DE10138261A1

DE10138261A1 - Sensorvorrichtung zur Überwachung der für eine kraftschlüssige Verbindung zwischen Werkstücken vorzusehenden entscheidenden Kraft

Info

Publication number: DE10138261A1
Application number: DE2001138261
Authority: DE
Inventors: Max Guntersdorfer; Hans Meixner; Matthias Stein
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2001-08-03
Filing date: 2001-08-03
Publication date: 2003-02-27

Abstract

Es ist ein Sensorelement (10, 20) vorgesehen, das in den Kraftschluss (6) einer kraftschlüssigen Verbindungen mehrerer Werkstücke (3, 4) eingefügt ist. Dieses Sensorelement gibt eine von der Größe des herrschenden Kraftflusses (6) abhängiges Signal ab, das der Überwachung der Einhaltung des Sollwertes der für diese Verbindung entscheidenden Kraft (6) dient. Es ist Fernabfrage (250) auf vorzugsweise dem Funkweg vorgesehen.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Sensorvorrichtung der für eine kraftschlüssige Verbindung zwischen Werkstücken vorzusehenden entscheidenden Kraft. Die Sensorvorrichtung zeigt an, ob bzw. dass diese kraftschlüssige Verbindung nach wie vor den vorgegebenen Anforderungen entspricht oder diese nur noch vermindert oder gar nicht mehr erfüllt. Beispiele für derartige kraftschlüssige Verbindungen zwischen Werkstücken sind Schraub- und Nietverbindungen. Solche Verbindungen werden im Maschinenbau, Fahrzeugbau, Eisenbahnbau, Gleisbau sowie auch in der Elektrotechnik, z. B. in der Energieversorgung auch für Kabelanschlüsse und Stromschienen häufig verwendet. Schraubverbindungen werden insbesondere dort genutzt, wo eine wenig aufwendige Wiederlösbarkeit der vorgesehenen kraftschlüssigen Verbindung gewünscht oder erforderlich ist. Unbeabsichtigtes, selbständiges Lösen einer kraftschlüssigen Verbindung ist aber ohne zusätzliche Vorkehrungen dagegen niemals auszuschließen. Dies gilt insbesondere in den Fällen, wo auf die kraftschlüssige Verbindung Erschütterungen, Schwingungen, Rüttelbelastungen und/oder zeitliche Temperaturänderungen und -schwankungen einwirken. Ein Lösen der Verbindung kann auch dann eintreten, wenn das Material wenigstens eines der mittels der Kraft kraftschlüssig verbundenen Werkstücke eine nur mäßig hohe Zähigkeit bzw. Elastizität aufweist oder hohe Temperaturempfindlichkeit desselben vorliegt, wie z. B. bei reinem Kupfer elektrischer Leiter bzw. bei Aluminium je nach Legierung. Kraftbedingte oder materialbedingte Nachgiebigkeit des zu verbindenden Materials und/oder des Materials des Verbindungselementes (Schraube, Niet und dgl.) sind stets zu berücksichtigen.

In der Praxis hat man sich in verschiedener Weise gegenüber vorstehenden Problemen geholfen. Weit verbreitet ist die Anwendung von Schraubsicherungen durch sogenannte Sicherungsringe verschiedenster Art, mittels Sicherungsstifte oder - draht, Sicherungsmuttern, wie Springstopmuttern und dgl. Gegebenenfalls werden auch federnde Beilagen verwendet. Auch werden Farbmarkierungen im Zusammenhang mit auszuführender regelmäßiger Sichtkontrolle verwendet. Schließlich sei auch die lohnintensive, laufende manuelle Kontrolle z. B. mittels Drehmomentschlüssel erwähnt. Die beiden letztgenannten Überwachungsmethoden sind bisweilen aber auch nur beschränkt anwendbar, nämlich nur dort wo weiterhin Zugänglichkeit der zu kontrollierenden Verbindung besteht.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine technische Maßnahme zu finden, mit der ein unbeabsichtigtes, selbständiges Lösen einer, insbesondere sicherheitsrelevanten, kraftschlüssigen Verbindung zwischen Werkstücken mit geringerem, insbesondere personellem Aufwand und/oder mit höherer Sicherheit, insbesondere mit Ausschluß menschlichen Fehlverhaltens, zu überwachen ist. Damit verbunden ist auch die Aufgabenstellung, höhere Sicherheit einer jeweiligen technischen Anlage mit wie oben angegebenen Verbindungen zu gewährleisten.

Diese Aufgabe wird mit den Maßnahmen des Patentanspruches 1 gelöst und die Unteransprüche geben weitere Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung an.

Das grundsätzliche Prinzip der vorliegenden Erfindung ist, eine ständige oder wenigstens intermittierende bzw. zu vorgebbaren Zeitpunkten erfolgende elektronische Überwachung der an sich vorgesehenen, tatsächlich aber herrschenden Kraft einer jeweiligen kraftschlüssigen Verbindung zwischen zwei Werkstücken zu realisieren. In den Kraftfluß der für die betreffende Verbindung, z. B. eine Schraubverbindung, entscheidenden Kraft ist erfindungsgemäß ein drucksensitives Sensorelement eingefügt, dessen Druck-Sensitivität als ein abfragbares elektrisches Signal zu erfassen ist. Eine besonders bevorzugte Ausführungsart ist ein Sensorelement, dessen Sensitivität in einer Änderung der elektrischen Kapazität des Aufbaues des Sensorelements besteht, das für die Erfindung nach Art eines elektrischen Kondensators aufgebaut ist. In den Kraftfluss der jeweiligen Verbindung ist ein solches Sensorelement nach Art einer Beilagscheibe unterhalb der Schraubenmutter oder unterhalb des Schraubenkopfes als jeweiliges Ausführungsbeispiel anzuordnen.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines solchen Sensorelementes ist das, bei dem eine einzelne Tellerfeder verwendet ist oder auch zwei Tellerfedern, diese mit ihrer konkaven Seite einander einen Hohlraum bildend gegenüberliegend, vorgesehen sind. Durch die Kraft der Verbindung wird diese eine Tellerfeder oder werden diese beiden Tellerfedern weitgehend flachgepresst, so dass der Abstand des konkaven Anteils der einen Tellerfeder gegenüber dem gegenüberliegenden Material bzw. der gegenüberliegenden Tellerfeder mehr oder weniger minimiert ist. Bei zwei Tellerfedern gilt dies entsprechend für die jeweiligen konkaven Anteile des Tellerfeder-Paares. Ein solches Element eignet sich zur Abfrage eines kapazitiven Signals.

Ein induktives Abfragesignal erhält man, wenn man als Sensorelement z. B. eine Schraubenfeder als Beilage verwendet. Schraubenfedern als Beilage zur Ausübung einer elastischen Kraft im Zusammenhang mit einer Schraubverbindung sind bereits aus dem Eisenbahn-Gleisbau bekannt. Bei zusammengepresstem Zustand der Schraubfeder liegt elektrisch gesehen noch keine Windung vor. Dehnt sich jedoch infolge Nachlassens der Kraft diese Schraubfeder und liegen die einzelnen Federwindungen nicht mehr elektrisch kontaktierend an- bzw. aufeinander, so stellt diese Schraubfeder eine elektrische Spule (Solenoid) mit mehreren Windungen und entsprechend vielfacher Induktivität dar. In diesem Falle ist ein entsprechend verändertes induktives elektrisches Signal zu erfassen.

Zur Messung von Kapazitäten oder Induktivitäten ist es nicht unüblich, eine Kapazität mit einer Induktivität bzw. eine Induktivität mit einer Kapazität zu jeweils einem Schwingkreis zu ergänzen und die jeweilige Schwingkreis-Eigenfrequenz zu messen. Das hat einen besonderen Vorteil, weil Frequenzwerte physikalisch mit außerordentlich hoher Auflösung gemessen werden können. Das heißt, dass bereits geringste Frequenzänderungen eines solchen Schwingkreises erfasst werden können, die auf bereits sehr geringen, am Sensorelement auftretenden Änderungen des jeweiligen Kapazitätswertes und/oder Induktionswertes desselben beruhen.

Man kann eine solche Kapazitäts- oder Induktivitäts-Änderung im bzw. am Sensorelement über eine Kabelverbindung zwischen diesem und einem Abfrage-/Auswerte-Gerät erfassen. Insbesondere die Anwendung des Prinzips eines Schwingkreises bietet aber auch die Möglichkeit, diese Erfassung auf elektromagnetische Weise, d. h. auf sogenanntem Funkweg vorzunehmen. Von dem Abfragegerät wird der Schwingkreis mittels elektromagnetischer Induktion zur Schwingung, nämlich auf seiner Eigenfrequenz, angeregt und es wird von dem Abfragegerät das frequenzselektive Antwortsignal dieses Schwingkreises über eine mit diesem Schwingkreis verbundene Antenne zur Auswertung empfangen. Damit ist eine drahtlose Fernabfrage ausführbar. Diese Funkübertragung ist insbesondere auch dann von besonderem Vorteil, wenn einerseits die Anordnung mit der kraftschlüssigen Verbindung und damit das Sensorelement der Sensorvorrichtung und andererseits das Auswertegerät sich im Verhältnis zueinander bewegen. Dies ist z. B. dann der Fall, wenn - z. B. bei Eisenbahnschienen deren Befestigungsschrauben an den Schwellen oder Schraubverbindungen im Netz von Fahrdrahtaufhängen - mit einem Auswertegerät von einem fahrenden Fahrzeug aus kontrolliert werden soll. Umgekehrt kann diese Kontrolle auch stationär ausgeführt werden bei solchen mit erfindungsgemäßem Sensorelement ausgerüsteten, zu überwachenden Verbindungen, die an einem an der Kontrollstelle vorbei bewegten Objekt vorhanden sind. Zum Beispiel können auf diese Weise hier relevante kraftschlüssige Verbindungen kontrolliert werden, die z. B. besonders sicherheitsrelevant sind und beispielsweise an einem Eisenbahnzug, z. B. an Drehgestellen, vorhanden sind.

Es sei darauf hingewiesen, dass für die vorliegende Erfindung in und/oder am Sensorelement elektrische Isolationen, z. B. in Form von Isolatorscheiben und dgl. vorzusehen und zu verwenden sind. Für diese Isolatorelemente ist entsprechend mechanisch widerstandsfähiges und zeitlich und wetter-beständiges Material, wie z. B. Keramik, faserverstärkter Kunststoff und dgl. zu verwenden.

Weitere Einzelheiten zur Erfindung und zu oben bereits erwähnten bevorzugten Ausführungsformen seien noch anhand der Beschreibung von in den beigefügten, diese auch weiteren Offenbarungsgehalt enthaltenden Figuren dargestellten Beispielen gegeben.
Fig. 1 zeigt ganz allgemein ein Beispiel einer kraftschlüssigen Verbindung zwischen zwei Werkstücken zusammen mit einem erfindungsgemäßen Sensorelement als Beilage.
Fig. 2 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäß verwendeten und ausgestalteten kapazitiven Sensorelements.
Fig. 3 zeigt das Beispiel einer kraftschlüssigen Schraubverbindung mit einer erfindungsgemäß als Sensorelement verwendeten Schraubenfeder.
Fig. 4 zeigt ein lediglich prinzipielles Beispiel mit einem Niet anstelle einer Schraube wie bei den Fig. 1 bis 3.
Fig. 5 zeigt ein Prinzipbild zur Abfrage des elektrischen Signals des Sensorelements einer jeweiligen Fig. 1 bis 3.
Fig. 1 zeigt die Abschnitte zweier Platten als Werkstücke 3 und 4, die mittels einer Schraube 1 mit Schraubenkopf 2 und einer Mutter 5 miteinander kraftschlüssig verbunden sind. Lediglich der Vollständigkeit halber sei darauf hingewiesen, dass zusätzlich auch eine formschlüssige Verbindung zwischen den Bohrungen der Platten und dem Schaft der Schraube vorliegen kann. Mit 10 ist, lediglich prinzipiell dargestellt, in Fig. 1 ein vorgesehenes Sensorelement der Erfindung bezeichnet. Es befindet sich hier unterhalb der Mutter 5 im Kraftfluss der Kraft, die mit dem Doppelpfeil 6 angedeutet ist. Alternativ kann dieses Sensorelement 10 hier auch zwischen dem Schraubenkopf 2 und der Platte 4 positioniert sein.
Die Fig. 2 zeigt ein zur Erfindung zu verwendendes bzw. erfindungsgemäßes Beispiel eines Sensorelementes 10 mit wie oben beschrieben kapazitiver Eigenschaft und nach Art eines Kondensator. Mit 11 und 12 sind hier zwei als Tellerfedern zu beschreibende und weiterhin so genannte, jeweils vorzugsweise konkav ausgebildete scheibenförmige Elemente bezeichnet. Sie sind mit ihren konkaven Seiten einander gegenüberliegend wie dargestellt aneinanderliegend, so dass sich zumindest im nicht gespannten Zustand der Verbindung zwischen den Scheiben 11 und 12 ein Hohlraum befindet. Mit 15 und 16 sind elektrisch isolierende Teile bezeichnet, deren Form aus der zeichnerischen Darstellung hervorgeht. Sie dienen der elektrischen Isolation der Scheiben 11 und 12 als wirksame Kondensatorplatten gegeneinander und der Scheibe 11 einerseits und/oder der Scheibe 12 andererseits gegenüber den übrigen Elementen 1 bis 5 der Fig. 1 der Schraubverbindung. Sie dienen ggf. auch der Zentrierung der Teile des Sensorelements.
Bei einer solchen Ausführung können die Tellerfedern auch dazu dienen, eine entsprechende mechanische Spannung in die Verbindung einzubringen.
Bei mechanischem Anzug der Schraubverbindung nach Fig. 1 ist im Regelfall der Zwischenraum 13, d. h. der Abstand d, durch die Kraft 6 (Fig. 1) bewirkt, auf einen, z. B. durch vorgesehene elektrische Isolatorelemente, bedingten Minimalwert verringert. Es kann dies ggf. bevorzugt sogar der Abstand d = 0 sein.
Mit 17 und 18 sind in Fig. 2 elektrische Verbindungen, z. B. Drahtverbindungen, bezeichnet, die ein jeweiliges Ende einer mit 19 bezeichneten elektrischen Spule anschließen. Diese Spule 19 ist hier als Beispiel als Flachspule auf dem Isolatorteil 16 aufgebracht. Sie befindet sich somit auch in nächster Nähe der Kapazität der Tellerfedern 11 und 12. Diese Kapazität C ist gestrichelt mit dem bildlichen Symbol eines Kondensators in Fig. 2 dargestellt. Kondensatorkapazität C und Spuleninduktivität bilden einen Schwingkreis, der das elektrische Signal des Sensorelementes 10 liefert. Da die Kapazität von dem in der Figur dargestellten Maß d abhängig ist, führt jegliche Änderung des aktuellen Maßes d zu einer Frequenzänderung des Antwortsignal des Schwingkreises. Ein Maximum der Änderung des Antwortsignals tritt dann auf, wenn sich die Größe d vom Minimalwert oder sogar von Null auf einen größeren endlichen Wert verändert. Dies ist z. B. der Fall, wenn die ganzflächig fest zusammen gepresste Scheibenanordnung 12, 11 des Sensorelementes 10 (d = 0, C ≠ 0) sich in einen auch nur ganz geringfügigen Spalt (d > 0 mit C = 0) ändert. Ein entsprechender Effekt wird erzielt, wenn durch z. B. konstruktive Maßnahme die Kapazität im Zustand der Wirkung der vorgegebenen Kraft, d. h. im Sollzustand der Verbindung, durch einen z. B. speziell vorgesehenen elektrischen Kontakt der Kondensatorplatten (11 und 12) miteinander elektrisch kurzgeschlossen ist. Ein solches Sensorelement mit Kurzschlusskontakt bei Sollzustand der kraftschlüssigen Verbindung gibt erst dann ein Antwortsignal ab, wenn sich diese Verbindung gelöst hat. Dieses Signal ist dann aber besonders deutlich erkennbar bzw. unverwechselbar.
Am Beispiel der Fig. 2 ist auch ein solcher elektrischer Kontakt gezeigt. Der z. B. ringförmig ausgestaltete Vorsprung 111 liegt im (in dieser Fig. 2 nicht dargestellten) gespannten Sollzustand der kraftschlüssigen Verbindung an der ihm gegenüberliegenden Tellerfeder 12 an. Zum Beispiel kann dazu auf der dem Vorsprung 111 gegenüberliegenden Seite der Tellerfeder 12 ebenfalls ein solcher wie dargestellter Vorsprung 112 vorgesehen sein. Der eine oder diese beiden Vorsprünge 111, 112 sind konstruktiv so bemessen und ausgeführt, dass sie der für die kraftschlüssige Verbindung maximale vorgesehene Kraft im gespannten Sollzustand widerstehen können.
Einen elektrischen Kurzschluss im gespannten Zustand der Verbindung vorzusehen, kann vorteilhaft genutzt werden. Durch Bemessung und konstruktive Zuordnung der Tellerfedern 11, 12, eingeschlossen vorgesehene Vorsprünge 111, 112, kann mit diesen eine Kondensatorkapazität C mit wahlweise vorgebbarer Größe realisiert werden. Diese festlegbare Kapazitätsgröße ist dann ab dem Augenblick des Öffnens des Kurzschlusskontaktes als Schwingkreiskapazität, zusammen mit der zugeschalteten Induktivität, elektrisch wirksam. Es ist so relativ exakt die Schwingkreis-Resonanzfrequenz festlegbar, mit der der Schwingkreis in dem Zustand der Verbindung auf Abfrage antwortet, in dem sich die kraftschlüssige Verbindung, nämlich im Augenblick der Unterbrechung des Kurzschlusskontakts, zu lösen begonnen hat. Von Vorteil ist eine solche Ausführung, wenn eine vorgebbare Resonanzfrequenz möglichst genau für die vorgesehene Abfrage eingehalten werden soll.
Das Sensorelement der Fig. 2 ist in der Lage, mit erheblich großem, d. h. leicht zu detektierendem, Signal auf schon nur geringes Lösen der Schraubverbindung zu antworten.
Mit 50 ist eine dem Schwingkreis mit der Kapazität C und der Induktivität L der Spule 19 hinzugefügte, symbolhaft dargestellte Antenne bezeichnet. Es kann auch die Spule 19 als wirksame Antenne vorgesehen bzw. verwendet sein.
Der Vollständigkeit halber sei darauf hingewiesen, dass das Sensorelement der Fig. 2, d. h. der Schwingkreis aus Spule und Kondensator, auch einpolig mit Masse, d. h. mit z. B. den Werkstücken 3, 4 verbunden sein kann. In diesem Fall können einzelne Isolatorteile entfallen.
Fig. 3 zeigt vergleichsweise der Fig. 2 eine Ausführungsform mit einer in dieser Darstellung bis auf das Minimum zusammengedrückten Schraubenfeder 120 mit an sich mehreren Windungen. Schon zur Fig. 1 verwendete Bezugszeichen gelten auch für die Fig. 3. Mit 21 ist ein in Fig. 3 dargestellter elektrischer Kondensator bezeichnet, der mit den jeweiligen Enden der Schraubenfeder 120 elektrisch verbunden ist. Mit 25 ist eine elektrisch isolierende Scheibe bezeichnet, die das eine, hier in der Figur obere Ende der Schraubenfeder 120 gegenüber den Masseteilen elektrisch isoliert. Im zusammengedrückten Zustand sind die Windungen der Schraubenfeder 120 zusammengepresst, so dass diese als ein lediglich ringförmiger Körper elektrisch wie ein praktisch induktionsfreier Leiter wirksam ist. Bei schon nur geringem Lösen der Schraubverbindung entspannt sich die Schraubenfeder 20 soweit, dass die einzelnen Federwindungen einzelne Spulenwindungen werden. Damit tritt dann eine merkbare Induktivität der nun eine Spule bildenden Schraubenfeder 120 auf. Zusammen mit dem Kondensator 21 ergibt dies einen Schwingkreis mit einer von dieser Induktivität mitbestimmten Eigenfrequenz. Weitgehend entspricht dieser Fall demjenigen, der oben im Zusammenhang mit einem Kurzschlusskontakt im kapazitiven Sensorelement (Fig. 2) beschrieben ist. Zumindest meistens wird der aus den Spulenwindungen der Feder 120 und dem Kondensator 21 gebildete Schwingkreis erst in dem Augenblick zum Anschwingen gebracht werden können bzw. ein Antwortsignal zu erhalten sein, wenn die einzelnen Windungen der Feder 120 einzelne Spulenwindungen geworden sind, d. h. ein Lösen der kraftschlüssigen Verbindung eingetreten ist. Eine solche Ausführungsform nach Fig. 3 weist daher hohe Sensitivität hinsichtlich eines Nachlassens der Kraft der zuvor fest angezogenen Schraube auf.
Fig. 4 zeigt vergleichsweise zur Fig. 1 eine Ausführungsform mit einem Niet N mit einem Sensorelement 10/20. Dieses Sensorelement kann eines nach Art der Fig. 2 oder der Fig. 3 sein.
Fig. 5 zeigt ein elektrisches Ersatzschaltbild der imaginären Widerstände zu einer Ausführungsform der Erfindung nach Fig. 2, nämlich mit einem kapazitiven Sensorelement mit von der Kraft abhängigem Kapazitätswert. Mit C ist die vorliegende elektrische Kapazität bezeichnet. Die Schleife 19' ist die Induktivität der Spule 19 der Fig. 2. Die Antenne 50 dient der Funkübertragung für Fernabfrage des Signals des Sensorelementes 10 bzw. 20 nach Fig. 3. Mit 150 ist ein Abfragegerät der Sensorvorrichtung bezeichnet. Der Doppelpfeil 250 weist auf signalübertragende Verbindung zwischen Sensor- Element und Abfragegerät hin.
Der Schwingkreis, bestehend aus z. B. der Kapazität der Tellerfederanordnung 11, 12 und der Spule 19, jeweils in Fig. 2, kann gemäß einer bevorzugten Betriebsweise der Erfindung in kurzen Zeitabständen durch eine Sende-/Empfangs-Einheit 150 extern elektromagnetisch (per Funk) induktiv mit einem vorzugsweise breitbandigen Frequenzensignal angeregt werden. Das Sensorelement antwortet mit einer selektiven Schwingungsantwort. Es kann von Vorteil sein, die Spule 19 der Fig. 2 als Ferrit-Antenne auszubilden, um damit besonders große Reichweite zu erzielen. An der Frequenz dieser Schwingungsantwort läßt sich erkennen, ob sich die Form der durch Druck verformten der Tellerfedern 11, 12 geändert hat, d. h. die Schraubenverbindung gemäß Fig. 1 sich zu lösen beginnt. Es ist im Zusammenhang mit der Fig. 3 gezeigt, dass auch ein induktives Sensorelement vorgesehen sein kann, nämlich gemäß Fig. 3 mit einer Schraubenfeder als sensitiver Beilage der Schraubverbindung.
Die Anregung eines vorgesehenen Schwingkreises eines Sensorelements und das Aufnehmen und Auswerten der Schwingungsantwort dieses Schwingkreises erfolgt mit einem Standard-Sende- bzw. Empfangs-Gerät. Mit der Erfindung können gleichzeitig viele erfindungsgemäße Sensorvorrichtungen, d. h. Schwingkreise derselben, und somit eine entsprechende Vielzahl verschiedener kraftschlüssiger Verbindungen gleichzeitig überwacht werden.
Gemäß einer Variante wird breitbandig die Vielzahl vorhandener Schwingkreise auf jeweils ihrer Eigenfrequenz angeregt. Die Schwingkreise haben voneinander verschiedene Eigenfrequenzen, wobei diese Eigenfrequenzen für diese Variante so weit voneinander verschieden bemessen sind, dass durch Lösen einer Verbindung gewollt bedingte Änderung der Frequenz eines Schwingkreises nicht in den Änderungsbereich eines Schwingkreises mit benachbarter Eigenfrequenz fällt. Dies würde nämlich die einwandfreie Identifizierung desjenigen Schwingkreises, d. h. derjenigen Verbindung, erschweren, die aufgabengemäß aufzufinden ist.
Eine jede zu erhaltende Schwingungsantwort wird auf darin enthaltene Antwortfrequenzen hin analysiert. Eine in der Antwort enthaltene Frequenz weist auf eine bestimmte kraftschlüssige Verbindung mit erfindungsgemäßem Sensorelement hin. Eine von ihrem Sollwert abweichende Antwortfrequenz läßt erkennen, welche zugeordnete Verbindung sich zu lösen beginnt. Das Ausbleiben einer abweichenden Antwortfrequenz weist darauf hin, dass sämtliche überprüfte Verbindungen nach wie vor intakte Verbindungen sind. Zum Beispiel kann so verfahren werden, alle Soll-Eigenfrequenzen des Antwortsignals mittels eines Filters wegzuselektieren, so dass nur noch die Signalantwort derjenigen Verbindung gemeldet wird, die aufgabengemäß als fehlerhafte kraftschlüssige Verbindung zu detektieren ist.
Eine zweite Variante der Auswertung besteht darin, für alle Verbindungen bzw. deren Schwingkreise in etwa ein und dieselbe Eigenfrequenz vorzusehen. Ergibt sich auf breitbandige Anregung der Schwingkreise hin ein Antwortsignal einer nicht mehr einwandfreien Verbindung, d. h. ein Antwortsignal mit abweichender Antwortsignalfrequenz, weist dieses auf diese fehlerhafte Verbindung hin. Auch bei dieser Variante können, wie voranstehend schon erwähnt, die Eigenfrequenzen der Schwingkreise der Sensorelemente einwandfreier Verbindungen aus dem Antwortsignal mittels eines Filters wegselektiert werden. Nur bei Vorliegen einer fehlerhaften Verbindung ergibt sich auch bei dieser Variante dann ein Antwortsignal. Diese Variante ist insbesondere dann vorteilhaft anwendbar, wenn die einzelnen zu überwachenden kraftschlüssigen Verbindungen örtlich verschieden positioniert sind. Durch Entlangfahren mit dem Abfrage- bzw. Empfangsgerät entlang der Anordnung der einzelnen zu kontrollierenden Verbindungen kann das Auffinden der fehlerhaften Verbindung erreicht werden. Ein solches Anwendungsbeispiel wäre z. B. das Auffinden einzelner gelockerter Befestigungen eines Schienenstranges auf den Schwellen.
Diese zweite Variante ist auch bei Anordnungen bzw. technischen Anlagen mit örtlich weniger weit voneinander entfernten, d. h. mit einer solchen Abfrage nicht mehr separierbaren Positionen der kraftschlüssigen Verbindungen sinnvoll anwendbar. Dies z. B. dann, wenn die hier relevanten kraftschlüssigen Verbindungen sich in einem Gestell bzw. Schrank der Anordnung bzw. Anlage befinden und ohnehin alle diese vorhandenen kraftschlüssigen Verbindungen allein bereits auf nur ein einziges Fehlersignal hin dann mittels mechanischen Eingriffs zu prüfen und instandzusetzen sind. Dieses Vorgehen ist z. B. dort relevant, wo eine solche gesamte Anordnung oder Anlage aus Gründen der Arbeitssicherheit ohnehin außer Betrieb zu setzen, insbesondere elektrisch spannungsfrei zu schalten ist, um auch nur eine einzige darin enthaltene derartige Verbindung, die als fehlerhaft gemeldet worden ist, instandsetzen zu können.
Die Vorteile der Erfindung sind, dass die Kontrolle einer jeweiligen Verbindung oder einer Vielzahl von Verbindungen kraftschlüssiger Art in kürzesten zeitlichen Abständen ausgeführt werden kann. Es ist Fernabfragung möglich, insbesondere ist dies in solchen Fällen von Bedeutung, in denen eine jeweilige kraftschlüssige Verbindung unter elektrischer Spannung steht, d. h. manuell ohne Abschalten der elektrischen Spannung überhaupt nicht überprüft werden könnte. In einem entsprechenden Umgebungsbereich kann eine Vielzahl einzelner Verbindungen mit ein und derselben Sende-/Empfangs-Einheit überwacht werden. Dies kann mit nur wenig Personaleinsatz erfolgen, wobei das Personal nicht einmal vor Ort zu sein braucht. Mit der Erfindung können auch schleichende Prozesse, z. B. das Setzen von Schrauben, detektiert werden. Es werden bereits noch nicht vollständig gelöste Verbindungen detektierbar.
Ein spezielles Anwendungsgebiet ist die Überwachung von elektrischen Starkstrom-Kabelanschlüssen und -Schienen mit Kupferleitern. Durch z. B. starke Stromerhitzung der Leiter kann der Fall eintreten, dass der gewollte elektrische Stromkontakt vermindert wird, weil das Kupfer des Leiters infolge Stromerwärmung dem Anpressdruck der wirkenden Kraft nachgegeben hat. Eine verschlechterte Kontaktverbindung führt aber zu steigender Stromerhitzung und progressivem Ablauf des voranstehend dargelegten Effekts.
Unter anderem ergeben sich besondere Anwendungsbeispiele zur Überwachung von Schraubverbindungen bei elektromechanischen Betriebsmitteln von Stromversorgungsanlagen, z. B. bei weniger gut zugänglichen Mastschaltern von elektrischen Bahnen, bei Betriebsstrom führenden Verbindungen von Stromversorgungsanlagen, bei sicherheitskritischen Baugruppen, wie z. B. Zugdrehgestellen, Fahrzeugfahrwerken und dgl. und bei entsprechenden sicherheitsrelevanten technischen Anlagen.
Die Abfrageeinrichtung 150, die auch die zur Abfrage erforderliche Anregung des Schwingkreises ausführt, kann so ausgeführt sein, dass sie sequentielle Abfrage der einzelnen Sensorelemente 10, 20 der Gesamtheit vorgesehener Sensorvorrichtungen abfragt. Sie kann auch für simultane Abfrage ausgeführt sein. Im Regelfall ist dies dann eine breitbandige Abfrage, für die eine entsprechend breitbandige Anregung der hierzu verwendeten frequenzselektiven Sensorelemente vorgesehen ist. Es kann auch vorgesehen sein, dass die einzelnen Sensorelemente ein Abfragesignal mit darin enthaltener Codierung des betreffenden Sensorelements abgeben. Dazu enthält dann die Abfrageeinrichtung 150 zusätzlich eine Leseeinrichtung zum Erkennen der Codierungen der einzelnen vorhandenen, vorgesehenen Sensorelemente und deren jeweiliges Antwortsignal.
Als Sensorelement für die vorliegende Erfindung kann auch ein Oberflächenwellen-(SAW-)Bauelement vorgesehen sein. Ein solches Bauelement kann als druckempfindliches SAW-Bauelement ausgeführt sein. Ein solches Bauelement hat auf einem Substrat aus piezoelektrischem Material, z. B. piezoelektrischer Keramik, Elektrodenstrukturen. Eine Elektrodenstruktur dient als Wandler zur Erzeugung einer akustischen Welle im Substrat. Dieselbe Wandlerstruktur oder eine entsprechende zweite Wandlerstruktur dient zum Empfang dieser akustischen Welle. Auf dem Substrat ist oder kann noch eine weitere Struktur mit der Eigenschaft einer Codifizierung desjenigen elektrischen Signal vorgesehen sein, das der akustischen Welle des Bauelements zugehörig ist.

Claims

1. Sensorvorrichtung zur Überwachung der für eine kraftschlüssige Verbindung (Fig. 1) zwischen Werkstücken (3, 4) vorzusehenden, entscheidenden Kraft (6) mit einem in dem Kraftfluss der für diese Verbindung vorgesehenen entscheidenden Kraft (6) eingefügten Sensorelement (10, 20), dessen Kraft-Sensitivität als ein abfragbares, von der wirkenden Kraft (6) abhängiges elektrisches Signal mittels einer Abfrageeinrichtung zu erfassen ist.

2. Sensorvorrichtung nach Anspruch 1, mit einer Abfrageeinrichtung (150), die mittels einer Signalverbindung mit wenigstens einem jeweiligen solchen Sensor- Element (10, 20) signalabfragend und signalempfangend verbunden ist.

3. Sensorvorrichtung nach Anspruch 2, für die eine Signal-Kabelverbindung zwischen Sensorelement (10, 20) und Abfrageeinrichtung (150) vorgesehen ist.

4. Sensorvorrichtung nach Anspruch 2, für die eine bidirektionale Funksignalverbindung (250) zum Abfragen und zur Signalübertragung zwischen Sensorelement (10, 20) und Abfrageeinrichtung (150) vorgesehen ist.

5. Sensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der für ein jeweiliges Sensorelement (10, 20) selektiv erkennbare Signalabgabe vorgesehen ist.

6. Sensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, mit wenigstens einem Sensorelement (10, 20), das als elektrischer Schwingkreis wirksam mit von der bestimmenden Kraft (6) abhängiger Schwingkreis-Eigenfrequenz ausgebildet ist.

7. Sensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der für ein jeweiliges Sensorelement zu dessen Erkennen eine individuelle Codierung desselben vorgesehen ist.

8. Sensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, mit einer Abfrageeinrichtung für Signalabfrage einer Mehrzahl Sensorelemente.

9. Sensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 8, mit selektiver Abfrage einzelner Sensorelemente (10, 20).

10. Sensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, mit einem Sensorelement (10, 20), das nach Art einer Beilage ausgeführt in den Kraftfluss der für diese Verbindung entscheidenden Kraft (6) eingefügt ist.

11. Sensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10 mit einem jeweiligen Schraubenelement (1) für die Ausübung der für die Verbindung entscheidenden Kraft (6).

12. Sensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10 mit einem Niet (N) für die Ausübung der für die Verbindung entscheidenden Kraft (6).

13. Sensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12 mit einem Sensorelement (10) mit einer Sensitivität nach Art eines elektrischen Kondensators (Fig. 2) mit von der Kraft (6) abhängig veränderbarer elektrischer Kapazität (C).

14. Sensorvorrichtung nach Anspruch 13, mit einem Sensorelement (10) mit wenigstens einer Tellerfeder (11, 12) aus federelastischem Material mit elektrischer Leitfähigkeit wenigstens der Oberfläche des Materials, wobei wenigstens eine Tellerfeder als eine Kondensatorelektrode, zusammen mit einer weiteren Kondensatorelektrode des Sensorelements ein Kondensator-Elektroden-Paar mit kraft-/druckabhängig veränderbarer Kapazität (C) bildend, wirksam angeordnet ist. (Fig. 2)

15. Sensorvorrichtung nach Anspruch 13 oder 14 mit in dem Sensorelement (10) vorhandenem elektrischem Kontakt (111, 112), der im Sollzustand des Kraftschlusses der Verbindung eine Kurzschlußverbindung für den Kondensator ist.

16. Sensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12 mit einem Sensorelement (20) nach Art einer Schraubenfeder mit zusätzlich der Funktion einer elektrischen Spule mit kraftabhängig veränderbarer elektrischer Induktivität (L). (Fig. 3)

17. Sensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 16 mit einer Abfrageeinrichtung (150) mit sequentieller Abfrage einzelner Sensorelemente (10, 20) der Gesamtheit vorgesehener Sensorelemente.

18. Sensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 16, mit einer Abfrageeinrichtung (150) mit simultaner Abfrage wenigstens einzelner Sensorelemente (10, 20) einer Mehrzahl vorhandener individueller Sensorelemente.

19. Sensorvorrichtung nach Anspruch 16 oder 18, mit einer Abfrageeinrichtung (150) mit breitbandiger Abfrage vorgesehener frequenzselektiver Sensorelemente (10, 20).

20. Sensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 16, mit einer Abfrageeinrichtung (150) mit einer Leseeinrichtung zum Erkennen von Codierungen vorhandener vorgesehener Sensorelemente, die ein codiertes Signal mit dem Antwortsignal abgeben.

21. Sensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12 oder 16 bis 19, mit einem Sensorelement nach Art eines kraft-/ druckempfindlichen SAW-Bauelementes.