WO2002029434A1

WO2002029434A1 - Verfahren und vorrichtung zur drahtlosen messung wenigstens eines aus einer drehbewegung eines objektes, insbesondere rotors resultierenden parameters

Info

Publication number: WO2002029434A1
Application number: PCT/DE2001/003782
Authority: WO
Inventors: Franz Dollinger
Original assignee: Siemens Aktiengesellschaft
Priority date: 2000-10-04
Filing date: 2001-10-02
Publication date: 2002-04-11
Also published as: DE10049019A1

Abstract

Ein Verfahren und eine Vorrichtung zur drahtlosen Messung wenigstens eines aus einer Drehbewegung eines Objektes 4, insbesondere Rotors resultierenden Parameters, bei dem ein elektrisches Abfragesignal von einer Abfrageeinrichtung 1 zu einem Objekt 4 ausgesendet wird un von dem Objekt 4 Antwortsignale zurückgesendet werden, wobei dem Objekt 4 wenigstens ein energiespeicherndes Sensorelement 5 zugeordnet ist, das über Funk eingespeiste Abfragesignale moduliert und als Antwortsignale zur Abfrageeinrichtung 1 zurücksendet wobei aus dem sinusförmigen Verlauf der Laufzeiten und/oder Phasenlagen der Antwortsignale wenigstens ein aus der Drehbewegung des Objektes 4 resultierender Parameter, beispielsweise Drehzahl, Drehwinkel und dergleichen, ermittelt wird.

Description

Beschreibung

Verfahren und Vorrichtung zur drahtlosen Messung wenigstens eines aus einer Drehbewegung eines Objektes, insbesondere Rotors resultierenden Parameters

Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 und eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 7.

Bei der Messung von aus einer Drehbewegung eines Objektes, insbesondere Rotors resultierenden Parameters, wie beispielsweise Drehzahl, Beschleunigung, Schwingungen aufgrund unrunden Laufs und dergleichen, werden aktive Sensoren auf Halbleiterbasis, welche an eine Stromversorgungsquelle angeschlossen werden müssen, zum Einsatz gebracht.

Aus der Funksensorik sind Sensorelemenfe bekannt, welche ein elektromagnetisches Abfragesignal Zwischenspeichern und bei der Zwischenspeicherung in ein akustisches Signal in Form von Oberflächenwellen wandeln. Solche Bauelemente kommen in vielen Variationen als funkabfragbare oder selbstsendende Sensoren, Identifikationsmarken oder Filter zum Einsatz. Ausführungsformen nach dem Stand der Technik sind zum Beispiel in DE 198 60 058 Cl, EP 0 746 775 Bl, EP 0 655 701 Bl, EP 0 651 344 Bl, EP 0 619 906 Bl, US 5 691 698, US 5 841 214, US

5 966 008, US 5 691 698, US 5 910 779, US 6 029 324 und US

6 084 503 offenbart.

Das akustische Signal kann mit einer vorgegebenen Grundverzögerung und/oder Frequenz individuell modifiziert werden. Das modifizierte Signal wird als codiertes elektromagnetisches Antwortsignal zur Abfragestation, welche das Abfragesignal gesendet hat, zurückgesendet.

Ein derartiges OF -Bauelement arbeitet passiv, d.h. es benötigt keine eigene Energiequelle bzw. Stromversorgung. Der E- nergiebedarf wird über das durch den Empfang eingespeicherte elektromagnetische Abfragesignal gedeckt. Derartige als passive Transponder arbeitende OFW-Bauelemente kommen bei der Temperatur-, Druck- oder Drehmomentmessung zum Einsatz. Zur Modulation des akustischen Oberflächenwellensignals dienen unterschiedliche Reflektor- oder Resonatorstrukturen auf dem piezoelektrischen Substrat des OFW-Bauelements .

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrich- tung zur drahtlosen Messung wenigstens eines aus einer Drehbewegung eines Objektes, insbesondere Rotors resultierenden Parameters mit Hilfe eines einfachen Messsystems zu schaffen.

Diese Aufgabe wird beim erfindungsgemäßen Verfahren durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 und bei der Vorrichtung durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 7 gelöst.

Die Unteransprüche beinhalten vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.

Bei der Erfindung wird zur drahtlosen Messung des wenigstens einen aus einer Drehbewegung des Objektes, insbesondere Rotors, resultierenden Parameters ein elektromagnetisches Ab- fragesignal von einem bestimmten Sendeort zu dem rotierenden Objekt ausgesendet. Am rotierenden Objekt ist ein energiespeicherndes Sensorelement vorgesehen, in welchem ein über Funk eingespeistes Abfragesignal moduliert und als Antwortsignal am Sendeort empfangen wird. Aus dem sinusförmigen Ver- lauf der Laufzeiten und/oder der Phasenlagen der Antwortsignale wird der aus der Drehbewegung des Objektes resultierende Parameter ermittelt. Hierbei kann aus der Frequenz bzw. der Periodendauer des sinusförmigen Verlaufs der Laufzeit und/oder der Phasenlage der Antwortsignale die Drehzahl des Objektes ermittelt werden. Die jeweilige Position im sinusförmigen Verlauf der Laufzeiten und/oder Phasenlagen der Ant- wortsignale enthält ferner eine Information über die jeweilige Drehwinkellage des sich drehenden Objektes bzw. Rotors.

Ferner kann aus der Änderung der Frequenz des sinusförmigen Verlaufs der Laufzeit und/oder der Phasenlage der Antwortsignale die Beschleunigung oder Abbremsung der Drehbewegung des Objektes bzw. Rotors ermittelt werden. Über die Abweichung vom sinusförmigen Verlauf ist generell eine Bewegung der Drehachse messbar, wie sie z. B. bei gefedert gelagerten Ach- sen (beispielsweise bei Autoreifen) auftritt. Die Bestimmung der Bewegung, z. B. die Einfederung ist hierdurch möglich. Auch als Drehwinkelsensor z. B. bei einem Antiblockiersystem kann der Sensor verwendet werden. Ferner kann die Detektion von Temperatur, Kräften, Druck und Identifikation erreicht werden. Verzögerungs-/Beschleunigungsdaten können ebenfalls ermittelt werden.

Ferner kann aus einer Abweichung vom sinusförmigen Verlauf der Laufzeit und/oder der Phasenlage der Antwortsignale eine Instabilität der Drehbewegung des Objektes bzw. Rotors ermittelt werden. Diese Instabilität kann aus Lagerschwingungen oder durch Unwucht bewirkte Schwingungen resultieren. Durch entsprechende Auswertung dieser Signale kann daher beispielsweise die Unwucht des Rotors bzw. drehenden Objektes ermit- telt werden.

Ferner können die Antwortsignale eines oder mehrerer passiver Referenz-Sensorelemente ausgewertet werden. Hierbei haben die Empfangs-/Sendeantennen der einzelnen passiven Sensorelemente eine bestimmte Positionierung bzw. räumliche Anordnung zueinander. Die Antwortsignale besitzen bevorzugt eine individuelle Codierung.

Als Sensorelemente eignen sich bevorzugt OFW-Bauelemente. Es können jedoch auch elektrische oder mechanische Schwingkreise, wie _.beispielsweise Quarz, Volumenschwinger oder LC- Schwingkreise zum Einsatz kommen. Beim Einsatz von energie- speichernden Sensorelementen, wie beispielsweise OFW- Bauelementen wird die Energie im Bauelement so lange gespeichert, bis Umgebungsechos des Abfragesignals so weit abge^¬ klungen sind, dass die vom Sensorelement abgegebenen Antwort- signale relativ schwach sein können und dennoch vom Empfänger der Abfrageeinrichtung detektiert werden können. Die Antwortsignale sind daher von den Umgebungsechos zeitlich getrennt. Für die Durchführung der Messung ist keine direkte Sichtverbindung zwischen der Abfragestation und dem Sensorelement er- forderlich. Ferner genügen geringe Anforderungen an die Justierung.

Vorzugsweise kann das Messverfahren und die Messvorrichtung bei der Messung an Achsen, Wellen, Turbinen, insbesondere von Elektromotoren, rotierenden Teilen, insbesondere von Kraftfahrzeugen und anderen Rotoren zur Anwendung kommen.

Anhand der Figuren wird an Ausführungsbeispielen die Erfindung noch näher erläutert.

Es zeigt

Fig. 1 schematisch die Messanordnung eines ersten Ausfüh- rungsbeispiels ;

Fig. 2 schematisch die Messanordnung eines zweiten Ausfüh- rungsbeispiels ;

Fig. 3 ein Blockschaltbild für eine Abfragestation, von welcher die Abfragesignale, insbesondere Abfrageimpulse ausgesendet werden und die Antwortsignale, insbesondere Antwortimpulse empfangen werden sowie die Antwortsignale ausgewertet werden;

Fig. 4 schematisch den Aufbau eines Sensorelementes; und Fig. 5 den sinusförmigen Verlauf der Laufzeiten bzw. Phasenlagen der empfangenen Antwortsignale auf einem Obj ekt .

Auf einem um eine Drehachse 17 drehbaren Objekt 4 bzw. Rotor, von welchem in den Fig. 1 und 2 ein Objektteil dargestellt ist, befindet sich ein energiespeicherndes Sensorelement 5, beispielsweise in Form eines Oberflächenwellen (OFW) - Bauelements, wie es in der Fig. 4 schematisch dargestellt ist. Eine Abfrageeinrichtung, welche einen Sender 2 und einen Empfänger 3 (Fig. 3) aufweist, sendet über eine Sende- /Empfangsantenne 9 Abfragesignale, insbesondere Abfrageimpulse aus. Diese werden von einer Empfangs-/Sendeantenne 6 am jeweiligen Sensorelement 5 empfangen. Bei der Drehung des Ob- jektes 4 um die Drehachse 17 ändert sich der Abstand der Emp- fangs-/Sendeantenne 6 des Sensorelements 5 zur Abfrageeinrichtung 1. Mit der Änderung dieses Abstandes ändern sich auch die Phasenlagen und/oder Signallaufzeiten der Antwortsignale. Dies wird deutlich aus den in Fig. 1 dargestellten beiden Positionen des Objektes 4 auf einer Kreisbahn 19, auf welcher die Empfangs-/Sendeantenne 5 umläuft. Bei der Rotation des Objektes 4 um die Drehachse 17 ergibt sich als Messgröße für die Signallaufzeiten bzw. Phasenlagen der Antwortsignale ein sinusförmiger Verlauf über der Zeit, wie er in der Fig. 5 dargestellt ist. Aus diesem sinusförmigen Verlauf lässt sich die Drehzahl des Objektes 4 bzw. des Rotors bestimmen. Eine Umdrehung des Objektes 4 entspricht einer Periodendauer des sinusförmigen Verlaufs der Messgröße. Aus der Änderung der Frequenz bzw. Periodendauer des sinusförmigen Verlaufs der Signallaufzeit bzw. Phasenlage der Antwortsignale lässt sich die Beschleunigung oder Abbremsung der Drehbewegung des Objektes 4 bzw. Rotors ermitteln. Ferner können aus der Abweichung des Verlaufs der Messgröße von der idealen Sinus-Form (Klirrfaktor) Schwingungen des Rotors, die aus Laufruheabweichungen, beispielsweise Lagerschwingungen oder aus einer Rotorunwucht resultieren, erfasst werden. CO c ro r-υ P> P>

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1

/Sendeantennen 6. Es kann ein Referenz-Sensorelement, das am drehbaren Objekt 4 vorgesehen ist oder außerhalb des drehbaren Objektes 4 ortsfest angeordnet ist, vorgesehen sein. Es können jedoch auch mehrere Referenz-Sensorelemente am Objekt 4 und außerhalb des Objektes 4 vorgesehen sein. Für die Positionsbestimmung ist die jeweilige Position der Empfangs- /Sendeantenne bzw. der -antennen 6 wichtig. Die Lage dieser Antennen wird bestimmt.

Bei dem in der Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel kann der Drehwinkel des Objektes 4 bezüglich des jeweiligen Referenz-Sensorelementes direkt bestimmt werden. Ferner können Korrelationsverfahren in der Signalauswertung verwendet werden, wobei die Messgenauigkeit verbessert wird und Funkka- naleinschlüsse reduziert werden können.

Bei den Ausführungsbeispielen ist es von Vorteil, wenn die jeweiligen Empfangs-/Sendeantennen 6 der energiespeichernden Sensorelemente 5, 12, 13 eine feste räumliche Zuordnung zu- einander aufweisen.

Der jeweilige Drehwinkel des Objektes 4 lässt sich auch aus dem sinusförmigen Verlauf der Messgröße (Fig. 5) ermitteln. In der Fig. 5 ist eine Periode (2 π) , welche einer Umdrehung des Objektes 4 bzw. Rotors entspricht, dargestellt. Eine jeweilige Position entlang der Abszisse entspricht einem bestimmten Drehwinkel.

In der Fig. 4 ist ein Ausführungsbeispiel für ein energie- speicherndes als Transponder ausgebildetes Sensorelement dargestellt. Dieses Sensorelement 5 besitzt auf einem piezoelektrischen Substrat 18 einen Interdigitalwandler 16, in welchen über die Empfangs-/Sendeantenne 6 von der Abfrageeinrichtung 1 gesendete A frageimpulse eingeleitet werden. Diese Signale werden in eine sich im wesentlichen an der Oberfläche des -piezoelektrischen Substrats 18 ausbreitende mechanische (akustische) Oberflächenwelle gewandelt. Diese Oberflä- co K- tv> P¹ ** o Cπ O Cπ O Cπ

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Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur drahtlosen Messung wenigstens eines aus einer Drehbewegung eines Objektes resultierenden Parameters, bei dem ein elektromagnetisches Abfragesignal von einem bestimmten Sendeort zu dem Objekt ausgesendet wird und von dem Objekt AntwortSignale zurückgesendet werden, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass in einem dem Objekt zugeordneten energiespeichernden Sensorelement das ü- ber Funk eingespeiste Abfragesignal moduliert wird und als

Antwortsignal am Sendeort empfangen wird und dass aus dem sinusförmigen Verlauf der Laufzeiten und/oder der Phasenlagen der Antwortsignale der wenigstens eine aus der Drehbewegung des Objektes resultierende Parameter ermittelt wird.

2. Verfahren 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 aus der Frequenz des sinusförmigen Verlaufs der Laufzeiten und/oder Phasenlagen der Antwortsignale die Drehzahl des Ob- jektes ermittelt wird.

3. Verfahren 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 aus der Änderung der Frequenz des sinusförmigen Verlaufs der Laufzeiten und/oder Phasenlagen der Antwortsignale die Beschleunigung oder Abbremsung der Drehbewegung des Objektes ermittelt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Antwortsignale eines oder mehrerer passiver Referenz- /Sensorelemente zusätzlich empfangen und ausgewertet werden.

5. Verfahren 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 ω ro ro P¹ cn o Cπ o Cπ cn

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aus der Frequenz des sinusförmigen Verlaufs der Laufzeit und/oder der Phasenlage der Antwortsignale aufweist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Auswerteeinrichtung (8) ferner einen Frequenzdetektor (10) zur Erfassung einer Frequenzänderung für die Ermittlung einer Beschleunigung oder Abbremsung der Drehung des Objektes (4) aufweist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Auswerteeinrichtung (8) einen weiteren Detektor (11) zur Erfassung einer Abweichung vom sinusförmigen Verlauf der Laufzeiten und/oder Phasenlagen der Antwortsignale zur Erfassung einer Schwingung des sich drehenden Objektes aufweist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass am drehbaren Objekt (4) und/oder außerhalb des drehbaren Objektes (4) ein oder mehrere passive Referenz-Sensorelemente (12, 13) vorgesehen sind, wobei die jeweiligen Antwortsignale der passiven Sensorelemente (5, 12, 13) individuell codiert sind.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Empfangs-/Sendeantenne (6) der passiven Sensorelemente (5, 12, 13) eine feste räumliche Anordnung zueinander aufwei- sen.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 12, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die passiven Sensorelemente (5, 12, 13) als OFW- Sensorelemente ausgebildet sind.