CZ27799A3

CZ27799A3 - Jednorázový integračně poměrový senzor pro průběžné snímání stavu otěrem opotřebovávaných součástí

Info

Publication number: CZ27799A3
Application number: CZ1999277A
Authority: CZ
Inventors: Zdeněk Ing. Řezníček
Original assignee: Zdeněk Ing. Řezníček
Priority date: 1999-01-27
Filing date: 1999-01-27
Publication date: 2000-08-16
Also published as: CZ291191B6; WO2000045066A1; WO2000045066A8; DE10080247D2

Description

Oblast techniky

Vynález se týká konstrukce integračně poměrového jednorázového čidla pro průběžné snímání okamžité tloušťky nebo celkového opotřebení otěrem opotřebovávaných součástí, jehož hlavní využití je zejména pro kontinuální sledování stavu třecích segmentů zejména brzdových obložení.

Dosavadní stav techniky.

Pro nepřetržité zjišťováni stavu třecích segmentů zpravidla brzdových obložení se dosud používají jednorázové senzory obsahující jeden jedno odporový rezistor, jehož hodnota obvykle výrazně nelineárně roste s otěrem se zvětšujícím zkrácením, stejným jako je úbytek současně opotřebovávaného obložení.

Známá jednorázová čidla vykazují řadu nevýhod, k nimž zejména patří:

- výrazná nelinearita hodnoty odporu na celkovém zkrácení

- vysoká nepřesnost vyhodnocováni opotřebení segmentů

- nutné a technicky obtížně realizovatelné cejchování odporového snímače

- obtížná reprodukovatelnost a praktická nemožnost ověřování výstupní charakteristiky před vlastním použitím

- nutnost kalibrace vyhodnocovací nebo zobrazovací jednotky v sestavě s jednotlivým senzorem

- značná technologická nereprodukovatelnost výroby

- velmi obtížná vzájemná zaměnitelnost senzorů

- výrazná teplotní závislost výstupního signálu nemožnost odebírání více odlišných signálů z jednoho senzoru

Podstata vynálezu

Přihlašovaný vynález se snaží poskytnout zdokonalený jednorázový integračně poměrový senzor, který překoná nevýhody dosavadní techniky.

Podstata vynálezu spočívá v tom, že z sestává z vodivého kontaktního systému obsahujícího dva vnější kontakty a alespoň jeden vnitřní signální kontakt, které jsou uloženy na povrchu teplotně odolného elektroizolačniho substrátu. Vnější kontakty a vnitřní signální kontakt jsou překryty segmentem tvořeným souvislou plošnou odporovou vrstvou. Kontakty jsou podél osy kolmé k rovině počátku otěru opotřebovávané součásti uspořádány tak, že přírůstky dvojice vzdáleností vnitřního signálního kontaktu od vnějších kontaktů jsou různé alespoň ve dvou z množiny „k rovin rovnoběžných a současně ležících mezi rovinou počátku otěru a nosnou rovinou opotřebovávané součásti, které definují tloušťku opotřebovávané součásti.

Popsaným uspořádáním kontaktů a jejich překrytím plošnou odporovou vrstvou je vytvořen sdružený snímací rezistor se dvěma vnějšími kontakty, který je rozdělen alespoň jedním vnitřním snímacím kontaktem na závisle proměnné rezistory.

V souladu s přednostním provedením tohoto vynálezu jsou vnější kontakty spolu s vnitřním signálním kontaktem překryty současně na nejméně dva a/anebo více segmentů „n příčně dělenou plošnou odporovou vrstvou.

Celková vodivost neotřeného zbytku každého proměnného rezistoru je dána integrálním součtem přírůstků paralelně řazených elementárních rezistoru podél osy senzoru počínaje rovinou otěru až po od ní vzdálenější konec nejvzdálenějšího segmentu odporové vrstvy. Tento je zpravidla totožný s rovinou mezi držákem otírané součásti a touto součásti, nebo vzdálenější. Je-li geometrií fyzického uspořádání každého z vnitřních kontaktů zaručena podmínka rozdílnosti úbytků vodivosti mezi uvažovaným vnitřním a jednotlivě každým z obou vnějších kontaktů a to alespoň v jednom úseku podél osy senzoru uvnitř mezi rovinami ohraničujícími tloušťku opotřebovávané součásti, je zřejmé, že integrální součty vodivostí jednotlivých neotřených zbytků odporů mezi tímto vnitřním a každým z vnějších kontaktů budou nestejné a současně podél osy nestejně proměnné.

Přitom vzájemný, příp. relativní poměr obou odporů je nezávislý na základních elektrických vlastnostech funkční odporové vrstvy a je zároveň výhradně závisle proměnný na vzájemném geometrickém uspořádání vnitřního a vnějších kontaktů podél osy kolmé k rovině otěru. Po připojení zpravidla konstantního napájecího napětí mezi vnější kontakty senzoru odebíráme potom z libovolného vnitřního signál snímajícího kontaktu výstupní napěťový signál daný součinem tohoto napětí a relativního poměru obou jemu příslušných odporů. Přitom vhodným geometrickým uspořádáním vnitřního signálního kontaktu lze podél tloušťky opotřebovávané součásti nastavovat pro jednotlivé její úseky různou citlivost senzoru na okamžitou hodnotu jejího úbytku, přičemž ale okamžitá hodnota poměru odporů mezi vnitřním a vnějšími kontakty a tedy i výstupního elektrického signálu vždy charakterizuje předem definovaný od počátku otírání dosažený úbytek nebo zůstatek tloušťky součásti. To platí pro každý z případných více vnitřních kontaktů samostatně, přičemž jsou ale výstupní charakteristiky, tj. závislosti výstupního signálu' na okamžité tloušťce opotřebovávané součásti pro každý z vnitřních kontaktů různé a jejich vlastní geometrií samostatně a nezávisle definovatelné.

• · · ·

Hlavní přednosti jednorázového integračně poměrového senzoru podle vynálezu lze shrnout do následujících bodů;

výstupní signál daný vzájemným poměrem obou společně otíraných odporů mezi daným vnitřním a vnějšími kontakty, příp. poměrem jednoho z nich k celkovému odporu obou odporů je vždy nezávislý na základních elektrických vlastnostech materiálu funkčních částí rezistoru výstupní signál je závislý pouze na geometrii uspořádání funkčních částí rezistorů snímače podél osy kolmé k rovině otěru, tedy na geometrii vnitřního vůči vnějším kontaktům dále jen geometrii výstupní signál je za předpokladu stejné teploty podél senzoru teplotně nezávislý i v případě, kdy plošný odpor funkční odporové vrstvy překrývající kontakty teplotní nezávislost nevykazuj e tvar výstupní charakteristiky lze měnit pouhou změnou geometrie příslušného vnitřního kontaktu senzoru a to pro každý z případných vnitřních kontaktů téhož senzoru samostatně a nezávisle vysoká dosažitelná přesnost ovlivnitelná jen dosažitelnou přesností geometrie senzoru velmi nízká a reálně definovatelná nelinearita velmi dobrá reprodukovatelnost výroby, tedy vysoká výtěžnost výrobního procesu velmi dobrá vzájemná zaměnitelnost čidel není nutné cejchování vyhodnocovací nebo zobrazovací jednotky schopnost dosažení signálu vysoké úrovně a tím i velmi dobré odolnosti proti rušení snadné zajištění EMC kompatibility použitelnost pro odporové, napěťové i proudové poměrové měřící systémy možnost nastavení proměnné citlivosti podél osy kolmé k ose otěru, tzn. realizace čidel s potlačenou nebo posílenou citlivostí určité části charakteristiky, tedy počátku, střední části nebo konce charakteristiky apod.

možnost realizace senzoru s vícenásobným vnitřním kontaktem, tedy vícenásobným výstupním signálem s nestejným průběhem výstupní charakteristiky

- pro přesná měření snadná možnost stanovení exaktního matematického vztahu pro výstupní charakteristiku ze vztahu:

- Y(z)= U_out / U_in = R₁₂/(Ri2+ R23 ) = 1/(1+R₂₃/Ri2 ) a po úpravě:

kde:

Y(z) je normovaný signál čidla z je vlastni okamžité délkové opotřebeni (zkráceni)čidla

B maximální délka funkční části senzoru (zpravidla delší nebo shodná s výchozí tloušťkou opotřebovávané součásti.

L výchozí tloušťka opotřebovávané součástí f(x) je monotónní funkce popisující tvar středního kontaktu v intervalu 0<=x<=L, t.j. aktivní vzdálenost od zvoleného krajního kontaktu.

w je aktivní šířka funkčních rezistorů daná vzájemnou vzdáleností krajních rovnoběžných kontaktů a+b, zmenšená o šířku.vnitřního signálního kontaktu w2, v případě vícenásobného vnitřního kontaktu, neboli více signálového senzoru o celkový součet šířek všech vnitřních signálních kontaktů.

Přehled obrázků na výkresech

Předkládaný vynález bude blíže vysvětlen podle následujícího technického popisu, který je vypracován v souvislosti s připojenými výkresy, na nichž:

Obrázek 1 znázorňuje jednorázový jedno signálový senzor opotřebení s normovanou charakteristikou definovanou výhradně vzájemným geometrickým uspořádáním tří kontaktů, které jsou překryty plošnou odporovou vrstvou.

Obrázek 2 znázorňuje jednorázový senzor podle obr. 1 uložený v opotřebovávané součásti.

Obrázek 3 znázorňuje výstupní normovanou charakteristiku otěru jednorázového senzoru podle obr.l pro poměr a/b < = 1.

• 0

0

0·· • 0

Obrázek 3.1 znázorňuje výstupní normovanou charakteristiku otěru jednorázového senzoru podle obr.l pro poměr a/b > = 1.

Obrázek 4 znázorňuje jednorázový jedno signálový senzor opotřebení s normovanou charakteristikou definovanou výhradně geometrickým uspořádáním tří kontaktů, které jsou překryty dvěma segmenty plošné odporové vrstvy.

Obrázek 5 znázorňuje jednorázový jedno signálový senzor podle obr. 4 uložený v opotřebovávané součásti

Obrázek 6 znázorňuje výstupní normovanou charakteristiku otěru jednorázového jedno signálového senzoru podle obr.4.

Obrázek 7 znázorňuje jednorázový senzor opotřebení s normovanou charakteristikou definovanou výhradně geometrickým uspořádáním kontaktů, které jsou překryty třemi segmenty plošné odporové vrstvy.

Obrázek 8 znázorňuje jednorázový dvou signálový senzor opotřebení se dvěma vnitřními signálními kontakty.

Obrázek 9 znázorňuje výstupní normovanou charakteristiku otěru jednorázového dvou signálového senzoru podle obr.8.

Příklady provedení:

Jednorázový senzor 1., podle obr. 1 je vytvořen tak, že na plochém, teplotně odolném elektroizolačním substrátu 2 vhodných otěrových vlastností je například technologií tlusté vrstvy vytvořen vodivý kontaktní systém 3_ se třemi kontakty, definovanými jako první vnější kontakt 3.1, vnitřní signální kontakt 3.2 a druhý vnější kontakt 3.3. Kontakty 3.1, 3.2 a 3.3 jsou plošně překryty odporovou vrstvou tvořenou segmentem 4 a jsou uspořádány podél podélné osy 5 kolmé k rovině 6 počátku otěru tak, že vnitřní signální kontakt 3.2 se od počátku roviny 6 otěru od prvního vnějšího kontaktu 3.1 monotónně vzdaluje a současně se ke druhému vnějšímu kontaktu 3.3 monotónně přibližuje, přičemž mezi vnějšími kontakty 3.1. a 3.3. je na ploše překrytí odporovou vrstvou tvořenou segmentem 4 vytvořen rezistor rozdělený vnitřním signálním kontaktem 3.2. na dva závisle sdružené rezistory R₁₂ a R23 s proměnným poměrem odporů podél osy 5 elektroizolačního substrátu 2 .

Obr. 2 znázorňuje jednorázový senzor 1. podle obr.l ustavený v opotřebovávané součásti 10. Tělo jednorázového senzoru 1 opatřené kabelem s propojovacími vodiči 7 připájenými např. vysokoteplotní pájkou na pájecí plošky kontaktů 3.1 až 3.3 je vloženo do mosazného pouzdra 8 a fixováno v něm vhodným elektroizolačním tmelem s vhodnými otěrovými vlastnostmi.

Mosazné pouzdro 8 se ustaví do držáku 11 opotřebovávané součásti tak, aby byly sesouhlaseny výchozí a koncové body funkční části senzoru 1 s rovinami určujícími šířku * · ·· 9 99 • · · · · · · • 9 9 · · · • · · 9 9 9 9

9 9 9 9 9

9 9 9 9 9 9

- 6 opotřebovávané součásti 10, tj. s rovinou 6 počátku otěru a s nosnou rovinnou 9 styku opotřebovávané součásti 10 s jejím nosičem - držákem 11, na který se fixuje například závitem.

Výstupní normovaná charakteristika otěru jednorázového senzoru 1 podle obr. 1 pro poměr a/b < = 1 je znázorněna na obr. 3.

Charakteristika znázorňuje závislost poměru Y(z) výstupního U_outk napájecímu Ui_n napětí a také relativního poměru odporů R_1? a R₂₃ na poměrném zkrácení jednorázového senzoru 1. a opotřebovávané součásti 10 .

Výstupní normovaná charakteristika otěru jednorázového senzoru 1 podle obr. 1 , pro poměr a/b > = 1 je znázorněna na obr. 3.1, což prakticky znamená totéž jako přepólování napájecího napětí. Charakteristika tak jako v předchozím případě znázorňuje závislost poměru Y(z) výstupního U_out k napájecímu U_in napětí na poměrném zkráceni jednorázového senzoru 1 a opotřebovávané součásti 10 při opačné polaritě napájení.

Na obr. 4 je znázorněno jedno z výhodných provedení vynálezu, u kterého se předpokládá, že kontakty 3.1, 3.2 a 3 .3 jsou překryty společně na dva segmenty 4.1 a 4.2 dělenou plošnou odporovou vrstvou, kde segment 4.2 je umístěn mimo opotřebovávanou část senzoru 1. Uspořádání senzoru 1 tohoto provedení v tělese opotřebovávané součásti 10 je znázorněno na obr. 5.

Výstupní normovaná charakteristika otěru jednorázového senzoru 1 podle obr. 4 je znázorněna na obr. 6 pro všechny poměry a/b. Charakteristika tak jako v předchozích případech znázorňuje závislost výstupního U_out k napájecímu U_in napětí na opotřebení opotřebovávané součásti 10 . Přidáním segmentu 4.2 překrývajícího kontakty ΚΙ, K2 a K3 mimo opotřebovávanou část jednorázového senzoru 1 vyvolá skokovou změnu výstupního signálu v blízkosti konce opotřebení, čehož lze s výhodou využít k jednoznačné signalizaci kritického zbytku opotřebovávané součásti 10.

Na obr. 7 je znázorněno další z možných provedení vynálezu, u kterého se předpokládá, že kontakty 3.1, 3.2 a 3 .3 jsou překryty společně na tři segmenty 4.1 a 4.2.1 a 4.2.2 dělenou plošnou odporovou vrstvou, kde segmenty 4.2.1 a 4.2.2 jsou umístěny mimo opotřebovávanou část jednorázového senzoru 3^. Výstupní charakteristika jednorázového senzoru 1 opotřebení bude obdobná charakteristice uvedené na obr. 6 s tím, že konstantní úroveň výstupního signálu v koncové části charakteristiky bude dána výhradně geometrickým uspořádáním segmentů 4.2.1 a 4.2.2.

Na obr. 8 je znázorněno jedno z výhodných provedení vynálezu , u kterého se předpokládá rozdělení funkčního rezistoru dvěma »« ···· ·· · ·* 99 • « · ·«·· ···· • * ··· · « · · • β 9 9 9 9 9 9 9 9 9 « · 9 β · ···· •··9 · 99 ··· ·· ·· vnitřními kontakty 3.2.1. a 3.2.2. na celkem tři závisle sdružené rezistory R121, R2122 a R223. V tomto případě bude výstupní relativní děliči poměr pro kontakt 3.2.1. dán jako R₂i₃/ (R121+R213) , kde R₂i₃ =

R2122 + R223 a obdobně pro kontakt 3.2.2. bude R₂₃/ (R122+R223) , kde R₁₂₂ = R121 + R2122.

Výstupní charakteristiky uspořádání jednorázového senzoru 1 pak budou mít tvar znázorněný na obr. 9. Je zřejmé, že na každém z obou vnitřních kontaktů se očekává zcela odlišný průběh výstupní charakteristiky, avšak ze kterékoliv z nich lze jednoznačně určit monitorovaný okamžitý zůstatek tloušťky opotřebovávané součásti.

Průmyslová využitelnost

Jednorázový integračně poměrový senzor podle vynálezu lze použít všude tam, kde je vhodné kontinuálně sledovat stav otíraných součástí mechanismů po celou dobu jejich technického života, zejména tam, kde je třeba na základě měřením zjištěného skutečného stavu opotřebení předvídat zbytek doby života, případně zajistit signalizaci kritického zbytku či přímo vyvolat určité regulační opatření.

V automobilovém průmyslu se nabízí využití ke spojité provozní kontrole stavu brzdových a jiných obložení.

V průmyslu potom všude tam, kde je obdobných třecích mechanismů využito k přenosu kroutícího momentu z hnacích na hnaná soustrojí apod.

Využití se také nabízí ve zkušebnách materiálů, kde odpadne potřeba přerušování otěrových zkoušek ke zjištění skutečné tloušťky otíraného vzorku fyzickým měřením a navíc se přímo získá spojitá závislost bez nutnosti aproximace původně nespojitých výsledků měření.

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1) Jednorázový integračně poměrový senzor pro průběžné snímání stavu otěrem potřebovávaných součástí, vyznačující se tím, že sestává z vodivého kontaktního systému (3) obsahujícího dva vnější kontakty (3.1)a (3.3) a alespoň jeden vnitřní signální kontakt (3.2), které jsou uloženy na povrchu teplotně odolného elektroizolačního substrátu (2), kde vnější kontakty (3.1) a (3.3) a vnitřní signální kontakt (3.2) jsou překryty segmentem (4) tvořeným souvislou plošnou odporovou vrstvou, přičemž kontakty (3.1),(3.2) a (3.3) jsou podél osy (5) kolmé k rovině (6) počátku otěru uspořádány tak, že přírůstky (Pi,₂)a (P2,3) dvojice vzdáleností (V_lř2) a (V₂,₃) vnitřního signálního kontaktu (3.2) od vnějších kontaktů (3.1) a (3.3) jsou různé alespoň ve dvou z množiny rovin (12.k) rovnoběžných a současně ležících mezi rovinou (6) počátku otěru a nosnou rovinou (9), které definují tlouščku opotřebovávané součásti (10), kde k=reálné číslo.

2. Jednorázový integračně poměrový senzor podle nároku 1 vyznačující se t í m, že vnější kontakty (3.1) a (3.3) jsou spolu s vnitřním signálním kontaktem (3.2) překryty současně na nejméně dva a/anebo více segmentů (4.1),(4.2) až (4.n) příčně dělenou plošnou odporovou vrstvou, kde n = počet segmentů.