DE3922556C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine "Änderung zur kontaktlosen Energie- und Sensorsignalübertragung" nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Eine derartige Anordnung ist beispielsweise aus der DE 32 19 558 C2 bekannt. Dieses System zur Temperaturmessung hat folgende Nachteile: geringe Nutzbandbreite, mehrere Spulen, lage- und störungsabhängig, komplizierte Feldstärkeregelung. Ein aus der Schrift DE 29 49 075 C2 bekanntes System mit Drehtrafo hat die Nachteile einer festgelegten Geometrie und eines rel. großen Energiebedarfs.

Weiterhin sind Systeme zum Übermitteln von Identifikationscodes auf elektromagnetischem Wege über Distanzen bis zu 1 m Reichweite ohne Batterieversorgung im Identifikationstransponder bereits heute in berührungslosen Identifikationssystemen in der Sicherheitstechnik im Einsatz. Realisierung derartiger Systeme war erst mit dem Vorhandensein von Technologien wie CMOS zur Erstellung von elektronischen Schaltkreisen mit extrem niedrigen Energieverbrauchswerten möglich geworden. Die Besonderheit liegt in der Tatsache, daß sich der Identifikations­ transponder aus der Feldenergie im Raum, trotz der erhebli­ chen Begrenzung der Energiedichte durch postalische und medi­ zinische Grenzen, mit Energie versorgt und somit auch eine Versorgung des Identifikationstransponders durch Batterien oder andere Energiequellen entfällt und damit absolut verschleiß- und wartungsfreier Betrieb möglich ist. Die not­ wendige Energiedichte im Raum wird durch einen HF-Sender er­ zeugt.

Aufgabe der Erfindung ist es, bei einer Anordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 physikalische Größen (Meßwerte bzw. Meßsignale) mit Hilfe einer elektrischen Schaltung kon­ taktlos, wartungsfrei, bedienungsfreundlich, sicher und ohne Zusatzenergie für den Transponder am Meßpunkt zu erfassen. Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des An­ spruchs 1 gelöst.

Die berührungslose bzw. kontaktlose Messung unter Einsatz von Elektronik der physikalischen Größen (33) Temperatur, Druck, mechanische Spannung, Drehmoment etc. ist heute von zunehmen­ dem Interesse. Da der Sensor stationär am Meßpunkt montiert werden kann und keine Elektroden zum Abgreifen des Meßwertes notwendig sind, ist z. B. eine absolut fehlerfreie Temperatur­ messung möglich. Wärmeableitung oder Einschwingen des Tempera­ tursensors sind bedeutungslos. Sensor und Transponder bilden eine integrierte Einheit womit die lästige Sensorverkabelung entfällt und damit EMV-Störeinflüsse entfallen. Weiterhin kann auf die Anschlußklemmen verzichtet werden. Da mit Hilfe der Mikroelektronik die notwendige elektronische Schaltung äußerst klein gestaltet werden kann, wird die Größe des Transponders nur von der Sensorfläche bestimmt. Die heutigen Telemetriesysteme für rotierende Meßwellen arbeiten in der Regel auf Funk- oder Lichtübertragungsbasis. Sie zeichnen sich durch hohe Energie­ verbrauchswerte im Sender aus, was eine zusätzliche Ver­ sorgung durch Batterien oder eine Energieübertragung mittels Trafo erzwingt und weiterhin erhebliche Montageaufwendungen für die Elektronik und Verkabelung bedingt. Die genannte Er­ findung erlaubt z. B. nach Anbringung des Transponders (1) an der Meßwelle berührungslose Spotmessungen zu beliebigen Zeiten z. B. von Temperatur, Drehmoment, Zug-/Druckkräften, etc. mittels dem Sensorempfänger (2) auf Handholdterminalbasis durch­ zuführen. Damit kann man insbesondere Prüf-, Meß- und Überwa­ chungsaufgaben an bewegten Teilen äußerst anwenderfreundlich durchführen.

Ein weiterer Anwendungsbereich ist die Insitu-Meßtechnik. Das Produktionsgut, daß zum Beispiel durch ein Wärmeprofil im Ofen läuft, wird mit einem Temperatursensor mit Transponder (1) ausgestattet. Der stationäre Sensorempfänger (2) wertet die Temperatur direkt am Produktionsgut während des Prozesses aus und führt die Meßwerte der Ofensteuerung zu. Somit kann nicht nur die echte Temperatur am Produktionsgut ermittelt werden, sondern auch die Temperatur mittels einer Regelung exakt ein­ gestellt werden. Eine ähnliche Anwendung ist für den Mikrowellen­ herd zur Optimierung des Garprozesses von Interesse. Im Falle von Beschichtungsprozessen ist auf Grund zunehmender Qualitäts­ anforderungen die Insituschichtdickenmessung mittels dem hier aufgezeigten Verfahren von enormer Bedeutung.

Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung wird anhand folgender Figuren näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 Anordnung zur kontaktlosen Energie- und Sensorsignalübertragung nach der Erfindung mit dem Transponder (1) am Meßpunkt des Meßobjekts und die Verkoppe­ lung mit dem Sensorempfänger (2) über eine Distanz.

Fig. 2 Kontaktloser Sensorabgriff nach der Erfindung mit dem Transponder (1) und dem Sensorempfänger (2).

Fig. 3 Realisierung des steuerbaren Widerstandes (4) als getakteter Längswiderstand in Serie zur Transponderstromversorgung (7).

Fig. 4 Realisierung des steuerbaren Widerstands (4) als getakteter Parallel­ widerstand zur Transponderspule (5).

Fig. 5 Transponder (1) nach der Erfindung mit der Signalaufbereitungs­ schaltung (3), welche aus Sensorsignalverstärker (14), Modulator (15) und Pulsflankenerzeuger (16) zusammengesetzt ist.

Fig. 6 Sensorempfänger (2) nach der Erfindung mit Auswertung der zeit­ lich abhängigen Senderversorgungsleistung (28) für den HF-Sender (20) zur Gewinnung des binären Signals (26).

Fig. 7 Sensorempfänger (1) nach der Erfindung mit Auswertung der sensor­ signalabhängigen Phasenverschiebung zwischen HF-Sendesignal (24) und dem Spannungssignal (25).

Der wesentliche Grundgedanke der vorliegenden Erfindung beruht in der Tatsache, daß die Energieversorgung des Sensors mit inte­ griertem Transponder (1), auf Grund seiner äußerst geringen Energie­ aufnahme, über das magnetische Feld (11), welches vom Sensor­ empfänger (2) erzeugt wird, erfolgt und dieses gleiche magnetische Feld (11) anhängig von der physikalischen Größe (33), die mittels des Sensors (6) in das Sensorsignal (8) umgesetzt wird, vom Transponder (1) bedämpft wird, was wiederum eine sensorsignal­ abhängige Rückwirkung auf den Sendespulenschwingkreis (30) im Sensorempfänger (2) zur Folge hat. Die sensorsignalabhängige Be­ dämpfung oder Phasenverschiebung wird detektiert.

Aus der Transformatorlehre ist bekannt, daß über die Kopplung zwischen Sekundärspule und Primärspule z. B. ein Kurzschluß an der Sekundärspule, je nach Koppelfaktor, in eine Eingangswider­ standsänderung auf der Primärseite transformiert wird. Dies be­ dingt in der Regel eine Strom- bzw. Spannungsänderung an der Pri­ märseite. Sie kann bei bekannten Trafodaten benutzt werden den Sekundärlastwiderstand zu bestimmen. Bei der hier vorliegenden Erfindung ist der Koppelfaktor auf Grund der Distanz zwischen Transponder (1) und Sensorempfänger (2) äußerst gering und ist abhängig von der Distanz zwischen Transponder (1) und Sensorempfänger (2), der relativen Winkellage der Einheiten zueinander, etc. Aus diesem Grund wird nur ein digitales Signal (eine Zustands­ änderung) übertragen. Dies erlaubt neben der einfachen Auswerte­ schaltung im Sensorempfänger (2) auch eine äußerst zuverlässige, fehlerfreie und gegen Geometrieänderungen invariante Signalüber­ tragung. Das binäre Sensorsignal (9) wird mit Hilfe eines steuer­ baren Widerstands (4) in eine binäre Magnetfelddämpfungsänderung umgesetzt. Dies kann wie in Fig. 4 ausgeführt z. B. durch Kurz­ schließen oder Bedämpfen im Takt des binären Sensorsignals (9) der Spannung an der Transponderspule (5) erfolgen.

Eine weitere Möglichkeit ist die Ausführung des steuerbaren Wider­ stands (4) als änderbaren Längswiderstand in Serie zur Trans­ ponderstromversorgung (7) (Fig. 3). In den Zeitintervallen hoch­ ohmiger Längswiderstands sichert der Ladekondensator in der Gleichrichterschaltung in der Transponderstromversorgung (7) die Energieversorgung des Transponders. Da der Ladekondensator wäh­ rend diesem Zeitintervall teilweise entladen wird, muß die abge­ flossene Ladung in den niederohmigen Zeitintervallen ergänzt wer­ den. Dies führt beim Übergang von der hochohmigen in die nieder­ ohmige Phase zu einem Stromstoß in der Gleichrichterschaltung der Transponderstromversorgung (7) und zu einer starken pulsartigen Feldbekämpfung, die im Sensorempfänger (2) detektiert wird. Diese Methode zeichnet sich durch geringen Zusatzenergieverbrauch aus.

In einer besonders vorteilhaften Ausführung der Erfindung (Fig. 5) ist im Transponder (1) ein zusätzlicher Pulsflankenerzeuger (16) vorhanden, der aus dem binären Sensorsignalübergängen nur kurze Impulse gewinnt, welche den steuerbaren Widerstand ansteuern. Dadurch ist die mittlere Feldbelastung, insbesondere bei einer Schaltungsanordnung gemäß Fig. 3 sehr gering, wodurch der Energie­ verbrauch zusätzlich optimiert wird. Bei dieser Ausgestaltung der Erfindung wird die resultierende Pulsfolgenverdopplung im AM-Demodulator (21) mit einem Frequenzteiler wieder elemi­ niert.

In Fig. 2 ist der berührungslose Sensorabgriff dargestellt. Sie besteht aus dem Transponder (1) und dem Sensorempfänger (2). Auf Grund der magnetischen Übertragung ist der Sensorabgriff absolut unempfindlich gegenüber Verschmutzung und damit ideal für rauhe Einsatzbedingungen, insbesondere für Maschinenbauanwendungen, ge­ eignet. Der Transponder (1) besteht aus dem Sensor (6), der je nach Anwendungsfall Temperatur, Druck, Kraft, Torsion, Biodaten, etc. verarbeiten kann. Sensoren für die genannten physikalischen Größen sind heute allgemein in Einsatz. Für die hiergenannte Er­ findung sind integrierbare Mikrosensoren mit äußerst geringen Energie­ verbrauchswerten besonders geeignet. Besonders vorteilhaft sind Halbleitersensoren auf deren Chipfläche die elektronische Mikroschaltung für die Transponderfunktion zusätzlich integriert werden kann. Damit wird der Sensor zu einem Transponder ohne wesent­ liche Vergrößerungen des Gesamtelements. Im Fall diskreter Sensor­ elemente kann durch die Hybridtechnologie Sensor und Transponder­ zusatz zu einem Element zusammengefügt werden. Das abgegebene Sensorsignal (8) ist in der Regel analoger Natur. Die Energiever­ sorgung des Sensors erfolgt im Fall von Meßbrücken (DMS, PT 100) oder aktiver Sensoren mit der internen Versorgungsspannung (12). Die Versorgungsspannung ist gegen Feldschwankungen mit Hilfe der Transponderstromversorgung (7) stabilisiert. Dies gewährleistet die Sensorsignalinvarianz gegen Feldänderungen.

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist im Transponder (1) eine zusätzliche Spannungsüberwachungsschaltung (19) vorhanden, die erst bei ausreichender Spannungsversor­ gung die Funktion der Signalaufbereitungsschaltung (15) freigibt. Damit wird verhindert, das auf Grund ungenügender Versorgungsspannung (12) verfälschte Sensorsignalwerte übertragen werden.

Die Signalaufbereitungsschaltung (3) ist aus dem Sensorsignalver­ stärker (14), dem Modulator (15) und dem Pulsflankenerzeuger (16) zusammengesetzt (Fig. 5). In der Regel sind die Sensorausgangs­ signale (8) äußerst klein und damit ungeeignet für die direkte Zuführung zum Modulator (15). Aus diesem Grund werden die Sensoren­ signale (8) mit dem Sensorsignalverstärker (14) auf eine ge­ eignete Amplitude angehoben. Der nachgeschaltete Modulator (15) setzt das verstärkte Sensorsignal (17) in das binäre Sensorsignal (9) um. Aus der Nachrichtentechnik sind heute verschiedene Modu­ lationsverfahren bekannt. Prinzipiell kann jedes Modulationsver­ fahren angewendet werden. Besonders vorteilhaft ist die Anwendung der Pulscodedemodulation, der Frequenzmodulation und der Pulsbreiten-/Pulsdauermodulation. Sie garantieren eine besonders geometrieinvariante, störsichere und zuverlässige Übertragung sowohl von statischen als auch von dynamischen Sensorsignalen (8).

Der Sensorempfänger (2) ist aus dem Senderspulenschwingkreis (30), dem HF-Sender (20) dem AM-Demodulator (21) und dem Demodu­ lator (22) aufgebaut. Die Spule im Senderspulenschwingkreis (30) wird nach den Gesichtspunkten optimale Reichweite und Feldgeome­ trie gestaltet. Bei radialsymmetrischen Anwendungen mit einer Wirkungsrichtung ist die Verwendung einer Zylinderspule mit halbem Ferritschalenkern besonders vorteilhaft. Der Schwingkreis ist auf die Resonanz zur HF-Sendefrequenz abgestimmt, um möglichst große Ströme im Schwingkreis und max. Distanz zwischen Transponder (1) und Sensorempfänger (2) zu gewinnen. Der Senderspulen­ schwingkreis (30) wird vom HF-Sender (20) nach den aus der Nach­ richtentechnik bekannten Gesichtspunkten aufgebaut. Im Fall einer Ausführung nach Anspruch 6 wird der Sendespulenschwingkreis (30) hochohmig an den HF-Sender (20) abgekoppelt. Dadurch ist die sensor­ signaldämpfung mit der dadurch verbundenen Spannungssignal­ dämpfung (25) besonders gut detektierbar. Dies kann z. B. mit der aus der Nachrichtentechnik bekannten Hüllkurvendemodulation im AM-Demodulator (21) erfolgen.

Eine Dämpfungsänderung am Senderspulenschwingkreis (30) hat auch eine Änderung der Leistungsaufnahme des HF-Senders (20) zur Folge. Gemäß Anspruch 8 und Fig. 6 kann mittels eines Leistungs- bzw. Strommessers (29) der sensorsignalabhängige Leistungsfluß ermittelt werden. Das resultierende binäre Signal (26) wird ent­ sprechend Fig. 6 dem Demodulator (22) zugeführt.

In einer weiteren Ausführung der Erfindung kann gemäß Anspruch 4 das sensorsignalabhängige Signal mittels eines Phasendiskriminators (32), dem das HF-Sendesignal (24) und das Spannungssignal (25) zugeführt sind, ermittelt werden. Diese Art der Auswertung beruht auf der Wirkungsweise, daß bei hochohmiger Ankopplung des Sendespulenschwingkreises (30) eine Sensorsignalabhängige Phasen­ verschiebung zwischen dem HF-Sendesignal (24) und dem Spannungs­ signal (25) besteht. Das resultierende binäre Signal (26) wird entsprechend Fig. 7 dem Demodulator (22) zugeführt. Mit Hilfe des Demodulators (22) wird das binäre Signal (26) in das Signal (23), welches dem normierten Sensorsignal (8) bzw. der physikalischen Größe (33) entspricht, umgesetzt.

In einer besonders vorteilhaften Gestaltung der Erfindung wird mit Hilfe der Einheit berührungsloser Sensorabgriff das Sensor­ signal (8) auf einen Wert verstärkt, der eine direkte Verarbei­ tung des Signals (23) mittels Transientenrecorder, Tonband, etc. erlaubt. Der Demodulator (22) wird auf die jeweilige Modulator­ ausführung im Transponder (1) abgestimmt. Der Demodulator (22) vollzieht die inverse Operation zur ausgeführten Modulation. Im Fall eines Pulscodemodulators wird der Demodulator als Pulscode­ demodulator ausgeführt.

Bezugszeichentabelle

 1 Transponder
 2 Sensorempfänger
 3 Signalaufbereitungsschaltung
 4 steuerbarer Widerstand
 5 Transponderspule
 6 Sensor
 7 Transponderstromversorgung
 8 Sensorsignal
 9 binäres Sensorsignal
10 HF-Signal
11 magnetisches Feld
12 Versorgungsspannung
13 Versorgungsenergie
14 Sensorsignalverstärker
15 Modulator
16 Pulsflankenerzeuger
17 verstärktes Sensorsignal
18 moduliertes Signal
19 Spannungsüberwachungsschaltung
20 HF-Sender
21 AM-Demodulator
22 Demodulator
23 Signal
24 HF-Sendesignal
25 Spannungssignal
26 binäres Signal
27 Versorgungseinheit
28 Senderversorgungsleistung
29 Leistungsmesser bzw. Strommesser
30 Sendespulenschwingkreis
31 Freigabesignal
32 Phasendiskriminator
33 physikalische Größe

Claims (13)

1. Anordnung zur kontaktlosen Energie- und Sensorsignalübertragung

• - mit einem HF-Sender (20) zum Aufbau eines unmodulierten mag. Hoch­ frequenzfeldes über eine Sendespule,
• - mit einem Transponder (1), der das hochfrequente Magnetfeld aufnimmt,
• - mit einer Gleichrichterschaltung zur Versorgung eines Modula­ tors (15), der das Sensorsignal (8) in ein dem Meßwert propor­ tionales pulsmoduliertes Signal umwandelt und einer Schaltungs­ anordnung die mit diesem Signal die Stromaufnahme des Transponders (1) ändert
• - mit einer Empfangsspule, die durch die unterschiedliche Strom­ aufnahme des Transponders (1) verursachten Magnetfeldänderungen erfaßt
• - mit einer Demodulatorschaltung (21) zur Rückgewinnung des Puls­ modulierten Signals
• - mit einer Auswerteschaltung zur Rückgewinnung eines dem Sensor­ signal entsprechenden Signals

gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

• a) Sende- und Empfangsspule sind gemeinsam als Sendespulen­ schwingkreis (30) ausgeführt
• b) die Stromversorgung für den Sensor (6) und den Transponder (1) wird stabilisiert,
• c) das Sensorsignal (8) wird durch einen präzisen Meßverstärker ver­ stärkt
• d) die Demodulatorschaltung (21) detektiert die durch die Pulsmo­ dulation entstehenden Veränderungen auf der Sendeseite.

2. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Transponder (1) eine Spannungsüberwachungsschal­ tung (19) vorhanden ist, der die Versorgungsspannung (12) zuge­ führt ist, und daß die Spannungsüberwachungsschaltung (19) bei Errei­ chen der vorgeschriebenen Versorgungsspannung (12) ein Freigabe­ signal (31) erzeugt, das dem Modulator (15) zugeführt ist und die Signalaufbereitungsschaltung (3) erst bei Anliegen des Freigabe­ signals (31) in Funktion setzt.

3. Anordnung nach Anspruch 1 bis 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Spannungssignal (25) oder ein Teil des Spannungssignals (25) am Senderspulenschwingkreis (30) einer am­ plitudengeregelten AM-Demodulatorschaltung (21) zugeführt ist und durch Hüllkurvendemodulation im AM-Demodulator (21) das binäre Signal (26) gewonnen wird (Fig. 2).

4. Anordnung nach Anspruch 1 bis 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die dem HF-Sender (20) zugeführte zeitlich ab­ hängige Senderversorgungsleistung (28) mittels eines Leistungs­ messers bzw. Strommessers (29) bestimmt ist und die zeitlich ab­ hängige Senderversorgungsleistung (28) als binäres Signal (26) dem Demodulator (22) zugeführt ist (Fig. 6).

5. Anordnung nach Anspruch 1 bis 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß im Sensorempfänger ein Phasendiskriminator (32) mit 2 Eingängen und einem Ausgang vorhanden ist und dem Phasen­ diskriminator (32) das HF-Sendesignal (24) und das Spannungssignal (25) zugeführt ist und das binäre Signal (26) am Ausgang dem Demodulator (22) zugeführt ist (Fig. 7).

6. Anordnung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Transponder (1) aus dem magnetischen Feld (11) die Versorgungsenergie (13) gewinnt und mit dieser Energie Sensor (6) und Transponder (1) versorgt wird.

7. Anordnung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Modulator (15) als präziser VCO (spannungs­ gesteuerter Oszillator) ausgeführt ist.

8. Anordnung nach Anspruch 1 bis 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das vom Modulator (15) abgegebene Signal einem Pulsflankenerzeuger (16) zugeführt wird und dessen binäres Signal (9) einen steuerbaren Widerstand (4) ansteuert (Fig. 5).

9. Anordnung nach Anspruch 1 bis 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der steuerbare Widerstand (4) als Querelement zur Transponderspule ausgeführt ist und damit das HF-Signal (10) in Abhängigkeit des binären Sensorsignals (9) be- oder entdämpft wird (Fig. 2).

10. Anordnung nach Anspruch 1 bis 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der steuerbare Widerstand (4) als spannungsge­ steuerter Längswiderstand in Serie zur Transponderstromversorgung (7) ausgeführt ist und der Fluß der Versorgungsenergie (13) durch das binäre Sensorsignal (9) moduliert und damit das HF-Signal (10) be- oder entdämpft wird (Fig. 4).

11. Anordnung nach Anspruch 1 bis 10, dadurch ge­ kennzeichnet, daß als HF-Frequenz vorzugsweise eine von der Post freigebene Industriefrequenzen (13,56 MHz, etc.) verwendet wird.

12. Anordnung nach Anspruch 1 bis 11, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Transponderspule (5) mit Hilfe eines Kon­ densators zum Parallelschwingkreis ergänzt ist und der Schwing­ kreis auf Resonanz zur Frequenz des HF-Sendesignals (24) abge­ stimmt ist und damit die max. Distanz zwischen Transponder (1) und Sensorempfänger (2) erhöht wird (Fig. 1).