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Die
Erfindung betrifft ein System zum Aussenden von Zustandsdaten aus
dem Innenraum eines pneumatischen Reifens. Ein kontinuierliches Überwachen
von Zustandsdaten, wie bspw. Temperatur, Luftdruck, etc., aus dem
Innenraum eines pneumatischen Reifens stellt einen wichtigen Aspekt für die Erhöhung der
Sicherheit von Fahrzeugen mit pneumatischen Reifen dar. Durch die
kontinuierliche Überwachung
der Zustandsdaten kann die Gefahr schwerer Verkehrsunfälle, welche
bspw. durch einen platzenden Reifen oder sehr starken Luftverlust
in einem Reifen verursacht werden, wesentlich verringert werden.
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Bekannt
sind drahtlose Übertragungsanlagen
für Messdaten,
wie Temperatur, Luftdruck, etc., von einem Reifen, welche in der
Regel auf sogenannten ISM-Frequenzen (ISM = Industrial, Science,
Medical) arbeiten, deren Nutzung kostenlos ist. Der Frequenzbereich
der ISM-Frequenzen liegt bspw. im 433/434 MHz oder im 868/869 MHz
Band. Eine Montage von Antennen, welche geeignet sind, elektromagnetische
Strahlung in diesen beiden Frequenzbereichen abzustrahlen, in oder
an einem Fahrzeugreifen ist schwierig, da hierfür verwendete „λ/4-Antennen" eine Länge von
ein Viertel der abgestrahlten Wellenlänge aufweisen müssen. Für die beiden
oben genannten Frequenzen beträgt
die zugehörige
Wellenlänge
ca. 70 cm bzw. ca. 35 cm. Geeignete Antennen weisen folglich eine
Länge von
ca. 12,5 cm bzw. ca. 9 cm auf. Ferner ist der Wirkungsgrad derartiger
Antennen im Allgemeinen nicht sehr hoch und eine Übertragung
der Strahlung ins Fahrzeuginnere ist nur über Reflexionen möglich, da
Frequenzen unterhalb von ca. 1 GHz Metallflächen in der Regel nicht, oder
nur mit sehr hohen Verlusten durchdringen können und somit der direkte Übertragungsweg
vom Fahrzeugreifen durch die Metallverkleidung hindurch ins Fahrzeug
nicht genutzt werden kann. Da die hierbei ausgenutzten Reflexionen
sich jedoch fortlaufend bei einer Bewegung des Fahrzeugs ändern, ist
eine zuverlässige
Kommunikation nicht immer gewährleistet.
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DE 101 64 489 A1 beschreibt
eine Vorrichtung zum drahtlosen Senden und/oder Empfangen von Daten,
wie bspw. Reifendruck und Reifentemperatur, wobei die Vorrichtung
mit einem Fahrzeugreifen verbunden ist und wobei wenigstens ein
Teil des Ventils des Fahrzeugreifens als Antenne für die Vorrichtung
vorgesehen ist.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein System und ein Verfahren
zum Aussenden von Zustandsdaten aus dem Innenraum eines pneumatischen
Reifens bereitzustellen, welche eine höhere Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit
gegenüber dem
Stand der Technik bieten und welches System vergleichsweise kostengünstig herzustellen
ist.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein
System zum Aussenden von Zustandsdaten aus dem Innenraum eines pneumatischen
Reifens gelöst,
wobei das System einen Bereich aus einem elektrisch leitfähigen Werkstoff,
in welchem ein Ventilteil angeordnet ist, ein kapazitives Koppelelement, eine
Sendeeinrichtung, welche so ausgebildet ist, um mittels des kapazitiven
Koppelelements den Bereich aus dem elektrisch leitfähigen Werkstoff
zu elektrischen Dipolschwingungen anzuregen, sodass der Bereich
aus dem elektrisch leitfähigen
Werkstoff als schwingender Dipol elektromagnetische Strahlung abstrahlt
und eine Energieversorgungseinheit aufweist, und wobei mittels der
elektromagnetischen Strahlung die Zustandsdaten aus dem Innenraum des
pneumatischen Reifens ausgesendet werden.
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Diese
Aufgabe wird ferner erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Aussenden
von Zustandsdaten aus dem Innenraum eines pneumatischen Reifens
mit Hilfe des oben genannten erfindungsgemäßen Systems gelöst, welches
ferner eine intelligente Logiksteuerung (z.B. Mikroprozessor, Mikrocontroller,
ASIC oder festverdrahtete Logik) aufweist, welche so ausgebildet
ist, um die Zustandsdaten aus dem Innenraum des pneumatischen Reifens
zu für die
Sendeeinrichtung übertragbaren
Daten zu verarbeiten, und wobei in oder neben der intelligenten
Logiksteuerung ein Druck- und/oder Temperatursensor zur Ermittlung
der Zustandsdaten aus dem Innenraum des pneumatischen Reifens integriert
ist. Die intelligente Logiksteuerung erfasst die in Signalen des
integrierten Druck- und/oder Temperatursensors enthaltenen Zustandsdaten
aus dem Innenraum des pneumatischen Reifens und verarbeitet die
Zustandsdaten zu für
die Sendeeinrichtung übertragbaren
Daten. Die Sendeeinrichtung sendet die Zustandsdaten aus dem Innenraum
des pneumatischen Reifens zu vorbestimmten Zeitintervallen oder
bestimmten Zeitpunkten mittels über
den Bereich aus dem elektrisch leitfähigen Werkstoff abgestrahlter elektromagnetischer
Wellen aus.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Vorteilhafterweise
weist das kapazitive Koppelelement ein den elektrischen Strom leitendes stabförmiges Element
auf, welches innerhalb des Bereichs aus dem elektrisch leitfähigen Werkstoff
angeordnet ist und zusammen mit dem Bereich aus dem elektrisch leitfähigen Werkstoff
und einem zwischen diesen liegenden Fluid einen Kondensator bildet.
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Zweckmäßigerweise
ist das stabförmige
Element des kapazitiven Koppelelements zur Vermeidung eines Kurzschlusses
zwischen dem stabförmigen
Element und dem Bereich aus dem elektrisch leitfähigen Werkstoff von einer elektrischen
Isolationsschicht umschlossen.
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Das
erfindungsgemäße System
nutzt den bei einem pneumatischen Reifen in der Regel bereits vorhandenen
Bereich aus einem elektrisch leitfähigen Werkstoff, bspw. ein
Ventilgehäuse,
in welchem das Ventilteil angeordnet ist, als Antenne, über welche
dadurch, dass sie aus dem Reifen hervorragt, effektiv elektromagnetische
Strahlung ausgesendet werden kann. Durch das stabförmige Element
des kapazitiven Koppelelements wird der Bereich aus dem elektrisch
leitfähigen
Werkstoff mit der Sendeeinrichtung ohne eine direkte mechanische
Verbindung gekoppelt, wodurch das erfindungsgemäße System weniger empfindlich
gegenüber äußerer mechanischer
Belastung wird.
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Zweckmäßigerweise
wird mittels einer Kapazität
des Kondensators zur kapazitiven Kopplung der Sendeeinrichtung mit
dem Bereich aus dem elektrisch leitfähigen Werkstoff eine physikalische
Länge des
Bereichs aus dem elektrisch leitfähigen Werkstoff elektrisch
verkürzt
oder verlängert,
um als eine Antenne mit einer effektiven Länge von λ/4 elektromagnetische Strahlung
mit einer vorbestimmten Wellenlänge λ abzustrahlen.
Hierbei wird die Kapazität des
Kondensators über
die Länge
und den Durchmesser des stabförmigen
Elements des kapazitiven Koppelelements bestimmt.
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Hiermit
wird die Notwendigkeit umgangen, dass der elektrisch leitfähige Werkstoff
genau eine Länge
von λ/4
aufweisen muss, um elektromagnetische Strahlung mit einer vorbestimmten
Wellenlänge λ abzustrahlen,
da der Bereich aus dem elektrisch leitfähigen Werkstoff mit einer von λ/4 abweichenden Länge mittels
der kapazitiven Kopplung impedanzrichtig angepasst wird.
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Vorteilhafterweise
bildet die mit dem Bereich aus dem elektrisch leitfähigen Werkstoff
elektrisch verbundene Energieversorgungseinheit zusammen mit einer
zu dem pneumatischen Reifen gehörenden Metallfelge
ein Gegengewicht zur Verbesserung von Abstrahleigenschaften des
als λ/4-Antenne
dienenden Bereichs aus dem elektrisch leitfähigen Werkstoff.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
weist das erfindungsgemäße System
ferner eine intelligente Logiksteuerung (z.B. Mikroprozessor, Mikrocontroller,
ASIC oder festverdrahtete Logik) auf, welche so ausgebildet ist,
um die Zustandsdaten aus dem Innenraum des pneumatischen Reifens
zu für
die Sendeeinrichtung übertragbaren
Daten zu verarbeiten.
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In
einer besonders bevorzugten Ausführungsform
ist in oder neben der intelligenten Logiksteuerung ein Druck- und/oder
Temperatursensor zur Ermittlung der Zustandsdaten aus dem Innenraum des
pneumatischen Reifens integriert.
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Das
vorliegende erfindungsgemäße System wird
anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
in der nachfolgenden Figur näher
erläutert.
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1 zeigt
schematisch einen Längsschnitt durch
ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung.
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1 zeigt
einen Längsschnitt
von einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen Systems.
Der Bereich aus einem elektrisch leitfähigen Werkstoff 9 ist
in diesem Ausführungsbeispiel
als ein Ventilgehäuse 9,
bspw. aus Messing, ausgebildet, in welchem das Ventilteil 8 angeordnet ist.
Das Ventilgehäuse 9 ist über das
kapazitive Koppelelement 5 mit der Sendeeinrichtung 4 kapazitiv gekoppelt.
Hierzu weist das kapazitive Koppelelement 5 das elektrisch
leitfähige
stabförmige
Element 5A auf, welches von der elektrischen Isolationsschicht 6 umschlossen
ist. Das stabförmige
Element 5A und das Ventilgehäuse 9 bilden zusammen
mit der in dem Ventilgehäuse 9 eingeschlossenen
Luft 7 als Dielektrikum einen Kondensator. Durch diese
Art der kapazitiven Kopplung der Sendeeinrichtung 4 mit dem
Ventilgehäuse 9 wird
ein direktes festes Verbinden, bspw. über einen herkömmlichen
Kondensator, der Sendeeinrichtung 4 mit dem Ventilgehäuse 9 vermieden,
wodurch eine Montage des erfindungsgemäßen Systems an der Felge in
herkömmlicher
Weise (snap-in), d.h. in gleicher Weise wie eine Montage eines herkömmlichen
Ventils in einer Felge, ermöglicht
wird. Eine Verbindung über
einen herkömmlichen
Kondensator würde
bei einer derartigen Montage brechen, da das Ventil bzw. das erfindungsgemäße System
hierbei großer
mechanischer Belastung ausgesetzt wird.
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Die
Sendeeinrichtung 4 regt mittels des kapazitiven Koppelelements 5 das
Ventilgehäuse 9 zu elektrischen
Dipolschwingungen an, sodass das Ventilgehäuse 9 als λ/4-Antenne
elektromagnetische Strahlung aussendet. Die Frequenz der ausgesendeten
elektromagnetischen Wellen beträgt
vorzugsweise mindestens 1 GHz und liegt bspw. innerhalb des kostenlosen
ISM Bands im Bereich von 2400 MHz bis 2484 MHz. Elektromagnetische
Wellen dieser Frequenz haben einerseits den Vorteil, dass diese
die Metallverkleidung eines Fahrzeugs durchdringen, andererseits
weisen geeignete λ/4-Antennen
aufgrund der kurzen Wellenlänge
von ca. 120 mm bis 125 mm eine geringe Länge (ca. 30 mm bis 32 mm) auf.
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In
dem Ausführungsbeispiel
von 1 hat das Ventilgehäuse 9 bspw. eine Länge von
ca. 35 mm und ist damit geringgefügig länger als die benötigte Länge λ/4. Durch
die kapazitive Ankopplung des als Antennenstrahler verwendeten Ventilgehäuses 9 kann
dieses impedanzrichtig angepasst werden, d.h. die tatsächliche,
physikalische Länge
der Antenne kann elektrisch verkürzt
werden. Die impedanzrichtige Anpassung wird über eine geeignete Kapazität des zur
kapazitiven Kopplung verwendeten Kondensators vorgenommen. In dem
Ausführungsbeispiel von 1 wird
die Kapazität
des Kondensators von der Länge
und dem Durchmesser des stabförmigen Elements 5A des
kapazitiven Koppelelements 5 bestimmt.
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Die
Kapazität
des Kondensators wird durch eine Verlängerung des stabförmigen Elements 5A des
kapazitiven Koppelelements 5 erhöht, während eine Verkürzung des
stabförmigen
Elements die Kapazität
verringert.
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In ähnlicher
Weise hat ein größerer Durchmesser
des stabförmigen
Elements 5A eine höhere Kapazität des Kondensators
zur Folge, während
ein kleinerer Durchmesser des stabförmigen Elements 5A eine
geringere Kapazität
bewirkt.
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Die
impedanzrichtige Anpassung des als λ/4-Antenne benutzten Bereichs
aus einem elektrisch leitfähigen
Werkstoff mittels einer geeigneten Kapazität des Kondensators ermöglicht die
Verwendung von Bereichen aus elektrisch leitfähigen Werkstoff verschiedener
Abmessungen, bspw. Ventilgehäuse
unterschiedlicher Größe, als λ/4-Antenne.
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Das
stabförmige
Element 5A des kapazitiven Koppelelements 5 kann
nachträglich
in das bereits an der Felge eines Fahrzeugs montierte erfindungsgemäße System
eingebaut werden, bevor das Ventilteil 8, welches den Luftdruck
nach außen
dichtet, in das Ventilgehäuse 9 eingeschraubt
wird. Beim Einbau des stabförmigen
Elements 5A ist es nicht notwendig, dass dieses genau in
der Mitte des Ventilgehäuses 9 angeordnet
wird, da die Position des stabförmigen
Elements 5A innerhalb des Ventilgehäuses 9 die Kapazität des gebildeten
Kondensators nicht wesentlich beeinflusst. Auch bei einem fehlerhaften
Einbau, d.h. wenn das stabförmigen
Element 5A das Ventilgehäuse 5A berührt, verhindert
die Isolationsschicht 6 des stabförmigen Elements 5A einen
Kurzschluss.
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Ein
wichtiger Faktor für
die Qualität
einer stabförmigen
Antenne im GHz-Bereich ist die Bandbreite. Je größer die Bandbreite einer Antenne
ist, desto weniger wird sie durch Umgebungseinflüsse verstimmt und damit unbrauchbar
gemacht.
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Die
Bandbreite einer Antenne wird wesentlich vom Schlankheitsgrad bestimmt.
Unter dem Schlankheitsgrad versteht man das Verhältnis der Antennenlänge l zum
Antennendurchmesser d. Es gilt folgende Formel für den Schlankheitsgrad: Schlankheitsgrad S = l/d
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Je
höher der
Schlankheitsgrad ist, desto kleiner ist die Bandbreite der Antenne.
Für das
Ausführungsbeispiel
von 1 beträgt
bspw. der Schlankheitsgrad der Antenne S = 35/7,0 = 5,0.
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Ein
Schlankheitsgrad von < 100
wird als breitbandig bezeichnet. Das Ventilgehäuse 9 stellt somit
eine sehr breitbandige Antenne dar, die relativ unempfindlich gegenüber Umgebungseinflüssen ist, auch
wenn die kapazitive Ankopplung die Bandbreite der Antenne verringert.
Die Qualität
der Antenne wird jedoch in keinem Fall durch die kapazitive Ankopplung
wesentlich beeinträchtigt.
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Ein
für eine
Verbesserung von Abstrahleigenschaften von λ/4-Antennen erforderliches Gegengewicht
wird in dem Ausführungsbeispiel
von 1 von der Energieversorgungseinheit 2 zusammen
mit einer zu dem pneumatischen Reifen gehörenden Metallfelge gebildet.
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Das
vorliegende erfindungsgemäße System ist
von einem elastischen, elektrisch isolierenden Material 1,
bspw. ein hochpolymerer Kunststoff, umschlossen. Das elektrisch
isolierende Material 1 isoliert das Ventilgehäuse 9 elektrisch
von der zugehörigen
Metallfelge.
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Der
Ventildeckel 10 schützt
das Ventilteil 8 vor Verunreinigung.
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Die
intelligente Logiksteuerung 3 mit integriertem Druck- und
Temperatursensor überwacht die
Signale der Sensoren und verarbeitet die Signale mit den Zustandsdaten
aus dem Innenraum des pneumatischen Reifens bspw. zu einem Telegramm. Die
Zustandsdaten werden bspw. als Telegramm in regelmäßigen Abständen von
der Sendeeinrichtung über
das kapazitive Koppelelement 5 und dem Ventilgehäuse 9 als
mittels elektromagnetischer Wellen abgestrahlt.
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Die
bspw. als Telegramm ausgesendeten Zustandsdaten werden von einer
geeigneten Empfangsvorrichtung im Fahrzeuginneren empfangen und
ausgewertet.
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Die
Energieversorgungseinheit 2, bspw. eine Lithiumbatterie,
versorgt die gesamte Elektronik einschließlich der Sensoren und der
Sendeeinrichtung mit Energie.
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In
einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel
ist die intelligente Logiksteuerung 3 dafür geeignet,
die von den Sensoren gelieferten Zustandsdaten mit vordefinierten
Normwerten zu vergleichen und bei einer Abweichung ggf. einen Warnhinweis
auszugeben.
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In
einem weiteren besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Sendeeinrichtung 4 durch einen
Transceiver 4 ersetzt, welcher über das kapazitive Koppelelement 5 und
das als Antenne dienende Ventilgehäuse 9 Daten mittels
elektromagnetischer Strahlung sowohl empfangen als auch aussenden
kann. Hiermit wird bspw. ermöglicht,
von einem geeigneten, bspw. im Fahrzeuginneren angeordneten, Transceiver
Anweisungen zu empfangen, welche bspw. die intelligente Logiksteuerung 3 veranlassen,
die Zustandsdaten, falls diese bspw. in einem kritischen Bereich
liegen, aus dem Innenraum des pneumatischen Reifens in kürzeren Abständen oder kontinuierlich
mit Hilfe der Sensoren zu ermitteln und bspw. in Form eines Telegramms
an den geeigneten bspw. im Fahrzeuginneren angeordneten Transceiver
mit Hilfe des Transceivers 4 zu übertragen.
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- 1
- elektrisch
isolierendes Material
- 2
- Energieversorgungseinheit
- 3
- intelligente
Logiksteuerung
- 4
- Sendeeinrichtung
- 5
- kapazitives
Koppelelement
- 5A
- stabförmiges Element
- 6
- elektrische
Isolationsschicht
- 7
- eingeschlossene
Luft
- 8
- Ventilteil
- 9
- Ventilgehäuse
- 10
- Ventildeckel