DE102007056150A1

DE102007056150A1 - Sensorsystem

Info

Publication number: DE102007056150A1
Application number: DE200710056150
Authority: DE
Inventors: Joachim Dr. Nurnus; Axel Schubert; Fritz Volkert
Original assignee: Micropelt GmbH
Current assignee: Micropelt GmbH
Priority date: 2007-11-16
Filing date: 2007-11-16
Publication date: 2009-05-20

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Sensorsystem zum Bestimmen einer Messgröße in einem Bereich, der zumindest teilweise von einem Begrenzungselement begrenzt ist, mit - mindestens einem Sensor zum Erfassen der Messgröße; - einem thermoelektrischen Wandler, der bei Einwirken eines Temperaturgefälles eine elet; - einem Trägerelement, an dem der Sensor und der thermoelektrische Wandler angeordnet sind, wobei - das Trägerelement derart in eine Öffnung des Begrenzungdselementes einsetzbar ist, dass die Messgröße des durch das Begrenzungselement begrenzten Bereichs mittels des Sensors bestimmbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Sensorsystem zum Bestimmen einer Messgröße in einem Bereich, der zumindest teilweise von einem Begrenzungselement begrenzt ist.
Das von der vorliegenden Erfindung zu lösende Problem besteht darin, ein Sensorsystem zu schaffen, dass in einfacher Weise montierbar ist.
Das autarke Sensorsystem wird von mindestens einem miniaturisierten Thermogenerator gespeist und detektiert den Zustand von Gegenständen (sehr allgemein) mit Temperaturen, die sich von der Umgebungstemperatur unterscheiden (Flüssige Medien wie z. B. Motoröl). Es ist z. B. in der einfachen Form einer Schraube ausgeführt. Der Sensor mißt dabei mindestens einen der Parameter des Gegenstandes wie Temperatur, elektrische Leitfähigkeit, relative Dielektrizitätskonstante, Viskosität, p_H-Wert, Vibration, Dehnung, Korrosion, ... Die Daten werden drahtlos an einen Empfänger übermittelt. Das Sensorsystem ist leicht montierbar und nachrüstbar.
Die Erfindung betrifft z. B. einen energieautarken Sensor zur Detektion des Zustands vorwiegend flüssiger Medien. Der Energielieferant ist dabei ein Thermogenerator in miniaturisierter Bauform, der die am Installationsort herrschende Temperaturdifferenz direkt in elektrische Energie wandeln kann. Bei großen Schraubendurchmessern können diese energieautarken Sensorsysteme auch mit makroskopischen thermoelektrischen Wandlern realisiert werden. Zum Sensorsystem gehören neben dem eigentlichen Detektor noch mindestens ein intelligentes elektronisches Management, ein Datenspeicher und ein Funkmodul zur drahtlosen Datenübertragung, ebenso ein in Funkreichweite befindlicher vom Bordnetz gestützter Funkempfänger.
In besonders vorteilhafter Weise ist der Träger des Sensorsystems als Schraube ausgeführt. Diese hohe Integrationsfähigkeit und große Kompatibilität des Sensorsystems gewährleistet den Einsatz in verschiedensten Applikationen, eine leichte Montage und Nachrüstung.
Der Thermogenerator ist die autarke Energiequelle des Sensorsystems zu dem auch mindestens noch die weiteren Bestandteile gehören können:

– intelligentes elektronisches Management zur Ladungsspeicherung und Spannungsstabilisation,
– das eigentliche Sensorelement zur Messung von z. B. Temperatur, elektrische Leitfähigkeit, Dielektrizitätskonstante oder einer anderen Eigenschaft eines Mediums,
– Zwischenspeicher zum Ablegen der Meßdaten,
– Funkmodul zur drahtlosen Übertragung der Meßprotokolle an einen räumlich entfernten, vom Bordnetz gespeisten Empfänger.

Auf die Vorteile eines solchen Systems wie z. B.

– Einsparung von Verkabelung und Installationsaufwand und Reduktion der Masse z. B. von Kraftfahrzeugen, Schiffen und Flugzeugen,
– Erhöhung der Zuverlässigkeit z. B. durch die Reduzierung von Steckverbindungen,
– hohes konstruktionsfreundliches Integrationspotential

Es wird eine konstruktiv besonders vorteilhafte Ausführung eines energieautarken Sensorsystems zur Detektion des Zustandes von Gegenständen vorgeschlagen. Träger des miniaturisierten Sensorsystems ist z. B. eine Schraube. Damit erreicht das Sensorsystem eine hohe Flexibilität und Intergriebarkeit in verschiedenste Komponenten und Ausführungen von Flüssigkeitsbehältern, ist leicht montierbar und mit sehr geringem Aufwand nachrüstbar.
Es wird ein Ausführungsbeispiel erläutert, daß die erfinderische Aufgabenstellung in besonders vorteilhafter Weise löst. Bei dem gewählten Beispiel handelt es sich um ein energieautarkes Sensorsystem, das zur Detektion des Zustands von Motor- und Getriebeölen benutzt werden kann. Das Öl befindet sich dabei in einem Gefäß, das häufig aber nicht ausschließlich Teil eines Antriebs- oder Steuerungssystems von z. B. Straßen-, Schienen-, Luft- oder Seefahrzeugen ist. Dabei handelt es sich z. B. um Verbrennungsmotore, Elektromotore, Getriebe oder hydraulische Arbeitssysteme.
Im Betriebszustand besitzt das Öl in dem entsprechenden Gefäß eine deutlich höhere Temperatur gegenüber anderen Teilen der Antriebskomponenten oder der umgebenden Luft. Träger des erfindungsgemäßen Sensorsystems ist eine Gewindeschraube (1) bestehend aus dem Gewindebolzen (1a) und dem Schraubenkopf (1b). Neben ihrer hier zu beschreibenden Funktion kann diese Schraube auch als stabiler Dichtmechanismus zwischen dem im Gefäß befindlichen Öl und der Außenwelt dienen, z. B. im Sinne einer Ölablaßschraube eines Kfz-Motors.
Für die autarke Energieversorgung des Sensorsystems ist dabei entscheidend, daß der Gewindebolzen (1a) der Schraube sich idealerweise in thermischen Kontakt mit dem heißen Öl bzw. in der Wandung des Ölbehälters befindet, während der Schraubenkopf (1b) außerhalb der heißen Flüssigkeit ist und so thermischen Kontakt mit der kälteren, umgebenden Außenluft hat.
Um einen besonders guten Wärmefluß zwischen dem heißen Ölbad und der Wärmseite eines Thermogenerators zu realisieren, ist die Schraube inhomogen, d. h. bestehend aus Kern (1c) und Mantel (1d) aufgebaut. Das Innere der Schraube besteht dabei aus einem sehr gut wärmeleitenden Metallkern (1c), z. B. aus dem Material Kupfer. Dieser Kupferkern (1c) durchdringt auch den Schraubenkopf (1b) und endet an seiner Oberseite.
Erfindungsgemäß bewirkt der kupferne Wärmeleitkern (1c), daß die Wärme aus dem Ölbad besonders gut bis in den Schraubenkopf (1b) geleitet werden kann und sich zwischen diesem Kern und der Außentemperatur an der Oberseite des Schraubenkopfes eine besonders hohe Temperaturdifferenz einstellt.
An der Oberseite des Schraubenkopfes (1b) ist auf dem Kupferkern (1c) der Schraube in gutem thermischen Kontakt ein miniaturisierter Thermogenerator (2) installiert. Vorteilhafterweise handelt es sich dabei um einen miniaturisierten Thermogenerator, dessen Thermoelementstrukturen mittels Dünnschichttechnologie gefertigt wurden oder um einen kleinen Thermogenerator, dessen Thermoelemente aus einem kompakten thermoelektrischen Material mittels mechanischer Trennverfahren hinreichend klein ausgeführt werden konnten.
In der beschriebenen Art und Weise ist dann die obere Abschlußfläche des Kupferkerns die Wärmequelle für den Thermogenerator (2), der mit seiner Bauhöhe über die Ebene des Schraubenkopfes (1b) herausragt. Der sich dadurch gewollt-ergebend Raum (Schlitz, Spalt) zwischen der Oberseite des Thermogenerators (2) und der Oberseite des Schraubenkopfes (1b) ist ausgefüllt mit einem konzentrischen Ring aus sehr schlecht wärmeleitenden Material, wie z. B. einem Kunststoff wie z. B. FR4. Dieser Kunststoffring (3) wirkt als thermischer Isolator zwischen dem metallischen Schraubenkopf (1b) und einem speziell dimensionierten, ge rippten Profilkühlkörper (4), der sich in guten thermischen Kontakt mit der Oberseite des Thermogenerators (2) befindet und die Wärmesenke (kalte Seite) des thermischen Wandlers bildet.
Durch die spezielle konstruktive Ausführung des Kühlkörpers (4) ist gewährleistet, daß einerseits die Oberseite des miniaturisierten Thermogenerators (3) optimal gekühlt wird, anderseits aber auch ein Raum an der Oberseite des thermischen FR4-Isolatorrings (3) entsteht, der zur Aufnahme der erforderlichen Elektronik (5) genutzt wird.
Der Kühlkörper besitzt außerdem Durchbrüche (4a), die zur Aufnahme seiner Verbindungsschrauben (4b) mit dem metallischen Schraubenkopf (1b) und zur Realisierung einer internen Verdrahtung (4c) dienen.
Das Sensorsystem kann darüber hinaus Mittel zum Stabilisieren der vom thermischen Wandler erzeugten Spannung sowie weitere Bestandteile eines Energieversorgungsmodul aufweisen, die der deutschen Patentanmeldung 10 2007 017 461.8 beschrieben sind.
In den 1 bis 3 ist der prinzipielle, konstruktive Aufbau der beschrieben Sensorschraube dargestellt.
Dabei bedeuten:

1: Gewindeschraube
1a: Gewindebolzen
1b: Schraubenkopf
1c: Wärmeleitkern (Kupfer) der Schraube
1d: metallischer Schraubenmantel
2: miniaturisierter Thermogenerator
3: Kunststoffring als thermischer Isolator
4: Profilkühlkörper
4a: Durchbrüche
4b: Verbindungsschrauben
4c: Durchbrüche für Verdrahtung
5: Elektronik

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 102007017461 [0018]

Claims

Sensorsystem zum Bestimmen einer Messgröße in einem Bereich, der zumindest teilweise von einem Begrenzungselement begrenzt ist, mit – mindestens einem Sensor zum Erfassen der Messgröße; – einem thermoelektrischen Wandler, der bei Einwirken eines Temperaturgefälles eine elektrische Spannung zum Betreiben des Sensors erzeugt; – einem Trägerelement, an dem der Sensor und der thermoelektrische Wandler angeordnet sind, wobei – das Trägerelement derart in eine Öffnung des Begrenzungselementes einsetzbar ist, dass die Messgröße des durch das Begrenzungselement begrenzten Bereichs mittels des Sensors bestimmbar ist.
Energieautarkes Sensorsystem zur Detektion des Zustands von Gegenständen (sehr allgemein) mit Temperaturen, die sich von der Umgebungstemperatur unterscheiden, dadurch gekennzeichnet, daß es in Form einer Schraube ausgeführt ist und die elektrische Energie von einem thermischen Wandler erzeugt wird, der den Wärmestrom vom (zum) Gegenstand an die kalte (warme) Umgebung ausnutzt.
Sensorsystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei es sich bei dem thermischen Wandler um einen miniaturisierten Thermogenerator handelt, dessen Thermoelemente vorteilhafterweise in Dünnschichttechnologie gefertigt wurden oder aber, ausgehend von thermoelektrischen Massivmaterialien hinreichend klein gestaltet werden konnten bzw. konventionellen thermoelektrischen Wandlern, wenn der Schraubendurchmesser hinreichend groß ist.
Sensorsystem nach einem der vorherigen Ansprüche, welches Informationen über unterschiedlichste Zustände des Gegenstandes drahtlos an einen Empfänger übermittelt.
Sensorsystem nach Anspruch 2, wobei die metallische Schraube inhomogen aus einem sehr gut wärmeleitenden Kern, z. B. aus Kupfer oder einem anderen geeigneten Material, und dem metallischen Mantel besteht.
Sensorsystem nach vorherigen Ansprüchen gekennzeichnet dadurch, daß der Thermogenerator mit seiner warmen Seiten an der Oberseite des Schraubenkopfes in gutem thermischen Kontakt mit dem Wärmeleitkern installiert ist.
Sensorsystem nach vorherigen Ansprüchen gekennzeichnet dadurch, daß die Kaltseite des Thermogenerators in gutem thermischen Kontakt mit einem (zu speziell ??: speziell dimensionierten Profilkühlkörper) Kühlkörper verbunden ist und so eine besonders hohe Temperaturdifferenz durch den Thermogenerator genutzt werden kann.
Sensorsystem nach vorherigen Ansprüchen gekennzeichnet dadurch, daß zwischen dem (Profilk)Kühlkörper und dem Mantel des Schraubenkopfes ein konzentrischer Ring aus einem sehr schlecht wärmeleitenden Material, wie z. B. Kunststoff, eingelegt wird, der einen parasitären Wärmefluß zwischen der Oberseite des Schraubenkopfs und dem Kühlkörper verhindert.
Sensorsystem nach vorherigen Ansprüchen gekennzeichnet dadurch, daß es sich bei dem Kunststoff z. B. um FR4 handelt und damit der thermische Isolatorring zugleich geeignet ist, als Träger für die erforderliche Elektronik zu fungieren.
Sensorsystem nach vorherigen Ansprüchen gekennzeichnet dadurch, daß neben dem Thermogenerator mindestens noch aus den Komponenten Sensor zur Beurteilung des Zustands des Gegenstandes, elektronisches PowerManagement, Datenspeicher, Sender und einem externen Empfänger besteht.
Sensorsystem nach vorherigen Ansprüchen und speziell nach Anspruch 9, wobei der Sensor zur Beurteilung des Zustands des Gegenstandes (z. B. u. a. Flüssigkeit), mindestens in der Lage ist, einen der folgenden Parameter wie Temperatur, elektrische Leitfähigkeit, relative Dielektrizitätskonstante, Viskosität, p_H-Wert, Vibration, Dehnung, Beschleunigung, ... zu detektieren.
Sensorsystem nach vorherigen Ansprüchen gekennzeichnet dadurch, daß es aufgrund seiner einfachen Bauweise als Schraube eine hohe Intergrationsfähigkeit und Kompatibilität besitzt und so in verschiedensten technischen Systemen wie z. B. aber nicht nur in Antrieben, so z. B. Verbrennungs- und Elektromotore, und Getrieben von Straßen-, Schienen-, Luft- und Seefahrzeugen, von Baumaschinen und in hydraulischen Anlagen zur Detektion z. B. des Ölzustands oder der Temperatur oder Schwingungsanalyse eingesetzt werden kann.
Sensorsystem nach vorherigen Ansprüchen gekennzeichnet dadurch, daß aufgrund speziell des Einsatzes von miniaturisierten Thermogeneratoren sehr leicht je nach Anforderung von sehr klein bis groß skalierbar und zusätzlich leicht montierbar und nachrüstbar ist.