DE102019104741B4 - Sensorvorrichtung und Überwachungssystem - Google Patents

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Abstract

Sensorvorrichtung (12), mitzumindest einem Sensor (14), welcher zum Erfassen einer jeweiligen primären Messgröße eingerichtet ist,einer mit dem Sensor (14) verbundenen Auswerteeinheit (16) zum Auswerten der erfassten Messgröße, wobei die Auswerteeinheit (16) dazu eingerichtet ist, einen zeitlichen Verlauf der primären Messgröße oder einer ausder primären Messgröße abgeleiteten sekundären Messgröße zu überwachen, undeiner mit der Auswerteeinheit (16) verbundenen Übertragungseinrichtung (18), welche zum drahtlosen Übermitteln eines auf der Grundlage der Messgröße erzeugten Datensignals eingerichtet ist,wobei die Sensorvorrichtung (12) dazu eingerichtet ist, ein Datensignal nur nach Eintritt eines Veränderungsereignisses zu übermitteln, wobei das Veränderungsereignis durch das Eintreten einer durch zumindest ein vorgegebenes Kriterium definierten Veränderung der primären oder sekundären Messgröße im zeitlichen Verlauf bestimmt ist,dadurch gekennzeichnet,dass die Sensorvorrichtung (12) mehrere Sensoren umfasst, wobei das Veränderungsereignis durch das Eintreten von wenigstens zwei, durch jeweilige vorgegebene Kriterien definierte Veränderungen von primären oder sekundären Messgrößen, die von verschiedenen Sensoren (14) erfasst wurden, bestimmt ist.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sensorvorrichtung mit zumindest einem Sensor, welcher zum Erfassen einer jeweiligen primären Messgröße eingerichtet ist, einer mit dem Sensor verbundenen Auswerteeinheit zum Auswerten der erfassten Messgröße und einer mit der Auswerteeinheit verbundenen Überwachungseinrichtung, welche zum drahtlosen Übermitteln eines auf der Grundlage der Messgröße erzeugten Datensignals eingerichtet ist. Die Erfindung betrifft ferner ein Überwachungssystem mit zumindest einer derartigen Sensorvorrichtung und einer Überwachungseinrichtung.
  • Bei vielen industriellen oder sonstigen technischen Anwendungen besteht die Notwendigkeit, primäre Messgrößen wie technische, physikalische oder chemische Messgrößen zu überwachen. Beispielhafte Messgrößen sind Vibrationen, Füllstand eines Behältnisses, Temperatur, Feuchtigkeit, Druck, Volumen, Masse, Leitfähigkeit, Spannung, Strom, magnetische oder elektrische Feldstärke, pH-Wert, Drehzahl und Geschwindigkeit, wobei diese Aufzählung rein beispielhaft und nicht abschließend ist.
  • Oftmals soll eine Überwachung einer Messgröße nicht an stationären Vorrichtungen, sondern an beweglichen Einheiten erfolgen. Als Beispiel seien hier eine Zustandsüberwachung einer Ladegutpalette oder eine Füllstandsmessung von Containern genannt. In diesen und anderen Fällen ist eine drahtgebundene Übermittlung der Messgrößen zumeist nicht möglich, erfordert einen unverhältnismäßig hohen Aufwand oder ist aus anderen Gründen nicht erwünscht. Daher werden Sensorvorrichtungen eingesetzt, bei denen die Übermittlung der erfassten Messgröße drahtlos erfolgt, beispielsweise mittels Funkwellen oder durch optische Strahlung, beispielsweise durch Infrarotstrahlung.
  • Eine derartige drahtlose Datenübertragung weist jedoch gegenüber einer kabelgebundenen Datenübertragung üblicherweise einen erhöhten Energiebedarf auf, was insbesondere bei mobilen Anwendungen von Nachteil ist, da hierbei oftmals nur eine begrenzte Energiemenge zur Verfügung steht.
  • Bei bestehenden, allgemein bekannten Lösungen wird zur Reduzierung des Energieverbrauchs die Messgröße bzw. ein Datensignal nicht ständig, sondern in fest vorgegebenen Intervallen übermittelt. Eine geeignete Bemessung der Intervalldauer ist jedoch oftmals problematisch. Ist die Intervalldauer zu kurz gewählt, erhöht sich der Energieverbrauch, während bei einer zu lang gewählten Intervalldauer die Latenzzeit zu groß wird, da Änderungen der Messgröße unter Umständen erst mit einer erheblichen Verzögerung oder Latenzzeit von der Sensorvorrichtung übermittelt werden.
  • In DE 60 2004 002 058 T2 ist ein Sender einer Reifenzustandsüberwachungsvorrichtung mit einem Reifendrucksensor, einem Temperatursensor und einem Beschleunigungssensor zur Erfassung der Zentrifugalbeschleunigung des sich drehenden Reifens beschrieben. Die Druck- und Temperatursensoren führen in vorbestimmten Zeitintervallen eine Messung durch. Nach einer vorbestimmten Anzahl von Messungen wird eine periodische Übertragung des Messergebnisses durchgeführt. Ferner kann unabhängig vom Zeitpunkt der periodischen Übertragung ein Sendevorgang durchgeführt werden, wenn eine Anomalie des Drucks im Reifen oder der Temperatur im Reifen detektiert wird. Der Beschleunigungssensor dient dazu, den Bewegungszustand des Fahrzeugs zu ermitteln. Eine Datenübertragung erfolgt nur dann, wenn sich der Sender in der Felge des zugeordneten Reifens befindet und sich das Fahrzeug mit einer Geschwindigkeit bewegt, die gleich oder größer als eine vorbestimmte Geschwindigkeit ist.
  • DE 20 2014 106 166 U1 beschreibt ein Gebäudetechnik-Kommunikationssystem, welches eine Master-Einheit und mehrere Slave-Einheiten umfasst, beispielsweise Sensoren wie Temperatur- und Feuchtigkeitssensoren. Es ist eine ereignisgesteuerte Übermittlung von Informationen von einer Slave-Einheit an die Master-Einheit vorgesehen, wobei die Kommunikationsverbindungen nicht ständig aktiv sein müssen, sondern bei Bedarf aktiviert werden können und zwar sowohl durch die Master-Einheit als auch durch die Slave-Einheiten.
  • Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Sensorvorrichtung zu schaffen.
  • Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch eine Sensorvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Die erfindungsgemäße Sensorvorrichtung umfasst zumindest einen Sensor, welcher zum Erfassen einer jeweiligen primären Messgröße eingerichtet ist, eine mit dem Sensor verbundene Auswerteeinheit zum Auswerten der erfassen Messgröße, wobei die Auswerteeinheit dazu eingerichtet ist, einen zeitlichen Verlauf der primären Messgröße und/oder einer aus der primären Messgröße abgeleiteten sekundären Messgröße zu überwachen, und eine mit der Auswerteeinheit verbundenen Übertragungseinrichtung, welche zum, bevorzugt drahtlosen, Übermitteln eines auf der Grundlage der Messgröße erzeugten Datensignals eingerichtet ist, wobei die Sensorvorrichtung dazu eingerichtet ist, ein Datensignal nur nach Eintritt eines Veränderungsereignisses zu übermitteln, wobei das Veränderungsereignis durch das Eintreten einer durch zumindest ein vorgegebenes Kriterium definierten Veränderung der primären oder sekundären Messgröße im zeitlichen Verlauf bestimmt ist. Bei der primären Messgröße handelt es sich insbesondere um eine physikalische oder chemische Messgröße, wie sie eingangs bereits beispielhaft erläutert wurde. Bei der sekundären Messgröße kann es sich beispielsweise um eine zeitliche Ableitung, z.B. eine Änderungsrate, oder eine Fourier-Transformierte, z.B. ein Frequenzspektrum, oder eine sonstige Verteilungsfunktion der primären Messgröße handeln. Insbesondere kann die sekundäre Messgröße auch ein Charakteristikum eines Spektrums oder einer Verteilungsfunktion sein, zum Beispiel ein oder mehrere lokale Maxima oder Minima.
  • Unter einer drahtlosen Übermittlung des Datensignals wird insbesondere eine Übermittlung mittels Funkwellen oder optischen Signalen verstanden. Das Datensignal kann sowohl in der Auswerteeinheit als auch in der Übertragungseinrichtung auf der Grundlage der primären und/oder sekundären Messgröße erzeugt werden.
  • In der Sensorvorrichtung können auch mehrere Sensoren vorhanden sein, welche aus Redundanzgründen dieselbe primäre Messgröße oder auch unterschiedliche Messgrößen (z.B. Temperatur und Feuchtigkeit) erfassen können.
  • Der Erfindung liegt der überraschend einfache Gedanke zugrunde, dass es für sehr viele Anwendungen einer permanenten Übermittlung von Messwerten oder Datensignalen nicht bedarf. Stattdessen können ein oder mehrere Kriterien festgelegt werden, auf deren Grundlage die Sensorvorrichtung eine relevante Veränderung der primären oder sekundären Messgröße über die Zeit feststellen kann. Erst wenn der Eintritt eines solchen Veränderungsereignisses festgestellt wurde, wird die Übermittlung eines Datensignals, welches beispielsweise einen die Messgröße repräsentierenden Messwert umfassen kann, veranlasst. Die Übermittlung von Datensignalen erfolgt daher nicht kontinuierlich oder in fest vorgegebenen Zeitabständen, sondern erst dann, wenn ein Veränderungsereignis stattgefunden hat. Wenn keine Veränderungsereignisse vorliegen, unterbleibt in der Regel eine Übermittlung von Datensignalen, wodurch sich der für den Betrieb der Sensorvorrichtung erforderliche Energieaufwand erheblich reduzieren lässt. Im Vergleich zu einer herkömmlichen Lösung, bei der die Datensignale mit festen Intervallzeiten übertragen werden und eine Reduzierung des Energieverbrauchs allenfalls mit Verlängerung der Übermittlungsintervalle erreicht werden könnte, lässt sich bei der erfindungsgemäßen Lösung durch die bedarfsorientierte Aussendung der Datensignale die Latenzzeit wesentlich verkürzen, da bei Eintritt einer relevanten Veränderung der zu überwachenden primären oder sekundären Messgröße sofort eine entsprechende Datenübermittlung ausgelöst werden kann, ohne dass gegebenenfalls bis zu einem turnusgemäßen, durch die Intervalldauer vorgegebenen Sendezeitpunkt gewartet werden muss.
  • Von einer herkömmlichen Sensorvorrichtung unterscheidet sich die erfindungsgemäße Sensorvorrichtung somit insbesondere dadurch, dass in der Auswerteeinheit die primäre bzw. die sekundäre Messgröße regelmäßig überwacht wird und auf den Eintritt eines Veränderungsereignisses überprüft wird.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung kann das Veränderungsereignis ein Überschreiten und/oder ein Unterschreiten eines jeweiligen vorgegebenen Schwellenwerts für die primäre und/oder die sekundäre Messgröße umfassen. In Abhängigkeit von dem Anwendungsfall kann beispielsweise ein oberer und ein unterer Schwellenwert für die Messgröße vorgegeben werden. Bewegt sich die Messgröße unterhalb bzw. oberhalb des oder der jeweiligen Schwellenwerte, wird in der Regel kein Datensignal gesendet. Erst wenn der obere Schwellenwert überschritten oder der untere Schwellenwert unterschritten ist, wird ein Datensignal übermittelt. In Abhängigkeit vom Anwendungsfall kann nur ein Schwellenwert, also entweder ein oberer oder ein unterer Schwellenwert, oder ein oberer und ein unterer Schwellenwert vorgegeben sein.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann das Veränderungsereignis ein Abweichen von einem jeweiligen vorgegebenen Referenzwert für die primäre oder die sekundäre Messgröße umfassen. Mit anderen Worten kann das Veränderungsereignis auch dadurch definiert werden, dass für die Messgröße ein Referenz- oder Sollwert vorgegeben wird, von dem die Messgröße nicht oder nur innerhalb eines bestimmten Bereichs abweichen darf. Dieser Bereich kann beispielsweise dadurch definiert sein, dass eine Abweichung der Messgröße von dem Referenzwert in positiver oder negativer Richtung einen vorgegebenen Differenzschwellenwert betragsmäßig überschreitet
  • Die vorstehend genannten beispielhaften Ausgestaltungen der Sensorvorrichtung umfassen insbesondere auch den Fall, dass das Veränderungsereignis durch eine bestimmte Abweichung eines aktuell bestimmen Werts der Messgröße von einem zu einem früheren Zeitpunkt bestimmten Wert dieser Messgröße definiert ist. Dies ist zum Beispiel der Fall, wenn als sekundäre Messgröße eine Änderungsrate der zugeordneten primären Messgröße definiert ist. Dementsprechend kann als Veränderungsereignis definiert sein, dass die sekundäre Messgröße, hier also die Änderungsrate, einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet, d.h. dass die Geschwindigkeit, mit der sich die primäre Messgröße ändert, ein bestimmtes Maß überschreitet.
  • Vorteilhafterweise umfasst das Datensignal die primäre und/oder die sekundäre Messgröße, bevorzugt auch den Erfassungszeitpunkt der zugeordneten Messgröße und/oder ein Identifikationskennzeichen des die Messgröße erfassenden Sensors. In dem Datensignal kann die primäre und/oder die sekundäre Messgröße sowie gegebenenfalls der Erfassungszeitpunkt und/oder das Identifikationskennzeichen in geeigneter Weise codiert sein. Das Identifikationskennzeichen kann insbesondere den Sensor kennzeichnen, welcher die Messgröße erfasst hat, beispielsweise nach Typ, Seriennummer, Adresse, Standort oder dergleichen. Durch die zusätzliche Übermittlung des Erfassungszeitpunkts kann ein Empfänger des Datensignals den zeitlichen Verlauf der Messgröße präzise nachverfolgen, auch wenn aus bestimmten Gründen die Übermittlung des Datensignals verzögert sein sollte.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Sensorvorrichtung dazu eingerichtet, die primäre Messgröße zyklisch oder periodisch nach Ablauf eines vorgegebenen Zeitintervalls zu erfassen. Der Sensor wird also nicht kontinuierlich ausgelesen bzw. die primäre Messgröße abgetastet, sondern in Zeitintervallen getaktet. Insbesondere bei Anwendungen, bei denen nur geringfügige Änderungen der Messgröße über die Zeit zu erwarten sind, lässt sich durch Verzicht auf eine kontinuierliche Erfassung der Messgröße eine weitere Energieersparnis realisieren. Das Zeitintervall kann z.B. zwischen 1 s und 10 s betragen, je nach Anwendung auch länger, z.B. im Bereich von Minuten oder auch Stunden. Grundsätzlich kann jedoch auch alternativ eine kontinuierliche Erfassung und Auswertung der primären und/oder der sekundären Messgröße erfolgen.
  • Nach Ablauf eines jeweiligen Zeitintervalls kann sowohl eine einmalige Messung als auch eine mehrmalige Messung für die Dauer eines vorbestimmten Messintervalls erfolgen. Ein Beispiel, bei dem eine mehrmalige Messung erforderlich sein kann, ist insbesondere eine Schwingungsmessung. Für eine derartige Schwingungsmessung wird vorteilhafterweise eine Sensorvorrichtung gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform eingesetzt, bei welcher der Sensor als Vibrationssensor ausgebildet ist, wobei die primäre Messgröße eine Beschleunigung umfasst. Zur Detektion von Schwingungen oder Vibrationen wird die Messgröße mit einer bestimmten Frequenz oder Taktrate für eine bestimmte Zeitdauer, nämlich das genannte Messintervall, abgetastet. Aus der dabei gewonnenen Messreihe wird dann ein Frequenzspektrum als sekundäre Messgröße erzeugt.
  • In dem Zusammenhang hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Dauer des Zeitintervalls veränderbar ist. Die Dauer des Zeitintervalls kann zum Beispiel auf der Grundlage einer Änderungsrate der Messgröße angepasst werden. Ändert sich die Messgröße nicht, wird mit großen Zeitabständen gemessen. Wenn jedoch Änderungen festgestellt werden, kann die Intervalldauer verkürzt werden. Alternativ kann die Dauer des Zeitintervalls jedoch auch fest vorgegeben sein oder mittels einer geeigneten Eingabevorrichtung an der Sensorvorrichtung entsprechend den Erfordernissen des Anwendungsfalls eingestellt werden.
  • Vorteilhafterweise ist die Sensorvorrichtung ferner dazu eingerichtet, bei Auftreten eines Fehlers in der Sensorvorrichtung ein Fehlersignal und/oder zyklisch nach Ablauf eines vorgegebenen Überwachungsintervalls ein Statussignal zu übermitteln. Es ist somit nicht ausgeschlossen, dass die Sensorvorrichtung neben den Datensignalen bei Bedarf oder sporadisch auch weitere Signale wie Fehlersignale, die beispielsweise einen Sensorfehler oder eine erschöpfte Energieversorgung signalisieren, oder Betriebsbereitschaftssignale überträgt. Um die Energieversorgung der Sensorvorrichtung nicht unnötig zu belasten, wird das Überwachungsintervall in der Regel wesentlich länger als das Zeitintervall definiert, mit dem die eigentlichen Messungen durchgeführt werden. Das Überwachungsintervall kann zum Beispiel in der Größenordnung von einigen Stunden oder auch Tagen liegen.
  • Erfindungsgemäß umfasst die Sensorvorrichtung mehrere Sensoren, wobei das Veränderungsereignis durch das Eintreten von wenigstens zwei, durch jeweilige vorgegebene Kriterien definierte Veränderungen von primären oder sekundären Messgrößen, die von verschiedenen Sensoren erfasst wurden, bestimmt ist. Allgemein können hierdurch auch physikalisch komplexere Ereignisse adäquat überwacht werden. Als Beispiel sei hier eine Sensorvorrichtung genannt, bei welcher sowohl ein Temperatursensor als auch ein Feuchtigkeitssensor vorgesehen ist. Zum Auslösen eines Veränderungsereignisses muss sowohl eine Veränderung der Temperatur als auch der Feuchtigkeit innerhalb der definierten Kriterien erfolgen. Wenn sich nur eine der beiden Messgrößen ändert, wird in der Regel kein Veränderungsereignis festgestellt.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist das Veränderungsereignis durch das Eintreten einer Veränderung der sekundären Messgröße bestimmt, wobei die sekundäre Messgröße durch zumindest ein lokales Maximum in einem Frequenzspektrum der primären Messgröße gebildet ist, wobei die Veränderung der sekundären Messgröße eine Veränderung bezüglich einer jeweiligen Frequenz und/oder einer jeweiligen Amplitude des zumindest einen lokalen Maximums umfasst. Diese Ausgestaltung hat sich insbesondere bei einer Sensorvorrichtung als vorteilhaft erwiesen, welche zur Überwachung von Schwingungen und/oder Vibrationen einer Maschine ausgelegt ist. Dem liegt der Gedanke zugrunde, dass bei einem Regelbetrieb einer Maschine das von der Sensorvorrichtung erfasste Schwingungsspektrum zumeist charakteristische Schwingungskomponenten aufweist, zum Beispiel eine Grundfrequenz, harmonische Oberwellen und gegebenenfalls nicht harmonische Frequenzanteile. Diese spektralen Anteile sind als lokale Maxima in dem Frequenzspektrum sichtbar. Wenn beim Betrieb der Maschine Unregelmäßigkeiten auftreten, macht sich dies in der Regel in einer Änderung der Frequenzen und/oder Amplituden der jeweiligen Maxima bemerkbar, die von der Auswerteeinheit entsprechend der vorgegebenen Kriterien festgestellt werden können und gegebenenfalls zu einer Auslösung eines Veränderungsereignisses führen können.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Sensorvorrichtung zusätzlich zu einer Überwachungsbetriebsart, in welcher der oder die Messgrößen überwacht und ggf. übermittelt werden, auch in einer Konfigurationsbetriebsart betreibbar, in welcher das vorgegebene Kriterium, insbesondere zumindest ein Schwellenwert, Referenzwert und/oder Differenzschwellenwert, für die primäre und/oder die sekundäre Messgröße bestimmt und in einer mit der Auswerteeinheit verbundenen Speichereinheit gespeichert wird. Das Bestimmen des vorgegebenen Kriteriums kann beispielsweise mit Hilfe einer benutzerbedienten Eingabevorrichtung, durch Auslesen eines aktuellen Messwerts (Einlernen) der jeweiligen Messgröße und Speichern desselben als vorgegebenes Kriterium oder in sonstiger geeigneter Weise erfolgen.
  • In dem Zusammenhang hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn in der Konfigurationsbetriebsart die Sensorvorrichtung (d.h. beim Einlernen) derart betreibbar ist, dass für die erste und/oder die zweite Messgröße zeitlich beabstandet mehrere Messwerte erfasst und zwischengespeichert werden, aus den zwischengespeicherten Messwerten zumindest ein statistisches Kriterium, bevorzugt ein Mittelwert und eine Standardabweichung, ermittelt wird und auf der Grundlage des zumindest einen statischen Kriteriums das vorgegebene Kriterium, bevorzugt zumindest ein Schwellenwert, Referenzwert und/oder Differenzschwellenwert, für die zugeordnete Messgröße bestimmt wird. Bei der Bestimmung des vorgegebenen Kriteriums können somit ggf. vorhandene statistische Schwankungen der Messgröße berücksichtigt werden. Insbesondere können die vorstehend genannten Schwellenwerte, Referenzwerte oder Differenzschwellenwerte auf diese Weise definiert werden. Zum Beispiel kann der Mittelwert als Sollwert für die Messgröße herangezogen werden und jeweilige Schwellenwerte durch den Sollwert zuzüglich bzw. abzüglich eines Vielfachen der ermittelten Standardabweichung vorgegeben werden.
  • Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung umfasst die Sensorvorrichtung ausschließlich eine netzunabhängige Energiequelle, insbesondere einen aufladbaren oder nicht aufladbaren Speicher für elektrische Energie, zur Versorgung der Komponenten der Sensorvorrichtung mit Betriebsenergie. Eine derartige Energiequelle, beispielsweise ein Akkumulator oder eine mit Solarenergie betriebene Energiequelle, ist in der Regel erschöpfbar oder weist zumindest eine eingeschränkte Leistung oder Kapazität auf, so dass sich der durch die erfindungsgemäß reduzierte Datenübermittlung verminderte Energieverbrauch positiv auf die Betriebsdauer auswirkt und vorzeitige Ausfälle der Sensorvorrichtung aufgrund von Energiemangel vermieden werden.
  • Die Erfindung betrifft ferner ein Überwachungssystem mit zumindest einer Sensorvorrichtung nach zumindest einer der vorstehend genannten erfindungsgemäßen oder vorteilhaften Ausführungsformen, und einer Überwachungseinrichtung, wobei die Überwachungseinrichtung eine Kommunikationsvorrichtung, die zumindest dazu eingerichtet ist, von der zumindest einen Sensorvorrichtung übermittelte Datensignale zu empfangen, und eine mit der Kommunikationsvorrichtung verbundene Auswertevorrichtung umfasst, welche zumindest dazu eingerichtet ist, die empfangenen Datensignale auszuwerten und/oder zu speichern. Die Überwachungseinrichtung kann ggf. auch die vorstehend genannten Fehler- oder Statussignale empfangen, auswerten und/oder speichern. Bei dem erfindungsgemäßen Überwachungssystem ist somit eine zentrale Überwachungseinrichtung vorgesehen, an welche die Datensignale der zugehörigen Sensorvorrichtungen übermittelt werden. Bevorzugt kann auch eine bidirektionale Kommunikation vorgesehen sein, bei welcher zusätzlich auch Signale, z.B. Konfigurationsdaten, von der Überwachungseinrichtung an die zumindest eine Sensorvorrichtung übermittelt werden können.
  • In der Regel erfolgt die Übermittlung der Daten-, Fehler- und/oder Statussignale direkt, d.h. ohne zwischengeschaltete Repeater. Bei Bedarf können jedoch solche Repeater vorgesehen sein, wobei diese vorteilhafterweise mit einer leistungsfähigen, insbesondere netzgespeisten Energieversorgung ausgestattet sind, um eine störungs- und weitgehend verzögerungsfreie Weiterleitung der drahtlosen Signale zu gewährleisten.
  • Vorteilhafterweise umfasst das Überwachungssystem mehrere Sensorvorrichtungen, welche dazu eingerichtet sind, ausschließlich mit der Überwachungseinrichtung zu kommunizieren. Mit anderen Worten kommunizieren die Sensorvorrichtungen nicht untereinander und bilden auch kein sogenanntes Ad-hoc-Netzwerk. Da hierbei die Sensorvorrichtungen nicht ständig empfangsbereit sein müssen, kann der Energieverbrauch verringert werden.
  • Alternativ kann das Überwachungssystem mehrere Sensorvorrichtungen umfassen, welche jeweils dazu eingerichtet sind mit anderen Sensorvorrichtungen des Überwachungssystems zu kommunizieren. Bevorzugt ist ein Teil, insbesondere genau eine, der Sensorvorrichtungen als ein Gateway ausgebildet und eingerichtet, um eigene oder von anderen Sensorvorrichtungen empfangene Datensignale an die Kommunikationsvorrichtung zu übermitteln. Mit anderen Worten kommunizieren die nicht als Gateway ausgebildeten Sensorvorrichtungen lediglich mit der oder den als Gateway ausgebildeten Sensorvorrichtungen, welche die Datensignale dann an die Kommunikationsvorrichtung der Überwachungseinrichtung weiterleiten. Die Kommunikation der Sensorvorrichtungen untereinander erfolgt vorzugsweise mittels einer energiesparenden Nahfeldkommunikation, beispielsweise gemäß dem Protokoll „Bluetooth Low Energy“, wodurch der zur Datenübertragung erforderliche Energiebedarf in den meisten Sensorvorrichtungen gering gehalten werden kann. Die Weiterleitung an die Kommunikationsvorrichtung kann mittels der gleichen Nahfeldkommunikation oder aber bevorzugt mit einer leistungsstärkeren bzw. einer eine höhere Reichweite aufweisenden Kommunikationstechnologie erfolgen, z.B. WLAN. Anstelle einer als Gateway ausgebildeten Sensorvorrichtung kann auch ein dezidiertes Gateway verwendet werden. Die als Gateway fungierende Sensorvorrichtung bzw. das dezidierte Gateway kann mit einer Energiequelle verbunden sein, deren Leistungsfähigkeit höher sein kann als die Leistungsfähigkeit derjenigen Energiequellen, welche die nicht als Gateway dienenden Sensorvorrichtungen versorgen. Die nicht als Gateway dienenden Sensorvorrichtungen weisen demnach weiterhin einen sehr geringen Energiebedarf auf.
  • Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung, wobei vorteilhafterweise auch solche Merkmale zu vorteilhaften Ausgestaltungen zusammengefasst werden können, für welche eine Kombination nicht explizit beschrieben ist.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben. Es zeigt:
    • 1 ein Blockdiagramm eines Überwachungssystems mit zwei Sensorvorrichtungen gemäß einem Ausführungsbeispiel,
    • 2 ein Diagramm, welches einen beispielhaften Verlauf einer primären Messgröße über die Zeit repräsentiert,
    • 3 ein Diagramm, welches eine beispielhafte sekundäre Messgröße zu zwei verschiedenen Zeitpunkten repräsentiert.
  • 1 zeigt schematisch ein Blockdiagramm eines Überwachungssystems 10, welches zwei Sensorvorrichtungen 12 und eine Überwachungseinrichtung 20 umfasst.
  • Jede Sensorvorrichtung 12 umfasst zumindest einen Sensor 14, eine mit dem zumindest einen Sensor 14 verbundene Auswerteeinheit 16 und eine mit der Auswerteeinheit 16 verbundene Übertragungseinrichtung 18, welche zur drahtlosen Übermittlung von Signalen eingerichtet ist.
  • Die Überwachungseinrichtung 20 umfasst eine Kommunikationsvorrichtung 22 und eine Auswertevorrichtung 24.
  • Der oder die Sensoren 14 sind zur Erfassung einer jeweiligen primären Messgröße, beispielsweise einer physikalischen oder chemischen Messgröße wie Temperatur, Feuchtigkeit, Druck, Volumen, Füllstand, Masse, Leitfähigkeit, Spannung, Strom, magnetische oder elektrische Feldstärke, pH-Wert usw. eingerichtet. Die Erfassung der primären Messgröße erfolgt kontinuierlich, quasi-kontinuierlich oder zyklisch nach Ablauf eines vorgegebenen Zeitintervalls, wobei das Zeitintervall fest vorgegeben, einstellbar oder dynamisch auf der Grundlage einer Messgröße anpassbar sein kann.
  • Die Auswerteeinheit 16 kann beispielsweise den Sensor 14 entsprechend des vorgegebenen Zeitintervalls auslesen. Eine ggf. erforderliche Analog-DigitalWandlung eines von dem Sensor 14 auf der Grundlage der erfassten primären Messgröße erzeugten Messwerts kann entweder innerhalb des Sensors 14 oder in der Auswerteeinheit 16 erfolgen.
  • Die Auswerteeinheit 16 kann ggf. auf der Grundlage der primären Messgröße eine sekundäre Messgröße ermitteln, beispielsweise eine zeitliche Ableitung, eine Fourier-Transformierte (z.B. ein Frequenzspektrum) oder eine sonstige Verteilungsfunktion der primären Messgröße.
  • Die Übertragungseinrichtung 18 ist dazu eingerichtet, ein Datensignal, welches die primäre und/oder die sekundäre Messgröße repräsentiert, an die Überwachungseinrichtung 20 zu übermitteln. Die Übertragung kann in Form von Funksignalen, beispielsweise gemäß einem standardisierten Funkprotokoll wie WLAN oder Bluetooth bzw. Bluetooth Low Energy, oder mittels optischer Signale, beispielsweise Infrarotsignale, erfolgen. Die Übertragungseinrichtung 18 kann ferner auch bei Auftreten eines Fehlers in der Sensorvorrichtung 12 ein Fehlersignal und/oder zyklisch nach Ablauf eines vorgegebenen Überwachungsintervalls ein Statussignal an die Überwachungseinrichtung 20 übermitteln. Die Signale können in Form von digitalen Datenpaketen übermittelt werden, wobei diese Datenpakete bereits in der Auswerteeinheit 16 oder auch erst in der Übertragungseinrichtung 18 erzeugt werden können.
  • Die Übertragung der genannten drahtlosen Signale erfolgt zumindest in unidirektionaler Richtung von den Sensorvorrichtungen 12 zu der Überwachungseinrichtung 20, was in 1 durch Pfeile mit durchgezogener Linie repräsentiert ist.
  • Gemäß einer Abwandlung kann auch eine bidirektionale Kommunikation vorgesehen sein, bei welcher Signale von der Überwachungseinrichtung 20 an die Sensorvorrichtungen 12 übermittelt werden können, was in 1 durch entsprechende Pfeile mit gestrichelten Linien repräsentiert ist. Über einen derartigen Rückkanal können beispielsweise Konfigurationsdaten an die Sensorvorrichtungen 12 übermittelt werden.
  • Die Auswertevorrichtung 24 der Überwachungseinrichtung 20 ist dazu eingerichtet, die mittels der Kommunikationsvorrichtung 22 empfangenen Signale von den Sensorvorrichtungen 12 auszuwerten und/oder zu speichern. Die Überwachungseinrichtung 20 ist insbesondere dazu eingerichtet, auf der Grundlage der empfangenen Signale wiederum entsprechende Signalisierungen auszugeben, beispielsweise Steuer- oder Abschaltsignale für eine überwachte Maschine und/oder optische und/oder akustische Warnsignale. Auch eine Anzeige und/oder Weiterleitung der von den Sensorvorrichtungen 12 übermittelten Messgrößen oder daraus abgeleiteter Größen kann vorgesehen sein.
  • Die Sensorvorrichtungen 12 können weiterhin jeweilige bevorzugt netzunabhängige Energiequellen zur Energieversorgung umfassen (nicht dargestellt) oder mit einer jeweiligen externen Energiequelle verbunden sein.
  • Mit Bezug auf 2 und 3 wird nun die Funktionsweise des Überwachungssystems 10 bzw. der Sensorvorrichtungen 12 näher erläutert.
  • Das Diagramm von 2 repräsentiert einen beispielhaften Verlauf einer primären Messgröße S über die Zeit t.
  • Für die primäre Messgröße S wird ferner eine sekundäre Messgröße dS ermittelt, welche eine zeitliche Ableitung oder Änderungsrate der primären Messgröße S darstellt.
  • In 2 sind beispielhaft drei verschiedene Veränderungsereignisse eingezeichnet, welche mit Ziffersymbolen 1 bis 3 bezeichnet sind. Das Veränderungsereignis 1 ist durch ein Überschreiten eines oberen Schwellenwerts Smax definiert. Die erfassende Sensorvorrichtung 12 übermittelt dann dementsprechend ein Datensignal an die Überwachungseinrichtung 20, welches den gemessenen Wert für die primäre Messgröße S umfasst.
  • Das Veränderungsereignis 2 ist dadurch definiert, dass die sekundäre Messgröße dS, also die Änderungsrate der primären Messgröße S, einen vorbestimmten Wert überschreitet. Hier wird nun ebenfalls ein entsprechendes Datensignal ausgesendet.
  • Das Veränderungsereignis 3 repräsentiert schließlich ein Unterschreiten eines unteren Schwellenwerts Smin, was ebenfalls zur Aussendung eines entsprechenden Datensignals führt.
  • Gemäß einer Abwandlung ist es auch denkbar, dass weitere Datensignale ausgesendet werden, wenn die primäre Messgröße S den oberen Schwellenwert Smax wieder unterschreitet (in 2 der Schnittpunkt der Messkurve mit der punktierten waagerechten Linie bei Smax zwischen den Veränderungsereignissen 1 und 2 und/oder den unteren Schwellenwert wieder überschreitet (in 2 der Schnittpunkt der Messkurve mit der punktierten waagerechten Linie bei Smin nach dem Veränderungsereignis 3).
  • Das Diagramm von 3 repräsentiert ein Frequenzspektrum als sekundäre Messgröße, welches mittels einer Sensorvorrichtung 12 erzeugt wurde, die einen Vibrationssensor als Sensor 14 umfasst. Ein derartiger Vibrationssensor liefert in der Regel eine Beschleunigung als primäre Messgröße. Zur Erzeugung eines Frequenzspektrums kann diese Sensorvorrichtung 12 für die Dauer eines vorbestimmten Messintervalls betrieben werden, um eine Vielzahl von Abtastwerten der primären Messgröße zu erzeugen. Das in 3 dargestellte Frequenzspektrum kann in der Auswerteeinheit 16 aus der Vielzahl der ermittelten Beschleunigungswerte errechnet werden. In dem Diagramm von 3 ist eine Amplitude IAS in Abhängigkeit von einer Umlauffrequenz co dargestellt. Für zwei verschiedene Zeitpunkte t1, t2 sind verschiedene Amplitudenmaxima dargestellt, wobei diese Maxima eine Grundfrequenz ωfc, harmonische Frequenzen ωh1, ωh2 und eine nichtharmonische Frequenz ωnh1 repräsentieren. Ein weiteres Frequenzmaximum am rechten Rand von 3 ist nicht näher bezeichnet.
  • Die zum Zeitpunkt t1 vorliegenden Frequenzen und Amplituden der jeweiligen Maxima sind in 3 als durchgezogene Linien dargestellt, während zu einem späteren Zeitpunkt t2 festgestellte Abweichungen dieser Maxima bezüglich ihrer Amplitude und/oder Frequenz durch jeweilige punktierte Linien repräsentiert sind.
  • In 3 sind ferner verschiedene, mit Ziffersymbolen 1 bis 4 bezeichnete Veränderungsereignisse dargestellt, welche jeweils dazu führen, dass die erfassende Sensorvorrichtung 12 ein Datensignal an die Überwachungseinrichtung 20 übermittelt.
  • Bei dem Veränderungsereignis 1 erfolgt lediglich eine Änderung der Grundfrequenz ωfc, wobei die Amplitude IAS konstant bleibt.
  • Bei dem Veränderungsereignis 2 erfolgt bei der Oberwelle ωh1 sowohl eine Frequenzverschiebung als auch eine Erhöhung der Amplitude.
  • Die Veränderungsereignisse 3 und 4 betreffen Änderungen der nicht-harmonischen Anteile des Frequenzspektrums, wobei das Veränderungsereignis 3 eine Erhöhung der Frequenz und das Veränderungsereignis 4 ein Überschreiten eines oberen Schwellenwertes IASmax für die Amplitude IAS darstellt.
  • Die Veränderungsereignisse 3 und 4 stellen jeweils unabhängige Kriterien dar, d.h. ein Veränderungsereignis wird bezüglich des betreffenden Maximums bereits dann ausgelöst, wenn sich entweder nur die Frequenz oder nur die Amplitude entsprechend des vorgegebenen Kriteriums verändert.
  • Bezugszeichenliste
  • 1
    Veränderungsereignis
    2
    Veränderungsereignis
    3
    Veränderungsereignis
    4
    Veränderungsereignis
    10
    Überwachungssystem
    12
    Sensorvorrichtung
    14
    Sensor
    16
    Auswerteeinheit
    18
    Übertragungseinrichtung
    20
    Überwachungseinrichtung
    22
    Kommunikationsvorrichtung
    24
    Auswertevorrichtung

Claims (14)

  1. Sensorvorrichtung (12), mit zumindest einem Sensor (14), welcher zum Erfassen einer jeweiligen primären Messgröße eingerichtet ist, einer mit dem Sensor (14) verbundenen Auswerteeinheit (16) zum Auswerten der erfassten Messgröße, wobei die Auswerteeinheit (16) dazu eingerichtet ist, einen zeitlichen Verlauf der primären Messgröße oder einer aus der primären Messgröße abgeleiteten sekundären Messgröße zu überwachen, und einer mit der Auswerteeinheit (16) verbundenen Übertragungseinrichtung (18), welche zum drahtlosen Übermitteln eines auf der Grundlage der Messgröße erzeugten Datensignals eingerichtet ist, wobei die Sensorvorrichtung (12) dazu eingerichtet ist, ein Datensignal nur nach Eintritt eines Veränderungsereignisses zu übermitteln, wobei das Veränderungsereignis durch das Eintreten einer durch zumindest ein vorgegebenes Kriterium definierten Veränderung der primären oder sekundären Messgröße im zeitlichen Verlauf bestimmt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorvorrichtung (12) mehrere Sensoren umfasst, wobei das Veränderungsereignis durch das Eintreten von wenigstens zwei, durch jeweilige vorgegebene Kriterien definierte Veränderungen von primären oder sekundären Messgrößen, die von verschiedenen Sensoren (14) erfasst wurden, bestimmt ist.
  2. Sensorvorrichtung (12) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Veränderungsereignis ein Überschreiten und/oder ein Unterschreiten eines jeweiligen vorgegebenen Schwellenwerts für die primäre und/oder die sekundäre Messgröße umfasst.
  3. Sensorvorrichtung (12) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Veränderungsereignis ein Abweichen von einem jeweiligen vorgegebenen Referenzwert für die primäre und/oder die sekundäre Messgröße umfasst.
  4. Sensorvorrichtung (12) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Datensignal die primäre und/oder die sekundäre Messgröße umfasst, bevorzugt auch den Erfassungszeitpunkt der zugeordneten Messgröße und/oder ein Identifikationskennzeichen des die Messgröße erfassenden Sensors (14) umfasst.
  5. Sensorvorrichtung (12) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorvorrichtung (12) dazu eingerichtet ist, die primäre Messgröße zyklisch nach Ablauf eines vorgegebenen Zeitintervalls zu erfassen.
  6. Sensorvorrichtung (12) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Dauer des Zeitintervalls veränderbar ist.
  7. Sensorvorrichtung (12) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorvorrichtung (12) ferner dazu eingerichtet ist, bei Auftreten eines Fehlers in der Sensorvorrichtung (12) ein Fehlersignal und/oder zyklisch nach Ablauf eines vorgegebenen Überwachungsintervalls ein Statussignal zu übermitteln.
  8. Sensorvorrichtung (12) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Veränderungsereignis durch das Eintreten einer Veränderung der sekundären Messgröße bestimmt ist, wobei die sekundäre Messgröße durch zumindest ein lokales Maximum in einem Frequenzspektrum der primären Messgröße gebildet ist, wobei die Veränderung der sekundären Messgröße eine Veränderung bezüglich einer jeweiligen Frequenz und/oder einer jeweiligen Amplitude des zumindest einen lokalen Maximums umfasst.
  9. Sensorvorrichtung (12) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (14) ein Vibrationssensor ist, wobei die primäre Messgröße eine Beschleunigung umfasst.
  10. Sensorvorrichtung (12) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorvorrichtung (12) zusätzlich zu einer Überwachungsbetriebsart, in welcher der oder die Messgrößen überwacht und gegebenenfalls übermittelt werden, auch in einer Konfigurationsbetriebsart betreibbar ist, in welcher das vorgegebene Kriterium, insbesondere zumindest ein Schwellenwert, Referenzwert und/oder Differenzschwellenwert, für die primäre und/oder die sekundäre Messgröße bestimmt und in einer mit der Auswerteeinheit (16) verbundenen Speichereinheit gespeichert wird.
  11. Sensorvorrichtung (12) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass in der Konfigurationsbetriebsart die Sensorvorrichtung (12) derart betreibbar ist, dass für die erste und/oder die zweite Messgröße zeitlich beabstandet mehrere Messwerte erfasst und zwischengespeichert werden, aus den zwischengespeicherten Messwerten zumindest ein statistisches Kriterium, bevorzugt ein Mittelwert und eine Standardabweichung, ermittelt wird und auf der Grundlage des zumindest einen statistischen Kriteriums das vorgegebene Kriterium, bevorzugt zumindest ein Schwellenwert, Referenzwert und/oder Differenzschwellenwert, für die zugeordnete Messgröße bestimmt wird.
  12. Sensorvorrichtung (12) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorvorrichtung (12) ausschließlich eine netzunabhängige Energiequelle, insbesondere einen aufladbaren oder nicht aufladbaren Speicher für elektrische Energie, zur Versorgung der Komponenten der Sensorvorrichtung (12) mit Betriebsenergie umfasst.
  13. Überwachungssystem (10), mit zumindest einer Sensorvorrichtung (12) nach einem der vorstehenden Ansprüche, und einer Überwachungseinrichtung (20), wobei die Überwachungseinrichtung (20) eine Kommunikationsvorrichtung (22), die zumindest dazu eingerichtet ist, von der zumindest einen Sensorvorrichtung (12) übermittelte Datensignale zu empfangen, und eine mit der Kommunikationsvorrichtung (22) verbundene Auswertevorrichtung (24) umfasst, welche zumindest dazu eingerichtet ist, die empfangenen Datensignale auszuwerten und/oder zu speichern.
  14. Überwachungssystem, nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Sensorvorrichtungen (12) vorgesehen sind, welche dazu eingerichtet sind, ausschließlich mit der Überwachungseinrichtung (20) zu kommunizieren.
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