WO2018082730A1 - Abstandsmessmodul zur messung eines abstandes in einem lager sowie sensorsatz und lageranordnung - Google Patents

Abstandsmessmodul zur messung eines abstandes in einem lager sowie sensorsatz und lageranordnung Download PDF

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WO2018082730A1
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bearing
distance measuring
sensor
measuring module
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Philipp HÖRNING
Frank Benkert
Christoph Weeth
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Schaeffler Technologies AG & Co. KG
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    • G01D5/12—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L5/00—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes
    • G01L5/0009—Force sensors associated with a bearing

Definitions

  • Distance measuring module for measuring a distance in a warehouse as well
  • the present invention initially relates to a distance measuring module for measuring a distance in or on a mechanical bearing. Furthermore, the invention relates to a sensor set in the form of a modular system, on the basis thereof
  • the invention also relates to a bearing arrangement in the form of a sensor bearing.
  • DE 101 36 438 A1 teaches a sensor arrangement in a rolling bearing, in which a plurality of sensor elements are integrated in bearing shells of the rolling bearing.
  • Sensor elements can be connected via a digital bus.
  • DE 102 36 790 C1 shows an electrical switching device with a plurality of poles, wherein each pole has at least one terminal contact.
  • DE 100 54 069 A1 shows a building control system with a basic system and with a logic system.
  • the base system comprises at least one active module, while the logic system comprises at least one logic module.
  • A1 shows a sensor bearing unit comprising a rolling bearing with a housing arranged on a sensor housing with an integrated
  • the sensor housing is designed as an adapter ring.
  • the adapter ring is dimensioned so that the radial or axial dimensions of the sensor bearing unit are at most equal to those of a ball bearing with the same load capacity.
  • the rolling bearing comprises an inner ring, an outer ring and arranged therebetween rolling elements.
  • the sensor bearing further includes at least one sensor for measuring the forces acting on the rolling elements and a
  • the object of the present invention is to be able to form mechanical bearings flexibly for a distance measurement.
  • the distance measuring module is used to measure a spatial distance in or on a mechanical bearing.
  • the bearing serves to support a first machine element with respect to a second machine element.
  • the mechanical bearing is preferably a roller bearing, a linear bearing or a plain bearing.
  • the distance measuring module is configured to be integrated into the bearing or disposed near the bearing, thereby expanding the bearing to a sensor bearing.
  • the distance to be measured with the distance measuring module and optionally further physical variables can be measured during operation of the mechanical bearing on the mechanical bearing.
  • the distance to be measured is preferably given between an inner ring and an outer ring of the bearing.
  • the distance to be measured can also be a different physical size, such. B. represent a force.
  • the distance measuring module can also be used to measure one or more physical quantities derived from the distance.
  • the distance to be measured is preferably proportional to one of the other physical quantities.
  • the distance measuring module according to the invention comprises a sensor for measuring the distance. This geometric distance represents a bearing state quantity. The distance may be formed within the bearing, between a component of the bearing and an outer element, or between elements in an environment of the bearing.
  • the distance measuring module comprises an electrical interface for outputting a distance measuring signal to an infrastructure module.
  • the distance measurement signal is obtained directly or indirectly with the sensor.
  • the distance measurement signal is preferably an output signal of the sensor or alternatively preferably the output signal of the sensor preprocessed by a measurement signal preprocessing.
  • the electrical interface is preferably designed for data transmission in order to output the distance measurement signal in the form of digital data.
  • the electrical interface is furthermore preferred for transmitting a supply voltage for the electrical supply of
  • the electrical interface is furthermore preferred for transmitting control data for controlling the distance measuring module
  • the infrastructure module is for the realization of
  • the distance measuring module is preferably designed for arrangement in the camp.
  • the distance measuring module according to the invention comprises a mechanical interface for the mechanical arrangement of the distance measuring module in a module receptacle of the bearing.
  • the distance measuring module can be integrated into the camp.
  • the distance measuring module can preferably be fastened in the module receptacle of the bearing.
  • the distance measuring module is preferably non-detachably fastened in the module receptacle of the bearing.
  • a particular advantage of the distance measuring module is that it allows a flexible extension of a mechanical bearing for distance measurement, through which Condition monitoring of the bearing or of a system surrounding the bearing is possible.
  • the distance measuring module preferably comprises a housing in which the sensor is arranged and on which the mechanical interface is formed.
  • the mechanical interface is preferably defined by an outer shape of the housing.
  • the mechanical interface further preferably comprises fastening elements on the housing.
  • the sensor is preferably formed by an eddy current sensor. However, other measuring principles for measuring the distance may also be used.
  • the eddy current sensor preferably comprises a resonant circuit, which is preferably formed by a capacitor and by a coil.
  • the eddy current sensor also preferably comprises an oscillator for exciting the resonant circuit.
  • the eddy current sensor is preferably designed for measuring the distance to an electrically conductive surface.
  • the electrically conductive surface may be within the bearing or outside the bearing and defines an end point of the distance to be measured.
  • the electrically conductive surface is preferably formed on a ring.
  • the ring is preferably made of a metal.
  • the ring is preferably designed for attachment to a bearing ring of the bearing.
  • the electrically conductive surface is preferably formed on the lateral surface or one of the side surfaces of the ring.
  • Preferred embodiments of the distance measuring module according to the invention furthermore comprise a signal processing unit which can be designed for various functions.
  • the signal processing unit is preferred for
  • Measuring signal preprocessing of the output signal of the sensor is formed, so that the signal processing unit is designed to output the distance measuring signal to the electrical interface.
  • the measurement signal preprocessing preferably comprises an averaging and / or an offset correction.
  • the signal processing unit is preferably also designed for coding the digital distance measuring signal in order to enable transmission of the digital distance measuring signal via a data bus formed in the electrical interface.
  • the signal processing unit is preferably designed to correct measurement errors of the sensor. For this purpose, the signal processing unit is preferred for correcting the measurement errors as a function of a temperature and / or of static and / or dynamic
  • the signal processing unit is preferably designed for controlling the resonant circuit in the eddy current sensor.
  • the signal processing unit is also preferred for linearization of
  • the signal from the sensor is then processed so that the generated output signal is linearly proportional to the distance measured by the sensor.
  • the signal processing unit is preferably arranged together with the sensor in the housing.
  • the distance measuring module forms a compact module, which already enables the signal processing.
  • the sensor set according to the invention is intended for mechanical bearings and comprises a plurality of modules with which at least one mechanical bearing can be expanded to a sensor bearing.
  • the sensor bearing is the mechanical bearing, which is supplemented by a sensor including the necessary components for the operation of the sensor, so that at least one physical variable during operation of the mechanical bearing on
  • the mechanical bearing is measurable.
  • several modules are to be selected from the sensor set and to be arranged on the mechanical bearing.
  • the sensor set according to the invention represents a modular system.
  • the mechanical bearing is preferably a roller bearing.
  • the physical quantities to be measured include at least one distance or a physical quantity derived therefrom.
  • the modules of the sensor set according to the invention comprise a plurality of functional modules for measuring bearing state variables and / or for triggering and / or activating predetermined events under predetermined conditions.
  • the various functional modules each have an electrical interface with respect to which they are compatible. Thus, the various functional modules are interchangeable with respect to their electrical interface.
  • At least one of the functional modules is formed by the distance measuring module according to the invention. This functional module is preferably a preferred one
  • Embodiment of the distance measuring module according to the invention formed.
  • the modules of the sensor set according to the invention furthermore comprise a plurality of infrastructure modules for realizing communication tasks and / or for storing and / or processing given and / or acquired data.
  • the various infrastructure modules each have an electrical interface through which they are interoperable with at least several of the functional modules so that the various infrastructure modules help to ensure the function of the respective functional modules. At least one of
  • Infrastructure module is by a signal evaluation unit for evaluation of the
  • Distance measuring module preferably the distance measuring signal in the form of
  • the signal evaluation unit is preferably used to evaluate the preprocessed raw data. These two functions are thus not by a single module, but by two modules, d. H. realized in two different structural units.
  • the electrical interface of the signal evaluation unit is at least connected to the electrical interface of the
  • a particular advantage of the sensor set according to the invention is that it allows the flexible extension of a mechanical bearing, through which a
  • Another advantage of the sensor set according to the invention is that it allows the flexible extension of a mechanical bearing, through which new or improved functionalities of the bearing-containing system can be made possible, for example, by making the bearing extended by the sensor set available to the system with controlled variables.
  • Sensor set the signal evaluation unit is also designed to evaluate signals of more of the various functional modules. It is thus a common signal evaluation unit.
  • the distance measuring module and all other of the functional modules each have an electrical interface, with respect to which they are compatible, so that all
  • the distance measuring module and at least one other of the functional modules each have an outer shape with respect to which they are compatible. So that's it
  • the distance measuring module and the at least one further of the functional modules within a designated storage space in the bearing interchangeable Preferably, the distance measuring module and all other of the functional modules each have an outer shape with respect to which they are compatible.
  • the distance measuring module and at least one further of the functional modules each have at least one fastening element with respect to which they are compatible.
  • the distance measuring module and the at least one further of the functional modules each have at least one fastening element with respect to which they are compatible.
  • the at least one fastening element is formed for example by a pin or by a screw.
  • the at least one fastening element is formed for example by a pin or by a screw.
  • the distance measuring module and all other of the functional modules in each case at least one fastener, with respect to which they are compatible.
  • the distance measuring module and at least one other of the functional modules are each interoperable with the signal evaluation unit, so that they can be operated jointly or are also interchangeable.
  • the distance measuring module and all other of the functional modules are each interoperable with the signal evaluation unit.
  • the modules of the sensor set according to the invention preferably further comprise a plurality of supply management modules for the supply of
  • Bearing components wherein the bearing components to be supplied are formed by modules from the sensor set and / or by other components of the mechanical bearing. At least several of the supply management modules are preferably different.
  • the group of supply management modules preferably comprises at least one module for supplying sensor bearing components with electrical energy. The at least one module for supplying electrical energy is preferred for supplying the distance measuring module and / or the
  • the at least one module for supplying electrical energy is preferably by a
  • Power module by an accumulator module, by a battery module, by a capacitor module, by a power management module, by an energy harvesting module, by a generator module, by a signal and
  • Energy transit module and / or formed by an energy interface module for external devices.
  • the further functional modules for measuring bearing state variables such as acceleration, speed, temperature, force, rotation angle and / or lubricant quality are formed. Furthermore, the other functional modules for controlling lubricant pump or optical or acoustic messages can be displayed.
  • the group of further functional modules preferably also includes a service module, which under
  • At least one other of the infrastructure modules is preferred for electrical
  • connection of the modules formed on a connection medium It is about preferably an interface module which adapts the electrical interface to the respective environment, for example an interface with currents between 4 mA and 20 mA or Ethernet.
  • the infrastructure modules preferably contained in the sensor set furthermore include a radio module, an RFID module, an NFC module, a memory module, a cable module, an identification module and / or an operating hours module.
  • the memory module for example, those of the
  • connection medium is a bus system.
  • the connection medium may also be a wired bus system.
  • At least one of the infrastructure modules is preferably wireless
  • the modules are preferably provided for a rolling bearing, so that they are at least partially integrated into a rolling bearing space.
  • the modules can be provided for linear bearings or rotary bearings.
  • the bearing arrangement according to the invention comprises a mechanical bearing for supporting a machine element. Furthermore, the inventive
  • the bearing arrangement according to the invention preferably comprises at least two of the functional modules of the sensor set according to the invention.
  • the bearing arrangement according to the invention comprises the distance measuring module according to the invention. Therefore, this is a functional module of the bearing assembly according to the invention or at least one of the plurality of functional modules of the invention
  • the bearing assembly formed by the distance measuring module according to the invention.
  • the bearing assembly according to the invention further comprises at least one of
  • the at least one infrastructure module comprises at least the signal evaluation unit.
  • the electrical interface of the distance measuring module is electrically connected to the electrical interface connected to the signal evaluation unit, so that the preprocessed
  • the bearing arrangement according to the invention also has those features that are specified in connection with the distance measuring module according to the invention and with the sensor set according to the invention and its preferred embodiments.
  • the bearing arrangement according to the invention is preferably formed by the distance measuring module and by the signal evaluation unit for condition monitoring of the bearing or of a system surrounding the bearing.
  • the bearing arrangement according to the invention is also preferably formed by the distance measuring module and by the signal evaluation unit for the provision of controlled variables to the system surrounding the bearing.
  • the modules of the bearing arrangement can be coupled with systems located outside the bearing.
  • systems located outside the bearing can also contain one or more of the infrastructure modules of the sensor set, such as the signal evaluation unit.
  • the single figure shows a schematic representation of a preferred embodiment of a distance measuring module according to the invention for measuring a distance 01 in a mechanical bearing (not shown).
  • the distance measuring module comprises a sensor 02 for measuring the distance and a signal processing unit 03 for measuring signal preprocessing of an output signal of the sensor 02.
  • the sensor 02 and the signal processing unit 03 are arranged in a housing 04.
  • the housing 04 has a mechanical connection 06, via which it can be installed in or on the mechanical bearing (not shown).
  • the distance measuring module has a power supply and
  • Communication connection 07 via which it is supplied and controlled by electrical voltage and via which a signal output by the signal processing unit 03 distance measuring signal to the outside of the distance measuring module is transferable.

Abstract

Abstandsmessmodul zur Messung eines Abstandes (01) in oder an einem mechanischen Lager. Das Abstandsmessmodul umfasst einen Sensor (02) zur Messung eines eine Lagerzustandsgröße bildenden Abstandes (01). Das Abstandsmessmodul umfasst weiterhin eine elektrische Schnittstelle (07) zur Ausgabe eines Abstandsmesssignals an ein Infrastrukturmodul und eine mechanische Schnittstelle (06) zur mechanischen Anordnung des Abstandsmessmoduls in einer Modulaufnahme des Lagers. Im Weiteren betrifft die Erfindung einen Sensorsatz in Form eines Baukastens, auf dessen Basis mechanische Lager zu Sensorlagern ausgebaut werden können. Die Erfindung betrifft zudem eine Lageranordnung in Form eines Sensorlagers.

Description

Abstandsmessmodul zur Messung eines Abstandes in einem Lager sowie
Sensorsatz und Lageranordnung
Die vorliegende Erfindung betrifft zunächst ein Abstandsmessmodul zur Messung eines Abstandes in oder an einem mechanischen Lager. Im Weiteren betrifft die Erfindung einen Sensorsatz in Form eines Baukastens, auf dessen Basis
mechanische Lager zu Sensorlagern ausgebaut werden können. Die Erfindung betrifft zudem eine Lageranordnung in Form eines Sensorlagers. Die DE 101 36 438 A1 lehrt eine Sensoranordnung in einem Wälzlager, bei welcher mehrere Sensorelemente in Lagerschalen des Wälzlagers integriert sind. Die
Sensorelemente können über einen Digitalbus angeschlossen sein.
Aus der DE 10 2009 037 424 A1 ist eine Lageranordnung mit einem
Schmiermittelsensor bekannt, welcher Informationen über den Zustand des
Schmiermittels an eine zentrale Empfangsstation sendet.
Die DE 102 36 790 C1 zeigt ein elektrisches Schaltgerät mit mehreren Polen, bei welchem jeder Pol zumindest einen Anschlusskontakt aufweist.
Aus der DE 100 64 420 B4 ist eine Vorrichtung zur dezentralen Erfassung und
Auswertung von physikalischen Ereignissen bekannt, bei welcher Messelemente über ein internes Bussystem programmierbar sind. Die DE 100 54 069 A1 zeigt eine Gebäudesteuerung mit einem Basissystem und mit einem Logiksystem. Das Basissystem umfasst mindestens ein Aktivmodul, während das Logiksystem mindestens ein Logikmodul umfasst.
Die DE 10 2009 021 469 A1 zeigt eine Sensorlagereinheit umfassend ein Wälzlager mit einem an einem Lagerring angeordneten Sensorgehäuse mit einer integrierten
Sensoreinrichtung zum Erfassen von Lagerbetriebszuständen. Das Sensorgehäuse ist als an Adapterring ausgebildet. Der Adapterring ist so bemessen, dass die radialen bzw. axialen Abmessungen der Sensorlagereinheit höchstens gleich denjenigen eines Kugellagers mit gleicher Tragleistung sind.
Die DE 10 2012 202 522 A1 beschreibt ein Sensorlager mit einem Wälzlager. Das Wälzlager umfasst einen Innenring, einen Außenring und dazwischen angeordnete Wälzkörper. Das Sensorlager beinhaltet weiterhin mindestens einen Messaufnehmer zur Messung der auf die Wälzkörper wirkenden Kräfte sowie eine
Kommunikationseinrichtung, welche einen Datenaustausch zwischen dem
Messaufnehmer und einem Signalempfänger erlaubt.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht ausgehend vom Stand der Technik darin, mechanische Lager flexibel für eine Abstandsmessung ausbilden zu können.
Die genannte Aufgabe wird gelöst durch ein Abstandsmessmodul gemäß dem beigefügten Anspruch 1 , durch einen Sensorsatz gemäß dem beigefügten
nebengeordneten Anspruch 9 sowie durch eine Lageranordnung gemäß dem beigefügten nebengeordneten Anspruch 10.
Das erfindungsgemäße Abstandsmessmodul dient zur Messung eines räumlichen Abstandes in bzw. an einem mechanischen Lager. Das Lager dient zum Lagern eines ersten Maschinenelementes gegenüber einem zweiten Maschinenelement. Bei dem mechanischen Lager handelt es sich bevorzugt um ein Wälzlager, um ein Linearlager oder um ein Gleitlager. Das Abstandsmessmodul ist dazu ausgebildet, in das Lager integriert oder nahe dem Lager angeordnet zu werden, wodurch das Lager zu einem Sensorlager erweitert wird. In dem Sensorlager sind der mit dem Abstandsmessmodul zu messende Abstand und ggf. weitere physikalische Größen während des Betriebes des mechanischen Lagers am mechanischen Lager messbar. Der zu messende Abstand ist bevorzugt zwischen einem Innenring und einem Außenring des Lagers gegeben. Der zu messende Abstand kann zudem auch eine andere physikalische Größe, wie z. B. eine Kraft repräsentieren. Insoweit kann das Abstandsmessmodul auch zur Messung einer oder mehrerer aus dem Abstand abgeleiteten physikalischen Größen dienen. Der zu messende Abstand ist bevorzugt proportional zu einer der anderen physikalischen Größen. Das erfindungsgemäße Abstandsmessmodul umfasst einen Sensor zur Messung des Abstandes. Dieser geometrische Abstand stellt eine Lagerzustandsgröße dar. Der Abstand kann innerhalb des Lagers, zwischen einer Komponente des Lagers und einem äußeren Element oder zwischen Elementen in einer Umgebung des Lagers ausgebildet sein.
Das erfindungsgemäße Abstandsmessmodul umfasst eine elektrische Schnittstelle zur Ausgabe eines Abstandsmesssignals an ein Infrastrukturmodul. Das
Abstandsmesssignal wird unmittelbar oder mittelbar mit dem Sensor gewonnen. Bei dem Abstandsmesssignal handelt es sich bevorzugt um ein Ausgangssignal des Sensors oder alternativ bevorzugt um das durch eine Messsignalvorverarbeitung vorverarbeitete Ausgangssignal des Sensors. Die elektrische Schnittstelle ist bevorzugt zur Datenübertragung ausgebildet, um das Abstandsmesssignal in Form von digitalen Daten auszugeben. Die elektrische Schnittstelle ist weiterhin bevorzugt zur Übertragung einer Versorgungsspannung zur elektrischen Versorgung des
Abstandsmessmoduls ausgebildet. Die elektrische Schnittstelle ist weiterhin bevorzugt zur Übertragung von Steuerdaten zur Steuerung des Abstandsmessmoduls
ausgebildet. Das Infrastrukturmodul ist zur Realisierung von
Kommunikationsaufgaben und/oder zur Speicherung und/oder Verarbeitung des Abstandsmesssignals ausgebildet. Es weist eine elektrische Schnittstelle auf, über welche es mit dem Abstandsmessmodul elektrisch verbindbar ist. Das
Infrastrukturmodul ist bevorzugt zur Anordnung in dem Lager ausgebildet. Das erfindungsgemäße Abstandsmessmodul umfasst eine mechanische Schnittstelle zur mechanischen Anordnung des Abstandsmessmoduls in einer Modulaufnahme des Lagers. Somit kann das Abstandsmessmodul in das Lager integriert werden. Das Abstandsmessmodul ist bevorzugt in der Modulaufnahme des Lagers befestigbar. Das Abstandsmessmodul ist bevorzugt unlösbar in der Modulaufnahme des Lagers befestigbar.
Ein besonderer Vorteil des Abstandsmessmoduls besteht darin, dass es eine flexible Erweiterung eines mechanischen Lagers zur Abstandsmessung erlaubt, durch welche ein Condition Monitoring des Lagers oder eines das Lager umgebenden Systems ermöglicht ist.
Das erfindungsgemäße Abstandsmessmodul umfasst bevorzugt ein Gehäuse, in welchem der Sensor angeordnet ist und an welchem die mechanische Schnittstelle ausgebildet ist. Die mechanische Schnittstelle ist bevorzugt durch eine äußere Form des Gehäuses definiert. Die mechanische Schnittstelle umfasst weiterhin bevorzugt Befestigungselemente am Gehäuse. Der Sensor ist bevorzugt durch einen Wirbelstromsensor gebildet. Es können aber auch andere Messprinzipien zur Messung des Abstandes zur Anwendung kommen.
Der Wirbelstromsensor umfasst bevorzugt einen Schwingkreis, welcher bevorzugt durch einen Kondensator und durch eine Spule gebildet ist. Der Wirbelstromsensor umfasst zudem bevorzugt einen Oszillator zum Erregen des Schwingkreises.
Der Wirbelstromsensor ist bevorzugt zur Messung des Abstandes zu einer elektrisch leitfähigen Oberfläche ausgebildet. Die elektrisch leitfähige Oberfläche kann innerhalb des Lagers oder außerhalb des Lagers gegeben sein und definiert einen Endpunkt des zu messenden Abstandes.
Die elektrisch leitfähige Oberfläche ist bevorzugt auf einem Ring ausgebildet. Der Ring besteht bevorzugt aus einem Metall. Der Ring ist bevorzugt zur Anbringung an einem Lagerring des Lagers ausgebildet. Die elektrisch leitfähige Oberfläche ist bevorzugt auf der Mantelfläche oder einer der Seitenflächen des Rings ausgebildet.
Bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Abstandsmessmoduls umfassen weiterhin eine Signalverarbeitungseinheit, die für verschiedene Funktionen ausgebildet sein kann. Die Signalverarbeitungseinheit ist bevorzugt zur
Messsignalvorverarbeitung des Ausgangsignals des Sensors ausgebildet, sodass die Signalverarbeitungseinheit zur Ausgabe des Abstandsmesssignals an die elektrische Schnittstelle ausgebildet ist. Die Messsignalvorverarbeitung umfasst bevorzugt eine Mittelwertbildung und/oder eine Offsetkorrektur. Die Signalverarbeitungseinheit ist bevorzugt auch zur Kodierung des digitalen Abstandsmesssignals ausgebildet, um eine Übertragung des digitalen Abstandsmesssignals über einen in der elektrischen Schnittstelle ausgebildeten Datenbus zu ermöglichen. Die Signalverarbeitungseinheit ist bevorzugt zur Korrektur von Messfehlern des Sensors ausgebildet. Hierfür ist die Signalverarbeitungseinheit bevorzugt zur Korrektur der Messfehler in Abhängigkeit von einer Temperatur und/oder von statischen und/oder dynamischen
elektromagnetischen Störfeldern ausgebildet. Die Signalverarbeitungseinheit ist bevorzugt zum Regeln des Schwingkreises im Wirbelstromsensor ausgebildet. Die Signalverarbeitungseinheit ist zudem bevorzugt zur Linearisierung des
Ausgangssignals ausgebildet. Das Signal des Sensors wir dann so verarbeitet, dass das erzeugte Ausgabesignal linear proportional zum durch den Sensor gemessenen Abstand ist. Die Signalverarbeitungseinheit ist bevorzugt gemeinsam mit dem Sensor im Gehäuse angeordnet. Somit bildet das Abstandsmessmodul ein kompaktes Modul, welches bereits die Signalverarbeitung ermöglicht.
Der erfindungsgemäße Sensorsatz ist für mechanische Lager vorgesehen und umfasst eine Vielzahl an Modulen, mit denen mindestens ein mechanisches Lager zu einem Sensorlager ausgebaut werden kann. Bei dem Sensorlager handelt es sich um das mechanische Lager, welches um eine Sensorik einschließlich der für den Betrieb der Sensorik notwendigen Komponenten ergänzt ist, sodass mindestens eine physikalische Größe während des Betriebes des mechanischen Lagers am
mechanischen Lager messbar ist. Zur Erweiterung des mechanischen Lagers zum Sensorlager sind aus dem Sensorsatz mehrere Module auszuwählen und am mechanischen Lager anzuordnen. Insoweit stellt der erfindungsgemäße Sensorsatz einen Baukasten dar. Bei dem mechanischen Lager handelt es sich bevorzugt um ein Wälzlager. Die zu messenden physikalischen Größen umfassen zumindest einen Abstand oder eine daraus abgeleitete physikalische Größe.
Die Module des erfindungsgemäßen Sensorsatzes umfassen eine Mehrzahl von Funktionsmodulen zum Messen von Lagerzustandsgrößen und/oder zum Auslösen und/oder Aktivieren vorgegebener Ereignisse unter vorgegebenen Bedingungen. Die verschiedenen Funktionsmodule weisen jeweils eine elektrische Schnittstelle auf, hinsichtlich derer sie kompatibel sind. Somit sind die verschiedenen Funktionsmodule bezüglich ihrer elektrischen Schnittstelle gegeneinander austauschbar. Mindestens eines der Funktionsmodule ist durch das erfindungsgemäße Abstandsmessmodul gebildet. Bevorzugt ist dieses Funktionsmodul durch eine bevorzugte
Ausführungsform des erfindungsgemäßen Abstandsmessmoduls gebildet.
Die Module des erfindungsgemäßen Sensorsatzes umfassen weiterhin eine Mehrzahl von Infrastrukturmodulen zur Realisierung von Kommunikationsaufgaben und/oder zur Speicherung und/oder Verarbeitung vorgegebener und/oder erfasster Daten. Die verschiedenen Infrastrukturmodule weisen jeweils eine elektrische Schnittstelle auf, über welche sie mit zumindest mehreren der Funktionsmodule interoperabel sind, sodass die verschiedenen Infrastrukturmodule dazu beitragen, die Funktion der jeweiligen Funktionsmodule zu gewährleisten. Mindestens eines der
Infrastrukturmodule ist durch eine Signalauswerteeinheit zur Auswertung des
Abstandsmesssignals gebildet. Somit steht die Signalauswerteeinheit mit dem
Abstandsmessmodul in einem funktionellen Zusammenhang. Während das
Abstandsmessmodul bevorzugt das Abstandsmesssignal in Form von
vorverarbeiteten Rohdaten zur Verfügung stellt, dient die Signalauswerteeinheit bevorzugt zur Auswertung der vorverarbeiteten Rohdaten. Diese beiden Funktionen werden somit nicht durch ein einziges Modul, sondern durch zwei Module, d. h. in zwei verschiedenen baulichen Einheiten realisiert. Die elektrische Schnittstelle der Signalauswerteeinheit ist zumindest mit der elektrischen Schnittstelle des
Abstandsmessmoduls interoperabel.
Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Sensorsatzes besteht darin, dass er die flexible Erweiterung eines mechanischen Lagers erlaubt, durch welche ein
Condition Monitoring des Lagers oder eines das Lager umgebenden Systems ermöglicht ist.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Sensorsatzes besteht darin, dass er die flexible Erweiterung eines mechanischen Lagers erlaubt, durch welche neue oder verbesserte Funktionalitäten des das Lager beinhaltenden Systems ermöglicht werden können, indem das um den Sensorsatz erweiterte Lager beispielsweise dem System Regelgrößen zur Verfügung stellt. Bei besonders bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen
Sensorsatzes ist die Signalauswerteeinheit auch zur Auswertung von Signalen weiterer der verschiedenen Funktionsmodule ausgebildet. Es handelt sich somit um eine gemeinsame Signalauswerteeinheit. Bei bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Sensorsatzes weisen das Abstandsmessmodul und alle weiteren der Funktionsmodule jeweils eine elektrische Schnittstelle auf, hinsichtlich derer sie kompatibel sind, sodass alle
Funktionsmodule hinsichtlich ihrer elektrischen Anbindung gegeneinander
austauschbar sind.
Bei bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Sensorsatzes weisen das Abstandsmessmodul und mindestens ein weiteres der Funktionsmodule jeweils eine äußere Form auf, hinsichtlich derer sie kompatibel sind. Somit sind das
Abstandsmessmodul und das mindestens eine weitere der Funktionsmodule innerhalb eines dafür vorgesehenen Lagerbauraumes im Lager gegeneinander austauschbar. Bevorzugt weisen das Abstandsmessmodul und alle weiteren der Funktionsmodule jeweils eine äußere Form auf, hinsichtlich derer sie kompatibel sind.
Bei bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Sensorsatzes weisen das Abstandsmessmodul und mindestens ein weiteres der Funktionsmodule jeweils mindestens ein Befestigungselement auf, hinsichtlich dessen sie kompatibel sind. Somit sind das Abstandsmessmodul und das mindestens eine weitere der
Funktionsmodule jeweils innerhalb einer dafür vorgesehenen Modulaufnahme im Lager befestigbar. Das mindestens eine Befestigungselement ist beispielsweise durch einen Stift oder durch eine Schraube gebildet. Bevorzugt weisen das
Abstandsmessmodul und alle weiteren der Funktionsmodule jeweils mindestens ein Befestigungselement auf, hinsichtlich dessen sie kompatibel sind. Bei bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Sensorsatzes sind das Abstandsmessmodul und mindestens ein weiteres der Funktionsmodule jeweils mit der Signalauswerteeinheit interoperabel, sodass sie gemeinsam betreibbar oder auch gegeneinander austauschbar sind. Bevorzugt sind das Abstandsmessmodul und alle weiteren der Funktionsmodule jeweils mit der Signalauswerteeinheit interoperabel.
Die Module des erfindungsgemäßen Sensorsatzes umfassen bevorzugt weiterhin eine Mehrzahl von Versorgungsmanagementmodulen zur Versorgung von
Lagerkomponenten, wobei die zu versorgenden Lagerkomponenten durch Module aus dem Sensorsatz und/oder durch andere Komponenten des mechanischen Lagers gebildet sind. Zumindest mehrere der Versorgungsmanagementmodule sind bevorzugt verschieden. Die Gruppe der Versorgungsmanagementmodule umfasst bevorzugt mindestens ein Modul zur Versorgung von Sensorlagerkomponenten mit elektrischer Energie. Das mindestens eine Modul zur Versorgung mit elektrischer Energie ist bevorzugt zur Versorgung des Abstandsmessmoduls und/oder der
Signalauswerteeinheit mit elektrischer Energie ausgebildet. Das mindestens eine Modul zur Versorgung mit elektrischer Energie ist bevorzugt durch ein
Spannungsversorgungsmodul, durch ein Akkumulatormodul, durch ein Batteriemodul, durch ein Kondensatormodul, durch ein Energiemanagementmodul, durch ein Energy- Harvesting-Modul, durch ein Generatormodul, durch ein Signal- und
Energiedurchleitmodul und/oder durch ein Energieschnittstellenmodul für externe Geräte gebildet.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform sind die weiteren Funktionsmodule zum Messen von Lagerzustandsgrößen, wie Beschleunigung, Drehzahl, Temperatur, Kraft, Drehwinkel und/oder Schmierstoffqualität gebildet. Des Weiteren können die weiteren Funktionsmodule zum Ansteuern von Schmierstoff pumpen oder zum optischen oder akustischen Anzeigen von Meldungen ausgebildet sein. Zur Gruppe der weiteren Funktionsmodule gehört bevorzugt auch ein Servicemodul, welches unter
vorgegebenen Bedingungen entsprechende Aktivitäten auslöst.
Mindestens ein weiteres der Infrastrukturmodule ist bevorzugt zur elektrischen
Anbindung der Module an ein Verbindungsmedium ausgebildet. Dabei handelt es sich bevorzugt um ein Schnittstellenmodul, welches die elektrische Schnittstelle an die jeweilige Umgebung anpasst, zum Beispiel eine Schnittstelle mit Strömen zwischen 4 mA und 20 mA oder Ethernet. Zu den im Sensorsatz vorzugsweise enthaltenen Infrastrukturmodulen zählen weiterhin ein Funkmodul, ein RFID-Modul, ein NFC- Modul, ein Speichermodul, ein Kabelmodul, ein Identifikationsmodul und/oder ein Betriebsstundenmodul. Im Speichermodul können beispielsweise die von den
Funktionsmodulen erfassten Messdaten gespeichert werden. Außerdem kann das Speichermodul auch zum Speichern von Referenzdaten dienen. Nach einer vorteilhaften Ausführungsform ist das Verbindungsmedium ein Bussystem. Das Verbindungsmedium kann auch ein drahtgebundenes Bussystem sein.
Mindestens eines der Infrastrukturmodule ist bevorzugt zum drahtlosen
Datenaustausch ausgebildet.
Die Module sind bevorzugt für ein Wälzlager vorgesehen, sodass sie zumindest teilweise in einen Wälzlagerbauraum integrierbar sind. Grundsätzlich können die Module für Linearlager oder für rotative Lager vorgesehen sein. Die erfindungsgemäße Lageranordnung umfasst ein mechanisches Lager zum Lagern eines Maschinenelementes. Weiterhin umfasst die erfindungsgemäße
Lageranordnung mindestens eines der Funktionsmodule des erfindungsgemäßen Sensorsatzes. Bevorzugt umfasst die erfindungsgemäße Lageranordnung mindestens zwei der Funktionsmodule des erfindungsgemäßen Sensorsatzes. Jedenfalls umfasst die erfindungsgemäße Lageranordnung das erfindungsgemäße Abstandsmessmodul. Daher ist das eine Funktionsmodul der erfindungsgemäßen Lageranordnung bzw. mindestens eines der mehreren Funktionsmodule der erfindungsgemäßen
Lageranordnung durch das erfindungsgemäße Abstandsmessmodul gebildet. Die erfindungsgemäße Lageranordnung umfasst weiterhin mindestens eines der
Infrastrukturmodule des erfindungsgemäßen Sensorsatzes. Das mindestens eine Infrastrukturmodul umfasst zumindest die Signalauswerteeinheit. Die elektrische Schnittstelle des Abstandsmessmoduls ist elektrisch mit der elektrischen Schnittstelle der Signalauswerteeinheit verbunden, sodass das vorverarbeitete
Abstandsmesssignal zur Signalauswerteeinheit geführt ist.
Bevorzugt weist die erfindungsgemäße Lageranordnung auch diejenigen Merkmale auf, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Abstandsmessmodul und mit dem erfindungsgemäßen Sensorsatz sowie deren bevorzugten Ausführungsformen angegeben sind.
Die erfindungsgemäße Lageranordnung ist durch das Abstandsmessmodul und durch die Signalauswerteeinheit bevorzugt für ein Condition Monitoring des Lagers oder eines das Lager umgebenden Systems ausgebildet.
Die erfindungsgemäße Lageranordnung ist durch das Abstandsmessmodul und durch die Signalauswerteeinheit außerdem bevorzugt für die Bereitstellung von Regelgrößen an das das Lager umgebende System ausgebildet.
Die Module der Lageranordnung können im Bedarfsfall mit außerhalb des Lagers befindlichen Systemen gekoppelt werden. Beispielsweise kann eine Ankopplung einzelner Module an externe Energieversorgungssysteme bzw. externe Einrichtungen zur Datenverarbeitung und Datenauswertung erfolgen. Das außerhalb des Lagers befindliche System kann im Bedarfsfall auch ein oder mehrere der Infrastrukturmodule des Sensorsatzes enthalten, wie beispielsweise die Signalauswerteeinheit.
Weitere Einzelheiten, Vorteile und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, unter Bezugnahme auf die Zeichnung.
Die einzige Figur zeigt eine Prinzipdarstellung einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Abstandsmessmodul zur Messung eines Abstandes 01 in einem mechanischen Lager (nicht gezeigt). Das Abstandsmessmodul umfasst einen Sensor 02 zur Messung des Abstandes und eine Signalverarbeitungseinheit 03 zur Messsignalvorverarbeitung eines Ausgangsignals des Sensors 02. Der Sensor 02 und die Signalverarbeitungseinheit 03 sind in einem Gehäuse 04 angeordnet. Das Gehäuse 04 verfügt über eine mechanische Anbindung 06, über welche es in oder an das mechanische Lager (nicht gezeigt) einbaubar ist. Das Abstandsmessmodul verfügt über eine Spannungsversorgungs- und
Kommunikationsanbindung 07, über welche es mit elektrischer Spannung versorgt und gesteuert wird und über welche ein von der Signalverarbeitungseinheit 03 ausgegebenes Abstandsmesssignal nach außerhalb des Abstandsmessmoduls übertragbar ist.
Bezugszeichenliste Abstand
Sensor
Signalverarbeitungseinheit
Gehäuse
- mechanische Anbindung
Spannungsversorgungs- und Kommunikationsanbindung

Claims

Patentansprüche
1 . Abstandsmessmodul zur Messung eines Abstandes (01 ) in oder an einem
mechanischen Lager, umfassend:
- einen Sensor (02) zur Messung eines eine Lagerzustandsgröße bildenden Abstandes (01 );
- eine elektrische Schnittstelle (07) zur Ausgabe eines Abstandsmesssignals an ein Infrastrukturmodul; und
- eine mechanische Schnittstelle (06) zur mechanischen Anordnung des
Abstandsmessmoduls in einer Modulaufnahme des Lagers.
2. Abstandsmessmodul nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass es ein Gehäuse (04) umfasst, in welchem der Sensor (02) angeordnet ist und an welchem die mechanische Schnittstelle (06) ausgebildet ist.
3. Abstandsmessmodul nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (02) durch einen Wirbelstromsensor gebildet ist.
4. Abstandsmessmodul nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der
Wirbelstromsensor einen Schwingkreis und einen Oszillator zum Erregen des Schwingkreises umfasst.
5. Abstandsmessmodul nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Wirbelstromsensor zur Messung des Abstandes (01 ) zu einer elektrisch leitfähigen Oberfläche ausgebildet ist.
6. Abstandsmessmodul nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die
elektrisch leitfähigen Oberfläche auf einem Ring ausgebildet ist.
7. Abstandsmessmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, dass das Abstandsmessmodul weiterhin eine
Signalverarbeitungseinheit (03) umfasst, die konfiguriert ist:
- für eine Messsignalvorverarbeitung eines Ausgangsignals des Sensors (02), um das Abstandsmesssignal auszugeben; - für eine Kodierung des digitalen Abstandsmesssignals zur Übertragung über einen in der elektrischen Schnittstelle (07) ausgebildeten Datenbus;
- für eine Korrektur von Messfehlern des Sensors (02);
- für eine Regelung des Schwingkreises im Wirbelstromsensor; und/oder
- für eine Linearisierung des Ausgangssignals.
Abstandsmessmodul nach dem auf Anspruch 2 rückbezogenen Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalverarbeitungseinheit (03) im Gehäuse (04) angeordnet ist.
Sensorsatz für mechanische Lager, umfassend eine Vielzahl von Modulen, wobei die Module umfassen:
- eine Mehrzahl von Funktionsmodulen zum Messen von
Lagerzustandsgrößen (01 ) und/oder zum Auslösen und/oder Aktivieren vorgegebener Ereignisse unter vorgegebenen Bedingungen, wobei die Funktionsmodule jeweils eine elektrische Schnittstelle (07) aufweisen, hinsichtlich derer sie kompatibel sind, und wobei mindestens eines der Funktionsmodule durch ein Abstandsmessmodul zur Messung eines
Abstandes (01 ) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 gebildet ist; und
- eine Mehrzahl von Infrastrukturmodulen zur Realisierung von
Kommunikationsaufgaben und/oder zur Speicherung und/oder Verarbeitung vorgegebener und/oder erfasster Daten, wobei die Infrastrukturmodule jeweils eine elektrische Schnittstelle aufweisen, über welche sie mit zumindest mehreren der Funktionsmodule interoperabel sind, und wobei mindestens eines der Infrastrukturmodule durch eine Signalauswerteeinheit zur Auswertung des Abstandsmesssignals des Abstandsmessmoduls gebildet ist.
Lageranordnung, umfassend:
- ein mechanisches Lager zum Lagern eines Maschinenelementes;
- mindestens eines der Funktionsmodule des Sensorsatzes nach Anspruch 9, umfassend zumindest das Abstandsmessmodul zur Messung eines
Abstandes (01 ); und - mindestens eines der Infrastrukturmodule des Sensorsatzes nach Anspruch 9, wobei das mindestens eine Infrastrukturmodul zumindest die
Signalauswerteeinheit umfasst, und wobei die elektrische Schnittstelle (07) des Abstandsmessmoduls elektrisch mit der elektrischen Schnittstelle der Signalauswerteeinheit verbunden ist.
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