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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln mindestens eines physikalischen Wertes in einem Raum. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung ein Computerprogramm, welches eingerichtet ist, jeden Schritt des Verfahrens durchzuführen, sowie ein maschinenlesbares Speichermedium, auf welchem das Computerprogramm gespeichert ist. Schließlich betrifft die vorliegende Erfindung ein System, mittels dessen der mindestens eine physikalische Wert ermittelt werden kann.
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Stand der Technik
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In der Lebensmittelindustrie spielt die Prozesssicherheit eine übergeordnete Rolle. Sie ist einerseits die Voraussetzung, damit gesetzliche Vorschriften oder Richtlinien beispielsweise zur Hygiene eingehalten werden können und andererseits, dass das Lebensmittel während des Herstellungsprozesses so behandelt wird, dass eine gewünschte oder geforderte Endqualität erreicht werden kann. Diese Anforderung führt dazu, dass eine Vielzahl von Parametern des Lebensmittelherstellungsprozesses nahezu umfänglich sensortechnisch erfasst wird. Um eine flächendeckende Transparenz und Sichtbarkeit des Zustands einer Anlage zu gewährleisten und damit Anomalien frühzeitig zu erkennen und idealerweise die Ursache der Anomalie räumlich einzugrenzen, ist die Verwendung einer großen Vielzahl von Sensoren erforderlich.
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Die
EP 1 157 319 B1 beschreibt ein System und ein Verfahren zur Lebensmittelzubereitung mit einer präzisen Online-Steuerung eines Wärmeübertragungsprozesses. Das Lebensmittelzubereitungssystem umfasst eine Heizkammer und/oder Kühlkammer, einen Sensor und eine Steuerung. Die Kammer überträgt während einer Phase des Fernübertragungsprozesses Wärme zu oder von dem Lebensmittel. Der Sensor erfasst die tatsächliche Temperatur in der Heizkammer und/oder Kühlkammer in Echtzeit. Die Steuerung steuert die Heizkammer und/oder Kühlkammer gemäß einem geplanten Zeit- /Temperaturprofil. Das Verfahren simuliert in Echtzeit die Innentemperatur im Lebensmittel auf der Grundlage der Ist-Temperatur der Kammer. Die Berechnung der Innentemperatur basiert auf der Finite-Elemente-Methode.
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Die
US 2019/0331832 A1 beschreibt ein Verfahren zur Ermittlung des Mikroklimas in einem begrenzten geografischen Bereich. Mehrere Sensoren sind über den geografischen Bereich verteilt.
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In der
US 2014/0334519 A1 wird ein Verfahren zum Überwachen einer Temperatur einer Oberfläche eines Raums beschrieben. Hierin werden an der Oberfläche mehrere Sensoren angebracht, mittels derer punktuell Temperaturwerte gemessen werden können. Mittels Extrapolation werden Temperaturwerte für weitere Punkte ermittelt, an denen keine Sensoren angebracht sind.
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Die
US 2014/0257740 A1 offenbart ein Verfahren zur Modellierung einer räumlichen Temperaturkarte eines Raumes. In diesem Raum sind Temperatursensoren angeordnet und durch Interpolation zwischen den Sensordaten wird die Temperaturkarte vervollständigt.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, auch für Räume mit komplexer Geometrie das Ermitteln mindestens eines physikalischen Wertes an Positionen zu ermöglichen, an denen kein Sensor zum Messen des mindestens einen Wertes vorgesehen ist. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein System bereitzustellen, welches die Durchführung des Verfahrens ermöglicht.
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Offenbarung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird in einem Aspekt der Erfindung durch ein Verfahren zum Ermitteln mindestens eines physikalischen Wertes in einem Raum gelöst, in dem mehrere Sensoren angeordnet sind. Diese Sensoren sind zum Messen des mindestens einen Wertes eingerichtet. Bei diesem physikalischen Wert kann es sich beispielsweise um einen Temperaturwert oder um einen Wert der Luftfeuchtigkeit handeln. Weiterhin kann es sich bei dem physikalischen Wert beispielsweise um eine Helligkeit, eine Vibration, einen Druck oder eine Neigung handeln. Für mehrere Positionen in dem Raum, an denen sich kein Sensor befindet, wird der mindestens eine Wert jeweils aus gemessenen Werten der Sensoren ermittelt. Dies ermöglicht es, virtuelle Messwerte für die Positionen bereitzustellen und so Informationen über den mindestens einen Wert in verschiedenen Positionen innerhalb des Raumes zu erhalten, ohne an jeder dieser Positionen einen Sensor vorsehen zu müssen.
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Wenn das Verfahren zum Ermitteln mehrerer unterschiedlicher physikalischen Werte verwendet werden soll, wie beispielsweise Temperatur und Luftfeuchtigkeit, dann ist es bevorzugt, dass die Sensoren jeweils mehrere Sensorelemente enthalten, wobei jedes Sensorelement die Messung eines der Werte ermöglicht. Auf diese Weise kann eine Vielzahl von unterschiedlichen physikalischen Werten ermittelt werden, ohne hierzu eine große Anzahl von Sensoren zu benötigen. Zudem wird auf diese Weise sichergestellt, dass alle unterschiedlichen Werte jeweils an denselben Positionen gemessen werden.
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Vorzugsweise wird aus mehreren Werten eine 3D-Wertekarte erstellt. Dies bedeutet, dass jeder dreidimensionalen Position in dem Raum mindestens ein Wert zugeordnet wird. Das so erhaltene dreidimensionale Bild der Werteverteilung kann als virtueller dreidimensionaler Sensor angesehen werden. Durch eine regelmäßige Abfrage der 3D-Wertekarte lassen sich Anomalien frühzeitig erkennen und über geeignete Verfahren räumlich eingrenzen. Untypische Zustände des mindestens einen physikalischen Wertes können dabei auch an Orten identifiziert werden, an denen kein Sensor angebracht ist und somit die Maschineneffizienz und Prozesssicherheit in dem Raum unterstützen.
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Der mindestens eine Wert wird mittels Interpolation und/oder Extrapolation aus den gemessenen Werten ermittelt. Dies ermöglicht eine einfache Ermittlung des mindestens einen Wertes unter Zuhilfenahme eines mathematischen Modells, ohne dass hierfür weitere Informationen über den Raum bekannt sein müssten.
Bei der Interpolation oder Extrapolation wird vorzugsweise eine lineare Funktion, eine Polynomfunktion oder eine Spline-Funktion verwendet. Die Funktion kann insbesondere in Abhängigkeit von der Anzahl und Anordnung der Sensoren gewählt werden.
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Wenn eine höhere Genauigkeit bei der Ermittlung des mindestens einen Wertes gewünscht ist, ist alternativ vorgesehen, dass der mindestens eine Wert mittels eines physikalischen Modells oder eines logischen Modells ermittelt wird. Modelleigenschaften können beispielsweise vor dem Start des Verfahrens über eine Schnittstelle einem Rechengerät zur Verfügung gestellt werden, auf welchem das Verfahren durchgeführt wird. Dies kann beispielsweise in Form von CAD-Daten erfolgen. In einer anderen Alternative ist es möglich, die Modelleigenschaften mittels der Sensoren durch ein Lernverfahren zu bestimmen. Dieses Lernverfahren kann durchgeführt werden, wenn der Raum hierzu in einen definierten Zustand gebracht wird. Beispielsweise kann hierzu eine in dem Raum angeordnete Maschine auf eine definierte homogene Temperatur aufgeheizt werden, wenn es sich bei dem physikalischen Wert um eine Temperatur handelt. Es können auch verschiedene Objekte im Raum auf verschiedene definierte Temperaturen erhitzt werden. Die Modelleigenschaften können dann durch Schätzung aus den gemessenen Werten der Sensoren bestimmt werden (curve fitting). Falls es sich bei dem physikalischen Wert um eine Luftfeuchtigkeit handelt, kann ein definierter Zustand beispielsweise dadurch erreicht werden, dass der Raum zum Erreichen einer homogenen Feuchteverteilung belüftet wird.
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Es ist bevorzugt, dass das Modell Geometrien von Objekten in dem Raum enthält. Bei den Objekten kann es sich beispielsweise um Wände handeln, die den Raum begrenzen, um Fenster, die einen Luftaustausch mit der Umgebung ermöglichen, um Gebläse, welche eine Luftbewegung verursachen oder um Heizungen, welche Wärme emittieren. Hierdurch kann der Einfluss dieser Objekte auf die Ausbreitung von beispielsweise Wärme oder Luftfeuchtigkeit zwischen zwei Sensoren berücksichtigt werden.
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Weiterhin ist es bevorzugt, dass das Modell Materialdaten der Objekte enthält. Wenn es sich bei dem physikalischen Wert um die Temperatur handelt, so sind beispielsweise die Wärmeleitfähigkeit und die Wärmekapazität der Objekte für das Modell relevante Materialdaten. Handelt es sich bei dem Wert um die Luftfeuchtigkeit, so ist beispielsweise die Dichtigkeit der Objekte relevant, um die Feuchteverteilung im Raum ermitteln zu können.
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Weiterhin ist es bevorzugt, dass das Modell Daten über Quellen und/oder Senken von physikalischen Größen in den Raum enthält. Bei diesen physikalischen Größen kann es sich zum einen um den Wert selbst handeln, also beispielsweise Wärme oder Feuchtigkeit, zum anderen aber auch um Größen, die die Verteilung des Wertes im Raum beeinflussen wie beispielsweise Luftströmungen.
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Bei dem physikalischen Modell kann es sich insbesondere um ein numerisches oder um ein analytisches Modell handeln. In einer Ausführungsform des Verfahrens, in welcher ein numerisches Modell verwendet wird, kann der Raum insbesondere durch finite Elemente dargestellt werden, denen Messwerte der Sensoren als Zahlenwerte zugeordnet sind. An Punkten, an denen sich kein Sensor befindet, werden die Werte dann mithilfe der gemessenen Sensorwerte unter Benutzung von physikalischen Gesetzen numerisch berechnet. Handelt es sich bei dem physikalischen Wert um die Temperatur, so kann hierzu beispielsweise die Wärmeleitungsgleichung verwendet werden. Handelt es sich bei dem physikalischen Wert um die Luftfeuchtigkeit, so kann beispielsweise das Diffusionsgesetz verwendet werden.
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In einer Ausführungsform des Verfahrens, in der es sich bei dem Modell um ein analytisches Modell handelt, werden die räumlichen Abhängigkeiten insbesondere durch mathematische Funktionen dargestellt, die frei wählbare Parameter enthalten. Die mathematischen Funktionen resultieren aus den physikalischen Gesetzen. Bei den mathematischen Funktionen kann es sich beispielsweise um Polynome handeln. Die frei wählbaren Parameter sind in diesem Fall beispielsweise Koeffizienten der Polynome. Die Parameter können auf Basis der mittels der Sensoren gemessenen Werte ermittelt werden. An Positionen, an denen sich kein Sensor befindet, können die Werte dann aus den Funktionen mithilfe der bekannten Parameter berechnet werden.
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Der mindestens eine Wert einer Position wird mit einem Störwert oder einen Bereich des Störwerts verglichen, der für seine Position in dem Raum hinterlegt ist. In Abhängigkeit von einem Ergebnis des Vergleichs wird auf einen anormalen Zustand geschlossen. Auf diese Weise kann ein anormalen Zustand frühzeitig erkannt werden, wenn dieser bereits aufgrund eines einzigen Wertes an einer bestimmten Position im Raum offensichtlich wird, ohne dass an dieser Position ein Sensor angebracht werden müsste.
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Alternativ werden für mehrere Positionen in dem Raum Werte ermittelt und mit einem Störmuster verglichen, das für diese Positionen hinterlegt ist. In der Abhängigkeit von einem Ergebnis des Vergleichs kann auf einen anormalen Zustand geschlossen werden. Diese Ausführungsform des Verfahrens nutzt aus, dass Werte für eine Vielzahl von Positionen bereitgestellt werden können, ohne hierfür Sensoren an diesen Positionen zu benötigen. Es können dann auch anormale Zustände erkannt werden, die nicht durch einen einzelnen Wert in einer einzelnen Position, sondern erst durch ein Muster von Werten an unterschiedlichen Positionen deutlich werden, die nur in dieser Kombination auf einen anormalen Zustand hinweisen. Dabei kann das Muster sowohl aus mehreren Werten der gleichen physikalischen Größe an unterschiedlichen Positionen im Raum bestehen als auch aus einer Kombination unterschiedlicher physikalischer Größen. So ermöglicht es das Verfahren beispielsweise, auch einen anormalen Zustand zu erkennen, der sich dadurch auszeichnet, dass an einer Stelle im Raum eine bestimmte Temperatur und an einer anderen Stelle im Raum eine bestimmte Luftfeuchtigkeit zum gleichen Zeitpunkt auftreten.
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Das Erkennen anormaler Zustände kann insbesondere genutzt werden, um sofortige Gegenmaßnahmen einzuleiten. Es kann aber beispielsweise auch genutzt werden, um eine Ursachenanalyse vorzunehmen, indem bei einem mehrfachen Auftreten des anormalen Zustands untersucht wird, ob dieser stets zu bestimmten Zeitpunkten auftritt.
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In einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Computerprogramm vorgesehen, welches eingerichtet ist, jeden Schritt des Verfahrens durchzuführen, insbesondere wenn es auf einer Recheneinheit oder elektronischen Steuereinheit abläuft. Es ermöglicht die Implementierung unterschiedlicher Ausführungsformen des Verfahrens auf einer Recheneinheit, ohne hieran bauliche Veränderungen vornehmen zu müssen. Zum Aufspielen des Computerprogramms auf die Recheneinheit ist in noch einem weiteren Aspekt der Erfindung ein maschinenlesbares Speichermedium vorgesehen, auf welchem das Computerprogramm gespeichert ist.
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Die Aufgabe wird außerdem in einem Aspekt der Erfindung durch ein System gelöst, welches eingerichtet ist, um mindestens einen physikalischen Wert in einem Raum zu ermitteln. Dieses System weist mehrere Sensoren auf, die in dem Raum angeordnet sind. Außerdem weist es eine Datenbank auf, in welcher Informationen über den Raum hinterlegt sind. Schließlich weist es eine Recheneinheit auf, welche eingerichtet ist, um den mindestens einen Wert mittels des Verfahrens zu ermitteln.
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Die Informationen über den Raum umfassen vorzugsweise zumindest, an welcher Position im Raum jeder einzelne Sensor angeordnet ist und welche physikalische Größe er misst. Wenn in dem Verfahren die Ermittlung des mindestens einen Wertes mittels eines physikalischen Modells oder eines logischen Modells vorgesehen ist, so ist es weiterhin bevorzugt, dass in der Datenbank physikalische Eigenschaften der zwischen den Sensorpositionen liegenden Medien und Materialien hinterlegt sind. Bei den physikalischen Eigenschaften kann es sich insbesondere um mechanische oder thermodynamische Eigenschaften wie beispielsweise die Wärmeleitfähigkeit handeln. Weiterhin ist es bevorzugt, dass die Informationen Eigenschaften einer Hülle des Raumes beinhalten. Handelt es sich bei dem Raum um ein Gebäude, so wären dies beispielsweise Eigenschaften der Gebäudehülle.
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Um mittels des Systems den mindestens einen physikalischen Wert nicht lediglich ermitteln zu können, sondern ihn auch zum Erkennen anormaler Zustände auswerten zu können, ist es weiterhin bevorzugt, dass das System eine Auswerteeinheit aufweist, die eingerichtet ist, um aus einem Vergleich eines Werts mit einem Störwert oder einem Bereich eines Störwertes oder mehrerer Werte mit einem Störmuster auf einen anormalen Zustand zu schließen. Außerdem ist die Auswerteeinheit vorzugsweise eingerichtet, um eine Fehlermeldung auszugeben. Weiterhin umfasst das System in diesem Fall eine Eingabeeinheit, mittels welcher Störwerte und/oder Störmuster in die Datenbank eingegeben werden können. Es ist außerdem bevorzugt, dass die Datenbank Informationen über Maschinen enthält, die in dem Raum angeordnet sind. Aus den physikalischen Wert betreffenden Toleranzen der einzelnen Maschinen können Störwerte und Störmuster hergeleitet werden. Außerdem können physikalische Eigenschaften der Materialien hinterlegt sein, aus denen die Maschinen bestehen.
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Schließlich ist es bevorzugt, dass das System eine Verknüpfungseinheit aufweist, welche eingerichtet ist, um mehrere von der Recheneinheit ermittelte Werte zu verknüpfen. Diese Verknüpfung kann als Grundlage für einen schnellen Vergleich mehrerer Werte mit einem Störmuster verwendet werden. Hierzu ist es weiterhin bevorzugt, dass in der Datenbank Verknüpfungsregeln für die Kombination mehrerer Werte enthalten sind.
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Figurenliste
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
- 1 zeigt schematisch einen Raum, in dem ein physikalischer Wert mittels eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ermittelt werden kann.
- 2 zeigt eine Wertekarte, die mittels eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung erstellt werden kann.
- 3 zeigt schematisch ein System gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung
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In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in einem Raum 10 eine Maschine 11 angeordnet, an deren Oberfläche zehn Sensoren 20 bis 29 angeordnet sind. Bei den Sensoren 20 bis 29 handelt es sich um Temperatursensoren. In einem ersten Ausführungsbeispiel des Verfahrens wird die Temperatur an allen Positionen des Raumes 10, an denen keiner der Sensoren 20 bis 29 angeordnet ist, mittels eines mathematischen Modells aus den Messwerten der Sensoren 20 bis 29 ermittelt. Beispielsweise kann der Wert der Temperatur an der Position 30 durch Interpolation aus den Messwerten des ersten Sensors 20 und des zweiten Sensors 21 ermittelt werden. Wenn der erste Sensor 20 eine Temperatur von 8°C misst und der zweite Sensor 21 eine Temperatur von 12°C misst, so ergibt sich durch lineare Interpolation eine Temperatur von 10°C an der Position 30.
In einem zweiten Ausführungsbeispiel des Verfahrens sind vier Sensoren 20 bis 23 in dem Raum 10 angeordnet. Aus den Messwerten dieser vier Sensoren wird eine 3D-Wertekarte erzeugt, in der jeder Position ein Temperaturwert zugeordnet ist. Die 2 zeigt einen Schnitt entlang einer x-y-Schnittebene, durch die 3D-Wertekarte. Hierbei ist die Temperatur T als dritte Koordinate über der Schnittfläche visualisiert. In weiteren Ausführungsbeispielen des Verfahrens kann die Temperatur durch eine Farbcodierung, beispielsweise als spektraler Verlauf oder Warm-Kaltverlauf, dargestellt werden oder als Zahlenwert in ein dreidimensionales Bild des Raums 10 als Zahlenwolke projiziert werden. Würde diese Visualisierungsmethode auf den Raum 10 angewandt, der in 1 dargestellt ist, so würde an die Position 30 auf der Oberfläche der Maschine 11 beispielsweise ein Temperaturwert von 10°C projiziert.
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In einem dritten Ausführungsbeispiel des Verfahrens wird eine 3D-Wertekarte mittels eines physikalischen oder logischen Modells erstellt. Hierzu wird ein System verwendet, das in 3 dargestellt ist. Dieses weist eine Datenbank 40 mit mehreren Partitionen 41 bis 46 auf. In der ersten Partition 41 sind die Positionen aller Sensoren des Systems in drei Dimensionen im Raum 10 gespeichert. Dabei weist das System in diesem Ausführungsbeispiel vier Sensoren 20 bis 23 auf. Weiterhin ist gespeichert, welche physikalische Größe von diesen Sensoren gemessen wird. Alle Sensoren 20 bis 23 messen in diesem Ausführungsbeispiel die Temperatur. Die zweite Partition 42 speichert die Wärmeleitfähigkeit zwischen den Positionen der Sensoren 20 bis 23. Die dritte Partition 43 enthält Informationen über die Wärmeleitfähigkeit und Wärmekapazität der Hülle des Raums 10. In der vierten Partition 44 sind Informationen über Maschinen und Objekte gespeichert, welche in dem Raum 10 angeordnet sind. Die fünfte Partition 45 enthält Verknüpfungsregeln für eine Verknüpfung von Temperaturwerten unterschiedlicher Positionen im Raum 10. Die sechste Partition 46 enthält Störmuster für einzelne Kombinationen von Temperaturwerten und deren Korrelierung mit bekannten Fehlerbeschreibungen der im Raum 10 angeordneten Maschinen.
Eine Recheneinheit 50 ist vorgesehen, um unter Verwendung der Messwerte der Sensoren 20 bis 23 und der Informationen aus den ersten vier Partitionen 41 bis 44 und unter Verwendung eines physikalischen oder logischen Modells eine 3D-Wertekarte 55 der Temperatur im Raum zu erstellen. Diese kann in der gleichen Weise wie im zweiten Ausführungsbeispiel visualisiert werden. Eine Verknüpfungseinheit 60 verknüpft unter Verwendung der Verknüpfungsregeln aus der fünften Partition 45 einzelne Werte aus der Wertekarte 55 zu Mustern. In einer Auswerteeinheit 70 werden diese Muster mit Störmustern aus der sechsten Partition 46 verglichen. Wird eine hinreichende Übereinstimmung zwischen einem von der Verknüpfungseinheit 60 erstellten Muster und einem der Störmuster erkannt, so wird eine Fehlermeldung 90 ausgegeben, wobei der in der sechsten Partition 46 mit dem Störmuster verknüpfte Fehler benannt wird. Eine Eingabeeinheit 80 ermöglicht es, bei Bedarf weitere Störmuster in der sechsten Partition 46 zu ergänzen.
