DE20014181U1

DE20014181U1 - Sensor module and control system

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Publication number: DE20014181U1
Application number: DE20014181U
Authority: DE
Original assignee: Viessmann Werke GmbH and Co KG
Current assignee: Viessmann Generations Group GmbH and Co KG
Priority date: 2000-08-17
Filing date: 2000-08-17
Publication date: 2000-11-16
Anticipated expiration: 2010-08-18

Description

Sensormodul und SteuerungsanlageSensor module and control system

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.The invention relates to a sensor module and a control system according to the preambles of the independent claims. Such a module is known from the note "Integrated pressure sensor is supplied wirelessly" in "Elektronik", 7/2000, page 54.

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.In many cases it is desirable to minimize the amount of cabling required when connecting components using signaling/electrical technology. When connecting components, signals may need to be transmitted on the one hand and energy on the other. Since energy is generally not very specific, it can also be supplied externally in many cases. In any case, however, cabling is necessary. This is particularly disproportionate if the component to be supplied with energy requires only a relatively small amount of energy or only for a fraction of the total time.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Sensormodul anzugeben, das ohne Verkabelung Signale mit einer zugeordneten Anlage austauschen kann.The object of the invention is to provide a sensor module that can exchange signals with an associated system without cabling.

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Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Abhängige Ansprüche sind auf bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung gerichtet. This object is achieved with the features of the independent claims. Dependent claims are directed to preferred embodiments of the invention.

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.A sensor module according to the invention has a sensor for converting a physical quantity into an electrical quantity, a power supply section, a signal transmission section and a control circuit. The power supply section extracts energy from an alternating magnetic field. The signal transmission section emits an electromagnetic signal.

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.The features mentioned above ensure good adaptation to the needs of energy supply on the one hand and signal transmission on the other. The energy supply from a magnetic field ensures that, unlike from an electromagnetic field, energy can be transmitted with sufficient power. Signal transmission with an electromagnetic signal ensures a comparatively good level of efficiency in signal transmission and allows the use of tried and tested components.

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.In a control system, such a sensor module can be used to measure a process-relevant physical quantity. The term "control" (usually without feedback) is intended to include closed-loop control (usually with feedback) in this description, unless expressly stated otherwise. The control system can in particular be a heating control system, the sensor module can be a temperature sensor and in particular an outside temperature sensor.

Nachfolgend werden bezugnehmend auf die Zeichnungen einzelne Ausführungsformen der Erfindung erläutert, es zeigen:Individual embodiments of the invention are explained below with reference to the drawings, in which:

Fig. 1 schematisch den Aufbau eines Sensormoduls,Fig. 1 schematically shows the structure of a sensor module,

Fig. 2 schematisch den Aufbau eines Energieversorgungsabschnitts,Fig. 2 schematically shows the structure of a power supply section,

Fig. 3 und 4 schematisch weitere Möglichkeiten des Aufbaus im Sensormodul, undFig. 3 and 4 schematically show further possibilities of the structure in the sensor module, and

Fig. 5 schematisch eine Steuerungsanlage, in der ein erfindungsgemäßes Sensormodul eingesetzt wird.Fig. 5 shows schematically a control system in which a sensor module according to the invention is used.

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.Fig. 1 shows the structure of a sensor module 10 as a block diagram. The sensor module has a sensor 11 that converts a physical quantity into an electrical quantity. For example, it can be a temperature-sensitive resistor, possibly with suitable shading, whose resistance is thus a measure of its temperature.

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.A power supply section 12 is also provided, which provides electrical energy for the electrical components in the sensor module 10, for example by outputting a suitable supply voltage. The energy is taken from an alternating magnetic field, for example via induction or according to the transformer principle.

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.Furthermore, a signal transmission section 13 is provided which emits an electromagnetic signal. The electromagnetic signal can be generated, for example modulated, according to the electrical value of the sensor 11.

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.Finally, a control circuit 14 is provided which connects the above-mentioned components to one another and carries out suitable sequence controls and the like. The control circuit can be constructed relatively simply with just a few components. However, it can also be a complex system, for example a small digital chip which carries a processor and possibly other components. Hard-wired logic is also conceivable.

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 schließlichFig. 2 shows an embodiment of the power supply section. 12. 21 symbolizes an induction coil or loop, at the terminals of which an alternating electrical signal appears. The coil 21 is penetrated by a magnetic field, which induces the aforementioned alternating electrical voltage in the coil or loop 21. 22 symbolizes a rectifier, in particular a full-wave rectifier with four diodes, at one diagonal of which the alternating voltage is fed in and at the other diagonal of which a direct voltage can be tapped. 23 symbolizes a smoothing capacitor for the pulsating direct voltage arising from the rectifier. 24 is a voltage regulator that smooths out residual ripples and sets a certain voltage. 25 symbolizes an energy storage device, for example again a capacitor or a small battery, which is continuously charged by the voltage regulator 24. Finally, at the terminals 26

liegt eine bestimmte Gleichspannung an, die den übrigen Komponenten zu deren elektrischen Betrieb zugeführt wird.A certain direct voltage is applied, which is supplied to the other components for their electrical operation.

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.Fig. 3 shows a schematic of a possible structure of a control circuit 14. A more complex, digital embodiment is shown. The signal from the sensor 11 is converted to digital by an analog/digital converter 31 and fed to a logic circuit 37, for example a small computer with a ROM 33, a RAM 34, a CPU 35 and a bus 36. There it can be processed and used in particular to generate suitable output data. The output data is fed to a digital/analog converter 32, converted to analog there and then fed to the signal transmission section 13. There, for example, a high-frequency signal can be modulated in accordance with the analog signal output by the converter 32. The high-frequency signal is emitted via an antenna 37. It is also conceivable to modulate a high-frequency signal directly in accordance with the digital (serially fed) output signals of the control circuit 14. The converter 32 can then be omitted.

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.In contrast to the comparatively complex embodiment shown in Fig. 3, however, much simpler embodiments are also possible. Analogous embodiments are possible in which, for example, the sensor element is periodically "scanned", i.e. its electrical value is used to generate the output signal in the transmission section 13. In the case of sensors for "slow" signals (e.g. outside temperature sensor of a heating control system), appropriately spaced queries may also be sufficient, for example every 15 minutes.

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.Fig. 4 shows a less complex embodiment. The control circuit 14 essentially has only a switch 42 which switches the power supply for the transmission section 13 and the sensor 11. The switching can be carried out in accordance with a timer 41. The timer can be an RC element, a flip-flop, a counter or the like. When the power supply is switched on (switch 42 closed), the transmission section 13 sends a signal in accordance with the sensor 11. When the power supply is switched off (switch 42 open), the transmission operation is interrupted.

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.In an even more general embodiment, the control circuit 14 can be omitted. The energy supply section 12 can then be connected directly to the transmission section 13, the latter would then transmit permanently.

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.Fig. 5 shows an overall system consisting of a controller 50 and a sensor module 10. The controller 50 has a control device 51 that carries out control or regulation tasks according to certain algorithms. As a rule, it will receive signals from at least one sensor and control at least one actuator. 52 symbolizes an interface with which conventional sensors and actuators can be coupled to the controller 51.

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.10 symbolizes a sensor module according to the invention as described above. The control has at least one receiving device 53, which receives the electromagnetic signals emitted by the sensor, demodulates them if necessary and forwards them to the control device 51 for further use.

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.In a special embodiment, the controller 50 can also have a generating device 54 for a magnetic field. This magnetic field, indicated by arrow M1, would then (also) be radiated in the direction of the sensor module 10. There, the energy for providing electrical energy in the sensor module 10 is taken from the magnetic field by the energy supply section. In another embodiment, the energy supply section 12 in the sensor module 10 can be designed in such a way that it responds to ambient alternating magnetic fields, indicated by arrow M2, for example to the mains hum that is present everywhere. The generating device 54 in the controller 50 can then be omitted.

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.If the power consumption in the sensor 10 is greater than the power received or provided by the power supply section 12, an operating mode can be selected in which the energy is received over a longer period of time than the operation of the remaining components in the sensor module 10. For example, energy can always be received (something from mains hum), but only sent intermittently. A certain amount of energy can then be accumulated and temporarily stored over a longer period of time at low power and then used to send at higher power. The control circuit 14 can be designed to control these processes.

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.The signal flow between sensor module 10 and controller 50 can also be bidirectional, indicated by the double arrow S. For example, trigger signals or more complex data can be transmitted from controller 50 to sensor module 10.

Claims

1. Sensor module ( 10 ) with a sensor ( 11 ) for converting a physical into an electrical quantity, a power supply section ( 12 ), a signal transmission section ( 13 ) and a control circuit for controlling the signal transmission in accordance with the electrical quantity from the sensor, characterized in that the power supply section ( 12 ) extracts energy from an alternating magnetic field and the signal transmission section ( 13 ) emits an electromagnetic signal.

2. Sensor module ( 10 ) according to claim 1, characterized in that in the signal transmission section ( 13 ) a high-frequency signal is modulated according to the electrical quantity from the sensor ( 11 ).

3. Sensor module ( 10 ) according to claim 1 or 2, characterized in that an alternating signal is rectified and smoothed in the energy supply section ( 12 ).

4. Control system with a controller for controlling a process or a system, and a sensor module ( 10 ) for measuring a process-relevant physical quantity, characterized in that the sensor module ( 10 ) is constructed according to one of claims 1 to 3.

5. Control system according to claim 4, characterized in that the control has a generating device for generating an alternating magnetic field.

6. Control system according to claim 5, characterized in that the generating device is operated in a time-coordinated manner with the signal transmission.

7. Control system according to claim 4, characterized in that the energy supply section ( 12 ) in the sensor module ( 10 ) is designed to absorb mains hum.

8. Control system according to one of claims 4 to 7, characterized in that the control is a heating control.

9. Control system according to one of claims 4 to 8, characterized in that the sensor module ( 10 ) is an outside temperature sensor ( 11 ).