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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung der Temperatur eines elektrischen Kontakts mit den Merkmalen gemäß den Patentansprüchen.
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Insbesondere im Zusammenhang mit der Aufladung eines zum Antrieb eines Elektrofahrzeuges vorgesehenen Energiespeichers, ist die Kenntnis der aktuellen Temperatur der elektrischen Verbindung zwischen Elektrofahrzeug und Stromnetz vorteilhaft.
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Beispielsweise gemäß dem Dokument
DE102015116453A1 ist es im Rahmen der Steuerung eines Ladestroms zur Aufladung des Energiespeichers eines Elektrofahrzeuges Stand der Technik, die Temperatur eines elektrischen Kontakts bzw. eines Ladesteckers/einer Ladebuchse mittels eines Temperatursensors zu ermitteln. Dazu ist der Temperatursensor beispielsweise im Gehäuse eines fahrzeugseitigen elektrischen Steckverbinders angeordnet. Insbesondere ist der Temperatursensor in einem Kunststoff eingesetzt. Dieser Kunststoff ist als Isolierung notwendig, da eine solche Aufladung bei einer elektrischen Spannung von bis zu 1000 Volt erfolgt und ein elektrischer Strom von bis zu 400 A fließen kann. Jedenfalls erfolgt aufgrund der vergleichsweise schlechten Wärmeleitfähigkeit des Kunststoffes die Bestimmung der aktuellen Temperatur der elektrischen Verbindung mit einer Verzögerung, so dass eine Überschreitung der maximal zulässigen Temperatur des elektrischen Kontakts bzw. der elektrischen Verbindung auftreten kann.
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Gemäß dem Dokument
CN104701682A ist ebenfalls ein Verfahren zur Bestimmung der Temperatur eines elektrischen Kontakts mittels eines temperaturabhängigen Widerstands Stand der Technik.
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Gemäß dem Dokument
DD266852A1 ist es Stand der Technik, zum Zweck der Messung hoher elektrischer Ströme, auf einer Stromschiene einen Dehnungsmessstreifen aufzukleben.
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Gemäß dem Dokument
DE202004007830U1 ist eine Messvorrichtung mit einer Prüfspitze mit mehreren Segmenten Stand der Technik, wobei an den Segmenten Dehnungsmessstreifen aufgebracht sind.
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Gemäß dem Dokument
US3388590A ist es Stand der Technik, mittels eines Dehnungsmessstreifens, der an einem elektrischen Kontakt angeordnet ist, zu testen, ob eine sichere elektrische Verbindung besteht.
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Gemäß dem Dokument
KR1020170028219A ist ein Ladegerät für ein Elektrofahrzeug Stand der Technik, das eine Temperaturänderung in einem Stecker bestimmen kann. Die Bestimmung der Temperatur erfolgt mittels Dehnungsmessstreifen, die in dem Stecker angeordnet sind. Die Bestimmung der aktuellen Temperatur der elektrischen Verbindung erfolgt somit ebenfalls mit einer Verzögerung.
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Zur Vermeidung einer solchen verzögerten Erfassung der Temperatur kann zum Beispiel ein unmittelbares Aufbringen eines Temperatursensors auf die Oberfläche des elektrischen Kontakts bzw. eines Kontaktelementes der elektrischen Verbindung ein Ansatz sein. Dabei ist der Temperatursensor beispielsweise auf einen nach außen weisenden elektrischen Kontaktstift eines Steckers aufgeklebt. Es ist jedoch von Nachteil, dass wenn sich zum Beispiel im Lauf der Zeit die Klebverbindung zwischen dem Temperatursensor und der Oberfläche des Kontaktes löst, weiterhin ein Temperaturwert ermittelt wird, wobei dieser Wert jedoch nicht mehr unmittelbar die Temperatur der elektrischen Verbindung bzw. des elektrischen Kontakts repräsentiert. Mit anderen Worten kann ein solcher Fehler nicht sicher erkannt werden. Vielmehr wird noch immer eine mit Beginn eines Stromflusses über bzw. durch den elektrischen Kontakt (relativ) ansteigende Temperatur in Verbindung mit dieser mangelhaften Kontaktierung zwischen Temperatursensor und elektrischem Kontakt bestimmt, wobei jedoch nicht mehr die tatsächliche (absolute) Temperatur der elektrischen Verbindung bzw. des elektrischen Kontakts wiedergegeben wird.
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Es ist somit Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Bestimmung der Temperatur eines elektrischen Kontakts möglichst verzögerungsfrei zu gestalten, wobei auftretende Mängel bei der Temperaturbestimmung sicher erkannt werden können.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie eine Vorrichtung gemäß Anspruch 7 gelöst. Die Bestimmung der Temperatur eines elektrischen Kontakts erfolgt in Abhängigkeit einer Änderung geometrischer Abmessungen des elektrischen Kontakts , die durch den elektrischen Strom bedingt ist, welcher durch den elektrischen Kontakt geleitet wird. Insbesondere wird auf diese Weise die Temperatur zumindest eines Kontaktelementes einer elektrischen Verbindung mit zumindest zwei Kontaktelementen bestimmt. Mit anderen Worten verursacht ein Stromfluss durch die elektrische Verbindung eine Wärmedehnung, d. h. eine thermische Expansion/Kontraktion der Bauteile bzw. Elemente dieser elektrischen Verbindung, also insbesondere der schon genauer beschriebenen elektrischen Kontaktelemente, die erfindungsgemäß vorteilhaft zur Bestimmung der Temperatur herangezogen werden. Da erfindungsgemäß somit eine unmittelbare Wirkung des Stromflusses durch einen elektrischen Kontakt zur Bestimmung der Temperatur herangezogen wird, erfolgt diese Bestimmung praktisch verzögerungsfrei. Vor allem elektrische Verbindungen, die für die Zufuhr von elektrischer Energie zu einem Energiespeicher eines Fahrzeuges notwendig sind, können mittels des erfindungsgemäßen Ansatzes hinsichtlich der Temperatur überwacht werden. Besonders einfach und sicher erfolgt die Bestimmung der Temperatur einer solchen elektrischen Verbindung mittels einer Messeinrichtung zur Erfassung von dehnenden/stauchenden Verformungen, wie einem Dehnungsmessstreifen. Da erfindungsgemäß Änderungen geometrischer Abmessungen eines elektrischen Kontakts bzw. elektrischer Kontaktelemente herangezogen werden, können möglicherweise auftretende Mängel bei der Temperaturbestimmung schnell und zuverlässig erkannt werden, wobei dann ein Fehler hinsichtlich der Bestimmung der Temperatur des elektrischen Kontakts oder zumindest eines der Kontaktelemente erkannt wird, wenn ein elektrischer Strom durch den elektrischen Kontakt oder das Kontaktelement geleitet wird und keine oder keine erwartete Änderung der geometrischen Abmessungen eintritt. Im Ergebnis ergibt sich bei Anwendung des Ansatzes gemäß der vorliegenden Erfindung eine vergleichsweise große Prozesssicherheit.
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Erfindungsgemäß umfasst vor allem ein Fahrzeug eine Vorrichtung, die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgestaltet ist. Natürlich kann auch eine stationäre Ladeeinrichtung oder Ladesäule zur Versorgung eines elektrisch betriebenen Fahrzeuges eine solche Vorrichtung umfassen.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind dem nachfolgenden Ausführungsbeispiel sowie den abhängigen Patentansprüchen zu entnehmen.
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Wie allgemein bekannt, ist ein elektrischer Kontakt dazu vorgesehen, eine elektrische Verbindung herzustellen, beispielsweise zwischen elektrischen Bauelementen innerhalb eines Stromkreises oder innerhalb von elektrischen Bauteilen selbst, wie etwa innerhalb eines elektrischen Schalters. Insbesondere umfasst eine solche elektrische Verbindung, wie in 1 gezeigt, zumindest zwei elektrische Kontaktelemente 1 und 2, zum Zweck einer Trennung und Verbindung elektrischer Leitungen 3 und 4.
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Insbesondere handelt es sich hierbei um eine elektrische Steckverbindung, wobei das erste Kontaktelement 1 zumindest eine nach innen weisende Kontaktöffnung umfasst. D. h. bei dem ersten Kontaktelement 1 handelt es sich um eine Buchse. Eine solche Buchse ist bekanntermaßen in der Elektrotechnik insbesondere der Teil einer elektrischen Steckverbindung, welcher den äußeren elektrischen Kontakt der Steckverbindung bildet, in den beispielsweise ein Stecker geschoben wird. D. h. es handelt sich bei dem ersten Kontaktelement 1 insbesondere um den äußeren Teil eines Steckverbinders bzw. ein Kupplungselement, in den bzw. das ein Stecker geschoben werden kann. Das zweite Kontaktelement 2 umfasst zumindest einen nach außen weisenden Kontakt. Insbesondere handelt es sich dabei um einen Stecker mit zumindest einem nach außen weisenden Kontaktstift. Wie bekannt und gemäß 1 verdeutlicht, wird eine elektrische Verbindung zusammengefasst dadurch hergestellt, dass in einen äußeren elektrischen Kontakt einer Steckverbindung, also in eine Buchse, hier dem ersten Kontaktelement 1, ein innerer elektrischer Kontakt(-stift) geschoben wird, also der Stecker, hier das zweite Kontaktelement 2. Die beiden Kontaktelemente 1 und 2 können, so wie allgemein bekannt, von einem beispielsweise aus Kunststoff bestehenden Gehäuse umfasst sein (nicht gezeigt).
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Wie bekannt, werden diese beiden elektrisch leitenden komplementären Kontaktelemente 1, 2 einer elektrischen Verbindung in vielen Bereichen des täglichen Lebens eingesetzt. Gemäß 2 handelt es sich bei dem ersten Kontaktelement 1 jedoch insbesondere um ein Bauteil einer Ladevorrichtung bzw. um eine Ladesteckdose eines elektrisch betriebenen Fahrzeuges 5. Das elektrisch betriebene Fahrzeug 5 umfasst eine Batterie 6, die mittels der elektrischen Leitung 3 mit dem ersten Kontaktelement 1 bzw. der Ladesteckdose elektrisch leitend verbunden ist. Wie in 2 weiterhin gezeigt, handelt es sich bei dem zweiten Kontaktelement 2 insbesondere um ein Bauteil einer Ladevorrichtung bzw. um einen Ladestecker für das elektrisch betriebene Fahrzeug 5. Der Ladestecker mit dem zweiten Kontaktelement 3 ist wiederum insbesondere Bestandteil einer Ladestation 7. Die Ladestation 7 ist wie bekannt mit dem Stromnetz verbunden.
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Erfindungsgemäß erfolgt eine Bestimmung der Temperatur eines elektrischen Kontakts und insbesondere einer elektrischen Verbindung, die elektrische Kontaktelemente 1, 2 aufweist, in Abhängigkeit einer Änderung der geometrischen Abmessungen zumindest eines Elementes der elektrischen Verbindung, wobei diese Änderung durch einen Stromfluss durch die elektrische Verbindung bedingt ist. Insbesondere erfolgt diese Bestimmung in Abhängigkeit einer Änderung der geometrischen Abmessungen zumindest eines der elektrischen Kontaktelemente 1, 2 der elektrischen Verbindung.
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D. h. dadurch, dass ein elektrischer Strom durch die elektrische Verbindung fließt, erfolgt eine Änderung der geometrischen Abmessungen der Elemente bzw. Bauteile/Kontakte dieser elektrischen Verbindung im Allgemeinen und der beiden elektrischen Kontaktelemente 1, 2 im Speziellen. Der Transport von elektrischen Ladungsträgern insbesondere in den elektrischen Kontaktelementen 1, 2 hat eine Erwärmung dieses Leiter- oder Kontaktmaterials und somit eine Änderung der geometrischen Abmessungen der elektrischen Kontaktelemente 1, 2 zur Folge.
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Mit anderen Worten verursacht ein Stromfluss durch die elektrische Verbindung eine Wärmeausdehnung, d. h. eine thermische Expansion der Bauteile bzw. Elemente dieser elektrischen Verbindung, also insbesondere der schon genauer beschriebenen elektrischen Kontaktelemente 1, 2. Das Ausmaß dieser Expansion, insbesondere Längenausdehnung, ist dabei abhängig von der Höhe des durch die elektrische Verbindung fließenden elektrischen Stromes. Theoretisch bedeutet eine solche Wärmeausdehnung, dass sich geometrische Abmessungen des elektrischen Kontakts bzw. der elektrischen Kontaktelemente 1, 2 der elektrischen Verbindung, wie Länge, Flächeninhalt oder Volumen ändern, eben verursacht durch eine Veränderung der Temperatur dieser Elemente/Bauteile bzw. durch die Höhe des durch die Elemente oder zumindest räumlich angrenzenden Elemente der elektrischen Verbindung fließenden elektrischen Stromes.
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Natürlich verursacht eine (relative) Verringerung eines Stromflusses durch die elektrische Verbindung eine Wärmeschrumpfung, d. h. eine thermische Kontraktion des elektrischen Kontaktes bzw. der elektrischen Bauteile/Elemente dieser elektrischen Verbindung, also insbesondere der schon genauer beschriebenen elektrischen Kontaktelemente 1, 2. Die beschriebene Änderung der geometrischen Abmessungen von Elementen einer elektrischen Verbindung ist also reversibel und somit sehr gut geeignet, in Abhängigkeit davon eine Temperatur der elektrischen Verbindung bzw. eines elektrischen Kontakts zu bestimmen. In welchem Maß sich ein Element einer elektrischen Verbindung infolge eines Stromflusses ausdehnt bzw. zusammenzieht, ist abhängig vom Material dieses Elementes, insbesondere vom so genannten Ausdehnungskoeffizient.
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Somit erfolgt im Zusammenhang mit dem Beispiel gemäß 2 eine Änderung der geometrischen Abmessungen bzw. eine Verformung der elektrischen Kontaktelemente 1, 2 der elektrischen Verbindung, d. h. der Ladesteckdose des elektrisch betriebenen Fahrzeuges 5 bzw. des Ladesteckers der Ladestation 7, wenn zur Ladung der Batterie 7 ein elektrischer Strom von der Ladestation 7 durch die Leitungen 3, 4 und die elektrischen Kontaktelemente 1, 2 fließt.
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Diese Änderung der geometrischen Abmessungen bzw. diese thermische Expansion wird erfindungsgemäß zur Bestimmung der Temperatur eines elektrischen Kontakts bzw. der Kontaktelemente 1, 2 einer elektrischen Verbindung herangezogen. Dazu wird die Wärmedehnung, insbesondere die Längenausdehnung des elektrischen Kontakts, d. h. der elektrischen Kontaktelemente 1, 2 bestimmt bzw. erfasst, beispielsweise mittels eines Dehnungssensors. Dazu kann insbesondere eine Messeinrichtung zur Erfassung von dehnenden Verformungen eines Bauteils eingesetzt werden, welche darauf basiert, dass sich bei Verformungen ein elektrischer Widerstand ändert, d. h. es erfolgt insbesondere der Einsatz eines Dehnungsmessstreifens (DMS), der beispielsweise auf/an der Oberfläche des elektrischen Kontakts bzw. auf/an einem der beiden elektrischen Kontaktelemente 1, 2 angeordnet ist. Denkbar ist natürlich auch der Einsatz eines zum Beispiel optischen Sensors zur Erfassung der Änderung der geometrischen Abmessungen des elektrischen Kontakts bzw. der Kontaktelemente 1, 2, beispielsweise ein optischer Dehnungssensor. Derartige Sensoren und ihre Anwendung sind dem Fachmann hinreichend bekannt. Das betrifft auch weitere mögliche Verfahren und Vorrichtungen zur Bestimmung von dehnenden Verformungen von beliebigen Bauelementen, welche selbstverständlich zur erfindungsgemäßen Bestimmung der Temperatur eines elektrischen Kontakts verwendet werden können. Zusammengefasst umfasst eine zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgestaltete Vorrichtung zumindest eine Messeinrichtung zur Erfassung von dehnenden Verformungen eines Bauteils.
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3a zeigt eine mögliche Positionierung eines Dehnungsmessstreifens 8 an dem ersten elektrischen Kontaktelement 1. Natürlich kann der Dehnungsmessstreifen 8 auch an dem zweiten elektrischen Kontaktelement 2 angeordnet bzw. positioniert sein, wie in 3b gezeigt. Die Verbindung des Dehnungsmessstreifens 8 mit dem elektrischen Kontakt bzw. dem jeweiligen elektrischen Kontaktelement 1, 2 erfolgt so, wie es dem Fachmann bekannt ist, beispielsweise mittels einer Klebverbindung. Insbesondere wird dabei ein Dehnungsmessstreifen 8 ohne einen so genannten Temperaturausgleich eingesetzt. D. h. es wird bewusst auf einen Temperaturausgleich verzichtet, da keine oder keine relevante Dehnung/Stauchung bzw. Verformung des elektrischen Kontakts bzw. des jeweiligen elektrischen Kontaktelements 1, 2 infolge einer mechanischen Belastung auftritt und erfindungsgemäß quasi ausschließlich eine Änderung eines Widerstands bzw. des Ausgangssignals eines Dehnungsmessstreifens 8 infolge eines elektrischen Stromflusses durch den elektrischen Kontakt/die elektrischen Kontaktelemente 1, 2 bzw. eine dadurch (thermisch) bedingte Verformung des elektrischen Kontakts/des jeweiligen elektrischen Kontaktelements 1, 2 ermittelt werden soll, um anhand dieser Änderung der geometrischen Abmessungen auf die Temperatur des elektrischen Kontakts/des jeweiligen elektrischen Kontaktelements 1, 2 zu schließen.
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Angenommen, es fließt zum Zeitpunkt t1 kein elektrischer Strom durch die in 3a/3b gezeigte elektrische Verbindung bzw. einen elektrischen Kontakt, wobei ein Dehnungsmessstreifen 8 an dem ersten elektrischen Kontaktelement 1 angeordnet ist, dann ergibt sich ein Widerstand R1 des Dehnungsmessstreifens 8 bzw. ein entsprechendes Signal einer mit dem Dehnungsmessstreifen 8 verbundenen Schaltung, wie dem Fachmann allgemein bekannt ist.
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Fließt zum Zeitpunkt t2 jedoch ein elektrischer Strom durch die in 3a/3b gezeigte elektrische Verbindung bzw. einen elektrischen Kontakt, dann ergibt sich ein Widerstand R2 des Dehnungsmessstreifens 8, der von dem Widerstand R1 abweicht, da sich das erste elektrische Kontaktelement 1/der elektrische Kontakt infolge des Stromflusses erwärmt hat und eine Änderung der geometrischen Abmessungen bzw. thermische Expansion des ersten elektrischen Kontaktelements 1/des elektrischen Kontakts erfolgt ist. In Abhängigkeit einer Änderung des Widerstandes bzw. einer Änderung des Ausgangssignals des Dehnungsmessstreifens 8 kann nun eine Bestimmung der Temperatur des ersten elektrischen Kontaktelements 1/des elektrischen Kontakts bzw. der Temperatur der betreffenden elektrischen Verbindung erfolgen. Insbesondere kann anhand von Versuchen ein funktionaler Zusammenhang zwischen dem Widerstand R und der Temperatur bestimmt werden, welcher dann zur Bestimmung der Temperatur der elektrischen Verbindung/des elektrischen Kontakts herangezogen wird. Dieser funktionale Zusammenhang ist dann insbesondere in einem Steuergerät des elektrisch betriebenen Fahrzeuges 5 gespeichert, wobei natürlich der Dehnungsmessstreifen 8 mit dem Steuergerät zusammenwirkt bzw. in Datenübertragungsverbindung steht. Zusammengefasst wird erfindungsgemäß, ein beispielsweise experimentell ermittelter, funktionaler Zusammenhang, zwischen einem Ausgangssignal einer Messeinrichtung zur Erfassung von dehnenden/stauchenden Verformungen und der Temperatur des elektrischen Kontakts, des ersten Kontaktelements 1 und/oder des zweiten Kontaktelements 2 für eine weitere Verarbeitung bereitgestellt.
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Die erfindungsgemäß bestimmte Temperatur des elektrischen Kontakts bzw. der elektrischen Verbindung wird bevorzugt im Rahmen der Steuerung und/oder Regelung eines Ladestroms zur Aufladung des Energiespeichers bzw. der Batterie 6 des elektrisch betriebenen Fahrzeuges 5 verwendet.
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Angenommen, die Verbindung des Dehnungsmessstreifens 8 mit dem elektrischen Kontakt/dem jeweiligen elektrischen Kontaktelement 1, 2 löst sich. Insbesondere löst sich dabei zum Beispiel im Lauf der Zeit eine Klebverbindung zwischen dem Dehnungsmessstreifen 8 und der Oberfläche des elektrischen Kontakts/des elektrischen Kontaktelementes 1, 2. In diesem Fall besteht keine Verbindung und insbesondere keine kraftschlüssige Verbindung mehr zwischen der Oberfläche des elektrischen Kontakts/elektrischen Kontaktelementes 1, 2 und dem Dehnungsmessstreifen 8, so dass es unmittelbar, d. h. plötzlich nicht mehr möglich ist, mittels des Dehnungsmessstreifens 8 eine Dehnung/Stauchung bzw. Verformung des elektrischen Kontakts/des jeweiligen elektrischen Kontaktelements 1, 2 infolge eines elektrischen Stromflusses bzw. eine dadurch bedingte Temperaturänderung zu erfassen. Mit anderen Worten kann ein solches, schlagartiges Ausbleiben plausibler Informationen über die auf erfindungsgemäße Weise bestimmte Temperatur des elektrischen Kontakts/des elektrischen Kontaktelementes 1, 2 hervorragend erkannt und als Fehler interpretiert werden, der insbesondere angezeigt bzw. so weiterverarbeitet wird, dass eine Verwendung bzw. ein Betrieb der elektrischen Verbindung auch ohne eine Temperaturbestimmung erfolgen kann und zwar insbesondere gefahrlos erfolgen kann. D. h. gegebenenfalls wird dann, wenn ein Fehler hinsichtlich der Bestimmung der Temperatur der elektrischen Verbindung/des elektrischen Kontakts erkannt wird, der durch die elektrische Verbindung fließende Strom auf eine vorgegebene Stärke begrenzt. Die Informationen über die Temperatur des elektrischen Kontaktelementes 1 oder 2 sind insbesondere dann nicht plausibel, wenn ein Strom durch den elektrischen Kontakt/die elektrische Verbindung fließt, aber keinerlei oder keine zu erwartende/erwartete Dehnung/Stauchung bzw. Verformung des elektrischen Kontakts/des jeweiligen elektrischen Kontaktelements 1, 2 damit einhergeht. Mit noch anderen Worten - die erfindungsgemäße Dehnungsmessung zur Bestimmung der Temperatur eines elektrischen Kontakts und zwar insbesondere mittels eines Dehnungsmessstreifens 8 ist besonders prozesssicher, da ein Ausfall der Dehnungsmessung sofort erkannt werden kann, weil es dabei keinen langsamen (schleichenden) Übergang zwischen einer funktionsfähigen und einer nicht funktionsfähigen Verbindung zwischen Sensor und Oberfläche gibt, so wie dann, wenn mittels eines Temperatursensors diese Temperatur bestimmt wird, aber eine ursprünglich vorgesehene Kontaktierung zwischen Sensor und Messobjekt sich derart verändert hat, dass zwar noch ein Wert ermittelt wird, welcher jedoch in zunehmendem Maß nicht mehr die Temperatur der elektrischen Verbindung/des elektrischen Kontakts repräsentiert.
