-
Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Sensor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
-
Der piezoelektrische Effekt, kurz Piezo-Effekt, ist seit langem bekannt. Dieser beschreibt die Änderung der elektrischen Polarisation und damit das Auftreten einer elektrischen Spannung an Festkörpern, wenn sie elastisch verformt werden (direkter Piezo-Effekt). Umgekehrt verformen sich Materialien beim Anleger einer elektrischen Spannung (inverser Piezo-Effekt). Daher ist es seit langem bekannt, den direkten Piezo-Effekt zur Erzeugung von elektrischer Energie zu verwenden. Ebenso kann die durch den direkten Piezo-Effekt erzeugte Energie als Sensorsignal verwendet werden, da die erzeugte elektrische Energie in einem kausalen Zusammenhang mit der elastischen Verformung steht, durch die sie hervorgerufen wird.
-
Die
WO 2011/069850 A1 beschreibt die Nutzung von Deformationsenergie in elektrische Energie mittels des direkten Piezo-Effekts. Hierbei wird der veränderbare mechanische Druck in einer definierten Raumrichtung genutzt, der durch die Deformationsenergie auf piezoelektrische Elemente ausgeübt wird. Als Anwendungsfall werden z.B. Förderbänder beschrieben, an deren Umkehrpunkten das elastische Förderband eingedrückt wird. D.h. die Anwendung der
WO 2011/069850 A1 sieht u.a. ein Förderband vor, in dem piezoelektrische Elemente vorgesehen sind. Diese piezoelektrischen Elemente würden dann im Umkehrpunkt des Förderbandes in der radialen Richtung der Umkehrtrommel elastisch deformiert werden und hierdurch eine elektrische Spannung erzeugen.
-
Nachteilig ist hierbei, dass ein solches Förderband über seine gesamte Länge mit den piezoelektrischen Elementen versehen werden müsste, diese jedoch nur über die im Vergleich zur Länge des Förderbandes sehr kurze Strecke des Umlaufs um die Umlenktrommel mittels des direkten Piezo-Effekts eine elektrische Spannung erzeugen können. Damit ist ein sehr hoher Aufwand zu treiben für einen vergleichsweise geringen Nutzen an hierdurch erzeugter elektrischer Energie, insbesondere unter Beachtung der Kosten der zu verwendenden piezoelektrischen Elemente, unabhängig davon, ob die so erzeugte elektrische Energie selbst genutzt oder sie als Sensorsignal verwendet werden soll.
-
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen piezoelektrischen Sensor der eingangs beschriebenen Art bereit zu stellen, dessen mittels des direkten Piezo-Effekts erzeugter Spannung besser als Sensorsignal verwendet werden kann als bisher bekannt. Auch sollen die Kosten für die verwendeten piezoelektrischen Elemente reduziert werden.
-
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
-
Somit betrifft die vorliegende Erfindung einen piezoelektrischen Sensor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Dieser piezoelektrische Sensor ist zeichnet sich dadurch aus, dass die veränderbare mechanische Belastung im Wesentlichen eine Scherbelastung ist.
-
Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass der direkte Piezo-Effekt bei einer Scherbelastung um ein Vielfaches höher ausfällt als bei einer Druckbelastung, weil die Auslenkung des Materials bei einer Scherung weitaus größer ist als bei einer Druckbelastung. Entsprechend kann eine entsprechend größere elektrische Spannung erzeugt werden, die bei einer Nutzung als Sensorsignal auch in entsprechend stärkeres Sensorsignal erzeugt als bei einer im Wesentlichen radialen bzw. senkrechten Belastung der piezoelektrischen Elemente. Auch kann durch die Anordnung mehrerer piezoelektrischer Elemente und deren kombinierter Auswertung eine aussagekräftigere sensorische Überwachung erfolgen als bisher bekannt. Daher kann diese Erkenntnis auf Belastungsfälle angewendet werden, in denen eine Scherbelastung auftritt.
-
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung weist der piezoelektrische Sensor einen Rotationskörper auf, der geeignet ist, eine Rotationsbewegung U zu erzeugen und diese als translatorische Bewegung X auf einen Körper zu übertragen oder eine translatorische Bewegung X von einem Körper aufzunehmen und in eine Rotationsbewegung U zu übertragen. Das wenigstens eine piezoelektrische Element ist auf dem wenigstens einen elastischen Wandlerelement auf dem Rotationskörper derart vorgesehen, dass der Körper durch seine translatorische Bewegung X eine Scherbelastung auf das piezoelektrische Element ausüben kann.
-
Der vorliegenden Erfindung liegt ferner die Erkenntnis zugrunde, dass eine derartige Scherbelastung zwischen einem rotierenden Körper (Rotationskörper) und einem sich zu diesem translatorisch bewegendem Körper auftreten kann. So kann zum einen der Rotationskörper zu einer Rotationsbewegung U angetrieben werden und diese in eine translatorische Bewegung X des translatorisch bewegenden Körpers übertragen. Ein solcher Fall ist z.B. bei einer Antriebstrommel eines Förderbandes gegeben. Zum anderen kann auch die translatorische Bewegung X des translatorisch bewegenden Körpers in eine Rotationsbewegung U des Rotationskörpers gewandelt werden. Dies wäre z.B. bei einer Umlenkrolle eines Förderbandes der Fall.
-
In beiden Fällen wird durch die Wandlung zwischen Rotationsbewegung U und translatorischer Bewegung X eine Scherung des Kontaktmaterials sowohl auf der Oberfläche der Außenseite des Rotationskörpers als auch auf der Oberfläche der Unterseite des translatorisch bewegenden Körpers bewirkt. Diese fällt weitaus größer aus als die durch Druck verursachte Belastung dieser beiden Oberflächen. Daher lässt sich durch die Ausnutzung der Scherbelastung mittels des direkten Piezo-Effekts eine weitaus größere elektrische Energie und damit ein stärkeres Sensorsignal bzw. bei Verwendung mehrerer einzelner piezoelektrische Elemente eine Vielzahl von Sensorsignalen erzeugen als durch die Ausnutzung der Druckbelastung.
-
Vorteilhaft ist es dabei, dass wenigstens ein piezoelektrisches Element samt elastischem Wandlerelement auf dem Rotationskörper vorzusehen. Das piezoelektrische Element kann dabei direkt als die Oberfläche der Außenseite des Rotationskörpers ausgebildet oder durch eine oder mehrere Schichten von Materialien oder dergleichen nach außen hin geschützt sein. Dabei ist die Anordnung des wenigstens einen piezoelektrischen Elements derart vorzusehen, dass die gewünschte Scherbelastung auf das wenigstens eine piezoelektrische Element wirken kann.
-
Vorzugsweise ist der Rotationskörper eine Antriebstrommel oder eine Umlenktrommel eines Fördergurtanlage, in dessen Trommelbelag das wenigstens eine piezoelektrische Element samt elastischem Wandlerelement vorgesehen ist. Der sich translatorisch bewegende Körper ist dann ein Förderband. Insbesondere bei einer derartigen piezoelektrischen Energiewandlung ergibt sich der Vorteil, dass lediglich der Trommelbelag mit dem wenigstens einen piezoelektrischen Element samt elastischem Wandlerelement ausgestattet sein muss und nicht der Fördergurt selbst. Hierdurch kann die Anzahl der verwendeten piezoelektrischen Elemente deutlich verringert und diese um ein Vielfaches besser ausgenutzt werden als bei einer piezoelektrischen Energiewandlung, bei der der Fördergurt mit piezoelektrischen Elementen ausgestattet ist und die Trommeln nicht.
-
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung weist der Rotationskörper eine Mehrzahl n von piezoelektrischen Elementen auf jeweils wenigstens einen elastischen Wandlerelement auf.
-
Diese segmentierte Anordnung der piezoelektrischen Elemente hat den Vorteil, dass verschiedene Sensorsignale erzeugt werden, die jeweils einem bestimmten Abschnitt der mit piezoelektrischen Elementen ausgestatteten Oberfläche zugeordnet werden können. Somit kann auf diese Weise eine abschnittsweise sensorische Überwachung über den gesamten Umfang des Rotationskörpers erfolgen. Hierdurch lassen sich z.B. Schadstellen oder andere lokale Ereignisse sensorisch erfassen und dem entsprechenden Bereich der Oberfläche zuordnen.
-
Auch lässt sich der mittels direktem Piezo-Effekt erzeugten Sensorsignale die Belastung der Oberfläche des Rotationskörpers erfassen, um hierdurch Rückschlüsse auf dessen Betriebssituation zu schließen, wie z.B. Gurtlauf, Gurtspannung, Ruhe- und Nutzungsbogen, Schlupf oder Verunreinigungen.
-
Derartige Sensorinformationen müssen herkömmlicherweise über unterschiedliche Sensoren erfasst werden, weshalb üblicherweise zum Erfassen derartiger Betriebsdaten sehr viele Sensoren an Gurtförderanlagen installiert sind. Dies führt zu entsprechenden Kosten und einem vergleichsweise hohen Aufwand der Installation und Auswertung.
-
Hingegen können bei einem erfindungsgemäßen Belag einer Trommel einer Förderanlage, der mit einer Mehrzahl von segmentiert angeordneten piezoelektrischen Elementen versehen ist, diese Betriebsdaten alleine bzw. weitestgehend aus diesen Sensorelementen gewonnen werden, weshalb weitere Sensorinstallationen nicht bzw. weniger als bisher erforderlich sind.
-
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung sind die mehreren piezoelektrischen Elemente sowohl in Richtung des Umfangs als auch über die Breite des Rotationskörpers segmentiert ausgeführt und angeordnet.
-
Dies hat den weiteren Vorteil, dass eine mindestens zweidimensionale sensorische Überwachung der Oberfläche des Rotationskörpers erfolgen kann.
-
Ein Ausführungsbeispiel und weitere Vorteile der Erfindung werden nachstehend im Zusammenhang mit der folgenden Figur erläutert. Darin zeigt:
-
1 eine perspektivische schematische Darstellung eines piezoelektrischen Sensors.
-
1 zeigt eine perspektivische schematische Darstellung eines piezoelektrischen Sensors 1. In diesem Ausführungsbeispiel weist der piezoelektrische Sensor 1 einen Rotationskörper 2 in Form einer Trommel 2 einer Fördergurtanlage und einen translatorisch bewegten Körper 3 in Form eines Fördergurtes auf. Die Trommel 2 kann dabei sowohl eine Antriebstrommel 2 sein, die eine Rotationsbewegung U erzeugt und als translatorische Bewegung X auf den Fördergurt überträgt, als auch eine Umlenktrommel 2, die eine translatorische Bewegung X von dem Fördergurt 3 als Rotationsbewegung U aufnimmt.
-
Die Trommel 2 weist an der Oberfläche 20 ihrer Außenseite eine Mehrzahl n von piezoelektrischen Elementen PE auf, die jeweils auf einem elastischen Wandlerelement elastisch gelagert sind.
-
Wird nun der Fördergurt 3 durch die Trommel 2 angetrieben bzw. treibt der Fördergurt 3 die Trommel 2 an, so berühren sich die Oberfläche 20 der Außenseite der Trommel 2 und die Oberfläche 30 der Unterseite des Fördergurtes 3 ab einem Kontaktaufnahmepunkt 4a bis zu einem Kontaktaufgabepunkt 4b. In diesem Kontaktbereich tritt durch die Wandler zwischen rotatorischer und translatorischer Bewegung U, X eine Scherung der piezoelektrischen Elemente PE auf, die zu einer Erzeugung von elektrischer Energie durch den direkten Piezo-Effekt führt. Dabei ist die Scherung bei der Kontaktaufnahme der Oberflächen 20, 30 am Punkt 4a am größten und nimmt über den Kontaktbereich bis zum Kontaktaufgabepunkt 4b hin kontinuierlich ab. In dem Bereich des Umfangs der Trommel 2, in dem kein Kontakt mit dem Fördergurt besteht, tritt keine Scherung der piezoelektrischen Elemente PE auf.
-
Bezugszeichenliste
-
- U
- Rotationsbewegung
- X
- translatorische Bewegung
- 1
- Piezoelektrischer Sensor
- 2
- Rotationskörper, vorzugsweise Antriebs- oder Umlenktrommel
- 20
- Oberfläche der Außenseite des Rotationskörpers 2
- 3
- (translatorisch bewegter) Körper, vorzugsweise Fördergurt
- 30
- Oberfläche der Unterseite des Körpers 3
- 4a
- Kontaktaufnahmepunkt zwischen Rotationskörper 2 und translatorisch bewegtem Körper 3
- 4b
- Kontaktaufgabepunkt zwischen Rotationskörper 2 und translatorisch bewegtem Körper 3
- PE
- piezoelektrisches Element
- PE1
- erstes piezoelektrisches Element einer Mehrzahl n von piezoelektrischen Elementen PE
- PE2
- zweites piezoelektrisches Element einer Mehrzahl n von piezoelektrischen Elementen PE
- PEm
- m-tes piezoelektrisches Element einer Mehrzahl n von piezoelektrischen Elementen PE
- PEn
- n-tes piezoelektrisches Element einer Mehrzahl n von piezoelektrischen Elementen PE
-
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
-
- WO 2011/069850 A1 [0003, 0003]
