DE102007017632A1

DE102007017632A1 - Sensoranordnung

Info

Publication number: DE102007017632A1
Application number: DE102007017632A
Authority: DE
Inventors: Michael Binhack; Werner Buff; Hans-Ulrich Marquardt; Tino Schulze
Original assignee: LKM ELECTRONIC GmbH; SENTEC ELEKTRONIK GmbH; S+S Regeltechnik GmbH
Current assignee: LKM ELECTRONIC GmbH; SENTEC ELEKTRONIK GmbH; S+S Regeltechnik GmbH
Priority date: 2007-04-13
Filing date: 2007-04-13
Publication date: 2008-10-16

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung, umfassend mindestens einen Sensor (1) zur Erfassung mindestens einer Größe (G), mit dem Sensor (1) verbunden eine Kommunikationseinheit (2) zum Senden und/oder Empfangen von Daten (D), mindestens eine Primärzelle (3) und mindestens eine Energiewandlereinrichtung (4) zur Umwandlung einer Energieform in elektrische Energie (E2), wobei der Sensor (1) und die Kommunikationseinheit (2) von mindestens einer der Primärzellen (3) und/oder mindestens einer der Energiewandlereinrichtungen (4) mit elektrischer Energie (E1, E2) mittelbar oder unmittelbar versorgbar sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung zur Erfassung von physikalischen Größen. Sensoren für verschiedenste Zwecke haben in den letzten Jahrzehnten eine weite Verbreitung gefunden. Für einen Einsatz bei beschränkter Infrastruktur sind quasiautarke Sensoren mit eigener Energieversorgung bekannt geworden, für die keine Verkabelung erforderlich ist. In der DE 101 50128 C2 ist ein Sensorsystem beschrieben, das einen Spannungsgenerator zur Umwandlung elektrischer Energie in nichtelektrische Energie, einen dem Spannungsgenerator nachgeschalteten Energiespeicher, einen Sensor und einen Sender umfasst. Mit einem solchen Sensorsystem ist ein autarker Betrieb möglich, jedoch nur solange, wie die Quelle der nichtelektrischen Energie verfügbar oder die im Energiespeicher gespeicherte Energie nicht verbraucht ist. Als Energiespeicher gebräuchliche wiederaufladbare Akkumulatoren entladen sich meist relativ schnell selbst, so dass ein autarker Betrieb der Sensoranordnung auch bei geringem Energiebedarf nicht sicher gestellt ist.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, eine Sensoranordnung mit verbesserter Autarkie anzugeben.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Sensoranordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Eine erfindungsgemäße Sensoranordnung umfasst mindestens einen Sensor zur Erfassung mindestens einer Größe, mit dem Sensor verbunden eine Kommunikationseinheit zum Senden und/oder Empfangen von Daten, mindestens eine Primärzelle und mindestens eine Energiewandlereinrichtung zur Umwandlung einer Energieform in elektrische Energie, wobei der Sensor und die Kommunikationseinheit von mindestens einer der Primärzellen und/oder mindestens einer der E nergiewandlereinrichtungen mit elektrischer Energie mittelbar oder unmittelbar versorgbar sind. Unter einer Primärzelle wird ein galvanisches Element verstanden, das nicht wieder aufladbar ist. Zur Erzielung höherer Betriebsspannungen können mehrere solcher Primärzellen in Serie geschaltet sein. Eine solche Sensoranordnung kann mittels der Energiewandlereinrichtung betrieben werden, wenn eine Energieform, insbesondere Sonnenenergie und/oder Windenergie und/oder Energie aus einer Temperaturdifferenz und/oder Energie aus einer Rotationsbewegung und/oder Energie aus einer Vibration zur Verfügung stehen. Entsprechend ist die Energiewandlereinrichtung als Photovoltaikmodul, als Windrad, als Peltierelement oder in anderer Weise als Generator ausgebildet. Steht diese Energieform nicht zur Verfügung, beispielsweise im Falle eines Photovoltaikmoduls bei Dunkelheit, kann die Energieversorgung der Sensoranordnung aus der Primärzelle erfolgen. Werden entsprechend langlebige Primärzellen mit geringer Selbstentladung gewählt, wie sie heute weithin verfügbar sind, ist ein zuverlässiger autarker Betrieb der Sensoranordnung möglich, auch wenn die Energieform für längere Zeit ausfallt. Andererseits ist durch die Energiewandlereinrichtung seltener ein Wechsel der Primärzelle notwendig, wodurch die Anordnung quasiautark betrieben wird und Kosten reduziert werden. In die Kommunikationseinheit kann eine Funktion zur Aufbereitung von Signalen aus dem Sensor vorgesehen sein. Beispielsweise kann ein analoges Sensorsignal in ein zeit- und/oder wertdiskretes Signal umgewandelt werden, das besser zum Versand über die Kommunikationseinheit geeignet ist.
Die zu erfassenden Größen sind insbesondere physikalische Größen, wie Temperatur oder Luftfeuchte. Es kommt jedoch auch eine Vielzahl anderer Größen, wie Helligkeiten, Geräuschpegel, Gaskonzentrationen etc. in Betracht.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist ein durch die Energiewandlereinrichtung wiederaufladbarer Energiespeicher vorgesehen, aus dem der Sensor und die Kommunikationseinheit mit elektrischer Energie versorgbar sind. Dieser Energiespeicher ist insbesondere als eine Sekundärzelle ausgebildet, worunter eine wieder aufladbare galvanische Zelle verstanden wird. Auch Sekundärzellen werden zur Erzielung höherer Betriebsspannungen in Serie geschaltet. Durch den Einsatz des Energiespeichers kann ein den Energiebedarf der Sensoranordnung übersteigendes Energieangebot aus der Energieform zwischengespeichert und später bei Ausfall der Energieform zunächst verbraucht werden, bevor Energie aus der Primärzelle entnommen wird.
Die Kommunikationseinheit ist insbesondere zur drahtlosen Versendung und/oder zum drahtlosen Empfang von Daten ausgebildet. Solche Sensoranordnungen haben den Vorteil, dass sie keine Infrastruktur in Form von Kabeln benötigen und sind daher flexibler und kostengünstiger einsetzbar.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Daten durch die Kommunikationseinheit in vorgegebenen Zeitabständen versendbar. Da hierzu nur eine temporäre statt einer permanenten Kommunikationsverbindung mit einer empfangenden Gegenstelle notwendig ist, kann auf diese Weise weiter Energie gespart und damit die Autarkie der Sensoranordnung verbessert werden.
In einer weiteren Ausführungsform sind die Daten durch die Kommunikationseinheit ereignisgetriggert versendbar. Beispielsweise kann ein Schwellwert der Größe festgelegt sein, bei dessen Überschreiten oder Unterschreiten ein Versenden der Daten ausgelöst wird.
Vorzugsweise ist die Energieversorgung durch mindestens eine der Primärzellen oder mindestens einen der Energiespeicher abhängig von einem aktuellen Strombedarf und/oder einer aktuellen Ladung des Energiespeichers umschaltbar. Wenn beispielsweise aufgrund des Ladezustands und des Strombedarfs der Kommunikationseinheit beim Senden absehbar ist, dass die Kommunikationseinheit gerade anstehende Daten nicht vollständig verschicken können wird, kann präventiv auf Energieversorgung durch die Primärzelle umgeschaltet werden.
Die gesendeten Daten enthalten vorzugsweise Informationen über mindestens eine der erfassten Größen. Gesendete Daten können jedoch auch Informationen über einen Ladezustand mindestens einer der Primärzellen und/oder des Energiespeichers enthalten. Auf diese Weise kann an der Gegenstelle eingeschätzt werden, wann ein Wechsel der Primärzelle erforderlich ist, ohne das eine Überprüfung vor Ort notwendig ist.
Wird die Kommunikationseinheit bidirektional betrieben, das bedeutet, sie ist außer zum Senden auch zum Empfang von Daten geeignet, können die empfangenen Daten, die entsprechend von der Gegenstelle versendet werden, Steuerkommandos und/oder Sendeanforderungen enthalten. Eine Sendeanforderung kann beispielsweise das sofortige Senden anstehender Daten auslösen. Steuerkommandos können beispielsweise den Zeitabstand ändern, der zwischen dem Senden von Daten vergeht, oder den Schwellwert verstellen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist zumindest der Sensor und/oder die Kommunikationseinheit in einen Bereitschaftszustand mit niedrigem Energiebedarf schaltbar, also deaktivierbar und/oder aus dem Bereitschaftszustand reaktivierbar. In einem solchen Bereitschaftszustand (auch Stand By genannt) verharrt die Sensoranordnung bei niedrigem Energieverbrauch passiv, so dass sich die Autarkie weiter verbessert. Das Deaktivieren und Reaktivieren kann beispielsweise zeitgesteuert oder durch ein empfangenes Steuerkommando ausgelöst werden.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im Folgenden anhand einer Zeichnung näher erläutert.
Darin zeigt:
1 eine schematische Ansicht einer Sensoranordnung.
1 zeigt eine schematische Ansicht einer Sensoranordnung mit einem Sensor 1 zur Erfassung einer physikalischen Größe G. Eine Repräsentation G' der Größe G wird vom Sensor 1 einer Kommunikationseinheit 2 übermittelt, welche drahtlos und bidirektional Daten D mit einer nicht gezeigten Gegenstelle austauschen kann. Der Sensor 1 und die Kommunikationseinheit 2 werden aus einer Primärzelle 3 oder aus einer Energiewandlereinrichtung 4 mit Energie E₁, E₂ versorgt. Die Primärzelle 3 ist eine nicht wiederaufladbare galvanische Zelle. Die Energiewandlereinrichtung 4 ist im gezeigten Beispiel als ein Photovoltaikmodul ausgebildet, das Energie aus Sonnenlicht S in elektrische Energie E₂ umwandelt. Bei einem Überangebot an Energie E₂ aus Sonnenlicht S und geringem Energiebedarf des Sensors 1 und der Kommunikationseinheit 2 wird die Energie E₂ in einem Energiespeicher 5 gespeichert, der als eine Sekundärzelle (auch Akkumulator genannt) ausgebildet ist. Die Versorgung von Sensor 1 und Kommunikationseinheit 2 kann auch bei Ausfall des Sonnenlichts aus dem Energiespeicher 5 erfolgen. Zur Entscheidung, ob die Energie E₁, E₂ aus der Primärzelle 3 oder dem Energiespeicher 5 entnommen wird, ist eine Energiemanagementeinheit 6 vorgesehen. Die Entscheidung wird anhand eines Ladezustandes des Energiespeicher 5 und eines prognostizierten Strombedarfs getroffen. Wenn beispielsweise aufgrund des Ladezustands und des Strombedarfs der Kommunikationseinheit 2 beim Senden absehbar ist, dass die Kommunikationseinheit 2 gerade anstehende Daten D nicht vollständig verschicken können wird, kann präventiv auf Energieversorgung durch die Primärzelle 3 umgeschaltet werden. Die Energiemanagementeinheit 6 kann mit der Kommunikationseinheit 5 integriert sein.
Es können mehrere in Serie geschaltete Primärzellen 3 bzw. Sekundärzellen 5 vorgesehen sein, um eine höhere Betriebsspannung zur Verfgüng zu stellen.
Als Energiespeicher 5 kommen auch andere wiederaufladbare Medien in Betracht, beispielsweise Brennstoffzellen, deren Wasserstoffbedarf mittels Elektrolyse durch Energie aus der Energiewandlereinrichtung 4 gedeckt wird.
Die Sensoranordnung kann alternativ ohne einen Energiespeicher direkt 5 aus der Energiewandlereinrichtung 4 versorgt werden.
Die Kommunikationseinheit 2 kann alternativ unidirektional ausgebildet sein, so dass sie nur Daten D senden kann. Ebenso kann sie drahtgebunden ausgebildet sein.
Die Energiewandlereinrichtung 4 kann alternativ andere Energieformen in Elektroenergie E₂ umwandeln, beispielsweise Windenergie und/oder Energie aus einer Temperaturdifferenz und/oder Energie aus einer Rotationsbewegung und/oder Energie aus einer Vibration. Entsprechend ist die Energiewandlereinrichtung 4 dann als Windrad, als Peltierelement oder in anderer Weise als Generator ausgebildet.
In die Kommunikationseinheit 2 kann eine Funktion zur Aufbereitung der Repräsentation G' der Größe G, beispielsweise einer Spannung oder eines Widerstandes, aus dem Sensor 1 vorgesehen sein. Beispielsweise kann ein analoges Sensorsignal in ein zeit- und/oder wertdiskretes Signal umgewandelt werden, das besser zum Versand über die Kommunikationseinheit 2 geeignet ist.
Die zu erfassende Größe G ist insbesondere eine physikalische Größen, wie Temperatur oder Luftfeuchte. Es kommt jedoch auch eine Vielzahl anderer Größen, wie Helligkeiten, Geräuschpegel, Gaskonzentrationen etc. in Betracht.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Daten D durch die Kommunikationseinheit 2 in vorgegebenen Zeitabständen versendbar.
In einer weiteren Ausführungsform sind die Daten D durch die Kommunikationseinheit 2 ereignisgetriggert versendbar. Beispielsweise kann ein Schwellwert der Größe G festgelegt sein, bei dessen Überschreiten oder Unterschreiten ein Versenden der Daten D ausgelöst wird.
Der Sensor 1 muss nicht in jedem Fall eine eigene Energieversorgung aufweisen, insbesondere, wenn es sich um einen passiven Sensor 1 handelt, wie beispielsweise einen temperaturabhängigen Widerstand.
Die gesendeten Daten D enthalten Informationen über mindestens eine der erfassten Größen G. Gesendete Daten D können jedoch auch Informationen über einen Ladezustand mindestens einer der Primärzellen 3 und/oder des Energiespeichers 5 enthalten.
Die Kommunikationseinheit 2 kann Daten D von der Gegenstelle empfangen. Diese können Steuerkommandos und/oder Sendeanforderungen enthalten. Eine Sendeanforderung kann beispielsweise das sofortige Senden anstehender Daten D auslösen. Steuerkommandos können beispielsweise den Zeitabstand ändern, der zwischen dem Senden von Daten D vergeht, oder den Schwellwert verstellen.
Der Sensor 1 und/oder die Kommunikationseinheit 2 können in einen Bereitschaftszustand mit niedrigem Energiebedarf schaltbar, also deaktivierbar und/oder aus dem Bereitschaftszustand reaktivierbar sein. Das Deaktivieren und Reaktivieren kann beispielsweise zeitgesteuert oder durch ein empfangenes Steuerkommando ausgelöst werden.

1: Sensor
2: Kommunikationseinheit
3: Primärzelle
4: Energiewandlereinrichtung
5: Energiespeicher
6: Energiemanagementeinheit
D: Daten
E₁: Energie aus der Primärzelle
E₂: Energie aus der Energiewandlereinrichtung bzw. dem Energie speicher
G: (physikalische) Größe
G': Repräsentation der Größe
S: Sonnenlicht

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 10150128 C2 [0001]

Claims

Sensoranordnung, umfassend mindestens einen Sensor (1) zur Erfassung mindestens einer Größe (G), mit dem Sensor (1) verbunden eine Kommunikationseinheit (2) zum Senden und/oder Empfangen von Daten (D), mindestens eine Primärzelle (3) und mindestens eine Energiewandlereinrichtung (4) zur Umwandlung einer Energieform in elektrische Energie (E₂), wobei der Sensor (1) und die Kommunikationseinheit (2) von mindestens einer der Primärzellen (3) und/oder mindestens einer der Energiewandlereinrichtungen (4) mit elektrischer Energie (E₁, E₂) mittelbar oder unmittelbar versorgbar sind.
Sensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein durch die Energiewandlereinrichtung (4) wiederaufladbarer Energiespeicher (5) vorgesehen ist, aus dem der Sensor (1) und die Kommunikationseinheit (2) mit elektrischer Energie (E₂) versorgbar sind.
Sensoranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiespeicher (5) als ein Sekundärelement ausgebildet ist.
Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass Daten (D) durch die Kommunikationseinheit (2) drahtlos sendbar und/oder empfangbar sind.
Sensoranordnung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiewandlereinrichtung (4) zur Wandlung von Sonnenenergie und/oder Windenergie und/oder Energie aus einer Temperaturdifferenz und/oder Energie aus einer Rotationsbewegung und/oder Energie aus einer Vibration ausgebildet ist.
Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass Daten (D) durch die Kommunikationseinheit (2) in vorgegebenen Zeitabständen versendbar sind.
Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass Daten (D) durch die Kommunikationseinheit (2) ereignisgetriggert versendbar sind.
Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Energieversorgung durch mindestens eine der Primärzellen (3) oder mindestens einen der Energiespeicher (5) abhängig von einem aktuellen Strombedarf und/oder einer aktuellen Ladung des Energiespeichers (5) umschaltbar ist.
Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die gesendeten Daten (D) Informationen über mindestens eine der erfassten Größen (G) enthalten.
Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die gesendeten Daten (D) Informationen über einen Ladezustand mindestens einer der Primärzellen (3) und/oder des Energiespeichers (5) enthalten.
Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10 dadurch gekennzeichnet, dass die empfangenen Daten (D) Steuerkommandos und/oder Sendeanforderungen enthalten.
Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest der Sensor (1) und/oder die Kommunikationseinheit (2) in einen Bereitschaftszustand mit niedrigem Energiebedarf schaltbar, also deaktivierbar und/oder aus dem Bereitschaftszustand reaktivierbar ist.
Sensoranordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Deaktivierung und/oder die Reaktivierung mittels eines der Steuerkommandos anforderbar sind.
Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Deaktivierung und/oder die Reaktivierung zeitgesteuert auslösbar sind.
Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Größe (G) eine Temperatur oder eine Luftfeuchte ist.