DE102015214353A1

DE102015214353A1 - Energy-independent vibration sensor

Info

Publication number: DE102015214353A1
Application number: DE102015214353.8A
Authority: DE
Inventors: Daniel Horcher; Carl Udo Maier; Jochen Ostermaier
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2015-07-29
Filing date: 2015-07-29
Publication date: 2017-02-02
Also published as: WO2017016811A1

Abstract

Es wird ein Schwingungssensor nach Art eines magnetoelastischen Sensors angegeben, der Permanentmagnete aufweist. Der Schwingungssensor weist weiterhin einen Kondensator auf, der in die Empfangsspulen induzierte Energie speichert. Der Kondensator speist bei genügender Aufladung eine Messung und das Versenden eines gewonnenen Messwerts.A vibration sensor in the manner of a magnetoelastic sensor is shown, which has permanent magnets. The vibration sensor further includes a capacitor which stores energy induced in the receiving coils. The capacitor feeds a measurement and the transmission of a measured value obtained with sufficient charge.

Description

Die Erfindung betrifft einen Schwingungssensor zur energieautarken Detektion von Schwingungen in einem ferromagnetisches Material umfassenden Messobjekt. The invention relates to a vibration sensor for energy-autonomous detection of vibrations in a measuring object comprising ferromagnetic material.

Die Überwachung von Schwingungen in Systemen wie Getrieben, Motoren oder auch Bauwerken wie Brücken dient dazu, belastungsbedingte Schäden frühzeitig zu erkennen. Nahezu immer ist es vorteilhaft, wenn ein Schwingungssensor seine Signale drahtlos übermittelt, da dann keine Kabelverbindungen nach außen nötig sind. Schwingungssensoren benötigen aber Energie, die ohne Verkabelung nicht langfristig zur Verfügung gestellt werden kann. The monitoring of vibrations in systems such as gearboxes, motors or even structures such as bridges serves to detect damage caused by stress at an early stage. Almost always it is advantageous if a vibration sensor transmits its signals wirelessly, because then no cable connections are necessary to the outside. However, vibration sensors require energy that can not be provided long-term without cabling.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen energieautarken Schwingungssensor anzugeben, der Signale drahtlos übermittelt. It is an object of the present invention to provide a self-powered vibration sensor that transmits signals wirelessly.

Diese Aufgabe wird durch einen Schwingungssensor mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Ausgestaltungen des Schwingungssensors. This object is achieved by a vibration sensor having the features of claim 1. The subclaims relate to advantageous embodiments of the vibration sensor.

Der erfindungsgemäße Schwingungssensor zur Detektion von Schwingungen in einem ferromagnetisches Material umfassenden Messobjekt umfasst einen Permanentmagnet zur Erzeugung eines Magnetfelds, eine Empfangsspule, einen mit der Empfangsspule elektrisch verbundenen Kondensator und eine mit dem Kondensator verbundene Auswerte- und Sendeeinrichtung auf. Die Auswerte- und Sendeeinrichtung ist ausgestaltet, die für das Senden nötige Energie dem Kondensator zu entnehmen und einen Messwert genau dann zu senden, wenn der Kondensator einen festlegbaren Ladezustand erreicht. The vibration sensor according to the invention for detecting vibrations in a measuring object comprising ferromagnetic material comprises a permanent magnet for generating a magnetic field, a receiving coil, a capacitor electrically connected to the receiving coil and an evaluation and transmitting device connected to the capacitor. The evaluation and transmission device is designed to take the energy required for the transmission of the capacitor and to send a measured value exactly when the capacitor reaches a definable state of charge.

Vorteilhaft wird dadurch ein energieautarker Schwingungssensor geschaffen, bei dem die Häufigkeit von Messsignalen direkt von der Häufigkeit von Schwingungen zusammen mit deren jeweiliger Stärke, also Energie, abhängt. Advantageously, this creates an energy-independent vibration sensor in which the frequency of measurement signals depends directly on the frequency of vibrations together with their respective strength, ie energy.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Einrichtung gehen aus den von Anspruch 1 abhängigen Ansprüchen hervor. Dabei kann die Ausführungsform nach Anspruch 1 mit den Merkmalen eines der Unteransprüche oder vorzugsweise auch mit denen aus mehreren Unteransprüchen kombiniert werden. Demgemäß können für den Stromwandler noch zusätzlich folgende Merkmale vorgesehen werden:

– Der Schwingungssensor kann mehrere Empfangsspulen aufweisen. Dadurch wird mehr Energie aufgenommen und somit die Häufigkeit von Messsignalen gesteigert.
– Permanentmagnet, Empfangsspule und Kondensator können zusammen ein Sensorelement bilden und der Schwingungssensor mehrere Sensorelemente umfasst, deren Kondensatoren zusammen mit der Auswerte- und Sendeeinrichtung verbunden sind. Hierdurch wird ebenfalls die Energieaufnahme erhöht und somit die Empfindlichkeit des Sensors.

Advantageous embodiments of the device according to the invention will become apparent from the dependent of claim 1 claims. In this case, the embodiment can be combined according to claim 1 with the features of one of the subclaims or preferably also with those of several subclaims. Accordingly, the following features can additionally be provided for the current transformer:

- The vibration sensor may have multiple receiving coils. As a result, more energy is absorbed, thus increasing the frequency of measurement signals.
- Permanent magnet, receiving coil and capacitor can together form a sensor element and the vibration sensor comprises a plurality of sensor elements, the capacitors are connected together with the evaluation and transmitting device. This also increases the energy consumption and thus the sensitivity of the sensor.

Ein bevorzugtes, jedoch keinesfalls einschränkendes Ausführungsbeispiel für die Erfindung wird nunmehr anhand der einzigen Figur der Zeichnung näher erläutert. Dabei sind die Merkmale schematisiert dargestellt. A preferred, but by no means limiting embodiment of the invention will now be described with reference to the single figure of the drawing. The features are shown schematically.

Die Figur zeigt einen Schwingungssensor 10, der in der unmittelbaren Nähe eines Messobjekts 13 angeordnet ist. Das Messobjekt 13 soll in diesem Beispiel einen Oberflächenbereich aufweisen, der ein ferromagnetisches Material umfasst und der Schwingungssensor 10 ist bei diesem Oberflächenbereich angeordnet. Der Schwingungssensor 10 umfasst einen Kern 11, der im vorliegenden Beispiel E-förmig ausgebildet ist. Die Schenkel des Kerns 11 enden nahe der Oberfläche des Messobjekts 13. Der Kern 11 umfasst zwei permanentmagnetische Bereiche 12, die für ein ständiges Magnetfeld ohne Stromverbrauch sorgen. Die Schenkel des Kerns 11 sind jeweils umwickelt mit Spulen. Der mittlere Schenkel weist eine Sendespule 14 auf, während die äußeren Schenkel des Kerns 11 jeweils eine Empfangsspule 15 aufweisen. The figure shows a vibration sensor 10 that is in the immediate vicinity of a measurement object 13 is arranged. The measurement object 13 in this example should have a surface area comprising a ferromagnetic material and the vibration sensor 10 is located at this surface area. The vibration sensor 10 includes a core 11 which is E-shaped in the present example. The thighs of the core 11 ends near the surface of the measurement object 13 , The core 11 includes two permanent magnetic areas 12 that provide a constant magnetic field without power consumption. The thighs of the core 11 are each wrapped with coils. The middle leg has a transmitting coil 14 on while the outer thighs of the core 11 one receiving coil each 15 exhibit.

Die Empfangsspulen 15 sind über ein Schaltersystem 18 mit einem Kondensator 16 verbunden, der Energie aus Induktion in die Empfangsspulen speichert. Die Sendespule 14 wiederum ist über ein weiteres Schaltersystem 17 mit dem Kondensator 16 verbunden. Der Schwingungssensor 10 ist so konfiguriert, dass üblicherweise nur je eines der Schaltersysteme 17, 18 eingeschaltet ist. The receiver coils 15 are via a switch system 18 with a capacitor 16 connected, the energy from induction stores in the receiving coil. The transmitting coil 14 in turn is via another switch system 17 with the capacitor 16 connected. The vibration sensor 10 is configured so that usually only one of each of the switch systems 17 . 18 is turned on.

Die Sendespule 14 und die Empfangsspulen 15 sind weiterhin direkt mit einer Auswerte- und Sendeeinheit 19 verbunden. The transmitting coil 14 and the receiving coils 15 are still directly connected to an evaluation and transmission unit 19 connected.

Der Schwingungssensor 10 arbeitet mit dem Prinzip magnetoelastischer Sensoren: Krafteinwirkungen auf das Messobjekt 13 führen zu Permeabilitätsänderungen. Wird ein Magnetfeld erzeugt, das in das Messobjekt 13 hineinreicht oder zumindest in das ferromagnetische Material, lassen sich die Permeabilitätsänderungen mittels Empfangsspulen 15 detektieren. The vibration sensor 10 works with the principle of magnetoelastic sensors: forces acting on the test object 13 lead to permeability changes. If a magnetic field is generated in the object to be measured 13 extends into or at least in the ferromagnetic material, the permeability changes can be by means of receiving coils 15 detect.

Typischerweise sind magnetoelastische Sensoren neben den Empfangsspulen 15 noch mit einer oder mehreren Sendespulen 14 ausgestattet. Im Schwingungssensor 10 werden zusätzlich zur Sendespule 14 aber ein oder mehrere Permanentmagnete bzw. magnetisierte Bereiche 12 eingesetzt. Hierdurch ist stets ein Magnetfeld vorhanden. Für die Erfindung wurde erkannt, dass die Induktion an den Empfangsspulen 15, die normalerweise als Sensorsignal ausgewertet wird, auch zu Aufnahme und Speicherung elektrischer Energie verwendet werden können. Der Kondensator 16 speichert diese Energie. Vorteilhaft kann daher ohne weitere Energiequelle ein Signal vom Schwingungssensor 10 abgegeben werden, wenn genügend Energie gesammelt worden ist. Typically, magnetoelastic sensors are adjacent to the receiving coils 15 still with one or more transmitting coils 14 fitted. In the vibration sensor 10 be in addition to the transmitting coil 14 but one or more permanent magnets or magnetized areas 12 used. As a result, a magnetic field is always present. For the invention it was recognized that the induction at the receiving coils 15 , which is normally evaluated as a sensor signal, can also be used to receive and store electrical energy. The capacitor 16 saves this energy. Advantageously, therefore, without further energy source, a signal from the vibration sensor 10 delivered when enough energy has been collected.

Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird im Kondensator 16 so lange Energie gespeichert, bis ein vorbestimmtes Spannungsniveau erreicht ist. Hierzu sind die Schalter des Schaltersystems 18 geschlossen und die des Schaltersystems 17 geöffnet. Die Auswerte- und Sendeeinheit 19 kann das Spannungsniveau überwachen und, sobald der Schwellwert erreicht ist, das Schaltersystem 17 schließen und das Schaltersystem 18 öffnen. In the present embodiment is in the capacitor 16 stored energy until a predetermined voltage level is reached. These are the switches of the switch system 18 closed and the switch system 17 open. The evaluation and transmission unit 19 can monitor the voltage level and, once the threshold is reached, the switch system 17 close and the switch system 18 to open.

Sodann wird die Empfangsspule und auch die Auswerte- und Sendeeinheit 19 vom Kondensator mit Strom versorgt. Es kann nun nach herkömmlicher Art ein Messwert erzeugt werden, indem der Kondensator 16 über die Sendespule 14 entladen wird. Dadurch baut sich ein Magnetfeld auf und wieder ab, wodurch eine Spannung in den Empfangsspulen 15 induziert wird. Die Höhe der Spannung ist ein Maß für die Krafteinwirkung auf das Messobjekt 13. Unter Verwendung der im Kondensator 16 gespeicherten Energie wird der so erzeugte Messwert drahtlos nach außen weitergegeben. Then the receiving coil and also the evaluation and transmission unit 19 powered by the capacitor. It can now be produced in a conventional manner, a measured value by the capacitor 16 over the transmitter coil 14 unloaded. As a result, a magnetic field builds up and down again, causing a voltage in the receiver coils 15 is induced. The amount of tension is a measure of the force on the measurement object 13 , Using the in the capacitor 16 stored energy is transmitted to the measured value generated wirelessly to the outside.

In einer einfacheren Variante des Schwingungssensors 10 ist es auch möglich, dass kein Messsignal erzeugt wird, wenn der Ladezustand des Kondensators 16 den vorbestimmten Schwellwert überschreitet. Stattdessen sendet die Auswerte- und Sendeeinheit 19 lediglich die Information, dass genügend Energie gesammelt wurde. Außerhalb des Sensors 10 kann dann die Datenrate an sich als Signal für die Häufigkeit und summierte Stärke von Krafteinwirkungen auf das Messobjekt 13 gewertet werden. In a simpler version of the vibration sensor 10 It is also possible that no measurement signal is generated when the state of charge of the capacitor 16 exceeds the predetermined threshold. Instead, the evaluation and transmission unit sends 19 just the information that enough energy has been collected. Outside the sensor 10 in turn, the data rate can be used as a signal for the frequency and summed strength of force effects on the measurement object 13 get ranked.

In einer weiteren Variante des Schwingungssensors 10 umfasst dieser eine Mehrzahl von Sensorelementen, die aus Kern 11 und den Spulen 14, 15 sowie dem Kondensator 16 gebildet sind. Die Sensorelemente sind nebeneinander angeordnet und mit der Auswerte- und Sendeeinheit 19 verbunden. Hierdurch wird insgesamt mehr Energie aufgenommen. In a further variant of the vibration sensor 10 this includes a plurality of sensor elements made of core 11 and the coils 14 . 15 and the capacitor 16 are formed. The sensor elements are arranged side by side and with the evaluation and transmission unit 19 connected. As a result, more energy is consumed overall.

Claims

Vibration sensor ( 10 ) for energy-autonomous detection of vibrations in a measuring object comprising ferromagnetic material ( 13 ), comprising: - a permanent magnet ( 12 ) for generating a magnetic field, - a receiving coil ( 15 ), - one with the receiving coil ( 15 ) electrically connected capacitor ( 16 ), - one with the capacitor ( 16 ) connected evaluation and transmission device ( 19 ), wherein the evaluation and transmission device ( 19 ), - the energy required for the transmission to the capacitor ( 16 ), - send a measured value if and only if the capacitor ( 16 ) reaches a definable state of charge.

Vibration sensor ( 10 ) according to claim 1 with a plurality of receiving coils ( 15 ).

Vibration sensor ( 10 ) according to claim 1 or 2, wherein permanent magnet ( 12 ), Receiving coil ( 15 ) and capacitor ( 16 ) together form a sensor element and the vibration sensor ( 10 ) comprises a plurality of sensor elements whose capacitors ( 16 ) together with the evaluation and transmission device ( 19 ) are connected.

Vibration sensor ( 10 ) according to one of the preceding claims with a transmitting coil ( 14 ), configured such that the capacitor ( 16 ) on reaching the definable state of charge via the transmitting coil ( 14 ) and a sensor signal from the receiving coils ( 15 ) is recorded.