DE19802773A1 - Vorrichtung und Verfahren zur drahtlosen Übertragung von Meßwerten bei Fahrzeugrädern - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur drahtlosen Übertragung von Meßwerten bei Fahrzeugrädern.

Aus dem Stand der Technik sind Vorrichtungen zur Übertragung von Meßsignalen von umlaufenden Teilen einer Maschine oder eines Fahrzeuges, insbesondere des Rades, bekannt.

Hierbei erweist es sich als problematisch, daß der Sensor, der auf dem sich drehenden Teil angeordnet ist, beispielsweise dem Rad eines Fahrzeuges, mit Energie versorgt werden muß. Diese Energie wird häufig mittels eines gekoppelten Spulenpaares übertragen. Die übertragene Energie versorgt die Sensorik und einen Oszillator, der wiederum ein Schwingungsfeld zur Übertragung der Meßwerte aufbaut. Mittels eines zweiten Spulenpaares erfolgt die Übertragung der Meßwerte von dem sich drehenden Teil zu einer feststehenden Empfangseinheit. Ein Problem dieser Systeme ist die hohe Energie, die übertragen werden muß, um den radseitigen Oszillator zu betreiben. Aufgrund fernmeldetechnischer Bestimmungen ist die maximale Sendeleistung beschränkt, wodurch der Einsatz solcher Systeme eingeschränkt wird.

Ein weiteres Problem solcher Systeme ist der geringe Abstand der Sende- und der Empfangseinheit zueinander. Zudem ist bei diesen Systemen die Übertragung von Meßwerten nicht kontinuierlich, sondern nur dann möglich, wenn sich die Übertragungseinheiten gegenüberstehen. Ferner lassen diese Systeme eine Meßwertübertragung bei stehenden Übertragungseinheiten nicht zu.

Eine Vorrichtung zur drahtlosen Meßsignalübertragung ist aus der Patentschrift DE 35 03 347 C2 bekannt. Bei dem beschriebenen System erfolgt die Übertragung der Energie und der Meßsignale über getrennte Spulenpaare. Diese Spulenpaare sind in Ferritschalen eingelassen. Dieses System hat zum Nachteil, daß die Übertragung nur bei bestimmten Drehwinkeln möglich ist. Die Übertragung ist somit nur zeitweise möglich. Eine Meßwertübertragung bei sich nicht gegenüberstehenden Schalen, beispielsweise bei stehendem Rad, ist nicht möglich.

Ein weiterer Nachteil ist die Tatsache, daß sich solche Reifendrucksysteme nur an der Felge anbringen lassen. Eine Anbringung am Reifen ist aufgrund der Größe schlecht möglich.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur drahtlosen Übertragung von Meßwerten bei Fahrzeugrädern zu schaffen, wobei die Übertragung unabhängig vom Drehwinkel und einer Bewegung des Rades möglich sein soll.

Die Erfindung wird gelöst mittels der Merkmale der Ansprüche 1 und 2. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen offenbart.

Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, daß im Gegensatz zum Stand der Technik die Übertragung der Meßwerte wie auch die Energieversorgung der an dem Fahrzeugrad befestigten Spule nur mittels eines Spulenpaares erreicht wird.

Hierfür wird vorgeschlagen, daß das einzige Spulenpaar aus einer ersten (nachfolgend Radspule) und zweiten Spule (nachfolgend Fixspule) besteht, wobei die Radspule, die mit einer Sensor- und Modulationseinheit verbunden ist, an dem Fahrzeugrad konzentrisch angeordnet ist und die Fixspule an der Auswerteeinheit angeschlossen ist. Die Auswerteeinheit enthält einen Schwingungserzeuger, der in der Fixspule ein hochfrequentes Feld erzeugt. Die so in der Radspule induzierte Energie versorgt die Sensor- und Modulationseinheit, wobei mittels dieser Einheit die Meßwerte aufgenommen, moduliert und über die Radspule ausgesendet werden, um von der Fixspule empfangen und in der Auswerteeinheit demoduliert und aufbereitet zu werden.

Indem somit sowohl die notwendige Energie als auch die Meßsignale von einem einzigen Spulenpaar übertragen werden, können der Fertigungs- und Materialaufwand reduziert werden.

Bei dem vorgeschlagenen Verfahren und mittels der Vorrichtung ist die Übertragung der Meßwerte sowohl bei stehendem als auch bewegtem Fahrzeugrad möglich. Die Auswerteinheit in Verbindung mit der Fixspule ist feststehend. Sie ist vorteilhafterweise an dem Fahrzeug befestigt. Sie kann aber auch manuell an das Fahrzeugrad gehalten werden.

Die Radspule ist konzentrisch an dem Fahrzeugrad angeordnet. Vorteilhaftenweise ist sie in mehreren Windungen im Reifen oder am bzw. im Felgenbett angeordnet.

Da die vorgeschlagene Vorrichtung aufgrund der großen Spulendurchmesser eine starke Konzentration der Magnetfelder vermeidet, wird sie den gestellten fernmeldetechnischen Forderungen gerecht. Gleichzeitig ist ein großer Spulenabstand - bei hoher Übertragungssicherheit - realisierbar.

Durch die großen Spulendurchmesser ist ein großer Seitenversatz der Spulen zueinander möglich. Hierdurch wird die Montage wesentlich vereinfacht.

Die konzentrische Anordnung der Spulen hat den weiteren Vorteil, daß keine wesentlichen zusätzlichen Unwuchten entstehen, was den Einbau im Reifen selbst möglich macht.

Ferner ist die Übertragung von Meßwerten unabhängig von der Stellung des Rades möglich, da sich die Spulen, bedingt durch die vorgeschlagene Anordnung, immer gegenüberstehen. Ein Betrieb bei langsam drehenden und auch bei stehendem Rad ist möglich.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und der nachfolgenden Beschreibung, in der ein dargestelltes Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert wird.

Die Fig. 1 zeigt einen Fahrzeugreifen 1, in dessen Karkasse eine Radspule 2 mit mehreren Windungen eingelassen ist. Die radseitige Spule 2 ist mit ihren Anschlußdrähten an eine Sensor- und Modulationseinheit 3 angeschlossen. Die zweite Spule des Spulenpaares 4 (Fixspule) ist an die Schwingungserzeugungs und Demodulations-/Auswerteeinheit 5 angeschlossen.

Die Schwingungserzeugungs und Demodulations-/Auswerteeinheit 5 erzeugt in der feststehenden Fixspule 4 ein hochfrequentes Feld, welches in der radseitigen Spule 2 einen elektrischen Strom induziert, wodurch die Energieversorgung der Sensor- und Modulationseinheit 3 ermöglicht wird. Diese ermittelt beispielsweise den Reifendruck und moduliert den Strom in der radseitigen Spule mit dem zuvor ermittelten und digitalisierten Druckwert. Die modulierten Informationen werden mittels der feststehenden Fixspule 4 empfangen und in der Schwingungserzeugungs und Demodulations-/Auswerteeinheit 5 demoduliert und ausgewertet.

In Fig. 2 ist eine Schaltung für die Sensor- und Modulationseinheit 3 dargestellt. Diese Einheit ist auf dem drehbaren Fahrzeugrad angebracht.

Aufgabe der Schaltung ist es, die gesendete magnetische Energie in elektrische Energie umzuwandeln, den Reifendruck zu ermitteln und diesen Wert in modulierter Form zur feststehenden Einheit zu senden.

Der Schwingkreis, bestehend aus L1 und C1, ist magnetisch mit der Fixspule der feststehenden Einheit gekoppelt. Die Resonanzfrequenz ist auf die Sendefrequenz der Fixspule abgestimmt. Die in L1 (Radspule) induzierte elektrische Spannung wird mit dem Brückengleichrichter D1, D2, D3 und D4 gleichgerichtet. Die Bauteile R2, C2 und D9 dienen der Glättung und der Stabilisierung der Spannung. Die stabilisierte Spannung versorgt die Bausteine IC1, IC2 und IC3. Der Baustein IC3 ist ein piezoresistiver Absolutdrucksensor (KPY54A) in Vollbrückenschaltung. An den Anschlüssen 7 und 3 von IC3 steht eine Differenzspannung, die sich proportional zum Umgebungsdruck verhält. Die Widerstände R9, R10 bilden mit den Brückenwiderständen von IC3 und IC2 einen Differenzverstärker. Die Differenzspannung von IC3 wird mit IC2 (LTC125O) in geeigneter Weise verstärkt und dem Pin 7 von Mikrocontroller IC1 (PIC12C671) zugeführt, welcher eine Analog-Digital-Wandlung durchführt. Die Umgebungstemperatur von IC3 wird zu Kompensationszwecken über einen weiteren A/D-Eingang (Pin 3) von IC1 gemessen. An Pin 5 von IC1 liegt eine mittels der Kombination R7, D11 und C4 stabilisierte Referenzspannung für die Analog-Digital- Wandlung an.

In IC1 werden die Meßwerte in einen seriellen Bitstrom konvertiert, der zur Erhöhung der Übertragungssicherheit noch weitere Prüfinformationen enthält. Mit dem an Pin 2 anliegenden Bitstrom wird durch die Bauteile R1 und T2 eine bitstromabhängige Dämpfung des Schwingkreises bewirkt. Die Dämpfung des Schwingkreises ist gleichbedeutend mit einer Amplitudentastung. Bei der Wahl des Modulationsgrades ist darauf zu achten, daß die Spannungsversorgung nicht durch die Dämpfung beeinträchtigt wird. Die zeitliche Abfolge des Bitstromes wird durch ein, mit Hilfe von D6, D10 und R5 generiertem, Synchronsignal gesteuert. Die Sendefrequenz der feststehenden Einheit sollte eine Vielfaches der Taktfrequenz des Bitstromes betragen.

Die Schaltungsanordnung, bestehend aus R3, R4, R5, D12, C3 und T1 erzeugt, in Abhängigkeit von der Versorgungsspannung, ein RESET-Signal für IC1. Damit wird erreicht, daß IC1 nur unter stabilen Versorgungsbedingungen arbeitet.

Fig. 3 zeigt eine Schaltung für die feststehende Einheit, d. h. die Schwingungserzeugungs- und Demodulationseinheit 5. Sie besteht aus den Komponenten Takt- und Schwingungserzeugung, Filterung, Demodulation und Auswertung.

Der Mikrocontroller IC4 (PIC12C671) generiert an Pin 3 ein Taktsignal mit der Frequenz 1 MHz. Dieses wird mit dem Teiler IC1 (74393) auf 125 kHz geteilt. Mit IC2D (OP495) wird eine Pegelwandlung von TTL-Pegeln auf 12V-Pegel vorgenommen. Am Ausgang der Gegentaktendstufe T1, T2 liegt der Serienschwingkreis L1, C16. Die Resonanzfrequenz des Schwingkreises ist auf die Sendefrequenz von 125 kHz abgestimmt. Die Induktivität L1 (Fixspule) sendet ein Feld mit der Frequenz 125 kHz aus. Mit diesem Feld wird die drehbare Einheit mit Energie versorgt. Gleichzeitig werden mittels L1 die modulierten Drucksignale empfangen, welche unterhalb der Sendefrequenz liegen.

Die empfangenen Signale werden mit dem Bandpaßfilter, bestehend aus C1, C2, C3, R1, R2 und R3, vorgefiltert. Bevor das Signal mit IC2A verstärkt wird, erfolgt eine weitere passive Filterung mit C4, R4, C5 und R5. Die Bauteile IC2B, R12, R13, R14, R15, C9, C10 und C11 bilden ein aktives Bandpaßfilter, welches das Signal vor der Digitalisierung mit IC2C durchlaufen muß. Das digitalisierte Signal an Pin 8 von IC2 wird IC4 über Pin 4 zugeführt. In IC4 erfolgt die Dekodierung und Auswertung des empfangenen Bitstromes. Die Kommunikationsanschlüsse TX und RX ermöglichen die Weitergabe der Reifendruckinformationen an nachgeschalteten Einheiten.

Claims (7)

1. Verfahren zur drahtlosen Übertragung von Meßwerten, insbesondere bei Fahrzeugrädern, von einem Sensor zu einer Auswerteeinheit mittels elektrischer Spulen, die wenigstens zeitweise induktiv miteinander gekoppelt sind, dadurch gekennzeichnet,
daß ein einziges Spulenpaar, bestehend aus einer ersten (2) und zweiten Spule (4), vorgesehen ist, wobei die erste Spule (2), die mit einer Sensor- und Modulationseinheit (3) verbunden ist, an dem Fahrzeugrad (1) konzentrisch angeordnet ist und die zweite Spule (4) an der Auswerteeinheit (5) angeschlossen ist,
daß die Auswerteeinheit (5) einen Schwingungserzeuger enthält, der in der zweiten Spule (4) ein hochfrequentes Feld erzeugt, welches in der ersten Spule (2) einen elektrischen Strom induziert, der die Sensor- und Modulationseinheit (3) mit Energie versorgt,
wobei mittels der Sensor- und Modulationseinheit (3) die Meßwerte aufgenommen, moduliert und über die erste Spule (2) ausgesendet werden, um von der zweiten Spule (4) empfangen und in der Auswerteeinheit (5) demoduliert und aufbereitet zu werden.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß ein einziges Spulenpaar, bestehend aus erster (2) und zweiter Spule (4), vorgesehen ist,
daß die mit der zweiten Spule (4) verbundene Auswerteeinheit (5) einen Schwingungserzeuger und ein Demodulationselement beinhaltet und
daß die erste Spule (2), die mit einer Sensor- und Modulationseinheit (3) verbunden ist, an dem Fahrzeugrad (1) konzentrisch angeordnet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Spule (2) mit mehreren Windungen konzentrisch im Reifen angeordnet ist.

4. Vorrichtung nach den Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Spule (2) sowie die Sensor- und Modulationseinheit (3) in dem Felgenbett des Fahrzeugrades angeordnet sind.

5. Vorrichtung nach den Ansprüchen 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Spule (4) mit der Auswerteinheit (5) am Fahrzeug angebracht ist.

6. Vorrichtung nach den Ansprüchen 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Spule (4) eine Zylinderspule ist.

7. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei den Meßwerten um Reifendruck und Reifentemperatur handelt.