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Für die Steuerung
oder Regelung von Klima- oder Belüftungsanlagen ist es vorteilhaft,
an verschiedenen Stellen des Leitungs- bzw. Lüftungssystems der Klima- oder
Belüftungsanlage
Sensoren zur Erfassung diverser Messgrößen wie bspw. Temperatur, Luftfeuchtigkeit
etc. einzubringen. Die Klima- oder Belüftungsanlage erzeugt eine Luftströmung, die
durch das Leitungssystem bspw. in einen oder mehrere Räume eines
Gebäudes
geleitet wird. Das Leitungs- bzw. Lüftungssystem umfasst eine Vielzahl miteinander
verbundener Leitungen oder Kanäle,
die von einer Fluidströmung,
insbesondere von einer Luftströmung,
durchströmt
werden. Unter einer Fluidströmung
sind sowohl Gas- als auch Flüssigkeitsströmungen zusammengefasst.
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Überlicherweise
werden Sensormodule von außen
am Leitungssystem angebracht, während
die eigentlichen empfindlichen Sensoren in die Leitung hineinragen.
Alternativ werden komplette Sensormodule umfassend den Sensor und
ggf. eine Elektronik zum Auslesen des Sensors und/oder zur Weiterverarbeitung
der vom Sensor registrierten Messdaten bspw. durch Kleben oder Schrauben
innen an der Leitung montiert. Die Übertragung der Messwerte der Sensoren
an die Steuerung oder Regelung sowie die Stromversorgung der Sensoren
erfolgt drahtgebunden über
installierte Leitungen.
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Neuere
Ansätze
zur Minimierung des Installations- und Wartungsaufwands haben zum
Einen zum Ziel, Sensormodule einzusetzen, die die Messwerte des
Sensors per Funk an die Steuerung oder Regelung übertragen und/oder die in der
Lage sind, Daten von einer Basisstation zu empfangen. In diesem
Fall umfassen die Sensormodule neben dem eigentlichen Sensor zumindest
eine Antenne zum Senden und/oder Empfangen und eine Elektronik zum Auslesen
des Sensors, zur Weiterverarbeitung der vom Sensor registrierten
Messdaten und/oder zum Weiterverarbeiten der von der Basisstation
empfangenen Daten. Weitere Anwendungen für die Elektronik sind grundsätzlich ebenfalls
denkbar. Zusätzlich oder
alternativ hierzu haben die neueren Ansätze zum Ziel, energieautarke
Sensormodule bereitzustellen. Diese beziehen die zum Betrieb notwendige
Energie aus ihrer Umgebung, z. B. mit Hilfe von Solarzellen, oder
aus internen Energiespeichern wie bspw. Batterien oder Akkus. Somit
ist es nicht mehr erforderlich, die Sensormodule an eine Leitung
zur Daten- und/oder Energieübertragung
anzuschließen.
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Nun
kann es aber doch erforderlich sein, bspw. für Änderungen an der Klima- oder
Belüftungsanlage
oder zur Behebung von Störungen,
Modifikationen an den Sensormodulen vorzunehmen. Dies ist im Fall
der fest installierten Sensormodule mit erheblichem Aufwand verbunden.
Es wäre
daher von Vorteil, ein einfaches und robustes System zur Montage kabelloser
Sensormodule in dem Leitungssystem zu schaffen, bei dem auch nach
der Installation auf verhältnismäßig einfache
Art und Weise eine Zugriffsmöglichkeit
auf die Sensormodule gegeben ist.
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Es
ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine kostengünstige Vorrichtung
anzugeben, mit der Sensoren auf einfache Art und Weise und mit wenig
Aufwand in oder an einem Leitungssystem zu installiern sind.
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Diese
Aufgabe wird durch die in dem unabhängigen Anspruch angegebene
Erfindung gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Bei
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
wird ausgenutzt, dass in den Leitungen des Leitungssystems von Klima-
oder Belüftungsanlagen
oftmals Einschubsysteme vorgesehen sind, die bspw. zur Installation
von Filtern dienen. Derartige Filter werden dazu verwendet, Verunreinigungen
aus dem Luftstrom zu entfernen, und müssen daher idealerweise flächig in
die Luftströmung
eingebracht werden. Die technische Umsetzung solcher Filtersysteme
besteht im Allgemeinen darin, dass sich die eigentliche Filterstruktur
im Inneren eines in der Regel rechteckförmigen Halterahmens befindet,
der seitlich in ein entsprechends Einschubsystem geschoben wird.
Zum Austausch verbrauchter Filter wird der Halterahmen mit dem auszutauschenden
Filter aus dem Einschubsystem herausgezogen, ein neuer Filter am
Halterahmen befestigt und der so bestückte Halterahmen wieder in
das Einschubsystem eingeführt.
Das Einschubsystem selbst ist als Zwischenstück einer Leitung des Leitungssystems
ausgeführt
und kann so bei der Installation an nahezu beliebigen Stellen im System
eingefügt
werden. Bedarfsweise wird hierzu an einer Stelle, an der ggf. noch
kein Einschubsystem vorhanden ist, die Leitung aufgetrennt und ein neues
Einschubsystem in das Leitungssystem installiert. Es ist jedoch
davon auszugehen, dass bereits bei der Installation der Klima- oder
Belüftungsanlage mit
ihrem Leitungssystem an relevanten Stellen bereits Einschubsysteme
vorgesehen sind.
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Ähnliche
Lösungen
gibt es für
die Ein- und Auslassöffnungen
des Leitungssystems von Klima- und Belüftungsanlagen. Solche Öffnungen
werden bspw. in Zwischendecken durch spezielle Deckenplatten realisiert,
wobei ebenfalls die Möglichkeit
besteht, über
Einschub- bzw. Austauschsysteme Filter austauschbar einzubauen.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
nutzt die Einschubsysteme vorteilhafterweise dadurch aus, dass an
einem Halterahmen, der in eines der beschriebenen Einschubsysteme
eines Leitungssystems einführbar
ist, zumindest ein kabellos angebundenes Sensormodul befestigt werden
kann. Das Sensormodul umfasst zumindest den eigentlichen empfindlichen
Sensor, eine Elektronikbaugruppe, einen Energiewandler und eine
Antenne. Wenn der Halterahmen mit Sensormodul in das Einschubsystem
eingeführt
ist, befindet sich zumindest ein Teil des Sensormoduls, nämlich zumindest
der Sensor und der Energiewandler, in der Fluid- bzw. Luftströmung der
Klima- oder Belüftungsanlage.
Der Energiewandler ist ausgebildet, um die zum Betrieb des Sensormoduls
benötigte
Energie aus der Strömungsenergie
der Luftströmung
zu gewinnen. Bspw. ist der Energiewandler eine mit piezoelektrischem
Material beschichtete oder aus einem solchen Material bestehende
Fahne, die in der Luftströmung
flattert. Dies bewirkt, dass an der Oberfläche der Fahne bzw. des piezoelektrischen
Materials elektrische Ladungen auftreten. Die Ladungen können mit
Hilfe von Kontakten abgegriffen werden, die auf den Oberflächen des
piezoelektrischen Materials angebracht sind. Die somit aus der Strömungsenergie
der Luftströmung erzeugte
elektrische Energie wird zum Betreiben des Sensormoduls und/oder
zum Aufladen eines im Sensormodul ggf. vorgesehenen Energiespeichers, bspw.
in Form eines Akkus oder eines Kondensators, verwendet.
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Anstelle
der Fahne kann eine mit piezoelektrischem Material beschichtete
oder aus einem solchen Material bestehende Membran verwendet werden,
die angeregt durch die Luftströmung
in Schwingungen versetzt wird, so dass auch hier eine elektrische
Spannung erzeugt wird.
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Alternativ
kann der Energiewandler nach prinzipieller Bauart eines Windrades
auch einen Propeller und einen Generator umfassen, wobei der Propeller
durch die Luftströmung
angetrieben wird und seinerseits den Generator zur Erzeugung elektrischer
Energie antreibt.
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Der
Halterahmen ist idealerweise derart ausgebildet, dass sowohl das
Sensormodul als auch bspw. ein Filter am Halterahmen befestigt werden kann.
Alternativ oder zusätzlich
ist es von Vorteil, wenn mehrere, ggf. unterschiedliche Sensormodule oder
sonstige Baugruppen am Halterahmen anbringbar sind, insbesondere
nebeneinander. Dabei
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Vorzugsweise
weist das Sensormodul einen Störkörper auf,
der in Strömungsrichtung
der Luftströmung
gesehen vor dem Energiewandler, d. h. vor der Fahne, angeordnet
ist und bewirkt, dass am Ort der Fahne Verwirbelungen entstehen
oder vorhandene Verwirbelungen verstärkt werden, so dass das Flattern
der Fahne verstärkt
und die Erzeugung der elektrischen Energie ermöglicht bzw. sogar verbessert
wird.
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Weitere
Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus
dem im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiel sowie anhand der
Zeichnungen.
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Dabei
zeigt:
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1 eine
schematische Ansicht mehrerer Räume
eines Gebäudes
mit einer Klimaanlage,
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2 eine
Leitung des Leitungssystems der Klimaanlage mit einem Einschubsystem,
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3 einen Halterahmen mit Befestigungsvorrichtungen
für Sensormodule,
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4 einen
Halterahmen mit einer Befestigungsvorrichtung für ein Sensormodul und einen
Filter und
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5 ein Sensormodul mit einem Energiewandler
zum Umwandeln von Strömungsenergie
einer Luftströmung
in elektrische Energie.
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Die 1 zeigt
eine Draufsicht auf ein Leitungssystem 10 einer Klimaanlage 1 eines
Gebäudes
mit mehreren Räumen 2.
Die Klimaanlage 1 weist neben dem Leitungssystem 10 ein
Gerät 20 zur Erzeugung
und/oder Aufrechterhaltung eines gewünschten Raumklimas auf. Das
Leitungssystem 10 umfasst Leitungen 11, 12, 13,
die vom Gerät 20 zu Auslassöffnungen 14 der
einzelnen Räume 2 führen. Die
Leitungen 11, 12, 13 sind typischerweise
Rohre mit zylindrischem oder rechteckigem Querschnitt.
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Das
Gerät 20 ist
ausgestaltet, um Luft bspw. mit einer bestimmten Temperatur und
Luftfeuchtigkeit zu versehen und diese Luft über die Leitungen 11, 12, 13 in
die Räume 2 zu
verbringen. Hierzu kann das Gerät 20 über einen
Ventilator oder ein sonstiges Gebläse verfügen, so dass in dem Leitungssystem 10 eine
Luftströmung 3 entsteht,
die von dem Gerät 20 in
die Räume 2 orientiert
ist. Derartige Geräte 20 sind hinlänglich bekannt.
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In
den Leitungen 11, 12, 13 des Leitungssystems 10 befinden
sich, wie in der 2 exemplarisch für die Leitung 11 angedeutet,
an verschiedenen Stellen Einschubsysteme 30, in die jeweils
ein Halterahmen 40 eingesetzt werden kann, der bspw. einen
Filter zum Filtern der Luftströmung 3 trägt (nicht
dargestellt). Die Leitung 11 ist an der entsprechenden
Stelle unterbrochen. Die beiden sich gegenüberliegenden Enden 11a, 11b der
Leitung 11 sind über
ein Zwischenstück 31 miteinander
verbunden, wobei das Zwischenstück
als Einschubsystem 30 ausgebildet ist. Das Einschubsystem 30 kann
zur Aufnahme des Halterahmens 40 bspw. eine Führung oder
eine Schiene sowie eine Verriegelung ggf. mit einer Dichtung aufweisen,
die zum Einen dafür
sorgen, dass der eingeschobene Halterahmen 40 immer richtig
positioniert wird und an Ort und Stelle bleibt, und zum Anderen
garantieren, dass die gesamte Einrichtung luftdicht ist, dass also
die Luftströmung 3 am
Ort des Einschubsystems 30 die Leitung 11 nicht
verlassen kann. Ebenso verfügt
der Halterahmen 40 bspw. über Schienen, mit deren Hilfe
er weitestgehend ohne Spiel in das Einschubsystem einsetzbar ist,
sowie ggf. über
eine Dichtung.
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Der
Halterahmen 40 weist einen rechteckigen oder runden Querschnitt
auf. Idealerweise stimmen der Querschnitt der Leitung 11, 12, 13,
in die der Halterahmen 40 eingesetzt wird, und der Querschnitt des
Halterahmens 40 miteinander überein. Üblicherweise sind derartige
Halterahmen 40 aus verzinktem Stahlblech hergestellt, weisen
eine Dicke von 1,5 cm bis 10 cm auf und beinhalten einen Luftfilter.
Der Halterahmen 40 ist derart in der Leitung 11, 12, 13 platziert,
dass seine Querschnittsfläche
senkrecht zur Luftströmung 3 orientiert
ist, dass also bspw. ein an dem Halterahmen fixierter Filter senkrecht
durchströmt
wird.
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Die 3A zeigt
einen Querschnitt eines Halterahmens 40 mit einer Sensorbefestigungseinrichtung 41 sowie
ein Sensormodul 50, welches an der Sensorbefestigungseinrichtung 41 angebracht werden
soll. Die 3B stellt eine weitere Ausführungsform
eines Halterahmens 40 dar, der über mehrere Sensorbefestigungseinrichtungen 41 verfügt, wobei
die vier in den Ecken des Halterahmens 40 sitzenden Sensorbefestigungseinrichtungen 41 bereits mit
Sensormodulen 50 bestückt
sind, bspw. zur Messung der Lufttemperatur, der Luftfeuchtigkeit,
der Strömungsgeschwindigkeit
und der CO2-Konzentration der Luftströmung 3.
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Die
Sensormodule 50 verfügen über Befestigungsvorrichtungen
bspw. bestehend aus Laschen 57 mit Bohrungen 58 für Befestigungsschrauben. Dementsprechend
weisen auch die Sensorbefestigungseinrichtungen 41 Bohrungen 43 für die Befestigungsschrauben
auf. Andere Befestigungsmöglichkeiten
für das
Sensormodul 50 an der Sensorbefestigungseinrichtungen 41 wie
bspw. Einschnapp-Halterungen aus Kunststoff, Rastnasen etc. sind
natürlich ebenfalls
anwendbar.
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Das
Sensormodul 50 ist kabellos mit einer Steuerung/Regelung 21 des
Gerätes 20 der
Klimaanlage 1 verbunden und misst über einen Sensor 51 bspw.
die Temperatur und/oder die Luftfeuchtigkeit und ggf. weitere Parameter
der Luftströmung 3.
Die Messwerte werden über
Funk an die Steuerung/Regelung 21 übertragen. Hierzu weist das
Sensormodul 50 eine Antenne 52 auf. Weiterhin
beinhaltet das Sensormodul 50 eine Elektronikbaugruppe 53,
mit der bspw. die Messwerte des Sensors 51 vor der Übertragung
an die Steuerung/Regelung 21 weiterverarbeitet werden.
Darüber
hinaus dient die Elektronikbaugruppe 53 dazu, Daten, die
bspw. von der Steuerung/Regelung 21 gesendet und über die
Antenne 52 empfangen werden, auszuwerten und/oder weiter
zu verarbeiten. Derartige Daten können bspw. dazu ver wendet werden,
um das Sensormodul 50 neu zu konfigurieren und/oder um
Störungen
zu beheben.
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Zur
besseren Übersichtlichkeit
sind der Sensor 51, die Antenne 52 und die Elektronikbaugruppe 53 als
eine Einheit abgebildet. Es ist jedoch klar, dass die Anordnung
der einzelnen Bauteile 51, 52, 53 im oder
am Sensormodul 50 nicht an die Darstellung gebunden ist.
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Für diese
und ggf. auch andere Anwendungen benötigt das Sensormodul 50 elektrische
Energie. Das Sensormodul 50 ist daher als energieautarkes
Sensormodul ausgebildet und bezieht die zum Betreiben des Sensormoduls 50 benötigte elektrische
Energie zumindest zum Teil aus der Luftströmung 3. Hierzu weist
das Sensormodul 50 einen Energiewandler 54 auf,
der die Strömungsenergie
der Luftströmung 3 in
die elektrische Energie umwandelt. Der Energiewandler ist in den 3A, 3B und 4 lediglich
durch einen Platzhalter „X” symbolisiert.
Besonders geeignete Energiewandler 54 werden im Zusammenhang
mit der 5 näher beschrieben.
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Um
zu gewährleisten,
dass der Energiewandler 54 in Kontakt mit der Luftströmung 3 kommt, weist
die Sensorbefestigungseinrichtung 41 einen Durchbruch bzw.
eine Öffnung 42 auf,
die von der Luftströmung 3 durchströmt wird.
Der Energiewandler 54 ist derart im Sensormodul 50 integriert,
dass er von der die Öffnung 42 durchströmenden Luft
in Bewegung versetzt wird. Hierzu kann das Sensormodul 50 bspw.
ein Gehäuse 55 umfassen,
das an zwei sich gegenüberliegenden
Seiten jeweils eine Gehäuseöffnung aufweist,
wobei die Gehäuseöffnungen
mittels eines Kanals 56 verbunden sind. In dem Kanal 56 ist der
Energiewandler 54 untergebracht. Die die Öffnung 42 der
Sensorbefestigungseinrichtung 41 durchströmende Luft
strömt
durch den Kanal 56 und bewirkt, dass der Energiewandler 54 in
Bewegung versetzt wird, so dass er wie oben beschrieben elektrische
Energie erzeugt. Andere Realisierungen sind natürlich ebenfalls denkbar, bspw.
kann der Energiewandler 43 auch außen am Gehäuse 55 angebracht sein,
so dass auf die Ausbildung des Kanals 56 verzichtet werden
und das Gehäuse 55 geschlossen ausgebildet
sein kann.
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Die 4 zeigt
ein Ausführungsbeispiel,
bei dem der Halterahmen 40 sowohl über eine der bereits beschriebenen
Sensorbefestigungseinrichtungen 41 als auch über eine
oder mehrere Bauteilbefestigungseinrichtungen 44 verfügt, an denen
andere Komponenten 60 befestigt werden können, die
in der Luftströmung 3 platziert
werden sollen. Bspw. können
die oben erwähnten
Filter 60 an den Bauteilbefestigungseinrichtungen 44 angebracht
werden. Vorteilhafterweise werden die Sensormodule 50 und
der Filter 60 in Strömungsrichtung
gesehen hintereinander angebracht. Dabei kann der Filter 60 eine
Aussparung oder einen Ausschnitt aufweisen, so dass die Öffnung 42 der
Sensorbefestigungseinrichtung 41 nicht vom Filter 60 bedeckt
wird. Alternativ und weniger aufwändig besteht die Möglichkeit,
dass der Filter 60 entsprechend dem Querschnitt des Halterahmens 40 geformt
ist und den kompletten, von der Luftströmung 3 durchströmten offenen
Bereich des Halterahmens 40 bedeckt. In diesem Fall wäre auch
die Öffnung 42 der
Sensorbefestigungseinrichtung 41 vom Filter 60 bedeckt.
Da der Filter 60 jedoch luftdurchlässig ist, ist die Funktion
des Energiewandlers 54 des Sensormoduls 50 nur
geringfügig
beeinträchtigt.
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Die 5A zeigt
einen Schnitt durch ein Sensormodul 50, wie es in der 5B dargestellt
ist, entlang der Linie A-A.
Der Energiewandler 54 ist in diesem Beispiel eine mit piezoelektrischem
Material 71 beschichtete Fahne 70, die von der
Luftströmung 3 zum
Flattern oder Schwingen angeregt wird. Alternativ zur Beschichtung
kann auch die komplette Fahne 70 aus piezoelektrischem
Material 71 bestehen. Die hierbei auftretenden mechanischen
Verformungen des piezoelektrischen Materials 71 bewirken
aufgrund des piezoelektrischen Effekts, dass am piezoelektrischen
Material über
elektrische Kontakte 72, 73 eine elektrische Spannung
abgegriffen werden kann, die zur Versorgung des Sensormoduls 50 mit elektrischer
Energie genutzt wird. Bspw. kann die Spannung über eine elektrische Leitung 74 der
Elektronikbaugruppe 53 und/oder ggf. anderen elektrischen
Verbrauchern des Sensormoduls 50 zugeführt werden. Die Fahne 70 ist
an einem Störkörper 75 befestigt,
der seinerseits in dem Kanal 56 befestigt ist. Der Störkörper 75 bewirkt,
dass im Bereich der Fahne 70 Verwirbelungen und/oder Druckdifferenzen
in der Luftströmung 3 erzeugt
werden, die die Fahne 70 zum Flattern bringen.
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Anstelle
einer Fahne kann auch eine Membran verwendet werden, die nicht nur
am Störkörper sondern
darüber
hinaus an einer weiteren Stelle befestigt ist, so dass sie durch
die Luftströmung
in Schwingungen versetzt wird. Wie die Fahne besteht die Membran
aus piezoelektrischem Material oder weist eine piezoelektrischen
Beschichtung auf.
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Die 5C zeigt
einen Schnitt durch ein Sensormodul 50, wie es in der 5D dargestellt
ist, entlang der Linie B-B.
In diesem Beispiel ist der Energiewandler 54 prinzipiell
nach Bauart einer Windenergieanlage ausgebildet und weist einen
Propeller 80 sowie einen elektrischen Generator 81 auf.
Der Propeller 80 wird von der Luftströmung 3 in Rotation versetzt
und treibt seinerseits über
eine Welle (nicht dargestellt) den elektrischen Generator 81 an,
der die elektrische Energie zum Betreiben des Sensormoduls 50 erzeugt.
Der Generator ist wiederum über eine
elektrische Leitung 82 bspw. mit der Elektronikbaugruppe 53 und/oder
ggf. anderen elektrischen Verbrauchern des Sensormoduls 50 verbunden,
um die erzeugte elektrische Energie an diese weiter zu leiten.
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Derartige
Energiewandler sind detailliert in der Patentanmeldung „Energieautarke
Kommunikationseinheit mit Generator zur Nutzung der Strömungsenergie
einer Fluidströmung” beschrieben.
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Das
beschriebene Ausführungsbeispiel
bezieht sich auf ein Einschubsystem 30, das in eine Leitung 11, 12, 13 des
Leitungssystems 10 als Zwischenstück integriert ist. Es ist jedoch
ebenso denkbar, das Einschubsystem 30 an der Auslassöff nung 14 des
Leitungssystems 10 zu platzieren. In analoger Weise kann
auch an der Einlassöffnung
des Leitungssystems 10 ein Einschubsystem vorgesehen sein.
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Die
Erfindung ist nicht auf das Leitungssystem einer Klima- oder Belüftungsanlage
beschränkt. Allgemein
sind Leitungs-, Kanal- oder Rohrsysteme geeignet, in denen eine
Fluidströmung
vorhanden ist und die über
Einschubsysteme für
Halterahmen o. ä. verfügen.