DE10003842A1 - Drahtlose Übertragung von Signalen und Zuständen von beweglichen Einrichtungen auf feststehende oder bewegliche Einrichtungen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur nicht kabelgebundenen Übertragung von Schaltzu­ ständen, Signalen und Protokollen von Senso­ ren, die entlang eines festgelegten Weges bewegt werden können und an eine bewegba­ re Einrichtung angeschlossen sind. Dabei er­ folgt die Signalübertragung über die lose Kopplung zweier Spulensysteme, die Be­ standteile von Schwingkreisen sind und ein Spulensystem entlang der vorgesehenen Wegstrecke montiert ist. Über ein kleines Spulensystem erfolgt die Ankopplung und da­ mit die Datenübertragung. Dabei ist es uner­ heblich, welches Spulensystem als feststehen­ des und welches als bewegliches Spulensys­ tem eingesetzt wird. Die Ankopplung kann auch zwischen 2 langen Spulensystemen er­ folgen, die sich relativ zueinander bewegen, solange sie eine gemeinsame, berührungslos überlappende Schnittfläche haben.

Eine Vorrichtung zur Überwachung einer ent­ lang eines vorgegebenen Weges bewegbaren Einrichtung ist bereits aus 'EP 0 927 918 A2' und '0 092 773' bekannt. Bei diesen Vorrich­ tungen erfolgt die Übertragung von der beweg­ lichen Einrichtung auf die feststehende Ein­ richtung über 2 Ringkernkoppelelemente und eine durch diese kreisförmigen Ringkerne lau­ fende Leiterschleife.

Der Nachteil dieser bekannten Vorrichtung ist, dass es nur einen einzigen Freiheitsgrad in der Bewegung entlang der Leiterschleife gibt, die durch den Durchmesser der Ringkerne fest­ gelegt ist. Ein weiterer Nachteil ist die Wegbe­ grenzung entlang der Leiterschleife durch die Befestigung derselben an der bewegbaren Einrichtung. Ein weiterer Nachteil der bekann­ ten Vorrichtung ist, dass keine Kreisstrecken < 360° erfasst werden können, da die Leiter­ schleife mindestens 1 Befestigung an dem bewegbaren Rotationskörper benötigt. Damit sind keine Übertragungen von Signalen von z. B. rotierende bewegbare Einrichtungen mög­ lich.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrun­ de eine einfach gebaute Vorrichtung zur drahtlosen Übertragung von Signalen und Zuständen von beweglichen Einrichtungen auf feststehende oder bewegliche Einrichtungen zu schaffen, wobei die Bewegungsstrecke eine beliebige Form in allen drei Raumrichtungen besitzen kann.

Die Lösung dieser Aufgabe basiert auf dem Gedanken die mechanische Unabhängigkeit der feststehenden und der beweglichen Ein­ richtung durch zueinander frei bewegbare Spulensysteme zu realisieren.

Die mögliche Bewegungsstrecke ist nicht ein­ geschränkt, solange die beiden Spulensyste­ me eine gemeinsame, berührungslos überlap­ pende Schnittfläche besitzen. Dort wird die Übertragungsstrecke für die Signale, Zustände oder Protokolle zwischen den Einrichtungen gebildet. Die bewegliche Einheit und die fest­ stehende Einheit sind komplett unabhängig voneinander montierbar und sind nicht durch die Übertragungseinrichtung an eine be­ stimmte Form gebunden. Die Form kann vor­ teilhaft an die jeweilige Anwendung angepaßt werden.

Im einzelnen wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass die Spulensysteme Teil von zwei gekop­ pelten Schwingkreisen sind, die zur Übertra­ gung der Energie von der feststehenden auf die bewegliche Einrichtung verwendet werden, sowie für die Übertragung von Signalen oder Zuständen von der beweglichen Einheit auf die feststehende Einheit.

Eines der Spulensysteme wird entlang der kompletten Wegstrecke montiert, wobei es unerheblich ist, ob dies das feststehende oder das bewegliche System ist.

Beide Schwingkreise besitzen Einrichtungen zum automatischen oder manuellen Abgleich, so dass eine optimale Anpassung der elektro­ magnetischen Eigenschaften der Spulen an die mechanische Umgebung gegeben ist.

Die feststehende Einrichtung besitzt eine Aus­ werteeinheit, die unter anderem ein Trägersig­ nal für den einen Schwingkreis (Sende­ schwingkreis) generiert, welcher auf diese Weise elektromagnetische Energie an die Spule der beweglichen Einheit (Empfangs­ spule) überträgt.

Die bewegliche Einrichtung, an welche die Sensoren angeschlossen sind, besitzt eine Bedämpfereinheit, welche sowohl die benö­ tigte Betriebspannung erzeugt und als auch den Schwingkreis der Empfängerspule be­ dämpfen kann. Die Bedämpfung kann auf­ grund der nicht verschwindenden Kopplung zwischen den beiden Spulensystemen in der Sendespule durch die Auswerteeinheit nach­ gewiesen werden.

An der beweglichen Einheit sind die Sensoren angeschlossen, deren Zustand von Interesse ist. Dieser Zustand wird durch einen oder meh­ rere Sensorauswerter analysiert und über eine beliebige Signalfolge an die Bedämpfereinheit weitergegeben.

Mit dieser Signalfolge wird die Empfangsspule bedämpft, so dass die Auswerteeinheit der feststehenden Einrichtung den Zustand der Sensoren erkennt.

Der Zustand wird über mindestens eine Ein­ richtung zum Melden für externe Geräte zur weiteren Verarbeitung zur Verfügung gestellt. Durch dieses Signal kann die Bewegung bei­ spielsweise gestoppt werden.

In vorteilhafter Ausgestaltung sind die Spulen aus einzelnen steckbaren Spulenelementen aufgebaut, die mit geringem Montageaufwand zusammengefügt werden können und somit nahezu jede gewünschte Länge der Übertra­ gungseinrichtung realisieren lassen.

In einer Weiterbildung sind beide Einrichtun­ gen beweglich, sie besitzen zu jedem Zeit­ punkt eine gemeinsam überlappende Schnitt­ fläche, so dass die Übertragung stets ermög­ licht wird.

In einer Weiterbildung übernimmt ein Mikro­ controller die Aufgabe der Signalgeneration in der beweglichen Einheit, so dass auch kom­ plexe Sensoren mit analogen Ausgangssigna­ len oder festen Protokollen vorteilhaft ausge­ wertet werden können.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1: Ein Prinzipschaltbild der erfindungsge­ mäßen Anordnung mit einer kurzen Spulen­ einheit an der feststehenden und einer langen Spuleneinheit an der beweglichen Einrichtung

Fig. 2: Ein Prinzipschaltbild der erfindungsge­ mäßen Anordnung mit einer langen Spulen­ einheit an der feststehenden und einer kurzen Spuleneinheit an der beweglichen Einrichtung

Fig. 3: Ein Prinzipschaltbild der erfindungsge­ mäßen Anordnung mit einer kurzen Spulen­ einheit an der feststehenden und einer kreis­ förmigen Spuleneinheit an der beweglichen (rotierenden) Einrichtung

Fig. 4: Ein Prinzipschaltbild der Auswerteeinheit der feststehenden Einrichtung

Fig. 5: Ein Prinzipschaltbild der Bedämpferein­ heit der beweglichen Einrichtung

Die Einrichtung (1) basiert auf der Übertragung einerseits von Energie von der feststehenden Einrichtung (11) auf die bewegliche Einrichtung (10), andererseits von Daten von der bewegli­ chen Einrichtung (10) auf die feststehende Einrichtung (11). Zu diesem Zwecke werden zwei gekoppelte Schwingkreise bestehend aus Kondensator (5) und Sendespule (13) einer­ seits, sowie Kondensator (7) und Empfangs­ spule (14) andererseits gebildet (s. Fig. 1 u. 2).

Eine Auswerteeinheit (6) (s. Fig. 4) besteht aus einer Trägererzeugung und Endstufe (22), einer Signaldekodierung (21), mindestens einer Einrichtung zur Meldung unterschiedli­ cher Zustände (20), einer Datenschnittstelle (23) sowie einer Einrichtung (24) zum Abgleich des Serienschwingkreises aus Kondensator (5) und Sendespule (13). Diese Einrichtung er­ laubt einen manuellen oder einen automati­ schen Abgleich. Die Funktionen der Signalde­ kodierung (21), der Datenschnittstelle (23), der Trägererzeugung (22) und der Einrichtung des automatischen Abgleiches (24) werden durch einen Microcontroller und seine Peripherie­ bausteine realisiert.

Der Bedämpfer (8) (s. Fig. 5) enthält die Ein­ heiten Betriebsspannungserzeugung (33), schaltbares Dämpfungsglied (34), Signalgene­ rator (32), Einrichtung (30) zum Abgleich des Parallelschwingkreises aus Kondensator (7) und Empfangsspule (14) und mindestens einer Sensorauswertung (31). Die Funktionen des Signalgenerators (32), der Sensorauswertung (32) und der Einrichtung (30) zum Abgleich werden durch einen Low-Current-Micro­ controller und seine Peripheriebausteine reali­ siert werden. Die Einrichtung (30) zum Ab­ gleich des Schwingkreises erlaubt einen ma­ nuellen oder automatischen Abgleich.

Die Auswerteeinheit (6) beinhaltet einen Trä­ gergenerator mit Endstufe (22), der beispiels­ weise eine rechteckförmige Trägerspannung von beispielsweise 125 kHz erzeugt. Mit dieser Trägerspannung wird der Serienschwingkreis aus Kondensator (5) und Sendespule (13) gespeist. Auf diese Weise gibt die Sendespule (13) elektromagnetische Energie an die Emp­ fangsspule (14) ab. Eine Einheit (24) zum au­ tomatischen Abgleich des Schwingkreises um Kondensator (5) und Sendespule (13) inner­ halb der Auswerteeinheit (6) sorgt für eine optimale Anpassung der elektromagnetischen Eigenschaften der Sendespule (13) an die mechanischen Umgebungsbedingungen. Sen­ despule (13) und Empfangsspule (14) bilden einen lose gekoppelten Transformator mit nicht verschwindender Koppelung. Ein Teil der in die Sendespule (13) eingespeisten Energie wird in der Empfangsspule (14) aufgefangen und speist den Parallelschwingkreis bestehend aus Kondensator (7) und Empfangsspule (14). Diese Energie wird innerhalb der beweglichen Einrichtung (10) dem Bedämpfer (8) zugeführt und dient der Betriebsspannungserzeugung (33) als Energiequelle zur Versorgung der Komponenten in der beweglichen Einrichtung (10).

Der Bedämpfer (8) enthält ein schaltbares Bedämpfungsglied (34) mit dessen Hilfe der Schwingkreis aus Kondensator (7) und Emp­ fangsspule (14) bedämpft werden kann. Diese Bedämpfung führt zu einer Spannungs­ schwankung an der Empfangsspule (14) und durch die nicht verschwindende Kopplung auch zu einer Spannungsschwankung an der Sendespule (13). Diese Spannungsschwan­ kung kann durch die Signaldekodierung (21) ausgewertet werden. Wird das schaltbare Dämfungsglied (34) mit einer beliebigen Sig­ nalfolge angesteuert, so wird diese Signalfolge durch den beschriebenen Übertragungsme­ chanismus in der Signaldekodierung (21) er­ kennbar.

In der Einrichtung (1) wird mit Hilfe eines Sig­ nalgenerators (32) mindestens eine Signalfre­ quenz erzeugt, die durch den o. g. Übertra­ gungsmechanismus in der Signaldekodierung (21) erkannt und ausgewertet werden. Wird die Funktion des schaltbaren Dämpfungsgliedes (34) durch den Zustand einer oder mehrerer Sensorauswertungen (31) gesteuert, so wird aus dem Zustand des übertragenen Signals in der Signaldekodierung (21) auf den Zustand der Sensoren (9) geschlossen. Die Signalde­ kodierung setzt die Ausgangszustände bei­ spielsweise durch ein angeschlossenes Relais (20), das dem Zustand der Sensoren (9) ent­ spricht.

In einer Weiterbildung übernimmt im Be­ dämpfer (8) ein Microcontroller die Aufgaben der Einheiten Signalgenerator (32), und Sig­ nalauswertung (31). Dieser Microcontroller kann die Sensoren (9) auswerten. Dabei ist die Einrichtung (1) nicht mehr auf die digitale Natur der Sensoren (9) angewiesen. Die Einrichtung (1) kann vorteilhaft Sensoren mit analogen und digitalen Ausgangsspannungen erfassen sowie definierte Protokolle von Fremdgeräten, die an die bewegliche Einrichtung (10) angeschlossen werden, übertragen. Der Microcontroller kann neben einfachen Signalfolgen auch komplexe Protokolle am schaltbaren Dämpfungsglied (34) anlegen. Die Signaldekodierung (21) er­ kennt aus diesen Signalen und Protokollen die Zustände der Sensoren (9) und stellt selbst an den Relais (20) sowie an der Datenschnittstelle (21) Zustände ein, die denen an den Sensoren (9) entsprechen.

Die Übertragungseinheit (12) besteht aus der Sendespule (13) sowie der Empfangsspule (14). Diese beiden Spulen sind mechanisch weder miteinander verbunden, noch umschlin­ gen sie sich. Die bewegliche Einheit (10) ist jederzeit von der feststehenden Einheit (11) ohne durch die Übertragungseinrichtung (12) bedingten Montageaufwand zu entfernen. Dar­ aus ergibt sich vorteilhaft eine Formgebung der Sendespule (13) und der Empfangsspule (14), die den Anforderungen des Einsatzortes belie­ big nahe angepasst werden kann. Der weite mögliche Abstand der Sendespule (13) von der Empfangsspule (14) ermöglicht vorteilhaft mechanische Konstruktionen mit große Tole­ ranzen, die kostengünstig zu realisieren sind.

Die Sendespule (13) und Empfangsspule (14) bestehen aus mindestens einem Spulenele­ ment (2). Dieses Spulenelement (2) besteht aus dem Spulengehäuse (15), der Spule (3) und paarigen Steckeinrichtungen (4). Durch diese Anordnung können einzelne Spulenele­ mente (2) mit minimalem Montageaufwand zu den Sende- (13) und Empfangsspulen (14) zusammengefügt werden. Durch diese Modu­ larität ist nahezu jede gewünschte Länge der Übertragungseinrichtung zu realisieren.

Beispielsweise kann die Einrichtung (1) zur Überwachung der Schließkanten als Sensor (9) an horizontal bewegbaren Schiebetoren dienen, wobei eine an die Torlänge ange­ passte bewegliche Spuleneinrichtung (14) an einer kleinen Spuleneinrichtung (13) der fest­ stehenden Einrichtung vorbeigeführt wird (s. Fig. 2), oder an vertikal laufenden Rolltoren, wobei eine an die Torlänge angepasste feste Spuleneinheit (13) an der Torführung befestigt ist und eine kleine Spuleneinheit (14) mit der beweglichen Einrichtung vorbeigeführt wird (s Fig. 1).

Ein anderer Einsatzfall ist die Überwachung von Füllstand und Abriss von Wickelgütern auf rotierenden Maschinen. Hier kommt vorteilhaft die Eigenschaft der Erfindung zum Tragen, keinerlei mechanische Bindung zwischen Sen­ despule (13) und Empfangsspule (14) zur Be­ dingung zu haben (s. Fig. 3).

Ein weiterer Einsatzfall ist die Übertragung von Signalen zwischen zwei beweglichen Einrich­ tungen (x/y-Tische) die sich in einer Ebene relativ zueinander bewegen. Dabei werden die Spuleneinrichtungen für die x- und y-Richtung an die Länge des x- und y-Verfahrweges an­ gepasst. Solange gewährleistet ist, dass die x- und y-Spuleneinrichtungen eine gemeinsame Schnittfläche bilden, kann eine Signalübertra­ gung stattfinden.

Claims (15)

1. Vorrichtung zur drahtlosen Übertragung und Auswertung von Signalen und Schaltzustän­ den von mindestens einer bewegten Einrich­ tung (10) zu einer zweiten Einrichtung (11), wobei mindestens eine von den Einrichtungen beweglich ist,
mit einer Überstragungsstrecke (12) zwischen den Einrichtungen (10) (11),
mit einer Übertragung zur Übermittlung der Energieversorgung für die bewegliche Ein­ richtung (10),
mit mindestens einer an der beweglichen Ein­ richtung (10) angeschlossenen Sensoreinheit (9), die entsprechend einer beliebigen Signal­ folge des Sensors eine Modulation auf der Überstragungsstrecke (12) zwischen den bei­ den Einrichtungen bewirkt,
mit einer Empfangseinrichtung für die Modula­ tion in der Einrichtung (11)
dadurch gekennzeichnet, dass die Bewe­ gungsstrecke der beweglichen Einrichtungen eine beliebige Form in allen drei Raumrichtun­ gen besitzen kann.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Überstra­ gungsstrecke (12) durch eine Nahfunkübertra­ gungsstrecke realisiert wird, die durch 2 ge­ koppelte, aufeinander abgestimmte Schwing­ kreise gebildet wird.

3. Vorrichtung nach einem der vorhergehen­ den Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet,
dass die Übertragungseinrichtung zur Über­ windung der Übertragungsstrecke (12) durch mindestens zwei gegenüberstehenden Spu­ leneinheiten (13, 14) gebildet wird, die mecha­ nisch voneinander unabhängig sind und sich topologisch nicht umschlingen,
dass durch die mechanische Unabhängigkeit der Spuleneinheiten (13, 14) die Übertragung auch auf alle Formen von geschlossen Weg­ strecken wie beispielsweise Kreisstrecken möglich ist.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehen­ den Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die Spuleneinheiten (13, 14) für beliebige Strecken durch Zusammenstecken der einzel­ nen modularen Spulenelemente (2) aufgebaut werden können.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass jedes modulare Spulenelement (2) mit einer Kontaktiereinrichtung (4) versehen ist und die Spulenelemente (2) und die Kontak­ tiereinrichtung (4) in einem mechanisch fixier­ baren Spulengehäuse integriert sind.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehen­ den Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die Gesamtlänge jeder Spuleneinheiten (13, 14) in der Übertragungsstrecke (12) belie­ bige Verhältnisse einnehmen kann, insbeson­ dere kann der Spulenkörper (13) der festste­ henden Einrichtung (11) lang und der Spulen­ körper (12) der bewegbaren Einrichtung (10) kurz ausgeführt sein oder umgekehrt je nach Anwendungsfall.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehen­ den Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet,
dass der Abstand der beiden Spulenkörper (12, 13) mit der räumlichen Größe der Spulen­ einheiten, insbesondere dem Drahtabstand quer zur Länge der Spule zunimmt und bei fester Geometrie der beiden Spuleneinheiten (13, 14) der Abstand zueinander in einem wei­ ten Bereich variiert werden kann,
dass bei der Bewegung der Spuleneinheit (14) der bewegbaren Einrichtung (10) entlang der Spuleneinheit (13) der feststehenden Einrich­ tung (11) große Abweichungen in der Paral­ lelführung bezüglich der beiden übrigen Raum­ richtungen auftreten dürfen.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die festste­ hende Einrichtung (11) mindestens 1 Spulen­ element (2) mit einer Spule (3) und einem 2- poligen Verbindungsstecksystem enthält,
mit einer Auswerteeinheit (6), die entspre­ chend der Modulation auf der Übertragungs­ strecke (12) unterschiedliche Ausgangszu­ stände einnehmen kann,
mit einem abstimmbaren Serienschwingkreis, bestehend aus Kondensator (5) und Sende­ spule (13),
und mit einer Auswerteeinheit (6) aus wenigen kommerziell erhältlichen Komponenten und einem kommerziell erhältlichen Transponder- ASIC.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die bewegli­ che Einrichtung (10) ausgestattet ist
mit einem Parallelschwingkreis, bestehend aus einem Kondensator (7) und einer Empfangs­ spule (14),
mit einem Bedämpfer (8), der eine Einheit zum automatischen Abgleich des Schwingkreises (30) enthält,
mit mindestens 1 Sensorauswerteeinheit (31), mit mindestens 1 Signalgenerator zur Erzeu­ gung eines dynamischen Modulationssignals (32),
mit einem Dämpfungsglied (34) zur Erzeugung des Modulationssignals auf der Übertragungs­ strecke (12),
mit einer Betriebsspannungserzeugung (33),
mit einer Befestigungseinrichtung zur Montage an dem bewegten Teil.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Bedämpfer (8) in der bewegbaren Einrichtung (10) eine Gesamtelektronik mit ausschließlich Low-Power Komponenten ent­ hält, deren Energiebedarf zur Steigerung der Systemzuverlässigkeit äußerst gering ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Controllertechnik des Be­ dämpfers (8) in der bewegbaren Einrichtung (10) nicht nur einfache Impulsfolgen sondern auch beliebige komplexe Protokolle auf die feststehende Einrichtung (11) übertragbar sind.

12. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die anschliessbaren Sensoren (9) an die bewegbare Einrichtung (10) nicht nur digitale Sensoren wie Schalter sein müssen, sondern auch Sensoren anschliessbar sind, die über ein komplexes Protokoll kommunizieren.

13. Vorrichtung nach einem der vorhergehen­ den Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die gewählte Modulationsart es erlaubt, beliebige Zustände der Sensoren (9) an der bewegbaren Einrichtung(10) von Betriebsstö­ rungen der Gesamteinrichtung (1) zu unter­ scheiden und einen sicheren Zustand einzu­ nehmen.

14. Vorrichtung nach einem der vorhergehen­ den Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die Signaldekodierung (21) in der Aus­ werteeinheit (6) der feststehenden Einrichtung (11) beliebige komplexe Protokolle dekodieren kann und eine Datenschnittstelle (23) für nachgeordnete Rechnersysteme zur Verfü­ gung stellt.

15. Vorrichtung nach einem der vorhergehen­ den Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die Signaldekodierung (21) in der Aus­ werteeinheit (6) der feststehenden Einrichtung (11) bei Anschluß von digitalen Sensoren (9) in der bewegbaren Einrichtung (10) digitale Aus­ gänge (20) zur Verfügung stellt.