DE19724769A1 - Energieautark betriebenes Sensorsystem und Verfahren zur Detektion unerwünschter Wärmeentstehung - Google Patents
Energieautark betriebenes Sensorsystem und Verfahren zur Detektion unerwünschter WärmeentstehungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Sensorsystem und das entsprechende Verfahren, mit dem
durch energieautarke Betriebsweise die unerwünschte Wärmeentstehung bei sich an
bahnenden Havarien rechtzeitig erkannt wird. Wesentliches Bauelement des Sensor
systems ist ein Niederleistungs-Thermogenerator.
Besonders an relativ zueinander bewegten Teilen wie z B. in Getrieben, Achsen, La
gern, Rädern, Bremsen usw. kann es durch Verschleiß oder Defekt zu unerwünschter
Wärmeentstehung (Heißlaufen) kommen. Solche Havarien können mit erheblichen Fol
geschäden verbunden sein, wenn ihre Anbahnung (Erwärmung) nicht frühzeitig erkannt
wird und geeignete Maßnahmen eingeleitet werden.
Zu unerwünschter Wärmeentstehung mit hohen Folgeschäden kann es z. B. auch in
Elektroenergie- oder kerntechnischen Anlagen und Kühlräumen kommen.
In diesen Fällen besteht ein Bedarf, an den gefährdeten Stellen einen Tempera
turanstieg gegenüber dem normalen Betriebszustand zu detektieren, damit die Scha
densanbahnung erkannt wird und rechtzeitig eingegriffen werden kann.
Es ist bekannt, daß an den gefährdeten Stellen die Temperatur überwacht und eine
betriebsuntypische Temperaturerhöhung signalisiert wird. Das geschieht z. B. sehr
häufig durch die Installation von Temperatursensoren (wie Thermoelemente, Thermisto
ren usw.) an den gefährdeten Stellen, die gekoppelt mit elektronischen Baugruppen
netz- oder batteriebetrieben ein drahtgebundenes Alarmsignal abgeben können. An
dieser Stelle soll auf die DE 44 03 577 A1 verwiesen werden. Ein Sensor zur Früherken
nung von unzulässigen Temperaturen, z. B. in Transformatoren, basiert auf der kontinu
ierlichen elektrischen Signalmessung. Im Normalbetrieb gelangt das Signal drahtge
bunden vom Sender zum Empfänger und bewirkt bei unzulässiger Temperaturverände
rung eine Signaländerung.
Nachteil dieser Systeme ist ihre Drahtgebundenheit, die besonders bei vielen Meßstel
len oder an unzugänglichen Orten mit einem hohen Installationsaufwand verbunden ist.
Die Drähte können z. B. mechanisch beschädigt werden, was zum Ausfall des Systems
führt.
Auch die Installation von Temperatursensoren (wie Thermoelemente, Thermistoren) an
gefährdeten Stellen, die mit elektronischen Baugruppen gekoppelt (Steuern, Senden,
Empfangen) oder nach dem Transponderprinzip drahtlos ein Alarmsignal abgeben kön
nen, ist bekannt. So wird z. B. gemäß DE 29 35 282 ein Temperaturmeßfühler mit elek
tromagnetischen Wellen beaufschlagt, wobei deren Frequenz einer bestimmten Tempe
ratur entspricht. Der Meßfühler vergleicht die Frequenzen der eingespeisten Wellen mit
den vorhandenen Wellen (der zu überwachenden Wärmequelle, z. B. einem Mikrowel
lenofen) und erzeugt Resonanzfrequenzen, die Schlußfolgerungen bezüglich der Tem
peratur im zu überwachenden Objekt zulassen.
Nachteil dieser beiden Systeme ist, daß
- - bei Netzbetrieb die Installation einer Zuleitung erforderlich ist,
- - der Batteriebetrieb einen Wartungsaufwand erforderlich macht, um sicherzustellen, daß die Batterie immer einsatzbereit ist,
- - der Transponderbetrieb die lokale Einspeisung von Hochfrequenz-Energie erforder lich macht.
Ein weiteres in der Technik benutztes System ist die berührungslose Detektion der von
einer heißen Stelle ausgehenden infraroten Wärmestrahlung. Ein solches System wird
z. B. zur Erfassung von heißgelaufenen Rädern an Eisenbahnwaggons benutzt. Dabei
sind die Infrarot-Detektoren an der Gleisanlage aufgestellt und "beobachten" die Räder
der vorbeifahrenden Waggons. Es wird hier auf DE 41 42 556 A1 verwiesen. Auch bei
diesem System ist ein hoher Installationsaufwand erforderlich.
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, ein Sensorsystem und ein Verfahren zur De
tektion der unerwünschten Wärmeentstehung vorzuschlagen, welches absolut energie
autark arbeitet und erst aktiv wird, d. h. die unerwünschte Entstehung der Wärme de
tektiert und meldet, wenn durch Temperaturanstieg sich möglicherweise eine Havarie
anbahnt. Ausgehend von der Kritik am Stand der Technik, daß erst bereitgestellte oder
eingespeiste Energie die Voraussetzung für die Mitteilung einer Information über ein
Ereignis oder einen Zustand ermöglicht, soll die Detektion der unerwünschten Wärme
entstehung eine relativ einfache, sichere und grundsätzlich immer funktionierende Lö
sung - eben durch diesen energieautarken Betrieb beinhalten.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe wie folgt gelöst, wobei hinsichtlich der grundle
genden Gedanken, die das neue Sensorsystem betreffen, auf den Patentanspruch 1
und bei der weiteren Ausgestaltung des Sensorsystems auf die Patentansprüche 2
bis 4 verwiesen wird, wobei konstruktive Details nicht beansprucht werden. Die grund
legend neuen Gedanken, die das Verfahren zur Detektion der unerwünschten Wärme
entstehung betreffen, ergeben sich aus dem Patentanspruch 5, und eine Ergänzung
zum Verfahren beinhaltet Patentanspruch 6.
Die zu verwendenden Niederleistungs-Thermogeneratoren sind thermoelektrische
Bauelemente, die thermische Energie direkt in elektrische Energie umwandeln können
und stehen in hybrid-kompatibler Weise zur autarken Energieversorgung von mikro
elektronischen und mikrosystemischen Applikationen zur Verfügung (siehe dazu
DE-Patentanmeldung 197 09 133.4).
Z. B. erzeugt ein solcher Generator bei Anliegen einer Temperaturdifferenz von 60 K
eine Spannung von 10 V und kann eine Leistung von ca. 100 µW abgeben.
Damit kann der Niederleistungs-Thermogenerator in einem System zur Detektion uner
wünschter Wärmeentstehung als Sensor und autarke Energiequelle eingesetzt werden.
Wie aus der weiteren Patentbeschreibung und den Patentansprüchen zu entnehmen
ist, befindet sich die Warmseite eines Niederleistungs-Thermogenerators in gutem
thermischen Kontakt mit der Stelle, die im Schadensfalle eine Temperaturerhöhung er
fährt. Die Kaltseite des Niederleistungs-Thermogenerators ist z. B. mit einem in der
Elektronik üblichen Kühlkörper als Wärmeaustauscher versehen, der die Temperatur
der Umgebung hat und dessen Temperatur bei unerwünschter Wärmeentstehung nur
geringfügig ansteigen kann im Vergleich zur Warmseite. Eine andere Möglichkeit ist,
daß die Kaltseite des Niederleistungs-Thermogenerators mit der Stelle in gutem thermi
schen Kontakt steht, die bei Entstehung von Wärme keine oder kaum eine Tempera
turerhöhung erfährt. Beim Auftreten eines Temperaturanstieges entsteht somit eine
Temperaturdifferenz zwischen der Kalt- und der Warmseite.
Der Thermogenerator übernimmt dann eine Doppelfunktion:
- 1. Er detektiert den Temperaturanstieg dadurch, daß eine der Temperaturdifferenz pro portionale Spannung entsteht.
- 2. Bei Anliegen einer Temperaturdifferenz ist der Thermogenerator auch in der Lage, die Energie für die elektronische Baugruppe autark zur Verfügung zu stellen.
Eine Sendeeinheit übermittelt dann drahtlos der Empfängereinheit den Eintritt der
unerwünschten Wärmeentstehung zusammen z. B. mit Informationen über den Scha
densort.
Die drahtlose Übermittlung der Informationen mit einem Sendemodul für elektromag
netische Wellen ist heutzutage eine übliche Art der Übermittlung. Das schließt nicht
aus, daß auch andere Möglichkeiten der Informationsübermittlung sinnvoll sein können.
Das heißt, die Informationsübermittlung über die unerwünschte Wärmeentstehung ohne
Sendemodul für elektromagnetische Wellen, nämlich die Nutzung anderer Übertra
gungsmöglichkeiten in Kombination mit dem neuen energieautark betriebenen Sensor
system, wird natürlich vom Gegenstand der Erfindung miterfaßt.
Ist die Warmseite des Generators in gutem thermischen Kontakt mit der Stelle, an der
im Schadensfall ein Temperaturanstieg zu erwarten ist und die Kaltseite z. B. durch eine
thermisch gut leitende Verbindung mit einer Wärmesenke gekoppelt oder wird durch
Anbringen eines Wärmetauschers nahe der Umgebungstemperatur gehalten (z. B.
Luft), dann ist der Generator in der Lage, einen Temperaturanstieg an seiner Warmsei
te festzustellen und gleichzeitig einer elektronischen Baugruppe autark Energie zur
Verfügung zu stellen.
Die elektronische Baugruppe besteht u. a. aus einem Datenspeicher, der Informationen
z. B. über den Ort des Sensorsystems enthält, und einem Sender für elektroma
gnetische Wellen (Hochfrequenz, Infrarot, usw.). Dieser Sender wird im Schadensfall
autark durch den Generator und eine Steuerelektronik aktiviert und übermittelt einem
Empfänger eine Alarmmeldung.
Der Empfänger ist z. B. netzbetrieben und kann die Alarmmeldung per Draht oder
drahtlos an eine Zentrale (z. B. Führerstand einer Lokomotive, Schaltzentrale, Überwa
chungsstation einer Maschinenhalle) weiterleiten, von wo aus Maßnahmen zur Scha
densbegrenzung eingeleitet werden können.
Mit der Erfindung ergeben sich folgende Vorteile:
- - Liegt kein Schadensfall vor, liegt am Generator auch keine Temperaturdifferenz an; das System "schläft" und verbraucht keine Energie.
- - Einmal am potentiellen "Schadensort" montiert bedarf es keiner Wartung insbeson dere keines Batteriewechsels.
- - Es sind keine elektrischen Leitungen zwischen Sensorsystem und Empfänger erfor derlich. Das senkt den Installationsaufwand und auch die Störanfälligkeit.
- - Das Sensorsystem kann an Orten montiert werden, an denen später ein Zugang nicht mehr möglich ist (z. B. Kerntechnik).
- - Eine Empfängereinheit kann mehrere Sensorsysteme überwachen.
- - Ein Fehlalarm ist nicht möglich, da bei fehlender unerwünschter Erwärmung nicht ausreichend Energie für eine Alarmauslösung, d. h. Datenübermittlung bereitgestellt wird.
Die Erfindung soll nunmehr anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert werden.
Die Abbildung zeigt das Wirkprinzip des energieautark betriebenen Sensorsystems zur
Detektion der unerwünschten Wärmeentstehung.
Die verwendeten Bezugszeichen bedeuten:
1 Niederleistungs-Thermogenerator
2 Folgeelektronik
2.1 Steuermodul mit Energiespeicherfunktion
2.2 Datenspeicher
2.3 Sender
3 Wärmesenke
4 Empfänger
5 Datenübertragung
6 Wärmequelle
7 Wärmekopplung an die Warmseite des Niederleistungs-Thermogenerators mit den Varianten
7.1 Leitung
7.2 Strahlung
7.3 Konvektion
2 Folgeelektronik
2.1 Steuermodul mit Energiespeicherfunktion
2.2 Datenspeicher
2.3 Sender
3 Wärmesenke
4 Empfänger
5 Datenübertragung
6 Wärmequelle
7 Wärmekopplung an die Warmseite des Niederleistungs-Thermogenerators mit den Varianten
7.1 Leitung
7.2 Strahlung
7.3 Konvektion
Die Abbildung zeigt mehrere Möglichkeiten auf, wie von einer Wärmequelle 6 die Wär
mekopplung an die Warmseite des Niederleistungs-Thermogenerators 1 erfolgen kann.
Gemäß Abbildung erfolgt die Wärmekopplung durch Leitung 7.1, Strahlung 7.2, Kon
vektion 7.3. Unabhängig von den Möglichkeiten der Wärmekopplung befindet sich der
Niederleistungs-Thermogenerator 1 mit seiner Warmseite in gutem thermischen Kon
takt mit der Stelle, die im Schadensfall eine Temperaturerhöhung erfährt. Die Kaltseite
des Niederleistungs-Thermogenerators 1 ist bei gutem thermischen Kontakt an einer
Stelle angeordnet, die sich nicht oder kaum erwärmt.
Das Beispiel gemäß Abbildung geht davon aus, daß die unerwünschte Wärme bereits
vorhanden ist. Die Warmseite des Niederleistungs-Thermogenerators erwärmt sich
dementsprechend und es entsteht bei der bisher beschriebenen Anordnung der Warm-
und Kaltseite des Niederleistungs-Thermogenerators eine Temperaturdifferenz. Damit
stellt der Thermogenerator 1 Elektroenergie bereit und aktiviert mit dieser Energie die
Folgeelektronik 2 mit den Baugruppen Steuermodul 2.1 mit Energiespeicherfunktion,
Datenspeicher 2.2 und Sender 2.3. Bei Verwendung eines zusätzlichen Absoluttempe
ratursensors läßt sich auch eine kritische Betriebstemperatur auswerten. Der Daten
speicher 2.2 beaufschlagt den Sender 2.3 mit entsprechenden Informationen über die
unerwünschte Wärmeentstehung. Der Sender 2.3 gibt diese Information an den Emp
fänger 4. Im Beispiel ist die Datenübertragung mit dem Positionszeichen 5 gekenn
zeichnet.
Erforderlichenfalls erfolgt eine Weitergabe der Informationen an eine Zentrale, von wel
cher mehrere Sensorsysteme überwacht werden.
Claims (6)
1. Energieautark betriebenes Sensorsystem zur Detektion unerwünschter Wärment
stehung, dadurch gekennzeichnet, daß ein Niederleistungs-Thermogenerator (1)
das maßgebliche Bauteil des Sensorsystems darstellt, der Niederleistungs-
Thermogenerator (1) so angeordnet ist, daß die Warmseite des Niederleistungs-
Thermogenerator (1) im guten thermischen Kontakt mit der Stelle steht, die im
Schadensfall eine Temperaturerhöhung erfährt, der Niederleistungs-Thermogene
rator (1) mit Folgeelektronik (2) verbunden ist und der Empfänger (4) Bestandteil
des energieautark betriebenen Sensorsystem ist.
2. Energieautark betriebenes Sensorsystem nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Folgeelektronik (2) insbesondere aus einem Steuermodul (2.1)
mit Energiespeicherfunktion sowie einem Datenspeicher (2.2) besteht, der Infor
mationen enthält bzw. übernimmt, deren Übermittlung im Falle der unerwünschten
Temperaturerhöhung von Interesse ist und zur Folgeelektronik (2) weiterhin ein
Sender (2.3) für elektromagnetische Wellen gehört.
3. Energieautark betriebenes Sensorsystem nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß auf der Kaltseite des Niederleistungs-Thermogenerators (1) Wär
meaustauscher angeordnet sind.
4. Energieautark betriebenes Sensorsystem nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Niederleistungs-Thermogenerator (1) so angeordnet ist, daß die
Kaltseite des Thermogenerators (1) in gutem thermischen Kontakt mit einer Stelle
steht, die im Schadensfall keine (kaum eine) Temperaturerhöhung erfährt.
5. Verfahren zur Detektion unerwünschter Wärmeentstehung, dadurch gekennzeich
net, daß ein Niederleistungs-Thermogenerator (1), soweit keine unerwünschte
Wärme entsteht, keine Energie erzeugt, der Thermogenerator (1) beim Auftreten
einer unerwünschten Wärme elektrische Energie erzeugt, mit dieser Energie ein
Steuermodul (2.1) mit Energiespeicherfunktion, einen Datenspeicher (2.2) und ei
nen Sender (2.3) aktiviert, der Datenspeicher (2.2) mit Informationen über die
Wärmeentstehung den Sender (2.3) beaufschlagt und der Sender (2.3) diese In
formationen an einen Empfänger (4) gibt und erforderlichenfalls eine weitere
Übermittlung an eine Zentrale erfolgt.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Empfänger (4)
mehrere Sender (2.3) überwacht.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE1997124769 DE19724769A1 (de) | 1997-06-12 | 1997-06-12 | Energieautark betriebenes Sensorsystem und Verfahren zur Detektion unerwünschter Wärmeentstehung |
Applications Claiming Priority (1)
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DE1997124769 DE19724769A1 (de) | 1997-06-12 | 1997-06-12 | Energieautark betriebenes Sensorsystem und Verfahren zur Detektion unerwünschter Wärmeentstehung |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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DE19724769A1 true DE19724769A1 (de) | 1998-12-17 |
Family
ID=7832230
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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DE1997124769 Ceased DE19724769A1 (de) | 1997-06-12 | 1997-06-12 | Energieautark betriebenes Sensorsystem und Verfahren zur Detektion unerwünschter Wärmeentstehung |
Country Status (1)
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- 1997-06-12 DE DE1997124769 patent/DE19724769A1/de not_active Ceased
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