АККУМУЛИРУЮЩАЯ ЭНЕРГИЮ RFID-СХЕМА, RFID-МЕТКА С ФУНКЦИЕЙ АККУМУЛИРОВАНИЯ ЭНЕРГИИ И СВЯЗАННЫЕ С НИМИ СПОСОБЫ
ENERGY-ACCUMULATING RFID CIRCUIT, RFID-LABEL WITH ENERGY ACCUMULATION FUNCTION AND RELATED METHODS

Область техники изобретения
[0001] Настоящая заявка в целом относится к пассивным меткам датчика радиочастотной идентификации (RFID) и к способам мониторинга объектов с помощью пассивных меток RFID–датчика.
Уровень техники изобретения
[0002] Радиочастотная идентификация (RFID) представляет собой технологию, в которой используют передачу информации посредством радиочастотных (RF) волн для обмена данными между «считывателем» (или «опросным устройством») и электронной RFID–«меткой» (или «транспондером»), которая прикреплена (или иным образом связана) к объекту мониторинга (OBM) (или «отслеживаемому объекту»), обычно для таких целей, как идентификация и отслеживание. Метка может взаимодействовать с датчиком, который выдает информацию, такую как показания датчика, относящиеся к отслеживаемому объекту. Или RFID–метка и/или ее датчик могут быть, по меньшей мере, частично встроены в отслеживаемый объект.
[0003] RFID–метки обычно включают, по меньшей мере, две части, а именно: интегральную схему (IC) для хранения и обработки информации, модуляции и демодуляции радиочастотного (RF) сигнала и других специализированных функций, и антенну (ANT) для приема и передачи и приема сигналов, например, от внешнего считывателя (или опросного устройства). Как правило, по меньшей мере, IC–часть метки может быть встроена в своего рода корпус.
[0004] Существует два основных типа RFID–меток: пассивные и активные. Активные RFID–метки также называют метками «с батарейным питанием».
3
[0005] Пассивные RFID–метки не имеют источника питания (аккумуляторной батареи) и требуют электромагнитного поля от внешнего источника (такого как считыватель) для питания электроники метки и инициирования передачи сигнала. Применительно к пассивной метке «передача» может означать модуляцию импеданса или резонанса антенны, например, простое замыкание накоротко или не замыкание антенны, приводя к «обратному рассеянию». Такие модуляции антенны могут быть восприняты внешним считывателем. Антенна может представлять собой катушку в низкочастотной (LF) или высокочастотной (HF) системе, связанной магнитным полем, или ультравысокочастотный (UHF) диполь в связанной с электрическим поле системе. Пассивные RFID–метки могут также питать энергией схему датчика, когда питание на метку подается внешним считывателем. Пассивные RFID–метки в LF или HF диапазоне часто требуют мощных считывателей из–за ограничений по мощности связи по магнитному полю, которая резко падает. Связь соответствует l/r, причем l означает мощность сигнала, а r расстояние между меткой и считывателем.
[0006] RFID–метки с питанием от батареи, с другой стороны, включают аккумуляторную батарею и передающее устройство и могут передавать сигналы к внешнему считывателю. В отличие от пассивных RFID–меток RFID–метки с батарейным питанием получают питание всей их схемы от аккумуляторной батареи. Аналогично пассивной RFID информационное взаимодействие все еще достигается с использованием метода обратного рассеяния, описанного выше. Диапазон RFID с батарейным питанием, как правило, превышает диапазон пассивной RFID, так как мощность, необходимая от считывателя, представляет собой только то, что необходимо для коммуникационной связи. Батарейное питание также используют для обеспечения стабильного питания для опроса датчика. Устройства с батарейным питанием, которые обеспечивают возможность RFID, могут, таким образом, проводить измерения, например, температуры, независимо от считывателя. Передачи могут происходить с периодическими интервалами, независимо от того, есть ли внешний считыватель поблизости (так как считыватель не нужен для питания активной схема), или метка может передавать сигнал в ответ на запрос (запрос метки для передачи) с помощью внешнего считывателя.
[0007] В разных областях применения полезно проводить измерения на объекте измерения (ОВМ) через периодические интервалы, например, ежедневно, еженедельно, ежемесячно, ежеквартально, каждые полгода или раз в год. Это касается контроля технического состояния многих типов конструкций, например, трубопроводов, мостов, кораблей, самолетов, нефтяных вышек, нефтяных резервуаров, зданий и т.п.
[0008] Во многих случаях части OBM являются трудно доступными после установки (например, заглубленные фундаменты, подводные конструкции, внутреннее пространство емкостей и т.д.) или являются иным образом труднодоступны или неудобны для измерения. Следовательно, желательно обеспечить беспроводной интерфейс со схемой измерительного датчика. Это дает возможность проводить измерения без необходимости физического контакта с датчиком, который может быть невозможен из–за месторасположения или доступности OBM.
[0009] Однако в областях применения, в которых воспринятые результаты измерения передают по беспроводной связи, как оказалось, трудно создать встроенный источник питания, который может питать датчик и связанную с ним схему, например, транспондер, в течение всего срока службы OBM. Первой причиной этого является то, что может быть невозможен доступ к датчику и/или схеме транспондера, чтобы перезарядить или заменить неисправный или разряженный источник питания. Второй причиной этого является то, что OBM может иметь компактный или плоский профиль, и поэтому может быть нежелательно присоединять объемный источник питания к компактной в остальном схеме датчика. Также известны другие недостатки аккумуляторных батарей для этого варианта применения; например, периодическая подача питания на батареи с длительными интервалами «простоя», во время которого никакой энергии не подается, может резко снизить характеристики некоторых типов аккумуляторных батарей.
[0010] В результате, как известно, получают беспроводной датчик, такой как RFID–датчик, который является пассивным. Пассивные RFID–метки собирают энергию от радиоволн опроса близкорасположенного RFID–считывателя. RFID–метка использует собранную энергию для выполнения таких операций, как проведение измерений от датчика и передача этих результатов измерения к внешнему RFID–считывателю. Таким образом, может быть создан RFID–датчик, который не требует встроенной аккумуляторной батареи, так что недостатки, связанные с батареями, могут быть исключены.
[0011] Патент США № 9378448 «RFID Sensor Tag and System for Small Output Transducers, and Related Methods», полное раскрытие которого включено в данный документ посредством ссылки, описывает пассивную RFID–метку, которая может быть предложена для измерения механического напряжения. С использованием пассивной RFID такие измерения можно проводить периодически в течение длительных периодов времени, например, в течение срока службы ассоциированной структуры.
Сущность изобретения
[0012] В соответствии с первым аспектом предложена аккумулирующая энергию RFID–схема для проведения измерений. RFID–схема принимает сигнал опроса на входной вывод антенны и собирает энергию, которая накапливается в блоке накопления заряда. Повышающий преобразователь затем повышает собранное напряжение до повышенного напряжения, которое подается в виде выходного напряжения на выходной вывод датчика. Блок переключения повышения также предусмотрен для активации повышающего преобразователя. То есть, блок переключения повышения не активирует повышающий преобразователь до тех пор, пока выходное напряжение на блоке накопления заряда не достигнет первого порогового значения. На основании выходного напряжения один или более входных выводов датчика принимают измерительный вход, который отражает измеренное значение, такое как механическое напряжение в трубной арматуре.
[0013] В соответствии с другим аспектом предложена RFID–метка с функцией аккумулирования энергии с аккумулирующей энергию RFID–схемой по первому аспекту. RFID–метка также имеет антенну, которая предоставляет антенный вывод, и датчик, который принимает выходное напряжение аккумулирующей энергию RFID–схемы и выдает измерительный вход.
[0014] В соответствии с дополнительным аспектом предложен мониторинг объекта. В соответствии со способом сигнал опроса принимается от RFID–считывателя с помощью антенны RFID–метки. Затем индуцированное напряжение, созданное током, индуцированным сигналом опроса, преобразуется в сигнал со стороны питания. Индуцированное напряжение поступает в блок накопления заряда. Когда заряд от блока накопления заряда превышает первое пороговое значение, повышающий преобразователь выборочно активируется для выработки повышенного напряжения. Затем повышенное напряжение поступает в датчик, чтобы получить показания датчика на основании повышенного напряжения и измеренного значения. И, наконец, показания датчика передаются от антенны назад к RFID–считывателю.
Краткое описание чертежей
[0015] Вышеизложенные и другие аспекты настоящего изобретения станут очевидны после прочтения следующего описания со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
[0016] ФИГ. 1 представляет собой схематичный вид RFID–системы, содержащей метки RFID–датчика в соответствии с первым аспектом;
[0017] ФИГ. 2A представляет собой поперечное сечение типичной трубной арматуры для соединения и герметизации труб, чтобы представить типичный вариант применения для метки RFID–датчика в соответствии со вторым вариантом осуществления;
[0018] ФИГ. 2В представляет собой увеличенный разрез части трубной арматуры, показанной на ФИГ. 2А, с лафетным хомутом, содержащим метку RFID–датчика в соответствии со вторым вариантом осуществления;
[0019] ФИГ. 3 представляет собой схематический вид RFID–метки с функцией аккумулирования энергии для проведения измерений механического напряжения в соответствии со вторым вариантом осуществления;
[0020] ФИГ. 4 представляет собой график, показывающий выходной сигнал регулятора аккумулирования энергии в сравнении с интервалом выборки для схемы, которая получает питание постоянно; и
[0021] ФИГ. 5 представляет собой график, показывающий выходной сигнал регулятора аккумулирования энергии в сравнении с интервалом выборки для схемы, которая питает датчик только тогда, когда считывается RFID–метка.
Описание типичных вариантов осуществления
[0022] Типичные варианты осуществления, которые включают один или более аспектов настоящего изобретения, описаны и проиллюстрированы на чертежах. Одинаковые ссылочные позиции используют для обозначения одинаковых элементов.
[0023] Как используют в данном документе, понятие «аккумулирование энергии» (также известное как сбор энергии, или захват энергии, или концентрация энергии) может относится к процессу, с помощью которого электрическую энергию извлекают из внешних источников, улавливают и накапливают. Аккумулирование энергии может конкретно относится к аккумулированию электромагнитной («RF») энергии, при котором RF поле, генерируемое передатчиком, связано с настроенной катушкой или с антенной электрического поля в приемнике. С другой стороны, «аккумулирование энергии» может относиться к аккумулированию термической или колебательной энергии.
[0024] Как используется в данном документе, «датчик» представляет собой необходимую полную сборку, которая как обнаруживает, так и передает обнаруженное событие, тогда как «преобразователь» представляет собой элемент внутри этой сборки, который выполняет только обнаружение события. В настоящей заявке эти термины являются взаимозаменяемыми.
[0025] Рассмотрим пример, показанный на ФИГ. 1, где первый объект измерения (OBM) 10 показан бок о бок с другими объектами измерения OBM–1 20, OBM–2 30, вплоть до OBM–n. Как показано в отношении OBM 10, каждый объект измерения содержит RFID–метку 100.
[0026] RFID–метка 100 может быть расположена на, частично внутри или полностью внутри OBM 10. RFID–метка 100 включает антенну 190, схему датчика 110 и один или более датчиков 180. Эти компоненты RFID–метки 100 функционируют вместе так, чтобы измерять и необязательно временно сохранять информацию, измеренную датчиком 180. Компоненты RFID–метки 100 также функционируют вместе так, чтобы передавать измеренную информацию вместе с уникальным идентификационным номером (ID), связанным OBM, в RFID–считыватель 200. Важно, что датчик 180 RFID–метки 100 расположен в непосредственной близости к воспринимаемой части OBM 10, что дает возможность эту часть обнаруживать. Антенна 190, схема 110 и датчик 180 предпочтительно предусмотрены вместе на одной подложке, хотя также предполагаются другие конфигурации с разными комбинациями компонентов на отдельных, взаимосвязанных подложках.
[0027] Датчик 180 может включать один или более компонентов из числа следующих: любой резистивный датчик или преобразователь, включая устройства сетей; устройства, которые создают напряжение, такие как пьезодатчики; термопары, микрофоны, термоэлектрические генераторы, фотоэлектрические элементы и т.п.; емкостные датчики; датчики давления; датчики расхода жидкости; датчики утечки жидкости; датчики вибрации; и другие такие типы датчиков или преобразователей. Таким образом, могут быть обнаружены одно или более условий внутри или около OBM 10, таких как свет, температура, магнитное поле, влажность, вибрация, давление, электрическое поле, движение или звук. Датчик 180 может обнаруживать свойство части самого OBM 10, такое как механическое напряжение, температура или электрические характеристики. Из–за низкой мощности, доступной от RF источника в пассивных метках датчика, лучше использовать датчики с высоким импедансом для снижения энергопотребления. Однако датчики с высоким импедансом имеют небольшие выходные сигналы и поэтому более чувствительны к электрическим помехам.
[0028] RFID–метка 100 имеет уникальный идентификационный (ID) номер. Возможность предотвращения столкновений, предоставляемая большинством протоколов RFID, позволяет многим RFID–меткам 100 находиться «в поле радиосвязи» и считываться одним RFID–считывателем 200. Это позволяет устанавливать множество RFID–меток 100 на небольшой площади и считывать их одновременно с помощью одного RFID–считывателя 200 с целью автоматического мониторинга.
[0029] В некоторых вариантах осуществления RFID–метка 100 может быть предусмотрена без датчика 180, так что метку используют для альтернативных целей, таких как идентификация объекта или конструкции, а не для целей измерения характеристик объекта или конструкции.
[0030] RFID–метка 100 предпочтительно находится внутри корпуса, такого как полностью герметичный корпус, для защиты от проникновения частиц пыли, воздуха, жидкости и/или агрессивных химикатов, а также необязательно для обеспечения некоторой термоизоляции. Корпус может быть прикреплен к OBM 10 или может быть частично или полностью встроен в OBM 10. Необязательно корпус может иметь отверстие для части датчика 180, такой как зонд. Отверстие может быть герметично закрыто вокруг выводов зонда.
[0031] ФИГ. 1 также показывает, что RFID–метка 100 обменивается данными через беспроводной RFID–интерфейс 160 с активным RFID–считывателем 200, в системе, которая известна как система высокочастотной коммуникации ближнего поля (HF–NFC). RFID–считыватель 200 может, например, работать при 915 МГц и иметь 50 каналов, которые по–разному подают энергию на основе факторов, таких как расстояние и относительное расположение между RFID–считывателем 200 и RFID–меткой 100. С другой стороны, может быть использована другая известная система HF–NFC, которая работает на другой частоте или частотном диапазоне, например, 13,56 МГц. В любом случае RFID–считыватель 200 передает сигналы опросного устройства и также принимает аутентификационные ответы от RFID–метки 100 через интерфейс 160. Говоря точнее, RFID–метка 100 использует свою антенну 190 как для приема сигнала опросного устройства, так и сбора энергии от RFID–считывателя 200 и передачи своих ответов RFID–считывателю 200 через беспроводной интерфейс 160.
[0032] И, наконец, как показано на ФИГ. 1, RFID–считыватель 200 может периодически или непрерывно подключаться к одному или более устройствам системного контроля 300, таким как ПК или центр обработки данных. В соответствии с одной возможной реализацией устройство системного контроля 300 может быть не привязано к конкретному устройству или процессору, а может быть реализовано с помощью «облачных» вычислений или других служб распределенной обработки данных. Соединение между RFID–считывателем 200 и устройством системного контроля 300 может быть беспроводным соединением, таким как Wi–Fi или Bluetooth, или проводным соединением, например, реализованным по известным протоколам IP через Ethernet или коаксиальный кабель.
[0033] При работе RFID–считыватель 200 опрашивает RFID–метку 100. Через свою антенну 190 RFID–метка 100 аккумулирует энергию для проведения измерения и активирует свою схему 110. Схема 110 в свою очередь активирует датчик 180, который выдает один или более результатов измерения. Результаты измерения пересылаются через схему 110 и антенну 190 RFID–метки 100 по RFID–интерфейсу 160 к RFID–считывателю 200, который может временно хранить данные измерения или перенаправлять их непосредственно к устройству системного контроля 300 для обработки.
[0034] После считывания RFID–метки 100 RFID–считывателем 200 данные датчика в реальном времени вместе с любыми управляющими сигналами, которые были отобраны одновременно с данными датчика, а также ID информация для идентификации RFID–метки 100, передаются в RFID–считыватель 200 и, в конечном счете, в устройство системного контроля 300. Устройство системного контроля 300 использует эти данные для вычисления фактического значения измеренного параметра. Устройство системного контроля 300 может выполнять последующую обработку данных измерения. Данные измерения также могут храниться в необработанном или обработанном виде на устройстве системного контроля 300 для дальнейшего анализа данных и/или с целью сбора данных.
[0035] На практике RFID–считыватель 200 может выполнять некоторые из функций, описанных здесь, как принадлежащий к устройству системного контроля 300, и наоборот. Действительно, RFID–считыватель 200 и устройство системного контроля в некоторых случаях могут быть выполнены в виде одного блока или в виде более чем двух описанных блоков, причем функции, связанные или с одним, или с обоими из этих устройств, распределены по двум или более устройствам.
[0036] ФИГ. 2A и 2B показывают вариант применения для RFID–метки 100A с функцией аккумулирования энергии в соответствии со вторым вариантом осуществления. Вариант применения представляет собой трубную арматуру для механического прикрепления и герметичного соединения трубы, как описано в публикации патентной заявки США № 2017/0089496 A1 «Pipe Fitting with Sensor», полное раскрытие которой включено в данный документ посредством ссылки.
[0037] Как показано на ФИГ. 2A, труба 16 предназначена для транспортировки рабочих жидкостей, таких как природный газ, нефть, воздух, вода и другие жидкие или газообразные композиции, или смеси. В частности, рабочая жидкость может содержать коррозийные элементы, такие как сероводород, который, как известно, повреждает трубопроводы из углеродистой стали. Трубу 16 предпочтительно выполняют из стали или другого металла, хотя альтернативные варианты осуществления могут предлагать трубу 16 из других материалов или компаундов в чистой или композитной форме, таких как ПВХ (PVC) или другой полимер.
[0038] Для соединения трубы 16 с другой секцией трубы используют трубную арматуру 12. Как показано на ФИГ. 2B, внутренний профиль трубной арматуры снабжен уплотнительными выступами 12А, 12В, 12С. Уплотнительные выступы 12А, 12В, 12С упираются в наружную часть конца трубы 16. Внешний профиль трубной арматуры 12 может иметь буртик, соединяющий относительно более тонкий участок трубной арматуры 12 с относительно более толстой частью трубной арматуры 12. Трубная арматура 12 может быть изготовлена из высокопрочного пластически деформируемого материала, такого как сталь, медь или другой металл.
[0039] Как показано на ФИГ. 2A и 2B, также предусмотрен лафетный хомут 14. Чтобы соединить трубу 16 с трубной арматурой 12, лафетный хомут 14 перемещают, например, с помощью гидравлического пресса, аксиально на трубную арматуру 12 в конечное установочное положение. Установка лафетного хомута 14 на трубе 16 вызывает постоянную, необратимую деформацию трубы 16, обеспечивая плотное соединение металл–металл между трубой 16 и трубной арматурой 12. Когда лафетный хомут 14 аксиально с усилием устанавливают на трубную арматуру 12 с трубой 16, помещенной в нее, уплотнительные выступы 12A, 12B, 12C трубной арматуры становятся механически соединенными с и герметично связанными с трубой 16 без протекания. Лафетный хомут 14 имеет такой размер, чтобы его можно было в форме кольца помещать поверх и аксиально продвигать вдоль окружности трубной арматуры 12, чтобы заставить уплотнительные выступы 12A, 12B, 12C входить в трубу 16, чтобы плотно и механически соединить трубную арматуру 12 с трубой 16.
[0040] Как показано на ФИГ. 2B, одна или более RFID–меток 100A с функцией аккумулирования энергии установлены на лафетном хомуте 14. Это дает возможность отслеживать механическое напряжение внутри лафетного хомута, например, во время установки трубной арматуры, а также в течение срока ее эксплуатации. RFID–метка 100A с функцией аккумулирования энергии может быть установлена поверх лафетного хомута 14, или может быть частично встроена или полностью встроена в наружную поверхность лафетного хомута 14. При опросе с помощью RFID–считывателя RFID–метка 100A с функцией аккумулирования энергии обеспечивает измерение механического напряжения внутри лафетного хомута 14.
[0041] Если измерение механического напряжения находится в определенных границах, ограниченных нижним и верхним порогом, это может указывать на то, что лафетный хомут 14 находится в хорошем состоянии. Однако, если измерение механического напряжения выходит за границы, это может служить показателем того, что лафетный хомут 14 и арматуру 12 следует проверить или заменить. Поэтому опросы RFID–считывателя 200 могут быть выполнены с регулярными или нерегулярными интервалами. Например, опросы могут быть выполнены периодически в виде части обычного обслуживания. Дополнительные опросы могут быть проведены во время проверок системы, когда трубопровод не работает, а также в начале работы или до, в течение или после вызывающих механическое напряжение или ненормальных условий эксплуатации.
[0042] Разработка RFID–метки 100A по второму варианту осуществления является технической задачей, заключающейся в том, что RFID–метка 100A должна генерировать чрезвычайно стабильное, относительно высокое напряжение, чтобы выдавать надежные измерения механического напряжения. Тензометрические преобразователи для металлических конструкций обычно представляют собой металлопленочные резисторы и могут быть весьма чувствительны к изменениям их входного напряжения. Эти преобразователи, как правило, создают очень небольшое изменение электрического сопротивления в ответ на перемещение (механическое напряжение) конструкции, к которой они присоединены, что приводит к очень маленькому выходному сигналу порядка десятков микровольт. В частности, лафетный хомут 14 обычно выполнен из высокопрочного материала и поэтому значения механического напряжения, которые должны быть определены, обычно очень малы, порядка от 0,001 до 0,01%, и, следовательно, изменения сопротивления также очень малы. Как результат, очень незначительные колебания входного напряжения из–за помех в сигнале опроса от расположенного поблизости RFID–считывателя могут приводить к ненадежным измерениям механического напряжения. Другими словами, если напряжение, поступившее к тензометрическому датчику, имеет даже незначительные колебания, это может привести к тому, что измерения механического напряжения станут неотличимыми от фонового шума.
[0043] Вышеуказанные проблемы усугубляются тем фактом, что пассивные RFID–метки обычно работают при низком напряжении, поскольку RFID–метка 100 должна собрать всю энергию, которую она использует для запуска, от поступающего сигнала опроса, предоставляемого RFID–считывателем 200. Поэтому, если датчик 180 получает питание постоянно, аккумулированная энергия быстро истощается. Это может привести к длительной задержке между измерениями, так как энергия, накопленная в RFID–метке 100, должна быть сначала пополнена RFID–считывателем 200, прежде чем может начаться новый цикл измерения. На ФИГ. 4 проиллюстрировано, что именно измеряется на схеме, которая имеет возможность непрерывно питать ее датчик 180. Верхняя кривая показывает выходной сигнал схемы с функцией аккумулирования энергии. Нижняя кривая показывает сигнал активации для выполнения измерения или снятия показаний датчика. Временная развертка на ФИГ. 4 равна 2 секундам на деление, и можно видеть, что между подачей питания на схему сборщика (харвестера) существует до 6 секунд времени зарядки.
[0044] Последнее заключение состоит в том, что даже после того, как собранный сигнал был выпрямлен RFID–меткой 100, обычно выпрямленное напряжение все еще включает значительные колебания из–за помех от сигнала большой мощности, излучаемого находящимся поблизости RFID–считывателем 200. RFID–считыватель 200 работает в диапазоне 50 каналов. Антенна RFID–метки 190 не эффективна для сбора энергии на всех каналах. Это приводит к появлению шума на выпрямленном напряжении, что приводит к ненадежным измерениям датчика. Другими словами, RF энергия, излучаемая на метке датчика RFID–считывателем 200, индуцирует дополнительные токи на дорожках схемы и компонентах RFID–метки 100, которые создают нежелательные колебания (электрический шум), что делает еще более трудным обнаружение небольших изменений сигнала датчика 180A. Даже эти небольшие колебания в напряжении, поступающем к датчику 180А, могут привести к ненадежным измерениям механического напряжения. Кроме того, изменение расстояния между RFID–считывателем 200 и RFID–меткой 100 может вызвать изменение уровня выпрямленного питания, что, если не учтено должным образом, может вызвать дополнительную ошибку измерения.
REG
[0045] RFID–метка 100A с функцией аккумулирования энергии в соответствии со вторым вариантом изобретения сконструирована в ответ на описанные выше проблемы. Как показано на ФИГ. 3, RFID–метка 100A с функцией аккумулирования энергии в соответствии со вторым вариантом осуществления в целом соответствует первому варианту осуществления, в котором RFID–метка 100A содержит антенну 190, аккумулирующую  энергию RFID–схему 110A и тензодатчик 180A, также известный как тензодатчик. аккумулирующая энергию RFID–схема 110A обеспечивает очень стабильное, повышенное напряжение V, которое необходимо для выполнения точных измерений механического напряжения.
[0046] Тензодатчик 180A предпочтительно прочно прикреплен к лафетному хомуту 14 или к другому объекту измерения, например, за счет частичного или полного встраивания тензочувствительной сетки тензодатчика 180A внутри лафетного хомута 14 или другого объекта измерения.
[0047] аккумулирующая энергию RFID–схема 110A и антенна 190 предпочтительно предусмотрены поблизости к тензодатчику 180A, и RFID–схема 110A подключена через провод к тензодатчику 180A, как показано на ФИГ. 3. Как описано в отношении первого варианта осуществления, элементы RFID–метки 100A предпочтительно предусмотрены внутри корпуса, который прикреплен к объекту измерения, или встроен частично или полностью в объект измерения.
[0048] Как показано на ФИГ. 3, сигналы опроса, захватываемые антенной 190, поступают через антенный вывод 191 к аккумулирующей энергию RFID–схеме 110A. Антенна 190 может быть настроена на заданную частоту, такую как 915 МГц, и преобразует электромагнитные поля при этой частоте в полезное напряжение переменного тока (AC). Типичное ac–напряжение от антенны 190 может составлять 4 В (vac p–p).
[0049] Напряжение переменного тока подается через антенный вывод 191 через сеть 192 согласования импеданса. Сеть 192 согласования импеданса может содержать LC–схему согласования, содержащую один или более индукторов и один или более согласующих конденсаторов, чтобы обеспечить максимальную передачу мощности. Сеть 192 согласования импеданса создает согласованный входной сигнал на микросхему 120 RFID–транспондера. В некоторых вариантах осуществления сеть 192 согласования импеданса может быть исключена, так что антенный вывод 191 подводится напрямую через микросхему 120 RFID–транспондера.
POS
POS
[0050] Микросхема 120 RFID–транспондера принимает согласованный входной сигнал и вырабатывает выпрямленный DC выход (постоянного тока) V, который может иметь относительно низкое напряжение, например, ниже чем 1,2 В DC, в зависимости от силы сигнала опроса, принятого антенной 190. Более того, выпрямленный DC выход V также может быть подвержен колебаниям и/или нестабильности. Чтобы получить более стабильную и непрерывную подачу питания, энергия, аккумулированная от сигнала опроса, таким образом, поступает в блок 130 накопления заряда, который временно сохраняет собранную энергию.
POS
POS
POS
[0051] Перед подачей выпрямленного DC выхода V в блок 130 накопления заряда вначале он проходит через блок 122 регулировки, который регулирует и изолирует заряд. В частности, блок 122 регулировки может содержать один или более резисторов для регулирования тока. В дополнение или в качестве альтернативы блок 122 регулировки может содержать один или более диодов для предотвращения обратного тока на клемме V микросхемы 120 RFID–транспондера, так как чрезмерный обратный ток может повреждать микросхему 120 RFID–транспондера  и провоцировать нестабильную работу. В некоторых вариантах осуществления блок 122 регулировки может быть исключен, так что выпрямленный DC выход V подводиться напрямую через блок 130 накопления заряда.
CAP
[0052] Блок 130 накопления заряда может содержать один конденсатор или батарею конденсаторов с объединенным выходным напряжением V. Батарея конденсаторов может быть в форме конденсаторной сборки, и конденсаторы могут быть соединены друг с другом параллельно или последовательно.
[0053] Заряд аккумулируется в блоке 130 накопления заряда пока присутствует сигнал опроса, до тех пор, пока блок 130 накопления заряда не будет в полностью заряженном состоянии или около того. Когда заряд отводится из блока 130 накопления заряда вследствие проведения измерений датчика, батарея конденсаторов будет затем перезаряжаться, пока сигнал опроса продолжает присутствовать. Другими словами, блок 130 накопления заряда продолжает заряжаться во время работы до полного заполнения.
CAP
CAP
CAP
CAP
CAP
BOOST
[0054] Блок 130 накопления заряда вырабатывает, на своем выходе, накопленное напряжение V. Хотя накопленное напряжение V является относительно стабильным, пока остается достаточный заряд в батарее конденсаторов, изначально накопленное напряжение V не является достаточно высоким напряжением для считывания показаний тензодатчика. Как только блок 130 накопления заряда накапливает достаточный заряд, накопленное напряжение V фиксируется при оптимальном напряжении для DC/DC повышающего преобразователя 140. Повышающий DC/DC преобразователь 140 принимает накопленное напряжение V в виде входа и выдает повышенное напряжение V. Однако из–за требований по мощности повышающего преобразователя 140, как было обнаружено, выгодно оставлять повышающий преобразователь 140 выключенным незадолго до того, как должно быть выполнено измерение механического напряжения. Другими словами, выгодно предупреждать отведение аккумулированной энергии, накопленной в блоке 130 накопления заряда, за счет работы повышающего преобразователя 140, даже когда измерение механического напряжения не проводят.
CAP
CAP
[0055] Таким образом, повышающий преобразователь 140 контролируют с помощью блока 132 переключения повышения, который обычно гарантирует, что повышающий преобразователь 140 остается выключенным. Когда внешний RFID–считыватель 200 опрашивает RFID–метку 100A путем передачи запроса опроса через антенну 190, микросхема 120 RFID–транспондера выдает исполнительный сигнал измерения на свой EXC контакт. Это активирует блок 132 переключения повышения, который проверяет, достаточно ли заряжен блок 130 накопления заряда. Например, блок 132 переключения повышения может сравнивать V с первым определенным пороговым значением, таким как 0,9 В. Только когда V достигает первого порогового значения, блок 132 переключения повышения может вызвать включение повышающего преобразователя 140. Если микросхема 120 RFID–транспондера принимает запрос опроса до того, как батарея конденсаторов будет достаточно заряжена, повышающий преобразователь 140 остается в выключенном состоянии с помощью блока 132 переключения повышения. Попытка измерения механического напряжения, когда блок 130 накопления заряда заряжен недостаточно, только истощает блок 130 накопления заряда и не приводит к надежному измерению механического напряжения, как уже было обсуждено при рассмотрении ФИГ. 4.
BOOST
BOOST
BOOST
[0056] Повышенное напряжение V является достаточно высоким, чтобы проводить очень точные измерения, такие как тензометрические измерения. Однако из–за помех близлежащего RFID–считывателя повышенное напряжение V не может быть достаточно гладким, чтобы получать надежные измерения. Следовательно, предусмотрен опорный регулятор 150, чтобы сгладить повышенное напряжение V. Однако, чтобы предупредить неоправданное потребление мощности опорным регулятором 150, установлено, что полезно оставлять опорный регулятор 150 выключенным незадолго до того, как будут проводиться тензометрические измерения.
BOOST
BOOST
[0057] Таким образом, предусмотрен блок 142 переключения регулятора, который сравнивает повышенное напряжение V со вторым определенным пороговым значением, таким как, например, 1,9 В, и включается только при достижении второго порогового значения. Блок 142 переключения регулятора может быть выполнен в виде транзистора, который выключается, когда повышенное напряжение надает ниже второго определенного порогового значения, и в результате предупреждает пропускание повышенного напряжения для питания опорного регулятора 150, когда повышенное напряжение падает ниже второго определенного порогового значения. Когда блок 142 переключения регулятора включен, V подается через блок 142 переключения регулятора к опорному регулятору 150.
[0058] Однако до включения блока 142 переключения регулятора опорный регулятор 150 выдает неопределенное напряжение, иногда называемое «плавающим» напряжением. В случае опрашивания тензодатчика 180А и считывания показаний тензодатчика 180А, если опорный регулятор 150 все еще выводит такое неопределенное плавающее напряжение, это может привести к показаниям датчика, которые являются правдоподобными, но ошибочными. Для предупреждения того, чтобы правдоподобные, но ошибочные показания тензодатчика 180A были интерпретированы как реальные показания, предусмотрен блок 144 обнаружения повышения для подачи сигнала, когда показания тензодатчика 180A являются обоснованными.
REG
REG
[0059] Это осуществляется следующим образом. Когда блок 142 переключения регулятора включает опорный регулятор 150, так что создается выходное напряжение V, блок 142 переключения регулятора направляет управляющий сигнал на блок 144 обнаружения повышения, указывая на то, что показания датчика надежны. Блок 144 обнаружения повышения подает перенаправленный управляющий сигнал через микросхему 120 RFID–транспондера. Перенаправленный управляющий сигнал может быть считан на EXT2 контакте в виде A/D входа, где определенные значения перенаправленного управляющего сигнала в пределах интервала возможных значений служат для указания на то, что опорный регулятор 150 включен. Это, в свою очередь, указывает на то, что выходное напряжение V подается на выходной вывод 155, и, следовательно, тензодатчик 180A выдает правильные показания. Это дает гарантию того, что правдоподобные, но ошибочные показания датчика 180A не будут интерпретированы как надежные показания.
REG
REG
REG
[0060] Опорный регулятор 150 может содержать шунтирующий стабилизатор и RC–фильтр, чтобы обеспечить экстремально устойчивое, относительно высокое выходное напряжение V, необходимое выполнения для точных измерений механического напряжения. Сглаженное повышенное выходное напряжение V подается с помощью RFID–схемы 110A на выходной вывод 155 датчика к тензодатчику 180A. Как только выходное напряжение V проходит через выходной вывод 155, измерения, полученные от тензодатчика 180A, отражают правильные измерения механического напряжения.
REG
[0061] На основании сглаженного повышенного напряжения V тензодатчик 180A выдает измерения механического напряжения VIN+, VIN–, которые поступают к блоку 185 установления режима работы датчика. Блок 185 установления режима работы датчика может усиливать измеренные значения VIN+, VIN– и/или применять к ним смещение. Блок 185 установления режима работы датчика формирует выходной сигнал, который считывается в микросхему 120 RFID–транспондера как A/D–вход на EXT1 контакте. Усиленный, повышенный, динамический диапазон блока установления режима работы датчика и отрегулированный по напряжению входной сигнал, вводимый в микросхему 120 транспондера, могут улучшать точность измерения, позволяя работать рядом с центром A/D–диапазона. С другой стороны, блок 185 установления режима работы датчика может адаптировать работу к любому желаемому диапазону, такому как модифицированный диапазон, который смещен от центра A/D–диапазона.
[0062] Цифровые значения EXT1, представляющие измерение механического напряжения, и EXT2, представляющие индикатор того, является ли измерение достоверным, объединяются предпочтительно вместе с идентификатором, связанным с RFID–меткой 100A, и передаются через антенну 190 на внешний RFID–считыватель 200. RFID–считыватель 200 может выбраковывать неверные показания или передавать необработанные данные непосредственно на устройство системного контроля 300.
POS
[0063] На основании приведенного выше описания представлен один типичный способ работы RFID–метки 100A. При обращении внешнего RFID–считывателя 200, антенна 190 принимает сигнал опроса и микросхема 120 RFID–транспондера использует собранную энергию, чтобы начать производить выпрямленное DC напряжение V. Оно подается через блок 122 регулировки к блоку 130 накопления заряда, который начинает аккумулировать заряд. В зависимости от близости RFID–считывателя 200 к RFID–метке 100A блок 130 накопления заряда может быть полностью заряжен, как правило, в пределах периода времени, например, меньше чем секунда, несколько секунд или более минут.
CAP
BOOST
BOOST
BOOST
[0064] Цикл измерения может быть инициирован RFID–считывателем 200, который передает запрос опроса, принимаемый антенной и обрабатываемый микросхемой 120 RFID–транспондера. Микросхема 120 RFID–транспондера  затем выдает сигнал активации EXC к блоку 132 переключения повышения. Блок 132 переключения повышения проверяет, достигло ли напряжение V, создаваемое блоком 130 накопления заряда, первого порогового уровня. Если достигло, то блок 132 переключения повышения активирует повышающий преобразователь 140, который, в свою очередь, создает повышенное напряжение V. Как только повышенное напряжение V достигает второго порогового уровня (который выше первого порогового уровня), блок 142 переключения регулятора выдает управляющий сигнал через блок 144 обнаружения повышения в контакт EXT2 микросхемы 120 RFID–транспондера. Одновременно блок 142 переключения регулятора позволяет подавать повышенное напряжение V к регулятору 150, который сглаживает и фильтрует напряжение. Полученное напряжение служит в качестве опорного напряжения для тензодатчика 180A.
REG
[0065] На основании опорного напряжения V тензодатчик 180A выдает измерения механического напряжения VIN+, VIN–. Они обрабатываются блоком 185 установления режима работы датчика, и результат поступает в A/D входной контакт EXT1 микросхемы 120 RFID–транспондера.
[0066] Микросхема 120 RFID–транспондера осуществляет выборку входов EXT1 и EXT2, и выводит эти значения предпочтительно вместе с ID, связанной с RFID–меткой 100A, через антенну 190 к RFID–считывателю 200. RFID–считыватель 200 проверяет, находится ли EXT2 в пределах диапазона, таким образом указывая на то, что значение EXT1 дает правильное измерение механического напряжения, а не просто правдоподобное, но ошибочное значение. Если EXT2 указывает на то, что измерение является верным, то EXT1 сохраняется или записывается, или локально на RFID–считывателе 200 или на устройстве системного контроля 300. Периферийные данные, такие как временная метка и другая информация, связанная с показанием, также могут быть сохранены. С другой стороны, если значение EXT2 указывает на то, что измерение не является обоснованным, то пара входных данных EXT1, EXT2 может быть отброшена или путем преднамеренного удаления, или путем переписывания данных.
CAP
[0067] Когда RFID–считыватель 200 прекращает выдавать сигнал активации, микросхема 120 RFID–транспондера прерывает свой сигнал активации на EXC. Как следствие, повышающий преобразователь 140, блок 142 переключения регулятора и регулятор 150 все становятся неактивными, предупреждая таким образом ненужное стекание заряда из блока 130 накопления заряда. Блок 130 накопления заряда, тем не менее, продолжает заряжаться в фоновом режиме, используя энергию, собранную от сигнала опроса, пока блок 130 накопления заряда не перезарядится полностью. Новый цикл измерения может быть начат до того, как блок 130 накопления заряда будет полностью заряжен, при условии, что вся собранная энергия, накопленная в блоке 130 накопления заряда, заставляет V достигать первого порогового значения.
[0068] Возвращаясь к области применения по второму варианту осуществления, проиллюстрированному на ФИГ. 2A и 2B, работа RFID–метки 100A описана относительно трубной арматуры 12, 14, 16. Во время установки лафетного хомута 14 RFID–считыватель 200 может собирать множество выборок за короткие интервалы, например, каждые десять секунд или ежесекундно. Возможности RFID–метки 100A аккумулировать энергию позволяют собирать достаточно заряда для выполнения множества считываний за короткие интервалы. При проверке технического состояния в течение срока эксплуатации OBM RFID–считывателем 200 может быть получено меньше показаний, например, одно показание, два показания или более показаний, например, чтобы получить усредненное измерение для такой проверки состояния.
[0069] Таким образом, тензодатчик 180A получает питание только по время считывания RFID–метки 100A. Это дает эффект, показанный на ФИГ. 5, что энергия сохраняется путем активации схемы сборщика энергии только во время события выборки датчика. Верхняя кривая показывает выход аккумулирующей энергию схемы. Нижняя кривая показывает сигнал активации для выполнения измерений или считывания показаний датчика. Координата времени на ФИГ. 5 равна 20 миллисекунд/деление. Одно измерение занимает только от 4 до 5 миллисекунд. Вследствие экономии энергии новое измерение может выполняться каждые 25 миллисекунд. Это является значительным улучшением в сравнении с ФИГ. 4, так как в некоторых областях применения частые измерения могут быть полезны, например, во время установки лафетного хомута 14 трубной арматуры, как описано со ссылкой на ФИГ. 2A и 2B.
[0070] В дополнение к способности наблюдать за механическим напряжением раскрытые в данном документе способы могут быть применимы ко многим другим типам измерительных преобразователей, таким как измерительный преобразователь давления, высокоточные датчики температур, такие как RTD (резистивные температурные детекторы), термисторы, бесконтактные датчики, датчики влажности, световые детекторы (фотоэлементы) и т.п. В этих вариантах осуществления тензометрический преобразователь может быть заменен другим измерительным преобразователем с незначительными изменениями в схеме и компоновке.
[0071] В модификациях описанных вариантов осуществления RFID–метка с функцией аккумулирования энергии может быть предусмотрена без датчика или измерительного преобразователя, так что RFID–метку с функцией аккумулирования энергии используют для идентификации зданий, конструкций или предметов, с которыми RFID–метка связана. Хотя некоторые RFID–метки имеют протяженную дальность считывания, дальность считывания RFID–метки может быть ограничена, например, расстоянием или, если RFID–метка встроена в конструкцию, например, окружена с одной или более сторон резиной, цементом или древесиной. Для работы RFID–схема, как правило, принимает и потребляет RF энергию от опросного устройства в реальном времени и может требовать минимум энергии, чтобы быть способной пересылать сигналы назад в считыватель. Однако, даже если энергия, предоставленная сигналом опроса, слишком мала, чтобы RFID–метка была способна пересылать сигнал, RFID–метка может все еще собирать энергию от сигнала опроса. В этом случае RFID–метка может пассивно собирать энергию до тех пор, пока она не накопит достаточно энергии, в этот момент RFID–микросхема может активироваться и начать передачу своей ID в ответ на сигнал опроса. Таким образом, благодаря аккумулированию энергии RFID–схема будет действовать как устройство с «псевдоаккумулятором» (то есть, аккумуляторная батарея отсутствует, но аккумулированный и накопленный заряд будет временно действовать подобно аккумуляторной батарее для RFID–схемы).
[0072] Таким образом, RFID–метка с функцией аккумулирования энергии может быть использована для идентификации конструкций или объектов, которые обычно могли бы находиться вне зоны действия RFID–считывателя, например, в случаях, в которых сигнал опроса RFID–считывателя слишком слаб, чтобы позволить «нормальной» (без функции аккумулирования энергии) RFID–метке передавать ответ. Например, некоторым RFID–схемам требуется минимум 2 вольта для работы (то есть, выпрямленное напряжение, полученное от RF сигнала), и не будут работать, когда напряжение, полученное от RF сигнала опроса, находится ниже этого порогового значения. Однако при использовании описанной RFID–метки с функцией аккумулирования энергии энергия все еще будет собираться от сигнала опроса и накапливаться блоке 130 накопления заряда до тех пор, пока не будет достаточно энергии, чтобы ее можно было повысить и приложить к RFID–схеме, чтобы дать возможность RFID–метке передавать ответ. Таким образом, вместо RFID–схемы, принимающей и потребляющей RF энергию от сигнала опроса в реальном времени, может потребоваться несколько секунд (например, 5–10 секунд или больше), прежде чем RFID–схема соберет достаточно энергии для активации. Например, если из–за расстояния или встроенного расположения RFID–метки выпрямленное напряжение, полученное от RF сигнала, составляет 1,5 вольта, то это будет ниже минимального порогового значения 2 вольта, необходимого для работы RFID–устройства. Однако это выпрямленное напряжением 1,5 В все еще будет представлять собой энергию, собранную описанной схемой и накопленную в блоке 130 накопления заряда. Как только собрано достаточное количество энергии, накопленное выпрямленное напряжение 1,5 В может быть повышено до 2 вольт (или другого желаемого значения) и только затем подано в RFID–схему, чтобы она могла передавать сигнал (включая идентификационную информацию) назад к опросному устройству. Подразумевается, что такая альтернативная система может быть реализована с помощью схем и функциональных особенностей, описанных в данном документе, например, тех, что описаны, по меньшей мере, в абзацах [0048]–[0062]. При использовании этого способа RFID–схема будет работать как обычно и не будет подвержена влиянию большого расстояния или встроенных структур, которые в противном случае препятствовали бы работе.
[0073] В других модификациях описанных вариантов осуществления аккумулирование энергии может быть выполнено другими способами, отличающимися от аккумулирующих RF энергию, например, посредством аккумулирования термической или колебательной энергии. В случае модифицированных вариантов осуществления на основе аккумулирования термической энергии аккумулирование энергии может быть выполнено с помощью модуля термоэлектрического генератора (TEG), установленного на тепловом ингредиенте. В случае модифицированных вариантов осуществления на основе аккумулирования колебательной энергии аккумулирование энергии может быть выполнено с помощью модуля аккумулирования колебательной энергии, например, включающего пьезоэлектрические компоненты, которые вырабатывают заряд в ответ на колебания. В этих случаях термоэлектрический генератор или модуль аккумулирования колебательной энергии могут быть введены в описанные здесь варианты осуществления, причем аккумулированная энергия вводится в блок 130 накопления заряда.
[0074] Компоненты аккумулирующей энергию RFID–схемы 110A предпочтительно реализуют с аналоговыми компонентами. В общем случае цифровые компоненты потребляют относительно больше мощности, чем аналоговые компоненты при соответствующем исполнении, и, следовательно, цифровые компоненты не могут так хорошо подходить для требований малой мощности, присущих вариантам применения с пассивной RFID. Однако части схемы, такие как микросхема 120 RFID–транспондера, могут быть частично реализованы в цифровой логике на усмотрение разработчика схемы. Аналогично другие компоненты схемы, такие как блок 132 переключения повышения и/или блок 142 переключения регулятора, могут выдавать двоичные выходные сигналы (ON/OFF). В частности, блок 132 переключения повышения и/или блок 142 переключения регулятора могут быть выполнены с транзисторами, чтобы ограничить их соответствующие входные напряжения только двумя заданными уровнями, соответствующими выходному сигналу, представляющему собой или ON, или OFF.
[0075] Изобретение рассмотрено со ссылкой на описанные выше примерные варианты осуществления. Модификации и изменения будут очевидны специалисту при прочтении и понимании данного описания. Примеры вариантов осуществления, охватывающие один или более аспектов изобретения, как подразумевают, включают все такие модификации и изменения, поскольку они входят в объем прилагаемой формулы изобретения.