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Die Erfindung betrifft ein System zur Fernerkennung von Strukturschäden technischer Objekte, wobei Parameter erfasst und ausgewertet werden, die für Abweichungen von einer für das jeweilige Objekt definierten Bauteilstruktur relevant sind.
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Für zahlreiche Anwendungen müssen auftretende Strukturschäden verschiedenartiger technischer Objekte (Geräte, Anlagen, Systeme usw.) umgehend detektiert werden, um die Gefahr erheblicher Folgeschäden weitgehend zu unterbinden. Solche Strukturschäden können an sich durch visuelle oder gerätetechnisch unterstützte Überwachungen direkt am jeweiligen Objekt durchgeführt werden. Allerdings sind die zu überwachenden Objekte (z.B. Strukturen in geografisch abgelegenen Gebieten oder im maritimem Bereich) oft schlecht zugänglich, so dass aus Kosten- und Sicherheitsgründen zunehmend eine Fernüberwachung typischer Objektparameter angestrebt wird, mit denen eine Aussage über eventuelle Strukturschäden möglich ist.
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So beschreibt US 2006 / 0 125 493 A1 ein Verfahren zum Überwachen der Korrosion von schlecht zugänglichen Bauteilen mittels Korrosionssensoren. Ein zu überwachendes Element ist einer korrosiven oder korrosionsgefährdeten Umgebung ausgesetzt. Das Element ist mit einem Sensor gekoppelt, der in Verbindung mit einer Erfassungsschaltung drahtlos ein auf Korrosion basierendes Signal erzeugt.
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Aus
US 7 034 660 B2 ist ein Abfragesystem zur Erfassung von Parametern technischer Strukturen bekannt, vorzugsweise für Motorbaugruppen eines Kraftfahrzeuges. Dabei wird mit mindestens einem Sensor ein Parameter überwacht oder es wird detektiert, ob bestimmte physikalische oder chemische Ereignisse stattgefunden haben. Die Messwerte werden drahtlos zu einer Auswerteeinheit außerhalb der zu überwachenden Struktur übertragen.
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Gegenstand von
US 5 942 991 A ist eine Lösung zum Fernmessen von mindestens einer Umgebungsbedingung technischer Objekte. Dabei werden mit einem elektromagnetischen Sensor messbare Resonanzcharakteristika erfasst, die sich bei einer Änderung von Umgebungsbedingungen ebenfalls ändern. Bei einer diesbezüglichen Änderung emittiert der Sensor ein elektromagnetisches Signal, das auf eine entfernt angeordnete Baugruppe geschaltet wird. Mit dem Sensor ist somit eine Fernerkennung von Veränderungen im Umgebungszustand technischer Objekte möglich.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, eine technische Lösung zur Fernerkennung von Strukturschäden technischer Objekte zu schaffen, die einen geringen Kosten-, Geräte- und Bauraumaufwand erfordert und die eine hohe Funktionssicherheit zur frühzeitigen Detektion sicherheitsrelevanter Bauteilschäden gewährleistet.
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Diese Aufgabe wird mit den technischen Merkmalen gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand von abhängigen Ansprüchen, deren Merkmale im Ausführungsbeispiel näher erläutert werden.
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Somit wird eine Lösung zur Fernerkennung von Strukturschäden technischer Objekte verfügbar, die einen geringen Kosten-, Geräte- und Bauraumaufwand erfordert und die als ein Sicherheitssystem für eine fernabfragbare Erkennung von Strukturschäden mit integraler Selbsttestfunktion geeignet ist. Dieses funkabfragbare System ist auch für extreme Umweltbedingungen geeignet, wobei nach gegenwärtiger Einschätzung der Einsatz bei Temperaturen von bis zu 650° C prinzipiell möglich ist.
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Die technologische Basis dieser Überwachung von Belastungszonen technischer Objekte mit fernabfragbaren Komponenten bildet die Auswertung von Summen-Kennungssignalen sog. OFW-RFID-Systeme, wobei eine konstruktive Einheit mit zwei funktional getrennten RFID-Tags vorgesehen ist. Dabei werden für Komponenten in Langzeitanwendungen mit beschränkter Reichweite zweckmäßig passive RFID-Transponder auf Grundlage von OFW-Bauelementen verwendet, die vorzugsweise aus zwei getrennten Chip-Antenne-Schaltungen bestehen. Der „primäre“ Chip-Antenne-Schaltungsverbund wird hierbei dem zu überwachenden physikalischen bzw. chemischen Effekt ausgesetzt und der „sekundäre“ Chip-Antenne-Schaltungsverbund wird geschützt im Komponentenkörper untergebracht. Der zu überwachende physikalische / chemische Effekt wirkt somit auf den primären Chip-Antenne-Schaltungsverbund bis zur möglichen Zerstörung des Verbundes an einer definierten Sollstörstelle. Der sekundäre Chip-Antenne-Schaltungsverbund ist hingegen vom einwirkenden physikalischen / chemischen Effekt weitgehend entkoppelt und geschützt in den Systemträger integriert.
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Für funkabfragbare Komponenten mit einer hohen Abfragereichweite ergeben sich Vorteile durch Nutzung von aktiven Transpondern mit integrierter Energieversorgung.
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In Abhängigkeit der jeweils konkreten Ausführung der RFID-Tag-Systeme werden die Funk-Antwortsignale vom primären und sekundären Chip-Antenne-Schaltungsverbund entweder parallel oder sequenziell abgefragt. Sofern beide Antwortsignale abfragbar sind, ist die Komponente als intakt zu bewerten. Ist hingegen der Signalanteil des primären Chip-Antenne-Schaltungsverbundes nicht mehr im Funk-Antwortsignal vorhanden, ist die Komponente als beschädigt zu bewerten.
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Mehrere primäre Chip-Antenne-Schaltungsverbunde können in einer Komponente integriert werden. Somit lassen sich redundante und/oder ortsabhängige Aussagen zur Überschreitung von definierten Grenzwerten physikalischer bzw. chemischer Größen generieren.
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Die Bereiche der Überwachung der Störgrößen können so ausgelegt werden, dass die Antennenelemente oder Antennenzuleitungen partiell oder teilweise empfindlich auf thermische bzw. chemische bzw. mechanische Belastungen reagieren.
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Die Strukturen der Antennen oder Antennenzuleitungen können so ausgelegt werden, dass eine elektromagnetische Belastung zu physikalischen Schäden in der Struktur des primären funkabfragbaren Chip-Antennen-Schaltungsverbundes führt.
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Ebenso können die Strukturen der Antennen oder Antenne Zuleitungen so ausgelegt werden, dass eine elektromagnetische bzw. thermische Belastung eine Dämpfung des Antwortsignals des primären Chip- Antennen-Schaltungsverbundes bewirkt.
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Weiterhin können die Strukturen der Antennen oder Antennezuleitungen so ausgelegt werden, dass eine mechanische Überbeanspruchung an der zu überwachenden Position zu einer Störung oder Zerstörung von Bereichen der Antenne oder Antennenzuleitung ganz oder teilweise führt (schalterartige Kontakte).
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Ferner können die Strukturen der Antennen oder Antennezuleitungen so ausgelegt werden, dass eine thermische Überbeanspruchung an der zu überwachenden Position zu einer Störung oder Zerstörung von Bereichen der Antenne oder Antennezuleitung ganz oder teilweise führt. Hierbei sind z.B. die Nutzung thermoelektrischer Effekte zur Störung des primären Chip-Antennen-Schaltungsverbundes, der Einsatz von Schmelzdrahtsystemen zur Störung des primären Chip-Antennen-Schaltungsverbundes oder der Einsatz von Bimetall- Kontaktstellen zur Störung des primären Chip-Antennen-Schaltungsverbundes möglich.
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Es können auch wechselseitig öffnende und schließende Kontakte eingesetzt werden, welche durch eintretende Störungen umgeschaltet werden oder wechselseitig aktive OFW-Chips aus dem primären Chip-Antenne-Schaltungsverbund jeweils mit einen anderen Signalcodierung versehen werden.
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In der Zeichnung sind mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Es zeigen:
- 1 eine RF- Komponente an einer zu überwachender Struktur
- 2 den prinzipiellen inneren Aufbau einer RF- Komponente mit Störstelle in acht verschiedenen Modifizierungen gemäß 2a bis 2h
- 3 das Verhalten der primären und sekundären Antwortsignale in einer ersten Variante in insgesamt vier Diagrammdarstellungen
- 4 das Verhalten der primären und sekundären Antwortsignale in einer zweiten Variante in ebenfalls vier Diagrammdarstellungen
- 5 ein OFW- basiertes RFID-System mit mehreren OFW-Chip-Einheiten
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In 1 ist die Anordnung einer RF- Komponente an einer zu überwachender Struktur 1.1 dargestellt. Hierbei wird die RF- Komponente dem Bereich einer sog. Stresszone 1.2 der zu überwachenden Struktur 1.1 zugeordnet. Die Überwachungseinrichtung 1.3 der Stresszone 1.2 dient hier der Detektion einer möglichen Bruchkomponente. Die Antennenstruktur 1.4 wird für die RF-Abfrage benutzt. Dabei kann diese Antennenstruktur 1.4 alternativ mit einem oder mehreren separaten Antennenbereichen ausgeführt werden.
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In 2 ist der prinzipielle innere Aufbau einer RF- Komponente mit den folgenden Modifizierungen dargestellt:
- 2a zeigt eine RF- Komponente mit irreversibler Störstelle und mit getrenntem Chip-Antennen-Schaltungsverbund
- 2b zeigt eine RF- Komponente mit irreversibler Störstelle im primären Chip-Antennen-Schaltungsverbund und mit einem gemeinsamen Antennenelement für primären und sekundären Chip-Antennen-Schaltungsverbund
- 2c zeigt eine RF- Komponente mit reversibler Störstelle innerhalb des primären Chip-Antennen-Schaltungsverbundes durch ein Schaltkontaktesystem
- 2d zeigt eine RF- Komponente mit reversibler Störstelle innerhalb des primären Chip-Antennen-Schaltungsverbundes durch ein wechselseitig umschaltendes Kontaktsystem
- 2e zeigt die Ausführung gemäß 2d in einer Stellung nach einem Störeffekt
- 2f zeigt eine RF- Komponente mit reversibler Störstelle innerhalb des primären Chip-Antennen-Schaltungsverbundes mit aktiver Dämpfung durch eingekoppelte Störenergie
- 2g zeigt eine RF- Komponente mit Störstelle zur Anzeige von Biobelastungen in Geräten und Anlagen. Durch eine biologisch abbaubare Kontaktstelle 2.5d zerstört z.B. Schimmel an einer definierten Stelle den primären Chip-Antennen-Schaltungsverbund.
- 2h zeigt eine RF- Komponente mit Störstelle zur Anzeige von Feuchtigkeitsschäden in Geräten und Anlagen. Durch eine definierte Korrosion eines Leiterzuges 2.5e zerstört Feuchtigkeit an einer definierten Stelle den primären Chip-Antennen-Schaltungsverbund.
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Die acht Teildarstellungen von 2 zeigen ein System zur Überwachung eines Strukturbereiches 2.6. Hierbei sind ein primärer Chip-Antennen-Schaltungsverbund 2.1 zur Kontrolle der belasteten Zone und ein sekundärer Chip-Antennen-Schaltungsverbund 2.2 zur Verifikation der RF-Fähigkeit der Chip-Antennen-Schaltungsverbunde zur Abfrageeinheit vorgesehen. Weiterhin ist eine definierte Soll-Störstelle 2.4 für den primären Chip-Antenne-Schaltungsverbund 2.1 ausgestaltet. Die Störungs-Effekt-Wandler können verschiedenartig ausgestaltet werden, beispielsweise 2.5a mit Leitungsbruchstelle, 2.5b mit Schaltkontaktstelle, 2.5c mit Thermowiderstand oder Thermoelement, 2.5d als biologisch abbaubare Kontaktstelle oder 2.5e als definiert korrodierbarer Leiterzug für den jeweils zu überwachenden Strukturbereich 2.6.
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In 3 ist das Verhalten der primären und sekundären Antwortsignale am Beispiel eines passiven OFW-Chip-Antennen-Schaltungsverbundsystems mit Antwortsignalen im gleichen Frequenzband am Beispiel der Laufzeiten codierter OFW-Strukturen dargestellt. Hierbei zeigt .1 die Abfrageimpulse im HF-Arbeitsbereich der OFW-Struktur. .2 zeigt die Antwortimpulse des primären Chip-Antenne-Schaltungsverbundes. .3 zeigt parallele Antwortimpulse des sekundären Chip-Antenne-Schaltungsverbundes, der mit einer anderen Laufzeit codiert ist. .4 zeigt das Summenantwortsignal mit den Signalanteilen des primären und sekundären Chip-Antenne-Schaltungsverbundes, das von der Abfragevorrichtung aufgenommen wird.
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In 4 ist das Verhalten der primären und sekundären Antwortsignale am Beispiel eines passiven OFW-Chip-Antennen-Schaltungsverbundsystems bei verschiedenen Frequenzbändern dargestellt. Hierbei zeigt .1a den Abfrageimpuls mit hoher Bandbreite, der die Arbeitsfrequenzen aller in der Komponente integrierten OFW-Chip-Antenne-Schaltungsverbunde enthält. .1b zeigt den selektiven Abfrageimpuls mit geringer Bandbreite, der auf die Arbeitsfrequenzen der einzelnen OFW-Chip- Antenne-Schaltungsverbunde abgestimmt ist. .2 zeigt die Antwortsignale der einzelnen OFW-Chip-Antenne-Schaltungsverbunde als Summensignal, das von der Abfragevorrichtung empfangen wird. Gemäß .3 fällt bei einem Bruch der Komponente der zugehörige Signalanteil des primären OFW-Chip-Antenne-Schaltungsverbundes aus.
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In 5 ist der funktionelle Zusammenhang eines OFW-basierten RFID-Systems mit mehreren OFW-Chip-Einheiten dargestellt, wobei folgende Systemkomponenten verwendet werden: 5.1 ist die Signalauswertung und Ansteuerung der RF-Abfrageeinheit, 5.2 ist die RF-Abfrageeinheit, 5.3 ist das Antennensysteme der RF-Abfrageeinheit, 5.4 ist die RF-Übertragung, 5.5 ist das Antennensystem der RF- Komponente, 5.6 ist die physikalische Entkopplung der primären OFW-Chip-Einheiten von der sekundären OFW-Chip-Einheit, 5.7 ist die primäre OFW-Chip-Einheit, 5.8 ist die sekundäre OFW-Chip-Einheit und 5.9 ist die RF- Komponente des Systems.
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Die Abfrage der RF-Sicherheitskomponenten erfolgt mit einen Funksystem, das definierte Reichweiten und Richtcharakteristiken aufweist. Zusammen mit Handhabungsparametern der Antennen ist die Raumlage der RF- Komponenten charakterisierbar. Aus dem Antwortverhalten der RF- Komponenten lassen sich folgende zusätzliche Überwachungszustände interpretieren:
- 1) RF- Komponente ist in der Arbeitsposition anwesend und der Störzustand ist nicht eingetreten.
- 2) RF- Komponente ist in der Arbeitsposition anwesend und der Störzustand ist eingetreten.
- 3) RF- Komponente ist in der Arbeitsposition anwesend, aber beschädigt und der Störzustand ist nicht eingetreten.
- 4) RF- Komponente ist in der Arbeitsposition nicht mehr in Funktion und der Störzustand kann nicht mehr überwacht werden.
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Das erfindungsgemäße System kann verschiedenartig weiter ausgestaltet werden, wobei insbesondere für die OFW-Chips zahlreiche Varianten möglich sind. So können zwei unterschiedlich codierte OFW-Chips desselben Frequenzbandes mit sich ergänzenden Kennungsbestandteilen eingesetzt werden. Hierbei kann ein OFW-Chip „A1“ in Abhängigkeit des konkret zu überwachenden physikalischen / chemischen Effektes an die zu überwachende Struktur gekoppelt und ein OFW-Chip „A2“ vom zu überwachenden physikalischen / chemischen Effekt entkoppelt werden, wobei er zur Kontrolle der Anwesenheit und des RF-Übertragungsweges dient. Alternativ ist ein Einsatz von OFW-Chips mit unterschiedlichen Frequenzbändern als frequenzcodiertem Verfahren möglich. Hierbei kann ein OFW-Chip „B1“ mit Arbeitsfrequenz an die zu überwachende Struktur gekoppelt werden, während ein OFW-Chip „B2“ vom zu überwachenden Effekt entkoppelt ist und zur Kontrolle der Anwesenheit und des RF-Übertragungsweges dient.
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Bezugszeichenliste
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- 1.1
- zu überwachende Struktur
- 1.2
- Stresszone
- 1.3
- Überwachungseinrichtung
- 1.4
- Antennenstruktur
- 2.1
- primärer Chip-Antennen-Schaltungsverbund
- 2.2
- sekundärer Chip-Antennen-Schaltungsverbund
- 2.3
- Entkopplung
- 2.4
- Soll-Störstelle
- 2.5
- Störungs-Effekt-Wandler
- 2.5a
- Leitungsbruchstelle
- 2.5b
- Schaltkontaktstelle
- 2.5c
- Thermowiderstand / Thermoelement
- 2.5d
- biologisch abbaubare Kontaktstelle
- 2.5e
- definiert korrodierbare Leiterzug
- 2.6
- zu überwachender Strukturbereich
- 3.1
- Abfrageimpulse
- 3.2
- Antwortimpulse
- 3.3
- Antwortimpulse
- 3.4
- Summenantwortsignal
- 4.1a
- Abfrageimpuls
- 4.1b
- Abfrageimpuls
- 4.2
- Antwortsignale
- 4.3
- Signalausfall
- 5.1
- Signalauswertung / Ansteuerung
- 5.2
- RF-Abfrageeinheit
- 5.3
- Antennensystem
- 5.4
- RF-Übertragung
- 5.5
- Antennensystem
- 5.6
- Entkopplung
- 5.7
- primäre OFW-Chip-Einheit
- 5.8
- sekundäre OFW-Chip-Einheit
- 5.9
- RF- Komponente des Systems
