DE102006037364A1 - Sensorvorrichtung - Google Patents

Abstract

Es wird eine Sensorvorrichtung mit einer Basiseinheit, die ein Schwingkreisortungssystem (12) mit wenigstens einem ortsselektiven Sende- und/oder Empfangselement für eine Ortung durch elektromagnetische Wellen umfasst, und mit einem Sensorelement (5), das einen Ortungsschwingkreis zur Markierung des zu erfassenden Ortes umfasst, vorgeschlagen, mit dem zusätzliche Informationen übertragbar werden. Dies ist erfindungsgemäß dadurch möglich, dass das Sensorelement (5) eine Kodiereinheit mit einer Kodiereinheit zur Übertragung kodierter Informationen versehen wird.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Sensorvorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
• Mit der Druckschrift WO 03/038380 A1 ist bereits eine Sensorvorrichtung mit Schwingkreisortungssystem bekannt geworden. Hierbei wird über ein oder mehrere Erregerspulen eine Ortserfassung durch elektromagnetische Wellen bewirkt. Der Ort eines passiven Sensorelements mit einem angekoppelten Ortungsschwingkreis, d.h. eines Sensorelementes ohne eigene Energieversorgung, lässt sich durch die Antwort des Ortungsschwingkreises auf das Erregersignal des Schwingkreisortungssystems bei dieser Sensorvorrichtung bestimmen.
• Diese Sensorvorrichtung ist lediglich zur Ortung und durch sukzessive Messungen in Verbindung mit einer Zeiterfassung zur Erfassung von Bewegungen geeignet.
• Aufgabe der Erfindung ist es, eine Sensorvorrichtung mit einem Schwingkreisortungssystem vorzuschlagen, mit dem zusätzliche Informationen übertragbar werden.
• Diese Aufgabe wird ausgehend von einer Sensorvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
• Durch die in den Unteransprüchen genannten Maßnahmen sind vorteilhafte Ausführungen und Weiterbildungen der Erfindung möglich.
• Dementsprechend zeichnet sich eine erfindungsgemäße Sensorvorrichtung mit einer Basiseinheit, die ein Schwingkreisortungssystem mit wenigstens einem ortselektiven Sende- und/oder Empfangselement für eine Ortserkennung durch elektromagnetische Wellen umfasst, und mit einem Sensorelement, das einen Ortungsschwingkreis zur Markierung des zu erfassenden Ortes umfasst, dadurch aus, das Sensorelement eine Kodiereinheit zur Übertragung kodierter Informationen umfasst.
• Durch diese Maßnahme ist es möglich, mit dem Sensorelement nicht nur die Lage des markierten Ortes durch das Ortungssystem zu bestimmen, sondern weitere Daten von dem Sensorelement mit Ortungsschwingkreis an die erfindungsgemäße Basiseinheit zu übermitteln.
• Derartige Daten können beispielsweise Informationen über Bauelemente, an denen das Sensorelement angebracht ist oder sensorisch erfasste Daten über die Umgebung des Sensorelementes mit Ortungsschwingkreis oder aber von externen Datenübertragungsgeräten vor Ort dem Sensorelement übermittelte Daten sein.
• Vorzugsweise wird eine Datenübertragung mittels dem zur Ortung vorgesehenen Ortungsschwingkreis vorgesehen. Durch die gemeinsame Nutzung des Ortungsschwingkreises zur Ortung und zur weiteren Datenübertragung erübrigt sich ein vom Ortungsschwingkreis separater Sender zur Datenübertragung. Dies bedeutet eine Verminderung des Herstellungsaufwandes und des Platzbedarfs.
• Vorteilhafterweise wird wenigstens eine Sende- und/oder Empfangsantenne des Schwingkreisortungssystems zur Übertragung kodierter Informationen vorgesehen. Durch die gemeinsame Nutzung einer solchen Sende- und/oder Empfangsantenne wird auch bei der Basiseinheit der Herstellungsaufwand sowie der Platzbedarf deutlich reduziert.
• Die Datenübertragung wird in einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung dadurch bewerkstelligt, dass der elektrische Ortungsschwingkreis ein Stellglied und eine Steuereinheit zur kodierten Veränderung eines elektrischen Parameters des Schwingkreises umfasst. Diese kodierte Veränderung wird im Antwortsignal bei der Basiseinheit, die das Schwingkreisortungssystem umfasst, ausgewertet bzw. dekodiert. Auf diese Weise kann durch das gleiche Sensorelement eine Ortung und ein Datentransfer mit beliebigen Informationen realisiert werden.
• In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird beispielsweise die Dämpfung bzw. der Widerstand des Ortungsschwingkreises veränderbar ausgebildet. Weitere Möglichkeiten bestehen z.B. darin, dass eine veränderbare Induktivität und/oder eine veränderbare Kapazität vorgesehen werden. Die Frage, welche Parameter wie zur Kodierung der Information verändert wird, spielt eine untergeordnete Rolle, sofern die Kodierung nur im Antwortsignal erkennbar ist.
• Die Resonanzfrequenz des Ortungsschwingkreises wird hierbei auf eine Resonanzfrequenz des ortselektiven Sende- und/oder Empfangselementes im Schwingkreisortungssystem abgestimmt.
• Die Steuereinheit für das Stellglied zur kodierten Veränderung des elektrischen Parameters wird vorteilhafterweise in Form eines integrierten Schaltkreises in den Ortungsschwingkreis implementiert, so dass sich eine insgesamt kompakte passive Sensoreinheit, d.h. eine Sensoreinheit ohne eigene Energieversorgung ergibt, die z.B. in Kunststoff oder dergleichen eingegossen werden kann.
• In einer Weiterbildung dieser Ausführungsform wird zusätzlich ein Datenspeicher vorgesehen. Ein solcher Datenspeicher kann beispielsweise zur Zwischenspeicherung von am Ort des Sensorelementes mit Ortungsschwingkreis sensorisch erfassten Daten verwendet werden. Er kann jedoch auch Daten über Bauelemente enthalten, an denen das Sensorelement mit Ortungsschwingkreis angebracht ist. Es können beispielsweise Typenangaben, technische Daten oder dergleichen, in einem solchen Datenspeicher zur Übertragung auf die Basiseinheit der Sensorvorrichtung in einem solchen Datenspeicher abgelegt werden.
• Wie bereits oben erwähnt, ist es möglich, die sensorische Erfassung von Informationen am mittels dem Sensorelement mit Ortungsschwingkreis zu erfassenden Ort vorzusehen. Das den Ortungsschwingkreis beinhaltende Sensorelement wird zu diesem Zweck vorteilhafterweise mit weiteren Sensoren versehen. Derartige Sensoren können beispielsweise Lichtsensoren, Temperatursensoren, Leitwertsensoren oder chemische Sensoren zur Stofferkennung sein. Hierdurch ist die Ermittlung von Informationen über die Umgebung des Sensorelementes mit Ortungsschwingkreis und die Weiterleitung an die Basiseinheit möglich, so können beispielsweise mit Hilfe eines solchen Sensorelementes ein Füllstand gemessen werden und gleichzeitig Informationen über die Art des Füllmediums, dessen Temperatur, dessen Farbe oder Trübung, etc. ermittelt und übertragen werden.
• Vorzugsweise wird die Basiseinheit mit einer Dekodiereinheit zur Dekodierung der übertragenen Informationen versehen. Auf diese Weise werden von der Sensorvorrichtung alle vorgesehenen Daten in aufbereiteter Form für die Weiterverarbeitung z.B. in einer Maschinensteuerung, einem Computer oder dergleichen zur Verfügung gestellt.
• Grundsätzlich wäre es jedoch auch möglich, die die Informationen beinhaltenden Signale in einer externen Dekodiervorrichtung auszuwerten.
• Die Basiseinheit der erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung wird vorzugsweise mit einer Schnittstelle zu einer externen Computereinheit versehen. In der oben angeführten bevorzugten Ausführungsform werden über diese Schnittstellen die dekodierten Daten zur Weiterverwendung, z.B. in einer Maschinensteuerung, in einer Überwachungsanlage oder dergleichen, übertragen.
• Vorzugsweise wird die erfindungsgemäße Sensorvorrichtung hierzu mit einer Bus-Schnittstelle versehen, so dass die Sensorvorrichtung problemlos mit einer Vielzahl weiter Bus-Teilnehmer, z.B. anderweitigen Sensoreinheiten oder Aktoren, zu betreiben ist.
• In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird das den Ortungsschwingkreis beinhaltende Sensorelement als sogenannter RFID-Transponder ausgebildet, dessen Resonanzfrequenz auf die Resonanzfrequenz des Schwingkreisortungssystems abgestimmt ist. Diese Ausführungsform bietet den Vorteil, dass für die Informationsübertragung der erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung vorhandene handelsübliche RFID-Transpondertechnik unter entsprechenden Kosteneinsparungen verwendbar ist. Bei dieser Ausführungsform kann ebenso in vorteilhafter Weise für die Basiseinheit mit der ortselektiven Sende- und/oder Empfangseinheit eine ebenfalls im Handel erhältliche, zu dem genannten RFID-Transponder passende Leseeinheit integriert werden.
• Eine erfindungsgemäße Sensorvorrichtung kann mit mehreren Sensorelementen, die auf unterschiedlichen Resonanzfrequenzen arbeiten, ausgestattet werden, wobei in der Basiseinheit für jede Resonanzfrequenz eine Sende- und/oder Empfangseinheit vorgesehen werden muss. Hierzu können eine durchstimmbare oder verschiedene Sende- und/oder Empfangseinheiten vorgesehen werden.
• Beim Einsatz des Sensorelementes in einer Umgebung, bei der die verwendeten elektromagnetischen Welle ein frequenzveränderndes Medium, z.B. Wasser, transmittieren, kann eine "Verstimmung" der Resonanzfrequenz des Sensorelements in Bezug zur Resonanzfrequenz der Basiseinheit vorgesehen werden, um die frequenzverzerrenden Einflüsse derartiger Medien am Einsatzort zu kompensieren. Im Falle der oben angegebenen Kombination von Ortungsschwingkreis mit RFID-Technik genügt hierbei die gezielte Verstimmung einer einzigen Resonanzfrequenz, z.B. des Ortungsschwingkreises.
• Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Figuren nachfolgend näher erläutert.
• Im Einzelnen zeigen
• 1 eine schematische Schnittdarstellung durch eine Kaffeemaschine mit erfindungsgemäßer Sensorvorrichtung und
• 2 ein erfindungsgemäßes Sensorelement mit Ortungsschwingkreis und Kodiereinheit.
• Die Kaffeemaschine 1 gemäß 1 umfasst ein Maschinengehäuse 2, einen Wassertank 3 sowie eine Filterpatrone 4, die im Wassertank 3 angeordnet ist. Ein erstes Sensorelement 5 mit Ortungsschwingkreis ist über ein verschiebbares oberes Trennsieb 6 beweglich mit der Füllung 7 der Filterpatrone 4 verbunden. Schrumpft die Füllung 7, so wird das erste Sensorelement 5 im Innern der Filterpatrone 4 abgesenkt. Dehnt sich die Füllung anschließend wieder aus, so wird das erste Sensorelement 5 wieder angehoben. In einem ersten Führungskanal 8 ist ein als Schwimmer ausgebildetes zweites Sensorelement 9 angeordnet. Durch die Ausbildung als Schwimmer steht und fällt das zweite Sensorelement 9 mit dem Wasserpegel 10 im Innern des Wassertanks. Ein drittes Sensorelement 11 ist im Innern des Maschinengehäuses 2 angeordnet. Ein Schwingkreisortungssystem 12 erstreckt sich seitlich neben dem Wassertank 3 im Wesentlichen über dessen gesamte Höhe. Das Schwingkreisortungssystem 12 trägt eine elektronische Steckverbindung 13, nicht näher dargestellte Sende- und Empfangsspulen sowie eine RFID-Leseeinheit 14. Über die elektronische Steckverbindung 13 ist das Schwingkreisortungssystem 12 mit der Hauptelektronikeinheit der Getränkemaschine 1 verbunden, die einen Mikroprozessor zur Steuerung und Auswertung der dargestellten, berührungslosen Sensortechnik beinhaltet.
• Zunächst dienen das erste, das zweite und das dritte Sensorelement 5, 9 und 11 als Wegesensoren. Über die oben erwähnten, nicht näher dargestellten Sende- und Empfangsspulen auf dem Schwingkreisortungssystem 12 kann die Position der Sensorelemente 5, 9 und 11 erfasst werden. Die Funktionsweise solcher Schwingkreisortungssysteme und zugehöriger Sensorelemente entsprechen dem eingangs erwähnten Stand der Technik.
• Zusätzlich zur bekannten Verwendung derartiger Sensorik ist nunmehr im ersten Sensorelement 5 ein RFID-Chip (nicht näher dargestellt) vorgesehen. Über diesen RFID-Chip kann unter Nutzung der Wechselwirkung zwischen dem Schwingkreisortungssystem 12 und dem ersten Sensorelement 25 durch eine kodierte Beeinflussung des Schwingkreises des ersten Sensorelementes 5 ein Informationsaustausch stattfinden. Hierbei ist zu beachten, dass sowohl die Ortung als auch die Informationsübertragung unter Nutzung des gleichen Ortungsschwingkreises und somit auch unter Nutzung der gleichen Resonanzfrequenz stattfinden.
• Über das erste Sensorelement 5 können demnach zum einen Informationen über den Zustand der Füllung 7 durch Messung des Füllstandniveaus der Füllung 7 vorgenommen werden. Die Ausdehnung einer solchen Füllung 7 ergibt ein Maß für den Beladungszustand des Filterharzes, so dass hierdurch Aussagen über die Erschöpfung der Filterpatrone getroffen werden können.
• Weitere Sensoren, z.B. Leitwertsensoren, Temperatursensoren oder dergleichen, können bei Bedarf ohne weiteres in ein solches Sensorelement zusätzlich integriert werden und über die erfindungsgemäße Datenübertragung ausgelesen werden.
• Darüber hinaus können über das zweite und dritte Sensorelement 9, 11 weitere sensorische Funktionen erfüllt werden, beispielsweise die Füllstandskontrolle im Wassertank 3 oder eine Wasserwechselkontrolle.
• Das dritte Sensorelement 11 kann für verschiedenartige Zwecke beim Betrieb der Maschine zur Kontrolle eingesetzt werden.
• Mit Hilfe einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung ist eine Erfassung des Verbrauchzustandes, eine Neu-Filter-Erkennung, eine Lebenszeitkontrolle sowie eine Wasserhärteberechnung und viele weitere Zustands- und/oder Betriebsdaten möglich. Die Wasserhärteberechnung könnte beispielsweise anhand der Lebenszeit der Filterpatrone unter Berücksichtigung der Durchflussmenge bestimmt werden. Auch ein Entkalkungshinweis der Getränkemaschine kann, basierend auf den so erfassten Zustands- und/oder Betriebsdaten generiert werden.
• Grundsätzlich ist mit einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung auch die Möglichkeit gegeben, eine bestimmte Einbauposition des Filters zu erkennen. Auch Funktionen, die von dieser Einbauposition abhängen, können demnach mit einer erfindungsgemäßen Sensorik erfasst und übermittelt werden. So kann beispielsweise bei einer Filterpatrone eine winkelabhängige Einbauposition vorgesehen werden, wobei je nach Winkel ein bestimmter Betriebsmodus oder Betriebsparameter eingestellt wird. Beispielsweise kann mit der Winkellage ein Verschnittverhältnis zwischen gefiltertem und ungefiltertem oder auf andere Weise aufbereitetem Wasser eingestellt werden. So könnte beispielsweise eine Bypass-Öffnung unter Umgehung der Filterstrecke in ihrem Querschnitt winkelabhängig modifiziert werden.
• Im Falle einer Positionserkennung über eine erfindungsgemäße Sensorik kann demnach auch die damit verbundene Parametereinstellung seitens der Getränkemaschine erfasst und ausgewertet bzw. in den Betriebsablauf der Maschine eingebunden werden. So kann beispielsweise abhängig von der Verschnittmenge ein entsprechender Hinweis auf Entkalkung der Maschine oder auf ein Filterwechsel durch die Maschine generiert werden.
• Ein Maschinengebrauch ohne Filter oder mit einem falschen Filter kann ebenso erkannt werden, so dass gegebenenfalls Garantieleistungen und Gewährleistungsansprüche an dem Gebrauch eines korrekten Filters gekoppelt werden können.
• Durch die zusätzlich zur Ortungssensorik vorhandene Datenübertragung, insbesondere über die geschilderte RFID-Technologie, ist eine Authentizitätsüberwachung gegebenenfalls verbunden mit einer Sperre der Maschine bei Verwendung einer nicht authentifizierten Filterpatrone möglich.
• Zusätzlich kann eine Speichereinheit im Sensorelement 5 der Filterpatrone untergebracht werden, so dass dort patronenspezifische Daten abgelegt werden können. Diese patronenspezifische Daten können beispielsweise bei der Fertigung der Filterpatrone gespeichert werden oder aber auch während des Betriebs der Filterpatrone erfasst und abgelegt werden. Somit können auch betriebsbedingte patronenspezifische Daten bei einem zwischenzeitlichen Austausch der Filterpatrone 4 und deren erneutem Einsetzen wieder aktuell verwendet werden.
• 2 zeigt den schematischen Aufbau eines erfindungsgemäßen Sensorelementes 5. Über eine Spule 15 findet zugleich eine Energie- und eine kodierte Datenübertragung durch Veränderung eines von dem Schwingkreisortungssystem erzeugten elektromagnetischen Feldes statt. Hierzu werden die Resonanzfrequenzen dieser beiden Bauelemente aufeinander abgestimmt.
• Ein integrierter Schaltkreis 16, der u.a. den Widerstand und somit die Dämpfung des Schwingkreises erzeugt, beinhaltet einen Datenspeicher 17 sowie eine Kodiereinheit 18. Zusätzliche Sensoreinheiten, wie beispielsweise ein Temperatursensor 19, können beim Sensorelement 5 vorgesehen werden.
• Die Kodiereinheit 18 ist in der Lage, die Dämpfung des Ortungsschwingkreises zu verändern und so über eine vorgegebene Kodierung eine Information auf ein zugehöriges Schwingkreisortungssystem, beispielsweise auf das Schwingkreisortungssystem 12 gemäß 1 zu übertragen. Die Anordnung gemäß 2 entspricht bekannten RFID-Transpondern. Die damit übertragene kodierte Information kann dementsprechend über eine RFID-Leseeinheit, beispielsweise gemäß der RFID-Leseeinheit 14 in 1, ausgelesen und weiterverarbeitet werden.
• Neben dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind viele weitere Ausgestaltungen der Sensorvorrichtung und insbesondere der Anwendung einer solchen Sensorvorrichtung denkbar. Eine erfindungsgemäße Sensorvorrichtung ist überall dort in Maschinen, Anlagen, usw. einsetzbar, wo eine Ortserkennung in Kombination mit einer Datenübertragung erforderlich ist.

1

Kaffeemaschine

2

Maschinengehäuse

3

Wassertank

4

Filterpatrone

5

erstes Sensorelement

6

Trennsieb

7

Füllung

8

Führungskanal

9

zweites Sensorelement

10

Wasserpegel

11

drittes Sensorelement

12

Schwingkreisortungssystem

13

elektronische Steckverbindung

14

RFID-Leseeinheit

15

Spule

16

integrierter Schaltkreis

17

Datenspeicher

18

Kodiereinheit

19

Temperatursensor

Claims (13)

1. Sensorvorrichtung mit einer Basiseinheit, die ein Schwingkreisortungssystem mit wenigstens einem ortselektiven Sende- und Empfangselement mit einer Ortserkennung durch elektromagnetische Wellen umfasst, und mit einem Sensorelement, das einen Ortungsschwingkreis zur Markierung des zu erfassenden Ortes umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (5) eine Kodiereinheit (16) zur Übertragung kodierter Informationen umfasst.
2. Sensorvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Informationsübertragung mittels dem zur Ortung vorgesehenen elektrischen Ortungsschwingkreis vorgesehen ist.
3. Sensorvorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Sende- und/oder Empfangsantenne des Schwingkreisortungssystems zur Übertragung kodierter Informationen vorgesehen ist.
4. Sensorvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (5) mit Ortungsschwingkreis ein Stellglied und eine Steuereinheit (16) zur kodierten Veränderung eines elektrischen Parameters des Schwingkreises umfasst.
5. Sensorvorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass über das Stellglied die Dämpfung bzw. der Widerstand des elektrischen Schwingkreises veränderbar ist.
6. Sensorvorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass über das Stellglied die Induktivität und/oder die Kapazität des Ortungsschwingkreises veränderbar ist.
7. Sensorvorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass ein integrierter Schaltkreis (16) vorgesehen ist, der die Steuereinheit umfasst.
8. Sensorvorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass ein Datenspeicher (17) in dem den Ortungsschwingkreis umfassenden Sensorelement (5) vorgesehen ist.
9. Sensorvorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass eine Datenerfassung von weiteren Sensoren (19) über die Steuereinheit (16) des den Ortungsschwingkreis umfassenden Sensorelementes (5) vorgesehen ist.
10. Sensorvorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Basiseinheit (12) eine Auswerteeinheit (14) zur Dekodierung der übertragenen Informationen umfasst.
11. Sensorvorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Basiseinheit eine Schnittstelle zu einem externen Computer aufweist.
12. Sensorvorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Basiseinheit eine Bus-Schnittstelle umfasst.
13. Sensorvorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Ortungsschwingkreis als RFID-Transponder ausgebildet ist, dessen Resonanzfrequenz auf das Schwingkreisortungssystem abgestimmt ist.