DE102005059759A1

DE102005059759A1 - Energiegenerator als Alarmsensor

Info

Publication number: DE102005059759A1
Application number: DE102005059759A
Authority: DE
Inventors: Jens Makuth; Dirk Dr. Scheibner
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2005-12-14
Filing date: 2005-12-14
Publication date: 2007-06-28
Also published as: EP1960979A1; WO2007068585A1; EP1960979B1; ATE541278T1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Sensor zur Überwachung einer Messgröße mit einer Ausgabeeinheit für ein Sensorsignal, wobei das Sensorsignal ab Überschreitung eines Schwellwertes durch die Messgröße zur Ausgabe vorgesehen ist. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen einfachen und kostengünstigen Schwellwertsensor anzugeben, der vollständig drahtlos und trotzdem zuverlässig in Bezug auf Kommunikation und Energiegewinnung arbeitet. Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass der Sensor einen Energiegenerator aufweist, der zur Energieerzeugung mittels der Messgröße für die Energieversorgung des Sensors vorgesehen ist. Durch die erfindungsgemäße gleichzeitige Nutzung der Messgröße zur Energiegewinnung stellt der Energiegenerator dabei gleichzeitig den Messwandler dar, ein Messwandler im eigentlichen Sinne entfällt. Das Maß für die Messgröße ist die im Energiegenerator erzeugte Energie. Der Sensor arbeitet nur, wenn die Messgröße überhaupt vorhanden ist. Die Erfindung kann für alle Messgrößen eingesetzt werden, die auch eine Energieerzeugung erlauben. Die Energieversorgung ist erfindungsgemäß autark, es ist keine Verdrahtung nötig. Trotz autarker Energiegewinnung aus der Umgebung ist eine hohe Zuverlässigkeit garantiert, da die zu messende Größe auch die Energie für den Sensor bereitstellt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Sensor zur Überwachung einer Messgröße mit einer Ausgabeeinheit für ein Sensorsignal, wobei das Sensorsignal ab Überschreitung eines Schwellwertes durch die Messgröße zur Ausgabe vorgesehen ist.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Überwachung einer Messgröße mittels eines Sensors mit einer Ausgabeeinheit für ein Sensorsignal, wobei das Sensorsignal ab Überschreitung eines Schwellwertes durch die Messgröße zur Ausgabe vorgesehen ist.

Ein derartiger Sensor bzw. ein derartiges Verfahren kommt insbesondere auf dem Gebiet der Automatisierungs- und Antriebstechnik – beispielsweise bei Produktionsmaschinen, Werkzeugmaschinen, verfahrenstechnischen Anlagen, Transportsystemen und Logistik sowie Gebäudeautomation – zum Einsatz. Hier gibt es eine Vielzahl einfacher sensorischer Überwachungsaufgaben, die durch Detektion einer Schwellwertüberschreitung charakterisiert sind. Beispielhaft sei hier die Wälzlagerüberwachung einfacher Maschinen, Helligkeits- und Temperaturüberwachung in Produktionsprozessen der Lebensmittelindustrie oder eine Luftqualitätsbewertung genannt. Als Rahmenbedingungen für den Einsatz treten zunehmend eine große Anzahl von Messstellen und der Einsatz an schwer zugänglichen Stellen auf. Weiterhin ist ein breiter Einsatz sensorischer Überwachungsnetze nur bei niedrigen Kosten für den Einzelsensor sinnvoll.

Konventionelle Sensoren sind dafür nur bedingt geeignet. Insbesondere der immense Verdrahtungsaufwand bei großen Sensornetzen ist problematisch. Der Einsatz komplett drahtloser Sensoren wird durch den Aspekt der Energieversorgung behindert. Heute verfügbare Batterietechnologien liefern in Kombination mit im industriellen Umfeld einsetzbaren drahtlosen Datenübertragungstechniken nur eine sehr begrenzte Lebensdauer. Ein regelmäßiger Austausch ist jedoch gerade bei komplexen Sensornetzen und schwer zugänglichen Einbauorten nicht praktikabel. Diese Faktoren behindern die massenhafte Verbreitung einfacher sensorischer Schwellwertüberwachungen im industriellen Umfeld.

Gegenwärtig eingesetzte Sensorsysteme bestehen in der Regel aus dem eigentlichen Messwandler, der Signalverstärkung und -verarbeitung, einer Kommunikationseinheit sowie einer Energieversorgung. Heute üblich sind drahtgebundene Sensoren. Es zeichnet sich jedoch zur Reduktion des Verdrahtungsaufwandes ein deutlicher Trend zu drahtloser Sensorik ab. Derartige Sensoren arbeiten heute in der Regel mit batteriegestützter Energieversorgung, mit dem Nachteil einer begrenzten Lebensdauer. Zur Umgehung dieses Nachteils werden gegenwärtig verschiedene Ansätze zur Energieversorgung aus der Umgebung untersucht. Dabei favorisiert man folgende Quellen: Licht, Wärme, mechanische Schwingungen und chemische Energie (vgl. Woias, P., „Micro energy harvesting – a novel supply concept for distributed and embedded microsystems", Mikrosystemtechnik Kongress 2005, 10.–12.10.05, Freiburg). ABB stellt alternativ das WISR-Konzept (Wireless Interface to Sensors and Actuators) für drahtfreie Näherungsschalter vor (vgl. ABB, „Schaffen Sie sich neue Freiheiten – Das neue Installationskonzept mit drahtfreien Näherungsschaltern", Firmenschrift). Dabei werden die drahtlosen Sensoren elektromagnetisch durch Primärspulen versorgt. Die Notwendigkeit, durch derartige Primärspulen um den Sensor ein Feld bereitzustellen, stellt jedoch einen hohen Aufwand dar und begrenzt den Einsatz auf fixe Fertigungszellen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Überwachung einer Messgröße auf möglichst kostengünstige Weise zu ermöglichen.

Diese Aufgabe wird bei einem Sensor der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass der Sensor einen Energiegenerator aufweist, der zur Energieerzeugung mittels der Messgröße für die Energieversorgung des Sensors vorgesehen ist.

Diese Aufgabe wird ferner bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass als Sensor ein erfindungsgemäßer Sensor verwendet wird.

Durch die erfindungsgemäße gleichzeitige Nutzung der Messgröße zur Energiegewinnung stellt der Energiegenerator dabei gleichzeitig den Messwandler dar, ein Messwandler im eigentlichen Sinne entfällt. Die Eigenschaften des Energiegenerators bestimmen die Art der Messgröße (bzw. umgekehrt). Das Maß für die Messgröße ist die im Energiegenerator erzeugte Energie. Der Sensor arbeitet nur, wenn die Messgröße überhaupt vorhanden ist. Übersteigen die Messgröße und damit die erzeugte Energie einen festgelegten Schwellwert, so wird ein Signal ausgegeben. Die dazu nötige Mindestenergie wurde vom Energiegenerator durch Wandlung aus der Messgröße erzeugt.

Die Erfindung kann für alle Messgrößen eingesetzt werden, die auch eine Energieerzeugung erlauben. Da der eigentliche Messwandler entfällt, ist der erfindungsgemäße Sensor einfacher aufgebaut als ein konventioneller Sensor. Dies führt zu niedrigeren Kosten und einer besseren Miniaturisierbarkeit. Die Energieversorgung ist erfindungsgemäß autark, es ist keine Verdrahtung nötig. Gegenüber batteriebetriebenen drahtlosen Systemen entfällt der Batteriewechsel. Trotz autarker Energiegewinnung aus der Umgebung ist eine hohe Zuverlässigkeit garantiert, da die zu messende Größe auch die Energie für den Sensor bereitstellt. Wenn die Messgröße vorhanden ist, erzeugt der Sensor Energie und kann arbeiten.

Derartige erfindungsgemäße Sensoren sind damit unter Kosten- und Zuverlässigkeitsaspekten zum breiten Einsatz oder an unzugänglichen Stellen geeignet. Zielapplikationen sind beispielsweise MP&F- (Maintenance Products & Functions-) Alarm-Sensoren zur Überwachung von Fehlzuständen wie z.B. ein zu heiß laufender Motor oder eine zu stark schwingende Anlage.

In einer vorteilhaften Form der Ausführung ist die Ausgabeeinheit zur drahtlosen Kommunikation des Sensorsignals vorgesehen. Diese kann z.B. über Funk oder mittels optischer Freiraumkommunikation erfolgen.

In einer weiteren vorteilhaften Form der Ausführung ist die Ausgabeeinheit zur optischen Anzeige des Sensorsignals vorgesehen. Dies kann z.B. durch Umschalten eines elektrochromen Displays erfolgen.

In einer weiteren vorteilhaften Form der Ausführung ist das Sensorsignal ein Alarmsignal. In diesem Fall kann eine optische Anzeige beispielsweise lediglich aus einem optischen Alarmzeichen bestehen.

In einer weiteren vorteilhaften Form der Ausführung weist das Sensorsignal den aktuellen Wert der Messgröße auf. Hierdurch kann nicht nur angezeigt werden, dass der zu überwachende Schwellwert von der Messgröße überschritten wurde, sondern auch ihr derzeitiger Wert.

In einer weiteren vorteilhaften Form der Ausführung ist der Schwellwert durch Eigenschaften des Energiegenerators eingestellt. Dies kann z.B. dadurch erreicht werden, dass der Energiegenerator erst ab Erreichen des Schwellwertes durch die Messgröße genug Energie zur Ausgabe des Sensorsignals erzeugt oder überhaupt erst ab Erreichen des Schwellwertes durch die Messgröße beginnt, Energie zu erzeugen. Ein anschauliches Beispiel für den letztgenannten Fall ist z.B. durch Anpassung von Bandkantenabständen in Solarzellen realisierbar.

In einer weiteren vorteilhaften Form der Ausführung weist der Sensor eine Kontrolleinheit auf, die zur Überwachung der Überschreitung des Schwellwertes durch die Messgröße vorgesehen ist.

In einer weiteren vorteilhaften Form der Ausführung ist eine Mittelung der Messgröße über Zeitintervalle mittels des Ener giegenerators durchführbar, wobei die Zeitintervalle durch Eigenschaften des Energiegenerators eingestellt sind. D.h. die Dynamik des Energiegenerators legt die Mittelung fest. Ein schwach gedämpfter Energiegenerator kann der Messgröße direkt folgen und liefert den Momentanwert der Messgröße. Bei geringerer Dynamik wirkt der Energiegenerator als Tiefpass, und es wird ein gemittelter Wert gemessen.

In einer weiteren vorteilhaften Form der Ausführung weist der Sensor einen Energiespeicher auf, der zur Energieversorgung der Ausgabeeinheit vorgesehen ist. Hierdurch kann das Sensorsignal auch dann ausgegeben werden, wenn die vom Energiegenerator erzeugte Energie andernfalls nicht ausreichen würde, die Ausgabeeinheit zu betreiben. Dabei wird der Energiespeicher entweder vom Energiegenerator während des Betriebes des Sensors geladen, oder der Energiespeicher befindet sich bereits bei Inbetriebnahme des Sensors in einem vorgeladenen Zustand.

In einer weiteren vorteilhaften Form der Ausführung ist der Schwellwert durch einen bestimmten Inhalt des Energiespeichers gegeben. In dieser Ausführungsform entspricht der Schwellwert gewissermaßen einem zeitlichen Integral der Messgröße, d.h. es wird erst dann das Sensorsignal ausgegeben, wenn die durch die Messgröße kumulativ erzeugte Energie den Schwellwert erreicht hat. Dies kann insbesondere dann von Vorteil sein, wenn es, wie beispielsweise in der Lebensmittelindustrie, eher auf die Lichtmenge als auf die Strahlungsintensität ankommt, oder wie in nuklearen Gefahrenbereichen auf die Strahlungsmenge.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind je nach Art der zu überwachenden Messgröße zu nennen. Die Erfindung kann für alle Messgrößen eingesetzt werden, die auch eine Energieerzeugung – z.B. Wechselgrößen oder Gradienten – erlauben. Dies umfasst z.B. Helligkeitssensoren, Temperatursensoren, Sensoren für mechanische Schwingungen oder Auslenkungen, Sensoren für Radioaktivität oder chemische Sensoren. Bei Helligkeits sensoren ist der Energiegenerator z.B. durch Solarzellen realisierbar. Bei Temperatursensoren sind z.B. Generatoren unter Nutzung des Seebeck-Effektes einsetzbar. Sensoren für mechanische Schwingungen nutzen häufig das elektrodynamische, piezoelektrische oder kapazitive Wandlerprinzip. Radioaktivität lasst sich durch direktes Herausschlagen von Elektronen aus z.B. dem Si-Gitter wandeln oder durch Wandlung in thermische und dann in elektrische Energie. Chemische Sensoren können Brennstoffzellen nutzen, die beispielsweise mit Methanol aus der Umwelt arbeiten und dieses damit detektieren, oder chemische Trockenbatterien, mit denen Feuchtigkeit detektiert werden kann.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben und erläutert. Es zeigen:
1 den grundsätzlichen Aufbau einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensors,
2 eine praktische Realisierung des erfindungsgemäßen Prinzips anhand einer Schwingungsüberwachung,
3 die Abhängigkeit des Ausgangssignals des Energiegenerators von den Eigenschaften des Energiegenerators.
1 zeigt den grundsätzlichen Aufbau einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensors 1 mit Energiegenerator 2, Kontrolleinheit 3, Ausgabeeinheit 4 und Energiespeicher 5. Die Messgröße M – z.B. die Temperatur, mechanische Schwingungen, Licht, radioaktive Strahlung, chemische Energie, Feuchtigkeit – wirkt auf den dazu passenden Energiegenerator 2 und wird dort proportional in elektrische Energie gewandelt und im Energiespeicher 5 zwischengespeichert. Der Energiegenerator 2 dient also gleichzeitig als Messwandler. Die im Energiespeicher 5 gespeicherte Energie wird von der Kontrolleinheit 3 überwacht. Überschreitet die erzeugte Energie und damit die kumulative Messgröße M einen Schwellwert, so wird die im Energiespeicher 5 befindliche Energie benutzt, um mittels der Ausgabeeinheit 4 drahtlos ein Alarmsignal abzusetzen oder z.B. durch Umschalten eines elektrochromen Displays optisch anzuzeigen.
2 zeigt eine praktische Realisierung des erfindungsgemäßen Prinzips anhand einer Schwingungsüberwachung. Der Energiegenerator 2 ist so gestaltet, dass er mechanische Schwingungsenergie in elektrische Energie wandelt. Bekannte derartige Energiegeneratoren 2 nutzen das elektrodynamische, piezoelektrische oder kapazitive Wandlerprinzip. Der Energiegenerator 2 ist dabei so zu gestalten, dass die erzeugte Energie proportional zur Messgröße M, also in diesem Fall der Schwingung, ist. Die auftretenden Amplituden der mechanischen Schwingung erzeugen entsprechend ein elektrisches Ausgangssignal. Dabei bestimmt das konkrete Wandlungsprinzip die Art der Messgröße M. Ein kapazitiver Energiegenerator 2 beispielsweise generiert aus der Schwingung Umladeströme. Diese sind proportional zur Änderung der Auslenkung, also der Schwinggeschwindigkeit. Dies ist damit auch die überwachte Messgröße M. Überschreitet das von der Kontrolleinheit 3 überwachte Ausgangssignal einen Schwellwert, so wird mit der im Energiespeicher 5 befindlichen Energie ein Alarmsignal mittels der Ausgabeeinheit 4 drahtlos abgesetzt. Ein derartiger Schwingungssensor 1 ist als Lagerüberwachung für einfache Maschinen wie z.B. Elektromotoren 6 einsetzbar.
3 zeigt die Abhängigkeit des Ausgangssignals des Energiegenerators 2 von den Eigenschaften des Energiegenerators 2. Oben in der Figur ist der zeitliche Verlauf der Messgröße M zu sehen, aus der sich, je nach der eingestellten Dynamik des Energiegenerators 2 unterschiedliche Ausgangssignale ergeben. Ein Energiegenerator 2 mit hoher Dynamik (schwacher Dämpfung) kann der Messgröße M zeitlich direkt folgen (unten links), ein Energiegenerator 2 mit niedriger Dynamik (hoher Dämpfung) wirkt hingegen als Tiefpass und glättet die Messgröße M (unten rechts). Die Dynamik des Energiegenerators 2 legt also die zeitliche Mittelung der Messgröße M fest.
Zusammenfassend betrifft die Erfindung einen Sensor zur Überwachung einer Messgröße mit einer Ausgabeeinheit für ein Sensorsignal, wobei das Sensorsignal ab Überschreitung eines Schwellwertes durch die Messgröße zur Ausgabe vorgesehen ist. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen einfachen und kostengünstigen Schwellwertsensor anzugeben, der vollständig drahtlos und trotzdem zuverlässig in Bezug auf Kommunikation und Energiegewinnung arbeitet. Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass der Sensor einen Energiegenerator aufweist, der zur Energieerzeugung mittels der Messgröße für die Energieversorgung des Sensors vorgesehen ist. Durch die erfindungsgemäße gleichzeitige Nutzung der Messgröße zur Energiegewinnung stellt der Energiegenerator dabei gleichzeitig den Messwandler dar, ein Messwandler im eigentlichen Sinne entfällt. Das Maß für die Messgröße ist die im Energiegenerator erzeugte Energie. Der Sensor arbeitet nur, wenn die Messgröße überhaupt vorhanden ist. Die Erfindung kann für alle Messgrößen eingesetzt werden, die auch eine Energieerzeugung erlauben. Die Energieversorgung ist erfindungsgemäß autark, es ist keine Verdrahtung nötig. Trotz autarker Energiegewinnung aus der Umgebung ist eine hohe Zuverlässigkeit garantiert, da die zu messende Größe auch die Energie für den Sensor bereitstellt.

Claims

Sensor (1) zur Überwachung einer Messgröße (M) mit einer Ausgabeeinheit (4) für ein Sensorsignal, wobei das Sensorsignal ab Überschreitung eines Schwellwertes durch die Messgröße (M) zur Ausgabe vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor einen Energiegenerator (2) aufweist, der zur Energieerzeugung mittels der Messgröße (M) für die Energieversorgung des Sensors (1) vorgesehen ist.
Sensor nach Anspruch 1, wobei die Ausgabeeinheit (4) zur drahtlosen Kommunikation des Sensorsignals vorgesehen ist.
Sensor nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Ausgabeeinheit (4) zur optischen Anzeige des Sensorsignals vorgesehen ist.
Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Sensorsignal ein Alarmsignal ist.
Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Sensorsignal den aktuellen Wert der Messgröße (M) aufweist.
Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Schwellwert durch Eigenschaften des Energiegenerators (2) eingestellt ist.
Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Sensor (1) eine Kontrolleinheit (3) aufweist, die zur Überwachung der Überschreitung des Schwellwertes durch die Messgröße (M) vorgesehen ist.
Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Mittelung der Messgröße (M) über Zeitintervalle mittels des Energiegenerators (2) durchführbar ist, wobei die Zeitintervalle durch Eigenschaften des Energiegenerators (2) eingestellt sind.
Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Sensor (1) einen Energiespeicher (5) aufweist, der zur Energieversorgung der Ausgabeeinheit (4) vorgesehen ist.
Sensor nach Anspruch 9, wobei der Schwellwert durch einen bestimmten Inhalt des Energiespeichers (5) gegeben ist.
Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Energiegenerator (2) als Solarzelle ausgeführt ist.
Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei der Energiegenerator (2) als elektrodynamischer Generator ausgeführt ist.
Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei der Energiegenerator (2) als piezoelektrischer Generator ausgeführt ist.
Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei der Energiegenerator (2) als kapazitiver Generator ausgeführt ist.
Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei der Energiegenerator (2) als thermoelektrischer Generator ausgeführt ist.
Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei der Energiegenerator (2) als Brennstoffzelle ausgeführt ist.
Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei der Energiegenerator (2) als chemische Trockenbatterie ausgeführt ist.
Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei der Energiegenerator (2) zur Nutzung von durch radioaktive Strahlung aus einem Halbleitergitter herausgeschlagenen Elektronen vorgesehen ist.
Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei der Energiegenerator (2) zur Nutzung von durch radioaktive Strahlung erzeugte Wärme zur Wandlung in elektrische Energie vorgesehen ist.
Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei der Energiegenerator (2) zur Nutzung von elektrischen und/oder magnetischen Wechselfeldern zur Energieerzeugung vorgesehen ist.
Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei der Energiegenerator (2) zur Nutzung von Gradientenfeldern zur Energieerzeugung vorgesehen ist.
Verfahren zur Überwachung einer Messgröße (M) mittels eines Sensors (1) mit einer Ausgabeeinheit (4) für ein Sensorsignal, wobei das Sensorsignal ab Überschreitung eines Schwellwertes durch die Messgröße (M) zur Ausgabe vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass als Sensor (1) ein Sensor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 21 verwendet wird.