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Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Überwachung der Temperatur von elektrischen/elektronischen Bauteilen im Ex-Bereich nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
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Im Ex-Bereich werden elektrische/elektronische Bauteile eingesetzt. Sie dürfen infolge ihres Einsatzes im Ex-Bereich sich nicht stark erwärmen, um Explosionen zu vermeiden. Aus diesem Grunde werden Temperatursicherungen in Form von Temperatursensoren eingesetzt, die manuell an den zu überwachenden Bauteilen fixiert werden, beispielsweise durch Kleben oder durch eine entsprechend fixierte Anordnung auf einer Leiterplatte. Wenn eine entsprechend große Zahl von Bauteilen temperaturüberwacht werden soll, sind dementsprechend viele von Hand auszuführende Fixierungen der Temperatursensoren an den Bauteilen erforderlich.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die gattungsgemäße Einrichtung so auszubilden, dass eine Temperaturüberwachung von kritischen Bauteilen in einfacher und dennoch zuverlässiger Weise möglich ist.
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Diese Aufgabe wird bei der gattungsgemäßen Einrichtung erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.
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Bei der erfindungsgemäßen Einrichtung werden die Temperatursensoren oder Temperaturschalter (im folgenden nur als Temperatursensoren bezeichnet) nicht mehr an den zu überwachenden Bauteilen fixiert. Vielmehr werden die Temperatursensoren auf einer Platinenfläche so verteilt angeordnet, dass jeder der zu überwachenden Bauteile im Erfassungsbereich zumindest einer der Temperatursensoren liegt. Aufgrund der flächigen Temperaturüberwachung ist eine exakte Positionierung der Temperatursensoren in Bezug auf oder über die zu überwachenden Bauteile nicht erforderlich. Da eine genaue Zuordnung der Temperatursensoren zu einzelnen zu überwachenden Bauteilen nicht erforderlich ist, ergibt sich eine einfache und kostengünstige Herstellung der erfindungsgemäßen Einrichtung. Aufgrund der flächigen Verteilung der Temperatursensoren auf der Platine ist gewährleistet, dass die Wärme jedes zu überwachenden Bauteiles von einem der Temperatursensoren erfasst wird. Da eine genaue Zuordnung der Temperatursensoren zu einzelnen zu überwachenden Bauteilen nicht notwendig ist, ist bei einer Änderung der Platinenanordnung der Bauteile eine neue Platzierung der Temperatursensoren nicht notwendig. Die flächige Verteilung der Temperatursensoren sorgt dafür, dass auch bei einer Neuplatzierung einzelner oder gar aller zu überwachender Bauteile eine unzulässig hohe Erwärmung dieser Bauteile zuverlässig erfasst wird.
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Eine besonders einfache und wirksame Herstellung und Anordnung der Temperatursensoren ergibt sich, wenn diese jeweils gruppenweise angeordnet sind und auf diese Weise Sensoranordnungen bilden.
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Vorteilhaft sind die Temperatursensoren in der Sensoranordnung im Dreieck angeordnet. Die Dreiecke sind auf einer Platine periodisch angeordnet. Dadurch ergibt sich eine optimale Abdeckung der jeweiligen Platinenfläche durch die Temperatursensoren, wodurch sichergestellt ist, dass die zu überwachenden Bauteile auf jeden Fall im Erfassungsbereich von mehreren unabhängigen Temperatursensoren liegen.
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Da bei Schutzschaltungen im Ex-Bereich je nach Einsatzbereich eine zweifache bzw. dreifache Auslegung (1-fache/2-fache Redundanz) gefordert ist, wird dieser Forderung durch die Anordnung der Temperatursensoren in Dreiecksform damit Rechnung getragen.
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Bei einer vorteilhaften Ausbildung haben die Temperatursensoren etwa gleichen Abstand voneinander. Auf diese Weise wird eine gleichmäßige Abdeckung des zu überwachenden Platinenbereiches für die zu überwachenden Bauteile erreicht.
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Die Temperatursensoren sind innerhalb der Sensoranordnung durch wärmeleitende Leiterbahnen miteinander verbunden. Über die Leiterbahnen wird die von den zu überwachenden Bauteilen erzeugte Wärme an die Temperatursensoren weitergeleitet. Diese Leiterbahnen sind an die Temperatursensoren in bekannter Weise angeschlossen und bestehen vorzugsweise aus Kupfer.
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Wenn die Temperatursensoren innerhalb der Sensoranordnung im Dreieck angeordnet sind, ist es vorteilhaft, die Leiterbahnen innerhalb der Sensoranordnung sternförmig anzuordnen.
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Eine einfache und kostengünstige Fertigung ergibt sich, wenn die Temperatursensoren der Sensoranordnungen jeweils parallel in Reihe liegend an Strom-/Spannungs-Versorgungsleitungen angeschlossen sind.
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Die Temperatursensoren der Sensoranordnungen sind über Signalleitungen an die Auswerteschaltung angeschlossen. Über diese Signalleitungen werden bei Überschreiten der zulässigen Temperatur der zu überwachenden Bauteile entsprechende Signale (digital) an die Auswerteschaltung gesendet, die dann entsprechend reagieren kann. Die Auswerteschaltung kann beispielsweise das die zu überwachenden Bauteile enthaltende Gerät und dergleichen abschalten. Auch ist es möglich, dass die Auswerteschaltung ein Warnsignal erzeugt. Dies kann beispielsweise optisch, akustisch oder auch durch eine Anzeige auf einem Bildschirm erfolgen.
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Eine einfache und kostengünstige Fertigung ergibt sich, wenn die einander entsprechenden Temperatursensoren der jeweiligen Sensoranordnungen parallel geschaltet sind.
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Zu einer einfachen und kostengünstigen Fertigung trägt insbesondere bei, wenn die Sensoranordnungen auf einer Platine periodisch in Reihen neben- und übereinander angeordnet sind.
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Vorteilhaft sind die Sensoranordnungen in der einen Reihe gleich angeordnet. Dies erleichtert die Herstellung der Einrichtung.
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Bevorzugt sind die Sensoranordnungen in der anderen Reihe jeweils verdreht zueinander angeordnet, wodurch sich in einfacher Weise die Temperatursensoren so auf der Platine anordnen lassen, dass eine möglichst gleichmäßige Abdeckung der Platinenfläche durch die Temperatursensoren erreicht wird.
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Um eine einfache Strom-/Spannungsversorgung der Temperatursensoren der Sensoranordnungen zu erreichen, sind die Temperatursensoren vorteilhaft jeweils in Reihen angeordnet. Dadurch können die einander entsprechenden Temperatursensoren der verschiedenen Sensoranordnungen durch gradlinig verlaufende Strom-/Spannungs-Versorgungsleitungen miteinander verbunden werden.
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Bei einer vorteilhaften Ausführungsform sitzen die zu überwachenden Bauteile auf einer Platine und die Temperatursensoren auf einer weiteren Platine. Die beiden Platinen sind dann unter Zwischenlage einer temperaturleitfähigen Vergussmasse miteinander wärmeführend, aber nicht elektrisch leitend, verbunden.
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Bei einer anderen Ausführungsform ist es auch möglich, dass die zu überwachenden Bauteile sowie die Temperatursensoren auf einer gemeinsamen Platine angeordnet sind. Eine solche Ausbildung ist besonders dann von Vorteil, wenn die Platine mit den Bauteilen nicht von einem Dritten fertig entwickelt zugekauft, sondern selbst entwickelt wird. Dann können die Temperatursensoren bereits während der Entwicklung auf der Platine angeordnet werden.
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Der Anmeldungsgegenstand ergibt sich nicht nur aus dem Gegenstand der einzelnen Patentansprüche, sondern auch durch alle in den Zeichnungen und der Beschreibung offenbarten Angaben und Merkmale. Sie werden, auch wenn sie nicht Gegenstand der Ansprüche sind, als erfindungswesentlich beansprucht, soweit sie einzeln oder in Kombination gegenüber dem Stand der Technik neu sind.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen.
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Die Erfindung wird anhand in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen
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1 einen Teil einer erfindungsgemäßen Überwachungseinrichtung,
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2 in schematischer Darstellung eine erfindungsgemäße Überwachungseinrichtung, mit der auf einer gemeinsamen Platine befindliche Bauteile überwacht werden,
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3 in schematischer Darstellung den Verlauf der Strom-/Spannungs-Versorgungsleitungen und der Signalleitungen der erfindungsgemäßen Überwachungseinrichtung,
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4 in schematischer Darstellung einen Schnitt durch zwei mit Temperatursensoren versehenen Platinen, zwischen denen sich eine zu überwachende Platine befindet,
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5 in perspektivischer und schematischer Darstellung die erfindungsgemäße Überwachungseinrichtung gemäß 4.
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6 ein Blockschaltbild einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Überwachungseinrichtung.
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Mit der Überwachungseinrichtung ist es in einfacher und kostengünstiger Weise möglich, die Temperatur von auf einer Platine befindlichen elektrischen/elektronischen Bauteilen zu überwachen.
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Die Überwachungseinrichtung hat Temperatursensoren 1, die auf einer Platine 2 angeordnet sind. Jeweils drei Temperatursensoren 1 sind zu einer Sensoranordnung 3 zusammengefasst. Innerhalb der Sensoranordnung 3 sind die Temperatursensoren 1 so angeordnet, dass sich gleichseitige Dreiecke ergeben. In 1 sind die einer Sensoranordnung 3 zugehörigen Temperatursensoren mit A, B und C gekennzeichnet.
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Anstelle der Temperatursensoren können auch Temperaturschalter vorgesehen sein. Im Folgenden wird der Einfachheit wegen nur von Temperatursensoren gesprochen.
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Die Sensoranordnungen 3 sind so über die Fläche der Platine 2 verteilt angeordnet, dass die Temperatursensoren 1 in gleichmäßigem Abstand voneinander angeordnet sind. Dadurch wird eine gleichmäßige Abdeckung der Fläche der Platine 2 erreicht.
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Die Sensoranordnungen 3 sind in Reihen neben- und übereinander angeordnet. Innerhalb der in 1 vertikalen Reihe sind die Sensoranordnungen 3 jeweils gleich angeordnet. In den horizontalen Reihen sind benachbarte Sensoranordnungen 3 gegeneinander derart verdreht vorgesehen, dass übernächste Sensoranordnungen 3 gleich angeordnet sind.
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Die Temperatursensoren A bis C sind in den Sensoranordnungen 3 so vorgesehen, dass die Temperatursensoren A bzw. B bzw. C jeweils in einer Linie liegen. Sie können darum durch gerade verlaufende Strom-/Spannungs-Versorgungsleitungen 5, 6 miteinander elektrisch verbunden werden. Solche geraden Leitungen 5, 6 lassen sich einfach an der Platine 2 vorsehen.
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Innerhalb einer Sensoranordnung 3 sind die Temperatursensoren A bis C durch eine Leiterbahn 4 (1) verbunden, über die die Wärme der zu überwachenden Bauteile zu den einzelnen Temperatursensoren A bis C geleitet wird. Die Leiterbahn 4 ist sternförmig ausgebildet, indem von einem mittleren Bereich aus jeweils ein Arm der Leiterbahn 4 zu dem jeweiligen Temperatursensor A bis C geführt ist. Aufgrund der gleichmäßigen Abdeckung der Platinenfläche haben die Sensoren A bis C der Sensoranordnungen 3 untereinander jeweils etwa gleichen Abstand voneinander. Dadurch wird erreicht, dass die zu überwachenden Bauteile stets etwa den gleichen Maximalabstand zu einem der Temperatursensoren A bis C haben.
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Die Platine 2 kann aus einer Leiterplatte aus FR4, aus Keramik, aus PTFE, aus einem Aluminiumsubstrat und dergleichen hergestellt sein. Besteht die Platine 2 aus keramischem Material oder aus Aluminiumsubstrat, dann kann die Platine gleichzeitig auch als Wärmeableiter bzw. Kühlkörper dienen. In diesem Falle sind die Leiterbahnen 4 nicht erforderlich (2).
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Die Leiterbahnen 4 werden vorzugsweise auf der Platine 2 geätzt. Eine solche Ausbildung wird vorteilhaft bei einer zweilagigen Ausbildung der Überwachungseinrichtung eingesetzt. Hierunter ist zu verstehen, dass die Leiterbahnen 4 in die Platine 2 durchsetzenden Öffnungen vorgesehen ist. Diese Öffnungen werden durch das Material der Leiterbahnen 4 ausgefüllt, so dass ihre Oberseiten in den beiden Außenseiten der Platine 2 liegen.
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Die Temperatursensoren 1, A bis C arbeiten unabhängig voneinander, wodurch sich eine 2-fach-Redundanz ergibt (die Anforderung an die Redundanz ist abhängig vom Einsatzbereich in einer Ex-Umgebung).
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Die Anschlüsse 8 der Temperatursensoren 1, A bis C sind an eine Plusleitung 8 angeschlossen, über welche die Temperatursensoren 1, A bis C mit einer Strom-/Spannungsquelle 7 verbunden sind. Außerdem sind die Temperatursensoren 1, A bis C über eine Groundleitung 6 an die Strom-/Spannungsquelle 7 angeschlossen. Die Leitungen 5, 6 bilden die Strom-/Spannungs-Versorgungsleitungen.
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Die von den Temperatursensoren 1, A bis C ausgehenden digitalen Signale werden über Signalleitungen 9 bis 11 einer Auswerteschaltung 12 zugeführt. Über die Signalleitungen 9 sind alle Temperatursensoren A, über die Signalleitungen 11 alle Temperatursensoren B und über die Signalleitungen 11 alle Temperatursensoren C der Sensoranordnungen 3 an die Auswerteschaltung 12 angeschlossen. Die Temperatursensoren A sind parallel an die Signalleitung 9 angeschlossen. Auch die Temperatursensoren B und C sind parallel an die zugehörigen Signalleitungen 10 und 11 angeschlossen.
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In 2 sind beispielhaft einige durch die Temperatursensoren 1 zu überwachende elektrische/elektronische Bauteile 12 dargestellt, die auf einer gemeinsamen Platine angeordnet sind. Da die Sensoranordnungen 3 so vorgesehen sind, dass die Temperatursensoren A bis C jeweils etwa gleichen Abstand voneinander haben und dieser Abstand ausreichend klein gewählt ist, liegt jedes wärmeempfindliche Bauteil 13 im Erfassungsbereich von mindestens zwei bzw. drei unabhängigen Temperatursensoren A bis C (die Anforderung an die Redundanz ist abhängig vom Einsatzbereich in einer Ex-Umgebung), d. h. einer gesamten Dreiecksanordnung A bis C. Sollte eines der wärmeempfindlichen Bauteile 13 eine vorgegebene zulässige Temperatur überschreiten, dann wird dies von dem am nächsten benachbarten Temperatursensor erfasst, der ein entsprechendes Ausgangssignal über eine der Signalleitungen 9 bis 11 der Auswerteschaltung 12 zuführt. Sie wertet die ankommenden Signale aus und schaltet beispielsweise ein mit den Bauteilen 13 versehenes Gerät ab oder gibt beispielsweise eine Warnmeldung aus.
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Aufgrund der beschriebenen Ausbildung ist eine genaue Zuordnung der Temperatursensoren 1, A bis C zu den einzelnen zu überwachenden Bauteilen 13 nicht erforderlich. Die Temperatursensoren 1, A bis C sind auf der Platine 2 so verteilt angeordnet, dass alle Bauteile hinsichtlich der Temperaturüberwachung erfasst werden (flächige Temperaturüberwachung).
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Die zu überwachenden Bauteile 13 befinden sich beispielhaft auf einer eigenen Platine 14 (4 und 5). Bei der Ausführungsform gemäß den 4 und 5 befinden sich die Bauteile 13 auf beiden Seiten der Platine 14. Darum werden zur Temperaturüberwachung zwei Platinen 2 eingesetzt, die jeweils mit den Temperatursensoren A bis C versehen sind, die entsprechend den 1 bis 3 auf diesen Platinen 2 angeordnet sind. Die Platinen 2 werden so angeordnet, dass die Temperatursensoren der zu überwachenden Platine 14 zugewandt sind. Die Platinen 2, 14 werden mit Abstand voneinander angeordnet, wobei die zwischen den Platinen befindlichen Zwischenräume 15 mit einer temperaturleitfähigen, nicht elektrisch leitenden Vergussmasse gefüllt werden.
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Wenn die zu überwachende Platine 14 nur auf einer Seite die zu überwachenden Bauteile 13 aufweist, dann ist auch nur eine entsprechende Platine 2 mit den Sensoranordnungen 3 notwendig, die mit Abstand zur zu überwachenden Platine 2 angeordnet wird, wobei der Zwischenraum zwischen den beiden Platinen 2, 14 mit der temperaturleitfähigen, nicht elektrisch leitenden Vergussmasse gefüllt wird.
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Wenn die zu überwachende Platine 14 seitens des Herstellers geändert werden sollte, indem die Bauteile 13 durch andere Bauteile ersetzt oder die Bauteile in anderer Anordnung auf der Platine 14 vorgesehen werden, ist eine Anpassung der Platine 2 nicht erforderlich. Die Sensoranordnungen 3 gewährleisten auch in einem solchen Fall, dass die Bauteile 13 der geänderten Platine 14 hinsichtlich der Temperaturüberwachung zuverlässig erfasst werden. Die Temperatursensoren 1, A bis C sind gleichmäßig verteilt auf der Platine 2 vorgesehen und haben einen solchen Abstand voneinander, dass die Bauteile 13 auf jeden Fall von den entsprechenden Temperatursensoren 1, A bis C hinsichtlich der Temperaturüberwachung erfasst werden.
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Bei den beschriebenen Ausführungsformen befinden sich die Temperatursensoren 1, A bis C auf der eigenen Platine 2. Sie wird mit einem solchen Abstand zur zu überwachenden Platine 14 angeordnet, dass die von den auf dieser Platine 14 befindlichen Bauteilen 13 erzeugte Wärme von den Temperatursensoren 1, A bis C erfasst werden kann.
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Bei einer anderen (nicht dargestellten) Ausführungsform sind die Temperatursensoren 1, A bis C unmittelbar auf der zu überwachenden Platine 14 angeordnet. Dies ist insbesondere dann möglich, wenn diese Platine 14 nicht von einem Dritten fertig entwickelt zugekauft, sondern selbst entwickelt wird. Dann können die Temperatursensoren 1, A bis C bereits während der Entwicklung auf der Platine 14 angeordnet werden. In vielen Fällen wäre die Platine 14 dann mehrlagig auszulegen.
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6 zeigt in schematischer Darstellung, dass mehrere Platinen 2 für die Temperaturüberwachung vorgesehen sein können, die jeweils mit den Sensoranordnungen 3 versehen sind. Die auf den Platinen 2 befindlichen Temperatursensoren sind in der beschriebenen Weise über die Plusleitung 5 sowie die Groundleitung 6 an die Strom-/Spannungsquelle 7 angeschlossen. Die auf den Platinen 2 befindlichen Temperatursensoren sind in der beschriebenen Weise über die Leitungen 9 bis 11 an die Auswerteschaltung 12 angeschlossen.
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Die Platinen 2 sind parallel geschaltet, so dass ein einfacher Anschluss der Platinen an die Strom-/Spannungsquelle 7 möglich ist.
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Die Temperatursensoren 1, A bis C auf den verschiedenen Platinen 2 sind wiederum derart gleichmäßig verteilt angeordnet, dass eine flächige Temperaturerfassung der Bauteile 13 auf der Platine 14 gewährleistet ist. Die einzelnen Bauteile 13, deren Temperatur überwacht werden soll, müssen nicht bekannt sein, weil infolge der flächigen Temperaturerfassung die kritischen Bauteile auf jeden Fall von zwei bzw. drei unabhängigen Temperatursensoren 1 auf der jeweiligen Platine 2 erfasst werden (die Anforderung an die Redundanz ist abhängig vom Einsatzbereich in einer Ex-Umgebung). Eine genaue Zuordnung von Temperatursensor und zu überwachendem Bauteil ist nicht erforderlich. Die Temperatursensoren 1, A bis C lassen sich sehr einfach auf der Platine 2 anbringen, die dadurch kostengünstig gefertigt werden kann.
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Die Überwachungseinrichtung wird für den Ex-Bereich eingesetzt, in dem sichergestellt sein muss, dass die auf der zu überwachenden Platine 14 befindlichen Bauteile nicht zu heiß werden, um die Gefahr von Bränden bzw. Explosionen zu vermeiden. Die Temperatursensoren 1, A bis C sind darum durch entsprechende Schaltung auf die kritischen Temperaturen im Einsatzgebiet der zu überwachenden Platine 14 eingestellt.
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Wenn die Bauteile 13 auf der zu überwachenden Platine 14 nicht über deren Fläche verteilt angeordnet, sondern beispielsweise nur in einem eng begrenzten Bereich dieser Platine 14 vorgesehen sind, reicht es aus, dass bei den Überwachungsplatinen 2 die Temperatursensoren 1, A bis C auch nur in diesem zu überwachenden Bereich der Platine 14 flächig verteilt vorhanden sind.
