AT524139B1 - Vorrichtung zum Auslesen eines Sensors - Google Patents

Abstract

Es wird eine Vorrichtung zum Auslesen eines Sensors (7), mit zwei zueinander koaxial ausgerichteten und relativ zueinander drehbaren elektromagnetischen Kopplern (8, 9), von denen einer mit dem Sensor (7) und einer mit einer Leseeinheit (12) zur Übertragung einer von der Leseeinheit (12) zum Sensor (7) hin- und rücklaufenden elektromagnetischen Welle verbunden ist, beschrieben. Um eine Vorrichtung der eingangs geschilderten Art so auszugestalten, dass weitgehend unabhängig vom Abstand der Koppler zueinander, der Wellenlänge und der Umdrehungsgeschwindigkeit sowie der Lesedauer zuverlässig Daten zwischen dem Sensor und der Leseeinheit übertragen werden können, wird vorgeschlagen, dass wenigstens ein Koppler (8, 9) wenigstens zwei Koppelelemente (15) umfasst, von denen eines die elektromagnetische Welle streut.

Description

Ss N

Beschreibung

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Auslesen eines Sensors, mit zwei zueinander koaxial ausgerichteten und relativ zueinander drehbaren elektromagnetischen Kopplern, von denen einer mit dem Sensor und einer mit einer Leseeinheit zur Übertragung einer von der Leseeinheit zum Sensor hin- und rücklaufenden elektromagnetischen Welle verbunden ist.

[0002] Zum Auslesen von Sensoren auf rotierenden Wellen sind elektromagnetische Koppler bekannt (EP 3062000 A1), die als Koppelelemente zwei einander koaxial gegenüberliegende Ringantennen aufweisen, von denen eine ortsfest mit dem Stator verbunden und eine starr am Rotor befestigt ist. Aufgrund der am Rotor auftretenden Kräfte und der schweren Zugänglichkeit werden die Sensoren als passive Bauelemente ausgeführt, die durch die Beaufschlagung mit einer elektromagnetischen Welle ausgelesen werden können, in dem eine vom Messwert abhängige rücklaufende elektromagnetische Welle beispielsweise durch Reflektion erzeugt wird. Demnach kann es sich bei den Sensoren beispielsweise um Transponder handeln, die über Oberflächenschallwellen ausgelesen werden können. Nachteilig ist am bekannten Stand der Technik allerdings, dass es aufgrund der Anordnung der elektromagnetischen Koppler im gegenseitigen Nahfeld und der damit verbundenen elektromagnetischen Feldeffekte je nach Wellenlänge und damit Frequenz in Abhängigkeit der Umdrehungsgeschwindigkeit und der Lesedauer zu Auslöschungseffekten kommt, die beispielsweise durch die Auslöschung stehender Wellen begründet sind. Die Dimensionierung solcher Sensorsysteme muss daher in der Praxis jeweils für den Einzelfall erfolgen, wobei selbst dann Ausfälle bei der Bereitstellung der Sensordaten nicht verhindert werden können.

[0003] Aus der WO03014686A1 ist eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff bekannt. Die Vorrichtung umfasst dabei einen Koppler mit zwei Kopplerelementen, die zueinander phasenversetzt sind.

[0004] Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Auslesen von Sensoren der eingangs geschilderten Art so auszugestalten, dass weitgehend unabhängig vom Abstand der Koppler zueinander, der Wellenlänge und der Umdrehungsgeschwindigkeit sowie der Lesedauer zuverlässig Daten zwischen dem Sensor und der Leseeinheit übertragen werden können.

[0005] Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe dadurch, dass wenigstens ein Koppler wenigstens zwei Koppelelemente umfasst, von denen eines die elektromagnetische Welle streut.

[0006] Dieser Maßnahme liegt der erfinderische Gedanke zugrunde, dass Auslöschungseffekte durch Veränderung der relativen Phasenlage zwischen der elektromagnetischen Welle und den Kopplern verhindert werden können, wenn in jedem Fall ein von der Auslöschung nicht betroffener Wellenanteil detektierbar bleibt. Dabei ist ein Koppelelement vorgesehen, das die elektromagnetische Welle in einer Weise streut, dass das verbleibende Koppelelement trotz der Auslöschung einen gestreuten und damit außerhalb seiner ursprünglichen Phasenlage liegenden Wellenanteil detektieren kann. Die erfindungsgemäße Maßnahme kann dabei sowohl gesondert, als auch in Kombination mit einem mehrere zueinander phasenversetzte Koppelelemente aufweisenden Koppler zum Einsatz kommen, wobei die Kombination besonders stabile Übertragungsbedingungen mit sich bringt. Eine koaxiale Ausrichtung der Koppelelemente ist dabei so zu verstehen, dass diese eine gemeinsame Rotationsachse aufweisen, wobei auch nur ein Koppelelement um diese Rotationsachse rotiert und das andere stationär angeordnet ist. Darüber hinaus spielt es keine Rolle, ob die Koppelelemente symmetrisch zur Rotationsachse angeordnet sind oder sonst in einer spezifischen Ausrichtung dazu. Obwohl es grundsätzlich ausreichen kann, dass nur die von der Leseeinheit zum Sensor hinlaufende oder die vom Sensor zur Leseeinheit rücklaufende elektromagnetische Welle in ihrer Phasenlage bzw. Polarisation beeinflusst wird, ergeben sich besonders gute Übertragungsbedingungen bei gleichzeitig einfachem technischen Aufbau, wenn sowohl die hin- als auch die rücklaufende Welle über wenigstens zwei zueinander phasenversetzte Koppelelemente gesendet bzw. empfangen wird und / oder wenn sowohl die hinlaufende als auch die rücklaufende Welle so gestreut wird, dass ein Wellenanteil außerhalb

Ss Ss

Ss N

Sr ‚hes AT 524 139 B1 2025-11-15

der ursprünglichen Phasenlage entsteht.

[0007] Obwohl es auseichend sein kann mehrere zueinander phasenversetzte Koppelelemente gemeinsam mit einer elektromagnetischen Welle zu beaufschlagen bzw. auszulesen, kann eine Störung durch eine wechselseitige Beeinflussung der phasenversetzten Koppelelemente weiter reduziert werden, wenn der mit der Leseeinheit verbundene Koppler wenigstens zwei zueinander phasenversetzte je einem Kanal zugeordnete Antennensegmente als Koppelelemente aufweist. Zufolge dieser Maßnahme können die beiden Kanäle getrennt die jeweils auf die Phasenlage des angeschlossenen Antennensegments bezogene rücklaufende elektromagnetische Welle detektieren, ohne dass es zwischen den Antennensegmenten gerade durch die gemeinsame Ansteuerung zu Signalauslöschungen kommt. Hinsichtlich der Beaufschlagung der Antennensegmente kann diese ebenfalls entweder über einen Kanal oder über mehrere Kanäle erfolgen. Bei einer einkanaligen Beaufschlagung werden die Elemente auf der Antenne zusammengeschaltet, wobei relativ kurze Abfragezeiten realisiert werden können und lediglich eine Verbindungsleitung für den Kanal erforderlich ist. Demgegenüber werden bei einer Beaufschlagung über zwei oder mehr Kanäle diese von der Leseeinheit zeitlich aufeinanderfolgend abgefragt, sodass sich längere Abfragezeiten ergeben. Vorteilhaft bei mehreren Kanälen ist wiederum, dass unterschiedliche elektromagnetische Felder erzeugt werden können, sodass etwaige, durch destruktive Feldinterferenzen bedingte Auslöschungseffekte reduziert werden. Besonders vorteilhafte Übertragungsbedingungen ergeben sich, wenn die Koppelelemente, beispielsweise die Antennensegmente, eine Phasenversetzung von 90° zueinander aufweisen.

[0008] Obwohl dem Fachmann verschiedene Ausgestaltungsformen für Antennensegmente als Koppelelemente geläufig sind, wie beispielsweise Dipolantennen, ergeben sich besonders einfache Fertigungs- und Montagebedingungen, wenn der mit der Leseeinheit verbundene Koppler eine Mehrfach-Schleifenantenne ist, wobei die Antennenanschlüsse der einzelnen Antennenschleifen als Koppelelemente zueinander in Umfangsrichtung beabstandet sind. Eine Antennenschleife kann dabei eine oder mehrere Leiterbahnen aufweisen und beispielsweise ringförmig ausgebildet sein. Dadurch ergibt sich zwischen den einzelnen Koppelelementen ein Phasenversatz, sodass selbst bei einer Auslöschung der elektromagnetischen Welle bei einem der Antennenschleifen die wenigstens eine übrige Antennenschleife weiterhin ein verwertbares Signal empfängt bzw. sendet. Mehrere Antennenschleifen verbessern dabei die Möglichkeiten für eine stabile Signalübertragung, wobei bereits bei zwei Antennenschleifen mit zueinander in Umfangsrichtung um 90° versetzten Antennenanschlüssen Auslöschungseffekte bei der Signalübertragung kompensiert werden können.

[0009] Der mit der Leseeinheit verbundene Koppler kann ein Array von Antennen als Koppelelemente mit unterschiedlicher Polarisation aufweisen. Die einzelnen Antennen können dabei mit gleichem radialen Abstand zur gemeinsamen Achse der Koppler und in Umfangsrichtung voneinander beabstandet angeordnet werden. Ein Phasenversatz kann beispielsweise durch eine Anordnung der Antennen dergestalt erfolgen, als dass die Antennengeometrie um eine durch die gemeinsame Achse der Koppler verlaufende Ebene gespiegelt ist.

[0010] Alternativ oder ergänzend zu den vorgenannten Maßnahmen kann ein Koppelelement vorgesehen sein, das die elektromagnetische Welle so streut, dass ihre ursprüngliche Phasenlage im Falle einer Auslöschung so verändert wird, dass ein am Koppler detektierbarer Wellenanteil verbleibt. Eine entsprechende Beeinflussung des elektromagnetischen Feldes kann in unterschiedlicher Weise erreicht werden, wobei eine gute Homogenisierung des elektromagnetischen Feldes eintritt, wenn das Koppelelement zur Streuung der elektromagnetischen Welle eine impedanzbelastete Antenne ist. Diese Antenne kann als Koppelelement entweder quer zur gemeinsamen Achse der Koppler in einer Ebene mit den anderen Koppelelementen des zugeordneten Kopplers liegen oder aber zwischen den anderen Koppelelementen des zugeordneten Kopplers und dem gegenüberliegenden Koppler angeordnet sein.

[0011] In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand beispielsweise dargestellt. Es zeigen

[0012] Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung an einem rotierenden Maschinenteil,

x bes AT 524 139 B1 2025-11-15

Ss N

[0013] Fig. 2 ein Koppelelement in einer Ausführung als Zweifach-Schleifenantenne, [0014] Fig. 3 ein weiteres Koppelelement in einer Ausführung als Zweifach-Antennenarray,

[0015] Fig. 4 eine der Fig. 1 entsprechende Darstellung einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,

[0016] Fig. 5 ein Koppelelement zur Streuung in einer Ausführung als einfach impedanzbelastete Schleifenantenne,

[0017] Fig. 6 ein weiteres Koppelelement zur Streuung in einer Ausführung als zweifach impedanzbelastete Schleifenantenne,

[0018] Fig. 7 ein drittes Koppelelement zur Streuung in einer Ausführung als vierfach impedanzbelastetes Dipolantennenarray und

[0019] Fig. 8 eine der Fig. 1 entsprechende Darstellung einer dritten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.

[0020] Mit Blick auf Fig. 1 wird eine schematische Darstellung einer Maschinenwelle 1 mit entsprechender Rotationsachse 2 gezeigt. Die Maschinenwelle 1 ist über ein in einem Lagersitz 3 angeordneten Wellenlager 4 an einem Gehäuse 5 gelagert. Darüber hinaus weist die Maschinenwelle 1 ein Schwungrad 6 auf, welches einen Sensor 7, beispielsweise einen Temperatursensor, umfasst.

[0021] Zum Auslesen des Sensors 7 umfasst eine erfindungsgemäße Vorrichtung zwei zueinander koaxial bezüglich der Rotationsachse 2 ausgerichtete und relativ zueinander drehbare elektromagnetische Koppler 8, 9. Der Koppler 8 ist mit dem Sensor 7 über eine strichpunktiert angedeutete Verbindungsleitung 10 verbunden, wohingegen der Koppler 9 über eine ebenfalls strichpunktiert angedeutete Verbindungsleitung 11 mit einer Leseeinheit 12 zur Übertragung einer von der Leseeinheit 12 zum Sensor 7 hin- und rücklaufenden elektromagnetischen Welle verbunden ist. Der Sensor 7 ist vorzugsweise als passiver Oberflächenwellentransponder ausgeführt und bildet mit dem Schwungrad 6 und der Maschinenwelle 1 eine konstruktive Einheit, wobei der Koppler 8 mit der Maschinenwelle 1 bezüglich der Rotationsachse 2 mitrotieren kann. Dadurch ergibt sich bei Rotation der Maschinenwelle 1 eine Relativrotation des Kopplers 8 gegenüber dem stationär auf dem Lagersitz 3 angeordneten Koppler 9. Sowohl der Koppler 8, als auch der Koppler 9 können jeweils über entsprechende Distanzplatten 13, 14 am Schwungrad 6 bzw. am Lagersitz 3 befestigt sein.

[0022] Fig. 2 und 3 zeigen beispielhafte Ausführungsformen von erfindungsgemäßen Kopplern. Erfindungsgemäß liegt der Gedanke zugrunde, dass Auslöschungseffekte durch Veränderung der relativen Phasenlage zwischen der elektromagnetischen Welle und den Kopplern 8, 9 verhindert werden können, wenn in jedem Fall ein von der Auslöschung nicht betroffener Wellenanteil detektierbar bleibt. Demgemäß zeigt der als ringförmige Zweifach-Schleifenantenne ausgeführte Koppler nach Fig. 2 zwei Koppelelemente 15, die als Antennenschleifen ausgebildet und deren als Kreis angedeutete Antennenanschlüsse zueinander in Umfangsrichtung phasenversetzt sind. Der Phasenversatz von ca. 90° soll schematisch durch die die Polarisationsvektoren andeutenden Pfeile 16 dargestellt werden. Die Polarisationsvektoren spannen dabei zusammen mit der Ausbreitungsrichtung der elektromagnetischen Welle die jeweilige Polarisationsebene auf. Die Koppelelemente 15 sind darüber hinaus mit einer Leseeinheit 12 verbunden. Analog zu Fig. 2 wird in Fig. 3 eine weitere Ausführungsform eines Kopplers gezeigt, wobei es sich um ein Zweifach-Antennenarray handelt. Die als Koppelelemente 15 dienenden Arrays weisen jeweils eine unterschiedliche Polarisation auf, wie dies durch die Pfeile 16 zur Darstellung der Polarisationsvektoren angezeigt wird.

[0023] Fig. 4 zeigt eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. Dabei ist zwischen den Kopplern 8, 9 ein weiterer Koppler 17 zur Streuung der elektromagnetischen Welle angeordnet. Die elektromagnetische Welle kann dabei so gestreut werden, dass ihre ursprüngliche Phasenlage im Falle einer Auslöschung so verändert wird, dass ein am Koppler 9 detektierbarer Wellenanteil verbleibt.

x bes AT 524 139 B1 2025-11-15

Ss N

[0024] Fig. 5 bis 7 zeigen jeweils verschiedene Ausführungsformen eines zur Streuung der elektromagnetischen Welle vorgesehenen Kopplers 17. In Fig. 5 und 6 sind die Koppelemente 17 als ringförmige Schleifenantennen ausgeführt, wobei die Schleifenantenne aus Fig. 5 mit einer Impedanz 18 und die Schleifenantenne aus Fig. 6 mit zwei zueinander in Umfangsrichtung beabstandeten Impedanzen 18 bestückt ist. In Fig. 7 ist ein weiterer Koppler 17 dargestellt, der als ringförmiges Dipolantennenarray mit vier zueinander in Umfangsrichtung beabstandeten Impedanzen 18 ausgeführt ist.

[0025] In Fig. 8 ist schließlich eine dritte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ersichtlich. Dabei kann der Koppler 17 zur Streuung der elektromagnetischen Welle beispielsweise als Dipolantenne ausgeführt sein. Der Sensor 7 kann wie in Fig. 8 ersichtlich auch direkt in den Koppler 8 integriert sein.

Claims (5)

x bes AT 524 139 B1 2025-11-15 Ss N Patentansprüche

1. Vorrichtung zum Auslesen eines Sensors (7), mit zwei zueinander koaxial ausgerichteten und relativ zueinander drehbaren elektromagnetischen Kopplern (8, 9), von denen einer mit dem Sensor (7) und einer mit einer Leseeinheit (12) zur Übertragung einer von der Leseeinheit (12) zum Sensor (7) hin- und rücklaufenden elektromagnetischen Welle verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Koppler (8, 9) wenigstens zwei Koppelelemente (15) umfasst, von denen eines die elektromagnetische Welle streut.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mit der Leseeinheit (12) verbundene Koppler (9) wenigstens zwei zueinander phasenversetzte je einem Kanal zugeordnete Antennensegmente als Koppelelemente (15) aufweist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der mit der Leseeinheit (12) verbundene Koppler (9) eine Mehrfach-Schleifenantenne ist, wobei die Antennenanschlüsse der einzelnen Antennenschleifen als Koppelelemente (15) zueinander in Umfangsrichtung beabstandet sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der mit der Leseeinheit (12) verbundene Koppler (9) ein Array von Antennen als Koppelelemente (15) mit unterschiedlicher Polarisation ist.

5. Vorrichtung nach einem der vorangegangen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Koppelelement (17) zur Streuung der elektromagnetischen Welle eine impedanzbelastete Antenne ist.

Hierzu 6 Blatt Zeichnungen