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Vorrichtung zur Erfassung und Bewertung der
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Abgase von abgas-emittierenden Anordnungen Die Erfindung betrifft
eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Eine derartige Vorrichtung ist in Gestalt einer Abgas-Meßvorrichtung
bekannt geworden, deren Meßsonde beispielsweise in das Auspuffrohr eines Kraftfahrzeuges
eingeführt wird, um dort die emittierten Schadgase zu messen. In einer bekannten
Ausführung wird lediglich der CO-Gehalt der Auspuffgase festgestellt.
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Eine derartige Vorrichtung hat den Nachteil, daß nur momentan die
Abgaswerte der abgas-emittierenden Anordnung erfasst werden können. Zweck der vorliegenden
Erfindung ist es jedoch, die Abgase von abgas-emittierenden Maschinen über einen
längeren Zeitraum der Gestalt zu erfassen, daß eine Langzeitaufzeichnung gewährleistet
ist, die es gestattet, der abgas-emittierenden Maschine einen bestimmten abgas-relevanten
Wert zuzuordnen.
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Sinn dieser Maßnahme ist, die Besitzer derartiger abgasemittierender
Maschinen derart zu erziehen, daß ein Betrieb in Betriebsbereichen, in welchen hohe
Schadgaswerte emittiert werden, möglichst vermieden wird Man kann davon ausgehen,
daß jede Energie-Verbrennungsanlage innerhalb einer bestimmten Bandbreite (z.B.
bestimmte Drehzahl eines Automotors) einen optimalen Wirkungsgrad in Bezug auf Energieausnutzung
und Abgasausstoß hat.
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Erzieht man nun den Energie-Anwender dazu, möglichst nahe am optimalen
Wirkungsgrad seiner Anlage die Energie zu nutzen, wird automatisch weniger Schadstoff
produziert.
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Derjenige Benutzer, der also z.B. sein Auto mit geringem Sprit-Verbrauch
gleichzeitig abgas-ökonomisch fährt, zahlt am wenigsten Steuer pro gefahrenem Kilometer.
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Fahrzeuge mit erhöhtem Abgas-Ausstoß und/oder unökonomischer Fahrweise
werden progressiv gesteuert.
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Damit sind gleichzeitig alle negativen Punkte einer bloßen oder alleinigen
Energie-Preiserhöhung eliminiert.
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Die Einführung einer Abgas-Steuer setzt jedoch die mengenmäßige Erfassung
der produzierten Schadstoffe direkt beim Verursacher voraus. Ist dies wirtschaftlich
und technisch realisierbar, so stellt diese Steuer einen sehr effizienten und demokratischen
Weg zur sofortigen Verminderung der Umweltbelastung dar.
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Die vorliegende Erfindung hat sich daher die Aufgabe gestellt, eine
Vorrichtung zur Erfassung und Bewertung der Abgase von abgas-emittierenden Maschinen
derart weiterzubilden, daß eine Langzeitaufzeichnung der Abgase über sämtliche Betriebszustände
der Maschine hinweg möglich ist und daß die Abgase derart bewertet werden, daß einem
erhöhten Abgaswert eine Straf-Steuer zugeordnet wird.
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Zur Lösung der gestellten Aufgabe ist die Erfindung dadurch gekennzeichnet,
daß die Meßvorrichtung mit Sonde einem Datenadapter zugeordnet ist, welcher die
über einen längeren Zeitraum erfaßten Daten der typischen Emissionswerte in digitaler
Form einem transportablen und aus dem Datenadapter entfernbaren Datenträger einspeichert,
dessen Daten über einen entfernt angeordneten Datenkoppler auslesbar und verarbeitbar
sind.
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Ein wesentliches Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung bezieht
sich darauf, daß zur Erfassung der Abgase von Verbrennungsmotoren in Kraftfahrzeugen
der Datenadapter über ein Sonderkabel mit einer die Drehzahl des Verbrennungsmotors
erfassenden Sonde verbunden ist, und
daß die der Drehzahl zuzuordnenden
Abgase auf einem Display am Armaturenbrett anzeigbar sind.
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Wie man heute bereits Verbrauchs-Durchschnittswerte bei allen Autos
in verschiedenen Geschwindigkeits-Bereichen ermitteln kann, so kann man auch den
Schadstoff-Ausstoß in verschiedenen Geschwindigkeits- bzw.
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Drehzahlbereichen ermitteln. Jeder Wert ist dabei typisch für ein
bestimmtes Auto.
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Teilt man den gesamten Fahrbereich eines bestimmten Autos in z.B.
10 Bereiche, so erhält man ein aussagefähiges Bild über den typischen Schadstoff-Ausstoß
dieses Autos in diesen 10 Fahrbereichen.
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Ein elektronischer "Bereichs-Zähler" hält fest, wie lange das Fahrzeug
sich in einem bestimmten Bereich befunden hat. Das Meß-Ergebnis wird dabei dem Fahrer
über ein Display fortlaufend mitgeteilt.
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Multipliziert man nun den jeweiligen Zählerstand mit dem dazugehörenden
fahrzeug-typischen Abgas-Wert, erhält man eine technisch einwandfreie Steuer-Bemessungsgrundlage.
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Die Steuerabrechnung kann dabei vollelektronisch erfolgen, da die
Daten aus dem Fahrzeug EDV-gerecht übernommen werden können. Sofern alle Tankstellen
über eine entsprechende Einrichtung (Off-Line) verfügen, kann die Abgas-Steuer-Verrechnung
direkt über den Benzinpreis erfolgen.
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Beispiel: Der Benzinpreis wird für alle Autos auf z.B. DM 2,-- festgesetzt.
Autos mit geringem Schadstoff-Ausstoß zahlen entsprechend weniger. Autos mit großem
Schadstoff-Ausstoß zahlen entsprechend mehr. Der jeweilige Preis- Auf- oder -Abschlag
resultiert aus der relativen Schadstoff-Produktion seit dem letzten Tanken. Autos,
welches über kein Schad-
stoff-Meßgerät verfügen (z.B. Ausländer)
, zahlen grundsätzlich einen höheren Preis.
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Voraussetzung ist allerdings, daß eine "manipulationsimmun Technologie
für die Datenerfassung, für den Daten-Transport und für die Daten-Verarbeitung zur
Verfügung steht.
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Hierzu ist es nach dem Gegenstand des Anspruches 7 vorgesehen, daß
der elektronische Teil (RAM, ROM, CPU) des Datenträgers gegen elektrische Manipulation
und mechanische Beschädigung dadurch geschützt ist, daß er von einer Dehnungsmeßstreifen-Folie
umgeben ist, welche über einen Detektor mechanische Beschädigungen erfaßt und die
interne Stromversorgung des elektronischen Teils (RAM,ROM, CPU) unterbricht.
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An nachfolgendem Ausführungsbeispiel soll der praktische Fahrbetrieb
mit Abgas-Messung erläutert werden: In das Auto des betreffenden Anwenders wird
ein Abgas-Meßgerät installiert. Am Armaturenbrett befindet sich ein Display, welches
die jeweils produzierte Schadstoff-Menge in den Werten 0 - 9 anzeigt. Ab dem Wert
6 ertönt nach 10 Sekunden (Beginn der Speicherung) ein dezenter Summton.
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Pro Meßbereich und Stunde bezahlt der Benutzer an den Umweltschutz
(z.B.) folgende Beträge: Messbereich: Kosten pro Stunde: 1 1,50 DM 2 2,-- DM 3 3,--
DM 4 3,50 DM 5 4,-- DM 6 14,-- DM 7 28,--#DM R GR --
Die Verrechnung
des Umweltschutz-Beitrages erfolgt direkt beim nächsten Tanken durch automatische
Benzinpreis-Korrektur.
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Man wird also bedacht sein, in den Bereichen 1 bis 5 zu fahren - dies
ist der normale Fahrbetrieb. Standgas und Fahren mit hohen Drehzahlen oder Geschwindigkeiten
wird in den Bereichen 6 bis 9 registriert. Eine Ausnahme sind lediglich Autos mit
Katalysator, welches praktisch immer im Bereich 1 bis 5, bei allen Betriebsarten,
liegen.
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beim nächsten Tank-Stop bezahlt man entweder den er -höhten Standard-Preis
(incl. Umweltschutz-Beitrag), oder man bezahlt einen nach unten oder nach oben korrigierten
Preis pro Liter. Die Preisberechnung erfolgt dabei automatisch, falls man den Datenträger
aus dem Auto mitnimmt und dem Kassierer gibt.
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Eine ~Nicht-Abgabe" des Datenträgers ist nicht sinnvoll, da man dann
stets den erhöhten Standard-Preis zahlen müsste.
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Ergebnis der oben beschriebenen Maßnahmen ist also, daß man stets
versucht, in den ~abgas-armen" Bereichen zu fahren.
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Man wird ferner ein Kraftfahrzeug verwenden, welches nicht oder vorwiegend
nicht in die Meßbereiche 6 - 9 fällt.
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Man wird demzufolge weniger Sprit verbrauchen und damit umweltfreundlicher
fahren.
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Das vorbeschriebene Abgas- bzw. Steuer-Ermittlungsverfahren kann auch
bei jedem Diesel-Fahrzeug und bei allen anderen ~Abgas-Verursachern" angewendet
werden. Dies betrifft im besonderen alle umweltbelastenden Heizsysteme und die abgasproduzierende
Industrie.
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Der Erfindungsgegenstand der vorliegenden Erfindung ergibt sich nicht
nur aus dem Gegenstand der einzelnen Patentansprüche , sondern auch aus der Kombination
der einzelnen Patentansprüche untereinander.
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Alle in den Unterlagen offenbarten Angaben und Merkmale, insbesondere
die in den Zeichnungen dargestellte räumliche Ausbildung werden als erfindungswesentliche
beansprucht, soweit sie einzeln oder in Kombination gegenüber dem Stand der Technik
neu sind.
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Im folgenden wird die Erfindung anhand von mehreren Ausführungswege
darstellenden Zeichnungen näher erläutert.
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Hierbei gehen aus den Zeichnungen und ihrer Beschreibung weitere erfindungswesentliche
Merkmale und Vorteile der Erfindung hervor.
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Es zeigen: Figur 1: schematisiert gezeichneter Datenfluß vom Abgasproduzenten
zur Verrechnungsstelle, Figur 2: schematisiert gezeichnete indirekte Abgaserfassung
an einem Verbrennungsmotor, Figur 3: Bewertungs-Diagramm bei der Abgasbewertung
nach Figur 2, Figur 4: schematisiert gezeichnete Abgas-Erfassung bei einer Feuerungsanlage
Figur 5: schematisiert gezeichneter Abgas-Adapter mit zugehörendem Datenträger,
Figur 6a: schematisiert gezeichneter Schnitt durch einen manipulationssicheren Datenträger
nach Fig. 5,
Figu 6b: Draufsicht auf den Datenträger nach Figur
6a, Figur 6c: Querschnitt durch den Datenträger nach Figur 6b, Figur 7a: Blockschaltbild
der Elemente des Datenträgers nach Figur 6 in räumlicher Anordnung, Figur 7: Blockschaltbild
der Elemente des Datenträgers in elektrischer Zuordnung.
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Im Blockschaltbild nach Figur 1 ist schematisiert die Zuordnung eines
Datenadapters 1 zu einer Meßvorrichtung mit Sonde 2 gezeigt. Die Meßvorrichtung
mit Sonde 2 erfasst die abgas-relevanten Werte und führt sie dem Datenadapter 1
zu, der diese Werte digitalisiert und in einem in eine Aufnahme 4 eingeführten Datenträger
3 einspeichert. Der Datenträger 3 ist hierbei in Pfeilrichtung 5 in die Aufnahme
4 eingeschoben. Die Schnittstelle zwischen dem Datenadapter 1 und dem Datenträger
3 ist hierbei bevorzugt induktiv, und damit ist gewährleistet,daß der Datenträger
3 vollständig gekapselt sein kann und über keine störanfälligen, nach außen führenden,Kontakte
verfügt.
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Die von der Meßvorrichtung gemäss Sonde 2 erfassten und auf dem Datenträger
3 gespeicherten Daten werden über einen längeren Zeitraum eingespeichert. Nach einer
bestimmten Zeit, z.B. nach Tagen oder Wochen, wird der Datenträger 3 aus dem Datenadapter
1 herausgenommen und in Pfeilrichtung 6 in eine Aufnahme 11 eines Datenkopplers
7 eingeführt. Mit Hilfe dieses Datenkopplers 7 werden die auf dem Datenträger 3
in digitaler Form gespeicherten Daten ausgelesen und über die Leitung 9 einem Terminal
8 zugeführt. Mit Hilfe des Terminals erfolgt die Zuordnung bestimmter Steuerklassen
zu den abgasrelevanten Werten. Eine weitere Erläuterung hierzu erfolgt
in
Verbindung mit der noch später zu beschreibenden Figur 3.
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Wesentlich bei dem Ausführungsbeispiel nach Figur 1 ist, daß der Datenadapter
1 und die Meßvorrichtung mit Sonde 2 am Ort des Abgas-Produzenten angeordnet ist,
während der Datenkoppler 7 mit dem Terminal 8 am Ort der Verrechnungsstelle angeordnet
ist.
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Die Datenübertragung zwischen den beiden Stellen 1,7 erfolgt über
den intelligenten manipulations-immunen Datenträger 3.
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In Verbindung mit Figur 2 wird ein vom Ausführungsbeispiel der Figur
1 abgeleitetes Ausführungsbeispiel näher beschrieben.
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Das Ausführungsbeispiel beschreibt die Erfassung abgasrelevanter Daten
in einem Kraftfahrzeug, welches mit einem Verbrennungsmotor ausgerüstet ist.
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Der Einfachheit halber erfolgt die Erfassung abgastypischer Werte
über die Erfassung der Drehzahl, weil bekannt ist, daß der Abgas-Ausstoß etwa proportional
zur Drehzahl des Kraftfahrzeuges ist.
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Die Erfassung der Drehzahl als abgas-relevanter Wert ist zwar nicht
so genau, wie die Erfassung einzelner, spezieller Abgaswerte, wie z.B. NOX, CO oder
HC; dafür ist jedoch die Erfassung der Drehzahl eine besonders einfache und kostengünstige
Maßnahme, die gewährleistet, daß eine solche in Kraftfahrzeug eingebaute Vorrichtung
eine vielfache Verbreitung erfahren kann.
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Der in Figur 2 schematisiert dargestellte Datenadapter 1 kann beispielsweise
am oder im Armaturenbrett eingebaut sein, wobei im Armaturenbrett das Display 12
sichtbar ist.
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In einer anderen Ausführungsform ist es selbstverständlich möglich,
das Display 12 am Armaturenbrett anzuordnen, während der Datenadapter 10 entfernt
davon angeordnet ist.
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In der Aufnahme 4 des Datenadapters 10 ist wiederum ein Datenträger
3 eingeschoben, der die vom Datenadapter 10 erfassten und digitalisierten Daten
in digitaler Form über längere Zeit hinweg einspeichert.
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Über ein Sondenkabel 13 ist der Datenadapter 10 mit einer Sonde 14
verbunden, welche in ansich bekannter Weise das Zündkabel 15 umgreift und die vom
Zündverteiler 18 erzeugten und zur Zündkerze 16 geleiteten Zündimpulse über das
Sondenkabel 13 dem Datenadapter 10 zuführt, so daß die Drehzahl des Verbrennungsmotors
erfasst werden kann.
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Die Sonde 14 ist mit einer Blombe 17 versehen, um einer Manipulation
vorzubeugen.
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Die dem Datenträger 3 eingespeicherten, digitalen Daten können etwa
in Form eines Histogramms gemäss Figur 3 dargestellt werden. Auf der Abzisse ist
die Drehzahl dargestellt, während auf der Ordinate in positiver Richtung die Betriebsstunden
und in negativer Richtung ein Wert für die typischen Emissionen aufgezeichnet wird.
Es ergibt sich damit eine Blockdarstellung in Form unterschiedlicher Blöcke 19,25.
Man erkennt, daß der Verbrennungsmotor sich im größten Teil seiner Betriebsstunden
(Blöcke 19a, 19b) in Bereichen aufgehalten hat, wo die Emissionen relativ gering
sind (Blöcke 25a, 25b).
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Dieser Bereich liegt im mittleren Drehzahlbereich, während im unteren
und im oberen Drehzahlbereich zwar weniger Betriebsstunden erreicht wurden, aber
höhere Emissionswerte.
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Die Summe aller Blöcke 19,25 könnte dann als abgastypischer Wert für
die Berechnung einer Steuer für das Kraftfahrzeug herangezogen werden.
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Anhand des Ausführungsbeispieles nach Figur 4 wird erläutert, daß
die gleiche Datenerfassung auch bei einer Feuerungsanlage 21 vorgenommen werden
kann, welche über ein Kaminrohr 22 die Abgase in Pfeilrichtung 26 in einen Kamin
23 abgibt.
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Zur kostengünstigen Erfassung der Abgasewerte wird eine die Temperatur
der Abgase erfassende Meßvorrichtung mit Sonde 24 verwendet, welche mit dem Datenadapter
20 gekoppelt ist. Der Datenadapter 20 trägt wiederum in nicht näher dargestellter
Weise den Datenträger 3.
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Es erfolgt wiederum eine Langzeitaufzeichnung der Abgaswerte, die
z.B. über einen längeren Zeitraum hinweg aufsummiert werden, so daß nach Ablauf
dieses längeren Zeitraumes ein abgas-typischer Wert für die betreffende Feuerungsanlage
21 ermittelt ist.
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Die Figur 5 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Datenadapters
1, aus der ersichtlich ist, daß sowohl der Datenadapter 1 zu Kontrollzwecken ein
Display tragen kann, als auch der Datenträger 3 ein eigenes Display 27 aufweist.
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Bei der Verwirklichung des vorgeschlagenen Systems kommt es entscheidend
darauf an, daß der Datenträger 3 gegen Manipulationen geschützt ist. Der Datenträger
3 wird anhand der nachfolgenden Figuren 6 und 7 näher beschrieben.
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In einem kontaktlosen und hermetisch dichten Gehäuse (60 x 100 x 8
mm) ! ist ein frei programmierbarer Mikro-Computer mit CPU,RAM (z.Zt. 8 kByte) und
RTC untergebracht. Im Prinzip handelt es sich also um einen mobilen, intelligenten
Speicher mit integrierter Realzeit in der Größe eines kleinen Taschenrechners.
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Der Zugriff bzw. die Programmierung des Systems erfolgt berührungslos
über eine "Induktiv-Schnittstelle" Auch die erforderliche Energie für den Betrieb
der CPU wird induktiv übertragen. Bedingt durch diese Technik kann das Speicher-Element
hermetisch dicht und völlig kontaktlos hergestellt werden. Ist das System von der
Induktiv-Versorgung getrennt, so übernimmt eine Lithium-Batterie die Stützung des
RAM's und den weiteren Betrieb der RTC.
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Abgesehen von der berührungslosen Daten- und Stromübertragung liegt
der technische Neuheitswert in der Kombination "intelligenter Speicher mit integrierter
Echtzeituhr". Daraus ergeben sich primär folgende neuen technischen Möglichkeiten:
A) Der Datenträger führt eine eigene Systemzeit. Dadurch ist eine zweifelsfreie
Protokollierung des Datenzugriffs auf das Speicher-Element bei optimalen Hanlding
gegeben. Im weiteren entfällt dadurch die Notwendigkeit der Zeit-Synchronisierung
bei allen benutzten End-Terminals (Autos- Heizungen etc.).
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B) Die Zugriffsberechtigung auf den Speicher kann zeitlich programmiert
werden.
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C) Ein programmierbares Passwort-Timing verhindert den unerlaubten
Daten-Zugriff auch bei Rechner-Unterstützung.
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D) Die eingebaute Uhr ermöglicht in Verbindung mit einem geladenen
Algorithmus die Generierung eines einmaligen dynamischen Codes zur eindeutigen Kennung
des Speicherelements. Durch dieses Verfahren ist ein hinweg Freund-Feind-Kennung"
bei der Datenübertragung (z.B.
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in der Tankstelle) erstmals möglich. Der zeitliche Synchronlauf zweier
Systeme ist dabei völlig unerheblich, da ein empfangener Code nur auf Plausibilität
und zeitliche Aufeinanderfolge geprüft werden muss.
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Um einen mechanisch/elektrischen Fremdzugriff auf den Speicherinhalt
des RAM's zu verhindern, löscht ein Flächen-Sensor die gespeicherten Daten bei jedem
beliebigen Eingriffs-Versuch.
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Das Koppel-Element für den Speicher ist system-neutral d.h., es kann
an jedes Computer-System mit genormter Schnittstelle angeschlossen werden. Bis auf
die Steckverbindung bzw. Kabeldurchführung ist das Koppel-Element gleichfalls hermetisch
dicht und unterliegt, wie auch der Speicher selbst, praktisch keinem Verschleiß.
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In einer bevorzugten Ausführungsform nach Figur 6a wird hierbei die
Printplatte 28 des Datenträgers 3 über eine Klebstoffschicht 29 mit einer DMS-Folie
(Dehnungsmeßstreifen-Folie) voll umfänglich umgeben, wobei die DMS-Folie im Verbindungsbereich
32 zusammenläuft.
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Jegliche Manipulation an dem so geschützten Datenträger 3 führt dazu,
daß z.B. beim Biegen des Datenträgers die obere DMS-Folie einen anderen Wert erzeugt,
als die untere DMS-Folie , weil beide Folien unterschiedlich gebogen werden können.
Aus den Signalen beider DMS-Folien 30 wird ein Differenz-Signal gebildet, welches
einem Detektor MB (Figur 7) zugeführt wird, der sofort die Stromversorgung zur CPU
und/oder zum RAM unterbricht.
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Die Figuren 7a und 7b zeigen schematisiert das Blockschaltbild des
internen Aufbaus eines solchen Datenträgers 3.
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Über das Kabel 31 wird die Spannungsversorgung herangeführt und der
Datenfluß gewährleistet. Die beiden Dehnungsmeßstreifen-Folien DMS1 und DMS2 sind
beide zusammen über einen Detektor verbunden, der bei Erhalt eines entsprechenden
Signals von den DMS-Folien 30 sofort die interne Stromversorgung des Datenträgers
unterbricht, so daß der RAM seine eingespeicherten Werte verliert.
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In gleicher Weise wird der Detektor MB von der DMS-Folien angesteuert,
wenn eine DMS-Folie mechanisch derart beschädigt wird, daß die fein nebeneinander
mäanderförmig angeordneten Leiterbahnen beispielsweise durch einen Bohrer unterbrochen
werden.
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Mit dem gezeigten Ausführungsbeispiel nach den Figuren 6 und 7 ist
damit mit einfachen technischen Mitteln ein manipulationssicherer Datenträger 3
geschaffen, der Voraussetzung für die Funktion der erfindungsgemässen Vorrichtung
ist.
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ZEICHNUNGS-LEGENDE 1 Datenadapter 31 Kabel 2 Meßvorrichtung mit Sonde
32 Verbindungsbereich 3 Datenträger 4 Aufnahme 5 Pfeilrichtung 6 Pfeilrichtung 7
Datenkoppler 8 Terminal 9 Leitung 10 Datenadapter 11 Aufnahme 12 Display 13 Sonderkabel
14 Sonde 15 Zündkabel 16 Zündkerze 17 Plombe 18 Zündverteiler 19 Block 19a 19b 20
Datenadapter 21 Feuerungsanlage 22 Kaminrohr 23 Kamin 24 Meßvorrichtung mit Sonde
25 Block 25 a 25b 26 Pfeilrichtung 27 Display 28 Printplatte 29 Klebstoff 30 DMS-Folie
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