harvester) bezieht die Mess- und Übermittlungseinrichtung
die elektrische Energie aus den mechanischen Vibrationen und Schwingungen
des Werkzeugs und benötigt darüber hinaus vorteilhafterweise
keine zusätzliche elektrische Energie. Bei der Stromversorgungseinheit,
welche über die mechanischen Schwingungen gespeist wird,
handelt es sich insbesondere um ein Piezoelement, bei dem eine mechanische
Schwingung eine Spannung generiert. Diese elektrische Spannung kann
zum Aufladen einer Speichereinheit, insbesondere eines Kondensators,
ggf. auch eines Akkus benutzt werden. So bald die Speichereinheit mit
ausreichender elektrischer Energie versorgt ist, erfolgt die Übertragung
des Schwingungswerts; der Aufladezeitraum der Speichereinheit wird
hierbei als zeitliche Verzögerung in der Empfangs- und
Auswerteeinrichtung registriert. Die Dauer der Aufladung ist üblicherweise
ein werkzeugspezifischer Kennwert.
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Weitere
Vorteile und zweckmäßige Ausführungen
sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und
den Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung eines von einer Bedienperson gehaltenen
Handwerkzeuggerätes mit einer Vibrationsbestimmungseinrichtung zur
Ermittlung der Vibrationsbelastung der Bedienperson, bestehend aus
einer werkzeugseitigen Mess- und Übermittlungseinrichtung
und einer von der Bedienperson mitgeführten Empfangs- und
Auswerteeinrichtung,
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2 in
schematischer Darstellung eine Schaltung, welche Bestandteil der
Mess- und Übermittlungseinrichtung ist,
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3 bis 5 weitere
Schaltungsausführungen der Mess- und Übermittlungseinrichtung.
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In
den Figuren sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Wie 1 zu
entnehmen, wird die Handwerkzeugmaschine 2, beispielsweise
ein Bohrhammer, von einer Bedienperson 1 gehalten, die
während des Betriebs der Handwerkzeugmaschine Vibrationsbelastungen
ausgesetzt ist. Zur Ermittlung der Vibrationsbelastung dient eine
Vibrationsbestimmungseinrichtung 3, die zweiteilig aufgebaut
ist und eine Mess- und Übermittlungseinrichtung 4 an
der Handwerkzeugmaschine 2 sowie eine Empfangs- und Auswerteeinrichtung 5 umfasst,
welche von der Bedienperson 1 mitgeführt wird.
Die Einrichtungen 4 und 5 sind separat voneinander
ausgeführt und kommunizieren über Funkwellen 6 drahtlos
miteinander. Sowohl die Mess- und Übermittlungseinrichtung 4 als auch
die Empfangs- und Auswerteeinrichtung 5 weisen jeweils
eine Schwingungsmesseinheit zur Messung von Schwingungen auf, welche
im Betrieb von der Handwerkzeugmaschine 2 ausgehen.
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Die
Mess- und Übermittlungseinrichtung 4 ist zweckmäßigerweise
lösbar an dem Gehäuse der Handwerkzeugmaschine 2 befestigt,
beispielsweise mittels Magneten oder über ein formschlüssiges
Aufstecken oder dergleichen. Die Mess- und Übermittlungseinrichtung 4 ist
vorzugsweise energieautonom ausgeführt und nicht von der
Energieversorgung der Handwerkzeugmaschine 2 abhängig.
Die Energieversorgung der Mess- und Übermittlungseinrichtung 4 erfolgt
vorzugsweise über eine autonom arbeitende Stromversorgungseinheit,
welche bevorzugt elektrische Energie aus den Schwingungen der Handwerkzeugmaschine 2 generiert.
In Betracht kommt hierbei insbesondere eine Ausführung
der Stromversorgungseinheit als Piezoelement.
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Ergänzend
zur autonom arbeitenden Stromversorgungseinheit oder alternativ
hierzu kann die Stromversorgung auch über Batterien bzw.
Akkus durchgeführt werden. Grundsätzlich kommt
aber auch ein Anschluss an die elektrische Energieversorgung der
Handwerkzeugmaschine 2 in Betracht.
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Die
folgende Beschreibung der Figuren bezieht sich auf eine Ausführung
der Mess- und Übermittlungseinrichtung 4 mit einer
sich aus den Schwingungen des Werkzeugs speisenden, autark arbeitenden
Stromversorgungseinheit, welche bevorzugt als Piezoelement ausgeführt
ist.
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Zur
Ermittlung der Vibrationsbelastung bei zugleich eindeutiger Zuordnung
zwischen Mess- und Übermittlungseinrichtung 4 und
zugehöriger Empfangs- und Auswerteeinrichtung 5 werden
in den Schwingungsmesseinheiten sowohl in der Mess- und Übermittlungseinrichtung 4 als
auch in der Empfangs- und Auswerteeinrichtung 5 jeweils
Schwingungswerte ermittelt, wobei der Schwingungswert aus der Mess-
und Übermittlungseinrichtung 4 über die
Funkwellen 6 auf die Empfangs- und Auswerteeinrichtung 5 übertragen
und dort ausgewertet wird. Es stehen somit zwei über unabhängige
Schwingungsmesseinheiten ermittelte Schwingungswerte in der Empfangs-
und Auswerteeinrichtung 5 zur Verfügung, die gemäß einer
vorgegebenen Vorschrift in Beziehung zueinander gesetzt werden können.
Die Schwingungswerte korrelieren in einer vorgegebenen Weise miteinander,
was in der Empfangs- und Auswerteeinrichtung 5 festgestellt
werden kann. Damit ist eine korrekte Zuordnung zwischen den per Funkwellen 6 drahtlos übertragenen
Schwingungswerten aus der Mess- und Übermittlungseinrichtung 4 zur
Empfangs- und Auswerteeinrichtung 5 möglich, in
welcher eine kumulierte Vibrationsbelastung der Bedienperson 1 ermittelt
und zur Anzeige gebracht werden kann.
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In 2 ist
eine Schaltung 7 dargestellt, welche Bestandteil der Mess-
und Übermittlungseinrichtung 4 ist. Die Schaltung 7 umfasst
ein Piezoelement 8, das von den Schwingungen bzw. Vibrationen
der Handwerkzeugmaschine 2 in Schwingungen versetzt wird
und daraufhin nach dem Piezoeffekt eine elektrische Spannung generiert.
Die von dem Piezoelement 8 erzeugt elektrische Energie wird
zur Übertragung eines Schwingungswerts verwendet. Hierzu wird
zunächst in einem dem Piezoelement 8 nachgeschalteten
Gleichrichter 9 eine Gleichspannung generiert, über
die ein Kondensator 10 aufgeladen wird. Dem Kondensator 10 ist
ein Widerstand 11 parallel geschaltet, wobei über
die Kapazität des Kondensators 10 und den Entladewiderstand
des Widerstandes 11 einstellbar ist, ab welcher Vibrationseinwirkung
der Schwingungswert übertragen werden soll. Die Schaltung 7 weist
hierfür als spannungsgesteuertes Schaltungselement einen
Feldeffekttransistor 12 auf, der in einem elektrischen
Kreis mit einer Übertragungsspule 13 und einem
zugeordneten Übertragungsschaltkreis 14 liegt,
wobei die Übertragungsspule 13 und der Übertragungsschaltkreis 14 Teil
einer RFID-Schaltung (Radio Frequency Identification) sind. Mit
Erreichen einer bestimmten Schwellenspannung wird die RFID-Schaltung über
den Feldeffekttransistor 12 aktiv geschaltet, woraufhin über die Übertragungsspule 13 ein
Schwingungswert ausgelesen werden kann. Die Schaltung 7 gemäß 2 dient
somit dazu, mit dem Erreichen einer bestimmten Schwingungsintensität
einen Schwingungswert bereitzustellen. Dem Piezoelement 8 kommt
hierbei neben seiner Energie erzeugenden Funktion auch die Aufgabe
einer Schwingungsmesseinheit zu.
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Im
Ausführungsbeispiel gemäß 3 ist
im Vergleich zu 2 anstelle eines Übertragungsschaltkreises
ein Übertragungsmodul 15 vorgesehen, über
das abhängig von der erzeugten Energie ein Funksignal ausgesendet
wird, welches von der Mess- und Übermittlungseinrichtung 4 aufgefangen wird.
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Auch
im Ausführungsbeispiel gemäß 4 erfolgt
eine Übertragung eines ermittelten Schwingungswertes mithilfe
eines Übertragungsmoduls 15. Allerdings wird zunächst
in einem Speicherelement 16 ein der erzeugten Energie entsprechender Schwingungswert
zwischengespeichert, der zu einem späteren Zeitpunkt über
das Übertragungsmodul 15 ausgesendet wird.
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Im
Ausführungsbeispiel gemäß 5 wird über
eine entsprechende Schaltung in regelmäßigen Zeitabständen
eine Versorgungsspannung 17 für das Übertragungsmodul 15 generiert,
das in entsprechenden Zeitabständen ein Funksignal zur
Mess- und Übermittlungseinrichtung aussendet.
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Bei
den vorgenannten Ausführungen der Schaltungen, welche Bestandteil
der Mess- und Übermittlungseinrichtung 4 sind,
wird als Schwingungswert zweckmäßigerweise ein
werkzeugspezifischer, ggf. auch betriebsartspezifischer Vibrationskennwert übermittelt,
welcher für die jeweilige Handwerkzeugmaschine bzw. die
jeweilige Betriebsart der Handwerkzeugmaschine typisch ist. Der
Vibrationskennwert wird entweder unmittelbar aus der Handwerkzeugmaschine
ausgelesen und über die Mess- und Übermittlungseinrichtung übertragen,
wobei in diesem Fall eine entsprechende Kommunikationseinrichtung
zwischen einem Elektronikbauteil der Handwerkzeugmaschine und der
Mess- und Übermittlungseinrichtung 4 erforderlich
ist. Möglich ist es aber auch, einen Vibrationskennwert
aus der Art der in der Handerwerkzeugmaschine generierten Schwingungen
zu erzeugen, die über die Schwingungsmesseinheit in der
Mess- und Übermittlungseinrichtung 4 gemessen
werden.
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Die
Schwingungen bzw. Vibrationen der Handwerkzeugmaschine werden auch
in der Schwingungsmesseinheit registriert, die Bestandteil der Empfangs-
und Auswerteeinrichtung 5 ist, welche von der Bedienperson
mitgeführt wird. Aus der zeitlichen Verzögerung,
die zwischen dem Beginn einer registrierten Schwingung in der Empfangs-
und Auswerteeinrichtung und dem Beginn einer registrierten Schwingung
in der Mess- und Übermittlungseinrichtung auftritt, kann
auf die Zugehörigkeit zwischen Mess- und Übermittlungseinrichtung
und Empfangs- und Auswerteeinrichtung geschlossen werden. Die zeitliche
Verzögerung entsteht, wie in den 2 bis 5 beschrieben,
technisch bedingt durch eine zyklische Übertragung bzw.
Bereitstellung des Schwingungswerts oder durch eine Übertragung
bzw. Bereitstellung mit Erreichen eines Schwellenwerts hinsichtlich
der Stärke der Vibrationen oder durch Übertragung
bzw. Bereitstellung nach Erreichen eines bestimmten Energiepotenzial
bzw. Ladungszustandes im elektrischen Speicherelement.
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Diese
Zuordnung zwischen Mess- und Übermittlungseinrichtung und
Empfangs- und Auswerteeinrichtung mithilfe des zeitlichen Verzugs
erfolgt mit hinreichender Genauigkeit, indem ein Zeitfenster für den
Verzug definiert wird, das zwischen dem Beginn der jeweiligen Signale
liegen muss. Um Verwechslungen mit weiteren Mess- und Übermittlungseinrichtungen
in der Nähe der Empfangs- und Auswerteeinrichtung auszuschließen,
kann es jedoch zweckmäßig sein, ein zusätzliches
Korrelationskriterium zu berücksichtigen, beispielsweise
die Signalstärke, die Frequenz, die Amplitude oder die
Phasenverschiebung.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102007014894
A1 [0002, 0003]
