DE10019539A1

DE10019539A1 - Sensor mit drahtloser Energieversorgung

Info

Publication number: DE10019539A1
Application number: DE10019539A
Authority: DE
Inventors: Philippe Pretre; Guntram Scheible
Original assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Current assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Priority date: 2000-04-20
Filing date: 2000-04-20
Publication date: 2001-10-25
Also published as: AU2001246283A1; EP1275189A1; US20030069051A1; WO2001082447A1

Abstract

Ein Sensor mit drahtloser Energieversorgung weist als Sensoreinheit einen Schwingkreis, bestehend aus einer Kapazität und einer Spule auf, wobei die Spule sowohl zur Messung als auch zum Empfang von elektromagnetischen Wellen zur Energieversorgung des Sensors dient. DOLLAR A In einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der Sensor ein Filter zur frequenzmäßigen Auftrennung des Sensorsignals in einen Speiseanteil und einen Nutzsignalanteil auf. Dabei ist der Sensor während einer Messung speisbar. DOLLAR A In einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der Sensor einen Umschalter zur zeitlichen Auftrennung des Sensorsignals in den Speiseanteil und den Nutzsignalanteil auf. Dabei wird der Sensor abwechselnd zu einer Messung gespeist.

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Sensortechnik. Sie bezieht sich auf einen Sensor mit drahtloser Energieversorgung gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 und auf ein Verfahren zur drahtlosen Energieversorgung eines Sensors gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruches 7.

Stand der Technik

Näherungssensoren sind allgemein bekannt und werden in Automatisierungsanlagen, Fertigungssystemen und verfahrenstechnischen Anlagen eingesetzt. Näherungssensoren erlauben eine Messung von Flüssigkeitsniveaus oder von Positionen von Werkstücken oder Maschinenteilen. Näherungsschalter erlauben eine Detektion einer An- oder Abwesenheit von Flüssigkeiten, Werkstücken oder Maschinenteilen. Um die Verkabelung von Näherungssensoren zu eliminieren, was bei einer Vielzahl von Näherungssensoren von Vorteil ist, übermitteln Näherungssensoren ihre Messdaten kabellos über Funk und werden drahtlos gespeist. Eine drahtlose Speisung geschieht beispielsweise mittels Akkus oder über Funk, wie in der DE 44 42 677 A1 gezeigt. Bei einer drahtlosen Energieversorgung über Funk sind im Sensor eine Empfangsantenne und eine Schaltung zum Empfang der speisenden Funkwellen erforderlich. Diese benötigen Platz und vergrössern den Raumbedarf des Sensors gegenüber einem drahtgespeisten Sensor.

Darstellung der Erfindung

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Sensor mit drahtloser Energieversorgung und ein Verfahren zur drahtlosen Energieversorgung eines Sensors zu schaffen, welche einen möglichst Platz sparenden und mechanisch einfachen Aufbau des Sensors ermöglichen.

Diese Aufgabe lösen ein Sensor mit drahtloser Energieversorgung gemäss den Merkmalen des Patentanspruches 1 und ein Verfahren zur drahtlosen Energieversorgung eines Sensors gemäss den Merkmalen des Patentanspruches 7.

Der erfindungsgemässe Sensor mit drahtloser Energieversorgung weist als Sensoreinheit einen Schwingkreis, bestehend aus einer Kapazität und einer Spule auf, wobei die Spule sowohl zur Messung als auch zum Empfang von elektromagnetischen Wellen zur Energieversorgung des Sensors dient.

Dadurch wird keine eigene Spule zum Empfang von elektromagnetischen Wellen zur Energieversorgung des Sensors benötigt, so dass der Sensor kleiner und einfacher aufgebaut werden kann.

In einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der Sensor ein Filter zur frequenzmässigen Auftrennung eines Sensorsignals in einen Speiseanteil und einen Nutzsignalanteil auf. Dadurch ist der Sensor auch während einer Messung speisbar.

In einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der Sensor einen Umschalter zur zeitlichen Auftrennung des Sensorsignals in den Speiseanteil und den Nutzsignalanteil auf. Dabei wird der Sensor abwechselnd gespeist oder zur Messung verwendet.

Weitere bevorzugte Ausführungsformen gehen aus den abhängigen Patentansprüchen hervor.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Im folgenden wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele, welche in den beiliegenden Zeichnungen dargestellt sind, näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 schematisch einen erfindungsgemässen Sensor;

Fig. 2 schematisch eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemässen Sensors;

Fig. 3 schematisch Signalverläufe der ersten Ausführungsform eines erfindungsgemässen Sensors; und

Fig. 4 schematisch weitere Ausführungsformen eines erfindungsgemässen Sensors.

Die in den Zeichnungen verwendeten Bezugszeichen und deren Bedeutung sind in der Bezugszeichenliste zusammengefasst aufgelistet. Grundsätzlich sind in den Figuren gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Wege zur Ausführung der Erfindung

Fig. 1 zeigt schematisch einen erfindungsgemässen Sensor 1. Der Sensor 1 weist eine Sensoreinheit 2, eine Anregungseinheit 3, eine Trenneinheit 5, eine Speiseschaltung 7 und eine Signalauswerteeinheit 9 auf. Die Sensoreinheit 2 dient zur Erzeugung eines Sensorsignals 4. Die Anregungseinheit 3 dient zur Anregung der Sensoreinheit 2. Die Trenneinheit 5 dient zur Trennung des Sensorsignals 4 in einen Speiseanteil 6 und einen Nutzsignalanteil 8. Die Speiseschaltung 7 dient zur Entnahme von Energie aus dem Speiseanteil 6 und zur Versorgung des Sensors 1 mit Energie. Die Signalauswerteeinheit 9 dient zur Bestimmung eines Datensignals nach Massgabe des Nutzsignalanteils 8.

Die Sensoreinheit 2 weist einen Schwingkreis L, C mit einer Spule L und einer Kapazität C auf. Sie funktioniert in bekannter Weise als induktiver Näherungssensor für eine berührungslose Messung. Dazu wird der Schwingkreis durch die Anregungseinheit 3 mit einer Schwingung angeregt. Falls sich ein metallisches Objekt in einem Einflussbereich der Spule L befindet, werden die Amplitude und die Frequenz der Schwingung nach Massgabe eines Abstands und eines Materials des Objektes verändert. Diese veränderte Schwingung dient als Messsignal zur Bestimmung eines Vorhandenseins oder einer Distanz eines Objekts.

In einer anderen Ausführungsform der Erfindung funktioniert die Sensoreinheit 2 als kapazitiver Näherungssensor. Dabei schwingt der Schwingkreis nur, wenn sich ein Zielobjekt in einem Einflussbereich des Sensors befindet.

Erfindungsgemäss dient die Spule L auch als "pick-up"-Spule zum Empfang elektromagnetischer Wellen eines Speisefeldes, die von einem Sender zur Speisung eines oder mehrerer Sensoren 1 abgestrahlt werden. Das Speisefeld induziert eine Spannung oder ein Speisesignal in der Spule L. Diese Spannung respektive dieses Speisesignal überlagert sich dem Messsignal. Durch diese Überlagerung wird das Sensorsignal 4 gebildet. Eine Resonanzfrequenz des Schwingkreises L,C ist vorzugsweise auf eine maximale Messempfindlichkeit abgestimmt.

Die Trenneinheit 5 trennt das Sensorsignal 4 in den Speiseanteil 6 und den Nutzsignalanteil 8 auf. Der Nutzsignalanteil 8 entspricht im Wesentlichen dem Messsignal. Der Speiseanteil 6 entspricht im Wesentlichen dem durch die empfangenen elektromagnetischen Wellen hervorgerufenen Speisesignal.

Der Nutzsignalanteil 8 wird durch die Signalauswerteeinheit 9 in bekannter Weise ausgewertet. Die Signalauswerteeinheit 9 erzeugt daraus ein Datensignal, welches beispielsweise eine Anwesenheit oder eine Distanz eines Objektes repräsentiert. Das Datensignal wird vorzugsweise drahtlos an eine Basisstation übermittelt und zur Steuerung einer Maschine oder Anlage verwendet. Eine solche ist beispielsweise ein Roboter, ein Montageautomat, eine numerisch gesteuerte Bearbeitungsmaschine oder ein Teil einer Fertigungszelle, eine industrielle Produktionseinrichtung oder eine verfahrenstechnische Anlage.

Der Speiseanteil 6 wird zur Speiseschaltung 7 geführt, welche dem Speiseanteil 6 Energie entzieht und diese Energie zur Speisung resp. Energieversorgung des Sensors 1 verwendet. Vorzugsweise weist die Speiseschaltung Mittel zum Speichern der dem Speiseanteil 6 entnommenen Energie auf, beispielsweise einen Akku oder eine Kapazität mit einer entsprechenden Ladeschaltung.

Fig. 2 zeigt schematisch eine erste bevorzugte Ausführungsform der Erfindung. Die Anregungseinheit 3 und der zur Speisung dienende Sender arbeiten in dieser ersten Ausführungsform mit unterschiedlichen Frequenzen, das heisst, dass eine Messfrequenz der Anregungseinheit 3 und eine Speisefrequenz des Speisefeldes unterschiedlich sind. Die Trenneinheit 5 weist Filter 10, 11 zur frequenzmässigen Auftrennung des Sensorsignals 4 in einen ersten Frequenzanteil und einen zweiten Frequenzanteil auf. Dabei entspricht der in einem ersten Frequenzbereich liegende erste Frequenzanteil dem Speiseanteil 6 und entspricht der in einem zweiten Frequenzbereich liegende zweite Frequenzanteil dem Nutzsignalanteil 8. Vorzugsweise wird zur Speisung eine niedrigere Frequenz als die Messfrequenz verwendet. Der Speiseanteil 6 wird durch ein erstes Filter 10, beispielsweise ein Tiefpassfilter gewonnen. Der Nutzsignalanteil 8 wird durch ein zweites Filter 11, beispielsweise ein Hochpassfilter gewonnen. In Fig. 3 sind für diesen Fall ein Signalverlauf S1 eines entsprechenden Sensorsignals 4, ein Signalverlauf S2 eines Speiseanteils 6, und ein Signalverlauf S3 eines Nutzsignalanteils 8 jeweils entlang einer Zeitachse t dargestellt.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung beträgt die Speisefrequenz annähernd 100 kHz und die Messfrequenz annähernd 1 MHz. Eine Amplitude des Nutzsignalanteils ist annähernd doppelt so gross wie eine Amplitude des Speiseanteils. Die Amplitude des Nutzsignalanteils beträgt annähernd 1 Volt.

Fig. 4 zeigt schematisch eine zweite und dritte bevorzugte Ausführungsform der Erfindung. Darin weist die Trenneinheit 5 einen Umschalter 12 zur zeitlichen Auftrennung des Sensorsignals 4 in den Speiseanteil 6 und den Nutzsignalanteil 8 auf. Der Umschalter 12 leitet das Sensorsignal 4 abwechslungsweise zur Signalauswerteeinheit 9 respektive zur Speiseschaltung 7. Der Umschalter 12 wird durch eine Schaltersteuerung 13 gesteuert.

In der zweiten Ausführungsform der Erfindung weist die Schaltersteuerung 13 ein Mittel zur getakteten Umschaltung, beispielsweise eine Uhr auf. Die Zeitintervalle, in denen das Sensorsignal 4 auf die Signalauswerteeinheit 9 respektive auf die Speiseschaltung 7 geführt wird, haben jeweils eine vorgegebene, gleichbleibende Länge. Die Anregungseinheit 3 und/oder der zur Speisung dienende Sender werden ebenfalls entsprechend getaktet und mit der Umschaltung im Sensor 1 synchronisiert betrieben, so dass ein Messsignal und ein Speisesignal abwechselnd vorliegen. Die Synchronisation geschieht beispielsweise durch ein drahtlos übermitteltes Synchronisations- Bitmuster.

Vorzugsweise wird annähernd jede Millisekunde während annähernd 100 Mikrosekunden gemessen und während annähernd 500 Mikrosekunden gespeist.

In dieser zweiten Ausführungsform der Erfindung sind die Messfrequenz und die Speisefrequenz entweder gleich gross oder voneinander verschieden.

In der dritten Ausführungsform der Erfindung wird die Umschaltung durch eine Analyse des Sensorsignals 4 gesteuert. Die Messfrequenz und die Speisefrequenz sind dabei vorzugsweise voneinander verschieden. Die Schaltersteuerung 1 3 weist ein Mittel zur Analyse des Sensorsignals 4 und zur Umschaltung des Umschalters 12 nach Massgabe eines Resultates der Analyse auf. Beispielsweise detektiert ein Detektor ein Vorhandensein eines Speisesignals und schaltet darauf das Sensorsignal 4 auf die Speiseschaltung 7. Andernfalls wird das Sensorsignal 4 auf die Signalauswerteeinheit 9 geschaltet. Eine Speisung geschieht vorzugsweise in Betriebspausen des Sensors 1 respektive der Anlage oder Maschine. Eine solche Betriebspause dauert je nach Art der Anlage oder Maschine wenige Sekunden bis mehrere Stunden.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der Näherungssensor ein Näherungsschalter, welcher nur binäre Schaltzustände aufweist.

Der erfindungsgemässe Sensor benötigt keine separate Speisespule für die drahtlose Speisung, so dass er kleiner und mechanisch einfacher aufgebaut ist. Ein zusätzlicher elektronische Schaltung für die Trenneinheit lässt sich auf einer bestehenden Platine anbringen, was konstruktiv einfacher als ein Einbau einer Speisespule ist.

Bezugszeichenliste

1

Sensor

2

Sensoreinheit

3

Anregungseinheit

4

Sensorsignal

5

Trenneinheit

6

Speiseanteil

7

Speiseschaltung

8

Nutzsignalanteil

9

Signalauswerteeinheit

10

erstes Filter

11

zweites Filter

12

Umschalter

13

Schaltersteuerung
L Spule
C Kapazität
S1 Signalverlauf eines Sensorsignals
S2 Signalverlauf eines Speiseanteils
S3 Signalverlauf eines Nutzsignalanteils
t Zeitachse

Claims

1. Sensor (1) mit drahtloser Energieversorgung, wobei der Sensor (1) mittels elektromagnetischer Wellen mit Energie versorgbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass
der Sensor (1) eine Sensoreinheit (2) mit einem Schwingkreis (L, C) für eine berührungslose Messung, zum Empfang elektromagnetischer Wellen und zur Bildung eines Sensorsignals (4),
eine Trenneinheit (5) zur Auftrennung des Sensorsignals (4) in einen Speiseanteil (6) und einen Nutzsignalanteil (8), und
eine Speiseschaltung (7) zur Speisung des Sensors (1) mit einer im Speiseanteil (6) enthaltenen Energie aufweist.

2. Sensor gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Trenneinheit (5) ein Filter zur frequenzmässigen Auftrennung des Sensorsignals (4) in einen ersten Frequenzanteil entsprechend dem Speiseanteil (6) und einen zweiten Frequenzanteil entsprechend dem Nutzsignalanteil (8) aufweist.

3. Sensor gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Trenneinheit (5) einen Umschalter (12) zur zeitlichen Auftrennung des Sensorsignals (4) in den Speiseanteil (6) und den Nutzsignalanteil (8) aufweist.

4. Sensor gemäss Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Trenneinheit (5) Mittel zur getakteten Umschaltung des Umschalters (12) aufweist.

5. Sensor gemäss Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Trenneinheit (5) Mittel zur Analyse des Sensorsignals (4) und zur Umschaltung des Umschalters (12) nach Massgabe eines Resultats der Analyse aufweist.

6. Sensor gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Speiseschaltung (7) Mittel zum Speichern eines Teils der im Speiseanteil (6) enthaltenen Energie aufweist.

7. Verfahren zur drahtlosen Energieversorgung eines Sensors (1), welcher eine Sensoreinheit (2) mit einem Schwingkreis, bestehend aus einer Kapazität (C) und einer Spule (L) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinheit (2) ein Messsignal bildet, die Spule (L) elektromagnetische Wellen zur Energieversorgung des Sensors empfängt und ein Speisesignal bildet, durch Überlagerung des Messsignals mit dem Speisesignal ein Sensorsignal (4) entsteht, und das Sensorsignal (4) durch eine Trenneinheit (5) in einen Nutzsignalanteil (8) und einen Speiseanteil (6) aufgetrennt wird.

8. Verfahren gemäss Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorsignal (4) durch ein Filter frequenzmässig in den Nutzsignalanteil (8) und den Speiseanteil (6) aufgetrennt wird.

9. Verfahren gemäss Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorsignal (4) durch einen Umschalter (12) zeitlich in den Nutzsignalanteil (8) und den Speiseanteil (6) aufgetrennt wird.