DE19724769A1

DE19724769A1 - Energieautark betriebenes Sensorsystem und Verfahren zur Detektion unerwünschter Wärmeentstehung

Info

Publication number: DE19724769A1
Application number: DE1997124769
Authority: DE
Inventors: Matthias Dr Rer Nat Stordeur; Ingo Dr Rer Nat Stark
Original assignee: D T S GES ZUR FERTIGUNG VON DU
Current assignee: D T S GES ZUR FERTIGUNG VON DU
Priority date: 1997-06-12
Filing date: 1997-06-12
Publication date: 1998-12-17

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

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

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.