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Die Erfindung bezieht sich auf eine
Containerstation gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Unter einer Containerstation wird
dabei jede in einen Container eingebaute industrielle bzw. elektrische
Anlage verstanden, wie beispielsweise Schaltanlage (insbesondere
für Niederspannung
und Mittelspannung), Transformatorstation (beispielsweise mit Gießharztransformator),
Energieverteilungsanlage, Energieumformanlage (Umformung von Wechselstrom
in Gleichstrom, Umformung von Wechselstrom unterschiedlicher Frequenz),
Energieversorgungs- oder Energieerzeugungsstation (Stromerzeugungsstation
mit Generator wie Windkraftgenerator oder Solargenerator, mobile
Stromerzeugungsstation), Ersatzstromversorgungsanlage (unterbrechungsfreie
Stromversorgungsanlage oder Diesel-Notstromanlage mit Stromerzeugungsaggregat),
Wasserversorgungsanlage (Wasserförderung), Wasser/Abwasserbehandlungs-
oder Abwasseraufbereitungsanlage, Gasförderanlage, Ölförderanlage (beispielsweise
auf Bohrinseln), Flüssigkeitsüberwachungsanlage
(Tankanlage).
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Der die Anlage enthaltende Container
selbst besteht dabei allseitig (Seitenwände, Boden, Decke) aus Stahlbeton
oder aus einem elektromagnetische Strahlung abschirmenden Metall
(beispielsweise verzinktes Eisenblech, Aluminium).
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Bei derartigen Containerstationen
ist es allgemeiner bekannter Stand der Technik, die Kommunikation
zwischen einem Rechner bzw. Steuerung/Regelung bzw. Prozeßleitsystem
einerseits und den einzelnen Sensoren und/oder Aktoren der Anlage
andererseits über
Draht- bzw. Kabelverbindungen zu realisieren. Unter dem Begriff
Kommunikation wird insbesondere die Weiterleitung von Sensorsignalen (Daten)
von den Sensoren zum Rechner und die Abgabe von Befehlen vom Rechner
an die Aktoren verstanden. Die Energieversorgung der Sensoren und Aktoren
erfolgt Leitungen/Kabel.
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In der
DE 199 26 562 A1 wird ein
System für eine
eine Vielzahl von Aktoren aufweisende Maschine, insbesondere Fertigungsautomat,
vorgeschlagen,
- – wobei jeder Aktor mindestens
eine zur Energieaufnahme aus einem mittelfrequenten Magnetfeld geeignete
Sekundärwicklung
aufweist,
- – wobei
mindestens eine von einem mittelfrequenten Oszillator gespeiste
Primärwicklung
zur drahtlosen Versorgung der Aktoren mit elektrischer Energie vorgesehen
ist,
- – wobei
jeder Aktor mit einer Empfangseinrichtung ausgestattet ist, welche
Funksignale einer mit einem Prozessrechner der Maschine verbundenen
zentralen Sendeeinrichtung empfängt.
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Des weiteren werden ein Verfahren
und eine Anordnung zur drahtlosen Versorgung einer Vielzahl Aktoren
mit elektrischer Energie vorgeschlagen.
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In der
DE 199 26 799 A1 wird ein
System für eine
eine Vielzahl von Sensoren, insbesondere Näherungssensoren, aufweisende
Maschine, insbesondere Fertigungsautomat, vorgeschlagen,
- – wobei
jeder Sensor mindestens eine zur Energieaufnahme aus einem mittelfrequenten
Magnetfeld geeignete Sekundärwicklung
aufweist,
- – wobei
mindestens eine von einem mittelfrequenten Oszillator gespeiste
Primärwicklung
zur drahtlosen Versorgung der Sensoren mit elektrischer Energie
vorgesehen ist,
- – wobei
jeder Sensor mit einer Sendeeinrichtung ausgestattet ist, welche
interessierende Sensor-Informationen beinhaltende Funksignale an eine
zentrale, mit einem Prozessrechner der Maschine verbundene Empfangseinrichtung
abgibt.
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Des weiteren werden ein Verfahren
und eine Anordnung zur drahtlosen Versorgung einer Vielzahl Sensoren
mit elektrischer Energie vorgeschlagen.
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Aus der
WO 94/11851 A1 ist ein miniaturisierter
Telemetriebaustein bekannt, der insbesondere zur drahtlosen Übertragung
von mit einem Sensor gewonnenen Messgrößen oder an einen Aktor übermittelten
Signalgrößen oder
bei der Programmierung von Steuer-, Regel- bzw. Kontrollsystemen
dient. Beim Verfahren der Telemetrie wird üblicherweise mittels eines
Hochfrequenzgenerators über
ein Antennensystem drahtlos in einen Impulsübertrager Energie eingespeist,
der mit einem Sensor in Verbindung steht, dessen Messgrößen der
reflektierenden Welle aufgeprägt
werden und nach Demodulation auswertbar sind.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine
Containerstation der eingangs genannten Art mit vereinfachter Kommunikation
und Energieversorgung anzugeben.
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Diese Aufgabe wird in Verbindung
mit den Merkmalen des Oberbegriffes erfindungsgemäß durch
die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.
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Die mit der Erfindung erzielbaren
Vorteile bestehen insbesondere darin, daß im Vergleich zu konventionellen
Lösungen
mit Kabel- bzw. Drahtanschlüssen
für die
Kommunikation und die Energieversorgung der aufgrund der Kabel-
bzw. Drahtanschlüsse
durch Planung, Material, Installation (Montage), Dokumentation und
Wartung bedingte relativ hohe Kostenfaktor entfällt. Die Planung, Herstellung und
Montage wird insbesondere bei einer großen Vielzahl von Sensoren und
Aktoren der Anlage beträchtlich
vereinfacht. Da die Kabel- bzw. Drahtverbindungen insgesamt ein
relativ hohes Gewicht aufweisen, ergibt sich eine vorteilhafte Gewichtsreduktion.
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Es können keine Ausfälle aufgrund
von Draht- bzw. Kabelbrüchen
oder schlechten, beispielsweise korrodierten Kontakten auftreten,
was die Langzeitzuverlässigkeit
er höht.
Die innerhalb des Containers produzierte elektromagnetische und
magnetische Strahlung kann eine relativ hohe Leistung aufweisen
und bereitet trotzdem hinsichtlich ihrer Wirkung (Emission) nach
außen
hin keinerlei Probleme, da durch die Seitenwän de, den Bodenbereich und die
Decke des Containers eine ausreichende Abschirmung gegen diese Strahlung
gegeben ist. Somit werden Störungseinflüsse (Interferenzen)
außerhalb der
Containerstation zuverlässig
verhindert.
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Im Vergleich zur Verwendung von Batterien zur
drahtlosen Energieversorgung entfallen der Wartungsaufwand und der
Kostenaufwand, der durch den erforderlichen Austausch von Batterien – zumal an
schwer zugänglichen
Stellen – bedingt
ist.
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Im angegebenen Mittelfrequenz-Bereich
der Energieversorgung mittels eines magnetischen Feldes von etwa
15 kHz bis etwa 15 MHz
sind die sich durch Skineffekte ergebenden Nachteile, beispielsweise
die auftretenden Verluste, noch handhabbar. Die elektromagnetischen
Wellen werden aufgrund der im Vergleich zu den auftretenden Wellenlängen zu
kleinen und deshalb als Antennen unwirksamen Primärspulen
nicht abgestrahlt. Eine EMV-Messung von eventuell abgestrahlten
Störungen
muß nicht
erfolgen. Vorteilhaft tritt auch an unzugänglichen Stellen innerhalb
des Containers ein zur Energieversorgung ausreichend starkes Magnetfeld
auf. Es ergibt sich ein relativ einfacher Aufbau der Anordnung.
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Weitere Vorteile sind aus der nachstehenden Beschreibung
ersichtlich.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der
Erfindung sind in den Unteransprüchen
gekennzeichnet.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand
der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert. Es
zeigen:
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1 den
prinzipiellen Aufbau der Kommunikation und der Energieversorgung
von Sensoren und Aktoren einer Containerstation,
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2 das
Kommunikationssystem der Sensoren und Aktoren der Containerstation,
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3 den
Aufbau einer Basisstation,
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4 den
Aufbau eines Sensors und Aktors,
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5, 6 unterschiedliche Ausführungsformen
für Primärspulen.
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In 1 ist
der prinzipielle Aufbau der Kommunikation und der Energieversorgung
von Sensoren und Aktoren einer Containerstation dargestellt. Es
ist ein eine elektrische oder industrielle Anlage enthaltender Container
A zu erkennen, wobei diese Anlage eine Vielzahl von Sensoren und
Aktoren 5.1, 5.2, 5.3 . . . 5.n (n
= beliebige ganze Zahl) oder allgemein 5 aufweist. Die Kommunikation
zwischen den Sensoren und Aktoren 5.1, 5.2, 5.3 . . . 5.n einerseits und
einer zentralen Basisstation 4 andererseits erfolgt über Funksignale.
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Zweckmäßig erfolgt die Energieversorgung dieser
Sensoren und Aktoren 5.1, 5.2, 5.3 . . . 5.n ebenfalls
drahtlos, wozu mindestens eine mittels eines Oszillator B gespeiste
Primärspule
C innerhalb des Containers A angeordnet ist. Der Oszillator B speist
die mindestens eine Primärspule
C mit einer mittelfrequenten Schwingung im Bereich von etwa 15 kHz
bis 15 MHz, wodurch ein magnetisches
Feld dieser Frequenz erzeugt wird. Wie bereits eingangs angedeutet,
würde diese
Mittelfrequenz zur Abstrahlung von elektromagnetischen Feldern führen, deren Wellenlängen größer als
22 m bis 22 km
sind und damit größer sind
als die Abmessung der eingesetzten Primärspule C, so daß die Primärspule C
aufgrund ihrer Abmessungen nicht als Antenne für derartige elektromagnetische
Strahlung wirkt.
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Gemäß einer in 1 skizzierten beispielhaften Ausführungsform
bestehen die beiden elektrisch parallel am Oszillator B angeschlossenen
und horizontal angeordneten Primärspulen
C aus jeweils einer einzigen Windung oder auch aus jeweils mehreren
Windungen, wobei die Sensoren und Aktoren 5 zwischen den
sich gegenüberliegenden
Primärspulen
C angeordnet sind. Zweckmäßig liegt
die Primärspule
C über
einem Kompensationskondensator am Oszillator B, wodurch ein resonanter
Betrieb erzielt wird. Zwischen den beiden Primärspulen C tritt ein relativ
gleichmäßiges Magnetfeld auf.
Von Wichtigkeit ist es dabei, daß sich die Aktoren und Sensoren 5 stets
im sich zwischen beiden Primärspulen
C ausbildenden magnetischen Feld befinden, so daß über ihre Sekundärwicklungen
(siehe auch 4 mit Beschreibung)
eine magnetische Ankopplung wirksam und demzufolge eine Energieeinspeisung
in die Sensoren und Aktoren möglich
ist.
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Bei Ausbildung der Primärspule C
mit einer einzigen Windung kann diese Windung aus mehreren Wicklungsabschnitt-Flächen zusammengesetzt sein,
welche als vollflächige
Platten oder grob- oder feinmaschiges Gewebe oder Netz aus einem
elektrisch leitfähigen
Material, vorzugsweise einem Metall bestehen. Desgleichen ist es
möglich,
zumindest einzelne Wicklungsabschnitt-Flächen durch mehrere Leiter zu
bilden, welche elektrisch parallel geschaltet sind. Auch kann eine
derartige Wicklungsabschnitt-Fläche
von der Stahl-Armierung einer Betonplatte gebildet sein, welche
als Seitenwand des Containers A fungiert. Desgleichen ist eine Integration von
Wicklungsabschnitt-Flächen
in Fußboden,
Seitenwänden
und Decke des Containers A in gleicher Art und Weise realisierbar. 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel
hierzu mit vier Wicklungsabschnitt-Flächen C1, C2, C3, C4, welche
durch den Boden, die Decke und zwei Seitenwandungen des Containers
A gebildet werden.
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Die Primärspulen C können angeordnet sein, wie dies
in der Zeichnung gezeigt ist, es sind jedoch weitere hierzu unterschiedliche
Ausführungsformen der
Primärspule
C realisierbar. Bei Einsatz von zwei Primärspulen C können diese auch orthogonal
angeordnet sein. Des weiteren kann lediglich eine einzige Primärspule C
vorgesehen sein, welche alle Sensoren und Aktoren 5 der
Anlage global umfaßt.
Alternativ hierzu können
auch drei orthogonal zueinander angeordnete Primärspulen C5, C6, C7 vorgesehen sein,
was den Vorteil hat, daß ein
besonders gleichmäßiges Magnetfeld
ohne bestimmte Vorzugsrichtungen produziert wird. Eine derartige
Ausführungsform
ist in 6 gezeigt.
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Als Sensoren 5 sind beispielsweise
Temperaturmeßsensoren,
Druckmeßsensoren,
Strommeßsensoren,
Spannungsmeßsensoren,
Näherungssensoren/Näherungsschalter,
Endschalter, Lichtschranken, optische und kapazitive Sensoren einsetzbar.
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Als Aktoren 5 werden beispielsweise
mikromechanische, piezoelektrische, elektrochemische, magnetostriktive,
elektrostriktive, elektrostatische oder elektromagnetische Aktoren
eingesetzt.
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Bei Realisierung der Containerstation
als Schaltanlage werden beispielsweise folgende Sensoren und Aktoren 5 mit
drahtloser Kommunikation und drahtloser Energieversorgung eingesetzt:
Strommeßsensoren,
Spannungsmeßsensoren,
Temperaturmeßsensoren,
Druckmeßsensoren,
Spannungsrelais, Frequenzrelais, Stellungsmelder (für Leistungsschalter,
Trennschalter und Erdungsschalter), Überstromrelais, Überlastrelais,
Differentialrelais, Distanzrelais, Wiedereinschaltrelais, Erdschlußrichtungsrelais,
Verriegelungen von Schaltgeräten, Schreiber
(für Strom,
Spannung, Leistung, Frequenz, Leistungsfaktor), Zähler (Energiemengen).
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In 2 ist
das Kommunikationssystem der Containerstation dargestellt. Es ist
ein Rechner 1 bzw. Prozeßleitsystem bzw. Steuerung/Regelung
zu erkennen. Ein an den Rechner 1 angeschlossener Monitor 2 dient
zur Visualisierung des Prozeßablaufes
bzw. Prozeßzustandes.
Eine Bedieneinheit 3 dient zur Bedienung des Rechners 1 und
zur direkten Kommunikation mit dem Rechner 1 bzw. mit der Steuerung/Regelung.
Unmittelbar an den Rechner 1 ist die Basisstation 4 angeschlossen.
Diese Basisstation 4 weist einen Funksender und einen Funkempfänger oder
eine kombinierte Sende/Empfangseinrichtung auf, welche Funksignale
(Hochfrequenzsignale) abgibt und empfängt. Es erfolgt eine drahtlose Kommunikation
zwischen der Basisstation 4 und der Vielzahl von Sensoren
und Aktoren 5.1, 5.2, 5.3 . . . 5.n,
welche der im Container A eingebauten Anlage zugeordnet sind.
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Die drahtlose Kommunikation zwischen
der Basisstation 4 und den einzelnen Sensoren und Aktoren 5.1 bis 5.n erfolgt
vorzugsweise über
2-Weg Funkverbindungen. Jeder Sensor und Aktor 5 ist hierzu
mit einem Funksender 6.1 . . . 6.n oder
allgemein 6 und/oder einem Funkempfänger 7.1 . . . 7.n oder allgemein
7 oder einer kombinierten Sende/Empfangseinrichtung ausgestattet,
die Funksignale abgibt und empfängt.
Beispiels weise geben die Sensoren Sensorsignale (Daten), d. h. Funksignale
hinsichtlich des aktuellen Zustandes/Schaltzustandes, der aktuellen
Temperatur oder der aktuellen Spannung ab und empfangen Parametersätze über Funk, wie
beispielsweise Sensor-Schaltschwellen
bzw. Schalthysteresen (bidirektionale Kommunikation).
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Die Aktoren empfangen Parametersätze und Steuerbefehle
zur Ausführung
bestimmter Handlungen und geben Rückmeldesignale, d. h. Funksignale hinsichtlich
aktueller Aktor-Informationen, wie die Rückmeldung "gewünschte
Handlung erfolgreich/nicht erfolgreich ausgeführt" oder allgemein die Rückmeldung über die
aktuelle Aktorstellung an den Rechner 1 ab (bidirektionale
Kommunikation). Die Funksignale zu allen Sensoren und/oder Aktoren 5.1 . . . 5.n bzw.
von allen Sensoren und/oder Aktoren werden von der Basisstation 4 als
zentraler Sende/Empfangseinrichtung des Prozeßleitsystems der Anlage abgegeben
bzw. empfangen.
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In 3 ist
der Aufbau einer Basisstation dargestellt. Die Basisstation 4 weist
einen Funksender 8 mit vorgeschaltetem Modulator/Codieren 9 und nachgeschalteter
Antenne 10 zur Abstrahlung modulierter und codierter Signale
auf. Der Modulator/Codieren 9 ist mit einer Verarbeitungseinheit 11 (zur Verarbeitung
der Kommunikationssignale) verbunden, desgleichen ein Demodulator/Decodierer 13 mit vorgeschaltetem
Funkempfänger 12,
welcher zweckmäßig an die
gleiche Antenne 10 angeschlossen ist, um modulierte und
codierte Signale zu empfangen. Die Verarbeitungseinheit 11 ist
an den Rechner 1 angeschlossen.
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In einer einfacheren, nur zur drahtlosen 1-Weg
Kommunikation mit Sensoren geeigneten Ausführungsform weist die Basisstation 4 einen Funkempfänger 10 auf,
während
jeder Sensor lediglich mit einem Funksender 6.1 . . . 6.n versehen
ist. Bei dieser Ausführungsform
ist es möglich,
die erfaßten
Sensordaten als drahtlose Sensorsignale an die Basisstation 4 zu übermitteln.
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In einer einfacheren, nur zur drahtlosen 1-Weg
Kommunikation mit Aktoren geeigneten Ausführungsform weist die Basisstation 4 einen
Funksender 8 auf, während
jeder Aktor lediglich mit einem Funkempfänger 7.1 . . . 7.n versehen
ist. Bei dieser Ausführungsform ist
es möglich,
die notwendigen Steuerbefehle und Parametersätze drahtlos an die Aktoren
zu übermitteln.
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In 4 ist
der Aufbau eines Sensors oder Aktors dargestellt. Ein Sensor 5 weist
einen eine Sensorumgebung detektierenden Sensorkopf 14 inklusive
Signalauswertung, einen an den Sensorkopf 14 angeschlossenen
Modulator/Codierer 15 und den diesem nachgeschalteten Funksender 6 auf.
Der zur Funkübertragung
von Sensorsignalen dienende Funksender 6 ist an eine Antenne 16 angeschlossen. Diese
Antenne 16 dient vorzugsweise gleichzeitig zum Empfang
von Parametersätzen über Funk,
wie vorgegebene Sensor-Schaltschwellen bzw. Schalthysteresen und
ist hierzu mit dem Funkempfänger 7 verbunden,
der an einen Demodulator/Decodieren 17 angeschlossen ist.
Das Ausgangssignal des Demodulators/Decodierers 17 wird
einer Verarbeitungseinheit 18 (inklusive Speicher) zugeleitet, welche
wiederum mit dem Sensorkopf 14 in Verbindung steht. Alternativ
hierzu weist der Sensorkopf 14 Mittel zur Verarbeitung
und Speicherung der empfangenen Parametersätze auf.
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Bei Ausführung als Aktor bezeichnet
Ziffer 14 eine Stellungsanzeige und Ziffer 18 das
eigentliche Aktorelement, beispielsweise ein Schütz, eine Anzeigeeinheit oder
ein Stellglied.
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Wie vorstehend bereits erwähnt, kommuniziert
die zentrale Basisstation 4 mit den Sensoren und Aktoren über Funk,
d. h. die Basisstation 4 empfängt einerseits Sensorsignale
der Sensoren sowie Rückmeldesignale
der Aktoren und strahlt andererseits Befehle an die Aktoren sowie
Parametersätze an
die Sensoren ab. Zur Trennung der einzelnen Funkverbindungen untereinander
und zur Verhinderung von störenden
Interferenzen zwischen den einzelnen Kommunikationswegen können allgemein
bekannte Verfahren der Funktechnik eingesetzt werden (beispielsweise
CDMA, Code Division Multiple Access oder TDMA, Time Division Multiple
Access).
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Eine Energieversorgung jedes Sensors und/oder
Aktors 5 dient zur Versorgung von Sensorkopf bzw. Stellungsanzeige 14,
Modulator/Codieret 15, Funksender 6, Funkempfänger 7,
Demodulator/Decodieren 17 und Verarbeitungseinheit bzw.
Aktorelement
18. Diese Energieversorgung weist mindestens
eine Sekundärspule 19 (alternativ
zwei Sekundärspulen
oder drei orthogonale Sekundärspulen,
Aufbau wie unter 6 zur
Primärspule
gezeigt) zur Umwandlung der Energie des von der Primärspule C
erzeugten magnetischen Feldes in elektrische Energie auf, des weiteren
einen nachgeschalteten Energiewandler bzw. Gleichrichter und einen
Energiespeicher, in 4 mit
Ziffer 20 bezeichnet. Zweckmäßig ist ein Kompensationskondensator
zwischen Sekundärspule 19 und
Energiewandler angeordnet, um derart einen Resonanzbetrieb zu erzielen.
Wie bereits vorstehend angedeutet, liegt eine rein magnetische Kopplung
gemäß dem Transformatorprinzip (und
keine wirksame elektromagnetische Kopplung) zwischen der Primärspule C
und den Sekundärwicklungen 19 der
Energieversorgungen von Sensoren und Aktoren vor.