WO2009143541A2 - Wireless energy and data transmission - Google Patents

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WO2009143541A2
WO2009143541A2 PCT/AT2009/000191 AT2009000191W WO2009143541A2 WO 2009143541 A2 WO2009143541 A2 WO 2009143541A2 AT 2009000191 W AT2009000191 W AT 2009000191W WO 2009143541 A2 WO2009143541 A2 WO 2009143541A2
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Hubert Zangl
Anton Fuchs
Thomas Bretterklieber
Michael Moser
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Hubert Zangl
Anton Fuchs
Thomas Bretterklieber
Michael Moser
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    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/20—Hydro energy

Definitions

  • the invention relates to a method for the wireless transmission of energy and data as used in Radio Frequency Identification (RFID) and for passive wireless sensors (also referred to as semi-active) application.
  • RFID Radio Frequency Identification
  • passive wireless sensors also referred to as semi-active
  • RFID transponder (tags) 2 and readers (reader) 1 have long been known in the art and shown in Figure 1.
  • a reading device 1 with transmitting antenna Ia is used to supply via an alternating electromagnetic field on the one hand the passive transponder 2, which also has an antenna 2a, and on the other hand with tags 2 communicate (downlink 4).
  • a typical embodiment of antennas is a coil.
  • the term "coil” is used to mean “antenna”.
  • a day 2 If a day 2 has taken up enough energy, it can, for example, receive signals from the reading device 1 (downlink 4). Furthermore, a tag 2 can send signals to the reader 1 in which it reacts, for example, by load modulation on the carrier (uplink 5).
  • uplink 5 load modulation on the carrier
  • RFID systems are unreliable or fail to work if there are 2 conductive objects near the tag. These may consist for example of metal, conductive plastics and conductive ceramics or else of liquids (eg water) and biological tissues. Objects with high dielectric polarizability have a similar effect on the function of RFID systems as conductive and are therefore not treated separately here; "Conductivity" is therefore to be understood in this patent as meaning a high polarizability of the respective medium. Due to a conductivity of surrounding media and the excited electromagnetic field, there are currents in the objects, which counteract the original field; the field can develop only limited, whereby it comes to a restriction of the function. This behavior is the content of numerous considerations and approaches in theoretical electrical engineering.
  • the penetration depth of the electromagnetic field for power supply and data transmission can thereby be increased by reducing the frequency of the electromagnetic field, since the penetration depth decreases with the root of the frequency. For example, in the case of a steel sheet with a thickness of 2 mm, at a frequency of 50 Hz, the shielding effect of the metal becomes negligible.
  • Low carrier frequencies also mean low data rates according to the conventional methods. It is therefore an object of the invention to ensure communication at high data rates despite a low carrier frequency.
  • the subject invention solves the problem described by the fact that very low frequencies, for example in Super Low Frequency (SLF, 30 Hz to 300 Hz) or in Extremely Low Frequency (ELF, 3 Hz to 30 Hz) range are used for energy transfer.
  • Load modulation is the variation of the load on the transponder antenna 2a for data transmission purposes.
  • the reciprocal value of the shortest time period for a variation of the load on the transponder antenna 2a is referred to as the effective modulation frequency.
  • the effective modulation frequency is chosen to be higher than the carrier frequency. This makes it possible for a multiplicity of modulation events to occur during a half-wave of the carrier.
  • the load modulation creates a variation in the electromagnetic field 9, which is also influenced by conductive objects, in particular if the signal has to penetrate the conductive object. Due to the higher frequency, this is also more pronounced than for the lower frequency carrier for energy transmission 3. Since the modulation is not needed for a power supply, but for the data transmission only from the background noise (if this is the Receive amplifier noise exceeds) must be distinguished reliably, a higher attenuation can be accepted.
  • a corresponding device is thus also an object of the present invention.
  • An RFID tag 2 typically has a coil 2a for drawing energy from an electromagnetic field. Although the field weakening is reduced by conductive objects as the carrier frequency decreases, the induced voltage in this coil 2a also decreases. This decrease can be counteracted in principle by an increase in the number of turns, which, however, leads to an increase in the antenna dimensions and, if appropriate, the production costs for large numbers of turns. It is a further aspect of the invention to provide sufficient energy for the operation of a tag 2 even when using extremely small frequencies.
  • a core material 6 with a discontinuous magnetization characteristic is introduced into the transponder coil 2a, so that the behavior of a Wiegand or pulse-wire sensor is achieved.
  • Such sensors are characterized by a quasi jump-shaped hysteresis, that is, the magnetization of the core 6 tilts abruptly when a certain magnetic field strength is exceeded.
  • the magnetization characteristic thus has a point of discontinuity at this point.
  • Classical load modulation is like this slow changes of the external electromagnetic field no longer possible.
  • a pulse position modulation time of tilting in analogy to the load modulation or even an active transmitter circuit, which is operated with the energy from the transponder antenna 2a.
  • Transponder 2 can be used for various tasks. The most common application is the identification of objects: Similar to a bar code, the transponder 2 sends a number that identifies it and thus the object marked with it. This number is stored in the transponder 2 in a non-volatile memory 2b. The energy for supplying the necessary components is also obtained from the electromagnetic field. It is also possible to receive data from the reader 1. Thus, instructions can be sent to the transponder 2 (downlink 4), also a storage in non-volatile memory 2b is often used in RFID systems and corresponds to the prior art. Furthermore, it is possible for a transponder 2 to operate with the related energy sensors 7 or to record their output signal. This data can also be converted into a modulation and thus transmitted (link 5). With the subject invention, it is thus possible that wireless, battery-less sensors 7 can be operated within or in the immediate vicinity of a conductive object (also made of metal).
  • the signal that is transmitted from the transponder 2 to the reader 1 weakened.
  • the signal-to-noise ratio is reduced, whereby the correct transmission is difficult.
  • a screen 10 is mounted in the vicinity of the receiving antenna Ia, so that interference signals are weakened, while the useful signal undergoes little influence.
  • Proximity in this sense is to be understood in such a way that the attachment of the screen 10 achieves a substantial attenuation (ie a change of, for example, at least 10 percent of the spectral power density) of the field strengths caused by interference signals in the region of the antenna 1a.
  • An application represents the measurement of temperature or other physical quantities in a single or multi-position magnetic stirrer with or without a heating element.
  • the alternating magnetic field of the stirrer is generated electronically or by means of a moving permanent magnet.
  • the transponder 2 together with the transponder coil 2a and the sensor 7 are integrated into the magnetic stirrer, the coil Ia and the reader 1 are in the stirrer.
  • FIG. 1 shows the basic structure of an RFID system.
  • FIG. 2 shows the concept of a load modulation 12.
  • FIG. 3 shows, by way of example, the dependence of the shielding effect on the frequency.
  • FIG. 4 shows an exemplary application for a sensor 7 in a conductive tube 8.
  • FIG. 5 shows the principle of the effect of a core 6 with discontinuous magnetization characteristic.
  • FIG. 6 shows, by way of example, the increase in the signal-to-noise ratio by introducing a screen 10.
  • FIG. 7 shows, by way of example, carrier signal 11 and modulation 12
  • FIG. 8 shows an exemplary design for a magnetic stirrer with sensors integrated in the magnetic stir bar.
  • FIG. 1 shows the concept of RFID systems.
  • Energy is transferred to a tag 2 using an electromagnetic field.
  • the electromagnetic field is generated or influenced in the reader 1 or in the day 2 by means of coils Ia and 2a.
  • the electromagnetic field of a reader 1 can be modulated to transfer data from the reader 1 to the day 2 (downlink 4).
  • Other types of data transmission from a reader 1 to a tag 2 are possible, for example with an additional active transmitter.
  • the use of multiple readers 1 is possible.
  • the tags 2 do not require cables or batteries and typically respond by modulating the electromagnetic field of the reader 1, eg by load modulation or change of the Reflection cross section (communication day 2 2x1 reader 1 via uplink 5).
  • In the transponder 2 may optionally be provided a data storage 2b.
  • FIG. 2 shows a simplified electrical equivalent circuit diagram of an embodiment of an inductively coupled system with load modulation 12, consisting of reader 1 and transponder 2.
  • a predominantly magnetic coupling between the inductors Ll and L2 is used, based on the present invention.
  • the antennas are constructed as a resonant circuit, while Cl and C2 resonant circuit capacitors and Rl and R2 are the substitute representation of parasitic or desired resistances.
  • RL is the substitute representation of all electrical consumers in the transponder 2.
  • the response of the transponder 2 by connecting or disconnecting a resistor RM via a switch S (typically realized as a transistor), where RM also by capacitors, coils or other active and passive impedances can be replaced.
  • S typically realized as a transistor
  • FIG. 3 shows the effect of a conductive object on the intensity of the electromagnetic field.
  • the transmitting coil Ia of a reading device 1 is located at position -0.15 m.
  • a stainless steel plate 8 with a thickness of 2 mm is mounted at the position -0.2 m.
  • the magnetic field strength, which is available for the power supply of a tag 2 is shown for the frequencies 50 Hz, 10 kHz and 50 kHz of the electromagnetic field 9 over the distance to the transmitting coil Ia. While at 50 Hz there is hardly any change due to the use of the wall, significant attenuation occurs for 10 kHz and 50 kHz. Thus, these frequencies are not suitable for energy transfer with larger wall thicknesses. However, if background noise is low, they can still be used to transmit data.
  • FIG. 4 shows an exemplary application in a tube 8.
  • a sensor 7 for example for measuring the flow rate, conductivity, level, temperature, etc.
  • This transmits the data to the outside and thus no bushings are required. This is particularly advantageous when high pressures or highly toxic components are present in the pipe, as the bushings are weak points. Also advantageous is such an arrangement for pipes 8, to A Vakuurnisoiation is required, for example, in the transport of liquid gases at cryogenic temperatures.
  • the subject invention can be used for boilers and tanks, for example, to supply level switch through the metal wall 8 and to communicate with them.
  • FIG. 5 shows the effect of a core 6 with discontinuous magnetization characteristic in the transponder coil 2a.
  • Trigger field there is a tilting of the magnetization, typically in a part of the core 6. This results in the short term in an induction voltage U, which is independent of the rate of change of the electromagnetic field be supplied at extremely low carrier frequencies of a few hertz or less, which also wall thicknesses of many centimeters can be bridged.
  • FIG. 6 shows a measure for increasing the signal-to-noise ratio in the reading device 1.
  • a tag 2 is supplied by a metal wall 8 with the aid of an electromagnetic field 9 with a low carrier frequency and transmits data itself by load modulation or by means of an active transmitter via an electromagnetic field 9.
  • the external receiver antenna Ia of a reading device 1, which also serves as transmitting antenna Ia for the energy transmission can be used, receives this signal transmitted by the transponder 2, wherein the signal is greatly attenuated by the wall 8 (screen).
  • a screen 10 is mounted around the receiver antenna 1a of the reading device 1, which shields or attenuates external interference signals (noise).
  • the signal-to-noise ratio at the receiver antenna 1a of the reader 1 is increased.
  • FIG. 7 shows a schematic illustration of a carrier signal 11 and a modulation 12, as can be observed in the electromagnetic field around the transponder 2.
  • the effective modulation frequency exceeds the frequency of the carrier signal by 25 times.
  • FIG. 8 shows an example of a design for a magnetic stirrer with integrated passive sensor system.
  • a motor causes a permanent magnet to rotate.
  • the device contains a heating coil and the transmitting coil Ia and the reader 1.
  • the surface of the device is designed for example as a stainless steel plate 8.
  • the magnetic stirring In the liquid-filled vessel is the magnetic stirring; the permanent magnet contained follows the rotation of the permanent magnet in the device.
  • the magnetic stirrer contains the transponder 2 with the transponder coil 2a and is connected to at least one sensor 7. This arrangement makes it possible to measure various physical variables during a stirring and / or heating process and to display the measured values.

Abstract

The invention relates to a method and an apparatus for the transmission of energy (3) using electromagnetic fields and information using load modulation in the presence of conductive objects, wherein an alternating electromagnetic field is produced, a transponder (2) for the supply thereof procures energy (3) from said field, for the purpose of data transmission the transponder (2) carries out a load modulation using an effective frequency that exceeds the frequency of the alternating electromagnetic field, and said load-modulated signal is received by way of an antenna (1a) and is demodulated by a receiver in a read device (1).

Description

Drahtlose Energie- und Datenübertragung Wireless energy and data transmission
BESCHREIBUNGDESCRIPTION
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur drahtlosen Übertragung von Energie und Daten wie sie bei Radio Frequency Identificaton (RFID) und für passive drahtlose Sensoren (auch als semi-aktiv bezeichnet) Anwendung findet.The invention relates to a method for the wireless transmission of energy and data as used in Radio Frequency Identification (RFID) and for passive wireless sensors (also referred to as semi-active) application.
RFID Transponder (Tags) 2 und Lesegeräte (Reader) 1 sind dem Stand der Technik seit langem bekannt und in Figur 1 dargestellt. Im Low Frequency (LF) und High Frequency (HF) Band wird ein Lesegerät 1 mit Sendeantenne Ia verwendet, um über ein elektromagnetisches Wechselfeld einerseits die passiven Transponder 2, die ebenfalls eine Antenne 2a besitzen, mit Energie zu versorgen und andererseits mit Tags 2 zu kommunizieren (Downlink 4). Eine typische Ausfuhrungsform von Antennen stellt eine Spule dar. Es wird in dieser Beschreibung der Begriff „Spule" bedeutungsgleich mit „Antenne" verwendet.RFID transponder (tags) 2 and readers (reader) 1 have long been known in the art and shown in Figure 1. In the low frequency (LF) and high frequency (HF) band, a reading device 1 with transmitting antenna Ia is used to supply via an alternating electromagnetic field on the one hand the passive transponder 2, which also has an antenna 2a, and on the other hand with tags 2 communicate (downlink 4). A typical embodiment of antennas is a coil. In this specification, the term "coil" is used to mean "antenna".
Hat ein Tag 2 genügend Energie aufgenommen, so kann es beispielsweise Signale vom Lesegerät 1 empfangen (Downlink 4). Weiters kann ein Tag 2 Signale an das Lesegerät 1 senden, in dem es beispielsweise durch Lastmodulation auf den Träger rückwirkt (Uplink 5). Derartige Systeme und Anwendungsbeispiele sind beispielsweise im „RFID Handbuch" von Klaus Finkenzeller, Hanser Fachbuchverlag, Oktober 2002, beschrieben.If a day 2 has taken up enough energy, it can, for example, receive signals from the reading device 1 (downlink 4). Furthermore, a tag 2 can send signals to the reader 1 in which it reacts, for example, by load modulation on the carrier (uplink 5). Such systems and application examples are described, for example, in the "RFID Handbook" by Klaus Finkenzeller, Hanser Fachbuchverlag, October 2002.
Es hat sich gezeigt, dass RFID Systeme unzuverlässig oder gar nicht funktionieren, wenn sich in der Nähe des/der Tags 2 leitfähige Objekte befinden. Diese können beispielsweise aus Metall, leitfähigen Kunststoffen und leitfähigen Keramiken bestehen oder aber auch aus Flüssigkeiten (z.B. Wasser) und biologischen Geweben. Objekte mit hoher dielektrischer Polarisierbarkeit haben eine ähnliche Wirkung auf die Funktion von RFID Systemen wie leitfähige und werden hier deshalb nicht gesondert behandelt; „Leitfähigkeit" ist daher in dieser Patentschrift auch im Sinne einer hohen Polarisierbarkeit des jeweiligen Mediums zu verstehen. Bedingt durch eine Leitfähigkeit von umgebenden Medien und dem angeregten elektromagnetischen Feld kommt es zu Strömen in den Objekten, die dem ursprünglichen Feld entgegen wirken; das Feld kann sich nur eingeschränkt ausbilden, wodurch es zu einer Einschränkung der Funktion kommt. Dieses Verhalten ist Inhalt zahlreicher Betrachtungen und Ansätze in der theoretischen Elektrotechnik.It has been shown that RFID systems are unreliable or fail to work if there are 2 conductive objects near the tag. These may consist for example of metal, conductive plastics and conductive ceramics or else of liquids (eg water) and biological tissues. Objects with high dielectric polarizability have a similar effect on the function of RFID systems as conductive and are therefore not treated separately here; "Conductivity" is therefore to be understood in this patent as meaning a high polarizability of the respective medium. Due to a conductivity of surrounding media and the excited electromagnetic field, there are currents in the objects, which counteract the original field; the field can develop only limited, whereby it comes to a restriction of the function. This behavior is the content of numerous considerations and approaches in theoretical electrical engineering.
Dieses Problem ist insbesondere von Bedeutung, wenn Tags 2 von leitfähigem Material umschlossen werden oder direkt auf solchem aufgebracht sind. Bei herkömmlichen Systemen werden die elektromagnetischen Felder vom leitfähigen Material abgeblockt und eine Versorgung der Tags 2 mit Energie bzw. der Datenaustausch zwischen Tag 2 und Lesegerät 1 ist nicht möglich. Die drahtlose RFID Technologie kann daher in vielen Bereichen nicht angewendet werden, beispielsweise wenn Metallbehälter oder Werkzeuge gekennzeichnet werden sollen oder wenn drahtlose Sensoren 7 im Inneren eines Metallkessels betrieben werden sollen. Auch der Einsatz von drahtlosen, gegebenenfalls implantierbaren Sensoren 7 in organischem Gewebe unterliegt bis zu einem bestimmten Grad dieser Einschränkung.This problem is particularly significant when tags 2 are enclosed by conductive material or are deposited directly on top of it. In conventional systems, the electromagnetic fields are blocked by the conductive material and a supply of tags 2 with energy or the data exchange between day 2 and reader 1 is not possible. The wireless RFID technology can therefore not be used in many areas, for example when metal containers or tools are to be identified or when wireless sensors 7 are to be operated inside a metal boiler. The use of wireless, optionally implantable sensors 7 in organic tissue is subject to this degree to a certain extent.
Die Eindringtiefe des elektromagnetischen Feldes für Energieversorgung und Datenübertragung kann dadurch erhöht werden, indem die Frequenz des elektromagnetischen Feldes reduziert wird, da die Eindringtiefe mit der Wurzel der Frequenz abnimmt. Beispielsweise zeigt sich bei einem Stahlblech mit einer Stärke von 2 mm, dass bei einer Frequenz von 50 Hz die Schirmwirkung des Metalls vernachlässigbar wird.The penetration depth of the electromagnetic field for power supply and data transmission can thereby be increased by reducing the frequency of the electromagnetic field, since the penetration depth decreases with the root of the frequency. For example, in the case of a steel sheet with a thickness of 2 mm, at a frequency of 50 Hz, the shielding effect of the metal becomes negligible.
Niedrige Trägerfrequenzen bedeuten nach den herkömmlichen Verfahren auch niedrige Datenraten. Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, trotz einer geringen Trägerfrequenz eine Kommunikation mit hohen Datenraten zu gewährleisten.Low carrier frequencies also mean low data rates according to the conventional methods. It is therefore an object of the invention to ensure communication at high data rates despite a low carrier frequency.
Die gegenständliche Erfindung löst das beschriebene Problem dadurch, dass sehr niedrige Frequenzen, beispielsweise im Super Low Frequency (SLF, 30 Hz bis 300 Hz) oder im Extremely Low Frequency (ELF, 3 Hz bis 30 Hz) Bereich für die Energieübertragung verwendet werden. Unter Lastmodulation ist die Variation der Last an der Transponderantenne 2a für Datenübertragungszwecke zu verstehen. Als effektive Modulationsfrequenz wird dabei der Kehrwert der kürzesten Zeitspanne für eine Variation der Last an der Transponderantenne 2a bezeichnet. Erfindungsgemäß wird die effektive Modulationsfrequenz jedoch höher als die Trägerfrequenz gewählt. Es wird dadurch möglich, dass während einer Halbwelle des Trägers eine Vielzahl an Modulationsereignissen auftritt. Durch die Lastmodulation entsteht eine Variation im elektromagnetischen Feld 9, die ebenfalls durch leitfähige Objekte beeinfiusst wird, insbesondere wenn das Signal das leitfähige Objekt durchdringen muss. Auch für diese Feldvariation tritt eine entsprechende Schirmwirkung auf, aufgrund der höheren Frequenz ist diese auch stärker ausgeprägt als für den niederfrequenteren Träger zur Energieübertragung 3. Da die Modulation jedoch nicht für eine Energieversorgung benötigt wird, sondern für die Datenübertragung nur vom Hintergrundrauschen (sofern dieses das Empfangsverstärkerrauschen übersteigt) zuverlässig unterschieden werden muss, kann eine höhere Dämpfung in Kauf genommen werden.The subject invention solves the problem described by the fact that very low frequencies, for example in Super Low Frequency (SLF, 30 Hz to 300 Hz) or in Extremely Low Frequency (ELF, 3 Hz to 30 Hz) range are used for energy transfer. Load modulation is the variation of the load on the transponder antenna 2a for data transmission purposes. In this case, the reciprocal value of the shortest time period for a variation of the load on the transponder antenna 2a is referred to as the effective modulation frequency. However, according to the invention, the effective modulation frequency is chosen to be higher than the carrier frequency. This makes it possible for a multiplicity of modulation events to occur during a half-wave of the carrier. The load modulation creates a variation in the electromagnetic field 9, which is also influenced by conductive objects, in particular if the signal has to penetrate the conductive object. Due to the higher frequency, this is also more pronounced than for the lower frequency carrier for energy transmission 3. Since the modulation is not needed for a power supply, but for the data transmission only from the background noise (if this is the Receive amplifier noise exceeds) must be distinguished reliably, a higher attenuation can be accepted.
Es besteht die Möglichkeit, das Hintergrundrauschen durch eine Schirmung 10 mittels leitfähigen Objekten zu verkleinern. Eine dementsprechende Vorrichtung ist somit ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung.It is possible to reduce the background noise by a shield 10 by means of conductive objects. A corresponding device is thus also an object of the present invention.
Ein RFID Tag 2, wie es dem Stand der Technik bekannt ist, verfügt typischerweise über eine Spule 2a, um aus einem elektromagnetischen Feld Energie zu beziehen. Bei sinkender Trägerfrequenz wird zwar die Feldschwächung durch leitfahige Objekte reduziert, allerdings sinkt auch die induzierte Spannung in dieser Spule 2a. Dieser Abnahme kann grundsätzlich durch eine Erhöhung der Windungszahl entgegengewirkt werden, was jedoch bei großen Windungszahlen auch zu einer Vergrößerung der Antennenabmessungen und gegebenenfalls der Herstellungskosten führt. Es ist ein weiterer Aspekt der Erfindung, auch bei der Verwendung extrem kleiner Frequenzen ausreichende Energie zum Betrieb eines Tags 2 zur Verfügung zu stellen.An RFID tag 2, as known in the art, typically has a coil 2a for drawing energy from an electromagnetic field. Although the field weakening is reduced by conductive objects as the carrier frequency decreases, the induced voltage in this coil 2a also decreases. This decrease can be counteracted in principle by an increase in the number of turns, which, however, leads to an increase in the antenna dimensions and, if appropriate, the production costs for large numbers of turns. It is a further aspect of the invention to provide sufficient energy for the operation of a tag 2 even when using extremely small frequencies.
Für diesen Zweck wird in die Transponderspule 2a ein Kernmaterial 6 mit einer unstetigen Magnetisierungskennlinie eingebracht, sodass das Verhalten eines Wiegand- oder Impulsdrahtsensors erzielt wird. Derartige Sensoren zeichnen sich durch eine quasi sprungformige Hysteresekennlinie aus, das heißt, die Magnetisierung des Kerns 6 kippt bei Überschreiten einer bestimmten magnetischen Feldstärke schlagartig. Die Magnetisierungskennlinie weist somit in diesem Punkt eine Unstetigkeitsstelle auf. Dadurch kommt es auch bei langsamen Änderungen des äußeren elektromagnetischen Feldes (das dann eine hohe Eindringtiefe aufweist) zu einer hohen Induktionsspannung in der Spule 2a, sodass wiederum ein Schaltkreis betrieben werden kann. Klassische Lastmodulation ist bei derart langsamen Änderungen des äußeren elektromagnetischen Feldes nicht mehr sinnvoll möglich. Zur Datenübertragung eignet sich in diesem Fall eine Puls-Positions-Modulation (Zeitpunkt des Kippvorgangs) in Analogie zur Lastmodulation oder überhaupt eine aktive Senderschaltung, die mit der Energie aus der Transponderantenne 2a betrieben wird.For this purpose, a core material 6 with a discontinuous magnetization characteristic is introduced into the transponder coil 2a, so that the behavior of a Wiegand or pulse-wire sensor is achieved. Such sensors are characterized by a quasi jump-shaped hysteresis, that is, the magnetization of the core 6 tilts abruptly when a certain magnetic field strength is exceeded. The magnetization characteristic thus has a point of discontinuity at this point. As a result, even with slow changes in the external electromagnetic field (which then has a high penetration depth), a high induction voltage occurs in the coil 2a, so that in turn a circuit can be operated. Classical load modulation is like this slow changes of the external electromagnetic field no longer possible. For data transmission is in this case a pulse position modulation (time of tilting) in analogy to the load modulation or even an active transmitter circuit, which is operated with the energy from the transponder antenna 2a.
Transponder 2 können für verschiedene Aufgaben verwendet werden. Die häufigste Anwendung ist die Identifikation von Objekten: Ahnlich wie ein Strichcode sendet der Transponder 2 eine Nummer, die ihn und somit das mit ihm gekennzeichnete Objekt identifiziert. Diese Nummer ist im Transponder 2 in einem nichtflüchtigen Speicher 2b abgelegt. Die Energie zur Versorgung der notwendigen Komponenten wird ebenfalls aus dem elektromagnetischen Feld bezogen. Auch das Empfangen von Daten des Lesegeräts 1 ist möglich. Somit können Anweisungen an den Transponder 2 gesendet werden (Downlink 4), auch ein Abspeichern in nichtflüchtige Speicher 2b wird bei RFID Systemen häufig eingesetzt und entspricht dem Stand der Technik. Weiters ist es möglich, dass ein Transponder 2 mit der bezogenen Energie Sensoren 7 betreibt oder deren Ausgangssignal aufiώnmt. Diese Daten können ebenfalls in eine Modulation umgewandelt und somit übertragen werden (Üplink 5). Mit der gegenständlichen Erfindung ist es somit möglich, dass drahtlose, batterielose Sensoren 7 innerhalb oder in der unmittelbaren Nähe eines leitfahigen Objektes (auch aus Metall) betrieben werden können.Transponder 2 can be used for various tasks. The most common application is the identification of objects: Similar to a bar code, the transponder 2 sends a number that identifies it and thus the object marked with it. This number is stored in the transponder 2 in a non-volatile memory 2b. The energy for supplying the necessary components is also obtained from the electromagnetic field. It is also possible to receive data from the reader 1. Thus, instructions can be sent to the transponder 2 (downlink 4), also a storage in non-volatile memory 2b is often used in RFID systems and corresponds to the prior art. Furthermore, it is possible for a transponder 2 to operate with the related energy sensors 7 or to record their output signal. This data can also be converted into a modulation and thus transmitted (link 5). With the subject invention, it is thus possible that wireless, battery-less sensors 7 can be operated within or in the immediate vicinity of a conductive object (also made of metal).
Bei RFID Systemen, die in der Nähe leitfähiger Objekte eingesetzt werden, wird das Signal, das vom Transponder 2 zum Lesegerät 1 übertragen wird, geschwächt. Bei gleich bleibenden Störsignalen aus der Umgebung (Rauschen, Störquellen) wird dadurch der Signal-Rausch- Abstand verkleinert, wodurch die korrekte Übertragung erschwert wird. Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, auch bei Auftreten von Störsignalen eine Verbesserung des Signal- Rausch- Abstands zu erreichen. Dazu wird ein Schirm 10 in der Nähe der Empfangsantenne Ia angebracht, sodass Störsignale geschwächt werden, während das Nutzsignal eine geringe Beeinflussung erfährt. Nähe ist in diesem Sinn derart zu verstehen, dass durch die Anbringung des Schirms 10 eine wesentliche Abschwächung (d.h. eine Änderung von z.B. wenigstens 10 Prozent der spektralen Leistungsdichte) der durch Störsignale im Bereich der Antenne Ia hervorgerufenen Feldstärken erreicht wird. Eine Applikation stellt die Messung von Temperatur oder anderen physikalischen Größen in einem Ein- oder Mehrstellenmagnetrührer mit oder ohne Heizelement dar. Das magnetische Wechselfeld des Rührwerks wird elektronisch oder mittels eines bewegten Permanentmagneten erzeugt. Der Transponder 2 samt Transponderspule 2a und der Sensor 7 werden in das Magnetrührstäbchen integriert, die Spule Ia und das Lesegerät 1 befinden sich im Rührgerät.In RFID systems that are used in the vicinity of conductive objects, the signal that is transmitted from the transponder 2 to the reader 1, weakened. With constant noise from the environment (noise, sources of interference) thereby the signal-to-noise ratio is reduced, whereby the correct transmission is difficult. It is a further object of the invention to achieve an improvement of the signal-to-noise ratio even when interference signals occur. For this purpose, a screen 10 is mounted in the vicinity of the receiving antenna Ia, so that interference signals are weakened, while the useful signal undergoes little influence. Proximity in this sense is to be understood in such a way that the attachment of the screen 10 achieves a substantial attenuation (ie a change of, for example, at least 10 percent of the spectral power density) of the field strengths caused by interference signals in the region of the antenna 1a. An application represents the measurement of temperature or other physical quantities in a single or multi-position magnetic stirrer with or without a heating element. The alternating magnetic field of the stirrer is generated electronically or by means of a moving permanent magnet. The transponder 2 together with the transponder coil 2a and the sensor 7 are integrated into the magnetic stirrer, the coil Ia and the reader 1 are in the stirrer.
Die Erfindung ist anhand folgender Figuren dargestellt:The invention is illustrated by the following figures:
Figur 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines RFID Systems.FIG. 1 shows the basic structure of an RFID system.
Figur 2 zeigt das Konzept einer Lastmodulation 12.FIG. 2 shows the concept of a load modulation 12.
Figur 3 zeigt beispielhaft die Abhängigkeit der Schirmwirkung von der Frequenz.FIG. 3 shows, by way of example, the dependence of the shielding effect on the frequency.
Figur 4 zeigt eine beispielhafte Anwendung für einen Sensor 7 in einem leitfähigen Rohr 8.FIG. 4 shows an exemplary application for a sensor 7 in a conductive tube 8.
Figur 5 zeigt das Prinzip der Wirkung eines Kerns 6 mit unstetiger Magnetisierungskennlinie.FIG. 5 shows the principle of the effect of a core 6 with discontinuous magnetization characteristic.
Figur 6 zeigt beispielhaft die Steigerung des Signal-Rauschabstandes durch Einführung eines Schirms 10.FIG. 6 shows, by way of example, the increase in the signal-to-noise ratio by introducing a screen 10.
Figur 7 zeigt beispielhaft Trägersignal 11 und Modulation 12FIG. 7 shows, by way of example, carrier signal 11 and modulation 12
Figur 8 zeigt einen beispielhaften Aufbau für einen Magnetrührer mit im Magnetrührstäbchen integrierter Sensorik.FIG. 8 shows an exemplary design for a magnetic stirrer with sensors integrated in the magnetic stir bar.
Figur 1 zeigt das Konzept von RFID Systemen. Dabei wird Energie mit Hilfe eines elektromagnetischen Feldes zu einem Tag 2 übertragen. Das elektromagnetische Feld wird im Lesegerät 1 bzw. im Tag 2 mittels Spulen Ia und 2a erzeugt bzw. beeinflusst. Das elektromagnetische Feld eines Lesegeräts 1 kann moduliert werden um Daten vom Lesegerät 1 zum Tag 2 (Downlink 4) zu übertragen. Auch andere Arten der Datenübertragung von einem Lesegerät 1 zu einem Tag 2 sind möglich, z.B. mit einem zusätzlichen aktiven Sender. Auch die Verwendung mehrerer Lesegeräte 1 ist möglich. Die Tags 2 benötigen weder Kabel noch Batterien und antworten typischerweise durch Modulation des elektromagnetischen Feldes des Lesegerätes 1, z.B. durch Lastmodulation oder Änderung des Rückstrahlquerschnitts (Kommunikation Tag 2 2x1 Lesegerät 1 über Uplink 5). Im Transponder 2 kann optional ein Datenspeicher 2b vorgesehen sein.FIG. 1 shows the concept of RFID systems. Energy is transferred to a tag 2 using an electromagnetic field. The electromagnetic field is generated or influenced in the reader 1 or in the day 2 by means of coils Ia and 2a. The electromagnetic field of a reader 1 can be modulated to transfer data from the reader 1 to the day 2 (downlink 4). Other types of data transmission from a reader 1 to a tag 2 are possible, for example with an additional active transmitter. The use of multiple readers 1 is possible. The tags 2 do not require cables or batteries and typically respond by modulating the electromagnetic field of the reader 1, eg by load modulation or change of the Reflection cross section (communication day 2 2x1 reader 1 via uplink 5). In the transponder 2 may optionally be provided a data storage 2b.
Figur 2 zeigt ein vereinfachtes elektrisches Ersatzschaltbild einer Ausfuhrungsform für ein induktiv gekoppeltes System mit Lastmodulation 12, bestehend aus Lesegerät 1 und Transponder 2. Hier wird eine vorwiegend magnetische Kopplung zwischen den Induktivitäten Ll und L2 verwendet, darauf beruht auch die vorliegende Erfindung. Häufig werden die Antennen als Schwingkreis aufgebaut, dabei sind Cl und C2 Schwingkreiskondensatoren und Rl und R2 die Ersatzdarstellung parasitärer oder erwünschter Widerstände. RL ist die Ersatzdarstellung aller elektrischen Verbraucher im Transponder 2. Ln einfachsten Fall erfolgt die Rückantwort des Transponders 2 durch Zu- bzw. Wegschalten eines Widerstandes RM über einen Schalter S (typischerweise als Transistor realisiert), wobei RM auch durch Kondensatoren, Spulen oder andere aktive und passive Impedanzen ersetzt werden kann.Figure 2 shows a simplified electrical equivalent circuit diagram of an embodiment of an inductively coupled system with load modulation 12, consisting of reader 1 and transponder 2. Here, a predominantly magnetic coupling between the inductors Ll and L2 is used, based on the present invention. Frequently, the antennas are constructed as a resonant circuit, while Cl and C2 resonant circuit capacitors and Rl and R2 are the substitute representation of parasitic or desired resistances. RL is the substitute representation of all electrical consumers in the transponder 2. Ln the simplest case, the response of the transponder 2 by connecting or disconnecting a resistor RM via a switch S (typically realized as a transistor), where RM also by capacitors, coils or other active and passive impedances can be replaced.
In Figur 3 ist die Auswirkung eines leitfahigen Objekts auf die Särke des elektromagnetischen Feldes dargestellt. Die Sendespule Ia eines Lesegerätes 1 befindet sich auf Position -0,15 m. Eine Platte 8 aus rostfreiem Stahl mit einer Stärke von 2 mm ist an der Position -0,2 m angebracht. Die magnetische Feldstärke, die für die Energieversorgung eines Tags 2 zur Verfügung steht, ist dabei für die Frequenzen 50 Hz, 10 kHz und 50 kHz des elektromagnetischen Feldes 9 über dem Abstand zur Sendespule Ia dargestellt. Während bei 50 Hz kaum eine Änderung durch Verwendung der Wand entsteht, treten für 10 kHz und 50 kHz deutliche Dämpfungen auf. Damit sind diese Frequenzen für die Energieübertragung bei größeren Wandstärken nicht geeignet. Sofern jedoch das Hintergrundrauschen gering ist, können sie aber dennoch zur Übertragung von Daten verwendet werden.FIG. 3 shows the effect of a conductive object on the intensity of the electromagnetic field. The transmitting coil Ia of a reading device 1 is located at position -0.15 m. A stainless steel plate 8 with a thickness of 2 mm is mounted at the position -0.2 m. The magnetic field strength, which is available for the power supply of a tag 2, is shown for the frequencies 50 Hz, 10 kHz and 50 kHz of the electromagnetic field 9 over the distance to the transmitting coil Ia. While at 50 Hz there is hardly any change due to the use of the wall, significant attenuation occurs for 10 kHz and 50 kHz. Thus, these frequencies are not suitable for energy transfer with larger wall thicknesses. However, if background noise is low, they can still be used to transmit data.
Figur 4 zeigt eine beispielhafte Anwendung in einem Rohr 8. Hier wird ein Sensor 7, beispielsweise zur Messung der Durchflussgeschwindigkeit, Leitfähigkeit, Füllstand, Temperatur etc. mit dem Transponder 2 verbunden. Dieser überträgt die Daten nach außen und es sind somit keine Durchführungen erforderlich. Das ist besonders vorteilhaft wenn hohe Drücke oder hoch-toxische Komponenten im Rohr vorhanden sind, da die Durchführungen Schwachstellen darstellen. Ebenso vorteilhaft ist eine derartige Anordnung für Rohre 8, um die eine Vakuurnisoiation erforderlich ist, beispielsweise bei der Beförderung von flüssigen Gasen bei kryogenen Temperaturen. Analog kann die gegenständliche Erfindung für Kessel und Tankanlagen verwendet werden, beispielsweise um Füllstandsschalter durch die Metallwand 8 zu versorgen und mit ihnen zu kommunizieren.FIG. 4 shows an exemplary application in a tube 8. In this case, a sensor 7, for example for measuring the flow rate, conductivity, level, temperature, etc., is connected to the transponder 2. This transmits the data to the outside and thus no bushings are required. This is particularly advantageous when high pressures or highly toxic components are present in the pipe, as the bushings are weak points. Also advantageous is such an arrangement for pipes 8, to A Vakuurnisoiation is required, for example, in the transport of liquid gases at cryogenic temperatures. Similarly, the subject invention can be used for boilers and tanks, for example, to supply level switch through the metal wall 8 and to communicate with them.
Figur 5 zeigt die Wirkung eines Kerns 6 mit unstetiger Magnetisierungskennlinie in der Transponderspule 2a. Bei einer bestimmten magnetischen Feldstärke („Trigger Field") kommt es zu einem Kippen der Magnetisierung, typischerweise in einem Teil des Kerns 6. Dadurch entsteht kurzfristig eine Induktionsspannung U, die unabhängig von der Änderungsgeschwindigkeit des elektromagnetischen Feldes ist. Dadurch kann ein Transponder 2 auch bei extrem geringen Trägerfrequenzen von wenigen Hertz oder darunter versorgt werden, wodurch auch Wandstärken von vielen Zentimetern überbrückt werden können.FIG. 5 shows the effect of a core 6 with discontinuous magnetization characteristic in the transponder coil 2a. At a certain magnetic field strength ("trigger field") there is a tilting of the magnetization, typically in a part of the core 6. This results in the short term in an induction voltage U, which is independent of the rate of change of the electromagnetic field be supplied at extremely low carrier frequencies of a few hertz or less, which also wall thicknesses of many centimeters can be bridged.
Figur 6 zeigt eine Maßnahme zur Steigerung des Signal-Rauschabstands beim Lesegerät 1. Für die Datenübertragung ist in erster Linie nicht die übertragbare Energie relevant, sondern der Signal-Rauschabstand. Das heißt, der Signal-Rauschabstand kann durch Erhöhung des Signals oder durch Absenken des Rauschpegels erhöht werden. Ein Tag 2 wird durch eine Metallwand 8 mit Hilfe eines elektromagnetischen Feldes 9 mit niedriger Trägerfrequenz versorgt und sendet selbst Daten per Lastmodulation oder mittels eines aktiven Senders über ein elektromagnetisches Feld 9. Die externe Empfängerantenne Ia eines Lesegerätes 1, die auch gleichzeitig als Sendeantenne Ia für die Energieübertragung eingesetzt sein kann, empfangt dieses vom Transponder 2 gesendete Signal, wobei das Signal durch die Wand 8 (Schirm) stark abgeschwächt wird. Um den Signal-Rauschabstand zu erhöhen ist daher um die Empfängerantenne Ia des Lesegerätes 1 ein Schirm 10 angebracht, der externe Störsignale (Rauschen) abschirmt bzw. dämpft. Somit wird der Signal-Rauschabstand an der Empfängerantenne Ia des Lesegerätes 1 erhöht.FIG. 6 shows a measure for increasing the signal-to-noise ratio in the reading device 1. For data transmission, it is not primarily the transmittable energy that is relevant, but the signal-to-noise ratio. That is, the signal-to-noise ratio can be increased by increasing the signal or lowering the noise level. A tag 2 is supplied by a metal wall 8 with the aid of an electromagnetic field 9 with a low carrier frequency and transmits data itself by load modulation or by means of an active transmitter via an electromagnetic field 9. The external receiver antenna Ia of a reading device 1, which also serves as transmitting antenna Ia for the energy transmission can be used, receives this signal transmitted by the transponder 2, wherein the signal is greatly attenuated by the wall 8 (screen). In order to increase the signal-to-noise ratio, therefore, a screen 10 is mounted around the receiver antenna 1a of the reading device 1, which shields or attenuates external interference signals (noise). Thus, the signal-to-noise ratio at the receiver antenna 1a of the reader 1 is increased.
Figur 7 zeigt eine schematische Darstellung von einem Trägersignal 11 und einer Modulation 12, wie sie im elektromagnetischen Feld um den Transponder 2 beobachtet werden kann. Die effektive Modulationsfrequenz übersteigt dabei die Frequenz des Trägersignals um das 25- fache. Figur 8 zeigt einen beispielhaften Aufbau für einen Magnetrührer mit integrierter passiver Sensorik. Im Gerät bringt ein Motor einen Permanentmagneten zur Rotation. Weiters enthält das Gerat eine Heizwicklung und die Sendespule Ia sowie das Lesegerät 1. Die Oberfläche des Gerätes ist beispielsweise als Edelstahlplatte 8 ausgeführt. Im flüssigkeitsgefüllten Gefäß befindet sich das Magnetrührstäbchen; der enthaltene Permanentmagnet folgt der Rotation des Permanentmagneten im Gerät. Das Magnetrührstäbchen enthält den Transponder 2 mit der Transponderspule 2a und ist verbunden mit mindestens einem Sensor 7. Diese Anordnung erlaubt es, verschiedene physikalische Größen während eines Rühr- und/oder Heizvorganges zu messen und die Messwerte darzustellen. FIG. 7 shows a schematic illustration of a carrier signal 11 and a modulation 12, as can be observed in the electromagnetic field around the transponder 2. The effective modulation frequency exceeds the frequency of the carrier signal by 25 times. FIG. 8 shows an example of a design for a magnetic stirrer with integrated passive sensor system. In the device, a motor causes a permanent magnet to rotate. Furthermore, the device contains a heating coil and the transmitting coil Ia and the reader 1. The surface of the device is designed for example as a stainless steel plate 8. In the liquid-filled vessel is the magnetic stirring; the permanent magnet contained follows the rotation of the permanent magnet in the device. The magnetic stirrer contains the transponder 2 with the transponder coil 2a and is connected to at least one sensor 7. This arrangement makes it possible to measure various physical variables during a stirring and / or heating process and to display the measured values.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Verfahren zur Übertragung von Energie mit Hilfe elektromagnetischer Felder und Information mit Hilfe von Lastmodulation in Gegenwart von leitfahigen Objekten, dadurch gekennzeichnet, dass ein elektromagnetisches Wechselfeld erzeugt wird, ein Transponder 2 aus diesem elektromagnetischen Feld Energie zu seiner Versorgung bezieht, der Transponder 2 zum Zweck der Datenübertragung eine Lastmodulation mit einer effektiven Frequenz durchführt, welche die Frequenz des elektromagnetischen Wechselfeldes übersteigt und dieses lastmodulierte Signal über eine Antenne Ia empfangen und im Lesegerät 1 demoduliert wird.1. A method for transmitting energy by means of electromagnetic fields and information by means of load modulation in the presence of conductive objects, characterized in that an alternating electromagnetic field is generated, a transponder 2 from this electromagnetic field energy refers to its supply, the transponder 2 for Purpose of the data transmission performs a load modulation with an effective frequency, which exceeds the frequency of the alternating electromagnetic field and this load-modulated signal is received via an antenna Ia and demodulated in the reader 1.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das elektromagnetische Wechselfeld eine Frequenz von weniger als 100 Hz aufweist.2. The method according to claim 1, characterized in that the alternating electromagnetic field has a frequency of less than 100 Hz.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die effektive Modulationsfrequenz im Bereich von 1 kHz bis 500 kHz liegt.3. The method according to claim 1, characterized in that the effective modulation frequency is in the range of 1 kHz to 500 kHz.
4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Transponder 2 mit einem Teil der aus dem elektromagnetischen Feld bezogenen Energie wenigstens einen Sensor 7 betreibt und die Ausgangssignale des wenigstens einen Sensors 7 einer Lastmodulation zuführt.4. The method according to one or more of claims 1 to 3, characterized in that a transponder 2 with a part of the energy derived from the electromagnetic field operates at least one sensor 7 and supplies the output signals of the at least one sensor 7 to a load modulation.
5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Transponder 2 mit einem Teil der aus dem elektromagnetischen Feld bezogenen Energie einen flüchtigen oder nichtflüchtigen Speicher 2b betreibt und Daten aus diesem Speicher einer Lastmodulation zuführt.5. The method according to one or more of claims 1 to 4, characterized in that a transponder 2 with a part of the energy derived from the electromagnetic field operates a volatile or nonvolatile memory 2b and feeds data from this memory a load modulation.
6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass anstelle einer Lastmodulation eine Puls-Positions-Modulation verwendet wird.6. The method according to one or more of claims 1 to 5, characterized in that instead of a load modulation, a pulse position modulation is used.
7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass anstelle einer Lastmodulation ein aktiver Sender im Transponder 2 verwendet wird.7. The method according to one or more of claims 1 to 5, characterized in that instead of a load modulation, an active transmitter is used in the transponder 2.
8. Vorrichtung zur Übertragung von Energie mit Hilfe elektromagnetischer Felder und Information mit Hilfe von Lastmodulation in Gegenwart von leitfahigen Objekten, dadurch gekennzeichnet, dass sich in der Spule 2a eines Transponders 2 ein Kern 6 mit einer unstetigen Magnetisierungskurve befindet. 8. A device for transmitting energy by means of electromagnetic fields and information by means of load modulation in the presence of conductive objects, characterized in that in the coil 2a of a transponder 2 is a core 6 with a discontinuous magnetization curve.
9. Vorrichtung zur Übertragung von Energie mit Hilfe elektromagnetischer Felder und Daten mit Hilfe eines aktiven Senders in Gegenwart von leitfähigen Objekten, dadurch gekennzeichnet, dass sich in der Spule 2a eines Transponders 2 ein Kern 6 mit einer unstetigen Magnetisierungskurve befindet.9. A device for transmitting energy by means of electromagnetic fields and data using an active transmitter in the presence of conductive objects, characterized in that in the coil 2a of a transponder 2 is a core 6 with a discontinuous magnetization curve.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Sensor 7 mit zumindest einem Transponder 2 elektrisch verbunden ist.10. Device according to one of claims 8 to 11, characterized in that at least one sensor 7 is electrically connected to at least one transponder 2.
11. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 8. bis 10. zur Durchfuhrung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1. bis 7. dadurch gekennzeichnet, dass ein Transponder 2 in einem Magnetrührstäbchen 13 integriert ist. 11. The device according to one or more of claims 8 to 10 for carrying out the method according to one or more of claims 1 to 7, characterized in that a transponder 2 is integrated in a magnetic stirring 13.
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