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Technisches
Gebiet
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Die
Erfindung betrifft eine Temperatursensor-Vorrichtung zur Messung
und Übermittlung
eines Raumlufttemperaturwertes an eine Regelschaltung zur Regelung
der Raumlufttemperatur auf einen Sollwert, enthaltend
- (a) einen Temperatursensor zur Messung der Raumlufttemperatur,
- (b) eine Sendeeinrichtung zur Übertragung eines den gemessenen
Temperaturwert repräsentierenden
Funksignals an eine Empfangseinrichtung der Regelschaltung,
- (c) Steuermittel zur Steuerung des Temperatursensors und der
Sendeeinrichtung, und
- (d) Solarzellen zur Energieversorgung der Sendeeinrichtung und
der Steuermittel mit elektrischer Energie.
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Raumlufttemperaturwerte
werden mittels eines Temperatursensors aufgenommen. Sie werden an
eine Regelschaltung übertragen,
welche zum Beispiel Ventile von Heizkörpern beeinflusst. Üblicherweise
wird das Temperatursignal über
eine fest verlegte Leitung an die Regelschaltung übertragen.
Die Regelschaltung kann dabei über
ein BUS-System mit weiteren
Regelschaltungen und einer zentralen Steuerzentrale für das abgehängten Decke
oder dergleichen versteckt. Der Temperatursensor ist an einer Wand
oder einer anderen geeigneten Stelle innerhalb des Raumes montiert.
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Der
Temperatursensor überträgt das Temperatursignal
in regelmäßigen Abständen an
die Regelschaltung. Ändert
sich die Raumlufttemperatur, so wird ein entsprechendes Signal an
ein zugehöriges Heizungsventil
gesendet. Bei sinkender Raumlufttemperatur öffnet das Heizungsventil und
die Raumlufttemperatur sinkt ab. Bei steigender Raumlufttemperatur
wird das Heizungsventil geschlossen.
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Die
Regelschaltung regelt dabei die Raumlufttemperatur auf einen eingestellten
Temperatur-Sollwert. Der Sollwert kann durch die zentrale Steueranlage
vorgegeben werden. Häufig
wird der Sollwert am Wochenende aus Energiespargründen niedriger
eingestellt, als zum Beispiel an Werktagen innerhalb der Woche.
Der Sollwert kann zusätzlich manuell
an einem Einstellmittel an dem Temperatursensor verstellt werden.
Das zugehörige
Signal wird dann zusammen mit dem Temperaturwert an die Regelschaltung übermittelt.
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Normalerweise
wird ein Temperatursensor fest mit der Regelschaltung verdrahtet. Über die
Verbindungsleitung erfolgt die Energieversorgung und der Informationsfluß. Solche
fest verlegten Verbindungsleitungen sind in einigen Fällen unvorteilhaft. So
ist es aufwendig, Gebäude
mit Temperatursensoren nachzurüsten,
weil dann unter Umständen
die Wände
geöffnet
werden müssen,
um die Leitungen unter Putz zu legen. Ein einmal installierter Temperatursensor
kann nicht mehr ohne weiteres versetzt werden. Insbesondere bei
wandelbaren Gebäuden, bei
denen die Aufteilung und die Funktion der Räumlichkeiten während der
Bauphase noch nicht feststeht oder sich während der Nutzungsphase ändert, ist
dies nachteilig.
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Aus
der Veröffentlichung „Funken
ohne Batterie" von
Peter Pernsteiner in Elektronik 6 (2003) S.38-42 ist ein Temperatursensor
bekannt, bei welchem das Temperatursignal über Funk an die Regelschaltung übertragen
wird. Der Temperatursensor ist weiterhin mit einer Solarzelle versehen,
welche das Bauteil mit Energie versorgt. Dadurch kann der Temperatursensor
kabellos verlegt werden. Nachteilig bei dieser Anordnung ist es,
daß die
Funktionsfähigkeit nur
dann gewährleistet
ist, wenn Licht auf die Solarzelle fällt. Wird der Raum abgedunkelt
oder in der Nacht kann eine solche Anordnung keine Temperaturwerte
an die Regelschaltung senden.
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Offenbarung
der Erfindung
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Es
ist Aufgabe der Erfindung, eine kabellose Temperatursensor-Vorrichtung
der eingangs genannten Art zu schaffen, die dauerhaft einen kontinuierlichen
Einsatz erlaubt. Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe dadurch gelöst,
daß zusätzlich zu
der Solarzelle ein Energiespeicher vorgesehen ist, welcher über die Solarzelle
auffüllbar
ist und gemessene Temperaturwerte in Intervallen variabler Dauer
an die Empfangseinrichtung der Regelschaltung gesendet werden. Dadurch
wird erreicht, daß der
Temperatursensor auch dann arbeitsfähig bleibt, wenn kein Licht
auf die Solarzelle fällt.
Die Vorrichtung ist vollständig
autonom. Der Speicher wird von der Solarzelle aufgefüllt und
braucht daher, im Gegensatz zum Beispiel zu einer Batterie, nicht
erneuert oder ausgetauscht zu werden. Die Möglichkeit, die Sendeintervalle
variabel zu gestalten, ermöglicht
auch das Überbrücken langer
Dunkelphasen.
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Vorzugsweise
ist der Energiespeicher ein Kondensator hoher Kapazität, insbesondere
ein Gold-Cap-Speicher. Ein solcher Speicher ist klein, leistungsfähig und
daher besonders gut geeignet für einen
Temperatursensor.
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Die
Intervalldauer für
das Senden eines Temperaturwertes an die Regelschaltung kann über einen
Algorithmus geregelt sein. Das bedeutet, daß der Temperaturwert häufiger oder
weniger häufig
gesendet wird, je nachdem, welche Umgebungsbedingungen vorliegen.
Da der Sendevorgang mit hohem Energieverbrauch verbunden ist, regelt
der Algorithmus die Intervalldauer so, daß Temperaturwerte nur so häufig gesendet
werden, wie dies erforderlich ist.
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Eine
der Größen zur
Regelung der Intervalldauer kann die von der Solarzelle übertragene
Energie sein. Wenn zum Beispiel nachts keine Energie von der Solarzelle
geliefert wird, muß die
Energie dem Energiespeicher entnommen werden. Dann wird die Intervalldauer größer. Das
schont den Energievorrat. Wenn dagegen viel Licht vorhanden ist, kann
der Speicher geladen und der Temperaturwert häufiger gesendet werden, da
jederzeit Energie vorhanden ist.
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Eine
weitere der Regelgrößen zur
Regelung der Intervalldauer kann die Energiemenge des Energiespeichers,
also der Ladezustand des Kondensators sein. Je mehr die Energiemenge
absinkt, um so mehr muß Energie „gespart" werden, um die Funktionsfähigkeit
der Vorrichtung zu gewährleisten.
Entsprechend werden die Intervalle länger, je weniger Energie im
Energiespeicher vorhanden ist.
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Eine
der Regelgrößen zur
Regelung der Intervalldauer kann auch die gemessene Temperatur sein.
Wenn sich die Temperatur nicht oder nur wenig ändert, ist eine Übertragung
des Temperaturwertes an die Regelschaltung nicht erforderlich. Entsprechend
können
dann die Intervalle lang sein. Eine Übertragung erfolgt bei gleichbleibender
Temperatur nur, um das Bestehen des Kommunikationsweges zu bestätigen. Statt
einer Verlängerung
des Sendeintervalls kann die Übertragung
des Temperaturwertes auch unterdrückt werden, wenn der aktuelle,
gemessene Temperaturwert innerhalb eines Temperaturintervalls um
einen letzten Wert liegt. Dann wird die Temperatur zwar gemessen,
aber nicht gesendet.
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Vorzugsweise
sind Mittel zur eindeutigen Identifizierung des Funksignals mit
der Temperatursensor-Vorrichtung vorgesehen. Dann können mehrere
Temperatursensor-Vorrichtungen
gleichzeitig verwendet werden. Die Identifizierungsmittel ermöglichen
die eindeutige Zuordnung eines Signals zu einem bestimmten Sensor.
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Vorzugsweise
ist ein Stellmittel zur Änderung des
Temperatursollwertes vorgesehen, der zusammen mit dem gemessenen
Temperaturwert an die Empfangseinrichtung der Regelschaltung übertragbar
ist. Für
die Übertragung
des Temperatursollwerts können
dann die gleichen Übertragungsintervalle
angewendet werden, wie für
die Übertragung
des aktuell gemessenen Temperaturwertes. Es kann der Übertragung
des Temperatursollwertes aber auch eine höhere Priorität eingeräumt werden.
Dann wird die Übertragung
des Temperaturwertes zusammen mit dem Sollwert erzwungen.
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Das
Gerät kann
auch als Tischgerät
ausgeführt
sein.
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Die
Anordnung ist nicht nur für
einen Sensor geeignet, welcher Signale an eine Regelschaltung sendet.
Die Anordnung kann auch für
einen Aktuator verwendet werden, der Signale empfängt. Ein
solcher Aktuator kann ein Heizungsventil sein. Auch ein solcher
Aktuator kann kabellos mit einer Solarzelle betrieben werden. Die
Vorrichtung zum ferngesteuerten Betätigen eines Aktuators, insbesondere
eines Heizungsventils mittels einer Regelschaltung zur Regelung
der Raumlufttemperatur auf einen Sollwert, enthält dann
- (a)
einen Aktuator,
- (b) eine Empfangseinrichtung zum Empfangen eines die Betätigung auslösenden Funksignals
von einer Sendeeinrichtung der Regelschaltung,
- (c) Steuermittel zur Steuerung des Aktuators und der Empfangseinrichtung,
und
- (d) Solarzellen zur Energieversorgung der Empfangseinrichtung
und der Steuermittel mit elektrischer Energie, wobei
- (e) zusätzlich
zu der Solarzelle ein Energiespeicher vorgesehen ist, welcher über die
Solarzelle auffüllbar
ist und
- (f) die Empfangseinrichtung in Intervallen variabler Dauer zum
Empfangen von Funksignalen bereit ist.
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Das
Energiemanagement ist bei einer solchen Aktuatorschaltung das gleiche,
wie die bei einer Sensorschaltung.
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Ausgestaltungen
der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Ein Ausführungsbeispiel ist
nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 ist eine schematische
Darstellung einer Raumlufttemperatur-Regelung.
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2 zeigt schematisch den
zeitlichen Verlauf der Temperatur und der Übertragungszeitpunkte bei im
wesentlichen konstanter Temperatur
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3 zeigt schematisch den
zeitlichen Verlauf der Temperatur und der Übertragungszeitpunkte bei veränderlicher
Temperatur
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4 zeigt schematisch den
zeitlichen Verlauf der Temperatur und der Übertragungszeitpunkte bei einer Änderung
des Temperatur-Sollwerts
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Beschreibung des Ausführungsbeispiels
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In 1 ist eine allgemein mit 10 bezeichnete
Temperatursensor-Vorrichtung dargestellt. Die Temperatursensor-Vorrichtung 10 umfasst
ein Gehäuse 12.
Das Gehäuse
ist kabellos an einer Wand in einem Raum befestigt. Außerhalb
des Gehäuses 12 ist
eine Solarzelle 14 an dem Gehäuse angeordnet. Bei der Solarzelle 14 handelt
es sich um eine sogenannte Indoor-Solarzelle, deren spektrale Empfindlichkeit
an das Emissionsspektrum von Kunstlicht angepasst ist. Die Vorrichtung 10 umfasst
weiterhin einen Temperaturfühler 16,
einen Energiespeicher 18, einen Prozessor 20 und
eine Sendeeinheit 22. Die Solarzelle 14 versorgt
die Sendeeinheit 22, den Prozessor 20 und den
Energiespeicher 18 mit Strom. Dies ist durch Pfeile 24, 26 und 28 dargestellt.
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Wenn
die Helligkeit in dem Raum zu gering ist, werden die Sendeeinheit 22 und
der Prozessor 20 mit Energie aus dem Energiespeicher 18 versorgt. Dies
ist durch Pfeile 30 und 32 dargestellt. Der Prozessor 20 steuert
die innerhalb der Vorrichtung 10 ablaufenden Vorgänge. Der
Temperaturfühler 16 misst
die Raumlufttemperatur T. Der Wert der Raumlufttemperatur wird mittels
des Prozessors 20 an die Sendeeinheit 22 übertragen.
Dies ist durch Pfeil 38 und 40 dargestellt. Die
Sendeeinheit 22 sendet den Wert der Raumlufttemperatur
an einen Empfänger 34.
Dies ist durch einen Pfeil 36 dargestellt. Die Funkverbindung
erfolgt in einem Frequenzband um 868 MHz. Für die Zuordnung des Funksignals
ist jedes Signal mit einer Sensor-spezifischen Codierung versehen.
Aufgrund der Codierung kann zwischen den Signalen unterschiedlicher
Sensor-Vorrichtungen 10 unterschieden werden. Der Empfänger 34 ist
Teil einer Regelschaltung 44, die als solche bekannt ist
und daher nicht näher
beschrieben werden braucht.
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Die
Regelschaltung 44 (Raumregler) verwendet den Temperaturwert
zur Regelung eines Heizungsventils 46 einer Heizung 50.
Das ist durch einen Pfeil 48 dargestellt. Über ein
BUS-System 52 ist die Regelschaltung 44 mit einer
zentralen Steuereinheit und weiteren Regelschaltungen verbunden.
Statt einer festen Leitung kann auch die Übermittlung der Daten an das
Heizungsventil 46 mittels einer Funkverbindung erfolgen.
Dann muß in
der Regelschaltung 44 ein Sender vorgesehen sein. Von der
zentralen Steuereinheit werden die allgemeinen Regelungsdaten für die Regelung
der Heizung eingestellt. Die für
alle angeschlossenen Regelschaltungen 44 geltenden Regelungsdaten
werden von der zentralen Steuereinheit übertragen. Weiterhin ist an
der Temperatursensor-Vorrichtung 10 ein Einstell-Drehknopf 54 vorgesehen.
Mit dem Einstellknopf 54 kann der Temperatursollwert (absolut)
oder eine Differenz zu dem Temperatursollwert verändert werden.
Der Einstellwert des Knopfes 54 wird über den Prozessor 20 verarbeitet
und zusammen mit dem Temperaturwert an die Regelschaltung gesendet.
Damit kann eine individuelle Einstellung für einen Raum, die von den allgemeinen
Regelungsdaten abweicht, vorgenommen werden.
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Die Übertragung
der Temperaturwerte, der Codierung und ggf. des Temperatursollwerts
erfolgt nach folgendem Schema, welches graphisch in 2 bis 4 dargestellt
ist. Dabei ist zu berücksichtigen,
daß die
hier dargestellten zeitlichen Temperaturverläufe lediglich der Veranschaulichung
des Algorithmus dienen und zumindest teilweise stark von den tatsächlichen
Verhältnissen
abweichen.
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Wenn
tagsüber
ausreichend Licht auf die Solarzelle fällt, wird in regelmäßigen Zeitintervallen
von wenigen Minuten ein Temperaturwert gesendet. Die Übertragung
per Funk erfordert dabei einen Strom in der Größenordnung von einigen 10 mA,
während
der Prozessor lediglich wenige Mikroampere benötigt. Die Übertragung von Daten braucht
also um mehrere Größenordnungen
mehr Energie als der Prozessor zur Steuerung der internen Abläufe innerhalb
der Sensor-Vorrichtung.
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Um
die erforderliche Energiemenge insgesamt und damit die Solarzelle
klein zu halten, erfolgt eine Funk-Übertragung nur, wenn dies erforderlich ist.
Auch der Prozessor 20 arbeitet nur, wenn dies erforderlich
ist. Während
der übrigen
Zeit befindet sich der Prozessor in einem sogenannten Schlafmodus. In
diesem Modus ist er nahezu inaktiv und braucht besonders wenig Energie.
Nach einem Sendevorgang (Zeitpunkt 0 in 2) befindet sich der Prozessor im Schlafmodus.
Dieser wird alle 4 Sekunden unterbrochen und es wird überprüft, ob das
Zeitintervall von 180 Sekunden bereits verstrichen ist. Nach 180 Sekunden
wird der mit 60 bezeichnete Temperaturwert T des Temperaturfühlers 16 ausgelesen.
Der Prozessor überprüft nun,
ob dieser aktuelle Temperaturwert T innerhalb eines vorgegebenen
Temperaturintervals Talt±ΔT um den Temperaturwert Talt vor 180 Sekunden liegt. Wenn dies der
Fall ist, ist eine Übertragung
des Temperaturwertes nicht erforderlich und der Prozessor kann für weitere
180 Sekunden inaktiv bleiben. Nach weiteren 180 Sekunden wird dieser Vorgang
wiederholt. Auch hier liegt der mit 62 bezeichnete Temperaturwert
innerhalb des Temperaturintervalls Talt±ΔT. Es erfolgt
keine Übertragung
des Temperaturwertes. Die Sendung unterbleibt.
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Nach
weiteren 180 Sekunden liegt der Temperaturwert ebenfalls innerhalb
des Temperaturintervalls Talt±ΔT. Da jedoch
bereits zwei Sendungen unterdrückt
wurden, wird dieser mit 64 bezeichnete Temperaturwert in
jedem Fall übertragen,
unabhängig
davon, ob er innerhalb des Intervalls liegt oder nicht. Dies ist
durch einen Pfeil 66 angedeutet. Danach können wieder
zwei Sendungen unterdrückt werden,
wenn die Temperatur innerhalb der Grenzen konstant bleibt.
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In 3 ist der Fall dargestellt,
bei dem die Temperatur sich ändert.
Zunächst
steigt die mit 68 bezeichnete Temperatur an, bleibt aber
nach 180 Sekunden noch innerhalb des Temperaturintervalls Talt±ΔT. Entsprechend
wird die Sendung unterdrückt. Nach
weiteren 180 Sekunden liegt die Temperatur oberhalb der Grenztemperatur
Talt±ΔT. Der Temperaturwert 70 wird
zusammen mit der Codierung an den Empfänger 34 der Regelschaltung 44 übertragen (1). Dies ist durch einen
Pfeil 72 angedeutet. Die Regelschaltung 44 überträgt ein Signal
an das Heizungsventil 46. Danach besteht wieder die Möglichkeit,
die Sendung zu unterdrücken,
wenn die Temperatur konstant bleibt. Der zuletzt gesendete Wert
wird als Talt gespeichert.
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Die
Zeit zwischen den erfolgten Übertragungen
ist also nicht konstant, sondern richtet sich nach der Raumlufttemperatur,
bzw. ihrer Änderung.
Bei geringen Temperaturänderungen
kann so der Energieverbrauch der Temperatursensor-Vorrichtung wesentlich
gesenkt werden.
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In 4 ist der Fall dargestellt,
bei dem die Soll-Temperatur TS mittels des
Einstellknopfes 54 auf einen neuen Temperaturwert TSn eingestellt wurde. Der erste Temperaturwert
nach 180 Sekunden darf unterdrückt
werden, da er innerhalb des vorgegebenen Intervalls liegt (s.oben).
Zum Zeitpunkt tn wurde der Sollwert verstellt.
Dieser Zeitpunkt liegt zwischen zwei Übertragungszeitpunkten, nämlich bei
180 und 360 Sekunden. Der Sollwert wird nicht unmittelbar an die
Regelschaltung 44 übertragen,
sondern erst mit Ablauf des nächsten
Intervalls, hier bei 360 Sekunden. Obwohl der Temperaturwert 76 innerhalb
des alten Temperaturintervalls liegt, erfolgt nun eine Übertragung
des Temperaturwertes zusammen mit dem neuen Sollwert. Dies ist durch
einen Pfeil 78 angedeutet. Dann werden wieder zwei von
drei Übertragungen
unterdrückt,
wie dies bereits anhand von 2 erläutert wurde.
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Wenn
die Energieversorgung der Vorrichtung nicht durch die Solarzelle,
sondern durch den Energiespeicher erfolgt, weil die Solarzelle nicht mehr
ausreichender Helligkeit ausgesetzt ist, werden die Intervalldauern
wie folgt geregelt:
Der Prozessor 20 überprüft zunächst, ob
die Solarzelle Energie liefert. Danach überprüft der Prozessor den Energieinhalt
des Energiespeichers 18. Ist ausreichend Energie vorhanden,
wird geprüft,
ob eine Übertragung
erforderlich ist. Dabei wird jedoch das Basisintervall von 180 Sekunden
erhöht
und/oder es besteht die Möglichkeit
mehr als zwei Übertragungen zu
unterdrücken.
Wie sehr das Basisintervall verlängert
wird, und wieviele Übertragungen
unterdrückbar sind,
kann festgelegt sein oder in Abhängigkeit
vom Energieinhalt des Energiespeichers veränderlich. Die Verlängerung
des Basisintervalls vermeidet das mit Energieverbrauch verbundene
Auslesen der Temperatur und die Rechnerleistung bei dem Vergleich
mit den Toleranzzonen.
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Je
nach Anforderungen an die Qualität
der Temperaturregelung können
hier entsprechend die Rahmenbedingungen für die Regelung der Dauer des Übertragungsintervalls
festgelegt werden.
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Der
Energiespeicher 18 setzt sich aus mindestens zwei Goldcap-Speichern
zusammen. Bei diesen Speichern handelt es sich um hochkapazitive Kondensatoren.
Zwei Speicher mit großem
Speicherinhalt sind für
die Versorgung des Senders 22 vorgesehen. Ein dritter Speicher
dient der Versorgung des Prozessors 20. Er ist nicht mit
dem Sender 22 verbunden. Dadurch ist gewährleistet,
daß der
Prozessor zur Steuerung der internen Vorgänge auch dann noch arbeitsfähig ist,
wenn die Energie nicht mehr zum Senden von Daten ausreicht. Eine
Reservevorhaltung ist dabei berücksichtigt.
Da der Prozessor sehr viel weniger Energie verbraucht, kann es entsprechend
im schlimmsten Fall dazu kommen, daß keine Temperaturwerte mehr
gesendet werden. Trotzdem bleibt die Arbeitsfähigkeit auch über lange Zeiträume erhalten.
Sobald wieder Licht auf die Solarzelle fällt, kann die Vorrichtung wie
gewohnt arbeiten, auch wenn zwischendurch zu wenig Energie für eine Übertragung
vorhanden war. Insbesondere nachts und am Wochenende können auf
diese Weise längere
lichtarme Zeiträume überbrückt werden.
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Es
besteht weiterhin die Möglichkeit,
den Prozessor in einen noch tieferen low-power-Mode zu versetzen, bei dem der Energieverbrauch
gegenüber dem
Schlafmodus weiter gesenkt wird. Dieser Modus ist besonders geeignet
für den
Zeitraum zwischen der Herstellung und der Inbetriebnahme der Temperatursensor-Vorrichtung,
damit sofort eine Arbeitsbereitschaft hergestellt werden kann.
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Wenn
absehbar ist, daß die
Energie des Energiespeichers auch nicht mehr zur Versorgung des Prozessors
ausreicht, so kann ein „Notsignal" gesendet werden.
Mit diesem Notsignal wird eine Lichtquelle aktiviert, die die Solarzelle
beleuchtet.
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Die
gesamte Anordnung ist kabellos ausgestaltet und kann daher an jeder
geeigneten Stelle an der Wand oder an der Decke befestigt werden.