CN101443262A - 一种无线传输将用于耦合装置的测量结果的系统以及该系统在车辆中的使用 - Google Patents

Abstract

一种用于气体和液体系统的耦合装置(1)，包括无源转发器和测量至少一个量的至少一个传感器。该转发器连接到传感器并且通过通信协议无线传输和接收数据。此外，该传感器是无源传感器，它连接到转发器并与转发器集成，该传感器由转发器感应的能量激励。从属权利要求中限定了一种在车辆使用的无线传输系统。

Description

一种无线传输将用于耦合装置的测量结果的系统以及该系统在车辆中的使用

技术领域

本发明涉及一种气体和液体系统的耦合装置，其包括无源式转发器和用于测量一个或多个量的至少一个传感器，该转发器连接到传感器并且通过通信协议无线传输并接收数据。

背景技术

这种耦合装置在多种场合运用，例如车辆、固定装置以及不同类型的机械结构。在多数情况下，耦合装置的密封功能与可靠性、价格和安装时间等机械处理特性同样重要。

此外，在例如性能、环境影响以及寿命等方面对发动机的要求持续增加。为了满足这些要求，控制系统必须掌握发动机中的气体和液体的流量和温度等的当前状态。因此，掌握发动机不同部件的实时信息得以进行最佳的操作。

无线通信的一个示例在美国6,649,829中公开，该文献使用RFID技术(RFID＝无线电频率识别)。但是，在该文献中的传感器制造成本相对较高并且还需要与例如电池的电源直接连接。调换电池需要额外的操作，因此对于用户是不方便的。

RFID与“电子条形码”类似，不同之处在于，RFID标记(RFID转发器)不必用于可视阅读。RFID系统通常包括具有天线的读取器以及具有专用代码的数据载体。通常，封装该数据载体从而最佳地适于应用。最普通的封装材料是不同类型的塑料；近似金属的材料屏蔽产品，并且大大影响系统的性能。RFID系统可用于有源和无源转发器。

有源转发器本身具有电源(电池)，从而能够进行接收和传输，普通的读取距离大约为10米。

无源RFID系统可以描述为一种短距离无线电系统。该转发器本身没有电源，而是利用天线所感应的功率来工作。该读取距离通常低于0.5米。读取距离主要取决于读取器的输出功率、读取器和转发器的天线尺寸以及环境条件，其中金属通常对性能有负面效果。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种用于无线信号系统的耦合装置，该耦合装置尤其是一种用于气体和液体系统的快速耦合装置，该耦合装置与现有技术相比在制造和安装时都更简单并且成本低，并且其所需的维护费用低。“快速耦合”是指，组装该耦合装置不需要复杂和耗时的操作，并且其在组装状态下具有锁定功能。

根据本发明，上述目的可以通过权利要求1技术特征所限定的耦合装置来实现。耦合装置的优选实施例在从属权利要求中限定。

该用于气体和液体系统的本发明耦合装置尤其是快速耦合装置，包括无源转发器和测量至少一个量的至少一个传感器，该转发器连接到传感器并且通过通信协议无线传输和接收数据，其中该传感器是无源传感器并且与转发器集成，以及其中该传感器由转发器感应的能量触发。

“无源”是指，不提供能量，只通过感应进行传感器的读取。

“集成”进一步指，多个部件组成不可拆卸的单元。此外“快速耦合装置”是指连接气体或液体通路的耦合装置不需要工具进行安装，并且可以在组装状态下锁定。

液体冷却系统和气体涡轮系统具有多种应用场合。“智能”冷却系统是适用的，并且通过电驱动泵和阀门系统将冷却剂导入当前所需的位置。传感器的精确度的只需“通常”精确度即可，但是对于环境以及对寿命及维护自由度的要求却是苛刻的。能够获得的好处是冷却系统的重量/体积的减少量，这会转而降低制造以及操作的成本。

因为信息用来控制发动机等的输出功率等等，因此涡轮系统的传感器必须比冷却系统具有明显短的响应时间。在最坏的操作情形下，传感器还必须承受相当高的温度。至于其它方面，对于环境以及寿命的需求与液体系统是相同的。这种系统可以预期获得的好处是改善发动机的性能和/或降低燃料消耗量。合适量的信息包括例如压力、温度以及流量。

优选的是，耦合装置包括优选与传感器和转发器集成的处理器/信号处理单元。

在本发明变型实施例中，传感器、或传感器和转发器设置在耦合装置的密封环内。这产生的优点在于，不论在例如凹形部件和凸起部件之间的连接是否利用压力变换器锁定在最终位置，传感器都可以容易进行传感。可选或者另外的是，可以设置位置检测传感器。

压力和温度可以通过集成传感器部件来测量，其中集成传感器部件利用称作MEMS技术(微电子机械系统)的方法来制造。该技术在加工集成电子产品中获得了最多的工艺特性，该技术包括硅片上的高清晰度图形。MEMS技术的新特性在于对集成整个机械功能元件进行选择。在压力传感器中，膜与真空腔结合作为真空基准。提供表示压力、温度、流量等之一的信号作为变化阻抗(压阻技术)或电容值，并且这些信号需要进行特定的信号处理来操作例如数字数据通信系统。压阻技术是最常用的技术，这是因为该技术的优点在于其不受噪音和简单电路的影响，但是在多数情况下，电容技术仅消耗较少的功率并且可以用于较高的温度。但是，在大部分情况下，封装对于温度阻抗来说是一个限制性的因素。

优选的是，在耦合装置中设置两个或更多的传感器。在多数情况下，希望获得流量、温度以及压力的值，但是还可能希望获得其它的物理量。

根据本发明的耦合装置优选适应于高频系统。低频系统LF(125kHz)通常是在例如存取控制系统中的标准系统，这些低频系统用于不同的环境中，例如金属等。但是，仅仅少数的ISO标准适用于该频率。直径为50毫米的转发器天线通常绕有大约500匝，这使得制造更复杂。根据现有技术，高频范围HF(13.56MHz)似乎对于本发明最合适。这部分是因为具有两个可接受的标准的原因，一个标准是标准ISO14443，它使用非接触技术，适用于支付交易系统，例如公共交通工具领域，另一个标准是ISO15693，适用于逻辑推算，也适用于很多其它领域，这是因为根据该标准具有许多类型的芯片。

用于HF的直径为50毫米的转发器天线通常大约具有10匝，这表示其制造比低频产品简单得多，例如它可以与印制板类似蚀刻天线。超高频UHF(>400MHz)在无源RFID系统中是相对较新的。转发器通常具有蚀刻的偶极天线，该天线必须适用于其所用的基座。

在不同的频带都有不同类型的芯片，但是根据当前的标准，高频带的分类和变型目前最多。

如果使用较小的天线，每个测量点使用一根天线，那么对于具有高输出功率的读取器的需求则减少。但是，必须增加轮询功能来读取按预定顺序和准确间隔的所有测量点。在定位转发器和读取器天线时，必须进行测试来确定读取器单元的输出功率。

本发明还涉及一种用于车辆的无线信号传输系统，特别是包括上述耦合装置的发动机舱。

完整的系统优选集成为几个系统级：

1)车辆系统级，通过CAN总线系统优选产生“向上”/“向外”通信。这使得由各个车辆制造商定制该系统成为可能。

2)中央单元/读取器优选位于发动机舱(例如阀帽下侧)中。当多个连接点/传感器分别寻址从而没有串扰/干扰的问题时，还可以使用多个天线线圈。中央单元优选以普通硬件为基础，但具有可交换和定制的软件。

3)转发器单元优选制成几种型号(物理尺寸、设计、测量量的选择)。例如，它们可以设立在柔性印制卡叠层上，该柔性印制卡叠层还包括天线线圈，并且模制到快速耦合装置中。

4)每个传感器芯片都可以具有ASIC(专用集成电路)，以便局部处理传感器信号。这产生的优点是，传感器信号不需要校准。转发器的局部微处理器优选是标准IC、FPGA(现场可编程门阵列)或ASIC。还可以将多个ASIC电路组合成单电路，从而额外节省成本，但是会增加复杂性以及低产出的风险。

附图说明

以下，本发明还将通过实例并且参考附图进行描述。

图1a是根据本发明的耦合装置的一部分的透视图；

图1b是根据本发明的耦合装置的分解图；

图2示出了根据本发明的系统的基本构造；

图2是根据本发明的系统的框图的一个示例。

具体实施方式

图1a示出了具有密封环2的耦合装置1，该密封环2具有传感器/转发器3。图1b示出了根据本发明的耦合装置的可选实施例。和图1a类似，耦合装置包括转发器3和密封环2。在该实施例中，传感器/转发器3通过耦合部件4连接到天线线圈5。在组装状态下，由于该实施例中的传感器/转发器3与天线线圈5接触，因此看不见耦合部件4。示出耦合部件4是为了便于理解。通过天线线圈5，当从控制单元(未示出)传输磁场时产生功率。在另一个可选实施例中，天线线圈5通过第二耦合部件6连接到用于外部通信的单元7。和上述耦合部件4类似，在组装状态下看不见该实施例中的耦合部件6。在一个可选实施例中，传感器是与密封环相邻设置的单元，即由标记3表示的单元。此时，转发器是由标记7表示的单元。

图2示意性地示出了本发明的该系统的结构。传感器或转发器应用于或嵌入快速耦合装置和/或密封环中，并且包含测量温度和压力的传感器芯片、一个或多个用于进行信号处理和数据通信的电子芯片以及接收来自连接到中央单元的较大天线的无线电波的天线，通过其进行所有对数据通信的控制和检查。此外，例如除了测量压力和温度，传感器还应当提供位置指示以对快速耦合装置进行迅速锁定。

图3是根据本发明的一个实施例的系统的基本框图。用于测量压力和温度、迅速锁定和/或流量的传感器将测量信号提供给转发器侧的微处理器。该微处理器是中央单元处理器的“从设备”，该中央单元处理器提供命令并且控制与转发器的数据通信。

图3中不同的块具有如下的功能块：“温度”、“压力”、“流量”“迅速就位”表示分别用于测量上述量的传感器。来自各个传感器的信号由模拟/数字转换器数字化，根据现有技术，该模拟/数字转换器通常集成在标记为“μP”的块中，并且根据现有技术其表示通用微处理器。

微处理器具有执行连续、逻辑以及算术操作的能力，并且受存储在集成存储单元中的程序控制，该集成存储单元可以对信息进行暂时和永久性存储。来自微处理器的输出信息控制开关，该开关直接连接到转发器(在图中以向上的箭头表示)的天线线圈。该开关还可以通过天线接收脉冲信息。此外，转发器部分还包括进行功率管理的电子电路。该电路控制对特别是传感器和微处理器馈送功率，并且在例如馈送功率不足时提供信号。

微处理器、开关以及进行功率管理的电路优选可以集成在同一个芯片上，并且不必具有比平方毫米大的物理尺寸。由于可以同时制造数千的单元，因此制造的成本将会非常低。

中央单元还包括在图3中标记为“μP”的微处理器，由于中央单元是系统的主控制单元，并且在一般情况下用来管理对多个转发器的操作，因此该微处理器比转发器部件中的微处理器具有更强的容量。

单元“X”是开关的缓冲级，该开关则又连接到天线线圈(由向上的箭头表示)。该缓冲级允许向天线线圈提供具有相对高功率的无线电频率信号，从而使转发器部件具有合理的读取距离。

例如通过在两个功率级之间进行转换，该开关可以控制从中央单元到转发器部件的串行数字信息传输。该开关还可以用来使信息反向流动。当转发器的天线线圈在低阻抗和高阻抗状态之间转换时，可以检测到在中央单元的天线线圈中无线传输负载的变化。

该通信协议可从免费可用标准获得或以特许软件产品的形式获得，其中特许软件产品与处理器芯片一同出售。许多主流半导体制造商都在出售这种产品。该中央单元由车辆中的蓄电池驱动，目前多数情况为12V直流电，在接下来的几年中也可能增加到48V。与其它车辆单元的数据通信通常通过CAN总线产生，其中该CAN总线是在车辆领域为数据通信所建立的标准。

应用领域的两个实例的具体参数要求参见下表：

              液体系统         涡轮系统

温度范围      -40℃-+150℃     -40℃-+260℃

压力          0-0.5MPa         0-0.5MPa

精度          测量范围的±1％  测量范围的±1％

响应时间      20-30秒          <1秒

维护费        免费             免费

寿命          >车辆的寿命      >车辆的寿命

内部直径      8-60毫米         35-100毫米

测量流量的一个方法是，分别使用取自在具有已知流阻的导管的入口和出口处的两个或多个压力或温度传感器的信息进行测量。

可以理解，本发明的上述实施例的多种变型都落在所附权利要求所限定的本发明的范围之内。

Claims (10)

1.一种用于气体和液体系统的耦合装置(1)，包括无源转发器和用于测量至少一个量的至少一个传感器，所述转发器连接到所述传感器并且通过通信协议无线传输和接收数据，其特征在于，所述传感器是无源传感器，其连接到所述转发器并与所述转发器集成，所述传感器由所述转发器感应的能量激励。

2.如权利要求1所述的耦合装置(1)，还包括处理器/信号处理单元。

3.如权利要求2所述的耦合装置(1)，其中所述处理器/信号处理单元与所述传感器和所述转发器集成。

4.如权利要求1-3中任一项所述的耦合装置(1)，其中所述传感器和所述转发器位于所述耦合装置的密封环(2)中。

5.如权利要求1-4中任一项所述的耦合装置(1)，所述耦合装置是快速耦合装置。

6.如权利要求1-5中任一项所述的耦合装置(1)，其适用于高频系统。

7.一种用于车辆尤其是发动机舱的无线信号传输系统，包括如权利要求1-6中任一项所述的耦合装置(1)。

8.如权利要求7所述的无线信号传输系统，还包括微处理器。

9.如权利要求7或8所述的无线信号传输系统，还包括天线。

10.如权利要求7-9中任一项所述的无线信号传输系统，还包括天线以及单元中的微处理器，该单元设置为与所述耦合装置(1)无线通信。

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