DE102005015948A1

DE102005015948A1 - Fluidische Komponente, insbesondere fluidischer Aktor, mit wenigstens einer Sensoreinrichtung

Info

Publication number: DE102005015948A1
Application number: DE200510015948
Authority: DE
Inventors: Heiko Haase; Steffen Huelsmann; Michael Ohmer; Bernd Kärcher
Original assignee: Festo SE and Co KG
Current assignee: Festo SE and Co KG
Priority date: 2005-04-07
Filing date: 2005-04-07
Publication date: 2006-10-12

Abstract

Es wird eine fluidische Komponente mit wenigstens einer Sensoreinrichtung (15, 16) und mit einer drahtlosen Datenübertragungseinrichtung zur Übertragung von Sensor- und/oder Steuersignalen zwischen der fluidischen Komponente (10) und einer externen Steuereinrichtung (18) vorgeschlagen. Dabei ist wenigstens eine Solarzellenanordnung (20-22) oder ein thermoelektrischer Wandler oder ein die Bewegungsenergie eines sich bewegenden Teils der fluidischen Komponente in elektrische Energie umsetzender Wandler als Energieversorgungseinrichtung zur Bereitstellung der Betriebsspannung für die Datenübertragungseinrichtung mit dieser elektrisch verbunden. Hierdurch kann auf eine elektrische Verdrahtung zwischen den Baugruppen verzichtet werden, und es können variable Anordnungen konzipiert werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine fluidische Komponente, insbesondere einen fluidischen Aktor, mit wenigstens einer Sensoreinrichtung und mit einer drahtlosen Datenübertragungseinrichtung zur Übertragung von Sensor- und/oder Steuersignalen zwischen der Komponente und einer externen Steuereinrichtung.
Ein fluidischer Aktor, bei dem Sensor- und/oder Steuersignale drahtlos übertragen werden, ist beispielsweise aus der EP 1127221 B1 bekannt. Die für die Übertragung der Signale erforderliche Betriebsenergie für die Sende- beziehungsweise Empfangseinrichtung wird über eine pneumatische Leitung übertragen, wobei die Übertragung über das Fluid in der pneumatischen Leitung erfolgt. Die bekannte Anordnung kommt zwar ebenfalls ohne elektrische Übertragungsleitungen aus, jedoch ist die Umwandlung der über das Fluid übertragenen Energie in elektrische Energie relativ kompliziert und kostspielig.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine fluidische Komponente zu schaffen, zwischen der und einer externen Steuereinrichtung Sensor- und/oder Steuersignale drahtlos übertragen werden können, wobei die erforderliche Betriebsenergie einfach und kostengünstig erzeugt wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine fluidische Komponente mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Die erfindungsgemäße Komponente hat den Vorteil, dass durch die Solarzellenanordnung als Energieversorgungseinrichtung die Betriebsspannung für die Datenübertragungseinrichtung kostengünstig und auf einfache Weise bereitgestellt wird. Da die Einstrahlung von Sonnenlicht und/oder künstlichem Licht praktisch überall möglich ist, spielen Entfernungen für die Bereitstellung der Betriebsspannung keine Rolle. Da die Solarzellenanordnung unmittelbar eine elektrische Spannung abgibt, sind keine Energieumwandlungseinrichtungen erforderlich. Ein Austausch einer eventuell defekten Solarzelle ist schnell und einfach möglich. Da bei mehreren Sensoren jeder in kostengünstiger Weise mit einer Solarzellenanordnung und einer drahtlosen Datenübertragungseinrichtung ausrüstbar ist, wird selbst innerhalb der Komponente oder an ihr keine elektrische Verdrahtung benötigt. Ähnliche Vorteile ergeben sich auch bei einer Ausbildung der Energieversorgungseinrichtung als thermoelektrischer Wandler, z.B. als Thermoelement oder Peltierelement, oder als die Bewegungsenergie eines sich bewegenden Teils der fluidischen Komponente in elektrische Energie umsetzender Wandler.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Anspruch 1 angegebenen fluidischen Komponente möglich.

Die fluidische Komponente kann als Ventil und/oder Kolben-Zylinder-Anordnung und/oder Linearantrieb und/oder Drehantrieb ausgebildet sein, wobei die Sensoreinrichtung zur Erfassung der Position eines Aktorglieds und/oder eines Druckes und/oder einer Temperatur und/oder eines Durchflusses ausgebildet sein kann.

In einer bevorzugten Ausführung weist die Sensoreinrichtung wenigstens einen Positionssensor zur Erfassung der Kolbenposition bei einer Kolben-Zylinder-Anordnung auf, wobei der wenigstens eine Positionssensor ein in eine äußere Längsnut des Zylinders eingreifendes Gehäuse besitzt. Dort ist eine einfache Fixierung und Verstellung möglich.

Weiterhin kann in vorteilhafter Weise eine Steuereinrichtung unmittelbar an der Komponente angeordnet sein, die zur Datenkommunikation mit der externen Zentralsteuereinrichtung eine eigene drahtlose Datenübertragungseinrichtung besitzt oder mit der drahtlosen Datenübertragungseinrichtung der Sensoreinrichtung verbunden ist. Eine derartige Anordnung kann völlig autark arbeiten und dennoch durch die externe Steuereinrichtung beeinflusst werden, oder Daten können an diese übertragen werden.

Die Energieversorgungseinrichtung ist zweckmäßigerweise unmittelbar an oder in der Sensoreinrichtung und/oder der Steuereinrichtung angeordnet, insbesondere am oder im Gehäuse der Sensoreinrichtung und/oder der Steuereinrichtung, sodass ein kompakter, bausteinartiger Aufbau erzielt werden kann, ohne dass die Bausteine untereinander verdrahtet werden müssten.

Die drahtlose Datenübertragungseinrichtung weist zweckmäßigerweise einen Funksender, vorzugsweise einen Funk-Sendeempfänger auf, sofern eine bidirektionale Datenübertragung erwünscht ist.

Die drahtlose Datenübertragungseinrichtung bildet in vorteilhafter Weise zusammen mit der Sensoreinrichtung und/oder der Steuereinrichtung eine kompakte Einheit, wobei vorzugsweise ein gemeinsames Gehäuse oder jeweils ein gemeinsames Gehäuse vorgesehen ist. Dabei kann diese kompakte Einheit im Falle der Sensoreinrichtung bevorzugt auch Sensorsignalaufbereitungsmittel aufweisen.

Die Datenübertragungseinrichtung kann insbesondere auch zur Übertragung von Parametriersignalen für die Sensoreinrichtung ausgebildet sein, um Justiervorgänge der Sensoreinrichtung drahtlos durchführen zu können.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

1 eine Kolben-Zylinder-Anordnung als fluidische Komponente bzw. fluidischer Aktor, die mit zwei drahtlos Positionssignale übertragenden Positionssensoren und einer Steuereinrichtung versehen ist, als Ausführungsbeispiel der Erfindung,

2 ein Blockschaltbild eines der Positionssensoren und

3 ein Blockschaltbild der Steuereinrichtung.

In 1 ist als Ausführungsbeispiel der Erfindung eine Kolben-Zylinder-Anordnung 10 als fluidischer Aktor dargestellt. Ein Kolben 11 ist dabei in einem Zylinder 12 bewegbar, wobei die Bewegungen mittels eines Ventilsteuerblocks 13 gesteuert werden. In einer Längsnut 14 an der Außenseite des Zylinders 12 sind zwei Positionsschalter 15, 16 angeordnet, die in an sich bekannter Weise in Abhängigkeit des Magnetfelds eines Permanentmagneten 17 am Kolben 11 positionsabhängig schalten und dadurch die Kolbenposition als Sensorsignal wiedergeben.
Die Sensorsignale werden dabei drahtlos über Funk einer externen Zentralsteuereinrichtung 18 und einer internen Steuereinrichtung 19 dem Ventilsteuerblock 13 übermittelt. Eine Verkabelung entfällt dadurch. Die interne Steuereinrichtung 19 kann ein eigenes Steuerprogramm für die Kolben-Zylinder-Anordnung 10 aufweisen und autark arbeiten, wobei es auch möglich ist, dass sie Steuersignale zum Teil oder auch überwiegend von der externen Zentralsteuereinrichtung 18 drahtlos übermittelt bekommt. Es ist weiterhin möglich, dass die externe Zentralsteuereinrichtung 18 Programmierbefehle drahtlos der internen Steuereinrichtung 19 übermittelt. Optional kann die interne Steuereinrichtung 19 Zustandsinformationen und/oder Diagnoseinformationen der externen Zentralsteuereinrichtung 18 übermitteln.
Die externe Zentralsteuereinrichtung 18 kann auch Kalibriersignale den Positionsschaltern 15, 16 übermitteln, um diese beziehungsweise deren Positionserfassung zu kalibrieren. Je nach Umfang des Steuerprogramms der internen Steuereinrichtung 19 kann die Übermittlung der Positionssignale auch nur an die interne Steuereinrichtung 19 erfolgen, wobei dann nur geringe Reichweiten für die Funkübertragung erforderlich wären.
Im Ventilsteuerblock 13 oder auch an anderen Stellen der Kolben-Zylinder-Anordnung 10 können noch weitere Sensoren vorgesehen sein, die ihre Sensorsignale drahtlos der externen Zentralsteuereinrichtung 18 übermitteln. Solche Sensoren sind beispielsweise Drucksensoren, Durchflusssensoren und Temperatursensoren. weiterhin ist es möglich, anstelle der Positionsschalter 15, 16 Positionssensoren oder Positionssensorstrecken vorzusehen, die entlang der gesamten Bewegungsstrecke des Kolbens 11 oder wenigstens über eine Teilstrecke die jeweilige Position erfassen und drahtlos übermitteln.
Anstelle der Übermittlung durch Funksignale ist zur drahtlosen Signalübertragung auch eine Infrarotübertragung möglich.
Zur Erzeugung der erforderlichen Betriebsspannung für die Positionsschalter 15, 16 und für den Ventilsteuerblock 13 sind dort jeweils Solarzellenanordnungen 20-22 angeordnet. Die Solarzellenanordnungen 20 und 21 sind direkt an den Gehäusen der Positionsschalter 15, 16 angebracht, während die Solarzellenanordnung 22 am Ventilsteuerblock 13 angebracht ist.
In 2 ist ein Blockschaltbild eines der Positionsschalter 15, 16 dargestellt. Dabei ist die Solarzellenanordnung 20 mit einem Spannungsversorgungsmodul 23 verbunden, das bei Bedarf eine stabilisierte Spannung abgibt und eine interne Speicheranordnung in Form eines Kondensators oder Akkus enthalten kann, um die Spannungsversorgung bei fehlendem Lichteinfall aufrechtzuerhalten. Dieses Spannungsversorgungsmodul 23 versorgt einen Funk-Sendeempfänger 24 und ein Signalaufbereitungsmodul 25 für die Signale eines magnetfeldempfindlichen Schalters 26 mit der erforderlichen Betriebsspannung. Alle diese Bauteile sind kompakt in einem Sensorgehäuse untergebracht.
Für den Fall, dass nur Sensorsignale drahtlos abgesandt werden sollen, kann anstelle eines Funk-Sendeempfängers 24 auch ein einfacherer Funksender vorgesehen sein.
In 3 ist ein Blockschaltbild des Ventilsteuerblocks 13 dargestellt. Die interne Steuereinrichtung 19 steuert dabei eine Ventilanordnung 27, durch die ein Arbeitsdruck P zur Bewegung und Positionierung eines Kolbens 11 gesteuert werden kann. Entsprechend den Positionsschaltern 15, 16 ist hier die Solarzellenanordnung 22 mit einem Spannungsversorgungsmodul 28 verbunden, das die Betriebsspannung für die interne Steu ereinrichtung 19 und einen damit verbundenen Funk-Sendeempfänger 29 zur Verfügung stellt. Auch hier kann der Funk-Sendeempfänger 29 als einfacherer Funksender ausgebildet werden, wenn keine Rückmeldungen an die externe Zentralsteuereinrichtung 18 erfolgen müssen.
Im Ausführungsbeispiel ist der Ventilsteuerblock 13 direkt an der Kolben-Zylinder-Anordnung 10 angebracht. Eine separate Anordnung ist selbstverständlich ebenfalls möglich.
Die Erfindung ist selbstverständlich nicht auf eine Kolben-Zylinder-Anordnung 10 als fluidischer Aktor beschränkt, sondern kann auch auf andere fluidische Aktoren und fluidische Komponenten angewandt werden, zum Beispiel Ventile, Linearantriebe, Drehantriebe, Fluidaufbereitungsmodule, Wartungsmodule und dergleichen.
Alternativ zur beschriebenen Solarzellenanordnung als Energieversorgungseinrichtung kann auch ein thermoelektrischer Wandler vorgesehen sein, der Thermodifferenzen in elektrische Energie umwandelt. Hierfür eignen sich beispielsweise Thermoelemente oder Peltierelemente. Dabei können beispielsweise unterschiedliche Temperaturen in der pneumatischen Komponente oder eines pneumatischen Systems der Gestalt ausgenutzt werden, dass die eine Seite des Elements mit der wärmeren und die andere mit der kühleren Seite thermisch gekoppelt wird. Beispielsweise lassen sich auch Thermoelemente auf der Oberfläche eines Aktors mit bewegbaren Teilen so adaptieren, dass die Reibungswärme der bewegten Teile in Bezug auf die Umgebungstemperatur als Thermodifferenz ausgenutzt werden kann.
Eine weitere erfindungsgemäße Möglichkeit zur Realisierung der Energieversorgungseinrichtung besteht darin, die kinetische Energie bewegbarer Teile, also beispielsweise von Aktorgliedern, zur Energiegewinnung auszunutzen. Beispielsweise kann der am Kolben 11 angeordnete Permanentmagnet 17 beim Passieren wenigstens einer entlang der Bewegungsbahn angeordneten Spule oder eines sonstigen magnetempfindlichen Elements in dieser Spule oder in diesem magnetempfindlichen Element Energie erzeugen, die als Versorgungsenergie eingesetzt werden kann. Bei allen beschriebenen Energieversorgungseinrichtungen können elektrische Zwischenspeicher zum Zwischenspeichern elektrischer Energie vorgesehen sein.

Claims

Fluidische Komponente, insbesondere fluidischer Aktor, mit wenigstens einer Sensoreinrichtung und mit einer drahtlosen Datenübertragungseinrichtung zur Übertragung von Sensor- und/oder Steuersignalen zwischen der fluidischen Komponente und einer externen Steuereinrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Solarzellenanordnung (20-22) oder ein thermoelektrischer Wandler oder ein die Bewegungsenergie eines sich bewegenden Teils der fluidischen Komponente in elektrische Energie umsetzender Wandler als Energieversorgungseinrichtung zur Bereitstellung der Betriebsenergie für die Datenübertragungseinrichtung (24, 29) mit dieser elektrisch verbunden ist.
Fluidische Komponente nach Anspruch nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er als Ventil und/oder Kolben-Zylinder-Anordnung (10) und/oder Linearantrieb und/oder Drehantrieb ausgebildet ist.
Fluidische Komponente nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinrichtung (15, 16) zur Erfassung der Position eines Aktorglieds (11) und/oder eines Druckes und/oder einer Temperatur und/oder eines Durchflusses ausgebildet ist.
Fluidische Komponente nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinrichtung /15, 16) wenigstens einen Positionssensor zur Erfassung der Kolbenposition bei einer Kolben-Zylinder-Anordnung (10) aufweist.
Fluidische Komponente nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Positionssensor der Sensoreinrichtung (15, 16) ein in eine äußere Längsnut (14) des Zylinders (12) eingreifendes Gehäuse besitzt.
Fluidische Komponente nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuereinrichtung (19) an der fluidischen Komponente angeordnet ist, die zur Datenkommunikation mit der externen Steuereinrichtung (18) eine eigene drahtlose Datenübertragungseinrichtung (29) besitzt oder mit der drahtlosen Datenübertragungseinrichtung (24) der Sensoreinrichtung (15, 16) verbunden ist.
Fluidische Komponente nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Energieversorgungseinrichtung unmittelbar an oder in der Sensoreinrichtung (15, 16) und/oder der Steuereinrichtung (19), insbesondere am oder im Gehäuse der Sensoreinrichtung (15, 16) und/oder der Steuereinrichtung (19), angeordnet ist.
Fluidische Komponente nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die drahtlose Datenübertragungseinrichtung (24, 29) wenigstens einen Funksender, vorzugsweise einen Funk-Sendeempfänger aufweist.
Fluidische Komponente nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die drahtlose Datenübertragungseinrichtung (24, 29) zusammen mit der Sensoreinrichtung (15, 16) und/oder der Steuereinrichtung (19) eine kompakte Einheit bildet, wobei vorzugsweise jeweils ein gemeinsames Gehäuse vorgesehen ist.
Fluidische Komponente nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die kompakte Einheit Sensorsignalaufbereitungsmittel (25) aufweist.
Fluidische Komponente nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Datenübertragungseinrichtung auch zur Übertragung von Parametriersignalen für die Sensoreinrichtung (15, 16) ausgebildet ist.
Fluidische Komponente nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ventilsteuerblock (13) am oder im Bereich der fluidischen Komponente angeordnet ist, die neben der Steuereinrichtung (19) eine Ventilanordnung (27), die Energieversorgungseinrichtung und eine Datenübertragungseinrichtung (29) enthält.