WO2010102919A1

WO2010102919A1 - Sensoranordnung zur messung elektrischer potentiale

Info

Publication number: WO2010102919A1
Application number: PCT/EP2010/052546
Authority: WO
Inventors: Richard Brune; Jörg HASSEL; Hans-Richard Kretschmer; Arno Steckenborn
Original assignee: Siemens Aktiengesellschaft
Priority date: 2009-03-13
Filing date: 2010-03-01
Publication date: 2010-09-16
Also published as: DE102009013273A1

Abstract

Gegenstand der Erfindung ist eine Sensoranordnung mit für elektrische Potentiale empfindlichen Messfühlern (15). Diese können beispielsweise an einer elektrischen Maschine (11) angeordnet sein, um für den Menschen gefährliche Potentialunterschiede zu ermitteln. Vorteilhaft sind die Messfühler (15) erfindungsgemäß als mikromechanisch hergestellte Einheiten ausgeführt. Daher benötigen sie einen geringen Bauraum und können in größeren Stückzahlen vorteilhaft kostengünstig hergestellt werden. Dadurch wird eine engmaschige Überwachung, beispielsweise eines Gehäuses (14) einer elektrischen Maschine möglich. Durch eine Auswertungseinrichtung (20) kann ein dreidimensionales Potentialprofil erstellt werden.

Description

Beschreibung

Sensoranordnung zur Messung elektrischer Potentiale

Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung mit für elektrische Potentiale empfindlichen Messfühlern in einer räumlichen Anordnung und mit einer Auswertungseinheit.

Aus der US 7,373,814 Bl ist ein Sensornetzwerk aus für elekt- rische Potentiale empfindlichen Messfühlern bekannt. Dieses wird bei einem Flugzeug verwendet, wobei eine Vielzahl von Messfühlern über die Oberfläche des Flugzeuges verteilt ist, so dass Potentialunterschiede, die während des Fluges an dem Flugzeug angreifen, ermittelt werden können. Hierzu werden die durch die Messfühler generierten Signale in einer gemeinsamen Einheit ausgewertet.

Ein für elektrische Potentiale empfindlicher Messfühler in mikromechanischer Bauweise ist beispielsweise in der US 6,177,800 Bl beschrieben. Dieser Sensor besteht aus einer fingerartigen Elektrodenanordnung, wobei über dieser Elektrodenanordnung eine Schlitzblende angeordnet ist, die die Elektrodenflächen durch eine alternierende Bewegung abwechselnd freilegen und verdecken kann. Hierdurch lässt sich in mikromechanischer Bauweise ein Messfühler verwirklichen, der dem Messprinzip einer sogenannten Feldmühle entspricht. Gemessen wird dabei die zeitliche Änderung der Feldstärke, welche dadurch zustande kommt, dass die Elektrodenanordnung von der Blende abgeschattet und freigelegt wird. Als „zweite Elektrode" kann beispielsweise eine andere Elektrodenfläche, aber auch die Atmosphäre dienen.

Der beschriebene Sensor in mikromechanischer Bauweise eröffnet durch seinen geringen Platzbedarf neue Anwendungsmöglich- keiten. Gemäß der US 6,177,800 Bl kann dieser beispielsweise platzsparend in eine Fotokopier-Maschine eingebaut werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, Sensoranordnungen zur Messung elektrischer Potentiale in mikromechanischer Bauweise neue Anwendungsfelder zu eröffnen.

Diese Aufgabe wird mit der eingangs angegebenen Sensoranordnung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass eine Vielzahl von Messfühlern vorgesehen ist, die in einer räumlichen Anordnung zueinander stehen, wobei alle Messfühler über eine Messsignalverbindung zur Auswertungseinheit verfügen. Hierdurch kann vorteilhaft ein räumliches Netzwerk entstehen, mit dem die Potentialverteilung gemessen werden kann. Durch die gemein- same Signalverarbeitung in der Auswertungseinheit ist es möglich, Potentialunterschiede auch im Raum zu bestimmen und auf diese Weise ein dreidimensionales Profil zu erzeugen. Die Auswertungseinheit kann kabelgebunden oder auch über eine Funkschnittstelle mit den Messfühlern kommunizieren. Die Er- Stellung eines räumlichen Profils von Potentialunterschieden, also die Aufnahme einer räumlichen Potentialverteilung macht es vorteilhaft möglich, drohende Gefahren aufgrund zu hoher Potentialunterschiede, beispielsweise in der Kraftwerkstechnik, bei elektrischen Maschinen oder auch in Stromnetzen zu ermitteln. Hierbei können eine Vielzahl von Messfühlern eingesetzt werden, da diese erstens vorteilhaft nur einen geringeren Raumbedarf haben und außerdem die Herstellung in mikromechanischer Bauweise bei größeren Stückzahlen zu außerordentlich kostengünstigen Einzelkomponenten führt.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass in der Auswertungseinheit jeweils die räumliche Position jedes Sensors hinterlegt ist. Hierdurch wird es möglich, nicht nur Potentialunterschiede an bestimmten Stellen zu messen, sondern diese Potentialunterschiede auch räumlich genau untereinander in Beziehung zu setzen. Hierdurch können rasterartige Messnetzwerke entstehen, die z. B. die Potentialverteilung am Gehäuse einer elektrischen Ma- schine messbar machen.

Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass mindestens ein Teil der Messfühler ein Ortungsmodul enthält. Unter einem Ortungsmodul ist im weite- ren Sinne eine aktive Baueinheit zu verstehen, welche Ortsinformationen über die Position des Messfühlers erzeugen kann. Dies kann beispielsweise ein GPS-Empfänger sein, der GPS-Sig- nale zur Erlangung der Ortsinformation auswertet. Diese Informationen können durch den Messfühler in gleicher Weise an die Auswertungseinheit weitergegeben werden, wie das Messsignal. Die Integration eines Ortungsmoduls in den Messfühler hat den Vorteil, dass dieser auch portabel zum Einsatz kommen kann, d. h. dass dieser nicht fest an einem bestimmten Ort vorgesehen sein muss. Dennoch ist die Erzeugung eines dreidi- mensionalen Potentialprofils unter Zuhilfenahme des Messwertes des portablen Messfühlers möglich, da zusammen mit dem Messsignal auch die Position des Messfühlers übermittelt werden kann. Beispielsweise lässt sich ein solcher Messfühler in der Werkshalle an einem Transportgerät wie beispielsweise ei- nem Gabelstapler oder auch verpackten Gegenständen anordnen.

Gemäß einer ähnlichen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Auswertungseinheit mit einem Ortungsmodul für die Messfühler ausgestattet ist. Hierbei können portable Messfühler zum Einsatz kommen, die aufgrund ihrer Aktivität geortet werden können. Beispielsweise kann das Messsignal der portablen Messfühler durch ein Funksignal übermittelt werden. Die Position des Messfühlers lässt sich dann durch eine Kreuzpeilung des Funksignals ermitteln. Das Ortungsmodul der Auswertungseinheit besteht in diesem Fall aus geeigneten Empfängern für das Funksignal der Messfühler.

Die unterschiedlichen ortsfesten und portablen Messfühler, die vorstehend beschrieben wurden, können selbstverständlich auch miteinander kombiniert werden. Unter Nutzung dieser Messfühler und deren Verknüpfung zu Sensornetzwerken können Potentialunterschiede im dreidimensionalen Raum ermittelt werden. Dies kann beispielsweise in Treibstofftanks, bei der Verwendung von Isolierstoffen oder in Bergwerken von Vorteil sein. Weiterhin sind folgende Anwendungen denkbar.

Eine Integration in Zapfeinrichtungen für Treibstoffe oder Sprüheinrichtungen für Chemikalien ist denkbar. Hier kann ein Explosionsschutz realisiert werden, der explosionskritische Potentiale rechtzeitig feststellt. Weiterhin kann das System in Schutzsysteme für die Elektronikfertigung (elektrostatisch geschützte Bereiche: EGB) Verwendung finden. Auch die WaferFertigung birgt Anwendungsmöglichkeiten. Eine weitere Anwen- düng ist die Integration in Bergungsseile bzw. Erdungsseile von Hubschraubern. Hier ist die Erdung Voraussetzung zum Unterschreiten einer Mindestflughöhe, um Entladungen zwischen dem Hubschrauber und dem Erdboden zu vermeiden. Ähnlich kann eine Entladung über ein Bergungsseil erfolgen, wenn kritische Potentiale überschritten werden. Die Messfühler können beispielsweise in regelmäßigen Abständen an den Seilen befestigt werden. In ähnlicher Weise können auch Zapf- und Sprüheinrichtungen und deren Zuführleitungen mit Messfühlern versehen werden. Außerdem ist eine Integration in Warn- und Sicher- heitseinrichtungen von Bahnanlagen mit unterschiedlichen Erdungssystemen, Schaltschränken, statischen oder beweglichen Teilen von Maschinen möglich, wobei diese Maßnahmen auf den Personen- und Maschinenschutz zielen. Der Maschinenschutz kann beispielsweise auch durch die Integration in Generato- ren, Motoren und Getrieben zur Detektion von Lagerspannungen erfolgen. Hier können Entladungen unterbunden werden, die zu Lagerschäden führen würden, indem die gemessenen Potentiale rechtzeitig in geeigneter Weise abgebaut werden. Auch die permanente Detektion der elektrischen Aufladung von Räumen ist ein bevorzugter Anwendungsfall. Beispiele für solche Räume können Bergwerke oder Silos sein. Insbesondere, wenn zündfähige Medien vorhanden sind oder entstehen können (z. B. Feinstäube, Gase, Nebel) kann die Überstreitung von für eine Explosion kritischen Potentialen überwacht und mit geeigneten Maßnahmen unterbunden werden.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Auswertungseinheit geerdet ist und das Poten- tial auf Erde an der Auswertungseinheit als Bezugspotential für die Messwerte der Messfühler hinterlegt ist. Hierdurch entsteht ein Ruhepotential, dem gegenüber die Messwerte ins Verhältnis gesetzt werden können. Dadurch wird eine absolute Aussage und nicht nur eine Aussage über die relative Vertei- lung der Potentiale möglich. Dies lässt Schlüsse zu, wann beispielsweise ein auf dem Hallenboden stehender Mensch (der hierdurch geerdet ist) Gefahr läuft, durch Berührung einer elektrischen Maschine gefährdet zu sein.

Weiterhin kann vorteilhaft vorgesehen werden, dass in der

Auswertungseinheit Werte für kritische Potentialunterschiede zwischen den einzelnen Messfühlern hinterlegt sind. Werden diese kritischen Werte überschritten, ist es möglich, über die Auswertungseinheit beispielsweise ein Warnsignal aus- zugeben. Selbstverständlich können die kritischen Potentialunterschiede auch zwischen den Sensoren und einem gemeinsamen Bezugspotential hinterlegt werden. Auch ist die Auswertung der einzelnen Messsignale gemeinschaftlich möglich, so dass beispielsweise auch ein durchschnittliches Potential einer elektrischen Maschine gegenüber der Erdung (Bezugspotential) ermittelt werden kann.

Das vorstehend erwähnte Warnsignal kann vorteilhaft gemäß ei- ner weiteren Ausgestaltung der Sensoranordnung dadurch ausgegeben werden, dass eine Ausgabeeinrichtung mit der Auswertungseinheit verbunden ist. Dies kann beispielsweise im einfachsten Falle eine Warnleuchte sein. Eine andere Möglichkeit besteht darin, einen Bildschirm zur Darstellung der Poten- tialunterschiede zu verwenden. Insbesondere unter Verwendung der vorstehend erwähnten Ortsinformationen der Messfühler kann unter Berücksichtigung der räumlichen Beziehung der Messfühler zueinander ein dreidimensionales Bild der Potentialverteilung am Bildschirm ausgegeben werden.

Besonders vorteilhaft ist es in diesem Zusammenhang, wenn eine Kamera vorgesehen ist, die auf den Raum des Sensornetzwerkes gerichtet und zur Visualisierung von Gefahrenpotentialen mit der Auswertungseinheit oder der Ausgabeeinrich- tung verbunden ist. Die Kamera erzeugt damit vorteilhaft ein Bild des zu überwachenden Raumes. Dieses Bild kann mittels gebräuchlicher Verfahren mit den Potentialinformationen des Sensornetzwerkes überlagert werden. Hierbei werden die Rauminformationen des mit der Kamera aufgenommenen Bildes mit den Positionsinformationen der Messfühler korreliert. In der Ausgabeeinrichtung kann beispielsweise ein Falschfarbenbild des Raumes mit einer vom gemessenen Potential abhängigen Farbgebung ausgegeben werden. Im einfachsten Falle können die Messfühler auch mit optischen Signalgebern ausgestattet sein, die mit der Kamera erfasst werden. So ist eine direkte Auswertung des Kamerabildes hinsichtlich eventueller Warnsignale möglich. Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass eine Sicherheitseinrichtung mit der Auswertungseinheit verbunden ist. Hierdurch lassen sich unabhängig von der Ausgabe von Warnsignalen auch automatisch Sicherheitsvorkeh- rungen bei der Überschreitung kritischer Potentiale in die Wege leiten. Als Sicherheitseinrichtung sollen im weiteren Sinne alle Einrichtungen verstanden werden, welche Sicherheitsmaßnahmen auslösen können. Es kann beispielsweise die Freigabe von Sicherheitsbarrieren wie Schranken unterbunden werden. Es können auch automatische Bewegungsführungen, beispielsweise von Robotern, Pumpen oder Förderbändern, automatisch gestoppt werden. Außerdem können ganze Anlagen automatisch in sichere Zustände gefahren werden. Gefährdete Teile können auch spannungslos geschaltet werden, um das anliegende Potential abzubauen. Weiterhin können automatisch Erdungsvorgänge eingeleitet werden. Auch hierbei werden die kritischen Potentialunterschiede abgebaut. Eine besondere Ausgestaltung der Erfindung erhält man, wenn eine Speichereinheit für die mit den Messfühlern aufgenommenen Messwerte mit der Auswer- tungseinheit verbunden ist. Die Speicherung der Messwerte macht es möglich, unter Berücksichtigung der Messintervalle (des Zeitverlaufes der Messungen) eine zeitliche Veränderung der Potentialverteilung zu ermitteln. Durch die Entwicklung der Potentialverteilung können vorteilhaft zusätzliche Aussa- gen getroffen werden und bei gefährlichen Entwicklungen

Schutzmaßnahmen bzw. Warnungen schon vor dem Überschreiten kritischer Potentiale getroffen bzw. ausgegeben werden. Auch ist beispielsweise eine mehrstufige Aktivierung von Sicherheitsmaßnahmen möglich, beispielsweise zunächst das Einleiten eines Notbetriebes der Anlage vor der endgültigen Abschaltung.

Vorteilhaft ist es möglich, dass die Messfühler mit einer gemeinsamen Energiequelle verbunden sind. Dies hat den Vorteil, dass die Messfühler selbst vergleichsweise einfach aufgebaut sein können. Sie müssen anschließend zwecks einer Energieversorgung verkabelt werden. Die Energieversorgung kann jedoch als gemeinsame Energieversorgung ausgeführt sein, wodurch ein Komponentenaufwand in Grenzen gehalten werden kann.

Alternativ ist es auch möglich, dass die Messfühler mit autarken Energiequellen versehen sind. Dies wird vorteilhaft möglich, da der Energiebedarf von Mikrosensoren verhältnis- mäßig gering ist. Im Falle von mikromechanischen Potentialsensoren, in denen eine Blende schwingt, die selbst mikromechanisch ausgeführt ist, ist zumindest der Energiebedarf dann sehr gering, wenn die Blende sich im schwingenden Zustand befindet. Dies lässt sich damit begründen, dass die mikromecha- nischen Aktuatoren sowie die zum Einsatz kommenden Federn eine sehr geringe Dämpfung aufweisen, so dass diesem System zum Erhalt der Schwingung nur sehr wenig Energie zugeführt werden muss .

Um den erhöhten Energiebedarf zur Aktivierung des Sensors zu decken, kann vorteilhaft zusätzlich an den Messfühlern ein elektrischer Anschluss für eine Aktivierungsenergie vorgesehen werden. Dieser elektrische Anschluss kann gleichzeitig dazu dienen, einen eventuellen elektrischen Speicher zur au- tarken Energieversorgung wieder aufzufüllen.

Eine andere Möglichkeit besteht darin, dass die autarke Energiequelle eine Einrichtung zur Energiegewinnung ist. Hier ist beispielsweise an Spulen zu denken, die in elektrischen Wech- selfeldern Energie bereitstellen können. Mit Hilfe dieser

Spulen lässt sich der Mikrosensor auch als sogenannter RFID- Tag ausgestalten, wobei dieser autark funktioniert. Dies bedeutet, dass einerseits über eine entsprechend ausgebildete Spule eine Energieversorgung des Mikrosensors stattfinden kann, andererseits auch ein Auslesen der Sensorinformation über die Spule möglich ist. Insbesondere beim Einsatz im Bereich elektrischer Maschinen können die dort entstehenden Wechselfelder direkt zur Energieversorgung der Messfühler ge- nutzt werden.

Zusammenfassend ist festzustellen, dass die erfindungsgemäße Sensoranordnung eine Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten eröffnet und hierbei vorteilhaft die Sicherheit überall dort erhöht, wo es zu kritischen elektrischen Potentialen kommen kann. Die Vorteile lassen sich wie folgt zusammenfassen. Es können permanent Potentiale gemessen werden, insbesondere bei Annäherung von Personen an die Gefährdungsstelle. In explosionsgeschützten Bereichen lässt sich eine erhöhte Sicherheit durch ein engmaschiges Messverfahren erreichen. Durch frühzeitiges Erkennen von Erdungsproblemen können rechtzeitig Schutzmaßnahmen zur Vermeidung von Personen- und Maschinenschäden eingeleitet werden. Es ist auch eine rechtzeitige Warnung vor Gewittern und anderen witterungsbedingten Aufla- düngen möglich, wo diese Naturerscheinungen zu Schäden führen können. Außerdem wird die vergleichsweise genaue Analyse von Potentialverteilungen möglich, um beispielsweise in Hochspannungsanlagen Schwachstellen zu orten. Bei Maschinen können u. a. auch Lagerschäden vermieden werden.

Weitere Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung erläutert. Gleiche oder sich entsprechende Zeichnungselemente sind jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden nur insoweit mehrfach erläutert, wie sich Unterschiede zwischen den einzelnen Figuren ergeben. Es zeigen : Figur 1 schematisch eine elektrische Maschine, an der ein

Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Sensoranordnung angebracht ist, als Seitenansicht und

Figur 2 den Aufbau eines Mikrosensors als Blockschaltbild.

In Figur 1 ist eine elektrische Maschine 11 dargestellt, die mit einem Sockel 12 auf dem Boden 13 steht. Das Gehäuse 14 der elektrischen Maschine ist mit Messfühlern 15 versehen, welche mikromechanisch hergestellt sind (nicht näher dargestellt) und elektrische Potentiale am Gehäuse messen können. Eine gemeinsame Spannungsquelle (Energiequelle 16) versorgt über Versorgungsleitungen 17 die Messfühler 15. Weiterhin sind die Messfühler über Signalleitungen 18 und einen Daten- bus 19 mit einer Auswertungseinheit 20 verbunden, die gleichzeitig über eine Leitung 21 geerdet ist. In der Auswertungseinheit können weiterhin Referenzwerte hinterlegt sein, die eine Auswertung der Daten erlauben. Außerdem kann über eine Ausgabeeinrichtung 22 wie einen Bildschirm beispielsweise ei- ne dreidimensionale Potentialverteilung auf dem Maschinengehäuse ausgegeben werden.

In Figur 2 ist der Aufbau eines der Messfühler 15 schematisch dargestellt. Der Messfühler kann im Wesentlichen genauso auf- gebaut sein, wie gemäß der US 6,177,800 Bl beschrieben. Dargestellt sind gemäß Figur 2 nur eine verschiebbare Blende 23 und ein Aktor 24, der über eine mechanische Verbindung 25 die verschiebbare Blende 23 antreibt. Unterhalb von Schlitzen 25 in der Blende sind nicht näher dargestellte Finger einer Elektrodenanordnung vorgesehen. Eine externe Energieversorgung des Messfühlers ist nicht vorgesehen. Dafür gibt es eine Spule 26, die einerseits als Sende- und Empfangseinrichtung für Signale verwendet werden kann, wenn Signalleitungen 18 gemäß Figur 1 nicht vorgesehen werden. Andererseits kann durch elektrische Wechselfelder ein Strom in der Spule 26 induziert werden, welcher zur Energieversorgung des Aktors 24 geeignet ist. Die letztgenannten Aufgaben können auch in zwei verschiedene Spulen aufgeteilt werden (nicht dargestellt) .

Claims

Patentansprüche

1. Sensoranordnung mit für elektrische Potentiale empfindlichen Messfühlern (15) und einer Auswertungseinheit (20), wobei eine Vielzahl von Messfühlern (15) vorgesehen ist, die in einer räumlichen Anordnung zueinander stehen und alle Messfühler über eine Messsignalverbindung (18, 19) zur Auswertungseinheit (20) verfügen, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Messfühler in mikromechanischer Bauweise ausgeführt sind und mit autarken Energiequellen (26) versehen sind.

2. Sensoranordnung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass in der Auswertungseinheit die räumliche Position zumindest eines Teils der Messfühler (15) hinterlegt ist.

3. Sensoranordnung nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass mindestens ein Teil der Messfühler (15) ein Ortungsmodul enthält .

4. Sensoranordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Auswertungseinheit mit einem Ortungsmodul für die Messfühler ausgestattet ist.

5. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Auswertungseinheit (20) geerdet ist und das Potential auf Erde in der Auswertungseinheit (20) als Bezugspotential für die Messwerte der Messfühler (15) hinterlegt ist.

6. Sensoranordnung nach einem der voranstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass in der Auswertungseinheit (20) Werte für kritische Potentialunterschiede zwischen den einzelnen Messfühlern (15) hinterlegt sind.

7. Sensoranordnung nach einem der voranstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass eine Ausgabeeinrichtung (22) mit der Auswertungseinheit verbunden ist.

8. Sensoranordnung nach Anspruch 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass eine Kamera vorgesehen ist, die auf den Raum des Sensornetzwerkes gerichtet und zur Visualisierung von Gefahrenpo- tentialen mit der Auswertungseinheit oder der Ausgabeeinrichtung (22) verbunden ist.

9. Sensoranordnung nach einem der voranstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass eine Sicherheitseinrichtung mit der Auswertungseinheit verbunden ist.

10. Sensoranordnung nach einem der voranstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass eine Speichereinheit für mit den Messfühlern (15) aufgenommene Messwerte mit Auswertungseinheit verbunden ist.

11. Sensoranordnung nach einem der voranstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Messfühler mit einer gemeinsamen Energiequelle (16) verbunden sind.

12. Sensoranordnung nach einem der voranstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Messfühler elektrische Anschlüsse für eine Aktivierungsenergie aufweisen.