DE102015106589A1

DE102015106589A1 - Passive drahtlose Sensoren

Info

Publication number: DE102015106589A1
Application number: DE102015106589.4A
Authority: DE
Inventors: Yongjae Lee; Nancy Cecilia Stoffel; Joseph Alfred Iannonotti
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Technology GmbH
Priority date: 2014-04-29
Filing date: 2015-04-29
Publication date: 2015-10-29
Also published as: GB201506209D0; JP6552867B2; US20150312654A1; JP2016001465A; GB2530830B; CN105043420A; US9712894B2; CN105043420B; GB2530830A

Abstract

Geschaffen ist ein passiver drahtloser Sensor, der mehrere dielektrische Schichten, eine Antenne, eine Membran und ein Einspeiseelement aufweist. Weiter ist die Antenne in wenigstens einem Teil eines Hohlraums angeordnet, der durch eine oder mehrere dielektrische Schichten der mehreren dielektrischen Schichten gebildet ist. Außerdem ist die Membran an dem Hohlraum angeordnet. Zusätzlich ist das Einspeiseelement in wenigstens einem Teil der mehreren dielektrischen Schichten angeordnet. Außerdem ist das Einspeiseelement betriebsmäßig mit der Antenne verbunden.

Description

HINTERGRUND
Ausführungsformen der vorliegenden Beschreibung betreffen Sensoren und spezieller drahtlose Sensoren.
Gewöhnlich können im Innern einer Verbrennungsmaschine oder an einer beweglichen Schaufel einer Gasturbine raue Betriebsbedingungen vorhanden sein. Nicht als beschränkend zu bewertende Beispiele dieser rauen Betriebsbedingungen können hohe Betriebstemperaturen, hohe Betriebsdrücke, dynamische Bewegungen oder Kombinationen davon beinhalten. Im Betrieb ist allgemein wünschenswert, einen oder mehrere Umgebungsparameter in Einrichtungen und Systemen zu überwachen, die unter den rauen Betriebsbedingungen arbeiten. Diese umgebungsbedingten Parameter können Temperatur, Druck, Geschwindigkeit, Schwingungen, Beschleunigung und/oder Luftfeuchtigkeit beinhalten.
Gasturbinen sind Beispiele von Einrichtungen, in denen außerordentlich raue Betriebsbedingungen herrschen können. Weiter können die Gasturbinen für unterschiedliche Zwecke genutzt werden, beispielsweise für Antrieb und Energieerzeugung, bei denen gewöhnlich die rauen Betriebsbedingungen auftreten. Eine typische Gasturbine umfasst rotierende und nicht rotierende Komponenten, z.B. den Verdichter, die Brennkammeranordnung und Turbinenabschnitte des Triebwerks. Jede dieser Komponenten kann in einem unterschiedlichen Temperaturbereich arbeiten. Beispielsweise sind die Turbinenschaufeln in dem Turbinenabschnitt einer Gasturbine möglicherweise Gasen ausgesetzt, die Temperaturen von etwa 1000 °C bis ungefähr 2000 °C erreichen können. Aufgrund von Problemen im Zusammenhang mit Korrosion, mechanischem Verschleiß und thermischem Verschleiß ist es erwünscht, Temperaturen von Komponenten zu überwachen, die in den Gasturbinen und anderen Vorrichtungen verwendet werden, die unter den rauen Betriebsbedingungen arbeiten.
Es können unterschiedliche Techniken genutzt werden, um in den Gasturbinen Oberflächentemperaturen von Schaufeln, Leitschaufeln, Brennkammeranordnungen, Scheiben und dergleichen zu überwachen. Nicht als beschränkend zu bewertende Beispiele dieser Techniken können verdrahtete Thermoelemente, Dünnschichtthermoelemente, Infrarotphotographie, Hochtemperaturmessung (beispielsweise dreidimensionale Hochtemperaturmessung), thermographische Phosphorthermometrie- und thermische Farbanstriche beinhalten. Eine übliche Technik, die in der Luftfahrzeugtriebwerksumgebung genutzt wird, verwendet Thermoelementdrähte, die in der Laufschaufel- oder Leitschaufelwand eingebettet sind. Allerdings kann ein Einbetten von Drähten in den Wänden strukturelle und aerodynamische Komplikationen hervorrufen, beispielsweise den Luftstrom beeinträchtigen, der genutzt wird, um die Laufschaufeln und/ oder die Leitschaufeln zu kühlen. Diese Störung des Stroms von Luft kann eine Grenzschicht von Luft ungünstig beeinflussen, die in der Nähe der Laufschaufel oder der Leitschaufel vorhanden ist und kann die Turbinenleistung mindern. Weiter verwendet eine andere Thermoelementeinbettungstechnik plasmagesprühte Aluminiumoxidkeramikbeschichtungen, um Thermoelementdrähte, die geringe Durchmesser aufweisen, in Schaufeln und Leitschaufeln einzukapseln und zu isolieren. Allerdings können derartige Einrichtungen aufgrund der thermisch wirksamen Masse der Drähte und der zugeordneten keramischen Isolatorschichten Messfehler einführen.
KURZDARSTELLUNG
Gemäß Aspekten der vorliegenden Beschreibung weist ein passiver drahtloser Sensor mehrere dielektrische Schichten und eine Antenne auf, die in wenigstens einem Teil eines Hohlraums angeordnet ist, der durch eine oder mehrere dielektrische Schichten der mehreren dielektrischen Schichten gebildet ist. Weiter enthält der passive drahtlose Sensor eine Membran, die an dem Hohlraum angeordnet ist, und ein Einspeiseelement, das in wenigstens einem Teil der mehreren dielektrischen Schichten angeordnet ist. Zusätzlich ist das Einspeiseelement betriebsmäßig mit der Antenne verbunden.
In jeder Ausführungsform kann es vorteilhaft sein, dass der Sensor zusätzlich ein oder mehrere Impedanzelemente aufweist, die an oder in einer oder mehreren dielektrischen Schichten der mehreren dielektrischen Schichten angeordnet sind.
Bei jeder Ausführungsform des Sensors kann es vorteilhaft sein, dass eine oder mehrere dielektrische Schichten der mehreren dielektrischen Schichten Hartglas, technisiertes Glas, Siliziumnitrid, Aluminiumnitrid, Aluminiumoxid, einen Keramikverbundstoff oder Kombinationen davon aufweisen.
Bei jeder Ausführungsform kann es vorteilhaft sein, dass der Sensor zusätzlich ein Einspeisungsdurchgangsloch aufweist, das dazu eingerichtet ist, wenigstens einen Teil des Einspeiseelements betriebsmäßig mit der Antenne zu verbinden.
Bei jeder Ausführungsform kann es vorteilhaft sein, dass der Sensor ferner eine Antennenabdeckung aufweist, die auf wenigstens einem Abschnitt der Antenne angeordnet ist.
Bei jeder Ausführungsform des Sensors kann es vorteilhaft sein, dass wenigstens eine dielektrische Schicht der mehreren dielektrischen Schichten auf einem Material basiert, das sich gegenüber einem Material sonstiger Schichten der mehreren dielektrischen Schichten unterscheidet.
Bei jeder Ausführungsform des Sensors kann es vorteilhaft sein, dass das Einspeiseelement dazu eingerichtet ist, Abfragesignale zu empfangen.
Bei jeder Ausführungsform des Sensors kann es vorteilhaft sein, dass das Einspeiseelement zwischen zwei dielektrischen Schichten der mehreren dielektrischen Schichten angeordnet ist.
Bei jeder Ausführungsform des Sensors kann es vorteilhaft sein, dass die Antenne eine kontinuierliche Schicht, eine strukturierte Schicht, mehrere gemusterte Strukturen/Schichten oder Kombinationen davon aufweist.
Bei jeder Ausführungsform kann es vorteilhaft sein, dass der Sensor zusätzlich eine Schutzschicht aufweist, die auf der Membran aufgebracht ist.
Bei jeder Ausführungsform des Sensors kann es vorteilhaft sein, dass die Schutzschicht Siliziumoxid, Siliziumnitrid, Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid, aufgezogenes Glas, einen Keramikverbundstoff oder Kombinationen davon enthält.
Bei jeder Ausführungsform des Sensors kann es vorteilhaft sein, dass die Membran auf einem elektrisch leitenden Material basiert.
Bei jeder Ausführungsform des Sensors kann es vorteilhaft sein, dass die Antenne auf einem elektrisch leitenden Material basiert.
Bei jeder Ausführungsform des Sensors kann es vorteilhaft sein, dass eine oder mehrere dielektrische Schichten der mehreren dielektrischen Schichten mehrere Säulen aufweisen.
Bei jeder Ausführungsform kann es vorteilhaft sein, dass der Sensor zusätzlich ein Einspeisungsdurchgangsloch aufweist, das dazu eingerichtet ist, wenigstens einen Teil des Einspeiseelements betriebsmäßig mit der Antenne zu verbinden, wobei das Einspeisungsdurchgangsloch zwischen zwei oder mehr Säulen der mehreren Säulen angeordnet ist.
Bei jeder Ausführungsform kann es vorteilhaft sein, dass der Sensor zusätzlich eine Referenzschicht aufweist, die mit der Antenne betriebsmäßig verbunden ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Beschreibung, enthält ein Überwachungssystem eine Einrichtung, die eine erste Oberfläche aufweist, und einen passiven drahtlosen Sensor, der an der ersten Oberfläche der Einrichtung angeordnet ist. Der passive drahtlose Sensor weist mehrere dielektrische Schichten und eine Antenne auf, die in wenigstens einem Teil eines Hohlraums angeordnet ist, der durch eine oder mehrere dielektrische Schichten der mehreren dielektrischen Schichten gebildet ist. Weiter enthält der passive drahtlose Sensor eine Membran, die an dem Hohlraum angeordnet ist, und ein Einspeiseelement, das in wenigstens einem Teil der mehreren dielektrischen Schichten angeordnet ist. Außerdem ist das Einspeiseelement betriebsmäßig mit der Antenne verbunden. Weiter enthält das Überwachungssystem einen Sender, der dazu eingerichtet ist, Abfragesignale zu senden, und einen Empfänger, der dazu eingerichtet ist, wenigstens einen Teil von Antwortsignalen zu empfangen, die eine Sensorantwort von dem passiven drahtlosen Sensor kennzeichnen. Zusätzlich enthält das Überwachungssystem einen Signalprozessor, der betriebsmäßig verbunden ist, um die Antwortsignale zu verarbeiten, und eine Überwachungsvorrichtung, die dazu eingerichtet ist, den passiven drahtlosen Sensor auf der Grundlage der verarbeiteten Antwortsignale zu überwachen.
Bei jeder Ausführungsform des Überwachungssystems kann es vorteilhaft sein, dass die Einrichtung eine Turbinenmaschine, eine Verbrennungsmaschine, eine Turbinenschaufel, einen Reaktor oder Kombinationen davon beinhaltet.
Gemäß noch einem weiteren Aspekt der vorliegenden Beschreibung, enthält ein Sensornetzwerk einen Sender, der dazu eingerichtet ist, Abfragesignale zu senden. Das Sensornetzwerk weist ferner mehrere Erfassungsknoten auf, wobei ein oder mehrere Erfassungsknoten der mehreren Erfassungsknoten mindestens einen passiven drahtlosen Sensor enthalten. Weiter ist der wenigstens eine passive drahtlose Sensor dazu eingerichtet, die Abfragesignale zu empfangen und in Reaktion auf die empfangenen Abfragesignale Antwortsignale zu senden. Außerdem enthält das Sensornetzwerk einen Empfänger, der dazu eingerichtet ist, die Antwortsignale zu empfangen und einen Signalprozessor, der mit dem Empfänger betriebsmäßig verbunden ist, um die Antwortsignale zu verarbeiten, um eine Sensorantwort hervorzubringen.
Bei jeder Ausführungsform des Sensornetzwerks kann es vorteilhaft sein, dass eine oder mehrere Erfassungsknoten der mehreren Erfassungsknoten eine passive drahtlose Sensoranordnung aufweisen, wobei die passive drahtlose Sensoranordnung mehrere passive drahtlose Erfassungsregionen enthält, und wobei zu jeder passiven drahtlosen Erfassungsregion der mehreren passiven drahtlosen Erfassungsregionen gehören:

– mehrere dielektrische Schichten;
– eine Antenne, die in wenigstens einem Teil eines Hohlraums angeordnet ist, der durch eine oder mehrere dielektrische Schichten der mehreren dielektrischen Schichten gebildet ist;
– eine Membran, die an dem Hohlraum angeordnet ist; und
– ein Einspeiseelement, das in wenigstens einem Teil der mehreren dielektrischen Schichten angeordnet ist, wobei das Einspeiseelement mit der Antenne betriebsmäßig verbunden ist.

ZEICHNUNGEN
Diese und weitere Merkmale, Aspekte und Vorteile der Offenbarung werden nach dem Lesen der nachfolgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen verständlicher, in denen übereinstimmende Teile durchgängig mit übereinstimmenden Bezugszeichen versehen sind, worin:
1 in einer Querschnittsansicht einen beispielhaften passiven drahtlosen Sensor mit einem Einspeiseelement gemäß Aspekten der vorliegenden Beschreibung zeigt;
2 in einer Querschnittsansicht einen beispielhaften passiven drahtlosen Sensor mit einem Einspeisungsdurchgangsloch zeigt, das betriebsmäßig mit einem Einspeiseelement verbunden ist, gemäß Aspekten der vorliegenden Beschreibung;
3 in einer auseinandergezogenen Ansicht einen Abschnitt des passiven drahtlosen Sensors von 2 gemäß Aspekten der vorliegenden Beschreibung zeigt;
4 in einer Querschnittsansicht einen beispielhaften passiven drahtlosen Sensor zeigt, der mehrere Säulen aufweist, die betriebsmäßig mit einer Antenne verbunden sind, gemäß Aspekten der vorliegenden Beschreibung;
5 in einer perspektivischen Ansicht einen Abschnitt des passiven drahtlosen Sensors von 4 gemäß Aspekten der vorliegenden Beschreibung zeigt;
6 in einer Querschnittsansicht eine beispielhafte passive drahtlose Sensoranordnung zeigt, die mehrere passive drahtlose Erfassungsregionen aufweist, gemäß Aspekten der vorliegenden Beschreibung;
7 in einer schematischen Darstellung ein Überwachungssystem zeigt, das dazu eingerichtet ist, eine oder mehrere Betriebsbedingungen in einer Einrichtung mittels eines passiven drahtlosen Sensors zu überwachen, gemäß Aspekten der vorliegenden Beschreibung;
8 in einer schematischen Darstellung ein Sensornetzwerk zeigt, das mehrere Erfassungsknoten aufweist, wobei ein oder mehrere Erfassungsknoten der mehreren Erfassungsknoten einen passiven drahtlosen Sensor enthalten, gemäß Aspekten der vorliegenden Beschreibung;
9 in einer grafischen Darstellung eine Änderung einer Sensorantwort mit einer Änderung einer Abmessung des Sensors zeigt, gemäß Aspekten der vorliegenden Beschreibung;
10A eine grafische Darstellung einer Änderung einer Sensorantwort mit sich verändernden Durchbiegungswerten einer Membran gemäß Aspekten der vorliegenden Beschreibung zeigt;
10B eine grafische Darstellung der Änderung einer Sensorantwort bezüglich der sich verändernden Durchbiegungswerten der Membran gemäß Aspekten der vorliegenden Beschreibung zeigt;
11 eine grafische Darstellung einer Änderung einer Sensorantwort in Fällen mechanischen Verschleißes/Zerfalls einer Membran gemäß Aspekten der vorliegenden Beschreibung zeigt; und
12–13 grafische Darstellungen einer Änderung einer Sensorantwort mit einer Änderung eines Abstands zwischen einer Abfrageeinrichtung und einem passiven drahtlosen Sensor gemäß Aspekten der vorliegenden Beschreibung zeigen.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Ausführungsformen der vorliegenden Beschreibung betreffen passive drahtlose Sensoren, die dazu eingerichtet sind, mit einer Einrichtung betriebsmäßig verbunden zu werden, um einen oder mehrere Parameter der Einrichtung zu erfassen, die eine physikalische Eigenschaft, eine umgebungsbedingte Eigenschaft oder sowohl physikalische als auch umgebungsbedingte Eigenschaften der Einrichtung kennzeichnen. Beispielsweise kann der passive drahtlose Sensor an einer Turbinenschaufel angeordnet sein, um eine Drehzahl der Laufschaufel zu erfassen. Der passive drahtlose Sensor kann auch in einer Verbrennungsmaschine angeordnet sein, um eine Temperatur im Innern der Verbrennungsmaschine zu erfassen. Nicht als beschränkend zu bewertende Beispiele physikalischer Eigenschaften der Einrichtung können eine Temperatur der Einrichtung, eine Geschwindigkeit der Einrichtung, eine Drehzahl der Einrichtung, eine Beschleunigung der Einrichtung, Schwingungen der Einrichtung oder Kombinationen davon enthalten. Es ist zu beachten, dass die umgebungsbedingte Eigenschaft eine Umgebung, die sich im Innern der Einrichtung befindet, oder eine Umgebung, in der die Einrichtung angeordnet ist, kennzeichnen kann. Nicht als beschränkend zu bewertende Beispiele der umgebungsbedingten Eigenschaft der Einrichtung können eine Temperatur, eine Drehzahl, einen Druck, eine Beschleunigung, Schwingungen oder Kombinationen davon enthalten.
In manchen Ausführungsformen kann der passive drahtlose Sensor mehrere dielektrische Schichten enthalten, wobei eine Antenne in wenigstens einem Teil eines Hohlraums angeordnet ist, der durch eine oder mehrere dielektrische Schichten der mehreren dielektrischen Schichten gebildet ist. Weiter kann der passive drahtlose Sensor eine Membran enthalten, die in wenigstens einem Teil des Hohlraums angeordnet ist. Außerdem kann der passive drahtlose Sensor ein Einspeiseelement enthalten, das in wenigstens einem Teil der mehreren dielektrischen Schichten angeordnet ist. Zusätzlich kann das Einspeiseelement betriebsmäßig mit der Antenne verbunden sein. Außerdem kann der passive drahtlose Sensor ein oder mehrere Impedanzelemente enthalten. Weiter können die Impedanzelemente auf oder in einer oder mehreren dielektrischen Schichten der mehreren dielektrischen Schichten angeordnet sein.
Außerdem kann der passive drahtlose Sensor in manchen Ausführungsformen dazu eingerichtet sein, Abfragesignale zu empfangen. Die Abfragesignale können durch das Einspeiseelement des passiven drahtlosen Sensors empfangen sein. Weiter können die Abfragesignale mittels des Einspeiseelement und einer oder mehrerer dielektrischer Schichten zu der Antenne übertragen werden. Außerdem kann der passive drahtlose Sensor dazu eingerichtet sein, in Reaktion auf die empfangenen Abfragesignale eine Sensorantwort bereitzustellen. Beispielsweise kann der passive drahtlose Sensor dazu eingerichtet sein, die Sensorantwort zu einem Empfänger oder zu einer Abfrageeinrichtung zu übermitteln, wenn der passive drahtlose Sensor die Abfragesignale in Anwesenheit einer oder mehrerer Betriebsbedingungen der Einrichtung aufnimmt. Dementsprechend kann die Sensorantwort die Betriebsbedingungen der Einrichtung kennzeichnen. In einer Ausführungsform kann die Sensorantwort Signale enthalten, die durch die Antenne des passiven drahtlosen Sensors zu einem Empfänger abgestrahlt werden. Es ist zu beachten, dass der Empfänger und die Abfrageeinrichtung außerhalb des passiven drahtlosen Sensors angeordnet sein können. Weiter können der Empfänger und die Abfrageeinrichtung außerhalb der Einrichtung angeordnet sein, in der der passive drahtlose Sensor angeordnet ist.
In manchen Ausführungsformen können die Abfragesignale verloren gehen, wenn die Membran aufgrund von Betriebsbedingungen in der Einrichtung durchgebogen wird. In einigen Ausführungsformen kann der Verlust der Abfragesignale zu einem Grad der Durchbiegung der Membran proportional sein. Somit kann der Verlust der Abfragesignale die Betriebsbedingungen in der Einrichtung kennzeichnen. Weiter kann eine Frequenz der Antwortsignale mit einer Zunahme des Verlusts der Abfragesignale abnehmen. Speziell kann die Frequenz der Antwortsignale mit einer Zunahme des Grades der Durchbiegung der Membran abnehmen. Somit kann die Frequenz der Antwortsignale die Betriebsbedingungen in der Einrichtung kennzeichnen.
Vorteilhafterweise sind die passiven drahtlosen Sensoren dazu eingerichtet, rauen Betriebsbedingungen zu widerstehen, wobei die rauen Betriebsbedingungen im Innern der Einrichtung oder außerhalb der Einrichtung vorhanden sein können. Beispielsweise können die passiven drahtlosen Sensoren in einigen Ausführungsformen dazu eingerichtet sein, die Parameter der Einrichtung unter Hochtemperaturbedingungen, Hochdruckbedingungen, aggressiven chemischen Bedingungen (die beispielsweise aufgrund der Anwesenheit aggressiver chemischer Umgebungen verursacht sind) oder Kombinationen davon zu erfassen. In manchen Ausführungsformen können sich die passiven drahtlose Sensoren der vorliegenden Beschreibung für den Einsatz in einer Kraftmaschine (beispielsweise in einer Verbrennungsmaschine oder in einem Strahltriebwerk), einem Reaktor (beispielsweise einem Kernreaktor), einer Turbine (beispielsweise einer Gasturbine, einer Turbinenschaufel), einer industriellen Anordnung für industrielle Anwendungen oder in Kombinationen davon eignen. In einem Beispiel können die passiven drahtlosen Sensoren verwendet werden, um eine Temperatur einer oder mehrerer Oberflächen rotierender Komponenten und/oder nicht rotierender Komponenten einer Gasturbine zu erfassen.
Weiter können die passiven drahtlosen Sensoren in nicht als beschränkend zu bewertende Ausführungsformen, dazu eingerichtet sein, bei Temperaturen oberhalb von 1000 °C zu arbeiten. Außerdem können die passiven drahtlosen Sensoren dazu eingerichtet sein, für kurze Zeitspannen (beispielsweise weniger als eine Stunde) oder für größere Zeitspannen bei derartig hohen Temperaturen zu arbeiten. Zusätzlich können die passiven drahtlosen Sensoren dazu eingerichtet sein, in Umgebungen zu arbeiten, in denen häufig und/oder für größere Zeitspannen hohe Temperaturen, hohe Gasgeschwindigkeiten und hohe Beschleunigungsbelastungen anzutreffen sind. In einer Ausführungsform können die ausgedehnten Zeitspannen in einem Bereich von etwa wenigen Stunden bis ungefähr einigen Monaten liegen. Außerdem ist zu beachten, dass die passiven drahtlosen Sensoren der vorliegenden Beschreibung, während sie dazu eingerichtet sind, in rauen Betriebsbedingungen zu arbeiten, möglicherweise nicht lediglich auf eine Verwendung in rauen Umgebungen beschränkt sind und genutzt werden können, um verhältnismäßig tolerante umgebungsbedingte Bedingungen zu erfassen, beispielsweise, jedoch ohne darauf beschränken zu wollen, niedrigere Temperaturen, geringere Drücke, niedrigere Geschwindigkeiten von Gasen oder Kombinationen davon.
Vorteilhafterweise gestattet die passive Natur der drahtlosen Sensoren den passiven drahtlosen Sensoren, die Parameter der Einrichtung zu erfassen, ohne die Einrichtung oder ein die Einrichtung verwendendes System zu stören oder damit in unerwünschter Weise in Wechselwirkung zu treten. Beispielsweise können Abmessungen der passiven drahtlosen Sensoren so (gewählt) sein, dass die passiven drahtlosen Sensoren die Rotation einer Turbinenschaufel nicht beeinträchtigen. Weiter sind die passiven drahtlosen Sensoren, wie aus ihrer Bezeichnung hervorgeht, drahtlose Einrichtungen, die bequem installiert werden können, ohne Leitungen oder Kabel verlegen zu müssen, die verdrahteten Sensoren sonst zugeordnet sind.
In manchen Ausführungsformen können ein oder mehrere passive drahtlose Sensoren der vorliegenden Beschreibung in Überwachungssystemen verwendet werden. Wie im Folgenden im Einzelnen mit Bezug auf 7–8 erläutert, kann wenigstens ein Abschnitt der Überwachungssysteme drahtlos sein. In einem Beispiel können der eine oder die mehreren passiven drahtlosen Sensoren in einem Überwachungssystem verwendet werden, in dem eine oder mehrere passive drahtlose Sensoren mit einem oder mehreren andere passiven drahtlosen Sensoren oder mit einem oder mehreren Prozessoren oder Überwachungsvorrichtungen, die in dem Überwachungssystem genutzt werden, Daten austauschen können. In einer Ausführungsform kann das Überwachungssystem einen Sender enthalten, der dazu eingerichtet ist, ein Abfragesignal zu übermitteln, wobei ein passiver drahtloser Sensor dazu eingerichtet ist, das Abfragesignal zu empfangen und durch Senden eines Antwortsignals zu antworten. Weiter kann das Überwachungssystem einen Empfänger enthalten, um das Antwortsignal zu empfangen. In einer Ausführungsform kann das Überwachungssystem einen integrierten Prozessor enthalten, um das Antwortsignal zu verarbeiten. Alternativ kann das Überwachungssystem einen unabhängigen Prozessor enthalten, um das Antwortsignal zu verarbeiten. Zusätzlich kann das Antwortsignal analysiert oder verarbeitet werden, um einen oder mehrere Parameter zu erfassen, die eine physikalische Eigenschaft und/oder eine umgebungsbedingte Eigenschaft der Einrichtung kennzeichnen. Weiter können die passiven drahtlosen Sensoren beispielsweise vorteilhaft in einem Strahltriebwerk verwendet werden, da die passiven drahtlosen Sensoren keine Energiequelle erfordern. Weiter kann auf die Antwortsignale von den passiven drahtlosen Sensoren ferngesteuert zugegriffen werden. In einem nicht als beschränkend zu bewertenden Beispiel können der passive drahtlose Sensor und das Überwachungssystem genutzt werden, um die Sicherheit und Unversehrtheit wenigstens eines Teils des Strahltriebwerks zu überwachen.
Weiter kann der passive drahtlose Sensor für ein Messen der Temperatur an einer oder mehreren Flächen rotierender und nicht rotierender Komponenten in Gasturbinen von Vorteil sein. In solchen Umgebungen haben herkömmliche verdrahtete Sensoren, z.B. verdrahtete Thermoelemente, mit Blick auf eine zuverlässige Oberflächentemperaturmessung möglicherweise eine verhältnismäßig große thermisch wirksame Masse. Weiter kann ein Verwenden der herkömmlichen verdrahteten Sensoren mindestens hinsichtlich der Verkabelung der herkömmlichen verdrahteten Sensoren (beispielsweise der Thermoelemente) ausgehend von einer gewünschten Stelle auf der Einrichtung zu einem Datenakquisitionssystem zusätzliche Probleme schaffen.
Vorteilhafterweise kann der passive drahtlose Sensor der vorliegenden Beschreibung ausreichend dünn sein, um eine Grenzschicht einer Vorrichtung, mit der der passive drahtlose Sensor betriebsmäßig verbunden ist, nicht wesentlich zu beeinflussen. In einer Ausführungsform kann eine Dicke des passiven drahtlosen Sensors in einem Bereich von wenigen Millimetern bis zu mehreren hundert Millimetern liegen. In einem speziellen Beispiel kann die Dicke des passiven drahtlosen Sensors in einem Bereich von etwa 10 Millimetern bis zu etwa 100 Millimetern liegen. In einer weiteren Ausführungsform kann die Dicke des passiven drahtlosen Sensors in einem Bereich von etwa 20 Millimetern bis zu etwa 60 Millimetern liegen. Allerdings kann der passive drahtlose Sensor, während er ausreichend dünn ist, um die Funktionsfähigkeit der Einrichtung nicht zu beeinträchtigen, ausreichend robust sein, um den extremen thermischen und mechanischen Umgebungsbedingungen zu widerstehen, die während des Betriebs solcher Einrichtungen auftreten. Weiter kann der passive drahtlose Sensor einen geringen Grundflächenbedarf, eine geringe mechanische Masse und eine robuste Befestigung aufweisen, um keine unerwünschten Schwingungsmoden in die Einrichtung, wie beispielsweise in eine Turbinenschaufel, einzuführen. In einem nicht als beschränkend zu bewertenden Beispiel kann ein Grundflächenbedarf des passiven drahtlosen Sensors in einem Bereich von etwa 10 mm × 10 mm bis ungefähr 100 mm × 100 mm liegen. Außerdem kann der passive drahtlose Sensor eine geringe thermisch wirksame Masse aufweisen, um eine Oberflächentemperaturmessung nicht zu behindern. Zusätzlich kann der passive drahtlose Sensor dazu eingerichtet sein, auf Temperaturänderungen, Geschwindigkeitsänderungen, Beschleunigungsänderungen, Druckänderungen oder Kombinationen davon rasch anzusprechen.
In manchen Ausführungsformen kann der passive drahtlose Sensor einen Bestandteil eines Überwachungssystems bilden. Weiter kann der passive drahtlose Sensor in einigen Ausführungsformen in einem Sensornetzwerk verwendet werden, das mehrere Erfassungsknoten aufweist. In diesen Ausführungsformen kann der passive drahtlose Sensor in einem oder mehreren Erfassungsknoten verwendet werden. Außerdem kann wenigstens ein Abschnitt des Sensornetzwerks dazu eingerichtet sein, eine drahtlose Verbindung zwischen zwei oder mehr Knoten bereitzustellen. Außerdem kann wenigstens ein Abschnitt des Sensornetzwerks in einer Ausführungsform drahtlos mit einer externen Einrichtung, beispielsweise mit einem Empfänger, verbunden sein, wobei der Empfänger dazu eingerichtet ist, von dem passiven drahtlosen Sensor Antwortsignale zu empfangen.
1 veranschaulicht einen beispielhaften passiven drahtlosen Sensor 100 der vorliegenden Beschreibung. Wie zu sehen, kann der passive drahtlose Sensor 100 mehrere dielektrische Schichten 102, eine Antenne 110, die in wenigstens einem Teil eines Hohlraums 112 angeordnet ist, eine Membran 114, eine Schutzschicht 116, ein Einspeiseelement 118 und eine Referenzschicht 120 enthalten. Der passive drahtlose Sensor 100 weist außerdem eine Antennenabdeckung 124 auf, die auf wenigstens einem Abschnitt der Antenne 110 angeordnet ist. Weiter kann eine Dicke 126 des passiven drahtlosen Sensors in einem Bereich von etwa 10 Millimetern bis zu etwa 100 Millimetern liegen. Außerdem ist die Antenne 110 des passiven drahtlosen Sensors 100 dazu eingerichtet, Abfragesignale zu empfangen, beispielsweise, jedoch ohne darauf beschränken zu wollen, Funkfrequenzsignale, die durch einen (in 1 nicht gezeigten) Sender abgestrahlt sind, der mit dem passiven drahtlosen Sensor 100 betriebsmäßig verbunden ist. Zusätzlich kann die Antenne 110 dazu eingerichtet sein, Signale zu senden, die einen oder mehrere umgebungsbedingte Parameter in einer (in 1 nicht gezeigten) Einrichtung kennzeichnen, in der der passive drahtlose Sensor 100 angeordnet ist.
In der veranschaulichten Ausführungsform sind die mehreren dielektrischen Schichten 102 als mit 3 einzelnen dielektrischen Schichten 104, 106 und 108 veranschaulicht. Allerdings können die mehreren dielektrischen Schichten 102 in abgewandelten Ausführungsformen weniger oder mehr dielektrische Schichten beinhalten. Beispielsweise kann die Zahl der dielektrischen Schichten 102 in den mehreren dielektrischen Schichten 102 in Abhängigkeit von den erwünschten Merkmalen des Sensors 100 oder von der physikalischen oder umgebungsbedingten Eigenschaft variieren, für deren Erfassung der passive drahtlose Sensor 100 eingerichtet ist. Beispielsweise kann die Dicke 126 des passiven drahtlosen Sensors 100 in Fällen, in denen der passive drahtlose Sensor 100 dazu eingerichtet ist, eine Drehzahl einer Turbinenschaufel zu erfassen, vergleichsweise geringer sein. Folglich kann der passive drahtlose Sensor 100 in solchen Fällen 1 oder 2 Schichten in den mehreren dielektrischen Schichten 102 aufweisen.
Weiter können die dielektrischen Schichten 102 dazu eingerichtet sein, rauen Betriebsbedingungen in einer Umgebung einer Vorrichtung, z.B. einer Verbrennungsmaschine, zu widerstehen. Beispielsweise können die mehreren dielektrischen Schichten 102 aus einem Material hergestellt sein, das einen verhältnismäßig kleinen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist. In einem nicht als beschränkend zu bewertenden Beispiel kann der Wärmeausdehnungskoeffizient bis etwa 10 ppm/°C betragen.
Außerdem kann das dielektrische Material der mehreren dielektrischen Schichten 102 dazu eingerichtet sein, hohen Temperaturen über längere Zeit zu widerstehen. Nicht als beschränkend zu bewertende Beispiele solcher hochtemperaturbeständigen Materialien können Hartglas, technisiertes Glas, Siliziumnitrid, Aluminiumnitrid, Aluminiumoxid und Hochtemperaturkeramikverbundstoffe (wie beispielsweise mit Yttriumoxid stabilisierte Zirkonerde) oder Kombinationen davon beinhalten. Weiter können eine oder mehrere dielektrische Schichten 102 der mehreren dielektrischen Schichten 102 aus einem Material hergestellt sein, das sich von einem Material sonstiger dielektrischer Schichten 102 der mehreren dielektrischen Schichten 102 unterscheidet. Beispielsweise können Materialien für die dielektrischen Schichten 102 so ausgewählt werden, dass Werte eines entsprechenden Wärmeausdehnungskoeffizienten in einer bestimmten Richtung allmählich zunehmen oder abnehmen. In einem Beispiel kann der Wärmeausdehnungskoeffizient der dielektrischen Schicht 104 in der Nähe des Wärmeausdehnungskoeffizienten eines Materials der Antenne 110 liegen. In demselben oder in einem anderen Beispiel kann der Wert des Wärmeausdehnungskoeffizienten der dielektrischen Schicht 108 näher an der Permittivität eines Materials der Referenzschicht 120 liegen. In einigen Ausführungsformen kann das Material der dielektrischen Schichten 102 ausgewählt werden, um die Empfindlichkeit des passiven drahtlosen Sensors 100 zu verbessern. In einem Beispiel können Materialien der einzelnen dielektrischen Schichten 104, 106 und 108 so ausgewählt werden, dass eine oder mehrere dielektrische Schichten 102 hinsichtlich einer Maximierung der Antwort und Empfindlichkeit in einem bestimmten Bereich eines umgebungsbedingten Parameters abgestimmt werden können. In einigen Ausführungsformen kann der passive drahtlose Sensor 100 dazu eingerichtet sein, eine Temperatur über einen bestimmten Temperaturbereich zu erfassen. In einigen dieser Ausführungsformen können dielektrische Materialien einer oder mehrerer dielektrischer Schichten 102 hinsichtlich einer Maximierung der Antwort und Empfindlichkeit in jenem bestimmten Temperaturbereich geeigneter sein. Außerdem können eine oder mehrere dielektrische Schichten 102 kontinuierliche Schichten sein. Alternativ oder zusätzlich kann wenigstens ein Abschnitt einer oder mehrerer dielektrischer Schichten 102 gemusterte Strukturen enthalten. Beispielsweise können eine oder mehrere dielektrische Schichten 102, wie im Einzelnen mit Bezug auf 4–5 beschrieben, mehrere Säulen enthalten.
Weiter kann der Hohlraum 112 in der dielektrischen Schicht 104 der mehreren dielektrischen Schichten 102 ausgebildet sein. Obwohl der Hohlraum 112 in der veranschaulichten Ausführungsform als in einer einzelnen dielektrischen Schicht 104 angeordnet dargestellt ist, kann der Hohlraum 112 in abgewandelten Ausführungsformen in zwei oder mehr dielektrische Schichten 102 angeordnet sein. Beispielsweise kann der Hohlraum 112 zum Teil in den dielektrischen Schichten 104 und 106 angeordnet sein. In manchen Fällen kann der passive drahtlose Sensor 100, wie im Einzelnen mit Bezug auf 6 beschrieben, auch mehr als einen Hohlraum 112 aufweisen. In diesen Ausführungsformen können die zwei oder mehr Hohlräume jeweils eine entsprechende Antenne aufweisen. Weiter kann jeder Hohlraum 112 dazu eingerichtet sein, einen entsprechenden Parameter zu erfassen.
Außerdem kann die Membran 114 an dem Hohlraum 112 angeordnet sein, so dass die Membran 114 mit der Antenne 110 betriebsmäßig verbunden ist, die in dem Hohlraum 112 angeordnet ist. Jede beliebige physikalische Änderung der Membran 114 aufgrund von Betriebsbedingungen, die in der Einrichtung vorhanden sind, kann in den Signalen reflektiert werden, die durch die Antenne 110 abgestrahlt werden. Beispielsweise kann sich die Membran 114 in Anwesenheit eines Drucks (Pfeil 128) in der Einrichtung in Richtung der Antenne 110 durchbiegen, so dass dadurch die ausgehenden Signale verändert werden, die durch die Antenne 110 zu einer (in 1 nicht gezeigten) Abfrageeinrichtung abgestrahlt werden, die außerhalb des passiven drahtlosen Sensors 100 angeordnet ist, wobei die Abfrageeinrichtung dazu eingerichtet ist, das Signal zu empfangen, das durch die Antenne 110 des passiven drahtlosen Sensors 100 abgestrahlt ist. Diese Veränderung des abgestrahlten Signals der Antenne 110 kann einen Wert des Drucks kennzeichnen, der in der Einrichtung vorhanden ist, in der der passive drahtlose Sensor 100 verwendet wird. Es ist zu beachten, dass eine Höhe 130 des Hohlraums 112 bemessen sein kann, um die Durchbiegung der Membran 114 aufzunehmen.
In manchen Ausführungsformen kann die Membran 114 ausreichend dünn sein, um bei Anwesenheit einer Betriebsbedingung angemessen zu antworten, so dass die Antwort der Membran 114 in dem Signal reflektiert werden kann, das durch die Antenne 110 abgestrahlt wird, und wobei die Änderung des Signals durch die Abfrageeinrichtung oder beliebige sonstige Empfänger verarbeitet wird, die dazu eingerichtet sind, das Signal von der Antenne 110 zu empfangen. Weiter kann die Membran 112 in einigen Ausführungsformen eine dünne Schicht beinhalten. Die Membran 112 kann aus einem elektrisch leitenden Material hergestellt sein, beispielsweise aus einem Metall oder einer Metalllegierung.
Außerdem kann die Schutzschicht 116 in einer Ausführungsform auf der Membran 114 aufgebracht sein. In einigen Ausführungsformen kann die Schutzschicht 116 dazu eingerichtet sein, die Membran 114 vor rauen Betriebsbedingungen zu schützen, während sie der Membran ermöglicht, ihre Funktion zu erfüllen. In einem Beispiel kann die Schutzschicht 116 dazu eingerichtet sein, eine Oxidation der Membran zu verhindern. Nicht als beschränkend zu bewertende Beispiele des Materials der Schutzschicht 116 können Siliziumoxid, Siliziumnitrid, Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid, Spin-On-Glas, Hochtemperaturkeramikverbundstoffe (wie mit Yttriumoxid stabilisierte Zirkonerde) oder Kombinationen davon enthalten.
Weiter kann die Antenne 110 in einigen Ausführungsformen eine kompakte Schicht oder eine strukturierte Schicht sein, die verbundene oder lose Strukturen aufweist. In manchen Ausführungsformen kann die Antenne 110 eine kontinuierliche Schicht, eine strukturierte Schicht, mehrere gemusterte Strukturen oder Kombinationen davon enthalten. In einer Ausführungsform kann die Antenne 110 eine Spulenantenne oder eine Patchantenne sein. Die Antenne 110 kann aus einem elektrisch leitenden Material hergestellt sein. Nicht als beschränkend zu bewertende Beispiele des Materials der Antenne 110 können elektrisch leitende Materialien, beispielsweise, jedoch ohne darauf beschränken zu wollen, Kupfer, Aluminium, Wolfram, Molybdän, Tantal, Nickel, Titan, Palladium, Silber, Platin, Gold oder deren Legierungen oder Kombinationen davon beinhalten. Weiter kann die optionale Schutzabdeckung 124, die auf wenigstens einem Abschnitt der Antenne 110 angeordnet ist, dazu eingerichtet sein, die Antenne 110 vor den rauen Betriebsbedingungen der Einrichtung zu schützen. In einem Beispiel kann die Schutzabdeckung 124 aus Glas hergestellt sein.
Weiter ist das Einspeiseelement 118 in einem Abschnitt der mehreren dielektrischen Schichten 102 angeordnet. In der veranschaulichten Ausführungsform ist das Einspeiseelement 118 zwischen den dielektrischen Schichten 106 und 108 angeordnet. Allerdings kann das Einspeiseelement 118 alternativ in einer einzigen dielektrischen Schicht 102 angeordnet sein. In einer weiteren Ausführungsform kann das Einspeiseelement 118 eine der Schichten 102 des passiven drahtlosen Sensors 100 bilden. Beispielsweise kann das Einspeiseelement in Fällen, in denen ein passiver drahtloser Sensor zwei dielektrische Schichten enthält, in einer der beiden dielektrischen Schichten angeordnet sein. Weiter ist das Einspeiseelement 118 mit der Antenne 110 betriebsmäßig verbunden und dazu eingerichtet, Abfragesignale, beispielsweise, jedoch ohne darauf beschränken zu wollen, Funkfrequenzsignale, zu empfangen und die empfangenen Abfragesignale über die dazwischenliegenden dielektrischen Schichten 102 in die Antenne 110 einzuspeisen. In der erfindungsgemäßen Ausführungsform nach 1 ist das Einspeiseelement 118 mit der Antenne 110 betriebsmäßig verbunden, während es sich nicht in unmittelbarem physischen Kontakt mit der Antenne 110 befindet. In einer abgewandelten Ausführungsform kann das Einspeiseelement 118 zwischen wenigstens einem Abschnitt der dielektrischen Schicht 104 und wenigstens einem Abschnitt der dielektrischen Schicht 106 angeordnet sein. In dieser Ausführungsform kann das Einspeiseelement 118 mit der Antenne 110 betriebsmäßig verbunden sein, das Einspeiseelement befindet sich jedoch möglicherweise nicht in unmittelbarem physischen Kontakt mit der Antenne 110.
In einem Beispiel kann die Referenzschicht 120 eine elektrisch leitende Schicht sein. Weiter kann die Referenzschicht 120 einen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen, der zu einer Fläche passt, auf der der passive drahtlose Sensor 100 angeordnet ist. Die Referenzschicht 120 ist dazu eingerichtet, eine Integration des passiven drahtlosen Sensors 100 an einer elektrisch leitenden Fläche, beispielsweise an eine Fläche einer Turbinenschaufel, durchzuführen.
Der passive drahtlose Sensor 100 enthält zudem ein (in 1 nicht gezeigtes) Impedanzelement, das zwischen dem Einspeiseelement 118 und der Referenzschicht 120 angeordnet ist. In einem Beispiel kann das Impedanzelement auf einer Oberfläche der dielektrischen Schicht 108 angeordnet sein. In einer Ausführungsform kann das Impedanzelement ein Widerstand, ein Kondensator, ein Induktor oder Kombinationen davon sein. Weiter kann das Impedanzelement in den passiven drahtlosen Sensor 100 integriert sein, indem das Impedanzelements auf die Oberfläche der dielektrischen Schicht 108 gedruckt wird. Im Betrieb können die Membran 114, die Antenne 110, das Impedanzelement und die Referenzschicht 120 einen elektronischen Schaltkreis bilden. Speziell kann zwischen der Antenne 110 und der Referenzschicht 120 über das Einspeiseelement 118 und das Impedanzelement eine kapazitive Kopplung stattfinden. Außerdem trägt eine Durchbiegung der Membran 114 im Betrieb zumindest teilweise zu einer Änderung von Signalen bei, die durch die Antenne 110 in Reaktion auf die empfangenen Abfragesignale reflektiert werden. Diese Antwortsignale, die durch die Antenne 110 reflektiert werden, können mit "Sensorantwort" oder "Reflexionsdämpfung" bezeichnet sein.
Im Betrieb werden Funkfrequenzsignale, die durch einen (nicht gezeigten) Sender abgestrahlt sind, durch das Einspeiseelement 118 empfangen. Das Signal, das durch das Einspeiseelement 118 empfangen ist, kann dazwischenliegende dielektrische Schichten 106 und 104 durchqueren und kann durch die Antenne 110 empfangen werden. Aufgrund der Anwesenheit der Betriebsbedingungen, wie beispielsweise, jedoch ohne darauf beschränken zu wollen, Druck und Temperatur, können sich dielektrische Eigenschaften der dielektrischen Schichten 102 ändern. Weiter kann sich auch die Durchbiegung der Membran 114 aufgrund der Anwesenheit der Betriebsbedingungen ändern. Diese Änderungen der dielektrischen Eigenschaften der dielektrischen Schichten 102 und/oder die Änderung der Durchbiegung der Membran 114 können die kapazitive Kopplung zwischen der Antenne 110 und der Referenzschicht 120 verändern, wobei die kapazitive Kopplung über das Einspeiseelement 118 und das Impedanzelement stattfindet. Dementsprechend können die Betriebsbedingungen das Signal verändern, das durch die Antenne abgestrahlt wird, wobei dieses Signal, das durch die Antenne 110 abgestrahlt wird, als die Sensorantwort des passiven drahtlosen Sensors bezeichnet wird. Die Änderung der Sensorantwort, z.B. eine Frequenzverschiebung von Signalen, die durch die Antenne 110 abgestrahlt werden, kann genutzt werden, um einen Parameter zu bestimmen, der die physikalische Eigenschaft oder die umgebungsbedingte Eigenschaft der Einrichtung kennzeichnet.
2–3 veranschaulichen einen weiteren beispielhaften passiven drahtlosen Sensor 200, der mehrere dielektrische Schichten 202 mit einzelnen dielektrische Schichten 204, 206 und 208 aufweist. Eine Antenne 210 ist in einem Hohlraum 212 angeordnet, der in der dielektrischen Schicht 204 ausgebildet ist. Weiter enthält der passive drahtlose Sensor 200 eine Membran 214, die der Antenne 210 betriebsmäßig zugeordnet ist. Weiter kann auf der Membran 214 eine Schutzschicht 216 angebracht sein. Außerdem enthält der passive drahtlose Sensor 200 in der veranschaulichten Ausführungsform ein Einspeiseelement 218. Zusätzlich ist das Einspeiseelement 218 durch ein Einspeisungsdurchgangsloch 220 betriebsmäßig mit der Antenne 210 verbunden. Das Einspeisungsdurchgangsloch 220 kann dazu eingerichtet sein, das Einspeiseelement 218 elektrisch mit der Antenne 210 zu verbinden, während es physikalisch getrennt ist, um einen Kurzschluss in dem passiven drahtlosen Sensor 200 zu verhindern. Speziell kann ein dielektrisches Material benachbarter Schichten 204 oder 206 oder ein beliebiges sonstiges dielektrisches Material zwischen dem Einspeisungsdurchgangsloch 220 und der Antenne 210 angeordnet sein, um einen Kurzschluss des Einspeisungsdurchgangslochs 220 und der Antenne 210 zu verhindern. Das Einspeisungsdurchgangsloch 220 kann durch Ausbildung einer Öffnung 222 zwischen dem Einspeiseelement 218 und der Antenne 210 hergestellt werden. Die Öffnung 222 kann mit einem elektrisch leitenden Material gefüllt sein, das geeignet ist, ein erstes Funkfrequenzsignal von dem Einspeiseelement 218 zu der Antenne 210 zu übertragen. Weiter kann die Öffnung 222 dazu eingerichtet sein, dass sich wenigstens ein Teil des Einspeiseelements 218 in unmittelbarem physischen Kontakt mit wenigstens einem Abschnitt des Einspeisungsdurchgangslochs 220 befindet.
Weiter kann der passive drahtlose Sensor 200 ferner eine Antennenabdeckung 224 aufweisen, wobei die Antennenabdeckung 224 auf wenigstens einem Abschnitt der Antenne 210 angeordnet ist. Wie im Zusammenhang mit 1 erörtert, ist die Antennenabdeckung 224 dazu eingerichtet, die Antenne 210 vor unerwünschter Oxidation oder vor anderen chemischen Reaktionen oder einem mechanischen Zerfall während des Betriebs der Einrichtung zu schützen.
Im Betrieb kann das Einspeiseelement 218 das erste Funkfrequenzsignal empfangen und das empfangene Funkfrequenzsignal mittels des Einspeisungsdurchgangslochs 220 zu der Antenne 210 übertragen. In einem Beispiel können das Einspeiseelement 218 und das Einspeisungsdurchgangsloch 220 aus demselben oder einem ähnlichen Material hergestellt sein. Allerdings können das Einspeiseelement 218 und das Einspeisungsdurchgangsloch 220 in einem anderen Beispiel auch aus unterschiedlichen Materialien hergestellt sein. Beispielsweise können die Materialien des Einspeiseelements 218 und des Einspeisungsdurchgangslochs 220 verschieden sein, um eine verbesserte Anpassung von Wärmeausdehnungskoeffizienten des Einspeiseelements 218 und/oder des Einspeisungsdurchgangsloch 220 gegenüber benachbarten dielektrischen Schichten 202 bereitzustellen.
Vorteilhafterweise kann die Wirkung der Temperatur auf eine Sensorantwort zumindest teilweise durch die Verwendung des Einspeisungsdurchgangslochs 220 ausgeglichen werden. Während die Funkfrequenzsignale, die durch das Einspeiseelement 218 empfangen sind, durch das Einspeisungsdurchgangsloch 220 hindurchgeführt werden, um durch die Antenne 210 empfangen zu werden, beeinflusst die Veränderung dielektrischer Eigenschaften der dielektrischen Schichten 202, die aufgrund einer Änderung der Temperatur verursacht ist, beispielsweise die abgestrahlten Signale nicht. In einer Ausführungsform kann das Einspeisungsdurchgangsloch 220 in dem passiven drahtlosen Sensor 200 genutzt werden, um Druck zu erfassen.
Weiter kann der passive drahtlose Sensor, wie in einer auseinandergezogenen Ansicht von 3 veranschaulicht, außerdem ein Impedanzelement 228 enthalten, das auf wenigstens einem Abschnitt einer Fläche 230 der dielektrischen Schicht 208 angeordnet ist. Alternativ kann das Impedanzelement 228 in der dielektrischen Schicht 208 angeordnet sein. Außerdem kann der passive drahtlose Sensor, z.B. der passive drahtlose Sensor 200, obwohl nicht dargestellt, in einigen Ausführungsformen zwei oder mehr Impedanzelemente verwenden, wobei die zwei oder mehr Impedanzelemente an anderen Orten auf oder in der dielektrischen Schicht 208 angeordnet sein können.
Außerdem kann die Antenne 210, wie in 3 veranschaulicht, eine Patchantenne beinhalten. Bezugszeichen 232 bezeichnet einen Ort des Einspeisungsdurchgangslochs 220 auf einer Oberfläche 234 der dielektrischen Schicht 206. Weiter kann der passive drahtlose Sensor 200 eine Referenzschicht 226 enthalten. Die Referenzschicht 226 kann ein elektrisch leitendes Material enthalten. Weiter kann das elektrisch leitende Material der Referenzschicht 226 einen geeigneten Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen, um den Einbau des passiven drahtlosen Sensors 200 in einer Einrichtung oder an einer Einrichtung zu ermöglichen. Im Betrieb kann die Referenzschicht 226 dazu eingerichtet sein, über das Einspeiseelement 218, das Einspeisungsdurchgangsloch 220 und das Impedanzelement 228 eine kapazitive Kopplung zwischen der Antenne 210 und der Referenzschicht 226 bereitzustellen. In einem Beispiel kann das Einspeisungsdurchgangsloch 220 mit der Referenzschicht 226 zusätzlich verbunden sein, um eine Erdung des Einspeisungsdurchgangslochs 220 bereitzustellen, und um das Parasitärelement des passiven drahtlosen Sensors 200 weiter zu verringern.
4 zeigt ein weiteres Beispiel eines passiven drahtlosen Sensors 400 der vorliegenden Beschreibung. 5 veranschaulicht eine perspektivische Ansicht 500 eines Abschnitts des passiven drahtlosen Sensors 400 von 4. In den veranschaulichten Ausführungsformen von 4–5 weist der passive drahtlose Sensor 400 mehrere dielektrische Schichten 402 mit einzelnen Schichten 404, 406 und 408 auf. Weiter enthält der passive drahtlose Sensor 400 eine Antenne 410, die in einem Hohlraum 412 angeordnet ist, der in der dielektrischen Schicht 404 ausgebildet ist. Der passive drahtlose Sensor 400 enthält ferner eine Membran 414, die mit der Antenne 410 betriebsmäßig verbunden ist. Außerdem ist eine Schutzschicht 416 auf der Membran 414 aufgebracht. Zusätzlich kann eine Antennenabdeckung 417 auf wenigstens einem Abschnitt der Antenne 410 angeordnet sein.
Der passive drahtlose Sensor 400 enthält außerdem ein Einspeiseelement 418, das unter Verwendung eine Einspeisungsdurchgangsloch 420 physikalisch mit der Antenne 410 verbunden ist. Das Einspeisungsdurchgangsloch 420 ist in der dielektrischen Schicht 406 angeordnet, wobei die dielektrische Schicht 406 eine strukturierte dielektrische Schicht ist. Speziell kann die dielektrische Schicht 406 mehrere Säulen 422 enthalten, so dass sich eine oder mehrere Säulen 422 der mehreren Säulen 422 zwischen wenigstens einem Abschnitt der benachbarten dielektrischen Schichten 404 und 408 erstrecken können. Ferner sind die Säulen 422 der mehreren Säulen 422 in der veranschaulichten Ausführungsform als physikalisch nicht zusammenhängende Strukturen dargestellt, jedoch können die Säulen in einigen Ausführungsformen von einer gemeinsamen Basis ausgehen. Wie in einer vergrößerten Ansicht 424 zu sehen, kann das Einspeisungsdurchgangsloch 420 in einigen Ausführungsformen zwischen zwei oder mehr Säulen 422 angeordnet sein.
Das Vorhandensein nicht zusammenhängender Abschnitte der dielektrischen Schicht 406 und insbesondere der mehreren Säulen 412 kann vorteilhafterweise eine verbesserte Kopplung zwischen der Antenne 410 und einer Referenzschicht 426 bereitstellen, so dass dadurch die kapazitive Kopplung zwischen der Antenne 410 und der Referenzschicht 426 gesteigert wird. Weiter kann eine gesteigerte kapazitive Kopplung zwischen der Antenne 410 und der Referenzschicht 426 eine Verschiebung einer Frequenz der Sensorantwort in Richtung höherer Frequenzen zur Folge haben. Dementsprechend kann für einen ähnlichen Frequenzbereich einer Sensorantwort eine verhältnismäßig kleinerer Abmessungen eines passiven drahtlosen Sensors genutzt werden, wobei der passive drahtlose Sensor in wenigstens einem Abschnitt einer dielektrischen Schicht der mehreren dielektrischen Schichten des passiven drahtlosen Sensors mehrere Säulen aufweist.
6 zeigt eine Querschnittsansicht einer passiven drahtlosen Sensoranordnung 600, die mehrere passive drahtlose Erfassungsregionen 601 aufweist, wobei jedes Gebiet 601 der mehreren passiven drahtlosen Erfassungsregionen 601 dazu eingerichtet ist, unabhängig von anderen Regionen 601 zu arbeiten. In einigen Ausführungsformen kann jeder einzelne Abschnitt 601 des passiven drahtlosen Sensors 600 dazu eingerichtet sein, einen Parameter unabhängig von anderen Abschnitten 601 zu erfassen. Beispielsweise kann einer der Abschnitte 601 dazu eingerichtet sein, eine Temperatur einer (nicht gezeigten) Vorrichtung zu erfassen, während ein anderer Abschnitt 601 dazu eingerichtet sein kann, einen Druck der Einrichtung zu erfassen. Ferner ist zu beachten, dass die Abschnitte 601 nicht nebeneinander angeordnet zu sein brauchen. In einem Beispiel können die Abschnitte 601 auf einer dielektrischen Schicht 606 einer Anzahl von dielektrischen Schichten 606 in einer zufälligen Reihenfolge angeordnet sein.
Weiter kann die passive drahtlose Sensoranordnung 600 mehrere Antennen 602 verwenden, wobei jede Antenne 602 der mehreren Antennen 602 in einem entsprechenden Hohlraum 604 von mehreren Hohlräumen 604 angeordnet ist. Eine oder mehrere Antennen 602 der mehreren Antennen 602 können sich von anderen Antennen 602 unterscheiden. Beispielsweise kann sich eine Form einer oder mehrerer Antennen 602 von einer Form der anderen Antennen 602 unterscheiden, oder ein Material einer oder mehrerer Antennen 602 kann sich von einem Material der anderen Antennen 602 auf der Grundlage von Parametern unterscheiden, für deren Erfassung der entsprechende passive drahtlose Abschnitt 601 eingerichtet ist. Außerdem können ein oder mehrere Abmessungen eines Hohlraums 604 der mehreren Hohlräume 604 gleich sein oder sich von den Abmessungen sonstiger Hohlräume 604 unterscheiden. Beispielsweise kann eine Höhe der Hohlräume 604 gleich sein oder verschieden sein. Weiter können eine oder mehrere Antennen 602 eine Antennenabdeckung 605 aufweisen, die auf wenigstens einem Abschnitt der Antenne 602 angeordnet ist.
Zusätzlich weist die passive drahtlose Sensoranordnung 600 mehrere dielektrische Schichten 606 auf. In der veranschaulichten Ausführungsform enthalten die mehreren dielektrische Schichten 606 einzelne dielektrische Schichten 608, 610 und 612. Weiter können mehrere Einspeiseelemente 614 in wenigstens einem Teil der passiven drahtlosen Sensoranordnung 600 angeordnet sein. In der veranschaulichten Ausführungsform können mehrere Einspeisungsdurchgangslöcher 616 mit einigen der Antennen 602 verbunden sein. Obwohl nicht dargestellt, können die Einspeisungsdurchgangslöcher 616 in einer abgewandelten Ausführungsform allerdings mit jeder der Antennen 602 der mehreren Antennen 602 verbunden sein. Außerdem kann die passive drahtlose Sensoranordnung 600 in manchen Ausführungsformen ferner mehrere Zwischenwände 622 und mehrere Schutzschichten 624 enthalten. Weiter ist jede Schutzschicht 624 auf einer entsprechenden Membran 622 aufgebracht.
In einer Ausführungsform können die mehreren passiven drahtlosen Sensorabschnitte 601 der passiven drahtlosen Sensoranordnung 600 gleichzeitig arbeiten. In einer weiteren Ausführungsform können die mehreren passiven drahtlosen Sensorabschnitte 601 dazu eingerichtet sein, zu unterschiedlichen Zeiten zu arbeiten.
7 zeigt in einer schematischen Darstellung ein Überwachungssystem 700, das dazu eingerichtet ist, eine oder mehrere Betriebsbedingungen in einer Einrichtung 702 mittels einer oder mehrerer passiver drahtloser Sensoren, beispielsweise mittels eines passiven drahtlosen Sensors 704, zu überwachen, gemäß Aspekten der vorliegenden Beschreibung. In einer Ausführungsform kann der passive drahtlose Sensor 704 innerhalb der Einrichtung 702 angeordnet sein. Beispielsweise kann der passive drahtlose Sensor 704 mit einer Oberfläche einer Verbrennungsmaschine physikalisch verbunden sein. In einer weiteren Ausführungsform kann der passive drahtlose Sensor 704 auf einer Oberfläche der Einrichtung 702 angeordnet sein. Beispielsweise kann der passive drahtlose Sensor 704 auf einer Oberfläche einer Turbinenschaufel angeordnet sein. Nicht als beschränkend zu bewertende Beispiele der Verfahren eines physikalischen Verbindens des passiven drahtlosen Sensors mit einer Fläche beinhalten chemische Adhäsion, physikalische Adhäsion, Metallabrieb, Verschrauben, Löten, laserunterstützte Adhäsionsverfahren oder Kombinationen davon. Nicht beschränkte Beispiele von Materialien, die für Adhäsionsverfahren genutzt werden, können Nano-Silber-Klebstoffe, Nano-Kupfer-Klebstoffe, Glasfritte oder Kombinationen davon beinhalten. In einer Ausführungsform kann der passive drahtlose Sensor 700 mittels eines keramikbasierten Klebstoffs mit der Einrichtung 702 verbunden sein. Vorteilhafterweise können die keramikbasierten Klebstoffe dazu eingerichtet sein, hohen Temperaturen zu widerstehen.
Weiter kann das Überwachungssystem 700 einen Sender 706 enthalten, der mit dem passiven drahtlosen Sensor 704 betriebsmäßig verbunden ist. Im Betrieb ist der Sender 706 dazu eingerichtet, gewünschte Funkfrequenzsignale 708 zu dem passiven drahtlosen Sensor 704 zu senden.
Außerdem kann das Überwachungssystem 700 einen Empfänger oder eine Abfrageeinrichtung 710 enthalten, die dazu eingerichtet ist, Signale 712 zu empfangen, die durch eine Antenne des passiven drahtlosen Sensors 704 reflektiert werden. Im Betrieb kann sich eine Membran des passiven drahtlosen Sensors 704 aufgrund der Anwesenheit einer oder mehrerer Betriebsbedingungen durchbiegen. Beispielsweise kann die Anwesenheit einer hohen Temperatur, eines hohen Drucks und/oder einer Bewegung (Geschwindigkeit/Beschleunigung) von Gasen die Membran durchbiegen. Weiter kann eine Durchbiegung der Membran und/oder eine Änderung dielektrischer Eigenschaften einer Anzahl dielektrischer Schichten des passiven drahtlosen Sensors 704 die Signale 712 beeinflussen, die durch die Antenne des passiven drahtlosen Sensors 704 reflektiert werden. Weiter kann die Änderung der Durchbiegung der Membran und/oder die Änderung der dielektrischen Eigenschaften einer oder mehrerer dielektrischer Schichten der mehreren dielektrischen Schichten eine Änderung einer kapazitiven Kopplung zwischen der Antenne und einer Referenzschicht des passiven drahtlosen Sensors 704 zur Folge haben. Darüber hinaus kann diese Änderung der kapazitive Kopplung zwischen der Antenne und der Referenzschicht die Sensorantwort verändern. Somit können die Signale, die durch die Antenne reflektiert werden, verarbeitet werden, um eine oder mehrere physikalische oder umgebungsbedingte Eigenschaften der Einrichtung 704 zu messen.
In einigen Ausführungsformen können der Sender 706 und der Empfänger 710 als voneinander unabhängige physikalische Instanzen vorliegen, wohingegen in einigen anderen Ausführungsformen der Sender 706 und der Empfänger 710 integriert sein können, um einen Transceiver oder eine Abfrageeinrichtung zu bilden, die dazu eingerichtet ist, Abfragesignale zu senden sowie Antwortsignale von der Antenne des passiven drahtlosen Sensors 704 zu empfangen. Weiter können die Antwortsignale 712 durch den Empfänger 710 verarbeitet werden oder können durch einen Signalprozessor 714 verarbeitet werden, um eine Sensorantwort hervorzubringen. Die Sensorantwort kann genutzt werden, um eine oder mehrere physikalische oder umgebungsbedingte Eigenschaften der Einrichtung 704 zu ermitteln. In einer Ausführungsform kann eine Durchbiegung der Membran mit Antwortsignalen 712 korreliert werden, und die Antwortsignale können ihrerseits mit den physikalischen, chemischen oder biologischen Parametern der Umgebung korreliert werden.
In manchen Ausführungsformen kann der Signalprozessor 714 beispielsweise einen oder mehrere anwendungsspezifische Prozessoren, grafische Prozessoreinheiten (GPUs), digitale Signalverarbeitungsprozessoren (DSPs), Mikrocomputer, Mikrocontroller, anwendungsspezifische integrierte Schaltkreise (ASICs) und/oder im Feld programmierbare Gatteranordnungen (FPGAs) enthalten.
Weiter kann das Überwachungssystem 700 eine Überwachungsvorrichtung 716 enthalten, die mit der Einrichtung 702 betriebsmäßig verbunden ist. Der Signalprozessor 714 kann die Daten, die die umgebungsbedingten Parameter kennzeichnen, zu der Überwachungsvorrichtung 716 übertragen. In einer Ausführungsform kann der Signalprozessor 714 dazu eingerichtet sein, die Daten zu analysieren. Die Überwachungsvorrichtung 716 kann dazu eingerichtet sein, den Betrieb der Einrichtung 702 gemäß den Daten zu überwachen, die durch den Signalprozessor 714 analysiert sind. Obwohl als zwei voneinander unabhängige Blöcke gezeigt, können der Signalprozessor und die Überwachungsvorrichtung in einigen Ausführungsformen in einer einzigen Einheit integriert sein.
In einer Ausführungsform können der Signalprozessor 714 und/oder die Überwachungsvorrichtung 716 an einem Ort angeordnet sein, der sich in der Nähe des Ortes der Einrichtung 702 befindet. Alternativ oder zusätzlich können der Signalprozessor 714 und/oder die Überwachungsvorrichtung 716 an einem bezüglich der Einrichtung 702 entfernten Ort angeordnet sein. Weiter können der Signalprozessor 714 und/oder die Überwachungsvorrichtung 716 dazu eingerichtet sein, verarbeitete Daten in einer (nicht gezeigten) Speicherablage zu speichern. Nicht als beschränkend zu bewertende Beispiele der Speicherablage können Einrichtungen enthalten, wie beispielsweise ein Festplattenlaufwerk, ein Diskettenlaufwerk, ein Kompaktdisk-Lese/Schreib-(CD-R/W)-Laufwerk, ein Digital-Versatile-Disc-(DVD)-Laufwerk, ein Flashlaufwerk und/oder ein Halbleiter-Speichergerät.
Weiter können der Signalprozessor 714 und/oder die Überwachungsvorrichtung 716 mit einem Ausgabegerät 718 betriebsmäßig verbunden werden, um einem Benutzer oder einem Anwender zu ermöglichen, das System 700 manuell zu überwachen, oder um einem Benutzer zu ermöglichen, zu einem gegebenen Zeitpunkt Informationen im Zusammenhang mit dem System 700 zu gewinnen. Zu jenem Zweck kann das Ausgabegerät 718 beispielsweise eine Anzeigevorrichtung, einen Drucker und/ oder ein Audioausgabegerät enthalten.
In einer Ausführungsform kann das Überwachungssystem 700 dazu eingerichtet sein, während der Dauer des Betriebs der Einrichtung 702 eine fortlaufende Überwachung durchzuführen. Weiter kann das Überwachungssystem 700 dazu eingerichtet sein, eine Echtzeitüberwachung der Einrichtung 702 durchzuführen. Außerdem ist die Überwachungssystem 700 dazu eingerichtet, einen oder mehrere (physikalische oder umgebungsbedingte) Parameter der Einrichtung 702 zu überwachen.
In einer Ausführungsform kann der Sender 706 einen (nicht gezeigten) Signalgenerator, einen (nicht gezeigten) Aufwärts-Frequenzumsetzer, eine (nicht gezeigte) Antenne und einen (nicht gezeigten) Signalverstärker enthalten. Weiter kann der Empfänger 710 in dieser Ausführungsform eine (nicht gezeigte) Antenne und einen (nicht gezeigten) Abwärts-Frequenzumsetzer enthalten. Im Betrieb erzeugt der Signalgenerator des Senders 706 ein Abfragesignal, dessen Frequenz durch den Aufwärts-Frequenzumsetzer zu einer Frequenz in einem Bereich aufwärtskonvertiert wird, der einer Resonanzfrequenz des passiven drahtlosen Sensors 704 entspricht. Abhängig von den speziellen Abmessungen des passiven drahtlosen Sensors 704 und den Materialien des passiven drahtlosen Sensors 704 können die aufwärtskonvertierten Abfragesignale in einem Bereich von etwa 100 kHz bis ungefähr 10 GHz liegen. Die aufwärtskonvertierten Abfragesignale können durch den Verstärker verstärkt und der Antenne des Senders 706 zugeführt werden, um zu dem passiven drahtlosen Sensor 704 übertragen zu werden. Es ist zu beachten, dass der Sender 706 und der Empfänger 710 in einem einzigen oder in mehreren Gehäusen untergebracht sein können.
Weiter können die Antwortsignale 712 über die Antenne des Empfänger 710 von dem Empfänger 710 empfangen werden. Die Antwortsignale 712 können mittels des Abwärts-Frequenzumsetzers abwärtskonvertiert werden. Falls der Signalprozessor 714 ein Teil des Empfängers 710 ist, können die Antwortsignale 712 ferner durch den Signalprozessor 714 analysiert werden, um einen umgebungsbedingten Parameterwert zu erzeugen. In einer Ausführungsform kann der Signalprozessor 714 einen speziell programmierten Universalrechner oder einen anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis bzw. Prozessor enthalten.
8 zeigt in einer schematischen Darstellung ein beispielhaftes Überwachungssystem 800, das ein Sensornetzwerk 802 verwendet, das mehrere Erfassungsknoten 804 aufweist. Weiter können ein oder mehrere Erfassungsknoten 804 der mehreren Erfassungsknoten 804 einen passiven drahtlosen Sensor enthalten, gemäß Aspekten der vorliegenden Beschreibung.
Das Sensornetzwerk 802, das die Erfassungsknoten 804 aufweist, kann in einer Einrichtung, wie beispielsweise, jedoch ohne darauf beschränken zu wollen, in einer Turbinenschaufel, in einer Turbinenmaschine, in einer Verbrennungsmaschine, in einem Reaktor oder in Kombinationen davon verwendet werden. Beispielsweise können im Falle einer Turbine einige der Erfassungsknoten 804 betriebsmäßig mit einer Turbinenmaschine verbunden sein, während einige andere Erfassungsknoten 804 auf einer Turbinenschaufel angeordnet sein können.
In einer Ausführungsform kann jeder Erfassungsknoten 804 der mehreren Erfassungsknoten 804 einen passiven drahtlosen Sensor der vorliegenden Beschreibung enthalten. Weiter können unterschiedliche Erfassungsknoten 804 dazu eingerichtet sein, dieselben oder unterschiedliche Parameter zu erfassen. In einem Beispiel, in dem jeder Erfassungsknoten 804 ein passiver drahtloser Sensor ist, kann der passive drahtlose Sensor dazu eingerichtet sein, in einer Verbrennungsmaschine an unterschiedlichen Orten eine Temperatur zu messen. In einer weiteren Ausführungsform können ein oder mehrere passive drahtlose Sensoren dazu eingerichtet sein, an vielfältigen Stellen eine Temperatur in der Einrichtung zu erfassen. Weiter können einige andere passive drahtlose Sensoren dazu eingerichtet sein, einen Druck an einem oder mehreren Orten in der Einrichtung zu messen, während ein oder mehrere andere passive drahtlose Sensoren dazu eingerichtet sein können, eine Drehzahl der Einrichtung zu erfassen.
In einigen Ausführungsformen können ein oder mehrere Erfassungsknoten 804 dazu eingerichtet sein, untereinander und mit einem Sender 806 und einem Empfänger 808 drahtlos Daten auszutauschen. Beispielsweise können die Erfassungsknoten 804 dazu eingerichtet sein, von dem Sender 806 abgestrahlte Signale 810 zu empfangen. Weiter kann der Empfänger 808 dazu eingerichtet sein, Antwortsignale 812 von den Erfassungsknoten 804 zu empfangen.
Das Überwachungssystem 800 kann außerdem einen Signalprozessor 814, eine Überwachungsvorrichtung 816 und ein Ausgabegerät 818 enthalten. Vorteilhafterweise ist das Überwachungssystem 800 dazu eingerichtet, eine oder mehrere Einrichtungen fortlaufend, in Echtzeit und/oder auf Abruf zu überwachen.
9 zeigt eine grafische Darstellung 900 einer Sensorantwort, die von einem ersten passiven drahtlosen Sensor erhalten ist, der kein Einspeisungsdurchgangsloch aufweist, und von einem zweiten passiven drahtlosen Sensor erhalten ist, der ein Einspeisungsdurchgangsloch aufweist. Weiter kann der erste passive drahtlose Sensor einen Grundflächenbedarf von etwa 60 mm × 60 mm aufweisen, und der zweite passive drahtlose Sensor kann einen Grundflächenbedarf von etwa 25 mm × 25 mm aufweisen. Die Abszisse 902 repräsentiert eine Frequenz eines Antwortsignals von einem passiven drahtlosen Sensor, und die Ordinate 904 repräsentiert einen Betrag der Sensorantwort. Der Graph 906 repräsentiert eine Sensorantwort von dem ersten passiven drahtlosen Sensor, der das Einspeisungsdurchgangsloch nicht aufweist. Weiter repräsentiert der Graph 908 eine Sensorantwort von dem zweiten passiven drahtlosen Sensor, der das Einspeisungsdurchgangsloch aufweist. Der Betrag der Sensorantwort 906 ist geringer als ein Betrag der Sensorantwort 908. Weiter liegt die Sensorantwort 908 bei einer Frequenz, die vergleichsweise höher ist als diejenige der Sensorantwort 906. Dementsprechend kann der Einsatz eines Einspeisungsdurchgangslochs in Anwendungen genutzt werden, bei denen es erwünscht ist, die Größe des Sensors zu verringern, während die Sensorantwort aufrecht erhalten wird oder sogar gesteigert wird. Vorteilhafterweise stellt die Verwendung des Einspeisungsdurchgangslochs eine verbesserte kapazitive Kopplung zwischen einer Antenne und einer Referenzschicht des zweiten passiven drahtlosen Sensors bereit, so dass dadurch die Frequenz der Sensorantwort gesteigert wird.
10A–10B sind grafische Darstellungen einer Änderung einer Mittenfrequenz einer Sensorantwort in Bezug auf eine Änderung eines Grades der Durchbiegung der Membran des passiven drahtlosen Sensors. Mit der Änderung einer Durchbiegung der Membran ändert sich eine Reflexionsdämpfung oder die Sensorantwort der Antenne. Folglich ist zu beachten, dass die Mittenfrequenz in der veranschaulichten Ausführungsform bei jeder Durchbiegung mit Bezug auf eine Änderung der Durchbiegung der Membran Linearität aufweist.
Kurven 1002 des Graphen 1000 repräsentieren eine Linearität in einer Beziehung zwischen der Reflexionsdämpfung, d.h. der Dämpfung der Abfragesignale (Ordinate 1004) und einer Frequenz (Abszisse 1006) der Antwortsignale. Diese Linearität in der Beziehung zwischen den Abfragesignalen und der Frequenz der Antwortsignale ist als eine Kurve 1008 des Graphen 1010 veranschaulicht, wobei der Graph zwischen einer Mittenfrequenz (Ordinate 1012) für Antwortsignale für einen speziellen Satz von Abfragesignalen und einem Grad der Durchbiegung (Ordinate 1014) der Membran gebildet ist.
11 zeigt eine grafische Darstellung 1100 eines Betrages der Reflexionsdämpfung (Abszisse 1102) einer Membran eines passiven drahtlosen Sensors und einer Frequenz (Ordinate 1104) eines Sensorantwortsignals, das durch eine Antenne eines passiven drahtlosen Sensors gesendet ist. Weiter kann der passive drahtlose Sensor mit einer Einrichtung betriebsmäßig verbunden sein. Ein Graph 1106 veranschaulicht eine Sensorantwort, wenn die Membran eine physikalische Schwächung erfährt. Beispielsweise zeigen Graphen 1108, 1110, 1112 und 1114, wie veranschaulicht, Sensorantworten bezüglich unterschiedlicher Grade einer Durchbiegung der Membran. Zusätzlich repräsentiert der Graph 1106 die Empfindlichkeit der geschwächten Membran. Wie anhand des Graphen 1106 zu sehen, kann die Sensorantwort der geschwächten Membran in einem wesentlich niedrigeren Frequenzbereich erfolgen, um dadurch ein Unregelmäßigkeit (z.B. einen mechanischen Schaden) der Membran anzuzeigen. Wenn der mechanische Schaden identifiziert ist, können entweder manuell oder unter Verwendung einer Überwachungsvorrichtung oder eines Ausgabegeräts geeignete korrigierende Maßnahmen durchgeführt werden. Beispielsweise kann ein anderer passiver drahtloser Sensor mit der Einrichtung betriebsmäßig verbunden werden.
12–13 veranschaulichen eine vergleichende Studie einer Wirkung eines Abstands (D) 1201 zwischen einer Sender/Abfrageeinrichtung und einem passiven drahtlosen Sensor. In der veranschaulichten Ausführungsform von 12 ist die Abfrageeinrichtung 1202 in einem Abstand 1201 von etwa 50 cm von einer Antenne des passiven drahtlosen Sensors 1204 angeordnet. Grafische Darstellungen 1206 und 1216 veranschaulichen Änderungen der Sensorantwort (Abszisse 1208) bezüglich sich ändernden Durchbiegungen (Ordinate 1210) einer Membran des passiven drahtlosen Sensors. Bezüglich 13, in der ein Abstand 1214 zwischen der Abfrageeinrichtung 1202 und der Antenne des passiven drahtlosen Sensors 1204 etwa 5 Meter beträgt, ist die Änderung der Sensorantwort in Bezug auf die Änderung der Änderung der Durchbiegung der Membran noch nachweisbar. Dementsprechend ist der passive drahtlose Sensor der vorliegenden Beschreibung dazu eingerichtet, bei unterschiedlichen Entfernungen zwischen der Abfrageeinrichtung und dem passiven drahtlosen Sensor zu arbeiten. Speziell beeinflusst der Abstand zwischen der Abfrageeinrichtung und dem passiven drahtlosen Sensor die Messleistungsfähigkeiten des passiven drahtlosen Sensors nicht.
Vorteilhafterweise lässt sich der passive drahtlose Sensor der vorliegenden Beschreibung problemlos einbauen. Beispielsweise kann der passive drahtlose Sensor mittels Klebstoffen ohne weiteres auf eine Fläche einer Vorrichtung, beispielsweise einer Gasturbine, geklebt werden. Weiter sind der Grundflächenbedarf, das mechanische Volumen und das Gewicht des passiven drahtlosen Sensors gering, folglich beeinträchtigt der passive drahtlose Sensor die reguläre Funktionsfähigkeit der Einrichtung nicht. Außerdem ist der passive drahtlose Sensor in der Lage, unter rauen Betriebsbedingungen, wie beispielsweise, jedoch ohne darauf beschränken zu wollen, hohen Temperaturen, hohen Drücken, Schwingungen oder Kombinationen davon wirkungsvoll zu arbeiten.
Darüber hinaus ist der passive drahtlose Sensor wirtschaftlich sparsam. Außerdem können die unterstützenden Komponenten (beispielsweise der Sender, der Empfänger und/ oder die Abfrageeinrichtung), die die Funktionsfähigkeit des passiven drahtlosen Sensors ermöglichen, außerhalb der Einrichtung oder der Systeme angeordnet sein, in der der passive drahtlose Sensor angebracht ist. Darüber hinaus erfolgt der Einbau des passiven drahtlosen Sensors einfach und ohne Zeitaufwand. Weiter kann der passive drahtlose Sensor installiert und betrieben werden, ohne den Betrieb der Einrichtung für kurze oder lange Zeit zu beeinträchtigen.
Da der passive drahtlose Sensor eine drahtlose Einrichtung ist, lässt sich der passive drahtlose Sensor außerdem mühelos in eine interessierende Einrichtung einbauen oder betriebsmäßig damit verbinden. Darüber hinaus ist der passive drahtlose Sensor kostengünstig und kann in Chargen hergestellt werden.
Wenn spezielle Merkmale verschiedener Ausführungsformen des vorliegenden Systems möglicherweise in einigen Zeichnungen und/oder anhand einiger Zeichnungen gezeigt bzw. beschrieben sind, und in anderen nicht, dient dies lediglich der vereinfachten Darstellung. Es versteht sich, dass die beschriebenen Merkmale, Strukturen und/oder Charakteristiken kombiniert und/oder auf eine beliebige geeignete Weise in den vielfältigen Ausführungsformen untereinander austauschbar genutzt werden können, um beispielsweise eine oder mehrere physikalische oder umgebungsbedingte Eigenschaften der Einrichtung zu erfassen.
Während hier lediglich gewisse Merkmale der Offenbarung veranschaulicht und beschrieben wurden, erschließen sich dem Fachmann viele Abwandlungen und Veränderungen. Es versteht sich von daher, dass die angefügten Ansprüche alle derartigen Abwandlungen und Änderungen abdecken sollen, soweit sie in den wahren Schutzumfang der Offenbarung fallen.
Geschaffen ist ein passiver drahtloser Sensor, der mehrere dielektrische Schichten, eine Antenne, eine Membran und ein Einspeiseelement aufweist. Weiter ist die Antenne in wenigstens einem Teil eines Hohlraums angeordnet, der durch eine oder mehrere dielektrische Schichten der mehreren dielektrischen Schichten gebildet ist. Außerdem ist die Membran an dem Hohlraum angeordnet. Zusätzlich ist das Einspeiseelement in wenigstens einem Teil der mehreren dielektrischen Schichten angeordnet. Außerdem ist das Einspeiseelement betriebsmäßig mit der Antenne verbunden.

Claims

Passiver drahtloser Sensor, zu dem gehören: mehrere dielektrische Schichten; eine Antenne, die in wenigstens einem Teil eines Hohlraums angeordnet ist, der durch eine oder mehrere dielektrische Schichten der mehreren dielektrischen Schichten gebildet ist; eine Membran, die an dem Hohlraum angeordnet ist; und ein Einspeiseelement, das in wenigstens einem Teil der mehreren dielektrischen Schichten angeordnet ist, wobei das Einspeiseelement mit der Antenne betriebsmäßig verbunden ist.
Passiver drahtloser Sensor nach Anspruch 1, zu dem ferner ein oder mehrere Impedanzelemente gehören, die an oder in einer oder mehreren dielektrischen Schichten der mehreren dielektrischen Schichten angeordnet sind; und/oder zu dem ferner ein Einspeisungsdurchgangsloch gehört, das dazu eingerichtet ist, wenigstens einen Teil des Einspeiseelements betriebsmäßig mit der Antenne zu verbinden; und/oder zu dem ferner eine Antennenabdeckung gehört, die auf wenigstens einem Abschnitt der Antenne angeordnet ist.
Passiver drahtloser Sensor nach Anspruch 1 oder 2, wobei wenigstens eine dielektrische Schicht der mehreren dielektrischen Schichten auf einem Material basiert, das sich gegenüber einem Material sonstiger Schichten der mehreren dielektrischen Schichten unterscheidet.
Passiver drahtloser Sensor nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei das Einspeiseelement dazu eingerichtet ist, Abfragesignale zu empfangen.
Passiver drahtloser Sensor nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei das Einspeiseelement zwischen zwei dielektrischen Schichten der mehreren dielektrischen Schichten angeordnet ist.
Passiver drahtloser Sensor nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei die Antenne eine kontinuierliche Schicht, eine strukturierte Schicht, mehrere gemusterte Strukturen oder Kombinationen davon aufweist.
Passiver drahtloser Sensor nach einem der vorausgehenden Ansprüche, zu dem ferner eine Schutzschicht gehört, die auf der Membran aufgebracht ist.
Passiver drahtloser Sensor nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei eine oder mehrere dielektrische Schichten der mehreren dielektrischen Schichten mehrere Säulen aufweisen, und/oder wobei der passive drahtlose Sensor zusätzlich ein Einspeisungsdurchgangsloch aufweist, das dazu eingerichtet ist, wenigstens einen Teil des Einspeiseelements betriebsmäßig mit der Antenne zu verbinden, wobei das Einspeisungsdurchgangsloch zwischen zwei oder mehr Säulen der mehreren Säulen angeordnet ist.
Überwachungssystem, das enthält: eine Einrichtung, die eine erste Fläche; und einen passiven drahtlosen Sensor aufweist, der mit der ersten Fläche der Einrichtung verbunden ist, wobei zu dem passiven drahtlosen Sensor gehören: mehrere dielektrische Schichten; eine Antenne, die in wenigstens einem Teil eines Hohlraums angeordnet ist, der durch eine oder mehrere dielektrische Schichten der mehreren dielektrischen Schichten gebildet ist; eine Membran, die an dem Hohlraum angeordnet ist; ein Einspeiseelement, das in wenigstens einem Teil der mehreren dielektrischen Schichten angeordnet ist, wobei das Einspeiseelement mit der Antenne betriebsmäßig verbunden ist; einen Sender, der mit dem passiven drahtlosen Sensor betriebsmäßig verbunden ist und dazu eingerichtet ist, Abfragesignale zu senden; einen Empfänger, der mit dem passiven drahtlosen Sensor betriebsmäßig verbunden ist und dazu eingerichtet ist, wenigstens einen Teil von Antwortsignalen zu empfangen, die eine Sensorantwort von dem passiven drahtlosen Sensor kennzeichnen; einen Signalprozessor, der betriebsmäßig mit dem Empfänger verbunden ist und dazu eingerichtet ist, die Antwortsignale zu verarbeiten; und eine Überwachungsvorrichtung, die mit dem Signalprozessor betriebsmäßig verbunden ist und dazu eingerichtet ist, den passiven drahtlosen Sensor auf der Grundlage der verarbeiteten Antwortsignale zu überwachen.
Sensornetzwerk, zu dem gehören: ein Sender, der dazu eingerichtet ist, Abfragesignale zu senden; mehrere Erfassungsknoten, wobei ein oder mehrere Erfassungsknoten der mehreren Erfassungsknoten mindestens einen passiven drahtlosen Sensor enthalten, und wobei der wenigstens eine passive drahtlose Sensor dazu eingerichtet ist, die Abfragesignale zu empfangen und in Reaktion auf die Abfragesignale Antwortsignale zu senden; ein Empfänger, der mit dem passiven drahtlosen Sensor betriebsmäßig verbunden ist und dazu eingerichtet ist, die Antwortsignale zu empfangen; und ein Signalprozessor, der betriebsmäßig mit dem Empfänger verbunden ist und dazu eingerichtet ist, die Antwortsignale zu verarbeiten, um eine Sensorantwort zu erzeugen.