DE102007038419B4

DE102007038419B4 - Vorrichtung und Verfahren zur Übertragung von Messdaten

Info

Publication number: DE102007038419B4
Application number: DE200710038419
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Pahl; Dr. Seitz Stefan
Original assignee: Epcos AG
Current assignee: TDK Electronics AG
Priority date: 2007-08-14
Filing date: 2007-08-14
Publication date: 2012-08-23
Anticipated expiration: 2027-08-15
Also published as: DE102007038419A1

Abstract

Vorrichtung zur Übertragung von Messdaten, aufweisend, — ein Gehäuse (1) für eine mechanische Baugruppe (2), — einen Sensor (3) zur Aufnahme von einem oder mehreren Betriebsparametern im Inneren des Gehäuses (1), — einen Wandler (4) im Inneren des Gehäuses (1) zur Erzeugung einer oder mehrerer akustischer Wellen (5), und — einen Modulator (6) zur Modulation des vom Sensors (3) erzeugten Signals auf die akustische Welle (5), deren Trägerfrequenz dynamisch an einen jeweiligen Betriebszustand, beinhaltend die betriebsbedingten Eigengeräusche der mechanischen Baugruppe, angepasst wird, um störenden Spektrallinien auszuweichen.

Description

In der DE 19942508 A1 wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Übertragung von Steuer- und/oder Sensorsignalen über pneumatische Leitungen gezeigt.
Aus der DE 10 2004 014 288 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Übertragung von Daten und Energie mittels Körperschall durch eine Wand bekannt.
Die US 2006/0181083 A1 zeigt die Erzeugung von Versorgungsenergie für eine Schaltung aus physikalischen Parametern der Umgebung.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung anzugeben, bei der Daten durch Wände übertragen werden können, wobei die Bereitstellung der Daten und die Übertragung nach Außen aus dem Inneren eines Gehäuses und/oder in umgekehrter Richtung erfolgt.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zur Übertragung von Messdaten gemäß Anspruch 1 gelöst.
Des weiteren wird ein Verfahren zur Übertragung von Messdaten nach Anspruch 23 angegeben.
Die Vorrichtung weist ein Gehäuse für eine oder mehrere mechanische Baugruppen auf. Das Innere des Gehäuses weist einen oder mehrere Sensoren zur Aufnahme von Betriebsparametern auf. Des Weiteren weist das Innere des Gehäuses einen Wandler zur Erzeugung akustischer Wellen auf.
Im Inneren des Gehäuses befindet sich auch ein Modulator zur Modulation des vom Sensor erzeugten Signals auf die vom Wandler erzeugte akustische Welle, deren Trägerfrequenz dynamisch an einen jeweiligen Betriebszustand, beinhaltend die betriebsbedingten Eigengeräusche der mechanischen Baugruppe, angepasst wird, um störenden Spektrallinien auszuweichen.
Die Außenwand des Gehäuses ist vorzugsweise massiv oder weist zumindest größtenteils massive Bereiche auf.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Sensor verkapselt, mit einem Gehäuse versehen oder auch vergossen. Es ist auch möglich, den Sensor in eine Vertiefung der Innenwand des Gehäuses einzusetzen und entsprechend abzudecken.
Die Übertragung der vom Wandler erzeugten akustischen Welle erfolgt vorzugsweise durch die Außenwand des Gehäuses hindurch. In einer weiteren Ausführungsform ist es möglich, dass die Übertragung der akustischen Wellen auch in bzw. entlang der Außenwand des Gehäuses erfolgt.
Vorzugsweise befindet sich außerhalb des Gehäuses ein Empfänger zum Empfang der übertragenen akustischen Welle. Bevorzugt befindet sich der Empfänger direkt beziehungsweise unmittelbar an der Außenwand des Gehäuses. Der Empfänger kann ein elektroakustischer Wandler sein.
Zur Demodulation der übertragenen Daten von der Trägerwelle befindet sich vorzugsweise außerhalb des Gehäuses ein Demodulator.
Des Weiteren befindet sich vorzugsweise außerhalb des Gehäuses eine Auswerteeinheit, die die über die akustische Welle übertragenen Daten, die vom Demodulator ausgekoppelt wurden, in analoge beziehungsweise digitale Messdaten umwandelt.
Zur Energieversorgung des Sensors, des Wandlers und des Modulators weist das Gehäuse bevorzugt im Inneren einen Generator auf. Es ist auch möglich die im Inneren des Gehäuses befindlichen Geräte von einer Energiequelle außerhalb des Gehäuses mit Energie zu versorgen. Hierbei ist es vorteilhaft, wenn das metallische Gehäuse als Masse verwendet wird.
Der im Inneren des Gehäuses befindliche Generator ist in der Lage, Potentiale, die innerhalb des Gehäuses bereits vorliegen, in elektrische Energie umzuwandeln.
Entsprechende Potentiale können zum Beispiel durch Temperaturgradienten, Vibrationen, Drehungen, Ölfluss oder andere geeignete Gradienten geliefert werden. Dazu können geeignete und an sich bekannte Generatoren benutzt werden, die diese Potentiale in elektrische Energie umwandeln, die dem Sensor, dem Wandler und/oder dem Modulator zugeführt wird.
In einer weiteren Ausführungsform kann die für die im Inneren des Gehäuses befindlichen Geräte benötigte elektrische Energie auch von außen zugeführt werden. Hierbei wird das Gehäuse, das vorzugsweise aus einem leitfähigen Material besteht, als Masseleiter verwendet. Dadurch wird für die Versorgung der im Inneren des Gehäuses angeordneten Geräte, wie Wandler, Modulator oder Sensor, mit elektrischer Energie nur noch eine weitere Leitung benötigt.
In einer Ausführungsform handelt es sich bei dem Wandler um einen elektroakustischen Wandler.
In einer weiteren Ausführungsform wird die für die im Inneren des Gehäuses angeordneten Komponenten benötigte Energie von außen zugeführt. Dazu wird die Energie in dem für die Trägerfrequenz benutzten Bereich, jedoch deutlich von diesem beabstandet und oberhalb des menschlichen Hörbereichs, also größer als 20 kHz, eingekoppelt. Die Energie wird aktiv und schmalbandig, d. h. mit einer bevorzugten relativen Bandbreite von kleiner 10%, bei einer festen Frequenz eingekoppelt. Dadurch können besonders effiziente Generatoren im Inneren des Gehäuses eingesetzt werden. Bei dieser Energieübertragung treten hohe Ausbreitungsverluste auf, die jedoch eine zu vernachlässigende Rolle spielen, da der Leistungsbedarf der Sensormodule typischerweise nur in der Größenordnung von 10^–2 Watt liegt, während es möglich ist, um drei Zehnerpotenzen höhere Leistungen, einzukoppeln.
Der zur Aufnahme von Betriebsparametern im Inneren des Gehäuses angeordnete Sensor ist in einer bevorzugten Ausführungsform ein Drucksensor. In weiteren Ausführungsformen kann es sich um einen Temperatursensor, einen Beschleunigungssensor, einen Sensor zur Erfassung einer relativen Position, einen Sensor zur Bestimmung einer Viskosität oder einen Sensor zur Messung einer Winkelgeschwindigkeit handeln. Es sind auch Sensoren für weitere physikalische Parameter, die zur Auswertung hinzugezogen werden können, möglich.
In einer bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei dem außerhalb des Gehäuses angeordneten Empfänger um einen elektroakustischen Wandler.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die innerhalb und außerhalb des Gehäuses angeordneten Bauelemente mittels einer temporären Anbringung befestigt. Für eine temporäre Befestigung eignet sich hierbei besonders eine Befestigung mittels Magneten. Bei der Befestigung mittels Magnete können Bohrungen oder sonstige Eingriffe in die Oberfläche des Gehäuses vermieden werden.
Vorzugsweise handelt es sich bei der im Inneren des Gehäuses angeordneten Baugruppe um ein Motorgetriebe. Es ist jedoch auch möglich, die Daten von anderen mechanischen Geräten durch diese Vorrichtung zu erfassen.
Die Vorrichtung ist in einer weiteren Ausführungsform auch dazu geeignet, Daten an den Sensor oder einen Aktor, wie beispielsweise Translatoren, Ventile, Motoren oder Heizer im Inneren des Gehäuses zu übertragen. Des Weiteren kann die Vorrichtung im Inneren des Gehäuses noch einen Empfänger und einen Demodulator umfassen.
Die Übertragung der Daten aus dem Inneren des Gehäuses nach außen, bzw. von außen nach innen, kann mehr oder weniger kontinuierlich in Form eines andauernden Signals erfolgen. Des weiteren ist es auch möglich die Übertragung der Daten in Form von zeitlich regelmäßigen Intervallen zu übertragen. Möglich ist es auch, die Übertragung von Daten durch ein entsprechendes, in Form einer akustischen Welle von außen nach innen gesandtes Signal erst zu initiieren. Es sind auch Sensoren geeignet, die erst bei einer bestimmten Änderung des zu detektierenden Parameters ein Messsignal erzeugen.
Da es sich bei dem Wandler und dem Empfänger um elektroakustische Bauelemente handelt, sind diese auch in der Lage in umgekehrter Richtung betrieben zu werden. Somit kann der Empfänger außerhalb des Gehäuses als ein Wandler zur Erzeugung von Wellen fungieren, der ein elektrisches Signal von außen in das Innere des Gehäuses überträgt. Der Wandler im Inneren des Gehäuses kann in dem Fall auch als Empfänger eingesetzt werden und die empfangenen akustischen Wellen in elektrische Signale umwandeln, die über einen Demodulator an den oder die Sensoren weitergegeben werden.
In einer weiteren Ausführungsform können auch jeweils zwei Wandler, also Sender und Empfänger, sowohl außerhalb, als auch innerhalb des Gehäuses vorgesehen sein.
Die beschriebene Vorrichtung hat insbesondere den Vorteil, dass die Daten nicht mittels elektrischer Signale über Leitungen oder Steckverbindungen übertragen werden müssen. Leitungen sind besonders bei der Montage von Einzelteilen beziehungsweise Baugruppen sehr heikel. Die Steckverbindungen stellen unter rauen Betriebsbedingungen (Temperatur, Vibration, Getriebeöle und weitere) ein Zuverlässigkeitsrisiko dar, und sind sehr kostenintensiv.
Weitere nahe liegende Signalübertragungsmethoden (induktiv, kapazitiv oder elektromagnetisch) sind aufgrund der hohen Packungsdichte weitgehend metallischer und überdies meist auch ferromagnetischer Komponenten innerhalb solcher Geräte kaum praktikabel. Die dafür erforderlichen Signalpfade – frei von Abschirmungen und reflektierenden oder absorbierten Teilen – können konstruktiv meistens nicht sinnvoll vorgesehen werden.
Beispielsweise bei Zahnradgetrieben weist das betriebsbedingte Eigengeräusch neben einem mehr oder weniger kontinuierlichen Grundspektrum starke Linien auf, die im Bereich der so genannten Zahneingriffsfrequenzen liegen. Diese ergeben sich aus Zahnteilung, gewählter Übersetzung und aktueller Drehzahl. Die Frequenzlage ist somit zu jedem Zeitpunkt vorgegeben und bekannt. Um Signalübertragungsstörungen durch diese Spektrallinien zu vermeiden, wird die Trägerfrequenz vorzugsweise oberhalb der höchstfrequenten Linie angesetzt, die im Betrieb mit störender Intensität auftreten kann. Es ist auch möglich, in einer besonders vorteilhaften Ausführungsform, die Frequenz des Trägersignals dynamisch an den jeweiligen Betriebszustand anzupassen, um störenden Spektrallinien auszuweichen.
Die vorgeschlagene Vorrichtung ist besonders anwendbar, wenn Daten aus dem Inneren von Baugruppen durch eine äußere Begrenzung hindurch übertragen werden sollen, und zumindest einer der Werkstoffe der Baugruppen oder deren Gehäuse für elektromagnetische Strahlen undurchlässig ist und leitergebundene Signalführungen nachteilig wären. Diese Nachteile können beispielsweise Kosten, Zuverlässigkeitsschwachstellen, Beeinträchtigung der Integrität oder Dichtheit einer Struktur oder Hülle, zum Beispiel im Hinblick auf Druckfestigkeit eines Hydraulikbauelements, darstellen.
Die zuvor beschriebene Datenübertragung ist besonders bei Druck- und Vakuumapparaturen geeignet. Des Weiteren ist sie besonders bei kerntechnischen, biologischen und chemischen Reaktions- und Untersuchungsräumen zur Übertragung von Daten geeignet.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und der dazugehörigen Figuren näher erläutert. Die Figuren dienen der Veranschaulichung der Erfindung und sind meist nur schematisch und nicht maßstabsgetreu ausgeführt. Gleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
1 zeigt die Vorrichtung in einer schematischen Skizze
1 zeigt eine Ausführungsform der Vorrichtung in einer schematischen Skizze, bei der aus dem Inneren eines Gehäuses 1 Daten einer mechanischen Baugruppe 2 von einem Sensor 3 erfasst werden. Diese Daten gibt der Sensor 3 an einen Modulator 6 weiter, bei dem es sich in einer bevorzugten Ausführungsform um einen Mischer handelt. Der Modulator 6 moduliert die Messdaten vom Sensor 3 auf ein von einem Oszillator erzeugtes Grundsignal. Das modulierte Signal wird an einen Wandler 4 weitergegeben. Der Wandler 4 wandelt dieses Signal in akustische Wellen 5 um und überträgt diese durch die Außenwand 7 des Gehäuses 1.
Zur Versorgung der im Inneren des Gehäuses 1 befindlichen elektrischen Geräte, wie Sensor 3, Wandler 3 oder Modulator 6, mit elektrischem Strom befindet sich im Inneren des Gehäuses 1 ein Generator 11. Der Generator 11 ist in der Lage, vorliegende Potentiale von physikalischen Parametern in elektrische Energie umzuwandeln.
Außerhalb des Gehäuses werden die Daten in Form von akustischen Wellen 5 mit Hilfe eines Empfängers 8, bei dem es sich vorzugsweise um einen akustoelektrischen Wandler handelt, in elektrische Signale umgewandelt. Um die Messsignale von dem Trägersignal zu entkoppeln, wird das Signal mit Hilfe eines Demodulators 9, demoduliert. Die gefilterten bzw. demodulierten Daten werden an eine Auswerteeinheit 10 zur weiteren Datenauswertung weitergeleitet.
Obwohl in den Ausführungsbeispielen nur eine beschränkte Anzahl möglicher Weiterbildungen der Erfindung beschrieben werden konnte, ist die Erfindung nicht auf diese beschränkt. Es ist prinzipiell möglich, eine andere Variante der elektrischen Versorgung der im Gehäuseinneren befindlichen Komponenten bereitzustellen. Die Erfindung ist nicht auf die Anzahl der schematisch dargestellten Elemente beschränkt.
Die Beschreibung der hier angegebenen Gegenstände und Verfahren ist nicht auf die einzelnen speziellen Ausführungsformen beschränkt. Vielmehr können die Merkmale der einzelnen Ausführungsformen – soweit technisch sinnvoll – beliebig miteinander kombiniert werden.
Bezugszeichenliste

1: Gehäuse
2: mechanische Baugruppe
3: Sensor
4: Wandler
5: akustische Wellen
6: Modulator
7: Außenwand
8: Empfänger
9: Demodulator
10: Auswerteeinheit
11: Generator

Claims

Vorrichtung zur Übertragung von Messdaten, aufweisend, – ein Gehäuse (1) für eine mechanische Baugruppe (2), – einen Sensor (3) zur Aufnahme von einem oder mehreren Betriebsparametern im Inneren des Gehäuses (1), – einen Wandler (4) im Inneren des Gehäuses (1) zur Erzeugung einer oder mehrerer akustischer Wellen (5), und – einen Modulator (6) zur Modulation des vom Sensors (3) erzeugten Signals auf die akustische Welle (5), deren Trägerfrequenz dynamisch an einen jeweiligen Betriebszustand, beinhaltend die betriebsbedingten Eigengeräusche der mechanischen Baugruppe, angepasst wird, um störenden Spektrallinien auszuweichen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der das Gehäuse (1) eine massive Außenwand (7) aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Sensor (3) eine Verkapselung aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Übertragung der akustischen Welle (5) in der Außenwand (7) des Gehäuses (1) erfolgt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Übertragung der akustischen Welle (5) durch die Außenwand (7) des Gehäuses (1) erfolgt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der außerhalb des Gehäuses (1) ein Empfänger (8) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Empfänger (6) Kontakt zur Außenwand (7) hat.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der sich außerhalb des Gehäuses (1) ein Demodulator (9) befindet.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der sich außerhalb des Gehäuses (1) eine Auswerteeinheit (10) befindet.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Energieversorgung des Sensors (3), des Wandlers (4) und des Modulators (6) durch einen Generator (11) im Inneren des Gehäuses (1) erfolgt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Generator (11) Potentiale, die innerhalb des Gehäuses (1) vorliegen, in elektrische Energie umwandelt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Wandler (4) ein elektro-akustischer Wandler ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Sensor (3) eine Drucksensor ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Sensor (3) ein Temperatursensor ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Sensor (3) ein Beschleunigungssensor ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Sensor (3) zur Erfassung einer Relativ-Position ausgelegt ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Sensor (3) zur Bestimmung einer Viskosität ausgelegt ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Sensor (3) zur Messung der Winkelgeschwindigkeit ausgelegt ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die im Inneren des Gehäuses (1) einen Empfänger (6) und einen Demodulator (9) aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Empfänger (6) ein akusto-elektrischer Wandler ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Baugruppe (2) ein Motorgetriebe ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem Bauelemente, im Inneren oder an der Außenwand des Gehäuses, mittels einer temporären Befestigung angebracht sind.
Verfahren zur Übermittlung von Daten aus einem Gehäuse für eine mechanische Baugruppe (2) und/oder in ein Gehäuse für eine mechanische Baugruppe (2) durch das Gehäuse, bei dem die Daten auf eine akustische Welle (5) aufmoduliert werden, wobei deren Trägerfrequenz dynamisch an einen jeweiligen Betriebszustand, beinhaltend die betriebsbedingten Eigengeräusche der mechanischen Baugruppe, angepasst wird, um störenden Spektrallinien auszuweichen, und durch die Außenwand (7) eines Gehäuses (1) übertragen werden.
Verfahren nach Anspruch 23, bei dem die Daten und die akustische Welle (5) außerhalb oder innerhalb des Gehäuses (1) demoduliert werden.
Verfahren nach Anspruch 24, bei dem die akustische Welle (5) von einem elektroakustischen Wandler (4) in Inneren des Gehäuses (1) erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 25, bei dem die Übertragung der Daten fortwährend erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 26, bei dem die Übertragung der Daten in einem Abfrageintervall erfolgt.