KR20150136003A - 무선 센서 모듈 - Google Patents

무선 센서 모듈

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KR20150136003A
KR20150136003A KR1020150059071A KR20150059071A KR20150136003A KR 20150136003 A KR20150136003 A KR 20150136003A KR 1020150059071 A KR1020150059071 A KR 1020150059071A KR 20150059071 A KR20150059071 A KR 20150059071A KR 20150136003 A KR20150136003 A KR 20150136003A
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KR
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sensor module
bearing
sensor
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clamping ring
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KR1020150059071A
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앤드류 캠벨
브라이언 머레이
마크 데이비드 샌솜
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아크티에볼라게트 에스케이에프
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Abstract

본 발명은 철강 산업 분야의 베어링을 모니터링 하기 위한 센서 모듈에 관한 것으로, 상기 센서 모듈은, 모니터링될 베어링의 베어링 구성(10) 내의 홀(22) 내로 맞춤되기 위한 내장된 부분(12a)을 포함 - 내장된 부분(12a)은 적어도 하나의 센서(34a, 34b, 36, 38)를 포함함 - 한다.
내장된 부분(12a)은 홀(22)의 적어도 두 개의 마주보는 내부 측면에 작용하는 클램핑 힘을 생성하는 클램핑 메카니즘(30)을 더 포함하는 것이 제안된다.

Description

무선 센서 모듈{WIRELESS SENSOR MODULE}
본 발명은 연속 캐스터 베어링(continuous caster bearing)에서의 사용을 위한 센서 모듈 및 철강 산업에서의 사용을 위한 상태 모니터링 및/또는 프로세스 제어 시스템에 관한 것이다.
철강 제조 설비의 환경은 고온, 다량의 물, 그리고 높은 충격량을 가진 극도로 가혹하다. 전통적으로, 장비가 이러한 환경에 노출된 베어링과 관련된 프로세스의 양상을 모니터링 하는데 어려움이 따른다.
철강 산업에서, 연속 캐스터 베어링 또는 그 밖의 베어링의 상태 모니터링이 바람직한데, 왜냐하면, 베어링은 손상과 예기치 못한 오류를 겪기 때문이다. 그러나, 상태 모니터링은 적대적인 작업 환경에서의 케이블 설치(cabling) 및 접근의 어려움 때문에, 활용 분야에 거의 적용되지 못한다. 플랜트 작업 동안에는 사람은 접근하지 못하고, 고온 및 높은 복사열 흐름은 케이블 설치를 어렵게 한다. 이는 케이블이 손상될 것 같은, 유지를 위해 플랜트를 분해하기 위한 주파수 요구사항에 의해 악화된다.
연속 캐스터에서 상태 모니터링을 위해 알려진 해결책은 없다. 다른 활용 분야에서, 무선 상태 모니터링 센서는 모니터링 베어링의 비용 절감 방식으로 추진된다.
본 발명은 철강 산업 분야에서 베어링에 사용되기에 적절한, 소형이고 강건하면서 신뢰성 있는 센서 장치를 제공하여 문제점을 해결한다. 본 발명의 추가적인 양상은, 교체가능한 모듈에서 전자 장치를 사용하면서, 연속 캐스터 베어링의 하중, 진동, 음향 발산 및 온도를 기록하기 위한 구성에 센서의 신뢰성 있는 연결의 제공에 관한 것이다.
본 발명은 철강 산업 분야의 베어링을 모니터링 하기 위한 센서 모듈에 관한 것이며, 상기 센서 모듈은 모니터링될 베어링의 베어링 구성 내의 홀 내로 맞춤되기 위한 내장된 부분을 포함 - 내장된 부분은 적어도 하나의 센서를 포함함 - 한다.
내장된 부분은, 홀의 적어도 두 개의 마주보는 내부 측면에 작용하는 클램핑 힘을 생성하는 클램핑 메카니즘을 더 포함하는 것이 제안된다. 본 발명에 의해 제안된 클램핑 메카니즘은, 신뢰성 있는 하중의 전달을 가능하게 함은 물론, 우수한 신호 결합을 보장하고, 모듈이 완전히 고정되도록 보장한다. 이는 베어링 하중의 일부에서 센서 모듈로의 신뢰성 있는 전달을 위한 신호 획득을 개선한다.
모듈의 적어도 하나의 부분을 베어링 구성 내로 내장시키는 것은 더욱 우수한 신호 획득과 환경으로부터의 더 많은 보호를 포함하는 많은 이익을 제공한다.
베어링 구성은 베어링 링 또는 베어링 하우징, 특히 연속 캐스터 베어링의 베어링 하우징일 수 있다. 철강 제조 산업에서, 철강을 움직이거나 처리하기 위한 베어링 장치의 일부 형태를 요구하는 복수의 과정이 있다. 이는 롤링 밀, 연속 캐스터, 터렛(turret) 및 레이들(ladle), 컨베이어등을 포함한다. 이러한 분야의 각각에서 사용되는 베어링 타입은 작은 구형 롤러 베어링으로부터, 더 큰 4-로우 테이퍼 롤러 베어링(taper roller bearing)에 걸쳐, 큰 슬루잉 베어링(slewing bearing)까지 다양하다. 이러한 모든 것에서 공통적인 특징은, 이들은 고온, 다량의 물/용매 및 충격량을 포함하는 높은 부하와 관련된 열악한 환경에서 작동한다는 것이다. 본 발명은 이들 분야 모두에 적용가능하다. 센서 및 그 밖의 전자 부품이 베어링 근처에 배치되기 때문에, 이들은 동작 중에 베어링의 온도와 유사한 온도에 노출된다. 베어링의 오일이나 그리스는 대략 100℃ 이하로 유지되어야 하고, 따라서, 부품은 동일한 온도 근처까지 동작할 수 있도록 선택된다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 클램핑 메카니즘은, 적어도 하나의 원뿔형 내부 부분과 상호 작용하는 적어도 하나의 원뿔형 내부 표면이 있는 클램핑 링 및 상기 클램핑 링을 넓히기 위해 클램핑 링 내로 원뿔형 내부 부분을 가압하기 위한 수단을 포함한다. 원뿔 브리지는 클램핑 링으로 이루어지고, 바람직하게는, 두 개의 마주보는 원뿔형 내부 부분이 사용되어, 홀의 내부면에 대해 단단히 모듈을 클램프하는데 사용된다. 바람직하게는, 클램핑 링과 원뿔형 내부 부분은 원하는 강건성을 달성하기 위하여 철강으로 제조된다.
본 발명은 센서의 모든 면을 베어링 하우징 내의 사전 준비된 홀 내로 용이하게 삽입될 수 있도록, 하나의 모듈러 패키지 내로 감싼다.
본 발명의 추가적인 양상에 따르면, 적어도 하나의 센서는 클램핑 링에 직접 본딩되는 것이 제안된다. 따라서, 클램핑 링과 베어링 구성의 내부 벽면 사이의 우수한 열 및 기계적 접촉은 온도와 압박의 신뢰성있고 강건한 검출로 이어진다.
바람직하게는, 센서 모듈은 클램핑 링에 결합되고, 저항성 브리지를 형성하기 위해 연결된 적어도 두 개의 압박 브리지를 포함한다. 이는 환경 변화 때문의 드리프트에 의해 적게 영향받을 수 있는 압박 측정을 제공하는데 도움을 준다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 피에조 센서는 모듈 내부에 장착되어서, 하중, 음향 발산 및 진동을 포함하는 중요한 베어링 동작 파라미터를 얻을 수 있도록 한다. 이들 센서는 베어링 하우징에 우수한 결합을 보장하기 위해 이러한 방식으로 장착되고, 고품질 신호 전달을 가능하게 하며, 동시에, 온도와 충격에 대해 강건성을 갖도록 한다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 모듈은 전자 프로세싱 시스템과 데이터를 교환하기 위한 무선 트랜시버를 더 포함한다. 바람직하게는, 적어도 무선 트랜시버의 안테나는 홀의 외부에 배치된다. 바람직하게는, 무선 트랜시버는 원격 전자 프로세싱 시스템에 연결된다. 이러한 트랜시버는 모듈이 저전력, 강건하고/회복력 있는 통신 프로토콜을 사용하여, 네트워크, 바람직하게는 로컬 메시 네트워크에 연결되도록 한다. 무선 트랜시버 덕분에, 명령어와 컨피규레이션 정보는 제어 시스템으로부터 모듈로 전송될 수 있고, 얻어진 데이터는 모듈로부터 다시 제어 시스템으로 전송될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 모듈은 로컬 환경으로부터 전력을 수확하기 위한 에너지 수확 회로를 더 포함한다. 바람직하게는, 에너지 수확 회로는 열전 발전기를 포함한다. 이는 특히 존재할 수 있는 큰 온도차로부터 에너지를 수확하는 것을 포함할 수 있다. 또한, 케이블 설치에 대한 필요성을 제거함에 의해, 설치 비용, 유지 비용 및 시스템의 강건성이 모두 개선된다. 열 뿐만 아니라, 열 기울기가 너무 낮을 때, 전력 수확은 보충으로서 작동하기 위한 높은 온도 제1 전지와 결합될 수 있다. 예를 들어, 내부 베어링 하우징과 외부 철강 제조 환경 사이의 온도차는 열전기 발전기를 통해 전력을 생성하는데 사용될 수 있다. 또한, 베어링/샤프트의 회전 또는 하우징 냉각 공급원으로 연결된 수력 터빈 발전기를 통한 회전을 사용하는 것과 같은 다른 전력 발전 옵션이 존재한다. 에너지는 온도 기울기가 충분한 크기일 때, 이 시스템으로부터 수확될 수 있다. 이는 뜨거운 철강이 프로세스를 통과할 때 발생한다. 또한, 이는, 데이터가 획득되어야 할 때이다. 철강이 통과할 때, 온도 기울기는 감소할 것이나, 또한, 데이터를 획득할 필요가 있을 것이다. 모듈은 데이터가 판독되거나 전송되기까지, 데이터를 저장하기 위한 데이터 저장소를 더 포함할 수 있다.
모듈에 대용량 커패시터가 구비되는 것이 추가로 제안되는데, 이는 짧은 주기 동안 시스템을 실행하기 위해 충분한 에너지를 저장할 수 있다. 이는 전력을 "버퍼링" 하기 위한 전력 관리 전략의 일부로서 사용되어서, 수확이 시스템에 전력을 완전히 공급하기에 충분하지 않을 때, 사용가능한 저장소가 있을 수 있다.
본 발명의 추가적인 양상에 따르면, 시스템의 전력 관리는 수확 회로와 결합되어서, 에너지가 필요할 때, 즉, 철강이 처리될 때, 사용가능할 수 있도록 보장한다.
제안된 패키지는, 상태 모니터링을 편리하게 사용할 수 있도록 할 뿐만 아니라, 고급의 상태 모니터링 시스템에 의한 사용을 위한 하중, 진동, 음향 발산 및 온도의 측정도 가능하게 할 수 있다. 본 발명은 무선이고, 설치하기 쉬운 내장된 센서 모듈을 기술하는데, 이는 자체 전력을 생성할 수 있고, 베어링/하우징으로부터의 진동, 음향 발산, 하중 및 온도의 측정을 제공한다. 본 장치의 주요 목적은 상태 모니터링이나, 동일한 장치가 프로세스 제어 시스템에 의해 사용되는 정보를 제공하여 철강 생산의 품질을 최적화하도록 적용될 수 있다.
본 발명의 상기 기술은 물론 첨부된 청구항, 특징 및 이하의 바람직한 실시예의 기술은 본 발명의 다양한 특징을 특정 조합으로 보여준다. 당업자는 그 또는 그녀의 특정 필요에 따라 청구항에서 정의된 바와 같은 발명을 적용하기 위하여, 이들 특징의 조합 또는 하위 조합을 용이하게 추가적으로 고려할 것이다.
도 1은 금속판에 의해 커버되는, 본 발명에 따른 센서 모듈이 구비된 연속 캐스터 베어링의 베어링 하우징이다.
도 2는 금속판이 제거된 도 1의 베어링 하우징이다.
도 3은 플라스틱 하우징을 포함하는, 본 발명에 따른 센서 모듈의 내장된 부분을 도시한다.
도 4는 플라스틱 하우징이 제거된 도 3에 따른 센서 모듈을 도시한다.
도 5는 클램핑 메카니즘을 나타내는 베어링 하우징 및 센서 모듈의 절단도 이다.
도 1은 금속판(14)에 의해 커버된, 본 발명에 따른 센서 모듈(12)이 구비된 연속 캐스터 베어링의 베어링 하우징(10)이다. 하우징(10)의 보어(16)는 본 발명에 따른 모니터링부(미도시)에 의해 모니터링될 연속 캐스터 베어링의 외부 링을 수용하도록 구성된다.
센서 모듈(12)은, 베어링 하우징(10)의 부피가 큰 철강 물질 내로 내장된 내장된 부분(12a) 및 무선 트랜시버(19)의 안테나(18)와 로컬 환경으로부터 전력을 수확하기 위한 열전 발전기로서 형성된 에너지 수확 회로(20)를 포함하는 외부 부분(12b)을 포함한다.
도 2는 금속판(14)이 제거된 도 1의 베어링 하우징(10)의 상세도이다. 베어링 하우징(10)의 윗면 내의 그루브(21)는 원통형의 내장된 부분(12a)과 외부 부분(12b)을 수용하는 홀(22)과 연결되어서, 부분들(12a, 12b)을 연결하는 케이블(24)을 안내하는데, 여기서, 케이블(24)은 단열 가리개로 보호된다.
도 3은 본 발명에 따른 센서 모듈(12)의 본질적으로 원통형인 내장된 부분(12a)을 뒤집은 것을 나타낸다. 내장된 부분의 윗 부분은 플라스틱 하우징(26)으로 커버되고, 내장된 부분(12a)을 수용하는 원형 보어 홀(22)의 바닥에 인접하여 위치될 축방향으로 아랫 부분은 철강 클램핑 링(28)의 반경방향으로 외부 표면인데, 클램핑 링(28)에는 클램핑 링(28)의 탄성 팽창을 가능하게 하는 갭(28a)이 제공된다.
플라스틱 하우징(26)의 재료는 고온 및 물과 용매를 포함하는 액체 모두를 견딜 수 있도록 선택된다. 또한, 충격 전달 및 베어링 하우징(10)을 통한 진동도 견딜 수 있어야 한다. 바람직하게는, PPS GF40과 같은 고성능 플라스틱이 사용된다.
클램핑 링(28)은, 이하에 더욱 자세히 기술될, 홀(22)의 원통형 내부 측면에 작용하는 클램핑 힘을 생성하는 클램핑 메카니즘(30)의 일부이다. 클램핑 메카니즘(30)의 단단히 조임의 결과로서, 클램핑 링(28)의 반경 방향 팽창은 홀(22) 내의 센서 모듈(12)의 내장된 부분(12a)의 신뢰성 있고, 강건한 힘-맞춤 고정으로 이어진다. 홀(22)은 클램핑 메카니즘(30)의 단단히 조임을 위한 볼트(32)가 접근 가능하도록 하기 위해 쓰루홀로 형성된다. 사전-가공된 홀(22)의 사용을 통한 모듈(12)의 설치는 철강 캐스팅을 설치하거나 밀 하우징(10)/베어링의 롤링하는 간단하고 저렴한 방법을 가능하게 한다. 또한, 캐스터/롤링 밀 유지 동안에 간단한 분야 교체를 가능하게 한다. 모듈(12)을 베어링 하우징(10)에 삽입함에 의해, 최악의 로컬 제조 환경으로부터 보호되고, 또한, 관심 신호의 소스에 인접하게 위치된다.
도 4는 플라스틱 하우징(26)이 제거된, 도 3에 따른 센서 모듈을 도시한다. 내장된 부분(12a)은, 이하에 자세히 기술되는 압박 센서(34a, 34b), 온도 센서(36) 및/또는 진동 또는 음향 발산 센서(38)를 포함하는 복수의 센서를 포함한다.
또한, 신호 획득 능력을 제공하는 모듈(12) 내의 전자 시스템 구성을 가진 인쇄 회로 기판(40)이 제공된다. 피에조 센서(34a, 34b)로부터의 아날로그 신호는 아날로그 및 디지털 영역 모두에서 처리되어, 경향, 경고등을 위해 사용될 수 있다. 신호 처리는 데이터 전송 처리에서 모듈과 고급 컴퓨터 시스템으로 분리될 수 있다. 전자 프로세싱 시스템과 데이터 교환을 위한 무선 트랜시버(19)의 감지 부분도 인쇄 회로 기판(40) 상에 제공될 수 있다.
수퍼 커패시터(42)가 센서 모듈(12)의 내장된 부분의 플라스틱 하우징(26) 내에 배치된다. 인쇄 회로 기판(40) 상에서 실행되는 신호 처리는 수확 회로(20)와 결합된 시스템의 전력 관리를 포함하여, 에너지가 필요할 때, 즉, 철강이 처리될 때, 사용 가능하도록 보장한다.
온도 센서(36)가, 윤활 수명에 중요한 베어링 상태의 측정을 제공하기 위해 포함된다.
압박 센서(34a, 34b)는 피에조전기 압박 브리지로 형성되는데, 이는 클램핑 링(28)에 직접 본딩되고, 저항성 브리지를 형성하기 위하여 연결된다.
도 5는 클램핑 메카니즘(30)을 나타내는 베어링 하우징(10)과 센서 모듈(12)의 절단도이다. 클램핑 메카니즘(30)은, 반대 방향으로 개방된 두 개의 원뿔형 내부 표면이 있고, 내부 나사산을 가진 원뿔(44a)과 쓰루홀을 가진 원뿔(44b)로 형성된 두 개의 원뿔형 내부 부분과 상호 작용하는 클램핑 링(28)을 포함한다. 볼트(32)는 원뿔(44a)의 내부 나사산과 결합되고, 반경방향으로 클램핑 링(28)을 넓히기 위해 클램핑 링(28) 내에, 축방향으로 원뿔(44a, 44b)을 함께 가압하기 위한 수단으로 제공된다.
본 발명에 따른 센서 모듈(12)의 전반적인 컨피규레이션은 베어링의 동작에 대한 고품질 데이터를 얻을 수 있는 강건한 제품을 가능하게 한다. 저전력, 무선 트랜시버(19)를 위한 무선 메싱 기술(meshing technology)을 사용하여, 케이블을 사용할 필요가 없어서, 시스템의 설치 비용을 줄이고, 신뢰성을 개선할 수 있다. 또한, 저전력 기술은, 시스템이 로컬 환경으로부터 수확된 전력으로부터 실행될 수 있도록 한다. 본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 무선 HART 기술이 사용된다. 이는 IEEE 802.15.4 표준에 기초한 저전력, 산업, 메시 네트워크이며, 이는 산업 환경에서 매우 강건하다.

Claims (9)

  1. 철강 산업 분야의 베어링을 모니터링 하기 위한 센서 모듈에 있어서, 상기 센서 모듈은 모니터링될 베어링의 베어링 구성(10) 내의 홀(22) 내로 맞춤되기 위한 내장된 부분(12a)을 포함 - 내장된 부분(12a)은 적어도 하나의 센서(34a, 34b, 36, 38)를 포함함 - 하되,
    상기 내장된 부분(12a)은 홀(22)의 적어도 두 개의 마주보는 내부 측면에 작용하는 클램핑 힘을 생성하는 클램핑 메카니즘(30)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 센서 모듈.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 클램핑 메카니즘(30)은, 적어도 하나의 원뿔형 내부 부분(44a, 44b)과 상호 작용하는 적어도 하나의 원뿔형 내부 표면이 있는 클램핑 링(28) 및 상기 클램핑 링(28)을 넓히기 위해 클램핑 링(28) 내로 원뿔형 내부 부분(44a, 44b)을 가압하기 위한 수단(32)을 포함하는 것을 특징으로 하는 센서 모듈.
  3. 제 2 항에 있어서, 적어도 하나의 센서(34a, 34b, 36, 38)는 클램핑 링(28)에 본딩되는 것을 특징으로 하는 센서 모듈.
  4. 제 3 항에 있어서, 클램핑 링(28)에 본딩된 적어도 두 개의 압박 브리지(34a, 34b)를 포함하고, 저항성 브리지를 형성하기 위해 연결되는 것을 특징으로 하는 센서 모듈.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 하나의 온도 센서(36)를 포함하는 것을 특징으로 하는 센서 모듈.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 전자 프로세싱 시스템과 데이터 교환을 위한 무선 트랜시버(19)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 센서 모듈.
  7. 제 6 항에 있어서, 적어도 무선 트랜시버(10)의 안테나(18)는 홀(22)의 외부에 배치되는 것을 특징으로 하는 센서 모듈.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 로컬 환경으로부터 전력을 수확하기 위한 에너지 수확 회로(20)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 센서 모듈.
  9. 제 8 항에 있어서, 에너지 수확 회로(20)는 열전 발전기를 포함하는 것을 특징으로 하는 센서 모듈.
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