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Die Erfindung betrifft einen Funksensor sowie ein System zur Schwingungsmessung eines schwingenden Objektes.
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Die Schwingungsmessung beschäftigt sich mit der messtechnischen Ermittlung der Parameter Frequenz(-spektrum) und Amplitude schwingender Objekte, meist zur Fehlererkennung und -identifikation. Ein Beispiel ist die Erkennung von Lagerschäden an rotierenden Maschinen. Dabei versteht sich, dass das Objekt nicht ständig schwingen muss, aber nur wenn es schwingt, kann auch eine Schwingung gemessen werden (oder die Schwingung hat im ruhenden Fall eine Amplitude von Null).
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Besonders attraktiv sind dabei berührungslos arbeitende Verfahren, bei denen kein physikalischer Kontakt zwischen dem schwingenden Objekt und einem Messmittel hergestellt werden muss, da hierbei die Schwingung in Frequenz und Amplitude nicht verfälscht wird und kein Verschleiß am Messmittel auftritt. In schwer zugänglichen Bereichen ist die berührungslose Messung zudem die einzige Möglichkeit, die Schwingungsparameter messtechnisch genau zu erfassen. Moderne Messgeräte zur berührunglosen Schwingungsmessung, so genannte Laser-Vibrometer, ermitteln die Dopplerverschiebung eines ausgesendeten und eines reflektierten Laserstrahls zur Bestimmung der Schwingungsparameter. Diese Geräte sind sehr teuer und können daher meist nicht in großer Zahl beschafft und stationär zur Dauerüberwachung installiert werden. Zudem benötigen Vibrometer eine ungestörte Sichtverbindung zum schwingenden Objekt und müssen im Betrieb dauerhaft mit elektrischer Energie über Kabelverbindungen versorgt werden.
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Ist die berührungslose Schwingungsmessung aus den genannten Gründen nicht durchführbar, können Beschleunigungsaufnehmer am Messobjekt befestigt werden, die über Kabel mit einem Auswertegerät verbunden sind. Das Auswertegerät berechnet aus den gemessenen Beschleunigungswerten die Schwingungsparameter. Der Hauptnachteil dieser Methode ist die teure Verkabelung zwischen den einzelnen Beschleunigungsaufnehmern und dem Auswertegerät. Die Verkabelung gilt im industriellen Umfeld als besonders teuer, es werden Kosten zwischen 100 € und 1000 € pro Meter angegeben.
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Die Masse der Schwingungsmessungen wird heute mit tragbaren Geräten durchgeführt, da die Sensorpreise bzw. die Preise für Verkabelung und Nachrüstung sehr hoch sind. Bei der Messung mit tragbaren Geräten erfolgt die Ankopplung über Magnete. Je nach Beschaffenheit der Oberfläche können nur die Bereiche von 0 Hz bis maximal 4000 Hz erfasst werden. Für die Detektierung von Lager-, Getriebe- und Umrichterfehler werden aber die Frequenzen bis 20 kHz benötigt. Die Fehlfrequenzen sind zwar sichtbar, aber der Messfehler kann abhängig von der Oberfläche bis 50% schwanken. Da aber gerade die Lagernutzung, und damit die Zeit bis zum nächsten Lagerwechsel, Kosteneinsparungen bringen, ist ein fester Sensor gegenüber einem mobilen von Vorteil.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Form der Schwingungsmessung anzugeben, die die genannten Nachteile vermeidet.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Funksensor zur Schwingungsmessung eines schwingenden Objektes mit einem Funkmodul und zumindest einem Energiewandler, mittels dem Umgebungsenergie in elektrische Energie konvertierbar ist.
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Die Aufgabe wird weiter gelöst durch ein System zur Schwingungsmessung eines schwingenden Objektes mit einem Auswertegerät und zumindest einem derartigen Funksensor.
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Durch den erfindungsgemäßen Funksensor werden die Messdaten nicht über ein Kabel an das Auswertegerät übertragen, sondern drahtlos per Funk. Damit entfällt die Notwendigkeit, ein Kabel zur Datenübertragung zwischen beiden Geräten zu verlegen.
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Moderne Funkverfahren, die voll integriert für wenige Euro pro Stück erhältlich sind (bspw. Radio ICs nach IEEE 802.15.4), sind platz- und energiesparend und erlauben eine robuste Datenübertragung.
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Um auch die Notwendigkeit eines Kabels zur Energieversorgung des Funksensors zu umgehen, sammelt der Funksensor seine für den Betrieb benötigte Energie aus seiner Umgebung. Dieser Vorgang wird heute auch „Energy Harvesting“ genannt. Denkbar sind hier z.B. Formen der Energieversorgung über Licht (Solarzelle) oder auch anderer elektromagnetischer, mechanischer, chemischer etc. Energie. Dabei kann der Funksensor auch mehrere Energiewandler aufweisen, die auch verschiedenen Typs sein können.
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Zudem ist keine direkte Sichtverbindung zwischen Funksensor und Auswertegerät notwendig: Während bei Laser-Vibrometern stets eine direkte Sichtverbindung zwischen dem Messgerät und dem Messobjekt bestehen muss, müssen sich der Funksensor und das Auswertegerät nicht direkt „sehen“ können, da eine drahtlose Datenübertragung – bei geeigneter Wahl der Parameter Frequenz, Bandbreite, Modulationsverfahren – auch über Beugung und Reflexionen funktionieren kann. Damit entfällt die Notwendigkeit, die Positionen der Auswertegeräte genau zu bestimmen und im Betrieb stets auf Sichtverbindung zu kontrollieren.
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Darüber hinaus kann die Hardware dieses Messsystems im Vergleich zur Laser-Vibrometrie, die als besonders teuer gilt, wesentlich günstiger aufgebaut werden. Die Kosten liegen im Bereich kabelgebundener Messsysteme mit kleineren Zusatzposten für die Funkmodule und Antennen.
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Aufgrund der im Vergleich zum Laser-Vibrometer geringen Kosten kann das Messsystem dauerhaft installiert bleiben, um nicht nur gelegentlich, sondern ständig die Schwingungsparameter aufzunehmen. Dadurch ergeben sich Vorteile bei der schnelleren Erkennung von Schadzuständen zur Vermeidung teurer Folgeschäden und längerer Produktionsausfälle.
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Durch die erfindungsgemäße Lösung werden also die Technologien Energy Harvesting, drahtlose Datenübertragung und Schwingungsmessung so kombiniert, dass eine drahtlose Schwingungsmessung zwischen einem Funksensor und einem Auswertegerät ständig durchgeführt werden kann. Damit werden die Vorteile beider Verfahren aus dem Stand der Technik kombiniert: Der drahtlose Betrieb der Laser-Vibrometer und die kostengünstige und direkte Messung der kabelgebundenen Schwingungssensoren.
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In einer vorteilhaften Form der Ausgestaltung ist zur Schwingungsmessung ein Beschleunigungsaufnehmer vorgesehen. Hierbei wird – wie bei den bekannten kabelgebundenen Messverfahren – ein Gerät zur Messung der Beschleunigung in einer oder mehreren Achsen fest mit dem schwingenden Messobjekt verbunden. Da die Beschleunigung vorzeichenbehaftet gemessen wird, kann damit eine Schwingung messtechnisch erfasst werden. Das Gerät sollte im Vergleich zum schwingenden Objekt eine kleine Masse aufweisen und kleine Abmessungen haben, damit die Schwingung nur geringfügig beeinflusst wird. Die Verbindung zwischen beiden Objekten sollte möglichst starr sein, damit sich die Schwingung ungedämpft auf den Beschleunigungsaufnehmer überträgt.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist der Funksensor weiter zumindest einen Energiespeicher auf. Hierdurch kann zum Einen der Betrieb des Funksensors auch sichergestellt werden, wenn die für das Energy Harvesting benötigte Energieform nicht dauerhaft zur Verfügung steht, zum Anderen kann für den energieintensiveren Einsatz des Funkmoduls Energie „angespart“ werden, wenn beispielsweise nicht ständig Daten zur Auswerteeinheit übertragen werden sollen, sondern in festgelegten Intervallen.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist als Umgebungsenergie die Schwingungsenergie des schwingenden Objektes nutzbar. Bei schwingenden Bauteilen kann dies also generell die mechanische Energie der Schwingung selber sein. Dies ist aber nicht nur dann sinnvoll, wenn das Objekt auch in seinem Normalzustand schwingt, so dass immer genug Energie für den Funksensor zur Verfügung steht, sondern auch in einer Ausgestaltung, in der die Schwingung nur in einem Schadzustand des Objektes auftritt, in dem dann Energie erzeugt wird – die dann beispielsweise in einem Energiespeicher gesammelt werden kann, bis genug für ein „Alarmsignal“ an die Auswerteeinheit zur Verfügung steht –, so dass der Funksensor die meiste Zeit über „still“ ist und nur Daten überträgt, wenn es auch „etwas zu berichten gibt“.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform sind als Umgebungsenergie ein magnetisches Drehfeld und/oder eine Luftströmung und/oder eine Temperaturdifferenz nutzbar. Diese Energieformen stehen beispielsweise bei einer Schwingungsmessung von Motoren in hinreichendem Maße zur Verfügung.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist das Funkmodul eine eindeutige Adresse auf. Diese erlaubt es beispielsweise, mehrere Beschleunigungsaufnehmer an einem Messobjekt bzw. in einem Raum mit nur einem Auswertegerät zu verwenden. Je nach Reichweite der Funkkommunikation und der Kanalkapazität ist es damit möglich, nur wenige Auswertegeräte für eine große Zahl von Beschleunigungsaufnehmern (oder sonstigen Schwingungssensoren natürlich) zu verwenden, was die Kosten weiter reduzieren kann.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand des in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiels näher beschrieben und erläutert. Die Figur zeigt:
eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Systems zur Schwingungsmessung eines Objektes.
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Die Figur zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes System aus einem Funksensor 1 und einem Auswertegerät 8 zur Schwingungsmessung eines schwingenden (bzw. schwingfähigen) Objektes 2, das z.B. eine rotierende Maschine sein kann, die beispielsweise auf Lagerschäden überwacht wird. Der Funksensor 1 weist zumindest ein Funkmodul 3 zum Senden der Daten an das Auswertegerät 8 sowie einen Energiewandler 4 zum Umwandeln von Umgebungsenergie 5 in elektrische Energie auf. Die externe Energie 5 muss dabei nicht wie in der Darstellung „von oben“ auf den Sensor 1 „scheinen“ (wie in Form von Licht 5 auf eine Solarzelle 4), sie kann auch in Form von Schwingungsenergie direkt aus der Schwingung des Objektes 2 vorliegen oder als Temperaturdifferenz, wie sie insbesondere bei Motoren in hinreichendem Maße auftritt, wobei der Energiewandler 4 entsprechend als Piezoelement, Thermoelement etc. ausgeführt ist.
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Der Funksensor 1 weist zur Schwingungsmessung beispielsweise einen Beschleunigungsaufnehmer 6 mit zugehöriger Elektronik auf, dessen Daten über das Funkinterface 3 an die Auswerteeinheit 8 gesendet werden. Dieses Senden der Daten muss dabei nicht kontinuierlich erfolgen, sondern kann vorzugsweise in einstellbaren Zeitintervallen erfolgen. Die hierfür benötigte Energie kann in einem Energiespeicher 7 angesammelt werden, so dass der Energiewandler 4 nicht zu jeder Zeit soviel Energie bereitstellen muss, wie für die Datenübertragung benötigt wird. Wie in den meisten elektronischen Geräten sorgt eine Steuerung 9 für das gewünschte Zusammenspiel aller Komponenten.
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Zusammenfassend betrifft die Erfindung einen Funksensor sowie ein System zur Schwingungsmessung eines schwingenden Objektes mit einem derartigen Funksensor und einem Auswertegerät. Um eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Form der Schwingungsmessung anzugeben, wird vorgeschlagen, den Funksensor mit einem Funkmodul und zumindest einem Energiewandler auszustatten, mittels dem Umgebungsenergie in elektrische Energie konvertierbar ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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