EP3830804A1 - Funksensorknoten - Google Patents

Funksensorknoten

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Publication number
EP3830804A1
EP3830804A1 EP18785850.1A EP18785850A EP3830804A1 EP 3830804 A1 EP3830804 A1 EP 3830804A1 EP 18785850 A EP18785850 A EP 18785850A EP 3830804 A1 EP3830804 A1 EP 3830804A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
signal
radio
sensor node
unit
sensor
Prior art date
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Granted
Application number
EP18785850.1A
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English (en)
French (fr)
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EP3830804B1 (de
Inventor
Christoph Armschat
Uwe WEIGT
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Original Assignee
Siemens Energy Global GmbH and Co KG
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Filing date
Publication date
Application filed by Siemens Energy Global GmbH and Co KG filed Critical Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Publication of EP3830804A1 publication Critical patent/EP3830804A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP3830804B1 publication Critical patent/EP3830804B1/de
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G08—SIGNALLING
    • G08C—TRANSMISSION SYSTEMS FOR MEASURED VALUES, CONTROL OR SIMILAR SIGNALS
    • G08C13/00—Arrangements for influencing the relationship between signals at input and output, e.g. differentiating, delaying

Definitions

  • the invention relates to a radio sensor node.
  • a radio sensor node transmits measurement data acquired by means of a sensor to one wirelessly by means of radio waves
  • Radio sensor nodes are often heavy
  • a radio sensor node is usually special
  • the invention has for its object to provide an improved radio sensor node and a method for operating it, in particular for use in a
  • the object is achieved according to the invention by a radio sensor node with the features of claim 1 and a method with the features of claim 14.
  • a radio sensor node according to the invention comprises one
  • Sensor unit for acquiring a measured variable and outputting an analog electrical sensor signal
  • an energy harvesting unit for harvesting energy from the sensor signal
  • the sensor signal can be fed alternately to the energy harvesting unit and the signal processing unit.
  • the invention therefore provides for the electrical sensor signal of the sensor unit of a radio sensor node
  • the radio sensor node assigns an energy harvesting unit
  • the invention takes advantage of the fact that a radio sensor node generally does not continuously process and send a sensor signal as a radio signal, but rather the majority of the time in one
  • Sleep mode is used according to the invention to harvest energy from the sensor signal.
  • the energy harvesting unit can be any type of energy harvesting unit.
  • the energy harvesting unit can also be used as
  • Energy harvesting unit is used to obtain energy from the sensor signal. These are in particular:
  • Signal processing unit an averaging circuit for
  • Radio sensor node omitted and instead as
  • the transmission signal occurs to a user of the radio sensor node.
  • a calibration curve is measured in a test field of the manufacturer of the radio sensor node, for example, which represents the transmission signal as a function of the measured variable and is made available to a user of the radio sensor node.
  • the signal processing unit as
  • Transmission signal generates an effective value of the sensor signal.
  • radio sensor node has sufficient energy to calculate the effective value due to energy harvesting.
  • the radio sensor node has a signal input to which the sensor signal is fed, and a switchover logic through which the
  • Signal input is alternately connectable to the energy harvesting unit and the signal processing unit.
  • Radio sensor node has led out contacts. This makes contacting the signal input from the outside
  • one of the contacts can be used to open the contact outside of the radio sensor node
  • the radio signals of the radio unit are advantageously hardly attenuated by the sensor node housing.
  • the radio unit has an antenna, for example a ring antenna with one or more windings, and is designed to alternately transmit the radio signal with the antenna and from one in an environment of the radio sensor node
  • Radio sensor node existing magnetic field.
  • the antenna of the radio sensor node not only sends radio signals, but also for harvesting energy from a magnetic field and / or for detecting a magnetic field strength
  • the antenna is also advantageous Power supply of the radio sensor node and / or as
  • the radio sensor node can be an electromagnetic one connected to the electrically conductive surface
  • This embodiment of the invention uses an electrically conductive surface on which the radio sensor node is arranged for potential connection of the radio sensor node and an electromagnetic shielding of the radio sensor node.
  • the radio sensor node has an energy storage unit for storing energy.
  • the energy storage unit has
  • the accumulator is, for example, only charged when the
  • Supercapacitor is charged to a nominal voltage.
  • the battery only takes place after the supercapacitor has been charged to a nominal voltage. This is achieved by means of a decoupling circuit. If the accumulator becomes defective after a few years of operation, it does not build up any voltage more on. The decoupling circuit then avoids discharge of the supercapacitor by the defective one
  • Radio sensor nodes can process significantly more measurement and arithmetic tasks than with the sole supply from the supercapacitor.
  • the measurement variable is accordingly detected with the sensor unit and that
  • Sensor signal output the sensor signal is alternately fed to the energy harvesting unit and the signal processing unit, with the signal processing unit
  • Transmission signal generated from the sensor signal is sent as a radio signal with the radio unit, and energy is harvested from the sensor signal with the energy harvesting unit.
  • 1 shows a block diagram of a radio sensor node
  • FIG. 2 shows a circuit diagram of a rectifier circuit and an averaging circuit for generating a
  • FIG. 3 shows a circuit diagram of an energy storage unit. Corresponding parts are shown in the figures
  • FIG. 1 shows a block diagram of an exemplary embodiment of a radio sensor node 1 according to the invention
  • Radio sensor node 1 comprises a sensor node housing 3, a sensor unit 5, a signal input 7, a switching logic 9, a signal processing unit 11, a
  • Energy harvesting unit 13 with an energy storage unit 15, a radio unit 17 and an electromagnetic one
  • Sensor unit 5 has, for example, a temperature sensor for detecting a temperature as a measured variable, but can also have a sensor for detecting another measured variable.
  • the sensor signal S is one of the
  • Sensor unit 5 generated electrical voltage, for example a voltage in the single-digit volt range.
  • the switching logic 9 connects the signal input 7
  • MOSFET metal-oxide-semiconductor field effect transistors
  • the signal processing unit 11 generates from the
  • the signal processing unit 11 generates as
  • Transmission signal T an average of the rectified sensor signal S, see Figure 2.
  • FIG. 2 shows an example of a circuit diagram of a rectifier circuit 21 and an averaging circuit 23 for generating the transmission signal T as an average of the rectified sensor signal S.
  • Rectifier circuit 21 is designed as a bridge rectifier circuit formed by four diodes 25.
  • the averaging circuit 23 is connected downstream of the rectifier circuit 21 and has an inductance 27, one
  • Averaging capacitor 29 connected in parallel
  • Signal input 7 is protected from overvoltages by a voltage limiting unit 33 formed by a varistor.
  • the voltage limiting unit 33 is designed for an incoming, decaying over 5 ms
  • the transmission signal T is a voltage applied to the parallel connection of the averaging capacitor 29 and the averaging resistor 31.
  • a calibration curve is measured in a test field of the manufacturer of the radio sensor node 1, which represents the transmission signal T as a transmission function of the measured variable and is made available to a user of the radio sensor node 1.
  • a time characteristic typical for the measurement signal is selected for the determination of the transfer function in the test field, which roughly corresponds to the expected measurement variable on the system.
  • rectified sensor signal S requires no complex evaluation of the sensor signal S in the radio sensor node 1 and is therefore particularly energy-saving. If sufficient harvested energy is available, the
  • signal processing unit 11 is more complex
  • Signal processing unit 11 have an integrated circuit which as a transmission signal T one
  • the effective value is formed over a time period of approximately 100 ms with a sampling frequency of more than 3 kHz.
  • the effective value is formed over a time period of approximately 100 ms with a sampling frequency of more than 3 kHz.
  • Measured value V elaboration several signals include, contain a Messwertspeieher and include a more complex processing.
  • the energy harvesting unit 13 is designed to harvest energy from the sensor signal S, which is used to supply energy to the radio sensor node 1.
  • Energy harvesting unit 13 has an energy storage unit 15, which is designed to store energy when the harvested energy is not currently required to supply energy to the radio sensor node 1.
  • FIG. 3 shows a circuit diagram of an exemplary embodiment of the energy storage unit 15, it being assumed that the energy storage unit 15 is connected to the signal input 7 via the switchover logic 9 and, as in FIG. 2, the switchover logic 9 is not shown.
  • the switchover logic 9 is not shown.
  • Energy storage unit 15 of this exemplary embodiment has a supercapacitor 35, an accumulator 37
  • Overflow unit 39 with an integrated overload protection and a blocking diode 41 and is via a
  • Rectifier circuit 21 connected to the signal input 7, wherein the rectifier circuit 21 can match the rectifier circuit 21 shown in FIG. 2 or can be implemented separately.
  • the supercapacitor 35 and the accumulator 37 are decoupled by the overflow unit 39, but in principle are connected in parallel to one another.
  • Overflow unit 39 directs excess energy into the
  • the radio unit 17 has an antenna 43 with which the transmission signal T is transmitted as a radio signal.
  • the antenna 43 is designed as a ring antenna with one or more turns.
  • the radio unit 17 is preferably also designed to alternately transmit the radio signal with the antenna 43 and to inductively harvest energy and / or a magnetic field strength in one from an existing magnetic field in an environment of the radio sensor node 1
  • the electromagnetic shield 19 is as one
  • Sensor node housing 3 runs around the electrical and electronic components of the radio sensor node 1.
  • the signal input 7 has contacts 44, 45 led out of the sensor node housing 3, via which the
  • Signal input 7 can be contacted from the outside.
  • Contacts 44, 45 can be an external one, for example
  • Sensor unit 5 are connected to the signal input 7 in order to supply the signal input 7 with a sensor signal S output by the external sensor unit 5.
  • a lead-out contact 45 and the electromagnetic shield 19 are led out of the sensor node housing 3
  • Ground connection 47 connected.
  • the ground connection 47 is electrical with an electrically conductive surface 49
  • the energy harvesting unit 13 can be removed from the
  • Sensor node housing 3 lead out additional contacts 51, 52 harvest energy.
  • the sensor node housing 3 is in a plastic
  • the radio sensor node 1 is, for example, in a

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Funksensorknoten (1). Der Funksensorknoten (1) umfasst eine Sensoreinheit (5) zum Erfassen einer Messgröße und Ausgeben eines analogen elektrischen Sensorsignals (S), eine Energieernteeinheit (13) zum Ernten von Energie aus dem Sensorsignal (S), eine Signalverarbeitungseinheit (11) zum Erzeugen eines Übertragungssignals (T) aus dem Sensorsignal (S) und eine Funkeinheit (17) zum Senden des Übertragungssignals (T) als ein Funksignal. Das Sensorsignal (S) ist wechselweise der Energieernteeinheit (13) und der Signalverarbeitungseinheit (11) zuführbar.

Description

Beschreibung
Funksensorknoten
Die Erfindung betrifft einen Funksensorknoten .
Ein Funksensorknoten übermittelt mittels eines Sensors erfasste Messdaten drahtlos mittels Funkwellen an einen
Empfänger . Funksensorknoten werden häufig an schwer
zugänglichen oder gefährlichen Orten angeordnet, an denen eine Verkabelung, ein Austausch und/oder eine Wartung des Sensors nicht möglich oder sehr aufwändig sind . Deshalb werden an einen Funksensorknoten in der Regel besondere
Anforderungen hinsichtlich dessen Robustheit, Langlebigkeit, Funkreichweite und autarker Energieversorgung gestellt . Diese Anforderungen erschweren häufig insbesondere die Ausführung eines Funksensorknotens in einer kleinen Baugröße . Ferner erweist sich die Energieversorgung häufig als problematisch . So ermöglichen Batterien einerseits zwar eine autarke
Energieversorgung, haben andererseits aber nur eine
eingeschränkte Lebensdauer . Gerade bei Funksensorknoten ist ein Austausch einer Batterie j edoch häufig schwierig oder nicht möglich . Ein sparsamer Energieverbrauch kann zwar die Lebensdauer einer Batterie verlängern, andererseits aber Abstriche bei der Sendeleistung und/oder den Betriebszeiten des Funksensorknotens erfordern .
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten Funksensorknoten und ein Verfahren zu dessen Betreiben anzugeben, insbesondere für den Einsatz in einer
elektromagnetisch hoch belasteten Umgebung .
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Funksensorknoten mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 14 gelöst .
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche . Ein erfindungsgemäßer Funksensorknoten umfasst eine
Sensoreinheit zum Erfassen einer Messgröße und Ausgeben eines analogen elektrischen Sensorsignals, eine Energieernteeinheit zum Ernten von Energie aus dem Sensorsignal , eine
Signalverarbeitungseinheit zum Erzeugen eines
ÜbertragungsSignals aus dem Sensorsignal und eine Funkeinheit zum Senden des ÜbertragungsSignals als ein Funksignal . Das Sensorsignal ist wechselweise der Energieernteeinheit und der Signalverarbeitungseinheit zuführbar .
Die Erfindung sieht also vor, das elektrische Sensorsignal der Sensoreinheit eines Funksensorknotens zur
Energieversorgung des Funksensorknotens zu verwenden . Dazu weist der Funksensorknoten eine Energieernteeinheit zum
Ernten von Energie (insbesondere elektrischer Energie) , dem so genannten Energy Harvesting, aus dem Sensorsignal auf . Die Erfindung sieht vor, das Sensorsignal wechselweise der
Signalverarbeitungseinheit zum Erzeugen eines
Übertragungssignals aus dem Sensorsignal und der
Energieernteeinheit zum Ernten von Energie zuzuführen . Die Erfindung nutzt aus , dass ein Funksensorknoten in der Regel nicht ständig ein Sensorsignal verarbeitet und als Funksignal sendet, sondern sich die überwiegende Zeit in einem
Schlafmodus befindet, um Energie zu sparen . Dieser
Schlafmodus wird erfindungsgemäß genutzt, um Energie aus dem Sensorsignal zu ernten . Die Energieernteeinheit kann
insbesondere auch als Energiegewinnungseinheit bezeichnet werden . Die Energieernteeinheit kann also auch als
Energiegewinnungseinheit zum Gewinnen von elektrischer
Energie aus dem Sensorsignal bezeichnet werden; die
Energieernteeinheit dient zum Gewinnen von Energie aus dem Sensorsignal . Es handelt sich dabei insbesondere um
elektrische Energie .
Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die
Signalverarbeitungseinheit eine MittelungsSchaltung zum
Erzeugen des Übertragungssignals als ein Mittelwert des mit einer Gleichrichterschaltung gleichgerichteten Sensorsignals aufweist . Bei dieser Ausgestaltung der Erfindung wird auf eine aufwändige Auswertung des Sensorsignals in dem
Funksensorknoten verzichtet und stattdessen als
ÜbertragungsSignal lediglich ein Mittelwert des
gleichgerichteten Sensorsignals erzeugt . Gegenüber einer Auswertung des SensorSignals in dem Funksensorknoten ist diese Erzeugung eines ÜbertragungsSignals besonders
energiesparend . Die energieintensive Auswertung des
ÜbertragungsSignals erfolgt in diesem Fall bei einem Benutzer des Funksensorknotens . Zum Auswerten des ÜbertragungsSignals wird beispielsweise in einem Prüffeld des Herstellers des Funksensorknotens eine Kalibrierkurve ausgemessen, die das ÜbertragungsSignal als Funktion der Meßgröße darstellt und einem Benutzer des Funksensorknotens zur Verfügung gestellt wird .
Alternativ wird von der Signalverarbeitungseinheit als
ÜbertragungsSignal ein Effektivwert des Sensorsignals erzeugt . Diese zur vorgenannten Ausgestaltung alternative Ausgestaltung der Erfindung wird vorzugsweise dann
eingesetzt, wenn dem Funksensorknoten durch das Energieernten ausreichend Energie zur Berechnung des Effektivwerts zur Verfügung steht .
Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist der Funksensorknoten einen Signaleingang, dem das Sensorsignal zugeführt wird, und eine Umschaltlogik, durch die der
Signaleingang wechselweise mit der Energieernteeinheit und der Signalverarbeitungseinheit verbindbar ist, auf . Diese Ausgestaltung der Erfindung realisiert die abwechselnde
Zuführung des SensorSignals zu der Signalverarbeitungseinheit und der Energieernteeinheit durch eine Umschaltlogik, die den Signaleingang abwechselnd mit der Signalverarbeitungseinheit und der Energieernteeinheit verbindet .
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht eine
Spannungsbegrenzungseinheit zum Schutz des Signaleingangs vor Überspannungen vor. Diese Ausgestaltung der Erfindung erhöht vorteilhaft die Robustheit des Signaleingangs gegen
Stoßspannungen . Diese können verursacht sein durch direkte Einkopplungen oder durch induktive Einkopplungen
(beispielsweise von Stromstößen in nahe vorbeilaufenden
Strombahnen) oder durch kapazitive Einkopplungen, die
insbesondere in der Umgebung von Hochspannungsanlagen
auftreten können .
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Signaleingang aus einem Sensorknotengehäuse des
Funksensorknotens herausgeführte Kontakte aufweist . Dadurch wird eine Kontaktierung des Signaleingangs von außen
ermöglicht . Ferner kann einer der Kontakte genutzt werden, um den Kontakt außerhalb des Funksensorknotens auf ein
Massepotential zu legen .
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Funksensorknoten ein in einem Kunststoff mit niedriger
Permittivität vergossenes Sensorknotengehäuse aufweist .
Dadurch werden die Funksignale der Funkeinheit vorteilhaft durch das Sensorknotengehäuse kaum gedämpft .
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sehen vor, dass die Funkeinheit eine Antenne, beispielsweise eine Ringantenne mit einer oder mehreren Windungen, aufweist und dazu ausgebildet ist, mit der Antenne wechselweise das Funksignal zu senden und aus einem in einer Umgebung des Funksensorknotens
vorhandenen Magnetfeld induktiv Energie zu ernten und/oder eine Magnetfeldstärke eines in einer Umgebung des
Funksensorknotens vorhandenen Magnetfeldes zu erfassen . Diese Ausgestaltungen der Erfindung sehen also vor, die Antenne des Funksensorknotens nicht nur dem Senden von Funksignalen, sondern außerdem zum Ernten von Energie aus einem Magnetfeld und/oder zum Erfassen einer Magnetfeldstärke eines
Magnetfeldes in der Umgebung des Funksensorknotens zu
verwenden . Dadurch wird die Antenne vorteilhaft auch zur Energieversorgung des Funksensorknotens und/oder als
Magnetfeldsensor genutzt.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Funksensorknoten an einer elektrisch leitfähigen Oberfläche angeordnet ist und einen mit der elektrisch leitfähigen
Oberfläche elektrisch verbundenen Masseanschluss aufweist . Außerdem kann der Funksensorknoten eine mit der elektrisch leitfähigen Oberfläche verbundene elektromagnetische
Abschirmung aufweisen . Diese Ausgestaltung der Erfindung nutzt eine elektrisch leitfähige Oberfläche, an der der Funksensorknoten angeordnet ist, zur Potentialanbindung des Funksensorknotens und einer elektromagnetischen Abschirmung des Funksensorknotens .
Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist der Funksensorknoten eine EnergieSpeichereinheit zur Speicherung von Energie auf . Die EnergieSpeichereinheit weist
beispielsweise einen Superkondensator und/oder einen
Akkumulator auf . Wenn die EnergieSpeichereinheit einen
Superkondensator und einen Akkumulator aufweist, wird der Akkumulator beispielsweise nur geladen, wenn der
Superkondensator auf eine Nennspannung aufgeladen ist . Diese Ausgestaltungen der Erfindung ermöglichen die Speicherung insbesondere der aus dem Sensorsignal geernteten Energie, wenn die geerntete Energie momentan nicht zur
Energieversorgung des Funksensorknotens benötigt wird . Die Verwendung eines Superkondensators und eines Akkumulators kombiniert die schnelle Be- und Entladbarkeit eines
Superkondensators mit der höheren Kapazität eines
Akkumulators . Außerdem haben Superkondensatoren höhere
Lebensdauern als Akkumulatoren, so dass der Superkondensator noch lange verwendbar ist, wenn die Lebensdauer des
Akkumulators bereits abgelaufen ist . Das Laden des
Akkumulators erfolgt nur nach abgeschlossener Aufladung des Superkondensators auf eine Nennspannung . Dies wird durch eine EntkopplungsSchaltung erreicht . Wenn der Akkumulator nach einigen Jahren Betrieb defekt wird, so baut er keine Spannung mehr auf. Die Entkoppelungsschaltung vermeidet dann eine Entladung des Superkondensators durch den defekten
Akkumulator, so dass der Funksensorknoten weiterhin mit Energie aus dem Superkondensator versorgt werden kann . Die parallele Installation des Superkondensators und des
Akkumulators hat den Vorteil , dass - je nach Energieernte und Zykluszeiten - in den ersten Jahren des Einsatzes des
Funksensorknotens deutlich mehr Mess- und Rechenaufgaben abgearbeitet werden können als mit alleiniger Speisung aus dem Superkondensator .
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben eines erfindungsgemäßen Funksensorknotens werden dementsprechend mit der Sensoreinheit die Messgröße erfasst und das
Sensorsignal ausgegeben, das Sensorsignal wird wechselweise der Energieernteeinheit und der Signalverarbeitungseinheit zugeführt, mit der Signalverarbeitungseinheit wird das
Übertragungssignal aus dem Sensorsignal erzeugt, mit der Funkeinheit wird das Übertragungssignal als ein Funksignal gesendet , und mit der Energieernteeinheit wird Energie aus dem Sensorsignal geerntet .
Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im
Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung von
Ausführungsbeispielen, die im Zusammenhang mit den
Zeichnungen näher erläutert werden . Dabei zeigen :
FIG 1 ein Blockdiagramm eines Funksensorknotens ,
FIG 2 einen Schaltplan einer GleichrichterSchaltung und einer MittelungsSchaltung zum Erzeugen eines
Übertragungssignals ,
FIG 3 einen Schaltplan einer Energiespeichereinheit . Einander entsprechende Teile sind in den Figuren mit
denselben BezugsZeichen versehen .
Figur 1 zeigt ein Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Funksensorknotens 1. Der
Funksensorknoten 1 umfasst ein Sensorknotengehäuse 3 , eine Sensoreinheit 5 , einen Signaleingang 7 , eine Umschaltlogik 9, eine Signalverarbeitungseinheit 11 , eine
Energieernteeinheit 13 mit einer EnergieSpeichereinheit 15, eine Funkeinheit 17 und eine elektromagnetische
Abschirmung 19.
Mit der Sensoreinheit 5 werden eine Messgröße erfasst und ein die Messgröße repräsentierendes analoges elektrisches
Sensorsignal S an den Signaleingang 7 ausgegeben . Die
Sensoreinheit 5 weist beispielsweise einen Temperatursensor zum Erfassen einer Temperatur als Messgröße auf, kann j edoch auch einen Sensor zum Erfassen einer anderen Messgröße aufweisen . Das Sensorsignal S ist eine von der
Sensoreinheit 5 erzeugte elektrische Spannung, beispielsweise eine Spannung im einstelligen Voltbereich .
Die Umschaltlogik 9 verbindet den Signaleingang 7
wechselweise mit der Signalverarbeitungseinheit 11 und der Energieernteeinheit 13 und führt das Sensorsignal S damit wechselweise der Signalverarbeitungseinheit 11 und der
Energieernteeinheit 13 zu . Beispielsweise weist die
Umschaltlogik 9 zu diesem Zweck verlustarme
HalbleiterSchalter, beispielsweise Metall-Oxid-Halbleiter- Feldeffekttransistoren (MOSFET) , und eine Steuereinheit zur Ansteuerung der Halbleiterschalter auf .
Die Signalverarbeitungseinheit 11 erzeugt aus dem
Sensorsignal S ein ÜbertragungsSignal T . Beispielsweise erzeugt die Signalverarbeitungseinheit 11 als
ÜbertragungsSignal T einen Mittelwert des gleichgerichteten Sensorsignals S , siehe dazu Figur 2. Figur 2 zeigt beispielhaft einen Schaltplan einer GleichrichterSchaltung 21 und einer MittelungsSchaltung 23 zum Erzeugen des ÜbertragungsSignals T als ein Mittelwert des gleichgerichteten Sensorsignals S . Die
GleichrichterSchaltung 21 ist als eine von vier Dioden 25 gebildete BrückengleichrichterSchaltung ausgebildet . Die MittelungsSchaltung 23 ist der GleichrichterSchaltung 21 nachgeschaltet und weist eine Induktivität 27 , einen
Mittelungskondensator 29 und einen zu dem
Mittelungskondensator 29 parallel geschalteten
Mittelungswiderstand 31 auf . In Figur 2 ist angenommen, dass der Signaleingang 7 über die Umschaltlogik 9 mit der
Signalverarbeitungseinheit 11 verbunden ist, wobei die
Umschaltlogik 9 in Figur 2 nicht dargestellt ist . Der
Signaleingang 7 ist durch eine von einem Varistor gebildete Spannungsbegrenzungseinheit 33 vor Überspannungen geschützt . Beispielsweise ist die Spannungsbegrenzungseinheit 33 dazu ausgelegt, einen einlaufenden, über 5 ms abklingenden
Spannungsstoß mit einer Spannungsspitze von 100 V auf 15 V bis 20 V zu begrenzen . Das ÜbertragungsSignal T ist eine an der Parallelschaltung des Mittelungskondensators 29 und des Mittelungswiderstands 31 anliegende Spannung . Zum Auswerten des auf diese Weise erzeugten ÜbertragungsSignals T wird in einem Prüffeld des Herstellers des Funksensorknotens 1 eine Kalibrierkurve ausgemessen, die das Übertragungssignal T als eine Übertragungsfunktion der Messgröße darstellt und einem Benutzer des Funksensorknotens 1 zur Verfügung gestellt wird . Idealerweise wird für die Ermittlung der Übertragungsfunktion im Prüffeld ein für das Messsignal typischer Zeitverlauf gewählt, der der erwarteten Messgröße auf der Anlage in etwa entspricht .
Die in Figur 2 gezeigte Ausführung der
Signalverarbeitungseinheit 11 zum Erzeugen des
ÜbertragungsSignals T als ein Mittelwert des
gleichgerichteten Sensorsignals S erfordert keine aufwändige Auswertung des Sensorsignals S in dem Funksensorknoten 1 und ist deshalb besonders energiesparend . Wenn ausreichend geerntete Energie zur Verfügung steht, kann die
Signalverarbeitungseinheit 11 stattdessen aufwändiger
ausgeführt sein . Beispielsweise kann die
Signalverarbeitungseinheit 11 einen integrierten Schaltkreis aufweisen, der als Übertragungssignal T einen
Effektivwert (RMS ) des Sensorsignals S berechnet .
Beispielsweise wird der Effektivwert über eine Zeitperiode von etwa 100 ms mit einer Abtastfrequenz von mehr als 3 kHz gebildet . Bei größeren Funksensorknoten 1 kann die
MesswertVerarbeitung auch mehrere Signale umfassen, einen Messwertspeieher enthalten und eine aufwändigere Verarbeitung beinhalten .
Die Energieernteeinheit 13 ist zum Ernten von Energie aus dem Sensorsignal S ausgebildet, die zur Energieversorgung des Funksensorknotens 1 verwendet wird . Die
Energieernteeinheit 13 weist eine EnergieSpeichereinheit 15 auf, die zur Speicherung von Energie ausgebildet ist, wenn die geerntete Energie momentan nicht zur Energieversorgung des Funksensorknotens 1 benötigt wird .
Figur 3 zeigt einen Schaltplan eines Ausführungsbeispiels der EnergieSpeichereinheit 15, wobei angenommen ist, dass die EnergieSpeichereinheit 15 über die Umschaltlogik 9 mit dem Signaleingang 7 verbunden ist, und wobei wie in Figur 2 die Umschaltlogik 9 nicht dargestellt ist . Die
EnergieSpeichereinheit 15 dieses Ausführungsbeispiels weist einen Superkondensator 35 , einen Akkumulator 37 , eine
Überlaufeinheit 39 mit einem integrierten Überladeschütz und eine Sperrdiode 41 auf und ist über eine
GleichrichterSchaltung 21 mit dem Signaleingang 7 verbunden, wobei die GleichrichterSchaltung 21 mit der in Figur 2 gezeigten GleichrichterSchaltung 21 übereinstimmen oder separat ausgeführt sein kann . Der Superkondensator 35 und der Akkumulator 37 sind durch die Überlaufeinheit 39 entkoppelt, aber prinzipiell parallel zueinander geschaltet . Die
Überlaufeinheit 39 leitet überschüssige Energie in den
Akkumulator 37 , wenn der Superkondensator 35 auf eine Nennspannung aufgeladen ist, das heißt der Akkumulator 37 wird nur dann geladen, wenn der Superkondensator 35 bereits auf die Nennspannung aufgeladen ist . Wenn der Akkumulator 37 sein Lebensdauerende erreicht, wird die
EnergieSpeichereinheit 15 nur noch mit dem
Superkondensator 35 betrieben .
Die Funkeinheit 17 weist eine Antenne 43 auf, mit der das ÜbertragungsSignal T als ein Funksignal gesendet wird . Die Antenne 43 ist als eine Ringantenne mit einer oder mehreren Windungen ausgebildet . Vorzugsweise ist die Funkeinheit 17 ferner dazu ausgebildet, mit der Antenne 43 wechselweise das Funksignal zu senden und aus einem in einer Umgebung des Funksensorknotens 1 vorhandenen Magnetfeld induktiv Energie zu ernten und/oder eine Magnetfeldstärke eines in einer
Umgebung des Funksensorknotens 1 vorhandenen Magnetfeldes zu erfassen .
Die elektromagnetische Abschirmung 19 ist als eine
niederinduktive Leiterschleife ausgebildet, die zur
Abschirmung elektromagnetischer Felder in dem
Sensorknotengehäuse 3 um die elektrischen und elektronischen Komponenten des Funksensorknotens 1 herum verläuft .
Der Signaleingang 7 weist aus dem Sensorknotengehäuse 3 herausgeführte Kontakte 44 , 45 auf, über die der
Signaleingang 7 von außen kontaktierbar ist . Über die
Kontakte 44 , 45 kann beispielsweise eine externe
Sensoreinheit 5 mit dem Signaleingang 7 verbunden werden, um dem Signaleingang 7 ein von der externen Sensoreinheit 5 ausgegebenes Sensorsignal S zuzuführen . Ein herausgeführter Kontakt 45 und die elektromagnetische Abschirmung 19 sind mit einem aus dem Sensorknotengehäuse 3 herausgeführten
Masseanschluss 47 verbunden . Der Masseanschluss 47 ist mit einer elektrisch leitfähigen Oberfläche 49 elektrisch
verbunden, an der der Funksensorknoten 1 angeordnet ist . Optional kann die Energieernteeinheit 13 über aus dem
Sensorknotengehäuse 3 herausgeführte Zusatzkontakte 51 , 52 Energie ernten . Das Sensorknotengehäuse 3 ist in einem Kunststoff mit
niedriger Permittivität vergossen, so dass die Funksignale der Antenne 43 kaum gedämpft werden .
Der Funksensorknoten 1 wird beispielsweise in einer
elektromagnetisch hoch belasteten Umgebung eingesetzt .
Obwohl die Erfindung im Detail durch bevorzugte
Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der
Erfindung zu verlassen .
Bezugszeichenliste
1 Funksensorknoten
3 Sensorknotengehäuse
5 Sensoreinheit
7 Signaleingang
9 Umschaltlogik
11 Signalverarbeitungseinheit
13 Energieernteeinheit
15 EnergieSpeichereinheit
17 Funkeinheit
19 elektromagnetische Abschirmung
21 GleichrichterSchaltung
23 MittelungsSchaltung
25 Diode
27 Induktivität
29 Mittelungskondensator
31 Mittelungswiderstand
33 Spannungsbegrenzungseinheit
35 Superkondensator
37 Akkumulator
39 Überlaufeinheit
41 Sperrdiode
43 Antenne
44 , 45 herausgeführter Kontakt
47 Masseanschluss
49 elektrisch leitfähige Oberfläche
51, 52 Zusatzkontakt
S Sensorsignal
T ÜbertragungsSignal

Claims

Patentansprüche
1. Funksensorknoten (1), umfassend
- eine Sensoreinheit (5) zum Erfassen einer Messgröße und Ausgeben eines analogen elektrischen Sensorsignals ( S ) ,
- eine Energieernteeinheit (13) zum Ernten von Energie aus dem Sensorsignal ( S ) ,
- eine Signalverarbeitungseinheit (11) zum Erzeugen eines ÜbertragungsSignals (T) aus dem Sensorsignal ( S ) und
- eine Funkeinheit (17) zum Senden des
ÜbertragungsSignals (T) als ein Funksignal ,
- wobei das Sensorsignal ( S ) wechselweise der
Energieernteeinheit (13) und der
Signalverarbeitungseinheit (11) zuführbar ist .
2. Funksensorknoten (1) nach Anspruch 1 , wobei die
Signalverarbeitungseinheit (11) eine MittelungsSchaltung (23) zum Erzeugen des ÜbertragungsSignals (T) als ein Mittelwert des mit einer GleichrichterSchaltung (21) gleichgerichteten Sensorsignals ( S ) aufweist .
3. Funksensorknoten (1) nach Anspruch 1 , wobei die
Signalverarbeitungseinheit (11) als ÜbertragungsSignal (T) einen Effektivwert des Sensorsignals ( S ) erzeugt .
4. Funksensorknoten (1) nach einem der vorhergehenden
Ansprüche mit einem Signaleingang ( 7 ) , dem das
Sensorsignal ( S ) zugeführt wird, und mit einer
Umschaltlogik (9), durch die der Signaleingang (7)
wechselweise mit der Energieernteeinheit (13) und der
Signalverarbeitungseinheit (11) verbindbar ist .
5. Funksensorknoten (1) nach Anspruch 4 mit einer
Spannungsbegrenzungseinheit ( 33 ) zum Schutz des
Signaleingangs (7) vor Überspannungen .
6. Funksensorknoten (1) nach Anspruch 4 oder 5, wobei der Signaleingang (7) aus einem Sensorknotengehäuse (3) des Funksensorknotens (1) herausgeführte Kontakte (44, 45) aufweist .
7. Funksensorknoten (1) nach einem der vorhergehenden
Ansprüche mit einem in einem Kunststoff mit niedriger
Permittivität vergossenen Sensorknotengehäuse (3) .
8. Funksensorknoten (1) nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, wobei die Funkeinheit ( 17 ) eine Antenne (43) aufweist und dazu ausgebildet ist, mit der Antenne (43) wechselweise das Funksignal zu senden und aus einem in einer Umgebung des Funksensorknotens (1) vorhandenen Magnetfeld induktiv Energie zu ernten .
9. Funksensorknoten (1) nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, wobei die Funkeinheit ( 17 ) eine Antenne (43) aufweist und dazu ausgebildet ist, mit der Antenne (43) wechselweise das Funksignal zu senden und eine
Magnetfeldstärke eines in einer Umgebung des
Funksensorknotens (1) vorhandenen Magnetfeldes zu erfassen .
10. Funksensorknoten (1) nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, der an einer elektrisch leitfähigen
Oberfläche (49) angeordnet ist und einen mit der elektrisch leitfähigen Oberfläche (49) elektrisch verbundenen
Masseanschluss (47) aufweist .
11. Funksensorknoten (1) nach Anspruch 10 , der eine mit der elektrisch leitfähigen Oberfläche (49) verbundene
elektromagnetische Abschirmung (19) aufweist .
12. Funksensorknoten (1) nach einem der vorhergehenden
Ansprüche mit einer EnergieSpeichereinheit (15) zur
Speicherung von Energie, wobei die
EnergieSpeichereinheit (15) einen Superkondensator ( 35 ) und/oder einen Akkumulator ( 37 ) aufweist .
13. Funksensorknoten (1) nach Anspruch 12, wobei die
EnergieSpeichereinheit (15) einen Superkondensator ( 35 ) und einen Akkumulator ( 37 ) aufweist und der Akkumulator ( 37 ) nur nach abgeschlossener Aufladung des Superkondensators ( 35 ) auf eine Nennspannung geladen wird .
14. Verfahren zum Betreiben eines Funksensorknotens (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei
- mit der Sensoreinheit (5) die Messgröße erfasst wird und das Sensorsignal ( S ) ausgegeben wird,
- das Sensorsignal ( S ) wechselweise der
Energieernteeinheit (13) und der
Signalverarbeitungseinheit (11) zugeführt wird,
- mit der Signalverarbeitungseinheit (11) das
Übertragungssignal (T) aus dem Sensorsignal ( S ) erzeugt wird,
- mit der Funkeinheit ( 17 ) das Übertragungssignal (T) als ein Funksignal gesendet wird und
- mit der Energieernteeinheit (13) Energie aus dem
Sensorsignal ( S ) geerntet wird .
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