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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Gebiet der Erfindung
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Diese Erfindung betrifft allgemein ein System zur Überwachung schlecht arbeitender Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstapel und insbesondere ein System zur Überwachung schlecht arbeitender Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstapel, bei dem das System Sensoren zur Detektion eines gewissen Zustandes der Brennstoffzellen, wie Spannungssensoren, aufweist, und wo das erfasste Signal als ein Oszillator wirkt, dessen Oszillationsfrequenz durch den Schweregrad des erfassten Zustandes bestimmt ist.
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2. Diskussion der verwandten Technik
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Wasserstoff ist ein sehr attraktiver Brennstoff, da er sauber ist und dazu verwendet werden kann, effizient Elektrizität in einer Brennstoffzelle zu erzeugen. Eine Wasserstoff-Brennstoffzelle ist eine elektrochemische Vorrichtung, die eine Anode und eine Kathode mit einem Elektrolyt dazwischen aufweist. Die Anode nimmt Wasserstoffgas auf, und die Kathode nimmt Sauerstoff oder Luft auf. Das Wasserstoffgas wird in der Anode aufgespalten, um freie Protonen und Elektronen zu erzeugen. Die Protonen gelangen durch den Elektrolyt zu der Kathode. Die Protonen reagieren mit dem Sauerstoff und den Elektronen in der Kathode, um Wasser zu erzeugen. Die Elektronen von der Anode können nicht durch den Elektrolyt gelangen und werden somit durch eine Last geführt, in der sie Arbeit verrichten, bevor sie an die Kathode geliefert werden.
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Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEMFC) stellen eine populäre Brennstoffzelle für Fahrzeuge dar. Die PEMFC weist allgemein eine protonenleitende Festpolymerelektrolytmembran auf, wie eine Perfluorsulfonsäuremembran. Die Anode und die Kathode weisen typischerweise fein geteilte katalytische Partikel auf, gewöhnlich Platin (Pt), die auf Kohlenstoffpartikeln geträgert und mit einem Ionomer gemischt sind. Die katalytische Mischung wird auf entgegengesetzten Seiten der Membran aufgetragen. Die Kombination der katalytischen Anodenmischung, der katalytischen Kathodenmischung und der Membran definiert eine Membranelektrodenanordnung (MEA). MEAs sind relativ teuer herzustellen und erfordern bestimmte Bedingungen für einen effektiven Betrieb.
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Typischerweise werden mehrere Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstapel durch serielle Kopplung kombiniert, um die gewünschte Leistung zu erzeugen. Beispielsweise kann ein typischer Brennstoffzellenstapel für ein Fahrzeug zweihundert oder mehr gestapelte Brennstoffzellen aufweisen. Der Brennstoffzellenstapel nimmt ein Kathodeneingangsreaktandengas, typischerweise eine Luftströmung auf, die durch den Stapel über einen Verdichter bzw. Kompressor getrieben wird. Es wird nicht der gesamte Sauerstoff von dem Stapel verbraucht, und ein Teil der Luft wird als ein Kathodenabgas ausgegeben, das Wasser als ein Stapelnebenprodukt enthalten kann. Der Brennstoffzellenstapel nimmt auch ein Anodenwasserstoffreaktandengas auf, das in die Anodenseite des Stapels strömt. Der Stapel weist auch Strömungskanäle auf, durch die ein Kühlfluid strömt.
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Der Brennstoffzellenstapel weist eine Serie von bipolaren Platten auf, die zwischen den verschiedenen MEAs in dem Stapel positioniert sind, wobei die bipolaren Platten und die MEAs zwischen den zwei Endplatten positioniert sind. Die bipolaren Platten weisen eine Anodenseite und eine Kathodenseite für benachbarte Brennstoffzellen in dem Stapel auf. An der Anodenseite der bipolaren Platten sind Anodengasströmungskanäle vorgesehen, die ermöglichen, dass das Anodenreaktandengas an die jeweilige MEA strömen kann. An der Kathodenseite der bipolaren Platten sind Kathodengasströmungskanäle vorgesehen, die ermöglichen, dass das Kathodenreaktandengas an die jeweilige MEA strömen kann. Eine Endplatte weist Anodengasströmungskanäle auf, und die andere Endplatte weist Kathodengasströmungskanäle auf. Die bipolaren Platten und Endplatten bestehen aus einem leitenden Material, wie rostfreiem Stahl oder einem leitenden Komposit bzw. Verbundmaterial. Die Endplatten leiten die von den Brennstoffzellen erzeugte Elektrizität aus dem Stapel heraus. Die bipolaren Platten weisen auch Strömungskanäle auf, durch die ein Kühlfluid strömt.
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Wenn ein Brennstoffzellenstapel altert, verschlechtert sich die Leistungsfähigkeit der einzelnen Zellen in dem Stapel aufgrund verschiedener Faktoren unterschiedlich. Es existieren verschiedene Ursachen für schlecht arbeitende Zellen, wie Zellenflutung, Verlust an Katalysator, etc., einige temporär und einige permanent, wobei einige Wartung erfordern und einige einen Austausch des Stapels erfordern, um diese schlecht arbeitenden Zellen zu wechseln. Obwohl die Brennstoffzellen elektrisch in Reihe geschaltet sind, nimmt die Spannung jeder Zelle, wenn eine Last über den Stapel geschaltet ist, unterschiedlich ab, wobei diejenigen Zellen, die schlecht arbeiten, geringere Spannungen besitzen. Somit ist es notwendig, die Zellenspannungen der Brennstoffzellen in einem Stapel zu überwachen, um sicherzustellen, dass die Spannungen der Zellen nicht unter eine vorbestimmte Schwellenspannung fallen, um eine Polaritätsumkehr der Zellenspannung zu verhindern, die möglicherweise einen dauerhaften Schaden an der Zelle bewirkt.
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Typischerweise wird der Spannungsausgang jeder Brennstoffzelle in einem Brennstoffzellenstapel überwacht, sodass das System Kenntnis darüber besitzt, ob eine Brennstoffzellenspannung zu gering ist, was eine mögliche Störung angibt. Wie es in der Technik zu verstehen ist, wird, da alle Brennstoffzellen elektrisch in Reihe geschaltet sind, wenn eine Brennstoffzelle in dem Stapel gestört ist, dann der gesamte Stapel gestört sein. Es können gewisse Abhilfeaktionen für eine gestörte Brennstoffzelle als eine temporäre Lösung unternommen werden, bis das Brennstoffzellenfahrzeug gewartet werden kann, wie Erhöhung der Wasserstoffströmung und/oder Erhöhung der Kathodenstöchiometrie.
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Brennstoffzellenspannungen werden oftmals durch ein Zellenspannungsüberwachungs-Subsystem gemessen, das eine elektrische Verbindung zu jeder Bipolarplatte oder einer Anzahl von Bipolarplatten in dem Stapel und Endplatten des Stapels aufweist, um ein Spannungspotential zwischen den positiven und negativen Seiten jeder Zelle zu messen. Daher kann ein Stapel mit 400 Zellen 401 mit dem Stapel verbundene Drähte aufweisen. Aufgrund der Größe der Teile, der Toleranzen der Teile, der Anzahl der Teile, etc., kann es unpraktisch sein, eine physikalische Verbindung mit jeder Bipolarplatte in einem Stapel mit diesen vielen Brennstoffzellen bereitzustellen, und die Anzahl von Teilen erhöht die Kosten und reduziert die Zuverlässigkeit des Systems.
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Wie es oben diskutiert ist, ist es in der Technik bekannt, die elektrischen Signale der Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstapel zu verarbeiten, um zu bestimmen, ob der Brennstoffzellenstapel wie gewünscht funktioniert. Oftmals wird die elektrische Signalverarbeitung aufgrund der Kosten, die der Überwachung jeder Zelle zugeordnet sind, an jeder zweiten Zelle durchgeführt. Ferner kann es schwierig sein, die notwendigen Komponenten in dem Raum bereitzustellen, der zur Überwachung jeder Zelle verfügbar ist. Um die Notwendigkeit zur Verbindung von Brennstoffzellenmessschaltungen mit einem Brennstoffzellenstapel unter Verwendung einer Mehrzahl von Verbindungsdrähten zu beseitigen, ist es erwünscht, derartige Messschaltungen direkt in den Aufbau der Brennstoffzellenstapelanordnung einzubetten. Eine derartige eingebettete Messschaltung trägt keine signifikanten Kosten bei und ermöglicht die Überwachung jeder Brennstoffzelle.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung ist ein System offenbart, das Brennstoffzellen in einer Brennstoffzellengruppe überwacht. Das System umfasst eine Mehrzahl von Spannungssensoren, die mit den Brennstoffzellen in der Brennstoffzellengruppe gekoppelt sind, wobei jeder Sensor eine andere Spannung der Brennstoffzellen überwacht und wobei Spannungssensoren mit geringer Priorität höhere Spannungen überwachen und Sensoren mit höherer Priorität geringere Spannungen überwachen. Das System umfasst auch eine Mehrzahl von Oszillatoren, wobei ein separater Oszillator mit jedem der Sensoren gekoppelt ist. Jeder Oszillator arbeitet bei einer anderen Frequenz, wobei Oszillatoren für höhere Frequenz mit Sensoren mit geringerer Priorität gekoppelt sind und Oszillatoren für geringere Frequenz mit Sensoren mit höherer Priorität gekoppelt sind. Das System weist auch eine Lichtquelle, wie eine LED, auf, die Frequenzsignale von den Oszillatoren empfängt, wobei die Lichtquelle in Ansprechen auf die Frequenzsignale ein- und ausschaltet und wobei Signale mit geringerer Frequenz das Schalten der Lichtquelle dominieren. Eine Lichtröhre bzw. ein Hohllichtleiter (von engl.: ”light pipe”) empfängt die geschalteten Lichtsignale von der Lichtquelle und liefert Lichtsignale bei einer gewissen Frequenz an einem Ende der Lichtröhre. Ein Photodetektor detektiert die Lichtsignale an dem Ende der Lichtröhre.
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Zusätzliche Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung und den angefügten Ansprüchen in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen offensichtlich.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist ein schematisches Blockschaubild eines Systems zur Detektion eines Brennstoffzellenbetriebs und von Bedingungen von Brennstoffzellen in einer Brennstoffzellengruppe.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die folgende Diskussion der Ausführungsformen der Erfindung, die auf ein System zur Überwachung des Betriebs von Brennstoffzellen in einer Brennstoffzellengruppe unter Verwendung von Sensoren und Oszillatoren gerichtet ist, ist lediglich beispielhafter Natur und nicht dazu bestimmt, die Erfindung, ihre Anwendung oder ihren Gebrauch zu beschränken.
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1 ist ein schematisches Blockschaubild eines Systems 10 zur Überwachung der Leistungsfähigkeit einer Gruppe von Brennstoffzellen, wie eines Brennstoffzellenstapels 12, der in Reihe geschaltete Brennstoffzellen 14 aufweist. Bei dieser nicht beschränkenden Ausführungsform überwacht das System 10 die Leistungsfähigkeit von etwa 16 der Brennstoffzellen 14 als ein repräsentatives Beispiel. Ein Brennstoffzellenstapel für eine Fahrzeuganwendung kann 400 oder mehr Brennstoffzellen aufweisen, wenn mehrere der Systeme 10 für eine Überwachung der Leistungsfähigkeit von allen Brennstoffzellen in dem Stapel erforderlich sind. Die Anzahl von Brennstoffzellen, die das System 10 überwacht, ist anwendungs- und konstruktionsspezifisch und nicht dazu bestimmt, die Erfindung zu beschränken, wie hier diskutiert ist.
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Das System 10 weist eine Mehrzahl von Sensoren 16 auf, die den Betrieb der Brennstoffzellen 14 überwachen. Die vorliegende Erfindung betrifft jeglichen Typ von Sensor, der für die hier beschriebenen Zwecke geeignet ist. Bei einer Ausführungsform sind die Sensoren 16 Spannungssensoren, die die Spannung der Brennstoffzellen 14 messen. Jedoch können andere Typen von Sensoren, wie Temperatursensoren, Feuchtesensoren, Sensoren für Hochfrequenzwiderstand (HFR), etc. innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Wenn die Spannung der Brennstoffzelle 14 unter einen gewissen vorbestimmten Wert abfällt, dann liefert der Sensor 16 ein Ausgangssignal. Aus Gründen, die aus der nachfolgenden Diskussion offensichtlich werden, liefert jeder der Sensoren 16 ein Ausgangssignal in Ansprechen auf eine Detektion eines gewissen Zustandes der Brennstoffzellen 14 in dem Stapel 12. Die Sensoren 16 können mit einer oder mehreren der Brennstoffzellen 14 in einer beliebigen gewünschten Konstruktionskonfiguration gekoppelt sein.
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Bei einer nicht beschränkenden Ausführungsform ist jeder der Sensoren 16 mit jeder der Brennstoffzellen 14 zur Detektion geringer Zellenspannungen von allen Brennstoffzellen 14 gekoppelt. Jeder der Sensoren 16 besitzt eine andere Schwelle, wobei der Sensor 1 kalibriert sein kann, um potentiell schlecht arbeitende Zellen zu detektieren, Sensor 2 kalibriert sein kann, um schlechter arbeitende Zellen zu detektieren, und Sensor N eine Zellenumkehr detektieren kann. Jeder der Sensoren 16 gibt ein Steuersignal auf Grundlage dieser Detektion aus, sodass der Ausgang des Systems 10, wie nachfolgend diskutiert ist, bewirkt, dass ein Systemcontroller 32 gewisse Abhilfebetriebsabläufe abhängig davon, welcher Sensor das Signal liefert, ausführt. Wenn beispielsweise der Sensor 1 ein Ausgangssignal bereitstellt, das eine potentiell schlecht arbeitende Zelle angibt, dann kann das Steuersignal von dem System 10 bewirken, dass der Systemcontroller 32 mehr Reaktandengasströmung liefert, eine Kathodenfeuchte erhöht, etc. Wenn jedoch einer der anderen Sensoren 16 ein Ausgangssignal liefert, dann kann der Systemcontroller 32 drastischere Steuerbetriebsabläufe ausführen, wie Abschalten des Systems, um einen Stapelschaden zu verhindern. Auf diese Art und Weise detektieren die Sensoren 16 Änderungen mit höherer Priorität oder mögliche Störungen der Brennstoffzellen 14 in dem Stapel 12 in einer Reihenfolge, wobei bei dieser Konstruktion Sensor 1 ein Ausgangssignal für die potentielle Störung mit geringster Priorität bereitstellt und Sensor N ein Ausgangssignal für die Brennstoffzellenstörung mit höchster Priorität bereitstellt. Wie das System 10 die mehreren Ausgänge von den Sensoren 16 unterscheidet, wird aus der nachfolgenden Diskussion offensichtlich.
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Bei der obigen diskutierten Ausführungsform sind die Sensoren 16 mit jeder der Brennstoffzellen 14 in dem Stapel 12 gekoppelt. Bei alternativen Ausführungsformen können verschiedene Sensorkonfigurationen und -konstruktionen vorgesehen sein, bei denen die Sensoren 16 mit verschiedenen der Brennstoffzellen 14 gekoppelt sein können, die eine unterschiedliche Zellenleistungsidentifikation bereitstellen können, wie beispielsweise eine Verbindung nur mit Endzellen. Obwohl die gezeigte Ausführungsform drei Sensoren aufweist, kann eine beliebige Anzahl von Sensoren verwendet werden, die zu den hier diskutierten Zwecken geeignet sind, und es kann eine beliebige Anzahl von Brennstoffzellen in der Brennstoffzellengruppe 12 bereitgestellt sein.
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Bei einer Ausführungsform sind die Sensoren 16 in dem Brennstoffzellenstapel 12 eingebettet. Die US-Patentanmeldung mit Seriennummer 12/707572, die am 17. Februar 2010 eingereicht wurde, mit dem Titel ”Plate Interconnect Method for an Imbedded Fuel Cell Sensor”, die auf den Anmelder dieser Anmeldung übertragen und hier durch Bezugnahme eingeschlossen ist, offenbart einen eingebetteten Brennstoffzellensensor dieses Typs.
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Jeder Sensor 16 steuert einen Oszillator 18, der bei einer anderen Frequenz f arbeitet. Die Frequenz der Oszillatoren 18 ist so gewählt, dass wenn der Sensor 16, der eine Zellenstörung mit höherer Priorität oder eine potentielle Zellenstörung identifiziert, einen Oszillator 18 bei einer geringeren Frequenz betreibt, als der vorherige Sensor 16, dessen Priorität geringer ist. Daher besitzt bei diesem Beispiel der Oszillator 1 eine Frequenz f1, die höher als eine Frequenz f2 von dem Oszillator 2 oder eine Frequenz fN von dem Oszillator N ist, Oszillator 2 besitzt die Frequenz f2, die geringer als die Frequenz f1 und höher als die Frequenz fN ist, und der Oszillator N besitzt eine Frequenz fN, die geringer als die Frequenzen f1 und f2 ist.
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Die Frequenzausgänge von den Oszillatoren 18 werden an eine lichtemittierende Diode (LED) 20 geliefert. Wenn die LED 20 ein Signal von einem Oszillator 18 aufnimmt, geht sie bei dieser Frequenz des Oszillators an und aus. Die Frequenzen f1, f2 und fN arbeiten als ein elektrischer Logik-ODER-Eingang für die LED 20, wobei das Signal mit geringster Frequenz die Signale mit höherer Frequenz dominiert. Insbesondere wird, wenn die LED 20 an- und ausgeht, ihre Schaltrate durch das Signal mit geringerer Frequenz gesteuert, da die Signale mit höherer Frequenz zur Folge haben, dass die LED 20 während Zeiten schaltet, wenn die LED 20 infolge des Signals für geringere Frequenz an ist. Daher wird, obwohl die LED 20 Frequenzsignale von allen Oszillatoren 18 empfangen kann, wenn der Oszillator N ein Signal bereitstellt, diese Frequenz den Betrieb der LED 20 steuern, sodass ein potentieller Modus einer Störung mit höherer Priorität identifiziert wird.
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Das System weist auch einen Leistungswandler 22 auf, der ein stabiles Leistungsausgangssignal an die Sensoren 16, die Oszillatoren 18 und die LED 20 liefert. Der Leistungswandler 22 empfängt ein Spannungssignal von dem Brennstoffzellenstapel 12 und konditioniert das Spannungssignal, sodass es ein kontinuierliches stabiles Ausgangsleistungssignal für die Sensoren 16, die Oszillatoren 18 und die LED 20 ist. Der Leistungswandler 22 verwendet die von den Brennstoffzellen 14 erzeugte Leistung, die diejenigen Brennstoffzellen sind, die bezüglich potentieller Probleme überwacht werden. Daher kann die durch die Brennstoffzellen 14 bereitgestellte Spannung in Ansprechen auf die Zellenleistungsfähigkeit variieren, wobei es notwendig sein kann, dass der Leistungswandler 22 die Leistung für die Sensoren 16, die Oszillatoren 18 und die LED 20 verstärkt oder reduziert.
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Licht von der LED 20 wird in eine Seite einer Lichtröhre 24 eines in der Technik gut bekannten Typs gekoppelt. Daher wird ein optisches Signal an der Lichtröhre 24 bei einer Ein/Aus-Frequenz abhängig davon bereitgestellt, welcher der Oszillatoren 18 betrieben wird, wie oben diskutiert ist. Das Licht von der Lichtröhre 24 wird durch einen Photodetektor 26 detektiert, der ein Spannungssignal bei der Frequenz liefert, bei der das Licht durch die Lichtröhre 24 geliefert wird. Die einzelne Lichtröhre 24 kann für alle Systeme 10 verwendet werden, die einen bestimmten Brennstoffzellenstapel überwachen. Wenn beispielsweise mehrere Systeme 10 dazu verwendet werden, vorbestimmte Gruppen von Brennstoffzellen in dem Brennstoffzellenstapel zu überwachen, dann kann die Lichtröhre 24 Signale von verschiedenen LEDs, eines für jedes der Systeme 10, empfangen. Auf dieselbe Art und Weise, mit der jede LED 20 das elektrische Signal mit geringerer Frequenz von den Oszillatoren 18 verwendet, um das Ein/Aus-Schalten der LED 20 zu steuern, dominiert die LED 20 mit der geringeren Schaltfrequenz die Frequenz des Schaltens des Lichtes in der Lichtröhre 24. Wenn beispielsweise eine LED 20 Licht bei einer durch f1 festgelegten Frequenz ausgibt und eine andere LED 20 Licht bei einer durch fN festgelegten Frequenz ausgibt, dann würde das System 10, das bei der Frequenz fN arbeitet, die Lichtdetektion des Photodetektors 26 dominieren, sodass die potentielle Störung mit höchster Priorität in dem gesamten Stapel detektiert würde. Somit liefert die Lichtröhre 24 ein optisches logisches ODER unter Verwendung des Lichtes von jedem der Systeme 10. Bei einer nicht beschränkenden Ausführungsform kann die Lichtröhre 24 durch Bezugslöcher in dem Stapelaufbau geschraubt sein, die dazu verwendet werden, die Zellen in dem Stapel während der Kompression und Abdichtung des Stapels auszurichten, wie es dem Fachmann gut bekannt ist.
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Das Spannungssignal von dem Photodetektor 26 wird durch einen Verstärker 28 verstärkt. Das verstärkte Signal von dem Verstärker 28 wird dann an einen Schwellendetektor 30 geliefert, der sicherstellt, dass das durch den Photodetektor 26 detektierte Licht eine gewisse vorbestimmte Schwelle überschreitet. Allgemein stammt das gesamte Licht, das von dem Photodetektor 26 empfangen wird, von der Lichtröhre 24. Jedoch kann es gewisse Zeiten geben, wenn die Lichtröhre oder der Photodetektor 26 externes Licht abfängt, das nicht von der LED 20 stammt. Derartige Signale werden an einer Verarbeitung durch den Schwellendetektor 30 gehindert. Die Signale von dem Photodetektor 26, die den Schwellendetektor 30 passieren, werden dann von dem Systemcontroller 32 empfangen, der die Frequenz des empfangenen Signals bestimmt und auf Grundlage dieser Frequenz bestimmt, welches Ansprechen notwendig ist, um Systemprobleme zu berücksichtigen.
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Die vorhergehende Diskussion offenbart und beschreibt lediglich beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Der Fachmann erkennt leicht aus einer derartigen Diskussion und aus den begleitenden Zeichnungen und Ansprüchen, dass verschiedene Änderungen, Abwandlungen und Variationen darin ohne Abweichung von dem Erfindungsgedanken und Schutzumfang der Erfindung, wie in den folgenden Ansprüchen definiert ist, durchgeführt werden können.
