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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft eine Anordnung mit einem RFID-Transponder zur berührungslosen Überwachung von elektrischen und mechanischen Zuständen. Insbesondere zur Überwachung der Position eines Gegenstandes oder eines mechanischen Bauteils.
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Stand der Technik
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Zur berührungslosen Überwachung eines Schaltzustands eines Schalters offenbart die
US 2005/0242957 A1 eine Anordnung mit einem RFID-Chip, bei dem die Zuleitung zur Antenne durch einen mechanischen Schalter geschlossen bzw. unterbrochen wird. Bei geschlossenem Schalter reagiert der RFID-Chip auf Anfragen eines Lesegeräts, während er bei geöffnetem Schalter nicht reagiert. Somit kann auf einfache Weise berührungslos der Schaltzustand des Schalters ermittelt werden.
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Eine andere Lösung zur berührungslosen Überwachung von mechanischen Zuständen offenbart die
US 2011/0156905 A1 . Hier wird ein zweigeteiltes security Tag offenbart, wobei der erste Teil den RFID-Chip und der zweite Teil die zugehörige Antenne enthält. Erst wenn beide Teile in elektrischen Kontakt miteinander gebracht werden, kann der RFID-Chip auf Anfragen des Lesegeräts reagieren. Somit kann auch hier der mechanische Zustand festgestellt werden.
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Die hier offenbarten, auf RFID-Chips basierenden Lösungen haben den Nachteil, dass sie nur bei einem einwandfreien mechanischen Kontakt im Stromkreis zwischen Antenne und RFID-Chip zuverlässig funktionieren. Zudem ist der Schaltkontakt unmittelbar in den Strompfad zwischen RFID-Chip und Antenne eingebunden.
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In der
EP 1 732 242 A2 ist eine weitere Ausführungsform einer berührungslosen Zustandsabfrage offenbart. Hier wird durch eine mechanische Zustandsänderung die Kapazität, welche mit einer Antenne verbunden ist, verändert. Diese kann dann durch einen entfernten Transceiver ermittelt werden. Durch diese Anordnung kann eine Vielzahl von Zuständen festgestellt werden. Der Nachteil dieser Anordnung ist der relativ hohe mechanische und elektrische Aufwand.
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Ein weiterer Nachteil der aus dem Stand der Technik bekannten Anordnungen besteht darin, dass zumindest die Antennen hinreichend weit von elektrisch leitenden bzw. metallischen Flächen entfernt sein müssen. So ist aus dem Stand der Technik noch kein System zur Abfrage von RFID-Chips bekannt, welches nahe oder unmittelbar auf metallischen Flächen arbeiten kann.
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Darstellung der Erfindung
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die aus dem Stand der Technik bekannten Systeme zur kontaktlosen Zustandsüberwachung dahingehend zu verbessern, dass diese zuverlässiger, präziser und robuster werden, wobei diese gleichzeitig bei niedrigen Kosten in großen Stückzahlen herstellbar sein sollen. Eine weitere Aufgabe der Erfindung liegt darin, ein System zur Abfrage von RFID-Chips zu schaffen, welches in unmittelbarer Nähe von elektrisch leitenden bzw. metallischen Flächen einsetzbar ist.
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Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Entsprechend der Erfindung hat eine Signalisierungsvorrichtung einen RFID-Chip mit wenigstens zwei Anschlüssen zum Anschluss von Antennensegmenten bzw. einer Antenne. Der RFID-Chip kann ein integrierter Schaltkreis, aber auch eine hybride Schaltung sein. Vorteilhafterweise hat der RFID-Chip genau zwei Anschlüsse. Die Antenne dient zur Aussendung bzw. zum Empfang elektromagnetischer Strahlung. Der RFID-Chip bildet zusammen mit der Antenne einen Transponder, auch RFID-Tag genannt. Dieser kann nun mittels der Antenne elektromagnetische Energie senden bzw. empfangen und mit einem Lesegerät kommunizieren. Entsprechend der Erfindung ist die Antenne eine Schlitzantenne.
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Diese Schlitzantenne umfasst wenigstens einen Schlitz (beispielsweise eine Aussparung oder Ausnehmung) mit zwei vorzugsweise parallelen Längsseiten und zwei Schlitzenden in einem elektrisch leitfähigen Material, bevorzugt Metall. Bevorzugt ist der Schlitz an seinen Enden geschlossen. Er kann aber auch an einem oder beiden Enden offen sein. Die Breite des Schlitzes ist meist klein gegenüber der Wellenlänge λ des durch den RFID-Chip gesendeten bzw. empfangenen Signals. Weiterhin sind mit dem RFID-Chip zwei Koppelelemente verbunden, welche an einer Einspeisestelle im Eingriff mit der leitfähigen Fläche auf unterschiedlichen Seiten der Schlitzantenne stehen. Diese Koppelelemente können kapazitive Koppelelemente oder auch Schleifkontakte sein. Je nach Schlitzbreite, -länge sowie der Position der Einspeisestelle relativ zum Schlitz resultiert für die Einspeisestelle eine bestimmte Antennenimpedanz ZAnt. Der RFID-Chip mit seiner näherungsweise konstanten Chipimpedanz ZC, ist über die Koppelelemente mit dem Schlitz verbunden. Die Gesamtlänge des Schlitzes ist unerheblich, sollte aber mehr als ein Viertel der Wellenlänge λ betragen. Die Schlitzantenne wird von einem Sendesignal erregt und gibt über die Koppelelemente Leistung an den RFID-Chip ab. Die abgegebene Leistung ist eine Funktion der Antennenimpedanz ZAnt und der Chipimpedanz ZC. Die Aktivierung des RFID-Chips erfolgt erst, wenn die abgegebene Leistung die Einschaltschwelle des RFID-Chips überschreitet. Die Einschaltschwelle ist typischerweise sehr genau festgelegt mit einer Toleranz im Bereich weniger hundertstel dB und eignet sich somit hervorragend als Indikator für die Position der Einspeisestelle und damit des RFID-Chips in Relation zu einem Schlitzende. Zur Positionsmessung kann nun ein Lesegerät die Sendeleistung variieren. Diese wird bevorzugt derart geregelt, dass genau die Einschaltschwelle des RFID-Chips erreicht wird. Die minimal notwendige Sendeleistung ist eine Funktion der Position der Koppelelemente und somit des Ortes des RFID-Chips. Ist diese Funktion bekannt, so kann aus der minimal notwendigen Sendeleistung die aktuelle Position des RFID-Chips relativ zur Schlitzantenne ermittelt werden. Diese Funktion kann rechnerisch ermittelt und/oder ausgemessen werden. Bevorzugterweise erfolgt die Auswertung in dem Lesegerät bzw. einer Auswerteeinheit, welche als zum Lesegerät zugeordnet betrachtet werden kann. Die in diesem Dokument beschriebene Positionsmessung ermittelt die Position eines RFID-Chips relativ zu einem Schlitz, vorzugsweise relativ zu wenigstens einem Schlitzende. Hierbei kann wahlweise der RFID-Chip relativ zum Schlitz, der Schlitz relativ zum RFID-Chip oder beide relativ zueinander bewegt werden.
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Entsprechend einer weiteren Ausführungsform der Erfindung erhält man eine Änderung der Antennenimpedanz an der Einspeisestelle auch durch eine Änderung der Länge des Schlitzes. Die Länge des Schlitzes kann beispielsweise mit einer variablen Schlitzüberbrückung (Kurzschluss) erfolgen. Diese kann vorzugsweise kapazitiv und/oder galvanisch an die leitende Fläche angekoppelt sein.
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Entsprechend einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung kann eine beliebige Abfrage eines RFID-Chips nahe einer leitenden Fläche besonders vorteilhaft erfolgen, wenn der Schlitz eine Länge aufweist, welche bevorzugt einem ganzzahligen Vielfachen der Hälfte der Wellenlänge λ des durch den RFID-Chip gesendeten bzw. empfangenen Signals entspricht. Die gesamte Länge des Schlitzes beträgt somit vorzugsweise n × λ/2, besonders bevorzugt λ/2. Hierbei ist n eine ganze Zahl > 0. In dieser Ausführungsform wird die geringste Sendeleistung benötigt.
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Messungen haben gezeigt, dass ein größerer Messbereich erzielt werden kann, wenn die gesamte Länge des Schlitzes ungleich n × λ/2 ist.
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Die Schaltfunktion kann hier nun durch Verschieben des RFID-Chips zusammen mit den Koppelelementen realisiert werden. Nur dann, wenn der RFID-Chip zusammen mit den Koppelelementen in der Mitte der Schlitzantenne positioniert ist, ist eine Aussendung bzw. ein Empfang hochfrequenter Energie mit hohem Wirkungsgrad möglich. Bei einer Positionierung zum Rand der Schlitzantenne verändert sich die Anpassung, sodass auch die Kommunikation schwieriger bis unmöglich wird.
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Durch diese erfindungsgemäße Ausgestaltung wird der Schaltungsaufwand zur Realisierung eines schaltbaren Transponders wesentlich reduziert. Es wird hier kein Transponderchip mehr mit einem Schalt- bzw. Steuereingang benötigt. Dennoch ist es natürlich möglich, weitere Eingänge bzw. Ausgänge an den RFID-Chips vorzusehen. Zudem ist es nun möglich, einen RFID-Chip abzufragen, welcher nahe an oder unmittelbar an einer elektrisch leitenden bzw. metallischen Fläche angeordnet ist.
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Der Vorteil bei der Verwendung von RFID-Tags für eine Signalisierungsvorrichtung liegt darin, dass es (unabhängig davon, ob ein passiver oder ein aktiver Tag verwendet wird) nicht notwendig ist, am Einsatzort des Sensors, d.h. an dem Ort, an dem sich der RFID-Tag befindet, eine Stromversorgung zu gewährleisten. Dadurch eröffnet sich eine sehr preisgünstige, universell montierbare und elektrisch neutrale Möglichkeit der Objektüberwachung.
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Im Gegensatz zu den Anwendungen, bei denen mit Hilfe von (passiven) RFID-Tags das Vorhandensein von Objekten dadurch überprüft wird, ob sich ein Tag noch im Bereich des Lesegerätes befindet (z.B. Diebstahlschutz in Waffenschränken, Gemäldegalerien oder Juwelierauslagen) ermöglicht der Einsatz der hier offenbarten Signalisierungsvorrichtung auch, kleinste Verschiebungen von zwei Objekten gegeneinander zu detektieren. Die Verschiebung muss lediglich groß genug sein, um das Schaltelement zu betätigen.
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Die hier offenbarte Signalisierungsvorrichtung eröffnet vielfältige Möglichkeiten im Bereich der Gebäude- und Objektsicherung, der Kontrolle von Absperrventilen, Wasserhähnen oder Schiebern, der Kontrolle von Abdeckungen bei Lebensmittelpackungen, Tanks, Behältnissen der Industrie, der Positionierung von Objekten etc.
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Nachfolgend sind einige Einsatzbeispiele der Signalisierungsvorrichtung dargestellt:
Zur Gebäudesicherung können Antenne und Koppelelemente in unmittelbarer Nähe an geschlossene Fenster und Türen, insbesondere mit metallischen Rahmen platziert oder integriert werden. Ein Lesegerät wird so im Raum platziert, dass alle Tags im Ruhezustand gelesen werden können. Es erfolgt eine Abfrage aller Tags in einem festen zeitlichen Intervall. Falls beispielsweise eine Schiebetür oder ein Schiebefenster geöffnet werden, ergibt sich eine Verschiebung zwischen Koppelelementen und Schlitz, sodass der Tag nicht mehr gelesen werden kann. Ein Alarm kann nun ausgelöst werden. Dies ist eine kostengünstige Variante zur Gebäudesicherung, die ohne die Installation von Spannungsversorgungen für die Tür- und Fenstersensoren auskommt. Ein Lesegerät kann viele Fenster und Türen gleichzeitig überprüfen.
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Durch eine solche Signalisierungsvorrichtung können in allgemeiner Form Objekte in Auslagen, Museen etc. gesichert bzw. überwacht werden. Es können auch Fahrräder in Fahrradgaragen oder -Läden gesichert werden. Insbesondere können die RFID-Tags mechanisch geschützt am metallischen Rahmen angebracht werden. Hier kann bereits eine kleine Verschiebung aus der Ruhelage heraus detektiert werden. Eine reine Diebstahlüberwachung kann auch durch konventionelle Überprüfung, ob sich der Tag im Lesebereich befindet, erfolgen.
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Zur Fernwartung bzw. Fernüberwachung kann beispielsweise der ordnungsgemäße Sitz eines metallischen Deckels oder einer Abdeckung (z.B. Gully) oder das Öffnen eines Notausgangs überprüft werden, wenn durch eine Verschiebung der Koppelelemente über der Antenne der Chip aufgrund zu geringer Empfangsleistung abgeschaltet wird. Es kann festgestellt werden, ob ein Wasserhahn, ein Absperrventil, eine Gasflasche oder ein Schieber geöffnet wurde. Hierdurch ist eine besonders einfache und kostengünstige Fernüberwachung möglich. Ein einzelnes Lesegerät kann viele Ventile überwachen und die Information z.B. per Funkmodem an eine Leitstelle übermitteln. Diese Methode kann auch in elektrisch kritischen Umgebungen wie chemischen Anlagen verwendet werden, da der Tag passiv ist. Durch die Signalisierungsvorrichtung kann mit wenig Aufwand eine Überwachung in explosionsgeschützten Bereichen erfolgen.
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Durch die berührungslose Position der Erkennung können berührungslose Positions- und/oder Winkelsensoren, wie beispielsweise drahtlose Potentiometer realisiert werden.
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Weiterhin können berührungslose Höhen- und/oder Füllstandssensoren realisiert werden. So kann beispielsweise der RFID-Chip an einem Schwimmer vor einem fest angeordneten Schlitz (Schauglas mit metallischer Umgebung) angebracht werden. Es kann hier von außen über das Lesegerät die Position des RFID-Chip ermittelt werden. Auf diese Weise können auch Drücke oder Strömungsgeschwindigkeiten ermittelt werden. Ein solcher Sensor lässt sich problemlos in explosionsgeschützten Umgebungen einsetzen, da der RFID-Chip passiv ist. Mit einem einzigen Lesegerät können auch mehrere RFID-Chips einzeln angesprochen und abgefragt werden. Somit können auch ein einer hohen Anzahl von Messstellen die Kosten niedrig gehalten werden.
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Beschreibung der Zeichnungen
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Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben.
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1 zeigt schematisch die Erfindung;
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2 zeigt schematisch eine andere Ausführungsform der Erfindung;
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3 zeigt ein Detail aus der 2;
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4 zeigt eine Variante mit einem offenen Schlitzende;
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5 zeigt eine perspektivische Darstellung;
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6 zeigt die Abhängigkeit der minimalen Sendeleistung als Funktion des Orts;
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7 zeigt eine Anordnung mit einem Lesegerät.
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In 1 ist eine erfindungsgemäße Anordnung mit einer Schlitzantenne offenbart. Eine Schlitzantenne 25 umfasst einen Schlitz in einem leitfähigen Material 61. Die Schlitzantenne hat eine erste Längsseite 26 und eine zweite Längsseite 27, welche vorzugsweise parallel zueinander sind. Weiterhin hat sie ein erstes Schlitzende 28 und ein diesem gegenüberliegendes zweites Schlitzende 29. Die Dicke des leitfähigen Materials ist nur von untergeordneter Bedeutung. Daher wird hier auf eine leitfähige Fläche Bezug genommen. Das leitfähige Material kann beispielsweise Kupfer, Aluminium, Eisen, Silber, Gold, Zinn, Nickel, Chrom oder eine Legierung oder eine Kombination daraus sein. Bevorzugt ist die Dicke des leitfähigen Materials wesentlich kleiner als die Leitungswellenlänge λ des durch den RFID-Chip gesendeten bzw. empfangenen Signals. Das leitfähige Material kann beispielsweise eine Leiterplatte oder auch ein massiver metallischer Körper sein. Besonders bevorzugt ist der Schlitz in seiner Länge begrenzt. Weiterhin ist es besonders günstig, wenn der Schlitz in Längsrichtung an beiden Enden 28, 29 durch die metallische Fläche begrenzt ist. Er könnte aber auch an einem Ende oder auch an beiden Enden offen sein. Weiterhin ist ein RFID-Chip 10 mit Koppelpads 23, 24 verbunden. Der RFID-Chip 10 sowie die Koppelpads 23, 24 sind bevorzugt auf einem gemeinsamen Träger, wie beispielsweise einer Leiterplatte angeordnet. Diese Koppelpads ermöglichen ein Verkoppeln der Ausgänge des RFID-Chips mit den metallischen Seiten der Schlitzantenne. So ist bevorzugt ein jedes dieser Koppelpads mit einer der Längsseiten der Schlitzantenne kapazitiv verkoppelt. Aber auch eine galvanische Verkopplung wäre realisierbar. Die Schlitzantenne hat bevorzugt eine Länge von λ/2. Der RFID-Chip ist zusammen mit den Koppelpads gegenüber der Schlitzantenne, bevorzugt in Richtung des Pfeils 11 entsprechend der Längsrichtung des Schlitzes 25 verschiebbar. Abhängig von der Position wird eine bestimmte minimal notwendige Sendeleistung des Lesegeräts zum Ansprechen des RFID-Chips benötigt. Daraus kann dann die Position relativ zu wenigstens einem Schlitzende ermittelt werden. Entsprechend ist ein berührungsloser Positionssensor realisierbar. Bei entsprechender Ausgestaltung des Schlitzes bzw. des Verschiebeweges kann dieser auch als Winkelsensor ausgestaltet sein.
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Die 2 zeigt eine weitere erfindungsgemäße Anordnung, bei der der RFID-Chip 10 fest an einer vorgegebenen Position innerhalb der Schlitzantenne 25 oder oberhalb der leitfähigen Fläche 61 angeordnet ist. Weiterhin ist die Länge des Schlitzes bzw. der Schlitzantenne 25 variabel. Bevorzugt ist ein Abdeckelement 63 vorgesehen, welches einen Teil der Schlitzantenne 25 abdeckt. Dieses Abdeckelement 63 ist bevorzugt mit den Längsseiten 26, 27 der Schlitzantenne kapazitiv und/oder galvanisch verkoppelt. Die Funktion des Abdeckelements ist es, einen Kurzschluss für die hochfrequenten Signale des RFID-Chips bzw. des Lesegeräts zwischen den gegenüberliegenden Längsseiten 26, 27 herzustellen und somit die wirksame Länge der Schlitzantenne zu verkürzen. Wie zuvor beschrieben, kann nun die Position des RFID-Chips relativ zu wenigstens einem Schlitzende bestimmt werden.
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Die 3 zeigt ein Detail aus der 2. Hier ist zu erkennen, wie der RFID-Chip 10 innerhalb der Schlitzantenne 25 in dem elektrisch leitfähigen Material 61 angeordnet ist. Der RFID-Chip 10 hat einen ersten Anschluss 11 und einen zweiten Anschluss 12. Die Anschlüsse sind mit jeweils gegenüberliegenden Längsseiten der Schlitzantenne 25 kapazitiv und/oder galvanisch verkoppelt.
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Die 4 zeigt eine Variante mit einem offenen Schlitzende. Ein solches offenes Schlitzende kann mit jeder hier beschriebenen Ausführungsform kombiniert werden. Es kann jedes beliebige Ende eines Schlitzes oder auch beide Schlitzenden offen ausgeführt sein.
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In der 5 ist eine perspektivische Darstellung der Erfindung gezeigt. Weiterhin ist ein Aktivierungsgebiet 62 dargestellt. Ein solches Aktivierungsgebiet ist der Bereich, in dem der RFID-Chip eine bestimmte, vorgegebene Sendeleistung des Lesegeräts benötigt, um aktiviert zu werden. Wird die erfindungsgemäße Anordnung nur als Schalter eingesetzt, so kann eine Position des RFID-Chips in dem Aktivierungsgebiet erkannt werden, in dem der RFID-Chip auf die Signale des Lesegeräts anspricht. Bei dieser Ausführungsform kann nur ein einfaches Ein- bzw. Aus- Signal erzeugt werden. Dafür ist im Lesegerät nur eine einfache Schaltschwelle zu ermitteln und keine Zuordnung verschiedener Sendeleistungen zu räumlichen Positionen notwendig.
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In der 6 ist die minimale Sendeleistung eines Lesegeräts in Abhängigkeit von der relativen Position eines RFID-Chips beispielhaft dargestellt. Es wurde hier die Sendeleistung des Lesegeräts immer derart geregelt, dass genau die Einschaltschwelle des RFID-Chips erreicht wird. Bei verschiedenen Positionen des RFID-Chips wurde nun die Sendeleistung ermittelt und als Kurve 70 in das Diagramm eingetragen. Die horizontale Achse zeigt die Position x des RFID-Chips bezogen auf die Mitte des Schlitzes in einem Bereich von –100 mm bis 100 mm. An der vertikalen Achse ist die Sendeleistung P des Lesegerätes in dBm, beginnend von 0 dBm oben bis –10 dBm unten aufgetragen. Die minimale Sendeleistung von ca. –9 dBm wird in der Mitte des Diagramms bei einer relativen Position von 0 mm benötigt. Diese Position muss nicht zwangsläufig der Mitte des Schlitzes entsprechen. Vielmehr hängt sie von der genauen Länge des Schlitzes ab. Jede Abweichung nach links oder rechts erfordert eine höhere Sendeleistung. Die maximal mögliche Sendeleistung des hier verwendeten Lesegeräts von 0 dBm wird bei relativen Positionen von ca. –50 mm sowie +50 mm erreicht. Eine Eindeutigkeit der Ortserkennung kann beispielsweise durch Hinzunehmen eines zweiten RFID-Chips erreicht werden. Zur Erfassung größerer Weglängen können auch zwei oder mehrere mechanisch gekoppelte RFID-Chips längs des Schlitzes angebracht werden.
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In 7 ist noch eine Anordnung mit einem Lesegerät dargestellt. Das leitfähige Material 61 mit Schlitz (hier nicht zu sehen) ist in der Seitenansicht dargestellt. Ein Lesegerät 80 ist darüber angeordnet. Grundsätzlich kann das Lesegerät auch in jeder anderen Position angebracht werden, solange noch eine Kommunikation mit dem RFID-Chip 10 möglich ist. Je nach Messaufgabe wird das Lesegerät bevorzugt fest mit dem RFID-Chip oder mit dem leitfähigen Material bzw. einem Abdeckelement fest verbunden. Es kann aber auch von allen anderen Komponenten unabhängig gelagert werden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- RFID-Chip
- 11, 12
- Anschlüsse
- 13
- Bewegungsrichtung des RFID-Chips
- 23, 24
- Koppelpads
- 25
- Schlitzantenne bzw. Schlitz
- 26, 27
- Längsseiten der Schlitzantenne
- 28, 29
- Schlitzenden
- 30
- offenes Schlitzende
- 61
- elektrisch leitfähiges Material
- 62
- Aktivierungsgebiet
- 63
- Abdeckelement
- 64
- Bewegungsrichtung des Abdeckelements
- 70
- Funktion der Sendeleistung in Abhängigkeit von der Position
- 80
- Lesegerät
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2005/0242957 A1 [0002]
- US 2011/0156905 A1 [0003]
- EP 1732242 A2 [0005]
