DE19926799A1 - Verfahren und Anordnung zur drahtlosen Versorgung einer Vielzahl Sensoren mit elektrischer Energie, Sensor hierzu sowie System für eine eine Vielzahl von Sensoren aufweisende Maschine - Google Patents

Abstract

Es wird ein Verfahren zur drahtlosen Versorgung einer Vielzahl Sensoren (3.1 bis 3.s) - insbesondere an Maschinenkomponenten montierter Näherungssensoren - mit elektrischer Energie vorgeschlagen, wobei ein von mindestens einer Primärwicklung (1, 1.1 bis 1.p) abgestrahltes, mittelfrequentes magnetisches Feld zu jedem mindestens eine Sekundärwicklung (2.1 bis 2.s) aufweisenden Sensor übertragen und dort in elektrische Energie umgewandelt wird. DOLLAR A Des weiteren wird eine Anordnung zur drahtlosen Versorgung einer Vielzahl Sensoren (3.1 bis 3.s) mit elektrischer Energie unter Einsatz mindestens einer von einem mittelfrequenten Oszillator (4) gespeisten Primärwicklung (1, 1.1 bis 1.p) vorgeshlagen, wobei jeder Sensor (3.1 bis 3.s) mindestens eine zur Energieaufnahme aus einem mittelfrequenten Magnetfeld geeignete Sekundärwicklung (2.1 bis 2.s) aufweist. DOLLAR A Außerdem werden ein Sensor hierzu und ein System für eine eine Vielzahl von Sensoren aufweisende Maschine vorgeschlagen.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Anordnung zur drahtlosen Ver­ sorgung einer Vielzahl Sensoren mit elektrischer Energie, auf einen Sensor hierzu so­ wie auf ein System für eine eine Vielzahl von Sensoren aufweisende Maschine. Die Erfindung kann beispielsweise zur elektrischen Energieversorgung von an sich bewe­ genden Maschinenkomponenten (Industrieroboter, Herstellungsautomat, Fertigungs­ automat) montierten Näherungssensoren verwendet werden.

Aus der DE 44 42 677 A1 sind ein Verfahren und eine Anordnung zum Versorgen eines elektrischen Verbrauchers mit einer elektrischen Versorgungsspannung oder einem elektrischen Versorgungsstrom bekannt, wobei Funkwellen eines Funksenders zu ei­ nem mit dem Verbraucher elektrisch verbundenen Funkempfänger übertragen werden und vom Funkempfänger in die elektrische Versorgungsspannung bzw. den elektri­ schen Versorgungsstrom umgewandelt werden. Die Funkwellen können aus dem elek­ tromagnetischen Hochfrequenzbereich (Radiowellen) oder auch aus dem Mikrowellen­ bereich (Richtfunk) kommen. Als elektrische Verbraucher können Sensoren, beispiels­ weise Strom- oder Spannungssensoren vorgesehen sein.

Dabei ist es von Nachteil, daß aufgrund der hohen Frequenzen und dementsprechend kleinen Antennen einerseits und der durch EMV-Vorschriften und Regeln für Sicherheit und Gesundheitsschutz an Arbeitsplätzen mit Exposition durch elektrische, magneti­ sche oder elektromagnetische Felder beschränkten zulässigen Sendeleistung anderer­ seits nur sehr unzureichend geringe Abstände zwischen Funksender und Funkemp­ fänger erzielbar sind. Das gleiche trifft für die erzielbaren Leistungen zu, welche im Be­ reich weniger µW liegen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein kostengünstiges und zuverlässiges Ver­ fahren zur drahtlosen Versorgung einer Vielzahl Sensoren mit elektrischer Energie an­ zugeben.

Des weiteren ist eine kostengünstige und zuverlässige Anordnung zur Durchführung dieses Verfahrens anzugeben.

Ferner soll ein hierzu geeigneter Sensor vorgeschlagen werden.

Außerdem soll ein System für eine eine Vielzahl von Sensoren aufweisende Maschine angegeben werden.

Diese Aufgabe wird bezüglich des Verfahrens erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur drahtlosen Versorgung einer Vielzahl Sensoren mit elektrischer Energie gelöst, wo­ bei ein von mindestens einer Primärwicklung abgestrahltes, mittelfrequentes magneti­ sches Feld zu jedem eine Sekundärwicklung aufweisenden Sensor übertragen und dort in elektrische Energie umgewandelt wird.

Unter den in diesem Zusammenhang interessierenden mittelfrequenten Schwingungen wird der Bereich von etwa 15 kHz bis etwa 15 MHz verstanden.

Diese Aufgabe wird bezüglich der Vorrichtung erfindungsgemäß durch eine Anordnung zur drahtlosen Versorgung einer Vielzahl Sensoren mit elektrischer Energie unter Ein­ satz mindestens einer von einem mittelfrequenten Oszillator gespeisten Primärwicklung gelöst, wobei jeder Sensor mindestens eine zur Energieaufnahme aus einem mittelfre­ quenten Magnetfeld geeignete Sekundärwicklung aufweist.

Die Aufgabe wird bezüglich des Sensors durch einen Sensor mit mindestens einer zur Energieaufnahme aus einem mittelfrequenten Magnetfeld geeigneten Sekundärwick­ lung gelöst.

Die Aufgabe wird bezüglich des Systems durch ein System für eine eine Vielzahl von Sensoren, insbesondere Näherungssensoren, aufweisende Maschine, insbesondere Fertigungsautomat, gelöst, wobei jeder Sensor mindestens eine zur Energieaufnahme aus einem mittelfrequenten Magnetfeld geeignete Sekundärwicklung aufweist, wobei mindestens eine von einem mittelfrequenten Oszillator gespeiste Primärwicklung zur drahtlosen Versorgung der Sensoren mit elektrischer Energie vorgesehen ist und wobei jeder Sensor mit einer Sendeeinrichtung ausgestattet ist, welche interessierende Sen­ sor-Informationen beinhaltende Funksignale an eine zentrale, mit einem Prozeßrechner der Maschine verbundene Empfangseinrichtung abgibt.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß im Ver­ gleich zu konventionellen Lösungen mit Kabelanschluß zur elektrischen Energieversor­ gung der Sensoren der durch Planung, Material, Installation, Dokumentation und War­ tung bedingte relativ hohe Kostenfaktor eines Kabelanschlusses entfällt. Es können keine Ausfälle aufgrund von Kabelbrüchen oder schlechten, beispielsweise korrodierten Kontakten auftreten.

Im Vergleich zur Verwendung von Batterien zur Energieversorgung von Sensoren ent­ fällt der Wartungsaufwand und Kostenaufwand, der durch den erforderlichen Austausch von Batterien - zumal an schwer zugänglichen Stellen - bedingt ist.

Im angegebenen Mittelfrequenz-Bereich von etwa 15 kHz bis etwa 15 MHz sind die sich durch Skineffekte ergebenden Nachteile, beispielsweise die auftretenden Verluste, noch handhabbar. Die elektromagnetischen Wellen werden aufgrund der im Vergleich zu den auftretenden Wellenlängen zu kleinen und deshalb als Antennen unwirksamen Primärwicklungen nicht abgestrahlt, wodurch ein einfacher Aufbau der Anordnungen ermöglicht wird. Eine EMV-Messung von eventuell abgestrahlten Störungen muß nicht erfolgen. Günstig wirkt sich zudem aus, daß mittelfrequente Magnetfelder durch metal­ lische Maschinen-Komponenten nur in geringem Ausmaß abgeschirmt werden, so daß vorteilhaft auch an unzugänglichen Stellen einer Maschine ein zur Energieversorgung ausreichend starkes Magnetfeld auftritt.

Weitere Vorteile sind aus der nachstehenden Beschreibung ersichtlich.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeich­ net.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausfüh­ rungsbeispiele erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Prinzipschaltbild der Anordnung zur drahtlosen elektrischen Versor­ gung von Sensoren,

Fig. 2 ein Schaltbild zur Erläuterung des verwendeten Transformatorprinzips,

Fig. 3 eine erste praktische Ausführungsform,

Fig. 4 eine zweite praktische Ausführungsform,

Fig. 5 eine dritte Ausführungsform mit orthogonalen Primärwicklungen,

Fig. 6 eine vierte Ausführungsform mit unterschiedlich gestalteten Primär­ wicklungen,

Fig. 7 eine fünfte Ausführungsform mit bandförmiger Primärwicklung,

Fig. 8 ein Ersatzschaltbild mit primärseitigen und sekundärseitigen Weiterbil­ dungen.

In Fig. 1 ist ein Prinzipschaltbild der Anordnung zur drahtlosen elektrischen Versorgung von Sensoren dargestellt. Es ist eine kreisförmige, vorzugsweise aus mehreren Win­ dungen aufgebaute Primärwicklung 1 zu erkennen, welche eine Vielzahl - gegebe­ nenfalls bis zu einigen Hundert - von Sekundärwicklungen 2.1, 2.2, 2.3 . . . . 2.s (s = belie­ bige ganze Zahl) umfaßt, wobei jede Sekundärwicklung 2.1 bzw. 2.2 bzw. 2.3 . . . . 2.s mit einem Sensor 3.1 bzw. 3.2 bzw. 3.3 . . . . 3.s verbunden ist. Die Primärwicklung 1 ist an einen Oszillator 4 (Mittelfrequenz-Oszillator) angeschlossen. Der Oszillator 4 speist die Primärwicklung 1 mit einer mittelfrequenten Schwingung im Bereich von etwa 15 kHz bis etwa 15 MHz. Diese Mittelfrequenz würde zur Abstrahlung von elektromagnetischen Feldern führen, deren Wellenlängen größer als 22 m bis 22 km sind und damit wesent­ lich größer als die Abmessungen der eingesetzten Primärwicklung - kleiner als 2 m -, so daß die Primärwicklung nicht als Antenne für derartige elektromagnetische Strah­ lung wirkt. Es liegt also eine rein magnetische Kopplung (und keine wirksame elektro­ magnetische Kopplung) zwischen der Primärwicklung und den Sekundärwicklungen im Sinne eines Mittelfrequenz-Transformators vor.

Als Sensoren werden insbesondere Näherungssensoren bzw. Näherungsschalter ein­ gesetzt. Die Erfindung ist jedoch auch für Temperaturmeßsensoren, Druckmeßsenso­ ren, Strommeßsensoren oder Spannungsmeßsensoren einsetzbar. Die Leistungsauf­ nahme eines Sensors liegt im Bereich einiger zehn µW bis etwa 50 mW, vorzugsweise bei 1 mW.

In Fig. 2 ist ein Schaltbild zur Erläuterung des verwendeten Transformatorprinzips dar­ gestellt. Es sind wiederum die Primärwicklung 1 mit einspeisendem Oszillator 4 und die Sensoren 3.1 . . . . 3.s mit den angeschlossenen Sekundärwicklungen 2.1 . . . . 2.s zu erken­ nen.

In Fig. 3 ist eine erste praktische Ausführungsform dargestellt. Es ist eine Maschine 5 - insbesondere ein Industrieroboter bzw. Herstellungsautomat bzw. Fertigungsautomat - gezeigt, welche mit zahlreichen an beweglichen Maschinenkomponenten montierten Sensoren 3.1 . . . . 3.s, insbesondere Näherungssensoren, versehen ist. Die Maschine 5 befindet sich zwischen zwei horizontal angeordneten Primärwicklungen 1.1 und 1.2. Diese beiden Primärwicklungen 1.1, 1.2 liegen elektrisch parallel am Oszillator 4 (Ge­ nerator) oder werden alternativ von zwei separaten Oszillatoren gespeist. Zwischen beiden Primärwicklungen tritt ein relativ gleichmäßiges Magnetfeld auf. Von Wichtigkeit ist es dabei, daß sich die Näherungssensoren stets im sich zwischen beiden Primär­ wicklungen 1.1, 1.2 ausbildenden magnetischen Feld befinden, so daß über ihre Se­ kundärwicklungen eine magnetische Ankopplung wirksam und demzufolge eine Ener­ gieeinspeisung möglich ist.

Jeder Sensor, insbesondere Näherungssensor, ist mit einer Sendeeinrichtung ausge­ stattet, die Funksignale hinsichtlich der erfaßten interessierenden Sensor-Information, insbesondere des Näherungszustandes "zu detektierendes Objekt vorhanden/nicht vorhanden" abgibt. Die Funksignale aller Näherungssensoren werden von einer zen­ tralen Empfangseinrichtung 9 empfangen und an einen Prozeßrechner 10 (speicher­ programmierbare Steuerung) weitergeleitet. Vorzugsweise befindet sich die Empfangs­ einrichtung in unmittelbarer Nähe der Maschine 5, um eine optimale Funkverbindung mit den Sensoren zu gewährleisten, während der die Maschine steuernde Prozeßrech­ ner 10 auch entfernt von der Maschine 5 angeordnet sein kann. Wie leicht erkennbar ist, ergibt sich durch das vorgeschlagene System eine kabellose Konfiguration der Sensoren sowohl hinsichtlich ihrer elektrischen Energieversorgung als auch hinsichtlich der Informationsübertragung zum Prozeßrechner.

In Erweiterung des vorgeschlagenen Systems sind die Sensoren mit Empfangseinrich­ tungen versehen, die Funksignale einer zentralen Sendeeinrichtung empfangen. Auf diese Weise ist ein bidirektionaler Informationsaustausch zwischen dem Prozeßrechner und den Sensoren möglich, wobei jeweils Sende/Empfangseinrichtungen für die Funksignale vorzusehen sind.

In Fig. 4 ist eine zweite praktische Ausführungsform dargestellt. Bei dieser Ausfüh­ rungsform ist lediglich eine einzige Primärwicklung 1 vorgesehen, welche die Maschine 5 - insbesondere ein Industrieroboter bzw. Herstellungsautomat bzw. Fertigungsauto­ mat - mit den zahlreichen, an ihr montierten Sensoren 3.1 . . . . 3.s global umfaßt.

In Fig. 5 ist eine dritte Ausführungsform mit drei orthogonal zueinander angeordneten Primärwicklungen dargestellt. Es ist eine Maschine 5 gezeigt, welche von einer ersten vertikalen Primärwicklung 1.1, einer hierzu orthogonalen zweiten vertikalen Primär­ wicklung 1.2 und einer horizontalen dritten Primärwicklung 1.2 umschlossen ist. Bei dieser Ausführungsform mit drei orthogonalen Primärwicklungen ergibt sich eine be­ sonders gleichmäßige und nicht gerichtete Ausbildung des magnetischen Feldes. Al­ ternativ bzw. ergänzend hierzu ist es auch möglich, jeden Sensor mit zwei oder drei orthogonalen Sekundärwicklungen auszurüsten.

Des weiteren ist auch eine Ausführungsform realisierbar, bei der lediglich zwei orthogo­ nale Primärwicklungen vorgesehen sind. Selbstverständlich sind auch Ausführungsfor­ men realisierbar, welche mehrere Primärwicklungen 1.1 bis 1.p aufweisen, die nicht orthogonal angeordnet sind.

In Fig. 6 ist eine vierte Ausführungsform mit mehreren unterschiedlich gestalteten Pri­ märwicklungen dargestellt. Es handelt sich um eine relativ ausgedehnte Maschine 5, bei der die einzelnen Näherungssensoren bzw. allgemein die Sensoren 3.1 . . . . 3.s nicht einigermaßen homogen über die Maschine verteilt angeordnet sind, sondern lediglich an einigen bestimmten Bereichen der Maschine gehäuft auftreten. Bei einer derartigen ausgedehnten Konfiguration ist aus Gründen der zu erzielenden magnetischen Feld­ stärke der Einsatz mehrerer, gezielt angeordneter Primärwicklungen vorteilhaft, welche jeweils mindestens eine Sekundärwicklung eines Sensors lokal beeinflussen.

Ein erster mit Näherungssensoren bestückter Maschinenbereich liegt dabei im Mag­ netfeld zwischen zwei horizontalen, rechteckförmigen, sich einander gegenüberlie­ genden Primärwicklungen 1.1, 1.2. Ein zweiter, hierzu benachbarter, mit Näherungs­ sensoren bestückter Maschinenbereich liegt im Magnetfeld zwischen zwei horizontalen, kreisringförmigen oder ovalen, sich einander gegenüberliegender Primärwicklungen 1.3, 1.4. Ein dritter mit Näherungssensoren bestückter Maschinenbereich wird vom Mag­ netfeld einer Primärwicklung 1.5 beeinflußt, wobei diese Primärwicklung um den Mit­ telschenkel eines E-förmigen Ferritkernes angeordnet ist, wodurch sich teilweise eine Abschirmung des Magnetfeldes und sich teilweise eine Verstärkung im interessieren­ den, lokal begrenzten Bereich ergibt ("Spot-Wirkung"). Ein vierter mit Näherungssenso­ ren bestückter Maschinenbereich liegt im Einflußbereich einer Primärwicklung 1.6. Die Magnetfelder der einzelnen Primärwicklungen 1.1 bis 1.6 in den einzelnen Maschinen­ bereichen sind jeweils gestrichelt angedeutet.

In Fig. 7 ist eine fünfte Ausführungsform mit bandförmiger Primärwicklung dargestellt. Die bandförmige Primärwicklung 1 ist an ihrem einen Ende am Oszillator 4 angeschlos­ sen, während das weitere Ende zusammengeschaltet ist. Auf diese Weise ergibt sich eine Doppelleitung mit zwei vom gleichen Strom mit entgegengesetzter Richtung durchflossenen Leitern, was das Magnetfeld zwischen beiden Leitern in gewünschter Weise verstärkt und das Magnetfeld im Bereich außerhalb der beiden Leiter ab­ schwächt. Vorteilhaft wird die bandförmige Primärwicklung 1 an der Maschine derart installiert, daß sich die einzelnen Sensoren 3.1 bis 3.n im Bereich zwischen beiden Leitern der Doppelleitung befinden.

Selbstverständlich kann dabei jede Leitung der Doppelleitung aus mehreren Einzellei­ tern bestehen, wobei die Einzelleiter beider Leitungen im Sinne einer Wicklung mitein­ ander verbunden sind, so daß sich quasi eine Primärwicklung 1 wie unter Fig. 4 be­ schrieben ergibt, welche extrem flach ausgebildet ist.

In Fig. 8 ist ein Ersatzschaltbild mit primärseitigen und sekundärseitigen Weiterbildun­ gen dargestellt. Wie zu erkennen ist, liegt die Primärwicklung 1 über einem Kompensa­ tionskondensator 6 am Oszillator 4, wodurch ein resonanter Betrieb des Oszillators er­ zielt wird. Lediglich beispielhaft ist die magnetische Kopplung zwischen Primärwicklung 1 und Sekundärwicklung 2.1 angedeutet. An die Sekundärwicklung 2.1 ist ein AC/DC- Steller 7 angeschlossen, der einen zur Energieversorgung des Sensors 3.1 dienenden Energiespeicher 8 speist.

In Erweiterung des in Fig. 8 dargestellten Schaltbildes ist es auch möglich, einen Kom­ pensationskondensator in der Anschlußleitung zwischen Sekundärwicklung 2.1 und AC/DC-Steller 7 vorzusehen.

Claims (16)

1. Verfahren zur drahtlosen Versorgung einer Vielzahl Sensoren (3.1 bis 3.s) mit elektrischer Energie, wobei ein von mindestens einer Primärwicklung (1, 1.1 bis 1.p) abgestrahltes, mittelfrequentes magnetisches Feld zu jedem mindestens eine Sekun­ därwicklung (2.1 bis 2.s) aufweisenden Sensor übertragen und dort in elektrische Ener­ gie umgewandelt wird.

2. Anordnung zur drahtlosen Versorgung einer Vielzahl Sensoren (3.1 bis 3.s) mit elektrischer Energie unter Einsatz mindestens einer von einem mittelfrequenten Oszillator (4) gespeisten Primärwicklung (1, 1.1 bis 1.p), wobei jeder Sensor (3.1 bis 3.s) mindestens eine zur Energieaufnahme aus einem mittelfrequenten Magnetfeld ge­ eignete Sekundärwicklung (2.1 bis 2.s) aufweist.

3. Anordnung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine einzige, die Se­ kundärwicklungen (2.1 bis 2.s) der Sensoren (3.1 bis 3.s) global umfassende Primär­ wicklung (1).

4. Anordnung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch mindestens zwei par­ allel nebeneinander angeordnete Primärwicklungen (1.1, 1.2), zwischen denen die Se­ kundärwicklungen (2.1 bis 2.s) der Sensoren (3.1 bis 3.s) angeordnet sind.

5. Anordnung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch zwei orthogonal zu­ einander angeordnete Primärwicklungen (1.1, 1.2).

6. Anordnung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch drei orthogonal zu­ einander angeordnete Primärwicklungen (1.1, 1.2, 1.3).

7. Anordnung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch mindestens eine, mindestens eine Sekundärwicklung (2.1 bis 2.s) eines Sensors (3.1 bis 3.s) lokal be­ einflussende Primärwicklung (1.1 bis 1.p).

8. Anordnung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine in Form einer Doppelleitung ausgeführte Primärwicklung (1), wobei die Sekundärwicklungen (2.1 bis 2.s) der Sensoren (3.1 bis 3.s) zwischen der Doppelleitung angeordnet sind.

9. Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Primärwicklung mit einem Ferritkern versehen ist.

10. Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine Primärwicklung mit einem Kompensationskondensator (6) be­ schaltet ist.

11. Sensor mit mindestens einer zur Energieaufnahme aus einem mittelfre­ quenten Magnetfeld geeigneten Sekundärwicklung (2.1 bis 2.s).

12. Sensor nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch mehrere orthogonale Sekundärwicklungen.

13. Sensor nach Anspruch 11 und/oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundärwicklung (2.1 bis 2.s) mit einem Kompensationskondensator (6) beschal­ tet ist.

14. Sensor nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine Sekundärwicklung (2.1 bis 2.s) mit einem AC/DC-Steller be­ schaltet ist, welcher einen Energiespeicher (8) auflädt.

15. System für eine eine Vielzahl von Sensoren, insbesondere Näherungs­ sensoren, aufweisende Maschine, insbesondere Fertigungsautomat,

• - wobei jeder Sensor (3.1 bis 3.s) mindestens eine zur Energieaufnahme aus einem mittelfrequenten Magnetfeld geeignete Sekundärwicklung (2.1 bis 2.s) aufweist,
• - wobei mindestens eine von einem mittelfrequenten Oszillator (4) gespeiste Primärwicklung (1, 1.1 bis 1.p) zur drahtlosen Versorgung der Sensoren (3.1 bis 3.s) mit elektrischer Energie vorgesehen ist,
• - wobei jeder Sensor mit einer Sendeeinrichtung ausgestattet ist, welche in­ teressierende Sensor-Informationen beinhaltende Funksignale an eine zentrale, mit einem Prozeßrechner (10) der Maschine verbundene Empfangseinrichtung (9) abgibt.

16. System nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoren mit Empfangseinrichtungen versehen sind, die Funksignale einer zentralen Sendeein­ richtung empfangen, so daß ein bidirektionaler Informationsaustausch zwischen dem Prozeßrechner und den Sensoren möglich ist.