WO2004085985A1 - Lebensdauersensor - Google Patents

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Karl Nienhaus
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Thiele Gmbh & Co. Kg
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    • G—PHYSICS
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    • G01L5/00—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes
    • G01L5/0004—Force transducers adapted for mounting in a bore of the force receiving structure
    • G—PHYSICS
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    • G01L5/04—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for measuring tension in flexible members, e.g. ropes, cables, wires, threads, belts or bands
    • G01L5/10—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for measuring tension in flexible members, e.g. ropes, cables, wires, threads, belts or bands using electrical means
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    • G01M5/0041—Investigating the elasticity of structures, e.g. deflection of bridges or air-craft wings by determining deflection or stress

Definitions

  • the invention relates to a device for determining the service life of mechanical equipment, a so-called service life sensor.
  • the service life of stressed parts is to be recorded and calculated using a sensor with an evaluation unit.
  • the recorded values are transmitted to a readout unit via radio excitation.
  • the object of the invention is to enable an integrated simple solution for absorbing the existing stresses in the operation of a mechanical device.
  • the device according to the invention does not require any cabling, is easy to apply, enables “online” measurements and is not restricted to a specific application.
  • the measured values are recorded directly on the component online.
  • a complex, downstream measurement technology is no longer required, the recorded values of the component stress are already processed in the integrated microcontroller. Due to the small and compact design, the sensor can be easily attached anywhere. The recorded loads are already processed in the sensor.
  • the new lifetime sensor with evaluation / readout station will be significantly cheaper than conventional methods.
  • FIG. 1 schematic diagram of the life sensor
  • FIG. 2 sensor sketch, cross section of variant A
  • FIG. 4 Application of the life sensor on a round steel link chain.
  • the principle of the device according to the invention as a life sensor 1 is composed of three units (FIG. 1).
  • the lifespan sensor 1 consists of a coupling element in the form of an antenna 2, a processing unit 3 and a sensor 4 which can be attached to, in or on a mechanical component.
  • the lifespan sensor 1 works together with a reader 5, which is also equipped with an antenna 6 and an associated application 7 in the form of a data processing system.
  • the lifetime sensor 1 has direct contact with the component to be observed and registers the loads on the component.
  • the lifetime sensor 1 can be applied to the component to be observed in two design variants.
  • the general internal structure of the sleeve 8 is shown in Figures 2 and 3 and does not differ in the two variants.
  • the embodiment A of the life sensor 1 is, as shown in Figure 2, constructed as follows: on the inner wall of the sleeve 8, a strain gauge (DMS) or Surface Acoustic Wave Sensor (SAW) 9 - English surface sensor - is attached.
  • the sleeve 8 absorbs the stresses in the form of strains.
  • the strains of the sleeve 8 are registered with the strain gauge or SAW 9 by means of a measurement pulse from a microcontroller which is applied to a multilayer ceramic module, a low temperature cofired ceramic 10 (LTCC).
  • the recorded measured values are not saved individually as absolute values, but are assigned to them on the basis of a division of the nominal load range into classes. This division of the nominal load range is matched to the component connected to the sleeve 8.
  • the measured values recorded with the DMS or SAW 9 are processed in the microcontroller by a suitable counting method and stored in its memory.
  • the counting method is designed in such a way that, in contrast to other counting methods, medium load fluctuations are taken into account become.
  • the component stresses are thus stored as a load spectrum of individual classes in a storage matrix.
  • the memory content is read out by radio excitation at any time intervals via the antenna 11.
  • the energy supply is ensured by a battery 12.
  • the embodiment B of the life sensor 1 is shown in Figure 3.
  • the DMS or SAW 9 is applied directly to the component to be observed outside the sleeve 8.
  • the component stresses in the form of the component expansions are carried out directly on the component in the embodiment variant B and are not measured via the deformation of the sleeve 8.
  • the data transmitted via antenna 11 are recorded and evaluated by a reading device 5.
  • This monitoring unit registers possible overstressing and enables the component to be replaced in good time before longer downtimes occur.
  • a web with a bore is embedded in the safety component 13 (measuring link) according to DE 100 36 014 A1 of the round steel link chain 14 as an example.
  • the lifetime sensor 1 according to variant A is used in this bore.
  • the safety components 13 are arranged at certain intervals in the round steel link chain 14.
  • the round steel link chain 14 is subjected to tension during operation.
  • the tensile forces acting on the chain lead to the web in the measuring element 13 being deformed or compressed.
  • This deformation / compression is transmitted to the life sensor 1 and registered with the strain gauge or SAW 9 via the expansion of the sleeve 8.
  • the safety component 13 When the safety component 13 is relieved, the web resumes its initial shape and thus deforms the sleeve 8 into its initial state.
  • the recorded measured values are evaluated according to the matrix counting method and periodically transmitted to the reading device 5 with every complete chain circulation.
  • the determined by the connected application 7 Data allow a statement about the previous component loads and the remaining component life.

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Abstract

Vorrichtung zur Bestimmung der tatsächlichen Lebensdauer von technischen Strukturen, umfassend ein Ueberwachungssystem und einen Sensor mit Dehnungsmessstreifen (DMS) oder OFW-Resonatoren zur Erfassung von Spannungen und Dehnungen in einem Bauteil, wobei das Ueberwachungssystem eine Signalverarbeitungseinheit, eine Antenne und eine Batterie aufweist. Die Signalverarbeitungseinheit ist auf einem Mehrlagen-Keramikmodul, einem Low Temperature Cofired Ceramic LTCC, aufgebracht. LTCC-Modul, Antenne und Batterie liegen innerhalb einer Metallhülse und sind in dieser mit einer Vergussmasse fixiert.

Description

Lebensdauersensor
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung der Lebensdauer von maschinentechnischen Einrichtungen, einem sogenannten Lebensdauersensor.
Die Lebensdauer von beanspruchten Teilen soll mit einem Sensor mit Auswerteeinheit erfasst und berechnet werden. Die erfassten Werte werden über Funkanregung an eine Ausleseeinheit übermittelt.
Es ist bekannt, Sensoren an maschinentechnischen Bauteilen anzubringen, um deren Schädigung und das Lastkollektiv zu bestimmen. Diese Sensoren, in der Regel bestehend aus Dehungsmessstreifen, müssen an dem Bauteil befestigt mit einer Auslese-/Auswerteeinheit und Stromversorgung gekoppelt werden. Die Verkabelung der zu überwachenden Bauteile ist nur bei den wenigsten Anwendungen durchführbar. Ein hoher personeller Aufwand ist für das Durchführen solcher Messungen erforderlich. Zusätzlich nehmen Messeinrich- tungen aufgrund der Einheiten - Stromversorgung, Auswerteeinheit und Spannungsmesssensor - viel Platz in Anspruch. Dauermessungen sind nur sehr eingeschränkt möglich, die bekannten Verfahren sind teuer in der Installation und unkomfortabel in der Handhabung.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine integrierte einfache Lösung zur Aufnahme der vorhandenen Beanspruchungen im Betrieb einer maschinellen Einrichtung zu ermöglichen.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen von Patentanspruch 1 gelöst.
Das erfindungsgemäße Vorrichtung benötigt keine Verkabelung, ist einfach zu applizieren, ermöglicht "online"-Messungen und ist nicht auf eine spezielle Anwendung beschränkt. Die Messwerte werden online direkt am Bauteil aufgenommen. Eine aufwendige, nachgeschaltete Messtechnik entfällt, die erfassten Werte der Bauteilbeanspruchung werden bereits im integrierten Mikrocontroller verarbeitet. Durch die kleine und kompakte Bauweise kann der Sensor einfach und überall angebracht werden. Die aufgenommenen Beanspruchungen werden bereits im Sensor verarbeitet.
Der neue Lebensdauersensor mit Auswerte/Auslese-Station wird deutlich preisgünstiger sein als herkömmliche Verfahren.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im Folgenden näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 Prinzipskizze des Lebensdauersensors;
Figur 2 Sensorskizze, Querschnitt der Ausführungsvariante A;
Figur 3 Sensorskizze, Längsschnitt der Ausführungsvariante B und
Figur 4 Anwendung des Lebensdauersensors an einer Rundstahlgliederkette. Das Prinzip der erfindungsgemäßen Vorrichtung als Lebensdauersensor 1 setzt sich aus drei Einheiten (Figur 1 ) zusammen. Der Lebensdauersensor 1 besteht aus einem Kopplungselement in Form einer Antenne 2, einer Verarbeitungseinheit 3 und einem Sensor 4, der an, in oder auf einem maschinentechnischen Bauteil angebracht werden kann. Der Lebensdauersensor 1 arbeitet mit einem Lesegerät 5 zusammen, das ebenfalls mit einer Antenne 6 ausgestattet ist und einer damit verbundenen Applikation 7 in Form einer Datenverarbeitungsanlage. Der Lebensdauersensor 1 hat mit dem zu beobachtenden Bauteil direkten Kontakt und registriert die Belastungen des Bauteils.
Der Lebendauersensor 1 kann in zwei Ausführungsvarianten an dem zu beobachtenden Bauteil appliziert werden. Der generelle innere Aufbau der Hülse 8 ist in Figur 2 und 3 dargestellt und unterscheidet sich nicht bei beiden Ausführungsvarianten.
Das Ausführungsbeispiel A des Lebensdauersensors 1 ist, wie in Figur 2 dargestellt, folgendermaßen aufgebaut: an der inneren Wand der Hülse 8 ist ein Dehnmeßstreifen (DMS) oder Surface Acoustic Wave Sensor (SAW) 9 - zu deutsch Oberflächen-Sensor - angebracht. Die Hülse 8 nimmt die Spannungen in Form von Dehnungen auf. Durch einen Messimpuls von einem Mikro- controller, der auf einem Mehrlagenkeramik-Modul, einem Low Temperature Cofired Ceramic 10 (LTCC) aufgebracht ist, werden die Dehnungen der Hülse 8 mit dem DMS oder SAW 9 registriert. Die aufgenommenen Messwerte werden nicht einzeln als Absolutwerte abgespeichert, sondern anhand einer Einteilung des Nennbelastungsbereiches in Klassen diesen zugeordnet. Diese Einteilung des Nennbelastungsbereiches ist auf das mit der Hülse 8 verbundene Bauteil abgestimmt.
Durch ein geeignetes Zählverfahren werden die mit dem DMS oder SAW 9 aufgenommenen Messwerte im Mikrocontroller verarbeitet und in dessen Speicher hinterlegt. Das Zählverfahren ist so ausgelegt, dass im Gegensatz zu anderen Zählverfahren auftretenden Mittellastschwankungen berücksichtigt werden. Die Bauteilbeanspruchungen werden somit als Lastkollektiv einzelner Klassen in einer Speichermatrix hinterlegt. Der Speicherinhalt wird durch Funkanregung in beliebigen zeitlichen Abständen über die Antenne 1 1 ausgelesen. Die Energieversorgung wird durch eine Batterie 12 sichergestellt.
Das Ausführungsbeispiel B des Lebensdauersensors 1 ist in Figur 3 dargestellt. Der DMS oder SAW 9 ist dabei direkt auf den zu beobachtenden Bauteil außerhalb der Hülse 8 aufgebracht. Die Bauteilspannungen in Form der Bauteildehnungen werden bei der Ausführungsvariante B direkt am Bauteil aufgenommen und nicht über die Verformung der Hülse 8 gemessen.
Sowohl bei Ausführungsvariante A als auch bei B werden die über die Antenne 1 1 übermittelten Daten von einem Lesegerät 5 erfasst und ausgewertet. Diese Überwachungseinheit registriert mögliche Überbeanspruchungen und ermöglicht den rechtzeitigen Austausch des Bauteils, bevor längere Stillstandszeiten auftreten.
Nach Figur 4 ist als Beispiel in dem Sicherheitsbauteil 13 (Messglied) nach DE 100 36 014 A1 der Rundstahlgliederkette 14 ein Steg mit einer Bohrung eingelassen. In dieser Bohrung wird der Lebensdauersensor 1 nach Ausführungsvariante A eingesetzt. Die Sicherheitsbauteile 13 sind in bestimmten Abständen in der Rundstahlgliederkette 14 eingereiht. Durch den Betrieb wird die Rundstahlgliederkette 14 auf Zug beansprucht. Die auf die Kette wirkenden Zugkräfte führen dazu, dass sich der Steg im Messglied 13 verformt bzw. gestaucht wird. Diese Verformung/Stauchung wird auf den Lebensdauersensor 1 übertragen und mit dem DMS oder SAW 9 über die Dehnung der Hülse 8 registriert. Bei Entlastung des Sicherheitsbauteils 13 nimmt der Steg wieder seine Ausgangsform an und verformt so die Hülse 8 in ihren Ausgangszustand. Die aufgenommenen Messwerte werden nach dem Matrix-Zählverfahren ausgewertet und periodisch bei jedem ganzen Kettenumlauf an das Lesegerät 5 übermittelt. Die durch die angeschlosse Applikation 7 ermittelten Daten lassen eine Aussage über die bisherigen Bauteilbelastungen und die verbleibende Bauteillebensdauer zu.
Bezugszeichenaufstellung:
1 - Lebensdauersensor
2 - Antenne v. 1
3 - Verarbeitungseinheit
4 - Sensor
5 - Lesegerät
6 - Antenne v. 5
7 - Applikation
8 - Hülse
9 - SAW 10 - LTCC 11 - Antenne 12 - Batterie
13 - Sicherheitsbauteil 14 - Rundstahlgliederkette

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zur Bestimmung der Lebensdauer von maschinentechnischen Einrichtungen, welcher die Funktionen "Messen", "Auswerten" und "Übermitteln" in einem Bauteil vereint, dadurch gekennzeichnet, dass einem Sensor zur Erfassung von Bauteilspannungen und -dehnungen, ein Low Temperature Cofired Ceramic LTCC, eine Antenne und eine Batterie vorgesehen ist, wobei der LTCC, die Antenne und die Batterie innerhalb einer Metallhülse liegen und mit einer Vergussmasse in der Hülse lagefixiert sind.
2. Vorrichtung nach Patentanspruch 1 , dadurch gekennzeichne t, dass die Bauteilspannungen und -dehnungen mit einem Surface Accustic Wave Element (SAW), der auf der Innenwand der Hülse liegt, erfassbar sind.
3. Vorrichtung nach Patentanspruch 1 , dadurch gekennzeichne t, dass die Bauteilspannungen und -dehnungen mit einem Surface Accustic Wave Element (SAW), der sich außerhalb der Sensorhülse befindet, erfassbar sind.
4. Vorrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichne t, dass die Bauteilspannungen und -dehnungen mit einem Dehnungsmessstreifen (DMS) erfassbar sind, der auf der Innenwand der Hülse liegt.
5. Vorrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichne t, dass die Bauteilspannungen und -dehnungen mit einem Dehnungsmessstreifen (DMS) erfassbar sind, der sich außerhalb der Hülse befindet.
6. Vorrichtung nach einem der Patentansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauteilspannungen anhand des Matrix- Zählverfahrens auswertbar sind.
7. Vorrichtung nach einem der Patentansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauteilspannungen anhand des Rainflow-Zählverfahrens auswertbar sind.
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