DE10018621A1

DE10018621A1 - Fernmess-Vorrichtung und -Verfahren

Info

Publication number: DE10018621A1
Application number: DE2000118621
Authority: DE
Inventors: Manfred Glehr
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2000-04-14
Filing date: 2000-04-14
Publication date: 2001-10-31

Abstract

Zur Fernmessung wird ein Sensorelement verwendet, das über einen Funk-Empfänger mit Energie versorgt wird, die Messung durchführt, aus den Rohdaten Messwerte bildet und diese über einen Funk-Sender überträgt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Fernmess-Vorrichtung und ein Fernmess-Verfahren zur Fernmessung von Größen, insbesondere zur Fernmessung an bewegten Teilen.

Die Messung von Größen an bewegten Teilen ist eine häufige Problemstellung. Die Fernmessung von Kräften, Wegen, Drehmo menten, Temperaturen oder Drücken gewinnt nicht zuletzt des halb immer stärkere Bedeutung, da man aus Kostengründen bei Anlagen bestrebt ist, mechanische und hydraulische Systeme durch elektrische Stellglieder zu ersetzen.

In der Kraftfahrzeugtechnik finden sich Beispiele für den Einsatz solcher elektrischer Stellglieder auf dem Gebiet der elektronischen Motorsteuerung, der Getriebesteuerung, der e lektrischen Lenkkraftunterstützung und der elektrischen Brem senbetätigung. Für solche elektrischen Stellglieder gewinnt man direkte Stell- oder Regelgrößen durch entsprechende Mes sungen und Wandlung in elektrische Messwerte. Da dabei immer häufiger an bewegten Teilen zu messen ist, wird die Fernmes sung immer häufiger. Beispielsweise möchte man an rotierenden Scheiben oder Wellen eine Verformungsmessung durchführen, um ein Drehmoment zu messen. Ein solcher Anwendungsfall für eine Drehmomentmessung findet sich in einem Kraftfahrzeug, wo man an der Antriebswelle oder der Lenkwelle Torsionsmessungen vornehmen möchte, um das von der Brennkraftmaschine abgegebe ne Drehmoment zu erfassen oder Eingangsgrößen für eine elekt rische Lenkunterstützung bereitzustellen.

Eine bekannte Art der Fernmessung ist die Verwendung von O berflächenwellenfilterelementen, die mittels einer Laufzeit- Filterstruktur auf einem bewegten mechanischen Träger befes tigt Längenänderungen erfassen. Eine solche Längenänderung kann Folge einer Torsion, einer Druckänderung oder einer Temperaturänderung sein, je nach Art und Bauweise des mechani schen Trägers. Bei solchen Oberflächenwellenfilterelementen ist es bekannt, einen akusto-elektrischen Wandler mit der Laufzeit-Filterstruktur zu koppeln. An den Wandler wird über eine Antenne elektromagnetische Strahlung eingestrahlt und dort in eine akustische Schwingung umgesetzt, die in die Fil terstruktur einkoppelt. Nachdem die akustische Schwingung die Filterstruktur durchlaufen hat, wird sie um die Laufzeit ver zögert vom Wandler wieder in eine elektromagnetische Welle umgesetzt. Nach Abstrahlung über die Antenne kann diese dann empfangen werden.

Eine solche Fernmessung hat jedoch den Nachteil, dass aus dem empfangenen Signal die Laufzeit extrahiert werden muss, wes halb an die Signalübertragungsstrecke zum bzw. vom akusto elektrischen Wandler relativ hohe Anforderungen zu stellen sind. Der Vorteil dieses Prinzips liegt darin, dass das am bewegten Teil angebrachte Messelement rein passiv ausgebildet ist.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Fernmess- Vorrichtung bzw. ein Fernmess-Verfahren bereitzustellen, bei dem die Anforderungen an die Signalübertragungsstrecke gemin dert sind.

Diese Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 gekennzeichnete Vorrichtung bzw. das in Anspruch 7 gekennzeichnete Verfahren gelöst.

Die Erfindung kehrt sich vom bislang verwirklichten Prinzip eines rein passiv ausgebildeten Sensorelementes ab. Das Sen sorelement wird über Funk mit Energie versorgt, führt die Messung durch und wertet die Rohsignale sofort aus. Anschlie ßend werden die gewonnenen Messwerte als Funksignal zurückge sendet. Die Rohsignalauswertung wird mithin von der üblicher weise stationär ausgebildeten Basisstation in das bewegte ü ber Funk angesprochene Sensorelement verlagert. Durch diese Verlagerung können die Rohsignale im Sensorelement sehr viel exakter ausgewertet werden, als wenn sie über eine Funkstre cke zur Basisstation übertragen in ihrer Qualität gemindert würden.

Vorzugsweise versorgt die stationäre Basisstation das Sensor element nur intermittierend über Funksignale mit Energie, die im Sensorelement geeignet gespeichert wird. Dann wird nach jeder Energieversorgung eine Messung durchgeführt, und die Messergebnisse werden vom Sensorelement wieder per Funk zu rückübertragen.

Verwendet man zur Messung ein Oberflächenwellenfilterelement oder ein sonstiges laufzeitmessendes Element, findet die Laufzeitermittlung aus den Rohsignalen im Sensorelement selbst statt. Das Sensorelement empfängt die für seine Arbeit notwendige Energie und sendet die Information über die Mes sung in Form von fertigen Messwerten zurück.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung in einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. In der Zeichnung zeigt:

Figur eine Schemazeichnung zur Veranschaulichung des Fernmessprinzips der vorliegenden Erfindung,

Fig. 2 ein Blockschaltbild eines Sensorelements und

Fig. 3 ein Blockschaltbild einer zugehörigen Basisstation.

Zur Fernmessung an einem bewegten Teil wird das in Fig. 1 im Prinzip dargestellte Schema verwendet. Ein Sensorelement 1 ist an einem bewegten Teil befestigt, in der Ausführungsform der Fig. 1 handelt es sich beispielhaft um einen Reifen 30 eines Kraftfahrzeuges, dessen Druck durch Längenänderung in der Reifenflanke gemessen werden soll. Es sind aber auch an dere bewegte Teile denkbar, beispielsweise eine Antriebswelle im Antriebsstrang eines Fahrzeuges oder eine Lenkwelle, an der drehmomentabhängige Torsion auftritt.

Das Sensorelement 1 kommuniziert mit einer Basisstation 20 über Funksignale. Die Basisstation 20 sendet Energie in Form von Funksignalen an das Sensorelement 1, das diese Energie aufnimmt, eine Längenmessung durchführt und die Messwerte als Funksignale an die Basisstation 20 zurückleitet.

Das Sensorelement 1 ist in Fig. 2 detaillierter dargestellt, die Basisstation 20 in Fig. 3.

Das Sensorelement 1 weist ein Oberflächenwellenfilterelement (im folgenden OFW-Bauteil) 2 auf. Das OFW-Bauteil 2 hat eine als Filterstruktur dienende Laufstrecke 3, die an einen als Sender und Empfänger dienenden akusto-elektrischen Wandler 4 angekoppelt ist. Der Wandler 4 ist über einen Knoten 5 kon taktiert. An den Knoten 5 ist der Ausgang eines Oszillators 6 angeschlossen. Der Oszillator 6 wird von einem Energiespei cher 8 mit Energie versorgt, der von einem Funkempfänger 10 gespeist wird, welcher an eine Antenne 11 angeschlossen ist. Der Energiespeicher 8, bei dem es sich beispielsweise um eine geeignet ausgebildete Kondensatorschaltung handeln kann, speist weiter eine Steuerung 7, die den Oszillator 6 und wei ter einen Sender 9 ansteuert, der wiederum mit der Antenne 11 verbunden ist.

Das OFW-Bauteil 2 ist mit dem Sensorelement 1 so in die Rei fenflanke eingesetzt, dass eine Druckänderung zu einer Deh nung der Laufstrecke 3 führt.

Die Basisstation 20 weist ebenfalls eine Antenne 27 auf, die sowohl an einen Empfänger 24 als auch an einen Sender 23 an geschlossen ist. Der Sender 23 wird von einem Mikrocontroller 22 angesteuert, der eine Auswerteschaltung 25 aufweist, wel che wiederum den Empfänger 24 ansteuert. Die Auswerteschal tung 25 kann als separate Schaltung oder als Programmmodul des Mikrocontrollers 22 verwirklicht sein. Der Mikrocontrol ler 22 wird aus einer Batterie 21 mit Energie versorgt und gibt Messwerte u. ä. an einen Datenbus 26 aus.

Zum Durchführen einer Messung steuert der Mikrocontroller 22 den Sender 23 an, um ein Funksignal über die Antenne 27 abzu strahlen. Dieses Funksignal wird über die Antenne 11 vom Funk-Empfänger 10 des Sensorelementes 1 aufgenommen. Der E nergiespeicher 8 erhält dieses Funksignal zugeführt und spei chert die darin enthaltene Energie. Mit dieser Energie, die im Energiespeicher 8 in eine Spannung umgesetzt wird, wird die Steuerung 7 aktiviert. Dies kann beispielsweise dadurch geschehen, dass die Steuerung 7 aktiv wird, sobald die Span nung in der Kondensatorschaltung des Energiespeichers 8 einen gewissen Schwellwert überschreitet, bei dem der Energiespei cher 8 so ausreichend gefüllt ist, dass die nachfolgend zu beschreibende Messung durchgeführt werden kann.

Mit der Aktivierung steuert die Steuerung 7 den Oszillator 6 an, der am Wandler 4 eine Laufzeitmessung über die Laufstre cke 3 bewirkt. Die Steuerung 7 erfasst dabei über den Oszil lator 6 und den akusto-elektrischen Wandler 4 die Laufzeit für das vom Wandler 4 abgegebene Signal in der Laufstrecke 3. Diese Laufzeit wird von der Steuerung 7 in ein Längensignal umgesetzt und über den Funk-Sender 9 an der Antenne 11 abge strahlt. Vorzugsweise setzt die Steuerung 7 dazu einen Lauf zeitoszillator ein, dessen erzeugte Frequenz durch die Lauf zeit im OFW-Bauteil 2 bestimmt wird. Diese Frequenz wird dann von der Steuerung 7 in geeigneter Modulation über den Funk- Sender 9 an der Antenne 11 abgestrahlt.

Die Basisstation 20 nimmt dieses Signal am Empfänger 24 über die Antenne 27 auf und wertet sie in der Auswerteschaltung 25 aus. Beispielsweise wird die Modulation der Frequenz in die Längenänderung des Sensorelementes 1 und diese im vorliegen den Beispiel in den Reifendruck umgesetzt, der an den Mikro controller 22 geleitet und von diesem am Datenbus 26 ausgege ben wird.

Natürlich kann anstelle des hier verwendeten OFW-Bauteils 2 und des Oszillators 6 auch ein beliebig anderes Messelement von der Steuerung 7 zur Durchführung einer Messung geeignet angesteuert bzw. eingesetzt werden. Möglich sind Druckmessun gen, Temperaturmessungen o. ä. Je nach Gestaltung des OFW- Bauteils kann aber beispielsweise die Temperatur auch mit ei nem OFW-Bauteil 2 erfasst werden, da die Laufzeit in einem solchen Bauteil auch temperaturabhängig ist.

Auch ist es möglich, dass die Steuerung 7 mehrere Größen er fasst, beispielsweise zusätzlich zu einer torsionsabhängigen Längenänderung der Laufstrecke 3 auch die Temperatur, und ei ne entsprechende Störgrößenbereinigung durch Berücksichtigung dieser zusätzlich gemessenen Größe bei der Ermittlung des Messwertes aus den Rohsignalen vornimmt.

Claims

1. Fernmess-Vorrichtung mit einem Sensorelement (1), das aufweist
einen Funk-Empfänger (10),
einen mit dem Funk-Empfänger (10) verbundenen Betriebs baustein (8), der aus der vom Funk-Empfänger (10) aufge nommenen Energie Betriebsenergie erzeugt,
einem Messbaustein (2, 6), der mit der Betriebsenergie versorgt eine Messung durchführt und diese beschreiben de Rohsignale ausgibt,
einem Bereitstellungsbaustein (7), der mit der Betriebs energie versorgt die Rohsignale zu Messwerten aufberei tet,
und
einen Funk-Sender (9), der die Messwerte zugeführt er hält
und mit der Betriebsenergie versorgt die Messwerte als Funksignal sendet, und
einer Basisstation (20), die aufweist
einen Sender (23), der Energie an den Funk-Empfänger (10)
des Sensorelements (1) abstrahlt, und
einen Empfänger (24), der das Funksignal vom Funk-Sender (9) des Sensorelements (1) aufnimmt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Bereitstellungsbaustein (7) mindestens eine Störgröße erfasst und bei der Aufberei tung eine diesbezügliche Bereinigung vornimmt.

3. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Messbau stein (2, 6) ein Temperaturfühler ist.

4. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Messbau stein (2, 6) ein Längen- oder Verformungsfühler ist, der eine Längenänderung oder Verformung des Sensorelementes (1) misst.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Messbaustein ein Ober flächenwellenbauteil (2) und einen dieses speisenden Schwing kreis (6) zur Laufzeitmessung aufweist.

6. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensor element (1) zur Befestigung an einem bewegten Teil (30) aus gebildet und frei von inneren Energiequellen ist.

7. Fernmessverfahren, bei dem
ein Sensorelement über Funksignale mit Energie versorgt wird,
im Sensorelement eine Messung durchgeführt wird,
die aus dieser Messung gewonnenen Rohsignale im Sensor element zu Messwerten aufbereitet werden,
die Messwerte vom Sensorelement mittels Funksignalen übertragen werden.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekenn zeichnet, dass bei der Messung eine Laufzeitmessung durchgeführt wird und bei der Rohsignalaufbereitung aus der Laufzeitmessung als Messwert eine Länge ermittelt wird.

9. Verfahren nach einem der vorherigen Verfahrensansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensor element intermittierend mit Energie versorgt wird und auf je de Energieversorgung hin eine Messung durchgeführt und Mess werte übertragen werden.

10. Verfahren nach einem der vorherigen Verfahrensansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Störgröße der Messung erfasst wird und bei der Rohdaten aufbereitung eine Störgrößenkorrektur durchgeführt wird.