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Die Erfindung betrifft energieautarke Funksensoren, die die für ihren Betrieb benötigte Energie aus ihrer Umwelt erfassen und in elektrische Energie wandeln. Weiterhin erfassen diese Funksensoren Messwerte vor Ort und senden diese per Funk an eine entsprechende Basisstation.
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Eine diesbezüglich interessante Energiequelle ist beispielsweise die Lichtenergie sowie mechanische Schwingungen oder Temperaturunterschiede. Unter energieautarken Sensoren werden im Folgenden vollständig kabelfrei installierte Funksensoren verstanden. Akkus oder Batterien sind nicht vorhanden.
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Energieautarke Funksensoren werden bevorzugt an nur schlecht zugänglichen Stellen installiert. Nach der Installation eines derartigen Sensors ist es zweckmäßig, diesen bei kurzem Probebetrieb zu prüfen. Für den Betrieb eines derartigen Funksensors ist der Zugriff auf eine im Bereich des Funksensors vorhandene Energiequelle notwendig. Ein im Funksensor vorhandener Wandler wandelt diese vorhandene Energie wie thermische Energie, Bewegungs- oder Rotationsenergie oder Lichtenergie in elektrische Energie zur Versorgung des Funksensors um.
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Funksensoren profitieren von der Entwicklung energieeffizienter Elektronik, da sie mit sparsamen Mikro-Controllern komplexe Mess- und Auswerteaufgaben wahrnehmen können.
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Energieautarke Funksensoren gewinnen in den Bereichen Anlagenautomatisierung, Verfahrenstechnik, Verkehrstechnik etc. immer mehr an Bedeutung. Wichtige Anwendungsgebiete von energieautarken Funksensoren liegen in der Industrietechnik, insbesondere im Anlagenbau. Weiterhin ist die Gebäudetechnik ein vielfältiges Einsatzgebiet für derartige Funksensoren. Dabei ist wesentlich, dass die Funksensoren ohne Verkabelung auskommen. Darüber hinaus arbeiten diese nach dem Einbau für viele Jahre völlig selbstständig. Sie beziehen ihre Energie zum Betrieb aus der Umgebung, wie beispielsweise aus Lichtenergie oder aus Vibrationsenergie, wandeln diese in elektrische Energie zum eigenen Betrieb und übertragen ihre Messdaten, beispielsweise per Funk, nach außen an eine Basisstation. Damit können sie an Stellen messen, an denen der Einsatz von Sensoren üblicher Art bisher nicht möglich war.
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Da energieautarke Funksensoren je nach Anwendungsfall unterschiedliche Energiequellen nutzen, gilt: Je effizienter ein Wandler zur Wandlung der Energie in elektrische Energie arbeitet, desto mehr Energie steht dem Funksensor für Messung, Auswertung und Datenübertragung zur Verfügung.
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Beim Einsatz mehrerer Funksensoren an einer Anlage können Netzwerke energieautarker Sensoren gebildet werden, sodass auf kleinstem Raum an unzugänglichen Stellen oder mit hoher Auflösung Veränderungen an zu überwachenden Einheiten registriert werden können. Die Sensoren sind autark, intelligent und optimal der Umgebung angepasst. Ihre Aufgaben liegen in der Messung, Analyse und der Auslösung einer Reaktion entsprechend der Aufgabe.
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Eine weitere Art energieautarker Funksensoren enthält zusätzlich zur Versorgung durch Energie von außen eine Batterie, die in den Zeitbereichen ohne Zufuhr von externer Energie die Versorgung des Sensors mit elektrischer Energie übernimmt. Ein wesentlicher Nachteil besteht hier in der begrenzten Lebensdauer der Batterie und dem damit verbundenen Wartungsaufwand.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen energieautarken Funksensor bereitzustellen, der vor Ort Messdaten aufnimmt und nach außen überträgt. Dieser Funksensor soll bei der Installation probeweise in Betrieb genommen werden können. Weiterhin ist ein Betriebsverfahren zu beschreiben, mit dem ein energieautarker Funksensor probeweise in Betrieb genommen werden kann.
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Die Lösung dieser Aufgaben geschieht durch die jeweilige Merkmalskombination der unabhängig formulierten Patentansprüche.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass ein energieautarker Funksensor mittels einer Diagnoseschnittstelle temporär im Probebetrieb oder im Anlagen- oder Sensorstillstand mit Energie versorgt werden kann, sodass ein Probebetrieb oder eine Inspektion bei Anlagenstillstand durchgeführt werden kann, ohne dass eine im normalen Betrieb des Funksensors übliche Energiequelle für den energieautarken Funksensor Energie zur Verfügung steht.
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Bei der Installation von energieautarken Funksensoren ist es sehr nützlich, sofort feststellen zu können, ob der Sensor korrekt funktioniert und die Übertragung von Messdaten zuverlässig arbeitet. Dabei besteht durch die Energieübertragung über eine Diagnoseschnittstelle die Möglichkeit, den Sensor probeweise bei der Installation oder auch nach einer Prüfung in Betrieb zu nehmen, wobei dem Sensor in einer bestimmten Form, nicht wie im regulären Betrieb, Energie zugeführt wird. Der Sensor verfügt allgemein nicht über die Elemente Batterie oder Akku, da diese mit Wartungsaufwand verbunden sind. Zweckmäßig kann der Einsatz von Kondensatoren, insbesondere Hochleistungskondensatoren als Zwischenspeicher sein.
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Es ist besonders vorteilhaft, den Funksensor bei der Inbetriebnahme temporär mit genau der Energieform zu versorgen, für die er ausgelegt ist. Arbeitet der Funksensor beispielsweise im Betrieb mit elektrischem Strom, der über einen Wandler erzeugt wird, der von einer Lichtquelle gespeist wird, so ist es sinnvoll, die Diagnoseschnittstelle derart auszulegen, dass auch hier Lichtenergie zum Funksensor eingekoppelt werden kann. Damit können elektronische Bauelemente eingespart werden. Somit kann beispielsweise durch Anleuchten mit einer Taschenlampe eine Funktionskontrolle durchgeführt werden.
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Wesentliche Vorteile lassen sich daraus erzielen, dass die Diagnoseschnittstelle nicht nur die Energieübertragung zum Funksensor mit einer bestimmten Kopplungsart ermöglicht, sondern dass darüber hinaus an der Diagnoseschnittstelle eine Datenübertragung zum Funksensor oder von dem Funksensor oder eine Kombination daraus möglich ist, so dass beispielsweise Initialisierungen oder Parametrierungen stattfinden können.
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Dabei können in vorteilhafter Weise die folgenden Funktionen über die Diagnoseschnittstelle ausgeführt werden: Parametrierung von Sensoren, Wartung des Funksensors, Fehlersuche am Funksensor oder ein Endtest bei der Fertigung.
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Vorteile ergeben sich aus dem Einsatz eines Handgerätes zur Kommunikation mit der Diagnoseschnittstelle, wobei Handgerät und Schnittstelle derart angepasst sind, dass eine Kommunikation, d. h. eine Energieübertragung oder eine Energie- und eine Datenübertragung möglich sind. Dies kann über unterschiedliche Kopplungsarten realisiert sein.
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Es ist vorteilhaft, wenn, unabhängig von der Kopplungsart, die an der Diagnoseschnittstelle vorliegt, die für den Funksensor im Betrieb übliche Datenübertragung durch eine Funkübertragung ausgeführt wird.
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Der temporäre Betrieb oder Probebetrieb bei der Installation eines Funksensors kann umfassend vorgenommen werden, auch wenn eine Anlage, von der Messwerte aufzunehmen und zu übertragen sind, noch nicht in den regulären Betrieb gegangen ist. Dies bedeutet, dass die passende Energiequelle in der Umgebung, aus der der energieautarke Funksensor im regulären Betrieb seine Energie zieht, temporär ersetzt wird durch eine Energieeinkopplung von außen zum Funksensor über die Diagnoseschnittstelle. Dies geschieht u. A. mittels eines Handgerätes, welches mit der Diagnoseschnittstelle kommuniziert, sodass eine Energieübertragung möglich ist, sowie eine Datenübertragung in einer Richtung oder auch eine Datenübertragung in Gegenrichtung oder beides. Für eine Parametrierung von Sensoren im Funksensor kann eine eindeutige Identifizierungsnummer vorgegeben werden oder es können spezielle Einstellungen oder bestimmte Betriebsarten ausgewählt werden.
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Die Diagnoseschnittstelle kann in vorteilhafter Weise zur optischen Kopplung ausgelegt sein. In diesem Fall ist das Handgerät ebenfalls auf optischer Kopplungsart ausgelegt. Ist das Handgerät derart positioniert, dass eine Kopplung mit der Diagnoseschnittstelle möglich ist, so kann eine Energieübertragung ausgeführt werden. Eine zusätzliche Datenübertragung kann ebenfalls auf der Basis der optischen Kopplung stattfinden, wenn die Betriebsbedingungen dies erlauben.
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Falls an den Übertragungsstrecken in Verbindung mit der Diagnoseschnittstelle oder auch mit der Datenschnittstelle ein Risiko eines Datendiebstahls besteht, können die Datenübertragungen verschlüsselt werden. An der Datenschnittstelle, die zur Funkübertragung von Messdaten im Funksensor vorhanden ist, kann die Verschlüsselung von Daten sehr vorteilhaft sein, da von dort über größere Distanzen Anlagenmesswerte übermittelt werden.
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Im Folgenden wird anhand der begleitenden 1 ein die Erfindung nicht einschränkendes Ausführungsbeispiel beschrieben.
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Die 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Funksensors 1 mit Diagnoseschnittstelle 21 und einem Handgerät 2.
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Energieautarke Funksensoren 1 werden mit einer Diagnoseschnittstelle 21 ausgestattet, die es erlaubt, die Sensoren zum Zeitpunkt der Installation temporär mit Energie zu versorgen. Auch kann über diese Diagnoseschnittstelle eine Parametrierung der Sensoren vorgenommen werden, sodass diese beispielsweise über bestimmte Identifizierungsdaten verfügen. Die erzielbaren Vorteile, die sich beim Einsatz einer Diagnoseschnittstelle an einem energieautarken Funksensor ergeben können, resultieren aus der Bereitstellung temporärer Energie, die an der Diagnoseschnittstelle 21 eingekoppelt werden kann. Damit verbunden ist die Möglichkeit, den Funksensor 1 zu testen, auch wenn keine übliche externe Betriebsenergie zur Verfügung steht. Eine einfache Möglichkeit zur Parametrierung des Sensors ist durch die gegebene Datenübertragung D1, D2 an der Diagnoseschnittstelle 21 gegeben, auch wenn der Funksensor 1 keine Betriebsenergie aus seiner üblichen Energiequelle aufnehmen kann. Die Diagnoseschnittstelle kann auch für einen Endtest nach der Herstellung des Sensors genutzt werden. Insbesondere besteht die Möglichkeit, eine oder mehrere standardisierte Schnittstellen einzuführen, die an einer ganzen Gruppe von energieautarken Funksensoren jeweils einheitlich ausgebildet sind.
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Besondere Vorteile werden erzielt, wenn entsprechend der Darstellung in 1 die Kopplung zwischen Handgerät 2 und Funksensor 1 im LF-Frequenzbereich bei beispielsweise 125 kHz erfolgt. Eine derartige Kopplungsart bietet eine besonders robuste, schmutzunempfindliche Schnittstelle ohne galvanischen Kontakt.
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Die Darstellung entsprechend 1 veranschaulicht eine entsprechende Anordnung. Dargestellt ist ein Funksensor 1, der auf einem Anlagenteil 20 angebracht ist und die zum Betrieb notwendige Energie aus dem Temperaturunterschied zwischen dem Anlagenteil 20 und der Umgebungsluft bezieht. Der Temperatursensor 18 erfasst die Temperatur des Anlagenteils 20 und sendet sie über eine Datenschnittstelle 11 an eine Basisstation. Weitere im Funksensor enthaltene Elemente sind die Funkübertragung 3, welche über eine schematisch dargestellte Antenne verfügt. Ein direkt damit verbundenes Funk-Interface entspricht einer Datenschnittstelle 11. Weiterhin sind vorhanden ein Mikro-Controller 12, eine Stromversorgung 13 und ein Energiespeicher 14, beispielsweise ein Hochleistungskondensator. Ein Kühlkörper 15 sowie ein Peltier-Element 16 dienen der Energiegewinnung im regulären Betrieb. Ebenso ist eine analoge Auswerteeinheit im F 17 vorhanden. Das LF-Interface mit einer angedeuteten Spule im Funksensor 1 ist stellvertretend für die Kopplungsart im LF-(niederfrequenten)Frequenzbereich. Dieser liegt beispielsweise bei 125 kHz. Die Diagnoseschnittstelle 21 ist am Funksensor 1 angeordnet. Über diese Schnittstelle kann Energieübertragung E1 an den Funksensor 1 bzw. Datenübertragung in eine oder in beide Richtungen D1, D2 stattfinden. Je nach vorhandener Kopplungsart an der Diagnoseschnittstelle 21 ist das Handgerät 2 entsprechend ausgelegt, sodass eine Kopplung zwischen Diagnoseschnittstelle 21 und Handgerät 2 stattfinden kann. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist, angeschlossen an eine Spule, ein LF-Interface 19, 29 vorhanden. Weiterhin weist das Handgerät 2 einen Mikro-Controller 22 auf, sowie eine Stromversorgung 23 und einen Akku bzw. eine Batterie 24. Zusätzlich sind ein Display/Anzeige 25 sowie eine Tastatur 26 vorhanden.
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Wie in 1 dargestellt, werden in diesem Ausführungsbeispiel Energieübertragung und Datenübertragung an der Diagnoseschnittstelle 21 über die eine Kopplungsart, die Kopplung im LF-Frequenzbereich bei 125 kHz, realisiert.
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Für eine Inbetriebnahme und Parametrierung ist der Funksensor 1 beispielsweise mit einer LF-Diagnoseschnittstelle 21, entsprechend einer transformatorischen Kopplung zwischen zwei Spulen, ausgestattet. Wird ein Handgerät in die Nähe des Funksensors/Diagnoseschnittstelle gebracht, so versorgt das Handgerät den Sensor über das LF-Feld mit Energie und es lassen sich mit dem Handgerät 2 im Funksensor 1 verschiedene Parameter einstellen. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel können über die Diagnoseschnittstelle 21 auch Daten vom Funksensor 1 zum Handgerät 2 übertragen werden.
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Ein anderes Ausführungsbeispiel sieht die Realisierung einer Übertragung von Energie oder Daten an der Diagnoseschnittstelle 21 mittels der Energiequelle Licht vor. Dies bedeutet zum einen, dass Licht als Träger für die Energieübertragung verwendet wird. Weiterhin können Daten in analoger oder in digitaler Form einem Lichtstrom aufmoduliert werden. Eingesetzt werden sendeseitig Laserdioden oder lichtemittierende Dioden, LED, und empfangsseitig Photodioden. Es besteht die Möglichkeit beispielsweise durch Ein- und Aus-Tasten von Licht Daten vom Handgerät zum Sensor zu übermitteln.
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Möglichkeiten für die physikalische Realisierung einer Diagnoseschnittstelle 21 zwischen einem Funksensor 1 und einem Handgeräte 2 sind vielfältig.
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Es kann Vorteile aufweisen, eine galvanische Verbindung, beispielsweise mittels eines entsprechenden Steckers am Sensor zur Übertragung von Energie und Daten vorzusehen.
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Sehr robust ist die Kopplung im LF-Frequenzbereich bei beispielsweise bei 125 kHz. Dies ist eine schmutzunempfindliche Schnittstelle. Im Prinzip liegt hier eine magnetische Kopplung wie bei einem Transformator vor.
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Die Übertragung von Energie und Daten über eine Licht-Schnittstelle, beispielsweise bestehend aus Laserdiode oder LED und Photodiode, bietet eine zuverlässige Kopplung, ist jedoch schmutzanfällig.
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Eine Kopplung über nieder-frequente magnetische Wechselfelder ist ebenso möglich.
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Eine Kopplung über höher-frequente elektromagnetische Felder ist mit entsprechenden Antennen ebenfalls möglich.
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Allgemein kann auch eine Kopplung über elektrische Wechselfelder möglich sein, beispielsweise mit Hilfe einer Anordnung aus zwei sich gegenüberliegenden Feldplatten.
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Eine Kopplung durch Schallenergie bzw. mit Ultraschall, kann ebenfalls unter bestimmten Bedingungen vorteilhaft sein.
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Eine Kopplung mittels mechanischer Schwingungen kann Vorteile bieten, ist jedoch in der Handhabung relativ umständlich.
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Das Handgerät 2 kann ebenfalls mit einer Datenschnittstelle, die per Funk betrieben wird, ausgestattet sein, damit beispielsweise installierte Funksensoren automatisch in einem Datenbanksystem erfasst werden können.
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Es sind spezielle Ausführungen des Handgerätes 2 für schwer zugängliche Stellen denkbar. Beispielsweise kann ein LF-Teil eines Handgerätes am Ende einer Stange angebracht sein. Der Bediener könnte dann mit Hilfe der Stange den LF-Teil in die Nähe des Sensors bringen und über Bedienelemente wie Anzeige und Tastatur Einstellungen vornehmen. In ähnlicher Weise kann es auch modifizierte Handgeräte geben, die es ermöglichen, über eine flexible Welle in Rohrleitungen oder an anderen unzugänglichen Stellen befindliche Sensoren anzusprechen. Der LF-Teil würde sich dann am Ende der flexiblen Welle befinden.
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Es kann besondere Vorteile ergeben, die Energieübertragung über eine Kopplungsart an der Diagnoseschnittstelle 21 zu realisieren und eine Datenübertragung mit einer anderen Kopplungsart durchzuführen.
