DE102004025870B4

DE102004025870B4 - Verfahren zur drahtlosen Signalübertragung und Verwendung eines derartigen Verfahrens

Info

Publication number: DE102004025870B4
Application number: DE200410025870
Authority: DE
Inventors: Thomas Ostertag
Original assignee: IQ-MOBIL GmbH; IQ Mobil GmbH
Current assignee: IQ-MOBIL GmbH; IQ Mobil GmbH
Priority date: 2004-05-27
Filing date: 2004-05-27
Publication date: 2008-06-26
Anticipated expiration: 2024-05-28
Also published as: EP1817179A1; DE102004025870A1; WO2005115772A1

Abstract

Verfahren zur drahtlosen Übertragung mindestens eines Messwerts zwischen einer Messeinrichtung und einer Steuer- und Auswerteeinrichtung, wobei
die Messeinrichtung einen nachschwingenden Resonator aufweist, und der Resonator in seiner Frequenzcharakteristik vom zu messenden Wert beeinflusst wird,
in der Steuer- und Auswerteeinrichtung zwei Signale mit einer ersten bzw. zweiten Frequenz erzeugt werden, diese Signale an die Messeinrichtung gesendet werden und durch Differenzbildung der beiden Frequenzen die Resonatorfrequenz erzeugt wird,
und wobei in der Messeinrichtung bei Empfang der gesendeten Signale, wenn eine Übereinstimmung mit der Resonatorfrequenz vorliegt, der Resonator zum Schwingen angeregt wird,
– nach erfolgter Anregung des Resonators eines der Signale periodisch abgeschaltet oder so verändert wird, dass keine Anregung des Resonators mehr stattfindet,
– der Resonator hiernach nachschwingt, dabei diese Nachschwingungen ihrerseits durch den zu messenden Wert verändert, mit diesen Nachschwingungen die weiterhin gesendete Frequenz mittels eines Modulators moduliert und das modulierte Signal an die Steuer- und...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur drahtlosen Übertragung mindestens eines Messwertes sowie die Verwendung eines derartigen Verfahrens.
Ein derartiges Verfahren sowie eine entsprechende Vorrichtung und die Verwendung bei relativ zueinander bewegten Teilen ist aus US-Patent Nr. 6378360 bekannt. Eine wesentliche Grundlage dieses bekannten Verfahrens ist eine Amplituden- oder I/Q-Modulation einer Trägerfrequenz, bei welcher ein Frequenzspektrum mit zwei Seitenbändern erzeugt wird. Es hat sich in der Praxis auch sehr gut bewährt. Allerdings erfordert es den Einsatz von linearen Verstärkern.
In DE 26 52 122 A1 ist eine Vorrichtung offenbart, mit der ein Messwert von einem feststehenden Gegenstand zu einem beweglichen Gegenstand übertragen werden kann. An dem feststehenden Gegenstand sind ein Oszillator und ein nachgeschalteter Teiler angebracht, so dass zwei Frequenzen erzeugt und an zwei Sendeantennen übertragen werden. Die Signale mit den beiden Frequenzen werden über ein Koppelelement aufgenommen, das bei Unterschreiten eines bestimmten Betrages einer Messgröße ein Frequenzsignal abgibt, welches die Differenzfrequenz aus den beiden gesendeten Signalen besitzt. Dieses Frequenzsignal wird von einem Empfänger aufgenommen und einer Warneinrichtung zugeführt.
In EP 0 572 379 B1 ist ein Verfahren zur berührungsfreien Übertragung von Informationen zwischen einer Sender/Empfänger-Einheit und einem Transponder offenbart, wobei von der Sender-Empfänger-Einheit zwei Trägerwellen übertragen werden, die wechselseitig unterschiedliche Frequenzen besitzen. In dem Transponder wird aus diesen beiden Frequenzen eine Differenzfrequenz als drit tes Signal gebildet, welche geteilt wird, so dass ein viertes Signal vorliegt. Mit diesem vierten Signal werden die zwei Trägerwellen moduliert und zur Sender-/Empfängereinheit reflektiert, wo sie mit der ersten oder der zweiten Trägerwelle gemischt und einer Auswerteinheit zugeführt werden.
In DE 196 19 311 C2 wird ein Sensor-Fernabfrage-System offenbart, welches einen frequenzanalogen Sensor und eine Fernabfrage- und Auswertevorrichtung umfasst. Von der Auswertevorrichtung wird ein Anregungssignal erzeugt und ein Sensorsignal empfangen, wobei die Frequenzen der beiden Signale miteinander verglichen werden. Um das Sensorsignal kontinuierlich verfügbar zu machen, wird die Frequenz des Anregungssignals der Frequenz des Sensorsignals nachgeführt, wobei dies nach dem Prinzip der Phasenregelschleife geschieht. Erreichen beide Frequenzen eine vorbestimmte Frequenzdifferenz, kann die nachgeführte Sendefrequenz bestimmt und dieser Wert zur Auswertung der Messgröße herangezogen werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art sowie ihre Verwendung anzugeben, deren Einsatzgebiete vergrößert werden, und welche gleichzeitig mit einfacheren Mitteln realisiert werden können.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Die Erfindung hat den Vorteil, dass kostengünstigere nichtlineare Verstärker für die Generatorschaltung eingesetzt werden können. Außerdem hat die Erfindung den Vorteil, dass es auf Seiten der Messeinrichtung passiv arbeitet. Der Einsatz von Batterien zur Versorgung ist nicht notwendig und damit entfällt die Notwendigkeit, regelmäßig Batterien auszutauschen. Das eröffnet der Erfindung neue Einsatzbereiche überall dort, wo wegen der Unwirtschaftlichkeit von Batteriewechseln auf einen Einsatz derartiger drahtloser Signalübertragungen verzichtet werden musste. Außerdem kann die Erfindung sehr gut in Umgebungen eingesetzt werden, die für den Aufenthalt von Bedienungs- und Wartungspersonal ungeeignet sind oder keinen Zutritt erlauben, beispielsweise kontaminierte Umgebungen oder Umgebungen mit hoher Temperatur. Die Erfindung ist nicht auf bewegte Teile beschränkt, sondern kann ohne weiteres auch bei stationären Teilen angewendet werden.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen weiter beschrieben. Dabei zeigen schematisch:
1 ein Schaltbild einer ersten drahtlosen Messsignalübertragung zwischen einer Messeinrichtung und einer Steuer- und Auswerteeinrichtung;
2 eine Steuer- und Messeinrichtung eines zweiten Ausführungsbeispiels;
3 eine Steuer- und Messeinrichtung eines dritten Ausführungsbeispiels; und
4 eine Messeinrichtung eines vierten Ausführungsbeispiels.
In der 1 ist mit 10 eine Steuer- und Auswerteeinrichtung bezeichnet, die als Basisstation mit einer Messeinrichtung 12 über eine drahtlose Übertragungsstrecke 13 zusammenwirkt. Die Übertragungsstrecke 13 umfasst eine erste Strecke von der Steuer- und Auswerteeinrichtung 10 zur Messeinrichtung 12 über zwei erste Antennen 14, 14' und von der Messeinrichtung 12 zur Steuer- und Auswerteeinrichtung 10 über zwei zweite Antennen 15, 15'. Über eine Zuführung 11 erhält die Messeinrichtung 12 eine Messgröße und ermittelt daraus einen elektrisch verarbeitbaren Messwert.
In der Steuer- und Auswerteeinrichtung 10 sind zwei unabhängige Hochfrequenzgeneratoren 16, 17 zur Erzeugung von Signalen mit einer ersten Hochfrequenz f1 bzw. einer zweiten Hochfrequenz f2 im Gigahertzbereich vorhanden, die in einem Addierer 18 addiert werden. Anders als in US-Patent Nr. 6378360 beschrieben, wird nicht ein Frequenzspektrum mit einer Trägerfrequenz und zwei Seitenbändern als Ergebnis einer Modulation einer hochfrequenten Trägersignals und eines niederfrequenten Signals verwendet, sondern die Anregungsfrequenz beruht auf der Differenz f1 – f2 zwischen der ersten und der zweiten Hochfrequenz. Die Ausgangssignale der beiden Hochfrequenzgeneratoren werden jeweils über einen nichtlinearen Verstärker 23, 24 verstärkt.
Beide Frequenzen f1 und f2 werden über die ersten Antennen 14, 14' zur Messeinrichtung 12 übertragen. In der Messeinrichtung 12 ist ein nichtlineares Element 20 vorhanden, das aus den beiden empfangenen Frequenzen f1, f2 die Differenzfrequenz fa = f1 – f2 erzeugt. Das nichtlineare Element 20 ist bevorzugt eine Halbleiterdiode. Ferner ist ein nachschwingender Quarzresonator 19, bevorzugt ein piezoelektrischer Resonator, vorhanden, der von der Differenzfrequenz der beiden empfangenen Frequenzen f1 und f2 angeregt wird. Durch ein vom Messwert abgeleitetes Signal wird er in Abhängigkeit vom Messwert in seiner Frequenzcharak teristik beeinflusst. Das Ausgangssignal des Quarzresonators 19 wird zusammen mit der weiterhin gesendeten Frequenz f1 einem Backscatter-Modulator 25 zugeführt, dessen Ausgangssignal über die zweiten Antennen 15, 15' zu einer Empfänger-/Detektorschaltung 21 der Steuer- und Auswerteeinrichtung übertragen wird.
Eine Ablaufsteuerung 26 steuert einen Schalter 22, mit welchem der eine Hochfrequenzgenerator 17 und die zweite Frequenz f2 zeitweise abgeschaltet werden, so dass für eine vorgegebene Zeitspanne ausschließlich die erste Frequenz f1 über die ersten Antennen 14, 14 übertragen wird. Wenn die Differenzfrequenz fa etwa dem vermuteten Messwert entspricht, schwingt der Quarzresonator 19 in dieser Zeitspanne weiter. Dann empfängt die Detektorschaltung über die zweiten Antennen 15 und 15' ein Signal, welches ausschließlich auf der Modulation. der ersten Frequenz f1 durch den Messwert beruht. Aus der Modulation kann dabei auf den Messwert geschlossen werden.
Die Steuer- und Auswerteeinrichtung 10' nach 2 unterscheidet sich von der Ausführung in 1 dadurch, dass der erste Hochfrequenzgenerator 16 über den Verstärker 23 unmittelbar mit der Antenne 14 verbunden ist, über welche ein Signal mit der Frequenz f1 abgestrahlt wird. Das vom zweiten Hochfrequenzgenerator 17 erzeugte Signal mit der Frequenz f2 wird separat über eine weitere Antenne 9 abgestrahlt. Eine Addition der beiden Signale erfolgt somit senderseitig nicht.
Die mit dieser Steuer- und Auswerteeinheit zusammenwirkende Messeinrichtung kann wie in der in 1 oder 4 dargestellten Ausführung ausgebildet sein.
Bei dem dritten Ausführungsbeispiel einer Steuer- und Auswerteeinrichtung 10'' nach 3 ist nur eine einzige Antenne 14'' vorhanden, die sowohl als Sende- als auch als Empfangsantenne wirkt. Die Sende- und Empfangsantenne 14'' ist mit einem Addierer 27 verbunden, welcher in Senderichtung die von den beiden Hochfrequenzgeneratoren 16, 17 kommenden Signale addiert und in Empfangsrichtung die von einer Messeinrichtung empfangenen Signale an die Detektorschaltung 21 leitet. Gleichzeitig wird das gesendete Signal mit der ersten Frequenz f1 als lokales Oszillatorsignal für den Empfänger/Detektor 21 zugeführt.
Auch diese dritte Ausführung der Steuer- und Auswerteeinrichtung 10'' kann mit einer Messeinrichtung entsprechend 1 oder 4 zusammenwirken.
Die Ausführung einer Messeinrichtung 12' nach 4 weist eine einzige Antenne 14''' auf, die als Sende- und Empfangsantenne dient. Das nichtlineare Element 20' ist dabei so ausgebildet, dass es auch als Modulator arbeitet.

Claims

Verfahren zur drahtlosen Übertragung mindestens eines Messwerts zwischen einer Messeinrichtung und einer Steuer- und Auswerteeinrichtung, wobei die Messeinrichtung einen nachschwingenden Resonator aufweist, und der Resonator in seiner Frequenzcharakteristik vom zu messenden Wert beeinflusst wird, in der Steuer- und Auswerteeinrichtung zwei Signale mit einer ersten bzw. zweiten Frequenz erzeugt werden, diese Signale an die Messeinrichtung gesendet werden und durch Differenzbildung der beiden Frequenzen die Resonatorfrequenz erzeugt wird, und wobei in der Messeinrichtung bei Empfang der gesendeten Signale, wenn eine Übereinstimmung mit der Resonatorfrequenz vorliegt, der Resonator zum Schwingen angeregt wird, – nach erfolgter Anregung des Resonators eines der Signale periodisch abgeschaltet oder so verändert wird, dass keine Anregung des Resonators mehr stattfindet, – der Resonator hiernach nachschwingt, dabei diese Nachschwingungen ihrerseits durch den zu messenden Wert verändert, mit diesen Nachschwingungen die weiterhin gesendete Frequenz mittels eines Modulators moduliert und das modulierte Signal an die Steuer- und Auswerteeinrichtung gesendet wird, und – diese modulierten Nachschwingungen erfasst und daraus durch Frequenzanalyse und Umrechnung der mindestens eine Messwert abgeleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschaltung des einen gesendeten Signals durch Abschalten eines das Signal erzeugenden Hochfrequenzgenerators (16, 17) oder eines nachgeschalteten Verstärkers erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden erzeugten Signale vor dem Senden addiert werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Signale über unterschiedliche Antennen getrennt gesendet werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass auf Seiten der Steuer- und Auswerteeinrichtung eine einzige Antenne zum Senden der erzeugten Signale und zum Empfangen von Signalen vorhanden ist, die von der Messeinrichtung gesendet werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf Seiten der Messeinrichtung eine einzige Antenne zum Empfangen der von der Steuer- und Messeinrichtung gesendeten Signale und zum Senden der von der Messeinrichtung abgegebenen Signale vorhanden ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das ununterbrochen von der Steuer- und Messeinrichtung gesendete Signal als Lokaloszillator des Empfängers/Detektors verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zu übertragende Messwert ein vorgegebenes Merkmal eines Messwertgebers ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den beiden Hochfrequenzgeneratoren und dem Addierer jeweils ein nichtlinearer Verstärker angeordnet ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Modulator ein Feldeffekttransistor verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für die Differenzbildung der beiden Frequenzen in der Messeinrichtung ein nichtlineares Element zum Einsatz kommt, wobei als nichtlineares Element eine Halbleiterdiode verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass piezoelektrische Resonatoren verwendet werden.
Verwendung eines Verfahrens nach Anspruch 1 bei Messobjekten in einer Umgebung, die Personen nicht zugänglich ist.
Verwendung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Umgebung des Messobjekt kontaminiert ist oder eine für den Aufenthalt von Menschen ungeeignete Temperatur aufweist.