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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Signalübermittlung an Personen, insbesondere für eine geräuschlose Übermittlung eines Signals an eine in ihrer optischen und/oder akustischen Aufnahmefähigkeit eingeschränkte Person.
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Üblicherweise werden Signale, die an einen Menschen übermittelt werden, dermaßen gestaltet, dass sie durch dessen Sinne wahrgenommen werden können. Dabei werden akustische, optische oder haptische/taktile Verfahren, wie z. B. Sirenen, Warnleuchten, Vibrationselemente oder kombinierte Verfahren, wie beispielsweise der Vibrationsalarm von Mobilfunkgeräten, der sowohl aufgrund der Bewegung als auch durch sein Summen wahrgenommen wird, angewandt.
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Wenn die mit dem Signal zu erreichende Person in ihrer optischen Aufnahmefähigkeit eingeschränkt ist, z. B. weil ihr Sehsinn beeinträchtigt ist oder sie aufgrund ihrer ausgeübten Aufgabe ihren Blick nicht ständig auf den Signalgeber richten kann, werden in der Regel zur Signalisierung akustische Verfahren angewandt. Ein Beispiel dafür sind die mit einer Klingel oder einem Summer verbundenen Anzeigelampen für den Patientenruf vor Krankenhauszimmern, die durch das akustische Signal die Aufmerksamkeit auf die optische Anzeige lenken.
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In dem Fall, dass eine Person akustisch nicht aufnahmefähig ist, z. B. weil sie Kopfhörer trägt oder in ihrem Hörsinn eingeschränkt ist, wird in der Regel ein optisch gut wahrnehmbares Signal oder ein Vibrationssignal verwendet.
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DE 20 006 365 befasst sich mit einem Schmuckstück mit einem Empfänger für elektromagnetische Funkwellen, wobei der Empfänger in Wirkverbindung mit einer Einrichtung zur Erzeugung von Wärme steht, die zumindest teilweise die Wärme nach außen abgibt.
DE 60 009 831 ,
EP 2 222 060 ,
WO 2010/096566 und
US 6,344,795 beschreiben weitere Vorrichtungen zur Bereitstellung eines thermischen Alarmsignals entsprechend einer Alarmanforderung.
WO 2012/017420 bezieht sich auf eine Energiewandler zur Energieversorgung von Geräten.
US 2008/0246439 befasst sich mit der Aufladung des Energiespeichers von mobilen Geräten, insbesondere mittels Methoden des ”Energy-Harvesting”.
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Nachteil der herkömmlichen Methoden ist, dass es bisher nicht möglich ist, ein nicht-optisches Signal einer Person ohne störende Geräuschentwicklung anzuzeigen. Selbst Vibrationsalarme, die der betreffenden Person taktil über Berührung mit einer Vibrationsvorrichtung mitgeteilt werden, gehen stets mit einer Geräuschentwicklung einher, die andere Personen im Umkreis des Signalgebers stören könnte, z. B. des Nachts oder während der Ausübung ihrer jeweiligen Tätigkeiten.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es, die Nachteile des Standes der Technik zu überwinden und eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, die eine geräuschlose Signalübermittlung ermöglichen, insbesondere für Personen, die dieses Signal nicht akustisch und/oder optisch empfangen können.
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Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung und ein Verfahren gemäß den Ansprüchen erfüllt.
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Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Signalübermittlung an Personen umfasst mindestens eine Steuereinheit, mindestens ein Thermoelement und eine Energieversorgung, wobei sowohl Steuereinheiten als auch Thermoelemente von der Energieversorgung mit Energie versorgt werden und die Steuereinheiten die Funktion mindestens eines der Thermoelemente zur Übermittlung des betreffenden Signals steuern. Die Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Energieversorgung eine Energiequelle für das Thermoelement (Thermo-Energiequelle) und eine Energiequelle für die Steuereinheit (Steuer-Energiequelle) aufweist, welche aus funktionalen Gründen getrennt sind, wobei die Thermo-Energiequelle ein Akkumulator oder eine Batterie enthält und die Steuer-Energiequelle eine Solarzelle, ein Induktionselement oder einen Wärme-Strom-Konverter aufweist, und dass die Steuereinheit dermaßen gestaltet ist, dass das Thermoelement dermaßen gesteuert werden kann, dass es seine Temperatur periodisch ändert.
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In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Vorrichtung zusätzlich mindestens eine Empfangseinheit auf, die zum Empfang mindestens eines Steuersignals geeignet ist und in Datenkontakt mit mindestens einer der Steuereinheiten steht. Dieser Datenkontakt ist dermaßen gestaltet, dass bei Empfang eines die Anzeige eines Signals fordernden Steuersignals durch eine oder mehrere der Empfangseinheiten die betreffenden Steuereinheiten angewiesen werden, die für dieses Signal vorgesehenen Thermoelemente anzusteuern.
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Dabei müssen selbstverständlich sowohl die Thermoelemente als auch die Steuereinheiten in der Lage sein, Signale an eine Person zu übermitteln. Es genügt dabei nicht, dass die Steuereinheiten dazu in der Lage sind, die Thermoelemente mit Energie zu versorgen, und die Thermoelemente von der betreffenden Person eingeschaltet werden können, da Signale nur dann sinnvoll gegeben werden, wenn die betreffende Person diese gerade nicht selber aktiviert, sondern wenn sie von externen Umständen abhängen. Folglich müssen die Steuereinheiten zumindest dazu in der Lage sein, die Thermoelemente zu schalten, ohne dass die Person diesen Schaltvorgang aktiv in die Wege leiten muss. Dazu müssen die Steuereinheiten insbesondere dazu ausgelegt sein, ein von außen kommendes Steuersignal zur Aktivierung eines Signals verwenden zu können oder ein Signal selbstständig zu generieren, etwa nach einer voreingestellten Zeit, bei Erreichen eines voreingestellten Zeitpunktes oder aufgrund gemessener äußerer Bedingungen (z. B. bei gesundheitsgefährdenden Gaskonzentrationen oder eingehender Funksignale). Erfindungsgemäß sind sowohl die Thermoelemente als auch die Steuereinheiten in der Lage, hinsichtlich der Temperatur alternierende Signale zu erzeugen, wie z. B. einen oder mehrere klar definierte Temperaturwechsel, bevorzugt mit Rückkehr zu der vor dem Signal herrschenden Temperatur.
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Vorzugsweise ist die zeitliche Dauer eines dieser Temperaturwechsel (insbesondere bis zum Vorliegen der vor dem Signal herrschenden Temperatur mit einer Abweichung von weniger als 10%) kürzer als 10 Sekunden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst die folgenden Schritte:
- a) Generation mindestens eines elektrischen Signals durch mindestens eine Steuereinheit, insbesondere nach Eingang eines Steuersignals, vorzugsweise durch mindestens eine Empfangseinheit;
- b) Änderung der Temperatur mindestens eines Thermoelements aufgrund mindestens eines der elektrischen Signale.
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In der Vorrichtung ist mindestens eines der Thermoelemente dermaßen angeordnet, dass es bei der am Körper der Person angebrachten Vorrichtung direkt den Körper, insbesondere die Haut, der Person berührt oder zumindest eine Kontaktfläche berührt, die ihrerseits den Körper, insbesondere die Haut, der Person berührt. Bevorzugte Kontaktflächen haben eine Wärmeleitfähigkeit größer als 0,5 W/(Km) (Watt Pro Kelvin pro Meter), vorzugsweise größer als 10 W/(Km), besonders bevorzugt größer als 40 W/(Km), und weisen insbesondere Materialien der Gruppe Metall, Kunststoff, Glas und Keramik auf.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform ändern die betreffenden Thermoelemente bei Anliegen einer elektrischen Spannung oder durch Fließen von elektrischem Strom ihre Temperatur. Dabei ist es möglich, dass Thermoelemente erhitzt und/oder gekühlt werden. Beispielsweise kann ein Signal durch Erhitzen eines Thermoelements über die Oberflächentemperatur der Haut angezeigt werden, durch Abkühlen unter die Oberflächentemperatur oder durch eine Kombination beider Verfahren in einer zeitlichen Abfolge, ggf. auch mehrfach. An Stelle der Oberflächentemperatur kann auch die Raumtemperatur treten. Bevorzugten Thermoelemente basieren auf thermoelektrischen Prinzipien und weisen insbesondere Peltierelemente oder Heizdrähte auf, oder auf thermochemischen Prinzipien, wie insbesondere entzündete Brennstoffe, kristallisierende unterkühlte Salzlösungen oder sich lösende Salzdepots in einer Lösungsmittelumgebung, oder auf dem Prinzip des Wärmekontakts, wie z. B. Heißluft auf einer die Haut berührenden Metallplatte. Thermoelektrisch arbeitende Thermoelemente sind dabei jedoch bevorzugt, da sie reversibel mehrfach hintereinander verlässlich thermische Signale generieren können.
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Bei der erfindungsgemäßen Ausführungsform wird das Thermoelement dermaßen gesteuert, dass es seine Temperatur periodisch ändert, insbesondere, dass es periodisch ein- und ausgeschaltet wird. Bevorzugt bewegt sich die Temperatur des Thermoelements zwischen einer maximalen Temperatur T(max) und einer minimalen Temperatur T(min). Dabei ist es von Vorteil, wenn T(max) und/oder T(min) deutlich für einen Menschen spürbar ist/sind, jedoch ohne Verletzungen hervorzurufen. In dem Falle, dass das Signal einzig mittels einer Erwärmung dargestellt werden soll, liegt T(min) vorzugsweise im Bereich der Oberflächentemperatur der Haut oder der Raumtemperatur. In dem Falle, dass das Signal einzig mittels einer Abkühlung dargestellt werden soll, liegt T(max) vorzugsweise im Bereich der Oberflächentemperatur der Haut oder der Raumtemperatur. Die maximale Temperatur T(max) liegt vorzugsweise unter 70°C, da ansonsten innerhalb von Sekundenbruchteilen Verbrennungen der Haut entstehen können. Insbesondere ist T(max) kleiner als 50°C, zumindest wenn das Signal länger als 5 Sekunden andauert, da ansonsten ebenfalls die Gefahr von Verbrennungen vorliegt. T(max) kann jedoch auch kleiner als 40°C sein, da eine solche Temperatur je nach Positionierung der Vorrichtung am Körper deutlich wahrgenommen werden kann. Vorzugsweise ist der Minimalwert von T(max) die Körpertemperatur, und ist somit insbesondere größer als 20°C, oder je nach Signalisierungsmodus (z. B. durch Wärme oder alternierend) größer als 30°C. Die minimale Temperatur T(min) liegt vorzugsweise über –20°C, da ansonsten schnell lokale Kälteverbrennungen der Haut entstehen können. Insbesondere ist T(min) größer als 0°C, zumindest wenn das Signal länger als 5 Sekunden andauert, da ansonsten ebenfalls die Gefahr von Kälteverbrennungen besteht. T(min) kann jedoch auch größer als 10°C sein, da eine solche Temperatur je nach Positionierung der Vorrichtung am Körper noch deutlich wahrgenommen werden kann. Vorzugsweise ist der Maximalwert von T(min) die Körpertemperatur und ist somit insbesondere kleiner als 30°C, oder je nach Signalisierungsmodus (z. B. durch Wärme oder alternierend) kleiner als 20°C.
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Bevorzugt ist die Änderung der Temperatur bei Aussendung eines Signals größer als 1°C pro Sekunde, insbesondere größer als 10°C pro Sekunde.
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Die Form und Größe der betreffenden Thermoelemente ist in erster Näherung beliebig. Es sollte jedoch beachtet werden, dass die Dichte der Temperaturrezeptoren der menschlichen Haut über den Körper variiert und Regionen mit geringerer Dichte tendenziell Thermoelemente mit größeren Flächen benötigen als Regionen mit höheren Dichten, um einen zufriedenstellenden Reiz zu erzeugen. Bevorzugte Flächenbereiche für Thermoelemente sind größer als 0,1 Quadratzentimeter, insbesondere größer als 1 Quadratzentimeter und vorzugsweise kleiner als 100 Quadratzentimeter. Es wird darüber hinaus bevorzugt, dass die Wärmekapazität der Thermoelemente gering ist, so dass eine Aufheizung auf die Temperatur T(max) und/oder die Abkühlung auf die Temperatur T(min) vergleichsweise schnell, insbesondere mit der oben genannten Rate erfolgt. Insbesondere liegt die Wärmekapazität der Thermoelemente unter der einer Wassermenge gleicher Masse.
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Die Energieversorgung umfasst mindestens eine Energiequelle, die in der Lage ist, Einheiten der Vorrichtung mit der für sie nötigen Energie zu versorgen. Erfindungsgemäß weist sie so viele Energiequellen auf, wie benötigt werden, um alle Einheiten der Vorrichtung mit der von diesen Einheiten benötigten Energie zu versorgen. Insbesondere sind diese Einheiten die Thermoelemente, die Empfangseinheiten und/oder die Steuereinheiten. Bei einer bevorzugten Ausführungsform basiert die Energiequelle auf Prinzipien der Gruppe Photovoltaik, Wärmerückgewinnung, Kinetik, Induktion und Galvanik. Bevorzugt wird dabei Energie durch chemische Prozesse, die menschliche Körperwärme, die Bewegung der Person oder durch Licht erzeugt. Bevorzugte Energiequellen sind Elemente der Gruppe Solarzellen, Peltierelemente, Akkumulatoren, Batterien, Brennstoffzellen und Induktionsschleifen in Kombination mit magnetischen Wechselfeldern. Erfindungsgemäß weist die Energieversorgung mindestens eine leistungsstarke Energiequelle zur Versorgung der jeweiligen Thermoelemente auf, beispielsweise einen Akkumulator oder eine Batterie und mindestens eine vergleichsweise schwache Energiequelle, wie z. B. Peltierelemente oder Solarzellen zum Betrieb der übrigen Einheiten der Vorrichtung, gegebenenfalls auch zum Aufladen der leistungsstarken Energiequellen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist die erfindungsgemäße Vorrichtung dermaßen gestaltet, dass sie zur Anzeige von Signalen in ein Gerät integriert werden kann. Bevorzugte Geräte sind Alarmgeber, Messgeräte und/oder Funkgeräte, wie z. B. Mobilfunkgeräte, Geräte zum Darstellen eines Patientenalarms, Babyphones, Blutzuckermessgeräte, Pager, Computer oder bei Operationen verwendete Geräte.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Vorrichtung mit einer Befestigungsstruktur versehen, die es ermöglicht, die Vorrichtung am Körper einer Person zu befestigen. Bevorzugte Befestigungsstrukturen sind elastisch und/oder weisen Elemente zum Öffnen und Schließen auf. Bevorzugte Befestigungsstrukturen basieren auf dem Prinzip der Klebung, Haftklebung oder des Klettverschlusses. Des Weiteren umfassen bevorzugte Befestigungsstrukturen Bänder oder Kleidungsstücke wie z. B. Handschuhe, Oberbekleidung, Hosen oder Schuhe.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird nicht oder nicht alleine die von dem Thermoelement erzeugte Temperaturänderung zur Signalisierung verwendet, sondern auch die Eigenschaft, dass unterschiedliche Temperaturen von Materialien zu unterschiedlichen räumlichen Ausdehnungen dieser Materialien führen. Demzufolge ist bei einer solchen Ausführungsform mindestens eines der Thermoelemente in der Vorrichtung so angeordnet, dass eine Änderung der räumlichen Ausdehnung bei der Berührung der Vorrichtung mit dem Körper einer Person spürbar ist. Dies wird bevorzugt dadurch erreicht, dass die betreffenden Thermoelemente an der körperzugewandten Seite der Vorrichtung angeordnet sind und insbesondere die Vorrichtung dermaßen gestaltet ist, dass eine räumliche Ausdehnung der betreffenden Thermoelemente zur körperzugewandten Seite hin wirken. Letzteres kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass die Vorrichtung über den betreffenden Thermoelementen, an der körperabgewandten Seite Bereiche hoher Steifigkeit aufweist, wie z. B. Metall-, Holz- oder Kunststoffstrukturen, so dass bei einer Änderung der räumlichen Ausdehnung dieser Elemente jene gegen diese Bereiche stoßen und sich davon zur körperzugewandten Seite der Vorrichtung wegdrücken.
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Da die vorgenannten Unterschiede in der räumlichen Ausdehnung vergleichsweise gering sind, weist die Vorrichtung bevorzugt zusätzliche Elemente auf, welche die durch die räumliche Ausdehnung der betreffenden Thermoelemente induzierte Bewegung verstärken. Dies sind insbesondere Elemente der Gruppe physikalische Hebel, Federn und Bimetallstrukturen. In einer bevorzugten Ausführungsform ist mindestens eines der Thermoelemente so gestaltet, dass es mindestens zwei Materialien umfasst, die sich zumindest partiell berühren und auf diesen Bereichen insbesondere parallel verlaufen, und die unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst die Vorrichtung des Weiteren weitere Signalisierungselemente, insbesondere optische Signalisierungselemente.
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Die Erfindung kann bevorzugt dazu verwendet werden, um Menschen, insbesondere in ihrem Sehsinn und/oder Hörsinn eingeschränkte Menschen, an die Einnahme von Medikamenten oder die Wahrnehmung wichtiger Termine zu erinnern, oder um aktuelle Geschehnisse anzuzeigen, wie z. B. einen Patientenalarm in einem Krankenhaus oder einen eingehenden Anruf bzw. eine SMS auf einem Mobiltelefon. Beispielsweise kann einer Person, deren akustische Aufnahmefähigkeit aufgrund einer Beschränkung des Hörapparates durch körperliche oder technische Gründe gemindert ist (z. B. eine taube Person oder eine Person mit Gehörschutz oder Kopfhörern), ohne eine Geräuschentwicklung ein Signal angezeigt werden, selbst wenn diese Person den Blick nicht auf die Anzeigevorrichtung lenkt, sondern durch ihre Tätigkeit oder sonstige Gründe abgelenkt ist. Ebenfalls kann einer blinden Person, oder einer Person, deren Blick durch ihre Aufgabe nicht auf die Anzeigevorrichtung gerichtet ist, z. B. ein Arzt bei einer Operation, ein Signal mitgeteilt werden, ohne dass ein Geräusch entsteht, welches andere Personen stören oder ablenken könnte.
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Die Vorteile der Erfindung liegen insbesondere darin, dass während der Signalanzeige keine störenden Geräusche erzeugt werden, während ihres Betriebs vergleichsweise wenig Energie benötigt wird, und die betreffenden Vorrichtungen leicht herzustellen sind.
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Beispiele für Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in den Abbildungen dargestellt.
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1 zeigt schematisch den Aufbau einer bevorzugten Ausführungsform.
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2 zeigt schematisch eine bevorzugte funktionale Verknüpfung der Elemente der Vorrichtung.
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3 zeigt ein bevorzugtes Signal.
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4 zeigt schematisch den Aufbau einer weiteren bevorzugten Ausführungsform.
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1 stellt skizzenhaft eine einfache Vorrichtung dar, in der ein Thermoelement 1 mit einer bandförmigen Befestigungsstruktur 2 versehen ist und beispielsweise als Armband getragen werden kann. Steuereinheiten, Energieversorgung und andere Einheiten sind hier nicht dargestellt und können beispielsweise auf der Rückseite des Thermoelements oder im Armband angeordnet sein.
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In 2 ist eine bevorzugte Vorrichtung als Blockdiagramm dargestellt. Ein Thermoelement 1 wird von einer Steuereinheit 3 geschaltet. Die Energiequelle für das Thermoelement 1 ist mit der Ziffer 5 bezeichnet, die Energiequelle für die Steuereinheit trägt die Ziffer 4. Beide Energiequellen gehören zur Energieversorgung der Vorrichtung und sind hier aus funktionalen Gründen getrennt. Da das Thermoelement verglichen mit der Steuereinheit eine verhältnismäßig hohe Leistung benötigt, jedoch nicht ständig mit Energie versorgt werden muss, bietet sich für die 'Thermo-Energiequelle' 5 ein Akkumulator oder eine Batterie an. Die Steuereinheit hingegen benötigt in der Regel nur eine kleine Leistung, ist jedoch oft oder ständig eingeschaltet, weshalb sich für die 'Steuer-Energiequelle' 4 eine Solarzelle, ein Induktionselement (Spule und Magnet) oder ein Wärme-Strom-Konverter (z. B., unter Ausnutzung des Seebeck-Effektes) anbietet. In der Figur ist zu sehen, dass von der Steuereinheit zwei Pfeile fortführen. Dies soll darstellen, dass die Steuereinheit bei einer der einfachsten Möglichkeiten einfach die 'Thermo-Energiequelle' 5 mit dem Thermoelement 1 verbinden muss, um das Thermoelement zu schalten.
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In 3 ist ein mögliches Signal dargestellt. Durch Verbindung eines Thermoelements mit einer Energiequelle wird hier ausgehend von einer Temperatur T(min), die beispielsweise Körpertemperatur entspricht, das Thermoelement bis zu einer Temperatur T(max) erhitzt und nach Erreichen der Temperatur T(max) das Thermoelement wieder abgekühlt, wobei letzteres einfach durch Unterbrechung der Stromzufuhr zum Thermoelement und passiver Abkühlung erreicht werden kann. Nach einer kurzen Zeitspanne wird, wie in dem Diagramm zu sehen, dieser Prozess zwei Mal wiederholt. Diese Gruppe kann ein einziges Signal darstellen oder drei separate Signale.
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In 4 ist eine mögliche praktische Umsetzung der Vorrichtung für eine Verwendung beispielsweise in einem Krankenhaus dargestellt. Diese Vorrichtung kann an einem Arm getragen werden und weist an der dem Arm zugewandten Seite ein Thermoelement 1 auf und an der armabgewandten Seite drei optische Signalisierungselemente P1, P2 und P3, wobei die Anzahl dieser Elemente im Grunde beliebig ist und von der Funktion abhängen sollte, es wäre z. B. auch ein Display möglich, welches verschiedene Zustände oder Symbole anzeigen kann. Wenn ein Signal für P1 (z. B. Patient 1, oder Maschine 1) angezeigt werden soll, wird das Thermoelement durch die Steuereinheit (nicht dargestellt) aktiviert und die Person somit lautlos auf das Vorliegen eines Alarms oder eine Nachricht hingewiesen, und die Person kann bei einem Blick auf die Vorrichtung erkennen, welche Art von Nachricht vorliegt. Beispielsweise kann ein Assistenzarzt diese Vorrichtung in einem Operationsraum tragen und wird, ohne die Konzentration der umgebenden Personen zu stören, darauf hingewiesen, dass beispielsweise das EKG einen abweichenden Wert gemessen hat. So kann schnell das Gerät überprüft und entscheiden werden, ob diese Abweichung so gravierend ist, dass der leitende Arzt darauf hingewiesen werden muss oder aber die Operation ohne Störung weitergehen kann.
