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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betrieb eines Sensors
oder Aktors gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1. Die Erfindung bezieht sich des weiteren auf Vorrichtungen
zum Betrieb eines Sensors oder Aktors gemäß dem Oberbegriff der Ansprüche 6 und
11.
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Die
Erfindung kann beispielsweise bei einem System mit einer Vielzahl
drahtloser Sensoren und/oder Aktoren (drahtlos sowohl hinsichtlich
Energieversorgung als auch hinsichtlich Kommunikation) verwendet
werden, welches in einer Maschine oder Anlage, beispielsweise Industrieroboter,
Herstellungsautomat, Fertigungsautomat oder Prozessanlage installiert
ist. Als Sensoren bzw. Aktoren können Näherungsschalter/Näherungssensoren,
Temperaturmesssensoren, Druckmesssensoren, Strommesssensoren oder
Spannungsmesssensoren bzw. mikromechanische, piezoelektrische, elektrochemische,
magnetostriktive, elektrostatische oder elektromagnetische Aktoren
verwendet werden.
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In
der
DE 199 26 799
A1 wird ein System für eine
eine Vielzahl von drahtlosen Näherungssensoren
aufweisende Maschine, insbesondere Fertigungsautomat, vorgeschlagen,
- – wobei
jeder Näherungssensor
mindestens eine zur Energieaufnahme aus einem mit telfrequenten Magnetfeld
geeignete Sekundärwicklung
aufweist,
- – wobei
mindestens eine von einem mittelfrequenten Oszillator gespeiste,
ein Magnetfeld erzeugende Primärwicklung
zur drahtlosen Versorgung der Näherungssensoren
mit elektrischer Energie vorgesehen ist,
- – und
wobei jeder Näherungssensor
mit einer Sendeeinrichtung ausgestattet ist, welche interessierende
Sensor-Informationen beinhaltende Funksignale an eine zentrale,
mit einem Prozessrechner der Maschine verbundene Basisstation abgibt.
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Die
erforderliche Primärwicklung
umfasst eine relativ große
Fläche
und besteht vielfach nur aus wenigen Windungen, gegebenenfalls aus
einer einzigen Windung. Bei diesem drahtlosen System entfällt im Vergleich
zu konventionellen Lösungen
mit Draht/Kabelanschluss zur elektrischen Energieversorgung und
zur Kommunikation der durch Planung, Material, Installation, Dokumentation
und Wartung bedingte relativ hohe Kostenfaktor der Draht/Kabelanschlüsse. Es
können
keine Ausfälle
aufgrund von Kabelbrüchen
oder schlechten, beispielsweise korrodierten Kontakten auftreten.
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In
der
DE 199 26 562
A1 werden ein Verfahren und eine Anordnung zur drahtlosen
Versorgung einer Vielzahl Aktoren mit elektrischer Energie, ein Aktor
und eine Primärwicklung
hierzu sowie ein System für
eine eine Vielzahl von Aktoren aufweisende Maschine vorgeschlagen,
wobei die vorgeschlagene Technologie bezüglich Energieversorgung und
Kommunikation gleichartig der vorstehend für die
DE 199 26 799 A1 angegebenen
Technologie ist.
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In
derartigen kabellosen Energieübertragungssystemen,
basierend auf in Eigenresonanz betriebene, ein Magnetfeld erzeugende
Primärwicklungen,
sind die einzuspeisenden Einheiten, Sensoren und/oder Aktoren, von
einem Magnetfeld mit relativ großer magnetischer Feldstärke umgeben.
Die Sensoren und/oder Aktoren weisen Sekundärwicklungen auf, welche ebenfalls
in Eigenresonanz betrieben werden und derart eine Wandlung magnetischer
Energie in elektrische Energie realisieren. Dabei produzieren diese
Sekundärwicklungen
selbst ein lokales magnetisches und auch ein elektrisches Feld,
das in unmittelbarer Nähe
der Sekundärwicklungen
relativ stark ist.
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Die
Sensoren und/oder Aktoren unterliegen strengen Anforderungen hinsichtlich
ihres kompakten Aufbaus, so dass es wünschenswert ist und sich oftmals
nicht vermeiden lässt,
elektronische Einrichtungen, insbesondere elektronische Kommunikationseinrichtungen
(insbesondere Funksender und/oder Funkempfänger) für die kabellose Übertragung
von Informationssignalen zwischen den Sensoren und/oder Aktoren
einerseits und einer Basisstation andererseits in relativ enger
Nachbarschaft zu den Sekundärwicklungen
anzuordnen. Dabei ergibt sich jedoch die Gefahr einer Störung der
elektronischen Kommunikationseinrichtungen durch das vom Sensor
oder Aktor selbst erzeugte lokale magnetische und/oder elektrische
Feld.
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Aus
der
DE 691 06 161
T2 ist ein batterieloser Transponder zum Übertragen
von gespeicherten Messdaten zu einem Abfragegerät bekannt, das zum Abrufen
der gespeicherten Messdaten einen HF-Abfrageimpuls aussendet, mit
einem auf die Frequenz des HF-Abfrageimpulses abgestimmten Resonanzkreis,
einem Energiespeicherelement, das durch Gleichrichten des HF-Abfrageimpulses
aufladbar ist und im aufgeladenen Zustand die Versorgungsspannung
für den
Transponder liefert, und einer Spannungsbegrenzung zum Begrenzen
der Spannung am Energiespeicherelement auf einen vorgegebenen Spannungswert,
wobei mit dem Resonanzkreis zur Verstimmung seiner Resonanzfrequenz
ein Bauelement (z. B. Kondensator) mit frequenzabhängiger Impedanz über ein
Schaltelement (z. B. Schalttransistor) verbindbar ist, das die Verbindung
abhängig
vom Einsetzen der Begrenzerwirkung durch die Spannungsbegrenzungsvorrichtung
herstellt. Durch die Verstimmung des Resonanzkreises wird bewirkt, dass
das Energiespeicherelement nicht weiter geladen wird, wodurch verhindert
wird, dass zu viel überschüssige Energie
in dem Transponder in Wärme umgewandelt
werden muss, was zu einer Verfälschung
der gewonnen Daten führen
kann.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung
zum Betrieb eines Sensors oder Aktors anzugeben, mit dessen Hilfe eine
Störung
der elektronischen Kommunikationseinrichtung zuverlässig verhindert
wird.
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Diese
Aufgabe wird hinsichtlich des Verfahrens in Verbindung mit den Merkmalen
des Oberbegriffes erfindungsgemäß durch
die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.
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Die
Aufgabe wird hinsichtlich der Vorrichtung in Verbindung mit den
Merkmalen des Oberbegriffes alternativ durch die im Kennzeichen
des Anspruchs 6 und 11 angegebenen Merkmale gelöst.
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Die
mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin,
dass eine Anordnung von elektronischen Kommunikationseinrichtungen, insbesondere
Funksender und Funkempfänger,
in unmittelbarer Nähe
zu den Sekundärwicklungen
des Energieversorgungssystems möglich
ist, sodass ein kompakter Aufbau des Sensors oder Aktors gefördert wird.
Besondere abschirmende Maßnahmen,
welche oftmals den Nachteil aufweisen, kompliziert und kostspielig
zu sein (da meist spezielle Anpassungen für jeden einzelnen Sensor und
Aktor erforderlich sind), müssen
nicht getroffen werden.
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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 ein System mit einer Vielzahl
drahtloser Sensoren und/oder Aktoren,
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2, 3, 4 einen
Sensor oder Aktor mit Energieerzeugungs- und Kommunikationseinrichtung gemäß einer
ersten Ausführungsform
in drei verschiedenen Varianten,
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5 einen Sensor oder Aktor
mit Energieerzeugungs- und Kommunikationseinrichtung gemäß einer
zweiten Ausführungsform.
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In 1 ist ein System mit einer
Vielzahl drahtloser Sensoren und/oder Aktoren dargestellt. Die drahtlosen
Sensoren und/oder Aktoren 1.1, 1.2, 1.3 ... 1.n sind
beispielsweise Baukomponenten eines Fertigungsroboters. Eine Magnetfelderzeugungssystem 2 – in Resonanz
betriebene Primärspulen
und zugehörige
Energieeinspeiseschaltungen – produziert
das zur kabellosen Energieversorgung der Sensoren und/oder Aktoren 1.1 ... 1.n erforderliche Magnetfeld.
Die Sensoren und/oder Aktoren 1.1 ... 1.n weisen
jeweils eine elektronische Kommunikationseinrichtung (siehe Bezugsziffer 17 in
den 2 und 3) auf, die per Funksignale
mit einer Kommunikations-Basisstation 3 kommunizieren,
welche zweckmäßig an einen
Zentralrechner (Prozessrechner, Speicherprogrammierte Steuerung)
angeschlossen ist. Jede Kommunikationseinrichtung weist vorzugsweise
einen Funksender und einen Funkempfänger, jeweils inklusive Antenne
auf, um derart beispielsweise Sensorsignale der Sensoren und Meldesignale
betreffend den aktuellen Zustand von Aktoren an die Basisstation
abgeben zu können
und um derart beispielsweise Ansteuersignale zur Aktivierung/Deaktivierung
von Aktoren und Signale zur Einstellung von spezifischen Parametern
der Aktoren und Sensoren von der Basisstation empfangen zu können.
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Die
Sensoren und/oder Aktoren enthalten eine Energieerzeugungseinrichtung
bzw. Energieversorgungseinheit, welche zur Speisung der Sensor-Baukomponenten
bzw. Aktor-Baukomponenten und zur Speisung der Kommunikationseinrichtung, wie
Modulator/Codierer, Funksender, Funkempfänger, Demodulator/Decodierer
dient. Diese Energieversorgungseinheit besteht aus mindestens einer Sekundärwicklung,
einem pa rallel oder in Reihe angeordneten Resonanzkondensator, einem
Gleichrichter sowie einem Energiespeicher am DC-Ausgang des Gleichrichters.
Die Energiespeisung der Sekundärwicklung
erfolgt durch magnetische Kopplung aus dem vom Magnetfelderzeugungssystem 2 produzierten
Magnetfeld.
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In
den 2, 3, 4 ist
ein Sensor oder Aktor mit Energieerzeugungs- und Kommunikationseinrichtung
gemäß einer
ersten Ausführungsform
dargestellt. Es ist ein Gleichrichter 10 zu erkennen, dessen Wechselanschlüsse mit
einer Parallelschaltung einer Sekundärwicklung 4 mit einem
Resonanzkondensator 7 verbunden ist (Parallel-Resonanzkreis).
In gleicher Weise liegen an den Wechselanschlüssen eines Gleichrichters 11 die
Parallelschaltung einer Sekundärwicklung 5 mit
einem Resonanzkondensator 8 bzw. an den Wechselanschlüssen eines
Gleichrichters 12 die Parallelschaltung einer Sekundärwicklung 6 mit
einem Resonanzkondensator 9. Die Wicklungsachsen der drei
in Resonanz betriebenen Sekundärwicklungen 4, 5, 6 sind
jeweils rechtwinklig zueinander angeordnet und schneiden sich in
einem zentralen Punkt eines aus einem magnetisch wirksamen Material
aufgebauten Kerns der dreidimensionalen Wicklungsanordnung (selbstverständlich sind
alternativ auch Ausführungsvarianten
ohne Kern realisierbar). Die aus den Sekundärwicklungen 4 bzw. 5 bzw. 6 und
den Resonanzkondensatoren 7 bzw. 8 bzw. 9 gebildeten
Kreise werden nachfolgend auch als sekundärseitige Resonanzkreise bezeichnet.
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Die
Gleichanschlüsse
aller Gleichrichter 10, 11, 12 sind parallelgeschaltet
und mit einer Last 16 (= die mit Energie zu versorgenden
Komponenten des Sensors und/oder Aktors), beispielsweise einer Sensor-Messeinheit
+ Sensor-Elektronik + Kommunikationseinrichtung 17 eines
Sensors oder einer Ansteuereinheit + Kommunikationseinrichtung 17 eines
Aktors verschaltet. Zwischen den Gleichanschlüssen der parallelgeschalteten
Gleichrichter 10, 11, 12 ist ein Stützkondensator 13 angeordnet.
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Wie
bereits vorstehend erwähnt,
ist eine elektronische Kommunikationseinrichtung 17 Teil
der Last 16. Während
der Betriebszeit dieser Kommunikationseinrichtung 17 (Senden/Empfangen),
genauer eine kurze Zeitspanne vor Beginn des Betriebes bis zur Beendigung
des Betriebes, steuert die Kommunikationseinrichtung 17 gemäß einer
in 2 gezeigten ersten
Variante der ersten Ausführungsform
einen Umschalter 18 an, so dass die parallelgeschalteten
Gleichrichter 10, 11, 12 nachfolgend
nicht mehr mit der Last 16, sondern mit der Last 19 verbunden sind.
Als Umschalter 18 kann beispielsweise eine Transistor-Konfiguration
dienen.
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Selbstverständlich kann
an Stelle eines Umschalters 18 auch eine aus zwei Schaltern 18', 18'' gebildete Konfiguration eingesetzt
werden, wie dies in der zweiten Variante der ersten Ausführungsform in 3 gezeigt ist, wobei ein
Schalter 18' mit
der Last 16 und ein Schalter 18'' mit
der Last 19 verbunden ist. Beide Schalter 18', 18'' werden von der Kommunikationseinrichtung 17 angesteuert,
so dass während
der Betriebszeiten der Kommunikationseinrichtung 17 Schalter 18'' geschlossen und Schalter 18' geöffnet sowie
in den übrigen
Zeitspannen Schalter 18' geschlossen
und Schalter 18'' geöffnet ist.
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Gemäß einer
in 4 gezeigten dritten
Variante der ersten Ausführungsform
ist an Stelle eines Schalters 18' eine Diode 18''' eingesetzt,
so dass während
der Betriebszeiten der Kommunikationseinrichtung 17 Schalter 18'' geschlossen sowie in den übrigen Zeitspannen
geöffnet
ist. Durch die an Anode und Kathode der Diode 18''' vorliegenden
Potentiale ist automatisch sichergestellt, dass sich die Diode 18''' während der
Betriebszeiten der Kommunikationseinrichtung 17 im Sperrzustand
und während
der übrigen
Zeitspannen im Durchlasszustand befindet.
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Die
Last 19 ist bei allen Varianten derart auszulegen, dass
der über
die Schaltung mit Last 19 geführte sekundäre Stromfluss höher ist
als der über
die Schaltung mit Last 16 geführte sekundäre Stromfluss. Dies dient zum
einen dazu, die in den sekundärseitigen
Resonanzkreisen 4/7; 5/8; 6/9 bereits
vor Beginn der Betriebszeit der Kommunikationseinrichtung 17 vorhandene
gespeicherte Energie rasch zu entladen/abzubauen und zum anderen
dazu, die zusätzlich
während
der Betriebszeit der Kommunikationseinrichtung 17 entstehende
Energie abzuführen/abzubauen.
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Vorzugsweise
wird eine Last 19 mit im Vergleich zur Last 16 niedrigem
ohmschem Widerstand eingesetzt. Im Extremfall kann die Last 19 eine
sehr niederohmige Brücke
(quasi eine Kurzschluss-Brücke)
sein, so dass quasi ein „niederohmiger
Kurzschluss" der
sekundären
Gleichrichter-Serienschaltung vorliegt.
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Alternativ
kann auch ein Kondensator als Last 19 eingesetzt sein,
welcher ebenfalls eine Erhöhung
des sekundären
Stromflusses während
des Betriebes der Kommunikationseinrichtung 17 bewirkt. Der
Kondensator ist derart auszulegen, dass ein Aufladezyklus wesentlich
länger
dauert als eine Betriebszeit der Kommunikationseinrichtung.
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In 5 ist ein Sensor oder Aktor
mit Energieerzeugungs- und Kommunikationseinrichtung gemäß einer
zweiten Ausführungsform
dargestellt. Es ist wiederum der Gleichrichter 10 zu erkennen,
dessen Wechselanschlüsse
mit einer Parallelschaltung einer Sekundärwicklung 4 mit einem
Resonanzkondensator 7 und einer Zusatz-Baukomponente (Kondensator
oder Drossel) 20 verbunden ist (Parallel-Resonanzkreis).
In gleicher Weise liegen an den Wechselanschlüssen des Gleichrichters 11 die
Parallelschaltung einer Sekundärwicklung 5 mit
einem Resonanzkondensator 8 und einer Zusatz-Baukomponente (Kondensator
oder Drossel) 21 bzw. an den Wechselanschlüssen eines
Gleichrichters 12 die Parallelschaltung einer Sekundärwicklung 6 mit
einem Resonanzkondensator 9 und einer Zusatz-Baukomponente
(Kondensator oder Drossel) 22. Die Wicklungsachsen der
drei in Resonanz betriebenen Sekundärwicklungen 4, 5, 6 sind
wiederum jeweils rechtwinklig zueinander angeordnet und schneiden sich
in einem zentralen Punkt eines aus einem magnetisch wirksamen Material
aufgebauten Kerns der dreidimensionalen Wicklungsanordnung (selbstverständlich sind
alternativ auch Ausführungsvarianten ohne
Kern realisierbar). In Serie zu jeder Zusatz-Baukomponente (Kondensator
oder Drossel) 20 bzw. 21 bzw. 22 ist
ein Schalter 23 bzw. 24 bzw. 25 angeordnet.
Als Schalter 23, 24, 25 können beispielsweise Transistoren
eingesetzt werden.
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Die
Gleichanschlüsse
aller Gleichrichter 10, 11, 12 sind parallelgeschaltet
und mit einer Last 16 (= die mit Energie zu versorgenden
Komponenten des Sensors und/oder Aktors), beispielsweise einer Sensor-Messeinheit
+ Sensor-Elektronik + Kommunikationseinrichtung 17 eines
Sensors oder einer Ansteuereinheit + Kommunikationseinrichtung 17 eines
Aktors verschaltet. Zwischen den Gleichanschlüssen der parallelgeschalteten
Gleichrichter 10, 11, 12 ist ein Stützkondensator 13 angeordnet.
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Wie
bereits vorstehend erwähnt,
ist die elektronische Kommunikationseinrichtung 17 Teil
der Last 16. Während
der Betriebszeit dieser Kommunikationseinrichtung 17 (Senden/Empfangen),
genauer eine kurze Zeitspanne vor Beginn des Betriebes bis zur Beendigung
des Betriebes, werden die Schalter 23, 24, 25 durch
entsprechende Ansteuersignale der Kommunikationseinrichtung 17 geschlossen.
In den übrigen
Zeitabschnitten sind die Schalter 23, 24, 25 geöffnet, so
dass die Zusatz-Baukomponenten (Kondensator oder Drossel) 20, 21, 22 unbeachtlich
sind und sich die Resonanzströme
in den sekundärseitigen
Resonanzkreisen 4/7; 5/8; 6/9 mit
vorgegebener Resonanzfrequenz ausbilden.
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Bei
geschlossenen Schaltern 23, 24, 25 ergibt
sich eine Änderung
hinsichtlich der Resonanzfrequenzen der dann gebildeten sekundärseitigen
elektrischen Resonanzkreise 4/7/20; 5/8/21; 6/9/22,
eine Herabsetzung der Gütefaktoren
und folglich eine beträchtliche
Reduktion der in den Kreisen fließenden Ströme, d. h. die Ströme der Wicklungsanordnung werden
in denjenigen Zeitabschnitten geschwächt, in denen die Kommunikationseinrichtung 17 betrieben wird.
Folglich ergibt sich während
der Betriebszeiten der Kommunikationseinrichtung eine wesentliche Schwächung der
lokal von den Sekundärwicklungen 4, 5, 6 erzeugten
magnetischen und elektrischen Felder. Eine derartige Maßnahme entspricht
einer Verstimmung eines elektrischen Schwingkreises.
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Selbstverständlich sind
bezüglich
der Sensoren und/oder Aktoren
1.1 ...
1.n auch
andere Ausführungsformen
zur Erzeugung elektrischer Energie aus einem Magnetfeld realisierbar,
es wird hierzu ausdrücklich
auf die in der
DE
100 55 404 A1 in den
4,
5,
6 und
8 erläuterten
Varianten hingewiesen, welche Serien-Resonanzkreise, Parallel-Resonanzkreise, in
Serie geschaltete Gleichanschlüsse
der Gleichrichter, parallel geschaltete Gleichanschlüsse der
Gleichrichter und transformatorisch benutzte Wicklungen behandeln.
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Die
Zeitspannen, in denen die vorstehend beschriebene Schwächung des
lokal von den Sekundärwicklungen
erzeugten Feldes erfolgt, können
je nach konkret vorliegendem Einsatzfall und in Abhängigkeit
der konkret vorliegenden Verhältnisse
unterschiedlich sein:
- • Es kann eine Schwächung des
Feldes während Zeitspannen
erfolgen, in denen aktiv ein Empfang/Senden von Funksignalen erfolgt.
- • Zusätzlich kann
eine Schwächung
des Feldes während
Zeitspannen erfolgen, in denen ein Sensorbetrieb (Erfassung interessierender
Messgrößen) erfolgt.
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Allgemein
ausgedrückt
wird das lokal – d.
h. in den Sekundärwicklungen – erzeugte
Feld durch Reduzierung des sekundärseitigen Resonanzstromes in
denjenigen Zeitabschnitten reduziert, in denen das Kommunikationssystem
oder andere eingesetzte elektronische Systeme (beispielsweise Messsysteme)
empfindlich auf Störfelder
reagieren. Dies erfolgt durch Änderung
der Resonanzfrequenz infolge Modifikation von elektrischen Größen der
Resonanz-Bauelemente oder durch erhöhte ausgangsseitige Belastung
des Resonanzkreises.
-
- 1
- 1.1, 1.2, 1.3 ... 1.n:
Sensoren und/oder Aktoren
- 2
- Magnetfelderzeugungssystem
- 3
- Kommunikations-Basisstation
- 4
- Sekundärwicklung
- 5
- Sekundärwicklung
- 6
- Sekundärwicklung
- 7
- Resonanzkondensator
- 8
- Resonanzkondensator
- 9
- Resonanzkondensator
- 10
- Gleichrichter
- 11
- Gleichrichter
- 12
- Gleichrichter
- 13
- Stützkondensator
- 14
-
- 15
-
- 16
- Last
(z. B. Sensor-Messeinheit, Sensor-Elektronik)
- 17
- Kommunikationseinrichtung
- 18
- Umschalter, 18' und 18'' Schalter, 18''' Diode
- 19
- Last
- 20
- Zusatz-Baukomponente
(Kondensator oder Drossel)
- 21
- Zusatz-Baukomponente
(Kondensator oder Drossel)
- 22
- Zusatz-Baukomponente
(Kondensator oder Drossel)
- 23
- Schalter
- 24
- Schalter
- 25
- Schalter