DE68920038T2

DE68920038T2 - Betätiger und kommunikationssystem.

Info

Publication number: DE68920038T2
Application number: DE68920038T
Authority: DE
Inventors: Graham Murdoch
Original assignee: University of Western Australia; Magellan Technology Pty Ltd
Current assignee: University of Western Australia; Magellan Technology Pty Ltd
Priority date: 1988-04-11
Filing date: 1989-04-11
Publication date: 1995-08-03
Anticipated expiration: 2009-04-12
Also published as: DE68920038D1; EP0609964A2; CA1340489C; AU3429889A; AU624377B2; CA1338675C; EP0409880A4; JPH03505148A; ZA892468B; EP0409880A1; EP0409880B1; WO1989010030A1; ATE115792T1; EP0609964A3

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet von Fernsteuerungs-Stellgliedsystemen, und insbesondere auf ein Fernsteuergerät, das elektrische oder elektromechanische Funktionen oder Aufgaben ausführen kann. Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Identifizierungs- und Nachrichtenübertragungssystem.
Es wird auf eine anhängige australische Patentanmeldung PI 5479, vom 18. November 1987 der Anmelderin mit dem Titel "Transponder" Bezug genommen. Die Bezeichnung "Transponder" kann den zuvor erwähnten Transponder umfassen. Das Stellglied der Erfindung dient dazu, hauptsächlich ähnlich dem darin offenbarten Transporter zu arbeiten.
Bisher bekannte Stellgliedsysteme haben einen Abfragesender und einen Antwortsender, die durch Übertragung und Empfang elektromagnetischer Signale in Verbindung stehen. Diese Systeme können weitgehend in zwei Klassen, nämlich aktive und passive Systeme unterteilt werden. Passive Systeme haben keine Energiequelle im Antwortsender. Typischerweise wird vom Abfragesender Energie zugeführt. Aktive Systeme enthalten eine Batterie und eine ähnliche Energiequelle im Antwortsender.
Es sind zahlreiche umfangreiche Klassen von passiven Transpondersystemen bekannt. Eine solche Klasse verwendet das Mikrowellenspektrum. In solch einem System leitet der Transponder Energie vom Abfragesignal ab und überträgt sein Datensignal unter Verwendung einer Harmonischen des Abfragesignals (vgl. U.S. 4,068,232 und U.S. 4,040,053). Ein anderes System verwendet eine Reihe von Verzögerungsleitungen und Wandlern, die an der Transponderantenne abgegriffen sind. Das Ausgangssignal dieser Elemente wird erneut kombiniert und abgestrahlt und trägt eine kodierte Information (siehe U.S. 4,263,595). Ein weiteres System reflektiert einen Teil des Mikrowellen-Abfragesignals unter Verwendung einer geschalteten Dipolantenne, während sie von einem induktiven NF-Feld mit Energie versorgt wird (U.S. 4,038,653). Eine weitere Gruppe von Systemen verwendet ein gewobbeltes Frequenzabfragesignal, um mit geeigneten Strukturen im Transponder periodisch in Verbindung zu treten (U.S. 4,070,672 und U.S. 3,982,243) oder mit Verzögerungselementen zusammenzuwirken, die kodierte Übertragungen erzeugen (AU-B-34003/84, AU-B-34003/84).
Diese Systeme haben eine gesetzlich vorgeschriebene Grenze bezüglich ihrer Strahlungspegel, Schwierigkeiten in der Begrenzung der Mikrowellenenergie, harmonische Störungen aufgrund des "Dioden"-Effekts in metallischen Verbindungen und Fehlreflexionen oder "Clutter" von Fremdobjekten.
Ein anderes bekanntes System verwendet eine abgegriffene Mikrowellen-Oberflächen-Akustikwellen-Verzögerungsleitung. Ein Abfragesignal wird der Verzögerungsleitung über die Transponderantenne zugeführt, und wird, nachdem es sie durchlaufen hat, unter Mitführung einer kodierten Modulation zurückübertragen. Lange Kodes sind schwer zu erzeugen, und die Antwortsignale sind schwach und erfordern die Verwendung einer komplexen Wiedergewinnungsschaltung. Außerdem stehen die meisten geeigneten Frequenzen für eine unbeschränkte Benutzung nicht zu Verfügung (siehe U.S. 4,059,831, U.S. 3,706,094, AU 11635/70).
Eine weitere Klasse von Systemen nutzt die induktive Energie des Transponders. Die Daten werden vom Transponder unter Verwendung einer zweiten kopplungsfreien Antenne abgestrahlt. Für die induktive Signalgebung ist die Größe der Kopplung proportional der Antennengesamtgröße. Wenn die Transpondergröße begrenzt ist, erfordert die Verwendung zweier gesonderter Antennen zum Energieempfang und zur Datenübertragung kleinere, weniger wirksame Antennen. Das Duplizieren einer einzelnen Antenne schließt den gleichzeitigen Betrieb aus, verringert die Datengeschwindigkeit und führt zu weiteren Systemverlusten. Die folgenden Patente befinden sich in der Klasse der induktiven Dualantennensysteme: Carsten U.S. 3,898,619, Fockons U.S. 4,551,712, Hutton U.S. 3,964,024, Hall U.S. 3,859,652, Cambornal U.S. 3,438,489, Minasy AU 2222/66, Davis U.S. 3,855,592, Rodman U.S. 4,129,855, Kriofsky U.S. 3,859,624, Kaplan U.S. 3,689,885, Buttener Au-A-46197/85 und Walton U.S. 4,600,829.
In einer weiteren Klasse von Patenten, beschrieben von Grau U.S. 3,351,938, Davis U.S. 3,169,242 und Kleist U.S. 3,036,295 werden sorgfältig definierte Seitenbänder vom Transponder in Abhängigkeit von einem Abfragesignal übertragen. Die Seitenbandfrequenzen stammen entweder vom Abfragesignal oder werden lokal vom Transponder erzeugt. Solche Systeme erfordern mehrere Filter, um geeignete Seitenbandfrequenzen zu erzeugen oder auszuwählen, um eine größere Datenmenge zu übertragen. Lange Kodefolgen sind nicht praktisch und sind auch nicht leicht programmierbar. Außerdem erfordern viele dieser Systeme zwei Antennen im Transponder, beispielsweise benötigen Jones, Chapman, Kleist und Sweeney alle zwei Antennen und Currie eine Vielzahl gesonderter Antennen.
Eine weitere Klasse von Patenten, beschrieben von Walton U.S. 3,752,960, U.S. 3,816,709 und U.S. 4,388,524 verwendet eine frequenzgewobbelte Quelle, die einen Satz abgestimmter Kreise im Transponder in Resonanz versetzt. Das System ist nachteilig, wenn lange Kodefolgen erforderlich sind, und ist nicht leicht programmierbar, außerdem gelten die gleichen Schwierigkeiten, da die Transpondergröße begrenzt ist, wie zuvor erläutert wurde. Außerdem ist das System nicht in der Lage, irgendeine signifikante Energie zur Reduktion auf Magnetschalter u.dgl. von der gehobbelten Quelle abzuleiten.
Es ist auch eine Methode der subharmonischen Signalgebung bekannt, bei der ein Stromfluß in einem abgestimmten Kreis periodisch unterbrochen wird und ein kodiertes subharmonisches Feld erzeugt (Cole U.S. 4,364,043). Dieses System ist von Nachteil, da die Transponderspule während beträchtlichen Zeitintervallen deaktiviert wird, um die Energiemenge zu verringern, die von der Einheit empfangen wird, wobei die Verringerung 50 % für die erste Subharmonische beträgt.
Bei einer weiteren Gruppe von Systemen, die von Vinding U.S. 53,299,424, Kip U.S. 4,196,418, Beigel U.S. 4,333,072, Walton U.S. 4,546,241, Kreft U.S. 4,602,253, Walton 4,580,041 und Foletta U.S. 4,650,981 beschrieben ist, wird eine induktive Kopplung angewendet, um einen abgestimmten Resonanzkreis bei der Energieversorgungsfrequenz zu speisen. Das Antwortsignal wird durch periodische Belastung oder sogar Kurzschluß des abgestimmten Kreises erzeugt. Diese Praxis beschränkt die Energieaufnahmekapazität des abgestimmten Kreises erheblich, außerdem steht das Anlegen der Last, bzw. die Anwendung des Kurzschlusses zum Strom- und Spannungsverlauf im abgestimmten Kreis nicht in Beziehung. Folglich muß die maximale Schaltrate geringer als die Bandbreite der abgestimmten Kreise sein, da sonst die Schaltkreiseinschränkvorgänge nicht zur Ruhe kommen und das Antwortsignal geschwächt wird. Für Schaltkreise mit hohem Q begrenzt dies die Datengeschwindigkeit erheblich, es kann sogar gezeigt werden, daß Schaltkreise mit hohem Q das stärkste Antwortsignal liefern. Folglich sind lange Kodes nicht praktikabel, wenn sich schnell bewegende Antwortsender abgefraqt werden, und eine lange, bzw. wirksame Energieübertragung erforderlich ist. Eine entsprechende Gruppe von Systemen verstimmt den abgestimmten Kreis der Transponder.
Wiederum stehen die Verstimmungsänderungen mit dem Storm- und Spannungsverlauf nicht in Beziehung. Die Datengeschwindigkeit muß geringer als die Bandbreite der abgestimmten Kreise sein. Slocum und Batly U.S. 4,361,153, Walton U.S. 4,654,658, Walton U.S. 4,656,472 und Kep U.S. 4,196,418 verwenden dieses Prinzip der Verstimmungsmodulation. Wiederum schließen Kreise mit hohem Q hohe Modulationsgeschwindigkeiten aus und sind daher für einen langen Kode oder sich schnell bewegende Transponder ungeeignet.
Keiner dieser induktiven Transponder ist umprogrammierbar, während er "in Betrieb" ist, d.h. während er abgefragt wird, noch verwenden sie eine Mehrpegel-Signalgebung, um ihre effektive Datengeschwindigkeit zu erhöhen, wenn abgestimmte Kreise mit hohem Gütefaktor Q zur wirksamen Energieaufnahme notwendig sind.
Polzer U.S. 4,630,044 beschreibt die Antwortsendereinheit, die eine induktive Spule hat, um von einer Abfragesender-Einheit ein moduliertes Datensignal und ein magnetisches Energiefeld aufzunehmen, von dem die Antwortsender-Einheit mit Energie versorgt wird.
DE 2444407 beschreibt eine Antwortsender-Einheit mit einer induktiven Spule, um von einer Abfragesender-Einheit ein moduliertes Datensignal und ein magnetisches Energiefeld aufzunehmen, von dem die Antwortsender-Einheit mit Energie versorgt wird. Diese Antwortsender-Einheit bestimmt, ob das Datensignal einen gültigen Befehl enthält, und bei Empfang eines gültigen Befehls wird eine Schalteinrichtung freigegeben.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Gerät zur Fernsteuerung zu schaffen, um elektrische oder elektromechanische Funktionen durchzuführen. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Energieversorgungs- und/oder Nachrichtenübertragungssystem für eine entfernte Vorrichtung bzw. entfernte Vorrichtungen zu schaffen.
Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, ein Stellglied zu schaffen, das Energie empfängt und gleichzeitig von einer einzigen Spule Signale überträgt.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Stellglied zu schaffen, das im wesentlichen insgesamt auf einem Chip integriert ist.
Die Erfindung schafft eine Form eines passiven Stellglieds, das eine induktive Spule aufweist, die zum Empfang eines magnetischen Energiefeldes und einer Modulationsdatenübertragung geeignet ist, die von einem Abfragesender übermittelt wird, wobei die Spule ein Energiesignal bei Empfang des Feldes erzeugt, das Energiesignal, vom Magnetfeld abgeleitet wird, ein erster Teil des Energiesignals Versorgungsenergie zum Stellglied liefert, unter der Logikeinrichtung die Datenübertragung demoduliert, das sich dadurch auszeichnet, daß die Logikeinrichtung geeignet ist, eine Schalteinrichtung auszulösen, um einen weiteren Anteil des Energiesignals als Versorgungsenergie von Energiesignal zu einer externen elektrischen oder elektromechanischen Vorrichtung zu übertragen.
Der Transponder kann einen einzelnen I.C. beinhalten.
Vorzugsweise wird das Energiesignal gleichgerichtet, um die Vorrichtung mit Energie zu versorgen, und vorzugsweise ist die induktive Einrichtung so ausgebildet, daß sie gleichzeitig Signale zu einem Abfragesender überträgt.
Die induktive Einrichtung kann eine einzelne Spule sein, und die übertragenen Signale können Daten-, Zustands- und/oder Informationssignale beinhalten.
In der Anmeldung wird ein passives Transpondersystem beschrieben, bei dem ein Abfragesignal ein induktives NF-Feld ist, das für Energieversorgung und zur Nachrichtenübertragung zu dem Antwortsender und einem Antwortsender verwendet wird, bei dem eine einzelne induktive Antenne zum gleichzeitigen Energieempfang und zur Datenübertragung zwischen dem Abfragesender und dem Antwortsender dient. Außerdem besteht eine besondere Funktion des Antwortsenders darin, Energie zu externen Vorrichtungen zu liefern, wie Magnetventilen oder externe Sensordaten unter der Steuerung des Abfragesenders zu lesen.
Vorzugsweise ist ein erster Teil der Spule so ausgebildet, daß er ein zweites Signal zur Übertragung empfängt, wobei der Teil der Spule geeignet ist, gleichzeitig das zweite Signal zu übertragen und das Magnetfeld zur Gleichrichtung zu empfangen.
Die Erfindung schafft außerdem ein System zur Fernbetätigung einer externen Vorrichtung, wobei das System aufweist: ein passives Stellglied, wie es später beschrieben wird, und eine induktive Energieversorgungsvorrichtung, die das Stellglied mit Fernenergie versorgen kann, wobei die Energieversorgungsvorrichtung ein erstes Nahfeld, ein erstes Fernfeld, ein zweites Nahfeld und ein zweites Fernfeld erzeugt, das Stellglied in der Lage ist, elektrische Energie von den Nahfeldern aufzunehmen, wenn sie der Energieversorgungsvorrichtung relativ nah sind, die Energieversorgungsvorrichtung aufweist: eine Felderzeugungseinrichtung mit einem ersten Teil an einem zweiten Teil, wobei der erste Teil die ersten Felder erzeugen kann, der zweite Teil die zweiten Felder erzeugen kann, und wobei der erste Teil ein erstes Fernfeld im wesentlichen gegenphasig zum zweiten Fernfeld erzeugt, das vom zweiten Teil erzeugt wird, sodaß das erste Fernfeld und das zweite Fernfeld in einem bestimmten Abstand von der Erzeugungseinrichtung einander im wesentlichen aufheben.
In diesem System ist das Stellglied vorzugsweise dazu geeignet, Signale von der Spule gleichzeitig mit der Erzeugung der Felder durch die Felderzeugungseinrichtung zu übertragen.
Vorzugsweise sind die Felder Magnetfelder und haben eine Magnetfeldmodulation, wobei das Stellglied das Feld demoduliert und die so erhaltenen Daten interpretieren kann. vorzugsweise umfassen die vom Stellglied übertragenen Signale eine Rückwirkungswiderstand-Signalgebung, die gleichzeitig mit der Feldmodulation zur Interpretation durch den Abfragesender auftreten kann.
Das Kommunikationssystem kann außerdem eine magnetische Gegensprech-Signalgebung umfassen.
Das System kann in geeigneter Weise einen Schienenschaltpunkt durch das Stellglied steuern und Steuersignale zu einer Magnetschalteinrichtung übertragen, um die Position des Schienenschaltpunktes zu steuern, und der Abfragesender ist in der Lage, das Magnetfeld nahe dem Stellglied abzustrahlen. Das Magnetfeld kann vom Stellglied so interpretiert werden, daß eine Positionierung des Schaltpunktes an einer von mehreren möglichen Positionen zulässig ist.
Das System kann in geeigneter Weise Rollgut steuern, wobei es aufweist: einen ersten Abfragesender, der an einer Ladestation liegt, einen zweiten Abfragesender, der an einer Entladestation liegt, wobei der zweite Abfragesender vom ersten entfernt ist, ein Stellglied, das am Rollgut montiert ist, und von den beiden Abfragesendern an ihren jeweiligen Stellen beeinflußt werden kann, wobei der erste Abfragesender mit dem Stellglied in Verbindung treten kann, das Stellglied dazu übertragene Daten zur Aussendung zu und Interpretation von dem zweiten Abfragesender speichern kann, wenn dies erforderlich ist, der zweite Abfragesender ein Magnetfeld abstrahlen kann, um das Stellglied zu beeinflussen, die Entladung des Guts zu steuern, und das Stellglied die Daten erforderlichenfalls zum zweiten Abfragesender unter dem Einfluß des Magnetfeldes übertragen kann.
Die Vorrichtung und/oder das System, die zuvor beschrieben wurden, können einen Transponder aufweisen.
Die Bezugnahme auf "Spule" ist weit zu verstehen, d.h. sie umfaßt jede geeignete Einrichtung zur Signal-Nachrichten- Energieübertragung und/oder zum -empfang zum Beispiel eine Antennenstruktur.
Eine bevorzugte Ausführungsform von der Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen:
Figuren 1A und 1B und Blockschaltbilder des Systems gemäß der Erfindung, wobei zu beachten ist, daß der Rückwirkungsimpedanzdetektor und/oder das Steuergerät zur Übertragung zwischen der Basisstation und dem Stellglied bzw. den Stellgliedern gegebenenfalls erforderlich sind;
Figur 2 und 2A zeigen eine Form der Spulenstruktur;
Figur 3 und 3A zeigen eine Form einer in Kaskade geschalteten Spulenstruktur;
Figur 4, 5A, 5B und 6 zeigen ein Beispiel von Lastanpassungs- und Versorgungsspannungsvorrichtungen;
Figur 7, 8, 8A, 9 und 11 Beispiele von Spulen/Gleichrichterformen;
Figur 10A und 10B zeigen Beispiele von Abstimmeinrichtungen;
Figur 12 und 12A zeigen ein Beispiel eines Magnetfeldkonzentrators;
Figur 13 und 14 zeigen ein Beispiel eines Modulationsdetektors bzw. von Detektoren;
Figur 15 und 16 ein Beispiel von Spulenschaltformen zur Abstimmung;
Figur 17, 17A und 17B zeigen ein Beispiel von Q- Verzögerungsformen;
Figur 18 und 19 ein Beispiel von Schaltungen zur Energieabsorptions-Signalgebung;
Figur 20 ein Beispiel einer Schaltung zur Impedanzkontroll-Signalgebung;
Figur 21 einen beispielsweisen Anwendungsfall der Erfindung auf eine Schüttgut-Lade/Handhabungsanlage ; Figur 20 zeigt ein Stellgliedsystem für Schienenwaggons;
Figur 23 zeigt ein Stellglied zur Schienen- Schaltpunktsteuerung;
Figur 24 zeigt eine Antennenanordnung mit einem starken Nahfeld und einem im wesentlichen unterdrückten Fernfeld;
Figuren 25 und 26 beispielsweise Antennenanordnungen mit im wesentlichen unterdrückten Fernfeldern; und
Figuren 27 und 28 schematische Anwendungsfälle des Stellglieds eines Fernsteuersystems.
Die Betätigung oder ,Steuerung eines elektrischen oder elektromechanischen Gerätes mit mittels eines Fernenergie- und Steuersystems kann durch Anwendung der vorliegenden Erfindung erreicht werden.
Energie wird von der Energieeinheit vorzugsweise mittels einer abgestimmten Spule zu einer abgestimmten Aufnahmespule im Stell- bzw. Betätigungsglied induktiv übertragen. Die von der Aufnahmespule aufgenommene Energie wird, wenn erforderlich, gleichgerichtet und dazu verwendet, das elektromechanische Gerät mit Energie zu versorgen. Befehle oder Daten werden vom Betätigungsglied durch Modulation des induktiven Feldes übertragen. Amplitude, Phase, Frequenz, Impulsbreite, oder Impulslage oder eine andere geeignete Modulation können angewandt werden. Dies führt zu einer störungsfreien Steuerung des Betätigungsglieds. Das Betätigungsglied steht mit der Energieeinheit über eine der beiden möglichen Signalgebungsverfahren in Verbindung:
1) Übertragung eines modulierten, vorzugsweise hochfrequenten Signals, das von einem internen Oszillator des Betätigungsglieds erzeugt wird, oder
2) durch eine später erläuterte Rückwirkungswiderstand- Signalisierungsmethode. Dies ermöglicht es dem Betätigungsglied zum Beispiel sich selbst zu identifizieren, seinen derzeitigen Status anzugeben, gespeicherte Information zu übertragen und eine Betätigung, die durchgeführt wird, anzugeben. Beide Systeme haben den Vorteil, daß sie die gleiche Energieaufnahmespule am Transponder zur Datenübertragung verwenden. Die Betätigung kann in einer Form an einem Eisenbahnwaggon (siehe Figur 27 bis 30) verwendet werden, wo sie magnetisch betätigte Luftventile mit Fernenergie versorgen und fernsteuern kann, um Mineralien oder Korn an unbemannten Stationen zu entladen. Zwischen einer zentralen Station und jedem Betätigungsglied kann eine Verbindung hergestellt werden.
Eine Form der Spulenstruktur ist in Figur 2 und 2A gezeigt. Eine Aufnahmespule im Betätigungsglied leitet von dem (Energieversorgungs-) Magnetfeld Energie und Zeitsteuerinformation ab. Befehle können zum Betätigungsglied durch Modulation des Magnetfeldes gesendet werden. Bei Empfang einer gültigen Befehlsfolge überträgt das Betätigungsglied Energie zu einem geeigneten Magnetschalter oder dergleichen. Die Programmierung eines Speichers am Betätigungsglied kann ebenfalls durch Modulation des Magnetfeldes durch geeignete Befehle durchgeführt werden.
Durch speziell in Kaskade geschaltete Spulen kann eine effektive lange Spule hergestellt werden, die sich schnell bewegende Betätigungsglieder steuern kann. In Kaskade geschaltete Spulen sind effektiver, als nur eine längere Energieversorgungsspule herzustellen. Eine längere Spule hat eine niedrigere Feldintensität bei gleicher Eingangsspannung, in Kaskade geschaltete Spulen halten jedoch die Feldintensität aufrecht. Nötigenfalls kann eine gegenseitige Kopplung zwischen den Spulen durch Überlappung benachbarter Spulen vernachlässigbar sein, die die Flußverkettung zwischen den Spulen beseitigt. Die Figuren 3 und 3A zeigen eine Form in Kaskade geschalteter Spulen. Es ist zu beachten, daß ein Magnetfeldkonzentrator (wie er in einer anderen Patentschrift der Anmelderin im einzelnen erläutert ist) am Betätigungsglied verwendet werden kann, um die induktive Kopplung zu erhöhen. Der Konzentrator erhöht das auf die Magnetspule treffende Magnetfeld des Betätigungsglieds.
Wie zuvor erläutert, wird bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein Ultraschall-Schwingungsmagnetfeld durch eine Resonanzspule an der Basisstation erzeugt. Eine abgestimmte Aufnahmespule im Betätigungsglied leitet vom Magnetfeld Energie ab. Befehle oder Daten können zum Betätigungsglied durch Modulation der Magnetfeld-Wellenform gesendet werden. Ein Modulationsdetektor am Betätigungsglied empfängt und demoduliert die Modulation. Bei Empfang einer gültigen Befehlsfolge kann das Betätigungsglied Energie zu einem Magnetschalter oder dergleichen unter dem Einfluß des Magnetfeldes liefern.
Das Betätigungsglied kann auch einen Oszillator aufweisen, dessen Frequenz entweder von einem Phasenregelkreis (PLL), einem Quarz oder anderen bekannten Einrichtungen abgeleitet wird. Ein PLL kann auf die Periode der magnetischen Schwingungen einrasten.
Eine Identifizierungs-Kodezahl oder andere Daten können am ROM des Betätigungsglieds gespeichert werden, während temporäre Daten in einem anderen geeigneten leistungslosen Speicher gespeichert werden können. Der Zwischenspeicher kann durch Modulation des Magnetfeldes programmiert werden.
Daten können vom Betätigungsglied durch Modulation des Ausgangssignalesoszillators zu einer Basisstation übertragen werden. Die übertragenen Daten können die Identifizierungskodezahl des Betätigungsglieds, Statusbits, die den Zustand verschiedener Systeme angeben, die mit dem Betätigungsglied verbunden oder in der nächsten Umgebung von diesem angeordnet sind, spezielle Informationen, die im Zwischenspeicher gespeichert und/oder andere Daten umfassen. Die Datenübertragung kann mit den gleichen Empfangseinrichtungen durchgeführt werden, die verwendet werden, um Energie von Magnetfeld zu empfangen, wie später im einzelnen beschrieben wird. Das modulierte Signal, vorzugsweise ein HF-Signal kann von einer Schleifenantenne am Betätigungsglied zu einer Schleifenantenne übertragen werden, die auf das obere Ende der Energieversorgungs-Magnetspule an der Basisstation gewickelt ist. Vorzugsweise kann das Magnetfeld in die Empfangseinrichtungen unter Verwendung einer Stromquelle (der Kollektor eines bipolaren Transistors oder die Drain-Elektrode eines FET) eingegeben werden. Die Einzelheiten dieses Verfahrens sind in einem ebenfalls anhängigen Patent erläutert. Zeitsteuer- oder andere Steuerdaten können von der Periode des Magnetfeldes erhalten werden. Die Dekodierung der Signale wendet diese Methode an, um eine angepaßte Filtererholung der Daten einzubringen. Eine spezielle Interferenz-Subtraktionsschaltung kann in der Basisstation vorhanden sein, um Interferenzsignale zu reduzieren.
Ein spezieller Magnetfeldkonzentrator kann der Aufnahmespule bzw. den Aufnahmespulen zugefügt werden, um die Energieübertragung zu erhöhen. Durch sorgfältige Überlappung in Kaskade geschalteter Spulen kann die gegenseitige Kopplung zwischen den Spulen auf Null reduziert werden. Dies ermöglicht es, viele Spulen unabhängig anzusteuern und dennoch eine ultralange Spule zu schaffen, die ein sich schnell bewegendes Betätigungsglied aktivieren kann.
Eine besonders bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nun beschrieben. Das Betätigungsglied kann ausreichend Energie liefern und die Logik steuern, um Niederleistungs- Magnetschalter und dergleichen zu steuern. Das Betätigungssystem stellt eine Verlängerung des Transponders dar, der in einer anhängigen Patentanmeldung im einzelnen erläutert ist. Wegen der normalerweise festen Orientierung des Betätigungsglieds zum Beispiel auf einem Eisenbahnwaggon sind besondere Antennenstrukturen, die zur Energieversorgung des Transponders erforderlich sind, nicht notwendig, jedoch können Anwendungsfälle gegebenenfalls zwei- oder dreidimensionale Leistungsantennenstrukturen erfordern, wie sie in einer anhängigen Patentanmeldung im einzelnen erläutert sind.
Das System arbeitet in der folgenden Weise:
Ein Ultraschall-Schwingungsmagnetfeld wird von einer Resonanzspule an der Basisstation erzeugt (dem Treiber oder der Treiberspule). Die Resonanzfrequenz- und Schwingungsphase der Spule können durch eine geeignete Abstimmeinrichtung genau gesteuert werden. Die Treiberspule kann neben, über oder unter dem Betätigungsglied angeordnet werden, um es zu beeinflussen. Das Betätigungsglied hat eine Antennenstruktur, die geeignet ist, Energie und/oder Daten zu empfangen und zu übertragen, vorzugsweise eine Resonanzaufnahmespule, die auf die gleiche Frequenz wie die Treiberspule abgestimmt ist. Das Betätigungsglied ist derart angeordnet, daß es von der Treiberspule beeinflußt werden kann.
Energie und/oder Daten werden vom Magnetfeld zwischen den Treiber- um Betätigungsglied-Spulen übertragen. Zur maximalen Energieübertragung muß die Impedanz der Last des Betätigungsglieds auf die Widerstandsimpedanz der Spule 21 des Betätigungsglieds abgestimmt sein. Dies geschieht entweder durch einen Transformator (Figuren 4 und 6) zwischen der Last und der abgestimmten Spule durch Abgreifen der abgestimmten Spule 21 an den richtigen Stellen, wie sie durch das Windungsverhältnis bestimmt sind, oder durch Abgreifen der Abstimmungskapazität. Es ist möglich, zahlreiche Versorgungsspannungen durch Verwendung der geeigneten Abgriffe 22 (Figuren 5A und 5B) zu erhalten.
Zum Beispiel können bei optimaler Anpassung 100 V Wechselspannung über einer Betätigungsspule mit 50 Windungen vorhanden sein, d.h. zwei Volt pro Windung. Damit ergibt ein Abgriff bei drei Windungen 6 Volt, um die logische Schaltung zu betreiben, und ein Abgriff bei 12 Windungen ergibt 24 Volt, um die Niederleistungs-Magnetschalter zu betreiben. Steuerbefehle können durch geeignete Modulation des Energiefeldes zum Betätigungsglied gesendet werden. Dadurch, daß die prozentuale Modulation niedrig gehalten wird, wird die mittlere Energieübertragung nur geringfügig reduziert (die FSK-Modulation wird vorzugsweise angewandt, um das Magnetfeld zu modulieren). Ein geeigneter Modulationsdetektor am Betätigungsglied detektiert und dekodiert die Modulation. Bei Empfang einer gültigen Befehlsfolge wird Energie auf den geeigneten Magnetschalter oder dergleichen (Figur 22) gegeben.
Das Betätigungsglied hat einen Oszillator, vorzugsweise einen HF-Oszillator, dessen Frequenz entweder vom Phasenregelkreis (PLL) oder einem Quarz in bekannterweise abgeleitet wird. Die DFLL-Frequenz kann auf die Periode des Energiemagnetfeldes einrasten. Die Schwingungsfrequenz wird als Trägersignal verwendet, um Daten vom Betätigungsglied zu einer Basisstation (Figur 6) zu übertragen.
Das Betätigungsglied kann einen kleinen Bereich des ROM (mit einer vorprogrammierten Identifizierungszahl oder anderen Daten) und einen umprogrammierbaren, leistungsfreien Speicher mit Reservebatterie zur Zwischenspeicherung für die Ausstattung relevanter Details, an denen das Betätigungsglied montiert ist, haben.
Die Identifizierungszahl kann dazu verwendet werden, das Trägersignal zu modulieren und es so zu übertragen, daß das Betätigungsglied identifiziert werden kann. Der Inhalt der Kodesequenz kann aus einem Identifizierungskode, der für die Ausstattung eindeutig ist, und Statusbits erzeugt werden, die den Zustand verschiedener Magnetventile, Mechanismen u.s.w. an der Ausstattung, und welche Betätigung vom Betätigungsglied durchgeführt wird, angeben. Außerdem kann bei Empfang eines speziellen Befehls der Inhalt des umprogrammierbaren Speichers übertragen werden. Dies erlaubt einen Zugriff zu irgendeiner speziellen Information an dieser Ausstattung, die im umprogrammierbaren Speicher gespeichert ist. Auch kann der umprogrammierbare Speicher durch Verwendung einer anderen speziellen Befehlsfolge programmiert werden, der die zu speichernden Daten folgen (oder die diesen folgt). Die Datenspeicherung und Wiedergewinnung ist daher leicht und stört die Rückkopplung und die Fehlererkennung nicht, die durch die kontinuierliche Kontrolle des Systemsstatus durch die normale Kodefolgeübertragung durchgeführt wird.
Das kodierte Signal wird von einer Schleifenantenne empfangen, die auf das obere Ende der Treiberspule gewickelt ist. Um die Störung zu verringern, kann eine zweite "Störspule" nahe dem, jedoch im wesentlichen nicht im Magnetfeld des Betätigungsglied-Senders montiert werden. Das Signal der Störspule wird vom eigentlichen Antennensignal subtrahiert, so daß jedes Störsignal beseitigt wird. Die Beseitigung kann am Trägerfrequenz- und nicht am Basisband durchgeführt werden. Das Taktsteuersignal, das verwendet wird, um das mit dem Kode modulierte Signal des Betätigungsglieds zu erzeugen, wird auf die Periode der Treiberspule 21 eingeregelt. Da die Zeitperiode damit exakt bekannt ist, können Techniken der Anpassungsfilterung angewandt werden, um eine optimale Dekodierung zu erreichen.
Um die von der Betätigungsglied-Spule 21 aufgenommene Spannung gleichzurichten, können verschiedene Methoden angewandt werden. Eine Methode besteht darin, eine einzige Diode 23 zu verwenden, um jede notwendige Versorgungsspannung gleichzurichten, und eine Zenerdiode 24, um eine der Versorgungsleitungen zu klemmen. Dadurch werden alle anderen Versorgungsleitungen auf das Übersetzungsverhältnis zwischen den Abgriffen (Figur 7) geklemmt.
Um einen Teil der Betätigungsglied-Aufnahmespule 21 zum gleichzeitigen Energieempfang und zur Datenübertragung zu verwenden, erfordert die Schaltung des Gleichrichters und des Spannungsreglers (Figur 9) weitere Abwandlungen. Es ist zu beachten, daß die Diode 25 zwischen den Spannungsbezugspunkten (GND) und die Aufnahmespule geschaltet ist. Ein Transistor ist gezeigt, der den Übertragungsteil der Spule erregt. Einzelheiten, wie diese Art der Spulen/Dioden-Struktur funktioniert, sind in einer gleichzeitig anhängigen Patentanmeldung mit dem Titel "Transponder" offenbart.
Um eine Sicherheit gegen eine zufällige Betätigung zu schaffen, erfordert der Steuervorgang die Anwendung der Identifizierungskodezahl für das Betätigungsglied als notwendigen Teil jeder Befehlsfolge. Dies macht die zufällige unabsichtliche Triggerung unmöglich.
Das für die Betätigungssteuerfunktion angewandte Modulationsverfahren kann die Frequenzumtastung (PSK) oder die Phasenumtastung (PSK) sein. Für geringe Frequenz- oder Phasenänderungen tritt keine wesentliche Verringerung der mittleren Energieübertragung auf. Dadurch, daß die prozentual Modulation für die Amplitudenmodulation oder das Tastverhältnis bei Impulsmodulation niedrig gehalten wird, wird die mittlere Energieübertragung nur gering reduziert. Ein Synchronisierimpuls (oder eine Austastung) wird verwendet, um das Ende (oder den Beginn, wenn angegeben) einer Steuerfolge anzugeben. Die Impulsbreitenmodulation mit einem Fernschreiber-Synchronisierimpuls kann angewandt werden, um Daten vom Betätigungsglied zum Empfänger zu übertragen.
Die Frequenz- und die Phasentreiberspule können von einer Sättigungsdrossel, d.h. einer veränderbaren Induktivität, genau gesteuert werden. Ein Teil der Treiberspule wird auf zwei hochpermeable Toroide gewickelt. Auf jedes Toroid wird jetzt ein Gleichstrommagnetfeld gegeben. Das Gleichstrommagnetfeld ist in jedem Toroid bezüglich des Wechselstrom-Feldes in Folge der Treiberstromspule entgegengesetzt gerichtet. Ein starkes Gleichstromfeld sättigt den Kern, so daß die Toroidinduktivität auf die eines Luftkern-toroids verringert wird. Die Steuerung der Stärke des Gleichstromfeldes können die Resonanzfrequenz und die Phase der Treiberspule genau gesteuert werden kann (Figur 10A). Alternativ kann ein elektronischer Einstellkondensator verwendet werden, um die Phase und die Frequenz des Treiberspulenstroms genau zu steuern. Elektronische Schalter, die parallel oder in Reihe zu einigen der Spulenabstimmkondensatoren geschaltet werden, werden periodisch geöffnet oder geschlossen, um die Gesamtabstimmungskapazität der Spulenabstimmkondensatoren zu ändern (siehe Figur 10B).
Die Magnetfeldstärke der Betätigungsglied-Aufnahmespule kann dadurch erhöht werden, daß eine leitende (jedoch vorzugsweise nichtmagnetische) Metallabschirmung um die und nahe der Spule (ein Kondensator, wie er in der anhängigen Patentanmeldung beschrieben ist) angeordnet wird. Die Abschirmung kann kein geschlossener Kreis sein, muß jedoch eine elektrische Unterbrechung haben, um in der Spule umlaufenden Ströme zu verhindern (Figuren 12 und 12A).
Durch Überlappung zweier Spulen gerade ausreichend, um ihre gegenseitige Kopplung zu beseitigen, können die Spulen unabhängig voneinander betrieben werden. Zahlreiche Spulen können derart in Kaskade geschaltet werden, und jede kann von den benachbarten Spulen unabhängig betätigt werden. Solch eine ultralange Spule kann verwendet werden, um ein erheblich ausgedehntes Magnetfeld zu erzeugen, das zur Betätigung oder Programmierung sich schnell bewegender Betätigungsglieder geeignet ist. Alternativ kann die gegenseitige Kopplung zwischen den Spulen vernachlässigt werden, wenn in Einsatz von in Kaskade geschalteten Spulen alle mit der gleichen Treiberspule verbunden sind.
Eine Übertragungsart, die für die Verwendung der vorliegenden Erfindung vorteilhaft geeignet ist, wird nun im einzelnen erläutert. Die Gegenschreib-Signalgebung umfaßt eine Kombination eines Magnetfeld-Modulationssystems (MFMS) und eines Rückwirkungswiderstand-Signalgebungssystems (CISS), die nachstehend beschrieben wird. Das MFMS kann zwischen der Basisstation und dem Betätigungsglied verwendet werden, um das Betätigungsglied mittels Energie und/oder einer Nachricht zu versorgen. Das CISS kann dazu verwendet werden, relativ störungsfreie Nachrichten vom Betätigungsglied zur Basisstation zu übermitteln.
Das MFMS umfaßt eine Methode zur Daten- und Energieübertragung von einer Basisstation zu einem Betätigungsglied oder einem anderen Gerät unter Verwendung eines induktiven Feldes.Das MFMS, angewandt auf einen Transponder, ist ebenfalls in einer anhängigen Patentanmeldung offenbart worden.
Daten oder Befehle können durch Modulation eines schwingenden Magnetfeldes übertragen werden. Das schwingende Feld wird dazu verwendet, Energie zu einer induktiv gekoppelten, abgestimmten Empfangseinheit zu übertragen. Die Empfangseinheit kann ein Betätigungsglied sein. Ein Modulationsdetektor einer abgestimmten Empfangseinheit erfaßt die Modulation und liefert sie zu einer geeigneten Dekodierschaltung.
Für ein beliebig moduliertes schwingendes Magnetfeld ist die Datengeschwindigkeit durch die Bandbreite der abgestimmten Empfangseinheit begrenzt. Dieses ist ausreichend breit, um eine Datengeschwindigkeit von Kilobits pro Sekunde zu ermöglichen. Bitgeschwindigkeiten weit über der Bandbreite der abgestimmten Empfangseinheiten können durch Anwendung mehrstufiger Signalgebung erreicht werden. Die Kanalkapazität ist (entsprechend Shannon) und dem Logarithmus des Rauschabstandes begrenzt. Der Rauschabstand für das modulierte Magnetfeld ist sehr hoch, und die Bitgeschwindigkeiten werden im wesentlichen durch die Komplexität der Schaltung begrenzt, die erforderlich ist, um die Signale zu demodulieren. Typischerweise ist das Magnetfeld phasen- oder frequenzmoduliert, da dadurch die Energieübertragung vom Sender zur Empfangseinheit nicht wesentlich beeinträchtigt wird. Die Amplituden-Impulsbreiten- oder Impulslagenmodulation können ebenfalls angewandt werden. Die Amplituden- oder Impulsmodulation reduziert jedoch die mittlere Energieübertragung. Die Amplitudenmodulation kann auch durch die Spannungsregelschaltung zur Begrenzung der Spannung über der abgestimmten Empfangseinheit verzerrt werden.
An der Empfangseinheit leitet der Phasenregelkreis 30 (PLL) die Phasen- oder Frequenzmodulation ab , während ein Hüllkurvendetektor verwendet werden kann, um um die Amplituden- oder Impulsmodulation zu ermitteln, wie die Figuren 13, 14, l4A und 14B zeigen.
Das Energiefeld wird von einer abgestimmten Spule 21 erzeugt. Die Abstimmung ist zur Versorgung großer Spulenströme bei niedrigen Eingangsspannungen wesentlich. Eine Spule mit hohem Q wird dazu verwendet, den wirksamen Betrieb sicherzustellen. Die Eigenschaften von Spulen mit hohem Q erfordern eine spezielle Beachtung, wenn eine Magnetfeldmodulation mit hoher Geschwindigkeit gewünscht wird. Zur Phasen- oder Frequenzmodulation wird die momentane Betriebsfrequenz der abgestimmten Spule entweder durch eine stufenweise Änderung der Spulenimpedanz oder durch eine Abstimmkapazität geändert. Jede stufenweise Impedanzänderung sollte auftreten, wenn der Spulenstrom Null ist, während eine stufenweise Kapazitätsänderung auftreten sollte, wenn die Kapazitätsspannung Null ist, oder derart, daß sich die Kapazitätsspannung ändert, wenn sich der Kapazitätswert ändert. Diese Umschaltschemata minimieren das Schwingungsverhalten der Schaltung, wie beispielsweise die Figuren 15 und 16 zeigen. Die stufenweise Änderung der Schaltungskapazität oder -induktivität kann dadurch realisiert werden, daß ein Kondensator oder eine Spule in die Schaltung während der gesamten Zeit eingeschaltet wird, in der die Extrakapazität oder -induktivität erforderlich ist. Alternativ kann der Kondensator oder die Spule während eines Teiles oder Teilen jedes Zyklus des Spulenstroms periodisch geschaltet werden. Durch Änderung der relativen Größe des Teils bzw. der Teile bezüglich der Periode eines Zyklus kann der Kapazitäts- oder Induktivitätswert im gleichen Verhältnis geändert werden. Dies ermöglicht eine genaue Steuerung der Spulenresonanzfrequenz und der Betriebsphase.
Zur Phasenmodulation ändert sich der Phasenwinkel mit einer linearen Geschwindigkeit, wenn eine stufenweise Frequenzänderung durchgeführt wird. Wenn die erforderliche Phasenwinkeländerung erreicht ist, kehrt die Betriebsfrequenz zu ihrem Nennwert, und die Phasenänderung hört auf.
Wenn die Amplituden- oder Impulsmodulation angewandt wird, wirkt die Spulengüte Q raschen Änderungen des Spulenstroms entgegen. Die Spulengüte Q kann künstlich durch Einfügen einer Extraverlustes in die Spule gesenkt werden. Dies erfolgt entweder durch direktes, induktives oder kapazitives Ankoppeln eines Extrawiderstandes in den abgestimmten Kreis, wie zum Beispiel Figur 17 zeigt. Zur Amplitudenmodulation können Verringerungen der Spulenstromgröße durch Schalten eines Extrawiderstandes beschleunigt werden. Zur Impulsmodulation wird der Widerstand geschaltet, nachdem die Signalquelle abgetrennt wurde. Der Widerstand beseitigt rasch den Spulenstrom. Nach Ablauf eines geeigneten Zeitintervalls wird die Signalquelle wieder aktiviert, und der Spulenstrom wird wieder hergestellt. Zur Amplituden- oder Impulsmodulation kann der Widerstand durch eine Energiequelle derart ersetzt werden, daß anstelle der Dämpfung der magnetischen Energie in Form von Wärme diese zur Energiequelle zur Wiederverwendung zurückgeleitet wird. Die gleichzeitige Durchführung der Energieübertragung und der Daten- oder Befehlsübertragung durch das gleiche Magnetfeld ermöglicht die Fernsteuerung der elektromechanischen Geräte und der elektronischen Kreise und/oder die Fernprogrammierung eines E² PROM oder eines üblichen CMOS Speichers mit Batteriereserve oder des Speichers oder der Schaltung innerhalb des Betätigungsglieds.
CISS umfaßt eine Methoder der Signalgebung, die es ermöglicht, daß Daten gleichzeitig von einer induktiv versorgten Empfangseinheit zurück zu einer Magnetfeldübertragungseinheit übertragen werden, während die Einheit ein Magnetfeld empfängt.
Energie wird induktiv von einer abgestimmten Versorgungsspule in der Sendeeinheit zu einer abgestimmten Aufnahmespule in der Empfangseinheit übertragen. Änderungen der elektrischen Parameter der Aufnahmespule koppeln sich induktiv auf die Impedanz der abgestimmten Energiespule zurück. Der in der Aufnahmespule vom Magnetfeld des Abfragesenders induzierte Strom erzeugt sein eigenes Magnetfeld. Dieses Feld induziert eine Spannung in der Treiberspule des Abfragesenders. Die induzierte Spannung hat eine in Phase befindliche Komponente und eine 90º phasenverschobene Komponente bezüglich des Treiberspulenstroms. Dies ist eine nichtstrahlende Signalgebungsmethode, die die gleiche Spule zur induktiven Energieversorgung in der Empfangseinheit und zum Empfang der Daten von der Empfangseinheit verwendet. Die induktive Kopplung bewirkt eine relativ störungsfreie Nachrichtenübertragung.
Es gibt zwei Methoden, durch die Daten von der Empfangseinheit übermittelt werden können:
(1) Die "Energieabsorptions"-Signalgebung kontrolliert die von der Empfangseinheit absorbierte Energie. Die Modulation der Energie, die von jeder Empfangseinheit absorbiert wird, wird an der Basisstation ermittelt.
(2) Die "Impedanzkontrolle" kontrolliert die Impedanz der abgestimmten Energiespule durch Vergleich der Phasenwinkel des Stroms und der Spannung in der abgestimmten Energiespule. Die Impedanz kann durch die abgestimmte Energiespule induktiv geändert werden. Die Änderung der Parameter der abgestimmten führt zu einer Änderung der Impedanz der abgestimmten Energiespule.
Für beide Signalgebungsmethoden ist die Datengeschwindigkeit nicht durch die Bandbreite der Energiespule begrenzt, und wird im wesentlichen durch die Aufnahmespulenbandbreite nicht begrenzt. Die Wirksamkeit der Energieübertragung von der Sendeeinheit zur Empfangseinheit wird nur geringfügig durch diese Signalgebungsmethoden beeinträchtigt. CISS verwendet die gleiche Trägerfrequenz zur Datenübertragung wie das Energiefeld. Die Datenübertragung kann durch Nutzung der Energiefelder-Frequenzquelle als kohärentes Bezugsmaß kohärent detektiert werden. Die kohärente Detektion ist eine optimale Detektionsmethode für sinusförmige Trägersignale. Der Kohärenzdetektor bzw. die Kohärenzdetektoren können eingestellt werden , um entweder das in Phase befindliche Signal (I, realer Strom oder reale Spannung) ohne das 90º verschobene Signal (Q, Blindstrom oder Blindspannung) detektieren.
Wenn CISS angewandt wird, kann die Frequenz des Energiefeldes gleichzeitig zur Übertragung in das Betätigungsglied vorzugsweise durch FSK-Verarbeitung der Energiefeldfrequenz verwendet werden.

(1) Energieabsorptions-Signalgebung:

Die Energieabsorptions-Signalgebung arbeitet mit der Kontrolle der realen (bzw. in Phase befindlichen) Ströme und Spannungen in der Treiberspule. Dies entspricht dem Energieverlust in der Treiberspule und dem Betätigungsglied. Die Aufnahmespule muß im wesentlichen auf die Frequenz des induktiven Energiefeldes abgestimmt sein. Im Empfänger wird Energie durch die Spulenverluste und die Schaltungslast verbraucht. Durch Deaktivieren der Aufnahmespule hört die Ableitung von Energie von der Treiberspule zum Ausgleich dieses Energieverlustes auf. Durch richtige Synchronisierung der Deaktivierung und Aktivierung der Aufnahmespule mit dem Energiefeld wird die Energie, die in der Spule gespeichert ist, im wesentlichen in der Aufnahmespule gehalten. Durch Reaktivieren der Aufnahmespule arbeitet die Spule weiter unter den Bedingungen des statischen Zustandes, die vor der Deaktivierung herrschten. Folglich ist die absorbierte Energie unmittelbar gleich dem Wert bei Vollabsorption. Es tritt keine Einschwingungsperiode auf, während der das System zum Arbeitspunkt des statischen Zustandes aufläuft. Das Aktivieren und Deaktivieren der Aufnahmespule wird durch Trennen der Verbindung zwischen der Aufnahmespule und ihrem Abstimmkondensator erreicht.
Das Deaktivieren der Aufnahmespule sollte einsetzen, wenn der induktive Strom Null ist, und zwar derart, daß der sich ergebende Strom plus mit der in der Aufnahmespule vom Energie- Magnetfeld induzierten Spannung in Phase ist. Das Aktivieren und Deaktivieren der Aufnahmespule kann durch einen Schalter erfolgen. Die Figuren 18 und 18A zeigen zwei Beispiele von Kreisen, die das Deaktivieren der Spule an dem Punkt synchronisiren, an dem der Spulenstrom im wesentlichen Null ist. Wenn eine Diode über den dann vorgesehenen Schalter geschaltet wird, wird der Halbleiterschalter gesperrt, nachdem der Spulen IL negativ wurde, und das Abschalten erfolgt synchron mit dem Punkt, an dem der induktive Strom null ist. Der Komparator in Figur 18 kontrolliert den Stromfluß durch den Halbleiterschalter, bei dem der Spannungsabfall über der Impedanz des Schalter gemessen wird.
Figur 19 zeigt eine beispielsweise Schaltung, die das Abschalten des Halbleiterschalters derart synchronisiert, daß der Spulenstrom dann mit der induzierten Spannung in Phase fließt. Der Spannungskomparator kontrolliert die in der Spule induzierte Spannung. Wenn die Änderung der Kreise in den Figuren 18, 18A, 19 und 19A auftritt, kann die Frequenz des Energiefeldes gleichzeitig dazu verwendet werden, Daten in das Betätigungsglied zu übertragen. Es treten im wesentlichen keine Einschwingvorgänge auf, wenn die Kreise der Figuren 18, 18A, 19 und 19A geschaltet werden. Eine Mehrstufen- Signalgebung kann durch Änderung des Serienwiderstandes der Aufnahmespule erreicht werden. Zu dem in den Figuren 18, 18A, 19 und 19A gezeigten Kreisen gehört auch der Serienwiderstand der Spule. Dieser Widerstand ist die Quelle von Spulenverlusten. Ein Extraschaltwiderstand in Reihe mit der Spule verringert den Spulenergieverlust, der vom Abfragesender kontrolliert wird. Figur 19B zeigt ein System zur Durchführung einer 4-Pegel-Signalgebung.
Diese Methode der korrekten Synchronisierung der Deaktivierung und Aktivierung der abgestimmten Aufnahmespule durch Unterbrechen des abgestimmten Serienkreises schafft ein extrem schnelles Signalgebungssystem, das durch die Bandbreite der abgestimmten Spulen nicht begrenzt wird. Andere offenbarte Systeme, bei denen ein veränderbarer Widerstand oder ein veränderbares Reaktanzelement verwendet ist, um den Strom in der abgestimmten Aufnahmespule zu ändern, sind hinsichtlich der Datengeschwindigkeit durch die Bandbreite der abgestimmten Aufnahemspule begrenzt. Außerdem erhöht keines dieser Systeme seine Bitgeschwindigkeit durch Anwendung der Mehrfachpegel- Signalgebung über die Bandbreitengrenze hinaus.
Die richtige synchrone Schaltung ist bei einer Signalgebung mit Mehrfachpegel-Widerstand nicht besonders kritisch. Die Schaltgeschwindigkeit wird durch die abgestimmte Bandbreite begrenzt. Durch fortgesetzte Einhaltung der beschriebenen synchronen Schaltverfahren werden Einschwingvorgänge in Folge von Streu- oder parasitären Schaltrkreiselementen minimiert. Selbst wenn die Schaltgeschwindigkeit durch die Bandbreite des abgestimmten Kreises begrenzt wird, ergibt die Mehrfachpegel- Signalgebung eine höhere effektive Bitgeschwindigkeit als hier durch Anwendung binärer Signalgebung erreicht werden kann.
Änderungen der vom Empfänger absorbierten Energie können an der Basisstation als Änderungen der realen Impedanz (des Widerstandes) der Treiberspule kontrolliert werden. Die in Phase befindliche Komponente des in die Energiespule fließenden Stroms und der darüberliegenden Spannung können kontrolliert werden, um die Energieabsorptionsmodulation (Fiugr 19C) zu ermitteln. Die Transponderimpedanz, die um die Antenne des Abfragesenders rückgekoppelt wird, ist ZT (t) (siehe Figur 19C). Das Ausgangsprodukt des Vielfachen ist A&sub0; (t).
Ao (t) = Vλ² (r+rτ (t))/(r = rτ(t))² + (X(t) + ωL - r/ωC)²
Wenn der Transponder richtig abgestimmt ist, gilt X(t) = 0, und wenn der in Reihe geschaltete abgestimmte Abfragesender in gleicher Weise richtig abgestimmt ist, dann gilt:
ωL-1/ωC = 0.
Damit gilt:
A&sub0; (t) = VA²/r+rT(t) und A&sub0;(t) ist ein wirksames Maß von rT(T). Zur Energieabsorptions-Signalgebung wird dies Impulslagenmodulation oder die Impulsamplitudenmodulation mit der Aufnahmespule nur deaktiviert im wesentlichen während kurzer Impulse bevorzugt, da sie die von der Aufnahmespule empfangene Energie nur geringfügig ändert.

(2)Impedanzkontrolle:

Die Impedanzkontrolle mißt die reale und die Blindstrom- und -Spannungskomponenten der Antenne des Abfragesenders, d.h. die in Phase befindlichen und die 90º phasenverschobenen Komponenten. Aus dieser Information wird ein Maß der Stromgröße und des Phasenwinkels der abgestimmten Kreise der Transponder bezüglich des Magnetfeldes gebildet. Es werden Daten dazu verwendet, die die Größe und/oder den Phasenwinkel dieses Stroms zu ändern. Die Aufnahmespule ist auf die oder etwa auf die gleiche Frequenz wie das induktive Energiefeld abgestimmt. Die Gesamtimpedanz der abgestimmten Energiespule ist eine Funktion der Impedanz der Energiespule, der Aufnahmespuleninduktivität und der Abstimmkapazität, der Kreisverluste in der Empfangseinheit und der Betriebsfrequenz. Die Änderung eines dieser Parameter ändert die Gesamtimpedanz der Energiespule. Der am leichtesten zu ändernde Parameter ist der Abstimmkondensator der Aufnahmespule. Die Änderung der Abstimmkapazität ändert die Impedanz der Energiespule, und durch richtige Synchronisierung dieser Änderungen können normalerweise mit diesen Änderungen auftretende Einschwingvorgänge vermieden werden. Die Gesamtimpedanz der Energiespule verschiebt die neue im eingeschwungenen Zustand befindliche Impedanz so schnell wie dies die abgestimmte Aufnahmespule macht. Bei richtiger Synchronisierung erfolgt dies nahezu sofort.
Ein Beispiel einer Schaltung für die richtige Synchronisierung der Kapazitätsänderung zeigt Figur 20. Die Abstimmkondensatoren C1 und C2 sind derart, daß C1 die Aufnahmespule auf einen Phasenwinkel abstimmt, während C2 die Aufnahmespule auf einen anderen Phasenwinkel abstimmt. S1 und S2 sind Schalter, die, wenn sie beide geöffnet sind, die Aufnahmespule deaktivieren. Zu jedem Zeitpunkt ist nur ein Schalter geschlossen. Die Schalter werden, während der Spulenstrom IL Null ist, in exakt der gleichen Weise wie die zuvor beschriebene "Energieabsorptions"-Signalgebung geöffnet. Das erneute Schließen des entsprechenden Schalters wird von dem geeigneten Phasenwinkel im statischen Zustand des Systems nach dem Schließen bestimmt. Die Zeit des erneuten Schließens ist derart, daß der sich ergebende Stromfluß mit dem Stromfluß bei statischem Zustand für diesen besonderen Schalter in Phase ist.
Die geschalteten Kondensatoren verhalten sich ähnlich wie zwei gesonderte "Energieabsorptions"-Sender, wobei die im System gespeicherte Energie zwischen der Aufnahmespule und dem entsprechenden Kondensator zyklisch umläuft und dann in diesem Kondensator gespeichert wird, während der andere Kondensator eingeschaltet wird. Wie in Figur 20 nicht gezeigter Phasensensor steuert die Punkte, an denen der Kondensatorschalter wieder geschlossen werden würde.
Dieser Phasensensor könnte ein monostabiles Kippelement mit veränderbarer Verzögerung sein, das so aufgebaut ist, daß es den jeweiligen Schalter zu einem Zeitpunkt wieder schließt, d.h., einem Zeitpunkt, wenn der Spulenstrom im statischen Zustand Null ist, und der resultierende Stromfluß richtig in Phase ist. Figur 20A zeigt ein Beispiel solch einer Schaltung. Normalerweise tritt bei jeder Änderung der Schaltkreisparameter oder der gespeicherten Energie ein Einschwingvorgang auf. Hier jedoch wird der Kondensator mit exakt der richtigen Strommenge der Energie für die jeweiligen Betriebszustände der abgestimmten Spule geladen. Beim erneuten Schließen zum richtigen Zeitpunkt schaltet das abgestimmte System sofort seinen statischen Zustand mit vernachlässigbaren Schaltkreis- Einschwingvorgängen ein. Streu- oder parasitäre Schaltkreiselemente tragen zu geringeren Schaltkreis-Einschwingvorgängen bei. Figur 20B zeigt beispielsweise Signalverläufe für die in Figur 20A gezeigten Schaltkreis.
Dieses System mit geschaltetem Kondesator kann so erweitert werden, daß es Mehrfachkondensatoren für Mehrfachpegel- Signalgebung umfaßt, wobei der Einschwingvorgang in den neuen Betriebszustand innerhalb eines Zyklus (Figur 20C) erfolgt. Solch ein System hat nicht nur eine außergewöhnlich hohe Schaltgeschwindigkeit (Baud-Geschwindigkeit), die durch die Bandbreite des abgestimmten Schaltkreises nicht begrenzt wird, und die gegeben ist durch:
BR = 3.32B log µ
in der BR, B und µ die Bitgeschwindigkeiten, die Baud- Geschwindigkeit und die Anzahl der jeweiligen Pegel ist. Beispielsweise verdoppelt eine Vier-Pegel-Signalgebung die Bitgeschwindigkeit.
Für die Schaltkreise mit geschaltetem Kondensator kann einer der Schalter vorzugsweise ein Verarmungstransistor sein, der normalerweise leitet und es dem abgestimmten Schaltkreis ermöglicht, normal zu arbeiten, wenn das Energie-Magnetfeld zuerst angelegt wird. Der den Transistor zugeordnete Kondensator kann vorzugsweise derjenige sein, der für die perfekte Abstimmung der Aufnahmespule erforderlich ist. Dies stellt sicher, daß das System die während des Energieaufbaus maximal mögliche Energie aufnimmt und/oder wenn keine Modulation übertragen wird (siehe Figur 20C).
Wenn Beruhigungszeiten für einen Einschwingvorgang, die zur Bandbreite der abgestimmten Aufnahmespule gehören, zulässig sind, dann ändert die Änderung der Abstimmreaktanz vorzugsweise synchron mit den Daten die Phase und die Amplitude des Stroms der Aufnahmespule. Ein Einschwingvorgang kann auftreten, da sich die im eingeschwungenen Zustand im abgestimmten Kreis gespeicherte Energie mit der Reaktanz ändert. Spulen oder Kondensatoren können in den abgestimmten Kreis geschaltet werden, um die Phase/Amplitude des Aufnahmespulstroms zu ändern. Die Bandbreite kann durch Einfügen eines besonderen Widerstandes (Verringerung von Q) in das abgestimmte System künstlich erweitert werden. Das synchrone Schalten wird vorzugsweise durchgeführt, ist jedoch nicht wesentlich (siehe Figur 20D). Die Mehrfachpegel- Signalgebung kann durch die Parallelschaltung von in Reihe geschalteten Reaktanzen verwirklicht werden. Wenn jedoch Einschwingvorgänge tolerierbar sind, gibt es eine weitaus wirksamere Methode der Steuerung des Phasenwinkels des Stroms der abgestimmten Aufnahmespule.
Ein einziger Einstellkondensator wird dazu verwendet, den Phasenwinkel und die Größe (der Phasenwinkel und die Amplitude stehen miteinander in Beziehung) des Stroms zu steuern. Typische elektronische veränderbare Kondensatoren (Varaktoren) sind jedoch nur in der Lage, einige Signalvolt zu verarbeiten und sind für Hochleistungs/Spannungssysteme vollkommen nutzlos. Anstelle des elektronisch veränderbaren Kondensators, der zur Abstimmung verwendet wird, kann die Antenne des Abfragesenders während der FSK-Bearbeitung des Energiefeldes vorteilhafterweise im Transponder verwendet werden. Der elektronische Kondensator zusammen mit typischen Signalverläufen und einem Transponder zeigt Figur 20E.
Der Schalter S&sub1; schaltet den Kondensator C während jedes Zyklus periodisch kurz. Idealerweise ist S&sub1; ein Zweirichtungsschalter mit Nullimpedanz, wenn er geschlossen ist, und mit unendlicher Impedanz, wenn er offen ist. Solch ein Schalter kann praktisch unter Verwendung von FET- oder MOSFET-Transistoren realisiert werden. Der Schalter öffnet nur oder schließt nur, wenn die Spannung über dem Kondensator Null ist. Die Zeitτ, in der S&sub1; geschlossen bleibt, wird von einem monostabilen Kippglied gesteuert. Der effektive Kapazitätswert Ceff erhöht sich durch dieses Schema und ändert sich von Ceff = C bei τ = 0 bis Ceff = C0, wenn τ = T/2, wobei Ceff durch die Grundkomponente der Spannung über der Kondensator/Schalter-Kombination gemessen wird. Durch Steuerung von τ mit einem Datensignal kann das Datensignal auf den Stromphasenwinkel der Aufnahmespule moduliert werden. Die Steuerung des Phasenwinkels über τ ist eine kontinuierliche veränderbare monotone Funktion. Mehrfachpegel- Daten können auf den Stromphasenwinkel durch richtige Wahl durch Mehrfachpegelwerte für τ moduliert werden. Der Schaltkreis kann auch dazu dienen, die Transponderaufnahmespule abzustimmen, wenn sie am Anfang installiert wird. Der Ruhewert von τ kann so eingestellt werden, daß die Aufnahmespule richtig abgestimmt wird. Wenn τ geändert wird (zum Beispiel durch Daten) benötigt der Kreis Zeit, um sich auf seinen neuen Arbeitspunkt einzustellen. Diese Einschwing-Abstimmung ist grob 1/(π x Bandbreite des abgestimmten Kreises).
MOSFETs enthalten normalerweise eine körperliche Diode. Die Schaltung mit einer Überbrückungsdiode wurde bereits im einzelnen erläutert und ist in den Figuren 18A und 20A gezeigt. Die Diode richtet den Signalverlauf gleich und legt eine Gleichvorspannung über den Kondensator. Wenn die Kapazität (durch Änderung von τ ) geändert wird, verschiebt sich der Gleichspannungspegel, und es erfordert Zeit bis zur Beruhigung. Diese Beruhigungszeit liegt in der Größenordnung von (1/π x Bandbreite). Durch Reihenschaltung eines P- und eines N-Kanal-MOSFETs zum Einbau des Zweirichtungsschalters tritt diese Gleichrichtung nicht auf. Eine spezielle Gateelektroden-Treiberschaltung wäre erforderlich, um die MOSFETs richtig zu schalten. Figur 20G zeigt diese Kombination von MOSFETs.
Die Ermittlung des Rückwirkungswiderstandes erfolgt durch Kontrolle der phasengleichen und 90º phasenverschobenen Strom- oder Spannungskomponenten in der Antenne des Abfragesenders. Die Wahl hängt von der Impedanz der Signalquelle der Antenne ab. Eine Spannungsquelle erfordert eine Stromabtastung und eine Stromquelle eine Spannungsabtastung. Fig. 20F zeigt eine Schaltung zur Ermittlung der in Phase befindlichen und 90º phasenverschobenen Kopplung vom Transponder und ein Phasendiagramm für die Antennenimpedanz. Es ist zu beachten, daß sich der Blind- bzw. 90º phasenverschobene Vektor monoton mit dem Phasenwinkel ändert, während die reale bzw. in Phase befindliche Komponente keine monotone Funktion des Phasenwinkels ist. Die 90º phasenverschobene Komoponente kann dekodiert werden, um Mehrfachpegel-Daten zu rekonstruieren. Die in Phase befindliche Komponente kann weiter für Dekodierzwecke verwendet werden, um die Gesamtgenauigkeit dadurch zu verbessern, daß ein zweidimensionaler Vektorpunkt statt einer Linie im Decordierraum definiert wird.
Die Antenne des Abfragesenders wird vorzugsweise so abgestimmt, daß sie wirksam arbeitet und/oder ihre elektrischen Parameter an die Signalquelle anpaßt. Wie bereits erläutert - erfolgt die Abstimmung vorzugsweise mit einem elektronisch veränderbaren Kondensator, wie zuvor erläutert und in Fig. 10A, 20E oder 20G gezeigt wurde.
Dieser veränderbare Kondensator ist in Reihe mit der abgestimmten Antenne geschaltet. Die richtige Abstimmung ist normalerweise definiert als die Aufrechterhaltung eines konstanten, vordefinierten Phasenwinkels zwischen dem Strom und der Spannung im abgestimmten Element. In diesem Falle beruht die richtige Abstimmung auf der Aufrechterhaltung eines Restimpedanzwinkels (typischerweise 32º) für die Antenne. Die mit dem Transponder gekoppelte Impedanz kommt zur Gesamtantennenimpedanz hinzu und ändert diese. Unter den meisten Bedingungen wird der Impedanzwinkel geändert und der Schaltkreis des veränderbaren Kondensators kompensiert die Transponderimpedanz, so daß der richtige Restphasenwinkel wieder eingestellt wird. Durch Kontrolle des veränderbaren Kondensators können die Daten des Transponders dekodiert werden. Fig. 20H zeigt ein Blockschaltbild, ein Schaltbild und ein Phasenverschiebungsdiagramm dieser Systemart. Ein zusätzlicher Vorteil dieses Systems besteht darin, daß es stets im wesentlichen richtig abgestimmt ist. Wiederum kann die Information der in Phase befindlichen Komponente zur Dekodierung mit dem Signal des veränderbaren Kondensators und/oder der 90º phasenverschobenen Komponente erhöht werden.
Ein Gegensprech-Datenübertragungskanal- und Energieübertragungssystem kann durch Kombination des Magnetfeld- Modulationssystem und des Rückwirkungswiderstand-Signalgebungssystem verwirklicht werden.
Die Frequenz- oder Phasenmodulation des Magnetfeldes durch das Magnetfeld-Modulationssystem beeinträchtigt die Ströme und Spannungen in der Feldübertragungsspule in geringerer und vorhersagbarer Weise. Folglich können Signale, die von dem Rückwirkungswiderstand-Signalgebungssystem übertragen werden, aus den Strömen und Spannungen in der Feldübertragungsspule abgeleitet und leicht ermittelt werden.
Am Empfänger werden Phasenänderungen im Strom und in der Spannung der Aufnahmespule, die durch das Rückwirkungswiderstand-Signalgebungssystem eingeführt werden, in der Schaltung leicht kompensiert, die so ausgebildet ist, daß sie die Frequenz- oder Phasenmodulation ermittelt, die vom Magnetfeld-Modulationssystem gesendet wird.
Diese beiden Modulationssysteme können gleichzeitig zusammenwirken, um einen Gegensprechkanal unter Verwendung des gleichen Magnetfeldes zu schaffen, während Energie zur Empfangseinheit übertragen wird. Alternativ können die beiden Datenübertragungen Bit für Bit derart verschachtelt werden, daß nur ein Datensignal zu irgendeinem Zeitpunkt seinen Zustand ändert, wodurch die Trennung der Datensignale einfacher wird.
Die vorliegende Erfindung hat zahlreiche Anwendungsfälle wegen der Notwendigkeit der Betätigung, Identifizierung, Sicherheit, Information und Nachrichtenübertragung auf vielen Gebieten.
Ein beispielsweiser Anwendungsfall der vorliegenden Erfindung ist der eines Eisenbahn-Schaltpunkt-Steuergerätes, wie es im Blockschaltbild Fig. 23 gezeigt ist. Insbesondere in entfernten Bereichen müssen Schaltpunkt-Steuergeräte lokal mit Energie versorgt werden. Bei Anwendung der vorliegenden Erfindung kann ein Energiefeld-Generator auf einem Zug montiert werden, und ein Betätigungsglied- und Magnetschalter- Treibersystem zur Schaltpunktsteuerung dann am Schaltpunkt angeordnet sein. Wenn sich der Zug dem Schaltpunkt nähert, kann der Energiefeld-Generator das Betätigungsglied beeinflussen, das ausreichend Energie vom Feld ableitet, um das Magnetfeld und den Eisenbahn-Schaltpunkt zu steuern. Die Richtung der Bewegung des Schaltpunktes kann z.B. auf die Modulation oder die Frequenz des Energiefeldes ansprechen.
Ein weiterer beispielsweiser Anwendungsfall der vorliegenden Erfindung, ist, wie anhand der Fig. 21 und 22 gezeigt ist, der eines vollautomatischen Rollgut-Identifizierungs-, Nachlauf- und Steuersystems. Das System verwendet passive, maschinenlesbare, uinprogragrammierbare Transponder, zusammen mit Fern- Abfragesender- und Datenübertragungsgeräten für die Transponder. Das System kann magnetschalterbetätigte Wandler mit Fernenergie versorgen und steuern, und eine bewegliche, dezentrale Datenbasis für Eisenbahnstrecken- und Rollgutleitprogramme schaffen.
Das System kann ein automatisches, ausfallsicheres System zur Fernentladung von Schüttgut-Schienenfahrzeugen schaffen, das einfach und zweckmäßig in der Anwendung, zuverlässig ist und bekannte Technologie verwendet.
Das System maximiert die Schienen-Rollgutanwendung und minimiert den Kapitalaufwand, reduziert teure Datenübertragungen, wie sie bei vorhandenen und zukünftigen computergestützten Schienenleitprogrammen auftreten, und ist effektiver als bestehende Rollmaterial-Identifizierungs- und Nachlaufsysteme, und ist in seiner Vielseitigkeit beispielslos.
Das Rollmaterial-System hat:

A) Ein Transponder/Betätigungsglied (siehe Fig. 21 - 30)

Ein Transponder 41 ist ständig an einer gemeinsamen Stelle mit jedem Rollgutstück 42 befestigt, das in einem speziellen Leit- oder Bearbeitungsplan verwendet werden soll. Jeder Transponder hat einen Mikroprozessor und ein leistungsloses 256-Byte Speichermikrochip, das laufend umprogrammierbar ist. Alle elektronischen Komponenten sind permanent eingekapselt in einem hochgradig stoßsicheren Kunststoffmaterial.
Bis zu 56 Byte der Datenspeicherung können geschützt und bei der Installation mit der vorhandenen Fahrzeugidentifizierungszahl (ID) programmiert werden. Die restlichen Bytes können mit anderen Daten, wenn erforderlich, fernprogrammiert werden.
Jeder Transponder ist mit externen Anschlüssen versehen, die es ermöglichen:
1. bis zu vier unabhängige 24 Volt Gleichspannung Magnetschalter-Betätigungsglieder o. dgl. mit Fernenergie zu versorgen und zu steuern.
2. Sensorenumschalter zur Kontrolle der Türstellung, des Luftdruckes und anderer relevanter Waggonsysteme anzuschließen.
Der Transponder enthält keine Batterie, bzw. benötigt keine direkt angeschlossene Energiequelle, um irgendeine seiner Funktionen durchzuführen. Ein abgestrahltes, auftreffendes Energiefeld liefert Daten, Nachrichten und Energie.

B) Abfragesender

Ein Abfragesender 40 erzeugt das Energiemedium, das zur Fern- Energieversorgung, -Programmierung und -Ablesung jedes Transponders 41 notwendig ist.
a) Zwei Arten von Abfragesendern können erforderlich sein:

feste Abfragesender:

diese sind eine kurze Strecke außerhalb des minimalen strukturellen Abstandsdiagramms installiert, das den Fahrzeugtranspondern zugewandt ist.
Einrichtungen an Quellenabfertigungsdepots bewirken eine Datenfernübertragung zu jedem Fahrzeugtransporter, wenn der Zug das Depot verlässt. Dies kann bei Geschwindigkeiten bis zu 40 km/Stunde erreicht werden.
Feste Abfragesender sind ebenefalls an der Spitze von Ankunftsnebengleisen zur Datenwiedergewinnung installiert. An Schüttgut-Ladeeinrichtungen befinden sich feste Abfragesender-Energie- und Steuereinrichtungen, die über Ventile das Öffnen und Schließen von Fahrzeugladetüren steuern.

b) Portable Hand-Abfragesender:

diese können verwendet werden, um jeden Transponder mit der Fahrzeug-ID bei der Installation zu programmieren. Zusätzliche portable Abfragesender werden für jede Programmier- oder Lesefunktion verwendet, wenn Fahrzeuge außerhalb des Bereichs fester Abfragesender positioniert sind, z.B., wenn Waggons rangiert werden oder sich auf Nebengeleisen befinden.

C) Steuergerät

Das Steuergerät erzeugt eine Nachrichtenübertragungs- und Betriebslogik für alle festen Abfragesender. Es kann nahe an oder entfernt vom gesteuerten Abfragesender angeordnet sein. das Steuergerät kann eine getrennt aufgestellte Einheit zur Gutentladung nur in bestimmten Fällen sein, oder an ein Datenprotokollgerät oder an eine zentrale Datenverarbeitungsanlage angeschlossen sein, um Daten für Schienenleitprogramme zu liefern.
Um das Anwendungspotential des Systems zu erkennen, wurde ein Installationsbeispiel zur Steuerung von Schüttgütern zur Beschreibung ausgewählt. Diese sollte in Verbindung mit Fig. 21 gelesen werden.
1. Das erste Fahrzeug, an dem ein Transponder befestigt ist, der mit der vorhandenen ID programmiert ist, wird bereit zum Entladen am Quellenabfertigungsdepot positioniert.
2. Die Schüttgutentladung erfolgt entsprechend üblichen Praktiken.
3. Alle veränderbaren Daten, die sich auf das Schüttgut beziehen, werden in den Steuerspeicher unter der Fahrzeug- ID eingegeben. Für die meisten Schüttgutinstallationen ist die Schüttgutart konstant und könnte einen Teil des geschützten Speichers des Steuergerätes darstellen, wie Depotkode, Datum und Zeit.
4. Die Schüttgutmenge für jedes Fahrzeug kann automatisch im Steuergerät aufgezeichnet werden, wenn ein statisches oder ein zugbewegungsgekoppeltes Wiegegerät vorhanden ist.
5. Die Stufen 1 - 4 werden wiederholt, bis alle Fahrzeuge zusammengestellt und beladen sind.
6. Wenn der Zug aus dem Quellenverladedepot ausfährt, wird ein fester Abfragesender, der am Ende der Entladeschleife positioniert, ist aktiviert, und erregt wiederum jeden Fahrzeugtransponder 41, der dann seine ID zum Abfragesender 40 zurücküberträgt. Sich auf jede Fahrzeug- Id beziehende, gespeicherte Daten werden dann automatisch wiedergewonnen und vom Steuergerät zum Transponderspeicher übertragen und gespeichert.
7) Alle sich auf jedes einzelne Fahrzeug im Zug beziehende Daten wurden nun vom Quellenladedepot entnommen und werden von dem jeweiligen Fahrzeug im Verbund transportiert.
8. Bei Ankunft an der Schüttgutladeeinrichtung nimmt der Zug Entladegeschwindigkeit an. Ein fester Abfragesender, der am Kopf des Entladeschachtes liegt, wird aktiviert und erregt den am ersten Fahrzeug befestigten Transponder. Die Fahrzeugidee wird zurück zum Abfragesender übertragen und über das Steuergerät auf Akzeptanz mit einer vorhandenen oder eingebrachten Verwaltungsrechnerausrüstung geprüft. Die Datenvergleichsprüfung leitet einen zweiten Befehl ein, um aufeinanderfolgend die entsprechenden Wandler mit Fernenergie zu versorgen und den Entladetür-Öffnugszyklus zu aktivieren.
9. Nach dem Befehl zum Entladen werden an dem Quellenladedepot abgegebene Daten automatisch wiedergewonnen und zum Verwaltungsrechner übertragen.
10. Ein zweiter, fester Abfragesender, der am Ende des Entladeschachts positioniert ist, wird aktiviert und steuert den Transponder, um den Entladetür-Schließzyklus einzuleiten. Die Bestätigung daß die Türen geschlossen und verriegelt sind, wird von mechanisch betätigten Schaltern festgestellt. Das richtige Schließen wird vom Verwaltungsrechner zusammen mit dem Gerätekode, dem Datum und der Zeit aufgezeichnet.
11. Die Stufen 8, 9 und 10 werden wiederholt, bis alle Fahrzeuge im Verbund entladen sind.
12. Alle sich auf die Zugbewegung beziehenden Daten vom Beginn des Ladevorgangs bis zur Beendigung des Entladevorgangs können nun vom Verwalungsrechner zur Zentraleinheit für Leitsteuerzwecke übertragen werden.
Für dieses spezielle Einrichtung können die kumulativen Daten, die vom System gesammelt werden für:
a) die Rollenkodesteuerung- und Leitung
b) die Entladesteuerung- und Leitung
c) die direkte Kundenabrechnung
d) den Wartungszeitplan
e) eine allgemeine statistische Analyse.
Wenn jedoch das gesamte Rollgut einschl. der Lokomotive mit Transpondern versehen sind, und Abfragesender an allen Frachtstationen und den Hauptkreuzungsschleifen und -Verbindungsstellen installiert sind, werden das Anwendungspotential und die Kosteneinsparungsvorteile, die das System bietet, noch erhöht. Das System ist passiv und verwendet ein Energiemedium, das biologisch sicher und störungsfrei ist.
Die Fernübertragung erheblicher elektrischer Energie über größere Strecken ist auf dem Handelssektor sehr selten. Die vorliegende Erfindung schafft eine Einrichtung, dieses Problem zu überwinden.
Üblicherweise wird eine Fernenergieversorgung unter Verwendung elektromagnetischer Einrichtungen erreicht, mit denen ein elektromagnetisches Feld von einer Energieeinheit zu einer Versorgungseinheit übertragen wird. Zwei Hauptfaktoren verhindern die Fernübertragung größerer Energiemengen durch eine elektromagnetisches Feld, nämlich
1. die rasche Abnahme der Feldstärke mit der Entfernung, und
2. einschränkende Abstrahlungsgrenzen, die durch fernmeldetechnische Übertragungsvorschriften auferlegt sind.
Die rasche Abnahme der Feldstärke mit der Entfernung ist ein physikalisches Phänomen, dem nur mit Erhöhung der Feldstärke an ihrer Quelle begegnet werden kann. Dies erhöht die Abstrahlung der elektromagnetischen Energien. Möglicherweise werden die maximalen Strahlungsgrenzen erreicht, die durch Telekommunikationsvorschriften auferlegt sind, und keine weitere Erhöhung der Feldstärke ist möglich. Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren zur Erhöhung der Feldstärke, die zur Energieversorgung verwendet wird, ohne, das abgestrahlte Feld wesentlich zu erhöhen.
Das System verwendet die beiden unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften der elektromagnetischen "Nah"- und "Fern"-Felder. Das Nahfeld wird zur Energieversorgung verwendet und verringert sich mit der Entfernung rasch. Das Fernfeld ist das Strahlungsfeld, das sich mit der Entfernung nur langsam verringert und das über eine vorgeschriebene Entfernung von der Feldquelle hinaus unter gesetzlich vorgeschriebenen Grenzen gehalten werden muß. Normalerweise wird eine einzige Antenne verwendet, um das Nahfeld für die Energieversorgung zu erzeugen, und das Abstrahlungs- Fernfeld wird durch Begrenzen der Antennenausgangsleistung gesteuert.
Bei der Erfindung werden spezielle Antennen verwendet, die starke Nahfelder erzeugen, deren Fernfelder jedoch automatisch unterdrückt werden. Das Grundprinzip besteht darin, wenigstens zwei Antennen oder eine zweiteilige Antenne zu verwenden, von denen jeder Teil ein entgegengesetztes Fernfeld erzeugt. An jedem entfernten Punkt löscht das Fernfeld einer Antenne (oder eines Teils) nahezu das Fernfeld der anderen Antenne (oder des anderen Teils). Das Nahfeld um jede Antenne wird jedoch nicht wesentlich durch das Vorhandensein des anderen Antennennahfeldes beeinträchigt. Die Versorgungseinheit ist derart angeordnet, daß sie nur im wesentlichen vom Nahfeld einer Antenne (oder eines Antennenteils) beeinflußt wird. Starke Antennenfelder können nun bei im wesentlichen Unterdrückung des Abstrahlungs-Fernfeldes verwendet werden. Fig. 24 zeigt schematisch diese Anordnung und die Nahfeldstärken bei zwei Antennen. Alternativ kann eine Antenne oder können die Antennen so ausgebildet sein, daß die Versorgungsnahfelder einander addieren, sich jedoch die Abstrahlungsfernfelder voneinander subtrahieren. Fig. 25 zeigt schematisch die Ausbildung und die Nahfeldstärken.
Viele Antennenformen sind möglich, für die sich die Fernfelder im wesentlichen unterdrücken, bei denen aber ein starkes nutzbares Nahfeld noch vorhanden ist. Fig. 26 zeigt einige solcher Anordnungen.
In allen Figuren ist die tatsächliche Antennenform nicht angegeben. Die Antennen können kreisförmig, rechteckig, quadratisch, eliptisch, rohrförmig sein, oder jede andere praktische Form haben.
Die Verwendung paarweiser Antennen für die Fernfeldunterdrückung ist insbesondere für Schienenanwendungsfälle geeignet.
Die relative Lage der Transponder ist diagonal über die Mittellinie des Waggons verschoben, wenn der Waggon umgedreht wird. Waggons haben normalerweise keine bevorzugte Laufrichtung und können miteinander und möglichst nahe an die Lokomotive angekuppelt werden. Die beiden Abfragesender- Antennen, die diagonal über die Spurmittellinie angeordnet sind, sind notwendig, um die Transponder an genau der gleichen Waggonstelle unabhängig von der Waggonrichtung abzufragen. Diese Antennen können zweckmäßigerweise gegenphasig betrieben werden, um ihr Fernfeld zu unterdrücken. Die Fig. 27 - 30 zeigen in Aufsicht und im Querschnitt die Antennenanordnung für seitlich und am Boden montierte Transponder.

Claims

1. Passives Betätigungsglied, bestehend aus:

einer induktiven Spule (21), die zum Empfang eines magnetischen Energiefeldes und einer modulierten Datenübertragung geeignet ist, die von einem Abfragesender übertragen wird, wobei die Spule beim Empfang des Feldes ein Energiesignal erzeugt, das vom Magnetfeld abgeleitet wird, und

wobei ein erster Anteil des Energiesignals dem Betätigungsglied Versorgungsenergie zuführt, und

einer Logikeinrichtung, die zur Demodulation der Datenübertragung geeignet ist,

dadurch gekennzeichnet, daß die Logikeinrichtung geeignet ist, eine Schalteinrichtung auszulösen, um einen weiteren Anteil des Energiesignals als Versorgungsenergie vom Energiesignal zu einer externen elektrischen oder elektromechanischen Vorrichtung zu übertragen.

2. Betätigungsglied, Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Daten Befehls- und/oder Informationssignale umfassen.

3. Betätigungsglied, Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der weitere Anteil des Energiesignals von einem Abgriff (22) an der induktiven Spule (21) abgeleitet wird.

4. Betätigungsglied nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Übertragungseinrichtung mit der Logikeinrichtung gekoppelt ist, die in der Lage ist, Datensignale zu einem Abfragesender zu übertragen.

5. Betätigungsglied nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Datensignale eine Information enthalten, die von der externen Vorrichtung empfangen wird.

6. Betätigungsglied nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragungseinrichtung eine Treibereinrichtung aufweist, um Informations-, Status- und/oder Codesignale der Spule zur Übertragung zum Abfragesender zuzuführen.

7. Übertragungsglied nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch eine Gleichrichteeinrichtung (25), die zwischen ein Ende der Spule (21) und ein Bezugspotential geschaltet ist, wobei die Treibereinrichtung zwischen das eine und das andere Ende der Spule geschaltet ist, die zur Übertragung der Informations-, Status- und/oder Codesignale geeignet ist.

8. Betätigungsglied nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Verbrauch jedes ungenutzten Energiesignals.

9. Betätigungsglied nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Modulationseinrichtung, die in der Lage ist, das Energiesignal mit Daten-, Status- und/oder Informationssignalen zur Übertragung über die Spule zum Abfragesender zu modulieren.

10. Betätigungsglied nach Anspruch 9 dadurch gekennzeichnet, daß die Modulationseinrichtung eine Signalgebung mittels Kopplungsimpedanz verwendet.

11. Betätigungsglied nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Modulationseinrichtung den Nebenanschluß eines mit der Spule gekoppelten Kondensators anwendet, wobei der Nebenanschluß synchron mit dem Energiesignal ist.

12. Passives Betätigungsglied nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß die Logikeinrichtung in der Lage ist, zu bestimmen, ob die Datenübertragung einen gültigen Befehl bildet, um bei Empfang des gültigen Befehls die Schaltung freizugeben.

13. Betätigungsglied nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Logikeinrichtung in der Lage ist, ein Befehlssignal zu liefern, um eine Steuerfunktion an der externen Vorrichtung durchzuführen.

14. Betätigungsglied nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die induktive Spule (21) eine einzelne induktive Spule ist.

15. Betätigungsglied nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die induktive Spule (21) durch den Nebenanschluß eines Kondensators abgestimmt wird, wobei der Nebenanschluß mit der Frequenz des Energiesignals synchron ist.

16. Betätigungsglied nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das magnetische Energiefeld durch die modulierte Datenübertragung moduliert ist.

17. Betätigungsglied nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Betätigungsglied an einem Rollgut-Schienenwaggon montiert ist, und daß die externe Vorrichtung ein zum Öffnen der Türen am Waggon betätigbares Ventil ist.

18. Betätigungsglied nach Anspruch 17, gekennzeichnet durch eine Sensoreinrichtung, die in der Lage ist, eine die für Betätigung betreffende Information zum Betätigungsglied zu liefern.

19. System zur Fernbetätigung einer externen Vorrichtung, bestehend aus:

einem passiven Betätigungsglied nach einem der Ansprüche 1 bis 16 und einer induktiven Energievorrichtung, die in der Lage ist, das Betätigungsglied fernbetätigt mit Energie zu versorgen, wobei die Energievorrichtung ein erstes Nahfeld, ein erstes Fernfeld, ein zweites Nahfeld und ein zweites Fernfeld erzeugt, das Betätigungsgleid in der Lage ist, elektrische Energie von den Nahefeldern zu empfangen, wenn es sich in relativ geringer Nähe zu der Energievorrichtung befindet, und

wobei die Energievorrichtung besteht aus:

einer felderzeugenden Einrichtung mit einem ersten und einem zweiten Anteil, wobei der erste Anteil in der Lage ist, die ersten Felder zu erzeugen, und der zweite die zweiten Felder zu erzeugen, von denen

der erste Anteil das erste Fernfeld im wesentlichen gegenphasig zum zweiten Fernfeld erzeugt, das vom zweiten Anteil erzeugt wird, so daß das erste Fernfeld und das zweite Fernfeld einander in einem bestimmten Abstand von der Erzeugungseinrichtung im wesentlichen aufheben.

20. System nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Nahfelder im wesentlich ungedämpft sind.

21. System nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Anteile eine Spule umfassen.

22. System nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Anteile über die Länge des Schienenfahrzeug oder gering diagonal über die Schienenstrecke angeordnet sind.

23. System nach einem der Ansprüche 19 bis 22. dadurch gekennzeichnet, daß das Betätigungsglied an einem Rollgut-Schienenwaggon montiert ist, und daß die externe Vorrichtung ein Ventil ist, das zum Öffnen der Türen am Waggon betätigbar ist, wobei die Energievorrichtung an einem Waggonentladebahnhof liegt.