-
Die Erfindung betrifft einen Sensor zur Erfassung eines Objekts auf einer Rollenbahn nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
-
Rollenbahnen werden in der Regel als Rollenförderer in der Lager- und Fördertechnik eingesetzt. Einige der Rollen besitzen einen aktiven Antrieb, der sie in Rotation versetzt. Die übrigen passiven Rollen können über Bänder von den aktiven Rollen mitbewegt werden, oder die in Bewegung versetzten Objekte überbrücken solche Rollen aufgrund der Trägheit. Um den Materialfluss zu steuern, soll die Rollenbahn an bestimmten Positionen der Förderstrecke auf Anwesenheit von Objekten überwacht werden. Dazu sind verschiedenste Sensoren bekannt, wie optische, magnetische, induktive oder kapazitive Sensoren, die am entsprechenden Ort der Förderstrecke angebracht werden, um das Fördergut auf der Rollenbahn zu erfassen.
-
Die Montage derartiger Sensoren mit geeigneter Befestigungstechnik und Verkabelung zum Anschluss an eine Energieversorgung und ein Kommunikationsnetz, also an eine Steuereinheit oder in Kettenschaltung an weitere Sensoren, erfordert einen erheblichen Aufwand, zusätzlichen Platzbedarf sowie eine Einzeljustage der zahlreichen separat montierten Sensoren. Außerdem sind extern montierte Sensoren prinzipiell anfällig gegen mechanische Beeinträchtigungen durch die Umgebung, wie Verschmutzung oder Beschädigung der Detektionsflächen. Das gilt insbesondere bei optischen Sensoren wie Lichtschranken oder Lichtgittern, die seitlich oder von unten die Rollenbahn beobachten. Der Wartungsaufwand wird dadurch erhöht, und ferner wird eine robuste Gehäuseausführung zum mechanischen Schutz der Sensoren notwendig.
-
In der
DE 101 31 019 A1 wird vorgeschlagen, eine Sensorik direkt in Rollen einer Rollenbahn zu integrieren. Die dabei genannten Technologien sind aber lediglich ohne Details aufgelistet.
-
Die
DE 20 2007 015 529 U1 offenbart eine Rolle für eine Rollenbahn mit einem integrierten kapazitiven Sensor, der zusätzlich auf einer der Förderseite abgewandten Seite einen Referenzsensor vorsieht. Ein Schaltsignal bei einem über die Rolle geförderten Objekt wird dann aus einem Differenzsignal zwischen dem Signal des eigentlichen Sensors und des Referenzsensors bestimmt. Außerdem wird vorgeschlagen, in Längsrichtung der Rolle mehrere Sensoren hintereinander anzuordnen.
-
-
Für die Integration eines Sensors zur Anwesenheitserfassung von Objekten ist aber nicht nur ein geeignetes Sensorprinzip erforderlich. Vielmehr stellen sich auch konstruktive Herausforderungen, in dem vorgegebenen Innenraum der Rolle einen robusten, kompakten und zuverlässigen Sensor unterzubringen. Zu dieser Fragestellung trägt der Stand der Technik bisher nichts bei.
-
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, die Integration eines Sensors in eine Rolle einer Rollenbahn zu verbessern.
-
Diese Aufgabe wird durch einen Sensor zur Erfassung eines Objekts auf einer Rollenbahn nach Anspruch 1 gelöst. Die Detektion basiert auf Hochfrequenzsignalen. Dafür ist ein Sensorelement mit mindestens einem Resonator und einer zugehörigen Massefläche vorgesehen, beispielsweise eine Leiterplatte, auf der Hochfrequenzleitungen oder Antennenpatches und eine Metallschicht angeordnet sind. Mit Resonator sind Elemente bezeichnet, insbesondere Antennen, Hochfrequenzleiter oder Hochfrequenzfilter, die ein Hochfrequenzsignal mit oder ohne Abstrahlung in den freien Raum führen. Mit Hilfe einer Speiseschaltung wird ein Hochfrequenzsignal in einem Resonator erzeugt und in einer Empfangsschaltung wieder erfasst. Da sowohl Erfassung in Reflexion als auch Transmission möglich ist, wird das Hochfrequenzsignal je nach Ausführungsform im selben Resonator oder in verschiedenen Resonatoren eingespeist und erfasst. Eine Auswertungseinheit erkennt, ob das Hochfrequenzsignal durch ein anwesendes Objekt verändert wurde, insbesondere an einer Änderung in Amplitude, Frequenz und/oder Phase. Zumindest das Sensorelement, vorzugsweise der ganze Sensor, ist in eine Rolle der Rollenbahn integriert.
-
Die Erfindung geht von dem Grundgedanken aus, dass das Sensorelement innen am Umfang der Rolle angeordnet ist. In Richtung parallel zur Längsachse findet auch ein langgestrecktes Sensorelement ohne besondere Schwierigkeiten Platz und kann so den gewünschten Teil oder die gesamte relevante Oberfläche der Rolle überwachen. In der dazu senkrechten Richtung weist mindestens ein Teil des Sensorelements einen Querschnitt entsprechend dem Umfang der Rolle auf. Das schließt also eine flache Teilkontur beziehungsweise eine Formanpassung nur der Massefläche oder eines Teils davon ein. Für die Empfindlichkeit wäre es ideal, wenn sich das Sensorelement dicht an die Rolle anschmiegt und dadurch den zu erfassenden Objekten so nahe kommt wie möglich. Der Querschnitt muss aber keineswegs exakt die gleiche Krümmung aufweisen wie die Rolle, sondern ist nur daran angepasst, was beispielsweise auch durch stückweise flache Bereiche mit mindestens einer Knickkante erreichbar ist. Im Querschnitt kann also die konvexe Krümmung der Rolle durch ein Polygon angenähert werden. Wegen solcher nicht ideal angepasster Konturen, aber auch aus anderen konstruktiven Gründen oder um einen Luftspalt zwischen Sensorelement und Rolle für deren Bewegungsfreiheit zu erhalten, bleibt in der Regel ein gewisser Abstand zwischen Sensorelement und Innenfläche der Rolle.
-
Die Erfindung hat den Vorteil, dass die Detektionsempfindlichkeit eines gattungsgemäßen Hochfrequenz- oder Mikrowellensensors in einer Rolle erhöht wird. Das Sensorelement ist dafür ganz nahe am Objekt angeordnet. Dies ist an sich durch die Breitenausdehnung des Sensorelements und die Form der Rolle beschränkt, aber dies wird durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Querschnitts aufgehoben. Somit kann ein empfindlicher, robuster, einfacher und kostengünstiger Sensor für metallische und nicht-metallische Objekte auf einer Rollenbahn in eine oder mehrere von deren Rollen integriert werden.
-
Das Sensorelement weist bevorzugt einen Resonatorbereich mit dem Resonator und mindestens eine seitliche Massefläche auf, wobei der Resonatorbereich flach ausgebildet ist. Die Anpassung an den Umfang der Rolle erfolgt demnach sehr einfach über die seitliche Massefläche, vorzugsweise zwei Masseflächen je zu beiden Seiten des Resonatorbereichs. Der Resonatorbereich selbst bleibt flach und kann deshalb ein kostengünstiges Standardbauteil wie beispielsweise eine Leiterplatte mit Antennen- oder Leitungsstrukturen für die Resonatoren sein. Der flache Resonatorbereich begrenzt nun zwar wegen seiner Breitenausdehnung die Annäherung an die Innenfläche der Rolle, bleibt aber sehr schlank, da die Breite nur für die Resonatoren selbst, nicht aber deren Masseflächen ausreichen muss. Die Masseflächen tragen nicht zu einer störenden Verbreiterung bei, weil sie gebogen oder abgeknickt sind. Im Resonatorbereich kann auch schon eine Massefläche vorgesehen sein, insbesondere zwischen mehreren Resonatoren, die dann durch die seitliche Massefläche erweitert wird. Alternativ ist auch denkbar, den Resonatorbereich zu krümmen oder dort eine Knickkante vorzusehen, insbesondere in Form einer Flexplatine.
-
Die seitliche Massefläche ist bevorzugt als dünne Metallschicht ausgebildet. Durch eine reine Metallschicht wird auf kompliziertere Strukturen etwa auf einer Leiterplatte verzichtet. Damit ist eine Massefläche sehr einfach und kostengünstig herstellbar. Dünn ist hier nicht im Sinne der Mikrosystemtechnik gemeint, die seitlichen Masseflächen sollen ihre gebogene Form selbst tragen und erhalten können. Wegen ihrer Anordnung und Ausgestaltung können solche Masseflächen als Flügelblech bezeichnet werden.
-
Die seitliche Massefläche weist bevorzugt mindestens einen Knick auf. Dadurch wird der gebogene Querschnitt erreicht oder unterstützt. Insbesondere ist ein Knick am Übergang von Resonatorbereich auf Massefläche vorgesehen, der eine Kante in Längsrichtung parallel zur Längsachse der Rolle ergibt.
-
Die seitliche Massefläche weist bevorzugt im Querschnitt mindestens einen kontinuierlich gebogenen Abschnitt auf. Dies kann eine Alternative zu einer ein- oder mehrfach geknickten Massefläche sein. Das Biegen der Massefläche ist im Gegensatz zur Herstellung einer gekrümmten Leiterplatte mit Strukturen für die Resonatoren herstellungstechnisch unproblematisch. Es ist auch möglich, die seitliche Massefläche abschnittsweise zu verbiegen, wobei die Abschnitte durch Knickkanten gebildet und flache und gekrümmte Abschnitte auch kombinierbar sind.
-
Der Sensor weist vorzugsweise eine Leiterplatte mit dem Resonatorbereich auf, und auch die Speiseschaltung, die Empfangsschaltung und die Auswertungseinheit sind auf der Leiterplatte angeordnet. Das ergibt einen äußerst kompakten Sensor, der insgesamt mit einer Leiterplatte auskommt. Dadurch müssen auch keine elektrischen Verbindungen zwischen Leiterplatten geschaffen werden. Die elektronischen Schaltungen sind insbesondere auf der Rückseite der Leiterplatte beziehungsweise möglicherweise auch auf der Längsachse in Zwischenräumen zueinander beabstandeter Resonatoren untergebracht.
-
Der Sensor weist alternativ mindestens eine erste Leiterplatte mit dem Resonatorbereich und mindestens eine weitere Leiterplatte mit der Auswertungseinheit auf. Die Speise- und Empfangsschaltung wird je nach Ausführungsform nahe an der Antenne auf der ersten Leiterplatte des Resonatorbereichs oder abgesetzt auf der weiteren Leiterplatte untergebracht. Dann kann eine weitere Leiterplatte auch mehrere erste Leiterplatten mit jeweiligen Resonatorbereichen ansteuern, oder umgekehrt werden die elektrischen Schaltkreise der Speise- und Empfangsschaltung beziehungsweise die Auswertungseinheit auf mehrere Leiterplatten verteilt. Während die Position der ersten Leiterplatte mit dem Resonatorbereich für eine empfindliche Detektion an der Oberseite der Rolle nahe den Objekten liegt, kommen für die weitere Leiterplatte viele Anordnungen in Betracht: unter der ersten Leiterplatte und parallel dazu, längs wie die erste Leiterplatte, aber in Umfangsrichtung insbesondere senkrecht oder in einem anderen Winkel versetzt, oder senkrecht zu der Längsachse der Rolle insbesondere mit Öffnung dafür.
-
Der Resonator ist bevorzugt als Metallfläche, insbesondere Kupferfläche, auf der Leiterplatte ausgebildet. Dadurch sind keine weiteren Herstellungsschritt erforderlich. Alternativ zu einer Metallfläche auf der Oberfläche der Leiterplatte kann der Resonator auch als separates Bauteil auf die Leiterplatte bestückt werden. Das kann vorteilhaft sein, wenn besondere beziehungsweise teure Substrate und Materialien zum Einsatz kommen. Es sind dann unterschiedliche Konfigurationen mit einer und derselben Leiterplatte möglich.
-
Der Sensor weist bevorzugt einen Multiplexer auf, um wahlweise Objekte mit bestimmten Resonatoren zu erfassen. Je nach Ausführungsform wird bereits eine gemeinsame Speise- und Empfangsschaltung mittels Multiplexverfahren für mehrere oder alle Resonatoren genutzt, oder es wird nur eine gemeinsame Auswertungseinheit zwischen mehreren Speise- und Empfangsschaltungen umgeschaltet, so dass die jeweilige Speisung und Signalerfassung nahe beim Resonator verbleiben kann. Alternativ zu einem Multiplexer sind zumindest einige Zuordnungen fest verbunden, die dann insbesondere auch eine parallele Auswertung ermöglichen.
-
Der Sensor weist bevorzugt mindestens zwei in Längsrichtung hintereinander angeordnete Sensorelemente auf. Dadurch werden größere Rollenlängen modular abgedeckt. Jedes Sensorelement weist vorzugsweise eine Leiterplatte mit mindestens einem Resonator auf. Durch eine Zeilenanordnung mehrerer Resonatoren desselben Sensorelements deckt dieses schon eine gewisse Länge ab, die durch die Anzahl der Resonatoren variabel wählbar ist. Solche Anpassungen auf nur einem Sensorelement erfordern aber Aufwand bei der Herstellung und ein eigenes Design, während das Aneinanderreihen von Sensorelementen eine einfache Anpassung ermöglich. Auch die Resonatoren auf mehreren Sensorelementen können mittels Multiplexing mit einer geringeren Anzahl oder insgesamt nur einer Speise- und Empfangsschaltung beziehungsweise Auswertungseinheit verbunden werden.
-
Der Sensor weist bevorzugt ein Halteelement auf, das sich auf eine Längsachse oder an seitlichen Abdeckkappen der Rolle abstützt. Ein Halteelement für die Längsachse besitzt vorzugsweise eine entsprechende zentrale Öffnung. Dafür ist es vorteilhaft, wenn die Längsachse und die Öffnung einen passenden eckigen Querschnitt besitzen, um Rotationen oder ein Verrutschen in Umfangsrichtung zu verhindern. Das Halteelement kann als ein Außen- oder Rohrgehäuse ausgebildet sein. Das Sensorelement kann dann zwischen dem Halteelement und der Rolle oder im Inneren des Halteelements angeordnet werden. Das Halteelement stützt nochmals bevorzugt nur das Sensorelement und gegebenenfalls vorhandene weitere Leiterplatten. Seitliche Massefläche müssen nur stellenweise oder gar nicht gestützt werden.
-
Das Halteelement ist bevorzugt als Profil mit einem ersten Bereich, der einen entsprechend dem Umfang der Rolle gebogenen Querschnitt aufweist, und einem zweiten Bereich zum Abstützen auf der Längsachse ausgebildet. Das Halteelement kombiniert dann die mechanische Funktion mit der erfindungsgemäßen Formgebung, um das Sensorelement für eine empfindliche Detektion nahe an den Außenumfang zu bringen. Das Halteelement hat vorzugsweise über seine Längserstreckung denselben Querschnitt und ist beispielsweise durch Extrudieren hergestellt. Die beiden Bereiche umschließen vorzugsweise im Querschnitt gemeinsam einen inneren Hohlraum. Das Profil ist also im Querschnitt geschlossen. In Längsrichtung muss kein Abschluss vorgesehen sein, obwohl das auch denkbar ist, hier bleibt der Innenraum also möglicherweise offen. Das sorgt für mehr Stabilität und ein geschütztes Inneres.
-
Die Bereiche bilden vorzugsweise im Querschnitt die Form eines Kreissegments mit einer durchgezogenen Sehne. Das Kreissegment ist an die Rolle angepasst. Die Sehne dient dazu, ein geschlossenes Profil zu bilden, somit das Halteelement zu stabilisieren und einen inneren Hohlraum zu bilden. Das Kreissegment bildet vorzugsweise in etwa einen Halbkreis. Das stellt eine besonders stabile Form dar. Die Sehne kann in der Mitte eine Art Aussparung aufweisen, also einen weiteren Bereich, der eine Längsachse der Rolle aufnimmt, auf der sich das Halteelement abstützt.
-
Das Halteelement ist vorzugsweise elektrisch leitfähig. Dazu kann es aus einem elektrisch leitfähigen Werkstoff hergestellt sein. Ebenso denkbar ist ein leitfähig beschichtetes Material, beispielsweise ein Kunststoff. Mit seinen leitenden Eigenschaften kann das Halteelement nicht nur seine mechanische Funktion erfüllen, sondern zusätzlich noch zur Abschirmung sowie als erweiterte Massefläche dienen. Der zumindest teilweise, vorzugsweise im Querschnitt gänzlich umschlossene Innenraum bildet eine fast ideale Hochfrequenzabschirmung für dort untergebrachte Elektronikkomponenten. Außerdem geht die elektrische Leitfähigkeit meist mit einer sehr guten Wärmeleitfähigkeit einher, besonders im Falle eines Halteelements aus Metall, so dass die sich in dem Sensorelement entwickelnde Wärme sehr gut abgeführt wird.
-
In vorteilhafter Weiterbildung ist eine Rolle mit einem darin integrierten erfindungsgemäßen Sensor vorgesehen. Diese Rolle kann einen eigenen Antrieb aufweisen, also eine aktive Rolle sein. Dann nutzt der Sensor vorzugsweise die Versorgungs- und Steuerungsleitungen dieses Antriebs mit. Der Sensor kann aber auch in eine passive Rolle ohne eigenen Antrieb eingesetzt sein. Dann benötigt der Sensor eigene Anschlüsse oder versorgt sich und kommuniziert drahtlos. Denkbar ist auch, den Sensor mit einer Batterie oder einer eigenen Energieerzeugung aus der Drehbewegung auszurüsten.
-
Die Erfindung wird nachstehend auch hinsichtlich weiterer Merkmale und Vorteile beispielhaft anhand von Ausführungsformen und unter Bezug auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert. Die Abbildungen der Zeichnung zeigen in:
- 1 eine Draufsicht auf eine Rollenbahn mit einem in eine der Rollen integrierten Sensor;
- 2 eine Blockdarstellung eines Sensor mit Erfassung durch Resonatoren in Reflexion;
- 3 eine Blockdarstellung eines Sensors mit Erfassung durch Resonatoren in Transmission;
- 4 eine Blockdarstellung eines Sensors mit einem Multiplexer und einer gemeinsamen Speise- und Empfangsschaltung;
- 5 eine Blockdarstellung eines Sensors mit einem Multiplexer, jedoch noch eigenen Speise- und Empfangsschaltungen der Resonatoren;
- 6a eine dreidimensionale Ansicht eines flachen Sensorelements, dessen Querschnitt nicht erfindungsgemäß dem Umfang der Rolle entspricht;
- 6b eine Querschnittsdarstellung einer Rolle mit dem Sensorelement gemäß 6a;
- 7a eine dreidimensionale Ansicht eines dem Umfang der Rolle entsprechend gebogenen Sensorelements;
- 7b eine Querschnittsdarstellung einer Rolle mit dem Sensorelement gemäß 7a;
- 8a eine dreidimensionale Ansicht eines Sensorelements mit flachem Resonatorbereich und gebogenen seitlichen Masseflächen;
- 8b eine Querschnittsdarstellung einer Rolle mit dem Sensorelement gemäß 8a;
- 9 eine Querschnittsdarstellung einer Rolle mit einem darin integrierten Sensor, dessen Halterung sich auf der Rollenachse abstützt;
- 10 eine Querschnittsdarstellung einer Rolle mit einem darin integrierten Sensor, der durch ein Rohr- oder Außengehäuse gehalten wird; und
- 11 eine Querschnittsdarstellung einer Rolle mit einem darin integrierten Sensor, der nur eine Leiterplatte aufweist und durch ein Halteelement getragen wird, das als geschlossenes Profilteil ausgebildet ist.
-
1 zeigt eine Draufsicht auf einen Sensor 10, dessen Sensorelement 12 in eine Rolle 14 einer Rollenbahn 16 integriert ist. Der Sensor 10 ist nur gezeigt, um dessen Position zu illustrieren, tatsächlich wäre das Innere der Rolle 14 nicht zu sehen. Die Rollen 14 drehen sich aktiv oder passiv durch Mitbewegung mit einem Objekt 18, das sich längs der Rollenbahn 16 bewegt. Aufgabe des Sensors 10 ist, die Anwesenheit eines metallischen oder nicht-metallischen Objekts 18 und gegebenenfalls weitere Informationen etwa hinsichtlich dessen genauer Position zu detektieren. Dazu können auch Sensoren 10 in mehreren Rollen 14 vorgesehen sein.
-
2 zeigt einen beispielhaften Aufbau des Sensors 10 in einer Blockdarstellung zur Erläuterung des Sensorprinzips. Der tatsächliche, konstruktive Aufbau des Sensors 10 wird später unter Bezugnahme auf die 6 bis 10 erläutert. Das Sensorelement 12 weist mehrere Hochfrequenz-Resonatoren 20 auf, die hier einzeln angesteuert, alternativ aber auch parallel oder in Serie mit einem gemeinsamen Speisepunkt geschaltet werden. In einer Minimalkonfiguration genügt ein einziger Resonator 20. Umgekehrt sind auch andere Anordnungen von Resonatoren 20 in einer oder mehreren Reihen und sonstigen Mustern denkbar. Eine Reihenanordnung ist besonders vorteilhaft, weil damit die Breite der Rollenbahn beziehungsweise die Länge der Rolle 14 abgedeckt wird.
-
Das Sensorelement 12 ist beispielsweise als auch mehrlagige Leiterplatte mit Patchantennen als Resonatoren 20 und einer rückseitigen Grundmetallisierung ausgebildet, wobei die Resonatoren 20 zu den Objekten 18 weisen, also in 1 nach oben ausgerichtet sind. Die Erfassung erfolgt in dieser Ausführungsform in einer Reflexionsmessung. Dazu sind Speise- und Empfangsschaltungen 22 mit den Resonatoren 20 verbunden, die ein Hochfrequenzsignal für den Resonator 20 erzeugen (hinlaufende Welle) beziehungsweise ein Hochfrequenzsignal des Resonators 20 messen (rücklaufende Welle). Bei einer Reflexionsmessung wie in 2 müssen die hinlaufende und rücklaufende Welle voneinander getrennt werden, wofür ein Richtkoppler oder ein Leistungsteiler wie ein Wilkinsonteiler geeignet ist. Eine Auswertungseinheit 24 ist an die Speise- und Empfangsschaltungen 22 angeschlossen und schließt aus einer Frequenz-, Amplituden und/oder Phasenänderung auf die Anwesenheit eines Objekts 18 auf der Rolle 14.
-
Außer der reinen Anwesenheit eines Objekts 18 können auch Zusatzinformationen wie Geschwindigkeit, Breite, Länge, Lage, Ausrichtung oder Materialbeschaffenheit erfasst werden. Die Auswertungseinheit 24 kann dafür ausgebildet sein, die Amplitude, Frequenz und/oder Phase des Hochfrequenzsignals sendeseitig zu modulieren und diese Modulation empfangsseitig auszuwerten. Damit kann insbesondere ein Signallaufzeitverfahren realisiert werden, beispielsweise ein Phasenverfahren mit Bestimmung des Phasenversatzes, ein Pulsverfahren oder ein FMCW-Verfahren (Frequency Modulated Continuous Wave), und so eine Information über die Position des Objekts 18 gewonnen werden.
-
Die Resonatoren
20 auf dem Sensorelement
12 sind vorteilhaft als Patchantennen auf einer Leiterplatte ausgestaltet. Alternativ ist auch eine dünne Metallfolie, ein leitfähiger Lack, eine leitfähige Folie oder ein Blech-Stanzteil denkbar, jeweils von einer Grundmetallisierung mit den gleichen Variationsmöglichkeiten durch einen Isolator, insbesondere Kunststoff getrennt. Allgemein ist das Hochfrequenzverfahren zur Objekterfassung einschließlich Art, Geometrie und Anordnung der Resonatoren
20 nur beispielhaft beschrieben. Wie in einem der einleitend genannten Dokumente
DE 10 2014 109 399 B4 ,
DE 10 2014 109 401 B4 und
DE10 2014 109 402 B4 kann die Auswertungseinheit
24 je nach Sensorelement
12 und Beschaltung eine Beeinflussung im Nahfeld eines Hochfrequenzleiters, nach Abstrahlung und Empfang eines Hochfrequenzsignals oder durch Verstimmen eines Hochfrequenzfilters auswerten.
-
3 zeigt eine Blockdarstellung einer weiteren Ausführungsform eines Sensors 10. Im Unterschied zu 2 erfolgt hier die Erfassung in Transmission. Das Hochfrequenzsignal wird also an unterschiedlichen Stellen beziehungsweise Resonatoren 20a-b eingespeist und erfasst. Dementsprechend ist auch die Speiseschaltung 22a von der Empfangsschaltung 22b separiert. Die Geometrie und Anordnung der Resonatoren 20a-b ist rein beispielhaft, sie können miteinander direkt über weitere Resonatoren 20 verbunden sein, und wie in 2 ist eine Mehrfachanordnung mit mehreren Messstrecken denkbar.
-
4 zeigt eine Blockdarstellung eines Sensors 10, der mit einer gemeinsamen Speise- und Empfangsschaltung 22 auskommt, die wechselnd über einen Multiplexer 26 mit den Resonatoren 20 verbunden wird. In 5 ist der Multiplexer 26 stattdessen zwischen Auswertungseinheit 24 und mehreren Speise- und Empfangsschaltungen 22 angeordnet, so dass eine Speisung und Erfassung mit kurzen Signalwegen ermöglicht wird. Ein Multiplexer 26 ließe sich ganz analog auch in Ausführungsformen mit Transmission einsetzen.
-
Durch einen Multiplexer 26 lassen sich bei getrennter Auswertung von Resonatoren 20 Vervielfachungen der Speise-, Erfassungs- und Auswertungsstrukturen vermeiden. Ein weiterer Kostentreiber sind Kabelverbindungen dazwischen und zu den Resonatoren 20, so dass vorzugsweise deren Anzahl minimiert werden sollte. Dafür ist denkbar, die Speise- und Empfangsschaltung 22 entweder gemeinsam mit den Resonatoren 20 oder der Auswertungseinheit 24 auf einer jeweiligen Leiterplatte unterzubringen. Die Signalverteilung zwischen den verschiedenen Resonatoren 20 kann mittels Mikrostreifenleitung oder durch koplanare Wellenleiter realisiert werden. Dann wird nur noch eine Verbindung zwischen den Leiterplatten benötigt, vorzugsweise ohne Steckverbindungen durch Verlöten.
-
In einer besonders kompakten Ausführungsform werden Speise- und Empfangsschaltung 22 und Auswertungseinheit 24 mit den Resonatoren 20 auf derselben Leiterplatte angeordnet. Die Vorderseite bleibt vorzugsweise den Resonatoren 20 vorbehalten, die übrigen Schaltungen finden auf der Rückseite Platz. Die gegenseitigen Verbindungen erfolgen durch Leitungszüge und Durchkontaktierungen auf der Leiterplatte.
-
In Längsrichtung der Rolle 14, also über die Breite der Rollenbahn 16, können Leiterplatten mit Resonatoren 20 modulartig verbunden oder aneinandergelötet werden.
-
Die zu detektierende Resonanzverschiebung in den Resonatoren 20 durch Anwesenheit eines Objekts 18 skaliert mit dem Abstand zwischen Resonator 20 und Objekt 18. Daher wird der Sensor 10 umso empfindlicher, je näher der Resonator 20 an die Oberseite der Rolle 14 gebracht werden kann. Dieser Abstand ist aber zunächst durch die Breite des Sensorelements 12 begrenzt.
-
6a-b illustriert diese Ausgangssituation in einer Einzelansicht des Sensorelements 12 und einer Querschnittdarstellung der Rolle 14 mit dem Sensorelement 12. Das Sensorelement 12 muss breiter sein als die Resonatoren 20, denn eine als Massefläche 28 fungierende Metallisierungsschicht unmittelbar unterhalb der Resonatoren 20 wäre für dessen Funktion unzureichend. Diese Breite des Sensorelements 12 verhindert aber, dass die Resonatoren 20 nahe an dem oberen Bereich der Rolle 14 angeordnet werden können. Deshalb befindet sich das Sensorelement 12 zu weit weg von den zu erfassenden Objekten 18, und der Sensor 10 wird unempfindlich.
-
7a-b illustriert in einer Darstellung analog der 6a-b eine erste Lösung dieses Problems. Dabei ist die Krümmung des Sensorelements 12 an die Krümmung der Rolle 14 angepasst, um so den Abstand zu minimieren. Es ist technisch möglich, eine entsprechend flexible Leiterplatte oder ein auf andere Weise realisiertes Sensorelement 12 samt Resonatoren 20 und Metallisierungsschicht in dieser Weise zu biegen. Allerdings ist die Herstellung derart gekrümmter Strukturen aufwändig und damit verhältnismäßig kostenintensiv.
-
8a-b illustriert in einer erneut analogen Darstellung eine weitere Ausführungsform. Hierbei ist nur der Resonatorbereich 30 des Sensorelements 12, in dem sich tatsächlich Resonatoren 20 befinden, flach ausgebildet. Eine zugehörige Metallisierungsschicht kann ergänzend als Massefläche 28 dienen, ist aber für sich zu klein für die Funktion der Resonatoren 20. Ein solcher Resonatorbereich 30 ist mit Standardbauteilen und damit kostengünstig herstellbar.
-
Um die Massefläche 28 auszubilden oder zu vergrößern, sind seitliche Masseflächen 32a-b vorgesehen. Dabei handelt es sich um einfache Metallschichten beispielsweise in Form von Blechen. Solche Masseflächen 32a-b lassen sich nun sehr einfach in die benötigte, der Rolle 14 entsprechende Form verbiegen. Dabei sind kontinuierliche Krümmungen, Kanten und/oder abschnittsweise kontinuierliche Krümmungen mit Kanten dazwischen denkbar.
-
Die Breite dieses Sensorelements 12 im oberen Bereich ist nun nur noch durch die Breite der Resonatoren 20 bestimmt, so dass der Resonatorbereich 30 sehr nahe an den oberen Bereich der Rolle 14 geführt werden kann. Auf diese Weise wird der Abstand zwischen Resonator 20 und Detektionsbereich der Objekte 18 mit einer sehr einfachen Bauweise minimiert. Die erforderliche Formanpassung erfolgt nicht mehr an komplexen Strukturen der Resonatoren 20 oder Leiterplatten, sondern nur noch an den einfachen Masseflächen 32a-b, erzielt aber praktisch die gleichen Vorteile wie eine aufwändige Formanpassung gemäß 7a-b.
-
9 zeigt eine Querschnittsansicht eines Sensors 10 in einer Rolle 14, wobei die Formanpassung des Sensorelements 12 erneut wie soeben zu 8a-b erläutert mittels gebogenen seitlichen Masseflächen 32a-b erreicht ist. Um die mögliche Formvielfalt zu illustrieren, sind die seitlichen Masseflächen 32a-b jeweils zweifach abgekantet und in den Zwischenbereichen flach.
-
Dieser Sensor 10 umfasst eine erste Leiterplatte des Sensorelements 12 und eine weitere Leiterplatte 34 mit zugehöriger Elektronik. Dabei wurden die diversen Möglichkeiten der Verteilung von Speise- und Empfangsschaltung 22, Auswertungseinheit 24 und gegebenenfalls Multiplexer 26 oben unter Bezugnahme auf die 2 bis 5 erläutert. Diese Elemente können dementsprechend auf die Leiterplatte des Sensorelements 12 und die weitere Leiterplatte 34 verteilt werden. Die nicht dargestellte Verbindung der ersten Leiterplatte des Sensorelements 12 und der weiteren Leiterplatte 34 der zugehörigen elektronischen Strukturen erfolgt beispielsweise durch Lötstellen am Leiterplattenrand, SMD-Federkontakte und dergleichen.
-
Die Leiterplatte des Sensorelements 12 und die weitere Leiterplatte 34 sind jeweils in Längsrichtung parallel zu einer Rollenachse 36 angeordnet. In einer weiteren Ausführungsform wäre auch eine Querausrichtung der weiteren Leiterplatte 34 denkbar, also parallel zur Papierebene der 9, ein anderer Winkel zwischen den Leiterplatten, oder es könnte mehr als eine weitere Leiterplatte 34 geben.
-
Um den Sensor 10 in der Rolle 14 in der gewünschten Anordnung zu fixieren, ist ein Halteelement 38 oder Gehäuse vorgesehen, das auf die Rollenachse 36 geklemmt ist. Dazu ist bevorzugt die Rollenachse 36 nicht rund, sondern kantig ausgebildet, beispielsweise in Form eines n-Ecks, und das Halteelement 38 weist eine passende Öffnung auf. Das Halteelement 38 kann alternativ oder zusätzlich auch an den seitlichen Außenkappen der Rolle 14 befestigt werden. Das Halteelement 38 weist Halterungen 40 für das Sensorelement 12 und die weitere Leiterplatte 34 auf. Die konkrete Geometrie des dargestellten Halteelements 38 in 9 ist rein beispielhaft zu verstehen. Die Rolle 14 dreht sich im Betrieb um den feststehenden Sensor 10, wodurch das Hochfrequenzsignal bei einigermaßen homogener Beschaffenheit der Rolle 14 nicht wesentlich verändert wird.
-
10 zeigt eine Querschnittsansicht eines Sensors 10 in einer Rolle in einer weiteren Ausführungsform. Im Unterschied zu 9 ist das Halteelement 38 hier als Rohr- oder Außengehäuse ausgebildet und stützt sich an seitlichen Abdeckkappen der Rolle 14 und nicht auf der Rollenachse 36 ab, obwohl das ergänzend denkbar wäre. Die Geometrie des Halteelements 38 ist wiederum rein beispielhaft, und anstelle eines Zylinders auch eine eckige oder ganz unregelmäßige Gestalt sowie mit zusätzlichen Lücken oder Öffnungen vorstellbar.
-
Außerdem ist in 10 das Sensorelement 12 nicht wie in 8a-b mit gebogenen seitlichen Masseflächen 32a-b versehen, sondern insgesamt gekrümmt wie in 7a-b. Dabei hängen die Ausgestaltungen des Sensorelements 12 und des Halteelements 38 nicht zwingend voneinander ab, die Ausführungsformen nach 7a-b und 8a-b können also auch umgekehrt mit 9 und 10 kombiniert werden.
-
Da das Halteelement 38 eine gewisse Dicke hat, ist das Sensorelement 12 vorzugsweise nicht innen, sondern außen am Halteelement 38 angeordnet. Dadurch kommt es so nahe an die Rolle 14 wie in den anderen Ausführungsformen, und der Sensor 10 kann sehr empfindlich auf Objekte 18 auf der Rollenbahn 16 reagieren.
-
Der scheinbar große Abstand zwischen Halteelement 38 und Rolle 14 ist nur der Darstellung geschuldet, denn die Dicke des Resonators 20 ist deutlich übertrieben. Ansonsten könnte das Sensorelement auch noch etwas tiefer in das Halteelement 38 versenkt werden.
-
11 zeigt eine Querschnittsansicht eines Sensors 10 in einer Rolle in einer weiteren Ausführungsform. Wie bei der Ausführungsform nach 9 stützt sich hier das Halteelement 38 wieder auf der Rollenachse 36 ab, verbessert aber die Aufbautechniken weiter, um eine günstigere Alternative anzugeben. Denn die beiden Leiterkarten in 9 erfordern Verbindungen beispielsweise über aufwändige Koaxialkabel und Stecker sowie zusätzliche Montageschritte. Der Aufbau gemäß 11 ist noch kostengünstiger und robuster.
-
Das Halteelement 38 ist in dieser Ausführungsform ein Profilteil, das vorzugsweise einen geschlossenen Querschnitt aufweist. Im oberen Bereich wird der Abschluss nicht durch das Halteelement 38 selbst, sondern das Sensorelement 12 geschaffen. Das Halteelement 38 weist einen ersten Bereich 42 auf, der in seiner Formgebung an die Rolle 14 angepasst ist. In der gezeigten Ausführungsform folgt die Anpassung weitgehend einem Halbkreis. Ein zweiter Bereich 44 schließt den Halbkreis als Sehne beziehungsweise Durchmesser, wobei zentral noch eine Konturanpassung 46 an die Rollenachse 36 vorgesehen ist. Das Halteelement 38 ist somit über den zweiten Bereich 44 abgestützt und wird so gehalten.
-
Das Halteelement 38 ist vorzugsweise leitfähig, weist also beispielsweise Metall oder eine leitende Beschichtung auf. Aufgrund des geschlossenen Querschnitts ist es nicht nur mechanisch stabilisiert, sondern bildet auch eine Art abgeschirmte Kammer oder einen inneren Hohlraum 48. Der erste Bereich 42 dient weiterhin als seitliche Massefläche 32a-b. Alle diese Funktionen sind in nur einem Bauteil zusammengefasst.
-
Das Halteelement 38 oder Trägerprofil kann durch Extrudieren oder Spritzguss hergestellt werden. Auch ein längsgeschweißtes gebogenes Blech ist denkbar. Bei einem Metallprofil ist auch denkbar, in der Mitte eine Achsengeometrie vorzusehen und damit die Rollenachse 36 zu integrieren, so dass keine separate Rollenachse 36 mehr benötigt wird. Formabweichungen von der konkreten Darstellung sind denkbar, etwa ein trapezförmiger Querschnitt, der den vorhandenen Raum nicht mehr ganz so gut ausnutzt, aber immer noch eine Anpassung an die Geometrie der Rolle 14 beinhaltet.
-
Vorzugsweise sind sämtliche elektronischen Komponenten des Sensorelements 12 auf einer einzigen Leiterplatte vorgesehen, insbesondere der Resonator 20 auf der Oberseite und Speise- und Empfangsschaltung 22 beziehungsweise Auswertungseinheit 24 auf der Rückseite. Letztere sind dann in dem inneren Hohlraum 48 sehr gut abgeschirmt. Durch die Realisierung auf einer einzigen Leiterplatte entfällt die Notwendigkeit, aufwändige Verbindungselemente zu nutzen und mehrere Komponenten zu befestigen. Die Flexibilität bezüglich Beschaffenheit und Anordnung des Sensorelements 12 bleibt dennoch durch Design und Bestückung der Leiterplatte erhalten.
-
Die Beschreibung der Sensorelemente 12 erfolgte jeweils an Beispielen mit einer relativ geringen Längsausdehnung, häufig an Querschnittsdarstellungen. Um gegebenenfalls die Länge der Rolle 14 und auch verschiedene Typen von Rollen 14 unterschiedlicher Länge abzudecken, muss nicht das Sensorelement 12 selbst verlängert werden, obwohl das denkbar wäre. Vielmehr werden bevorzugt mehrere Sensorelemente 12 gleicher oder unterschiedlicher Längsausdehnung modulartig aneinandergereiht oder -gelötet, damit die Erfassungsbereiche die gewünschte Funktion der Anwendung erfüllen können. Ein Halteelement 38 als Profilteil wie in der zu 11 beschriebenen Ausführungsform lässt sich sehr einfach auf jede benötigte Länge anpassen.
-
Innerhalb eines Moduls bleibt es vorzugsweise bei einer einzigen Leiterkarte. An den Schnittstellen der Module sind die jeweiligen einzelnen Leiterkarten auf unterschiedliche Weise verbindbar. Sie können stumpf aneinanderstoßen, und dann wird eine elektrische Verbindung geschaffen. Als Verbindungsstück sind auch kurze Verbindungsleiterplatten denkbar, welche die aneinanderstoßenden Leiterkarten überlappend verbinden und damit eine höhere mechanische Stabilität aufweisen. Die elektrische Verbindung kann dann entweder direkt zwischen den aneinanderstoßenden Leiterkarten der Sensorelemente 12 oder mittelbar über die Verbindungsleiterkarte erfolgen.
-
Dabei kann es bei nur einer gemeinsamen Speise- und Empfangsschaltung 22 beziehungsweise Auswertungseinheit 24 bleiben, insbesondere in Verbindung mit einem hochfrequenzseitigen Multiplexing. Es ist aber auch denkbar, diese elektronischen Schaltungselemente für einzelne oder Gruppen von Resonatoren 20 zu vervielfachen, insbesondere weil die Speisung und Erfassung von Signalen direkt am Resonator 20 empfindlicher sein kann, als wenn dies alles zentral vorgesehen ist. So kann dann die Sensorinformation parallel ermittelt und für eine Nachbearbeitung einer eigenen Auswertung oder einer externen Auswertung an einer gemeinsamen Schnittstelle bereitgestellt werden. Entsprechende Schaltungsvarianten wurden auch in den 2 bis 5 vorgestellt.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 10131019 A1 [0004]
- DE 202007015529 U1 [0005]
- DE 102014109399 B4 [0006, 0031]
- DE 102014109401 B4 [0006, 0031]
- DE 102014109402 B4 [0006, 0031]
