DE4013978A1 - Datenuebertragung mittels ultraschall ueber sich bewegende maschinenelemente - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren ent­ sprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie da­ durch resultierende Anordnungen. Ausgangspunkt der Erfindung war das in der Technik immer wieder auf­ tretende Problem, daß Daten von einem sich bewegen­ den Maschinenteil zu einer stationären Anlage über­ tragen werden müssen, z. B. zum Registrieren, Steuern oder Regeln.

Zur Lösung dieser Aufgabe werden unterschiedliche Verfahren angewandt. Genügen für einfache Hin- und Herbewegungen noch Schleppkabel, die diesen Bewegun­ gen folgen, ist ein solcher Lösungsansatz von rotie­ renden Körpern nicht möglich, da die Kabel sich sehr schnell aufgewickelt haben.

Es ist Stand der Technik, Daten von sich bewegenden Anlagenteilen, z. B. rotierende Behälter, Drehrohröfen oder dergl. mit Telemetriesendern, induktiven Schlei­ fen transformatorisch oder mit Schleifringen zu übertragen. Auch eine Übertragung mit Infrarotsen­ dern ist möglich und bekannt.

Allen diesen Verfahren haften gewisse Nachteile an:
Telemetriesender sind relativ aufwendig, die Postbe­ stimmungen über den Funkverkehr sind einzuhalten, eine Postzulassung ist erforderlich. Eine induktive- transformatorische Übertragung kann zu erheblichen mechanischen Problemen an der Lagerstelle führen, ein nachträglicher Einbau ist oftmals nicht mehr möglich, Schleifringe haben den Nachteil der Ver­ schleißanfälligkeit und Verschmutzung. Infrarot-Über­ tragungen die Schwierigkeit, daß von einer sich bewe­ genden Baugruppe (Sender) der Empfänger durch den relativ schmalen Lichtstrahl erreicht werden muß. Außerdem kann Verschmutzung die Datenübertragung leicht beeinträchtigen.

Es ist Aufgabe der Erfindung, diese Nachteile zu ver­ meiden und gleichzeitig eine preiswerte Lösung anzu­ bieten, die auch problemlos nachträglich an bereits vorhandene Anlagen angekoppelt werden kann. Dieses wird erfindungsgemäß durch eine Datenübertragung mittels Ultraschall erreicht. Datenübertragungen mit Ultraschall in Rohrleitungen, insbesondere in Hei­ zungsrohren sind in der Offenlegungsschrift DE-OS 31 47 339, DE-OS 32 09 189 und in DE-AZ 21 67 142 beschrieben worden, daß eine Übertragung der Schall­ informationen auch über ein mechanisches Lager er­ folgen kann, ist die neue vorteilhafte Ausnutzung der Schalleitung in festen Körpern, insbesondere Me­ tallen. Dabei ist es unerheblich, um welche Art von Lager es sich dabei handelt: Es können Wälz- oder Gleitlager sein. Wichtig ist lediglich der mechani­ sche Kontakt des beweglichen mit dem des festen Bauele­ mentes, wobei eine Schmierung mit einem ultraschall­ eitenden Fett oder Öl zur Verbesserung der Übertra­ gung nicht nur zulässig, sondern wünschenswert ist. Die Abb. 1 zeigt stellvertretend für ähnliche Aufga­ benstellungen eine nach der Erfindung aufgebaute An­ ordnung, die Abb. 2 ein entsprechendes Blockbild: Ein Behälter 1, gefüllt mit einem Medium 2 wird von einem Antriebsmotor 3 über eine Kupplung 4 angetrie­ ben. Der Behälter 1 ist dabei von der Welle 5 getra­ gen, die wiederum in dem Lager 6 ruht, das auf den Lagerbock 7 montiert ist. Behälter 1 und Welle 5 sind durch einen Flansch 11 verbunden. Der Zustand des Mediums 2 soll beispielsweise dadurch erfaßt werden, daß der Druck und die Temperatur gemessen werden. Dazu sind ein Temperatursensor 8 und ein Drucksensor 9 durch die Wandungen des Behälters 1 geführt. Die Meßwerte vom Temperatursensor 8 und dem Drucksensor 9 werden im Ultraschallsender 10 in ein serielles Datenwort umgewandelt, das eine Grund­ schwingung frequenzmoduliert (FSK) dem Ultraschall- Wandler 12 zugeführt wird.

Die Modulationsart der digitalen Übertragung weist die ansich bekannten Vorteile der FM-Modulation auf, nämlich der Amplitudenunabhängigkeit und des klei­ nen Mindeststörabstandes auf. Es hat sich als gün­ stig erwiesen, den Ultraschallsender im Bereich von ca. 100 kHz zu betreiben. Bei diesen Frequenzen tre­ ten im mechanischen Bereich nur geringe Eigenschwin­ gungen auf. Auch Oberwellen von Geräuschen im Audio- und unteren Ultraschallbereich sind stark abge­ schwächt. Der Frequenzbereich oberhalb 100 kHz hat eine höhere Signaldämpfung, so daß sich dieser Fre­ quenzbereich als optimal erwiesen hat.

Die Sendeleistung ist den jeweiligen örtlichen Ver­ hältnissen anzupassen und liegt in der Regel zwi­ schen einigen mW und 2,5 W. Es ist dabei eine Opti­ mierung zwischen den Parametern Störabstand, Signaldämpfung, Reichweite, Stromverbrauch herbeizuführen.

Auf der Empfangsseite befindet sich wie beim Sender zunächst ein Ultraschallwandler 13, der entsprechend einer Antenne das Signal aufnimmt und dem eigentli­ chen Empfänger 14 zuführt. Dort wird das empfangene Signal demoduliert und in ein dem nachfolgendem Ver­ arbeitungsgerät 15, z. B. einem Rechner, Regler oder Grenzwertschalter, angepaßten Schnittstellensignal umgewandelt.

Um die Übertragungsstrecke kurz zu halten und damit die notwendige Senderleistung klein, ist es vorteil­ haft, den Ultraschallwandler 13 mit dem Empfänger 14 dicht hinter dem Lager, über das das Signal übertra­ gen werden soll, anzuordnen, vorzugsweise am Lager­ bock 7, den Ultraschallwandler 12 für den Sender 10 möglichst dicht am Lager 6 auf der Welle 5. Für die mechanische Ankopplung gelten die an sich bekannten Regeln des intensiven mechanischen Kontaktes der Wandlerfläche mit dem übertragenden Untergrund (Wel­ le 5, Lagerbock 7), ggf. im Abstand von λ/4 mit einem ultraschalleitenden Zwischenmedium.

Zur Vermeidung von Übertragungsfehlern, die ggf. noch von Störgeräuschen auftreten können, z. B. Lagergeräu­ schen, ist es ferner vorteilhaft, die Baudrate nur bei 10 oder 20 zu wählen, je nach Anwendung und Störge­ räusch. Ferner ist es vorteilhaft zur Erhöhung der Übertragungssicherheit besondere Vorkehrungen zu treffen z. B. durch Hammingcodierung mit Distanz 3.

Diese Art Datenübertragung ist jedoch nicht auf die einfache Übertragung an Lagern beschränkt, sondern eignet sich für eine Fülle von Anwendungen ähnli­ cher Übertragungen, von denen im Nachfolgenden nur einige stellvertretend kurz beschrieben werden. Es ist selbstverständlich, daß aus den Beispielen ein Fachmann leicht eine für seine Aufgabe günstige An­ ordnung nach Kenntnis dieser Lehre findet und für die daher gleichwohl auch dieser Schutz beansprucht wird.

So eignet sich dieses Verfahren auch zur Übertra­ gung von oder auf Schienenfahrzeuge von oder nach den Schienen über die Stahlräder und das Radlager zum Fahrzeug gem. Abb. 3: Ein oder mehrere Ultraschall- Wandler 12 oder 13 befindet sich unter der Schiene 18, über die ein Fahrzeug 15 sich bewegt, mit dem ein Datentransfer stattfinden soll. Dabei ist die Richtung der Übertragung entscheidend, wo sich Sen­ der und Empfänger befinden. Die Schallwellen laufen dabei vom Sender 12 über die Schiene 18, dem Metall­ rad 16 zum Radlager 17, an das der Ultraschall-Wand­ ler 13 angekoppelt ist. Von dort wird es elek­ trisch dem Empfänger 14 zugeführt, wo es weiter ver­ arbeitet wird.

Eine weitere erfindungsgemäße Anwendung sind Förder­ anlagen gem. Abb. 4. Über Rollen 19 wird zu oder von einem sich darauf befindenden Container 20 oder der­ gleichen vom Ultraschallwandler 13 oder 12 die In­ formation bis zum Rollenlager 21 übertragen, von wo aus es weiter verarbeitet wird. Dabei ist die Infor­ mationsrichtung wiederum umkehrbar. Bei schnelleren Bewegungen relativ zur Übertragungszeit kann ein paralleles Senden über mehrere Rollen 19 zweckmäßig sein.

Eine ähnliche Anwendung ergibt sich nach Abb. 5, bei der die Rollenbahn 22 durch eine einfache Rutsche 23 ersetzt worden ist.

Eine weitere Anwendung kann die Erfindung bei der Überwachung von Temperatur und Reifendruck bei KFZ- Achsen, insbesondere LKW-Achsen beim Gefahrguttrans­ port nach Abb. 6 finden. Die Fühler 8 und 9 befinden sich an der Felge 25, von wo die Meßwerte zum Sender 10 geleitet werden, der zweckmäßigerweise aber nicht notwendig unter der Radnabenabdeckung angebracht wird. Von dort wird der Schall wiederum über das Rad­ lager auf die Achse übertragen, wo es der Schallwand­ ler 13 aufnimmt und in der mehrfach beschriebenen Weise über den Empfänger bis in die Fahrerkabine gelangt und dort ggf. Alarm auslöst.

Weitere Beispiele lassen sich leicht finden und wer­ den als zum Schutzumfang gehörig reklamiert.

Claims (16)

1. Anordnung zum Übertragen von Informationen von einem sich bewegenden Maschinenelement nach einer stationären Anlage mittels Ultraschall, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Ultraschall-Informationen über das Maschinenlager übertragen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß serielle Datenwörter zur Übertragung verwen­ det werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die seriellen Datenwörter eine Grund­ frequenz modulieren.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich­ net, daß für diese Grundfrequenz ein Bereich um 100 kHz gewählt wird.

5. Anordnung zur Übertragung von Informationen über ein Lager einer Maschine, dadurch gekennzeich­ net, daß zur Erzeugung der seriellen frequenzmodu­ lierten Codes mindestens ein Generator (Sender 10), einen als Sendeantenne arbeitenden Ultraschallwand­ ler (12), mindestens einen mit dem festen Teil des La­ gers in Verbindung stehenden als Empfangsantenne arbeitenden Ultraschallwandler (13) mit einer nach­ folgenden Empfangsschaltung (14) sowie eine weitere Datenverarbeitungsschaltung (15) umfaßt.

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich­ net, daß Datenerzeugerschaltung (Sensoren 8 und 9) mit Sender und Empfangseinrichtungen mit Datenver­ arbeitungsschaltung auch zusammengefaßt sein können.

7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß zur Vermeidung von Übertra­ gungsfehlern ein Übertragungscode gewählt wird, der eine Selbstprüfung vornehmen kann (Hammingcodierung).

8. Datenübertragung nach den Ansprüchen 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, daß die Datenübermittlung auch bidirektional sein kann.

9. Datenübertragung nach Anspruch 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die bidirektionale Übertragung mit getrennten Baugruppen ausgeführt ist.

10. Datenübertragung nach Anspruch 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß für die bidirektionale Übertragung Baugruppen mit der für die Gegenrichtung zusammen­ gefaßt werden können (z. B. Ultraschallwandler).

11. Datenübertragung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragung auch über mehrere Lager parallel oder hintereinander er­ folgen kann.

12. Datenübertragung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß eine Übertragung auch von oder nach Containern eines Fördersystems über die Rollen einer Transportbahn erfolgen kann.

13. Datenübertragung nach Anspruch 12, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Rollenbahn auch durch eine einfache Rutsche ersetzz sein kann.

14. Datenübertragung mit Ultraschall nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Container auch ein Schienenfahrzeug sein kann.

15. Datenübertragung nach Anspruch 11, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Übertragung nacheinander über mehrere Lagerstellen auch der Übergang Rad/Schiene sein kann.

16. Datenübertragung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß Meßwerte über den Zu­ stand der Räder (wie Reifendruck und Temperatur bei Kraftfahrzeugen) über das Lager in die Führerkabine geleitet werden können.