DE102009030718A1 - Energieautarke Kommunikationseinheit mit Generator zur Nutzung der Strömungsenergie einer Fluidströmung - Google Patents

Energieautarke Kommunikationseinheit mit Generator zur Nutzung der Strömungsenergie einer Fluidströmung Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kommunikationseinheit wie bspw. einen Funksensor, einen Funkaktor oder eine Meldeeinrichtung, die mit einem Generator ausgestattet ist, der die Strömungsenergie einer Fluidströmung in die zum Betreiben der Kommunikationseinheit benötigte elektrische Energie umwandelt. Die Kommunikationseinheit beinhaltet eine Energiewandlereinheit, wie z.B. eine flexible Fahne bzw. Membran, die in der Fluidströmung angeordnet ist und durch die Strömung in eine flatternde oder schwingende Bewegung versetzt wird. Die Fahne bzw. Membran besteht aus einem piezoelektrischen Material oder ist mit einem solchen Material beschichtet. Das piezoelektrische Material wird durch das Flattern verformt, so dass eine elektrische Spannung erzeugt wird, die über entsprechende Kontakte abgreifbar ist und so zum Betreiben der Kommunikationseinheit verwendet werden kann. In einer ersten Ausführungsform ist die Kommunikationseinheit eine Funksensoreinheit, die bspw. an der Auslassöffnung des Strömungskanals einer Klimaanlage angeordnet ist. Die Luftströmung der Klimaanlage wird genutzt, um die elektrische Energie für einen Bewegungsmelder zu erzeugen.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Kommunikationseinheit wie bspw. einen Funksensor, einen Funkaktor oder eine Meldeeinrichtung, die mit einem Generator ausgestattet ist, der die Strömungsenergie einer Fluidströmung in die zum Betreiben der Kommunikationseinheit benötigte elektrische Energie umwandelt.
  • Im Bereich der Gebäudetechnik sind Sensoren bspw. zur Erkennung der Belegung von Räumen, Gängen und Bereichen von Großraumbüros von besonderem Interesse, da anhand solcher Informationen zusätzliche Komfort- und Sicherheitsmerkmale in Anlagen der Gebäudetechnik integriert werden können. Bspw. kann das Licht in einem Raum automatisch eingeschaltet werden, wenn der Raum von Personen betreten wird, oder es kann die Raumtemperatur abgesenkt werden, wenn sich niemand im Raum aufhält. Auch in Verbindung mit Brandmeldeanlagen können derartige Sensoren eine Rolle spielen, um im Brandfall Informationen darüber zu erhalten, in welchen Räumen sich Personen aufhalten. Ebenso könnten Sensoren auch Informationen für Alarmanlagen liefern oder über eine Messung von Temperatur und Luftfeuchtigkeit Daten zur Steuerung bzw. Regelung einer Klimaanlage liefern.
  • Weiterhin werden im Bereich der Gebäudetechnik auch Funkaktoren eingesetzt. Bspw. können Klappen an einem Auslass eines Kanals einer zentralen Lüftungs- oder Klimaanlage vorgesehen sein, die durch einen elektrischen Aktor betätigt werden. Ein derartiger Funkaktor würde bspw. von einer zentralen Stelle per Funk einen Befehl erhalten, die Klappen weiter zu öffnen oder zu schließen, wobei der Aktor zur Betätigung der Klappen elektrische Energie benötigt.
  • Alternativ oder zusätzlich zu derartigen Sensoren und Aktoren werden in der Gebäudetechnik auch Meldeeinrichtungen verwendet, die mit Hilfe optischer und/oder akustischer Signalisierung auf bestimmte Zustände wie bspw. auf einen Feueralarm hinweisen können.
  • Die Sensoren, Aktoren und/oder Meldeeinrichtungen werden im Folgenden unter dem Begriff „Kommunikationseinheiten” zusammengefasst, da sie z. B. mit einer Basisstation kommunizieren, welche bspw. vom Sensor gemessene Sensordaten empfängt und evtl. auswertet und/oder welche an den Aktor einen bestimmten auszuführenden Befehl sendet, der bewirken kann, dass der Aktor die von ihm auszuführende Aktion durchführt. Die Meldeeinrichtung kann zumindest insofern als Kommunikationseinheit verstanden werden, als dass sie für den Fall, in dem eine Meldung abzusetzen ist, diese Meldung bspw. in Form eines Alarmsignals nach außen kommuniziert.
  • Zum Betreiben der Sensoren, Aktoren und/oder Meldeeinrichtungen wird elektrische Energie benötigt, bspw. wenn ein Sensor eine Vorspannung o. ä. zur Messung einer Messgröße benötigt oder wenn eine Meldeeinrichtung ein akustisches Signal über einen Lautsprecher abgeben soll. Im Falle des Aktors kann die Energie bspw. dazu benötigt werden, um die vom Aktor auszuführende Aktion zu realisieren. Speziell im Falle eines Funksensors wird elektrische Energie verwendet, um bspw. über eine Antenne Nutzinformationen oder andere Daten zu senden und/oder um empfangene Signale weiter zu verarbeiten.
  • Üblicherweise werden derartige Kommunikationseinheiten über Installationsleitungen bzw. Kabelverbindungen fest angeschlossen. Bei der fest angeschlossenen Variante wird in der Regel die Stromversorgung über die Installationsleitung zur Verfügung gestellt, während die Übertragung von Daten bzw. die Übertragung der Nutzinformationen entweder kabelgebunden oder per Funk stattfinden kann. Aufgrund der benötigten Leitungen sind die Installationskosten für die Kommunikationseinheit verhältnismäßig hoch und die Möglichkeiten der Platzierung der Kommunikationseinheit sind eingeschränkt.
  • Alternativ werden energieautarke Kommunikationseinheiten verwendet, die nicht über eine Kabelverbindung an eine Energiequelle angebunden sind. Die energieautarken Kommunikationseinheiten beziehen die zum Betrieb der Kommunikationseinheit notwendige Energie entweder aus internen Energiespeichern, bspw. Batterien oder Akkus, oder mit Hilfe geeigneter Energiewandler aus der Umgebung der Kommunikationseinheit. Besonders attraktiv ist eine noch weitergehende Ausgestaltung der energieautarken Kommunikationseinheit, bei der die Nutzinformationen, d. h. bspw. Daten in Form Sensormesswerten o. ä., auszuführende Befehle für einen Aktor oder die von der Meldeeinrichtung abzusetzende Meldung, nicht über eine Kabelverbindung sondern über eine Funkverbindung von der bzw. an die Kommunikationseinheit übertragen wird. Derartige energieautarke Funk-Kommunikationseinheiten können an den verschiedensten Orten angebracht werden und sind daher auch für die Bereiche Anlagenautomatisierung, Gebäudetechnik usw. von großem Interesse, da auf eine Installation von Leitungen oder Kabeln gänzlich verzichtet werden kann.
  • Standardmäßig werden energieautarke Funk-Kommunikationseinheiten mit Batterien ausgestattet. Dies bringt jedoch aufgrund der beschränkten Lebensdauer der Batterien einen erhöhten Wartungsaufwand mit sich.
  • Alternativ sind energieautarke Kommunikationseinheiten bekannt, die die zum Betreiben der Kommunikationseinheit notwendige Enegie nicht aus internen Energiespeichern beziehen sondern mit Hilfe von geeigneten Energiewandlern wie bspw. Solarzellen aus ihrer Umgebung. Die Verwendung von Solarzellen ist jedoch zum Einen aus Kostengründen nicht ideal. Zum Anderen setzt die Verwendung von Solarzellen voraus, dass die Kommunikationseinheit in einem Bereich eingesetzt wird, in dem zumindest eine minimale Lichtstärke vorhanden ist. Gerade für den Einsatz in Gebäuden kann dies jedoch nicht immer garantiert werden.
  • Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine kompakte Kommunikationseinheit anzugeben, die preiswert und mit geringem Aufwand herzustellen, zu installieren und zu warten ist.
  • Diese Aufgabe wird durch die in den unabhängigen Ansprüchen angegebenen Erfindungen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
  • Die erfindungsgemäße energieautarke Kommunikationseinheit umfasst einen Generator, der die zum Betreiben der Kommunikationseinheit benötigte elektrische Energie zur Verfügung stellt. Die Kommunikationseinheit ist in einer Fluidströmung in einem Strömungskanal angeordnet. Der Generator weist eine Energiewandlereinheit auf, die mit der Fluidströmung in Wechselwirkung steht und die ausgebildet ist, um die Strömungsenergie der Fluidströmung in die benötigte elektrische Energie umzuwandeln. Das strömende Fluid kann dabei ein Gas oder eine Flüssigkeit sein oder sogar aus einem festen Medium bestehen wie bspw. aus einem Granulat. Bspw. kann sich die Kommunikationseinheit und/oder die Energiewandlereinheit in einem Kanal einer Klima- oder Belüftungsanlage oder an dessen Einlass- oder Auslassöffnung befinden, wobei die die Energiewandlereinheit antreibende Fluidströmung der Luftstrom der Klima- oder Belüftungsanlage ist.
  • In einer ersten vorteilhaften Ausführungsform weist die Energiewandlereinheit eine flexible Fahne bestehend aus strukturiertem und/oder geschichtetem piezoelektrischem Material oder mit einer Beschichtung aus piezoelektrischem Material auf. Derartige piezoelektrische Materialien sind an sich bekannt, bspw. können Folien aus Folien aus Polyvinylidenfluorid (Abkürzung: PVDF-Folien) verwendet werden. Die Fahne befindet sich in der Fluidströmung und wird aufgrund von Druckdifferenzen und/oder Verwirbelungen in der Strömung in eine flatternde oder schwingende Bewegung versetzt. Das Flattern und die damit verbundene Verformung des piezoelektrischen Materials bewirkt, dass mit Hilfe von Kontakten, die auf das piezoelektrische Material aufgebracht sind, eine Spannung abgegriffen werden kann, die zum Betreiben der Kommunikationseinheit verwendet wird. Die prinzipielle Funktionsweise einer mit piezoelektrischem Material beschichteten Fahne wird bspw. in US 6 424 079 B1 beschrieben. Alternativ kann an Stelle der Fahne auch eine flexible Membran aus strukturiertem und/oder geschichtetem piezoelektrischem Material oder mit einer Beschichtung aus piezoelektrischem Material verwendet werden. Auch diese befindet sich in der Fluidströmung und wird aufgrund von Druckdifferenzen und/oder Verwirbelungen in der Strömung in eine flatternde oder schwingende Bewegung versetzt.
  • In einer alternativen Ausführungsform weist die Energiewandlereinheit eine flexible, halbstarre oder starre Fahne auf, die derart in der Fluidströmung angeordnet ist, dass sie von der Fluidströmung in eine flatternde oder schwingende Bewegung versetzt wird, wobei die Fahne derart an einem Bauelement der Energiewandlereinheit aus piezoelektrischem Material befestigt ist, dass das Bauelement durch die flatternde oder schwingende Bewegung der Fahne in der Fluidströmung in Bewegung versetzt wird. Auch hier wird aufgrund des piezoelektrischen Effekts im Bauelement eine elektrische Spannung erzeugt.
  • Vorteilhafterweise ist das Bauelement ein piezoelektrischer Wandler, insbesondere ein Biegewandler oder ein Torsionswandler. Dieser wird durch die flatternde oder schwingende Bewegung der Fahne in der Fluidströmung verformt, insbesondere verbogen oder verdreht.
  • Durch das Vorsehen mechnischer Anschläge wird erreicht, dass die Amplitude der Bewegung der Fahne begrenzt und damit die Gefahr einer Beschädigung der Bauelemente reduziert wird.
  • Vorteilhafterweise wird zwischen Fahne und Bauelement eine mechanische Verlängerung mit Wirkung eines Hebels eingesetzt. Dies bewirkt, dass die Resonsnzfrequenz des Systems einstellbar wird und dass eine größere Energieausbeute erreichbar ist.
  • In einer weiteren alternativen Ausgestaltung weist die Energiewandlereinheit eine flexible, halbstarre oder starre Fahne oder Membran auf, die derart in der Fluidströmung angeordnet ist, dass sie von der Fluidströmung in eine flatternde oder schwingende Bewegung versetzt wird, wobei die Energiewandlereinheit außerdem einen Permanentmagneten und eine Spule aufweist. Dabei ist die Spule fest stehend an der Kommunikationseinheit und der Permanentmagnet an der Fahne oder an der Membran befestigt oder umgekehrt. Die Spule und der Permanentmagnet sind derart zueinander angeordnet, dass sich der den Spulenquerschnitt der Spule durchsetzende magnetische Fluss des Permanentmagneten bei Bewegung der Fahne oder der Membran zeitlich ändert. In der Spule wird so eine Spannung induziert, die zum Betreiben der Kommunikationseinheit genutzt werden kann.
  • Vorteilhafterweise ist ein Störkörper vorgesehen, der von der Fahne oder dem Membran aus gesehen stromaufwärts in der Fluidströmung angeordnet ist und zumindest im Bereich der Fahne oder der Membran Verwirbelungen und/oder Druckdifferenzen in der Fluidströmung erzeugt oder verstärkt. Die Effizienz der Energieumwandlung kann gesteigert werden.
  • Dadurch, dass in einer speziellen Weiterbildung die Fahne oder die Membran mit dem Störkörper verbunden ist, wird erreicht, dass die Kommunikationseinheit kompakter ausgeführt werden kann, da weniger einzelne Bauteile benötigt werden.
  • In einer weiteren Ausgestaltung weist die Kommunikationseinheit zumindest eine Antenne zur Kommunikation mit einer Basisstation oder einer weiteren Kommunikationseinheit auf, wobei die Antenne zumindest zum Teil in die Fahne oder in die Membran integriert ist. Insbesondere kann ein ein Strahler der Antenne in den Störkörper integriert sein oder der Störkörper selbst kann ein Teil der Antenne sein.
  • Vorteilhafterweise sind mehrere Fahnen oder Membranen zur Ergeuzung elektrischer Energie vorgesehen, wobei in einige oder alle Fahnen oder Membranen Antennen integriert sind. Die Antennen bilden dabei ein verteiltes Antennensystem, insbesondere nach Bauart einer Phased-Array-Antenne.
  • In einer weiteren alternativen Ausführungsform weist die Energiewandlereinheit einen Propeller mit einem Flügelrad auf. Der Propeller ist derart in der Fluidströmung angeordnet, dass das Flügelrad von der Fluidströmung in Rotation versetzt wird. Unter Ausnutzung dieser Rotationsenergie kann schließlich die zum Bereiben der Kommunikationseinheit benötigte Energie gewonnen werden.
  • Das Flügelrad des Propellers ist mechanisch mit dem Generator gekoppelt, wobei der Generator ausgebildet ist, um die Rotation des Flügelrads in elektrische Energie umzuwandeln.
  • Vorteilhafterweise weist die Kommunikationseinheit zumindest eine Antenne zur Kommunikation mit einer Basisstation oder einer weiteren Kommunikationseinheit aufweist, wobei ein Strahler der Antenne in eine Stütze des Propellers integriert ist oder wobei die Stütze selbst ein Teil der Antenne ist.
  • Die Energiewandlereinheit ist bspw. in einem von der Fluidströmung durchströmten Strömungskanal oder an einer Einlass- oder Auslassöffnung des Strömungskanals einer Klima- oder Belüftungsanlage oder an einem Filterelement der Klima- oder Belüftungsanlage angeordnet ist. Die Kommunikationseinheit umfasst bspw. eine Funksensoreinheit, eine Funkaktoreinheit und/oder eine Meldeeinrichtung.
  • Der Vollständigkeit halber wird erwähnt, dass den Kommunikationseinheiten auch Lesegeräte, z. B. RFID-Lesegeräte, zuzurechnen sind, die bspw. verwendet werden, um per Funk abfragbare Identmarken zu orten und/oder auszulesen. Werden auf Inventar, Lagerware oder anderen geeigneten Objekten aufgebrachte Identmarken im Umfeld eines solchen Lesegerätes bzw. einer derartigen Kommunikationseinheit erkannt, so kann das Lesegerät diese Information per Funk an eine Basisstation melden, intern abspeichern und/oder an ein anderes geeignetes Gerät weiterleiten.
  • Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus dem im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiel sowie anhand der Zeichnungen.
  • 1 eine Funksensoreinheit in einem fluiddurchströmten Kanal mit einer piezobeschichteten, flexiblen Fahne, in die eine Antenne integriert ist,
  • 2 eine Funksensoreinheit mit einer Monopolantenne,
  • 3 eine Funksensoreinheit mit platzsparender, niedriger Bauhöhe,
  • 4 eine Funksensoreinheit mit in die Fahne integrierter Antenne und Elektronikbaugruppe,
  • 5 eine in eine Klimaanlage integrierte Funksensoreinheit,
  • 6 eine Funksensoreinheit in einem fluiddurchströmten Kanal mit einer piezobeschichteten, flexiblen Membran,
  • 7 eine Funksensoreinheit mit einem Permanentmagneten und einer im magnetischen Feld des Magneten angeordneten Spule und
  • 8 eine Funksensoreinheit mit einem Propeller zur Erzeugung elektrischer Energie,
  • 9 eine Funksensoreinheit mit einer über piezoelektrische Biegewandler angebundenen starren Fahne,
  • 10 eine Funksensoreinheit mit einer über piezoelektrische Torsionswandler angebundenen starren Fahne,
  • 11 eine Funksensoreinheit mit einer über piezoelektrische Biegewandler und über eine mechanische Verlängerung angebundenen starren Fahne.
  • In den Figuren sind identische bzw. einander entsprechende Bereiche, Bauteile, Bauteilgruppen oder Verfahrensschritte mit denselben Bezugsziffern gekennzeichnet.
  • Die 1 zeigt eine Kommunikationseinheit 10, die im Ausführungsbeispiel als Funksensoreinheit 10 ausgebildet ist. Die Funksensoreinheit 10 befindet sich in einem von einer Fluidströmung 2 durchströmten Kanal, wobei der Kanal im konkreten Ausführungsbeispiel der Strömungskanal 1 einer Klima- oder Belüftungsanlage eines Gebäudes ist. Der Strömungskanal 1 wird von einem Luftstrom 2 durchströmt, wobei der Luftstrom 2 in der 1 von links nach rechts strömt.
  • Die Funksensoreinheit 10 beinhaltet einen Generator 20 mit einer Energiewandlereinheit 30, die ausgebildet ist, um die Strömungsenergie des Luftstroms 2 in die elektrische Energie für die energieautarke Funksensoreinheit 10 umzuwandeln. Die Energiewandlereinheit ist eine flexible Fahne 30, die eine Beschichtung 40 aus piezoelektrischem Material, bspw. Polyvinylidenfluorid (PVDF), aufweist. Alternativ kann auch die komplette Fahne 30 aus piezoelektrischem Material bestehen. An der Beschichtung 40 sind elektrische Kontakte 41, 42 vorgesehen, an denen eine im piezoelektrischen Material erzeugte elektrische Spannung abgegriffen werden kann. In die Fahne 30 ist in planarer Bauweise die Struktur einer Schleifenantenne 50 integriert, die über Antennenanschlüsse 51, 52 kontaktiert ist. Allgemein kann die Antenne 50 als flexible, planare und/oder geschichtete Antennenstruktur ausgebildet sein.
  • Alternativ kann die Antenne auch aus einem Stück Draht bestehen. Um bestimmte Eigenschaften zu erzielen, gibt es aber auch eine Vielzahl weiterer Möglichkeiten, eine Antenne mit den gewünschten Eigenschaften zu realisieren. Vorteilhaft sind jedoch die erwähnten planaren Strukturen.
  • Die Integration der Antenne in die Fahne stellt nur einen unwesentlich höheren Aufwand für Material und Fertigung der Fahne dar, während insbesondere externe Antennen separat gefertigt oder von anderen Herstellern bezogen werden müssen. Durch die Integration in die Fahne lassen sich demnach Vorteile hinsichtlich der Herstellungskosten der Kommunikationseinheiten erzielen.
  • Weiterhin ist es denkbar, eine geschichtete planare Antennenstruktur zu verwenden, bei der die Antenne aus mehreren leitenden und isolierenden Schichten aufgebaut ist, wobei die einzelnen Schichten für sich planare Strukturen enthalten können. Diese Schichten lassen sich wie bei der Leiterplattenherstellung ebenfalls aufeinander laminieren und bilden so eine robuste Einheit. Diese Methode der Realisierung wäre trotz des hoch erscheinenden Aufwandes immer noch als verhältnismäßig kostengünstig anzusehen.
  • Die Fahne 30 wird an einem Störkörper 60 befestigt, indem sie bspw. in den Störkörper 60 eingeklemmt wird. Der Störkörper 60 ist seinerseits an einem Gehäuse 70 der Funksensoreinheit 10 befestigt, während das Gehäuse 70 mit Hilfe von Befestigungseinrichtungen 72 fest mit dem Strömungskanal 1 verbunden ist. Das Gehäuse 70 weist außerdem einen Temperatursensor 80 zur Messung der Temperatur der Luftstroms 2 auf.
  • Im Gehäuse 70 ist eine Elektronikbaugruppe 90 untergebracht, die über nicht dargestellte elektrische Leitungen mit dem Temperatursensor 80, der Antenne 50 und den elektrischen Kontakten 41, 42 der Beschichtung 40 verbunden ist.
  • Aufgrund des in den Luftstrom 2 eingebrachten Störkörpers 60 entstehen in Strömungsrichtung des Luftstroms 2 gesehen hinter dem Störkörper 60, d. h. idealerweise am Ort der Fahne 30, Verwirbelungen, die dazu führen, dass die Fahne 30 zu flattern beginnt. Durch die mechanische Bewegung bzw. Verformung der piezoelektrischen Beschichtung 40 wird eine elektrische Spannung erzeugt, die an den Kontakten 41, 42 abgegriffen und der Elektronikbaugruppe 90 zur Verfügung gestellt wird.
  • Die Elektronikbaugruppe 90 nutzt die somit verfügbare elektrische Energie, bspw. um den Temperatursensor 80 zu betreiben, um über die Antenne 50 Nutzinformationen oder andere Daten zu senden und/oder um empfangene Daten weiter zu verarbeiten. Je nach Funktion des Funksensors kann die elektrische Energie natürlich auch zu anderen Zwecken verwendet werden. Vorteilhafterweise beinhaltet die Elektronikbaugruppe 90 einen Energiespeicher 91, wie bspw. einen Kondensator, einen Akku oder eine (Mikro-)Brennstoffzelle, in dem ggf. überschüssige elektrische Energie gespeichert werden kann. Dies ist bspw. dann von Vorteil, wenn die vom Generator 20 gelieferte elektrische Energie nicht ausreicht, um die Funksensoreinheit 10 während eines Mess- und/oder Sendevorgangs ausreichend zu versorgen.
  • Grundsätzlich ist es auch denkbar, nur einen Teil der Antenne 50 in die Fahne 30 zu integrieren und den restlichen Teil der Antenne 50 bspw. durch Teile des Gehäuses 70 und/oder durch zusätzliche Bauteile zu realisieren. In der 2 ist eine Ausführungsform dargestellt, bei der die Antenne 50 nicht mehr vollständig in die Fahne 30 integriert ist. Die Antenne 50 ist als Monopolantenne 50 ausgebildet. Diese umfasst einen planaren Strahler 53 und eine Massefläche 54. Der Teil der Fahne 30, in den der Strahler 53 integriert ist, ist in den Störkörper eingeklemmt. Hierdurch ergibt sich ein besonderer mechanischer Schutz für die Antenne 50 bzw. für den Strahler 53. Die Massefläche 54 wird durch den Deckel 71 des Gehäuses 70 realisiert, der in diesem Fall elektrisch leitend sein muss. Der Anschluss des Strahlers 53 an die Elektronikbaugruppe 90 erfolgt über eine Kontaktstelle 55. Die Vorteile dieser Ausführungsform liegen in der besonders hohen mechanischen Robustheit und in den günstigeren funktechnischen Eigenschaften der Antenne 50. Grundsätzlich kann auch der Störkörper 60 selbst die Rolle der Antenne 50 übernehmen.
  • Die 3 zeigt eine Ausführungsform, bei der eine niedrigere Bauhöhe realisiert ist, indem die Fahne 30 horizontal ausgerichtet wird. Der hier dargestellte Längsschnitt durch die Fahne 30 zeigt eine Momentaufnahme der Verformung der Fahne 30 im Luftstrom 2. Bspw. am Punkt 31 wird die piezoelektrische Beschichtung gedehnt, während die Beschichtung an der gegenüberliegenden Seite im Punkt 32 gestaucht wird, so dass gemäß dem piezoelektrischen Effekt eine elektrische Spannung abgegriffen werden kann.
  • Die Funktionsweise der Ausführungsform der 3 entspricht derjenigen der oben beschriebenen Ausführungen, wobei die Antenne 50 wieder als Schleifenantenne oder als Monopolantenne ausgebildet sein kann.
  • Vorteilhafterweise kann der Strömungskanal 1 als Funkkanal genutzt werden, um so von besonders günstigen Ausbreitungsbedingungen zu profitieren und/oder zusätzliche Ausbreitungswege für die von der Antenne 50 abgestrahlten Signale zu schaffen.
  • Ist der Funksensor in einem metallischen Strömungskanal 1 untergebracht, so kann es günstig sein, eine zusätzliche Antenne vorzusehen, die zum Aussenden und/oder Empfangen von Signalen außerhalb des Strömungskanals 1 platziert und mit der Elektronikbaugruppe 90 verbunden ist.
  • Es ist denkbar, mehrere Antennen in die Fahne 30 zu integrieren. Darüber hinaus können für den Fall, dass mehrere Fahnen 30 zur Erzeugung elektrischer Energie vorgesehen sind, mehrere Antennen in einige oder sogar alle Fahnen integriert werden, so dass ein verteiltes Antennensystem entsteht, bspw. nach Art eines Phased Array Antennensytems.
  • Zusätzlich zur Integration der Antenne 50 in die Fahne 30 und/oder den Störkörper 60 können auch die Elektronikbaugruppe 90 oder Teile von dieser und/oder der Sensor 80 auf die Fahne 30 integriert werden wie in der 4 angedeutet. Dies wird durch moderne Aufbau- und Verbindungstechniken möglich wie bspw. durch die Kontaktierung von Bauteilen mit Hilfe von Leitklebern. Der mit elektronischen Bauteilen bestückte Teil der Fahne 30 kann mechanisch verstärkt oder in den Störkörper 60 geklemmt werden, um die Zuverlässigkeit der Funksensoreinheit 10 zu erhöhen. Die sich hieraus ergebenden Vorteile sind die niedrigeren Herstellungskosten, der einfache, kompakte Aufbau ohne separate Elektronikbaugruppe und der resultierende hohe Grad der Miniaturisierung. Die Funksensoreinheit 10 besteht in diesem Fall nur noch aus dem Störkörper 60, der Fahne 30, der Antenne 50, die in der 4 wieder als Monopolantenne ausgebildet ist, und Vorrichtungen zur Befestigung am Strömungskanal 1. Der Vollständigkeit halber sind elektrische Anschlüsse 92, 93 der Elektronikbaugruppe dargestellt, die mit der Antenne 50, dem Sensor 80 und/oder der piezoelektrischen Beschichtung 40 verbunden sind (nicht im Detail dargestellt).
  • Die 5 zeigt eine erfindungsgemäße Funksensoreinheit 10, die in diesem Anwendungsbeispiel zur Erkennung der Belegung eines Raumes verwendet wird. Die Funksensoreinheit 10 befindet sich an der Auslassöffnung 100 einer Klimaanlage. Die Fluidströmung ist auch in diesem Fall ein durch die Pfeile symbolisierter Luftstrom 2, der von der eigentlichen, hier nicht dargestellten Klimaanlage erzeugt wird. Der Luftstrom 2 wird über ebenfalls nicht dargestellte Kanäle zur Auslassöffnung 100 geleitet. An der Auslassöffnung 100 befindet sich ein Filter 110, an dem die Funksensoreinheit 10 mit Hilfe von Befestigungseinrichtungen 72 befestigt ist. Zumindest ein Teil des den Filter durchsetzenden Luftstroms 2 durchströmt ein offenes Gehäuseteil 120 der Funksensoreinheit 10. In dem Gehäuseteil 120 befinden sich die in den Ausführungsbeispielen der 1 bis 4 beschriebene Fahne 30 und der Störkörper 60, wobei der Störkörper 60 Verwirbelungen erzeugt, die die Fahne 30 zum Flattern anregen, so dass über die auf die Fahne 30 aufgebrachte piezoelektrische Beschichtung 40 eine elektrische Spannung erzeugt wird. Die Funksensoreinheit 10 umfasst darüber hinaus einen Infrarotsensor 80 wie er bspw. in handelsüblichen Bewegungsmeldern verwendet wird, mit dem die Anwesenheit von Personen festgestellt werden kann, und eine Elektronikbaugruppe 90 mit einer Antenne 50 (nicht im Einzelnen dargestellt) zum Senden und/oder Empfangen von Daten. Fahne 30, Störkörper 60 und Elektronikbaugruppe 90 sind hier nicht im Detail dargestellt, sind aber analog zur Ausführung der 1, 2, 3 oder 4 ausgebildet. Ebenso erfolgt die Erzeugung der elektrischen Energie zur Betreiben des Infrarotsensors 80 und der Elektronikbaugruppe 90 wie im Zusammenhang mit 1, 2, 3 oder 4 beschrieben.
  • Zusätzlich zur Überwachung des Raumes kann die Funksensoreinheit 10 der 5 auch die Funktion der Überwachung von Austausch-Intervallen der Filterelemente des Filters 110 übernehmen.
  • Anstelle eines Temperatursensors 80 oder zusätzlich zu diesem können auch andere Sensoren 80 zur Erfassung physikalischer und/oder chemischer Messgrößen verwendet werden. Bspw. kann die Funksensoreinheit 10 umfassen:
    • – einen Sensor zur Erkennung der Belegung von Räumen,
    • – einen Bewegungsmelder,
    • – einen Rauchmeldesensor,
    • – einen Sensor zur Messung der Luftfeuchtigkeit und/oder des Luftdrucks,
    • – einen Sensor zur Bestimmung der Fließgeschwindigkeit, der Viskosität des Fluids,
    • – einen Sensor zur (chemischen) Analyse des Fluids,
    • – eine per Funk abfragbare Identmarke und/oder
    • – ein Mikrophon.
  • Besonders vorteilhaft ist die Kombination eines Rauchmelders mit einem Sensor zur Erkennung der Belegung von Räumen. Weitere Anwendungen und entsprechende Sensortypen sind natürlich ebenso denkbar und einem Fachmann geläufig.
  • Darüber hinaus ist es denkbar, die Kommunikationseinheit 10 mit weiteren, zusätzlichen Energiewandlern auszustatten, die andere Effekte in der Umgebung der Kommunikationseinheit 10 zur Erzeugung elektrischer Energie nutzen. Beispiele hierfür sind pyroelektrische Materialien, thermoelektrische Generatoren bzw. Peltierelemente und Solarzellen, wobei diese Energiewandler prinzipiell auch in die Fahne integriert werden können. Ein typischer Anwendungsfall wäre eine Funksensoreinheit für den Außenbereich, die die zum Betrieb benötigte Energie aus einer (oder mehreren) in einer Luftströmung flatternden Fahne bezieht und zusätzlich – zumindest bei Tageslicht – aus Solarzellen. Moderne Fertigungsverfahren erlauben die Aufbringung der Solarzellen als strukturierte Beschichtung auf die Fahne.
  • An Stelle der Fahne 30 kann die Energiewandlereinheit des Generators 20 wie in der 6 schematisch angedeutet auch eine Membran 130 sein. Diese weist wie die Fahne 30 eine Beschichtung 40 mit piezoelektrischem Material auf oder besteht aus einem solchen Material. Im Unterschied zur Fahne 30 ist die Membran 130 nicht nur am Störkörper 60 befestigt, sondern auch noch an einer weiteren Befestigungsstelle 140. Die Funktionsweise der Membran 130 zur Erzeugung elektrischer Energie entspricht jedoch der Funktionsweise der Fahne 30: Die Membran 130 wird durch Verwirbelungen in der Fluidströmung 2 in Schwingungen versetzt, so dass die piezoelektrische Beschichtung 40 verformt und eine elektrische Spannung erzeugt wird.
  • In einer alternativen Ausführungsform, die in der 7 dargestellt ist, wobei die Bauweise der Kommunikationseinheit bzw. der Funksensoreinheit 10 im Wesentlichen derjenigen der 4 entspricht, kann bspw. kann am freien Ende der Fahne 30 eine Spule 44 angebracht sein, während an der Kommunikationseinheit 10 ein fest stehender Permanentmagnet 43 befestigt ist. Beginnt die Fahne 30 in der Luftströmung 2 zu flattern, so wird die Spule 44 derart mitbewegt, dass sich der den Spulenquerschnitt durchsetzende magnetische Fluss des Permanentmagneten 43 zeitlich ändert, so dass in der Spule 44 eine Spannung induziert wird. Diese kann wiederum über entsprechende, nicht dargestellt Kontakte abgegriffen und wie bereits beschrieben einer hier nicht dargestellten Elektronikbaugruppe zugeführt werden. Umgekehrt kann auch der Permanentmagnet an der Fahne befestigt sein und sich mit dieser bewegen, während die Spule fest stehend mit der Kommunikationseinheit verbunden ist. Voraussetzung ist lediglich, dass sich der den Spulenquerschnitt durchsetzende magnetische Fluss des Permanentmagneten zeitlich ändert. Die Fahne 30 kann hier entweder wieder direkt mit dem Störkörper 60 verbunden sein, bspw. in diesen eingeklemmt, oder es sind zusätzlich (nicht dargestellt) Federn vorhanden, über die die Fahne 30 mit dem Störkörper 60 verbunden ist. Hierdurch würde bspw. erreicht, dass eine größere Schwingungsamplitude möglich ist.
  • Entsprechendes ist natürlich auch möglich, wenn wie bereits beschrieben die Fahne durch eine Membran ersetzt würde und an dieser ein Permanentmagnet oder eine Spule befestigt ist.
  • Die 8 zeigt eine Kommunikationseinheit 10, insbesondere eine Funksensoreinheit 10, mit einem Generator 20, der als Energiewandlereinheit 30 einen Propeller 140 mit einem Flügelrad 150 aufweist. Die Fluidströmung 2 versetzt das Flügelrad 150 des Propellers 140 in Rotation. Die Drehachse des Propellers 140 ist mechanisch mit dem elektrischen Generator 20 gekoppelt (nicht dargestellt), so dass dieser in bekannter Weise bei Rotation des Flügelrads 150 und der Drehachse elektrische Energie erzeugt, die zum Betreiben der Funksensoreinheit 10 verwendet werden kann. Wie in den oben beschriebenen Beispielen weist die Funksensoreinheit 10 einen Elektronikbaugruppe 90 auf, die mit der erzeugten elektrischen Energie versorgt wird und diese nutzt, um den Sensor 80 zu betreiben, um über die Antenne 50 Signale zu versenden und/oder um empfangene Signale ggf. weiter zu verarbeiten. Die Antenne 50 ist in der 7 wieder als Monopolantenne 50 mit einem Strahler 53 und einer Massefläche 54 ausgebildet, wobei der Strahler 53 in eine Stütze 160 des Propellers 140 integriert ist.
  • Alternativ besteht nicht die Fahne selbst aus piezoelektrischem Material bzw. ist mit einem solchen beschichtet. Die Fahne besteht allgemein aus einem flexiblen, halbstarrren oder starren Material und ist an einem oder mehreren Bauelementen angebracht, die aus piezoelektrischem Material bestehen oder elektromagnetisch eine Bewegung in elektrische Energie umwandeln. Die Fahne ist wieder in einer Fluidströmung positioniert und wird durch die Strömung in Bewegung versetzt. Die Bewegung der Fahne wird auf das Bauelement übertragen, dessen Bewegung schließlich unter Ausnutzung des piezoelektrischen Effekts die Erzeugung elektrischer Energie ermöglicht.
  • Konkret ist dies in den 9 bis 11 dargestellt. Die Fahne 230 besteht hier besonders vorteilhaft aus einem starren, aber leichten Material. Ein leicht flexibles Material, ist ebenfalls denkbar. Die in den 9 bis 11 dargestellte Funksensoreinheit 10 stimmt im Wesentlichen, insbesondere bezüglich der Bauteile Störkörper 60, Gehäuse 70, Befestigungseinrichtung 72, Sensor 80, Elektronikbaugruppe 90 und Energiespeicher 91, mit der Funksensoreinheit 10 überein, die im Zusammenhang mit den 1, 2, 3 beschrieben wurde. Auf die Funktionen dieser Bauteile wird daher im Folgenden nicht mehr näher eingegangen sondern auf obige Beschreibung verwiesen.
  • Die Energiewandlereinheit 30 der 9, die auch hier wieder zumindest einen Teil der Strömungsenergie der Luftströmung 2 in elektrische Energie zum Betreiben der Funksensoreinheit 10 umwandelt, umfasst in der 9 die starre Fahne 230 und zwei piezoelektrische Biegewandler 240. Diese erzeugen eine elektrische Spannung in Abhängigkeit von einer Verformung, insbesondere einer Verbiegung, des Wandlers. Die Fahne 230 ist mit den piezoelektrischen Biegewandlern 240 verbunden, während die piezoelektrischen Biegewandler 240 ihrerseits mit einer Befestigungseinrichtung 60 der Funksensoreinheit 10 verbunden sind.
  • Die Fahne 230 ist derart in der Luftströmung 2 angeordnet, dass sie von der Luftströmung 2 in eine flatternde oder schwingende Bewegung versetzt wird. Aufgrund dessen werden die piezoelektrischen Biegewandler 240 verbogen, so dass an elektrischen Kontakten 241 der Biegewandler 240 eine elektrische Spannung abgreifbar ist. Die Elektronikbaugruppe 90 der Funksensoreinheit 10 ist über nicht dargestellte elektrische Leitungen mit den elektrischen Kontakten 241 der piezoelektrischen Biegewandler 240 verbunden, so dass der Elektronikbaugruppe 90 und/oder der Energiespeichereinrichtung 91 die aufgrund der Verformung der Biegewandler 240 an den Kontakten 241 abgreifbare elektrische Spannung zur Verfügung steht.
  • Die Energiewandlereinheit 30 der 10 umfasst wieder die starre Fahne 230 und zwei piezoelektrische Torsionswandler 340. Diese erzeugen eine elektrische Spannung in Abhängigkeit von einer Verdrehung des Wandlers. Die Fahne 230 ist mit den piezoelektrischen Torsionswandlern 340 verbunden, während die piezoelektrischen Torsionswandler 340 ihrerseits mit der Befestigungseinrichtung 60 der Funksensoreinheit 10 verbunden sind. In Ausführungsform der 10 weist die Befestigungseinheit 60 einen Tragarm 61 auf, mit dem der in der 10 obere Torsionswandler 340 verbunden ist. Der untere Torsionswandler 340 ist im dargestellten Beispiel direkt an das Gehäuse 70 der Funksensoreinheit 10 angeschlossen. Alternativ kann die Befestigungseinrichtung 60 einen weiteren Tragarm bzw. Steg (nicht dargestellt) aufweisen, der dem Tragarm 61 gegenüberliegend angeordnet ist und an dem der untere Torsionswandler 340 befestigt ist.
  • Die Fahne 230 ist auch hier derart in der Luftströmung 2 angeordnet, dass sie von der Luftströmung 2 in eine flatternde oder schwingende Bewegung versetzt wird. Aufgrund dessen werden die piezoelektrischen Torsionswandler 340 verdreht, so dass an elektrischen Kontakten 341 der Torsionswandler 240 eine elektrische Spannung abgreifbar ist, welche wie oben beschrieben genutzt werden kann, um z. B. die Funksensoreinheit 10 mit elektrischer Energie zu versorgen.
  • In sämtlichen oben beschriebenen Ausführungsformen wird das mechanische schwingungsfähige System, d. h. insbesondere entweder die Fahne 30 bzw. Membran 130 allein oder die Fahne 230 in Kombination mit dem Biege- oder Torsionswandler 240, 340, so ausgelegt, dass die mechanische Eigenresonanzfrequenz des Systems zu den Frequenzen der in der Luftströmung 2 mit Hilfe des Störkörpers 60 erzeugten Verwirbelungen passt. Dabei wird die Resonanzfrequenz insbesondere durch die Steifigkeit der Fahne 30 bzw. Membran 130 und/oder der Biege- oder Torsionswandler 240, 340 beeinflusst werden. Auch falls kein Störkörper 60 vorgesehen ist, können die Frequenzen in der Luftströmung 2 abgeschätzt werden, so dass auch dann eine Anpassung der Resonanzfrequenz des Systems möglich ist.
  • Die 11 zeigt eine vorteilhafte Ausgestaltung der in der 9 dargestellten Ausführungsform. Wie in der 9 sind auch hier Biegewandler 240 vorgesehen, die zum Einen mit der Befestigungseinrichtung bzw. dem Störkörper 60 der Funksensoreinheit 10 und zum Anderen mit der starren Fahne 230 verbunden sind. Hier sind jedoch die Biegewandler 240 nicht direkt mit der Fahne 230 verbunden. Die Verbindung zwischen Fahne 230 und Biegewandler 240 erfolgt hier vielmehr mit Hilfe von starren Edelstahldrähten 250, wobei die Drähte 250 bspw. an die Biegewandler 240 und an die Fahne 230 geklebt sind (auch hier sind natürlich andere Befestigungsmöglichkeiten wie Klemmen oder Schrauben denkbar). Der restliche Aufbau der Funksensoreinheit 10 kann wie oben beschrieben ausgeführt sein.
  • Die Fahne 230 wird im Ausführungsbeispiel der 11 von der Luftströmung 2 in schwingende oder flatternde Bewegung versetzt. Aufgrund der durch die Edelstahldrähte 250 erreichten mechanischen Verlängerung zwischen Biegewandlern 240 und Fahne 230 wird eine größere Hebelwirkung am Wandler 240 erzeugt. Über die Länge der Edelstahldrähte 250 lässt sich die mechanische Eigenresonanzfrequenz des Systems bestehend aus Fahne 230 (entsprechend einer Masse) und Wandler 240 oder 340 (entsprechend einer Feder) beeinflussen und an die vorherrschenden Randbedingungen anpassen, welche bspw. durch die Strömungsgeschwindigkeit der Luftströmung 2 und durch die Geometrie und Platzierung des Störkörpers 60 gegeben sind. Idealerweise ist die Fahne 230 in Längsrichtung der Edelstahldrähte 250 verschiebbar, d. h. die Fahne 230 ist lösbar an den Drähten 250 befestigt, bspw. angeschraubt oder geklemmt. So kann bei Bedarf mit einfachen Mitteln eine Feinabstimmung des Systems durchgeführt werden, bei der vorzugsweise die Resonanzfrequenz des Systems angepasst wird.
  • Die mechanischen Verlängerungen bzw. Edelstahldrähte 250 können insbesondere als Bestandteil einer Antenne und/oder als Träger von evtl. benötigten Elektronikbauteilen dienen.
  • Die im Zusammenhang mit der 11 beschriebene Ausführungsform mit verlängernden Edelstahldrähten 250 in Kombination mit piezoelektrischen Biegewandlern 240 ist in analoger Form natürlich ohne weiteres auf die in der 10 dargestellte Ausführung mit piezoelektrischen Torsionswandlern 340 übertragbar.
  • Die Verbindungen zwischen Fahne 230 und Biege- bzw. Torsionswandlern 240, 340 können bspw. durch Kleben oder aber durch Verschrauben, Nieten, Klemmen etc. realisiert sein. Zur Verbindung der Wandler 240, 340 stehen ebenfalls diverse Möglichkeiten zur Verfügung. Bspw. können die Wandler 240, 340 duch Einklemmen der Wandler 240, 340 befestigt werden. Für den Fall, dass die Wandler 240, 340 zwischen zwei gegenüberliegenden Leiterplatten eingeklemmt werden, realisiert diese Befestigung gleichzeitig die elektrischen Kontakte 241, 341. Ansonsten würden entsprechende Lötstellen benötigt. Ein einfaches Festschrauben oder Ankleben der Wandler 240, 340 an der Befestigungseinrichtung 60 ist natürlich ebenfalls möglich.
  • Die Befestigungseinrichtung 60 ist vorteilhafterweise wieder als Störkörper 60 ausgebildet, der am Gehäuse 70 der Funksensoreinheit 10 befestigt ist und der bewirkt, dass in Strömungsrichtung des Luftstroms 2 gesehen hinter dem Störkörper 60, d. h. idealerweise am Ort der Fahne 230, Verwirbelungen entstehen, die dazu führen, dass die Fahne 230 zu flattern bzw. zu schwingen beginnt.
  • Grundsätzlich ist es natürlich denkbar nur einen piezoelektrischen Biegewandler 240 oder, bspw. aus Stabilitätsgründen, auch mehr als zwei Biegewandler 240 vorzusehen. Über die Anzahl der Wandler 240 kann auch die erzeugbare elektrische Energiemenge beeinflusst werden. Im Falle der Ausführungsform mit Torsionswandlern 340 ist es ebenfalls denkbar, die Fahne 230 an nur einem Torsionswandler 340 zu befestigen. Bspw. würde es ausreichen, nur den oberen, am Tragarm 61 befestigten Torsionswandler vorzusehen und die Fahne 230 nur über eine einfache Befestigung am Gehäuse 70 drehbar zu fixieren. Im einfachsten Fall könnte die Befestigung ein Faden o. ä. sein, der lediglich für eine gewisse Stabilität der Ausrichtung der Fahne 230 sorgt, dabei aber eine Torsion zulässt.
  • Weiterhin kann es sich als sinnvoll erweisen, mechanische Anschläge vorzusehen, die die Schwingungsamplitude der Fahne 230 beschränken und somit eine Überbelastung, bspw. eine Überdehnung, der Biege- oder Torsionswandler 240, 340 verhindern. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Anschläge weiche Aufprallstellen, bspw. in Form von Gummipuffern, aufweisen, an denen die Fahne 230 im Falle einer großen Schwingungsamplitude anschlägt. So kann die Gefahr einer Beschädigung der Fahne 230 minimiert werden.
  • Wie oben im Zusammenhang mit der aus piezoelektrischem Material bestehenden bzw. mit der mit einem piezoelektrischen Material beschichteten Fahne beschrieben, können natürlich auch auf der starren Fahne 230 Antennenstrukturen und/oder Elektronikbaugruppen untergebracht werden.
  • Im Zusammenhang mit den Figuren wurden lediglich Ausführungsbeispiele erläutert, in denen jeweils nur eine einzelne Fahne/Membran bzw. ein einzelner Propeller zur Umwandlung der Strömungsenergie in elektrische Energie verwendet wurde. Denkbar ist es natürlich, mehrere derartige Generatoren gleichzeitig einzusetzen, wobei evtl. je nach Phasenbeziehung der erzeugten elektrischen Spannungen in einer zentralen elektronischen Baugruppe eine entsprechende Verschaltung erfolgen müsste. Dabei ist es ebenfalls denkbar, in einige oder alle Fahnen oder Membranen Antennen zu integrieren.
  • Die Kommunikationseinheit 10 kann alternativ als energieautarkes Funksystem ausgebildet sein und bspw. die Funktion eines Routers für die Daten anderer Funksensoreinheiten übernehmen. In einer anderen denkbaren Anwendung ist die Kommunikationseinheit 10 ein Lesegerät für funkabfragbare Identmarken bspw. in einem RFID-System.
  • Ebenso können die Kommunikationseinheiten ihrerseits als Identmarken dienen und bspw. bei einer Abfrage mit einem geeigneten Lesegerät per Funk eine eindeutige Identnummer ausgeben, die Rückschlüsse auf ihre Position, z. B. auf eine Raumnummer, zulässt. Mit solchen Systemen kann z. B. die Erfassung von Dienstleistungen im Bereich der Gebäudetechnik unterstützt werden: Bspw. werden nach Durchführung der Arbeiten einer Reinigungsfachkraft in einem bestimmten Raum mit einem Bedienterminal die Identnummer des Funksensors an der Decke und somit die zugehörige Raumnummer un Verbindung mit der Uhrzeit erfasst. Dies kann als Nachweis zur korrekten Durchführung der Reinigungsarbeiten herangezogen werden. Auch könnten mit ähnlichen Verfahren bspw. vom Hausmeister erkannte Besonderheiten wie etwaige Schäden gleich mit Bezug auf die betreffende Raumnummer in einem kleinen portablen Computer erfasst werden.
  • Für den Fall eines Systems aus mehreren energieautarken Kommunikationseinheiten können diese so ausgelegt sein, dass sie sich einem genormten oder einem selbst entworfenen Protokollstandard entsprechend selbst in einem Funknetzwerk organisieren und verwalten.
  • Im Rahmen einer weiteren Anwendung arbeitet die erfindungsgemäße energieautarke Kommunikationseinheit als Meldeeinrichtung: Die Kommunikationseinheit beinhaltet in diesem Fall an Stelle eines Sensors optische und/oder akustische Signalgeber wie Leuchtdioden, Lampen, Lautsprecher o. ä., mit denen die Kommunikationseinheit bei Bedarf auf einen bestimmten Zustand wie bspw. einen Alarmzustand im Brandfall aufmerksam macht. Die Meldeeinrichtung weist wie die oben beschriebene Funksensoreinheit eine Antenne auf, mit der sie bspw. von einer Basisstation per Funk ein Signal empfangen kann, das in einer Elektronikbaugruppe analysiert wird. Ergibt die Analyse, dass ein Zustand vorliegt, der weiter gemeldet werden muss, bspw. der bereits erwähnte Alarmzustand im Brandfall, wird ein Lautsprecher und/oder ein optisches Signal aktiviert. Die elektrische Energie für die Elektronikbaugruppe und/oder für das optische und/oder akustische Signal wird wie oben im Zusammenhang mit der Funksensoreinheit beschrieben von einem Generator zur Verfügung gestellt, der eine Energiewandlereinheit 30 aufweist, die ausgebildet ist, um die Strömungsenergie einer Fluidströmung, bspw. eines Luftstroms, in die elektrische Energie für die energieautarke Meldeeinrichtung umzuwandeln. Die Energiewandlereinheit kann wiederum eine flexible Fahne, eine flexible Membran, ein Propeller oder eine mit Biege- oder Torsionswandlern angebundene starre Fahne sein, wie sie bereits beschrieben wurden.
  • Auch kann die Kommunikationseinheit als Funkaktor ausgebildet sein. Bei diesem wäre an Stelle des Sensors 80 bspw. ein Elektromotor vorgesehen, der wie einleitend erwähnt Klappen an einem Auslass eines Kanals einer zentralen Lüftungs- oder Klimaanlage betätigt und damit bspw. die Luftzufuhr zu einem Raum beeinflussen kann.
  • Weitere Einsatzgebiete der Kommunikationseinheit sind allgemein Leitungen für fließende Medien, bspw. in Anlagen aus dem Bereich Verfahrenstechnik, in die Sensoren zur Erfassung des Zustands des Mediums eingebracht und die Messergebnisse per Funk an eine Basisstation übermittelt werden sollen. Speziell durch die Integration der Antenne in die Fahne ergibt sich eine vergleichsweise geringe Baugröße, so dass die Kommunikationseinheit auch in sehr dünnen Leitungen untergebracht werden kann. Weiterhin ist es denkbar, die Kommunikationseinheit in medizintechnische Geräte, bspw. in Endoskopiekapseln, zu integrieren. Auch die Erkennung der Belegung von weiten Bereichen wie Parkplätzen, Fluren, Großraumbüros, Lagerräumen etc. ist natürlich möglich.
  • Einer Kombination verschiedener Merkmale der in den Figuren dargestellen Ausführungsformen steht grundsätzlich nichts im Wege. So kann – rein exemplarisch – auch die starre Fahne der 9 wie in der 3 horizontal ausgerichtet sein und es können gleichzeitig eine Antenne und/oder eine elektronische Baugruppe auf der starren Fahne platziert sein. Andere Kombinationen sind selbstverständlich ebenfalls denkbar und an die am Montageort der Kommunikationseinheit vorherrschenden räumlichen Gegebenheiten anpassbar.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • - US 6424079 B1 [0014]

Claims (15)

  1. Kommunikationseinheit (10), insbesondere energieautarke Funk-Kommunikationseinheit, mit einem elektrischen Generator (20) zur Erzeugung elektrischer Energie zum Betreiben der Kommunikationseinheit (10), wobei der Generator (20) eine Energiewandlereinheit (30) aufweist, die ausgebildet ist, um Strömungsenergie einer Fluidströmung (2) in die elektrische Energie für die Kommunikationseinheit (10) umzuwandeln.
  2. Kommunikationseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiewandlereinheit (30) – eine flexible Fahne (30) aus strukturiertem und/oder geschichtetem piezoelektrischem Material oder mit einer Beschichtung (40) aus piezoelektrischem Material aufweist oder – eine flexible Membran (130) aus strukturiertem und/oder geschichtetem piezoelektrischem Material oder mit einer Beschichtung (40) aus piezoelektrischem Material aufweist, die derart in der Fluidströmung (2) angeordnet ist, dass sie von der Fluidströmung (2) in eine flatternde oder schwingende Bewegung versetzt wird.
  3. Kommunikationseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiewandlereinheit (30) eine flexible, halbstarre oder starre Fahne (230) aufweist, die derart in der Fluidströmung (2) angeordnet ist, dass sie von der Fluidströmung (2) in eine flatternde oder schwingende Bewegung versetzt wird, wobei die Fahne (230) an einem Bauelement (240, 340) der Energiewandlereinheit (30) aus piezoelektrischem Material befestigt ist und das Bauelement (240, 340) durch die flatternde oder schwingende Bewegung der Fahne (230) in der Fluidströmung (2) in Bewegung versetzt wird.
  4. Kommunikationseinheit nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauelement (240, 340) ein piezoelektrischer Wandler (240, 340) ist, insbesondere ein Biegewandler (240) oder ein Torsionswandler (340), wobei der piezoelektrische Wandler (240, 340) durch die flatternde oder schwingende Bewegung der Fahne (230) in der Fluidströmung (2) verformt, insbesondere verbogen oder verdreht, wird.
  5. Kommunikationseinheit nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass mechnische Anschläge vorgesehen sind, die eine Amplitude der Bewegung der Fahne (230) begrenzen.
  6. Kommunikationseinheit nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine mechanische Verlängerung (250) mit Wirkung eines Hebels vorgesehen ist, die zwischen der Fahne (230) und dem Bauelement (240, 340) eingesetzt ist.
  7. Kommunikationseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiewandlereinheit (30) eine flexible, halbstarre oder starre Fahne (30) oder Membran (130) aufweist, die derart in der Fluidströmung (2) angeordnet ist, dass sie von der Fluidströmung (2) in eine flatternde oder schwingende Bewegung versetzt wird, wobei die Energiewandlereinheit (30) einen Permanentmagneten (43) und eine Spule (44) aufweist, und wobei – die Spule (44) fest stehend an der Kommunikationseinheit (10) und der Permanentmagnet (43) an der Fahne (30) oder an der Membran (130) befestigt ist oder – der Permanentmagnet (43) fest stehend an der Kommunikationseinheit (10) und die Spule (44) an der Fahne (30) oder an der Membran (130) befestigt ist, wobei die Spule (44) und der Permanentmagnet (43) derart zueinander angeordnet sind, dass sich der den Spulenquerschnitt der Spule (44) durchsetzende magnetische Fluss des Permanentmagneten (43) bei Bewegung der Fahne (30) oder der Membran (130) zeitlich ändert.
  8. Kommunikationseinheit nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Störkörper (60) umfasst, der von der Fahne (30, 230) oder dem Membran (130) aus gesehen stromaufwärts in der Fluidströmung (2) angeordnet ist und zumindest im Bereich der Fahne (30, 230) oder der Membran (130) Verwirbelungen und/oder Druckdifferenzen in der Fluidströmung (2) erzeugt oder verstärkt.
  9. Kommunikationseinheit nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Fahne (30, 230) oder die Membran (130) mit dem Störkörper (60) verbunden ist.
  10. Kommunikationseinheit nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass sie zumindest eine Antenne (50) aufweist, wobei die Antenne (50) zumindest zum Teil in die Fahne (30, 230) oder in die Membran (130) integriert ist.
  11. Kommunikationseinheit nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Strahler (53) der Antenne (50) in den Störkörper (60) integriert ist oder dass der Störkörper (60) selbst ein Teil der Antenne (50) ist.
  12. Kommunikationseinheit nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Fahnen (30) oder Membranen (130) zur Ergeuzung elektrischer Energie vorgesehen sind, wobei in einige oder alle Fahnen (30) oder Membranen (130) Antennen (50) integriert sind, wobei die Antennen (50) ein verteiltes Antennensystem, insbesondere nach Bauart einer Phased-Array-Antenne, bilden.
  13. Kommunikationseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiewandlereinheit (30) einen Propeller (140) mit einem Flügelrad (150) aufweist, der derart in der Fluidströmung (2) angeordnet ist, dass das Flügelrad (150) von der Fluidströmung (2) in Rotation versetzt wird.
  14. Kommunikationseinheit nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Flügelrad (150) des Propellers (140) mechanisch mit dem Generator (20) gekoppelt ist, wobei der Generator (20) ausgebildet ist, um die Rotation des Flügelrads (150) in elektrische Energie umzuwandeln.
  15. Kommunikationseinheit nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass sie zumindest eine Antenne (50) zur Kommunikation mit einer Basisstation oder einer weiteren Kommunikationseinheit aufweist, wobei ein Strahler (53) der Antenne (50) in eine Stütze (160) des Propellers (140) integriert ist oder dass die Stütze (160) selbst ein Teil der Antenne (50) ist.
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