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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft Überwachungssysteme, insbesondere über mehrere Jahre energieautarke Überwachungssysteme zum Aufzeichnen von Krafteinwirkungen.
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Stand der Technik
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Die Überwachung von bewegten und festen Objekten, wie beispielsweise von Fahrzeugen und Gütern, gewinnt an Bedeutung, da Betreiber und Kunden dadurch ermitteln können, ob die Objekte ordnungsgemäß transportiert oder bewegt worden sind. Dies kann durch separat montierbare Überwachungssysteme realisiert werden.
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Die Funktion solcher Überwachungssysteme sollte nicht von einer externen Energieversorgung abhängen, wodurch sie manipulierbar wären. Daher sollten diese Überwachungssysteme energieautark ausgestaltet sein und zur Realisierung möglichst langer Wartungsintervalle bevorzugt mehrjährige Betriebsdauern aufweisen. Bisherige batteriebetriebene Überwachungssysteme weisen nur eine geringe Betriebsdauer von wenigen Monaten auf und sind daher für Langzeitüberwachungen weniger geeignet.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß ist ein Überwachungssystem gemäß Anspruch 1 sowie ein Verfahren zum Betreiben eines Überwachungssystems nach dem nebengeordneten Anspruch vorgesehen.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Gemäß einem ersten Aspekt ist ein autarkes Überwachungssystem zum Protokollieren einer Krafteinwirkung vorgesehen. Das Überwachungssystem umfasst:
- – einen Krafteinwirkungsdetektor zum Erzeugen mindestens eines elektrischen Impulses bei Auftreten der Krafteinwirkung;
- – einen Energiespeicher mit einem oder mehreren Speicherelementen zum Empfangen und Speichern der in dem elektrischen Impuls vorhandenen elektrischen Energie; und
- – eine Auswerteschaltung, die ausgebildet ist, um abhängig von dem Auftreten des elektrischen Impulses in einen Protokolliermodus versetzt zu werden und um im Protokolliermodus ein Speichern eines Zeitstempels zu veranlassen.
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Überwachungssysteme zum Überwachen von Krafteinwirkungen wie Stößen und Beschleunigungen sind insbesondere zum Überwachen von Gütern und beweglichen Objekten sinnvoll, wenn der ordnungsgemäße Transport der Güter bzw. der ordnungsgemäße Betrieb der beweglichen Objekte protokolliert werden soll. Überwachungssysteme haben dann die Aufgabe, Krafteinwirkungen aufzuzeichnen, die oberhalb eines bestimmten vorgegebenen Schwellenwerts liegen, da diese auf unsachgemäße Behandlung der Güter bzw. der beweglichen Objekte hinweisen können.
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Insbesondere für zuverlässige Langzeitüberwachungen ist es notwendig, dass ein Überwachungssystem möglichst energieautark ausgelegt ist. Bisherige Überwachungssysteme sehen den Betrieb mithilfe von Batterien vor, die jedoch mit der Zeit ihre Ladung verlieren und somit nur für Überwachungssysteme mit begrenzter Betriebsdauer geeignet sind.
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Eine Idee des obigen Überwachungssystems zum Überwachen des Auftretens von Stößen und Beschleunigungen eines Objektes besteht darin, die energieautarke Betriebsdauer deutlich zu erhöhen, indem die kinetische Energie, die aus den Stößen bzw. Beschleunigungen resultiert, in elektrische Energie umzuwandeln und diese für die Protokollierung der äußeren Krafteinwirkung zu verwenden. Durch die Nutzung einer zusätzlichen Energiequelle kann auf das Vorsehen einer zur Speicherung der aufzuzeichnenden Daten benötigten internen Energiequelle verzichtet werden.
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Weiterhin kann eine Uhreneinheit, insbesondere eine Uhreneinheit mit eigener Energiequelle, vorgesehen sein, um den Zeitstempel bereitzustellen.
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Gemäß einer Ausführungsform können der Krafteinwirkungsdetektor ein Piezoelement aufweisen und/oder der Energiespeicher ein kapazitives Speicherelement umfassen.
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Weiterhin kann ein Speichermodul vorgesehen sein, um den Zeitstempel im Protokolliermodus zu speichern.
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Es kann eine Ladungsmesseinheit vorgesehen sein, um eine Größe der in dem Energiespeicher gespeicherten Ladung als eine Ladungsangabe zu detektieren und die Ladungsangabe über die in dem Energiespeicher gespeicherte elektrische Ladung zugeordnet zu dementsprechenden Zeitstempel zu speichern.
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Insbesondere können mehrere Krafteinwirkungsdetektoren vorgesehen sein, die Massenelemente mit mindestens zwei verschiedenen Massen aufweisen und/oder die zur Detektion von mindestens zwei verschiedenen Raumrichtungen ausgelegt sind.
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Weiterhin kann der Energiespeicher mehrere Speicherelemente aufweisen, wobei ein Multiplexer vorgesehen ist, um bei einer Krafteinwirkung die Speicherelemente nacheinander in einer zeitlichen Abfolge für jeweils eine vorbestimmte Zeitdauer mit dem Krafteinwirkungsdetektor zu verbinden und wobei eine Ladungsmesseinheit ausgebildet ist, um im Protokolliermodus die Ladungsangaben der einzelnen Speicherelemente des Energiespeichers zu detektieren und eine entsprechende Ladungsangabe gemeinsam mit dem Zeitstempel zu speichern.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Verfahren zum Betreiben eines Überwachungssystems vorgesehen, wobei bei Empfangen eines elektrischen Impulses in einem Protokolliermodus ein Speichern eines Zeitstempels mithilfe der in dem elektrischen Impuls vorhandenen elektrischen Energie durchgeführt wird.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann bei Auftreten einer Krafteinwirkung ein elektrischer Impuls als Ladung aufeinander folgend in mehreren Speicherelementen gespeichert werden, so dass die in den Speicherelementen gespeicherte elektrische Ladung eine Angabe über einen Verlauf der Spannung des elektrischen Impulses angibt, wobei im Protokolliermodus zusätzlich zu dem Zeitstempel eine Ladungsangabe über die Ladung in den Speicherelementen zum Speichern bereitgestellt wird.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Überwachungssystems gemäß einer ersten Ausführungsform; und
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2 eine schematische Darstellung eines Überwachungssystems gemäß einer weiteren Ausführungsform.
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Beschreibung von Ausführungsformen
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Überwachungssystems 1, mit dem eine Krafteinwirkung detektiert und aufgezeichnet werden kann. Dazu weist das Überwachungssystem 1 ein Gehäuse 5 auf, das an einer Wand oder einer beliebigen Fläche des zu überwachenden Objekts angeordnet werden kann. Die Anbringung erfolgt vorzugsweise unmittelbar, d. h. ohne Dämpfung, so dass Krafteinwirkungen auf das zu überwachende Objekt ungedämpft in dem Inneren des Überwachungssystems 1 detektierbar sind.
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Das Überwachungssystem 1 weist eine Auswerteschaltung 2 auf, deren Energieversorgung ausschließlich über einen aufladbaren Energiespeicher 3 mit einem oder mehreren Speicherelementen 31, insbesondere einen kapazitiven Energiespeicher mit einem Kondensatorelement, erfolgt. Auch andere Möglichkeiten der Energiespeicherung sind denkbar, die einen hohen Wirkungsgrad und schnelle Energieaufnahmefähigkeit aufweisen.
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Der Energiespeicher 3 ist mit einem Krafteinwirkungsdetektor 4 verbunden, der ein Piezoelement 42 und ein daran angeordnetes Massenelement 41 aufweist. Das Massenelement 41 ist lediglich mit dem Piezoelement 42 gekoppelt, um bei Krafteinwirkungen auf das Gehäuse 5 des Überwachungssystems 1 eine aus der Beschleunigung des Überwachungssystems 1 resultierende Zug- oder Stauchkraft auf das Piezoelement 42 auszuüben. Das Piezoelement 42 ist angeordnet, um abhängig von der Zug- bzw. Stauchkraft eine elektrische Ladung zu erzeugen und diese über zwei Verbindungsleitungen 6 dem Energiespeicher 3 zuzuführen. Zur Erhöhung der von dem Piezoelement 42 abgegebenen Spannung kann dieses auch als Piezostapelanordnung mit mehreren aufeinander gestapelten piezoelektrischen Einzelelementen ausgebildet sein.
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In den Verbindungsleitungen 6 ist vorzugsweise ein Gleichrichter 7, beispielsweise in Form einer Gleichrichterdiode oder dergleichen, angeordnet, um dem Energiespeicher 3 nur Ladungen einer vorgegebenen Polarität zuzuführen. Bei einer Krafteinwirkung auf das Gehäuse 5 des Überwachungssystems 1 wird so ein elektrischer Spannungsimpuls erzeugt, dessen Halbwellen gleicher Polarität zum Aufladen des Energiespeichers 3 führen.
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Die Auswerteschaltung 2 befindet sich in ihrem Ausgangszustand in einem Schlafmodus, in dem die Auswerteschaltung 2 keine elektrische Energie aufnimmt. Der durch die Krafteinwirkung ausgeübte Spannungsimpuls dient zum Aufwecken der Auswerteschaltung 2, wodurch diese in einen Protokolliermodus versetzt wird. In dem Protokolliermodus führt die Auswerteschaltung 2 eine kurze Speicherung eines Zeitstempels in einem Speichermodul 8 durch. Der Zeitstempel wird von einer Uhreneinheit 9 bereitgestellt und stellt eine digitale Information über die laufende Uhrzeit und das Datum dar. Die elektrische Energie, die die Auswerteschaltung 2 benötigt, um den Zeitstempel von der Uhreneinheit 9 in das Speichermodul 8 zu speichern, wird aus dem Energiespeicher 3 entnommen.
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Um einen laufenden Zeitstempel durch die Uhreneinheit 9 zur Verfügung zu stellen, ist die Uhreneinheit 9 mit einer eigenen Energieversorgung in Form einer Uhrenbatterie 91 als Uhrenergiespeicher versehen. Uhrenbatterien 91 und Uhreneinheiten 9 können mit sehr niedrigem Energieverbrauch vorgesehen werden und es ist durchaus möglich, Uhrenbatterien 91 und Uhreneinheiten 9 zur Verfügung zu stellen, die eine Lebensdauer von zehn Jahren und mehr aufweisen, wenn die Uhrenbatterie 91 keine Ausgabeeinrichtung für die Anzeige der Uhrzeit versorgen muss. Um die autarke Betriebsdauer der Uhreneinheiten 9 nicht zu beeinträchtigen, ist es jedoch notwendig, die Energieversorgung für die Auswerteschaltung 2 nicht von der Uhrenbatterie 91, sondern lediglich von dem dafür vorgesehenen Energiespeicher 3 bereitzustellen. Mit anderen Worten sind der Uhrenergiespeicher und der Energiespeicher 3 voneinander getrennt und versorgen verschiedene Einheiten in dem Überwachungssystem 1.
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Das Speichermodul 8 ist als Permanentspeicher, wie beispielsweise als Flash-Speicher oder dergleichen, ausgebildet, um die durch die Auswerteschaltung 2 vorgesehene Speicherung des Zeitstempels dauerhaft zu gewährleisten.
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Zum Speichern des Zeitstempels sieht die Auswerteschaltung 2 vor, das Speichermodul 8 so anzusteuern, dass ein an einem Eingang des Speichermoduls 8 anliegendes Zeitstempeldatum der Uhreneinheit 9 in den jeweils nächsten freien Speicherplatz des Speichermoduls 8 übernommen wird.
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Die Auswerteschaltung 2 kann optional eine Ladungsmesseinheit 21 aufweisen, durch die in dem Energiespeicher 3 gespeicherte elektrische Ladung ermittelt wird. Die elektrische Ladung entspricht der aufgrund einer Krafteinwirkung im Piezoelement 42 erzeugten elektrischen Ladung und stellt ein Maß für die Stärke der Krafteinwirkung dar. Beispielsweise kann die Ladungsmesseinheit 21 einen Spannungsdetektor aufweisen, der die in dem Energiespeicher 3 gespeicherte elektrische Ladung anhand der dort anliegenden Spannung detektiert und eine entsprechende Ladungsangabe dem Zeitstempel zugeordnet im Protokolliermodus abspeichert.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann eine weitere elektrische Energiequelle 81 in Form einer Batterie für das Speichermodul 8 vorgesehen sein, um dort Auffrischvorgänge der in dem Speichermodul 8 gespeicherten Daten durchzuführen. Diese Auffrischvorgänge können in bestimmten Zeitabständen, die von der Uhreneinheit 9 signalisiert werden können, durchgeführt werden. Alternativ kann vorgesehen sein, anstelle der Uhrenbatterie 91 und der Speicherenergiequelle 81 eine gemeinsame Energiequelle für die Funktionen der Uhreneinheit 9 und des Speichermoduls 8 vorzusehen.
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Das Massenelement 41 des Krafteinwirkungsdetektors 4 kann dimensioniert werden, um das Ansprechverhalten bezüglich des Frequenzbereichs und der Amplitude einzustellen. Damit ist es möglich, eine vorgegebene Empfindlichkeit gegenüber bestimmten Arten von Beschleunigungen und Stößen einzustellen. Die Dimensionierung der Masse des Massenelements 41 steht in Relation zu einem Spannungsschwellenwert, der in der Auswerteschaltung 2 vorgegeben ist. Der Spannungsimpuls, der von dem Krafteinwirkungsdetektor 4 erzeugt wird, muss den Spannungsschwellenwert übersteigen, um die Auswerteschaltung 2 aufzuwecken. Die Empfindlichkeit des Überwachungssystems 1 ist somit durch die Masse des Massenelements 41, durch die Eigenschaften des Piezoelements 42 und durch den in der Auswerteschaltung 2 hinterlegten Spannungsschwellenwert bestimmt und kann durch ein Aufeinanderabstimmen des Massenelements 41, der Auswerteeinheit 2 und des Piezoelements 42 eingestellt werden.
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Zusätzlich oder anstelle des Speichermoduls 8 kann auch eine Sendeeinrichtung (nicht gezeigt) vorgesehen sein, die den Zeitstempel und optional die Ladungsangabe an eine extern vorgesehene Empfangseinrichtung sendet, wo die Zeitstempel und optional die Ladungsangaben gespeichert und/oder ausgewertet werden. Zusätzlich kann ein Identifikationscode, der in der Auswerteschaltung 2 vorgegeben ist, gesendet werden, damit die Empfangseinrichtung den Zeitstempel und die optional gesendete Ladungsangabe einem bestimmten Überwachungssystem zuordnen kann.
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Selbstverständlich ist es auch möglich, mehrere Krafteinwirkungsdetektoren 4 mit gleichen oder unterschiedlichen Massenelementen 41 und/oder mit gleichen oder unterschiedlich dimensionierten Piezoelementen 42 vorzusehen, die jeweils einen von mehreren Energiespeichern 3 mit elektrischer Energie aufladen. Beim Schreiben des Zeitstempels in das Speichermodul 8 (bzw. beim Senden des Zeitstempels) mithilfe der gesamten in den Energiespeichern 3 gespeicherten elektrischen Energie können dann die einzeln erfassten Ladungsangaben der mehreren Energiespeicher 3 gespeichert werden, um die Art der Krafteinwirkung näher analysieren zu können. Alternativ oder zusätzlich können auch Krafteinwirkungen in verschiedenen Raumrichtungen mit entsprechend ausgerichteten Krafteinwirkungsdetektoren detektiert werden.
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Das Überwachungssystem 1 weist eine geeignete (nicht gezeigte) Schnittstelle auf, mit der das Speichermodul 8 ausgelesen werden kann, um eine Auswertung der protokollierten Informationen durchzuführen.
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Wie in 2 anhand einer weiteren Ausführungsform des Überwachungssystems 1 dargestellt, kann alternativ oder zusätzlich zu der obigen Ausführungsvariante der Energiespeicher 3 mit mehreren einzeln schaltbaren Speicherelementen 31 ausgebildet sein. Das Schalten erfolgt mithilfe von Schaltern 32, die jeweils einem der Speicherelemente 31 zugeordnet sind. Die Schalter 32 werden mithilfe eines Multiplexers 10 angesteuert, wobei der Multiplexer 10 dazu mit elektrischer Energie aus einem ersten der Speicherelemente 31‘ versorgt wird. Dazu ist das erste Speicherelement 31‘ permanent mit dem Multiplexer 10 verbunden, damit diesem ausreichend elektrische Energie für Schaltvorgänge zur Verfügung steht.
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Der erste Energiespeicher 31‘ ist während des Schlafmodus über einen geschlossenen Schalter 32 mit den Verbindungsleitungen 6 verbunden während die Schalter 32 der übrigen Speicherelemente 31 geöffnet sind. Das heißt der dem ersten Speicherelement 31‘ zugeordnete Schalter 32 ist geschlossen und wird nur beim Verlassen des Schlafmodus geöffnet, wenn ein weiterer der Schalter geschlossen wird.
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Die Ansteuerung der Schalter 32 wird durch den Multiplexer 10 gestartet, sobald dieser angestoßen durch den von dem Krafteinwirkungsdetektor 4 erhaltenen Spannungsimpuls den Schlafmodus verlässt und in einen Speichermodus versetzt wird. Die elektrische Energie für die Durchführung der Abfolge von Schaltvorgängen bezieht der Multiplexer 10 von dem ersten Speicherelement 31'. Diese Energie wird durch den Multiplexer 10 genutzt, um unmittelbar auf den Spannungsimpuls folgend den dem ersten Speicherelement 31‘ zugeordneten Schalter 32 zu öffnen und nacheinander die Schalter 32 der übrigen Speicherelemente 31 in zeitlicher Abfolge für eine vorbestimmten Zeitdauer mit dem Krafteinwirkungsdetektor 4 zu verbinden, um so einen zeitlichen Verlauf der Krafteinwirkung in Form von Ladungen in den Speicherelementen 31 aufzuzeichnen. Durch das nacheinander erfolgende Verbinden der Speicherelemente 31 mit dem Krafteinwirkungsdetektor 4 lässt sich also der Verlauf der Krafteinwirkung ermitteln, da die in den Speicherelementen 31 gespeicherte Ladung von der Stärke der Krafteinwirkung auf den Krafteinwirkungsdetektor 4 abhängt.
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Erst nachdem die von dem Multiplexer 10 vorgesehene Abfolge von Speicherelementen 31 geladen worden ist, wird die Auswerteschaltung 2 von dem Multiplexer 10 geweckt, d. h. in den Protokolliermodus versetzt. Nun steuert die Auswerteeinheit 2 die Schalter 32 an, um nacheinander die Ladungen der einzelnen Speicherelemente 31 durch die Ladungsmesseinheit 21 zu bestimmen und die entsprechenden Ladungsangaben in dem Speichermodul 8 gemeinsam mit dem von der Uhreneinheit 9 bereitgestellten Zeitstempel zu speichern (bzw. zu senden).
