DE10049019A1 - Verfahren und Vorrichtung zur drahtlosen Messung wenigstens eines aus einer Drehbewegung eines Objekts, insbesondere Rotors resultierenden Parameters - Google Patents

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 und 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

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 beispiels­ weise Drehzahl, Beschleunigung, Schwingungen aufgrund unrun­ den Laufs und dergleichen, werden aktive Sensoren auf Halb­ leiterbasis, welche an eine Stromversorgungsquelle ange­ schlossen werden müssen, zum Einsatz gebracht.

Aus der Funksensorik sind Sensorelemente bekannt, welche ein elektromagnetisches Abfragesignal zwischenspeichern und bei der Zwischenspeicherung in ein akustisches Signal in Form von Oberflächenwellen wandeln. Solche Bauelemente kommen in vie­ len Variationen als funkabfragbare oder selbstsendende Senso­ ren, Identifikationsmarken oder Filter zum Einsatz. Ausfüh­ rungsformen nach dem Stand der Technik sind zum Beispiel in DE 198 60 058 C1, EP 0 746 775 B1, EP 0 655 701 B1, EP 0 651 344 B1, EP 0 619 906 B1, 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 Grundverzö­ gerung und/oder Frequenz individuell modifiziert werden. Das modifizierte Signal wird als codiertes elektromagnetisches Antwortsignal zur Abfragestation, welche das Abfragesignal gesendet hat, zurückgesendet.

Ein derartiges OFW-Bauelement arbeitet passiv, d. h. es benö­ tigt keine eigene Energiequelle bzw. Stromversorgung. Der Energiebedarf wird über das durch den Empfang eingespeicherte elektromagnetische Abfragesignal gedeckt. Derartige als pas­ sive 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 Dreh­ bewegung 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 Patentan­ spruches 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 Ro­ tors, resultierenden Parameters ein elektromagnetisches Ab­ fragesignal von einem bestimmten Sendeort zu dem rotierenden Objekt ausgesendet. Am rotierenden Objekt ist ein energie­ speicherndes Sensorelement vorgesehen, in welchem ein über Funk eingespeistes Abfragesignal moduliert und als Antwort­ signal am Sendeort empfangen wird. Aus dem sinusförmigen Ver­ lauf der Laufzeiten und/oder der Phasenlagen der Antwortsig­ nale 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 sinus­ förmigen Verlauf der Laufzeiten und/oder Phasenlagen der Antwortsignale enthält ferner eine Information über die jeweili­ ge Drehwinkellage des sich drehenden Objektes bzw. Rotors.

Ferner kann aus der Änderung der Frequenz des sinusförmigen Verlaufs der Laufzeit und/oder der Phasenlage der Antwortsig­ nale 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 Drehwinkelsensör 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 ermit­ telt werden. Diese Instabilität kann aus Lagerschwingungen oder durch Unwucht bewirkte Schwingungen resultieren. Durch entsprechende Auswertung dieser Signale kann daher beispiels­ weise 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 zuein­ ander. Die Antwortsignale besitzen bevorzugt eine individuel­ le Codierung.

Als Sensorelemente eignen sich bevorzugt OFW-Bauelemente. Es können jedoch auch elektrische oder mechanische Schwingkrei­ se, wie beispielsweise Quarz, Volumenschwinger oder LC- Schwingkreise zum Einsatz kommen. Beim Einsatz von energiespeichernden Sensorelementen, wie beispielsweise OFW- Bauelementen wird die Energie im Bauelement so lange gespei­ chert, 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 Antwort­ signale sind daher von den Umgebungsechos zeitlich getrennt. Für die Durchführung der Messung ist keine direkte Sichtver­ bindung zwischen der Abfragestation und dem Sensorelement er­ forderlich. Ferner genügen geringe Anforderungen an die Jus­ tierung.

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

Anhand der Figuren wird an Ausführungsbeispielen die Erfin­ dung 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 Abfrageim­ pulse 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. Pha­ senlagen der empfangenen Antwortsignale auf einem Objekt.

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 Abfrageimpul­ se 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 Abfrageein­ richtung 1. Mit der Änderung dieses Abstandes ändern sich auch die Phasenlagen und/oder Signallaufzeiten der Antwort­ signale. 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 Rotati­ on des Objektes 4 um die Drehachse 17 ergibt sich als Mess­ größe für die Signallaufzeiten bzw. Phasenlagen der Antwort­ signale 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 Pe­ riodendauer des sinusförmigen Verlaufs der Messgröße. Aus der Änderung der Frequenz bzw. Periodendauer des sinusförmigen Verlaufs der Signallaufzeit bzw. Phasenlage der Antwortsigna­ le lässt sich die Beschleunigung oder Abbremsung der Drehbe­ wegung 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.

Gemäß Fig. 3 kann an den Empfänger 3 der Abfrageeinrichtung 1 ein Sinusdetektor 14 angeschlossen sein. Der Sinusdetektor 14 erfasst den Verlauf der Signallaufzeiten und/oder der Phasen­ lagen der Antwortsignale über der Zeit in einer Sinuskurve, wie sie in der Fig. 5 dargestellt ist. An den Sinusdetektor 14 ist eine Auswerteeinrichtung 8 angeschlossen, welche eine Frequenzmesseinrichtung 15 aufweisen kann. Diese Frequenz­ messeinrichtung leitet aus der Periodendauer des sinusförmi­ gen Verlaufs der Messgröße (Fig. 5) die Drehzahl des sich um die Drehachse 17 drehenden Objektes 4 ab.

Die Auswerteeinrichtung 8 kann ferner einen Frequenzdetektor 10 aufweisen, welcher eine Frequenzänderung erfasst. Hieraus lässt sich eine Beschleunigung oder Abbremsung der Drehung des Objektes 4 ableiten.

Ferner kann die Auswerteeinrichtung 8 einen Detektor 11 auf­ weisen, der zur Erfassung einer Abweichung vom sinusförmigen Verlauf der Laufzeiten und/oder Phasenlagen der Antwortsigna­ le dient. Hieraus lässt sich eine Schwingung des sich drehen­ den Objektes erfassen. Diese Schwingung kann aus Lagerschwin­ gungen und/oder einer Rotorunwucht des sich drehenden Objek­ tes 4 resultieren. Durch entsprechende Kalibrierung kann aus einer Abweichung vom sinusförmigen Verlauf eine Rotorunwucht gegebenenfalls bestimmt werden.

Beim Ausführungsbeispiel der Fig. 2 sind ein oder mehrere passive Referenz-Sensorelemente 12, 13 vorgesehen. Das Refe­ renz-Sensorelement 12 befindet sich auf dem drehbaren Objekt 4 und nimmt gegenüber dem Sensorelement 5 eine bestimmte Win­ kelposition auf dem drehbaren Objekt 4 bzw. Rotor ein. Die Empfangs-/Sendeantenne 6 des Sensorelementes 5 bewegt sich auf einer Kreisbahn 20 und die Empfangs-/Sendeantenne 6 des Referenz-Sensorelementes 12 bewegt sich auf einer davon ver­ schiedenen Kreisbahn 21. Das Referenz-Sensorelement 13 befin­ det sich ortsfest außerhalb des drehbaren Objektes 4. Auch die beiden Referenz-Sensorelemente 12, 13 besitzen Empfangs- /Sendeantennen 6. Es kann ein Referenz-Sensorelement, das am drehbaren Objekt 4 vorgesehen ist oder außerhalb des drehba­ ren 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 Posi­ tionsbestimmung 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 Refe­ renz-Sensorelementes direkt bestimmt werden. Ferner können Korrelationsverfahren in der Signalauswertung verwendet wer­ den, 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 je­ weilige Position entlang der Abszisse entspricht einem be­ stimmten Drehwinkel.

In der Fig. 4 ist ein Ausführungsbeispiel für ein energie­ speicherndes als Transponder ausgebildetes Sensorelement dar­ gestellt. Dieses Sensorelement 5 besitzt auf einem piezo­ elektrischen Substrat 18 einen Interdigitalwandler 16, in welchen über die Empfangs-/Sendeantenne 6 von der Abfrageein­ richtung 1 gesendete Abfrageimpulse eingeleitet werden. Diese Signale werden in eine sich im wesentlichen an der Oberflä­ che des piezoelektrischen Substrats 18 ausbreitende mechani­ sche (akustische) Oberflächenwelle gewandelt. Diese Oberflächenwelle (OFW) wird in einer Modulationseinrichtung 7 modu­ liert. Die Modulationseinrichtung 7 kann aus unterschiedli­ chen Reflektorstrukturen oder auch aus durch Faltung gebilde­ te Resonatorstrukturen bestehen. Die Modulationseinrichtung 7 bildet eine reflektive Verzögerungsleitung. Ferner kann sie durch dispersive oder gechirpte Strukturen die Frequenz des akustischen Oberflächenwellensignals beeinflussen. Das re­ flektierte Oberflächenwellensignal wird vom Interdigitalwand­ ler 16 in ein elektromagnetisches Hochfrequenz-Antwortsignal zurückgewandelt und über die Empfangs-/Sendeantenne 6 zur Ab­ frageeinrichtung 1 zurückgesendet.

Das gepulste HF-Signal kann beispielsweise mit einer Frequenz von 2,45 GHz, 433,92 MHz oder sonstigen freigegebenen Funk­ frequenzen angeregt werden. Das modulierte Antwortsignal wird mit der jeweiligen vom Sensorelement 5 bzw. von den Sensor­ elementen 5, 12, 13 bei der Modulation bewirkten zeitlichen Verzögerung innerhalb welcher Umgebungsechos des Abfragesig­ nals abgeklungen sind, zur Abfrageeinrichtung 1 zurückgesen­ det und von der Sende-/Empfangsantenne 9 empfangen. Im Falle mehrerer Sensorelemente, insbesondere zusätzlicher Referenz- Sensorelemente 12, 13 kann jedem Sensorelement durch unter­ schiedliche Modulation eine bestimmte Codierung zugeordnet sein, welche den jeweiligen Antwortsignalen aufgeprägt ist. Hierdurch ist bei der Auswertung der Antwortsignale in der Auswerteeinrichtung 8 eine räumliche Zuordnung möglich.

Die Laufzeiten und/oder Phasenlagen aufeinanderfolgender von jeweiligen Abfrageimpulsen verursachter Antwortsignale ändern sich mit einem sinusförmigen Verlauf (Fig. 5) während der Drehung des Objektes 4 aufgrund der bei der Kreisbewegung sich ändernden Abstände der jeweiligen Empfangs-/Sendeantenne 6. Wie oben erläutert, kann dieses Messsignal entsprechend ausgewertet werden.

Claims (13)

1. Verfahren zur drahtlosen Messung wenigstens eines aus ei­ ner Drehbewegung eines Objektes resultierenden Parameters, bei dem ein elektromagnetisches Abfragesignal von einem be­ stimmten Sendeort zu dem Objekt ausgesendet wird und von dem Objekt Antwortsignale zurückgesendet werden, dadurch gekennzeichnet, 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 si­ nusförmigen 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, dadurch gekennzeichnet, 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, dadurch gekennzeichnet, dass aus der Änderung der Frequenz des sinusförmigen Verlaufs der Laufzeiten und/oder Phasenlagen der Antwortsignale die Be­ schleunigung oder Abbremsung der Drehbewegung des Objektes ermittelt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Antwortsignale eines oder mehrerer passiver Referenz- /Sensorelemente zusätzlich empfangen und ausgewertet werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass aus einer jeweiligen Abszissenposition des sinusförmigen Ver­ laufs der Laufzeiten und/oder Phasenlagen der Antwortsignale der entsprechende Drehwinkel des Objektes bestimmt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass aus Abweichungen vom sinusförmigen Verlauf der Laufzeiten und/oder Phasenlagen der Antwortsignale Schwingungen des sich drehenden Objektes erfasst werden.

7. Vorrichtung zur drahtlosen Messung wenigstens eines aus einer Drehbewegung eines Objektes, insbesondere Rotors resul­ tierenden Parameters gekennzeichnet durch
eine einen Sender (2) und Empfänger (3) für elektromag­ netische Wellen aufweisenden Abfrageeinrichtung (1);
wenigstens ein dem Objekt (4) zugeordnetes energiespei­ cherndes Sensorelement (5), in welches das elektromagne­ tisches Abfragesignal mittels einer Empfangs- /Sendeantenne (6) einleitbar ist;
eine Modulationseinrichtung (7) im Sensorelement (5), welche das Abfragesignal zur Bildung eines Antwortsig­ nals moduliert, wobei
das Antwortsignal über die Empfangs-/Sendeantenne (6) zum Empfänger (3) zurückgesendet wird; und
einen an den Empfänger (3) angeschlossenen Sinusdetektor (14), welcher den sinusförmigen Verlauf der Laufzeiten und/oder Phasenlagen der Antwortsignale erfasst; und
eine an den Sinusdetektor (14) angeschlossene Auswerte­ einrichtung (8), welche aus dem sinusförmigen Verlauf den wenigstens einen aus der Drehbewegung des Objektes (4) resultierenden Parameter ermittelt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (8) eine Frequenzmesseinrichtung (15) zur Ermittlung der Drehzahl des sich drehenden Objektes (4) aus der Frequenz des sinusförmigen Verlaufs der Laufzeit und/oder der Phasenlage der Antwortsignale aufweist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, 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, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (8) einen weiteren Detektor (11) zur Erfassung einer Abweichung vom sinusförmigen Verlauf der Laufzeiten und/oder Phasenlagen der Antwortsignale zur Erfas­ sung einer Schwingung des sich drehenden Objektes aufweist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass am drehbaren Objekt (4) und/oder außerhalb des drehbaren Ob­ jektes (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, dadurch gekennzeichnet, 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, dadurch gekennzeichnet, dass die passiven Sensorelemente (5, 12, 13) als OFW- Sensorelemente ausgebildet sind.