CN112213085A - 状况监测装置和用于操作该状况监测装置的方法 - Google Patents

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Abstract

一种状况监测装置(10)包括：状况监测传感器(12)，被配置为获取由系统产生的振动信号；集成电源(14)，具有用于向状况监测传感器(12)提供电能并且包括电磁线圈(20)和永磁体(22)的能量采集器(16)。集成电源(14)还包括在能量采集器(16)与状况监测传感器(12)之间的系统电源开关(24)，系统电源开关(24)被配置为至少在向传感器(12)提供能量采集器(16)的电能的第一高阻抗位置与没有电力传递到传感器(12)的第二低阻抗位置之间切换。状况监测装置包括用于限制能量采集器(16)的运动的系统(26)，系统(26)被配置为在系统电源开关(24)的第二低阻抗位置连接电磁线圈(20)的两端。

Description

状况监测装置和用于操作该状况监测装置的方法
技术领域
本发明涉及状况监测装置的领域，特别地，涉及用于监测系统(诸如以运动的机器为例)的状况的状况监测传感器。
背景技术
状况监测装置允许监测系统的状况，而无需手动检查。这些装置在远程位置或难以接近和/或接近危险的位置(诸如，铁路系统的轴(/轮轴)(axle)和/或轴承)中可能特别有利。
分析由运动的机器产生的振动信号在机器状况监测领域中是众所周知的。
通常，电气传感器用于收集振动测量(值)，然后可以对其进行分析以确定机器状况并检测任何机器缺陷。
在许多情况下，通过集成的发电源对状况监测装置供电可能是方便的。的确，可能有必要向位于远程位置的装置提供电能，例如，不存在电源基础设施的地方，或存在基础设施，但在装置安装的特定位置电力不可用的地方。
为了给状况监测装置供电，已知使用电池组或容量有限的电源，诸如能量采集器。
这种状况监测装置依赖于被监测的机器产生的振动；因此，机械振动可以用作可以在本地收集的动力源。的确，振动能量采集是利用来自环境的振动来驱动发电机的过程，该发电机提供电力以用于电子装置。这样的技术是特别有利的，因为它能够为位于远程位置的装置提供电力自主权。
振动能量采集器通常从相对于磁场运动的导电线圈产生电能。这种相对运动是由来自状况监测下的机器的振动能量引起的。因此，在运动通过磁场的导体中感应出电流。通常，振动能量采集器包括固定的永磁体和被弹簧悬置的线圈，线圈被感应而相对于永磁体振荡。在另一种类型的能量采集器中，永磁体悬置在弹簧上，并被感应而相对于固定的线圈振荡。
为了实现有效的能量采集，有必要增大所述采集器内的振荡运动。然而，在振动信号测量获取期间，线圈中的电流可能产生交变磁场，该交变磁场可能会在状况监测传感器中感应出不想要的信号。
因此，需要在测量(值)获取期间减少采集器振荡(harvester oscillation)。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于在通过状况监测传感器获取振动信号测量期间限制能量采集器运动的系统和方法。
本发明的特别目的在于提供一种状况监测装置，所述状况监测装置被设计为安装在系统(诸如以运动的机器为例)上，用以监测所述系统的状况。所述状况监测装置包括：状况监测传感器，被配置为获取由所述系统产生的振动信号；以及集成电源，用于向所述状况监测传感器提供电能。所述集成电源包括具有电磁线圈和永磁体的能量采集器，所述电磁线圈和所述永磁体被配置为一者相对于另一者振荡，所述集成电源还包括在所述能量采集器与所述状况监测传感器之间的系统电源开关。
所述系统电源开关被配置为至少在第一高阻抗位置与第二低阻抗位置之间进行切换，在所述第一高阻抗位置，向所述传感器提供所述能量采集器的电能，在所述第二低阻抗位置，所述能量采集器被短路，并且没有电力从所述能量采集器传递到所述传感器。
所述状况监测装置包括用于限制所述能量采集器的运动的系统，所述系统被配置为在所述系统电源开关的第二低阻抗位置连接所述电磁线圈的两端。
阻抗在包括在5000Ohms和100Ohms之间时被认为是低的。运动限制系统的阻抗被设计为在两个相互矛盾的要求之间取得平衡。阻抗需要是低的，以增大流动通过能量采集器线圈的电流。随着阻抗减小和电流增大，热量增大，从而可能损坏集成的能量采集器和状况监测传感器。
因此，在通过状况监测传感器获取测量(值)期间，可以将能量采集器切换到低振荡模式。由此，在通过状况监测传感器获取测量值期间，可以限制能量采集器的运动。这样允许较早地诊断出机器故障，并延长采集器的使用寿命，进而延长状况监测装置的使用寿命。
有利地，所述系统电源开关具有输入和输出，所述输入连接到所述线圈的第一线圈端子，所述输出能够在所述第一高阻抗位置与所述第二低阻抗位置之间运动。
例如，所述输入可以永久地连接到所述线圈的第一线圈端子。
在实施方式中，所述运动限制系统包括电缆，所述电缆具有第一端和第一端，所述第一端被配置为在所述低阻抗位置连接到所述系统电源开关的输出，所述第二端连接在所述状况监测传感器的输出与所述线圈的第二线圈端子之间。
例如，所述运动限制系统的第二端可以永久地连接在所述状况监测传感器的输出与所述线圈的第二线圈端子之间。
所述限制运动系统可以包括一个或多个电阻器、和/或电感器、和/或电容性无源组件(capacitive passive component)。限制运动系统被配置为在能量采集器不需要产生电力时限制能量采集器的运动。
在实施方式中，所述系统电源开关被配置为在第一高阻抗位置、第二低阻抗无源位置与第三非常低阻抗位置之间进行切换，在第三非常低阻抗位置，所述开关的输出未连接到任何元件。
阻抗在严格地小于100Ohms时被认为是非常低的。该第三位置允许在获取振动测量时在短时间段(例如，20秒)内使振荡的能量采集器的运动限制最大化，以减少由采集器产生的任何干扰噪声。
在实施方式中，所述状况监测装置还包括集成的能量存储装置(诸如，以电容器或可再充电电池为例)，用于当所述采集器切换到低振荡模式(即，低阻抗位置)时为所述状况监测传感器供电。有利地，所述集成的能量存储装置位于所述开关与所述传感器的输入之间，与传感器并联。
例如，所述能量采集器包括壳体，所述电磁线圈固定到所述壳体并且包括电端子，所述永磁体悬置在连接到所述壳体的弹簧之间，所述永磁体被感应而相对于固定的线圈振荡。
在非限制性示例中，所述装置可以进一步包括连接在所述开关的输出处的充电调节器。
根据另一方面，本发明涉及一种用于操作如上所述的状况监测装置的系统电源开关的方法。所述方法包括：
-检验所述状况监测传感器的状态；
-如果所述状况监测传感器没有在获取测量(值)，则将所述系统电源开关切换到所述第一高阻抗位置；以及
-如果所述状况监测传感器正在获取测量(值)，则将所述系统电源开关切换到所述第二低阻抗位置。
当所述状况监测装置包括集成的能量存储装置时，所述方法包括：
-将所述能量存储装置中包含的电能与阈值进行比较；
-如果电能低于所述阈值，则将所述系统电源开关切换到所述第一高阻抗位置；以及
-如果电能大于所述阈值，则将所述系统电源开关切换到所述第二低阻抗位置。
附图说明
通过研究通过以非限制性示例给出并由附图说明的具体实施方式的详细描述，将更好地理解本发明及其优点，在附图上：
-图1是根据本发明的实施方式的具有用于限制能量采集器的运动的系统的状况监测装置的示意图；以及
-图2是概述用于操作图1的状况监测装置的系统电源开关的方法的流程概略图。
具体实施方式
首先参照图1，其示出了根据本发明的状况监测装置(/状况监视装置)(conditionmonitoring device)10的实施方式，状况监测装置10被设计为安装在系统(诸如，以运动的机器为例)上，用以监测所述系统的状况。
状况监测装置10包括状况监测传感器12，状况监测传感器12被配置为获取由运动的机器产生的振动信号。替代地或补充地，状况监测装置包括被配置为获取代表温度、位移、速度或加速度的信号的传感器。
状况监测装置10还包括用以向状况监测传感器12提供电力的集成电源(integrated power supply)14。
集成电源14具有容量有限的电源，例如能量采集器16。
能量采集器16包括壳体18和固定的电磁线圈20，电磁线圈20固定到壳体18的侧向表面18a、18b并且设置有电端子20a、20b。
能量采集器16还包括永磁体22，永磁体22悬置在分别连接到壳体18的上表面18c和下表面18d的上弹簧23a和下弹簧23b之间。永磁体22被感应而相对于固定的线圈20振荡。
永磁体22可运动地定位在电磁线圈20内并且部分地穿过电磁线圈20，使得磁体22的运动在电磁线圈20中感应出电能。磁体22相对于线圈20的振荡运动通过在线圈20内的感应而产生电力，该电力在端子20a、20b处变得可用(available)。
作为另一种选择，能量采集器可以包括固定的永磁体和通过弹簧悬置的线圈，该线圈被感应而相对于永磁体振荡。
通常，能量采集器16基于(一)元件相对于另一元件的振动而产生电力。
电源14还包括在能量采集器16与状况监测传感器12之间、尤其是在第一线圈端子20a与状况监测传感器12的输入12a之间的系统电源开关24。
系统电源开关24具有输入24a和输出24b，输入24a永久地连接到线圈20的第一线圈端子20a，输出24b可以连接到状况监测传感器12的输入12a。
系统电源开关24可以包括任何类型的机械或半导体开关，诸如继电器、BJT、MOSFET、IGBT等，例如，该开关可以是p沟道场效应晶体管(p-channel field effecttransistor)。
状况监测装置10还包括用于限制能量采集器16的运动的系统26。所述系统26包括电缆(/线缆)，该电缆具有第一端26a和第二端26b，第一端26a可以连接到系统电源开关24的输出24b，第二端26b永久地连接在状况监测传感器12的输出12b与线圈20的第二线圈端子20b之间。
限制运动系统26可以包括一个或多个电阻器、和/或电感器、和/或电容性无源组件。限制运动系统26被配置为在能量采集器不需要产生电力时限制能量采集器的运动。
系统电源开关24的输出24b被配置为在三个位置之间进行切换：
-第一高阻抗位置，在第一高阻抗位置，所述输出24b连接到状况监测传感器12的输入12a，因此向所述传感器12提供能量采集器16的电能。在该位置，振荡元件(在此为永磁体22)沿着箭头M以小的相反力(opposing force)自由运动。
-第二低阻抗无源位置，在第二低阻抗无源位置，所述输出24b连接到限制运动系统26的电缆的输入26a，因此能量采集器16被短路并且没有电力传输到传感器12。因此，在该低阻抗位置，相反力增大，从而限制永磁体22的振荡运动。该位置可以被称为低振荡模式。在该低阻抗位置，限制运动系统26连接电磁线圈20的两端。阻抗在包括在5000Ohms和10Ohms之间时被认为是低的。运动限制系统26的阻抗被设计为在两个相互矛盾的要求之间取得平衡。阻抗需要是低的，以增大流动通过能量采集器线圈20的电流。随着阻抗减小和电流增大，热量增大，从而可能损坏集成的能量采集器16和状况监测传感器12。
-第三非常低阻抗位置，在第三非常低阻抗位置，所述输出24b未连接到任何元件。阻抗在严格地小于100Ohms时被认为是非常低的。该第三位置允许在获取(captured)振动测量时在短时间段(例如，20秒)内使振荡的能量采集器的运动限制最大化，以减少由采集器产生的任何干扰噪声。
作为另一种选择，系统电源开关24的输出24b被配置为仅在第一高阻抗位置与第二低阻抗位置之间进行切换。
因此，在通过状况监测传感器获取测量期间，可以将能量采集器16切换到低振荡模式。这样允许较早地诊断出机器故障，并延长采集器的使用寿命，进而延长状况监测装置的使用寿命。
在非限制性示例中，状况监测装置10可以包括集成的能量存储装置28(诸如，以电容器或可再充电电池为例)，作为当采集器16切换到低振荡模式时为状况监测传感器12供电的部件。集成的能量存储装置28位于开关24的输出24b与传感器12的输入12a之间，与传感器12并联。
在非限制性示例中，装置10还包括连接在开关24的输出24b处的充电调节器(charging regulator)29。
图2上示出了用于操作图1的状况监测装置10的系统电源开关24的方法30。
在框32，检查状况监测传感器12的状态。
如果状况监测传感器12没有在获取测量(/测量值)(measurement)，则在框34处将开关24的输出24a连接到传感器12的输入12a。
如果状况监测传感器12正在获取测量，则在框36处将开关24的输出24a连接到运动限制系统26的输入26a。
作为非限制性示例，当状况监测装置10包括集成的能量存储装置28时，如果状况监测传感器12没有在获取测量，则方法30在框38处将所述能量存储装置28中包含的能量电力(/电能)与阈值进行比较，以向传感器12提供能量电力(/电能)。如果能量电力大于(above)所述阈值，则在框36处将开关24的输出24a连接到运动限制系统26的输入26a，并且如果能量电力低于所述阈值，则在框36处将开关24的输出24a连接到传感器12的输入12a。
由于本发明，能量采集器与受控阻抗系统组合。因此，可以根据集成的状况监测装置的操作模式来选择提供给能量采集器的负载阻抗。

Claims (10)

1.一种状况监测装置(10)，被设计为安装在系统上，用以监测所述系统的状况，所述状况监测装置(10)包括：
状况监测传感器(12)，被配置为获取由所述系统产生的振动信号；以及
集成电源(14)，用于向所述状况监测传感器(12)提供电能；所述集成电源(14)包括具有电磁线圈(20)和永磁体(22)的能量采集器(16)，所述电磁线圈(20)和所述永磁体(22)被配置为一者相对于另一者振荡，所述集成电源(14)还包括在所述能量采集器(16)与所述状况监测传感器(12)之间的系统电源开关(24)，其特征在于，
所述系统电源开关(24)被配置为至少在第一高阻抗位置与第二低阻抗无源位置之间进行切换，在所述第一高阻抗位置，向所述传感器(12)提供所述能量采集器(16)的电能，在所述第二低阻抗无源位置，所述能量采集器(16)被短路，
所述状况监测装置包括用于限制所述能量采集器(16)的运动的系统(26)，所述系统(26)被配置为在所述系统电源开关(24)的第二低阻抗位置连接所述电磁线圈(20)的两端。
2.根据权利要求1所述的状况监测装置(10)，其特征在于，所述系统电源开关(24)具有输入(24a)和输出(24b)，所述输入(24a)连接到所述线圈(20)的第一线圈端子(20a)，所述输出(24b)能够在所述第一高阻抗位置与所述第二低阻抗位置之间运动。
3.根据权利要求2所述的状况监测装置(10)，其特征在于，所述输入(24a)永久地连接到所述线圈(20)的第一线圈端子(20a)。
4.根据权利要求2或3所述的状况监测装置(10)，其特征在于，所述运动限制系统(26)包括电缆，所述电缆具有第一端(26a)和第二端(26b)，所述第一端(26a)被配置为在所述低阻抗位置连接到所述系统电源开关(24)的输出(24b)，所述第二端(26b)连接在所述状况监测传感器(12)的输出(12b)与所述线圈(20)的第二线圈端子(20b)之间。
5.根据权利要求4所述的状况监测装置(10)，其特征在于，所述运动限制系统(26)的第二端(26b)永久地连接在所述状况监测传感器(12)的输出(12b)与所述线圈(20)的第二线圈端子(20b)之间。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的状况监测装置(10)，其特征在于，所述系统电源开关(24)被配置为在第一高阻抗位置、第二低阻抗无源位置与第三非常低阻抗位置之间进行切换，在所述第三非常低阻抗位置，所述开关(24)的输出(24b)未连接到任何元件。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的状况监测装置(10)，其特征在于，所述状况监测装置(10)还包括集成的能量存储装置(28)，所述集成的能量存储装置(28)用于在所述采集器(16)切换到低振荡模式时为所述状况监测传感器(12)供电，所述集成的能量存储装置(28)位于所述开关(24)与所述传感器(12)的输入(12a)之间。
8.根据前述权利要求中的任一项所述的状况监测装置(10)，其特征在于，所述能量采集器(16)包括壳体(18)，所述电磁线圈(20)固定到所述壳体(18)并且包括电端子(20a、20b)，所述永磁体(22)悬置在连接到所述壳体(18)的弹簧(23a、23b)之间，所述永磁体(22)被感应而相对于固定的线圈(20)振荡。
9.一种用于操作根据前述权利要求中的任一项所述的状况监测装置(10)的系统电源开关(24)的方法(30)，包括：
-检验(32)所述状况监测传感器(12)的状态；
-如果所述状况监测传感器(12)没有在获取测量，则将所述系统电源开关(24)切换到所述第一高阻抗位置；以及
-如果所述状况监测传感器(12)正在获取测量，则将所述系统电源开关(24)切换到所述第二低阻抗位置。
10.根据权利要求7和9所述的方法(30)，包括：
-将能量存储装置(28)中包含的电能与阈值进行比较；
-如果电能低于所述阈值，则将所述系统电源开关(24)切换到所述第一高阻抗位置；以及
-如果电能大于所述阈值，则将所述系统电源开关(24)切换到所述第二低阻抗位置。
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