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Die Erfindung betrifft ein System zum Speichern eines Sterilisations-, insbesondere eines Autoklavierzyklus. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Messgerät und ein Verfahren.
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Ein „Messgerät“ im Sinne dieser Erfindung ist nicht als einzelnes Gerät zu verstehen, sondern als Kombination aus einer übergeordneten Einheit, z.B. einem Transmitter, und einem Verbraucher, z.B. ein Sensor. Der Sensor ist über ein Kabel mit dem Transmitter verbunden und wird über das Kabel mit Energie versorgt. Des Weiteren werden zwischen Sensor und Transmitter Daten bidirektional ausgetauscht. Ein Teil der Aufgaben des Transmitters kann in den Sensor verlagert sein, d.h. im Sensor befindet sich eine oder mehrerer elektronische Schaltungen, die etwa einen Mikrocontroller umfasst. Im Mikrocontroller und/oder in einem Speicher im Sensor, können sensorspezifische Daten wie etwa Bezeichnung, Seriennummer, Fertigungsdatum, Gerätedaten, Kalibrationsdaten, Firmwareversion, Herstellerinformationen, Gerätetreiberinformationen, Sensordaten, Historiendaten, Prozessdaten gespeichert sein.
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Auch kann die Auswertung der Messdaten des Sensors zwischen Transmitter und Sensor aufgeteilt werden. Desweitern können auch die angesprochenen Aufgaben vom Kabel übernommen werden, d.h. auch im Kabel kann sich „Intelligenz“ befinden, etwa in Form eines Mikrocontrollers.
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Der erfindungsgemäße Gedanke lässt sich gleichwohl auch auf Aktoren oder andere Geräte, sofern sie einem Sterilisationsprozess unterliegen, ausweiten. Im Folgenden soll der Einfachheit halber bei dem der Erfindung zugrunde liegenden Problem nur von Sensoren gesprochen werden.
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Sensoren im industriellen Umfeld, besonders in der Prozessautomatisierung, sind verschiedenen Verschmutzungen durch den Prozess und der Umgebung ausgesetzt. Um den Sensor von Bakterien und anderen Mikroorganismen zu säubern, werden diese in regelmäßigen Abständen gereinigt. Besonders in der Lebensmittelindustrie und der Medizintechnik, aber auch in anderen Bereichen, hat sich das Autoklavieren als Methode der Sterilisation bewährt. Die Sensoren werden dazu unter hoher Temperatur (ca. 140 °C) und Druck mit Hilfe von Wasserdampf gereinigt. Diese Bedingungen beanspruchen den Sensor und verringern dessen Lebensdauer.
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Der Sensor kann dabei vom Transmitter und vom Kabel getrennt werden und im Autoklaven sterilisiert werden. Der Sensor ist währenddessen von der Energieversorgung abgetrennt. Es gibt bei derzeitigen Sensoren keine Möglichkeit die Anzahl der Sterilisationszyklen zu speichern.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Anzahl der Sterilisationszyklen in einem von der Energieversorgung abgetrennten System zu bestimmen.
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Die Aufgabe wird gelöst durch ein System umfassend einen Zähler zum Zählen von Sterilisationszyklen beim Überschreiten einer für den Sterilisationszyklus typischen Schwelltemperatur; einen Speicher zum Speichern der Anzahl der Sterilisationszyklen; und eine Energiegewinnungseinrichtung, wobei die Energiegewinnungseinrichtung den Zähler und/oder den Speicher mit Energie versorgt, und wobei die Energieversorgungseinrichtung autark ausgestaltet ist.
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Ist die Energieversorgungseinrichtung autark ausgestaltet, ist es möglich, die Sterilisationszyklen zu zählen, auch wenn während der Sterilisation keine Energieversorgung vorhanden ist.
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Bevorzugt ist das der Energieversorgungseinrichtung zugrunde liegende Prinzip die Thermoelektrizität und die Energieversorgungseinrichtung ist als thermoelektrischer Generator ausgestaltet. Somit ist eine direkte Wandlung von Wärme in elektrische Energie möglich. Um ausreichend hohe Spannungen zu erhalten, werden mehrere zwischen der kälteren und der wärmeren Seite montierte Elemente elektrisch in Reihe geschaltet.
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In einer bevorzugten Alternative ist das der Energieversorgungseinrichtung zugrunde liegende Prinzip die Pyroelektrizität. Es wird also ein zeitlicher Temperaturgradient ausgenutzt, um eine elektrische Spannung zu erzeugen. Dies ist vorteilhaft, da der Sterilisationszyklus, d.h. ein Temperaturanstieg, nicht sprungartig sondern über einen gewissen Zeitraum erfolgt.
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In einer weiteren bevorzugten Alternative nutzt die Energieversorgungseinrichtung die thermische Energie eines Sterilisationszyklus.
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Sowohl Zähler als auch Speicher können elektrisch oder mechanisch ausgestaltet sein, was im Folgenden erläutert wird.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Zähler elektrisch ausgestaltet und umfasst eine elektrische Schaltung, die das Überschreiten der Schwelltemperatur detektiert, wobei die elektrische Schaltung insbesondere einen Mikrocontroller mit Temperatursensor umfasst. Dies stellt eine vergleichsweise einfache Implementierung dar.
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In einer alternativen vorteilhaften Ausgestaltung ist der Zähler mechanisch ausgestaltet und ein Bimetall detektiert das Überschreiten der Schwelltemperatur. Dies stellt eine vergleichsweise einfache Implementierung ohne Nutzung von elektrischen Bauteilen dar. Es wird also durch den Zähler selbst keine Energie verbraucht.
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In einer bevorzugten Ausführungsform schließt das Bimetall bei Überschreiten der Schwelltemperatur einen Stromkreis oder verschiebt zumindest eine Elektrode eines Kondensators.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Speicher elektrisch ausgestaltet und umfasst einen nichtflüchtigen Zustandsspeicher, einen Flash-, EEPROM-, FRAM-Speicher oder ein nichtflüchtiges Potentiometer.
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In einer alternativen vorteilhaften Ausführungsform ist der Speicher mechanisch ausgestaltet und umfasst einen mikromechanischen Schalter.
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In einer Ausgestaltung ändert der Zähler bei jedem gezählten Sterilisationszyklus die Kapazität eines Kondensators.
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Die Erfindung betrifft weiter ein Messgerät, umfassend ein System nach einer der vorstehend beschriebenen Ausgestaltungen.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung umfasst das Messgerät eine übergeordnete Einheit, insbesondere einen Transmitter, und einen Verbraucher, insbesondere einen Sensor. Die übergeordnete Einheit ist über eine Schnittstelle mit dem Verbraucher verbunden. Bevorzugt ist die Schnittstelle als galvanische getrennte, insbesondere induktive, Schnittstelle ausgestaltet. Das System nach den vorstehend beschriebenen Ausgestaltungen befindet sich bevorzugt im Verbraucher.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform ist eine Datenverarbeitungseinheit vorgesehen, welche die gespeicherten Sterilisationszyklen ausliest und den Speicher zurücksetzt. Wird der Verbraucher wieder an die Hauptenergie, d.h. wieder an das Kabel und an die übergeordnete Einheit, angeschlossen, liest die Datenverarbeitungseinheit die Anzahl der Sterilisationszyklen aus dem Speicher aus. Diese Information kann etwa dazu genutzt werden um den Verschleiß des Verbrauchers festzustellen und eine Prognose auf die verbleibende Standzeit abzugeben. Die Datenverarbeitungseinheit befindet sich bevorzugt in der übergeordnete Einheit.
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Die Erfindung betrifft weiter ein Verfahren mit einem Messgerät nach den vorstehenden Ausgestaltungen. Das Verfahren umfasst die Schritte: Zählen eines Sterilisationszyklus, und Speichern der Anzahl der Sterilisationszyklen, wobei das Zählen und Speichern energieautark ausgeführt wird.
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Bevorzugt umfasst das Verfahren weiter den Schritt: Auslesen der Anzahl der Sterilisationszyklen. Dieser Schritt wird ausgeführt wenn der Verbraucher wieder an die Hauptenergie angeschlossen ist.
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Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figuren näherer erläutert. Es zeigen
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1 ein erfindungsgemäßes Messgerät,
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2 einen Sensor mit zugehörigem Temperaturgefälle während eines Sterilisationszyklus,
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3 eine symbolische Darstellung eines mechanischen Einfachspeichers,
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4 eine symbolische Darstellung eines mechanischen Mehrfachspeichers, und
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5 eine symbolische Darstellung eines thermomechanischen Schalters.
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In den Figuren sind gleiche Merkmale mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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Das erfindungsgemäße Messgerät in seiner Gesamtheit hat das Bezugszeichen 1 und ist in 1 dargestellt.
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Das Messgerät 1 ist nicht als einzelnes Gerät zu verstehen, sondern als Kombination aus einer übergeordneten Einheit 2, z.B. einem Transmitter, umfassend eine Datenverarbeitungseinheit 10 mit einem, über ein Kabel 3 angeschlossenen Verbraucher 4, z.B. einem Sensor. Die Verbindung zwischen der Seite der übergeordneten Einheit 2 und der Verbraucherseite geschieht über Schnittstellen 5, 6. Die Schnittstellen 5, 6 sind als galvanisch getrennte, insbesondere als induktive, Schnittstellen ausgestaltet.
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Über das Kabel 3 wird der Sensor 4 mit Energie versorgt. Des Weiteren werden zwischen Sensor 4 und Transmitter 2 Daten bidirektional ausgetauscht. Ein Teil der Aufgaben des Transmitters 2 ist in den Sensor 4, insbesondere in eine elektrische Schaltung 11, etwa in einen Mikrocontroller, verlagert. Im Mikrocontroller 11, bzw. in dessen Speicher, sind sensorspezifische Daten wie etwa Bezeichnung, Seriennummer, Fertigungsdatum, Gerätedaten, Kalibrationsdaten, Firmwareversion, Herstellerinformationen, Gerätetreiberinformationen, Sensordaten, Historiendaten, Prozessdaten gespeichert.
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Die Auswertung der Messdaten des Sensors 4 wird zwischen Transmitter 2 und Sensor 4 aufgeteilt. In einer Ausführungsform werden die angesprochenen Aufgaben auch von einem sich im Kabel befindenden weiteren Mikrocontroller übernommen.
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Bei dem Sensor 4 handelt es sich um einen Sensor der Prozessautomatisierung. Also etwa um einen pH-, Redoxpotential-, auch ISFET-, Temperatur-, Leitfähigkeit-, Druck-, Sauerstoff-, insbesondere gelöster Sauerstoff-, oder Kohlenstoffdioxidsensor; ein ionenselektiver Sensor; ein optischer Sensor, insbesondere ein Trübungssensor, ein Sensor zur optischen Bestimmung der Sauerstoffkonzentration, oder ein Sensor zur Bestimmung der Anzahl von Zellen und Zellstrukturen; ein Sensor zur Überwachung bestimmter organischer oder metallischer Verbindungen; ein Sensor zur Bestimmung einer Konzentration einer chemischen Substanz, beispielsweise eines bestimmten Elements oder einer bestimmten Verbindung; oder ein Biosensor, auch ein Glukosesensor.
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Der Transmitter 2 wird weiter an ein Leitsystem angeschlossen oder ist selbst Teil eines Leitsystems.
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Der erfindungsgemäße Gedanke lässt sich gleichwohl auch auf Aktoren oder andere Geräte, sofern sie einem Sterilisationsprozess unterliegen, ausweiten. Im Folgenden soll der Einfachheit halber nur von Sensoren gesprochen werden.
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Nach einiger Zeit in Gebrauch ist es notwendig den Sensor 4 zu kalibrieren und von den angelagerten Verunreinigungen zu säubern. Dazu wird der Sensor 4 an der Schnittstelle 6 vom Transmitter 2 getrennt. Nach dem Säuberungsprozess muss der Sensor sterilisiert werden. Als Standardmethode hat sich dabei das Autoklavieren etabliert.
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2 zeigt die Temperaturverteilung des Sensors 4 während eines Sterilisationsprozesses. Am Rand des Sensor herrscht zu Beginn des Prozesses annähernd die Sterilisationstemperatur (im Beispiel etwa 140 °C), während im Innern des Sensors 4 eine Temperatur von weniger als der Hälfte (im Beispiel etwa 60 °C) herrscht. Der im Bild dargestellte Tiefpunkt der Temperatur des Sensors 4 ist nur schematisch gewählt. Dieser Temperaturunterschied kann zur Energiegewinnung genutzt werden.
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Im Sensor 4 befindet sich dazu das erfindungsgemäße System 20. Insbesondere befindet sich im Sensor 4 ein thermoelektrisches Element, etwa ein thermoelektrischer Generator 7.
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Der thermoelektrische Generator 7 ist eine Peltier-Zelle. Die Peltier-Zelle besteht aus zwei Halbleitern, die unterschiedliche Energieniveaus besitzen, d.h. die Peltier-Zelle besteht aus vielen p-n-Übergängen. Diese p-n-Übergänge sind üblicherweise zwischen zwei parallelen Keramiksubstraten eingebettet. Durch Reihenschaltung vieler solcher Elemente lässt sich die Spannung erhöhen. Die Spannung zwischen den jeweiligen Keramiksubstraten steigt nahezu linear mit dem Temperaturunterschied an.
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Alternativ – wenn auch mit geringerem Effekt – können zwei Metalle mit unterschiedlichen Werten in der elektrochemischen Spannungsreihe verwendet werden. Sind die Temperaturen der beiden Metalle unterschiedlich, ergibt sich an der Übergangsstelle eine messbare Spannung. Durch Reihenschaltung vieler solcher Elemente lässt sich die Spannung erhöhen. Die Spannung zwischen den metallischen Drahtenden steigt nahezu linear mit dem Temperaturunterschied an.
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Daneben ist die Verwendung eines Pyroelektrikums zur Gewinnung elektrischer Energie denkbar. Hier wird kein räumlicher, sondern ein zeitlicher Temperaturgradient ausgenutzt, um eine elektrische Spannung zu erzeugen.
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Ein Sterilisationszyklus hat darüber hinaus auch die Eigenschaft, dass das zu sterilisierende Objekt eine gewisse Zeit über eine bestimmte Schwelltemperatur (hier die schon angesprochenen 140 °C) erhitzt wird.
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In der näheren Umgebung der Energieversorgungseinrichtung 7 befindet sich ein Zähler 8 zum Erfassen und Zählen eines Sterilisationszyklus und ein Speicher 9 zum Speichern der Anzahl der Zyklen. Der Zähler 8 und der Speicher 9 können als Einfach- oder Mehrfachzähler bzw. -speicher ausgestaltet sein. Sowohl Zähler 8 als auch Speicher 9 können elektrisch oder mechanisch ausgestaltet sein, worauf im Folgenden eingegangen wird.
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Ein elektrischer Einfachzähler ist eine elektrische Schaltung mit einer analogen Beschaltung, welche die Überschreitung der Schwelltemperatur detektiert. Diese wird über einen Komparator digitalisiert und in einem Einfachspeicher gesichert.
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Als elektrischer Mehrfachzähler kommt ein Mikrocontroller zur Verwendung. Bei Verwendung einer intelligenten und sehr stromsparenden Mikrocontrollerschaltung kann über Messung eines temperaturabhängigen Widerstandes detektiert werden, ob die Schwelltemperatur überschritten wird. Ist dies der Fall wird der Inhalt des Mehrfachspeichers erhöht.
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Als elektrischer Einfachspeicherzähler kommt ein nichtflüchtiger Zustandsspeicher, etwa ein State Saver, zur Verwendung. Diese Bausteine ermöglichen es, einen digitalen Zustand auch im stromlosen Zustand beizubehalten.
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Als elektrischer Mehrfachspeicher kommt ein Flash-, EEPROM- oder FRAM-Speicher zur Verwendung. Letzterer ist zu bevorzugen, da dieser wenig Strom benötigt, um die Information in den Speicher zu schreiben. Weiterhin existieren Technologien wie digital einstellbare, nichtflüchtige Potentiometer. Diese behalten den eingestellten Wert auch nach Unterbrechung der Stromversorgung bei.
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3 zeigt einen mechanischen Einfachspeicher. Der mechanische Einfachspeicher ist als mikromechanischer Schalter 9 ausgestaltet. Der mikromechanische Schalter 9 erhält von dem Zähler 8 einen Impuls IMP, welcher den Schalter 9 in eine definierte Position bringt. Durch einen Impuls RESET, welcher dem ersten entgegenwirkt, kann der Einfachzähler von dem Transmitter 2 nach Abschluss des Sterilisationszyklus zurückgesetzt werden.
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4 zeigt einen mechanischen Mehrfachspeicher. Hierbei wird ein mikromechanisches Teil verwendet, welches mit einem Uhrwerk vergleichbar ist. Der „Takt“ wird durch den Zähler 8 generiert. Dieser bewirkt die Fortbewegung eines mikromechanischen Zahnrades 12. Die Position des Zahnrades 12 wird nach dem Wiederanschluss an den Transmitter 2, d.h. bei Vorhandensein der Hauptenergie, ausgewertet werden (siehe unten). Im Beispiel wird eine Zahnstange 13 bewegt, wodurch sich die Kapazität eines Plattenkondensators C verändert. Alternativ kann ebenso mittels einer Feder eine ähnliche Anordnung bedient werden. Je nach Kapazitätswert lässt sich auf die Anzahl der Autoklavierzyklen schließen.
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5 zeigt einen mechanischen Einfachzähler 8.
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Bei dieser Variante dient die, von außen zugeführte, thermische Energie im Inneren des Sensors 4 als Energiequelle. Dabei kann mit einem mikromechanischen Aufbau eine durch Temperatur verursachte, mechanische Spannung MECH genutzt werden um ein Bimetall oder ähnlichen Geber auf eine andere auswertbare Position zu versetzen. Diese Position kann nach Wiederherstellung der Hauptenergie ausgelesen werden und von dem Transmitter 2, z.B. durch einen elektrischen Impuls RESET, zurückgesetzt werden. Ein Zurücksetzen durch Abkühlung ist nicht möglich. Der Schalter wird genutzt um einen elektrischen Impuls zu erzeugen, welcher im elektrischen Speicher 9 vermerkt wird. Dazu ist an den mechanischen Zähler eine elektrische Schaltung angeschlossen, die beim Erreichen des mechanischen Schalters 8 kurz geschlossen wird. Alternativ kann auch eine Elektrode eines Kondensators verschoben – und damit die Kapazität verändert – werden, was nach Rückkehr der Hauptenergie ausgewertet wird.
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Bei einem mechanischen Mehrfachzähler wird die thermische Energie genutzt um den Schalter (vorhergehende Erklärung Einfachzähler) in die Position zu bringen in welcher angezeigt wird, dass die Temperatur über der Grenztemperatur liegt. Fällt die Temperatur wieder unter den Grenzwert, stellt sich der Schalter wieder in die Ausgangslage zurück. Der Schalter 8 kann somit einen elektrischen Impuls weiterleiten, welcher vom Speicher 9 verarbeitet wird.
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Nach dem Sterilisationsprozess wird der Sensor 4 wieder an den Transmitter 2 über das Kabel 3 angeschlossen. Der Transmitter 2, bzw. die Datenverarbeitungseinheit 10, kann nun aus dem Speicher 9 die gespeicherte Anzahl der Sterilisationszyklen auslesen. Diese Information kann etwa dazu genutzt werden um den Verschleiß des Sensors 4 festzustellen und eine Prognose auf die verbleibende Standzeit des Sensors 4 abzugeben.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Messgerät
- 2
- Übergeordnete Einheit
- 3
- Kabel
- 4
- Verbraucher
- 5
- Schnittstelle
- 6
- Schnittstelle
- 7
- Energieversorgungseinrichtung
- 8
- Zähler
- 9
- Speicher
- 10
- Datenverarbeitungseinheit
- 11
- Elektrische Schaltung
- 12
- Zahnrad
- 13
- Zahnstange
- 20
- System
- C
- Kondensator
- T
- Temperatur
- TS
- Schwelltemperatur
- V
- Spannungsversorgung
- x
- Koordinate entlang des Sensors
- IMP
- Impuls zum Zählen
- MECH
- Mechanische Spannung
- RESET
- Zurücksetzen des Zähler
