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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Sensorsystem gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
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Die
DE 10 2007 062 911 A1 offenbart einen magnetischen oder induktiven Sensor, der seine Energie aus der Kolbenbewegung erzeugt und das Sensorsignal drahtlos überträgt.
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Die
EP 1 813 967 B1 offenbart ein Lichtgitter mit einzelnen Modulen, wobei die Module zur Energie und/oder Signalübertragung in Serie miteinander koppelbar sind, wobei die Module galvanisch getrennt koppelbar sind.
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Als nächstkommender Stand der Technik wird die
DE 10 2004 046 107 A1 angesehen. Diese offenbart einen induktiven oder magnetischen Positionssensor mit zwei Gehäusen, die beispielsweise über ein Spiralkabel miteinander verbunden sind.
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Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Sensorsystem bereitzustellen, wobei ein Sensormodul möglichst klein und kompakt ausgeführt sein soll. Weiterhin soll das Sensormodul keine Anschlussleitung aufweisen und robust gegenüber Umwelteinflüssen sein. Eine weitere Aufgabe besteht darin, ein möglichst preiswertes Sensorsystem bereitzustellen. Eine weitere Aufgabe besteht darin, einen Aufwand für eine Inbetriebnahme zu verringern.
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Die Aufgabe wird gemäß Anspruch 1 gelöst durch ein Sensorsystem mit einem Sensorkopfmodul und wenigstens einem Sensormodul mit wenigstens einem Sensor, wobei das Sensorkopfmodul und das Sensormodul beabstandet voneinander angeordnet sind, wobei mindestens das Sensorkopfmodul und das Sensormodul Mittel zur kontaktlosen Signalübertragung aufweisen zur Übertragung von Sensorinformation zwischen dem Sensorkopfmodul und dem Sensormodul und das Sensorkopfmodul und das Sensormodul Mittel zur kontaktlosen Energieübertragung aufweisen zur Übertragung von Energie von dem Sensorkopfmodul zum Sensormodul bzw. von einem Sensormodul zu einem anderen Sensormodul.
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Dadurch, dass das an dem Sensorkopfmodul und dem Sensormodul Mittel zur kontaktlosen Signalübertragung ausgebildet sind, benötigt das Sensormodul keine eigenen Anschlüsse. Lediglich das Sensorkopfmodul weist eigene Anschlussleitungen auf, um eine Verbindung zu einer übergeordneten Maschine auszubilden. Mittels der kontaktlosen Signalübertragung werden die Sensorsignale des Sensormoduls an das Sensorkopfmodul übertragen. Die Übertragung des Sensorsignals kann dabei zyklisch durchgeführt werden. Jedoch kann das Sensorsignal auch auf Anfrage des Sensorkopfmoduls von dem Sensormodul zu dem Sensorkopfmodul übertragen werden. Hierzu ist das Mittel zur kontaktlosen Signalübertragung zur bidirektionalen Signalübertragung ausgebildet.
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Das Sensorkopfmodul und das Sensormodul weisen Mittel zur kontaktlosen Energieübertragung auf zur Übertragung von Energie von dem Sensorkopfmodul zum Sensormodul bzw. von einem Sensormodul zu einem anderen Sensormodul. Dadurch kommt das Sensormodul ganz ohne eigene Energieversorgung aus. Die Energieübertragung stellt sicher, dass das Sensormodul genügend Energie sowohl für eine Detektion des Objektes als auch für die Kommunikation mit dem Sensorkopfmodul hat.
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Dadurch, dass das Sensormodul selbst keine Anschlüsse aufweist, ist das Sensormodul klein und kompakt ausgeführt. Aufgrund der fehlenden Anschlüsse ist das Sensormodul robust gegenüber Umwelteinflüssen. Beispielsweise kann das Sensormodul nach den Schutzklassen IP65, IP67 oder IP69 ausgeführt sein. Dadurch kann das Sensormodul in sehr rauen Umgebungen eingesetzt werden.
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Da das Sensormodul keine Anschlüsse aufweist, ist das Sensorsystem auch preiswerter als ein Sensor mit Anschlussleitungen.
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Die Gehäuse des Sensorkopfmoduls oder der Sensormodule können aus Kunststoff, Metall, Aluminium, Stahl oder Edelstahl gebildet sein.
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Gemäß der Erfindung können auch mehrere Sensormodule pro Sensorkopfmodul vorgesehen sein. Dabei wird die Information beispielsweise von jedem Sensormodul an das Sensorkopfmodul kontaktlos übertragen. Dadurch können die Sensormodule einfach an verschiedenen Messpositionen angeordnet werden. Die Sensormodule sind dabei ebenfalls beabstandet zueinander angeordnet. Beispielsweise sind das Sensorkopfmodul und die Sensormodule in einer geraden Reihe angeordnet, um beispielsweise Positionssignale eines Kolbens einer Kolben-Zylinderanordnung zu erfassen.
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In Weiterbildung der Erfindung weisen die Sensormodule Mittel zur kontaktlosen Signalübertragung auf, zur Übertragung von Sensorinformation zwischen den Sensormodulen. Dadurch kann die Sensorinformation von einem Sensormodul zum nächsten benachbarten beabstandeten Sensormodul übertragen werden. Das Sensormodul, welches dem Sensorkopfmodul am nächsten ist, überträgt dann die gesamte Sensorinformation von allen Sensormodulen an das Sensorkopfmodul.
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In Weiterbildung der Erfindung weist das Sensorkopfmodul ebenfalls mindestens einen Sensor auf. Dadurch kann bereits durch ein Sensormodul und ein Sensorkopfmodul mit je mindestens einem Sensor eine Sensorinformation an zwei verschiedenen Stellen erfasst werden. Beispielsweise können mit einem einzigen Sensormodul und einem einzigen Sensorkopfmodul zwei Endpositionen eines Kolbens einer Kolbenzylinderanordnung erfasst werden.
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In Weiterbildung der Erfindung sind die Mittel zur kontaktlosen Signalübertragung dazu ausgebildet, die Signale bis zu einer Distanz von 100 cm zu übertragen. Der Abstand zwischen dem Sensorkopfmodul und dem Sensormodul oder zwischen den Sensormodulen kann dadurch unterschiedliche Abstände zwischen ca. 5 cm und ca. 100 cm betragen. Dadurch kann ein einziges Sensorsystem flexibel an unterschiedlichste Anwendungen angepasst werden. Beispielsweise können Kolben von Kolben-Zylinderanordnungen mit unterschiedlichsten Längen mit baugleichen Sensorsystemen ausgerüstet werden. Lediglich das Sensorkopfmodul und das Sensormodul werden an den gewünschten Sensorpositionen befestigt.
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In Weiterbildung der Erfindung ist der Sensor ein optischer, ein induktiver, magnetischer oder ein kapazitiver Sensor.
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Magnetische bzw. induktive Sensoren werden beispielsweise zur Detektion von metallischen oder magnetischen Objekten eingesetzt.
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Magnetische Sensoren werden bevorzugt an einem Gehäuse eines Arbeitszylinders angeordnet. Solche Sensoren haben sich zur genauen Positionsbestimmung durch berührungsloses Erfassen der Stellung von z. B. Pneumatik- oder Hydraulikkolben innerhalb des Arbeitszylinders bewährt. Zu diesem Zweck sind an den Außenflächen des Gehäuses des Arbeitszylinders Führungsnuten angebracht, in welchen die Magnetfeldsensoren axial verstellbar gehalten sind und nach Justierung in der Führungsnut arretiert werden. Ein so justierter und befestigter Sensor gibt in Abhängigkeit der Kolbenstellung ein Schaltsignal aus. Häufig sind pro Hubweg eines Kolbens mehrere Schaltpunkte gewünscht. Zumeist sind die eingefahrene Endlage und die ausgefahrene Endlage des Kolbens zu erfassen. Für jeden Schaltpunkt ist ein Sensor notwendig, also z. B. das Sensorkopfmodul und das Sensormodul des erfindungsgemäßen Sensorsystems für die Erfassung der beiden Endlagen. Die dafür notwendigen zwei Sensoren sind zumeist in derselben Nut gehalten. Die Sensorelemente für magnetische Sensoren können Spulen, Hallelemente oder Riesenmagnetowiderstände (GMR, giant mangneto resistance) sein.
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Optische Sensoren können beispielsweise als Lichtschranke oder als Lichttaster ausgebildet sein. Eine Lichtschranke kann dabei als Einweglichtschranke ausgebildet sein. Dabei sind Lichtsender und Lichtempfänger gegenüberliegend angeordnet und eine Unterbrechung des Lichtstrahls führt in der Auswerteeinheit des Lichtempfängers zu einem Objektfeststellungssignal. Bei einer Reflexionslichtschranke sind Lichtsender und Lichtempfänger auf der gleichen Seite eines Überwachungsbereiches, meist in einem einzigen Gehäuse untergebracht. Gegenüberliegend ist ein Retroreflektor angeordnet, der das vom Lichtsender ausgesandte Licht um 180° zurückreflektiert in den Lichtempfänger.
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Bei einem Lichttaster sind Lichtsender und Lichtempfänger in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet. Die vom Lichtsender ausgesandten Lichtstrahlen werden an einem Objekt reflektiert oder remittiert. Dabei kann das empfangene Licht energetisch ausgewertet werden. Falls ein bestimmter Schwellwert überschritten wird, wird ein Objektfeststellungssignal ausgegeben.
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Jedoch kann der Lichttaster auch als Triangulationstaster ausgebildet sein. Bei einem Triangulationstaster ist das Empfangselement ortsauflösend ausgebildet und der Lichtsender beabstandet zum Empfangselement angeordnet. Ein vom Lichtsender ausgesendeter Lichtspot wird von einem Objekt zurück über die Empfangslinse auf das ortsauflösende Empfangselement abgebildet. Je nach Entfernung des Objektes wird der Lichtspot an unterschiedlichen Positionen abgebildet, wobei von der Position des Lichtspots auf dem Empfangselement auf die Entfernung des Objektes geschlossen werden kann.
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In Weiterbildung der Erfindung ist der Sensor ein Sensor nach dem Lichtlaufzeitverfahren. Dabei wird vom Lichtsender ein kurzer Lichtimpuls bzw. eine Gruppe von Lichtimpulsen ausgesendet. Der oder die Lichtimpulse werden von einem Objekt reflektiert bzw. remittiert und vom Empfangselement des Lichtempfängers empfangen. Von einer nachgeordneten Auswerteeinheit wird die Laufzeit des Lichtes vom Aussenden bis zum Empfangen ausgewertet und daraus die Entfernung des Objektes berechnet.
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Kapazitive Sensoren werden zur Detektion von metallischen und nicht metallischen Gegenständen eingesetzt. So können mit kapazitiven Sensoren beispielsweise Kunststoffobjekte, Folien, Papier, Karton usw. detektiert werden.
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Ein kapazitiver Sensor oder kapazitiver Näherungsschalter ist ein Näherungsschalter bzw. Sensor, der berührungsfrei – d. h. ohne direkten Kontakt – auf Annäherung eines leitenden oder nicht leitenden Gegenstandes, aber auch von Flüssigkeiten, mit einem elektrischen Schaltsignal reagiert. Er nutzt die sich dabei ändernde elektrische Kapazität einer Messelektrode zur Umgebung oder einer Referenzelektrode aus.
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Solche Sensoren arbeiten mit einem Oszillator, dessen frequenzbestimmende Kapazität teilweise vom zu detektierenden Medium bzw. der Umgebung gebildet wird.
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Bei Beeinflussung des Feldes der Sondenkapazität durch einen Nichtleiter beruht die Kapazitätsänderung auf einer Änderung der wirksamen Permittivität im Bereich der Elektroden. Der erreichbare Schaltabstand beträgt beispielsweise je nach Größe des Sensors bis ca. 40 mm.
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Bei einer Beeinflussung des Feldes durch einen leitenden Gegenstand erhöht sich der Schaltabstand auf bis ca. 60–80 mm.
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Kapazitive Näherungssensoren haben in der Regel eine Kalibriermöglichkeit, beispielsweise ein Potentiometer, um die Empfindlichkeit bzw. die Schaltschwellen an die Einsatzbedingungen anzupassen.
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Kapazitive Näherungsschalter erfassen außer Metallen und Nichtmetallen auch flüssige, körnige und pulverisierte Werkstoffe, z. B. Kunststoffe, Holz, Stein, Öl, Wasser oder Zement. Sie können daher außer zur Objekterkennung oder als Näherungsschalter auch zur Füllstandskontrolle, beispielsweise bei nichtleitenden Tanks oder Rohren auch von außen durch die Wandung eingesetzt werden.
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In Weiterbildung der Erfindung ist der Sensor ein magnetischer Positionssensor mit mindestens einem Hallelement. Dadurch kann die Position eines Kolbens einer Kolben-Zylinderanordnung an einer bestimmten Stelle, beispielsweise einer Endlage detektiert werden.
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In Weiterbildung der Erfindung ist der Sensor ein magnetischer Wegmesssensor mit mindestens einem Hallelement, insbesondere mindestens zwei Hallelementen. Dadurch kann nicht nur eine exakte Kolbenposition einer Kolben-Zylinderanordnung erfasst, sondern mehrere Kolbenpositionen entlang eines Weges ermittelt werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform sind das Sensorkopfmodul und das Sensormodul oder die Sensormodule über Funkwellen, insbesondere Radiowellen koppelbar.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Sensorsystem ein RFID-System (Radio Frequency Identification), wobei das Sensorkopfmodul eine Antennenanordnung zur Kommunikation mit dem Sensormodul aufweist und das Sensormodul einen Transponder aufweist, wobei der Transponder einen Träger und wenigstens eine an dem Träger befestigte Spule zur Wechselwirkung mit der Antennenanordnung des Sensorkopfmoduls umfasst.
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RFID-Systeme (Radio Frequency Identification) werden in Sender/Empfänger-Systemen zum automatischen und berührungslosen Identifizieren und/oder Lokalisieren von Objekten mit Radiowellen verwendet. Ein RFID-System umfasst typischerweise zunächst den Transponder (auch als "Tag" oder "Funketikett" bezeichnet), der eine Antenne umfasst und sich am oder im Sensormodul befindet. Er umfasst in der Regel einen kennzeichnenden Code, der über die Antennenanordnung von einem Lesegerät des RFID-Systems (auch als "Transceiver" bezeichnet) abgefragt werden kann. Der Transceiver umfasst dazu die Antennenanordnung und einen Transceiverschaltkreis (z. B. der EM4095-Chip der Firma EM Microelectronics) zum Auslesen dieser Kennung von dem Transponder. Zum Auslesen der Kennung von dem Transponder erzeugt das Lesegerät typischerweise magnetische Wechselfelder, um Signale an den Transponder zu übertragen. Der Transponder ist dazu ausgebildet, nach Erhalt eines entsprechenden Signals vom Lesegerät Daten, insbesondere ein eine Kennung umfassendes Signal als Antwort an das Lesegerät zurückzusenden. Das Lesegerät mit einer Auswerteeinheit kann das Signal mit der Kennung auswerten und weiterverarbeiten.
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Bei RFID-Systemen geringer Reichweite (typischerweise von 20 mm Reichweite), erzeugt das Lesegerät magnetische Wechselfelder, die nicht nur zum Übertragen der Daten vorgesehen sind, sondern auch dazu dienen können, den Transponder mit Energie zu versorgen.
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Ein RFID-System hat den optionalen Vorteil, dass das Sensormodul, also der Transponder keine eigene Stromversorgung benötigt und daher flexibel eingesetzt werden kann. Der Transponder bezieht seine Energie über Funkwellen bzw. Radiowellen aus dem RFID-System bzw. dem Sensorkopfmodul. Der Transponder des Sensormoduls wird über die Antennenanordnung des RFID-Systems bzw. des Sensorkopfmoduls angesprochen und antwortet dem RFID-System, bzw. dem Sensorkopfmodul mit einer in dem Transponder abgespeicherten Information. Die vom Transponder bzw. vom Sensormodul des RFID-Systems übertragene Information wird von der Antennenanordnung empfangen und kann anschließend in der Auswerteeinheit ausgewertet werden. Die gespeicherte Information auf dem Transponder enthält mindestens eine Kennung, die den Transponder bzw. das Sensormodul identifiziert.
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Da die Erkennung des Transponders bzw. des Sensormoduls über Funkwellen erfolgt, ist das Sensorsystem sehr robust gegenüber Umwelteinflüssen. Daher kann das Sensorsystem als RFID-System mit dem Transponder in dem Sensormodul in sehr rauen Umgebungen eingesetzt werden, beispielsweise in Industrieumgebungen, wo Schmierstoffe verwendet werden und es beispielsweise zu einem hohen Verschmutzungsgrad kommen kann.
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Da die Erkennung des Transponders bzw. des Sensormoduls über Funkwellen erfolgt, ist im Unterschied zu einer optischen Lösung keine Sichtverbindung zwischen dem Sensorkopfmodul und dem Sensormodul notwendig. Daher kann das Sensorkopfmodul und das Sensormodul vollständig gekapselt werden, um diese vor schädlichen Umwelteinflüssen zu schützen.
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In Weiterbildung der Erfindung sind das Sensorkopfmodul und das Sensormodul oder die Sensormodule optisch koppelbar. Dabei weist das Sensormodul einen Lichtsender, beispielsweise eine Leuchtdiode auf. Das Sensorkopfmodul weist einen zum Lichtsender zugehörigen Lichtempfänger auf. Der Lichtempfänger empfängt die Signale kontaktlos von dem Lichtsender des Sensormoduls. Durch eine Anordnung von einem Lichtsender und einem Lichtempfänger sowohl im Sensorkopfmodul, als auch im Sensormodul kann eine bidirektionale kontaktlose Signalübertragung gebildet sein.
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In Weiterbildung der Erfindung ist dem Sensorkopfmodul und dem Sensormodul eine Kennung zugewiesen, wodurch das Sensormodul dem Sensorkopfmodul zugewiesen ist. Dadurch kann beispielsweise immer ein Sensormodul einem bestimmten Sensorkopfmodul zugeordnet werden, obwohl beispielsweise mehrere Sensorsysteme räumlich sehr dicht beieinander angeordnet sind. Diese paarweise Kombination erlaubt auch eine einfache Herstellung identischer Sensormodule bzw. identischer Sensorkopfmodule, da die finale Kennung erst beim Einsatz an einer Anwendung vergeben werden kann. So können beispielsweise die Sensorkopfmodule und die Sensormodule zunächst an den jeweiligen gewünschten Positionen fixiert werden und anschließend werden die gewünschten Kennungen zugewiesen, um die notwendige Zuordnung zwischen Sensorkopfmodulen und Sensormodulen herzustellen. Beispielsweise sind an dem Sensormodul und/oder an dem Sensorkopfmodul Eingabemittel, beispielsweise Taster angeordnet, um die Zuweisung der Kennung durchzuführen. Die Zuordnung oder Zuweisung der Kennung findet einmalig statt. Nachdem die Zuordnung durchgeführt wurde, ist die Kennung in einem Speicher abgelegt. Bei einem erneuten Einschalten des Sensorsystems ist den Modulen die Kennung bekannt und die Zuordnung wird dann automatisch gebildet.
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Beispielsweise sind die Mittel zur kontaktlosen Energieübertragung durch eine Antenne eines RFID-Systems gebildet.
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Wie bereits ausgeführt, hat ein RFID-System den optionalen Vorteil, dass das Sensormodul, also der Transponder keine eigene Stromversorgung benötigt und daher flexibel eingesetzt werden kann. Der Transponder bezieht seine Energie über Funkwellen bzw. Radiowellen aus dem RFID-System bzw. dem Sensorkopfmodul. Der Transponder des Sensormoduls wird über die Antennenanordnung des RFID-Systems bzw. des Sensorkopfmoduls angesprochen und antwortet dem RFID-System, bzw. dem Sensorkopfmodul mit einer in dem Transponder abgespeicherten Information. Die vom Transponder bzw. vom Sensormodul des RFID-Systems übertragene Information wird von der Antennenanordnung empfangen und kann anschließend in der Auswerteeinheit ausgewertet werden. Die gespeicherte Information auf dem Transponder enthält mindestens eine Kennung, die den Transponder bzw. das Sensormodul identifiziert.
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Jedoch kann auch ein optischer Lichtsender/Lichtempfänger das Mittel zur kontaktlosen Energieübertragung bilden. Dabei weist das Sensormodul einen Lichtempfänger, beispielsweise eine Empfangsdiode auf. Das Sensorkopfmodul weist einen zum Lichtempfänger zugehörigen Lichtsender, beispielsweise eine Leuchtdiode auf. Der Lichtempfänger empfängt die Energiesignale kontaktlos von dem Lichtsender des Sensorkopfmoduls.
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Weiter kann eine Spulenanordnung das Mittel zur kontaktlosen Energieübertragung bilden.
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In Weiterbildung erfolgt die Energieübertragung zyklisch. Dadurch ist gewährleistet, dass das Sensormodul immer gleichmäßig mit Energie versorgt wird und zu jeder Zeit ein Sensorsignal an das Sensorkopfmodul übertragen kann. Dadurch kann das Sensormodul eine Objektdetektion jederzeit durchführen.
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In Weiterbildung weist das Sensormodul eine eigene Energiequelle auf. Die Energiequelle besitzt einen Energiewandler. Der Energiewandler wandelt beispielsweise Umgebungseinflüsse an dem Sensormodul direkt in Energie um. Beispielsweise wird aus der Kolbenbewegung berührungslos Energie gewonnen.
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Jedoch kann auch das Umgebungslicht mittels Photodetektoren empfangen werden und in elektrische Energie umgewandelt werden.
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In Weiterbildung der Erfindung weist das Sensormodul einen Energiespeicher auf. Der Energiespeicher kann beispielsweise durch einen Akku, eine Batterie oder einen Kondensator gebildet sein.
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Die Erfindung wird nachstehend auch hinsichtlich weiterer Vorteile und Merkmale unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Die Figuren der Zeichnung zeigen in:
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1 ein Sensorsystem mit einem Sensorkopfmodul und wenigstens einem Sensormodul;
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2 ein Sensorsystem mit mehreren Sensormodulen;
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3 eine Lichtschranke;
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4 eine Reflexionslichtschranke;
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5 einen Lichttaster;
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6 einen Triangulationstaster;
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7 einen Sensor nach dem Lichtlaufzeitverfahren;
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8 einen magnetischen Positionssensor;
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9 einen magnetischen Wegmesssensor;
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10 ein Sensorsystem mit einem Sensorkopfmodul und wenigstens einem Sensormodul mit einer optischen kontaktlosen Energieübertragung;
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11 ein Sensorsystem mit einem Sensorkopfmodul und wenigstens einem Sensormodul mit einer Energiequelle.
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In den nachfolgenden Figuren sind identische Teile mit identischen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt ein Sensorsystem 1 mit einem Sensorkopfmodul 2 und wenigstens einem Sensormodul 4 mit wenigstens einem Sensor 6, wobei das Sensorkopfmodul 2 und das Sensormodul 4 beabstandet voneinander angeordnet sind, wobei mindestens das Sensorkopfmodul 2 und das Sensormodul 4 Mittel zur kontaktlosen Signalübertragung 8 aufweisen zur Übertragung von Sensorinformation zwischen dem Sensorkopfmodul 2 und dem Sensormodul 4 und das Sensorkopfmodul 2 und das Sensormodul 4 Mittel zur kontaktlosen Energieübertragung 22 aufweisen zur Übertragung von Energie von dem Sensorkopfmodul 2 zum Sensormodul 4 bzw. von einem Sensormodul 4 zu einem anderen Sensormodul 4.
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Lediglich das Sensorkopfmodul 2 weist eigene Anschlussleitungen 28 auf, um eine Verbindung zu einer übergeordneten Maschine auszubilden. Mittels der kontaktlosen Signalübertragung werden die Sensorsignale des Sensormoduls 4 an das Sensorkopfmodul 2 übertragen. Die Übertragung des Sensorsignals kann dabei zyklisch durchgeführt werden. Jedoch kann das Sensorsignal auch auf Anfrage des Sensorkopfmoduls 2 von dem Sensormodul 4 zu dem Sensorkopfmodul 2 übertragen werden. Hierzu ist das Mittel zur kontaktlosen Signalübertragung 8 zur bidirektionalen Signalübertragung ausgebildet.
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Die Gehäuse des Sensorkopfmoduls 2 oder der Sensormodule 4 können aus Kunststoff, Metall, Aluminium, Stahl oder Edelstahl gebildet sein.
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Gemäß 2 können auch mehrere Sensormodule 4 pro Sensorkopfmodul 2 vorgesehen sein. Dabei wird die Information beispielsweise von jedem Sensormodul 4 an das Sensorkopfmodul 2 kontaktlos übertragen. Dadurch können die Sensormodule 2 einfach an verschiedenen Messpositionen angeordnet werden. Die Sensormodule 4 sind dabei ebenfalls beabstandet zueinander angeordnet. Beispielsweise ist das Sensorkopfmodul 2 und die Sensormodule 4 in einer geraden Reihe angeordnet, um beispielsweise Positionssignale eines Kolbens 30 einer Kolben-Zylinderanordnung 32 zu erfassen.
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Gemäß 2 sind zwischen den Sensormodulen 4 Mittel zur kontaktlosen Signalübertragung 8 vorgesehen. Dadurch kann die Sensorinformation von einem Sensormodul 4 zum nächsten benachbarten beabstandeten Sensormodul 4 übertragen werden. Das Sensormodul 4, welches dem Sensorkopfmodul 2 am nächsten ist, überträgt dann die gesamte Sensorinformation von allen Sensormodulen 4 an das Sensorkopfmodul 2.
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Gemäß 2 weist das Sensorkopfmodul 2 ebenfalls einen Sensor 6 auf. Dadurch kann bereits durch ein einziges Sensormodul 4 und ein Sensorkopfmodul 2 mit je mindestens einem Sensor 6 eine Sensorinformation an zwei verschiedenen Stellen erfasst werden. Beispielsweise können mit einem einzigen Sensormodul 4 und einem einzigen Sensorkopfmodul 2 die zwei Endpositionen eines Kolbens 30 einer Kolbenzylinderanordnung 32 erfasst werden.
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Die Mittel zur kontaktlosen Signalübertragung 8 sind dazu ausgebildet, die Signale bis zu einer Distanz von 100 cm zu übertragen. Der Abstand 10 zwischen dem Sensorkopfmodul 2 und dem Sensormodul 4 oder zwischen den Sensormodulen 4 kann dadurch unterschiedliche Abstände zwischen ca. 5 cm und ca. 100 cm betragen. Beispielsweise können Kolben 30 von Kolben-Zylinderanordnungen 32 mit unterschiedlichsten Längen mit baugleichen Sensorsystemen 1 ausgerüstet werden. Lediglich das Sensorkopfmodul 2 und das Sensormodul 4 werden an den gewünschten Sensorpositionen befestigt.
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Gemäß den Figuren kann der Sensor 6 ein optischer Sensor, ein induktiver Sensor, ein magnetischer Sensor 14 oder ein kapazitiver Sensor sein.
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Magnetische Sensoren 14 werden bevorzugt an einem Gehäuse eines Arbeitszylinders bzw. einer Kolben-Zylinderanordnung 32 angeordnet. Solche Sensoren haben sich zur genauen Positionsbestimmung durch berührungsloses Erfassen der Stellung von z. B. Pneumatik- oder Hydraulikkolben innerhalb des Arbeitszylinders bewährt. Zu diesem Zweck sind an den Außenflächen des Gehäuses des Arbeitszylinders Führungsnuten angebracht, in welchen die Magnetfeldsensoren axial verstellbar gehalten sind und nach Justierung in der Führungsnut arretiert werden. Ein so justierter und befestigter Sensor gibt in Abhängigkeit der Kolbenstellung ein Schaltsignal aus. Häufig sind pro Hubweg eines Kolbens 30 mehrere Schaltpunkte gewünscht. Zumeist sind die eingefahrene Endlage und die ausgefahrene Endlage des Kolbens zu erfassen. Für jeden Schaltpunkt ist ein Sensor 6 notwendig, also z. B. das Sensorkopfmodul 2 und das Sensormodul 4 des erfindungsgemäßen Sensorsystems 1 für die Erfassung der beiden Endlagen. Die dafür notwendigen zwei Sensoren 6 sind zumeist in derselben Nut gehalten. Die Sensorelemente für magnetische Sensoren 14 können beispielsweise Spulen, Hallelemente oder Riesenmagnetowiderstände (GMR, giant mangneto resistance) sein.
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Optische Sensoren können beispielsweise als Lichtschranke oder als Lichttaster ausgebildet sein. Eine Lichtschranke kann gemäß 3 als Einweglichtschranke ausgebildet sein. Dabei sind Lichtsender 38 und Lichtempfänger 36 gegenüberliegend angeordnet und eine Unterbrechung des Lichtstrahls führt in der Auswerteeinheit des Lichtempfängers 36 zu einem Objektfeststellungssignal. Bei einer Reflexionslichtschranke gemäß 4 sind Lichtsender 38 und Lichtempfänger 36 auf der gleichen Seite eines Überwachungsbereiches, meist in einem einzigen Gehäuse untergebracht. Gegenüberliegend ist ein Retroreflektor angeordnet, der das vom Lichtsender 38 ausgesandte Licht um 180° zurückreflektiert in den Lichtempfänger 36.
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Bei einem Lichttaster gemäß 5 sind Lichtsender 38 und Lichtempfänger 36 in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet. Die vom Lichtsender 38 ausgesandten Lichtstrahlen werden an einem Objekt 40 reflektiert oder remittiert. Dabei kann das empfangene Licht energetisch ausgewertet werden. Falls ein bestimmter Schwellwert überschritten wird, wird ein Objektfeststellungssignal ausgegeben.
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Jedoch kann der Lichttaster gemäß 6 auch als Triangulationstaster ausgebildet sein. Bei einem Triangulationstaster ist das Empfangselement des Lichtempfängers 36 ortsauflösend ausgebildet und der Lichtsender 38 beabstandet zum Empfangselement angeordnet. Ein vom Lichtsender 38 ausgesendeter Lichtspot wird von einem Objekt 40 zurück, über die Empfangslinse auf das ortsauflösende Empfangselement abgebildet. Je nach Entfernung des Objektes 40 wird der Lichtspot an unterschiedlichen Positionen abgebildet, wobei von der Position des Lichtspots auf dem Empfangselement auf die Entfernung des Objektes 40 geschlossen werden kann.
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Der Sensor kann gemäß 7 ein Sensor nach dem Lichtlaufzeitverfahren sein. Dabei wird vom Lichtsender 38 ein kurzer Lichtimpuls bzw. eine Gruppe von Lichtimpulsen ausgesendet. Der oder die Lichtimpulse werden von einem Objekt 40 reflektiert bzw. remittiert und vom Empfangselement des Lichtempfängers 36 empfangen. Von einer nachgeordneten Auswerteeinheit wird die Laufzeit des Lichtes vom Aussenden bis zum Empfangen ausgewertet und daraus die Entfernung des Objektes 40 berechnet.
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Die Sensoren gemäß 3 bis 7 sind dabei in dem Sensormodul 4 und/oder in dem Sensorkopfmodul 2 angeordnet.
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Kapazitive Sensoren werden zur Detektion von metallischen und nicht metallischen Gegenständen eingesetzt. So können mit kapazitiven Sensoren beispielsweise Kunststoffobjekte, Folien, Papier, Karton usw. detektiert werden.
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Ein kapazitiver Sensor oder kapazitiver Näherungsschalter ist ein Näherungsschalter bzw. Sensor, der berührungsfrei – d. h. ohne direkten Kontakt – auf Annäherung eines leitenden oder nicht leitenden Gegenstandes, aber auch von Flüssigkeiten, mit einem elektrischen Schaltsignal reagiert. Er nutzt die sich dabei ändernde elektrische Kapazität einer Messelektrode zur Umgebung oder einer Referenzelektrode aus.
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Gemäß 8 ist der Sensor ein magnetischer Positionssensor 18 mit mindestens einem Hallelement 34. Dadurch kann die Position eines Kolbens 30 einer Kolben-Zylinderanordnung 32 an einer bestimmten Stelle, beispielsweise einer Endlage detektiert werden.
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Gemäß 9 ist der Sensor ein magnetischer Wegmesssensor mit mindestens einem, insbesondere mindestens drei Hallelementen 34. Dadurch kann nicht nur eine exakte Kolbenposition einer Kolben-Zylinderanordnung 32 erfasst werden, sondern mehrere Kolbenpositionen entlang eines Weges ermittelt werden.
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Gemäß 9 sind das Sensorkopfmodul und das Sensormodul oder die Sensormodule über Funkwellen, insbesondere Radiowellen koppelbar.
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Gemäß 8 oder 9 ist das Sensorsystem ein RFID-System (Radio Frequency Identification), wobei das Sensorkopfmodul 2 eine Antennenanordnung zur Kommunikation mit dem Sensormodul 4 aufweist und das Sensormodul 4 einen Transponder aufweist, wobei der Transponder einen Träger und wenigstens eine an dem Träger befestigte Spule zur Wechselwirkung mit der Antennenanordnung des Sensorkopfmoduls umfasst.
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Der Transponder bezieht seine Energie über Funkwellen bzw. Radiowellen aus dem RFID-System bzw. dem Sensorkopfmodul 2. Der Transponder des Sensormoduls 4 wird über die Antennenanordnung des RFID-Systems bzw. des Sensorkopfmoduls 2 angesprochen und antwortet dem RFID-System, bzw. dem Sensorkopfmodul 2 mit einer in dem Transponder abgespeicherten Information. Die vom Transponder bzw. vom Sensormodul 4 des RFID-Systems übertragene Information wird von der Antennenanordnung empfangen und kann anschließend in der Auswerteeinheit ausgewertet werden. Die gespeicherte Information auf dem Transponder enthält mindestens eine Kennung, die den Transponder bzw. das Sensormodul 4 identifiziert.
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Gemäß 10 sind das Sensorkopfmodul 2 und das Sensormodul 4 oder die Sensormodule optisch koppelbar. Dabei weist das Sensormodul 4 einen Lichtsender, beispielsweise eine Leuchtdiode auf. Das Sensorkopfmodul 2 weist einen zum Lichtsender zugehörigen Lichtempfänger auf. Der Lichtempfänger empfängt die Signale kontaktlos von dem Lichtsender des Sensormoduls 4. Durch eine Anordnung von einem Lichtsender und einem Lichtempfänger sowohl im Sensorkopfmodul 2, als auch im Sensormodul 4 kann eine bidirektionale kontaktlose Signalübertragung gebildet sein.
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Gemäß 8 ist dem Sensorkopfmodul 2 und dem Sensormodul 4 eine Kennung zugewiesen, wodurch das Sensormodul 4 dem Sensorkopfmodul 2 zugewiesen ist. Beispielsweise sind an dem Sensormodul 4 und/oder an dem Sensorkopfmodul 2 Eingabemittel 42, beispielsweise Taster angeordnet, um die Zuweisung der Kennung durchzuführen. Die Zuordnung oder Zuweisung der Kennung findet einmalig statt. Nachdem die Zuordnung durchgeführt wurde, ist die Kennung in einem Speicher abgelegt. Bei einem erneuten Einschalten des Sensorsystems 1 ist den Modulen die Kennung bekannt und die Zuordnung wird dann automatisch gebildet.
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Gemäß 2 und 8 sind Mittel zur kontaktlosen Energieübertragung 22 an dem Sensorkopfmodul 2 und an dem Sensormodul 4 vorgesehen zur Übertragung von Energie von dem Sensorkopfmodul 2 an die Sensormodule 4. Beispielsweise sind die Mittel zur kontaktlosen Energieübertragung durch eine Antenne eines RFID-Systems gebildet.
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Gemäß 10 kann auch ein optischer Lichtsender/Lichtempfänger das Mittel zur kontaktlosen Energieübertragung 22 bilden. Dabei weist das Sensormodul 4 einen Lichtempfänger, beispielsweise eine Empfangsdiode auf. Das Sensorkopfmodul 2 weist einen zum Lichtempfänger zugehörigen Lichtsender, beispielsweise eine Leuchtdiode auf. Der Lichtempfänger empfängt die Energiesignale kontaktlos von dem Lichtsender des Sensorkopfmoduls 2.
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Weiter kann eine Spulenanordnung das Mittel zur kontaktlosen Energieübertragung bilden.
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Die Energieübertragung erfolgt vorzugsweise zyklisch.
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Gemäß 11 weist das Sensormodul 4 eine eigene Energiequelle 24 auf. Die Energiequelle 24 besitzt einen Energiewandler. Der Energiewandler wandelt beispielsweise Umgebungseinflüsse an dem Sensormodul 4 direkt in Energie um. Beispielsweise wird aus der Kolbenbewegung berührungslos Energie gewonnen.
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Jedoch kann auch das Umgebungslicht mittel Photodetektoren empfangen werden und in elektrische Energie umgewandelt werden.
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Gemäß 11 weist das Sensormodul einen Energiespeicher 26 auf. Der Energiespeicher 26 kann beispielsweise durch einen Akku, eine Batterie oder einen Kondensator gebildet sein.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Sensorsystem
- 2
- Sensorkopfmodul
- 4
- Sensormodul
- 6
- Sensor
- 8
- Mittel zur kontaktlosen Signalübertragung
- 10
- Abstand
- 12
- optischer Sensor
- 14
- magnetischer Sensor
- 16
- kapazitiver Sensor
- 18
- Positionssensor
- 20
- Wegmesssensor
- 22
- Mittel zur kontaktlosen Energieübertragung
- 24
- Energiequelle
- 26
- Energiespeicher
- 28
- Anschlussleitung
- 30
- Kolben
- 32
- Kolben-Zylinderanordnung
- 34
- Hallelement
- 36
- Lichtempfänger
- 38
- Lichtsender
- 40
- Objekt
- 42
- Eingabemittel
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007062911 A1 [0002]
- EP 1813967 B1 [0003]
- DE 102004046107 A1 [0004]
