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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft einen modularen Sensor zur Erfassung einer Prozessgröße, die Verwendung eines externen, modularen Sensor-Energiespeichers zur Energieversorgung eines modularen Sensors, sowie die Verwendung des modularen Sensors zur Füllstandmessung, Durchflussmessung, Grenzstandmessung, Druckmessung, Dichtemessung, Konzentrationsmessung, Trennschichtmessung oder Objekterfassung.
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Hintergrund der Erfindung
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Sensoren zur Füllstand- und Druckmessung können eine drahtgebundene Energieversorgung und/oder eine integrierte Batterie aufweisen, die im Sensorgehäuse verbaut ist.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen alternative Energieversorgung für autarke Sensoren bereitzustellen.
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Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche, der folgenden Beschreibung, sowie der Figuren.
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Die beschriebenen Ausführungsformen betreffen in ähnlicher Weise den modularen Sensor, die Verwendung eines externen, modularen Sensor-Energiespeichers, die Verwendung einer modularen Ladestation und die Verwendung des modularen Sensors. Synergieeffekte können sich aus verschiedenen Kombinationen der Ausführungsformen ergeben, obwohl sie möglicherweise nicht im Detail beschrieben werden.
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Gemäß einem ersten Aspekt wird ein modularer Sensor zur Erfassung einer Prozessgröße bereitgestellt. Der modulare Sensor weist eine Andockschnittstelle für einen Energiespeicher auf, welche sich an der Außenseite des modularen Sensors befindet. Der modulare Sensor ist ferner eingerichtet, Energie über die Andockschnittstelle von dem Energiespeicher zu erhalten.
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„Andockschnittstelle“ bedeutet hierbei, dass ein anderes Gerät, zum Beispiel ein Energiespeicher, mit einer entsprechenden Gegenschnittstelle an den Sensor direkt mechanisch und elektrisch verbunden wird, also die Verbindung nicht über ein Kabel, das in einen Stecker gesteckt wird, vorgenommen wird. Die Gegenschnittstelle wird in dieser Offenbarung ebenfalls als Andockschnittstelle oder, wenn ein deutlichere Unterscheidung sinnvoll ist, als Andockgegenschnittstelle bezeichnet.
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Das heißt, der Sensor kann auch ohne eigenen, integrierten Akku oder integrierte Batterie betrieben werden. Somit kann er geschlossen bleiben, auch wenn ein angedockter Energiespeicher getauscht werden muss. Damit kann er auch beim Wechseln der Energiequelle den Anforderungen der Schutzklasse entsprechen, zum Beispiel einer Schutzklasse, die die Wasserfestigkeit bestimmt. Der Sensor kann aber auch einen integrierten Akku aufweisen, der über die Andockschnittstelle geladen werden kann. Auch in diesem Fall kann der Sensor zum Aufladen des Akkus geschlossen bleiben und die Anforderungen an die Schutzklasse erfüllen.
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Modularer Sensor bedeutet, dass der Sensor Teil eines modularen Konzeptes bzw. Systems mit modularen Komponenten ist. Das heißt, der Sensor ist eine Komponente dieses modularen Systems. Die Modularität wird durch die Andockschnittstelle erreicht, die eine innerhalb des Systems standardisierte Schnittstelle darstellt.
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Gemäß einer Ausführungsform ist der Sensor ein geschlossener Sensor, der dadurch, dass er geschlossen ist, eingerichtet ist, Anforderungen gemäß einer Schutzklasse zu erfüllen, und der eingerichtet ist, diese Anforderungen sowohl während des Betriebs als auch während eines Andock- oder Abdockvorgangs an der Andockschnittstelle zu erfüllen. Eine Schutzklasse ist zum Beispiel IP67 („International Protection“) oder IP68, die angeben, in welchem Maße elektronische Geräte gegen das Eindringen von Wasser, Feuchtigkeit und festen Fremdkörpern wie Staub oder Finger geschützt sind.
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Gemäß einer Ausführungsform weist der modulare Sensor ferner eine Sensor-Schutzschaltung auf, die eingerichtet ist, die Anforderungen an die Schutzklasse im Falle eines An- oder Abdockvorgangs zu erfüllen.
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Die Andockschnittstelle weist beispielsweise Elektroden auf, die mit Elektroden der Gegenschnittstelle verbunden werden. Ist die Andockschnittstelle nicht von einer Gegenschnittstelle besetzt und durch ein daran angedocktes Modul geschützt, kann es sein, dass die Andockschnittstelle Umgebungsbedingungen ausgesetzt ist, die den Erhalt der Schutzklasse gefährden. Dies kann durch eine Schutzschaltung abgefangen werden, die den geforderten Status erhält, wenn zum Beispiel durch witterungsbedingtes Eintreten von Wasser oder Feuchtigkeit beispielsweise der Widerstand zwischen den Elektroden reduziert ist. Im Extremfall ist dies ein Kurzschluss.
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Gemäß einer Ausführungsform weist der modulare Sensor weiterhin einen NFC - Sender auf, der eingerichtet ist, Daten an einem NFC - Empfänger zu senden, wobei die Daten Informationen bezüglich der Energieübertragung enthalten, und der Sensor eingerichtet ist, Energie entsprechend der empfangenen Informationen zu erhalten. Die Informationen können beispielsweise Energiestände, Energie-Speicherkapazitäten, Energiebedarf, etc. auf Seiten des Sensors und/oder des Energiespeichers enthalten.
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Gemäß einem zweiten Aspekt wird ein externer, modularer Sensor-Energiespeicher zur Energieversorgung eines modularen Sensors verwendet. Der modulare Sensor-Energiespeicher weist eine Andockschnittstelle mit elektrischen Kontakten auf, die zur Energieübertragung an einen modularen Sensor eingerichtet ist. Der modulare Sensor-Energiespeicher kann beispielsweise von einer Ladestation, die eine AndockGegenschnittstelle aufweist, geladen werden und die gespeicherte Energie über die AndockGegenschnittstelle bzw. die Andockschnittstelle des modularen Sensors an den modularen Sensors wieder abgeben.
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Gemäß einer Ausführungsform des zweiten Aspekts ist der zur Energieversorgung des modularen Sensors verwendete, modulare Energiespeicher ein geschlossener Energiespeicher gemäß einer Schutzklasse und erfüllt die Anforderungen der Schutzklasse. Eine solche dem Fachmann bekannte Schutzklasse definiert beispielsweise eine Wasserfestigkeit oder Wasserdichtigkeit. Der modulare Energiespeicher erfüllt die Anforderungen der Schutzklasse für sich genommen. Vorteilhafterweise erfüllt er die Anforderungen der Schutzklasse auch während eines Andock- oder Abdockvorgangs an der Andockschnittstelle. Um dies zu erfüllen, ist der modulare Energiespeicher beispielsweise ebenfalls gemäß der Schutzklasse spezifiziert, sowie die Anordnung aus modularem Sensor mit dem damit verbundenen Energiespeicher.
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Gemäß einer Ausführungsform weist der modulare Energiespeicher ferner eine Energiespeicher-Schutzschaltung auf, die eingerichtet ist, die Energieübertragung in Bezug auf physikalische Parameter der Energie zu begrenzen, um ein unbeabsichtigtes Entladen oder eine Zerstörung oder ein Schaden am Energiespeicher der an den Energiespeicher angeschlossene Geräte zu vermeiden, der beispielsweise durch Kurzschluss durch Strom- oder Spannungsspitzen entstehen kann, oder z.B. durch Überhitzung aufgrund von dauerhaft hoher übertragener Energiemengen.
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Gemäß einer Ausführungsform weist die Andockschnittstelle weitere Kontakte zur elektrischen Codierung auf. Der Energiespeicher ist dann beispielsweise eingerichtet, die elektrischen Kontakte zur Energieübertragung nur dann freizugeben, wenn die elektrische Codierung mit einer Soll-Codierung übereinstimmt.
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Das heißt, dass der Energiespeicher außer dem positiven und dem negativen Kontakt noch weitere Kontakte aufweist, die kontaktiert werden müssen. Beispielsweise wird ein spezieller Widerstand zwischen zwei Kontakten im Sensor gemessen. Der Ausgang des Energiespeichers wird nur dann freigeschaltet, wenn sich der oder die gemessenen Widerstandswerte in einem erwarteten Bereich befinden. Beispielsweise können sich die Werte außerhalb eines erwarteten Bereichs befinden, wenn der Energiespeicher noch nicht bzw. noch nicht vollständig in einer für die Übertragung sicheren Position befindet, oder wenn durch Feuchtigkeit oder Nässe der Widerstand verringert ist, und die Gefahr eines Kurzschlusses besteht.
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Gemäß einer Ausführungsform weist der externe, modulare Sensor-Energiespeicher weiterhin einen NFC (Near Field Communication, Nahfeldkommunikation) - Empfänger auf, der eingerichtet ist, Daten von einem NFC - Sender zu empfangen, wobei die Daten Informationen bezüglich der Energieübertragung enthalten, und der Energiespeicher eingerichtet ist, Energie entsprechend der empfangenen Informationen abzugeben.
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Das heißt, im Sensor befindet sich z.B. an der Andockschnittstelle ein NFC-Modul. Nur wenn der modulare Energiespeicher dieses erkennt, wird die Ausgangsspannung, also der positive und der negative Pol, freigeschaltet. Weiterhin kann beispielsweise der NFC-Empfänger im Energiespeicher Strom-Grenzwerte vom Sensor erhalten, welcher kontinuierlich die Ausgangsenergie überwacht und diese entsprechend dieser Grenzwerte einstellt.
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Gemäß einer Ausführungsform weist der modulare Energiespeicher ferner eine Strombegrenzungsschaltung auf. Somit kann zusätzlich eine Stromüberwachung integriert sein. Wird zum Beispiel bei einem Kurzschluss unter Wasser zu viel Strom gezogen, wird diese vom Energiespeicher begrenzt oder abgeschaltet.
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Gemäß einer Ausführungsform weist der Energiespeicher einen Kontaktschalter auf. Der Energiespeicher ist eingerichtet, die Energieübertragung nur dann freizugeben, wenn der Kontaktschalter in einem Freigabezustand ist.
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Beispielsweise weist der Energiespeicher einen magnetischen Kontaktschalter wie einen Reedkontakt auf, so dass über den Reedkontakt im Energiespeicher und einem Magneten an der angedockten Gegenschnittstelle z.B. im Sensor sichergestellt wird, dass der Energiespeicher nur in verbautem Zustand den Ausgang frei gibt.
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Gemäß einem dritten Aspekt wird eine Verwendung einer modularen Ladestation zum Laden eines externen modularen Sensor-Energiespeichers vorgestellt, die eine Andockschnittstelle zur Energieübertragung von der Ladestation zu dem externen, modularen Sensor-Energiespeicher aufweist.
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Gemäß einem vierten Aspekt wird eine Verwendung des modularen Sensors zur Füllstandmessung, Durchflussmessung, Grenzstandmessung, Druckmessung, Dichtemessung, Konzentrationsmessung, Trennschichtmessung oder Objekterfassung bereitgestellt.
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Somit kann z.B. ein modulares Sensorsystem bereitgestellt werden, das folgende, oben beschriebene Systemkomponenten aufweist: einen modularen Sensor, einen modularen Energiespeicher, und eine modulare Ladestation, wobei die Andockschnittstellen kompatibel zueinander sind. Die einzelnen Komponenten des Systems können vielfach in dem System vorhanden sein, und dabei unterschiedliche Typen sein. Z.B. kann einer von mehreren Sensoren ein Radarsensor sein, ein anderer ein Ultraschallsensor, wobei beide über die systemweit standardisierte Andockschnittstelle Energie von demselben modularen Energiespeicher erhalten können. In analoger Weise können unterschiedliche Energiespeicher in dem System zu Einsatz kommen, die beispielsweise unterschiedliche Kapazitäten oder Schaltkreise bzw. Funktionen aufweisen. Durch die einheitliche bzw. standardisierte Andockschnittstelle, bzw. bei den Energiespeichern sind dies die Andockgegenschnittstellen, können die unterschiedlichen Energiespeichertypen an jeden der Sensoren oder Ladstationen angeschlossen werden. In entsprechender Weise können unterschiedliche Ladestationen an die sämtliche Energiespeicher im System angeschlossen werden.
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Die beschriebenen Andockschnittstellen ermöglichen, dass ein Sensor wie auch die Kombination eines Sensors in Verbindung mit einem Energiespeicher eine höhere Schutzart als der Energiespeicher im nicht angedockten Zustand besitzt, da man davon ausgehen kann, dass der Tausch des Energiespeichers nicht unter Wasser erfolgt. Beispielsweise hat der Sensor ohne angedockten Energiespeicher die Schutzklasse IP68, wie auch der Sensor mit angedocktem Energiespeicher, jedoch der Energiespeicher alleine die geringere Schutzklasse IP67.
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Die jeweiligen Systemkomponenten können ferner eine mechanische Befestigung aufweisen. Die mechanische Befestigung ist beispielsweise ein Bajonettverschluss oder einer Schiebeverbindung. Es können aber auch andere Befestigungsarten eingesetzt werden. Die Befestigung dient einer zusätzlichen mechanischen Sicherung, so dass sich die Schnittstellenverbindung nicht ungewollt lösen kann und dass keine mechanischen Verformungen an der Andockschnittstelle z.B. durch externe Kräfte oder Stöße auftreten.
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Andere Variationen der offenbarten Ausführungsformen können vom Fachmann bei der Durchführung der beanspruchten Erfindung durch das Studium der Zeichnungen, der Offenbarung und der beigefügten Ansprüche verstanden und ausgeführt werden. In den Ansprüchen schließt das Wort „umfassend“ andere Elemente oder Schritte nicht aus, und der unbestimmte Artikel „ein“ oder „eine“ schließt eine Vielzahl nicht aus. Eine einzelne Einheit kann die Funktionen mehrerer Gegenstände oder Schritte erfüllen, die in den Ansprüchen aufgeführt sind. Die bloße Tatsache, dass bestimmte Maßnahmen in voneinander abhängigen Ansprüchen angegeben sind, bedeutet nicht, dass eine Kombination dieser Maßnahmen nicht vorteilhaft genutzt werden kann. Bezugszeichen in den Ansprüchen sollten nicht so ausgelegt werden, dass sie den Umfang der Ansprüche begrenzen.
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Figurenliste
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Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung mit Bezug auf die beiliegenden Figuren detailliert beschrieben. Weder die Beschreibung noch die Figuren sollen als die Erfindung einschränkend ausgelegt werden. Hierbei zeigt
- 1 ein schematisches Diagramm eines modularen Sensorsystems,
- 2a bis 2c ein schematisches Diagramm eines An-, bzw. Abdockvorgangs in verschiedenen Zuständen, und
- 3 ein schematisches Diagramm eines externen, modularen Sensor-Energiespeichers.
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Die Zeichnungen sind lediglich schematisch und nicht maßstabsgetreu. Grundsätzlich sind identische oder ähnliche Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Detaillierte Beschreibung der Figuren
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1 zeigt ein modulares Sensorsystem 150 in einem ersten Ausführungsbeispiel. Das Sensorsystem 150 weist als Komponenten eine Ladestation 120, einen Energiespeicher 110 und einen Sensor 100 auf. Die Ladestation 120 und der Sensor 100 weisen bis auf die Energieübertragungsrichtung eine gleiche oder im wesentlichen ähnliche Andockschnittstelle 122, 102 zur Energieübertragung auf, die zur Gegenschnittstelle 112 des Energiespeichers 110 mechanisch und elektrisch kompatibel sind. Die Ladestation 120 ist ausgelegt, den Energiespeicher 110 zu laden. Der Energiespeicher 110 wiederum ist ausgelegt, Energie für den Betrieb bereitzustellen. Hierbei ist jeweils lediglich ein manuelles Andocken bzw. Abdocken erforderlich, ohne dass dabei eine der Komponenten geöffnet werden muss.
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Die Form der modularen Komponenten kann, wie in 1 gezeigt, beispielsweise derart gestaltet sein, dass der Sensor 100, bzw. die Ladestation 120 eine durch einen Spalt abgesetzte Zunge parallel zur oberen Gehäuseseite an der Oberseite des Sensorgehäuses aufweist, und der Energiespeicher als Gegenstück eine durch einen Spalt abgesetzte Zunge parallel zur unteren Gehäuseseite an der Unterseite des Energiespeichergehäuses, so dass die Zungen beim Andocken ineinandergreifen.
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Durch den direkten Kontakt der sich jeweils entsprechenden Elektroden einer Schnittstelle 102, 122 und einer Gegenschnittstelle 112 ist die Energieübertragung schnell, effizient und zwischen den beiden Komponenten leicht und akkurat steuerbar oder regelbar. Die Übertragung kann dabei beispielsweise unter Verwendung eines einfachen Schaltkreises mit hohem Wirkungsgrad über Gleichstrom übertragen werden.
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Da unterschiedliche Sensortypen mit solch einer Schnittstelle ausgerüstet werden können, kann ein externer, modularer Sensor-Energiespeicher 110 für jeden dieser Sensoren eingesetzt werden.
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Der modulare Sensor 100 kann mit einem eigenem Energiespeicher ausgestattet sein, beispielsweise einem Akku, der von dem modularen Energiespeicher 110 aufgeladen wird. Der Sensor 100 kann aber auch ohne Batterie oder Akku betrieben werden. In diesem Fall würde der modulare Energiespeicher 110 während des Betriebs am Sensor verbleiben.
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Optional ist eine Übertragung von Daten und/oder Signalen zwischen den Modulen möglich. Eine solche Daten- bzw. Signalübertragung kann zum Übertragen von z.B. Ladezuständen der Batterien bzw. Akkus, zur Steuerung der Spannung oder des Stroms für die Energieübertragung, zum Anlegen oder Abgreifen von Prüfspannungen, auf die z.B. nicht im Sensor erfasst und gespeichert werden, oder aber auch beispielsweise zum Übertragen von Sensor-Messdaten oder Softwareupdates verwendet werden. In diesem Fall wäre der Energiespeicher um entsprechende Schaltkreise, Datenspeicher und eventuell auch Bedien- und Anzeigeeinheiten, z.B. LEDs zum Anzeigen eines Ladestatus oder ein Display für weitere Informationen, erweitert. Da diese Einrichtungen optional sind, könnten sie beispielsweise im modularen Energiespeicher vorhanden sein, aber in einem einfachen modularen Sensor fehlen, wobei die Energieübertragungsfunktion unbenommen davon zur Verfügung steht.
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Zur Daten- bzw. Signalübertragung können die Geräte an den Andockschnittstellen in einheitlicher Weise zum Beispiel NFC-Antennen bzw. Module, optische Übertrager oder galvanische Kontakte aufweisen.
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Die 2a bis 2c zeigen in einem schematischen Diagramm einen modularen Sensor 100 und einen modularen Energiespeicher 110 in verschiedenen Zuständen des An-, bzw. Abdockvorgangs. In 2a ist der modulare Energiespeicher 110 an den modularen Sensor 100 angedockt, so dass die Energieübertragung stattfinden kann. Um diesen Zustand mechanisch zu sichern, können verschiedene Mechanismen zum Einsatz kommen, wie zum Beispiel ein Bajonettverschluss, oder basierend auf wieder lösbare Einrastvorrichtungen, ineinandergreifende Schienen, oder sonstige Halte- bzw. Befestigungsvorrichtungen.
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2b zeigt in einem schematischen Diagramm einen Zustand, in dem der modulare Energiespeicher 110 gerade an den modularen Sensor 100 angedockt wird oder abgedockt worden ist. Das heißt, die beiden Komponenten sind elektrisch getrennt, aber mechanisch noch nicht vollständig voneinander gelöst.
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2c zeigt in einem schematischen Diagramm einen Zustand, in dem der modulare Energiespeicher 110 und der modulare Sensor 100 vollständig voneinander getrennt sind. Nachdem der Energiespeicher 110 den Sensor geladen hat oder leer ist, kann er beispielsweise wieder an einer modularen Ladestation 120 aufgeladen werden und an demselben oder einem anderen Sensor eingesetzt werden.
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3 zeigt in einem schematischen Diagramm einen modularen Energiespeicher 110 mit mehreren miteinander gekoppelten Akkus 202, einer Schutzschaltung 206 und einer elektrischen Schnittstelle 204, die gleichzeitig auch eine mechanische Schnittstelle sein kann. Die elektrische Schnittstelle 204 kann auch an der Zunge 308 oder am gegenüberliegenden Gehäuseteil, beispielsweise als Schiene oder als federnde Kontakte angebracht sein. Die Schutzschaltung kann beispielsweise den Sensor und/oder den Energiespeicher vor eine Überlastung durch Überspannung, Kurzschluss, Überhitzung, etc. schützen. Sie kann weiterhin einen Steuer- oder einen Regelschaltkreis sowie ein Kommunikationsmodul enthalten, das beispielsweise Informationen für die Steuerung oder Regelung von dem Sensor 100 empfängt. Hierzu weist die Schnittstelle 204, die Zunge 308 oder das Gehäuse beispielsweise eine NFC-Antenne auf. Weitere dem Fachmann bekannte drahtlos-Einrichtungen oder aber auch drahtgebundene Einrichtungen können zur Anwendung kommen.
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Durch das beschriebene System und dessen Komponenten kann somit der Tausch des Energiespeichers ohne Öffnen des Gehäuses erfolgen. Der Sensor wie auch der Energiespeicher besitzen als Einzelkomponenten wie auch in der Kombination, das heißt im angedockten Zustand die gleiche Schutzart oder ähnlich hohe Schutzart. Der Tausch des Energiespeichers kann selbst unter widrigsten Umweltbedingungen erfolgen, wie z.B. unter Starkregen. Der Tausch des Energiespeichers kann ohne Werkzeug erfolgen. Ferner ist von außen ersichtlich, ob sich am Sensor/Gerät ein Energiespeicher befindet.
