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Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet von Vorrichtungen und Verfahren zur Strombestimmung oder -messung und insbesondere Verfahren und Vorrichtungen, mit denen ein durch Steckkontakte eines Steckverbinders fließender Strom bestimmt bzw. gemessen wird.
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Ein herkömmlicher Ansatz zur Strommessung umfasst die Nutzung eines Shunt-Widerstands (bisweilen auch einfach Shunt genannt), der ein niederohnmiger Widerstand mit einem ausreichend genau bekannten Widerstandswert ist. Durch diesen Shunt-Widerstand wird der zu messende Strom geleitet, wobei dann die über den Shunt-Widerstand abfallende Spannung gemessen und dann über das Ohmsche Gesetz zur Bestimmung des Stroms genutzt wird.
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Mit der Nutzung des Shunt-Widerstands ist ein Aufwand dahingehend verbunden, dass der Shunt-Widerstand (neben der zugehörigen Messeinrichtung(en)) als zusätzliches Bauteil vorgesehen werden muss. Hinzu kommt, dass ein Ausfall des Shunt-Widerstands oder seiner Kontaktierung wegen der Prinzip-bedingten Reihenschaltung zu einem Ausfall der Stromleitung insgesamt führt.
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Ein der vorliegenden Erfindung zugrundeliegendes Ziel ist es, einen Ansatz vorzustellen, mit dem die Nachteile der bisherigen Ansätze im Zusammenhang mit einem Shunt-Widerstand vermieden oder zumindest vermindert werden.
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Es ist daher gewünscht, eine Lösung vorzustellen, die hinsichtlich der eigentlichen Stromleitung, die den zu messenden bzw. zu bestimmenden Strom führt, einen geringeren apparativen Aufwand und eine verbesserte Stabilität gegen Ausfall ermöglicht.
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Erfindungsgemäß wird nach einem ersten Aspekt eine Vorrichtung zum Bestimmen eines zu bestimmenden Stromes vorgeschlagen, wie sie in Anspruch 1 definiert ist, nämlich mit einer Stromquelle für einen Messstrom, einem Widerstand und wenigstens einer Spannungsmesseinheit, wobei der Widerstand zwei Elemente einer Steckverbindung umfasst und dazu ausgelegt ist, dass der zu bestimmende Strom und der Messstrom durch den Widerstand fließen, wobei der Messstrom eine Charakteristik aufweist, die ihn von dem zu bestimmenden Strom unterscheidet, wobei die Vorrichtung dazu ausgestaltet ist, anhand eines den Widerstandswert des Widerstands angebenden Wertes, der von der Spannungsmesseinheit unter Nutzung der Charakteristik des Messstroms erhalten wird, und eines von der Spannungsmesseinheit erhaltenen Wertes, der einen dem zu bestimmenden Strom zugehörigen Spannungsabfall angibt, den zu bestimmenden Strom zu bestimmen
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Erfindungsgemäß wird nach einem zweiten Aspekt ein Vorrichtungselement für eine Vorrichtung zum Bestimmen eines zu bestimmenden Stromes vorgeschlagen, wie es in Anspruch 12 definiert ist, nämlich mit einer Stromquelle für einen Messstrom und wenigstens einer Spannungsmesseinheit, wobei die Stromquelle und die Spannungsmesseinheit für eine Kopplung mit einem Widerstand, der zwei Elemente einer Steckverbindung umfasst, derart ausgestaltet sind, dass der zu bestimmenden Strom und der Messstrom durch den Widerstand fließen, wobei der Messstrom eine Charakteristik aufweist, die ihn von dem zu bestimmenden Strom unterscheidet, wobei das Vorrichtungselement dazu ausgestaltet ist, anhand eines den Widerstandswert des Widerstands angebenden Wertes, der von der Spannungsmesseinheit unter Nutzung der Charakteristik des Messstroms erhalten wird, und eines von der Spannungsmesseinheit erhaltenen Wertes, der einen dem zu bestimmenden Strom zugehörigen Spannungsabfall angibt, den zu bestimmenden Strom zu bestimmen.
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Erfindungsgemäß wird nach einem dritten Aspekt ein Verfahren zum Bestimmen eines zu bestimmenden Stromes vorgeschlagen, wie es in Anspruch 14 definiert ist, nämlich ein Verfahren und unter Nutzung einer Stromquelle für einen Messstrom, eines Widerstands und wenigstens einer Spannungsmesseinheit, wobei der Widerstand zwei Elemente einer Steckverbindung umfasst und der zu bestimmende Strom und der Messstrom durch den Widerstand fließen, wobei der Messstrom eine Charakteristik aufweist, die ihn von dem zu bestimmenden Strom unterscheidet, mit den Schritten des Erhaltens eines den Widerstandswert des Widerstands angebenden Wertes durch die Spannungsmesseinheit unter Nutzung der Charakteristik des Messstroms, des Erhaltens eines Wertes, der einen dem zu bestimmenden Strom zugehörigen Spannungsabfall angibt, durch die Spannungsmesseinheit, und des Bestimmens des zu bestimmenden Stromes anhand der erhaltenen Werte.
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Der Erfindung liegt die Erfindung zugrunde, dass anstelle eines herkömmlichen Shunt-Widerstandes auch der Widerstand des Steckkontakts genutzt werden kann, wenn dieser mit einer ausreichenden Genauigkeit bekannt ist. Es wurde erkannt, dass sich die Problematik, nach der sich der Widerstand des Steckkontakts (den man auch als Kontaktwiderstand bezeichnen könnte, solange, wie hier, aus dem Kontext klar ist, dass sich hierbei „Kontakt-Widerstand“ nicht notwendig nur auf den Widerstand am Übergang von etwa Stecker-Kontakt zu Buchsen-Kontakt bezieht) über die Lebensdauer einer Steckverbindung in der Regel ändert, dadurch überwinden lässt, dass dieser Kontaktwiderstand jeweils wiederholt bestimmt wird. Angesichts einer solchen ausreichend aktuellen (d.h. mit Blick auf die Änderungsrate des Widerstands ausreichend häufigen) Widerstandsbestimmung kann der Kontaktwiderstand praktisch die Rolle eines Shunt-Widerstands übernehmen, ohne dass der Kontaktwiderstand wie ein Shunt-Widerstand gesondert vorgesehen werden müsste und ohne dass der Kontaktwiderstand den gleichen Stabilitäts- und Genauigkeitsanforderungen wie der Shunt-Widerstand genügen müsste. Eine zusätzliche Komplikation ergibt sich hierbei darin, dass es in der Regel nicht möglich oder gewünscht ist, den zu bestimmenden Strom für kurze Zeit zu unterbrechen, so dass allein der durch den Kontakt fließende Mess- oder Prüfstrom für einen Spannungsabfall sorgt, der dann trivial zur Bestimmung des Kontaktwiderstands genutzt werden kann.
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Ein Teil des Hintergrunds der vorliegenden Erfindung findet sich in den folgenden Überlegungen.
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Während zur Strommessung in beispielsweise elektronischen Baugruppen herkömmlich Shunt-Widerstände genutzt werden, bei denen aufgrund ihres bekannten Widerstands aus dem entsprechenden Spannungsabfall der jeweilige Strom berechnet werden kann. Es wurde erkannt, dass anstelle eines solchen Shunt-Widerstands in Form eines gesonderten Bauteils der Kontaktwiderstand von Steckkontakten in Steckverbindern verwendet werden kann, wobei dies beispielsweise der Widerstand lediglich des Kontaktpunkts oder auch der komplette Kabelanschluss sein kann. Hierbei ist es allerdings relevant, dass der Kontaktwiderstand zeitlich nicht konstant ist und insofern zeitnah bestimmt werden muss. Dies kann beispielsweise über einen (gegenüber etwa einem zu bestimmenden Wechselstrom von 50 Hz hochfrequenten) Prüfstrom erfolgen, der separat gefiltert werden kann. Der Kontaktwiderstand lässt sich bei Vorliegen des hochfrequenten (beispielsweise » 50 Hz) Prüf- oder Messstrom aus dem entsprechenden hochfrequenten Anteil einer Prüf- oder Messspannung bestimmen und kann dann im Zusammenhang mit der Spannungsmessung analog zum Shunt-Widerstandsansatz zur Bestimmung des Laststroms (als dem zu bestimmenden Strom) (in diesem Beispiel 50 Hz) genutzt werden.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung eines Aspekts der Erfindung ist der Messstrom ein Wechselstrom und die Charakteristik des Messstroms ist eine Frequenz des Messstroms, wobei die Spannungsmesseinheit für eine Messung einer Wechselspannung mit einer Frequenz des Messstroms und für eine Messung einer Wechselspannung mit einer anderen Frequenz und/oder einer Gleichspannung ausgestaltet ist.
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Ströme mit unterschiedlicher Frequenz können ebenso wie ein Wechselstrom und ein Gleichstrom miteinander überlagert werden, wobei sich dann eine entsprechende Überlagerung der resultierenden Spannungen ergibt, wobei dann die Frequenzen wiederum voneinander getrennt betrachtet bzw. analysiert werden können.
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In einer bevorzugten Variante der obigen Ausgestaltung ist ferner eine mit der Spannungsmesseinheit gekoppelte Signalverarbeitungseinheit vorgesehen, die zur Abtrennung eines Signals mit der Frequenz des Messstroms aus einer Ausgabe der Spannungsmesseinheit ausgestaltet ist.
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Eine vorteilhafte Möglichkeit, zur Gewinnung des für den Kontaktwiderstand indikativen Anteils des Spannungsabfalls besteht in der Nutzung einer Signalverarbeitung, wie sie in anderen Zusammenhängen für ähnliche Zwecke (Isolation eines Signals mit einer bestimmten Frequenz) bereits bekannt ist.
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In einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung eines Aspekts der Erfindung ist die Charakteristik des Messstroms, die ihn von dem zu bestimmenden Strom unterscheidet, eine zeitliche Taktung, wobei die Spannungsmesseinheit für eine Messung von Spannungen entsprechend der zeitlichen Taktung des Messstroms und der zeitlichen Taktung des zu bestimmenden Stroms ausgestaltet ist.
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Wenn der Messstrom eine (bekannte) zeitliche Taktung aufweist, also beispielsweise zu vorbekannten (oder bestimmbaren) Zeitpunkten gewissermaßen unterbrochen ist, kann zu diesen Zeitpunkten mit dem Messstrom ein Spannungsabfall hervorgerufen werden, der lediglich vom bekannten Messstrom und nicht vom zu bestimmenden Strom abhängt.
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Es ist hierbei möglich, dass sowohl der zu bestimmende Strom als auch der Messstrom jeweils (zumindest zeitweise) in Form von Gleichströmen vorliegen, wobei die hierbei unterscheidende Charakteristik umfasst, dass zu bekannten Zeitpunkten entweder nur der zu bestimmende Strom oder nur der Messstrom durch den Widerstand fließt.
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In einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung eines Aspekts der Erfindung ist der Messstrom ein Gleichstrom und der zu bestimmende Strom ist ein Wechselstrom, wobei die Spannungsmesseinheit für eine Bestimmung eines durch den Messstrom hervorgehobenen Versatzes eines dem zu bestimmenden Strom zugehörigen Spannungsverlaufs ausgestaltet ist.
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Das zusätzliche Vorsehen des Messstroms führt (je nach Richtung) zu einem insgesamt höheren bzw. niedrigeren Strom (einschließlich zu bestimmenden Strom), was sich entsprechend auf den Spannungsabfall auswirkt, der bestimmt werden kann.
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In entsprechender Weise sieht ein anderer Aspekt der Erfindung vor, im Fall eines Gleichstroms als dem zu bestimmenden Strom einen Messstrom in Form eines Wechselstroms zu nutzen.
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In einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung eines Aspekts der Erfindung umfasst die Spannungsmesseinheit einen ersten und einen zweiten Spannungsmesser, wobei der erste Spannungsmesser für eine Messung einer dem zu bestimmenden Stroms zugehörigen Spannung und/oder eines dem zu bestimmenden Strom zugehörigen Spannungsverlaufs ausgestaltet ist und der zweite Spannungsmesser für eine Messung einer dem Messstrom zugehörigen Spannung und/oder eines dem Messstrom zugehörigen Spannungsverlaufs ausgestaltet ist.
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Mit dem Vorsehen von separaten Spannungsmessern können diese Spannungsmesser in ihrer Auslegung jeweils optimal auf den Messstrom bzw. den zu bestimmenden Strom abgestimmt sein, um so möglichst gute Ergebnisse zu erreichen.
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In einer bevorzugten Variante der obigen Ausgestaltung sind der zu bestimmende Strom und der Messstrom jeweils Wechselströme mit unterschiedlicher Frequenz, wobei wenigstens der zweite Spannungsmesser eine Filtereinheit aufweist, die auf die Frequenz des Messstroms abgestimmt ist.
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Durch das Vorsehen einer Filtereinheit, die beispielsweise gezielt die hinsichtlich der Frequenz bekannten Spannung aus dem bestimmenden Strom ausfiltert, die gezielt eine Spannung passieren lässt, deren Frequenz der des Messstroms entspricht oder die eine Trennung als Hoch- oder Tiefpass durchführt, können die von den unterschiedlichen Strömen hervorgerufenen Spannungsabfälle bzw. deren Verläufe in einfacher Weise voneinander getrennt bestimmt werden.
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In einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung eines Aspekts der Erfindung weist die Spannungsmesseinheit einen Spannungsmesser und eine Separationseinheit auf, die dazu ausgestaltet ist, dem Spannungsmesser im zeitlichen Wechsel eine dem zu bestimmenden Stroms zugehörige Spannung und/oder einen dem zu bestimmenden Stroms zugehörigen Spannungsverlauf und eine dem Messstrom zugehörige Spannung und/oder einen dem Messstrom zugehörigen Spannungsverlauf zur Messung zuzuführen.
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Wenn ein einzelner Spannungsmesser vorgesehen ist, kann dieser beispielsweise abwechselnd dazu genutzt werden, die mit dem Messstrom (ggf. zusammen mit dem zu bestimmenden Strom) verbundene Spannung und die mit dem zu bestimmenden Strom verbundene Spannung zu bestimmen. Hierbei ist die zeitliche Abstimmung vorzugsweise auf die Erzeugung des Messstroms abgestimmt.
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In einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung eines Aspekts der Erfindung sind wobei die Stromquelle, der Widerstand und die Spannungsmesseinheit nach Vierleitertechnik verschaltet sind.
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Eine Verschaltung unter Nutzung der Prinzipien der Vierleitertechnik hat den Vorteil, dass hierbei die Widerstandswerte der Zuleitungen zwischen dem eigentlich zu bestimmenden Widerstand und den Messeinrichtungen (Spannungsmesser + Stromquelle) „ausgeblendet“ werden.
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In einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung eines Aspekts der Erfindung sind ferner eine Vergleichseinheit und eine Signaleinheit vorgesehen, wobei die Vergleichseinheit für einen Vergleich des den Widerstandswert des Widerstands angebenden Wertes und/oder dessen zeitlichen Verlaufs mit einem Referenzwert ausgestaltet ist, wobei die Signaleinheit dazu ausgestaltet ist, ein mögliches Versagen der Steckverbindung anzeigendes Signal auszugeben, wenn von einer Vergleichseinheit ein Überschreiten oder eine vorbestimmte Abweichung des Referenzwerts erkannt wird.
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Die zeitliche Änderung, insbesondere deren Absolutwert aber auch deren Verlauf, des Widerstandswert erlaubt Rückschlüsse auf die Eigenschaften des Steckverbinders, wobei hiermit vornehmlich ein anstehendes Versagen frühzeitig erkannt werden kann. Mit einer derartigen Ergänzung kann die Erfindung somit nicht nur zur Bestimmung von Strom sondern auch zur Zustandsüberwachung eines Steckverbinders genutzt werden. Insbesondere ein starker Anstieg des Widerstandswerts kann auf einen anstehenden Defekt hinweisen.
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In einer weiteren bevorzugten Variante der obigen Ausgestaltung ist zudem eine Speichereinheit zur Speicherung eines oder mehrerer den Widerstandswert des Widerstands angebenden und durch die Vorrichtung bestimmten Werte vorgesehen, wobei die Vorrichtung bzw. das Vorrichtungselement zur Bestimmung des Referenzwerts anhand von gespeicherten Werten ausgestaltet ist.
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Wird der Widerstandswert in seinem zeitlichen Verlauf gespeichert, können dieser vergangenen Werte für den Referenzwert genutzt werden, insbesondere als solche oder deren zeitliches Verlauf.
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Alternativ oder ergänzend zur oben diskutierten Nutzung von Frequenzen und/oder zeitlicher Taktung des zu bestimmenden Strom bzw. des Messstroms als Charakteristik, die zur Unterscheidung herangezogen wird, können auch Unterschiede zwischen dem zu bestimmenden Strom und dem Messstrom hinsichtlich etwa der Modulation und/oder der Phasenlage herangezogen werden.
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Ist der zu bestimmende Strom hinsichtlich eines Charakteristikums nicht ausreichend bekannt, z.B. aufgrund von systematischen (aber unbekannten) oder zufälligen/pseudozufälligen Schwankungen in der Stärke, kann vorgesehen sein, dass ein ohne Anliegen des Messstroms gewonnener zeitlicher Mittelwert oder eine anderweitige vereinfachende Annäherung (z.B. Sinus-Verlauf ggf. mit Oberschwingungen bei Wechselstrom mit Störungen) als Referenz bei der Bestimmung einer nur dem Messstrom zuzuordnenden Spannungsantwort genutzt wird.
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Merkmale vorteilhafter Ausführungsformen der Erfindung sind insbesondere in den Unteransprüchen definiert, wobei weitere vorteilhafte Merkmale, Ausführungen und Ausgestaltungen für den Fachmann zudem aus den obigen Erläuterung und der folgenden Diskussion zu entnehmen sind.
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Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand von in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen weiter illustriert und erläutert. Hierbei zeigt
- 1 eine schematische Darstellung zur Illustration eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung, und
- 2 ein schematisches Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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1 zeigt eine schematische Darstellung zur Illustration eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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Die Vorrichtung umfasst einen Steckkontakt mit Elementen 1a, 1b, eine Stromquelle 3, einen ersten Spannungsmesser 5, einen zweiten Spannungsmesser 7, eine Vergleichseinheit 9, eine Speichereinheit 11 und eine Signaleinheit 13.
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Der zu bestimmende Strom fließt durch die Elemente 1a, 1b.
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Die Stromquelle 3 und die Spannungsmesser 5, 7 sind hinsichtlich des durch die Elemente 1a, 1b gebildeten Widerstands parallel geschaltet.
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Wird von der Stromquelle 3 kein Strom durch die Elemente 1a, 1b geleitet, steht der über die Elemente 1a, 1b vorliegende Spannungsabfall über das ohmsche Gesetz in direkter Beziehung zu dem zu bestimmenden Strom, so dass dieser über den Widerstandswert der Elemente 1a, 1b und den vom Spannungsmesser 5 gemessenen Spannungsabfall berechnet werden kann.
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Wird von der Stromquelle 3 ein Strom über die Elemente 1a, 1b geführt, überlagert sich dieser mit dem zu bestimmenden Strom.
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In diesem Beispiel wird als Charakteristik der Ströme, die zur Bestimmung des Widerstandswerts der Elemente 1a, 1b genutzt wird, deren Frequenz verwendet. Der zu bestimmende Strom ist in diesem Beispiel ein Wechselstrom mit einer Frequenz von 50 Hz. Der Messstrom ist ebenfalls ein Wechselstrom und weist eine Frequenz von deutlich über 50 Hz auf.
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Bei anliegendem Messstrom wird der Spannungsabfall über die Elemente 1a, 1b vom Spannungsmesser 7 aufgenommen.
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Das Messsignal des Spannungsmessers 7 wird an die Vergleichseinheit 9 gegeben.
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Die Vergleichseinheit 9 ist hierzu dazu ausgestaltet, aus dem Spannungssignal des Spannungsmessers 7, das den Spannungsabfall, der dem Messstrom zugehörig ist, und den Spannungsabfall, der dem zu bestimmenden Strom zugehörig ist, durch geeignete Signalverarbeitung (insbesondere Filterung) den Spannungsabfall zu isolieren, der dem Messstrom zugehörig ist, so dass hieraus der Widerstandswert des Kontaktwiderstands der (Kontakt-) Elemente 1a, 1b bestimmt werden kann.
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Der so bestimmte Widerstandswert wird von der Vergleichseinheit 9 mit einem aus der mit der Vergleichseinheit 9 gekoppelten Speichereinheit ausgelesenen Referenzwert, der ein früherer Widerstandswert ist, verglichen. Ergibt sich hierbei eine Abweichung jenseits einer bestimmten Toleranz, wird von der Vergleichseinheit 9 die Ausgabe eines entsprechenden Signals über die Signaleinheit 13 veranlasst.
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Ansonsten wird der bestimmte Widerstandswert genutzt, den zu bestimmenden Strom zu bestimmen.
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2 zeigt ein schematisches Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens, das beispielsweise im Rahmen einer Vorrichtung ausgeführt wird, die in 1 illustriert ist.
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In Schritt 15 wird unter Nutzung der Charakteristik des Messstroms ein den Widerstandswert des Widerstands angebender Wert erhalten.
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Im folgenden Schritt 17 wird dieser Wert mit einem Referenzwert oder einem Referenzbereich verglichen, wobei bei einer Abweichung, Überschreitung und/oder Unterschreitung ein entsprechendes Signal in Schritt 19 ausgegeben wird. Nach Schritt 19 kann das Verfahren abgebrochen werden. Es ist allerdings auch möglich, dass das Verfahren in Schritt 21 fortgeführt wird.
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In Schritt 21 wird ein Wert, der einen dem zu bestimmenden Strom zugehörigen Spannungsabfall angibt, erhalten. Schritt 21 wird hierbei wiederholt ausgeführt, so dass der zu bestimmende Strom in den an Schritt 21 anschließenden Schritt 23 etwa kontinuierlich bestimmt wird.
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Nach einer vorbestimmten Zeit, einer vorbestimmten Anzahl von Messwiederholungen oder anhand anderer Bedingungen kehrt das Verfahren zu Schritt 15 zur Wiederholung des Ablaufs zurück.
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Auch wenn in den Figuren verschiedene Aspekte oder Merkmale der Erfindung jeweils in Kombination gezeigt sind, ist für den Fachmann - soweit nicht anders angegeben - ersichtlich, dass die dargestellten und diskutieren Kombinationen nicht die einzig möglichen sind. Insbesondere können einander entsprechende Einheiten oder Merkmalskomplexe aus unterschiedlichen Ausführungsbeispielen miteinander ausgetauscht werden.
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In Implementierungen der Erfindung können jeweils einzelne Komponenten, z.B. ein Prozessor, ganz oder teilweise die Funktionen verschiedener in den Ansprüchen genannter Elemente übernehmen. Abläufe oder Vorgänge wie beispielsweise Bestimmen, Berechnen und Filtern können als Programmmittel eines Computerprogramms und/oder als spezielle Hardwarekomponenten implementiert werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1a, 1b
- Widerstand, Element einer Steckverbindung
- 3
- Stromquelle
- 5,7
- Spannungsmesser
- 9
- Vergleichseinheit
- 11
- Speichereinheit
- 13
- Signaleinheit
- 15
- Erhalten des Widerstandswerts
- 17
- Abgleichen des erhaltenden Widerstandswerts
- 19
- Alarmieren
- 21
- Erhalten des Spannungsabfalls für den zu bestimmenden Strom
- 23
- Bestimmen des Stromwerts
