EP2598867A2 - Schnelles messverfahren zur erfassung von ofw-sensordaten - Google Patents

Schnelles messverfahren zur erfassung von ofw-sensordaten

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EP2598867A2
EP2598867A2 EP11732406.1A EP11732406A EP2598867A2 EP 2598867 A2 EP2598867 A2 EP 2598867A2 EP 11732406 A EP11732406 A EP 11732406A EP 2598867 A2 EP2598867 A2 EP 2598867A2
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EP
European Patent Office
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frequency
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multiplier element
excitation signal
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Withdrawn
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EP11732406.1A
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Janos Gila
Reinhard Hladik
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Siemens AG Oesterreich
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Siemens AG Oesterreich
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    • G01N29/22—Details, e.g. general constructional or apparatus details
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Definitions

  • the invention relates to a method for measuring
  • Coupling elements are embedded and in which an interrogation device is further provided, which to the
  • Koppelementen has an electrical operative connection and in which the sensor elements are excited, and from the
  • SAW surface acoustic wave
  • Electrode structures on the surface of piezocrystals can generate sound waves that occur on the
  • Electrodes or other shape parameters frequencies can be selected.
  • acoustic surface wave is converted back into electrical signals.
  • SAW sensors When used as SAW sensors, the dependence of the surface wave velocity of the mechanical
  • the SAW resonator Upon excitation with an RF signal near its resonant frequency, therefore, the SAW resonator responds with a signal whose frequency is indicative of the Ambient temperature, the mechanical stress or, for example, in conjunction with a pressure-dependent
  • Capacitor over the ambient pressure supplies For this purpose, from WO 2009/133050 a method for measuring physical properties of continuous products is known, in which sensor elements and associated coupling elements are embedded in the pressed material and in which an interrogation device is further provided, which to the
  • Koppelementen having an electrical operative connection and in which the sensor elements are excited, and from the statement of a statement about the physical properties of the continuous presses is taken.
  • the invention is therefore based on the object, the
  • a further improvement of the measurement can be achieved if the frequency spacing between the
  • Resonance frequency of the SAW sensor and the frequency at which this was excited - the excitation frequency - is as low as possible.
  • FIG. 1 shows an inventive element of the interrogator
  • the circuit of FIG. 1 comprises a multiplier element M, a frequency-dependent phase shifter P, and a low-pass filter TP.
  • the temperature or pressure to be used in a pressed material is applied both to the first input A of the multiplier element M and via a frequency-dependent phase shifter P to a second input B of the multiplier element M.
  • Inputs A, B of the multiplier element M are as follows:
  • the output signal of the multiplier element M is passed through a low-pass filter TP.
  • the Resonant frequency of the SAW sensor is a direct measure of the physical parameter to be measured
  • Sc (t) i. the amplitude of the signal at the output of the low-pass filter TP no time dependence. This also allows arbitrarily small time intervals for the determination of the
  • the entire measuring method can be significantly accelerated.
  • a further improvement of the measurement can be achieved if the frequency spacing between the
  • Resonance frequency of the SAW sensor and the frequency at which this was excited - the excitation frequency - is as low as possible.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of the course of the frequency of
  • Excitation signal TX as well as the time periods TX_ON in which this signal TX is turned on, and the OFF times TX_OFF, and the response signal of the SAW resonator with the resonance frequency RX, which is assumed to be approximately constant during the course of the process.
  • the SAW sensor is now during a first time period 1 with an excitation signal
  • Excitation signal during a second period of time 2 and after a settling time is from the output signal of the circuit of FIG. 1, the frequency difference between the Resonant frequency RX of the sensor and the first frequency of the excitation signal TX determined.
  • the frequency spacing is only roughly calculated so that during the second switch-on of the
  • Excitation signal TX in period 3 in which the frequency of the excitation signal corresponding to the detected

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung physikalischer Eigenschaften von Endlospressgütern, bei dem in das Pressgut Sensorelemente und damit verbundene Koppelelemente eingebettet werden und bei dem weiterhin eine Abfrageeinrichtung vorgesehen ist, welche zu den Koppelementen eine elektrische Wirkverbindung aufweist und bei dem die Sensorelemente angeregt werden, und aus dem Antwortsignal (TX) eine Aussage über die physikalischen Eigenschaften der Endlospressgüter getroffen wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Antwortsignal (TX) in der Abfrageeinrichtung sowohl an den ersten Eingang (A) eines Multiplikatorelementes (M) als auch über einen frequenzabhängigen Phasenschieber (P) an einen zweiten Eingang (A) des Multiplikatorelementes (M) angelegt wird, dass das Ausgangssignal (C) des Multiplikatorelementes (M) über einen Tiefpass (TP) geführt wird und dass das Ausgangssignal (C) des Tiefpasses (TP) zur Ermittlung der Aussage über die physikalischen Eigenschaften der Endlospressgüter herangezogen wird.

Description

Beschreibung / Description
Schnelles Messverfahren zur Erfassung von OFW-Sensordaten Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung
physikalischer Eigenschaften von Endlospressgütern, bei dem in das Pressgut Sensorelemente und damit verbundene
Koppelelemente eingebettet werden und bei dem weiterhin eine Abfrageeinrichtung vorgesehen ist, welche zu den
Koppelementen eine elektrische Wirkverbindung aufweist und bei dem die Sensorelemente angeregt werden, und aus dem
Antwortsignal eine Aussage über die physikalischen
Eigenschaften der Endlospressgüter getroffen wird. Der Einsatz von Oberflächenwellen (OFW) -Resonatoren oder nach anderer Bezeichnung SAW-Sensoren als Temperatursensoren hat sich auch bei anspruchsvollen Umgebungsbedingungen bewährt.
Diese Elemente beruhen darauf, dass sich mittels
Elektrodenstrukturen auf der Oberfläche von Piezokristallen Schallwellen erzeugen lassen, die sich auf der
Substratoberfläche ausbreiten. Durch die Gestalt der
Elektroden oder anderen Formparametern können Frequenzen selektiert werden.
Mit geeigneten weiteren Elektrodenstrukturen wird die
akustische Oberflächenwelle wieder in elektrische Signale umgewandelt . Beim Einsatz als OFW-Sensoren wird die Abhängigkeit der Oberflächenwellengeschwindigkeit von der mechanischen
Spannung (Verformung) , der Massenbeaufschlagung (Ablagerungen auf der Oberfläche) oder der Temperatur
(Temperaturkoeffizient der Schallgeschwindigkeit) genutzt.
Auf eine Anregung mit einem HF-Signal in der Nähe seiner Resonanzfrequenz antwortet daher der OFW-Resonator mit einem Signal, dessen Frequenz eine Aussage über die Umgebungstemperatur, die mechanische Spannung, oder aber beispielsweise in Verbindung mit einem druckabhängigen
Kondensator über den Umgebungsdruck liefert. Dazu ist aus der WO 2009/133050 ein Verfahren zur Messung physikalischer Eigenschaften von Endlospressgütern bekannt, bei dem in das Pressgut Sensorelemente und damit verbundene Koppelelemente eingebettet werden und bei dem weiterhin eine Abfrageeinrichtung vorgesehen ist, welche zu den
Koppelementen eine elektrische Wirkverbindung aufweist und bei dem die Sensorelemente angeregt werden, und aus der Antwort eine Aussage über die physikalischen Eigenschaften der Endlospressgüter getroffen wird. Bei herkömmlichen Verfahren zur Messung mittels OFW-
Resonatoren ist die Zeitdauer der einzelnen Messungen relativ hoch, wodurch die Einsatzmöglichkeiten begrenzt sind.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die
Messgeschwindigkeit zu erhöhen.
Erfindungsgemäß geschieht dies mit einem Verfahren nach
Anspruch 1. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann daher das gesamte Messverfahren erheblich beschleunigt werden.
Eine weitere Verbesserung der Messung kann dann erreicht werden, wenn der Frequenzabstand zwischen der
Resonanzfrequenz des OFW-Sensors und der Frequenz mit der dieser angeregt wurde - der Anregungsfrequenz - möglichst gering ist.
Dies geschieht erfindungsgemäß mit einem Verfahren nach
Anspruch 2.
Die weiteren Unteransprüche enthalten ebenfalls vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens. Die Erfindung wird anhand von zwei Figuren näher erläutert.
Es zeigen beispielhaft: Fig.l ein erfindungsgemäßes Element der Abfrageeinrichtung zeigt, und
Fig.2 den Ablauf des Verfahrens zur Bestimmung der Frequenz des Anregungssignales. Die Schaltung nach Fig. 1 umfasst ein Multiplikatorelement M, einen frequenzabhängigen Phasenschieber P, und einen Tiefpass TP.
Das Antwortsignal des OFW-Sensors, dessen Frequenz zur
Bestimmung beispielsweise der Temperatur oder des Druckes in einem Pressgut herangezogen werden soll, wird sowohl an den ersten Eingang A des Multiplikatorelementes M als auch über einen frequenzabhängigen Phasenschieber P an einen zweiten Eingang B des Multiplikatorelementes M angelegt.
Die mathematische Darstellung der beiden Signale an den
Eingängen A, B des Multiplikatorelementes M lautet wie folgt:
SA(t) = U*cos[ 2Π * (f o+Af) *t+3>0 ]
SB(t) = U*cos[ 2Π * (f o+Af) *t+3>0+k*Af+n/2]
Das Ausgangssignal des Multiplikatorelementes M wird über einen Tiefpass TP geführt.
Es entspricht danach der folgenden mathematischen Formel: Sc(t) = U/2*cos [k*Af+n/2]
Damit ist die Amplitude dieses Signals proportional der
Differenz aus der Resonanzfrequenz des OFW-Sensors und der Frequenz mit der dieser angeregt worden ist. Die Resonanzfrequenz des OFW-Sensors wiederum ist ein direktes Maß für den zu messenden physikalischen Parameter,
beispielsweise die Temperatur. Wie aus der letztgenannten mathematischen Formel ersichtlich, enthält Sc (t) d.h. die Amplitude des Signals am Ausgang des Tiefpassfilters TP keine Zeitabhängigkeit. Damit reichen auch beliebig kleine Zeitintervalle für die Bestimmung des
Frequenzabstandes zwischen der Resonanzfrequenz des OFW- Sensors und der Frequenz mit der dieser angeregt wurde.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann daher das gesamte Messverfahren erheblich beschleunigt werden. Eine weitere Verbesserung der Messung kann dann erreicht werden, wenn der Frequenzabstand zwischen der
Resonanzfrequenz des OFW-Sensors und der Frequenz mit der dieser angeregt wurde - der Anregungsfrequenz - möglichst gering ist.
Das dazu durchgeführte erfindungsgemäße Verfahren wird anhand der Figur 2 näher erläutert. Diese Figur zeigt anhand einer schematischen Darstellung den Verlauf der Frequenz des
Anregungssignals TX, sowie die Zeitabschnitte TX_ON, in denen dieses Signal TX eingeschaltet ist, und die Ausschaltzeiten TX_OFF, sowie das Antwortsignal des OFW Resonators mit der Resonanzfrequenz RX, die während des Ablaufs des Verfahrens als annähernd konstant angenommen wird. In einem ersten Schritt wird nun der OFW-Sensor während einem ersten Zeitabschnitt 1 mit einem Anregungssignal
angestrahlt, dass eine erste Frequenz aufweist, die einem vorgegebenen Wert entspricht. Während der darauffolgenden Ausschaltzeit des
Anregungssignales, während eines zweiten Zeitabschnittes 2 und nach einer Einschwingzeit wird aus dem Ausgangssignal der Schaltung gemäß Fig. 1 der Frequenzabstand zwischen der Resonanzfrequenz RX des Sensors und der ersten Frequenz des Anregungssignals TX ermittelt.
Der Frequenzabstand wird dabei lediglich grob berechnet, sodass während der zweiten Einschaltphase des
Anregungssignals TX in Zeitabschnitt 3, in dem die Frequenz des Anregungssignals entsprechend der festgestellten
Abweichung korrigiert wird, noch keine völlige
Übereinstimmung zwischen der Frequenz von Anregungssignal TX und der Resonanzfrequenz RX vorliegt. Erst mit Anwendung einer Phase-locked Loop Schaltung wird in einem dritten Schritt während der nächsten Einschaltdauer in Zeitabschnitt 5 eine nahezu vollständige Übereinstimmung der Frequenz des Anregungssignals und der Resonanzfrequenz herbeigeführt.

Claims

Patentansprüche / Patent Claims
1. Verfahren zur Messung physikalischer Eigenschaften von Endlospressgütern, bei dem in das Pressgut
Sensorelemente und damit verbundene Koppelelemente eingebettet werden und bei dem weiterhin eine
Abfrageeinrichtung vorgesehen ist, welche zu den
Koppelementen eine elektrische Wirkverbindung aufweist und bei dem die Sensorelemente angeregt werden, und aus dem Antwortsignal (TX) eine Aussage über die
physikalischen Eigenschaften der Endlospressgüter getroffen wird, dadurch gekennzeichnet, dass das
Antwortsignal (TX) in der Abfrageeinrichtung sowohl an den ersten Eingang (A) eines Multiplikatorelementes (M) als auch über einen frequenzabhängigen Phasenschieber
(P) an einen zweiten Eingang (A) des
Multiplikatorelementes (M) angelegt wird, dass das Ausgangssignal (C) des Multiplikatorelementes (M) über einen Tiefpass (TP) geführt wird und dass das
Ausgangssignal (C) des Tiefpasses (TP) zur Ermittlung der Aussage über die physikalischen Eigenschaften der Endlospressgüter herangezogen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Schritt mit einem Anregungssignal mit einer ersten Frequenz der Sensor angeregt wird und aus dem Ausgangssignal (C) des Tiefpasses (TP) der
Frequenzabstand zwischen der Resonanzfrequenz (RX) des Sensors und der ersten Frequenz des Anregungssignals ermittelt wird, dass in einem zweiten Schritt der so ermittelte wert der Resonanzfrequenz (RX) als Frequenz des Anregungssignals herangezogen wird und in einem dritten Schritt mit einer Phase-locked Loop Schaltung eine nahezu vollständige Übereinstimmung der Frequenz des Anregungssignals und der Resonanzfrequenz (RX) herbeigeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder zwei, dadurch
gekennzeichnet, dass als Sensorelemente OFW-Resonatoren vorgesehen werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, dass als physikalische Eigenschaften Temperatur und Druck gemessen werden.
EP11732406.1A 2010-07-28 2011-07-04 Schnelles messverfahren zur erfassung von ofw-sensordaten Withdrawn EP2598867A2 (de)

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