DE10304584A1 - Anordnung zur drahtlosen Versorgung eines Systems mit einer Vielzahl Sensoren und/oder Aktoren mit elektrischer Energie - Google Patents

Abstract

Es wird eine Anordnung zur drahtlosen Versorgung eines Systems mit einer Vielzahl Sensoren und/oder Aktoren (4) mit elektrischer Energie vorgeschlagen, mit einer aus mindestens zwei, im wesentlichen parallel zueinander angeordneten Körpern (1, 2, 5, 6, 7) aus elektrisch leitfähigem Material bestehenden Primärelemente-Konfiguration, wobei eine Einspeiseschaltung (3, 8) mit diesen Körpern elektrisch verbunden ist und diese Körper (1, 2, 5, 6, 7) mit einer mittelfrequenten Wechselspannung mit einer Frequenz größer oder gleich 120 kHz beaufschlagt sind, wodurch ein entsprechendes elektrisches Feld erzeugt wird. Des weiteren ist eine aus mindestens zwei, im wesentlichen parallel zueinander angeordneten Körpern (9, 10, 13, 14) aus elektrisch leitfähigem Material bestehende Sekundärelemente-Konfiguration eines jeden Sensor und/oder Aktors (4) vorgesehen, wobei ein Energiewandler (11) elektrisch mit diesen Körpern (9, 10, 13, 14) verbunden ist und die zwischen diesen Körpern aus dem elektrischen Feld erzeugte Wechselspannung in eine Gleichspannung wandelt.

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur drahtlosen Versorgung eines Systems mit einer Vielzahl Sensoren und/oder Aktoren mit elektrischer Energie gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
• Die Erfindung kann beispielsweise bei einem System mit einer Vielzahl drahtloser Sensoren und/oder Aktoren (drahtlos sowohl hinsichtlich Energieversorgung als auch hinsichtlich Kommunikation) verwendet werden, welches in einer Maschine oder Anlage, beispielsweise Industrieroboter, Herstellungsautomat, Fertigungsautomat oder Prozessanlage installiert ist. Als Sensoren bzw. Aktoren können Näherungsschalter/Näherungssensoren, Temperaturmesssensoren, Druckmesssensoren, Strommesssensoren oder Spannungsmesssensoren bzw. mikromechanische, piezoelektrische, elektrochemische, magnetostriktive, elektrostatische oder elektromagnetische Aktoren verwendet werden.
• In der DE 199 26 799 A1 wird ein System für eine eine Vielzahl von drahtlosen Näherungssensoren aufweisende Maschine, insbesondere Fertigungsautomat, vorgeschlagen, wobei
• – jeder Näherungssensor mindestens eine zur Energieaufnahme aus einem mittelfrequenten Magnetfeld geeignete Sekundärwicklung aufweist,
• – wobei mindestens eine von einem mittelfrequenten Oszillator gespeiste, ein Magnetfeld erzeugende Primärwicklung zur drahtlosen Versorgung der Näherungssensoren mit elektrischer Energie vorgesehen ist,
• – und wobei jeder Näherungssensor mit einer Sendeeinrichtung ausgestattet ist, welche interessierende Sensor-Informationen beinhaltende Funksignale an eine zentrale, mit einem Prozessrechner der Maschine verbundene Basisstation abgibt.
• Die erforderliche Primärwicklung umfasst eine relativ große Fläche und besteht vielfach nur aus wenigen Windungen, gegebenenfalls aus einer einzigen Windung. Bei diesem drahtlosen System entfällt im Vergleich zu konventionellen Lösungen mit Draht/Kabelanschluss zur elektrischen Energieversorgung und zur Kommunikation der durch Planung, Material, Installation, Dokumentation und Wartung bedingte relativ hohe Kostenfaktor der Draht/Kabelanschlüsse. Es können keine Ausfälle aufgrund von Kabelbrüchen oder schlechten, beispielsweise korrodierten Kontakten auftreten.
• In der DE 199 26 562 A1 werden ein Verfahren und eine Anordnung zur drahtlosen Versorgung einer Vielzahl Aktoren mit elektrischer Energie, ein Aktor und eine Primärwicklung hierzu sowie ein System für eine eine Vielzahl von Aktoren aufweisende Maschine vorgeschlagen, wobei die vorgeschlagene Technologie bezüglich Energieversorgung und Kommunikation gleichartig der vorstehend für die DE 199 26 799 A1 angegebenen Technologie ist.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine kostengünstige und zuverlässige Anordnung zur drahtlosen Versorgung eines Systems mit einer Vielzahl Sensoren und/oder Aktoren mit elektrischer Energie der eingangs genannten Art anzugeben.
• Diese Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffes erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.
• Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, dass im Vergleich zu konventionellen Lösungen mit Kabelanschluss zur elektrischen Energieversorgung der Sensoren und/oder Aktoren der durch Planung, Material, Installation, Dokumentation und Wartung bedingte relativ hohe Kostenfaktor eines Kabelanschlusses entfällt. Es können keine Ausfälle aufgrund von Kabelbrüchen oder schlechten, beispielsweise korrodierten Kontakten auftreten. Im Vergleich zur Verwendung von Batterien zur Energieversorgung von Sensoren und/oder Aktoren entfällt der Wartungsaufwand und Kostenaufwand, der durch den erforderlichen Austausch von Batterien – zumal an schwer zugänglichen Stellen – bedingt ist.
• Weitere Vorteile sind aus der nachstehenden Beschreibung ersichtlich.
• Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
• Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert. Es zeigen:
• 1, 2a, 2b, 3 unterschiedliche Grundanordnungen der zur Energieversorgung eines Sensors oder Aktors erforderlichen Primärelemente,
• 4, 5, 6 unterschiedliche Ausführungsformen der zur Energieeinspeisung eines Sensors oder Aktors erforderlichen Sekundärelemente.
• Zur drahtlosen Versorgung eines Systems einer Vielzahl von Sensoren und/oder Aktoren 4.1...4.n mit elektrischer Energie wird eine aus mindestens zwei, im wesentlichen parallel zueinander angeordneten Körpern (beispielsweise Platten 1, 2 gemäß 1) mit Oberflächen aus elektrisch leitfähigem Material bestehende Primärelemente-Anordnung vorgeschlagen, wobei eine Einspeiseschaltung 3 mit den Oberflächen beider Körper elektrisch verbunden ist und diese Oberflächen mit einer mittelfrequenten Wechselspannung mit einer Frequenz größer oder gleich 120 kHz beaufschlagt. Das den Körpern zugeführte elektrische Potential ist relativ gering, so dass die auftretenden Berührungsspannungen unterhalb der zulässigen Grenzwerte liegen. Gegebenenfalls sind die elektrisch leitfähigen Oberflächen der Körper zusätzlich mit einem Isoliermaterial beschichtet. Das mit Hilfe dieser Primärelemente produzierte elektrische Feld dient der Energieversorgung der sich zwischen den Primärelementen befindenden Sensoren und/oder Aktoren 4.1...4.n.
• Vorzugsweise ist eine Kompensationsdrossel zwischen Einspeiseschaltung 3 und den als Primärelementen dienenden Körpern geschaltet, so dass sich ein Schwingkreis mit vorgegebener Frequenz bildet. Zweckmäßig ist diese Kompensationsdrossel einstellbar und regelbar, um auch bei veränderten Bedingungen eine Stabilität hinsichtlich der Frequenz des Schwingkreise sicherzustellen. Alternativ kann auch eine feste Induktivität als Kompensationsdrossel Verwendung finden, die zusammen mit einer (hierzu beispielsweise parallel angeordneten) variablen, regelbaren Kapazität arbeitet.
• 1 zeigt eine erste Grundanordnung der Primärelemente mit zwei parallel zueinander angeordneten Platten 1, 2 mit Oberflächen aus elektrisch leitfähigem Material (beispielsweise Kupfer oder Aluminium, vollflächig oder netzförmig, beispielsweise mittels Stahlbetongitter realisiert), wobei eine Einspeiseschaltung 3 mit beiden Platten (Elektroden) 1, 2 verbunden ist und sich eine Vielzahl von Sensoren und/oder Aktoren 4.1...4.n einer Maschine oder Anlage zwischen beiden im Sinne eines Plattenkondensators wirkenden Platten 1, 2 befindet. Zur Kommunikation ist eine Basisstation 15 vorgesehen, welche per Funk mit den Sensoren und/oder Aktoren 4.1...4.n kommuniziert. Die verwendete Funkfrequenz liegt dabei auf einem deutlich höheren Wert als die Frequenz des zur Energieversorgung produzierten elektrischen Feldes, um ausreichende Datenraten und/oder Latenzen zu erzielen.
• 2a zeigt eine zweite Grundanordnung der Primärelemente mit einer Platte 2 und einem sich oberhalb der Platte 2 erstreckendem langgestrecktem Körper 5 – beispielsweise eine Rohrleitung (Pipeline) – mit einer Oberfläche aus elektrisch leitfähigem Material. Eine Einspeiseschaltung 3 ist mit Platte 2 und Körper 5 verbunden. Zwischen Platte 2 und Körper 5 befindet sich eine Vielzahl von Sensoren und/oder Aktoren 4.1...4.n. Als Platte 2 kann beispielsweise die Erdoberfläche dienen. Zur Kommunikation ist wiederum eine Basisstation 15 vorgesehen.
• 2b zeigt eine Variante zur Grundanordnung gemäß 2a mit einer langgestreckten Rohrleitung (beispielsweise mehrere hundert Meter lang) als Körper 5, der Erdoberfläche als Platte 2, mehreren, in gleichmäßigen Abständen längs der Rohrleitung verteilten und miteinander synchronisierten Einspeiseschaltungen 3 (beispielsweise jeweils mit 220-Volt-Netzanschluss), einer Vielzahl von Sensoren und/oder Aktoren 4.1, 4.2...4.n und mehreren, in gleichmäßigen Abständen längs der Rohrleitung verteilten Repeatern 16 (beispielsweise jeweils mit 220-Volt-Netzanschluss) für die Kommunikation, welche jeweils vorzugsweise als Basisstationen, Impulswiederholer, Rückmelder und Signal-Zwischenverstärker dienen und die Signale synchronisiert auffrischen. Bei kleineren Datenraten kann auch jeder einzelne Sensor und/oder Aktor als Repeater eingesetzt werden.
• 3 zeigt eine dritte Grundanordnung der Primärelemente mit zwei parallel zueinander (beispielsweise horizontal) angeordneten Platten 1, 2 sowie zwei weiteren, im wesentlichen orthogonal hierzu (beispielsweise vertikal) und parallel zueinander angeordneten Platten 6, 7 (gestrichelt gezeichnet). Sämtliche Platten 1, 2, 6, 7 weisen eine Oberfläche aus elektrisch leitfähigem Material auf. Eine erste Einspeiseschaltung 3 ist mit beiden Platten 1, 2 verbunden. Eine zweite Einspeiseschaltung 8 (gestrichelt gezeichnet) speist die beiden Platten 6, 7. Die von den Einspeiseschaltungen 3, 8 erzeugten Wechselgrößen weisen gleiche Frequenz, ähnliche Stromamplituden und ähnliche Spannungsamplituden auf und sind miteinander synchronisiert. Es wird eine Phasenverschiebung von vorzugsweise 90° zwischen der Wechselgröße der ersten Einspeiseschaltung 3 und der Wechselgröße der zweiten Einspeiseschaltung 8 eingestellt.
• 4 zeigt eine erste Ausführungsform der zur Energieeinspeisung eines Sensors oder Aktors 4.1...4.n erforderlichen Sekundärelemente bzw. empfängerseitigen Baukomponenten. Als Sekundärelemente weist der Sensor oder Aktor zwei parallel zueinander angeordnete Platten 9, 10 mit Oberflächen aus elektrisch leitfähigem Material auf. Die beiden Platten 9, 10 sind mit einem Energiewandler 11 verbunden, welcher mittels eines AC/DC-Stellers die zwischen den Platten 9, 10 erzeugte Wechselspannung U_S in eine Gleichspannung wandelt und am Ausgang des Stellers einen Energiespeicher, vorzugsweise Kondensator, aufweist.
• 5 zeigt eine zweite Ausführungsform der zur Energieeinspeisung eines Sensors oder Aktors 4.1...4.n erforderlichen Sekundärelemente. Der Energiewandler 11 ist hierbei mit lediglich einer Platte 9 mit einer Oberfläche aus elektrisch leitfähigem Material verbunden, während der weitere Wechselspannungsanschluss des Energiewandlers 11 mit der an die Einspeiseschaltung 3 angeschlossenen, vorzugsweise auf Erdpotential liegenden Platte 2 verbunden ist. Platte 2 dient bei diesem Ausführungsbeispiel sowohl als Primärelement als auch als Sekundärelement. Zwischen den Platten 9 und 2 wird die Wechselspannung U_S erzeugt. Diese zweite Ausführungsform ist bei geerdeten Maschinen oder Anlagen, beispielsweise Robotern oder Prozessanlagen, sinnvoll.
• 6 zeigt eine dritte Ausführungsform der zur Energieeinspeisung eines Sensors oder Aktors 4.1...4.n erforderlichen Sekundärelemente. Der Energiewandler 11 ist hierbei mit im wesentlichen orthogonal zueinander angeordneten Platten 9, 13, 14 verbunden, wobei jeder Platte 9, 13, 14 eine weitere parallele Platte (in der Zeichnung nicht erkennbar) zugeordnet und ebenfalls mit dem Energiewandler 11 verbunden ist. Die Platten 9, 13, 14 sowie die parallelen Platten hierzu können beispielsweise auf den sechs Seitenflächen eines Würfels 12 angeordnet sein. Die Platten 9, 13, 14 sowie die hierzu parallelen Platten weisen jeweils zumindest teilweise aus elektrisch leitfähigem Material bestehende Oberflächen auf.
• Vorzugsweise ist bei jedem Sensor und/oder Aktor 4 eine Kompensationsdrossel zwischen Energiewandler 11 und den als Sekundärelementen dienenden Körpern geschaltet, so dass sich ein Schwingkreis mit vorgegebener Frequenz bildet, wobei diese Frequenz selbstverständlich auf die Frequenz des mittels der Primärelemente produzierten, mittelfrequenten elektrischen Feldes abgestimmt. Auf diese Art und Weise wird die über das elektrische Feld zwischen Primärelementen und Sekundärelementen bewerkstelligte elektrische Energieübertragung optimiert.
• Selbstverständlich sind die Sensoren und/oder Aktoren 4.1...4.n des Systems mit den zum Betrieb erforderlichen drahtlosen Kommunikationseinrichtungen (Empfang/Senden von Funksignalen) versehen. So ist jeder Sensor mit einer Sendeeinrichtung ausgestattet, welche interessierende Sensor-Informationen beinhaltende Sensorsignale oder gegebenenfalls Fehlermeldungen als Funksignale an eine mit einem Zentralrechner der Maschine oder Anlage verbundene Empfangseinrichtung in der Basisstation 15 bzw. im Repeater abgibt. Zweckmäßig ist jeder Sensor zusätzlich mit einer Empfangseinrichtung versehen, um hierdurch spezifische Parametervorgaben oder auch Emp fangsbestätigungen vom Sender des Zentralrechners bzw. der Basisstation bzw. des Repeaters empfangen zu können.
• Des weiteren ist jeder Aktor mit einer Empfangseinrichtung ausgestattet, welche Ansteuersignale zur Aktivierung/Deaktivierung des Aktors oder Signale zur Einstellung spezifischer Parameter einer mit dem Zentralrechner der Maschine oder Anlage verbundenen Sendeeinrichtung der Basisstation 15 bzw. des Repeaters empfängt.
• Zweckmäßig ist jeder Aktor zusätzlich mit einer Sendeeinrichtung versehen, um hierdurch den aktuellen Zustand des Aktors sowie gegebenenfalls Fehlermeldungen/Empfangsbestätigungen an den Zentralrechner bzw. Basisstation bzw. Repeater melden zu können.

1

Platte mit Oberfläche aus elektrisch leitfähigem Material

2

Platte (eventuell Erdoberfläche)

3

Einspeiseschaltung

4

Sensoren und/oder Aktoren

5

langgestreckter Körper mit Oberfläche aus elektrisch leitfähigem Material

6

Platte (orthogonal zu 1)

7

Platte

8

Einspeiseschaltung

9

Platte mit Oberfläche aus elektrisch leitfähigem Material

10

Platte

11

Energiewandler mit AC/DC-Steller und Energiespeicher

12

Würfel

13

Platte (orthogonal zu 10)

14

Platte (orthogonal zu 10)

15

Basisstation für Kommunikation

16

Repeater

Claims (19)

1. Anordnung zur drahtlosen Versorgung eines Systems mit einer Vielzahl Sensoren und/oder Aktoren (4) mit elektrischer Energie, gekennzeichnet durch – eine aus mindestens zwei, im wesentlichen parallel zueinander angeordneten Körpern (1, 2, 5, 6, 7) aus elektrisch leitfähigem Material bestehende Primärelemente-Konfiguration, wobei mindestens eine Einspeiseschaltung (3, 8) mit diesen Körpern elektrisch verbunden ist und diese Körper (1, 2, 5, 6, 7) mit einer mittelfrequenten Wechselspannung mit einer Frequenz größer oder gleich 120 kHz beaufschlagt, wodurch ein entsprechendes elektrisches Feld produziert wird, – eine aus mindestens zwei, im wesentlichen parallel zueinander angeordneten Körpern (9, 10, 13, 14) aus elektrisch leitfähigem Material bestehende Sekundärelemente-Konfiguration eines jeden Sensors und/oder Aktors (4), wobei ein Energiewandler (11) elektrisch mit diesen Körpern (9, 10, 13, 14) verbunden ist und die zwischen diesen Körpern aus dem elektrischen Feld erzeugte Wechselspannung in eine Gleichspannung wandelt.
2. Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch zwei parallel zueinander angeordnete Platten (1, 2) als Primärelemente.
3. Anordnung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch mindestens zwei zusätzliche, parallel zueinander und orthogonal zu den weiteren Platten (1, 2) angeordnete Platten (6, 7) als Primärelemente, so dass von den Platten (1, 2, 6, 7) ein Kubus oder Quader umschlossen wird, innerhalb dessen sich die Sensoren und/oder Aktoren (4) befinden.
4. Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Platte (2) und einen sich in vorgegebenem Abstand parallel zur Platte erstreckendem langgestreckten Körper (5), beispielsweise eine Rohrleitung, als Primärelemente.
5. Anordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bildung eines Schwingkreises vorgegebener Frequenz eine Kompensationsdrossel zwischen Einspeiseschaltung (3, 8) und Primärelement geschaltet ist.
6. Anordnung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine einstellbare und regelbare Kompensationsdrossel.
7. Anordnung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine feste Induktivität als Kompensationsdrossel, die zusammen mit einer variablen, regelbaren Kapazität arbeitet.
8. Anordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere miteinander synchronisierte Einspeiseschaltungen (3) für die Versorgung der Primärelemente vorgesehen sind.
9. Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch zwei parallel zueinander angeordnete Platten (9, 10) als Sekundärelemente.
10. Anordnung nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch mindestens zwei zusätzliche, parallel zueinander und orthogonal zu den weiteren Platten (9, 10) angeordnete Platten (13, 14) als Sekundärelemente.
11. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Platten (9, 10, 13, 14) auf den sechs Seitenflächen eines Würfels (12) angeordnet sind.
12. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein und derselbe Körper (2) sowohl als Primärelement als auch als Sekundärelement dient.
13. Anordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bildung eines Schwingkreises vorgegebener Frequenz eine Kompensationsdrossel zwischen Energiewandler (11) und Sekundärelement geschaltet ist.
14. Anordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Sensor mit einer Sendeeinrichtung ausgestattet ist, welche interessierende Sensor-Informationen beinhaltende Sensorsignale oder gegebenenfalls Fehlermeldungen oder Empfangsbestätigungen als Funksignale an eine Basisstation (15) oder einen Repeater (16) abgibt.
15. Anordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Sensor zusätzlich mit einer Empfangseinrichtung versehen ist, um hierdurch spezifische Parametervorgaben und/oder Empfangsbestätigungen von der Basisstation (15) oder von einem Repeater (16) zu empfangen.
16. Anordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Aktor mit einer Empfangseinrichtung ausgestattet ist, um Ansteuersignale zur Aktivierung/Deaktivierung des Aktors und/oder Signale zur Einstellung spezifischer Parameter und/oder Empfangssignale als Funksignale einer Basisstation (15) oder von einem Repeater (16) zu empfangen.
17. Anordnung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Aktor zusätzlich mit einer Sendeeinrichtung versehen ist, um hierdurch den aktuellen Zustand des Aktors sowie gegebenenfalls Fehlermeldungen oder Empfangsbestätigungen an die Basisstation (15) oder an einen Repeater (16) zu melden.
18. Anordnung nach einem der Ansprüche 14 – 17, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich mindestens ein Repeater (16) zur Signalwiederholung bzw. Zwischenverstärkung vorgesehen ist.
19. Anordnung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sensor und/oder Aktor die Funktion eines Repeaters (16) übernimmt.