DE102018216166B3

DE102018216166B3 - Messaufnehmer

Info

Publication number: DE102018216166B3
Application number: DE102018216166.6A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Ens; Stefan Klehr; Stefan von Dosky
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2018-09-21
Filing date: 2018-09-21
Publication date: 2019-10-24
Anticipated expiration: 2038-09-22
Also published as: CN112740048B; US20220034931A1; WO2020058497A1; US11674972B2; CN112740048A

Abstract

Ein Messaufnehmer (1) weist ein Gehäuse (2) auf, in dem ein Beschleunigungssensor (14) angeordnet und eine Leiterplatte (15) mit einer darauf angeordneten Sensorelektronik gehalten sind. Ein Montageelement (3) dient zur Befestigung des Messaufnehmers (1) an einem Prüfobjekt (4), wobei der Beschleunigungssensor (14) mit dem Montageelement (3) mechanisch hart gekoppelt und über eine flexible Leitungsverbindung (17) mit der Sensorelektronik (22) verbunden ist.
Um die Ankopplung des Beschleunigungssensors (14) an das zu überwachende Prüfobjekt (4) im Hinblick auf die Erfassung von Schwingungen, Vibrationen oder Körperschall zu optimieren, ist der Beschleunigungssensor (14) ohne mechanischen Kontakt mit dem Gehäuse (2) unmittelbar mit dem Montageelement (3) verbunden und das Gehäuse (2) elastisch an dem Montageelement (3) gehalten und von diesem getragen.

Description

Die Erfindung betrifft einen Messaufnehmer mit einem Gehäuse, in dem ein Beschleunigungssensor angeordnet und eine Leiterplatte mit einer darauf angeordneten Sensorelektronik gehalten sind und das ein Montageelement zur Befestigung des Messaufnehmers an einem Prüfobjekt aufweist, wobei der Beschleunigungssensor ohne mechanischen Kontakt mit dem Gehäuse unmittelbar mit dem Montageelement mechanisch hart gekoppelt und über eine flexible Leitungsverbindung mit der Sensorelektronik verbunden ist und wobei das Gehäuse elastisch an dem Montageelement gehalten und von diesem getragen ist.
Ein derartiger Messaufnehmer ist aus der US 2016/0041068 A1 bekannt.
Ein aus der US 2015/241463 A1 bekannter Messaufnehmer dient zur Schwingungs- oder Vibrationsüberwachung von Maschinen wie Pumpen, Kompressoren oder Motoren im Rahmen eines Condition Monitoring. Der bekannte Messaufnehmer weist ein Gehäuse bestehend aus einer Oberschale und einer Unterschale auf. Der Boden der aus Metall bestehenden Unterschale enthält eine Gewindebohrung zur Aufnahme eines schraubenförmigen Montageelements, mit dem der Messaufnehmer an dem zu überwachenden Objekt (Prüfobjekt) befestigt werden kann. Im Inneren der Unterschale sind im Bereich des Bodens auf gegenüberliegenden Seiten der Gewindebohrung zwei Haltearme mit Führungsschlitzen vorgesehen, in die ein Beschleunigungssensor, hier ein MEMS-Sensor auf einer kleinen ersten Leiterplatte, eingesteckt werden kann. Der Beschleunigungssensor ist über eine flexible Leitungsverbindung mit einer Sensorelektronik auf einer zweiten Leiterplatte verbunden. Die zweite Leiterplatte kann zwischen der Ober- und Unterschale angeordnet sein und dabei auf einer Umlaufschulter der Unterschale liegen. Beide Leiterplatten und die flexible Leitungsverbindung können in Form einer einzigen flexiblen Leiterplatte ausgebildet sein. Der Messaufnehmer kann auch mit Magnetkraft an geeigneten Prüfobjekten gehalten werden, wozu in der Unterschale auf deren Boden ferner Magnete angebracht sein können. Die Unterschale kann ganz oder teilweise mit Kunstharz ausgegossen werden, um den Beschleunigungssensor und ggf. die Magneten zu fixieren. Der bekannte Messaufnehmer ist batteriebetrieben und enthält eine Funkeinheit mit Antenne.
Bei dem aus der eingangs erwähnten US 2016/0041068 A1 bekannten Messaufnehmer ist der Beschleunigungssensor unmittelbar in einem Aufnahmeloch des Montageelements eingesetzt. Das Montageelement ist von einem hohlzylinderförmigen Gehäuseunterteil umgeben, zwischen dem und einem die Leiterplatte mit der Sensorelektronik aufnehmenden oberen Gehäuseteil ein Elastomerteil angeordnet ist, welches beide Gehäuseteile schwingungstechnisch entkoppelt. In dem Elastomerteil sind Aussparungen ausgebildet, die als Steckeraufnahme für die unteren Enden der Leiterplatte und der Batterie dienen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Ankopplung des Beschleunigungssensors an das zu überwachende Prüfobjekt im Hinblick auf die Erfassung von Schwingungen, Vibrationen oder Körperschall zu optimieren.
Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass bei dem Messaufnehmer der eingangs angegebenen Art das Montageelement in Form eines Ständers ausgebildet ist, der sich durch das Gehäuse hindurch erstreckt und an dem das Gehäuse aufgehängt ist.
Der wesentliche Vorteil des erfindungsgemäßen Messaufnehmers besteht darin, dass im Messbetrieb lediglich der Beschleunigungssensor über das Montageelement mechanisch hart mit dem Prüfkörper gekoppelt ist, während das komplette Gehäuse des Messaufnehmers und die darin gehaltene Leiterplatte mit der Sensorelektronik aufgrund der Aufhängung an dem als Ständer ausgebildeten Montageelement lediglich weich mit dem Montageelement bzw. mit dem Prüfkörper gekoppelt ist. Die vibrierende Masse ist minimiert und angesichts der vernachlässigbaren Masse des Beschleunigungssensors im Wesentlichen von dem Gewicht des steifen Montageelements bestimmt.
Das Gehäuse kann über geeignete Entkopplungselemente mit dem Montageelement verbunden sein. Bei einer bevorzugten Ausbildung des erfindungsgemäßen Messaufnehmers wird die schwingungs-, vibrations- bzw. körperschalltechnische Entkopplung dadurch realisiert, dass das Gehäuse, genauer die Wand des Gehäuses, im Nahbereich seiner Befestigung an dem Montageelement eine Materialverdünnung oder Materialschwächung aufweist.
Zur Erleichterung der Montage des Messaufnehmers an dem Prüfobjekt kann der Ständer in vorteilhafter Weise zweiteilig als Hohlständer mit einem inneren Führungselement ausgebildet sein, wobei der Beschleunigungssensor mit dem Hohlständer verbunden ist, welcher auch das Gehäuse trägt, und wobei das innere Führungselement zur Befestigung an dem Prüfobjekt ausgebildet ist. So kann z. B. zunächst nur das innere Führungselement an dem Prüfungsobjekt festmontiert werden und erst danach der Hohlständer mit dem daran gehaltenen Gehäuse auf das Führungselement aufgeschoben werden. Je nach Prüfobjekt und den örtlichen Gegebenheiten können unterschiedliche Typen von Führungselement zum Einsatz kommen. Im einfachsten Fall handelt es ich um eine Langschraube, die in eine entsprechende Gewindebohrung in dem Prüfobjekt eingeschraubt wird und dabei den Hohlständer gegen das Prüfobjekt verspannt. Wenn an dem Prüfkörper bereits ein Befestigungsstutzen (z. B. ein Schraubstutzen) vorhanden ist, kann das Führungselement entsprechend zur Befestigung an diesem Befestigungsstutzen ausgebildet sein. Der Hohlständer mit dem daran gehaltenen Gehäuse kann gegenüber dem fest an dem Prüfkörper montierten Führungselement verdreht werden, so dass der Messaufnehmer unterschiedlich ausgerichtet werden kann. Die ist insbesondere dann von Vorteil, wenn der Messaufnehmer ein Funkmodul (z. B. WLAN, Bluetooth und/oder Nahfeldkommunikation bzw. NFC) mit Antenne für die drahtlose Übermittlung der Messergebnisse an externe Geräte enthält. Es ist auch möglich, den Ständer mittels Magnetkraft an dem Prüfkörper zu befestigen.
So kann der Hohlständer mittels einer Schraube gegen einen an das Prüfobjekt anheftbaren Magnet verspannt werden.
Um eine nahe und gute schwingungs-, vibrations- bzw. körperschalltechnische Ankopplung des Beschleunigungssensors an das Prüfobjekt zu erreichen, kann der Ständer oder Hohlständer in einem Fußbereich auf einer von dem Prüfobjekt abgewandten Seite eine Aussparung enthalten, die eine Materialverdünnung darstellt und in der der Beschleunigungssensor angeordnet ist. Die Aussparung mit dem darin enthaltenen Beschleunigungssensor kann mit einem Kunststoff, Harz o. dgl. vergossen sein, ohne dass dadurch die vibrierende Masse des Messaufnehmers wesentlich erhöht wird.
Der Messaufnehmer kann in dem Gehäuse weitere Sensoren beispielsweise zur Messung von Umgebungstemperatur, Umgebungsgeräuschen, Feuchte, Gasen oder Luftdruck enthalten, die schwingungstechnisch von dem Prüfobjekt entkoppelt sind. Dagegen kann ein Temperatursensor zur Messung der Temperatur des Prüfobjekts zusammen mit dem Beschleunigungssensor unmittelbar mit dem Montageelement verbunden sein.
Zur Messung von Umgebungsgrößen wie die genannten Umgebungsgeräusche, Feuchte, Gase oder Luftdruck kann das Gehäuse in vorteilhafter Weise mindestens eine durch eine, ggf. spezifisch permeable (z. B. atmungsaktive), Membran verschlossene Öffnung aufweisen, wobei in dem Gehäuse hinter der Öffnung mindestens einer der genannten weiteren Sensoren angeordnet ist. Die Membran kann dazu auf einfache Weise zwischen einer die Öffnung enthaltenden Wand des Gehäuses und der Leiterplatte ausgebildet sein, die parallel zu der Wand des Gehäuses liegt und eine deckungsgleiche Öffnung enthält.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird im Folgenden auf die Figuren der Zeichnung Bezug genommen, die Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Messaufnehmers in vereinfachter schematischer Darstellung zeigen. Im Einzelnen zeigen:

1 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Messaufnehmers in einem Längsschnitt,
2 den Messaufnehmer aus 1 ohne das ihn umgebende Gehäuse,
3 eine Einzelheit des Messaufnehmers aus 2 in Schnittdarstellung,
4 eine Einzelheit des Messaufnehmers aus 1 im Bereich einer Öffnung in dem Gehäuse und
5 eine Draufsicht auf eine Leiterplatte des Messaufnehmers bei drei unterschiedlichen Ausrichtungen das Messaufnehmers.

1 zeigt beispielhaft einen Längsschnitt durch den erfindungsgemäßen Messaufnehmer 1 mit einem Gehäuse 2, das über ein Montageelement 3 auf einem Prüfobjekt 4, beispielsweise einer Prozess-Rohrleitung montiert ist. Das Gehäuse 2 besteht vorzugsweise aus Kunststoff wie z. B. Polyvinylidenfluorid, das sich durch gute thermische und chemische Beständigkeit auszeichnet und für Mikrowellen in dem von beispielsweise Bluetooth Low Energy (BLE) genutzten Frequenzband transparent ist.
Das Montageelement 3 ist in Form eines Ständers 5 ausgebildet, der sich durch das Gehäuse 2 hindurch erstreckt und an dem das Gehäuse 2 über Entkopplungselemente 6 weich aufgehängt ist. Das Gehäuse 2 ist dabei ohne Kontakt mit dem Prüfkörper 4. Die Entkopplungselemente 6 werden durch Materialverdünnungen, z. B. Umlaufnuten, der Wand 7 des Gehäuses 2 im Nahbereich seiner Befestigung an dem Ständer 5 gebildet. Durch die weiche Aufhängung ist das Gehäuse 2 schwingungs-, vibrations- und körperschalltechnisch von dem Montageelement 3 und damit auch von dem Prüfkörper 4 entkoppelt.
2 zeigt den Messaufnehmer 1 ohne das ihn umgebende Gehäuse 2.
3 zeigt eine Einzelheit des Messaufnehmers 1 im Bereich des Montageelements 3 in Schnittdarstellung.
Der Ständer 5 ist zweiteilig ausgebildet und besteht aus einem äußeren Hohlständer 8, beispielsweise eine Aluminiumbuchse, der auf einem inneren Führungselement 9 aufgeschoben ist. Beide Teile sind zylindrisch und haben eine gemeinsame Achse, um die sie gegeneinander verdrehbar sind. Das Gehäuse 2 ist an dem Hohlständer 8 aufgehängt und das Führungselement 9 an dem Prüfkörper 4 montiert. Das Führungselement 9 selbst ist als Langschraube ausgebildet, die in eine entsprechende Gewindebohrung 10 in dem Prüfobjekt 4 eingeschraubt ist und dabei über ihren Schraubenkopf 11 den Hohlständer 8 gegen das Prüfobjekt 4 verspannt. Dabei steht der Hohlständer 8 mit einem Ständerfuß 12 auf dem Prüfkörper 4 auf bzw. wird gegen diesen gepresst.
Wie 3 zeigt, kann der Hohlständer 8 alternativ mittels der Schraube 9 an einem Magnet 25 festgeschraubt sein, mit dem der komplette Messaufnehmer 1 an den Prüfkörper 4 angeheftet werden kann.
Der Ständerfuß 12 enthält auf einer von dem Prüfobjekt 4 abgewandten Seite eine hier z. B. taschenförmige Aussparung 13, in der ein Beschleunigungssensor 14 vorzugsweise zusammen mit einem hier nicht gezeigten Temperatursensor angeordnet und durch einen Kleber oder eine Vergussmasse fixiert ist. Das Gehäuse 2 ist in seinem unteren, zu dem Prüfobjekt 4 nahen Bereich über die dortigen Entkopplungselemente 6 an dem Ständerfuß 12 gehalten, so dass sich die Aussparung 13 mit dem darin angeordneten Beschleunigungssensor 14 und ggf. Temperatursensor innerhalb des Gehäuses 2 befindet. In dem Gehäuse 2 ist in seinem oberen Bereich eine Leiterplatte 15 mit einer darauf angeordneten Sensorelektronik gehalten. Die Leiterplatte 15 enthält ein Loch 16, durch das hindurch sich das Montageelement 3 ohne Berührungskontakt mit der Leiterplatte 15 erstreckt. Der Beschleunigungssensor 14 und ggf. Temperatursensor sind über eine flexible Leitungsverbindung 17 mit der Leiterplatte 15 bzw. der Sensorelektronik darauf verbunden.
In dem Gehäuse 2 können weitere Sensoren beispielsweise zur Messung von Umgebungstemperatur, Umgebungsgeräuschen, Feuchte, Gasen oder Luftdruck angeordnet sein.
4 zeigt beispielhaft eine Einzelheit des Messaufnehmers 1 im Bereich einer Öffnung 18 in der Wand 7 des Gehäuses 2, hinter der ein solcher weiterer Sensor 19 angeordnet ist. Der weitere Sensor 19 ist auf der Unterseite der Leiterplatte 15 gehalten, die ihrerseits eine mit der Öffnung 18 in dem Gehäuse 2 fluchtende weitere Öffnung 20 enthält. Zwischen der Leiterplatte 15 und der Gehäusewand 7 liegt eine Membran 21, die das Innere des Gehäuses 2 nach außen gegen Wasser abdichtet, aber zum Zwecke der Messung von Feuchte oder Gasen wasserdampf- bzw. gasdurchlässig ist.
Wie bereits erwähnt, kann das Gehäuse 2 über den Hohlständer 8 gegenüber dem fest an dem Prüfkörper 4 montierten Führungselement 9 verdreht werden, so dass der Messaufnehmer 1 bei seiner Montage gezielt ausgerichtet werden kann.
5 verdeutlicht dies anhand einer Draufsicht auf die Leiterplatte 15 in drei verschiedenen Stellungen. Zu sehen ist die Leiterplatte 15 mit dem Loch 16, der Sensorelektronik 22, einem Funkmodul 23 und einer Funkantenne 24, die in den drei verschiedenen Stellungen in unterschiedliche Richtungen zeigt.

Claims

Messaufnehmer (1) mit einem Gehäuse (2), in dem ein Beschleunigungssensor (14) angeordnet und eine Leiterplatte (15) mit einer darauf angeordneten Sensorelektronik (22) gehalten sind und das ein Montageelement (3) zur Befestigung des Messaufnehmers (1) an einem Prüfobjekt (4) aufweist, wobei der Beschleunigungssensor (14) ohne mechanischen Kontakt mit dem Gehäuse (2) unmittelbar mit dem Montageelement (3) mechanisch hart gekoppelt und über eine flexible Leitungsverbindung (17) mit der Sensorelektronik (22) verbunden ist und wobei das Gehäuse (2) elastisch an dem Montageelement (3) gehalten und von diesem getragen ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Montageelement (3) in Form eines Ständers (5) ausgebildet ist, der sich durch das Gehäuse (2) hindurch erstreckt und an dem das Gehäuse (2) aufgehängt ist.
Messaufnehmer (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (2) in Bereichen seiner Halterung an dem Montageelement (3) materialgeschwächt ist.
Messaufnehmer (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Ständer (5) zweiteilig als Hohlständer (8) mit einem inneren Führungselement (9) ausgebildet ist, wobei der Beschleunigungssensor (14) mit dem Hohlständer (9) verbunden ist, der auch das Gehäuse (2) trägt, und wobei das innere Führungselement (9) zur Befestigung an dem Prüfobjekt (4) ausgebildet ist.
Messaufnehmer (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das innere Führungselement (9) eine Schraube zum Verspannen des Hohlständers (8) gegen das Prüfobjekt (4) aufweist.
Messaufnehmer (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das innere Führungselement (9) eine Schraube zum Verspannen des Hohlständers (8) gegen einen an das Prüfobjekt (4) anheftbaren Magnet (25) aufweist.
Messaufnehmer (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ständer (5) oder Hohlständer (8) in einem Fußbereich (12) auf einer von dem Prüfobjekt (4) abgewandten Seite eine Aussparung (13) enthält, in der der Beschleunigungssensor (14) angeordnet ist.
Messaufnehmer (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (2) mindestens eine durch eine Membran (21) verschlossene Öffnung (18) aufweist und in dem Gehäuse (2) hinter der Öffnung (18) mindestens ein weiterer Sensor (19) zur Erfassung einer Umgebungsgröße angeordnet ist.
Messaufnehmer (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (21) zwischen einer die Öffnung (18) enthaltenden Wand (7) des Gehäuses (2) und der dazu parallelen und eine deckungsgleiche Öffnung (20) enthaltenden Leiterplatte (15) ausgebildet ist.