DE102015200638A1

DE102015200638A1 - Sensoreinheit

Info

Publication number: DE102015200638A1
Application number: DE102015200638.7A
Authority: DE
Inventors: Bernd Gross; Markus Klaus Becker; Andreas Nicola
Original assignee: Voith Patent GmbH
Current assignee: Voith Patent GmbH
Priority date: 2015-01-16
Filing date: 2015-01-16
Publication date: 2016-07-21

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Sensoreinheit zur Ermittlung von Messwerten, umfassend einen Sensor (6) und einen passiven RFID-Transponder (2), RFID-TAG, mit einer Antenne (3b). Um die Sensoreinheit auch bei schwierigen Umgebungsbedingungen einsetzen zu können, wird vorgeschlagen, dass die Sensoreinheit in einem Gehäuse (7) mit einem ersten Abschnitt (9), dem Sensorabschnitt, und einem zweiten Abschnitt, dem RFID-TAG-Abschnitt (10), eingebaut ist, wobei der Sensorabschnitt (9) derart gestaltet ist, dass der Sensor (6) möglichst nah an den Messort positioniert werden kann und der zweite Abschnitt (10) derart gestaltet ist, dass der RFID-TAG von Umgebungseinflüssen abgeschirmt ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Sensoreinheit zur Ermittlung von Messwerten, umfassend einen Sensor und einen passiven RFID-Transponder, RFID-TAG, mit einer Antenne.
Die Überwachung von Maschinen bzw. von Aggregaten, wie zum Beispiel Getrieben, wird immer wichtiger. Insbesondere die online Überwachung spielt eine immer größer werdende Rolle, da sie insbesondere dazu geeignet ist, Betriebszustände auszuwerten, um daraus Schlüsse für die nächste Inspektion oder Instandhaltung zu treffen, und insbesondere einem vorzeitigen Ausfall ohne Vorankündigung vorzubeugen. Allgemein wird die Überwachung als „Condition-Monitoring“ bezeichnet.
So wird beispielsweise in der DE 10 2010 034 749 A1 eine Vorrichtung zur Überwachung eines Planetenrades mittels einer Sensoreinheit beschrieben. Es wird vorgeschlagen, die mittels der Sensoreinheit ermittelten Messdaten z.B. per RFID Technologie an eine Empfangseinheit zu übermitteln. Die Energieversorgung der Sensoreinheit erfolgt mittels einer Energieversorgungseinheit wie z.B. einer Batterie.
Bei einem derartigen System auf Basis der RFID-Technik gibt es in der Praxis allerdings erhebliche Probleme. Von allen Dingen sind die heute bekannten RFID-Transponder oder TAG´s nicht dazu geeignet in Maschinen eingebaut zu werden deren Arbeitstemperatur über 100°C liegen kann oder bei denen hohe Beschleunigung auftreten, wie bei schnell rotierenden Vorrichtungen.
Bekannte Sensoranwendungen auf RFID-Basis messen nichtkontinuierlich und vor allem in sehr stabilen Umgebungsbedingungen, wie stationäre Anwendungen z. B. Schädelinnendruck, Luftfeuchtigkeit bei Pflanzentransporten.
Eine Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine passive Sensoreinheit vorzuschlagen die für den Einbau in Maschinenkomponenten geeignet ist. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einer Sensoreinheit gemäß Anspruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und bevorzugte Lösungsvarianten sind in den hiervon abhängigen Unteransprüchen beschrieben.
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, die Eingangs genannte Sensoreinheit derart zu gestallten, dass die Sensoreinheit in einem Gehäuse mit einem ersten Abschnitt, dem Sensorabschnitt, und einem zweiten Abschnitt, dem RFID-TAG-Abschnitt, eingebaut ist, wobei der Sensorabschnitt derart gestaltet ist, dass der Sensor möglichst nah an den Meßort positioniert werden kann und der zweite Abschnitt derart gestaltet ist, dass der RFID-TAG von Umgebungseinflüssen abgeschirmt ist.
Eine in einem derartigen Gehäuse eingebaute Sensoreinheit mit RFID-Tag kann sehr einfach gegenüber Umwelteinflüssen abgeschirmt werden.
Vorzugsweise kann der RFID-TAG mittels einer Vergussmasse, wie z.B. einem Dämmmaterial, in dem Gehäuse fixiert sein. Dadurch kann der empfindliche TAG-Elektronik vor hohen Temperaturen geschützt und hohe Beschleunigungen können gedämpft werden, sodass die Einsatzbereitschaft steigt.
In einer bevorzugten Ausführung kann das Gehäuse trichterförmig ausgeführt sein, wobei der Sensor in der Trichterspitze und der RFID-TAG im Konus des Trichters positioniert sind.
Weiterhin kann vorgesehen sein, dass das Gehäuse ein Außengewinde und/oder eine Anschlagfläche aufweist. Die Sensoreinheit kann somit einfach in en Bauteil eingesteckt oder einschraubt werden. Die Anschlagfläche kann dabei auch als Dichtfläche ausgeführt sein, so dass die Sensoreinheit auch zum Verschließen eines mit Arbeitsmedium gefüllten Hohlraums geeignet ist, wobei mittel des Sensors die Temperatur des Arbeitsmediums überwacht wird.
Der Sensor kann ein Temperatur- oder Drucksensor sein, der durch die Trichterspitze aus dem Gehäuse herausragt.
Weiterhin kann die Antenne des RFID-TAG´s in der Ebenen der Trichtereingangs positioniert sein und das Gehäuse könnte derart gestaltet sein, dass zumindest der RFID-TAG hermetisch eingeschlossen ist. Dieser kann so vor rauen Umgebungsbedingungen, wie Sonneneinstrahlung (UV-Strahlung), Salzwasser, Staub, Öle, etc. geschützt werden. Weiterhin können Maßnahmen vorgesehen sein, die einen sekundärer Explosionsschutz gewährleistet, so dass dieser auch in einer explosionsfähiger Atmosphäre eingesetzt werden kann.
Zwischen der Antenne und dem RFID-TAG kann weiterhin eine magnetische Abschirmschicht und zusätzlich optional ein Ferritkern vorgesehen sein.
Um ein Messsystem zur kontinuierlichen Messung von Betriebsdaten zu erhalten ist die Sensoreinheit einem Messsystem zugeordnet, wobei zur Energieversorgung und zum Datenaustausch eine RFID-Reader vorgesehen sein kann, dessen Antenne derart aufgebaut ist, dass bei Bewegung von Reader und TAG zueinander eine im Wesentlichen kontinuierlicher Energie- und Datentransfer ermöglicht wird. Eine Reader-Antenne die zweiflutig ausgeführt ist kann dazu derart positioniert werden, dass die Antennenfelder der Antennen bei einer Relativbewegung immer im Eingriff bleiben.
So kann das Messsystem zur Überwachung des Arbeitsmediums einer Turbokupplung verwendet werden, wobei die Sensoreinheit derart in ein Schaufelrad der Turbokupplung eingebaut ist, dass zumindest im Betrieb der Turbokupplung die Messwerte, insbesondere die Temperatur, des Arbeitsmediums, gemessen werden kann.
Das Messsystem kann auch zur Überwachung eines Getriebebauteils, insbesondere eines Planetengetriebes verwendet werden, wobei die Sensoreinheit und der RFID-Reader innerhalb des Getriebegehäuses positioniert sind.
Weitere Merkmale der erfindungsgemäßen Synchronisiervorrichtung bzw. der Koppelvorrichtung und weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnungen.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Skizzen näher erläutert.
In diesen zeigen:
1a/b eine Sensoreinheit
2 die Sensoreinheit im Anwendungsfall
3a/3b Funktionsprinzip des RFID-Systems
1a/b zeigt die Sensoreinheit 1 im Schnitte sowie einige Ausführungen. Das Gehäuse 7 ist trichterförmig aufgebaut und weist zwei wesentliche Abschnitte auf. Einen ersten Abschnitt, dem Sensorabschnitt 9, und einem zweiten Abschnitt, dem RFID-TAG-Abschnitt 10. Der Sensorabschnitt 9 ist derart gestaltet, dass der Sensor 6 möglichst nah an den Meßort positioniert werden kann. Der zweite Abschnitt ist derart gestaltet, dass der RFID-TAG 2 möglichst von Umgebungseinflüssen abgeschirmt ist. Insbesondere bei hohen Temperaturen ist es notwendig, dass die Tag-Platine vor zu großer Hitze geschützt ist. Das dargestellte Gehäuse 7 der Sensoreinheit ist als Einschraubgehäuse mit einem Gewinde 11 ausgeführt.
Der Sensor 6 an der Spitze des Gehäuses 7 kann so nahe an einen Temperaturbereich herangeführt und gleichzeitig die TAG-Platine 2 gut gegenüber Hitze abgeschirmt werden. Zur weiteren Isolierung gegenüber der Hitze und zur Befestigung ist der TAG 2 ist dieser mittels einer Vergussmasse, wie einer Isoliermaterials 8 in dem Gehäuse 7 fixiert. Der Abstand Zwischen Sensor 6 und TAG 2 kann entsprechend der thermischen Belastung angepasst werden genauso wie die Wahl des Vergussmaterials. Das Gehäuse kann ein Metall oder Kunststoffgehäuse sein.
In 1b sind unterschiedliche Aufbauten von TAG 2 und der Antennen 3b dargestellt. Je nach Anforderungen können Abschirmungen vorgesehen sein, die den TAG gegenüber dem Antennenfeld abschirmen.
In 1a wird schematisch das aus dem Stand der Technik bekannte Funktionsprinzip eines RFID-Systems dargestellt. Das dargestellte System ermöglicht eine berührungslose Signal- und Energieübertragung. Im Wesentlichen besteht das System aus einem Sensor 6 der mit einer RFID-Sensoreinheit 2 verbunden ist und einem RFID-Reader 1 der mit einer Aúswerteinheit 25 verbunden ist. Die Antennenfelder der Antennen 3a und 3b von Reader 1 und TAG 2 greifen ineinander.
In 2 sind zwei Anwendungsbeispiele dargestellt, bei denen die Sensoreinheit zum Einsatz kommen kann. In beiden Einsatzfällen ist es notwendig, dass eine kontinuierliche Messung erfolgt. Die erfindungsgemäße Sensoreinheit 1 ist für diese Einsatzfälle konzipiert. Um eine kontinuierliche Messung durchführen zu können, ist die Antenne 3a des Readers 24 als zweiflutige Antenne auszulegen, die derart geformt ist, dass die Antenne 3b sich immer im Antennenfeld der Antenne 3a des Readers bewegt.
Die Sensoreinheit 1 kann beispielsweise am Planetenträger 16 eines Planetengetriebes 19 angebracht sein und die Temperatur des Planetenradlagers messen. Alternativ könnte diese aber auch am Planetenrad angeordnet sein. Aufgrund der Abschirmwirkung des Getriebegehäuses 13, muss zumindest die Antenne 3a innerhalb des Gehäuses 13 eingebaut sein.
Eine weitere Anwendung ist die Messung der Arbeitsfluidtemperatur einer Turbokupplung 17. Dazu kann die Sensoreinheit einfach in eine vorhandene Gewindebohrung eingeschraubt werden die bis in den Arbeitsraum des Schaufelrades 15 reicht.
In 3a wird schematisch das aus dem Stand der Technik bekannte Funktionsprinzip eines RFID-Systems dargestellt. Das dargestellte System ermöglicht eine berührungslose Signal- und Energieübertragung. Im Wesentlichen besteht das System aus einem Sensor 6 der mit einer RFID-Sensoreinheit 2 verbunden ist und einem RFID-Reader 24 der mit einer Auswerteinheit 25 verbunden ist. Die Antennenfelder der Antennen 3a und 3b von Reader 24 und TAG 2 greifen ineinander.
3b zeigt den genaueren Aufbau des RFID-Systems. In dieser Darstellung sind alle Bauteile die auf einem Reader 24 und einen TAG 2 angeordnet sein können dargestellt.
Die Energieübertragung wie auch die Datenübertragung erfolgt über die Antennen 3a, 3b der beiden Bauteile 24, 2. Dazu müssen RFID-TAG 2 und RFID-Reader 24 in Funkreichweite zueinander positioniert werden bzw. die Antennen derart zueinander positioniert sein, dass die Feldverläufe der Antennen ineinandergreifen.
Der RFID-TAG 2 kann neben dem Schaltkreis zum Senden und Empfangen von Signalen und Energie eine Energieversorgungseinheit aufweisen, welche für die Stromversorgung der Schaltkreise sorgt. Zur Speicherung der Energie kann eine Energiespeichereinheit vorgesehen sein. Ein derartiger passiver RFID-TAG wird daher allgemein auch als Smartsensor bezeichnet.
Bezugszeichenliste

1: Sensoreinheit
2: RFID-TAG
3a/b: Antenne
4: Energieversorgung
5: Datenaustausch
6: Sensor
7: Gehäuse
8: Vergussmasse
9: Trichterspitze
10: Trichterkonus
11: Gewinde
12: Anschlagfläche
13: Getriebegehäuse
14: Welle
15: Schaufelrad
16: Planetenträger
17: Turbokupplung
18: Feldbereich
19: Planetengetriebe
20: magnetische Abschirmung
21: Ferritkern
24: RFID-Reader
25: Auswerteinheit

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

DE 102010034749 A1 [0003]

Claims

Sensoreinheit zur Ermittlung von Messwerten, umfassend einen Sensor (6) und einen passiven RFID-Transponder (2), RFID-TAG, mit einer Antenne (3b) dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinheit in einem Gehäuse (7) mit einem ersten Abschnitt (9), dem Sensorabschnitt, und einem zweiten Abschnitt, dem RFID-TAG-Abschnitt (10), eingebaut ist, wobei der Sensorabschnitt (9) derart gestaltet ist, dass der Sensor (6) möglichst nah an den Messort positioniert werden kann und der zweite Abschnitt (10) derart gestaltet ist, dass der RFID-TAG von Umgebungseinflüssen abgeschirmt ist.
Sensoreinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der RFID-TAG mittels einer Vergussmasse (8) in dem Gehäuse (7) fixiert ist.
Sensoreinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (7) trichterförmig ausgeführt ist, wobei der Sensor(2) in der Trichterspitze (9) und der RFID-TAG im Konus (10) des Trichters positioniert ist.
Sensoreinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (7) ein Außengewinde und/oder eine Anschlagfläche aufweist.
Sensoreinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor eine Temperatur- oder Drucksensor ist, der durch die Trichterspitze (9) aus dem Gehäuse (7) herausragt.
Sensoreinheit nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Antenne (4) des RFID-TAG´s in der Ebenen der Trichtereingangs positioniert ist.
Sensoreinheit nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (7) zumindest den RFID-TAG (2) hermetisch einschließt.
Sensoreinheit nach Anspruch 1, 3 oder 7 dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (7) derart ausgeführt ist, dass sekundärer Explosionsschutz gewährleistet ist.
Sensoreinheit nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Antenne (3b) gegenüber dem RFID-TAG (2) abgeschirmt ist.
Sensoreinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinheit einem Messsystem zugeordnet ist, wobei zur Energieversorgung und zum Datenaustausch eine RFID-Reader (1) vorgesehen ist, dessen Antenne (3a) derart aufgebaut ist, dass bei Bewegung ein im Wesentlichen kontinuierlicher Energie und Datentransfer ermöglicht wird.
Sensoreinheit nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Messsystem zur Überwachung des Arbeitsmediums einer Turbokupplung (17) verwendet wird, wobei die Sensoreinheit derart in ein Schaufelrad (15) der Turbokupplung (17) eingebaut ist, dass zumindest im Betrieb der Turbokupplung (17) die Messwerte, insbesondere die Temperatur, des Arbeitsmediums, gemessen werden kann.
Sensoreinheit nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Messsystem zur Überwachung eines Getriebebauteils (16), insbesondere eines Planetengetriebes (19) verwendet wird, wobei die Sensoreinheit und der RFID-Reader (1) sowie dessen Antenne (3a) innerhalb des Getriebegehäuses (13) positioniert sind.