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Die Erfindung betrifft ein Verfahren mit einem Testobjekt zur Entdeckung und Ermittlung von Potentialen zur Energiegewinnung für Energy-Harvester in einem bestehenden Umfeld.
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Ladungsvorrichtungen für Logistiksysteme gibt es in vielfältigen Ausgestaltungen. So ist zum Beispiel aus
DE 10 2008 013 163 A1 eine Ladungsvorrichtung für dezentrale Logistiksysteme bekannt, die einen Aufnahmebereich für zu transportierende und/oder zu verpackende Güter aufweist und mit einer Mehrzahl von elektronischen Bauteilen ausgerüstet ist. Problematisch bei der Verwendung solcher Ladungsvorrichtungen ist bisher die Energieversorgung: So sind Lösungen mit Akkus aufgrund der großen Anzahl von Ladungsvorrichtungen in einem Lager (schon bei einem kleinen Lager mehr als 10.000) nicht Praktikabel und aufgrund des Wartungsaufwandes unwirtschaftlich. Aus diesem Grunde besteht das Bestreben, solche Ladungsvorrichtungen energieautark zu betreiben. Seit mehreren Jahren existieren sogenannte Energy-Harvester, die es ermöglichen, aus den Umwelteinflüssen Energie zu gewinnen. Leider ist es jedoch nicht möglich, vor der Montage eines Energy-Harvesters an einer Ladungsvorrichtung Aussagen darüber zu treffen, ob dieser Energy-Harvester auch genügend Energie liefern kann. In der Druckschrift
US 2010/0271199 A1 sind ein System und ein Verfahren zur Langzeit-Zustandsüberwachung von Strukturen beschrieben, die auf einer Verwendung von autonomen Sensormodulen basieren. Die autonomen Sensormodule können hierbei eine Reihe von Sensoren für eine Messung eines Zustands der zu überwachenden Struktur und zusätzlich einen nichtflüchtigen Speicher, eine drahtlose Datenübertragungseinheit, einen Controller, eine Taktschaltung, eine Batterie, eine Energy-Harvesting-Vorrichtung und eine Power-Management-Einheit aufweisen. In der Druckschrift
DE 10 2008 053 200 A1 ist eine Vorrichtung zur Überwachung der Lagerung und des Transports von durch Umwelteinflüsse sich ändernden Gütern beschrieben. Diese Vorrichtung umfasst eine digitale Logik mit Datenspeicher, mehrere Sensoren zur Messung unterschiedlicher Lager- und Transportbedingungen, eine Sende- und Empfangseinrichtung für die Nahfeldkommunikation mit mindestens einer als Spule ausgebildeten Antenne und nachgeschaltetem Schaltkreis zum Senden und Empfangen, einen aufladbaren Energiespeicher sowie eine bistabile Anzeige. Diese Bauelemente sind zur Bildung einer flachen Einheit auf einem Schaltungsträger angeordnet. Die digitale Logik nimmt abhängig von den Sensorsignalen eine den Zustand der Güter betreffende Auswertung vor, deren Ergebnis an die bistabile Anzeige lieferbar ist.
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Gegenwärtig werden Energy-Harvester für Ladungsvorrichtungen nach einer empirischen Auswahl (Trial and Error) verwendet, d. h. es wird ein Harvester anhand einer Anwendung ausprobiert. Bei guter Beleuchtung wird zum Beispiel ein Solar-Harvester getestet, bei häufig vibrierenden Ladungsvorrichtungen ein Vibrations-Harvester. Falls sich herausstellt, dass vom Harvester in der jeweiligen Applikation nicht genügend Energie geliefert werden kann, obliegt es dem Anwender, wie er weiter verfährt. Dieser kann den Harvester dann an einer anderen Stelle einsetzen, einen leistungsfähigeren Harvester oder eine andere Harvester-Art verwenden, z. B. einen Thermo-Harvester. Damit ist der Erfolg des Einsetzens von Harvestern von der Erfahrung und Fähigkeit des Anwenders abhängig.
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Aufgabe der Erfindung ist es deshalb eine Lösung zu schaffen, mit der ein bestehendes Umfeld bzw. eine bestehende Umgebung im Hinblick auf die geeignete Anwendung von Energy-Harvestern untersucht und ausgewertet werden kann.
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Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs bezeichneten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass wenigstens ein Testobjekt bereit gestellt wird, welches mit verschiedenen Sensoren zur Erfassung von für die Energiegewinnung durch Energy-Harvester relevanten physikalischen Größen, einem Microcontroller und einer Kommunikationsschnittstelle zur online- und/oder offline-Kommunikation mit einer zentralen Datenverarbeitungseinheit ausgerüstet ist, wobei das wenigstens eine Testobjekt in der Datenverarbeitungseinheit erfasst und im bestehenden Umfeld ausgesetzt und in diesem bewegt bzw. transportiert wird, wobei von den Sensoren über einen vorgegebenen Testzeitraum die von diesen erfassbaren physikalischen Daten ermittelt und an die zentrale Datenverarbeitungseinheit übermittelt und von dieser hinsichtlich der im Umfeld verfüg-baren Energiegewinnungspotentiale für Energy-Harvester ausgewertet werden.
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Erfindungsgemäß wird somit ein Verfahren zur Verfügung gestellt, das eine systematische Auswertung von Energiepotentialen für Energy-Harvester in einem bestehenden Umfeld zur Verfügung stellt. Dieses Umfeld kann z. B. ein Materialflusssystem (z. B. ein Lager mit Rollen- oder Bandförderern), aber auch ein räumlich wesentlich größeres Umfeld sein, z. B. eine Gegend in der sich Personen oder Tiere bewegen, die z. B. zum Wiederauffinden mit einem GPS-Halsband oder -Armband ausgerüstet sind, welches eine Energieversorgung durch einen Energy-Harvester bedarf. Darüber hinaus kann es sich auch um ein noch größeres Umfeld handeln, z. B. ein solches, welches von Postpaketen vom Startort zum Zielort durchquert wird. Wesentlich ist, dass nicht Energy-Harvester selbst ausprobiert werden, sondern wenigstens ein Testobjekt verwandt wird, welches dem jeweiligen Einsatzzweck entsprechend gestaltet ist, z. B. als Lagerbehälter, als Postpaket oder als Hals- oder Armband. Dieses Testobjekt ist mit verschiedenen Sensoren ausgerüstet, welche physikalische Größen erfassen können, die für die Energiegewinnung durch Energy-Harvester relevant sind. Ein solches Testobjekt wird dann im bestehenden Umfeld ausgesetzt und so bewegt bzw. transportiert wie dasjenige Objekt, das später mit einem geeigneten Energy-Harvester ausgerüstet werden soll.
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Nach der Positionierung des Testobjektes in dem bestehenden Umfeld wird von der Datenverarbeitungseinheit, z. B. einem PC oder Laptop, eine Kommunikationsverbindung aufgebaut und durch eine in der Datenverarbeitungseinheit laufende Software werden umgebungsspezifische Parameter und Materialkonstanten eingestellt, mit denen später die erzeugte Leistung ermittelt werden kann. Solche Parameter bei der Erfassung des Testobjektes können z. B. die Masse des Testobjektes und des Transportgutes, die Beleuchtungsart (Tageslicht, Leuchtstoffröhren, usw.), Materialkonstanten, wie spezifischer Wärmewiderstand, usw. sein. Nach dieser Parametrierungsphase wird das jeweilige Testobjekt von der Software der Datenverarbeitungseinheit selektiert und die Messungen durch die Sensoren werden gestartet. Diese Messungen werden über einen vorgegebenen Testzeitraum durchgeführt, z. B. solange, wie sich eine Ladungsvorrichtung in einem Materialflusssystem üblicherweise bewegt, und die Messdaten werden unmittelbar online oder am Ende des Testzeitraums offline mit Hilfe eines (transportablem) Speichermediums in die Datenverarbeitungseinheit übertragen. Von der Datenverarbeitungseinheit werden anschließend die Sensorwerte ausgewertet und anhand physikalischer Zusammenhänge und der eingangs eingestellten Parameter wird die Leistung, die das jeweilige bestehende Umfeld zur Verfügung stellt, ermittelt. Daraus lässt sich die kombinierte Leistung des Umfeldes (Energiepotentiale) ermitteln, welche die theoretisch verfügbare Leistung des jeweiligen Umfeldes darstellt. Anschließend wird anhand bekannter Wirkungsgrade handelsüblicher Energy-Harvester die Leistung berechnet, die dem System entnommen werden kann. Anhand dieser Werte kann systematisch ein geeigneter Harvestertyp für das vermessene bestehende Umfeld ausgewählt werden.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass bei der Erfassung des jeweiligen Testobjektes von der Datenverarbeitungseinheit für das Umfeld und das Testobjekt spezifische Parameter abgespeichert werden. Ferner ist es vorgesehen, dass bei der Erfassung des jeweiligen Testobjektes von der Datenverarbeitungseinheit eine online-Verbindung, insbesondere eine Funkverbindung mit dem jeweiligen Testobjekt aufgebaut wird.
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Die Übermittlung der Sensordaten von den einzelnen Testobjekten zu der Datenverarbeitungseinheit kann in Abhängigkeit von den jeweiligen Gegebenheiten und insbesondere der Erstreckung des bestehenden zu vermessenden Umfeldes auf unterschiedliche Weise geschehen.
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Nach einer ersten bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Übermittlung der Sensordaten vom jeweiligen Testobjekt zur Datenverarbeitungseinheit online, insbesondere über eine Funkverbindung, erfolgt. Eine solche online-Übermittlung bietet sich dann an, wenn das Umfeld eine überschaubare Erstreckung aufweist, z. B. in einem bestehenden Materialflusssystem. Bei einer solchen online-Datenübermittlung kann selbstverständlich auch die Auswertung der Datenverarbeitungseinheit unmittelbar erfolgen.
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Alternativ kann auch vorgesehen sein, dass die jeweiligen Sensordaten in einem Speicher des Testobjektes gespeichert und offline zur Datenverarbeitungseinheit übermittelt werden. Diese Lösung ist insbesondere dann vorgesehen, wenn das bestehende Umfeld eine sehr große Erstreckung aufweist, d. h. wenn das Testobjekt z. B. ein Postpaket ist, das von einem Start- zu einem Zielort transportiert wird, oder wenn das Testobjekt ein GPS-Hals- oder Armband ist, welches von einem Lebewesen getragen wird.
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Wenn das bestehende Umfeld zwar eine etwas größere Erstreckung aufweist, aber noch eine online Datenübermittlung ermöglicht, ist in weiterer Ausgestaltung bevorzugt vorgesehen, dass die online-Kommunikation zwischen der Datenverarbeitungseinheit und dem Testobjekten über wenigstens einen stationären Knoten erfolgt, welcher mit einem Controller, einer Kommunikationsschnittstelle zur online-Kommunikation mit der Datenverarbeitungseinheit und einer Kommunikationsschnittstelle zur online-Kommunikation mit den zugeordneten Testobjekten ausgerüstet ist. Die einzelnen Testobjekte kommunizieren dann nicht direkt mit der Datenverarbeitungseinheit, sondern über den zugeordneten verschiedenen Stellen des Umfeldes positioniert, die jeweils mit einem Teil der Testobjekte kommunizieren.
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Bei üblichen Anwendungen ist vorgesehen, dass das jeweilige Testobjekt einen Temperatur- und/oder Beschleunigungs- und/oder Lichtintensitätssensor aufweist. Bei Verfügbarkeit anderer Energy-Harvester, die Energie aus anderen Energiepotentialen entnehmen können, werden dementsprechend auch andere Sensoren eingesetzt.
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Die Erfindung betrifft auch ein Testobjekt zur Entdeckung und Ermittlung von Potentialen zur Energiegewinnung für Energy-Harvester in einem bestehenden Umfeld, das sich dadurch auszeichnet, dass es verschiedene Sensoren zur Erfassung von für die Energiegewinnung durch Energy-Harvester relevanten physikalischen Größen, einen Microcontroller und eine Kommunikationsschnittstelle zur online- und/oder offline-Kommunikation mit einer zentralen Datenverarbeitungseinheit aufweist, wobei das Testobjekt in der Datenverarbeitungseinheit erfassbar und im bestehenden Umfeld aussetzbar und in diesem beweg- bzw. transportierbar ist, wobei von den Sensoren über einen vorgegebenen Testzeitraum die von diesen erfassbaren physikalischen Daten ermittelbar und an die zentrale Datenverarbeitungseinheit übermittelbar und von dieser hinsichtlich der im Umfeld verfügbaren Energiegewinnungspotentiale für Energy-Harvester auswertbar sind.
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Dabei ist bevorzugt vorgesehen, dass bei der Erfassung des Testobjektes von der Datenverarbeitungseinheit für das Umfeld und das Testobjekt spezifische Parameter abspeicherbar sind.
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Die Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung beispielhaft näher erläutert. Diese zeigt in
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1 ein Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens,
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2 eine prinzipielle Darstellung eines bestehenden Umfeldes anhand eines Transport-/Materialflusssystems,
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3 eine Prinzipdarstellung einer Datenverarbeitungseinheit,
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4 eine Prinzipdarstellung eines stationären Knotens und
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5 eine Prinzipdarstellung eines Testobjektes.
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Entdeckung und Ermittlung von Potentialen zur Energiegewinnung für Energy-Harvester in einem bestehenden Umfeld, welches in 2 beispielhaft anhand eines allgemein mit 6 bezeichneten Transport-/Materialflusssystem dargestellt ist. Das in 2 dargestellte System zur Durchführung des Verfahrens weist im dargestellten Ausführungsbeispiel eine Datenverarbeitungseinheit 1 auf, welche über Kommunikationsleitungen 5 mit mehreren stationären Knoten 2 verbunden ist. Diese stationären Knoten 2 sind optional, sie können auch ganz entfallen.
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Die stationären Knoten 2 oder die Datenverarbeitungseinheit 1 stehen unmittelbar über mit 4 angedeutete Funkverbindungen mit einzelnen Testobjekten 3 in Kommunikationsverbindung. Diese Testobjekte 3 sind im bestehenden Umfeld (Transport-/Materialflusssystem) 6 ausgesetzt.
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Die einzelnen Systembestandteile sind in den 3 bis 5 detaillierter dargestellt.
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Die Datenverarbeitungseinheit 1 (3) beinhaltet einen mit 1a bezeichneten Computer (PC, Laptop oder dgl.), eine Auswerte-Software 1b und eine Kommunikationsschnittstelle 1c.
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Der jeweilige stationäre Knoten 2 beinhaltet gemäß 4 eine Kommunikationsschnittstelle 2a, die mit der Kommunikationsschnittstelle 1c der Datenverarbeitungseinheit 1 kommunizieren kann, einen Controller 2b und eine Funkschnittstelle 2c.
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Das jeweilige Testobjekt 3 ist in 5 dargestellt. Es ist bei Einsatz in einem Materialflusssystem z. B. als Transportbehältnis ausgebildet und in Analogie zum stationären Knoten 2 gemäß 4 mit einem mit 3a bezeichneten mobilen Knoten ausgerüstet, der mehrere Sensoren aufweist, z. B. einen Temperatursensor 3b, einen Beschleunigungssensor 3c und einen Lichtintensitätssensor 3d. Des Weiteren sind weitere Sensorschnittstellen 3e vorgesehen. Ferner weist das Testobjekt 3 eine Funkschnittstelle 3f und einen Microcontroller 3g auf.
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Das System kann je nach Größe des bestehenden Umfeldes (Transport-/Materialflusssystem) 6 eine Vielzahl von stationären Knoten 2 und Testobjekten 3 aufweisen. Wenn das bestehende Umfeld räumlich sehr klein ist, kann wie erwähnt, auf die stationären Knoten 2 auch ganz verzichtet werden.
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Das vorstehend beschriebene System eignet sich zur Entdeckung und Ermittlung von Potentialen zur Energiegewinnung in einem Materialflusssystem. Der Verfahrensablauf in einem solchen System wird nachfolgend beschrieben:
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Beispiel 1:
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Ein oder mehrere Testobjekte 3 werden bereitgestellt, und zwar mit den Komponenten, die in 5 dargestellt sind. Das Testobjekt ist bei einem Materialflusssystem z. B. ein üblicher Transportbehälter, der zusätzlich mit den in 5 dargestellten Komponenten 3a bis 3f ausgerüstet wird (Position A in 1).
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Die Sensoren können z. B. die Temperaturdifferenz, die Lichtintensität, die Vibration, usw. erfassen. Die Testobjekte 3 werden anschließend in ein bestehendes Umfeld, nämlich beim Ausführungsbeispiel nach 2 in ein laufendes Materialflusssystem eingeschleust (z. B. in ein Lager mit Rollen- oder Bandförderern), dies ist in 1 mit Position B bezeichnet. Anschließend stellt die Datenverarbeitungseinheit 1 direkt oder über den zugeordneten stationären Knoten 2 eine Verbindung zum jeweiligen Testobjekt 3 her und baut mit diesem ein Funknetzwerk auf. Durch eine in der Datenverarbeitungseinheit 1 laufende Software werden umgebungsspezifische Parameter und Materialkonstanten eingestellt, mit denen später eine Ermittlung der erzeugten Leistung erfolgt. Parameter können die folgenden sein: Masse des Testobjektes 3 und des Transportguts, Beleuchtungsart (Tageslicht, Leuchtstoffröhren, usw.), Materialkonstanten, wie spezifischer Wärmewiderstand, usw. (Position B in 1).
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Nach der Parametrierungsphase werden die Testobjekte 3 von der Datenverarbeitungseinheit 1 oder einem Bediener der Datenverarbeitungseinheit 1 in der Software selektiert und die Messung wird unabhängig voneinander separat durchgeführt. Die Testobjekte 3 bewegen sich in diesem Zustand wie eine normale Ladungsvorrichtung im bestehenden Umfeld 6. Nach dem Starten der Messung bzw. Messungen (Position C in 1) transferieren die Testobjekte die durch die Sensoren erfassten Werte zur Datenverarbeitungseinheit 1. Die in der Datenverarbeitungseinheit 1 laufende Software wertet die Sensorwerte online aus und berechnet anhand physikalischer Zusammenhänge und der durch den Bediener eingegebenen Parameter die Leistung, welche die Umgebung zur Verfügung stellt. Diese wird in textueller und grafischer Form visualisiert (Position D in 1). Nach dem Stoppen der Messung erfolgen die Gesamtauswertung der Leistungsberechnung und die Ausgabe der kumulierten Leistung (Energiepotential). Die kumulierte Leistung stellt die theoretisch verfügbare Leistung dar (Position E in 1).
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Anschließend wird anhand der bekannten Wirkungsgrade handelsübliche Energy-Harvester die Leistung berechnet, die dem bestehenden Umfeld entnommen (”geerntet”) werden kann. Anhand dieser Werte kann systematisch ein geeigneter Energy-Harvester für das bestehende Materialflusssystem ausgewählt werden (Position F in 1).
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Das in dem vorgenannten Beispiel dargestellte Verfahren lässt sich vollständig online durchführen, d. h. mit einer ständigen Kommunikation zwischen der Datenverarbeitungseinheit 1 und den Testobjekten 3. Bei räumlich weiter erstreckten bestehenden Umfeldern kann aber auch ein offline-Verfahren eingesetzt werden, das nachfolgend anhand von zwei weiteren Beispielen beschrieben wird.
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Beispiel 2:
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In diesem Beispiel wird ein Verfahren zur Entdeckung und Ermittlung von Potentialen zur Energiegewinnung in einem Postpaket dargestellt. Dafür werden mehrere Testobjekte in Form von Paketen bereit gestellt (Position A nach 1), die mit den Komponenten nach 5 ausgerüstet sind. Die Sensoren können z. B. die Temperaturdifferenz, Vibration, usw. erfassen. Anschließend stellt die Datenverarbeitungseinheit 1 oder ein zwischen geschalteter stationärer Knoten 2 zu dem jeweiligen Testobjekt 3 eine Verbindung her und baut mit diesem ein Funknetzwerk auf. Durch eine in der Datenverarbeitungseinheit 1 laufende Software werden umgebungsspezifische Parameter und Materialkonstanten eingestellt, mit denen später eine Berechnung der erzeugten Leistung erfolgt. Parameter können folgende sein: Masse des Testobjektes 3 (Postpakets), des Transportguts und Materialkonstanten, wie spezifischer Wärmewiderstand, usw. (Position B in 1).
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Nach der Parametrierungsphase werden die Testobjekte 3 in Form von Paketen vom Startort zum Zielort versendet (Position C in 1).
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Nach dem Starten der Messung bzw. der Messungen speichern die Testobjekte 3 die durch die Sensoren erfassten Werte auf ein internes Speichermedium, welches in 5 nicht dargestellt ist (Position D in 1). Nach dem Eintreffen am Zielort wird die Messung beendet (Position E in 1), die Daten werden von dem Speichermedium auf die Datenverarbeitungseinheit 1 übertragen und durch die Auswerte-Software anhand physikalischer Zusammenhänge und der durch den Bediener eingegebenen Parameter ausgewertet.
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Die Leistung, die das bestehende Umfeld auf dem Wege des Testobjektes 3 (Postpakets) zur Verfügung stellt, kann so offline für die vom Testobjekt 3 zurückgelegte Strecke berechnet werden. Diese wird in textueller und in grafischer Form visualisiert. Es folgt die Gesamtauswertung der Leistungsberechnung und die Ausgabe der kumulierten Leistung (Energiepotentiale). Diese kumulierte Leistung stellt die theoretisch verfügbare Leistung dar (Position E in 1).
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Anschließend wird anhand der bekannten Wirkungsgrade handelsübliche Energy-Harvester wiederum die Leistung berechnet, die während der Paketlaufzeit entnommen (”geerntet”) werden kann. Anhand dieser Werte kann systematisch ein geeigneter Energy-Harvester für die vermessende Strecke (bestehendes Umfeld) ausgewählt werden (Position F in 1).
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Beispiel 3:
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Dieses Beispiel beschreibt ein Verfahren zur Entdeckung und Ermittlung von Potentialen für Energy-Harvester, die für GPS-Hals- oder Armbänder eingesetzt werden sollen. Als Testobjekt 3 wird ein Probehals- oder Armband eingesetzt, das mit den in 5 dargestellten Komponenten ausgerüstet ist.
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Die Sensoren können in diesem Beispiel die Temperaturdifferenz, die Lichtintensität, die Vibration, usw. erfassen (Position A in 1). Eine Datenverarbeitungseinheit 1 stellt zu dem Testobjekt 3 eine Verbindung her. Durch die in der Datenverarbeitung laufende Software werden umgebungsspezifische Parameter und Materialkonstanten eingestellt, mit denen später eine Berechnung der erzeugten Leistung erfolgt. Parameter können die Masse des Testobjektes (Probehalsbandes), des Probanden (Tier oder Mensch) und Materialkonstanten, wie spezifischer Wärmewiderstand, usw. sein (Position B in 1).
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Nach der Parametrierungsphase wird das Testobjekt 3 in Form eines Halsbandes oder Armbandes dem Tier oder einer zu überwachenden Person umgelegt (Position B in 1).
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Nach dem Starten der Messung (Position C in 1) speichert das Testobjekt 3 die durch die Sensoren erfassten Werte auf ein internes Speichermedium (Position C in 1). Der Proband bewegt sich im Folgenden für eine bestimmte Zeit in einem zu untersuchenden bestehenden Umfeld (Territorium). Nach dem Entfernen des Speichermediums werden die Daten in die Datenverarbeitungseinheit 1 übertragen (Position D in 1) und durch die Auswerte-Software anhand physikalischer Zusammenhänge und der durch den Bediener eingegebenen Parameter ausgewertet (Position E in 1).
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Die Leistung, die die Umgebung und der Proband zur Verfügung stellen, kann so offline berechnet werden. Diese wird in textueller und in grafischer Form visualisiert. Es folgt die Gesamtauswertung der Leistungsberechnung und die Ausgabe der kumulierten Leistung (Energiepotentiale), welche die theoretisch verfügbare Leistung darstellt (Position E in 1). Anschließend wird anhand der bekannten Wirkungsgrade handelsüblicher Energy-Harvester die Leistung berechnet, die während der Aktivitätsphase entnommen (”geerntet) werden kann. Anhand dieser Werte kann systematisch ein geeigneter Energy-Harvester für die beschriebene Anwendung ausgewählt werden (Position F in 1).
