DE20014181U1 - Sensormodul und Steuerungsanlage - Google Patents

Description

Sensormodul und Steuerungsanlage

Die Erfindung betrifft ein Sensormodul und eine Steuerungsanlage gemäß den Oberbegriffen der unabhängigen Ansprüche. Ein solches Modul ist aus der Notiz "Integrierter Drucksensor wird drahtlos versorgt" in "Elektronik", 7/2000, Seite 54, bekannt.

In vielen Fällen ist es wünschenswert, bei der signaltechnisch/elektrischen Verbindung von Komponenten den Verkabelungsaufwand zu minimieren. Bei der Verbindung von Komponenten können einerseits Signale zu übertragen sein und andererseits Energie. Da Energie in der Regel wenig spezifisch ist, kann sie in vielen Fällen auch extern zugeführt werden. In jedem Fall aber ist Verkabelungsaufwand notwendig. Dies ist besonders dann unverhältnismäßig, wenn die mit Energie zu versorgende Komponente nur vergleichsweise wenig Energie oder nur während eines Bruchteils der Gesamtzeit Energie benötigt.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Sensormodul anzugeben, das ohne Verkabelung Signale mit einer zugeordneten Anlage austauschen kann.

813-X3286-AP/mx

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Abhängige Ansprüche sind auf bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung gerichtet.

Ein erfindungsgemäßes Sensormodul hat einen Sensor zum Umwandeln einer physikalischen in eine elektrische Größe, einen Energieversorgungsabschnitt, einen Signalübertragungsabschnitt und eine Steuerschaltung. Der Energieversorgungsabschnitt entnimmt einem magnetischen Wechselfeld Energie. Der Signalübertragungsabschnitt sendet ein elektromagnetisches Signal aus.

Mit den genannten Merkmalen ist eine gute Anpassung an Bedürfhisse einerseits der Energieversorgung und andererseits der Signalübertragung gegeben. Die Energieversorgung aus einem Magnetfeld sorgt dafür, daß, anders als aus einem elektromagnetischen Feld heraus, Energie in ausreichender Leistung übertragen werden kann. Die Signalübertragung mit einem elektromagnetischen Signal sorgt für einen vergleichsweise guten Wirkungsgrad bei der Signalübertragung und erlaubt die Verwendung vielfach erprobter Komponenten.

In einer Steuerungsanlage kann ein solches Sensormodul zur Messung einer prozeßrelevanten physikalischen Größe verwendet werden. Der Begriff "Steuerung" (üblicherweise ohne Rückkopplung) soll im Rahmen dieser Beschreibung auch Regelungen (üblicherweise mit Rückkopplung) mit einschließen, es sei denn, es wäre ausdrücklich anders angegeben. Die Steuerungsanlage kann insbesondere eine Heizungssteuerung sein, das Sensormodul kann ein Temperatursensor und insbesondere ein Außentemperatursensor sein.

Nachfolgend werden bezugnehmend auf die Zeichnungen einzelne Ausführungsformen der Erfindung erläutert, es zeigen:

Fig. 1 schematisch den Aufbau eines Sensormoduls,

Fig. 2 schematisch den Aufbau eines Energieversorgungsabschnitts,

Fig. 3 und 4 schematisch weitere Möglichkeiten des Aufbaus im Sensormodul, und

Fig. 5 schematisch eine Steuerungsanlage, in der ein erfindungsgemäßes Sensormodul eingesetzt wird.

Fig. 1 zeigt als Blockschaltbild den Aufbau eines Sensormoduls 10. Das Sensormodul weist zum einen einen Sensor 11 auf, der eine physikalische Größe in eine elektrische Größe umwandelt. Beispielsweise kann es sich um einen temperaturempfindlichen Widerstand, gegebenenfalls mit geeigneter Beschattung, handeln, dessen Widerstand somit ein Maß für dessen Temperatur ist.

Es ist weiterhin ein Energieversorgungsabschnitt 12 vorgesehen, der für die elektrischen Komponenten im Sensormodul 10 elektrische Energie bereitstellt, indem er beispielsweise eine geeignete Versorgungsspannung ausgibt. Die Energie wird einem magnetischen Wechselfeld entnommen, beispielsweise über Induktion bzw. entsprechend dem Transformatorprinzip.

Weiterhin ist ein Signalübertragungsabschnitt 13 vorgesehen, der ein elektromagnetisches Signal aussendet. Das elektromagnetische Signal kann nach Maßgabe der elektrischen Größe des Sensors 11 erzeugt, beispielsweise moduliert werden.

Schließlich ist eine Steuerschaltung 14 vorgesehen, die die genannten Komponenten miteinander verbindet und geeignete Ablaufsteuerungen und ähnliches vornimmt. Die Steuerschaltung kann vergleichsweise einfach mit wenigen Komponenten aufgebaut sein. Es kann sich aber auch um ein komplexes System handeln, beispielsweise um einen kleinen digitalen Chip, der einen Prozessor und gegebenenfalls sonstige Komponenten trägt. Auch eine fest verdrahtete Logik ist denkbar.

Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform des Energieversorgungsabschnitts. 12. 21 symbolisiert eine Induktionsspule oder -schleife, an deren Klemmen ein elektrisches Wechselsignal erscheint. Die Spule 21 wird von einem Magnetfeld durchsetzt, das in der Spule bzw. Schleife 21 die genannte elektrische Wechselspannung induziert. Mit 22 ist ein Gleichrichter symbolisiert, insbesondere ein Vollwellengleichrichter mit vier Dioden, an dessen einer Diagonale die Wechselspannung eingespeist und an dessen anderer Diagonale eine Gleichspannung abgegriffen werden kann. 23 symbolisiert einen Glättungskondensator für die dem Gleichrichter entspringende pulsierende Gleichspannung. 24 ist ein Spannungsregler, der Restwelligkeiten glättet und eine bestimmte Spannung einstellt. 25 symbolisiert einen Energiespeicher, beispielsweise abermals einen Kondensator oder einen kleinen Akku, der vom Spannungsregler 24 fortwährend geladen wird. An den Klemmen 26 schließlich

liegt eine bestimmte Gleichspannung an, die den übrigen Komponenten zu deren elektrischen Betrieb zugeführt wird.

Fig. 3 zeigt schematisch einen möglichen Aufbau einer Steuerschaltung 14. Gezeigt ist eine komplexere, digitale Ausführungsform. Das Signal vom Sensor 11 wird von einem Analog/Digital-Wandler 31 ins Digitale gewandelt und einer Logikschaltung 37, beispielsweise einem Kleinrechner mit einem ROM 33, einem RAM 34, einer CPU 35 und einem Bus 36, zugeführt. Dort kann es verarbeitet und insbesondere zur Erzeugung geeigneter Ausgangsdaten herangezogen werden. Die Ausgangsdaten werden auf einen Digital/Analog-Wandler 32 gegeben, dort ins Analoge gewandelt und dann dem Signalübertragungsabschnitt 13 zugeführt. Dort kann beispielsweise ein hochfrequentes Signal nach Maßgabe des vom Wandler 32 ausgegebenen Analog-Signals moduliert werden. Über eine Antenne 37 wird das hochfrequente Signal abgestrahlt. Denkbar ist es auch, ein hochfrequentes Signal direkt nach Maßgabe der digitalen (seriell zugeführten) Ausgangssignale der Steuerschaltung 14 zu modulieren. Der Wandler 32 kann dann entfallen.

Im Gegensatz zu der in Fig. 3 gezeigten vergleichsweise komplexen Ausführungsform sind aber auch wesentlich einfachere Ausführungsformen möglich. Es sind analoge Ausführungsformen möglich, bei denen beispielsweise periodisch das Sensorelement "abgetastet" wird, d.h., daß sein elektrischer Wert zur Erzeugung des Ausgangssignals im Übertragungsabschnitt 13 herangezogen wird. Bei Sensoren für "langsame" Signale (z.B. Außentemperatursensor einer Heizungsregelung) können auch entsprechend zeitlich beabstandete Abfragen ausreichen, beispielsweise alle 15 Minuten.

Fig. 4 zeigt eine weniger komplexe Ausführungsform. Die Steuerschaltung 14 weist im wesentlichen nur einen Schalter 42 auf, der die Stromversorgung für den Ubertragungsabschnitt 13 und dem Sensor 11 schaltet. Die Schaltung kann nach Maßgabe eines Zeitgebers 41 erfolgen. Der Zeitgeber kann ein RC-Glied, ein Flipflop, ein Zähler oder ähnliches sein. Wenn die Stromversorgung angeschaltet ist (Schalter 42 geschlossen), sendet der Ubertragungsabschnitt 13 ein Signal nach Maßgabe des Sensors 11. Wenn die Stromversorgung abgeschaltet ist (Schalter 42 offen), ist der Sendebetrieb unterbrochen.

In einer noch allgemeineren Ausführungsform kann die Steuerschaltung 14 entfallen. Der Energieversorgungsabschnitt 12 kann dann direkt mit dem Übertragungsabschnitt 13 verbunden sein, letzterer würde dann permanent senden.

Fig. 5 zeigt ein Gesamtsystem bestehend aus einer Steuerung 50 und einem Sensormodul 10. Die Steuerung 50 weist eine Steuereinrichtung 51 auf, die nach bestimmten Algorithmen Steuerungs- oder Regelungsaufgaben wahrnimmt. In der Regel wird sie Signale von mindestens einem Sensor empfangen und zumindest ein Stellglied ansteuern. 52 symbolisiert eine Schnittstelle, mit der herkömmliche Sensoren und Stellglieder an die Steuerung 51 angekoppelt werden können.

10 symbolisiert einen erfindungsgemäßen Sensormodul wie oben beschrieben. Die Steuerung weist zumindest eine Empfangseinrichtung 53 auf, die die vom Sensor ausgesandten elektromagnetischen Signale empfängt, gegebenenfalls demoduliert und der Steuerungseinrichtung 51 zur Weiterverwendung zuleitet.

In einer besonderen Ausführungsform kann die Steuerung 50 darüber hinaus eine Erzeugungseinrichtung 54 für ein Magnetfeld aufweisen. Dieses Magnetfeld, angedeutet durch Pfeil Ml, würde dann (auch) in Richtung Sensormodul 10 abgestrahlt werden. Dort wird dem Magnetfeld durch den Energieversorgungsabschnitt die Energie zur Bereitstellung elektrischer Energie im Sensormodul 10 entnommen. In einer anderen Ausführungsform kann der Energieversorgungsabschnrtt 12 im Sensormodul 10 so ausgelegt sein, daß er auf Umgebungs-Wechselmagnetfelder anspricht, angedeutet durch Pfeil M2, beispielsweise auf überall vorhandenes Netzbrummen. Die Erzeugungseinrichtung 54 in der Steuerung 50 kann dann entfallen.

Wenn die Leistungsaufnahme im Sensor 10 größer ist als die vom Energieversorgungsabschnitt 12 empfangene bzw. Bereitgestellte Leistung kann eine Betriebsweise gewählt werden, bei der der Energieempfang über einen größeren Zeitraum erfolgt als der Betrieb der restlichen Komponenten im Sensormodul 10. Beispielsweise kann immer Energie empfangen werden (etwas aus Netzbrummen), aber nur zeitweise gesendet werden. Es kann dann über einen größeren Zeitraum mit niedriger Leistung eine bestimmte Energiemenge angesammelt und zwischengespeichert und dann zum Senden mit höherer Leistung verwendet werden. Die Steuerschaltung 14 kann zur Steuerung dieser Vorgänge ausgelegt sein.

Der Signalfluß zwischen Sensormodul 10 und Steuerung 50 kann auch bidirektional sein, angedeutet durch den Doppelpfeil S. Beispielsweise können von der Steuerung 50 zum Sensormodul 10 Triggersignale oder komplexere Daten übertragen werden.

Claims (9)

1. Sensormodul (10) mit einem Sensor (11) zum Umwandeln einer physikalischen in eine elektrische Größe, einem Energieversorgungsabschnitt (12), einem Signalübertragungsabschnitt (13) und einer Steuerschaltung zur Steuerung der Signalübertragung nach Maßgabe der elektrischen Größe vom Sensor, dadurch gekennzeichnet, daß der Energieversorgungsabschnitt (12) Energie einem magnetischen Wechselfeld entnimmt und der Signalübertragungsabschnitt (13) ein elektromagnetisches Signal aussendet.

2. Sensormodul (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Signalübertragungsabschnitt (13) ein Hochfrequenzsignal nach Maßgabe der elektrischen Größe vom Sensor (11) moduliert wird.

3. Sensormodul (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Energieversorgungsabschnitt (12) ein Wechselsignal gleichgerichtet und geglättet wird.

4. Steuerungsanlage mit einer Steuerung zur Steuerung eines Prozesses oder einer Anlage, und einem Sensormodul (10) zur Messung einer prozeßrelevanten physikalischen Größe, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensormodul (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3 aufgebaut ist.

5. Steuerungsanlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung eine Erzeugungseinrichtung zum Erzeugen eines magnetischen Wechselfeldes aufweist.

6. Steuerungsanlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Erzeugungseinrichtung zeitlich abgestimmt auf die Signalübertragung betrieben wird.

7. Steuerungsanlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Energieversorgungsabschnitt (12) im Sensormodul (10) auf die Aufname von Netzbrummen ausgelegt ist.

8. Steuerungsanlage nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung eine Heizungssteuerung ist.

9. Steuerungsanlage nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensormodul (10) ein Außentemperatursensor (11) ist.