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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft einen Sensor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, insbesondere einen mehrlagigen, insgesamt biegsamen Sensor zur Erfassung von Schwingungen, insbesondere Schwingungen eines Maschinenelementes, speziell eines Lagers.
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Bei der Überwachung von Maschinenelementen, speziell von Lagern, hat es sich als günstig erwiesen, Schwingungen des Maschinenelementes, speziell des Lagers, zu erfassen und auszuwerten. Treten vermehrt Schwingungen auf bzw. überschreiten die Schwingungen einen Spitzenwert, so deutet das auf eine Schädigung des Maschinenelementes, speziell des Lagers, hin.
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Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf ein Lager beschrieben und erläutert; es versteht sich aber, dass die Erfindung allgemeiner Maschinenelemente betrifft, und im folgenden nur beispielhaft anhand eines Lagers beschrieben wird.
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DE 20 2007 004 159 U1 beschreibt eine Vorrichtung zur Überwachung der Betriebstemperatur eines als Lager ausgebildeten Maschinenelementes, wobei eine temperatursensitive Beschichtung eines Materials, das bei Erreichen einer bestimmten Temperatur einen Farbumschlag oder eine Änderung der Transparenz bzw. Reflektivität zeigt, auf die Dichtung oder auf den Gehäusedeckel des Lagers aufgedruckt ist. Diese Vorrichtung erlaubt nur eine Erfassung der Temperatur, nicht unmittelbar der Schwingung, des Lagers, und auch nur in einem Abstand von dem Lager, nämlich an dem Gehäusedeckel oder an der Dichtung, wozu eine gute Wärmeleitfähigkeit der Dichtung oder des Gehäusedeckels erforderlich ist. Nachteilig ist weiter, dass ein Ansteigen der Temperatur der Lagerumgebung, nicht aber des Lagers selbst, den erfassten Temperaturwert beeinflusst.
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JP 2006058226 AA (Abstract) beschreibt ein Lager mit einem nicht näher erläuterten Temperatursensor, der in einem festen Gehäuse aufgenommen ist, das wiederum mindestens teilweise an dem Lager angeordnet ist. Hierbei ist nachteilig, dass das Gehäuse einen bestimmten, festgelegten Platz an dem Lager beansprucht.
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JP 2002130263 AA (Abstract) beschreibt ein Lager mit einem als laminierten Thermistor-Chip ausgebildeten Temperatursensor, der in wärmeleitender Verbindung auf einer der Stirnflächen eines der beiden Lagerringe angeordnet ist.
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Der Aufsatz
,Mechatronik und Ästhetik' von M. Pausch, erschienen in ,Der Konstrukteur', Ausgabe 6/2009, S. 40f, beschreibt einen Sensor zur Erfassung von Schwingungen eines Lagers, umfassend eine Klebelage, eine Lage mit einem piezoelektrischen Sensor, der die Schwingungen des Maschinenelementes in elektrische Impulse umwandelt, und ein Anzeigeelement, das eine temperaturabhängige Änderung der Farbe oder Transparenz durchführt. Das Anzeigeelement umfasst eine thermochrome Schicht, die ihre Farbe oder Transparenz ändert. Der Ausgang des piezoelektrischen Sensors führt zu einem Heizelement, das sich, in Abhängigkeit von der erfassten Schwingung, aufheizt. Bei starken Schwingungen erzeugt das Heizelement eine solche Wärme, dass die Temperatur an der thermochromen Beschichtung des Anzeigeelementes ausreicht, die Änderung der Farbe oder der Transparenz zu ermöglichen. Auf diese Weise wird einem Bediener das Auftreten einer kritischen Schwingung mit einer kritischen Amplitude angezeigt. Nachteilig ist, dass es bei der Umwandlung der Spannungsimpulse an dem Ausgang des piezoelektrischen Sensors in Wärme zu erheblichen Verlusten im Wirkungsgrad kommt. Ungünstig ist weiter, dass die Umgebungstemperatur in der Nähe des Sensors einen Einfluss auf die Genauigkeit des Sensors hat, so dass der Sensor thermisch isoliert zu betreiben ist, um möglichst genau zu sein. Ungünstig ist weiter, dass die Umwandlung der Spannung an dem Ausgang des piezoelektrischen Sensors in Wärme eine Zeitspanne beansprucht, so dass der Sensor nur mit einer Trägheit reagieren kann. Nachteilig ist weiter, dass die Wärme, die die thermochrome Beschichtung beaufschlagt, für weitere Auswertungen als Messsignal schwer weiterverarbeitbar ist.
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Aufgabe der Erfindung
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Es ist die Aufgabe der Erfindung, den vorgenannten Sensor hinsichtlich seiner Einsetzbarkeit und Genauigkeit zu verbessern.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Sensor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Durch das elektrooptisch, durch die von dem piezoelektrischen Sensor gelieferten Impulse angesteuerte Bauelement vereinfacht sich der Aufbau des Sensors; speziell wird eine Umwandlung der Impulse des piezoelektrischen Sensors in Wärme, die nur einen geringen Wirkungsgrad aufweist, überflüssig. Statt dessen lässt sich das elektrooptische Bauelement mit einem hohen Wirkungsgrad betreiben, so dass auch Schwingungen mit geringen Leistungen, die der piezoelektrische Sensor in diesem Fall liefert, sicher angezeigt werden können. Elektrooptische Bauelemente lassen sich flachbauend und insbesondere biegsam herstellen und in den Sensor bzw. dessen Anzeigeeinheit integrieren, so dass der Sensor insgesamt als im wesentlichen biegsamer, mehrlagiger Verbund ausgebildet ist.
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Insbesondere lässt sich das elektrische Ausgangssignal des piezoelektrischen Sensors, zusätzlich zu der Ansteuerung des visuellen Anzeigeelementes, weiter auswerten, beispielsweise durch eine nachgeschaltete Auswerteelektronik. Speziell lässt sich das elektrooptische Bauelement elektronisch so einstellen bzw. ansteuern, dass das Anzeigeelement nur dann eine Anzeige liefert, wenn die Signalgröße an dem Eingang des elektrooptischen Bauelementes bestimmte Bedingungen, insbesondere das Überschreiten einer Schwellenwertspannung, aufweist, und im anderen Fall das Anzeigeelement gar nicht angesprochen wird, so dass sich dessen Lebensdauer verlängert. Der elektrooptischen Bauelement kann beispielsweise ein Integrator vorgeschaltet sein, der das Eingangssignal über eine vorbestimmte Zeitspanne integriert, und der das elektrooptische Bauelement nur dann anspricht, wenn der über die Zeitspanne integrierte Wert einen vorbestimmten, beispielsweise voreingestellten Schwellenwert, überschreitet.
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Weiter erweist sich als vorteilhaft, dass das elektrooptische Bauelement sehr schnell geschaltet werden kann und im wesentlichen ohne Zeitverzögerung anspricht. Zusätzlich besteht ein Vorteil darin, dass das elektrooptische Element nur wenig von der Temperatur in der direkten Umgebung des Sensors beeinflusst wird.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass das elektrooptische Bauelement eine elektrochrome Beschichtung umfasst. Eine derartige elektrochrome Beschichtung ändert ihre Farbe bei Anlegen einer Spannung bzw. bei Stromdurchfluss. Beispielsweise ist elektrochromes Glas bekannt, dessen Transparenz je nach angelegter Gleichspannung unterschiedlich ist, und das sich durch Anlegen einer Gleichspannung zwischen einem transparenten Zustand und einem nicht-transparenten, beispielsweise opaken, Zustand schalten lässt. Das elektrochrome Glas umfasst eine mikroskopisch dünne, elektrochrome Beschichtung aus z. B. Wolframoxid oder Polyanilin, die sich auf einer Glas- oder anderen Oberfläche, insbesondere auch auf der Oberfläche eines biegsamen, elastischen Kunststoffs, aufbringen lässt, und die bei Stromdurchfluss ihre Farbe bzw. Transparenz oder Reflektivität ändert.
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Alternativ oder ergänzend zu der elektrochromen Beschichtung ist vorzugsweise vorgesehen, dass das elektrooptische Bauelement eine Elektrobenetzungszelle umfasst. Eine derartige Elektrobenetzungszelle umfasst zwei Elektroden eines Kondensators, wobei eine Elektrode mit einer beispielsweise hydrophoben Flüssigkeit benetzt ist, und wobei zwischen den beiden Elektroden eine Mischung aus einer hydrophilen und der hydrophoben Flüssigkeit als Medium vorgesehen ist. Abhängig von der zwischen den beiden Elektroden anliegenden Spannung ändert sich die gegenseitige Benetzbarkeit der beiden Flüssigkeiten, so dass die Elektrobenetzungszelle zwischen einem im wesentlichen transparenten Zustand, wenn die beiden Flüssigkeiten einen geringen Kontaktwinkel einschließen, und einem im wesentlichen nicht-transparenten, beispielsweise opaken Zustand, wenn die beiden Flüssigkeiten sich nicht gut benetzen und einen hohen Kontaktwinkel einschließen, schalten lässt.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass ein Energiespeicher vorgesehen ist, der die von dem piezoelektrischen Sensor bereitgestellte Energie zwischenspeichert, und der sich über dem Anzeigeelement entlädt. Der Energiespeicher ermöglicht ein schlagartiges Entladen und somit ein kurzfristiges Umschalten der Anzeigeeinheit, die damit ein eindeutiges Ergebnis anzeigt.
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Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen sowie aus der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels.
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Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die anliegende Zeichnung näher beschrieben und erläutert.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt schematisch eine Seitenansicht einer Explosionsdarstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Sensors.
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Detaillierte Beschreibung der Zeichnung
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1 zeigt einen Sensor, der als im wesentlichen elastischer und biegsamer Verbund mehrer untereinander verbundener Schichten und Lagen ausgebildet ist, und der auf ein Lager befestigt werden kann.
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Der Sensor 1 umfasst eine Klebelage 1 sowie eine Lage 2, in der ein piezoelektrischer Sensor angeordnet ist, der sich entlang der gesamten Fläche der Lage 2 erstreckt. Ein Ausgang des piezoelektrischen Sensors führt zu einem Energiespeicher 3, der beispielsweise als Folienbatterie oder als Kondensator ausgebildet ist, und als eine Energiespeicherlage gebildet ist.
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Der Ausgang des Energiespeichers 3 führt zu einem mehrlagig ausgebildeten Anzeigeelement 4. Das Anzeigeelement 4 umfasst eine Anzeigeschicht 5, die im wesentlichen mittig eine farbige Fläche aufweist. Das Anzeigeelement 4 umfasst weiter ein elektrooptisches Bauelement 6, das als Elektrobenetzungszelle ausgebildet ist.
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Das elektrooptische Bauelement 6 umfasst eine erste, im wesentlichen transparente Elektrode 7, die von einer transparenten, wasserabweisenden Isolationsschicht 8 überdeckt ist. Die Isolationsschicht 8 ist von einer Ölschicht 9 überdeckt, die wiederum von einer Wasserschicht 10 getrennt ist. Die Isolationsschicht 8 ist hydrophob ausgebildet und wird von der ebenfalls hydrophoben Ölschicht 9 weitgehend vollständig bedeckt. Das Material der Ölschicht 9 ist so ausgewählt, dass das Öl, wenn die Ölschicht 9 die Isolationsschicht 8 vollständig bedeckt, die Sicht auf die farbige Anzeigeschicht 5 aus der Richtung der Wasserschicht 10 unmöglich macht.
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Auf die Wasserschicht 10 folgt eine ebenfalls transparente Deckschicht als zweite Elektrode 11 des elektrooptischen Bauelementes. Die zweite Elektrode 11 ist von einem Customizing-Element 12 überdeckt, das in der Mitte eine Ausnehmung aufweist, die mit dem farbigen, mittigen Bereich der Anzeigeschicht 5 ausgerichtet ist. Das Customizing-Element 12 umfasst, die Ausnehmung umlaufend, Angaben zu dem Hersteller des Sensors sowie Informationen darüber, was im Fall eines auftretenden Lagerschadens zu tun ist.
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Das Customizing-Element 12 ist mittels einer dünnen Klebeschicht 13 an einer Kappe 13 aus einem transparenten Kunststoff befestigt, wobei die Kappe 13 die Abfolge der vorgenannten Schichten bzw. Lagen, beginnend mit der Klebelage 1, seitlich überdeckt.
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Der Sensor ist mittels der Klebelage 1 auf der Oberfläche eines Lagers oder einer Lageraufnahme aufgeklebt und lösbar befestigt. Schwingungen in dem Lager werden von dem in der Lage 2 angeordneten piezoelektrischen Sensor erfasst und in elektrische Impulse umgewandelt, die in den Energiespeicher 3 geleitet werden. Der Ausgang des Energiespeichers 3 ist mit der ersten Elektrode 7 geführt ist. Je nach Spannung zwischen der ersten Elektrode 7 und der zweiten Elektrode 11 des elektrooptischen Bauelementes 6 benetzt die Ölschicht 9 die Isolationsschicht 8 (so dass ein Beobachter, der von der Kappe 14 auf die Anzeigeschicht 5 blickt, die farbige Mitte der Anzeigeschicht 5 nicht erkennen kann) oder nicht; in letzteren Fall mischt sich die Ölschicht 9 teilweise mit der Wasserschicht 10, so dass sich eine teilweise transparente Suspension bildet, den dem Beobachter den Blick auf die farbige Mitte der Anzeigeschicht 5 freigibt.
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Kann der Beobachter die farbige Mitte der Anzeigeschicht 5 erkennen, zeigt das ein Überschreiten einer kritischen Schwingung in dem Lager an, wofür die farbige Mitte der Anzeigeschicht 5 beispielsweise in einer roten Warnfarbe ausgestaltet ist. In dem anderen Fall, bei einem Unterschreiten eines kritischen Wertes für die Schwingung in dem Lager, bedeckt die Ölschicht 9 die Isolationsschicht 8 und gibt den Blick auf die farbige Mitte der Anzeigeschicht 5 nicht frei. Der Beobachter sieht statt dessen die Ölschicht 9, die beispielsweise mit grünem Farbstoff versehen sein kann, so dass dem Beobachter ein störungsfreies Funktionieren des Lagers angezeigt wird.
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Ob die Ölschicht 9 die Isolationsschicht 8 überdeckt oder nicht, hängt von der Spannung zwischen den beiden Elektroden 7, 11 ab, wobei die Spannung an der ersten Elektrode 7 durch den Energiespeicher 3 bestimmt wird, an dessen Eingang das Ausgangssignal des piezoelektrischen Sensors in der Lage 2 liegt.
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Bei dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel war zwischen den beiden Elektroden 7, 11 die Ölschicht 9 und die Wasserschicht 10 angeordnet, wobei die gegenseitige Mischbarkeit bzw. Benetzbarkeit von Wasser und Öl durch die zwischen den beiden Elektroden 7, 11 anliegende Spannung angesteuert wurde. Es versteht sich, dass zwischen den beiden Elektroden 7, 11 auch ein elektrochromes Material, beispielsweise eine Lage eines elektrochromen Materials, beispielsweise eine dünne Lage aus Wolframoxid oder Polyanilin, angeordnet sein kann, wobei die Farbe, Transparenz oder Reflektivität des elektrochromen Materials von der zwischen den beiden Elektroden 7, 11 anliegenden Spannung eingestellt wird. In dem Fall einer Änderung der Farbe des elektrochromen Materials kann auf die Anzeigeschicht 5 verzichtet werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Klebelage
- 2
- Lage mit piezoelektrischen Sensor
- 3
- Energiespeicher
- 4
- Anzeigeelement
- 5
- Anzeigeschicht
- 6
- elektrooptisches Bauelement
- 7
- erste Elektrode
- 8
- Isolationsschicht
- 9
- Ölschicht
- 10
- Wasserschicht
- 11
- zweite Elektrode
- 12
- Customizing-Element
- 13
- Klebeschicht
- 14
- Kappe
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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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.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 202007004159 U1 [0004]
- JP 2006058226 AA [0005]
- JP 2002130263 AA [0006]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- ,Mechatronik und Ästhetik' von M. Pausch, erschienen in ,Der Konstrukteur', Ausgabe 6/2009, S. 40f [0007]
