CN111742438B - 传感器装置和用于其运行的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种传感器装置(5)及其运行方法。传感器装置(5)包括用于向传感器装置(5)供能的供能电池(7)，可检测供能电池(7)的运行状态数据的传感器单元(8)以及可将运行状态数据传输至评估系统(17)的通信单元(9)。在该方法中，利用传感器单元(8)在不同的测量时间点(t1、t2)检测供能电池(7)的运行状态数据，该运行状态数据通过通信单元(9)发送到评估系统(17)，并由评估系统(17)测定传感器装置(5)的能量需求并基于运行状态数据和能量需求生成用于传感器装置(5)的优化运行的操作推荐。

Description

传感器装置和用于其运行的方法
技术领域
本发明涉及一种电池驱动的传感器装置和用于运行这种类型的传感器装置的方法。具体地，本发明涉及一种用于监控驱动系统、尤其是用于监控电机的传感器装置，以及一种用于运行这种传感器装置的方法。
背景技术
尤其地，用于监控电机的传感器装置被称为智能传感器盒或状态监控盒(CM盒)，并检测测量数据，例如振动或温度。为了避免或减少布线量，此类传感器装置通常具有用于为其供能的电池和无线通信装置，特别是用于无线传输测量数据的装置，例如用于通过符合Bluetooth或WLAN标准的无线电信号进行通信的通信装置(WLAN＝无线局域网络)。
在此，电池被理解为表示基于电化学的电能储存器，其可以被设计为可充电的或不可充电的。尤其地，在此属于这种电池的有蓄电池。用于传感器装置的电池是根据传感器装置的期望能量需求以及传感器装置的假定温度曲线来设计的，尤其是在传感器装置的电池容量和放电电流方面来进行设计。就蓄电池而言，除放电电流外，许多其他影响变量也会影响蓄电池的存储容量，例如温度、老化效应、恢复效应、蓄电池内阻损耗的增加以及蓄电池中电化学过程和电荷传输过程的速度受限。为了以针对传感器装置来最优地设计蓄电池，因此也必须考虑这些影响变量。
然而，许多这些与电池设计有关的量，事先只能非常困难地进行估计或以高度的不确定性来进行估计。例如，传感器装置的能量需求包括用于获取和处理测量数据的能量需求以及(无线电)通信的能量需求。在估计能量需求时，还必须考虑：传感器装置通常以具有不同运行模式的混合运行的方式来运行，这些运行模式在其各自的能量需求方面彼此不同。在单个运行模式的实际运行中分配到各个运行模式的运行时间以及伴随于此分至相应运行模式的总能量需求事先很难估计，因为例如在利用传感器装置进行监控的驱动系统的关键运行状态下，需要在短时间内请求测量数据，以快速、可靠地监控驱动系统的状态。
此外，传感器装置的能量需求以及电池的容量和老化效果都与温度高度相关。但是，对传感器装置的温度的温度变化的预测也存在很大的不确定性。
因此，对于电池供能的传感器装置而言，预先可靠地确定最佳地适于传感器装置的实际运行的电池是极其困难的，并且实际上几乎是不可能的。因此，在传感器装置中的电池在传感器装置的运行期间通常被证实为不是规格不足就是规格过剩。在电池规格不足的情况下，传感器装置的功能受损，尤其是在为传感器装置提供的运行时间结束之前，传感器装置可能失效。在电池规格过剩的情况下，传感器装置通常没有被实施为成本最优的，因为使用了规格过高进而过于昂贵的电池。
公开文献US 2013/317659 A1描述了一种具有低功率远程传感器的分布式无线监控系统，该系统包括在传感器上的数据编码/压缩，以减少通过传输和存储的功耗。监控系统还包括事件控制的运行/数据协议、事件触发阈值和相关模板的远程配置、分布式处理选项以及通过网络时间服务的传感器时钟同步。
公开文献EP 2 830 145 A1描述了一种用于监控电池存储器的方法，该方法包括以下步骤：接收表征电池存储器系统特征的识别信息和指示至少一个电池存储器状态的特征数据；根据接收到的特征数据，从数据库中管理的老化模型中确定对应于至少一个电池存储器的老化模型，该模型显示更多电池存储设备的老化趋势；通过通信网络生成控制数据，以根据对应的老化模型在预定时间改善至少一个电池存储装置的老化状态；将生成的控制数据传输到电池存储系统；根据所传输的控制数据，控制电池存储系统中的至少一个电池存储器。
发明内容
本发明的目的在于提出一种电池供能的传感器装置，该传感器装置尤其在其设计和运行方面得到改进。
根据本发明，该目的通过根据本发明的方法和根据本发明的传感器装置来实现。
根据本发明的方法涉及传感器装置的运行，该传感器装置具有用于向该传感器装置供能的供能电池，可以检测该供能电池的运行状态数据的传感器单元，以及可以将该运行状态数据传输到评估系统的通信单元。在该方法中，在不同的测量时间用传感器单元检测运行状态数据，并通过通信单元将运行状态数据传输到评估系统，并由评估系统确定传感器装置的能量需求，并根据运行状态数据和能量需求生成针对传感器装置优化运行的操作推荐。各种电池类型的电池类型数据存储在评估系统中，评估系统根据运行状态数据，能量需求和电池类型数据确定优先电池类型，并将具有作为供能电池的、优先电池类型的电池的传感器装置的运行生成为操作推荐。
由此，本发明提出，除了测量数据外(对其的检测是传感器装置的实际任务)，传感器装置还检测供能电池的运行状态数据并将其传输至评估系统。基于传感器装置的运行状态数据以及评估系统测定的能量需求，评估系统生成针对传感器装置的优化运行的操作推荐。本发明实现了在传感器装置的实际运行中监控供能电池的运行状态和传感器装置所需的能量，以推导出传感器装置的优化运行。本发明考虑，如上已阐述的那样，传感器装置的能量需求和对于供能电池来说重要的运行参数，例如电池温度的变化，很难预测并且具有很大的不确定性。在传感器装置的实际运行中对传感器装置的能量需求和供能电池的运行状态进行监控和评估，可以根据生成的操作推荐使传感器装置的运行匹配于实际运行中出现的状况，从而优化传感器装置的运行。
在评估系统中提供有多种电池类型的电池类型数据，其中，由评估系统根据供能电池的运行状态数据、传感器装置的能量需求和电池类型数据确定优先电池类型，并生成具有将优先电池类型的电池作为供能电池的传感器装置的运行作为操作推荐。例如，将电池类型的制造商的数据表说明和/或该电池类型的至少一个电池过去所检测的运行状态数据设置为电池类型的电池类型数据。此外，将额定电池容量、关于电池温度和/或电池放电电流的电池容量、故障率、电池内部电阻、最大电池放电电流、额定电池电压和/或电池几何尺寸存储为一种电池类型的电池类型数据。
本发明的一种设计方案提出，检测供能电池的电池电压和电池温度作为运行状态数据。电池电压和电池温度是供能电池的工作状态中对于传感器装置的运行来说最重要指标，因为供能电池的可用剩余容量尤其取决于它们的变化，或可以根据它们的变化进程推导出，并且与评估供能电池的工作状态有关的其他变量也取决于它们。例如，如果已知或检测到电池放电电流，则可以根据在不同测量时间检测到的电池电压和相关的电池放电电流来确定供能电池的电池内部电阻的时间变化。电池内部电阻随时间的进展可以有利地用于得出关于供能电池的老化进展的结论。
本发明的另一设计方案提出，检测供能电池的电池放电电流作为运行状态数据。本发明的该实施例，例如对于测定电池内部电阻的时间进展，尤其在电池放电电流没有另外得知或以推导出时是有利的。
本发明的另一设计方案提出，评估系统测定和评估电池温度在温度间隔上的频率分布和/或作为电池参数的电池电压、电池放电电流、电池内部电阻或者电池功率之一关于电池温度的值的分布，从而生成操作推荐。本发明的该设计方案考虑，供能电池的电池状态基本上取决于电池温度。因此，电池温度以及其他电池参数与电池温度的关联性对于供能电池的电池状态的进展来说是特别重要的指标。
本发明的另一设计方案提出，由分别分配给传感器装置在不同的运行模式中运行时的时间分量以及对于传感器装置在运行模式中运行来说分别所需要的功率来测定能量需求。本发明的该设计方案利用了以下事实：传感器装置在不同的运行模式下通常需要不同的功率。因此，可以根据分配给不同的运行模式的时间分量和对于这些运行模式来说所需要的功率来测定传感器装置的能量需求。
本发明的另一设计方案提出，由评估系统根据供能电池的运行状态数据和传感器装置的能量需求来确定传感器装置的优先设计，并且根据优先设计生成传感器装置的设计作为操作推荐。本发明的该设计方案使得传感器装置的设计能够适应于在传感器装置的实际运行中出现的运行状况。
本发明的前述设计方案使得一种电池类型的供给电池能够适应于在传感器装置的实际运行期间出现的运行状况。在此，传感器装置在第一运行阶段中利用第一供能电池来运行，并且在第一运行阶段中，根据供能电池的运行状态数据、传感器装置的能量需求和适于能量需求的电池类型数据来确定优先电池类型。换句话说，在第一运行阶段中确定在传感器装置的实际运行中出现的能量需求和在传感器装置的实际运行中出现的运行状况、以及适于该能量需求和运行状况的优先电池类型。在第二运行阶段中，如果第一供能电池不是优先电池类型的电池，那么就以优先电池类型的电池代替第一供能电池。由此，传感器装置可以在第二运行阶段中利用如下供能电池来操作，该供能电池以最优的方式适配于实际能量需求和实际运行状况。
本发明的另一设计方案提出，由评估系统生成传感器装置的运行模式的时间分布作为操作推荐。本发明的该设计方案使得传感器装置的运行模式的分布能够适配于在传感器装置的实际运行中出现的运行状况。
本发明的另一设计方案提出，评估系统在数据云中实现。本发明的该设计方案使得在评估运行状态数据时可以使用存储在数据云中的数据，从而可以容易地更新和扩展这些数据。另外，可以以简单的方式使数据云中的运行状态数据可被其他应用程序访问，并且尤其可以用于补充在那里收集的电池类型数据。
本发明的另一设计方案提出，运行状态数据可以借助于通信单元通过无线电波传输。有利地，这使得运行状态数据能够无线传输。
用于执行根据本发明的方法的根据本发明的传感器装置包括用于向传感器装置供能能量的供能电池，可以检测运行状态数据的传感器单元以及可以将运行状态数据发送到评估系统的通信单元。这样的传感器装置能够实现具有上述优点的根据本发明的方法。
根据本发明的驱动系统包括根据本发明的传感器装置，用于检测与驱动系统的状态有关的机器测量数据。尤其地，驱动系统可以具有电机，并且传感器装置的传感器单元可以被设置为检测电机的振动和/或温度。可选地或附加地，驱动系统可以具有变流器，并且可以将传感器装置的传感器单元设置为检测变流器的温度。
附图说明
结合以下结合附图说明对实施例的描述，本发明的上述特性，特征和优点以及实现它们的方式将变得更加清楚和易于理解。其中：
图1示意性地示出了驱动系统；
图2示出了传感器装置和用于操作传感器装置的方法的实施例的框图；
图3示出了归因于不同运行模式的传感器装置的时间分量的分布；
图4示出了电池类型的电池类型数据；
图5示出了供能电池的电池功率和电池电压的时间曲线；
图6示出了供能电池的电池温度的频率分布。
在图中，对应的部分具有相同的附图标记。
具体实施方式
图1示意性地示出了驱动系统1。驱动系统1包括旋转电机3和用于监控电机3的传感器装置5。传感器装置5检测关于电机3的状态的机器测量数据，例如与振动有关的振动测量数据和/或与电机温度有关的温度测量数据3。
图2示出了传感器装置5和用于运行传感器装置5的方法的实施例的框图。
传感器装置5包括用于向传感器装置5供能的供能电池7、传感器单元8、通信单元9、存储单元11、计算单元13和计时器单元15。
利用传感器单元8检测机器测量数据和供能电池7的运行状态数据。合适的运行状态数据将在下面详细介绍。
利用通信单元9，将由传感器单元8检测到的机器测量数据和运行状态数据，如有可能在由计算单元13对这些数据进行处理之后，发送至评估系统17。通信单元9具有例如用于无线电波的传输单元，利用该传输单元例如按照蓝牙或WLAN标准以无线的方式传输数据。
尤其地，用于传感器装置5的运行的程序被存储在存储单元11中。此外，可以将由传感器单元8检测到的机器测量数据和运行状态数据缓存在存储单元11中。
利用计算单元13执行由存储单元11存储的程序。
尤其地，利用计时器单元15预设用于传感器装置5的时间控制的时钟信号。
评估系统17例如在数据云中实现。或者，评估系统17例如在边缘设备上实现。
在评估系统17中存储有不同电池类型的电池类型数据。例如，将一种电池类型的制造商的数据表说明19和/或一种电池类型的至少一个电池在过去检测到的运行状态数据作为该种电池类型的电池类型数据。
评估系统17根据传感器装置5的能量需求来进行对运行状态数据和电池类型数据的评估21，其中，确定了以最优的方式适配于运行状态数据和能量需求的优先电池类型。作为评估21的结果，由评估系统17生成用于具有作为供能电池7的、优先电池类型的电池的传感器装置5的运行的操作推荐23。如果供能电池7不是优先电池类型的电池，则执行电池更换25，其中，供能电池7被优先电池类型的电池替换。
传感器装置5以不同的运行模式M1至M4运行。例如通过对传感器装置5进行编程来预定运行模式M1至M4的顺序和时间段，并且因此它们是已知的，但是可以通过改变预定来更改。此外，对于每个运行模式M1至M4来说所需的功率也是已知的。传感器装置5的能量需求由分配给不同运行模式M1至M4的时间分量以及在运行模式M1至M4中传感器装置5的运行所需的功率来确定。
图3以示例的方式示出了分配给传感器装置5的四个不同运行模式M1至M4的时间分量。例如，第一运行模式M1是睡眠运行，其中，传感器装置5主要是非激活的；第二运行模式M2是测量运行，用于测量电机3的振动；第三运行模式M3是测量运行，用于测量电机3的温度；并且第四运行模式M4是通信运行，用于将数据发送到评估系统17。
图4示例性地示出了一种电池类型的电池类型数据。所示出的是该电池类型的电池的可用电池容量C相对于以对数形式表示的针对不同电池温度的电池放电电流I的容量变化曲线C1至C5，这温度从第一容量变化曲线C1减小到第五容量曲线C5。可选地或附加地，例如，可以将电池额定容量、故障率、电池内部电阻、最大电池放电电流、电池电压和/或几何电池尺寸存储为电池类型的电池类型数据。
在不同的测量时间点t1、t2，利用传感器单元8检测供能电池7的电池电压U和电池温度T作为运行状态数据。还可以提出，如果电池放电电流I是未知的或不能以其他方式确定，就通过传感器单元8检查供能电池7的电池放电电流I也作为运行状态数据。
图5示例性地示出了在传感器装置5的无线电脉冲运行中，供能电池7的供能功率P和供能电压U关于时间t的变化曲线，其中，供能功率P仅以脉冲方式明显不同于零。例如，在功率脉冲前不久的第一测量时间点t1和功率脉冲后不久的第二测量时间点t2测量电池电压U。根据这些测量时间点t1、t2处的电池电压U1＝U(t1)和U2＝U(t2)的差异以及电池放电电流I1＝I(t1)和I2＝I(t2)的差异，例如根据公式R＝(U1-U2)/(I1-I2)确定供能电池7的内部电阻R。
尤其地，在评估21中使用统计方法来评估运行状态数据。
图6以电池温度T的频率分布的形式示例性地示出了对检测到的电池温度T的统计评估，其中，针对不同的温度间隔ΔT确定了电池温度T的频率N。
可选地或附加地，在评估21中，测定作为电池参数的电池电压U、电池放电电流I、电池内部电阻R或者电池功率P之一的值关于电池温度T的至少一个分布和/或这些电池参数之一或电池温度T的至少一个时间分布来作为电池参数，从而生成操作推荐23。取代时间上的评估，也可以进行关于频率的评估，该频率在传感器装置5的脉冲运行中出现。
尽管已经通过优选的示实施例详细地示出和描述了本发明，但是本发明不受公开的示例的限制，并且本领域技术人员可以在不脱离本发明的保护范围的情况下从中得出其他变体方案。

Claims (11)

1.一种用于运行传感器装置(5)的方法，所述传感器装置具有：用于为所述传感器装置(5)供能的供能电池(7)；能够检测所述供能电池(7)的运行状态数据的传感器单元(8)；以及通信单元(9)，利用所述通信单元能够将所述运行状态数据传输至评估系统(17)，其中
-利用所述传感器单元(8)在不同的测量时间点(t1、t2)检测所述供能电池(7)的运行状态数据，
-利用所述通信单元(9)将所述运行状态数据传输至所述评估系统(17)，并且
-由所述评估系统(17)测定所述传感器装置(5)的能量需求，并根据所述运行状态数据和所述能量需求来生成用于所述传感器装置(5)的优化运行的操作推荐，
其特征在于，
在所述评估系统(17)中提供有多种电池类型的电池类型数据，由所述评估系统(17)根据所述运行状态数据、所述能量需求和所述电池类型数据来确定优先电池类型，并且将具有作为供能电池(7)的、所述优先电池类型的电池的所述传感器装置(5)的运行生成为操作推荐，将所述供能电池(7)的电池电压(U)和电池温度(T)作为运行状态数据来检测，还将所述供能电池(7)的电池放电电流(I)作为运行状态数据来检测，由所述评估系统(17)测定并评估所述电池温度在温度间隔(ΔT)上的频率分布、和/或作为电池参数之一的电池电压(U)、电池放电电流(I)、电池内部电阻或电池功率(P)的值关于所述电池温度(T)的分布，以生成所述操作推荐。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，由时间分量(Δt)和功率来测定所述能量需求，所述时间分量分别分配给所述传感器装置(5)在不同的运行模式(M1至M4)中的运行，该功率分别是所述传感器装置(5)在所述运行模式(M1至M4)中运行所需要的。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，由所述评估系统(17)根据所述运行状态数据和所述能量需求来确定所述传感器装置(5)的优先设计，并且根据优先设计将所述传感器装置(5)的该设计生成为操作推荐。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将一种电池类型的制造商的数据表说明(19)和/或一种电池类型的至少一个电池在过去检测到的运行状态数据提供为该电池类型的电池类型数据。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将电池额定容量、关于电池温度(T)和/或电池放电电流(I)的电池容量(C)、故障率、电池内部电阻、最大电池放电电流、额定电池电压和/或电池几何尺寸提供为一种电池类型的电池类型数据。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，由所述评估系统(17)将所述传感器装置(5)的运行模式(M1至M4)的时间分布生成为操作推荐。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述评估系统(17)在数据云中实现。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，能够利用所述通信单元(9)通过无线电波来传输所述运行状态数据。
9.一种传感器装置(5)，所述传感器装置被配置用于执行根据权利要求1至8中任一项所述的方法，所述传感器装置(5)包括：
-供能电池(7)，用于为所述传感器装置(5)供能；
-传感器单元(8)，利用所述传感器单元能够检测运行状态数据；以及
-通信单元(9)，利用所述通信单元能够将所述运行状态数据传输至评估系统(17)。
10.一种驱动系统(1)，具有根据权利要求9所述的传感器装置(5)，所述传感器装置用于检测关于所述驱动系统(1)的状态的机器测量数据。
11.根据权利要求10所述的驱动系统(1)，其特征在于，所述驱动系统包括电机(3)。
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