DE102020106010A1

DE102020106010A1 - Überwachungsvorrichtung, Überwachungsanordnung und Überwachungsverfahren zur Überwachung einer Schraubverbindung eines Objekts

Info

Publication number: DE102020106010A1
Application number: DE102020106010.6A
Authority: DE
Inventors: Rick West; Christopher Lee Shih Hao Sam Soon; Gerald Busch; Mathew Courtney; David Head; Steffen Niggemann; Ben Scott
Original assignee: Weidmueller Interface GmbH and Co KG
Current assignee: Weidmueller Interface GmbH and Co KG
Priority date: 2020-03-05
Filing date: 2020-03-05
Publication date: 2021-09-09
Also published as: CN115335665A; US20230314184A1; AU2021231219A1; WO2021175912A1; EP4115148A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Überwachungsvorrichtung (10) zum Überwachen einer Schraubverbindung eines Objekts, mit einer an dem Objekt zu befestigenden Grundplatte (11) und einer an einem Teil der Schraubverbindung zu befestigenden Deckplatte (12), wobei die Grundplatte (11) und die Deckplatte (12) parallel zueinander und übereinander angeordnet sind und wobei beide Platten (11, 12) jeweils mindestens eine Elektrode (112a - p, 122) aufweisen, die kapazitiv miteinander wechselwirken. Die Überwachungsvorrichtung (10) ist dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (112a - p, 122) so geformt und positioniert sind, dass mindestens eine Elektrode (122) einer der Platten (11, 12) mit mindestens zwei verschiedenen Elektroden (112a - p) der anderen der Platten (11, 12) in Abhängigkeit von der Drehstellung der Platten (11, 12) relativ zueinander zusammenwirkt. Die Erfindung bezieht sich ferner auf eine Überwachungsvorrichtung mit mindestens einer derartigen Überwachungsvorrichtung (10) und auf ein Überwachungsverfahren.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Überwachungsvorrichtung zum Überwachen einer Schraubverbindung eines Objekts, wobei die Überwachungsvorrichtung eine an dem Objekt zu befestigende Grundplatte und eine an einem Teil der Schraubverbindung zu befestigende Deckplatte aufweist, wobei die Grundplatte und die Deckplatte parallel zueinander und übereinander angeordnet sind und wobei die Grundplatte und die Deckplatte jeweils mindestens eine Elektrode aufweisen, die kapazitiv miteinander wechselwirken. Die Erfindung bezieht sich ferner auf eine Überwachungsanordnung mit mindestens einer Überwachungsvorrichtung und auf ein Überwachungsverfahren.
Es gibt viele Fälle, in denen Verschraubungen eines Objekts für einen korrekten Betrieb des Objekts unerlässlich sind. Darüber hinaus ist die korrekten Position aller Teile der Verschraubung sicherheitsrelevant.
Kleinere Verschraubungen werden oft mechanisch gesichert, um einen festen Sitz der Verschraubung zu gewährleisten. Bekannte mechanische Mittel sind die Verwendung von Kontermuttern, Sicherungsklebern oder Sicherungsstiften, z.B. Splinten.
Große Schraubverbindungen in sicherheitskritischen Anwendungen werden alternativ oder zusätzlich durch eine Überwachungsvorrichtung der zuvor genannten Art überwacht.
Als Anwendungsbeispiel, aber nicht darauf beschränkt, weist ein Rotor einer Windturbine oft einen Flansch auf, der durch eine Vielzahl von groß dimensionierten Schraubverbindungen an einer Achse eines Getriebes oder Generators befestigt ist. Die Schrauben werden mit einem vorgegebenen Drehmoment angezogen, und mindestens eine Auswahl der Schraubverbindungen ist mit einer Überwachungsvorrichtung ausgestattet, die ein Lösen der Schraubverbindung, z.B. das Lösen einer Mutter der Schraubverbindung gegenüber dem Flansch, feststellt.
Eine Überwachungsvorrichtung der eingangs genannten Art ist z.B. aus dem US-Patent US 8.872.668 B2 bekannt. Die Grundplatte und die Deckplatte sind jeweils an überwachten Komponenten befestigt. In einer Ausführung wird ein Widerstand zwischen den Kontaktelektroden von Grund- und Deckplatte ermittelt. Das Lösen der Mutter relativ zum Flansch führt zu einer beobachteten Kontaktunterbrechung, die einen Alarm auslöst. Als Alternative zur Bestimmung eines Widerstandes erwähnt das Dokument die Beobachtung einer kapazitiven Änderung zwischen zwei zusammenwirkenden Elektroden der Grund- bzw. Deckplatte.
Gemäß dem Dokument US 8,872,668 B2 kann die Nachweisempfindlichkeit durch Bestimmung kontinuierlicher Änderungen der gemessenen elektrischen Eigenschaft erhöht werden, wobei ein Alarm ausgegeben wird, wenn ein bestimmter Schwellenwert der kontinuierlich gemessenen Eigenschaft über- oder unterschritten wird. Die Empfindlichkeit des Systems hängt vom Schwellenwert ab, es scheint jedoch ein Kompromiss zwischen dem Erreichen einer guten Detektionsempfindlichkeit und der Minimierung der Gefahr von Fehlalarmen gefunden werden zu müssen. Dementsprechend erhöht das Erreichen einer höheren Empfindlichkeit die Anfälligkeit für Fehlalarme.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Überwachungsvorrichtung und Überwachungsanordnung der eingangs genannten Art bereitzustellen, die eine hohe Empfindlichkeit aufweisen, um auch kleine Drehbewegungen einer Schraubverbindung fehlerfrei erfassen.
Dieses Aufgabe wird durch ein Überwachungsvorrichtung und Überwachungsanordnung gemäß dem jeweiligen unabhängigen Anspruch gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterentwicklungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Eine erfindungsgemäße Überwachungsvorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass die Elektroden so geformt und positioniert sind, dass mindestens eine Elektrode einer der Platten mit mindestens zwei verschiedenen Elektroden der anderen der Platten in Abhängigkeit von der Drehstellung der Platten relativ zueinander zusammenwirkt.
Diese Anordnung ermöglicht es, die Winkelposition aus einem Vergleich zweier Kapazitätsmessungen zu bestimmen. Wird ein einzelner Kapazitätswert gemessen, bei dem sich der Wert dieser Kapazität nach dem Stand der Technik mit dem Drehwinkel der beiden Platten ändert (z.B. weil sich die Überlappungsfläche der beiden Elektroden mit dem Drehwinkel ändert), so kann die Drehstellung nur aus einem absoluten Kapazitätswert bestimmt werden. Nach der vorliegenden Erfindung werden die Werte der Kapazität zwischen der (gemeinsamen) Elektrode auf der einen Platte und jeder der mindestens zwei Elektroden auf der anderen Platte miteinander verglichen. Die Winkelstellung der beiden Platten relativ zueinander wird dann z.B. durch die Elektrodenkombination mit dem höchsten Kapazitätswert angegeben.
Dementsprechend ist ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Überwachung einer Schraubverbindung eines Gegenstandes dadurch gekennzeichnet, dass eine solche Überwachungsvorrichtung verwendet wird. In einer Ausführungsform des Verfahrens werden mindestens zwei Kapazitätswerte zwischen der mindestens einen Elektrode der einen Platte und jeder der mindestens zwei wechselwirkenden Elektroden der anderen Platte gemessen. Die Drehstellung der Platten relativ zueinander durch Vergleich der mindestens zwei Kapazitätswerte miteinander, z.B. durch Ermitteln eines Maximums von mindestens zwei Kapazitätswerten.
Dies führt zu einem robusten und stabilen Überwachungsprozess, der weniger anfällig für Störungen ist.
In einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens umfasst der Schritt des Vergleichens der mindestens zwei Kapazitätswerte miteinander die Schritte des Bestimmens einer Interpolationsfunktion, die die mindestens zwei Kapazitätswerte als Funktion einer geometrischen Position der zugehörigen Elektroden beschreibt, und des Findens eines Maximums der Interpolationsfunktion. Während mit dem obigen Verfahren, das auf dem Maximum der Messwerte selbst basiert, eine Winkelauflösung erreicht wird, die gleich dem Winkelabstand der mindestens zwei Elektroden ist, ist es möglich, das oben genannte Verfahren weiter auszudehnen, um durch die Bestimmung des Maximums der Interpolationsfunktion ein höheres Auflösungsniveau zu erreichen.
In einer vorteilhaften Ausführung der Überwachungsvorrichtung sind beide Platten ringförmig, wobei die Elektroden auf einer Seite oder zumindest nahe an einer Seite jeder Platte angeordnet sind. Vorzugsweise bilden die Elektroden Segmente, die sich jeweils über einen bestimmten Winkelbereich der jeweiligen Platte erstrecken. Um nicht sprunghaft variierende und gut interpolierbare Ergebnisse zu erzielen, ist es vorteilhaft, wenn sich die mindestens zwei Elektroden jeweils über einen Winkelbereich erstrecken, der kleiner ist als der Winkelbereich, den die mindestens eine Elektrode abdeckt. Der Winkelbereich ist vorzugsweise um einen Faktor zwischen 1,3 und 1,7 und insbesondere um einen Faktor von ca. 1,5 kleiner als der Winkelbereich, den die mindestens eine Elektrode abdeckt. Der Winkelbereich, den die mindestens eine Elektrode abdeckt, kann z.B. ca. 4° bis 5°, vorzugsweise ca. 4,5°, betragen. Der Winkelbereich, den die mindestens zwei Elektroden jeweils abdecken, kann z.B. ca. 2,5° bis 3,5°, vorzugsweise ca. 3°, betragen. Dies bietet eine ausreichende Winkelauflösung und führt zu Kapazitätswerten, die immer noch mit hoher Präzision und einem guten Signal-zu-Rausch-Verhältnis gemessen werden können.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Überwachungsvorrichtung sind die mindestens zwei Elektroden Teil einer Elektrodenanordnung, die aus einer Vielzahl nebeneinander angeordneter Elektroden besteht. Durch die Bereitstellung einer Vielzahl von Elektroden kann ein größerer Winkelmessbereich bei gleichzeitig hoher Winkelauflösung erreicht werden. Vorzugsweise ist die Anzahl der Elektroden der Vielzahl von Elektroden gleich einer Zweierpotenz, z.B. 8 oder 16. Um die Komplexität und die Kosten der Messschaltung zu verringern, kann für die Kapazitätsmessung eine Multiplexer-Anordnung verwendet werden. Es wird dann nur eine Schaltung zur Kapazitätsmessung benötigt. Die Multiplexer-Anordnung verbindet diese Schaltung anschließend mit den verschiedenen Elektrodenkombinationen. Die Auswahl der zu messenden Elektrodenpaarung erfolgt in der Regel durch eine digitale Codierung, und kommerziell erhältliche Multiplexer haben daher eine Anzahl von Kanälen, die einer Zweierpotenz entspricht. Entsprechend vorteilhaft ist es, auch die Anzahl der Elektroden so zu wählen, dass sie einer Zweierpotenz entspricht.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Überwachungsvorrichtung bestehen beide Platten zumindest teilweise aus einer Leiterplatte, wobei die Elektroden durch eine leitende Schicht der Leiterplatte gebildet werden. Auf diese Weise können Elektroden auch in größeren Stückzahlen einfach bereitgestellt und kontaktiert werden. Die leitende Schicht kann eine innere Schicht der Leiterplatte sein, um einen direkten Kontakt der Elektroden der beiden Platten untereinander zu vermeiden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Überwachungsvorrichtung weist jede der beiden Platten eine weitere Elektrode auf, die miteinander wechselwirken und einen Kondensator bilden, der mit dem zwischen den Elektroden gebildeten Kondensator in Reihe geschaltet ist. Der von den beiden weiteren Elektroden gebildete Kondensator kann dazu verwendet werden, ein Messsignal von einer der Platten auf die andere zu übertragen. Nur eine der Platten muss dann mit Drähten kontaktiert werden, um die Kapazitätsmessungen durchzuführen. Um die Elektroden zu kontaktieren, kann mindestens eine der beiden Platten zusätzlich einen Anschluss aufweisen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform umfasst die Überwachungsvorrichtung eine Messschaltung zur Auswertung von mindestens zwei Kapazitätswerten, die zwischen zwei verschiedenen Elektrodenpaaren ermittelt wurden. Die Messschaltung kann einen drahtlosen Sender zur Übertragung der Ergebnisse der Auswertung der mindestens zwei Kapazitätswerte umfassen. Die Integration der Messschaltung in die Überwachungsvorrichtung führt zu kurzen Leitungen zwischen der Messschaltung und den Elektroden, was die Signalqualität verbessert und störendes Rauschen reduziert. Durch die weitere Integration des drahtlosen Senders wird eine autarke Überwachungsvorrichtung geschaffen.
Eine erfindungsgemäße Überwachungsanordnung zur Überwachung von Schraubverbindungen eines Objekts umfasst mindestens eine Überwachungsvorrichtung mit einer integrierten Messschaltung und einem integrierten drahtlosen Sender und ferner einen drahtlosen Empfänger. An den drahtlosen Empfänger wird vorzugsweise eine Mehrzahl von entsprechenden Überwachungsvorrichtungen angeschlossen. Mehrere Verschraubungen, z.B. alle Verschraubungen, die zur mechanischen Verbindung zweier Flansche dienen, können dann mit nur einem Empfänger überwacht werden.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen mithilfe von Figuren näher erläutert. Die Figuren zeigen:

1 eine Seitenansicht einer Verschraubung mit einer Überwachungsvorrichtung;
2 eine Draufsicht auf die Anordnung von 1;
3 eine Draufsicht auf ein weiteres, an einer Verschraubung montiertes Ausführungsbeispiel einer Überwachungsvorrichtung;
4a, b eine Draufsicht auf eine Deckplatte (4a) und eine Grundplatte (4b) eines Ausführungsbeispiels einer Überwachungsvorrichtung;
4c eine Überwachungsanordnung mit der Überwachungsvorrichtung gemäß den 4a, b;
5a, b eine Draufsicht auf eine Deckplatte (5a) und eine Grundplatte (5b) eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Überwachungsvorrichtung;
5c eine Überwachungsanordnung mit der Überwachungsvorrichtung gemäß den 5a, b;
6a, b eine Draufsicht auf eine Deckplatte (6a) und eine Grundplatte (6b) eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Überwachungsvorrichtung;
6c eine Überwachungsanordnung mit der Überwachungsvorrichtung gemäß den 6a, b;
7 ein Diagramm mit Ergebnissen einer Kapazitätsmessung; und
8 eine schematische Darstellung einer Überwachungsanordnung mit einer Vielzahl von Überwachungsvorrichtungen in einem weiteren Ausführungsbeispiel.

Identische Referenznummern bezeichnen identische oder äquivalente Merkmale in allen Abbildungen. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind nicht alle sichtbaren Merkmale in allen Abbildungen mit Referenznummern versehen.
1 und 2 zeigen eine erstes Ausführungsbeispiel einer Überwachungsvorrichtung 10. 1 zeigt eine Schnittdarstellung und 2 eine Draufsicht.
Das System, das in dem ersten Ausführungsbeispiel überwacht wird, besteht beispielsweise aus zwei Flanschen 1, 2, die durch eine Verschraubung aus einem Bolzen 3 und einer Mutter 4 miteinander verbunden sind.
Die Überwachungsvorrichtung 10 besteht aus zwei Hauptteilen, einer Grundplatte 11 und einer Deckplatte 12. Die beiden Platten 11, 12 haben eine kreisringförmige Gestalt, und die beiden Platten 11, 12 sind parallel zueinander und übereinander auf einer Seite der Flansche 1, 2 angeordnet - in dem dargestellten Fall auf dem Flansch 2.
Die Grundplatte 11 hat in ihrer Mitte einen kreisförmigen Ausschnitt, mit dem sie die Mutter 4 umgibt, so dass sich die Mutter 4 in dem Ausschnitt frei drehen kann. Die Grundplatte 11 wird z.B. mit einer Klebeschicht 13 auf dem Flansch befestigt.
Die Deckplatte 12 hat ebenfalls einen Ausschnitt, der die Mutter 3 umgibt, jedoch ist der Ausschnitt in der Deckplatte 12 ein Polygonausschnitt 124, der dem äußeren Umfang der Mutter 3 ähnelt, in diesem Fall eine achteckige Form. Die Deckplatte 12 würde sich also mit der Mutter 4 drehen, wenn sich die Mutter 4 löst und sich relativ zum Flansch 2 dreht, während die Grundplatte 11 ihre Ausrichtung relativ zum Flansch 2 beibehalten würde. Dementsprechend würden sich die Deckplatte 12 und die Grundplatte 11 relativ zueinander drehen, wenn sich die Mutter 4 lockert und sich relativ zur Schraube 3 und zum Flansch 2 dreht. Um die Deckplatte 12 oben auf der Grundplatte 11 zu halten, kann ein Haltemittel an der Mutter 3 angebracht werden, z.B. auf die Mutter 4 aufgeclipst und durch Reibungskraft festgehalten werden. Alternativ kann die Deckplatte 12 auch durch eine Magnetkraft oder einen Klebstoff festgehalten werden.
Die Grundplatte 11 kann somit auch als feste Platte und die Deckplatte 12 kann auch als bewegliche Platte betrachtet werden.
Grundplatte 11 und Deckplatte 12 sind mit Elektroden 112, 122 ausgestattet, die einander gegenüberliegen und miteinander interagieren. Die Elektroden 112 der Grundplatte sind über einen an der Grundplatte 11 angebrachten Anschluss 111 zugänglich. Die Elektroden 122 der Deckplatte 12 sind mit einem an der Deckplatte 12 angebrachten Anschluss 121 verbunden und über diese zugänglich.
Der Bauraum um die Mutter 4 ist möglicherweise begrenzt. Aus diesem Grund haben die Grundplatte 11 und die Deckplatte 12 keinen vollen Kreisumfang. Mindestens eine Seite der Grundplatte 11 und der Deckplatte 12 wird durch einen Randbeschnitt 113 bzw. 123 beschnitten. Falls die Flansche 1, 2 Teil einer Rotorhalterung einer Windkraftanlage sind, könnte der Platz neben den Muttern 4 beispielsweise durch die Getriebeachse begrenzt sein, die von einer Vielzahl von Muttern 4 und Schrauben 3 in den Flanschen 1, 2 umgeben ist.
3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der Überwachungsvorrichtung 10 in einer mit 2 vergleichbaren Draufsicht. Die grundsätzliche Anordnung ist vergleichbar mit der der ersten Ausführungsform. Allerdings ist die Grundform (bis auf den Randbeschnitt 113, 123) nicht kreisförmig wie bei der ersten Ausführungsform, sondern in einer Richtung langgestreckt, konkret auf der dem Randbeschnitt 113, 123 gegenüberliegenden Seite der Mutter 4. Der zusätzlich gewonnene Platz auf der Deckplatte 12 wird für die Unterbringung einer Messschaltung 15 zur Analyse der Signale von den Elektroden 112, 122 und zur Übertragung der Analyseergebnisse an einen in 3 nicht gezeigten drahtlosen Empfänger verwendet. Die Messschaltung 15 besteht aus einer Batterie 151 und einem drahtlosen Sender 152.
Da die Signale der Elektroden von der integrierten Messschaltung 15 ausgewertet werden, entfallen die in der ersten Ausführungsform sichtbaren Anschlüsse 111, 121 in dieser zweiten Ausführungsform. 3 zeigt somit eine autarke Überwachungsvorrichtung 10, die einfach an einer Verschraubung montiert werden kann und keine weitere Verdrahtung erfordert. Durch die Verwendung einer energiesparenden drahtlosen Übertragung, z.B. nach dem Bluetooth LE (Low Energy) oder dem LoRa-Standard, wird die Lebensdauer der Batterie 151 lang genug sein, z.B. mehr als ein Jahr, so dass ein Batteriewechsel innerhalb der üblichen Wartungsintervalle durchgeführt werden kann. In einer Weiterentwicklung der in 3 dargestellten Ausführungsform kann die Messschaltung 15 mit Mitteln zur Energiegewinnung (Energy Harvesting) ausgestattet werden, die Energie erzeugen, die zum Betrieb der Messschaltung 15 verwendet wird. Energie kann z.B. aus der Rotation der Flansche 1, 2 und somit der Überwachungsvorrichtung 10 gewonnen werden. Die Batterie 151 ist vorzugsweise eine wiederaufladbare Batterie, die als Reserve für die Energiegewinnungsmittel verwendet wird.
Die 4a - 4c zeigen ein Ausführungsbeispiel einer Überwachungsvorrichtung 10 und eine die Überwachungsvorrichtung 10 umfassende Überwachungsanordnung im Detail. Die in den 1 und 2 dargestellten Überwachungsvorrichtungen 10 können z.B. entsprechend gebaut werden.
4a zeigt eine Draufsicht auf einen Teil einer Deckplatte 12 der Überwachungsvorrichtung 10 und 4b zeigt eine Draufsicht auf die Grundplatte 11 der Überwachungsvorrichtung 10. Bild 4c zeigt einen schematischen Schnitt durch die beiden Platten 11, 12 und zeigt insbesondere die Verdrahtung zwischen der Überwachungsvorrichtung 10 und einem Messkreis 15.
4a zeigt nur einen Teil der oberen Platte 12, die eine Elektrode 122 trägt. Dieser Teil hat die Form eines Abschnitts eines Kreisrings. Er kann in einen weiteren Teil der Deckplatte eingebettet werden, so dass die gesamte Deckplatte ein vollständiger Kreisring ist. Ferner ist der Polygonausschnitt 124, der zur Drehfixierung der Deckplatte 12 an einem Teil der Verschraubung, z.B. der Mutter 4 (vgl. 1 - 3), dient, in dieser Ausführung als Vorsprung ausgebildet. Er erfüllt jedoch den gleichen Zweck wie in den vorgenannten Ausführungen, nämlich dass sich die Deckplatte 12 mit dem überwachten Teil der Verschraubung dreht.
An der Oberfläche der Deckplatte 12 oder zumindest in unmittelbarer Nähe der Oberfläche befindet sich eine Elektrode 122. Die Elektrode 122 ist in Form eines Segments des Kreisrings ausgebildet, wobei die Kanten zur Ringmitte zeigen. Im gezeigten Beispiel bedeckt das Segment etwa 4,5° Winkellänge.
Der Teil der Deckplatte 12, der die Elektrode 122 trägt, kann vorzugsweise eine Leiterplatte (PCB) sein, wobei die Elektrode 122 eine Kupferschicht der PCB ist. Die Elektrode 122 ist entweder mit einer Isolierschicht bedeckt oder es handelt sich um eine sogenannte „vergrabene“, innere Kupferschicht der Leiterplatte. Die Verbindung von der Elektrode 122 zu einem hier nicht dargestellten Anschluss (vgl. Anschluss 111 in 1 - 3) wird vorzugsweise durch die gleiche Kupferschicht der Leiterplatte hergestellt, die die Elektrode 122 bildet.
4b zeigt die entsprechende Grundplatte 11. Erfindungsgemäß besteht die Grundplatte 11 nicht aus einer einzelnen Elektrode, sondern aus einer Elektrodenanordnung 112, die aus einer Vielzahl von Einzelelektroden 112a, 112b bis 112o und 112p besteht. Jede Elektrode 112a - 112p ist als Segment eines Kreisrings geformt, d.h. ähnlich wie die Elektrode 122 der Deckplatte 12, jedoch mit einer kleineren Winkellänge von ca. 3° in diesem Beispiel. Alle Elektroden 112a - 112p sind nebeneinander mit einem kleinen Isolierspalt dazwischen angeordnet. Die gesamte Elektrodenanordnung 112 deckt somit etwa einen Winkelbereich von 45° ab.
Die Grundplatte 11 ist wiederum vorzugsweise aus einer Leiterplatte gefertigt. Hinsichtlich der Einzelheiten der Ausbildung der Elektrodenanordnung 112 und/oder des Anschlusses an einen Anschluss 111 bzw. an eine integrierte Messschaltung 15 (ähnlich der Ausführungsform in 3) wird auf die obigen Ausführungen zur Deckplatte 12 verwiesen.
4c zeigt schematisch den Anschluss der Elektrode 122 und der Elektrodenanordnung 112 mit einer integrierten Messschaltung 15. Jede Elektrode 112a - 112p ist einzeln an die Messschaltung 15 gekoppelt. Die Messschaltung 15 ist so ausgelegt, dass eine Kapazität zwischen der gemeinsamen Elektrode 122 und jeder einzelnen Elektrode 112a - 112p gemessen wird. Diese Messmethode führt zu einer erhöhten Positionsempfindlichkeit, die hauptsächlich durch die geometrische Ausdehnung (die Winkelanordnung) der Elektroden 122 und 112a - 112p gegeben ist. Darüber hinaus wird eine sehr robuste Positionserfassung erzielt. Der Grund dafür ist, dass die Positionsbestimmung nicht von einer absoluten Kapazitätsmessung und kleinen beobachteten Messwertänderungen abhängt, sondern von einem Vergleich der relativen Messungen.
Wie angegeben, könnten die Drähte, die die Elektroden 112a - 112p mit der Messschaltung 15 verbinden, zu einer weiteren Überwachungsvorrichtung 10 führen. Auf diese Weise braucht nur eine der Überwachungsvorrichtungen 10 mit einer Messschaltung 15 zur Analyse der Kapazitätswerte der Elektroden der (gekoppelten) Überwachungsvorrichtungen 10 ausgerüstet zu werden. Die angeschlossenen Überwachungsvorrichtungen 10 sind in diesem Sinne passive Überwachungsvorrichtungen ohne Schaltungen zur Analyse von Kapazitätswerten .
Wenn ein einzelner Kapazitätswert gemessen wird, bei dem sich der Wert dieser Kapazität mit dem Drehwinkel der beiden Platten ändert (z.B. wenn sich die Überlappungsfläche der beiden Elektroden mit dem Drehwinkel ändert), dann kann die Drehstellung nur aus einem absoluten Kapazitätswert bestimmt werden. Nach der vorliegenden Erfindung werden die Werte der Kapazität zwischen der gemeinsamen Elektrode 122 und jeder der Einzelelektroden 112a - 112p miteinander verglichen, wobei die Elektrodenkombination mit der höchsten Kapazität eindeutig die Winkelstellung der beiden Platten relativ zueinander angibt.
Um die Komplexität und die Kosten der Messschaltung 15 zu verringern, kann für die Kapazitätsmessung eine Multiplexer-Anordnung verwendet werden. Dementsprechend wird nur eine Schaltung zur Kapazitätsmessung benötigt. Die Multiplexer-Anordnung verbindet dann diese Schaltung nachträglich mit den verschiedenen Elektrodenkombinationen. Die Kapazitätsmessung kann mit bekannten Verfahren durchgeführt werden, z.B. durch Umschalten der zu messenden Kapazität in einen Schwingkreis und Messung der Frequenz des Oszillators.
Die 5a - c zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Überwachungsvorrichtung 10 in analoger Weise wie die 4a - c.
Der Aufbau entspricht im Wesentlichen dem Aufbau des Ausführungsbeispiels, das in den 4a - c gezeigt ist, auf die diesbezüglich ausdrücklich verwiesen wird.
Wie aus 5a ersichtlich ist, hat die Deckplatte 12 eine Elektrode 122 mit der gleichen Größe, Form und Position wie in der in 4 a gezeigten Ausführung. Auch die Grundplatte 11 hat, wie aus 5b ersichtlich, die gleiche Elektrodenanordnung 112 wie die in 4b gezeigte Ausführung. Zusätzlich zu den wechselwirkenden Elektroden 122 und 112a - 112p der Elektrodenanordnung 112 sind drei weitere Sätze von Elektroden 122', 122'', 122''' auf der Deckplatte 12 und entsprechende Elektrodenanordnungen 112', 112'' 112''' auf der Grundplatte 11 vorhanden.
Wie in 5 c zu sehen ist, sind die Elektroden 122', 122'', 112''' elektrisch parallel geschaltet. Auch die entsprechenden Elektroden der Elektrodenanordnungen 112', 112'', 112''' sind parallel geschaltet. Dementsprechend sind auch bei kleinen einzelnen Elektroden 122, 112a - 112p die analysierten Kapazitätswerte um einen Faktor größer, der durch die Anzahl der Sätze gegeben ist. Dies führt zu einer noch robusteren Positionserfassung.
Es wird darauf hingewiesen, dass die Anzahl der Sätze - vier im vorliegenden Fall - rein exemplarisch ist. Die Anzahl der Sätze kann kleiner oder größer sein, je nach dem verfügbaren Raum und auch je nach dem zu beobachtenden Winkelbereich.
Die 6a - c zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Überwachungsvorrichtung 10 in analoger Weise wie die 4a - c und 5a - c.
Auch hier handelt es sich im Wesentlichen um den gleichen Aufbau wie bei den in den - und - gezeigten Ausführungsbeispielen, auf die deshalb in dieser Hinsicht ausdrücklich Bezug genommen wird. Wie im Beispiel der 5a - c sind vier Sätze von zusammenwirkenden Elektroden vorhanden, d.h. die obere Platte 12 hat vier Elektroden 122, 122', 122'', 122''' und die untere Platte 11 (siehe 6b) hat vier Sätze von Elektrodenanordnungen 112, 112', 112'', 112'''.
Wie in 6a zu sehen ist, sind die vier Elektroden 122, 122', 122'' und 122''' auf der Deckplatte selbst miteinander verbunden. Die Verbindung erfolgt über eine weitere Elektrode 1-5, die wie ein Ring (oder genauer gesagt ein Ringsegment) geformt ist und nahe am Außenumfang der Deckplatte 12 positioniert ist.
Diese weitere Elektrode 125 verbindet nicht nur die vier Elektroden 122, 122', 122'' und 122''', sondern arbeitet auch mit einer ähnlich geformten und positionierten weiteren Elektrode 115 auf der Bodenplatte 11 zusammen. Die beiden weiteren Elektroden 115, 125 bilden einen Kondensator zwischen der Bodenplatte 11 und der Deckplatte 12. Dieser Kondensator hat eine konstante Kapazität unabhängig von der Drehstellung der beiden Platten 11, 12 relativ zueinander. Der Kondensator dient dazu, das Signal der Deckplatte 12, das an einem Anschluss 121 in den vorgenannten Ausführungen anliegt, auf die Bodenplatte 11 und von dort - über eine Verbindung - auf die Messschaltung 15 zu übertragen.
Die resultierende Signalführung ist in 6c zu sehen. Dieser Aufbau hat den Vorteil, dass es keine direkte Drahtverbindung zwischen der beweglichen Deckplatte 12 und der Messschaltung 15 gibt. Alle Verbindungen zwischen der Messschaltung 15 und den Elektroden sind auf der Grundplatte 11 angeordnet. Dadurch kann die Verdrahtung vereinfacht werden, insbesondere wenn die Messschaltung 15 selbst auf der Grundplatte 11 angeordnet ist.
Die 6a-c zeigen ein weiteres vorteilhaftes Merkmal. Dieses Merkmal ist optional und unabhängig von der kapazitiven Kopplung zwischen den weiteren Elektroden 115, 125. Es könnte auch in die vorgenannten Ausführungsformen implementiert werden. Entsprechend diesem weiteren optionalen Merkmal sind auf der Grundplatte 11 und der Deckplatte 12 zwei Abschirmelektroden 116, 126 vorhanden. Die Abschirmelektroden 116, 126 umgeben die Elektroden und schirmen die Anordnung gegen äußere elektromagnetische Störungen ab.
7 zeigt die Ergebnisse von Kapazitätsmessungen, die mit einer Messschaltung, z.B. der in 4a, 5a oder 6c gezeigten Messschaltung 15, durchgeführt wurden, in einem Diagramm. Auf der vertikalen Achse ist ein Wert der gemessenen Kapazität C angegeben. Die horizontale Achse zeigt eine Zahl N im Bereich von 0 bis 15, wobei jeder Elektrode 112a - 112p eine Zahl zugeordnet ist, beginnend mit N=0 für Elektrode 112a bis N=15 für Elektrode 112p.
Die gemessenen Kapazitätswerte für alle Elektroden 112a - p (genauer gesagt für alle Paare einer der Elektroden 112a - p mit der Elektrode 122) sind im Diagramm von 7 als Kreuze dargestellt.
In einer ersten Ausführungsform eines Verfahrens zur Bestimmung einer Drehstellung einer Deckplatte 12 relativ zu einer Grundplatte 11 einer Überwachungsvorrichtung 10 werden Kapazitätswerte C gemessen und der Wert mit dem höchsten Kapazitätswert C ausgewählt. Im gezeigten Beispiel zeigt N=6 (d.h. Elektrode 112g) den höchsten Wert. Es wird dann angenommen, dass die Drehstellung der Deckplatte 12 so ist, dass ihre Elektrode 121 gegenüber dieser Elektrode 112g liegt. Mit dieser Methode wird eine Winkelauflösung erreicht, die gleich dem Winkelabstand der Elektroden 112a - p ist.
In einer alternativen Ausführungsform ist es möglich, die oben erwähnte Methode weiter auszubauen, um ein höheres Niveau der Auflösung zu erreichen. Bei dieser Methode werden, ausgehend von der gleichen Messung, die Kapazitätswerte C für mindestens die Elektroden 112a - p, die sich in der Nähe des Peaks befinden, mittels einer Interpolationsfunktion interpoliert.
Eine solche Funktion könnte ein Polynom, z.B. quadratisch, oder eine Gaußfunktion sein. Eine Linie zeigt eine interpolierende Gaußfunktion im Beispiel von 7. Zur Ausführung einer solchen interpolierenden Funktion, manchmal auch als Anpassungsfunktion bezeichnet, können mehrere Algorithmen verwendet werden. Als Beispiel können Lagrange-Polynome für die Polynomanpassung verwendet werden. Durch Auffinden eines lokalen Maximums der interpolierten Funktion ist es dann möglich, die Winkelposition der beweglichen Platte mit einer höheren Auflösung abzuleiten, selbst wenn sich die bewegliche Platte zwischen zwei Elektroden befindet. In dem gezeigten Beispiel liegt das lokale Maximum bei etwa N = 6,4 bis 6,5.
8 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Überwachungsanordnung, bei dem eine Vielzahl von Überwachungsvorrichtungen 10 vorhanden ist. Jede Überwachungsvorrichtung 10 besteht aus einer Messschaltung 15 mit einem drahtlosen Sender, der in diesem Fall einzeln mit einem drahtlosen Empfänger 16 gekoppelt ist. Beispielsweise werden in dieser Ausführungsform acht Verschraubungen und dementsprechend acht Überwachungsvorrichtungen 10 verwendet.
Bezugszeichenliste

1, 2: Flansch
3: Schraube
4: Mutter
10: Überwachungsvorrichtung
11: Grundplatte
111: Anschluss
112, 112', 112'', 112''': Elektrodenanordnung
112a - p: Elektrode
113: Randbeschnitt
114: zentraler Ausschnitt
115: weitere Elektrode
12: Deckplatte
121: Anschluss
122, 122', 122'', 122''': Elektrode
123: Randbeschnitt
124: Polygon-Ausschnitt
125: weitere Elektrode
13: Klebstoffschicht
15: drahtloser Sender
151: Batterie
152: Sende Chip
16: drahtloser Empfänger

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 8872668 B2 [0006, 0007]

Claims

Überwachungsvorrichtung (10) zum Überwachen einer Schraubverbindung eines Objekts, mit einer Grundplatte (11), die an dem Objekt zu befestigen ist, und einer Deckplatte (12), die an einem Teil der Schraubverbindung zu befestigen ist, wobei die Grundplatte (11) und die Deckplatte (12) parallel zueinander und übereinander angeordnet sind und wobei beide Platten (11, 12) jeweils mindestens eine Elektrode (112a - p, 122) aufweisen, die kapazitiv miteinander wechselwirken, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (112a - p, 122) so geformt und positioniert sind, dass mindestens eine Elektrode (122) einer der Platten (11, 12) mit mindestens zwei verschiedenen Elektroden (112a - p) der anderen der Platten (11, 12) in Abhängigkeit von der Drehstellung der Platten (11, 12) relativ zueinander zusammenwirkt.
Überwachungsvorrichtung (10) nach Anspruch 1, wobei beide Platten (11, 12) ringförmig sind, wobei die Elektroden (112a - p, 122) auf einer Seite oder zumindest nahe einer Seite jeder Platte (11, 12) angeordnet sind.
Überwachungsvorrichtung (10) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Elektroden (112a - p, 122) Segmente bilden, die sich jeweils über einen bestimmten Winkelbereich der jeweiligen Platte (11, 12) erstrecken.
Überwachungsvorrichtung (10) nach Anspruch 3, wobei sich die mindestens zwei Elektroden (112a - p, 122) jeweils über einen Winkelbereich erstrecken, der kleiner ist als der Winkelbereich, den die mindestens eine Elektrode (122) abdeckt.
Überwachungsvorrichtung (10) nach Anspruch 4, wobei der Winkelbereich um einen Faktor zwischen 1,3 und 1,7 und vorzugsweise um einen Faktor von etwa 1,5 kleiner ist.
Überwachungsvorrichtung (10) nach Anspruch 5, wobei die mindestens eine Elektrode (122) einen Winkelbereich von ca. 4° bis 5°, vorzugsweise ca. 4,5°, abdeckt und jede der mindestens zwei Elektroden (112a - p) einen Winkelbereich von ca. 2,5° bis 3,5°, vorzugsweise ca. 3°, abdeckt.
Überwachungsvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die mindestens zwei Elektroden (112a - p) Teil einer Elektrodenanordnung sind, die eine Vielzahl von nebeneinander angeordneten Elektroden (112a - p) umfasst.
Überwachungsvorrichtung (10) nach Anspruch 7, wobei die Anzahl der Elektroden der Vielzahl von Elektroden (112a - p) gleich einer Zweierpotenz ist.
Überwachungsvorrichtung (10) nach Anspruch 8, wobei die Anzahl der Elektroden gleich 8 oder 16 ist.
Überwachungsvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei beide Platten (11, 12) aus einer gedruckten Leiterplatte bestehen, wobei die Elektroden (112a - p, 122) durch eine leitende Schicht der gedruckten Leiterplatte gebildet werden.
Überwachungsvorrichtung (10) nach Anspruch 10, wobei die leitende Schicht eine vergrabene Schicht der Leiterplatte ist.
Überwachungsvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei jede der beiden Platten (11, 12) eine weitere Elektrode (115, 125) aufweist, wobei die weiteren Elektroden miteinander wechselwirken und dadurch einen Kondensator bilden, der mit dem zwischen den Elektroden (112a - p, 122) gebildeten Kondensator in Reihe geschaltet ist.
Überwachungsvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei mindestens eine der beiden Platten (11, 12) einen Anschluss (111, 121) zum Kontaktieren der Elektroden (112a - p, 122) aufweist.
Überwachungsvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, mit einer Messschaltung (15) zur Auswertung von mindestens zwei Kapazitätswerten, die zwischen zwei verschiedenen Elektrodenpaaren (112a - p, 122) gebildet werden.
Überwachungsvorrichtung (10) nach Anspruch 14, wobei die Messschaltung (15) einen drahtlosen Sender (152) zur Übertragung der Ergebnisse der Auswertung der mindestens zwei Kapazitätswerte umfasst.
Überwachungsanordnung zur Überwachung von Schraubverbindungen eines Objekts, wobei die Anordnung mindestens eine Überwachungsvorrichtung (10) nach Anspruch 14 und einen drahtlosen Empfänger (16) umfasst.
Überwachungsanordnung nach Anspruch 16, umfassend eine Vielzahl von Überwachungsvorrichtungen (10) nach Anspruch 14, die jeweils den drahtlosen Empfänger (16) verbinden.
Verfahren zur Überwachung einer Schraubverbindung eines Objektes mit einer Überwachungsvorrichtung (10), dadurch gekennzeichnet, dass eine Überwachungsvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 17 verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei mindestens zwei Kapazitätswerte (C) zwischen der mindestens einen Elektrode (112a - p, 122) der einen Platte (11, 12) und jeder der mindestens zwei wechselwirkenden Elektroden (112a - p) der anderen der Platten (11, 12) gemessen werden und wobei die Drehstellung der Platten (11, 12) relativ zueinander durch Vergleich der mindestens zwei Kapazitätswerte (C) miteinander bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei der Schritt des Vergleichens der mindestens zwei Kapazitätswerte (C) miteinander einen Schritt des Findens eines Maximums von mindestens zwei Kapazitätswerten (C) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei der Schritt des Vergleichens der mindestens zwei Kapazitätswerte (C) miteinander die Schritte des Bestimmens einer Interpolationsfunktion, die die mindestens zwei Kapazitätswerte (C) als eine Funktion einer geometrischen Position der zugehörigen Elektroden (112a - p) beschreibt, und des Findens eines Maximums der Interpolationsfunktion umfasst.