DE4123489A1 - Vorrichtung zur leitungsgebundenen daten- und energieuebertragung mittels lichtenergie - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur leitungsgebundenen Daten- und Energieübertragung, bei der eine Sensoreinheit mit einer Energieversorgungsleitung versehen ist und zur seriellen Datenübertragung mittels Datenleitung an eine Datenverwertein­ richtung angeschlossen ist und bei der die Sensoreinheit einen elektrischen Meßwertaufnehmer aufweist, der auf die Datenlei­ tung arbeitet, die Energieversorgungsleitung von einer Energie­ quelle gespeist ist und die Datenverwerteinrichtung einen elek­ trischen Datenaufbereiter aufweist.

Bei einer durch die Praxis bekannten Vorrichtung dieser Art, ist die Energiequelle eine in der Datenverwerteinrichtung ange­ ordnete elektrische Spannungsversorgung, an der ein elektrischer Metalldraht-Energieversorgungsleiter angeschlossen ist, der zu der Sensoreinheit führt. Die elektrische Daten-Signale ab­ gebende Sensoreinheit arbeitet über einen elektrischen Metall­ draht-Datenleiter unmittelbar auf den elektrisch betriebenen Datenaufbereiter. Die der Übertragung von Daten und Leistung in elektrischer Form dienenden Metalldrahtleiter, die stets eine Isolierung aufweisen, sind in vielen Anwendungsfällen nachteilig. Werden die elektrischen Metalldrahtleiter bei in rauher Umgebung eingesetzt, so drohen bei Beschädigungen der Isolierung Kurzschlüsse, die in explosionsgefährdeten Einsatz­ bereichen unbedingt vermieden werden müssen. Ein weiterer Nachteil elektrischer Metalldrahtleiter ist die Möglichkeit der Störsignaleinkopplung durch umgebende elektromagnetische Störfelder; dies gilt sowohl bezüglich der Datenübertragung als auch bezüglich der Energieübertragung.

Eine Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der sowohl die Energie­ versorgungsleitung als auch die Datenleitung gegen durch Iso­ lationsschäden bedingte elektrische Kurzschlüsse und gegen um­ gebende elektromagnetische Störfelder gesichert ist. Die erfin­ dungsgemäße Vorrichtung ist, diese Aufgabe lösend, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Energiequelle als Lichtenergiequelle aus­ gebildet ist und die Energieversorgungsleitung mittels Licht­ wellenleiter vorgesehen ist und in der Sensoreinheit an einen optisch-elektrischen Energiewandler angeschlossen ist, der den Meßwertaufnehmer versorgt, und daß der Meßwertaufnehmer über eine Aufbereitungselektronik auf einen elektrisch-optischen Datenwandler arbeitet, an dem die Datenleitung angeschlossen ist, die mittels Lichtwellenleiter vorgesehen ist und in der Datenverwerteinrichtung an einen optisch-elektrischen Datenwan­ dler angeschlossen ist, der auf den Datenaufbereiter arbeitet.

Gemäß Erfindung ist die Sensoreinheit ausschließlich über Licht­ wellenleiter mit der Außenwelt verbunden, da der Energieversor­ gungsleiter und der Datenleiter als Lichtwellenleiter ausgebil­ det sind. Es erfolgen die Energieversorgung und die Datenüber­ tragung über Lichtwellenleiter, so daß elektrische Kurzschlüsse auch in rauher Umgebung weder hinsichtlich der Energieversor­ gung noch hinsichtlich der Datenübertragung auftreten können. Aufgrund der besonderen Eigenschaften des Lichtwellenleiters ist eine hohe Störsicherheit gegen umgebende Störfelder gege­ ben; ein weiterer Vorteil ist die beim Lichtwellenleiter ge­ gebene galvanische Trennung zwischen Sensoreinheit und Aus­ werteeinheit. Die Sensoreinheit ist ohne eigene Energieversor­ gung (z. B. auch ohne Batterie). Unter "Licht" versteht sich im Rahmen der Erfindung auch die UV- und IR-Strahlung oder allge­ mein elektromagnetische Strahlung.

Der Meßwertaufnehmer ist ein Sensor oder auch z. B. eine Tastatur bzw. ein Bedienfeld mit Sensorelektronik bzw. Bedienfeld-Elek­ tronik. Als Meßwertaufnehmer kann z. B. ein Temperaturfühler vor­ gesehen sein oder ein anderer einfacher Sensor, der eine physi­ kalische Größe in ein elektrisches Signal umwandelt. Als Meß­ wertaufnehmer sind auch intelligente Sensoren mit eingebautem Prozessor denkbar, welche verschiedene aufgenommene Größen zu einer Folge von Daten bzw. Signalen verarbeiten. Die dem Meß­ wertaufnehmer zugeführte Leistung liegt im µW-Bereich und be­ trägt z. B. von 5-50 µW, d. h. der dem Meßwertaufnehmer zuzufüh­ rende Strom liegt im VA-Bereich. Die Aufbereitungselektronik ist von herkömmlicher Bauart. Sie besteht z. B. aus einem dem Meßsignal entsprechenden geeigneten Umformer und einem den nachfolgenden Einrichtungen entsprechenden Codierer, z. B. Man­ chester-Code-Codierer. In der Aufbereitungselektronik kann auch eine Vorverarbeitung des Meßsignals stattfinden. Die Auf­ bereitungselektronik wandelt das, was vom Meßwertaufnehmer ab­ gegeben wird, so um, daß es vom Datenwandler angenommen werden kann.

Besonders einfach ist es, wenn der elektrisch-optische Daten­ wandler in der Sensoreinheit von einer steuerbaren LED-Diode gebildet ist. Dies ist eine Möglichkeit, die Daten, d. h. Infor­ mation mit geringem Leistungsbedarf zu übertragen, da bestimmte Fotodioden schon im uA-Bereich zuverlässig arbeiten. Solche Fotodioden sind preiswert erhältlich. Wegen der geringeren Sende­ leistung ist die erreichbare Entfernung relativ gering, d. h. die mögliche Länge des Datenleiters beträgt einige 10 m. Unter "Diode", z. B. "Leuchtdiode" kann auch eine parallele oder seriel­ le Kombination von einzelnen Dioden, z. B. Leuchtdioden, zu verstehen sein.

Besonders zweckmäßig und vorteilhaft ist es auch, wenn der elek­ trisch-optische Datenwandler in der Sensoreinheit von einem LCD-Verschluß gebildet ist. Der LCD-Verschluß (LCD=liquid cry­ stal display) ist in passives Element. Die Lichtleistung für die Datenübertragung wird von der Datenverwerteinrichtung bereit­ gestellt. Mit damit möglichen größeren Sendeleistungen sind größere Entfernungen, d. h. größere Längen des Datenleiters mög­ lich. Zusätzlich zu dem LCD-Element ist in der Datenverwertein­ richtung eine Lichtquelle für die Bestrahlung des Daten-Licht­ wellenleiters erforderlich. In der Sensoreinheit wird die Daten­ information durch Modulation des Lichtes mit einem LCD-Verschluß durchgeführt. LCD-Verschlüsse weisen Schaltzeichen im µsec-Be­ reich auf. Da die aktive Fläche des LCD-Verschlusses nur nur aus einem Punktfleck von ca. einem Quadratmillimeter besteht, sind die Herstellungskosten niedrig. Der LCD-Verschluß ist am Ende des Daten-Lichtenwellenleiters in der Sensoreinheit ange­ ordnet. Nahezu leistungslos wird die Stirnfläche des Daten- Lichtwellenleiters hell (d. h. reflektierend) bzw. dunkel (d. h. absorbierend) gesteuert.

Als Lichtwellenleiter für die Energie und die Daten sind solche aus Kunststoff und solche aus Glasfaserbündeln geeignet. Es wer­ den Lichtwellenleiter mit ausreichend großem Querschnitt ver­ wendet, um geringe Einkoppelverluste zu erzielen. Es ist mög­ lich, den Daten-Lichtwellenleiter und den Energieversorgungs- Lichtwellenleiter nicht gesondert voneinander vorzusehen, son­ dern als einheitlichen Leiter. Dabei ist an der Speisestelle ein Y-Koppler vorzusehen.

Besonders zweckmäßig und vorteilhaft ist es, wenn der Daten- Lichtwellenleiter und der Energie-Lichtwellenleiter von großer Flexibilität sind. Dies läßt es nicht nur zu, die Lichtwellen­ leiter mit stark gekrümmtem Verlauf zu verlegen. Die ausgeprägte, dauerhafte Biegbarkeit läßt es auch zu, häufige Bewegungen zwischen der Datensendeeinrichtung und der Datenverwerteinrich­ tung vorzusehen oder die Lichtwellenleiter an einer Stelle einer häufig hin- und hergehenden Biegebeanspruchung zu unterwerfen.

Besonders zweckmäßig und vorteilhaft ist es sodann, wenn der Daten-Lichtwellenleiter und der Energieversorgungs-Lichtwellen­ leiter jeweils beiderends an wasserdichten Lichtwellenleiter- Steckverbindungen enden. Solche Steckverbindungen sind korro­ sionsfrei und besonders bei hoher Luftfeuchtigkeit und unter Wasser geeignet. Aufgrund der besonderen Eigenschaften des Lichtwellenleiters kann die Sensoreinheit auch in stark explo­ sionsgefährdeter Umgebung eingesetzt werden.

Der optisch-elektrische Datenwandler ist in der Regel eine Em­ pfangsdiode. Diese gibt die Daten als elektrische Signale an die Meßsignalauswerteinrichtung weiter. Diese weist in der Regel einen Verstärker und eine Wandlungselektronik auf, die z. B. ein Manchester-Code-Demodulator ist. Die Wandlungselektronik ist. Die Wandlungselektronik arbeitet z. B. auf eine übergeord­ nete Steuereinheit, welche die von der Sensoreinheit abgege­ benen Daten weiterverarbeitet.

Der Lichtenergiequelle ist eine Lichtquelle für die Bestrahlung zugeordnet. Die Lichtenergiequelle ist z. B. ein LED-Element mit gutem Wirkungsgrad und mit guter Spektralanpassung an den Spek­ tralbereich des optoelektronischen Wandlers. Besonders zweck­ mäßig und vorteilhaft ist es, wenn die Lichtenergiequelle eine LED-Diode auf der Basis von z. B. Gallium-Arsenid ist. Hier lie­ gen nahezu ideale Spektralanpassung und guter Wirkungsgrad vor.

Im einfachsten Fall wird über den Energieversorgungs-Lichtwellen­ leiter nur Lichtenergie zum Meßwertaufnehmer übertragen. Beson­ ders zweckmäßig und vorteilhaft ist jedoch, wenn in der Daten­ verwerteinrichtung ein Informationsmodulator an die Lichtenergie­ quelle angeschlossen ist und in der Sensoreinheit dem optisch- elektrischen Energiewandler ein Informationsdemodulator zuge­ ordnet ist, der auf einen Informationsverwerter der Sensorein­ heit arbeitet. Es werden dem Energieversorgungs-Lichtstrahl In­ formationen bzw. Daten aufmoduliert, die in der Sensoreinheit verwertet werden. Es liegt ein bidirektionaler Betrieb vor. Die "zurückgemeldete" Information informiert z. B. auf der Seite der Sensoreinheit über den Ablauf eines von der Datenverwerteinrich­ tung in Gang gesetzten Prozesses.

Auch der Daten-Lichtwellenleiter wird im einfachsten Fall nur in Richtung zur Datenverwerteinrichtung betrieben. Besonders zweckmäßig und vorteilhaft ist es, wenn in der Datenverwertein­ richtung ein elektrisch-optischer Signalwandler vorgesehen und an den Daten-Lichtwellenleiter angeschlossen ist und in der Sensoreinheit dem elektrisch-optischen Datenwandler in der Daten­ verwerteinrichtung ein optisch-elektrischer Signalwandler zugeordnet ist, der auf einen Signalverwerter der Sensoreinheit arbeitet. Der Daten-Lichtwellenleiter wird auch zur Übertragung von Signalen bzw. Daten bzw. Informationen in Richtung zur Sen­ soreinheit benutzt. Es liegt damit ein bidirektionaler Betrieb vor. Die "zurückgemeldeten" Signale informieren z. B. auf der Seite der Sensoreinheit über den Ablauf eines von der Zentral­ elektronik in Gang gesetzten Prozesses.

Es gibt viele verschiedene Anwendungsmöglichkeiten der Erfin­ dung. Besonders zweckmäßig und vorteilhaft ist es, wenn der En­ ergie-Lichtwellenleiter und der Daten-Lichtwellenleiter in rauher Umgebung oder in der Umgebung hoher elektromagnetischer Störfelder verlaufen. Die Gefahr von durch Isolationsschäden bedingten Kurzschlüssen ist vermieden, ebenso die Möglichkeit der Einkopplung von Störsignalen durch umgebende elektromag­ netische Störfelder. Auch ist eine vorteilhafte Anwendung ge­ geben in explosionsgefährdeter Umgebung, da jedwede Funkenbil­ dung ausgeschlossen ist.

In der Zeichnung sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung dargestellt und zeigt

Fig. 1 und 2 eine Sensoreinheit und eine Datenverwerteinrichtung einer ersten Vorrichtung zur leitungsgebundenen Daten- und Energieübertragung,

Fig. 3 und 4 eine Sensoreinheit und eine Datenverwerteinrichtung einer zweiten Vorrichtung zur leitungsgebundenen Daten- und Energieübertragung und

Fig. 5 und 6 eine Sensoreinheit und eine Datenverwerteinrichtung einer dritten Vorrichtung zur leitungsgebundenen Daten- und Energieübertragung.

Die Sensorheinheit 1 der Vorrichtungen gemäß Zeichnung umfaßt jeweils einen Meßwertaufnehmer 2 in Form eines Sensors oder ei­ nes Tastenfeldes, der über elektrische Leitungen 3 Daten abgibt und einer Aufbereitungselektronik 4 zuführt, welche die Daten aus der vom Meßwertaufnehmer 2 abgegebenen Form in eine für die weitere Übertragung geeignete Form umsetzt. Der Eingang 31 des Meßwertaufnehmers 2 ist durch einen Pfeil angedeutet und auch eine Funktionsanzeige 32 des Meßwertaufnehmers ist durch einen Pfeil angedeutet. Die Aufbereitungselektronik 4 gibt die Daten seriell über eine elektrische Leitung 5 an einen elektrisch- optischen Datenwandler 6 weiter, an den über eine Steckverbin­ dung 7 ein ummantelter Daten-Lichtwellenleiter 8 angeschlossen ist. über den Daten-Lichtwellenleiter 8 gelangen die Daten zur Datenverwerteinrichtung 9, wobei der Daten-Lichtwellenleiter 8 über eine Steckverbindung 7 an einen optisch-elektrischen Da­ tenwandler 10 angeschlossen ist, der über eine elektrische Lei­ tung 11 an einen Meßsignalaufbereiter 12 angeschlossen ist.

Der Meßsignalaufbereiter 12 umfaßt einen Verstärker 13, einen Taktgeber 14 und eine Wandlungselektronik 15, die über elektri­ sche Leitungen miteinander verbunden sind. über geeignete Schnittstellen 16 können die Meßsignale weiter verarbeitet wer­ den. An der Schnittstelle 16 kann die Datenverwerteinrichtung entsprechend einen Pfeil 24 auch Signale bzw. Information empfangen bzw. aufnehmen. In der Datenverwerteinrichtung 9 ist eine Lichtenergiequelle 17 vorgesehen, der gemäß Fig. 1-4 über eine elektrische Leitung 18 ein Dioden-Treiber 19 vorgeordnet ist. An die Lichtenergiequelle 17 ist mittels einer Steckver­ bindung 7 ein ummantelter Energie-Lichtwellenleiter 20 ange­ schlossen, der hinüber zur Sensoreinheit 1 führt und dort mit­ tels einer Steckverbindung an einen optisch-elektrischen Ener­ giewandler 21 angeschlossen ist. Der Energiewandler 21 speist über eine elektrische Leitung 22 den Meßwertaufnehmer 2 und gegebenfalls die Funktionsanzeige und über eine elektrische Leitung 23 die Aufbereitungselektronik 4.

Die Ausführungsform gemäß Fig. 1 und 2 wird im einfachsten Fall so betrieben, daß über den Energieversorgungs-Lichtwellenleiter 20 nur Energie zur Sensoreinheit 1 übertragen wird. Es ist auch möglich, zwischen der Schnittstelle 16 und der Lichtenergiequel­ le 17 eine zusätzliche elektrische Leitung 25 vorzusehen, die in der Zeichnung gestrichelt gezeigt ist, um über den Ener­ gieversorgungs-Lichtwellenleiter 20 zusätzlich Daten von der Datenverwerteinrichtung 9 zu der Sensoreinheit 1 zu übertragen. Diese zusätzliche Leitung 25 läßt sich auch bei der Ausführungs­ form gemäß Fig. 3 und 4 vorsehen. Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1 und 2 ist zusätzlich eine elektrische Leitung 26 zwischen der Schnittstelle 16 und dem Datenwandler 10 vorgesehen. Es lassen sich Daten bzw. Informationen in elektrischer Form diesem Wandler 10 zuführen, der nun "umgekehrt" betrieben wird, um die Daten bzw. Informationen in optischer Form über den Lichtwellen­ leiter 8 zu der Sensoreinheit 1 zu übertragen.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 3 und 4 ist in der Datenver­ werteinrichtung 9 eine zusätzliche Lichtquelle 27 vorgesehen, die über ein Gabelstück 28 an den Daten-Lichtwellenleiter 8 an­ geschlossen ist und die dazu dient, dem als Modulator ausgebil­ deten Datenwandler 6 Licht zuzuführen. Die zusätzliche Licht­ quelle 27 ist über eine elektrische Leitung 29 angesteuert. Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 5 und 6 dient derselbe Licht­ wellenleiter 8/20 sowohl der Datenübertragung als auch der Ener­ gieübertragung. Der Wandler 10 wird von der Schnittstelle 16 her über eine elektrische Leitung 30 angesteuert und dient gleich­ zeitig als Lichtenergiequelle 17.

Claims (8)

1. Vorrichtung zur leitungsgebundenen Daten- und Energieüber­ tragung,
bei der eine Sensoreinheit mit einer Energieversorgungslei­ tung versehen ist und zur seriellen Datenübertragung mittels Datenleitung an eine Datenverwerteinrichtung angeschlossen ist und
bei der die Sensoreinheit einen elektrischen Meßwertaufnehmer aufweist, der auf die Datenleitung arbeitet, die Engeriever­ sorgungsleitung von einer Energiequelle gespeist ist und die Datenverwerteinrichtung einen elektrischen Datenaufbe­ reiter aufweist, dadurch gekennzeichnet,
daß die Energiequelle als Lichtenergiequelle (17) ausgebildet ist und die Energieversorgungsleitung mittels Lichtwellen­ leiter (20) vorgesehen ist und in der Sensoreinheit (1) an einen optisch-elektrischen Energiewandler (21) ange­ schlossen ist, der den Meßwertaufnehmer (2) versorgt, und
daß der Meßwertaufnehmer (2) über eine Aufbereitungselektro­ nik (4) auf einen elektrisch-optischen Datenwandler (6) ar­ beitet, an den die Datenleitung angeschlossen ist, die mit­ tels Lichtwellenleiter (8) vorgesehen ist und in der Daten­ verwerteinrichtung (9) an einen optisch-elektrischen Daten­ wandler (10) angeschlossen ist, der auf den Datenaufbereiter (12) arbeitet.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Datenwandler (6) der Sensoreinheit (1) eine steuerbare Leucht­ diode ist, der Datenwandler (10) der Datenverwerteinrichtung (9) eine Empfangsdiode ist und die Lichtenergiequelle (17) eine Leuchtdiode ist. (Fig. 1 und 2) 3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Datenwandler (6) ein Lichtmodulator ist, der ankommendes Licht moduliert und zur Datenverwerteinrichtung zurückschickt, daß der Datenwandler (10) eine Empfangsdiode ist und daß die Lichtenergiequelle (17) eine Diode ist, wobei für das Licht des Lichtmodulators entweder eine eigene Lichtquelle (25) vorgesehen ist oder eine Einkoppelung von der Lichtenergie­ quelle (17) in die Lichtwellenleiter-Datenleitung (8) vor­ gesehen ist. (Fig. 3 und 4) 4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der empfangende Energiewandler (21) der Sensoreinheit (1) zugleich als Datensender vorgesehen ist, daß der empfangende Datenwandler (10) der Datenverwerteinrichtung (9) zugleich als Energiesender vorgesehen ist und daß Energie- und Datenübertragung im Zeitmultiplex über den Energieversor­ gungs/Daten- Lichtwellenleiter (20, 8) vorgesehen ist. (Fig. 5 und 6) 5. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3 dadurch gekennzeichnet, daß in der Datenverwerteinrichtung (9) die Lichtenergiequelle (17) zusätzlich als Datensender vorgesehen ist und der Daten­ wandler (21) der Sensoreinheit (1) zusätzlich als Datenem­ pfänger vorgesehen ist und eine Dekodiereinrichtung für diese Daten aufweist, die u. a. einer Funktionsanzeige des Meßwert­ aufnehmers (2) zugeführt sind, wobei ein bidirektionaler DuplexBetrieb zwischen Sensoreinheit (1) und Datenverwert­ einrichtung (9) vorgesehen ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Datenwandler (6) der Sensoreinheit (1) und der Datenwandler (10) der Datenverwerteinrichtung (9) jeweils als Sende- und Empfangsdiode vorgesehen ist, wobei Zeitmultiplexbetrieb der Sende- und Empfangsdioden und bidirektionaler Halbduplex- Betrieb über den Daten-Lichtwellenleiter (8) vorgesehen ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Sende- und Empfangsdiode (6) der Sensoreinheit (1) zusätzlich als Energieempfänger zur Energieversorgung vorgesehen ist und die Sende- und Empfangsdiode (10) der Datenverwertein­ richtung (9) zusätzlich als Energiesender zur Energieversor­ gung vorgesehen ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrisch-optische Datenwandler (6) von einem LCD- Verschluß gebildet ist.

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehende Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Daten-Lichtwellenleiter (8) und der Energie-Lichtwellenleiter (20) von großer Flexibilität sind.

10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Daten-Lichtwellenleiter (8) und der Energie-Lichtwellenleiter (20) jeweils beiderends an wasser­ dichten Lichtwellenleiter-Steckverbindungen (7) enden.

11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Energie-Lichtwellenleiter (20) und der Daten-Lichtwellenleiter (8) in einem Raum hoher Luftfeuch­ tigkeit oder in einem mit Wasser gefüllten Raum oder in einem Umfeld mit hoher elektromagnetischer Störbeeinflussung ver­ laufen.