HRP20160924A2 - Uređaj za mjerenje temperature ili drugih fizikalnih veličina na rotaciskom sklopu gdje se prijenos signala i energije između rotacijskog sklopa i stacionarnog dijela ostvaruje beskontaktnim prijenosom - Google Patents

Abstract

Predmetni izum opisuje uređaj za mjerenje temperature ili drugih fizikalnih veličina u jednoj ili više ispitnih točaka gdje se prijenos signala i energije između rotirajućeg mehaničkog elementa (1) i stacionarnog dijela (5) ostvaruje beskontaktnim prijenosom, gdje se beskontaktni prijenos signala odvija kapacitivnom spregom, a beskontaktni prijenos energije induktivnom spregom. Uređaj se sastoji od elektroničkog mjernog modula (3) smještenog na rotirajućem elementu (1), koji mjerni modul (3) je prilagođen za obradu signala s jednog ili više temperaturnih senzora1-n (2) ugrađenih na rotirajućem elementu (1) koji temperaturni senzori1-n (2) su žičano spojeni s elektroničkim mjernim modulom (3) i stacionarnog elektroničkog prijamnog modula (4) ugrađenog na stacionarnom dijelu (5). Elektronički mjerni modul (3) smješten je na dijelu površine rotirajućeg elementa (1) koji navedeni dio površine u radnim uvjetima postiže najniže temperature i koji elektronički modul (3) ima dimenzije koje ne ometaju funkciju rotirajućeg elementa (1). Predmetnim izumom se omogućuje mjerenje visokih radnih temperatura rotirajuće komponente spojke korištenjem otporničkih senzora, uz vrlo maleno zauzeće prostora i malenu masu mjernog sklopovlja na rotirajućem elementu (1). Minimalno zauzeće prostora i masa postižu se konceptom koji omogućuje rad mjernog modula (3) izrazito niske potrošnje, što omogućuje korištenje manjih elemenata za prijenos energije, ponajprije zavojnice za prikupljanje energije iz magnetskog polja. Izrazito niska potrošnja postiže se korištenjem otporničkih temperaturnih senzora, modulatora signala vrlo niske potrošnje, diferencijalnog kapacitivnog prijenosa signala i sklopa za napajanje koji omogućuje rad s vrlo niskim ulaznim naponima induciranim na zavojnici za prikupljanje energije iz magnetskog polja. Koncept uređaja omogućuje realizaciju s elektroničkim komponentama u proširenom temperaturnom rasponu, uz postizanje razmjerno visoke mjerne točnosti.

Description

Područje na koje se izum odnosi

Izum se odnosi na šire područje beskontaktnog telemetrijskog mjerenja fizikalnih veličina na rotirajućem sklopu, a specifično na mjerenje temperature rotirajućeg sklopa suhe spojke ili sličnih mehaničkih sklopova. Izmjerena temperatura telemetrijski se šalje bliskim električnim poljem s rotirajuće na stacionarnu stranu sustava, a napajanje mjernog modula na rotirajućoj strani izvodi se prikupljanjem energije iz magnetskog polja generiranog na stacionarnoj strani sustava. Izum je posebno osmišljen za primjene u kojima je prostor za ugradnju elektroničkog mjernog modula na rotirajućoj strani sustava izrazito ograničen i kada je potrebno postići minimalne dimenzije sustava, uz mogućnost realizacije sustava elektroničkim komponentama u proširenom temperaturnom području.

Tehnički problem

Suhe tarne spojke mehanički su sklopovi koji spadaju u kategoriju uključno/isključnih spojki, a koji omogućavaju uključivanje ili isključivanje prijenosa snage rotacijskog gibanja između pogonskog i gonjenog sustava, pri čemu pogonski i gonjeni sustav za slučaj otvorene spojke (kada nema prijenosa snage) općenito imaju različite brzine vrtnje. Prijenos okretnog momenta ostvaruje se silom trenja između najmanje dva diska pod djelovanjem normalne sile. Pritom upravljanje normalnom silom omogućava postupno povećanje/smanjenje prijenosa okretnog momenta pa prema tome i određenog stupnja proklizavanja, čiji je rezultat postepeno izjednačavanje brzine rotacije pogonskog i gonjenog elementa kod uključivanja, tj. postepeno usporavanje gonjene strane kod isključivanja spojke.

Mjerenje temperature na tarnoj površini rotirajuće komponente suhe spojke može dati korisne informacije koje se mogu upotrijebiti za praćenje stanja spojke, previđanje kvarova, optimiranje algoritama upravljanja pogonskim elementima itd. Takva informacija može biti korisna u dva osnovna scenarija primjene i to u svrhu ispitivanja značajki prototipnih modela vozila i za ugradnju kod visokoserijske proizvodnje vozila. Dok kod ispitivanja značajki prototipnih modela vozila mogu biti prihvatljivi i značajni zahvati na spojki radi ugradnje dodatne senzorike za testiranje rada i performansi spojke, u serijskoj proizvodnji bilo kakva dodatna senzorika mora imati minimalni utjecaj na mehanički dizajn spojke, a svi elementi koji se ugrađuju moraju se moći smjestiti u vrlo maleni prostor i imati malu masu, kako se ne bi nepovoljno utjecalo na mehanički dizajn spojke i balans rotirajućeg dijela spojke, dok je uz navedene uvjete potrebno osigurati što veću točnost mjerenja temperature.

Metode neizravne procjene temperature rotirajućeg elementa spojke koje se često koriste u praksi nisu pouzdane kao stvarna mjerenja. Beskontaktne metode mjerenja temperature (poput korištenja infracrvenih beskontaktnih mjerila ili termokamera) nisu prihvatljive u ovoj primjeni zato jer ne postoji izravna optička vidljivost točaka od interesa za mjerenje temperature u stvarnim implementacijama mehaničkih sklopova. Stoga je važno omogućiti izravno mjerenje temperature na samom rotirajućem elementu spojke ugrađenim senzorom temperature i informaciju o izmjerenoj temperaturi prenijeti telemetrijski na statorski dio sustava.

Temperaturu spojke moguće je mjeriti različitim vrstama senzora, pri čemu su mogući pristupi aktivnog i pasivnog mjerenja temperature. Kod aktivnog mjerenja temperature signal sa senzora obrađuje se korištenjem aktivnog elektroničkog mjernog sklopa, kojim se informacija telemetrijski šalje prema stacionarnom dijelu sustava. Kod pasivnog mjerenja temperature na rotirajućem elementu nema aktivnih elektroničkih komponenti za obradu signala sa senzora, već se temperatura određuje iz promjene temperaturno osjetljivog parametra pasivnog elementa sklopa (kapacitet ili induktivitet) i očitava beskontaktno. Pasivno beskontaktno očitanje promjene parametara sklopa može se obaviti detekcijom promjene rezonantne frekvencije titrajnog kruga, uslijed temperaturne promjene dielektrične konstante ili permeabilnosti elemenata u titrajnom LC krugu. Pristup pasivnom mjerenju temperature ima prednost u jednostavnijoj implementaciji sklopovlja, jer nema elektroničkog mjernog modula na rotirajućoj strani, a posljedično tome niti problema s visokim radnim temperaturama koje ograničavaju rad aktivnih komponenti elektroničkog mjernog modula. Nedostaci pasivnog mjerenja temperature odnose se na probleme točnosti mjerenja, nelinearnosti, ponovljivosti, pouzdanosti, izvedbe senzora, potrebe za korištenjem posebnih materijala itd. i zbog toga te metode još uvijek nisu ušle u masovnu praktičnu upotrebu. Stoga se predmetni izum bazira na aktivnom pristupu mjerenju temperature na rotacijskom sklopu suhe spojke koji osigurava bolju točnost i pouzdanost mjerenja. Predmetni izum nije ograničen samo na mjerenje temperature, već se može primijeniti i za mjerenja drugih fizikalnih veličina.

Očekivana najviša temperatura tarne površine rotirajućeg dijela spojke čija se temperatura mjeri u stvarnim uvjetima (npr. u vozilima) kreće se približno do 250 °C, ali se u uvjetima kvara ili neregularnosti mogu očekivati i više temperature koje je potrebno mjeriti, otprilike do 350 °C. Raspodjela temperature na rotirajućem dijelu spojke takva je da je tipično moguće pronaći dijelove u kojima se može očekivati niža temperatura od navedene (očekivano do otprilike 125 °C), ali koja u slučaju nepovoljnih uvjeta može doseći i više iznose, do otprilike 200 °C. Stoga je povoljno smjestiti temperaturni senzor za mjerenje temperature tarne površine rotacijske komponente spojke na mjesto gdje se moraju mjeriti visoke temperature, a senzor ožičiti prema aktivnom elektroničkom mjernom modulu koji se smješta ili ugrađuje na dio rotirajućeg sklopa na kojem se očekuju najniže radne temperature, a gdje u nepovoljnim uvjetima rada temperatura ne prelazi nazivni radni temperaturni raspon elektroničkih komponenti kojima je izveden.

Specifični izazov kojeg predstavlja izravno mjerenje temperature na rotirajućem elementu suhe tarne spojke predstavlja izrazito mali raspoloživi prostor za ugradnju modula za telemetrijsko mjerenje temperature na rotirajućem elementu kako bi utjecaj na mehanički dizajn spojke i balans rotirajućeg dijela bio minimalan, tj. bez utjecaja na funkciju rotirajućeg elementa. Taj modul mora omogućiti mjerenje temperature i pouzdan rad u posebno zahtjevnim radnim uvjetima, koji uključuju visoke radne temperature okoline, velike vibracije i g-opterećenja uslijed ubrzanja ili usporavanja mehaničkog rotacijskog sustava, visoke brzine rotacije, rad u prljavoj okolini, rad u okolini s visokom razinom elektromagnetskih smetnji i sl. Takvi uvjeti znatno ograničavaju izbor komponenti i tehnologija u kojima se može izvesti mjerni modul, a koji mora raditi pouzdano u stvarnim primjenama. Posebno je izazovno osigurati dovoljnu energiju za beskontaktno napajanje sklopa, s obzirom da je temeljni zahtjev postići vrlo male dimenzije, što otežava implementaciju načela prijenosa energije induktivnom spregom.

Prijenos signala u blisko spregnutim telemetrijskim sustavima moguće je izvesti induktivnom ili kapacitivnom spregom. Iako većina telemetrijskih sustava za mjerenje parametara na rotirajućim elementima koristi induktivnu spregu, takav pristup zbog potrebe za protjecanjem struje razmjerno visokog iznosa kroz odašiljačku zavojnicu za generiranje magnetskog polja mjerljivog na prijemnoj strani nepovoljno utječe na potrošnju. Kapacitivni pristup slanju signala povoljniji je s energetskog gledišta, jer se za prijenos informacija koriste naponski upravljane elektrode u praznom hodu, čime se uz maleni kapacitet elektroda i razmjerno nisku radnu frekvenciju signala nosioca može postići minimalna potrošnja sustava. Potrošnja sustava određuje i energiju koju je potrebno beskontaktno prenijeti induktivnom spregom, a ta energija određuje i fizičke dimenzije zavojnice na rotirajućem elementu. Kako bi se osigurale minimalne dimenzije zavojnice i minimalna masa mjernog modula na rotirajućem elementu, potrebno je osigurati rad senzora u području mikrovata ili milivata i rad s naponima vrlo niskih iznosa, tipično reda veličine nekoliko desetaka do par stotina milivolta na više.

Dodatni izazov predstavlja visoka radna temperatura u kojoj mora raditi elektroničko mjerno sklopovlje, a koja u stvarnim radnim uvjetima može prelaziti 125 °C. Temperatura od 125 °C granična je gornja nazivna temperatura za koju se proizvode standardne elektroničke komponente (engl. automotive grade components), dok se za temperaturno radno područje iznad 125 °C proizvode isključivo komponente u posebnoj izvedbi (za prošireni temperaturni raspon), pri čemu je izbor takvih komponenti vrlo ograničen (takve komponente rade u temperaturnom području najviše do 230 °C, ovisno o tehnološkoj izvedbi). U slučaju aktivnog mjerenja temperature u navedenim radnim uvjetima potrebno je osigurati mogućnost da se koncept mjernog modula može po potrebi implementirati korištenjem komponenti u proširenom temperaturnom rasponu i prilagoditi ga za uvjete u kojima temperatura može ići i do 200 °C, što je ujedno i gornja granica do koje se u praksi može očekivati temperatura hladnijeg kraja rotirajuće komponente spojke.

Dosadašnja telemetrijska rješenja i izvedbe uređaja za mjerenje temperature i drugih parametara na rotirajućim objektima ne nude tehničko rješenje koje omogućuje rad mjernog modula pri temperaturama okoline do 200 °C, uz vrlo malene dimenzije sustava telemetrijskog mjernog modula na rotirajućoj strani sustava, uz postizanje potrošnje u području mikrovata ili milivata korištenjem malenih zavojnica za napajanje induktivnom spregom, iz malenih napona na sekundaru reda veličine nekoliko desetaka do par stotina milivolta na više, što je bitno za postizanje najmanjeg mogućeg zauzeća prostora za ugradnju modula i minimalne mase koja zanemarivo utječe na balans rotirajuće komponente.

Prvi cilj predmetnog izuma je osiguravanje što manjih dimenzija sustava telemetrijskog mjernog modula na rotirajućem elementu uz istovremeno postizanje što manje potrošnje energije.

Drugi cilj predmetnog izuma je izvedba uređaja koja osigurava visoku točnost mjerenja temperature ili drugih fizikalnih parametara na rotirajućim tarnim elementima mehaničkih sustava, ili drugim rotirajućim elementima.

Stanje tehnike

U praksi se za određivanje temperature tarne površine suhe spojke zbog poteškoća opisanih u poglavlju Tehnički problem tipično koriste neizravne metode procjene temperature. U glavne poteškoće spadaju vrlo ograničeni prostor za ugradnju telemetrijskog mjernog elektroničkog sklopovlja na rotacijskoj strani sustava, potreba za radom na visokim temperaturama okoline, dodatni nepovoljni radni uvjeti poput vibracija, g-opterećenja, smetnji itd. Neizravne metode procjene temperature temelje se na mjerenju drugih, lakše dostupnih parametara (poput temperature maziva i sl.), iz čega se procjenjuje temperatura rotirajuće komponente suhe spojke. Dokument US5,723,779 objavljen 3.3.1998. opisuje sustav za određivanje preostalog radnog vijeka frikcijske spojke koji primjenjuje posredno određivanje temperature spojke pomoću senzora koji mjeri temperaturu radnog fluida spojke. Premda te metode ne omogućuju točnost i pouzdanost informacije o temperaturi kao izravno mjerenje, one se koriste u praksi iz razloga što do sada nije na zadovoljavajući način riješeno beskontaktno mjerenje temperature suhe spojke u stvarnim uvjetima koje je prikladno za serijsku ugradnju u realne sustave.

Pasivno mjerenje temperature zasniva se na načelu promjene frekvencije rezonantnog LC kruga uslijed promjene dielektričnosti (kapaciteta) ili permeabilnosti jezgre (induktiviteta) s temperaturom. Pasivno mjerenje ne zahtijeva napajanje senzora, već se očitanje može obavljati prema načelu promatranja frekvencije oscilacija pobuđenog LC kruga čija se rezonantna frekvencija mijenja s temperaturom. Primjer pasivnog beskontaktnog mjerenja temperature na rotirajućim objektima opisan je u dokumentu US8,256,954B2. Dokument US8,256,954B2 razotkriva beskontaktni uređaj za mjerenje temperature rotora koji primjenjuje činjenicu da pojedini materijali gube svojstava permanentnog magneta pod djelovanjem temperature. Premda načelo pasivnog mjerenja temperature pruža mogućnost jednostavnije i razmjerno kompaktne implementacije sustava te inherentno manji nepovoljni utjecaj visokih radnih temperatura okoline od slučaja aktivnog pristupa mjerenju (elektroničkim sklopom koji zahtijeva napajanje), takav pristup se ipak nije uvriježio u praksi zbog značajno lošijih mjernih karakteristika induktivnih (L) i kapacitivnih (C) temperaturnih senzora u odnosu na standardne industrijske temperaturne senzore, poput primjerice (RTD) senzora ili termoparova. Promjena dielektričnosti ili permeabilnosti komponenti titrajnog LC kruga s temperaturom ima nedostatke povezane s točnošću mjerenja, mjernom nesigurnošću, linearnošću karakteristika promjene parametara, ponovljivošću karakteristika i tehnološkog rasipanja parametara senzora, osjetljivošću, odnosom signal-šum, razlučivošću mjerenja, utjecajem sprežnog medija za prijenos energije i signala na rezultate mjerenja, utjecajem parazitnih reaktivnih komponenti (npr. promjene kapaciteta ili induktiviteta koje nemaju veze s promjenom temperature mogu biti superponirane korisnom signalu) itd. Temeljem svega navedenog može se zaključiti da metode temeljene na pasivnom pristupu djelomično rješavaju tehnički problem jer ne nude usporedivu kvalitetu mjerenja kao standardni temperaturni senzori koji se koriste u industrijskim uvjetima.

Kod mjerenja fizikalnih veličina na rotirajućim elementima, ovisno o primjeni, mjerenoj veličini i okolišnim uvjetima, koriste se različiti pristupi dizajnu cjelokupnog telemetrijskog rješenja. U blisko spregnutim telemetrijskim sustavima, kod kojih su odašiljač i prijemnik vrlo blisko smješteni i kod kojih je prostor ispunjen metalnim mehaničkim komponentama, prijenos signala propagacijom elektromagnetskog (EM) vala (radiofrekvencijska (RF) komunikacija) u pravilu se ne koristi, zbog malenih udaljenosti u odnosu na valnu duljinu te problema gušenja i refleksije EM vala u prisustvu metalnih objekata. Dodatni problem predstavlja prošireni temperaturni raspon za kojeg je teško pronaći odgovarajuće elektroničke komponente za RF komunikaciju, a same komponente nepogodne su u primjenama gdje se očekuju veća mehanička naprezanja i vibracije, uz dodatni nedostatak razmjerno visoke potrošnje sustava koji rade na visokim frekvencijama. Kod trajne ugradnje za kontinuirano mjerenje i praćenje temperature korištenje baterija za napajanje mjernog modula nije prihvatljivo, pogotovo u okolini s visokim radnim temperaturama te je zato potrebno rotirajuću stranu sustava beskontaktno napajati. Beskontaktno napajanje moguće je izvesti prijenosom energije sa statorskog dijela sustava na rotirajući element induktivnom spregom ili korištenjem nekog drugog pristupa prikupljanju energije iz okoline, gdje se sustav napaja npr. iz energije vibracija (piezoelektrični pretvornici, mehaničko-magnetski rezonatori), razlike temperatura (termoelektrični pretvornici) i sl.

U blisko spregnutim telemetrijskim sustavima za prijenos mjerne informacije koristi se komunikacija bliskim poljem (engl. near-field communication), u kojoj se signal prenosi induktivnom ili kapacitivnom spregom. Postojeća telemetrijska rješenja na rotirajućim sklopovima u najvećem broju slučajeva koriste induktivnu spregu za slanje mjerne informacije gdje je potrebno imati zavojnice za odašiljanje informacije na rotirajućem elementu i za prijem signala na statorskom dijelu sustava. Dokument WO03/021839A2 objavljen 13.03.2003. prikazuje metodu za beskontaktno slanje podataka induktivnom spregom. Nadalje, dokument DE4021736A1 objavljen 05.12.1991. prikazuje uređaj za praćenje temperature u području tarnih površina spojke na bazi trenja u kojem se mjerenje temperature provodi, a rezultati mjerenja se mogu pouzdano prenijeti iz unutrašnjosti kvačila, gdje se prijenos podataka ostvaruje induktivnom spregom. Općenito, osnovna prednost induktivnog prijenosa je otpornost na smetnje i utjecaje okoline, zbog čega se u praksi češće koristi od kapacitivne sprege. Nedostatak induktivnog prijenosa je veća potrošnja jer je potrebno osigurati dovoljno visoku struju kroz odašiljačku zavojnicu da bi se postigla dovoljno visoka razina magnetskog polja za dobru rekonstrukciju prijemnoj strani. Što je veća struja kroz odašiljačku zavojnicu, to je više energije potrebno prenijeti na rotacijski dio sustava, a to za posljedicu ima i veće dimenzije prijemne zavojnice te podsustava za napajanje u cjelini. Kada izrazita ograničenost prostora nije glavni parametar prema kojem se optimira sustav, prednosti induktivne telemetrije u odnosu na kapacitivnu opravdavaju izbor.

U slučaju kada se želi postići minimalna moguća potrošnja sustava radi smanjenja dimenzija i mase sustava za beskontaktni prijenos energije ili prikupljanje energije iz okoline, protjecanje struje kroz odašiljačku zavojnicu na rotirajućoj strani sustava nepovoljno utječe na potrošnju i sustavi temeljeni na induktivnoj sprezi za slanje mjernih podataka nisu optimalni po pitanju izrazito niske potrošnje. Kapacitivnom telemetrijom moguće je postići značajno nižu potrošnju jer se elektrode pobuđuju naponski, a struje koje teku zbog nabijanja i izbijanja veznih kapaciteta između rotirajuće i stacionarne strane sustava mogu se kontrolirati vrijednošću nadomjesnog kapaciteta putem geometrije elektroda, frekvencijom i amplitudom signala. Primjer kapacitivno spregnutog telemetrijskog slanja podataka opisan je u dokumentu EP2782262A1 koji je objavljen 24.09.2014. Nadalje dokument US4242666A objavljen 30.12.1980. prikazuje beskontaktni sustav za prikupljanje podataka sa rotacijskih strojeva koji sustav primjenjuje kapacitivnu spregu za prijenos podataka i induktivnu spregu za napajanje sklopovlja na rotacijskom dijelu stroja. Kapacitivna telemetrija koristi se znatno rjeđe od induktivne zbog određenih nedostataka: osjetljivost na smetnje električnog polja iz bliskih izvora smetnji, osjetljivost na utjecaj nečistoća ili objekata koji se mogu pojaviti u području između odašiljačke i primjene elektrode, osjetljivost na smetnje uslijed različitih iznosa referentnog potencijala između rotirajućeg i stacionarnog dijela sustava kada je međusobna galvanska povezanost slaba itd. Bolja svojstva kod prijenosa informacije kapacitivnom spregom i manja osjetljivost na smetnje mogu se postići korištenjem načela diferencijalnog kapacitivnog prijenosa. Načelo diferencijalnog kapacitivnog prijenosa olakšava potiskivanje utjecaja istofaznih smetnji, bilo da su uzrokovane neželjenim izvorima električnog polja ili da su posljedica razlike potencijala između referentnih točaka (masa) sklopovlja na odašiljačkoj i prijemnoj strani jer se primljeni korisni signal obrađuje diferencijalnim pojačalom ili sličnim sklopom. Važno je naglasiti da načelo diferencijalnog kapacitivnog prijenosa nije moguće primijeniti uvijek jer se zahtijeva poseban međusobni razmještaj parova elektroda. U dosadašnjim rješenjima koja se odnose na beskontaktno mjerenje temperature na rotirajućim objektima nije istaknuta prednost korištenja diferencijalne kapacitivne sprege nad induktivnom u cilju postizanja minimalne potrošnje radi minimiziranja dimenzija uređaja u dijelu koji se odnosi na beskontaktno napajanje, uz postizanje zadovoljavajuće otpornosti na različite izvore smetnji i razmjerno pouzdan prijenos informacija, s karakteristikama usporedivim sa sličnim izvedbama temeljenim na induktivnoj telemetriji. Do sada nije prepoznata i predložena primjena ove metode prijenosa signala na rotirajuće elemente gdje bi se koristio maleni dio rotacijskog obodnog profila kada se kroz kratki vremenski interval formira sustav diferencijalno spregnutih kapaciteta koji omogućuje robusni telemetrijski prijenos signala boljih značajki u odnosu na asimetričnu kapacitivnu telemetriju, s ciljem postizanja minimalnih dimenzija i potrošnje telemetrijskog sustava na rotirajućoj strani, što se predlaže ovim izumom. Diferencijalnim kapacitivnim prijenosom kakav se predlaže ovim izumom postiže se visoka otpornost na smetnje u prijenosu signala (značajno bolja od slučaja asimetričnog kapacitivnog prijenosa, jer se signal na prijemnoj strani obrađuje diferencijalno i potiskuju se zajedničke smetnje električnog polja drugih bliskih naponskih izvora, što nije moguće postići asimetričnom izvedbom), postiže se visoka otpornost na smetnje koje se pojavljuju između referentnih točaka (masa) električnog kruga na rotirajućoj i stacionarnoj strani sustava (što je pogotovo važno kod rotirajućih mehaničkih sustava kada galvanska veza između dviju strana sustava nije dobra i kada se mogu pojaviti značajne razlike potencijala između dviju masa), postiže se najniža moguća potrošnja telemetrijskog prijenosa signala (manja od induktivne telemetrije za usporedivi odnos signala i šuma) i malene dimenzije (što je npr. ključan zahtjev u primjeni na mjerenje temperature na suhoj tarnoj spojci).

Metoda beskontaktnog napajanja elektroničkog mjernog modula primjenom induktivne sprege za prijenos energije često se koristi kod mjerenja na rotirajućim objektima. Induktivno spregnuti prijenos energije kod telemetrijskih sustava podrazumijeva odašiljačku i prijemnu zavojnicu, koje mogu biti spregnute putem magnetskog polja cijelo vrijeme ili povremeno (tijekom rotacije mehaničkog elementa). Odašiljačka zavojnica (primar) tipično se napaja iz izmjeničnog izvora napajanja, a na prijemnoj zavojnici (sekundar) inducira se prema transformatorskom načelu izmjenični napon, koji se potom ispravlja i regulira u istosmjerni napon potreban za napajanje sklopova. Napon induciran na sekundaru ovisi o broju zavoja i površini petlje koju zatvara zavojnica, a to utječe na dimenzije i masu modula na rotirajućoj strani. Efikasnost prijenosa energije može se optimirati primjenom načela rezonantnog kruga, gdje je bitno posvetiti pozornost prilikom ugađanja parametara električnog kruga radi postizanja rezonancije. Umjesto primarne zavojnice s izmjeničnom pobudom, moguće je koristiti i permanentne magnete pri čemu se promjena magnetskog toka na sekundarnoj zavojnici postiže gibanjem zavojnice kroz magnetsko polje permanentnog magneta prilikom rotacije.

Većina postojećih rješenja za induktivnu telemetriju na rotirajućim objektima nije optimirana za rad s vrlo malim naponima i razinama energije. Postojeća rješenja tipično zahtijevaju napone reda veličine volta na prijemnoj strani kako bi sklop za napajanje mogao raditi. Takvi naponi potrebni su radi kompenzacije pada napona na ispravljačkom elementu, postizanja dovoljno visokog ulaznog napona i zalihosti kada se koriste linearni stabilizatori te za postizanje dovoljnog napona na ulazu kada se koriste istosmjerno-istosmjerni (DC-DC) pretvornici. DC-DC pretvornici interesantni su u primjenama kada je potrebno osigurati napajanje s visokom efikasnošću i malenim gubitcima, odnosno kada je potrebno ulazni istosmjerni napon niže vrijednosti podignuti na višu vrijednost. DC-DC pretvornici nisu u pravilu projektirani za rad s naponima vrlo malih vrijednosti i za vrlo malene iznose energije, ali mogu se koristiti u tim slučajevima u posebnim izvedbama optimiranim za prikupljanje energije iz okoline (engl. energy harvesting). Takvi specijalni energy harvesting DC-DC pretvornici optimirani su za vrlo malene ulazne istosmjerne napone i malene snage te ih se izravno može povezati sa slabašnim izvorima energije, poput piezolektričnih, termoelektričnih, fotonaponskih i sl. Iako piezoelektrični pretvornici ne proizvode istosmjerni napon, zbog razmjerno visokih naponskih impulsa koji se njima dobivaju mogu se izravno spojiti na specijalno projektirane energy harvesting DC-DC pretvornike koji imaju ugrađeni ispravljač i zaštitu od prenapona.

Minimizacijom površine i broja zavoja zavojnice za prikupljanje energije iz vremenski promjenjivog magnetskog polja smanjuje se i vršna vrijednost induciranog izmjeničnog napona dobivenog na krajevima zavojnice. Vršna vrijednost izmjeničnog napona ne smije pasti ispod neke minimalne vrijednosti potrebne za rad sklopa za napajanje. Cilj je realizirati sklop za napajanje s najmanjim mogućim radnim naponima (po mogućnosti u području desetaka ili stotina milivolta) koji se dobivaju sa zavojnice za prikupljanje energije iz magnetskog polja kako bi se minimizirale dimenzije podsustava za beskontaktno napajanje.

Pregledom stanja tehnike pokazalo se da tvrtka Linear Technology proizvodi energy harvesting DC-DC pretvornike koji mogu raditi s malenim ulaznim istosmjernim naponima od 20 mV na više, koji koriste načelo samooscilirajućeg sklopa s transformatorom za podizanje napona na višu vrijednost potrebnu za rad ostatka sklopovlja. Takvi DC-DC pretvornici namijenjeni su izravnom spajanju na energy harvesting izvor s istosmjernim izlazom (solarni panel, termoelektrični element i sl.) i taj se pristup ne može izravno primijeniti za spajanje na malene izmjenične napone tog reda veličine kakvi se induciraju na malenoj zavojnici za prikupljanje energije. Tvrtke Linear Technology i Texas Instruments proizvode DC-DC pretvornike koji ne koriste samooscilirajući sklop s transformatorom za podizanje napona i koji rade od najnižih istosmjernih napona 200 – 300 mV. U oba slučaja potrebno je na ulaz dovesti izmjenični napon značajno višeg iznosa, koji će biti dovoljan da kompenzira pad napona na ispravljačkom elementu (oko 0,7 V na običnoj diodi, odnosno oko 0,3 V na Schottky diodi).

Važno je također napomenuti da se trenutno ne proizvode DC-DC pretvornici za energy harvesting primjene za prošireni temperaturni raspon (izvan automobilskog temperaturnog raspona od 125 °C), što dodatno ograničava primjenu takvih posebnih integriranih sklopova. Tvrtka Texas Instruments proizvodi istosmjerno-istosmjerne pretvornike namijenjene proširenom temperaturnom rasponu (do 230 °C), ali oni zahtijevaju više ulazne napone za svoj rad (par volti na više).

U ovom izumu predlaže se konfiguracija podsustava za napajanje induktivnom spregom koja omogućuje da se iz malene kompaktne zavojnice na rotirajućoj strani sustava na kojoj se inducira maleni izmjenični napon može napajati ili energy harvesting DC-DC pretvornik namijenjen ulaznim istosmjernim naponima od nekoliko desetaka do nekoliko stotina milivolta, ili DC-DC pretvornik sa standardnim ulaznim naponima reda veličine volta, kakve je moguće pronaći i u proširenom temperaturnom rasponu do otprilike 200 °C. Predmetnim konceptom se ostvaruje tehničko rješenje navedenog podsustava koje je dimenzijama i masom značajno kompaktnije od trenutno korištenih srodnih rješenja, uz važnu mogućnost da je za takvo rješenje moguće pronaći komponente u proširenom temperaturnom rasponu u području do 200 °C.

Preduvjet da bi se opisani koncept minijaturizacije mjernog modula mogao ostvariti je postizanje izrazito niske potrošnje mjernog modula u mikrovatnom ili milivatnom području. To je moguće ostvariti tako da se optimira potrošnja odašiljanja informacije korištenjem niskofrekvencijskog kapacitivnog prijenosa signala (poželjno diferencijalnog, da se dobiju karakteristike otpornosti na smetnje usporedive s induktivnim prijenosom) i da se ostvari dizajn mjernog dijela sustava za mjerenje temperature, pretvorbu temperature u frekvencijski modulirani signal i slanje podataka diferencijalnom kapacitivnom spregom također izrazito niske potrošnje. Pri tome treba uzeti u obzir da je sustav potrebno izvesti komponentama koje su dostupne i u visokotemperaturnoj izvedbi do 200 °C, što isključuje korištenje procesora i složenih integriranih sklopova koji su tipično dostupni u izvedbama koje ne omogućuju rad iznad 125 °C i koji značajno utječu na povećanje potrošnje sustava.

Sklopovlje za pretvorbu temperature u frekvenciju najjednostavnije je izvesti korištenjem oscilatora, kojem se frekvencija osciliranja mijenja s temperaturno osjetljivim otpornikom. Takav pristup moguće je izvesti korištenjem standardnih industrijskih RTD senzora, koji se mogu jednostavno spojiti na oscilator koji temperaturu pretvara u frekvenciju, a koja se na stacionarni dio sustava prenosi putem kapacitivne veze. Oscilator upravljan otpornikom može se jednostavno implementirati u izvedbi koja omogućuje izrazito nisku potrošnju. Korištenje termopara kao alternativnog rješenja za pouzdano i točno mjerenje temperature nije prihvatljivo zbog složene implementacije kompenzacije hladnog kraja i zato jer takav senzor ne omogućuje jednostavnu realizaciju temperaturno-frekvencijskog pretvornika izrazito niske potrošnje.

Alternativa beskontaktnom napajanju mjernog modula na rotirajućoj strani sustava temeljenom na induktivnoj sprezi su različite mogućnosti napajanja prikupljanjem energije iz okoline (engl. energy harvesting). Međutim, u kontekstu opisanog problema, drugačiji načini prikupljanja energije iz okoline uglavnom nisu dostatni za dobivanje dovoljnih količina energije. Prikupljanje energije iz vibracija piezoelektričnim pretvornikom daje zanemarivu energiju zbog razmjerno malene amplitude vibracija, koju je potrebno prikupljati kroz razmjerno dugi vremenski period. Dodatno, kod piezolektričnih pretvornika važno je uskladiti i rezonantnu frekvenciju na kojoj je apsorpcija energije najveća, što je dodatni praktični problem u implementaciji takvog pristupa. Prikupljanje energije termoelektričnim elementom iz razlike temperatura također daje zanemarivu energiju, uz dodatni problem pronalaženja mjesta za montažu termoelektričnog elementa s dovoljnim lokalnim gradijentom temperature, što je teško postići u slučaju opisanog tehničkog problema. Korištenje prikupljanja energije iz mehaničkog rezonatora sa zavojnicom i permanentnim magnetom problematično je zbog složenosti ugradnje i potrebe za višom razinom vibracija da bi se prikupile odgovarajuće razine energije. Napajanje temeljeno na prikupljanju energije fotonaponskim efektom također je problematično zbog osjetljivosti fotoćelija u robusnim uvjetima visoke temperature i vibracija kakvi vladaju u stvarnim primjenama, kao i mogućnosti prekidanja optičke vidljivosti uslijed nečistoća i objekata koji mogu spriječiti prijenos energije.

Pregledom stanja tehnike došlo se do zaključka da je moguće predložiti novi i bolji koncept za rješenje tehničkog problema mjerenja temperature na rotirajućoj komponenti suhe spojke, koji će omogućiti manje dimenzije u odnosu na postojeća rješenja radi ugradnje u primjenama kod kojih su minimalne dimenzije i masa sustava od presudne važnosti, uz visoku točnost mjerenja temperature i mogućnost izvedbe sklopovlja u temperaturnom rasponu do oko 200 °C. Izum kojeg se predlaže rješava tehnički problem na bolji način od do sada poznatih rješenja u trenutnom stanju tehnike.

Izlaganje suštine izuma

Predmetni izum rješava tehnički problem izravnog mjerenja temperature ili drugih fizikalnih veličina na rotirajućem elementu kao što je npr. rotacijski sklop suhe tarne spojke, kod kojeg je potrebno osigurati telemetrijski prijenos signala i energije između rotirajućeg i statorskog dijela uređaja, pri čemu posebne izazove predstavljaju izrazito malen prostor za ugradnju elektroničkih sklopova, visoka radna temperatura okoline i visoka točnost mjerenja temperature.

Energija se na rotirajućoj strani sustava troši na napajanje senzora, sklopovlja za obradu signala sa senzora, sklopovlja za slanje podataka i sklopovlja za napajanje sustava. S obzirom da je kod mjerenja temperature na rotacijskom sklopu suhe tarne spojke prostor od iznimne važnosti, ovim izumom predlaže se metoda mjerenja, obrade i slanja mjerne informacije koja omogućuje postizanje minimalne potrošnje, a time i minimalnih dimenzija sustava, što ovakav uređaj čini boljim rješenjem za ugradnju u odnosu na postojeće stanje tehnike u primjenama kada je potrebno postići minimalne moguće dimenzije sustava. Za napajanje senzora i elektroničkih sklopova na rotirajućoj strani sustava predmetnim izumom se osigurava potrebna energija beskontaktnim prijenosom iz izvora sa stacionarne strane sustava.

Predmetni izum predlaže mjerni sustav koji se na rotirajućoj strani temelji na otporničkom (RTD) senzoru, frekvencijskom (FM) modulatoru, diferencijalnom kapacitivnom prijenosu signala i napajanju iz magnetskog polja proizvedenog na statoru, korištenjem istosmjerno-istosmjernih pretvornika koji se mogu napajati iz malenih napona dobivenih u prijemnim zavojnicama. U nastavku će biti obrazloženo kako svaki od navedenih elemenata sudjeluje u minimizaciji potrošnje i dimenzija mjernog modula te kako je predloženi koncept moguće koristiti u proširenom temperaturnom rasponu.

RTD senzori omogućuju jednostavno mjerenje temperature s visokom točnošću, a može ih se izravno povezati s FM modulatorom tako da promjena frekvencije modulatora izravno ovisi o temperaturi koju senzor mjeri. FM modulatori mogu se izvesti u diskretnoj ili integriranoj tehnici, osigurati vrlo nisku potrošnju sklopovlja, a zbog činjenice da se za njihovu izvedbu ne moraju koristiti mikroprocesori ili složene digitalne komponente, takve modulatore moguće je izvesti i s komponentama koje rade u proširenom temperaturnom rasponu u području iznad 125 °C, s izvedbama koje prelaze i preko 200 °C, što je za ovu primjenu važno.

Postojeća srodna telemetrijska rješenja na rotirajućim mehaničkim sklopovima signal prenose putem induktivne ili kapacitivne sprege na prijemnu stranu sustava. U većini praktičnih rješenja koristi se induktivna sprega za slanje mjerne informacije. Prednost induktivnog prijenosa informacije očituje se u većoj otpornosti na smetnje i utjecaje okoline u odnosu na kapacitivni prijenos, što je razlog da se kapacitivna sprega rjeđe koristi u praksi. Međutim, nedostatak induktivne metode je veća potrošnja u odnosu na kapacitivnu spregu, jer je potrebno osigurati značajnu struju kroz strujnu petlju da bi se postigla dovoljno visoka razina magnetskog polja za kvalitetnu rekonstrukciju signala na prijemnoj strani. Posljedično tome, za osiguranje veće potrošnje potrebno je prenijeti više energije na rotacijski dio sustava, što povećava dimenzije prijemne zavojnice i sustava u cjelini. U većini primjena gdje izrazito ograničeni prostor nije od presudne važnosti, prednosti induktivne telemetrije u odnosu na kapacitivnu opravdavaju takav izbor. S druge strane, kapacitivnom telemetrijom moguće je postići značajno nižu potrošnju jer se elektrode pobuđuju naponski, a struje koje teku zbog nabijanja i izbijanja veznih kapaciteta između rotirajuće i stacionarne strane sustava mogu se kontrolirati vrijednošću nadomjesnog kapaciteta putem geometrije elektroda, frekvencijom i amplitudom signala.

Većina kapacitivno spregnutih telemetrijskih sustava koristi zbog jednostavnosti implementacije asimetričnu izvedbu, gdje se sa strane odašiljača nalazi elektroda koja se naponski pobuđuje, na prijemnoj strani elektroda na kojoj se prima odaslani signal, a strujni krug zatvara se preko okoline. Iako takva izvedba nudi jednostavno rješenje za telemetrijski prijenos signala, ovisno o izvedbi i karakteru informacija koje se prenose mogu se pojaviti sljedeći problemi: visok utjecaj smetnji električnog polja iz drugih izvora napona koji se nalaze u okolini promatranog sustava (jer će prijemna elektroda primiti i takve smetnje, posebice ako se uzme u obzir visoka ulazna impedancija detektorskog kruga), zatim pojava nečistoća ili objekata u području između odašiljačke i primjene elektrode može degradirati svojstva prijenosnog komunikacijskog kanala dinamičkom promjenom dielektričnosti prostora između elektroda (što može uvesti dodatne smetnje), kod rotirajućih objekata može se pojaviti napon smetnje između različitih masa sustava na rotirajućoj i stacionarnoj strani ako galvanska veza nije dovoljno dobra itd. Iz navedenih razloga kapacitivni prijenos signala izbjegava se u praksi kao manje pouzdano rješenje.

Diferencijalni kapacitivni prijenos signala poznat je kao jedna od mogućih specijalnih izvedbi kapacitivnog prijenosa kojom se može prenositi signal putem moduliranog električnog polja. U toj posebnoj izvedbi kapacitivne sprege moraju biti zadovoljeni određeni uvjeti. Prvi uvjet je da se na poseban način upravlja odašiljačkim elektrodama tako da se par diferencijalnih odašiljačkih elektroda pobuđuje protufaznim diferencijalnim naponom. Drugi uvjet je da se par prijemnih elektroda nalazi vrlo blizu odašiljačkih elektroda i da se odgovarajući parovi elektroda s odašiljačke i prijemne dobro preklapaju, odnosno da maksimiziraju međusobne kapacitete odgovarajućih parova elektroda i minimiziraju međusobne kapacitete elektroda suprotnog polariteta. S druge strane, na asimetrični kapacitivni prijenos ne postavljaju se takva ograničenja, što je i razlog da se on lakše implementira u praksi. Zbog potrebe za specifičnom konfiguracijom rasporeda elektroda, diferencijalni kapacitivni prijenos kao metodu moguće je primijeniti samo u posebnim slučajevima, kada je moguće blisko smjestiti odgovarajuće parove odašiljačkih i prijemnih elektroda, što u većini primjena nije slučaj.

Predmetnim izumom se ostvaruje minimizacija dimenzija podsustava za napajanje senzora i elektroničkih sklopova na rotirajućoj strani sustava korištenjem zavojnica za prikupljanje energije iz magnetskog polja i stabilizatora napona niske potrošnje koji se može napajati iz malenih izmjeničnih napona dobivenih na rotirajućoj strani sustava. Napajanje iz energije magnetskog polja zasniva se na načelu magnetske indukcije uslijed promjene magnetskog toka unutar površine obuhvaćene zavojnicom. Kako su iznosi napona koji se induciraju na krajevima zavojnice i energije koja se prenosi magnetskom spregom proporcionalni površini petlje i broju zavoja, cilj je omogućiti rad sustava uz minimalni broj zavoja i površinu zavojnica. Inducirani izmjenični napon na krajevima zavojnice potrebno je pretvoriti u istosmjerni kako bi se osiguralo napajanje elektroničkih sklopova.

Pasivno ispravljanje izmjeničnog napona (npr. diodama u Graetzovom spoju) i korištenje linearnih stabilizatora predstavlja jednu mogućnost za realizaciju sklopa za napajanje, čiji je nedostatak potreba za razmjerno visokim naponom koji se inducira na krajevima prijemnih zavojnica zbog potrebe za kompenzacijom pada napona na ispravljačkim elementima i linearnom stabilizatoru. U takvoj konfiguraciji nije moguće podizati napon na izlazu iz stabilizatora i potrebno je postići da srednja vrijednost ispravljene vrijednosti napona na krajevima zavojnica bude uvijek veća od napona napajanja senzora i elektroničkog sklopovlja na rotirajućoj strani sustava.

Predmetni izum kao povoljnije rješenje predlaže korištenje istosmjerno-istosmjernih (DC-DC) pretvornika koji se mogu napajati iz malenih izmjeničnih napona dobivenih na rotirajućoj strani sustava. DC-DC pretvornici omogućuju dobivanje istosmjernih napona na izlazu iz sklopa višeg iznosa od istosmjernog napona na ulazu (u boost topologiji), uz istodobno postizanje visokog stupnja korisnog djelovanja kojeg nije moguće postići linearnim stabilizatorom, čime se na efikasniji način koristi energija, što znači manje gubitke i potrebne dimenzije podsustava za beskontaktno napajanje. Specifičnost u ovoj primjeni predstavlja potreba za radom iz izmjeničnog izvora napona dobivenog magnetskom indukcijom na krajevima prijemnih zavojnica, uz dodatno ograničenje niske vršne vrijednosti izmjeničnog napona, u području od nekoliko desetaka do nekoliko stotina milivolta, kada se nastoje koristiti što manje zavojnice radi štednje prostora. Istosmjerno-istosmjerne pretvornike nije moguće izravno spajati na izmjenični izvor napona i većina ih nije projektirana za rad s tako malenim naponskim razinama.

Predmetni izum predlaže dvije mogućnosti kako se mogu iskoristiti dobra svojstva DC-DC pretvornika, poput visoke efikasnosti i podizanja izlaznog napona u odnosu na ulazni napon DC-DC pretvornika, u slučaju kada je izlazni izmjenični napon dobiven na prijemnoj zavojnici za prikupljanje energije iz magnetskog polja vrlo malen zbog malih potrebnih dimenzija sustava: korištenjem naponskog transformatora specijalne izvedbe nakon zavojnice i posebnih izvedbi DC-DC pretvornika optimiranih za rad s malim ulaznim naponima i namjene prikupljanja energije iz okoline (engl. energy harvesting).

Dodavanjem minijaturnog transformatora u SMD izvedbi iza zavojnice moguće je postići podizanje vrijednosti napona sekundara zavojnice bez značajnog povećanja volumena sustava na rotirajućem dijelu. Takvi transformatori koriste se tipično kod kompaktnih izvedbi topologija DC-DC pretvornika s galvanskim odvajanjem i dostupni su kao gotove komponente na tržištu. U slučajevima kada je zbog prostornih ograničenja nepovoljno povećavati površinu i broj zavoja zavojnice koja prikuplja energiju iz magnetskog polja, što rezultira niskim vrijednostima napona na izlazu iz zavojnice, ovom metodom moguće je značajno podići radni napon na ulazu u stabilizator, čime se olakšava korištenje standardnih elektroničkih komponenti i povećava izbor prihvatljivih komponenti kod implementacije rješenja dovođenjem ulazne razine napona na više radne vrijednosti.

Druga mogućnost je korištenje posebnih DC-DC pretvornika optimiranih za rad s malim ulaznim naponima i namjenu prikupljanja energije iz okoline. U ovom trenutku postoji nekoliko rješenja koja se nude na tržištu i koja omogućavaju rad s minimalnim naponima u području od nekoliko desetaka milivolta do nekoliko stotina milivolta i koja mogu podizati ulaznu vrijednost istosmjernog napona. Problem kod tih posebnih izvedbi DC-DC pretvornika optimiranih za namjenu prikupljanja energije iz okoline je da su optimirani za istosmjerne ulazne napone u području od minimalno 20 mV na više, kakvi se očekuju u primjenama kada se kao izvor energije koristi termoelektrični element ili solarni panel. U oba slučaja izvor napajanja je istosmjerni, a ne izmjenični kao u slučaju tehničkog problema kojeg rješava ovaj izum. U ovom slučaju, kada imamo maleni izmjenični napon na izlazu iz prijemnih zavojnica mogu se kombinirati ispravljački elementi s malim padom napona (npr. Schottky diode) s posebnim izvedbama DC-DC pretvornika optimiranih za namjenu prikupljanja energije iz malenih istosmjernih izvora kako bi se njihovim kombiniranjem mogle postići manje dimenzije sustava u odnosu na postojeća rješenja temeljena na linearnim stabilizatorima ili klasičnim izvedbama DC-DC pretvornika koji nisu optimirani za rad s izrazito niskim razinama energije kakve se susreću u energy harvesting primjenama. U dosadašnjim rješenjima nije istaknuta prednost korištenja navedenih posebnih izvedbi DC-DC pretvornika u primjenama kada se na rotacijskim mehaničkim komponentama prikuplja energija iz magnetskog polja i kada je maleni izvor napona izmjeničan, a ne istosmjeran, kao u većini slučajeva kod prikupljanja energije iz okoline. Izum predlaže korištenje malenih zavojnica, ispravljača s malenim padom napona i DC-DC pretvornika optimiranih za namjenu prikupljanja energije iz malenih istosmjernih izvora (reda veličine desetaka ili stotina milivolta) kao rješenje kojim se mogu dodatno minimizirati dimenzije sustava, pri čemu se dodatno može umetnuti i ranije spomenuti transformator za slučaj jako niskih vrijednosti induciranog napona.

Važan praktični problem o kojem je potrebno voditi računa kod mjerenja temperature na suhoj tarnoj spojci je raspon temperatura koje je potrebno mjeriti u ispitnim točkama i raspon radnih temperatura u kojima elektronički sustav na rotirajućoj strani mora raditi. U normalnom režimu rada u ispitnim točkama suhe spojke na rotorskoj strani mogu se pojaviti temperature do 250 °C, a u slučaju anomalija ili nepredvidivih situacija očekuju se temperature do 350 °C ili više. U okolišnim uvjetima tako visoke temperature nije moguće ugraditi elektroničke komponente. Međutim, tako visoka temperatura ne očekuje se na cijelom rotirajućom mehaničkom sklopu suhe tarne spojke i s vanjske strane mehaničkog elementa temperatura je značajno niža od maksimalne, zbog postojanja temperaturnog gradijenta u tijelu rotirajuće mehaničke komponente. Na mjestima minimalne temperature mehaničkog rotirajućeg elementa u većini slučajeva temperatura ne prelazi 125 °C, što znači da je elektroničke sklopove koji se ugrađuju na rotirajuću stranu sustava moguće realizirati standardnim elektroničkim komponentama predviđenim za automobilski temperaturni raspon od 40° C do 125 °C. Međutim, u određenim situacijama, koje ovise o maksimalnoj radnoj temperaturi spojke i načinu odvođenja topline, temperatura na obodu rotirajućeg elementa može prijeći kritičnu granicu od 125 °C i doseći vrijednosti i do 200 °C, a u takvim uvjetima više nije moguće realizirati elektroničke sklopove korištenjem standardnih komponenti. Za prošireno temperaturno područje radnih temperatura od 125 °C do 230 °C proizvode se elektroničke komponente u posebnoj izvedbi, a izbor takvih komponenti je vrlo ograničen. Većina standardnih elektroničkih komponenti nije dostupna u proširenom temperaturnom rasponu, prvenstveno složeni analogni i digitalni sklopovi, što sustave koji se temelje na korištenju mikroprocesora i drugih složenih analognih i digitalnih sklopova čini neizvedivima u tehnici koja stoji na raspolaganju za prošireno temperaturno područje. Rješenje koje se predlaže izumom s gledišta potrebnih elektroničkih komponenti (FM modulator, pojačala za diferencijalno odašiljanje signala i sklop za napajanje sustava) su izvedivi i u proširenom temperaturnom rasponu, što rješenje čini primjenjivim i u slučajevima kada je potrebno osigurati rad sklopovlja na rotirajućoj strani sustava u proširenom temperaturnom rasponu. Stacionarna strana sustava može se izvesti uz korištenje standardnih elektroničkih komponenti jer je diferencijalni signal uvijek moguće žično prenijeti na stacionarnoj strani do mjesta gdje temperature ne prelaze 125 °C.

Kratki opis crteža

U nastavku će izum biti detaljno opisan s pozivanjem na crteže pri čemu:

- Slika 1. prikazuje shematski prikaz osnovnog koncepta uređaja prema predmetnom izumu,

- Slika 2. prikazuje ugradnju mjernog modula na rotirajući element prema jednom načinu izvođenja predmetnog izuma,

- Slika 3. prikazuje ugradnju mjernog modula na rotirajući element prema drugom načinu izvođenja predmetnog izuma,

- Slika 4. je shematski prikaz mjernog modula,

- Slika 5. je shematski prikaz napajanja mjernog modula,

- Slika 6. je shematski prikaz stacionarnog elektroničkog modula,

- Slika 7. je shematski prikaz telemetrijskog diferencijalnog kapacitivnog prijenosa signala,

- Slika 8. prikazuje poželjni relativni smještaj mjernog i stacionarnog modula za optimalno napajanje magnetskom spregom,

- Slika 9. je shematski prikaz višekanalnog mjernog modula za vremenski multipleks FM signala,

- Slika 10. je shematski prikaz valnog oblika FM signala u vremenskom multipleksu, i

- Slika 11. je shematski prikaz višekanalnog mjernog modula za frekvencijski multipleks FM signala.

Detaljan opis najmanje jednog od načina ostvarivanja izuma

Predmetni izum se odnosi na uređaj za mjerenje temperature ili drugih fizikalnih veličina na rotacijskom sklopu suhe spojke, disku kočnica ili drugih rotirajućih elemenata gdje se prijenos signala i energije između rotirajućeg elementa (1) i stacionarnog dijela sustava (5) ostvaruje beskontaktnim prijenosom. Beskontaktni prijenos signala odvija se kapacitivnom spregom, a beskontaktni prijenos energije induktivnom spregom. Uređaj sadrži elektronički mjerni modul (3) smješten na rotirajućem elementu (1), koji mjerni modul (3) je prilagođen za obradu signala s jednog ili više temperaturnih senzora1-n (2) ugrađenih na rotirajućem elementu (1) koji temperaturni senzori1-n (2) su žičano spojeni s elektroničkim mjernim modulom (3); i stacionarni elektronički prijamni modul (4) ugrađen na stacionarnom dijelu sustava (5) u odnosu na kojeg rotira element (1). Predmetni izum nije ograničen samo na mjerenje temperature na rotacijskom sklopu suhe spojke tako da se umjesto temperaturnih senzora1-n (2) mogu ugraditi senzori koji mjere i druge fizikalne veličine. Nadalje, predmetni izum nije ograničen na mjerenje fizikalnih veličina samo na rotacijskom sklopu suhe spojke, već se može koristiti i na disk kočnici ili bilo kojem drugom rotirajućem elementu.

Mjerni modul (3) sadrži par odašiljačkih elektroda (8) prilagođenih za diferencijalni kapacitivni prijenos signala, gdje stacionarni elektronički modul (4) sadrži par prijemnih kapacitivnih elektroda (14) prilagođenih za prijem diferencijalnog kapacitivnog signala od elektroda (8) u vremenskom intervalu Tmj u kojem se mjerni moduli (3) i (4) nalaze u međusobno paralelnom položaju jedan iznad drugog.

Elektronički mjerni modul (3) je smješten na dijelu površine rotirajućeg elementa (1) koji navedeni dio površine u radnim uvjetima postiže najniže temperature i koji elektronički modul (3) ima dimenzije koje ne ometaju funkciju rotacijske suhe spojke. Elektronički modul (3) sadrži jedan ili više FM modulatora (6); diferencijalni pogonski sklop (7) koji pretvara asimetrični signal u diferencijalni (simetrični) signal i upravlja elektrodama (8) za diferencijalni prijenos signala kapacitivnom spregom; jednu ili više zavojnica (9) za prikupljanje energije za napajanje mjernog modula (3) putem generiranog magnetskog polja od strane stacionarnog elektroničkog modula (4), pri čemu su navedene zavojnice (9) ugrađene neposredno ispod odašiljačkih elektroda (8); sklop (10) za napajanje sklopovlja mjernog modula (3); i kondenzator (11) koji osigurava napajanje za vrijeme dok elektronički mjerni modul (3) i stacionarni elektronički prijamni modul (4) nisu u međusobnoj magnetskoj sprezi.

Na slici 1 prikazan je koncept izuma s osnovnim dijelova sustava. Temperatura se mjeri na rotirajućoj mehaničkoj komponenti (1), u odabranoj ispitnoj točki u koju se ugrađuje temperaturni senzor (2). Senzor (2) se žično povezuje s mjernim modulom (3) za mjerenje temperature na rotirajućoj komponenti (1), koji modul (3) je pričvršćen na mehaničku rotirajuću komponentu (1), s kojom zajedno rotira. U kontekstu ovog izuma mehanička rotirajuća komponenta (1) odnosi se na rotirajući sklop suhe tarne spojke čija se temperatura mjeri, ali se isto načelo može primijeniti i na druge slučajeve kada je prostor za ugradnju elektroničkih komponenti jako ograničen. Mjerni modul (3) služi za mjerenje temperature sa senzora (2) i telemetrijsko slanje mjerne informacije na stacionarni elektronički modul (4). S obzirom da je mjerni modul (3) ugrađen na rotirajuću komponentu i da ga nije moguće izravno ožičiti prema stacionarnom dijelu sustava, mjerni modul (3) mjernu informaciju prenosi beskontaktno (putem bliskog električnog polja) te je navedenom mjernom modulu potrebno osigurati beskontaktno napajanje. Mjerna informacija se diferencijalnom kapacitivnom spregom prenosi na stacionarni elektronički modul (4), koji služi za beskontaktni prijem mjerne informacije, obradu primljenog signala i sadrži pobudu za beskontaktno napajanje mjernog modula (3) putem energije magnetskog polja. Stacionarni elektronički modul (4) nalazi se ugrađen na stacionarnom dijelu mehaničkog sustava (5), u odnosu na kojeg rotira element (1).

Temperatura koja se očekuje u mjernim točkama gdje su ugrađeni senzori (2) može iznositi do 350 °C npr. u primjenama mjerenja temperature na suhoj tarnoj spojci. Kako na mehaničkoj rotirajućoj komponenti (1) postoji temperaturni gradijent, mjerni modul (3) potrebno je ugraditi u područje gdje se očekuju niže radne temperature, a koje ne prelaze radni temperaturni raspon korištenih elektroničkih komponenti (do 125 °C ako se koriste elektroničke komponente za automobilski temperaturni raspon, odnosno do oko 200 °C ako se koriste komponente u proširenom temperaturnom rasponu, ovisno o tehnološkoj izvedbi). Uređaj se prema predloženom konceptu izuma može po potrebi realizirati komponentama u proširenom temperaturnom rasponu kakve trenutno postoje na tržištu. U praksi se pokazuje da je moguće u gotovo svim realnim situacijama primjene na mjerenje temperature suhe tarne spojke pronaći područja na rotirajućoj komponenti (1) u kojima u nepovoljnim radnim uvjetima temperatura ne prelazi 200 °C, čime je predmetni izum pogodan za masovnu primjenu.

Jedno od osnovnih ograničenja kod mjerenja temperature na rotirajućoj komponenti suhe tarne spojke koje se nastoji riješiti ovim izumom odnosi se na izrazito malen prostor za ugradnju mjernog modula (3) na rotirajuću komponentu (1). Modul (3) mora biti što je moguće manjih dimenzija koje minimalno utječu na mehanički dizajn i balans rotirajućih dijelova spojke. S obzirom na razmjerno visoku potrošnju sklopovlja, postojeća rješenja induktivne telemetrije zahtijevaju razmjerno veliki prostor za postavljanje zavojnice za prijenos energije. Veći zahtjevi za energijom znače veći broj zavoja i veću površinu zavojnice, a odabir kapacitivnog prijenosa informacije omogućuje nižu potrošnju i time manje zauzeće prostora na rotirajućoj komponenti (1). Kod induktivne telemetrije čest je slučaj da je zavojnicu potrebno namotati uzduž cijelog rotirajućeg oboda ili većeg dijela tijela mehaničke komponente (1), zbog čega postojeća rješenja još uvijek nisu ušla u masovniju primjenu u serijskoj proizvodnji.

Prema jednom načinu izvođenja predmetnog izuma, mehanička ugradnja mjernog modula (3) na rotirajuću komponentu (1) prikazana je na slici 2. Donji dio slike 2 prikazuje položaj modula (3) na rotirajućoj komponenti (1) u pogledu odozgo. U tom pogledu vidi se kako modul (3) zauzima vrlo mali prostor na rotirajućoj komponenti (1), jer se realizira kao kompaktna minijaturna jedinica koja zauzima malu površinu i mali dio rotacijskog profila rotirajuće komponente (1), uz minimalnu visinu za smještaj svih potrebnih komponenti sustava. U donjem dijelu slike 2 vidi se da se obris rotacije modula (3) može prikazati prstenom definiranim s dvije koncentrične kružnice, gdje modul (3) zauzima površinu u rasponu od 1 – 20 cm2, a poželjna visina modula (3) je u rasponu od 5 do 20 mm. U donjem dijelu slike 2 modul (4) smješten je iznad modula (3), ali nije ucrtan zbog preglednosti i njegov položaj prikazan je u gornjem dijelu slike 2.

U prikazanoj konfiguraciji modul (3) ugrađuje se na gornju, odnosno vanjsku stranu diska ili slične strukture (ovisno o realizaciji rotirajuće mehaničke komponente (1)), iznad koje postoji slobodan prostor za smještaj stacionarnog modula (4), kao što je prikazano u gornjem dijelu slike 2. S donje strane rotacijske komponente (1) u tom primjeru nalazi se preostali dio mehaničkog sklopa spojke i taj prostor nije pogodan za ugradnju stacionarnog modula (4). U prikazanoj konfiguraciji ostvaruje se sprega električnim poljem za prijenos mjerne informacije i magnetskim poljem za prijenos energije između modula (3) i (4). Telemetrijski prijenos signala i energije odvija se impulsno i periodički, u vrlo kratkim vremenskim intervalima kada se mjerni modul (3) i stacionarni modul (4) nalaze vrlo blizu jedan drugoga za vrijeme rotacije komponente (1).

Gornji dio slike 2 prikazuje montažu modula (3) na rotirajuću komponenti (1) u bočnom pogledu. U tom pogledu vidi se da se stacionarni modul (4), koji služi za telemetrijski prijem podataka i slanje energije modulu (3) putem magnetskog polja, nalazi montiran na stacionarnoj strani sustava tako da prilikom prolaska modula (3) za vrijeme rotacije mehaničke komponente (1) se moduli (3) i (4) nalaze međusobno paralelno i što je moguće bliže jedan drugome. Kapacitivna sprega za prijenos signala i induktivna sprega za prijenos energije aktivni su samo u malom dijelu perioda rotacije, kada se moduli (3) i (4) nađu međusobno paralelno neposredno jedan iznad drugoga. Preduvjet da bi se ovako kompaktan postav mogao realizirati je minimizacija potrošnje energije koja je ranije opisana. S desne strane slike 2 još se detaljnije vidi na koji način se kapacitivno sprežu elektrode za prijenos signala električnim poljem i zavojnice za magnetsku spregu za prijenos energije. U desnom dijelu slike 2 prikazan je pogled na module (3) i (4) u bokocrtu, u trenutku kada se za vrijeme rotacije komponente (1) moduli (3) i (4) nađu izravno jedan iznad drugog. S gornje strane modula (3) u tom pogledu vidi se par odašiljačkih elektroda (8) za kapacitivni prijenos signala (prikazano na slici 7), dok se s donje strane modula (4) nalazi par prijemnih kapacitivnih elektroda (14). Važno je da se odgovarajući parovi elektroda (8) i (14) nađu izravno jedan iznad drugoga kako bi se ostvario maksimalni vezni kapacitet parova elektroda istog polariteta i minimalni vezni kapacitet parova elektroda suprotnog polariteta. Neposredno ispod odašiljačkih elektroda (8) za kapacitivni prijenos signala nalazi se zavojnica (9) za prikupljanje energije magnetskog polja za napajanje odašiljačkog modula (3) (prikazano na slici 4). Ispod i iznad modula (3) i (4) na desnoj strani slike 2 prikazani su pogledi odozgo i odozdo na module (3) i (4). Može se uočiti da je prijemna zavojnica (9) za beskontaktno napajanje modula (3) smještena neposredno ispod odašiljačkih elektroda, što se može izvesti jer nema ometanja od strane magnetskog polja na električno polje za prijenos signala kapacitivnom telemetrijom, što dodatno olakšava kompaktan dizajn. Na isti način je pozicionirana odašiljačka zavojnica ili permanentni magnet (18) (ovisno o izvedbi) u modulu (4).

U ovakvoj konfiguraciji od velike je važnosti postići minimalne, odnosno što manje dimenzije modula (3). Parametri koji utječu na dimenzije modula (3) su sljedeći: prostor za elektroničke sklopove na tiskanoj pločici, prostor za zavojnicu za prikupljanje energije magnetskog polja i prostor za elektrode za odašiljanje signala diferencijalnom kapacitivnom spregom. Prostor za elektroničke sklopove na tiskanoj pločici minimizira se primjenom ranije opisanog koncepta koji rezultira razmjernom niskom složenošću sklopovlja koje se može smjestiti na kompaktnu tiskanu pločicu, a dodatno se to sklopovlje po potrebi može realizirati aplikacijski-specifičnim integriranim sklopom (ASIC) izvedenim kao sustav na čipu (system-on-chip, SoC), ako je potrebna daljnja minijaturizacija. Dimenzije zavojnice određene su potrošnjom sklopovlja, a značajne uštede postižu se odabirom kapacitivnog prijenosa umjesto induktivnog, kakav se predlaže ovim izumom. Dimenzije elektroda za kapacitivni prijenos signala nisu kritične koliko dimenzije zavojnice i već se s malim elektrodama (npr. reda veličine desetaka mm2 na više) postižu dobri rezultati.

Drugi način ugradnje modula (3) prema predmetnom izumu prikazan je na slici 3, u kojem se modul (3) montira na vanjsku stranu oboda rotacijske komponente (1) i gdje se modul (4) smješta s vanjske strane oboda rotacijske komponente (1). Ovaj način ugradnje sličan je načelu prikazanom na slici 2 i također koristi minimalni mogući prostor za ugradnju uz kratko vrijeme u kojem su moduli (3) i (4) vrlo blizu jedan drugog. U gornjem dijelu slike 3 prikazan je bočni pogled, a s donje strane pogled odozgo, na sličan način kako je to opisano uz prikaz slike 2.

Za oba načina ugradnje prikazana slikama 2 i 3, modul (3) može se postaviti ili ugraditi na površini rotirajuće komponente (1) ili može biti ugrađen u unaprijed predviđeni otvor unutar mehaničke komponente (1), kako ne bi bio izdignut u odnosu na okolnu površinu komponente (1).

U predloženom konceptu izuma u kojem se ostvaruje što je moguće manje zauzeće prostora mjernog modula (3) potrebno je u vrlo kratkom vremenskom intervalu kada su mjerni (3) i stacionarni (4) modul neposredno jedan iznad drugoga prenijeti dovoljnu količinu energije s modula (4) na modul (3) i istovremeno prihvatiti mjernu informaciju s modula (3) na modul (4), uz minimalnu kompleksnost sustava. Primjerice, ako je brzina vrtnje rotacijske komponente (1) 6000 okr./min (što je približna gornja granica kutne brzine koja se očekuje u praktičnim primjenama za suhu spojku) i ako je uređaj izveden tako da zauzima 1% opsega kružnog kontaktnog profila sprege između (3) i (4) radi postizanja vrlo kompaktne ugradnje, onda je aktivno vrijeme u kojem su (3) i (4) u bliskom kontaktu svega oko 100 μs (jer je vrijeme potrebno za jednu cijelu rotaciju (1) pri toj brzini 10 ms). U tom vremenskom intervalu treba ubaciti dovoljan impuls energije putem magnetskog polja sa stacionarnog dijela sustava (4) u rotirajući modul (3) i istovremeno prenijeti informaciju o temperaturi s modula (3) na modul (4). Ciklus u kojem postoji aktivna električna i magnetska sprega između modula (3) i (4) u tim uvjetima ponavlja se svakih 10 ms. Ovisno o brzini rotacije i postotnom zauzeću opsega kružnog kontaktnog profila sprege između modula (3) i (4) ta vremena mogu biti i drugačija, međutim prikazana je okvirna procjena očekivanih najnepovoljnijih radnih uvjeta u kojima je potrebno prenijeti dovoljnu količinu energije i pouzdanu informaciju o temperaturi.

Opisani uvjeti u kojima bi sustav trebao raditi i prenositi energiju i informacije između modula (3) i (4) vrlo su izazovni, pogotovo s gledišta prijenosa energije, a zbog većih energetskih zahtjeva klasični pristupi koji koriste induktivnu telemetriju tipično zahtijevaju da postoji kontinuirana induktivna sprega između primarne i sekundarne strane za prijenos energije, ili barem u značajnom dijelu za vrijeme jednog rotacijskog ciklusa. Zbog zahtjeva za malim zauzećem prostora, potrebno je koristiti malenu zavojnicu u modulu (3) i malene permanentne magnete ili elektromagnete (18) u modulu (4). S obzirom da je u najnepovoljnijem slučaju vrijeme proleta modula (3) pokraj modula (4) reda veličine otprilike 100 μs, potrebno je energiju magnetskog polja prikupiti na odgovarajući način i pohraniti do sljedećeg međusobnog proleta navedenih modula. Kako bi se zadovoljio ispravan rad modula (3), unutar jednog perioda rotacije količina prenesene energije mora biti veća od potrošene za rad modula (3), što znači da se mora realizirati modul (3) izrazito niske potrošnje. Također treba voditi računa i o naponu koji se generira na prijemnoj zavojnici (9) i da će za veći napon potreban za rad sklopovlja biti potreban veći broj zavoja. Stoga je jedan od glavnih ciljeva izuma osmišljavanje uređaja koji će raditi s najmanjim mogućim naponima na sekundarnoj strani (krajevima zavojnice za prikupljanje energije magnetskog polja), kako bi se mogle koristiti zavojnice (9) minimalnih dimenzija, tj. sa što manjim brojem zavoja.

Shematski prikaz mjernog modula (3) dan je na slici 4. Otpornički temperaturni RTD senzor (2) spaja se na FM modulator (6), koji služi za izravnu pretvorbu temperaturno ovisnog otpora u frekvenciju. Izlaz iz FM modulatora (6) dovodi se na diferencijalni pogonski sklop (7) koji protufazno upravlja naponom na dvije elektrode (8) za diferencijalni kapacitivni prijenos signala. Potrošnja opisanog mjernog lanca može se pažljivim odabirom elektroničkih komponenti i frekvencije osciliranja dovesti u područje μW - mW, što značajno olakšava zahtjeve na realizaciju kompaktnog sustava beskontaktnog napajanja malih dimenzija. Beskontaktno napajanje zasniva se na promjeni magnetskog toka u zavojnici za prikupljanje energije (9), koja prilikom rotacije prolazi kroz magnetsko polje generirano stacionarnim modulom (4). Krajevi zavojnice (9) spajaju se na sklop za napajanje (10) niske potrošnje i visoke efikasnosti, koji služi za pretvorbu energije prikupljene prijemnom zavojnicom (9) u istosmjerni napon za napajanje sklopovlja mjernog modula (3). Višak energije prikupljen tijekom jedne rotacije pohranjuje se u kondenzator (11), koji osigurava napajanje za vrijeme dok moduli (3) i (4) nisu u bliskom kontaktu. Na donjem dijelu slike 4 prikazan je primjer mehaničkog izvođenja smještaja elektroda (8) za slanje FM signala diferencijalnom kapacitivnom spregom i zavojnice (9) za prikupljanje energije iz magnetskog polja, gdje se može vidjeti da se zavojnica (9) smješta u isti prostor gdje i elektrode (8), s obzirom da prijenos energije ne smeta podatkovnoj komunikaciji.

Kao senzor temperature koristi se otpornički temperaturni detektor (engl. resistance temperature detector, RTD), koji se tipično izvodi korištenjem čistih materijala (primjerice platine, nikla ili bakra). RTD senzori prikladni su tipično za područja primjene do 600 °C i jednostavniji su za korištenje od termoparova jer nema potrebe za kompenzacijom hladnog kraja. Također pokazuju izuzetno dobre mjerne karakteristike i imaju širi temperaturni raspon od NTC, PTC i integriranih poluvodičkih temperaturnih senzora. Temperaturni RTD senzor (2) se ugrađuje izravno na mjernu točku na rotirajućoj komponenti suhe spojke čija se temperatura prati i omogućuje visoku točnost mjerenja temperature, bolju od beskontaktnih metoda mjerenja temperature.

Sklop za napajanje (10) važan je dio rješenja koje se predlaže predmetnim izumom. Sklop (10) temelji se na DC-DC pretvorniku optimiranom za rad s malim ulaznim naponima (u području desetaka ili stotina milivolta) i za namjenu prikupljanja energije iz okoline (engl. energy harvesting). Rad s malim naponima omogućuje minimizaciju dimenzija prijemne zavojnice (9), a posebna energy harvesting izvedba DC-DC pretvornika minimalnu potrošnju, visoku efikasnost i rad s vrlo niskim razinama energije. Kako se na krajevima zavojnice (9) generira razmjerno malen izmjenični napon u vrlo kratkom vremenskom intervalu, on nije izravno pogodan za spajanje na ulaz DC-DC pretvornika. Zato je važno u ulazni dio DC-DC pretvornika uključiti ispravljački sklop (npr. punovalni ispravljač) sa što manjim padom napona i gubitcima (npr. Schottky diode i sl.) kako bi DC-DC pretvornik mogao raditi sa što manjim ulaznim naponima na krajevima zavojnice (9). Broj zavoja i dimenzija zavojnice mogu biti to manji što je manji napon potreban za rad sklopa za napajanje (10), tj. broj zavoja i dimenzija zavojnice ovise o potrebnom naponu za rad navedenog sklopa (10).

Klasična induktivna telemetrija zahtijeva razmjerno velike zavojnice za prijenos energije jer je potrebno kroz zračni raspor relativno visokog magnetskog otpora i uz rasipne induktivitete zbog metalnih dijelova mehaničkog sustava prebaciti dovoljnu količinu energiju i osigurati razmjerno visoke napone za stabilizatore napona, što je pogotovo teško u slučaju zavojnica malene površine koje se pod utjecajem magnetskog polja nalaze u kratkom vremenskom periodu kao u izvedbi koju predlaže predmetni izum.

U slučajevima kada je vršna vrijednost napona induciranog na krajevima zavojnice za prikupljanje energije iz magnetskog polja (9) vrlo malena i nedovoljna za rad DC-DC pretvornika u opisanoj konfiguraciji zbog vrlo malih dimenzija prijemne zavojnice (9), izmjenični napon na ulazu u ispravljač u ulaznom dijelu DC-DC pretvornika (12) (stabilizator s prekidanjem struje) može se povećati korištenjem malog kompaktnog transformatora (13) (npr. u tehnici površinske montaže, engl. surface mount technology - SMT), kao što je prikazano na slici 5, a bez bitnog utjecaja na dimenziju mjernog modula (3). Na taj način omogućeno je povećanje amplitude izmjeničnog napona reda veličine desetaka milivolta ili više na dovoljnu razinu neophodnu za ispravan rad DC-DC pretvornika.

Koncept prikazan na slici 5 može se primijeniti i u slučajevima kada je napon induciran na krajevima zavojnice (9) potrebno dovesti na razmjerno visoke vrijednosti ulaznog napona u DC-DC pretvornik kada se koriste DC-DC pretvornici koji nisu optimirani za energy harvesting primjene i rad s izrazito malim ulaznim naponima, a bez potrebe za bitnim povećanjem broja zavoja i dimenzije zavojnice (9) (npr. kada su potrebni ulazni naponi u DC-DC pretvornik reda veličine volta). Dva su tipična slučaja u kojima je prikladno koristiti DC-DC pretvornike bez spomenutih optimizacija za rad s izrazito malim naponima i energy harvesting primjene: slučajevi kada se radi u proširenom temperaturnom rasponu (npr. do 200 °C radne temperature okoline) ili kada je potrebno postići minimalnu cijenu sustava. U prvom slučaju problem može nastati u dostupnosti komponenti jer se vrlo mali broj komponenti izvodi u proširenom temperaturnom rasponu i svega nekoliko modela DC-DC pretvornika trenutno je dostupno na tržištu u takvom temperaturnom rasponu, od kojih trenutno niti jedan nije optimiran za energy harvesting primjene. Nadalje, DC-DC pretvornici optimirani za energy harvesting primjene skuplji su od običnih DC-DC pretvornika pa je ovakvim pristupom moguće pojeftiniti proizvodnu cijenu sustava u slučajevima kada je to važno.

Kao izvor magnetskog polja u modulu (4) na primarnoj strani sustava za napajanje modula (3) na rotirajućoj strani mogu se koristiti ili izvori vremenski nepromjenjivog ili vremenski promjenjivog magnetskog polja. Kao izvor vremenski nepromjenjivog magnetskog polja može se koristiti permanentni magnet ili elektromagnet (bez jezgre, odnosno s feromagnetskom jezgrom) kroz čije namotaje teče istosmjerna struja. Kao izvor vremenski promjenjivog magnetskog polja može se koristiti elektromagnet (bez jezgre, odnosno s feromagnetskom ili feritnom jezgrom) kroz čije namotaje teče izmjenična struja.

Kod istosmjerne magnetske pobude prilikom rotacije mehaničke komponente (1) dolazi periodički do promjene magnetskog toka kroz zavojnicu za prikupljanje energije (9), što inducira napon na njezinim krajevima koji se može koristiti za prikupljanje energije za napajanje modula (3). Ovakva izvedba jednostavna je i jeftina, a u slučaju korištenja permanentnih magneta ne zahtijeva aktivnu pobudu na stacionarnoj strani u modulu (4). Impuls energije dobiven uslijed promjene magnetskog toka kroz zavojnicu (9) prikuplja se putem sklopa za napajanje (10) i može se pohraniti na elementu za pohranu energije (11) (npr. superkondenzator ili obični kondenzator). S obzirom da se u jednom prolazu prikuplja jako malena količina energije, tipično će biti potreban određeni broj prolazaka zavojnice (9) kroz magnetsko pobudno polje tako da se na izlazu pretvornika (10) pojavi nazivni napon napajanja. Energija prikupljena magnetskim poljem pohranjuje se na kondenzatoru (11), putem kojeg se napaja sklopovlje izrazito niske potrošnje nazivnim naponom napajanja za vrijeme dok moduli (3) i (4) nisu u bliskom kontaktu, odnosno međusobno u neposrednoj blizini. Prednost pristupa napajanja modula (3) iz vremenski nepromjenjivog magnetskog polja je u jednostavnosti, pouzdanosti i robusnosti implementacije jer je moguće jakim permanentnim magnetima (npr. neodimijskim) postići dovoljno jako magnetsko polje što povećava ukupnu pouzdanost sustava (jer nema dodatnog sklopa za napajanje radi generiranja magnetskog polja na stacionarnoj strani) i smanjuje potrošnju sustava na stacionarnoj strani.

Kao izvor vremenski promjenjivog magnetskog polja u stacionarnom modulu (4) može se koristiti elektromagnet kroz čije namotaje teče izmjenična struja. Koeficijent magnetskog vezanja između primarne i sekundarne zavojnice može se povećati korištenjem feritne jezgre, koja je bolji odabir od željezne jezgre kada se radi na višim frekvencijama. Korištenje izmjeničnog magnetskog polja za napajanje modula (3) na rotirajućoj strani sustava ima više prednosti: promjena magnetskog toka u polju obuhvaćenom zavojima zavojnice (9) postiže se neovisno o rotaciji, moguće je postići značajno veću promjenu magnetskog toka i više inducirane napone, dovođenjem primarnog i sekundarnog kruga za prijenos energije induktivnom spregom u rezonanciju može maksimizirati količina energije prenesena na rotirajući modul, za dovoljno visoku frekvenciju pobude (tj. kada je perioda pobudne struje primarnih zavoja puno kraća od vremena proleta u kojem su moduli (3) i (4) blizu jedan drugoga) na sekundarnoj strani može se efikasno iskoristiti transformator (13) za povećanje ulaznog napona u DC-DC pretvornik bez obzira na radni omjer tijekom jedne rotacije u kojem postoji aktivna induktivna sprega, frekvencija pobude može se odabrati tako da ne upada u područje blisko FM moduliranom signalu za telemetrijski prijenos signala koji sadrži informacije o izmjerenoj temperaturi itd. Nedostatak izmjenične pobude koja stvara magnetsko polje za napajanje modula (3) induktivnom spregom predstavlja potrebu za dodatnim sklopovljem za napajanje pobudne zavojnice u modulu (4), što povećava cijenu sustava i zbog povećanja složenosti rješenja smanjuje pouzdanost.

Shematski koncept elektroničkog modula (4) na stacionarnoj strani sustava prikazan je na slici 6. Modul (4) sastoji se od para elektroda za prijem signala kapacitivnom spregom (14), elektroničkog sklopa za analognu obradu signala s prijemnih elektroda (15) (npr. diferencijalno pojačalo), sklopa za daljnju analognu i digitalnu obradu mjernih signala (16), sklopa za slanje informacije o izmjerenoj temperaturi prema vanjskim sustavima putem jednog ili više analognih i/ili digitalnih komunikacijskih sučelja (17) i magnetske pobude (18) za napajanje modula (3), koja može biti izvedena korištenjem permanentnog magneta ili elektromagneta bilo s istosmjernom bilo s izmjeničnom pobudom.

Frekvencijski modulirani signal, koji sadrži informaciju o temperaturi, prenosi se s odašiljačkog modula diferencijalnom kapacitivnom spregom između parova elektroda (8) na odašiljačkom modulu (3) i parova elektroda (14) na stacionarnom modulu (4). Relativni smještaj elektroda (8) i (14) mora biti takav da prilikom prolaska modula (3) pokraj modula (4) za vrijeme rotacije mehaničke komponente (1) svaka od elektroda prolazi približno iznad odgovarajuće elektrode na suprotnoj strani.

Primjer poželjnog rasporeda parova elektroda (8) i (14) prikazan je na slici 7. U gornjem dijelu slike 7 prikazan je poprečni presjek smještaja modula (3) ugrađenog na rotirajuću komponentu (1) s dvije elektrode (8) u trenutku prolaska pokraj stacionarnog modula (4) ugrađenog na stacionarni mehanički dio sustava (5), pri čemu je ostvaren takav raspored da su parovi elektroda (8) i (14) u kratkom vremenskom periodu u prostoru blisko preklopljeni, odnosno u međusobno paralelnom položaju. U donjem dijelu slike 7 prikazan je pogled odozgo na izdvojeni dio sustava gdje se vidi primjer geometrije para elektroda (8), a par elektroda (14) slijedi isti raspored (na donjem dijelu slike 7 nije ucrtan stacionarni modul (4) zbog preklapanja). U vremenskom periodu u kojem je modul (3) neposredno iznad modula (4) i u bliskom kontaktu (koji za visoke brzine vrtnje može trajati od oko nekoliko desetaka do nekoliko stotina mikrosekundi na više) formira se kapacitivna sprega između prikazanih parova elektroda, koja se može modelirati kapacitetima C11, C12, C21 i C22, kako je ucrtano na slici 7. Za prijenos signala interesantne su komponente C11 i C22, gdje se diferencijalni signal s parova elektroda (8) modula (3) prenosi na odgovarajuće elektrode (14) na modul (4) kroz vezne kapacitete C11 i C22, što za posljedicu ima pojavu diferencijalnog napona na elektrodama (14), koji prati diferencijalni napon na odašiljačkim elektrodama (8). Diferencijalni napon na elektrodama (14) predstavlja korisni primljeni signal, koji je atenuiran za iznos gušenja prijenosnog kapacitivnog kanala. Neželjene parazitne kapacitivne sprege C12 i C21 uzrokuju pojavu smetnje, koja je u ovakvoj konfiguraciji značajno manja od komponente primljenog korisnog signala iz razloga što su u prikazanoj geometriji iznosi kapaciteta C11 i C22 bitno veći od parazitnih kapaciteta C12 i C21. Diferencijalni napon primljen na paru elektroda (14) obrađuje se sklopom za prijam signala (15) (prikazan na slici 6), koji se može izvesti u obliku diferencijalnog pojačala kako bi se maksimalno pojačala korisna diferencijalna komponenta primljenog signala prije daljnje obrade i potisnula istofazna smetnja. Takvim načinom prijenosa i obrade primljenog signala ujedno se umanjuje i utjecaj istofaznih naponskih smetnji, koje se mogu pojaviti na paru prijemnih elektroda (14) s relativno udaljenih izvora smetnji. Važno je istaknuti da je dodatna prednost diferencijalnog kapacitivnog prijenosa signala u primjeni na rotirajuće mehaničke komponente to što se odašiljački i prijemni elektronički modul ne moraju električki referirati prema istoj referentnoj točki (masi električnog kruga) jer električna veza između rotacijske mehaničke komponente (1) i stacionarne strane sustava (5) može biti loša, bez obzira što su i rotirajuća komponenta i stacionarna strana sustava izvedeni tipično od metala (npr. utjecaj prijelaznih otpora ležajeva rotacijske komponente, maziva i sl.). Opisane karakteristike i prednosti ne mogu se postići običnom kapacitivnom spregom koja ulazne signale ne promatra diferencijalno.

Nakon prijema i pojačanja signala, analogno obrađeni signal sa sklopa (15) šalje se u sklop za obradu mjernih signala (16). U tom sklopu određuje se frekvencija primljenog signala, pretvara navedena frekvencija u informaciju o vrijednosti temperature i putem sklopa za povezivanje prema vanjskim sustavima (17) odašilje se informacija o vrijednosti temperature u analognom ili digitalnom obliku. Tipični primjeri sklopova za obradu mjernih signala i informacija (16) su mikrokontroler i procesor za obradu signala (digital signal processor, DSP), koji mogu poslužiti za mjerenje frekvencije i za slanje informacije prema vanjskim sustavima putem sučelja (17), ovisnih o primjeni u kojoj se sustav koristi.

Prilikom određivanja najbolje pozicije zavojnice (9) za prikupljanje energije iz magnetskog polja u modulu (3) zbog važnosti načina na koji se zatvaraju silnice magnetskog polja potrebno je voditi računa o njezinom relativnom smještaju u odnosu na izvor magnetskog polja (18) u modulu (4) smještenom na stacionarnom dijelu mehaničkog sustava (5). Na slici 8 prikazan je predloženi najpoželjniji način smještaja zavojnice (9) u odnosu na izvor magnetskog polja (18). Prikazan je primjer korištenja permanentnog magneta kao izvora vremenski nepromjenjivog magnetskog polja (18), ali ista razmatranja vrijede i kada se koriste elektromagnet i vremenski promjenjivo magnetsko polje, s obzirom da se odnose na način kako se zatvaraju silnice magnetskog polja. Na slici 8 je prikazan poprečni presjek sustava u trenutku kada se prilikom rotacije moduli (3) i (4) nađu u neposredno bliskom i međusobno paralelnom položaju i kada je magnetska sprega između njih najsnažnija. Okomita os izvora magnetskog polja (18) prolazi neposredno uz unutarnji rub zavojnice (9) kako bi se silnice magnetskog polja koje uđu kroz površinu omeđenu zavojnicom zatvorile izvan nje, jer u suprotnom neće doći do induciranja napona jer će ukupni magnetski tok biti približno jednak nuli. Točan položaj gdje je najbolje smjestiti izvor magnetskog polja (18) u odnosu na položaj prijemne zavojnice (9) ovisi o izvedbi, ali je važno voditi računa da se silnice ne zatvaraju povratno kroz površinu omeđenu zavojnicom (9), niti da se silnice u potpunosti zatvaraju izvan površine omeđene zavojnicom iz istog razloga. Na slici 8 također je prikazan smještaj parova kapacitivnih elektroda (8) i (14) u odnosu na zavojnicu (9) i izvor magnetskog polja (18). Može se uočiti da je elektrode moguće smjestiti na isto mjesto gdje i zavojnicu (9) i izvor magnetskog polja (18) jer se podsustavi za prijenos energije i signala međusobno ne ometaju, a to je važno radi kompaktnosti izvedbe i uštede prostora.

U određenim primjenama potrebno je mjeriti temperaturu u više od jedne ispitne točke. Prethodno izloženi način izvođenja izuma, u kojem otpornički temperaturni senzor modulira frekvenciju FM modulatora koja se prenosi na stacionarnu stranu sustava diferencijalnom kapacitivnom spregom, ne može se izravno primijeniti na višekanalni slučaj jer se modulira i prenosi samo jedna frekvencija koja odgovara samo jednom temperaturnom senzoru. Za slučajeve kada je potrebno temperaturu mjeriti u više točaka višekanalno ne dolazi do značajne promjene u dimenzijama mjernog modula (3), a što je u nastavku opisano.

Na slici 9 prikazan je modificirani mjerni modul (3) za višekanalno mjerenje temperature koji predstavlja nadogradnju koncepta izloženog na slici 4 za jednokanalni slučaj. Najmanje jedan temperaturni senzor (2) spaja se na zasebni FM modulator (6) gdje se svakom zasebnom modulatoru (6), koji svaki modulator (6) ima kanal1-n, dodjeljuje zasebna centralna referentna frekvencija f1-n. Zasebna centralna referentna frekvencija f1-n svakog kanala1-n odabire se tako da za maksimalno odstupanje frekvencije mjernog kanala od centralne frekvencije uslijed promjene temperature u cijelom mjernom temperaturnom opsegu ne dolazi do preklapanja frekvencija između susjednih kanala. Izlazi iz svakog od modulatora (6) vode se na ulaze multipleksora (19), a vremenski sklop (20), povezan s multipleksorom (19), u vremenskom odsječku Tk odabire jedan od kanala1-n čiji se FM modulirani signal prosljeđuje prema izlaznom pogonskom sklopu (7), koji upravlja elektrodama za diferencijalno slanje signala kapacitivnom spregom (8). Na opisani način postignut je multipleks u vremenskoj domeni u kojem se u vremenskim odsječcima Tk definiranim vremenskim sklopom (20) šalju frekvencije koje odgovaraju pojedinim kanalima1-n za mjerenje temperature pomoću temperaturnih senzora1-n (2). Na taj način postiže se da se u svakom trenutku prijenosni medij za slanje informacija moduliranim električnim poljem koristi za slanje vrijednosti mjerne informacije dobivene od samo jednog kanala, nakon čega se slijedno/sukcesivno šalju informacije o vrijednosti mjerne informacije o očitanjima drugih kanala, pri čemu u svakom vremenskom odsječku Tk prijemnik (4) može odrediti o kojem od kanala1-n se radi ako zna koja je centralna referentna frekvencija1-n pridijeljena svakom pojedinom kanalu1-n i koliko je maksimalno odstupanje frekvencije od centralne za svaki pojedini kanal1-n. Multipleksor (19) može se realizirati kao analogni ili digitalni s obzirom da se FM modulirani signal može propustiti kroz multipleksore oba tipa. Vremenski sklop (20) može se realizirati jednostavnim digitalnim sklopovima (astabilni multivibrator, brojila, logička vrata i sl.) i postići vrlo nisku potrošnju u načinu rada kontinuiranog brojanja. Ostali dijelovi modula (3) isti su kao u jednokanalnoj varijanti opisanoj na slici 4.

Moguća je i alternativna izvedba modula (3) prikazanog na slici 9 na način da se temperaturni senzori (2) umjesto na modulatore (6) u svakom kanalu spoje izravno na ulaze multipleksora (19), čiji se izlaz spaja na samo jedan modulator (6). Uvjet je da se u tom slučaju obavezno koristi analogni multipleksor, koji minimalno utječe na otpor RTD senzora (2) kojeg se vidi na izlazu iz analognog multipleksora, a uz pretpostavku da je otpor sklopke odabranog multipleksora dovoljno malen u odnosu na otpor senzora. U toj konfiguraciji može se spojiti samo jedan modulator (6) između izlaza analognog multipleksora i ulaza u diferencijalni pogonski sklop (7). Analogni multipleksor (19) pod kontrolom vremenskog sklopa (20) prespaja periodički RTD senzore (2) sa svakog kanala1-n na ulaz modulatora (6) preko malenog otpora, čime se u svakom trenutku dobiva nadomjesna shema kakva je prikazana u slučaju jednokanalne izvedbe na slici 4. Prednost opisane alternativne izvedbe je u korištenju samo jednog modulatora čime se štedi prostor na tiskanoj pločici, a nedostatak su prijelazne pojave u modulatoru prilikom prespajanja pojedinih kanala jer je potrebno određeno vrijeme da frekvencija na izlazu iz modulatora postane stabilna unutar granica točnosti nakon što se prespoji RTD s drugačijim iznosom otpora koji odgovara temperaturi u drugoj ispitnoj točki. To može otežati interpretaciju i rekonstrukciju mjernih vrijednosti na prijemnoj strani u modulu (4), dok kod izvorne izvedbe prikazane slikom 9 neće doći do problema s prijelaznim pojavama jer su izlazi iz modulatora (6) stabilni na svakom kanalu i prespajaju se putem sklopke (19) praktički trenutačno, bez duljih prijelaznih pojava. Modulatori (6) u diskretnoj izvedbi mogu povećati površinu tiskane pločice ako ih se koristi više, ali ih je načelno moguće izvesti na jednom aplikacijski-specifičnom integriranom sklopu (ASIC) ako se pokaže potreba za dodatnom uštedom prostora.

Na slici 10 prikazan je valni oblik signala koji koristi vremenski multipleks frekvencijski moduliranog signala prema konceptu modula (3) za višekanalno mjerenje temperature prikazano na slici 9.

U gornjem dijelu slike 10 prikazan je primjer vremenskog multipleksa FM signala npr. za slučaj četiri kanala1-4. Vremenski sklop (20) definira trajanje vremenskog odsječka Tk unutar kojeg se putem multipleksora (19) odabire kanal1-4 s kojeg će se slati informacija na stacionarni modul (4). Za vrijeme trajanja vremenskog odsječka Tk frekvencija je približno konstantna i odgovara nepreklapajućem rasponu frekvencija definiranom za pojedini kanal1-4. Na prijemnoj strani se može na temelju trenutno izmjerene frekvencije1-4 odrediti o kojem se kanalu1-4 radi i koja je izmjerena temperatura na kanalu1-4. U trenutku kada vremenski sklop (20) preko multipleksora (19) odabere izlaz modulatora sa sljedećeg kanala1-4, na izlazu se automatski pojavljuje nova frekvencija f1-4 koja se odmah prenosi prema stacionarnom modulu (4) na obradu i dekodiranje. Na slici se može vidjeti da se signal šalje kontinuirano, a vremenski sklop (20) upravlja trenutcima kada će doći do promjene kanala koji se šalje prema prijemnom modulu.

U donjem dijelu slike 10 prikazani su vremenski odnosi za vremenski multipleksirani FM signal kod višekanalnog mjerenja temperature koji se odnose na trajanje vremenskih odsječaka Tk koji pripadaju pojedinim kanalima1-4 i vremenske intervale Tmj u kojima prijemni modul (4) prima signal u kratkom periodu za vrijeme rotacije kada su moduli (3) i (4) vrlo blizu jedan drugoga i kada između njih postoji kapacitivna sprega. Primjer na slici 10 odnosi se na četverokanalno mjerenje temperature, gdje se frekvencija f1-4 koja se odnosi na svaki kanal1-4 odašilje u vremenskom prozoru trajanja Tk. Vrijeme potrebno za jedan puni okret rotirajuće mehaničke komponente (1) iznosi Tp, a vrijeme za koje postoji kapacitivna sprega između modula (3) i (4) dok se nalaze za vrijeme jednog perioda rotacije blizu jedan drugog iznosi Tmj. Na slici 10 vremenski prozor Tmj za vrijeme kojeg prijemnik (4) prima informaciju s mjernog modula (3) označen je crtkanim pravokutnikom. Pri visokim brzinama vrtnje period Tp može iznositi primjerice 10 ms, a vrijeme Tmj reda veličine 100 μs. Vremenski prozor Tmj u kojem prijemnik (4) mjeri frekvenciju nije sinkroniziran s promjenom kanala na odašiljačkom modulu (3). U prvom vremenskom prozoru Tmj u donjem dijelu slike 10 prijemni modul (4) izmjerit će frekvencije f1 i f2. Zadaća je prijemnog modula (4) da obradom signala zaključi da se radi o temperaturama s kanala1 i kanala2 te da izračuna vrijednosti temperatura na temelju izmjerenih frekvencija f1 i f2. U sljedećem vremenskom odsječku Tmj u prikazanom primjeru, koji nastupa nakon jedne pune rotacije i vremena Tp, prijemnik će u vremenskom prozoru izmjeriti frekvenciju f3 i zaključiti obradom signala da se radi o temperaturi s kanala3. U prikazanom primjeru za vrijeme jedne rotacije prijemnik neće primiti informaciju o frekvenciji f4. Međutim, već nakon nekoliko rotacija velika je vjerojatnost da će prijemnik primiti frekvencije sa svih kanala i da će vremenski odsječci Tmj nastupiti u takvim trenutcima da će se barem jednom u nekoliko sekundi dobiti informacija sa svakog od kanala1-4. Uzme li se u obzir razmjerno visoka brzina vrtnje u praktičnim primjenama (nekoliko stotina do nekoliko tisuća okretaja u minuti), očigledno je da je vjerojatnost da se u periodu od nekoliko sekundi neće primiti barem jedan podatak o frekvenciji sa svakog od kanala1-4 vrlo mala. To bi se dogodilo samo uz uvjet da je brzina vrtnje mehaničkog modula (1) savršeno usklađena s periodom promjene kanala u vremenskom multipleksu na modulu (3), da su trenuci u kojima se počinje mjeriti frekvencija na modulu (4) savršeno sinkronizirani s rotacijom komponente (1) i da se uvijek za isti kanal1-4 obavlja mjerenje frekvencije na prijemnom modulu (4). Vjerojatnost takve situacije može se još dodatno umanjiti na način da se u digitalni vremenski sklop (20) uvede generiranje pseudo slučajne sekvence koja će na slučajan način mijenjati kanale1-4 ili varirati trajanje odašiljanja frekvencije1-4 svakog mjernog kanala1-4. Za razliku od klasične telemetrije, kada je bitno prenijeti svaki uzorak bez gubitka informacije, u ovom slučaju je važno dobiti barem jedno očitanje temperature svakih nekoliko sekundi jer je temperatura razmjerno sporo promjenjiva veličina u predmetnim primjenama, s obzirom na relativno velike vremenske konstante povezane s toplinskim kapacitetom objekata čija se temperatura prati. Valja napomenuti da u slučaju kada je brzina rotacije razmjerno mala moguće je da se unutar trajanja jednog vremenskog prozora Tmj izmjere frekvencije1-4 za sve kanale1-4 pa situacija prikazana slikom 10 predstavlja najnepovoljniji slučaj. Algoritmi obrade signala na prijemnom modulu (4) moraju voditi računa o tome da procijene intervale u kojima je frekvencija primljenog signala približno konstantna, da točno izmjere tu frekvenciju, odrede kojem kanalu1-4 svaka izmjerena frekvencija1-4 pripada i odrede vrijednosti temperature1-4 u ispitnim točkama svakog kanala1-4 na temelju izmjerenih frekvencija1-4.

Na slici 11 prikazan je modificirani mjerni modul (3) za višekanalno mjerenje temperature koji predstavlja nadogradnju koncepta izloženog na slici 4 za jednokanalni slučaj, a koji koristi multipleks FM moduliranog signala svakog kanala u frekvencijskoj domeni, za razliku od ranije opisane varijante prikazane na slici 9 koja koristi multipleks FM moduliranog signala u vremenskoj domeni. Koncept višekanalnog sustava prikazanog na slici 11 sličan je konceptu prikazanom na slici 9, ali uz bitnu razliku načina na koji se obavlja multipleksiranje mjernog signala. Svaki temperaturni senzor1-n (2) spaja se na zasebni FM modulator1-n (6), a modulatorima svakog kanala1-n dodjeljuje se zasebna centralna referentna frekvencija tako da za maksimalno odstupanje frekvencije1-n mjernog kanala od centralne frekvencije uslijed promjene temperature u cijelom mjernom temperaturnom opsegu ne dolazi do preklapanja frekvencija1-n između susjednih kanala1-n, kako je opisano i za izvedbu na slici 9. Izlazi iz svih modulatora1-n (6) u ovoj izvedbi dovode se na ulaze analognog sumatora (21), u kojem se zbrajaju doprinosi svih kanala1-n koji odgovaraju frekvencijama1-n ovisnim o temperaturi1-n mjerenoj na svakoj od mjernih točaka1-n. Izlaz iz analognog sumatora (21) sadrži sve frekvencijske komponente1-n koje odgovaraju doprinosima svih kanala1-n i koje su kombinirane u jedan signal koji se kontinuirano šalje. Za učinkovito slanje takvog signala diferencijalnom kapacitivnom spregom, s obzirom na valni oblik signala i sadržaj više frekvencijskih komponenti, pogodno je signal prilagoditi putem analognog pretvornika asimetričnog u simetrični (diferencijalni) signal (engl. Single-Ended-to-Differential Converter) (7) i izlaz tog sklopa dovesti na par odašiljačkih elektroda (8). U ovom slučaju u valnom obliku signala koji se prenosi sadržane su sve frekvencijske komponente1-n svih mjernih kanala istodobno. Na opisani način postignut je multipleks u frekvencijskoj domeni jer je doprinos svakog kanala1-n kodiran frekvencijom koja se obradom signala može izdvojiti u modulu (4). Kao i kod vremenskog multipleksa opisanog uz izvedbu na slici 9, potrebno je osigurati da se frekvencije susjednih kanala1-n ne preklapaju za maksimalnu promjenu mjerne temperature preko cijelog mjernog temperaturnog raspona. Ostali dijelovi modula (3) isti su kao u jednokanalnoj varijanti opisanoj na slici 4.

Signal poslan s modula (3) prikazanog na slici 11 prihvaća se i obrađuje u prijemnom modulu (4). Metodama digitalne obrade signala, poput brze Fourierove transformacije (engl. Fast Fourier Transform, FFT), moguće je razdvojiti spektralne linije koje odgovaraju svakom kanalu1-n pridruženom za mjerenje temperature1-n i iz detektiranih frekvencija1-n odrediti temperaturu izmjerenu na svakoj mjernoj točki1-n. Drugi primjer mogućnosti digitalne obrade signala je da se primljeni signal propusti kroz digitalne pojasno propusne filtre koji odgovaraju frekvencijama kanala1-n za mjerenje temperature1-n, a onda se algoritmima izdvajanja dominantne frekvencije određuje temperatura na svakom kanalu1-n. Moguće je primijeniti i druge metode detekcije i izdvajanja frekvencija korištenjem digitalne obrade signala. Prednosti izvedbe prikazane na slici 11 u odnosu na vremenski multipleks prikazan na slici 9 je nešto jednostavnije sklopovlje u mjernom modulu (3) te izbjegavanje potrebe za slanjem posebnih vremenskih odsječaka za svaki kanal1-n i njihovo izdvajanje obradom signala iz nekoliko rotacija zbog kratkog vremena proleta Tmj kada su moduli (3) i (4) blizu jedan drugoga. Nedostatak ove metode su značajno viši zahtjevi na procesorsku snagu sklopa za obradu mjernih signala i informacija (16) u modulu (4), jer se u tim uvjetima tipično zahtijeva da se umjesto običnog mikrokontrolera koristi procesor za obradu signala (engl. Digital Signal Processor, DSP), snažniji mikrokontroler ili programabilna logika (npr. FPGA), što može utjecati na višu cijenu sustava i potrošnju modula (4) na stacionarnoj strani sustava.

Predmetni izum opisuje uređaj za mjerenje temperature ili drugih fizikalnih veličina na rotacijskom sklopu suhe spojke. Uređaj omogućuje mjerenje temperature u jednoj ili više ispitnih točaka rotacijskog sklopa s visokom točnošću, uz beskontaktni prijenos mjerne informacije bliskim električnim poljem između rotirajućeg i statorskog dijela mjernog sustava. Mjerni modul na rotirajućoj strani sustava omogućuje mjerenje visokih radnih temperatura rotirajuće komponente spojke korištenjem otporničkih senzora, koji mjerni modul ima dimenzije koje zanemarivo utječu na konstrukciju i balans rotirajućih dijelova spojke. Minimalno zauzeće prostora i masa mjernog modula postižu se konceptom koji omogućuje rad sklopa s izrazito niskom potrošnjom, što omogućuje značajnu minijaturizaciju elemenata podsustava za prijenos energije, ponajprije zavojnice za prikupljanje energije iz magnetskog polja. Izrazito niska potrošnja postiže se korištenjem otporničkih temperaturnih senzora, modulatorom signala vrlo niske potrošnje, diferencijalnim kapacitivnim prijenosom signala i sklopom za napajanje koji omogućuje rad s vrlo niskim ulaznim naponima induciranim na zavojnici za prikupljanje energije iz magnetskog polja.

Predmetni izum je prikazan i opisan za poželjni način izvođenja koji se odnosi na mjerenje temperature na rotacijskom sklopu suhe spojke, međutim moguće je izvesti različite modifikacije unutar duha i opsega ovog izuma.

Claims (19)

1. Uređaj za mjerenje temperature ili drugih fizikalnih veličina gdje se prijenos signala i energije između rotirajućeg mehaničkog elementa (1) i stacionarnog dijela (5) ostvaruje beskontaktnim prijenosom, gdje se beskontaktni prijenos signala odvija kapacitivnom spregom, a beskontaktni prijenos energije induktivnom spregom, koji uređaj sadrži: elektronički mjerni modul (3) smješten na rotirajućem elementu (1), koji mjerni modul (3) je prilagođen za obradu signala s jednog ili više temperaturnih senzora1-n (2) ugrađenih na rotirajućem elementu (1) koji temperaturni senzori1-n (2) su žičano spojeni s elektroničkim mjernim modulom (3); i stacionarni elektronički prijamni modul (4) ugrađen na stacionarnom dijelu (5) u odnosu na kojeg rotira element (1); gdje mjerni modul (3) sadrži par odašiljačkih elektroda (8) prilagođenih za diferencijalni kapacitivni prijenos signala, gdje stacionarni elektronički modul (4) sadrži par prijemnih kapacitivnih elektroda (14) prilagođenih za prijem diferencijalnog kapacitivnog signala od elektroda (8) u vremenskom intervalu Tmj u kojem su mjerni moduli (3) i (4) u međusobnoj kapacitivnoj sprezi; naznačen time da je elektronički mjerni modul (3) smješten na dijelu površine rotirajućeg elementa (1) koji navedeni dio površine u radnim uvjetima postiže najniže temperature i koji elektronički modul (3) ima dimenzije koje ne ometaju funkciju rotirajućeg elementa (1); koji elektronički modul (3) sadrži: - jedan ili više FM modulatora (6); diferencijalni pogonski sklop (7) koji upravlja elektrodama (8) za diferencijalni prijenos signala kapacitivnom spregom; - jednu ili više zavojnica (9) za prikupljanje energije za napajanje mjernog modula (3) putem generiranog magnetskog polja od strane stacionarnog elektroničkog modula (4), pri čemu su navedene zavojnice (9) ugrađene neposredno ispod odašiljačkih elektroda (8); - sklop (10) za napajanje sklopovlja mjernog modula (3); i - kondenzator (11) koji osigurava napajanje za vrijeme dok elektronički mjerni modul (3) i stacionarni elektronički prijamni modul (4) nisu u međusobnoj magnetskoj sprezi.

2. Uređaj prema zahtjevu 1, naznačen time da elektronički mjerni modul (3) ima površinu u rasponu od 1 cm2 do najviše 20 cm2, a visinu u rasponu od 5 do 20 mm.

3. Uređaj prema zahtjevu 1, naznačen time da se prijenos signala odvija diferencijalnom kapacitivnom spregom pomoću parova elektroda (8) i (14) između kojih se pojavljuje kapacitet C11 i C22 kada su moduli (3) i (4) u međusobnoj kapacitivnoj sprezi, pri čemu se par elektroda (8) pobuđuje diferencijalnim signalom koji sadrži mjernu informaciju, koji se prenosi na prijemnu stranu putem kapacitivne mreže određene kapacitetima C11 i C22, a na prijemnoj strani se primljeni diferencijalni signal detektira na odgovarajućem paru elektroda (14).

4. Uređaj prema zahtjevima 1-3, naznačen time da se svaki izlaz FM modulatora (6) dovodi na ulaze ili multipleksora (19) ili analognog sumatora (21).

5. Uređaj prema zahtjevu 4, naznačen time da je vremenski sklop (20) povezan s multipleksorom (19), koji multipleksor (19) u vremenskom odsječku TK odabire jedan od kanala1-n čiji se modulirani signal u odabranom vremenskom odsječku trajanja Tk prosljeđuje na sklop (7).

6. Uređaj prema zahtjevu 4, naznačen time da se izlazi iz više modulatora (6) dovode na ulaze analognog sumatora (21), gdje se signal spektra koji sadrži doprinose svih frekvencijskih komponenti svakog od modulatora (6) prosljeđuje bez multipleksiranja u vremenu na sklop (7).

7. Uređaj prema zahtjevima 4, 5 i 6, naznačen time da svaki od FM modulatora (6) ima kanal1-n kojem se dodjeljuje zasebna centralna referentna frekvencija f1-n.

8. Uređaj prema zahtjevu 5, naznačen time da se prema izlaznom pogonskom sklopu (7) slijedno šalju informacije o vrijednosti mjerne informacije o očitanjima svih kanala kodirane frekvencijama f1-n, pri čemu u svakom vremenskom odsječku Tk prijemnik (4) može odrediti o kojem od kanala1-n se radi ako zna koja je centralna referentna frekvencija f1-n pridijeljena svakom pojedinom kanalu1-n i koliko je maksimalno odstupanje frekvencije od centralne za svaki pojedini kanal1n.

9. Uređaj prema zahtjevu 6, naznačen time da se izlazi iz svakog od modulatora (6) dovode na ulaze analognog sumatora (21), u kojem sumatoru (21) se zbrajaju doprinosi iz kanala1-n koji odgovaraju frekvencijama f1-n koje su zavisne o temperaturi1-n, gdje izlaz iz analognog sumatora (21) sadrži sve frekvencijske komponente f1-n svih kanala1-n koje navedene frekvencijske komponente f1-n su kombinirane u jedan signal koji se kontinuirano šalje prema sklopu (7).

10. Uređaj prema svim prethodnim zahtjevima, naznačen time da sklop (7) obavlja pretvorbu asimetričnog signala u diferencijalni signal, te svojim izlaznim diferencijalnim naponom upravlja parom elektroda (8).

11. Uređaj prema svim prethodnim zahtjevima, naznačen time da stacionarni elektronički prijamni modul (4) sadrži jedan ili više izvora magnetskog polja (18) za beskontaktno napajanje rotirajućeg mjernog modula (3); elektronički sklop (15) za analognu obradu signala primljenog diferencijalnom kapacitivnom spregom; sklop (16) za analognu i/ili digitalnu obradu moduliranog signala i dekodiranje informacije o izmjerenoj temperaturi iz obrađenog signala i sklop (17) za slanje informacije o izmjerenoj temperaturi prema vanjskim sustavima.

12. Uređaj prema svim prethodnim zahtjevima naznačen time da su temperaturni senzori1-n (2) izabrani iz grupe koju čine otpornički temperaturni detektor (RTD), NTC senzor ili kondenzator s temperaturno ovisnim kapacitetom.

13. Uređaj prema svim prethodnim zahtjevima naznačen time da se u stacionarnom elektroničkom prijemnom modulu (4) koristi jedan ili više elektromagneta kao izvor magnetskog polja (18) za napajanje elektroničkog mjernog modula (3), pri čemu se elektromagneti napajaju izmjeničnom pobudom i proizvode izmjenično magnetsko polje za napajanje zavojnica (9).

14. Uređaj prema svim prethodnim zahtjevima naznačen time da se u stacionarnom elektroničkom prijemnom modulu (4) koristi jedan ili više permanentnih magneta ili elektromagneta s istosmjernom pobudom kao izvor istosmjernog magnetskog polja (18) za napajanje elektroničkog mjernog modula (3).

15. Uređaj prema svim prethodnim zahtjevima, naznačen time da sklop (10) za napajanje sklopovlja mjernog modula (3) nadalje sadrži integrirani istosmjerno-istosmjerni pretvornik niske potrošnje (12), koji uključuje i komponente koje služe za pretvaranje izmjeničnog napona sa zavojnica (9) u istosmjerni napon potreban za rad istosmjerno-istosmjernog pretvornika, kojim se napaja sklopovlje mjernog modula (3).

16. Uređaj prema zahtjevu 15, naznačen time da se između zavojnica (9) za prikupljanje energije iz magnetskog polja i sklopa (12) nalazi transformator (13) koji služi za povećavanje vrijednosti napona kada zavojnice (9) ne daju dovoljno visoki napon za rad sklopa (12).

17. Uređaj prema svim prethodnim zahtjevima, naznačen time da su jedan ili više temperaturnih senzora1-n (2) i elektronički mjerni modul (3) ugrađeni na bilo koju rotirajuću komponentu motora koja predstavlja rotirajući mehanički element.

18. Uređaj prema zahtjevu 17, naznačen time da je rotirajući mehanički element disk kočnica.

19. Uređaj prema bilo kojem od prethodnih zahtjeva, naznačen time da se osim temperaturnih senzora1-n (2) ugrađenih u mjernim točkama1-n na rotirajućem mehaničkom elementu (1) ugrađuju senzori koji mjere naprezanja, deformacije i vibracije, ili bilo koja njihova međusobna kombinacija.