DE102015221691A1

DE102015221691A1 - Diagnostic module and machine with a diagnostic module

Info

Publication number: DE102015221691A1
Application number: DE102015221691.8A
Authority: DE
Inventors: Wilfried Eichner; Daniel Hast; Nicolas Maier
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2015-11-05
Filing date: 2015-11-05
Publication date: 2017-05-11

Abstract

Offenbart sind ein Diagnosemodul und eine mit einem derartigen Diagnosemodul ausgeführte Maschine, wobei ein triboelektrischer Wandler zur Stromversorgung und/oder zur Erfassung von Zustandsgrößen der Maschine genutzt ist.Disclosed are a diagnostic module and a running with such a diagnostic module machine, wherein a triboelectric converter is used for power supply and / or for detecting state variables of the machine.

Description

Die Erfindung betrifft ein Diagnosemodul gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und eine mit einem derartigen Diagnosemodul versehene Maschine. The invention relates to a diagnostic module according to the preamble of patent claim 1 and a machine provided with such a diagnostic module.

Ein derartiges Diagnosemodul ist beispielsweise aus der DE 10 2011 118 962 A1 der Anmelderin bekannt und wird verwendet, um bestimmte Betriebszustände/Zustandsgrößen, beispielsweise Schwingungen einer Maschine zu detektieren und dabei eine automatische Maschinendiagnose durchzuführen. Der Maschinenzustand wird am Messort ermittelt und mittels einer standardisierten Software auf vorgegebene Grenzwerte überwacht und verwaltet. Die Schwingungsdiagnosemodule weisen häufig interne Applikationen zur zentralen Überwachung auf. Bekannt ist es auch, zur Übertragung der Messdaten die Diagnosemodule mit Standard-Datenschnittstellen auszuführen, so dass eine dezentrale Überwachung der Maschinen ermöglicht ist. Bei der in der DE 10 2011 118 962 A1 vorgeschlagenen Lösung ist zusätzlich zu einem Schwingungssensor ein weiterer integrierter Sensor zur Erfassung einer weiteren Zustandsgröße der zu diagnostizierenden Maschine vorhanden. Der zusätzliche Sensor kann beispielsweise ein Temperatur- oder ein Drucksensor sein, so dass eine umfassende Auswertung des exakten Betriebszustands der Maschine ermöglicht ist. Such a diagnostic module is for example from the DE 10 2011 118 962 A1 The applicant is known and used to detect certain operating conditions / state variables, such as vibrations of a machine and thereby perform an automatic machine diagnosis. The machine condition is determined at the measuring location and monitored and managed by means of standardized software to specified limit values. The vibration diagnostic modules often have internal applications for central monitoring. It is also known to execute the diagnostic modules with standard data interfaces for the transmission of the measured data, so that a decentralized monitoring of the machines is made possible. When in the DE 10 2011 118 962 A1 proposed solution, in addition to a vibration sensor, a further integrated sensor for detecting a further state variable of the machine to be diagnosed. The additional sensor may for example be a temperature or a pressure sensor, so that a comprehensive evaluation of the exact operating state of the machine is possible.

Der Schwingungssensor und der Drucksensor sind in herkömmlicher Bauweise, beispielsweise als piezoelektrisches Element oder als mikromechanischer Schwingungs-/Druckaufnehmer ausgeführt. Derartige Elemente sind vergleichsweise teuer und sind häufig auch aus bleihaltigen Materialien, wie beispielsweise Bleizirkonattitanat hergestellt – die Verwendung derartiger Materialien ist jedoch im Hinblick auf den Umweltschutz problematisch und nach den geltenden Normen und Richtlinien, beispielsweise der RoHS-Richtlinie 2011/65/EU (Restriction of Hazardous Substances) zu vermeiden. The vibration sensor and the pressure sensor are designed in conventional construction, for example as a piezoelectric element or as a micromechanical vibration / pressure transducer. Such elements are comparatively expensive and are often made of lead-containing materials such as lead zirconate titanate - however, the use of such materials is problematic in terms of environmental protection and according to current standards and guidelines, such as RoHS Directive 2011/65 / EU (Restriction of Hazardous Substances).

Ein weiteres Problem besteht darin, dass derartige Diagnosemodule, auch „Condition Monitoring Systems“ genannt, sehr teuer sind, da die Stromversorgung der Sensoren sowie der Kommunikationsschnittstellen einen hohen Aufwand erfordert. Another problem is that such diagnostic modules, also called "condition monitoring systems", are very expensive, since the power supply of the sensors and the communication interfaces requires a lot of effort.

Dem gegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Diagnosemodul und eine mit einem derartigen Diagnosemodul ausgeführte Maschine zu schaffen, die eine Überwachung der Zustandsgrößen einer Maschine mit geringem Aufwand ermöglichen. In contrast, the invention has the object to provide a diagnostic module and running with such a diagnostic module machine that allow monitoring of the state variables of a machine with little effort.

Diese Aufgabe wird im Hinblick auf das Diagnosemodul durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 und im Hinblick auf die Maschine durch die Merkmale des nebengeordneten Patentanspruchs 8 gelöst. This object is achieved with regard to the diagnostic module by the features of patent claim 1 and with regard to the machine by the features of the independent claim 8.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Advantageous developments of the invention are the subject of the dependent claims.

Das erfindungsgemäße Diagnosemodul zur Diagnose von Zustandsgrößen einer Maschine oder eines Maschinenelementes hat eine Sensoranordnung zur Erfassung von Zustandsgrößen sowie eine Stromversorgung sowie einen Microcontroller zur Auswertung der von der Sensoranordnung erfassten Signale. Erfindungsgemäß ist das Diagnosemodul mit einem triboelektrischen Wandler ausgeführt, der ein erstes Wandlerelement und ein zweites Wandlerelement aufweist, die hinsichtlich ihrer Dielektrizitätskonstante oder hinsichtlich einer Eigenschaft nach einer tribologischen Reihe unterschiedlich sind und denen jeweils eine Elektrode zugeordnet ist. Die beiden Wandlerelemente sind derart angeordnet, dass sie bei Betrieb der Maschine bzw. des Maschinenelements in tribologischen Kontakt bringbar sind. Dabei wird die in den Wandler eingeleitete mechanische Energie in elektrische Energie umgewandelt, die erfindungsgemäß zur Stromversorgung des Diagnosemoduls genutzt wird. The diagnostic module according to the invention for the diagnosis of state variables of a machine or a machine element has a sensor arrangement for detecting state variables as well as a power supply and a microcontroller for evaluating the signals detected by the sensor arrangement. According to the invention, the diagnostic module is embodied with a triboelectric converter which has a first transducer element and a second transducer element which are different in terms of their dielectric constant or in terms of a property according to a tribological series and to which an electrode is assigned in each case. The two transducer elements are arranged such that they can be brought into tribological contact during operation of the machine or the machine element. In this case, the introduced into the converter mechanical energy is converted into electrical energy, which is used according to the invention for powering the diagnostic module.

Mit anderen Worten gesagt, der Wandler ist so ausgelegt, dass mit diesem elektrische Verbraucher des Diagnosemoduls, beispielsweise der Microcontroller mit Strom versorgt werden, so dass auf eine externe Stromversorgung verzichtet werden kann oder aber der Anteil der von einer externen Stromversorgung bereitzustellenden Energie gegenüber herkömmlichen Lösungen deutlich verringert werden kann. In other words, the converter is designed so that are supplied with this electrical load of the diagnostic module, such as the microcontroller, so that can be dispensed with an external power supply or the proportion of energy to be provided by an external power supply over conventional solutions can be significantly reduced.

Bei einer besonders bevorzugten Variante ist der triboelektrische Wandler so ausgelegt, dass damit auch Zustandsgrößen der Maschine, insbesondere Schwingungen erfassbar und auswertbar sind. Der triboelektrische Wandler hat somit eine Doppelfunktion, gemäß der zum Einen die umgewandelte elektrische Energie genutzt wird, um das Diagnosemodul zu betreiben und zum Anderen die aus dem tribologischen Kontakt resultierenden Signale zur Detektion der Zustandsgröße, insbesondere der Schwingungen genutzt werden. In a particularly preferred variant of the triboelectric converter is designed so that so that state variables of the machine, in particular vibrations can be detected and evaluated. The triboelectric converter thus has a dual function, according to which on the one hand the converted electrical energy is used to operate the diagnostic module and, on the other hand, the signals resulting from the tribological contact are used to detect the state variable, in particular the oscillations.

Unter einem triboelektrischen Wandler ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein auf den triboelektrischen Effekt beruhendes Element zu verstehen. Bei derartigen Wandlern werden zwei aus unterschiedlichen isolierenden Materialien bestehende tribologische Kontaktflächen miteinander in Kontakt gebracht, so dass es zu einem Austausch von Ladungsträgern zwischen den Kontaktflächen kommt. Bewegt man nun diese Kontaktflächen auseinander, so werden Ladungsträger auf der Oberfläche der isolierenden Materialien verbleiben und es baut sich ein elektrisches Feld auf, da die Ladungen nicht länger durch die gegenteilig geladenen Ladungsträger auf der gegenüberliegenden Kontaktfläche abgeschirmt sind. Dieses Feld führt zu einem Fluss von Kompensationsladungen in Elektroden, die auf die Rückseiten der mit den Kontaktflächen ausgeführten Elemente aufgebracht sind bzw. zum Aufbau einer Spannung, wenn dieser Stromfluss durch das Auseinanderbewegen der Kontaktflächen behindert ist. Werden die beiden Kontaktflächen wieder in tribologischen Kontakt gebracht, so kehrt sich der eben beschriebene Effekt um und es kommt zu einem Stromfluss oder einer Spannung mit umgekehrten Vorzeichen. In the context of the present invention, a triboelectric transducer is to be understood as an element based on the triboelectric effect. In such converters, two tribological contact surfaces made of different insulating materials are brought into contact with each other, so that there is an exchange of charge carriers between the contact surfaces. If one moves these contact surfaces apart, charge carriers will remain on the surface of the insulating materials and it will build up electric field because the charges are no longer shielded by the charge carriers on the opposite contact surface. This field results in a flux of compensation charges in electrodes applied to the back sides of the elements made with the pads, or to build up a voltage when this current flow is obstructed by moving the pads apart. If the two contact surfaces brought back into tribological contact, the effect just described is reversed and there is a current flow or a voltage with the opposite sign.

Ein derartiger Wandler, wie er beispielsweise in der DE 44 29 035 A1 beschrieben ist, kann auch mit einer Kontaktfläche aus metallischen bzw. leitfähigem Material und einer Kontaktfläche aus einem nicht leitfähigen Material aufgebaut sein. Die Ladungstrennung findet dann, wie oben beschrieben, bei Kontakt zwischen der metallischen leitfähigen Fläche und der zweiten Kontaktfläche statt, die wie im zuvor beschriebenen Fall an einem Element aus isolierendem Material mit rückseitiger Elektrode ausgebildet sein muss. Werden die beiden Kontaktflächen bei geschlossenem Stromkreis auseinander bewegt, so werden auf der metallischen/leitfähigen Oberfläche keine Ladungsträger gespeichert. Die Ladungen fließen ab und wandern als Kompensationsladungen in die Elektrode auf der Rückseite der aus isolierendem Material bestehenden Kontaktfläche, so dass auch in diesem Aufbau ein Strom fließt, wenn der Abstand zwischen den Kontaktflächen verändert wird. Bei offenem Stromkreis bzw. behindertem Stromfluss baut sich entsprechend eine Spannung auf. Such a converter, as he, for example, in the DE 44 29 035 A1 can also be constructed with a contact surface of metallic or conductive material and a contact surface made of a non-conductive material. The charge separation then takes place, as described above, upon contact between the metallic conductive surface and the second contact surface, which, as in the case described above, must be formed on an element made of insulating material with a back electrode. If the two contact surfaces are moved apart when the circuit is closed, no charge carriers are stored on the metallic / conductive surface. The charges flow off and travel as compensation charges into the electrode on the back side of the contact material made of insulating material, so that a current flows in this structure as well, if the distance between the contact surfaces is changed. When the circuit is open or the current flow is impeded, a voltage builds up accordingly.

Die Kontaktflächen können dabei lateral relativ zueinander oder aber auch quer zu ihrer Großfläche auseinander bewegt werden, um eine Trennung der Oberflächenladungen herbeizuführen um den beschriebenen Fluss von Kompensationsladungen zu verursachen. In this case, the contact surfaces can be moved apart laterally relative to one another or else transversely to their large surface, in order to bring about a separation of the surface charges in order to cause the described flow of compensation charges.

Empirische triboelektrische Reihen geben Auskunft darüber, welche Ladungstrennung beim Kontakt zweier Materialien zu erwarten ist. Dabei sind die triboelektrischen Reihen, die von verschiedenen Autoren in unterschiedlichen Studien aufgestellt wurden, relativ gut miteinander vergleichbar. D. h., die Reihenfolge in der Materialien nach ihrer Neigung zur positiven oder negativen Aufladung geordnet werden, ist in allen Studien bis auf wenige Ausnahmen identisch. Materialkombinationen für besonders starke triboelektrische Ladungseffekte können also anhand veröffentlichter triboelektrischer Reihen ausgewählt werden. Empirical triboelectric series provide information about which charge separation is expected when two materials come into contact. The triboelectric series, which were set up by different authors in different studies, are relatively comparable. That is, the order in which materials are ranked by their propensity for positive or negative charge is identical in all but a few exceptions. Material combinations for particularly strong triboelectric charge effects can thus be selected on the basis of published triboelectric series.

Unter einer „triboelektrischen Reihe“ ist somit im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine empirisch aufgestellte Reihe zu verstehen, die die Ladungsträgeraffinität eines Materials angibt. Je weiter ein Material an einem Ende der Reihe steht, desto mehr Ladungsträger wird es bei Berührung oder Reibung an ein Material abgeben, welches weiter am anderen Ende dieser Reihe steht. Die tatsächliche Quantität der Ladungstrennung durch den triboelektrischen Effekt hängt jedoch auch von weiteren Faktoren, wie beispielsweise der Temperatur, der Oberflächenbeschaffenheit, der elektrischen Leitfähigkeit und der Wasseraufnahme ab. In der Literatur wird als Kenngröße für die Ladungsträgeraffinität auch die Dielektrizitätskonstante angegeben. In the context of the present invention, a "triboelectric series" is thus understood to mean an empirically prepared series which indicates the charge carrier affinity of a material. The further a material is at one end of the row, the more charge carriers it will give off on contact or friction to a material which is further at the other end of that row. However, the actual quantity of charge separation by the triboelectric effect also depends on other factors such as temperature, surface condition, electrical conductivity and water absorption. In the literature, the dielectric constant is also given as a parameter for the charge carrier affinity.

Die beiden Materialien werden vorzugsweise so gewählt, dass sie einen gewissen, möglichst großen Abstand auf der triboelektrischen Reihe aufweisen und/oder aber unterschiedliche Dielektrizitätskonstanten haben. Dabei müssen die Materialien nicht notwendigerweise unterschiedlich ausgebildet sein sondern es kann auch hinreichend sein, die Materialien in unterschiedlicher Weise vorzubehandeln, so dass sich nicht aufgrund der Materialwahl sondern aufgrund der Vorbehandlung (Oxidation etc.) eine Potentialdifferenz ausbildet. The two materials are preferably chosen so that they have a certain distance as large as possible on the triboelectric series and / or have different dielectric constants. In this case, the materials need not necessarily be designed differently but it may also be sufficient to pretreat the materials in different ways so that a potential difference does not develop due to the choice of material but due to the pretreatment (oxidation, etc.).

Dem entsprechend sind positive oder negative Eigenschaften nach der triboelektrischen Reihe als relative Eigenschaften und nicht als absolute Eigenschaften zu verstehen. So bedeutet eine positive Eigenschaft nach der triboelektrischen Reihe lediglich, dass ein solches Material mehr Elektronen bei Berührung oder Reibung an ein anderes Material abgeben oder mehr Protonen von diesem aufnehmen kann, welches eine stärkere negative Eigenschaft nach der triboelektrischen Reihe aufweist. Accordingly, positive or negative properties according to the triboelectric series are to be understood as relative properties and not as absolute properties. Thus, a positive property after the triboelectric series merely means that such a material can release more electrons on contact or friction to another material or absorb more protons from it, which has a stronger negative property after the triboelectric series.

Bei einem besonders einfach herstellbaren Ausführungsbeispiel sind die beiden Kontaktflächen jeweils aus Polymeren, beispielsweise Kapton/PMMA oder Teflon/Polyamid ausgeführt. In a particularly easy to manufacture embodiment, the two contact surfaces are each made of polymers, such as Kapton / PMMA or Teflon / polyamide.

Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist das Diagnosemodul mit dem als Schwingungssensor wirkenden triboelektrischen Wandler sowie einem Temperatursensor und einem Drucksensor ausgeführt. Insbesondere letzterer kann ebenfalls als triboelektrischer Sensor ausgeführt werden. In one embodiment of the invention, the diagnostic module is designed with the triboelectric transducer acting as a vibration sensor and a temperature sensor and a pressure sensor. In particular, the latter can also be carried out as a triboelectric sensor.

Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist das Diagnosemodul mit geeigneten kabellosen Kommunikationsschnittstellen, beispielsweise WLAN, Bluetooth, Mobilfunk ausgeführt. In one embodiment of the invention, the diagnostic module is designed with suitable wireless communication interfaces, for example WLAN, Bluetooth, mobile radio.

Der triboelektrische Wandler kann mehrachsig ausgeführt sein, so dass entsprechend mehrachsige Zustandsgrößen erfassbar sind. The triboelectric converter can be multiaxial, so that correspondingly multi-axis state variables can be detected.

Erfindungsgemäß wird es bevorzugt, wenn das Diagnosemodul in einem Gehäuse angeordnet ist. According to the invention, it is preferred if the diagnostic module is arranged in a housing.

Die mit einem erfindungsgemäßen Diagnosemodul ausgeführte Maschine ist vorzugsweise eine rotierende Maschine, beispielsweise eine hydraulische Axial- oder Radialkolbenmaschine, ein Generator oder ein Getriebe oder dergleichen. The machine designed with a diagnostic module according to the invention is preferably a rotating machine, for example a hydraulic axial or radial piston machine, a generator or a gear or the like.

Die Anmelderin behält sich vor, auf die Nutzung des triboelektrischen Wandlers nur als Schwingungssensor eines Diagnosemoduls einen eigenen unabhängigen Patentanspruch zu richten. The Applicant reserves the right to use the triboelectric transducer only as a vibration sensor of a diagnostic module to make its own independent claim.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung werden im Folgenden anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Advantageous developments of the invention are explained in more detail below with reference to schematic drawings.

Es zeigen Show it

1 eine Prinzipdarstellung eines erfindungsgemäßen Diagnosemoduls und 1 a schematic diagram of a diagnostic module according to the invention and

2 eine Prinzipdarstellung eines triboelektrischen Wandlerelements. 2 a schematic diagram of a triboelectric transducer element.

1 zeigt eine äußerst stark schematisierte Ansicht einer Maschine 1, beispielsweise einer hydraulischen Verdrängereinheit oder eines Getriebes, die mit einem erfindungsgemäßen Diagnosemodul 2 ausgeführt ist. Dieses kann an die Maschine angesetzt sein oder aber – wie mit den strichpunktierten Linien in 1 angedeutet in die Maschine integriert werden. 1 shows a very highly schematized view of a machine 1 , For example, a hydraulic displacement unit or a transmission, with a diagnostic module according to the invention 2 is executed. This can be attached to the machine or - as with the dash-dotted lines in 1 indicated to be integrated into the machine.

Das dargestellte Diagnosemodul 2 hat ein Gehäuse 4, in dem eine Sensoranordnung 6 mit einem Temperatursensor 8 und einem Drucksensor 10 angeordnet ist. Zur Sensoranordnung 6 gehört noch ein Schwingungssensor 12, der so angeordnet ist, dass er von der Maschine 1 übertragene Schwingungen erfassen kann. Die beiden erstgenannten Aufnehmer/Sensoren 8, 10 sind so angeordnet, dass sie die jeweilige Zustandsgröße erfassen können. Ist beispielsweise eine hydraulische Verdrängereinheit mit einem Diagnosemodul 2 ausgeführt, so werden die beiden Sensoren 8, 10 so angeordnet, dass sie mit ihren Sensorköpfen in einen Druckmittel führenden Kanal 14 eintauchen und somit die Temperatur des Druckmittels und den im Kanal 14 anliegenden Druck erfassen können. Selbstverständlich können auch anders geartete Sensoren verwendet werden. Der Schwingungssensor 12 ist als triboelektrischer Wandler ausgeführt, dessen Eigenschaften eingangs erläutert sind. The illustrated diagnostic module 2 has a housing 4 in which a sensor arrangement 6 with a temperature sensor 8th and a pressure sensor 10 is arranged. To the sensor arrangement 6 still belongs a vibration sensor 12 that is arranged so that it is from the machine 1 can capture transmitted vibrations. The first two sensors / sensors 8th . 10 are arranged so that they can capture the respective state variable. If, for example, a hydraulic displacement unit with a diagnostic module 2 executed, so the two sensors 8th . 10 arranged so that they channel with their sensor heads into a pressure medium 14 immerse and thus the temperature of the pressure medium and the in the channel 14 can capture applied pressure. Of course, other types of sensors can be used. The vibration sensor 12 is designed as a triboelectric converter whose properties are explained in the introduction.

In 2 ist ein möglicher Grundaufbau eines derartigen triboelektrischen Wandlers 12 dargestellt. Dieser hat im Prinzip ein erstes Wandlerelement 16, das aus einem elektrisch isolierenden Polymer, beispielsweise Teflon bestehen kann. Rückseitig trägt dieses Wandlerelement 16 eine Elektrode 18. Die von der Elektrode 18 entfernte Großfläche des ersten Wandlerelements 16 ist als tribologische Kontaktfläche 20 ausgebildet, die beim dargestellten Ausführungsbeispiel zur Erhöhung der Reibung mikrostrukturiert ist. Der triboelektrische Wandler 12 hat des Weiteren ein zweites Wandlerelement 22, das aus einem Material hergestellt ist, das in der tribologischen Reihe einen gewissen Abstand zum Material des ersten Wandlerelements 16 aufweist. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel ist das zweite Wandlerelement 22 beispielsweise aus Polyamid ausgeführt. Rückseitig hat dieses zweite Wandlerelement 22 wiederum eine Elektrode 24. Zum ersten Wandlerelement 16 hinweisend hat das zweite Wandlerelement 22 eine tribologische Kontaktfläche 26, die beim dargestellten Ausführungsbeispiel nicht mikrostrukturiert ist, aber beispielsweise eine durch das Herstellverfahren vorgegebene Oberflächenrauigkeit aufweisen kann. Prinzipiell muss die Mikrostruktur nicht durch einen eigenen Arbeitsgang hergestellt werden sondern kann durch den Herstellvorgang der Wandlerelemente an sich vorgegeben sein. In 2 is a possible basic construction of such a triboelectric converter 12 shown. This has in principle a first transducer element 16 which may consist of an electrically insulating polymer, for example Teflon. On the back carries this transducer element 16 an electrode 18 , The of the electrode 18 remote large area of the first transducer element 16 is a tribological contact surface 20 formed, which is microstructured in the illustrated embodiment to increase the friction. The triboelectric converter 12 also has a second transducer element 22 , which is made of a material that in the tribological series a certain distance from the material of the first transducer element 16 having. In the illustrated embodiment, the second transducer element 22 For example, made of polyamide. On the back has this second transducer element 22 again an electrode 24 , To the first transducer element 16 indicative has the second transducer element 22 a tribological contact surface 26 , which is not microstructured in the illustrated embodiment, but may for example have a predetermined by the manufacturing process surface roughness. In principle, the microstructure does not have to be produced by a separate operation but can be predetermined by the manufacturing process of the transducer elements.

Beim dargestellten Ausführungsbeispiel sind die beiden Wandlerelemente 16, 22 durch Abstandshalter 28 zueinander beabstandet. Eines der Wandlerelemente, beispielsweise das zweite Wandlerelement 22 ist so in einer Einhausung 30 des Wandlerelements angeordnet, dass die beiden tribologischen Kontaktflächen 20, 22 aufgrund der beim Betrieb der Maschine 1 eingeleiteten Schwingungen miteinander in Kontakt kommen können. Diese Schwingungen können beispielsweise zu einem Einwölben (Verbiegen) des oder der Wandlerelemente 16, 22 führen, so dass diese in Kontakt miteinander kommen. Vorstellbar ist auch eine Parallelverschiebung oder eine Lateralverschiebung, die zu einer Kontaktierung führt. In den beiden letztgenannten Fällen kann beispielsweise auf den Abstandshalter 28 verzichtet werden oder aber dieser ist so ausgeführt, dass er durch die eingeleiteten Schwingungen komprimiert wird und einen Kontakt zulässt. In the illustrated embodiment, the two transducer elements 16 . 22 through spacers 28 spaced apart. One of the transducer elements, for example the second transducer element 22 is so in an enclosure 30 arranged the transducer element that the two tribological contact surfaces 20 . 22 due to the operation of the machine 1 introduced vibrations can come into contact with each other. These vibrations may, for example, lead to a buckling (bending) of the transducer element (s) 16 . 22 lead so that they come into contact with each other. Also conceivable is a parallel displacement or a lateral displacement, which leads to a contact. In the latter two cases, for example, on the spacer 28 be omitted or this is designed so that it is compressed by the introduced vibrations and allows contact.

Wie erläutert, kommt es bei der Kontaktierung/Relativverschiebung der beiden tribologischen Kontaktflächen 20, 22 aufgrund der Reibung der beiden isolierenden Polymerkörper zu einer elektrostatischen Aufladung mit unterschiedlichen Polaritäten, die über die beiden Kontaktflächen der Wanderelemente 16, 22 verteilt sind, so dass sich eine triboelektrische Potentialschicht und eine entsprechende Spannung zwischen den Elektroden 18, 24 aufbaut. Diese Spannung kann dann zum Aufladen eines Akkus 32 des Diagnosemoduls verwendet werden. Die Stromzuführung und die Masseleitung sind in 1 mit gestrichelten Linien angedeutet. Über diesen Akku 32 wird ein Microcontroller 34 und ggf. die anderen Sensoren 8, 10 mit Energie versorgt. Für den Fall, dass die von dem triboelektrischen Wandler umgewandelte elektrische Energie nicht ausreicht, um den Akku 32 vollständig zu laden, kann dieser noch mit einer externen Stromversorgung versehen sein. As explained, it comes with the contacting / relative displacement of the two tribological contact surfaces 20 . 22 due to the friction of the two insulating polymer bodies to an electrostatic charge with different polarities, via the two contact surfaces of the traveling elements 16 . 22 are distributed, so that a triboelectric potential layer and a corresponding voltage between the electrodes 18 . 24 builds. This voltage can then be used to charge a battery 32 of the diagnostic module. The power supply and the ground line are in 1 indicated by dashed lines. About this battery 32 becomes a microcontroller 34 and possibly the other sensors 8th . 10 energized. In the event that the electrical energy converted by the triboelectric converter is insufficient to charge the battery 32 fully charged, this can still be provided with an external power supply.

Wie erläutert, dient der Mikroprozessor 34 zur Verarbeitung der Sensorsignale, das heißt der Signale des Temperatursensors 8, des Drucksensors 10 und des Schwingungssensors 12. Die entsprechenden Messsignale werden dann über eine Datenübertragungsschnittstelle/Kommunikationsschnittstelle 36 beispielsweise an eine zentrale Steuereinheit übertragen, so dass die Zustandsgrößen der Maschine 1 dezentral überwachbar sind und im Falle einer Störung rechtzeitig eingegriffen werden kann. As explained, the microprocessor is used 34 for processing the sensor signals, that is the signals of the temperature sensor 8th , the pressure sensor 10 and the vibration sensor 12 , The corresponding measurement signals are then transmitted via a data transmission interface / communication interface 36 For example, transmitted to a central control unit, so that the state variables of the machine 1 can be monitored remotely and can be intervened in the event of a malfunction in a timely manner.

Aufgrund der Doppelfunktion des triboelektrischen Wandlers 12 als Schwingungssensor und als Stromversorgung für den Betrieb des Diagnosemoduls 2 kann letzteres sehr flexibel, im Idealfall ohne externe Stromversorgung eingesetzt werden und zeichnet sich durch einen äußerst kompakten Aufbau aus, wobei gegenüber den herkömmlichen Lösungen die allgemeinen Kosten und Aufwendungen, insbesondere die Hardwarekosten gesenkt sind, da durch die Doppelfunktion keine Zusatzsensoren erforderlich ist. Darüber hinaus sind die Projektierungs- und Verkabelungsaufwendungen gegenüber herkömmlichen Lösungen reduziert und die Nutzung von nach der eingangs genannter RoHS-Richtlinie zu vermeidenden Materialien ist nicht erforderlich. Due to the dual function of the triboelectric converter 12 as a vibration sensor and as a power supply for the operation of the diagnostic module 2 the latter can be used very flexibly, ideally without external power supply and is characterized by an extremely compact design, compared to the conventional solutions, the general costs and expenses, especially the hardware costs are reduced because no additional sensors is required by the dual function. In addition, the project planning and cabling costs are reduced compared to conventional solutions and the use of materials to be avoided according to the aforementioned RoHS directive is not required.

Beim zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel werden die Schwingungen mittels eines in einer Achse orientierten triboelektrischen Wandlers 12 erfasst. Prinzipiell können auch mehrere triboelektrische Wandler so angeordnet werden, dass die Schwingungen in anderen Achsen erfassbar sind. Dadurch wird ein triboelektrischer Sensor zum Erfassen von mehrachsigen Zustandsgrößen (X-, Y-, Z-Achse) gebildet, wobei die einzelnen triboelektrischen Wandler in diesen Achsen, d.h. beispielsweise in den drei Achsen eines Koordinatensystems angeordnet sind. Dabei kann einer oder mehrere dieser triboelektrischen Wandler zur Stromversorgung verwendet werden. In the embodiment described above, the vibrations by means of an axis-oriented triboelectric transducer 12 detected. In principle, several triboelectric transducers can be arranged so that the vibrations in other axes can be detected. As a result, a triboelectric sensor for detecting multiaxial state variables (X, Y, Z axis) is formed, wherein the individual triboelectric transducers are arranged in these axes, ie for example in the three axes of a coordinate system. In this case, one or more of these triboelectric transducers can be used for power supply.

Offenbart sind ein Diagnosemodul und eine mit einem derartigen Diagnosemodul ausgeführte Maschine, bei denen ein triboelektrischer Wandler zur Stromversorgung und/oder zur Erfassung von Zustandsgrößen der Maschine genutzt ist. Disclosed are a diagnostic module and a running with such a diagnostic module machine in which a triboelectric converter is used for power supply and / or for detecting state variables of the machine.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1 1: Maschine machine
2 2: Diagnosemodul diagnostic module
4 4: Gehäuse casing
6 6: Sensoranordnung sensor arrangement
8 8th: Temperatursensor temperature sensor
10 10: Drucksensor pressure sensor
12 12: Schwingungssensor / triboelektrischer Wandler Vibration sensor / triboelectric converter
14 14: Kanal channel
16 16: erstes Wandlerelement first transducer element
18 18: Elektrode electrode
20 20: tribologische Kontaktfläche Tribological contact surface
22 22: zweites Wandlerelement second transducer element
24 24: Elektrode electrode
26 26: tribologische Kontaktfläche Tribological contact surface
28 28: Abstandselement spacer
30 30: Einhausung housing
32 32: Akku battery pack
34 34: Microcontroller microcontrollers
36 36: Kommunikationsschnittstelle Communication Interface

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 102011118962 A1 [0002, 0002]
DE 4429035 A1 [0012]

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

RoHS Directive 2011/65 / EU [0003]

Claims

Diagnostic module for the diagnosis of state variables of a machine or of a machine element, with a sensor arrangement ( 6 ), a power supply and a microcontroller ( 24 ) for the evaluation of the sensor arrangement ( 6 ) detected signals, characterized by a triboelectric transducer ( 12 ), which is a first transducer element ( 16 ) and a second transducer element ( 22 ), which are different in their dielectric constant or in a property according to a tribological series and to which in each case one electrode ( 18 . 24 ), wherein the two transducer elements ( 16 . 22 ) can be brought into tribological contact during operation of the machine, wherein the tribological transducer ( 12 ) for the power supply of the diagnostic module ( 2 ) is used.

Diagnostic module according to claim 1, wherein the triboelectric converter ( 12 ) is adapted to state variables of the machine ( 1 ), in particular vibrations.

Diagnostic module according to claim 1 or 2, with a rechargeable battery ( 32 ) or with a capacitor / supercapacitor (supercap) connected via the triboelectric converter ( 12 ) is rechargeable.

Diagnostic module according to one of the preceding claims, wherein the sensor arrangement ( 6 ) one or more temperature sensors ( 8th ) and one or more pressure sensors ( 10 ) Has.

Diagnostic module according to one of the preceding claims, having a communication interface ( 36 ) for wireless data transmission, preferably by means of WLAN, Bluetooth, mobile radio.

Diagnostic module according to one of the preceding claims, with a plurality of triboelectric sensors for detecting multiaxial operating states.

Diagnostic module according to one of the preceding claims, having a housing ( 4 ), in which the components are included according to the preceding claims.

Machine or machine element with a diagnostic module ( 2 ) according to one of the preceding claims.

Machine according to claim 8, wherein it is designed as a rotating machine, for example as a hydraulic displacement unit or gearbox.