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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die Erfindung betrifft die Füllstandmessung. Insbesondere betrifft die Erfindung einen autarken, beispielsweise radiometrischen, Sensor zur Bestimmung eines Füllstands, eines Grenzstands, einer Dichte eines Mediums oder eines Massenstroms und die Verwendung eines autarken Sensors zur Bestimmung eines Füllstands eines Füllguts in einem Behälter, eines Grenzstands, einer Dichte eines Mediums oder eines Massenstroms.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Sensoren zur Füllstandmessung werden über einen Kabelanschluss mit Energie zum Betrieb des Messgerätes versorgt. Diese drahtgebundene Verbindung kann auch zum Datenaustausch zwischen dem Messgerät und einem externen Prozesssteuersystem verwendet werden.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen alternativen, robusten und wenig störanfälligen Sensor anzugeben.
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Die Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüche und der folgenden Beschreibung.
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Ein Aspekt der vorliegenden Offenbarung betrifft einen autarken, beispielsweise radiometrischen, Sensor zur Bestimmung eines Füllstands, eines Grenzstands, einer Dichte eines Mediums oder eines Massenstroms. Der Sensor umfasst eine Detektoranordnung, eine Drahtlos-Kommunikationseinheit, eine Energieversorgung und ein geschlossenes Gehäuse. Die Detektoranordnung ist beipsielsweise zum Erfassen einer von einer radioaktiven Quelle ausgesendeten Strahlung eingerichtet. Die Energieversorgung ist mit der Detektoranordnung und der Drahtlos-Kommunikationseinheit verbunden und zum Bereitstellen der zum Betrieb der Detektoranordnung und der Drahtlos-Kommunikationseinheit erforderlichen Energie eingerichtet. In dem geschlossenen Gehäuse sind die Detektoranordnung, die Drahtlos-Kommunikationseinheit und die Energieversorgung angeordnet.
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Der Sensor kann aber auch als Drucksensor, Massestromsensor, Füllstandradarsensor, TDR-Sensor, Umtraschallsensor, oder als Trennschichtsensor, Temperatursensor, Durchflusssensor, Volumenmesssensor, Objekterkennungssensor, Impedanzsensor, Grenzstandsensor oder magnetanzeiger zur Füllstandanzeige ausgeführt sein.
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Bei dem autarken radiometrischen Sensor handelt es sich um einen Sensor, der zum Erfassen oder Detektieren einer radiometrischen Strahlung, die von einer radioaktiven Quelle ausgesendet wird, eingerichtet ist, und welcher die Energie, die zum Betrieb des Sensors benötigt wird, nicht drahtgebunden von einer externen Energiequelle, sondern von einer internen Energiequelle bezieht.
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Die Energieversorgung, die Detektoranordnung und/oder die Drahtlos-Kommunikationseinheit sind in dem geschlossenen Gehäuse fest eingebaut. In anderen Worten sind die Energieversorgung, die Detektoranordnung und/oder die Drahtlos-Kommunikationseinheit interne Bauteile des autarken Sensors.
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Gemäß einer Ausführungsform lässt sich das geschlossene Gehäuse nicht zerstörungsfrei öffnen.
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Das geschlossene Gehäuse kann ausgebildet sein, um die intern angeordneten Energieversorgung, die Detektoranordnung und die Drahtlos-Kommunikationseinheit vollständig und permanent zu umhüllen. Auf diese Weise kann eine hohe Widerstandsfähigkeit des Gehäuses gegen das Eindringen von Fremdkörpern wie z. B. Staub und/oder Wasser in den autarken Sensor bereitgestellt werden. Somit kann das geschlossene Gehäuse hermetisch abgedichtet bzw. staubdicht und wasserdicht sein.
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Durch das Verwenden eines vollständig geschlossenen Gehäuses können die Herstellungskosten des Sensors reduziert werden. Insbesondere ist kein von außen zugreifbarer Kabelanschluss auf der Außenseite des Gehäuses notwendig.
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Die Messung des autarken Sensors, bei der es sich beispielsweise um eine Füllstand-, eine Grenzstand- oder eine Massenstrommessung handelt, kann durch das geschlossene Gehäuse hindurch erfolgen. Es kann auch möglich sein, dass der autarke Sensor zur Bestimmung eines Massenstroms eingesetzt werden kann.
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Die radioaktive Quelle kann beispielsweise ein Gammastrahler aus 60Co oder 137Cs sein. Während der autarke radiometrische Sensor seitlich an einem mit einem Füllgut befüllten Behälter angeordnet ist, ist die radioaktive Quelle seitlich auf der anderen Seite des Behälters gegenüber dem autarken radiometrischen Sensor angeordnet. Die radioaktive Strahlung wird von der radioaktiven Quelle ausgesendet, durchläuft den Behälter und wird durch das geschlossene Gehäuse hindurch von der Detektoranordnung empfangen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Detektoranordnung des radiometrischen Sensors einen Szintillator auf.
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Der Szintillator der Detektanordnung ist dazu eingerichtet, die von der radioaktiven Quelle ausgesendete, den Behälter durchlaufende radioaktive Strahlung zu erfassen und die radioaktive Strahlung in einen Lichtblitz umzuwandeln.
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Weiterhin kann die Detektoranordnung einen Photodetektor oder einen Lichtdetektor aufweisen. Der Photodetektor kann beispielsweise eine Photoelektronenvervielfacher-Röhre (PMT) oder ein Silizium-Photomultiplier (SiPM) sein und eingerichtet sein, den Lichtblitz aus dem Szentillator zu empfangen und in ein Messsignal bzw. ein elektrisches Messsignal umzuwandeln.
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Die Detektoranordnung kann weiterhin eine Elektronik aufweisen. Die Elektronik kann beispielsweise eine Platine sein, auf der der Photodetektor, die Energieversorgung und die Drahtlos-Kommunikationseinheit zum Erzeugen elektrischer Verbindungen miteinander angeordnet sein können. Die Elektronik kann weiterhin eine Auswerteeinheit aufweisen, die zum Verarbeiten oder Auswerten des Messsignals aus dem Photodetektor und zur Bestimmung von Messdaten bzw. zum Berechnen des Füllstands des Füllguts in einem Behälter eingerichtet ist.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Drahtlos-Kommunikationseinheit zum Empfangen von Parametrierdaten zur Parametrierung des Sensors und zum Aussenden von Messdaten des Sensors an ein externes Datenerfassungssystem eingerichtet.
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Die im Sensorgehäuse eingebaute Drahtlos-Kommunikationseinheit kann zur Kommunikationsverbindung zwischen dem autarken Sensor und einer externen Kommunikationseinheit, wie z. B. einem Server oder einem externen Datenerfassungssystem dienen.
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Die Parametrierung des autarken Sensors kann beispielsweise auf einem Server erfolgen, welcher eingerichtet ist, die Parametrierdaten in den Sensor zu übermitteln.
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Das Empfangen von Parametrierdaten des autarken Sensors kann mittels NFC (Nahfeldkommunikation oder auf Englisch „Near Field Communication“) erfolgen.
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Der autarke Sensor kann einen Energiesparmodus aufweisen. Das Empfangen der Parametrierdaten kann zyklisch durch das Aktivieren oder das Aufwecken des Sensors mit einem vorgegebenen Zeitabstand ausgeführt werden. Beispielsweise kann die Messung mit dem autarken Sensor über ein Reed Relais oder einen Magnetstift oder über NFC zyklisch gestartet oder getriggert werden. Sobald eine Verbindung zwischen dem Sensor und dem Server aufgebaut ist, können die Parametrierdaten an den autarken Sensor übertragen werden.
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Weiterhin kann die Drahtlos-Kommunikationseinheit des autarken Sensors zum Aussenden von Messdaten des Sensors an ein externes Datenerfassungssystem eingerichtet sein. Die Messdaten können per Funk, wie z. B. mittels Bluetooth, WLAN, GPRS, UMTS, GSM, SigFox, IoT, LoRa an das Datenerfassungssystem gesendet werden. Somit kann auf das Vorsehen eines Datenübertragungskabels an dem Gehäuse des Sensors verzichtet werden.
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Das Aussenden von den Messdaten des Sensors an das externe Datenerfassungssystem kann auch zyklisch ausgeführt werden, nämlich dann, wenn sich der autarke Sensor nicht in dem Energiesparmodus befindet. Es kann beispielsweise vorgesehen sein, dass das Aussenden der Messdaten erst erfolgen kann, wenn eine gesicherte Verbindung zwischen dem Sensor und dem externen Datenerfassungssystem aufgebaut ist.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform besteht das geschlossene Gehäuse aus zwei Halbteilen. Alternativ ist das geschlossene Gehäuse während des Fertigungsprozesses des Sensors durch Spritzguss gefertigt.
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Die zwei Halbteilen des geschlossenen Gehäuses können aus einem Kunststoff, wie z. B. PE, PP, oder aus einem Metall, wie z. B. Aluminium oder Edelstahl, bestehen. Alternativ können die zwei Halbteilen aus zwei unterschiedlichen Kunststoffen bestehen. Das geschlossene Gehäuse kann durch das Zusammenkleben der beiden Halbteile mittels eines geeigneten Klebers gebildet sein. Alternativ kann das geschlossene Gehäuse durch Schweißen wie z.B. Ultraschallschweißen derart gefertigt sein, dass eine Fügestelle durch das Aufschmelzen der zwei Halbteile an der Verbindungsstelle erzeugt werden kann.
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Alternativ können die internen Bauteile des autarken Sensors, nämlich die Detektoranordnung, die Drahtlos-Kommunikationseinheit und die Energieversorgung, während des Fertigungsprozesses mit dem Kunststoff umspritzt werden, so dass das geschlossene Gehäuse die internen Bauteile vollständig und permanent umhüllen kann.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Energieversorgung des autarken Sensors einen Energiespeicher in Form eines Akkus bzw. einer Batterie oder eines Kondensators auf. Die Energieversorgung ist derart eingerichtet, dass der Energiespeicher induktiv von außen geladen werden kann.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Energieversorgung eine Solarzelle auf.
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Die Solarzelle kann dazu eingerichtet sein, bei ausreichender Sonnenstrahlung den autarken Sensor zu versorgen und den Energiespeicher zu laden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Energieversorgung einen Energiespeicher auf und ist eingerichtet, den Energiespeicher mittels Energie-Harvesting zu laden.
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Mittels des Energie-Harvestings kann elektrische Energie aus einer externen Energiequelle wie z. B. der Umgebungstemperatur, Vibrationen oder Luftströmung erfolgen. Das Energie-Harvesting kann somit als eine zusätzliche Energieversorgungsquelle für den autarken Sensor bzw. den Akku sein.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Energieversorgung (125) eingerichtet, die Detektoranordnung (111, 112) und der Drahtlos-Kommunikationseinheit (130) gleichzeitig oder alternierend ein- oder auszuschalten, sodass die zum Betrieb des autarken Sensors (100) erforderlichen Energie gespart bereitgestellt werden kann.
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Weiterhin kann der autarke Sensor ein Power-Management-System aufweisen, das dazu eingerichtet ist, den autarken Sensor in einen Energiesparmodus zu versetzen, um den Energieverbrauch des autarken Sensors zu reduzieren. Mittels des Power-Management Systems kann das Empfangen der Parametrierdaten und/oder das Aussenden der Messdaten an das externe Datenerfassungssystem zyklisch ausgeführt werden. Auch kann vorgesehen sein, dass bei ausreichender Energie das Empfangen der Parametrierdaten des Sensors und/oder das Aussenden der Messdaten des Sensors kontinuierlich oder dauerhaft ausgeführt wird. Wenn keine Messung durchgeführt wird, kann das Power-Management-System eingerichtet sein, den autarken Sensor in einen Schlafmodus zum Sparen der Energie zu versetzen. In dem Schlafmodus kann die gesamte Schaltung des autarken Sensors oder beispielsweise abwechselnd nur eines von der Detektoranordnung und der Drahtlos-Kommunikationseinheit, ausgeschaltet werden.
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Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Offenbarung betrifft die Verwendung eines autarken Sensors zur Bestimmung eines Füllstands, eines Grenzstands eines Füllguts, einer Dichte eines Mediums in einem Behälter oder eines Massenstroms .
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Im Folgenden werden weitere Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung unter Bezugnahme auf die Figuren beschrieben. Werden in der folgenden Figurenbeschreibung gleiche Bezugszeichen verwendet, so bezeichnen diese gleiche oder ähnliche Elemente. Die Darstellungen in den Figuren sind schematisch und nicht maßstäblich.
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Figurenliste
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- 1 zeigt eine schematische Darstellung der Verwendung eines autarken radiometrischen Sensors zur Bestimmung eines Füllstands eines Füllguts in einem Behälter gemäß einer Ausführungsform.
- 2 zeigt eine schematische Darstellung des autarken radiometrischen Sensors gemäß einer Ausführungsform.
- 3 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Bestimmung eines Füllstands mittels eines autarken radiometrischen Sensors gemäß einer Ausführungsform.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN
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1 zeigt eine schematische Darstellung der Verwendung eines autarken radiometrischen Sensors 100 zur Bestimmung eines Füllstands eines Füllguts 25 in einem Behälter 20. Der Sensor kann aber auch als Drucksensor, Massestromsensor, anderweitiger Füllstandsensore, wie Füllstandradarsensor, TDR-Sensor, Umtraschallsensor, oder als Trennschichtsensor, Temperatursensor, Durchflusssensor, Volumenmesssensor, Objekterkennungssensor, Impedanzsensor, Grenzstandsensor oder magnetanzeiger zur Füllstandanzeige ausgeführt sein.
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Eine radioaktive Quelle 10, die beispielsweise ein 60Co- oder 137Cs-Gammastrahler ist, ist seitlich an einem Behälter 20, der mit einem Füllgut 25 befüllt ist, angeordnet und dazu eingerichtet, radioaktive Strahlung in Richtung eines autarken radiometrischen Sensors 100 auszusenden. Der autarke radiometrische Sensor 100 ist seitlich, auf einer anderen Seite des Behälters 20 gegenüber der radioaktiven Quelle 10 angeordnet. Die radioaktive Strahlung der radioaktiven Quelle 10 kann den Behälter 20 und gegebenenfalls das Füllgut 25 in dem Behälter durchlaufen und von dem gegenüberliegenden radiometrischen Sensor empfangen bzw. detektiert werden. Auf diese Weise kann der Füllstand des Füllguts 25 in dem Behälter 20 bestimmt werden.
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2 zeigt eine schematische Darstellung des autarken radiometrischen Sensors 100, der eine Detektoranordnung 111, 112, eine Drahtlos-Kommunikationseinheit 130, eine Energieversorgung 125 und ein geschlossenes Gehäuse 150 aufweist.
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In dem geschlossenen Gehäuse 150 sind die internen Bauteile des autarken radiometrischen Sensors 100, nämlich die Detektoranordnung 111, 112, die Drahtlos-Kommunikationseinheit 130 und die Energieversorgung 125, angeordnet und fest eingebaut.
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Das geschlossene Gehäuse 150 lässt sich nicht zerstörungsfrei öffnen. Das geschlossene Gehäuse 150 ist ausgebildet, um die internen Bauteile vollständig und permanent zu umhüllen.
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Auf der Außenseite des geschlossenen Gehäuses 150 befinden sich kein Kabelanschluss und auch keine anderweitige drahtgebundene Schnittstelle.
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Die Messung des Sensors 100 kann durch das geschlossene Gehäuse 150 hindurch erfolgen.
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Die Detektoranordnung weist einen Szintillator 112 und einen Photodetektor 111 auf. Der Szintillator 112 ist an oder in dem Gehäuse 150 des autarken radiometrischen Sensors 100 angeordnet und dazu eingerichtet, die von der radioaktiven Quelle 10 ausgesendeten radioaktive Strahlung nach dem Durchlaufen des Behälters 20 zu erfassen und die empfangene radioaktive Strahlung in einen Lichtblitz umzuwandeln. Der Photodetektor 111 ist gegenüber dem Szintillator 112 angeordnet, um den empfangenen Lichtblitz aus dem Szintillator 112 zu empfangen und in ein elektrisches Messsignal umzuwandeln.
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Die Detektoranordnung kann weiterhin eine Elektronik 120 aufweisen, die beispielsweise eine Platine sein kann, und auf der der Photodetektor 111, die Energieversorgung 125 und die Drahtlos-Kommunikationseinheit 130 angeordnet sind. Die Elektronik 120 kann beispielsweise eine Auswerteeinheit aufweisen, die zum Auswerten des Messsignals des Photodetektors 111 oder zur Berechnung von Messwerten eingerichtet ist.
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Die Drahtlos-Kommunikationseinheit 130 kann in Form einer Antenne ausgeführt sein und ist eingerichtet, Parametrierdaten zur Parametrierung des autarken radiometrischen Sensors 100 zu empfangen und die Messwerte des autarken radiometrischen Sensors 100 an ein externes Datenerfassungssystem auszusenden. Das Empfangen der Parametrierdaten kann beispielsweise mittels NFC erfolgen und das Aussenden der Messdaten kann beispielsweise per Funk, mittels Bluetooth, WLAN, GPRS, UMTS, GSM, SigFox, IoT, LoRa kabellos erfolgen.
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Die Energieversorgung 125 ist mit dem Photodetektor 111 der Detektoranordnung und der Drahtlos-Kommunikationseinheit 130 verbunden, um Energie bereitzustellen. Die Energieversorgung kann einen Akku, der induktiv von außen geladen werden kann, eine Batterie und/oder eine eingebaute Solarzelle aufweisen. Der Solarzelle kann einstückig mit dem Gehäuse 150 des Sensors 100 vorgesehen sein und bei ausreichender Sonnenstrahlung zum Versorgen des autarken radiometrischen Sensors 100 oder zum Laden des Akkus eingerichtet sein. Alternativ kann der Akku mittels Energie-Harvesting zusätzlich geladen werden.
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3 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Bestimmung eines Füllstands eines Füllguts 25 in einem Behälter 20 mittels eines autarken radiometrischen Sensors 100. In dem ersten Schritt 301 werden eine Detektoranordnung, die einen Szintillator 112 und einen Photodetektor 111 aufweist, und eine Drahtlos-Kommunikationseinheit 130 bereitgestellt, die mittels einer Elektronik 120 mit der Detektoranordnung verbunden sind. In Schritt 302 wird eine Energieversorgung 125 bereitgestellt und die zum Betrieb der Detektoranordnung und der Drahtlos-Kommunikationseinheit erforderlichen Energie bereitgestellt. In Schritt 303 wird ein geschlossenes Gehäuse 150 durch das Umhüllen der Detektoranordnung, der Drahtlos-Kommunikationseinheit und der Energieversorgung bereitgestellt, um sie vor dem Eindringen von Fremdkörpern wie Staub oder Wasser zu schützen.
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In Schritt 4 wird der autarke radiometrische Sensor 100, beispielsweise über ein Reed Relais oder einen Magnetstift oder über NFC, zyklisch aufgeweckt oder aktiviert, um Parametrierdaten zyklisch mit einem vorgegebenen Zeitabstand zu empfangen und Messdaten an ein externes Datenerfassungssystem zyklisch mit einem vorgegebenen Zeitabstand auszusenden.
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Um die Energie zum Betrieb des autarken radiometrischen Sensors 100 zu sparen, kann der autarke radiometrische Sensor 100 ein Power-Management-System aufweisen. Mit dem Power-Management-System kann der Sensor 100 in einem Energiesparmodus eingestellt werden, in welchem das Empfangen von den Parametrierdaten oder das Aussenden von den Messdaten mittels der Drahtlos-Kommunikationseinheit 130 zyklisch erfolgen kann.
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Ergänzend ist darauf hinzuweisen, dass „umfassend“ oder „aufweisen“ keine anderen Elemente ausschließt und „eine“ oder „ein“ keine Vielzahl ausschließt. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsformen beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen anderer oben beschriebener Ausführungsformen verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.
