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Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beziehen sich auf eine Messvorrichtung. Weitere Ausführungsbeispiele beziehen sich auf ein Verfahren zum Betreiben einer Messvorrichtung. Bevorzugte Ausführungsbeispiele beziehen sich auf eine Messvorrichtung zur Bestimmung von Gaskonzentrationen.
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Bisher kommen für die Gasmessung - am Beispiel von Stickstoffen - Geräte wie z. B. der Siemens Ultramat 23 zum Einsatz. Eine derartige Vorrichtung ist nicht nur sehr groß, sondern auch wartungsintensiv und insgesamt sehr teuer. Weitere Informationen zu derartigen Geräten finden sich unter https://w3.siemens.com/mcms/sensorsystems/de/prozessanalytik/extraktive-kontinuierliche-prozesse-gasanalytik/seiten/ ultramat-23.aspx und https://www.umweltbundesamt.de/sites/default/files/medien/ 3593/dokumente/e stickstoffoxide.pdf. Es gibt auch zahlreiche Geräte, die bautechnisch bedingt eine gewisse Größe (meist Gehäuse für 19"-Racks) aufweisen und dem Standard DIN EN 14211 für Referenzverfahren für Stickstoffoxid mittels Chemilumineszenz entsprechen. Weitere Informationen finden sich unter http://www.environnementsa.com/products-page/en/mir9000-multi-gas-analyzer-infra-red-gfc-cld-chemilum inescence/ oder unter https://w3.siemens.com/mcms/sensor-systems/ de/prozessanalytik/extraktive-kontinuierliche-prozesse-gasanalytik/seiten/ultramat-23.aspx. Die DIN ISO 13964 definiert eine Referenzmethode für die Ozonbestimmung mittels eines UV-photometrischen Verfahrens. All diese Verfahren sind zwar sehr genau, aber wie bereits oben angesprochen nachteilhaft in Bezug auf Bauraum, Wartungskosten und Anschaffungskosten.
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Bei diesen Verfahren bzw. allgemein bei der Bestimmung von Gaskonzentrationen in der Luft werden elektronische Signalaufbereitungen verwendet. Hierzu existieren beispielsweise folgende Standardlösungen: http://www.alphasense.com/WEB1213/wpcontent/uploads/2013/07/AAN 105-03.pdf sowie https://www.analog.com/media/en/ reference-design-documentation/reference-designs/CN0234.pdf.
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Ausgehend von dem Stand der Technik und den Nachteilen besteht also die Aufgabe, einen verbesserten Kompromiss aus Bauraum, Kosteneffizienz und Messgenauigkeit zu schaffen.
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Die Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst.
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Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung schaffen eine Messvorrichtung mit einem elektro-chemischen Sensor, der in Abhängigkeit von einer in der Umgebung des Sensors vorliegenden Gaskonzentration ein Messsignal ausgibt. Hierbei kann es sich beispielsweise um einen kommerziell erhältlichen Standardsensor handeln, der entsprechend einem Ausführungsbeispiel modular austauschbar ist. Zusätzlich weist die Messvorrichtung eine Messelektronik auf sowie Mittel zur Temperierung der Messvorrichtung bzw. des elektro-chemischen Sensors und/oder der Messelektronik.
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Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass durch die Verwendung von Temperierungsmitteln / Kühlmitteln (ein Kühlkörper, eine aktive Luftkühlung, Heizung...) der Arbeitspunkt der Sensorik optimal eingestellt werden kann, um die chemischen Reaktionen der Sensoren konstant zu halten. Dadurch werden die höchstmöglichen Genauigkeiten und die optimale Produktlebensdauer erreicht.
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Entsprechend Ausführungsbeispielen umfassen die Mittel zur Temperierung ein temperaturkompensiertes Gehäuse. Dieses kann entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen einen oder mehrere Kanäle zur Zirkulation von Luft oder einem Medium umfassen. Entsprechend einem weiteren Ausführungsbeispiel kann die Zirkulation aktiv durch einen Luftstrom, der durch einen Lüfter erzeugt wird, geregelt/generiert werden. Deshalb umfasst entsprechend Ausführungsbeispielen die Messvorrichtung als Mittel zur Temperierung zumindest einen Lüfter, der Luft als einen Luftstrom in der Messvorrichtung bereitstellt. Entsprechend bevorzugten Ausführungsbeispielen ist dieser Luftstrom konstant, um den elektro-chemischen Sensor und/oder die Messelektronik herum. Anstatt eines aktiven Luftstroms kann natürlich auch eine Luftzirkulation mit Konvektion verwendet werden, auch wenn die aktive Variante Vorteile in Bezug auf Systemgenauigkeit, Verunreinigungsgefahr durch Ablagerungen hat.
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Die Temperierung, wie Kühlung/Heizung (aktive oder passive) hat den Zweck, die Temperatur zwischen einer unteren Grenztemperatur und einer oberen Grenztemperatur (also d. h. innerhalb eines vordefinierten Temperaturfensters) konstant zu halten. Diese Temperaturfenster können beliebig definiert sein und insgesamt eine frei definierbare Größe wie z. B. von 0,5 Grad, 1 Grad, 3 Grad, 10 Grad oder ähnlich haben. Anders ausgedrückt sind die Mittel zur Temperierung ausgebildet, um die Temperatur um einen vordefinierten Wert bzw. bei diesem vordefinierten Wert mit einer gewissen Range (± 0,1 Grad oder ± 0,5 Grad oder ± 1 Grad oder ± 3 Grad) konstant zu halten.
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Durch den Einsatz der Mittel zur Temperierung kann die Genauigkeit signifikant erhöht werden, so dass weitere Komponenten nicht so komplex und teuer designt werden müssen. Dadurch wird der Vorteil eines deutlich niedrigeren Gerätepreises (ungefähr Faktor 10 niedriger) erreicht. Weiter ist das Gerät auch signifikant kleiner als die herkömmlich verfügbaren Geräte und hat dadurch einen flexiblen Einsatzzweck. Bezüglich der Verwendung und Wartung des Systems sei angemerkt, dass dieses deutlich einfacher zu warten ist als die bisherigen Systeme.
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Entsprechend Ausführungsbeispielen umfasst die Messvorrichtung einen weiteren Lüfter und/oder weitere Luftkanäle, um einen (möglichst konstanten) Luftstrom aus der zu analysierenden Umgebungsluft (Umgebungsgas) um den elektro-chemischen Sensor sicherzustellen. Das hat den Vorteil, das Messwerte nicht durch Ablagerungen oder fehlende Umwälzung negativ beeinflusst werden.
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Entsprechend einem weiteren Ausführungsbeispiel umfasst die Messelektronik eine Vorverstärkerstufe, eine dynamisch skalierbare Verstärkerstufe und/oder einen A-D-Wandler. Die Vorverstärkerstufe kann das Messsignal vorverstärken, die dynamisch skalierbare Verstärkerstufe das vorverstärkte Signal entsprechend eines Skalierungsfaktors verstärken und der A-D-Wandler das verstärkte Signal digitalisieren. Diese Einheit wird als analoges Front-End bezeichnet. Entsprechend einem bevorzugten Ausführungsbeispiel umfasst die Messvorrichtung einen Controller, der ausgebildet ist, den Skalierungsfaktor für die dynamisch skalierbare Verstärkerstufe, z. B. durch Analyse des digitalisierten Signals, festzulegen. Dieser Controller bzw. allgemein eine andere Steuerung kann auch gleichzeitig die Steuerung der Mittel zur Temperierung übernehmen.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel bezieht sich auf ein Verfahren zum Betreiben der Messvorrichtung und das Verfahren umfasst den Schritt des Sicherstellens mittels der Mittel zur Temperierung, dass die Temperatur des elektro-chemischen Sensors und/oder der Messelektronik zwischen einer unteren Grenztemperatur und einer oberen Grenztemperatur und/oder bei einer vordefinierten Temperatur oder in einem vordefinierten Temperaturfenster konstant gehalten wird. Dieses Verfahren kann auch computerimplementiert ausgeführt sein.
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Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen definiert. Ausführungsbeispiele werden nachfolgend anhand der beiliegenden Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
- 1 eine Messvorrichtung gemäß einem Basisausführungsbeispiel;
- 2 eine Messvorrichtung, die mit der Messvorrichtung aus 1 vergleichbar ist, aber optionale Merkmale umfasst gemäß weiteren Ausführungsbeispielen; und
- 3a-q ein Konstruktionsbeispiel einer Messvorrichtung gemäß weiteren Ausführungsbeispielen in unterschiedlichen Darstellungen.
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1 zeigt eine Messvorrichtung 10 mit einem elektro-chemischen Sensor 12, der mit einer Messelektronik 14 verbunden ist. Für beide Elemente 12 und 14 bzw. nur für ein Element, bevorzugt für das Element 12 sind Mittel zur Temperierung 16 vorgesehen.
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Der elektro-chemische Sensor kann beispielsweise ein CO2-Sensor oder ein NOx-Sensor oder ein anderer chemischer Sensor sein, der in Abhängigkeit von einer in der Umgebung des Sensors vorliegenden Gaskonzentration ein Messsignal ausgibt. Allgemein ist der Sensor ausgebildet, um in der Umgebungsluft beispielsweise eine aktuelle Konzentration von Ozon, Kohlenstoffdioxid, Kohlenstoffmonoxid oder eine andere Gaskonstellation zu bestimmen. Dieser Messsensor 12 kann ein herkömmlicher Sensor sein, der vorzugsweise modular ausgeführt ist, so dass dieser austauschbar ist. Der Austausch des Sensors 12 ist deshalb sinnvoll, weil durch den Elektrolytverbrauch die Messgenauigkeit sinkt.
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Das elektrische (analoge) Messsignal des Sensors 12 wird durch die Messelektronik 14 verarbeitet. Das Ausgangssignal des Sensors 12 hat Ströme im Bereich von Nanoamper, die dann durch die Elektronik 14 aufbereitet werden. Da die chemische Reaktivität bei einem Temperaturanstieg stark zunimmt, wird ein sehr weiterer Messbereich bis in den zweistelligen Mikroamperbereich abgedeckt. Die Messelektronik 14 kann beispielsweise Verstärkungs-/Vorverstärkungsmittel umfassen, die das Messsignal mittels eines Skalierungsfaktors S im analogen Front-End verstärken. Der Skalierungsfaktor S kann von einem digitalen Controller (digitalen Nachverarbeitungsstufe), der das Signal auswertet, vorgegeben werden.
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Die Mittel zur Temperierung 16 können aktive Komponenten, wie z. B. einen Lüfter zur Generierung eines Luftstroms oder einer Pumpe zur Umwälzung eines Kühlmediums, aber auch passive Komponenten, wie z. B. einen Kühlkörper oder Luftkanäle im Gehäuse (nicht dargestellt) umfassen. Hierdurch kann die Systemtemperatur in einem optimalen Arbeitspunkt der Sensorik erhalten werden, so dass sowohl bei höherer oder niedriger Temperatur ein konstantes Niveau gehalten wird. Dies hat den Sinn, dass die chemische Reaktion des Sensors dadurch auch konstant gehalten wird. Dadurch werden die höchstmöglichen Genauigkeiten und auch die optimale Produktlebensdauer erreicht.
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2 zeigt eine weitere Messvorrichtung 10', die wiederum eine elektro-chemischen Sensor 12, eine präzise, dynamische Messelektronik 14 mit einer nachgelagerten digitalen Verarbeitungsvorrichtung mit Verarbeitungssoftware umfasst. Zusätzlich ist hier der mechanische Aufbau skizziert. Dieser umfasst nämlich ein Gehäuse 18, das beispielsweise einen Luftkanal oder auch mehrere Luftkanäle 181 umfassen kann. Dieses Gehäuse 18 ist Teil der Mittel zur Temperierung. Die Mittel zur Temperierung umfassen weiterhin eine aktive Komponente 16, nämlich einen Lüfter.
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Wie oben bereits erläutert, handelt es sich hier bei der Messelektronik 14 um eine dynamische Messelektronik. Diese umfasst zur vollständigen Abdeckung des Messbereichs ein analoges Front-End, das sich dynamisch skaliert und so den Messbereich bestmöglich ausnutzt. In der digitalen Nachverarbeitungsstufe können entsprechend Ausführungsbeispielen auch die Kalibrierdaten vorhanden sein, ausgehend von welchen die Messsignale entsprechend bearbeitet werden können. Kalibrierdaten können auch derart ausgestaltet sein, dass diese für genau einen elektro-chemischen Sensor generiert sind und hierbei auch die fertigungstechnischen Unterschiede mit berücksichtigen. Durch eine elektronische Identifikation des Sensors kann der Wartungsaufwand minimiert werden, wenn die Kalibrierwerte direkt beim Austausch infolgedessen mit berücksichtigt werden. Eine derartige Berücksichtigung von Kalibrierdaten nach dem Austausch reduziert den Aufwand bei der Benutzung. Insofern erfordert die Systemumsetzung in seiner Form kein wissenschaftliches Fachpersonal zur Gewinnung von Messwerten.
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Entsprechend einem Ausführungsbeispiel wird neben dem Sensor 12 die Elektronik 14 durch einen Luftstrom mitgekühlt. Der Luftstrom wird im Gehäuse 18 durch die einen oder mehrere Luftkanäle 18l verteilt und durch den Lüfter 16 generiert. Um stehende Luft zu vermeiden, befindet sich die Sensorik 12 geschützt im temperaturkompensierten Gehäuse und unterliegt einer konstanten Luftzirkulation, die mittels Luftkanal 18l und Lüfter 16l erreicht wird.
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Entsprechend optionalen Ausführungsbeispielen kann die Vorrichtung 10 auch noch einen Kühlcontroller umfassen, der unter Verwendung von Sensorik die Temperatur im luftkompensierten Gehäuse 18 ermittelt bzw. die Temperatur des Sensors 12 ermittelt und über den Lüfter 16 den Luftstrom aktiv steuert, um hier eine konstant gehaltene Temperatur zu ermöglichen. Entsprechend einem weiteren Ausführungsbeispiel kann mittels des Luftstroms auch geheizt werden, wenn z. B. im Luftkanal 18l oder im Bereich des Lüfters 16 Heizmittel vorgesehen sind. Dies hat den Sinn, dass für manche Messungen eine hohe Temperatur konstant gehalten werden kann.
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Entsprechend einem weiteren Ausführungsbeispiel führt der Controller den Schritt des Sicherstellens mittels der Mittel zur Temperierung, dass die Temperatur des elektro-chemischen Sensors und/oder der Messelektronik in einem vordefinierten Temperaturfenster oder um eine vordefinierte Temperatur herum konstant gehalten wird, aus.
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3a zeigt eine Messvorrichtung 10", die ein temperaturkompensiertes Gehäuse 18' mit einem Kühlkörper 16k' und einem Lüfter 16l' umfasst. Der Kühlkörper 16k' ist an der Stirnseite mit dem Gehäuse 18' gekoppelt, wobei der Kühlkörper 16l' mit dem Kühlkörper 16k' gekoppelt ist. Diese Anordnung wird auch in Hinblick auf die 3b, 3c und 3d deutlich, die unterschiedliche Seitenansichten sowie die Stirnansicht darstellen.
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Zusätzlich weist das Gehäuse 18' Luftöffnungen 18o1 und 18o2, z. B. auf einer Längsseite, und/oder eine weitere Luftöffnung 18o3, z. B. an einer Stirnseite, auf. Über diese Luftöffnungen 18o1, 18o2 und 18o3 (die entsprechend Ausführungsbeispielen auch woanders angeordnet sein können oder mit dem Kühlluftstrom kombiniert sein können) wird Außenluft, d. h. die zu analysierende Umgebungsluft bzw. das zu analysierende Umgebungsgas, angesaugt. Dieser angesaugte Außenluftbereich ist in 3f, die eine Schnittdarstellung zeigt, mit dem Bezugszeichen 18lk markiert. Wie zu erkennen ist, wird der Luftstrom 18lk der Sensorik 12' zugeführt.
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In derselben Darstellung aus 3f sind auch die Luftzirkulationskanäle 18l zur Temperierung der Sensorik 12 markiert.
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Wie anhand der Bezugszeichen 18l und 18lk in den nachfolgenden 3g bis 3q zu erkennen ist, wird die angesaugte Außenluft und das Medium zur Temperierung der Sensorik 12 bzw. der Auswerteelektronik 14 entsprechend separiert (vgl. schraffierte Flächen).
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An dieser Stelle sei angemerkt, dass der hier dargestellte quaderförmige Aufbau nur exemplarisch ist und die Luftkanäle 18l und 18lk auch anders, z. B. kombiniert, angeordnet sein können.
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Des Weiteren können auch die Luftkanäle im Gehäuse 18l entsprechend geleitet sein wie z. B. in 3k durch das Ableitblech 18lkb in dem Luftkanal 18lk dargestellt ist.
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Obwohl manche Aspekte im Zusammenhang mit einer Vorrichtung beschrieben wurden, versteht es sich, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Verfahrens darstellen, sodass ein Block oder ein Bauelement einer Vorrichtung auch als ein entsprechender Verfahrensschritt oder als ein Merkmal eines Verfahrensschrittes zu verstehen ist. Analog dazu stellen Aspekte, die im Zusammenhang mit einem oder als ein Verfahrensschritt beschrieben wurden, auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Details oder Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung dar. Einige oder alle der Verfahrensschritte können durch einen Hardware-Apparat (oder unter Verwendung eines Hardware-Apparats), wie zum Beispiel einen Mikroprozessor, einen programmierbaren Computer oder eine elektronische Schaltung ausgeführt werden. Bei einigen Ausführungsbeispielen können einige oder mehrere der wichtigsten Verfahrensschritte durch einen solchen Apparat ausgeführt werden.
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Je nach bestimmten Implementierungsanforderungen können Ausführungsbeispiele der Erfindung in Hardware oder in Software implementiert sein. Die Implementierung kann unter Verwendung eines digitalen Speichermediums, beispielsweise einer Floppy-Disk, einer DVD, einer Blu-ray Disc, einer CD, eines ROM, eines PROM, eines EPROM, eines EEPROM oder eines FLASH-Speichers, einer Festplatte oder eines anderen magnetischen oder optischen Speichers durchgeführt werden, auf dem elektronisch lesbare Steuersignale gespeichert sind, die mit einem programmierbaren Computersystem derart zusammenwirken können oder zusammenwirken, dass das jeweilige Verfahren durchgeführt wird. Deshalb kann das digitale Speichermedium computerlesbar sein.
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Manche Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung umfassen also einen Datenträger, der elektronisch lesbare Steuersignale aufweist, die in der Lage sind, mit einem programmierbaren Computersystem derart zusammenzuwirken, dass eines der hierin beschriebenen Verfahren durchgeführt wird.
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Allgemein können Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung als Computerprogrammprodukt mit einem Programmcode implementiert sein, wobei der Programmcode dahingehend wirksam ist, eines der Verfahren durchzuführen, wenn das Computerprogrammprodukt auf einem Computer abläuft.
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Der Programmcode kann beispielsweise auch auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert sein.
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Andere Ausführungsbeispiele umfassen das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren, wobei das Computerprogramm auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert ist.
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Mit anderen Worten ist ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens somit ein Computerprogramm, das einen Programmcode zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren aufweist, wenn das Computerprogramm auf einem Computer abläuft.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Verfahren ist somit ein Datenträger (oder ein digitales Speichermedium oder ein computerlesbares Medium), auf dem das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren aufgezeichnet ist. Der Datenträger, das digitale Speichermedium oder das computerlesbare Medium sind typischerweise gegenständlich und/oder nicht-vergänglich bzw. nichtvorübergehend.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens ist somit ein Datenstrom oder eine Sequenz von Signalen, der bzw. die das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren darstellt bzw. darstellen. Der Datenstrom oder die Sequenz von Signalen kann bzw. können beispielsweise dahingehend konfiguriert sein, über eine Datenkommunikationsverbindung, beispielsweise über das Internet, transferiert zu werden.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel umfasst eine Verarbeitungseinrichtung, beispielsweise einen Computer oder ein programmierbares Logikbauelement, die dahingehend konfiguriert oder angepasst ist, eines der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel umfasst einen Computer, auf dem das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren installiert ist.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung umfasst eine Vorrichtung oder ein System, die bzw. das ausgelegt ist, um ein Computerprogramm zur Durchführung zumindest eines der hierin beschriebenen Verfahren zu einem Empfänger zu übertragen. Die Übertragung kann beispielsweise elektronisch oder optisch erfolgen. Der Empfänger kann beispielsweise ein Computer, ein Mobilgerät, ein Speichergerät oder eine ähnliche Vorrichtung sein. Die Vorrichtung oder das System kann beispielsweise einen Datei-Server zur Übertragung des Computerprogramms zu dem Empfänger umfassen.
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Bei manchen Ausführungsbeispielen kann ein programmierbares Logikbauelement (beispielsweise ein feldprogrammierbares Gatterarray, ein FPGA) dazu verwendet werden, manche oder alle Funktionalitäten der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen. Bei manchen Ausführungsbeispielen kann ein feldprogrammierbares Gatterarray mit einem Mikroprozessor zusammenwirken, um eines der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen. Allgemein werden die Verfahren bei einigen Ausführungsbeispielen seitens einer beliebigen Hardwarevorrichtung durchgeführt. Diese kann eine universell einsetzbare Hardware wie ein Computerprozessor (CPU) sein oder für das Verfahren spezifische Hardware, wie beispielsweise ein ASIC.
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Die hierin beschriebenen Vorrichtungen können beispielsweise unter Verwendung eines Hardware-Apparats, oder unter Verwendung eines Computers, oder unter Verwendung einer Kombination eines Hardware-Apparats und eines Computers implementiert werden.
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Die hierin beschriebenen Vorrichtungen, oder jedwede Komponenten der hierin beschriebenen Vorrichtungen können zumindest teilweise in Hardware und/oder in Software (Computerprogramm) implementiert sein.
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Die hierin beschriebenen Verfahren können beispielsweise unter Verwendung eines Hardware-Apparats, oder unter Verwendung eines Computers, oder unter Verwendung einer Kombination eines Hardware-Apparats und eines Computers implementiert werden.
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Die hierin beschriebenen Verfahren, oder jedwede Komponenten der hierin beschriebenen Verfahren können zumindest teilweise durch Hardware und/oder durch Software ausgeführt werden.
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Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen lediglich eine Veranschaulichung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung dar. Es versteht sich, dass Modifikationen und Variationen der hierin beschriebenen Anordnungen und Einzelheiten anderen Fachleuten einleuchten werden. Deshalb ist beabsichtigt, dass die Erfindung lediglich durch den Schutzumfang der nachstehenden Patentansprüche und nicht durch die spezifischen Einzelheiten, die anhand der Beschreibung und der Erläuterung der Ausführungsbeispiele hierin präsentiert wurden, beschränkt sei.
