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WO1997009596A2 - Verfahren und sensoreinrichtung zur erfassung von betriebsdaten an bewegten/rotierenden teilen einer vorrichtung, insbesondere eines elektromotors - Google Patents

Verfahren und sensoreinrichtung zur erfassung von betriebsdaten an bewegten/rotierenden teilen einer vorrichtung, insbesondere eines elektromotors Download PDF

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Publication number
WO1997009596A2
WO1997009596A2 PCT/DE1996/001646 DE9601646W WO9709596A2 WO 1997009596 A2 WO1997009596 A2 WO 1997009596A2 DE 9601646 W DE9601646 W DE 9601646W WO 9709596 A2 WO9709596 A2 WO 9709596A2
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
signal
sensor
evaluation
electromagnetic
sensor element
Prior art date
Application number
PCT/DE1996/001646
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
WO1997009596A3 (de
Inventor
Reinhard Maier
Wolf-Eckhart Bulst
Oliver Sczesny
Thomas Ostertag
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens Aktiengesellschaft filed Critical Siemens Aktiengesellschaft
Publication of WO1997009596A2 publication Critical patent/WO1997009596A2/de
Publication of WO1997009596A3 publication Critical patent/WO1997009596A3/de

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P3/00—Measuring linear or angular speed; Measuring differences of linear or angular speeds
    • G01P3/42—Devices characterised by the use of electric or magnetic means
    • G01P3/44—Devices characterised by the use of electric or magnetic means for measuring angular speed
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K13/00—Thermometers specially adapted for specific purposes
    • G01K13/04—Thermometers specially adapted for specific purposes for measuring temperature of moving solid bodies
    • G01K13/08—Thermometers specially adapted for specific purposes for measuring temperature of moving solid bodies in rotary movement
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
    • G01L1/16—Measuring force or stress, in general using properties of piezoelectric devices
    • G01L1/162—Measuring force or stress, in general using properties of piezoelectric devices using piezoelectric resonators
    • G01L1/165—Measuring force or stress, in general using properties of piezoelectric devices using piezoelectric resonators with acoustic surface waves
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L3/00—Measuring torque, work, mechanical power, or mechanical efficiency, in general
    • G01L3/02—Rotary-transmission dynamometers
    • G01L3/04—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft
    • G01L3/10—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft involving electric or magnetic means for indicating
    • G—PHYSICS
    • G08—SIGNALLING
    • G08C—TRANSMISSION SYSTEMS FOR MEASURED VALUES, CONTROL OR SIMILAR SIGNALS
    • G08C17/00—Arrangements for transmitting signals characterised by the use of a wireless electrical link
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S13/00—Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
    • G01S13/74—Systems using reradiation of radio waves, e.g. secondary radar systems; Analogous systems
    • G01S13/75—Systems using reradiation of radio waves, e.g. secondary radar systems; Analogous systems using transponders powered from received waves, e.g. using passive transponders, or using passive reflectors
    • G01S13/751—Systems using reradiation of radio waves, e.g. secondary radar systems; Analogous systems using transponders powered from received waves, e.g. using passive transponders, or using passive reflectors wherein the responder or reflector radiates a coded signal
    • G01S13/755—Systems using reradiation of radio waves, e.g. secondary radar systems; Analogous systems using transponders powered from received waves, e.g. using passive transponders, or using passive reflectors wherein the responder or reflector radiates a coded signal using delay lines, e.g. acoustic delay lines

Definitions

  • the present invention relates to a method and a surface wave sensor device for recording operating data on moving, in particular rotating, force-transmitting parts of a device. More particularly, the invention relates to torque measurement and / or speed measurement in a force-generating, force-transmitting and / or force-absorbing mechanical device.
  • a force-generating, force-transmitting and / or force-absorbing mechanical device can be a motor, in particular an electric motor. It can also be a powered device, such as a dynamo.
  • the method according to the invention can also be used for sensor devices on rotating, only passive force or torque transmitting devices, such as drive shafts and the like.
  • the long-term and / or instantaneous temperature of the rotor is also of interest, in particular in order to be able to anticipate or detect harmful overload in good time and, if necessary, to take countermeasures in good time.
  • Rotation are, and are to be transferred to a stationary device.
  • the torque measurement is usually carried out using a specially provided torque shaft or a "torque section" of a conventional shaft.
  • a section of a shaft intended for torque measurement is designed such that this shaft has a reduced diameter in the region of this section, for example.
  • Dr. Staiger, Mohilo + Co. GmbH "Components and Systems for Quality Assurance", to the doctoral thesis Wilhelm Baldauf, Progress Reports VDJ, Series 8, No. 380 and WO 91/13832, Longsdale.
  • the doctoral thesis and the WO publication each describe a relevant measuring device in which surface wave devices are used as actual sensors for torque measurement.
  • the surface wave sensor element is used as the frequency-determining element of an oscillator circuit.
  • the surface wave sensor element changes its resonance frequency and thus the oscillator frequency of the oscillator circuit.
  • the resonant circuit consisting of the surface wave element and the oscillator amplifier also contains two electromagnetic transformers / transmitters, each of which transmits high-frequency signals between the rotor and the stator.
  • the surface acoustic wave element is inevitably operated as a two-port element, with one port being connected to one transmitter and the other port to the other transmitter. It can be seen that all the irregularities in the transmitters influence the vibration behavior of the resonance circuit and thus also influence the respective one Resonance frequency.
  • the WO publication describes measures with which the disturbing influence of the signal transmission cited above and falsifies the measurement result is avoided.
  • the complete oscillator ie the frequency-determining surface wave sensor element and the associated oscillator amplifier, are both located on the rotor part of the device.
  • a high-frequency signal corresponding to the measured value is transmitted via the electromagnetic transmitter also provided there between the rotor and the stator transmitted, the frequency of which is usually not influenced by this transformer.
  • this principle of the WO publication requires that also active circuit components, namely the amplifier, are located on the rotor. This requires a corresponding, here transformative, power supply transmission from the stator to the rotor, which is not only an additional effort compared to the device according to the doctoral thesis, but also requires additional circuit parts to be attached to the rotor
  • the object of the present invention is, despite the wide range of already available measuring devices for torque and / or speed and / or temperature of the device, in which these measured values are to be recorded on moving, in particular rotating device parts
  • the weight of the section of the device to be provided on the moving part should also be as small as possible, e.g. to avoid unbalance or not to have to take into account.
  • Temperature measurement should also be possible at internal locations of the device, namely where the highest temperatures occur due to shielding.
  • the method should also be usable for speed measurement.
  • the method of operating the surface acoustic wave sensor element and the associated signal transmission used in the present invention is based on principles which are described for surface acoustic wave arrangements in a further WO-93/13495.
  • transformer-type transmission devices are avoided, as are the case with the devices mentioned at the beginning
  • an electromagnetic wave propagating in free space is generated a broadband high-frequency interrogation signal.
  • This wave is generated by a quiescent evaluation device and is transmitted with the help of an antenna. It is picked up by a further antenna, which is located on the moving part of the device, usually the rotor, and which is connected to the one gate of the surface wave sensor element.
  • the sensor element can receive the broadband query signal, which still has no information content.
  • the interrogation signal received via only one gate of the surface wave sensor element is then available as an electrical signal and is converted into an acoustic wave in the electroacoustic transducer of the surface wave element.
  • a property inherent in the surface wave element is its spectral transfer function, which is known to result from, or is determined by, the surface structure element to be specified or specified.
  • the acoustic wave in the surface wave element is a storage of the received energy of the interrogation signal.
  • the stored acoustic energy thus influenced is then converted back into a corresponding electrical signal, which then contains the measured value information.
  • this electrical sensor signal is emitted via the gate of the surface acoustic wave element already mentioned above, namely via the gate which was already used to receive the informationless query signal.
  • the electrical sensor signal is converted into an electromagnetic wave which in turn propagates in free space, which now contains the measured value information.
  • the electromagnetic wave received by the antenna of the evaluation device is analyzed in the evaluation device and the one contained in this wave Coded measured value information content evaluated according to amount and phase.
  • the sensor element functions functionally as a measurement-influenced runtime arrangement. An important distinguishing criterion compared to the prior art is that one and the same signal transmission path is used for the interrogation signal and receive pulse. Any other measurement errors due to frequency falsification are excluded.
  • the surface wave element is only effective as an energy store in the invention, the spectral components of the spectral transfer function (filter function) of the surface wave element being discrete influenced by the sensor effect, which in the evaluation device according to their amount and their Phase can be evaluated.
  • the evaluation can be carried out by sampling the signal in the time domain and subsequent Fast Fourier, Chirp-Z or the like. Transforming the signal into the frequency domain.
  • the surface wave element is used in the invention as a purely passive element, which sends an electrical measurement signal to the evaluation device, without the need to supply power to the surface wave element.
  • surface waves should not only be surface waves in the narrower sense, such as Rayleigh, lead stone and the like waves. Acoustic waves with a similar effect should also be subsumed under the term “surface waves” used here, e.g. the SSBW waves, bulk waves, shear waves and the like.
  • FIG. 1 shows a flow diagram which represents the principle of the method according to the invention
  • Figure 2 shows examples of known structures of a torque
  • Figure 3 shows a detailed representation of a surface wave element, as in the
  • 1 designates a stationary evaluation device with a signal generator which generates an (informationless) query signal as a transmitter signal.
  • This interrogation signal is a broadband high frequency transmission pulse or e.g. also a chirp signal with increasing and / or decreasing frequency response.
  • 2 denotes an antenna, with the aid of which the electromagnetic wave 11 of the interrogation signal, which propagates in free space, is generated. As such a wave, the interrogation signal is transmitted from the "stator" to the "rotor". This electromagnetic wave is received by the antenna 3 located on the “rotor” and converted back into an electrical signal.
  • the spatial distance between the antennas 2 and 3 can optionally be dimensioned relatively large and optimally adapted to the requirements, so that the stationary device part with the antenna 2 can be dimensioned at an advantageously large distance from the moving / rotor part .
  • the antenna 3 is electrically connected to the only one gate of the surface wave element 30.
  • This gate is essentially the interdigital transducer 32 of the surface acoustic wave element.
  • the electrical signal of the interrogation signal received and generated by the antenna 3 is converted into a surface acoustic wave of the surface wave element 30.
  • the course of this acoustic wave in the surface of the element 30 is designated in part by a).
  • the acoustic wave experiences a reflection in itself and the return path of the acoustic wave to the transducer 32 is schematically indicated by b ) indicated.
  • the frequency image 34 shows an example spectrum of the interrogation signal.
  • the spectral transfer function of the surface acoustic wave element which acts here as a filter, filters this spectral distribution 34 out of a characteristic spectral distribution 35, which is the response signal of the surface acoustic wave arrangement 30.
  • the result of the measurement is encoded in this response signal.
  • the wave (b) returning to the transducer 32 is converted (back) into a corresponding electrical signal in the transducer 32.
  • This electrical signal containing the measured value information is passed on to the antenna 3, which in turn effects the conversion into an electromagnetic wave 12 propagating in the free space
  • This electromagnetic wave transmits the measured value signal from the rotor to the stator, where it is received by means of the antenna 2.
  • the electromagnetic wave received by the antenna 2 is converted into an electrical signal and fed to the evaluation part 1 '.
  • the measured value signal to be measured by the sensor is determined by evaluating the returned spectral components 35, which represent the measured variable in coded form.
  • the response signal 35 After the transducer 32 has emitted the acoustic wave, the response signal 35 returns to the same transducer with a time delay.
  • Figures 2a to 2d show a schematic representation of four examples of embodiments of mechanical torque measuring bodies with the actual measuring length piece 22.
  • Figure 2a shows the example of a measuring length piece as a solid shaft
  • Figure 2b such as a hollow shaft
  • Figure 2c such as a four-sided cantilever
  • FIG. 2d the example of the so-called lantern with in this case four symmetrically distributed webs.
  • FIG. 3 which also belongs to the prior art, shows the example of a
  • Surface wave element 30 as used in the invention in this embodiment or a similar design with the same effect.
  • one platelet-shaped substrate body which is made of a piezoelectric material, preferably single-crystalline material, for example quartz, lithium niobate, lithium tantalate and the like, or is a platelet which is coated on its (in the figure) upper surface with a piezoelectric layer
  • 32 is the interdigital surface waves -Converters are used to describe surface wave elements.
  • 3, 31 denote the dipoles of the antenna provided / used for the invention, which is shown only schematically here and which serves to receive the electromagnetic wave, for example the broadband interrogation signal 4, and also to send back a characteristic response signal 35 from the surface wave element is to be used.
  • the interdigital transducer 32 is both an input transducer and an output transducer of the surface acoustic wave element.
  • a one-port element can also consist of several, but electrically connected transducers.
  • an acoustic wave can be generated in the surface of the substrate body 31, which propagates or extends in the longitudinal direction Z in the substrate body 31 (to the right in the figure).
  • reflectors 37 known in principle for surface wave elements, are arranged on / in the surface of the substrate body 31, which reflect this acoustic wave 36 back in according to its orientation. This reflection takes place e.g. in such a way that the reflected wave undergoes a modulation as can be seen from the response signal 35. This back-reflected wave is converted back into an electrical signal 35 in the interdigital converter 32
  • the device to be used for the method according to the invention comprises a surface wave element as shown in FIG. 3 with the (dipole) antenna (or with the connection for such an antenna) and the one equipped with the antenna 2 (stationary) ) Evaluation device 1 with its generator part for the query signal.
  • the antenna 3 is in a manner adapted or to be optimized for the individual case on the moving / rotating part, such as, for example, the length 2 of the (rotor) shaft arranged
  • the antenna 3 and the antenna 2 only have to be positioned in mutual proximity, the spacing of these antennas in the invention being conveniently chosen to be generously dimensioned.
  • the invention can also be used for a common acquisition of various operating data of a device, such as for temperature measurement as well as for torque measurement and speed measurement.
  • the temperature inside the device is of interest, for example within a winding.
  • a surface wave element determined as a temperature sensor is also wrapped into the inside of the winding and for the method according to the invention it is only necessary to extend the antenna 3 to such an extent that the reception and the radiation of the electromagnetic waves 11 and 12 from / into the free space from / to the evaluation device is guaranteed
  • FIGS. 2a to 2d are discussed again.
  • the use of two surface wave elements 30 is provided for the torque measurement.
  • these two surface wave elements are positioned at an angle of + 45 ° and -45 ° to the axis of the shaft, as a result of which they are positioned orthogonally to one another.
  • the distortion occurring in one element and the corresponding compression in the other element are measured.
  • the influence of temperature can be eliminated.
  • the surface wave elements 30 are attached to the outer surface of the length 22 in a known manner.
  • such an attachment is to be provided which, however, transmits as little mechanical distortion as possible but causes good thermal contact
  • a particular advantage of the method according to the invention is that with one and the same interrogation device 1 (one after the other) several different surface wave sensors, e.g. for torque speed, temperature can be queried via the same transmission path of the WeUen 11 and 12. This minimizes the hardware expenditure for the acquisition of various operating data of the device to be monitored, e.g. of the electric motor.

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Abstract

Verfahren zur Erfassung von Betriebsdaten an rotierenden Teilen einer Vorrichtung mit einem stationären Abfrage-/Auswertegerät (1) und mit einem Oberflächen-Sensorelement (30) auf dem Rotor (22), wobei mittels elektromagnetischer Wellen (11, 12) die Signalübertragung zwischen Stator und Rotor erfolgt und im Oberflächenelement eine akustische Energiespeicherung mit Meßwert-induzierter Selektion von Anteilen (35) des Abfragesignal-Spektrums (34) erfolgt. Ausgewertet wird durch Abtastung und Transformation des Antwortsignals.

Description

Verfahren und Sensoreinrichtung zur Erfassung von Betriebsdaten an bewegten/rotierenden Teilen einer Vorrichtung, insbesondere eines
Elektromotors
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Oberflächenwellen-Sensoreinrichtung zur Erfassung von Betriebsdaten an bewegten, insbesondere rotierenden, kraftübertragenden Teilen einer Vorrichtung. Spezieller bezieht sich die Erfindung auf Drehmomentmessung und/oder Drehzahlmessung in einer krafterzeugenden, kraftübertragenden und/oder kraftaufnehmenden mechanischen Vorrichtung. Eine solche Vorrichtung kann ein Motor, insbesondere Elektromotor, sein. Es kann sich auch um eine angetriebene Vorrichtung, wie etwa eine Dynamomaschine, handeln. Das erfindungsgemaße Verfahren ist auch für Sensoreinrichtungen an rotierenden, lediglich passiv kraft- bzw. drehmomentübertragenden Vorrichtungen, wie Antriebswellen und dgl., zu verwenden.
Beim speziellen Fall eines Elektromotors, der bezüglich der Erfindung als ein die Erfindung jedoch nicht einschränkendes Anwendungsbeispiel gelten soll, interessiert außer der (momentanen) Drehzahl des Läufers auch das Drehmoment, das dieser Motor an seiner Abtriebswelle abgibt. Dabei interessiert je nach Anwendungsfall und Aufgabenstellung das langzeitig abgegebene Drehmoment und die langzeitig vorliegende Drehzahl als auch dessen/deren Augenblickswerte.
Bei läufelempfindlichen Elektromotoren interessiert außerdem auch die langzeitige und/oder momentane Temperatur des Läufers, insbesondere um schädliche Überlastung rechtzeitig absehen bzw. erkennen zu können und ggfs. Gegenmaßnahmen rechtzeitig zu ergreifen.
Bekannte Einrichtungen zur Erfassung der genannten Betriebsgrößen einer einschlägigen Vorrichtung und insbesondere eines Elektromotors arbeiten mit verschiedensten Ausgestaltungen und auf vielfältigen physikalischen Prinzipien beruhend.
Für alle Entwicklungen und Konstruktionen für hier einschlägige Einrichtungen ist als entscheidend zu beachten, daß Betriebsdaten an bzw. von Stellen der
Vorrichtung erfaßt werden müssen, die sich bewegen, insbesondere sich in
Rotation befinden, und auf eine stationäre Einrichtung zu übertragen sind.
Soweit es sich um eine elektro-galvanische Signalübertragung der Meßwerte handelt, ist es in der Praxis üblich, kontaktierende Schleifringe und dgl. vorzusehen, über die die Meßwertsignale geleitet werden. Ersichtlich ist ein solcher Übertragungsweg nicht frei von äußeren Störungen wie
Kontaktverschmutzung, Schleifring- bzw. Bürstenabnutzung, Lagerspiel und dergleichen. Erfahrungsgemäß technisch aufwendiger sind elektromagnetische und optische Übertragungswege, wie sie ebenfalls bereits im Stand der Technik zur Meßwertübertragung vom rotierenden Teil zum stationären Auswertegeräte verwendet worden sind.
Zur bekannten Drehzahlmessung bedarf es mit Rücksicht auf umfangreichen Stand der Technik und geläufiges Fachwissen hier keiner eingehenderen Erläuterungen und Beschreibungen des allgemeineren Standes der Technik. Betreffend die Temperaturmessung lassen sich nach dem Stand der Technik Strahlungsmeßgeräte verwenden, da nur der Temperaturmeßbereich oberhalb mehrerer 100° von engerem Interesse ist. Allerdings ist dabei zu berücksichtigen, daß eine solche Temperaturmessung im allgemeinen nur an etwas außerhalb gelegeneren Stellen z.B. eines Elektromotors vorgenommen werden können.
Die Drehmomentmessung erfolgt in der Regel unter Einsatz einer speziell vorgesehenen Drehmomentwelle bzw. eines "Drehmomentabschnittes" einer üblichen Welle. Zum Beispiel ist ein solcher zur Drehmomentmessung bestimmter Abschnitt einer Welle derart ausgeführt, daß diese Welle im Bereich dieses Abschnittes beispielsweise einen verminderten Durchmesser hat. Dies führt dazu, daß in diesem Abschnitt die Welle dem auf sie einwirkenden Drehmoment entsprechend eine mehr oder weniger große Torsion erfährt, die als Ausgangspunkt für Drehmoment-Meßwerterfassung dient. Natürlich ist dieser Abschnitt so ausgeführt, daß er den maximalen Belastungen bruchfest widersteht. Insbesondere zu Drehmomentmessungen des Standes der Technik sei als Stand der Technik auf den Vortrag bzw. das veröffentlichte Vortragsmanuskript: Dr. Staiger, Mohilo + Co. GmbH, "Komponenten und Systeme für die Qualitätssicherung", auf die Promotionsschrift Wilhelm Baldauf, Fortschritt-Berichte VDJ, Reihe 8, Nr. 380 und auf die WO 91/13832, Longsdale, hingewiesen.
Die Promotionsschrift und die WO-Offenlegungsschrift beschreiben je eine einschlägige Meßeinrichtung, in denen Oberflächenwellen-Einrichtungen als eigentliche Sensoren für die Drehmomentmessung verwendet sind. Gemäß der in der Promotionsschrift beschriebenen Ausführungsform ist das Oberflächenwellen-Sensorelement als frequenzbestimmendes Glied eines Oszillatorschwingkreises verwendet. Entsprechend der zu messenden unterschiedlichen Drehmomente ändert das Oberflächenwellen-Sensorelement seine Resonanzfrequenz und damit die Oszillatorfrequenz des Oszillatorschwingkreises. Wie insbesondere aus den Bildern 2.42 und 2.43 der Promotionsschrift zu entnehmen ist, enthält der aus dem Oberflächenwellen- Element und dem Oszillatorverstärker bestehende Resonanzschwingkreis zusätzlich noch zwei elektromagnetische Transformatoren/Übertrager, die jeweils Hochfrequenzsignale zwischen dem Rotor und dem Stator übertragen. Das Oberflächenwellen-Element ist zwangsläufig als Zwei-Tor-Element betrieben, wobei das eine Tor mit dem einen Übertrager und das andere Tor mit dem anderen Übertrager verbunden ist Ersichtlich gehen alle Ungleichmäßigkeiten der Übertrager in das Schwingungsverhalten des Resonanzkreises ein und beeinflussen so auch die jeweilige Resonanzfrequenz.
Die WO-Offenlegungsschrift beschreibt Maßnahmen, mit denen der voranstehend zitierte störende und das Meßergebnis verfälschende Einfluß der Signalubertragung vermieden ist. Wie aus Figur 1 dieser Offenlegungsschrift zu ersehen ist, befindet sich dort der komplette Oszillator, d.h. das frequenzbestimmende Oberflächenwellen-Sensorelement und der zugehörige Oszillatorverstärker beide auf dem Rotorteil der Vorrichtung. Über den dort ebenfalls jeweils zwischen Rotor und Stator vorgesehenen elektromagnetischen Übertrager wird ein dem Meßwert entsprechendes Hochfrequenzsignal übertragen, dessen Frequenz durch diesen Übertrager im Regelfall nicht beeinflußt wird. Dieses Prinzip der WO-Offenlegungsschrift bedingt aber, daß auch aktive Schaltungsanteile, nämlich der Verstärker, sich auf dem Rotor befinden. Dies erfordert eine entsprechende, hier transformatorische, Stromversorgungs-Übertragung vom Stator auf den Rotor, was gegenüber der Vorrichtung nach der Promotionsschrift nicht nur ein zusätzlicher Aufwand ist, sondern auch zusätzliche Schaltungsteile auf dem Rotor anzubringen bedingt
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, trotz des vielfältigen Angebots bereits verfügbarer Meßeinrichtungen für Drehmoment und/oder Drehzahl und/oder Temperatur der Vorrichtung, bei der diese Meßwerte an bewegten, insbesondere rotierenden Vorrichtungsteilen zu erfassen sind, ein weitere
Vorteile mit sich bringendes Sensor-Meßverfahren anzugeben. Dabei ist
Aufgabe im engeren Sinne das Auffinden eines technisch zuverlässigeren Verfahrens, das auch technisch einfacher und entsprechend weniger aufwendig ausführbar/anwendbar ist. Auch soll das Gewicht des am bewegten Teil anzubringenden Teilstücks der dafür vorzusehenden Einrichtung möglichst klein sein, z.B. um Unwucht zu vermeiden bzw. nicht berücksichtigen zu müssen.
Temperaturmessung soll auch an Innenstellen der Vorrichtung erfolgen können, nämlich dort wo durch Abschirmung die höchsten Temperaturen auftreten. Das
Verfahren soll auch für Drehzahlmessung mit verwendbar sein.
Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst und weitere Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.
Das bei der vorliegenden Erfindung zur Anwendung kommende Verfahren des Betriebs des Oberflächenwellen-Sensorelementes und der damit verbundenen Signalübertragung beruht auf Prinzipien, die für Oberflächenwellen- Anordnungen in einer weiteren WO-93/13495 beschrieben sind.
Bei der vorliegenden Erfindung sind transformatorische Übertrageeinrichtungen vermieden, wie sie bei den Einrichtungen der eingangs genannten
Druckschriften notwendigerweise verwendet sind. Bei der Erfindung erfolgt die Erzeugung einer sich im Freiraum ausbreitenden elektromagnetischen Welle eines breitbandigen hochfrequenten Abfragesignals. Diese Welle wird von einem ruhend angeordneten Abfrage-AAuswertegerät erzeugt und mit Hilfe einer Antenne ausgesandt. Sie wird von einer weiteren Antenne aufgenommen, die sich an dem bewegenden Teil der Vorrichtung, im Regelfall dem Rotor, befindet und die mit dem einen einzigen Tor des Oberflächenwellen-Sensorelementes verbunden ist. Auf diese Weise kann das Sensorelement das breitbandige Abfragesignal empfangen, das noch keinerlei Informationsinhalt hat. Das über das nur eine Tor des Oberflächenwellen-Sensorelementes empfangene Abfragesignal liegt dann als elektrisches Signal vor und wird im elektroakustischen Wandler des Oberflächenwellen-Elementes in eine akustische Welle umgewandelt. Eine dem Oberflächenwellen-Element imanente Eigenschaft ist dessen spektrale Übertragungsfunktion, die sich aus dem vorzugebenden bzw. vorgegebenen Aufbau des Oberflächenwellen-Elementes bekanntermaßen ergibt bzw. durch diesen bestimmt ist. Die akustische Welle im Oberflächenwellen-Element ist bei der Erfindung (im Gegensatz zum eingangs genannten Stand der Technik mit den Resonanzschwingkreisen) eine Speicherung der empfangenen Energie des Abfragesignals. Durch jeweilige Beeinflussung der spektralen Übertragungsfunktion des Oberflächenwellen- Elementes durch die zu erfassende Meßgröße wird in dem Oberflächenwellen- Element gemäß seiner Sensorfunktion (wiederum im Gegensatz zum obigen Stand der Technik) ein Anteil des anregenden Spektrums erzeugt, der nach Betrag und Phase kodiert die Meßwertinformation bzw. das Sensorsignal enthält. Es erfolgt dann die Rückumwandlung der derart beeinflußten gespeicherten akustischen Energie in ein dementsprechendes elektrisches Signal, das dann die Meßwertinformation enthält. Wiederum im Gegensatz zum obigen Stand der Technik erfolgt bei der Erfindung die Abgabe dieses elektrischen Sensorsignals über das bereits oben erwähnte eine Tor des Oberflächenwellen- Elementes, nämlich über das Tor, das bereits zum Empfang des informationslosen Abfragesignals diente. Mit Hilfe der einen ebenfalls oben schon erwähnten Antenne erfolgt die Umwandlung des elektrischen Sensorsignals in eine sich wiederum im Freiraum ausbreitende elektromagnetische Welle, die jetzt die Meßwertinformation enthält Die mittels der Antenne des Auswertegerätes empfangene elektromagnetische Welle wird in dem Auswertegerät analysiert und der in dieser Welle enthaltende kodierte Meßwertinformationsgehalt nach Betrag und Phase ausgewertet. Bei der Erfindung arbeitet das Sensorelement fünktionell als meßwertbeeinflußte Laufzeitanordnung. Wichtiges Unterscheidungskriterium gegenüber dem Stand der Technik ist, daß ein und derselbe Signal-Übertragungsweg für Abfragesignal- und Empfangsimpuls verwendet ist Durch sonstige äußere Einflüsse denkbarer Meßfehler durch Frequenzverfälschung ist ausgeschlossen.
Zum Unterschied gegenüber dem eingangs genannten Stand der Technik ist bei der Erfindung das Oberflächenwellen-Element nur als Energiespeicher wirksam, wobei durch den Sensoreffekt spektrale Anteile der spektralen Übertragungsfunktion (Filterfunktion) des Oberflächenwellen-Elementes diskrete Beeinflussung erfahren, die im Auswertegerät nach ihrem Betrag und ihrer Phase ausgerwertet werden.
Die Auswertung kann durch Abtastung des Signals im Zeitbereich und anschließender Fast Fourier-, Chirp-Z- oder dergl. Transformation des Signals in den Frequenzbereich erfolgen.
Aus anderem Blickwinkel gesehen, wird bei der Erfindung das Oberflächenwellen-Element als rein passives Element benutzt, das ein elektrisches Meßsignal an das Auswertegerät aussendet, ohne daß Stromversorgungs-Energiezufuhr zum Oberflächenwellen-Element erforderlich wäre.
Bei dem hier verwendeten Begriff "Oberflächenwellen" soll es sich jedoch nicht nur um Oberflächenwellen im engeren Sinne, wie Rayleigh-, Bleustein- und dgl. Wellen handeln. Unter den hier verwendeten Begriff "Oberflächenwellen" sollen auch akustische Wellen ähnlicher Wirkung subsummiert sein, wie z.B. die SSBW- Wellen, Volumenwellen, Scherwellen und dgl.
Weitere Erläuterungen der Erfindung werden anhand der nachfolgenden Beschreibung der beigefügten Figuren gegeben.
Figur 1 zeigt ein Fließbild, das das Prinzip des erfindungsgemäßen Verfahrens wiedergibt Figur 2 zeigt Beispiele bekannter Aufbauten eines Drehmoment-
Meßkörpers mit daran angebrachtem Oberflächenwellen-Sensorelement
Figur 3 zeigt eine ins einzelne gehende Darstellung eines Oberflächenwellen-Elementes, wie es bei der
Erfindung Verwendung findet
In Figur 1 ist mit 1 ein stationär angeordnetes Auswertegerät mit einem Signal- Generator bezeichnet der ein (informationsloses) Abfragesignal als Sendersignal erzeugt. Dieses Abfragesignal ist ein breitbandiger hochfrequenter Sendeimpuls oder z.B. auch ein Chirp-Signal mit ansteigendem und/oder abfallendem Frequenzverlauf. Mit 2 ist eine Antenne bezeichnet mit deren Hilfe die sich im Freiraum ausbreitende elektromagnetische Welle 11 des Abfragesignal erzeugt wird. Als eine solche Welle wird das Abfragesignal vom "Stator" auf den "Rotor" übertragen. Von der auf dem "Rotor" befindlichen Antenne 3 wird diese elektromagnetische Welle empfangen und in ein elektrisches Signal rückumgewandelt. Aufgrund des Prinzips der Anwendung elektromagnetischer Wellen kann der räumliche Abstand zwischen den Antennen 2 und 3 wahlweise und den Anforderungen optimal angepaßt relativ groß bemessen sein, so daß der stationäre Geräteteil mit der Antenne 2 in vorteilhaft großem Abstand vom bewegten/Rotor-Teil bemessen werden kann.
Die Antenne 3 ist mit dem nur einen Tor des Oberflächenwellen-Elementes 30 elektrisch verbunden. Im wesentlichen ist dieses Tor der interdigitale Wandler 32 des Oberflächenwellen-Elementes. In diesem Wandler 32 wird das von der Antenne 3 empfangene und erzeugte elektrische Signal des Abfragesignals in eine akustische Oberflächenwelle des Oberflächenwellen-Elementes 30 umgewandelt. Der Lauf dieser akustischen Welle in der Oberfläche des Elementes 30 ist zum einen Teil mit a) bezeichnet Im Reflektor 37 des Oberflächenwellen-Elementes 30 erfährt die akustische Welle eine In-sich- Reflexion und schematisch ist der Rückweg der akustischen Welle zum Wandler 32 mit b) angedeutet. Auf den Wegteilen a) und b) und/oder im Reflektor erfährt die hin- und herlaufende akustische Welle ihre physikalische Beeinflussung entsprechend der aufgabengemäßen Sensorfunktion. Das Frequenzbild 34 zeigt ein beispielsweises Spektrum des Abfragesignals. Gemäß der spektralen Übertragungsfunktion des hier als Filter wirkenden Oberflächenwellen-Elementes filtert dieses aus dieser spektralen Verteilung 34 eine charakteristische spektrale Verteilung 35 heraus, die das Antwortsignal der Oberflächenwellen-Anordnung 30 ist. In diesem Antwortsignal ist kodiert das Meßwertergebnis enthalten.
Die zum Wandler 32 zurückkehrende Welle (b) wird im Wandler 32 in ein entsprechendes elektrisches Signal (rück-)umgewandelt Dieses die Meßwertinformation enthaltende elektrische Signal wird an die Antenne 3 weitergeleitet, die wiederum die Umwandlung in eine im Freiraum sich ausbreitenden elektromagnetische Welle 12 bewirkt Diese elektromagnetische Welle überträgt das Meßwertsignal vom Rotor auf den Stator, wo sie mittels der Antenne 2 empfangen wird. Die von der Antenne 2 empfangene elektromagnetische Welle wird in ein elektrisches Signal umgewandelt und dem Auswerteteil 1' zugeführt. In dem Auswerteteil erfolgt die Ermittelung des vom Sensor zu messenden Meßwertsignals durch Auswertung der zurückgesandten Spektralanteile 35, die in kodierter Form die Meßgröße repräsentieren.
Wesentlich bei der Erfindung ist außer der elektromagnetischen Übertragung zwischen Stator und Rotor die betriebsmäßige Energiespeicherung der akustischen Welle im Oberflächenwellen-Element 30, d.h. die Speicherung in den Laufstrecken a) und b) und im Reflektor.Nach vom Wandler 32 erfolgter Aussendung der akutischen Welle gelangt das Antwortsignal 35 zeitverzögert in den selben Wandler zurück.
Die Figuren 2a bis 2d zeigen in schematischer Darstellung vier Beispiele für Ausführungsformen mechanischer Drehmoment-Meßkörper mit dem eigentlichen Meß-Längenstück 22. Die Figur 2a zeigt das Beispiel eines Meß- Längenstückes als Vollwelle, die Figur 2b ein solches als Hohlwelle, die Figur 2c ein solches als Vier-Seiten-Kantilever und Figur 2d das Beispiel der sogenannten Laterne mit in diesem Falle vier symmetrisch verteilten Stegen.
Ebenfalls zum Stand der Technik gehörend zeigt die Figur 3 das Beispiel eines
Oberflächenwellen-Elements 30, wie es bei der Erfindung in dieser Ausführung oder ähnlicher, gleich wirkender Ausgestaltung verwendet ist. Mit 31 ist ein plättchenförmiger Substratkörper bezeichnet der aus einem piezoelektrischen Material, vorzugsweise einkristallinem Material, z.B. aus Quarz, Lithiumniobat Lithiumtantalat und dergleichen, besteht oder ein Plättchen ist, das auf seiner (in der Figur) oberen Oberfläche mit einer piezoelektrischen Schicht beschichtet ist Mit 32 ist der interdigitale Oberflächenwellen-Wandler bezeichnet wie er für Oberflächenwellen-Elemente geläufig ist. Mit 3, 31 sind die Dipole der für die Erfindung vorgesehenen/verwendeten Antenne bezeichnet die hier nur schematisch dargestellt ist und die zum Empfang der elektromagnetischen Welle, z.B. des breitbandigen Abfragesignals 4 dient und auch zur Zurücksendung eines charakteristischen Antwortsignals 35 des Oberflächen¬ wellen-Elementes zu benutzen ist. Da bei der Erfindung ein Ein-Tor- Oberflächenwellen-Element vorzusehen ist, ist der Interdigitalwandler 32 sowohl Eingangswandler als auch Ausgangswandler des Oberflächenwellen- Elements. Ein Ein-Tor-Element kann auch aus mehreren, jedoch elektrisch miteinander verbundenen Wandlern bestehen.
Mittels des Interdigitalwandlers 32 in der Funktion als Eingangswandler kann in der Oberfläche des Substratkörpers 31 eine mit 36 angedeutete akustische Welle erzeugt werden, die in Längsrichtung Z im Substratkörper 31 (in der Figur nach rechts) sich ausbreitet bzw. verläuft Wie aus der Figur ersichtlich, sind für Oberflächenwellen-Elemente prinzipiell bekannte Reflektoren 37 auf/in der Oberfläche des Substratkörpers 31 angeordnet, die diese akustische Welle 36 entsprechend ihrer Ausrichtung in sich zurückreflektieren. Diese Reflexion erfolgt z.B. in der Weise, daß die reflektierte Welle eine Modulation erfährt, wie sie aus dem Antwortsignal 35 zu ersehen ist. Diese zurückreflektierte Welle wird in dem Interdigitalwandler 32 wieder in ein elektrisches Signal 35 zurückumgewandelt
Die für das erfindungsgemäße Verfahren zu verwendende Vorrichtung umfaßt bezogen auf die Erfindung, ein wie in Figur 3 gezeigtes Oberflächenwellen- Element mit der (Dipol-)Antenne (bzw. mit dem Anschluß für eine solche Antenne) und das mit der Antenne 2 ausgerüstete (stationäre) Auswertegerät 1 mit seinem Generatorteil für das Abfragesignal. Die Antenne 3 ist in für den Einzelfall angepaßter bzw. zu optimierender Weise auf dem bewegten/rotierenden Teil, wie z.B. dem Längenstück 2 der (Rotor-)Welle angeordnet Die Antenne 3 und die Antenne 2 müssen lediglich in gegenseitiger Nachbarschaft positioniert sein, wobei bei der Erfindung der Abstand dieser Antennen praktischerweise großzügig bemessen gewählt werden kann. Das ermöglicht es, das als Sensor verwendete Oberflächenwellen-Element 30 am bewegten/rotierenden Körper auch an solchen Stellen zu positionieren, die z.B. in einer Maschine vergleichsweise "versteckt" ist Dies gilt insbesondere für die Anwendung eines solchen Oberflächenwellen-Sensorelements als Temperatursensor.
Die Erfindung läßt sich auch für eine gemeinsame Erfassung verschiedenartiger Betriebsdaten einer Vorrichtung verwenden, wie außer für die Drehmomentmessung und Drehzahlmessung auch für Temperaturmessung.
Insbesondere bei Temperaturmessungen interessiert die Temperatur im Inneren der Einrichtung z.B. innerhalb einer Wicklung. Dafür wird ein als Temperatursensor bestimmtes Oberflächenwellen-Element ins Innere der Wicklung mit eingewickelt und für das erfindungsgemäße Verfahren ist lediglich notwendig, die Antenne 3 so weit herauszuführen, daß der Empfang und die Abstrahlung der elektromagnetischen Wellen 11 und 12 aus dem/in den Freiraum vom/zum Auswertegerät gewährleistet ist
Ergänzend sei nochmals auf die Figuren 2a bis 2d eingegangen. In diesen Figuren ist die Verwendung von jeweils zwei Oberflächenwellen-Elementen 30 für die Drehmomentmessung vorgesehen. Bekanntermaßen werden diese jeweils zwei Oberflächenwellen-Elemente im Winkel von +45° und -45° zur Achse der Welle positioniert, wodurch sie zueinander orthogonal positioniert sind. Man mißt dabei gleichzeitig die auftretende Verzerrung in dem einen Element und die entsprechende Stauchung im anderen Element Mit Hilfe einer solchen doppelten Anordnung der Oberflächenwellen-Elemente kann der Temperatureinfluß eleminiert werden.
Bei Verwendung eines wie in der WO-93/13495 beschriebenen Oberflächenwellen-Elementes, das mit gechirptem Abfiragesignal zu speisen ist ist Temperaturkompensation auch bereits durch ein solches Element gewährleistet, weil dieses imanent temperaturkompensiert wirksam zu betreiben ist
Die Oberflächenwellen-Elemente 30 werden auf der Mantelfläche des Längenstückes 22 in bekannter Weise angebracht. Für reine Temperaturmessung zu verwendende Oberflächenwellen-Elemente ist eine solche Anbringung vorzusehen, die möglichst wenig mechanische Verzerrung überträgt jedoch guten Wärmeleitungskontakt bewirkt
Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, daß mit ein und demselben Abfragegerät 1 (zeitlich nacheinander) auch mehrere verschiedene Oberflächenwellensensoren, z.B. für Drehmoment Drehzahl, Temperatur über denselben Übertragungsweg der WeUen 11 und 12 abgefragt werden können. Dies minimiert den Hardware-Aufwand für die Erfassung verschiedener Betriebsdaten der zu überwachenden Vorrichtung, z.B. des Elektromotors.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Verfahren zur Erfassung der jeweiligen Größe von Betriebsdaten an bewegten/insbesondere rotierenden Teilen einer Vorrichtung, insbesondere eines Elektromotors, mittels eines jeweiligen Oberflächenwellen-(SAW)-
Sensorelementes mit spektraler Übertragungsfunktion, das auf dem bewegten/rotierenden Teil zur Ausführung der Sensorfunktion angebracht ist mit den Verfahrensschritten: Erzeugen einer sich im Freiraum ausbreitenden elektromagnetischen WeUe
(11) eines breitbandigen hochfrequenten Abfragesignals einer Abfrage-
/Auswerte-Einrichtung (1),
Umwandlung dieser elektromagnetischen WeUe (11) in ein elektrisches
Signal und Empfang dieses elektrischen Signals als Anregungssignal des
OberflächenweUen-Sensorelementes (30), wobei dieses das Anregungssignal
(34) über das nur eine Tor des Sensorelementes aufnimmt
Umwandlung dieses elektrischen Signals im Wandler des Sensorelementes in ein akustisches Signal als OberflächenweUe, gemäß der vorgesehenen Sensorfunktion erfolgende jeweilige Beeinflussung der spektralen Übertragungsfunktion des Sensorelementes durch die zu erfassende Meßgröße, wobei das im Sensorelement erzeugte Spektrum eine nach Betrag und Phase kodierte Meßwertinformation erhält,
Rückumwandlung der derart beeinflußten gespeicherten Energie der akustischen WeUe in ein dementsprechendes elektrisches Signal, das die
Meßwertinformation enthält
Abgabe dieses elektrischen Sensorsignals über das eine Tor, das bereits zum
Empfang diente und
Umwandlung dieses elektrischen Sensorsignals in eine sich wiederum im Freiraum ausbreitende elektromagnetische WeUe (12),
Empfang dieser elektromagnetischen WeUen (12) im Auswertegerät und
Auswertung der mit dieser elektromagnetischen WeUe (12) empfangenen kodierten Meßwertinformation.
2. Verfahren nach Anspruch 1 mit Verwendung von Antennen (2, 3) zur jeweüigen Umwandlung von elektrischem Signal in elektromagnetische WeUe (11, 12) und umgekehrt.
3. Auswertung der Meßwertinformation aus dem empfangenen Signal durch Abtastung des Signals im Zeitbereich und anschüeßende Transformation des Signals in den Frequenzbereich.
4. Auswertung nach Anspruch 3, durch Fast-Fourier-Transformation.
5. Auswertung nach Anspruch 3, durch Chirp-Z-Transformation.
6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der das eine oder die mehreren OberflächenweUen-Sensorelemente (30) eine Antenne (3) zum sowohl Empfang und Aussenden einer sich im Freiraum ausbreitenden elektromagnetischen WeUe (11,12) aufweisen und das Auswertegerät eine entsprechende Sende-ZEmpfangsantenne für
Aussenden und Empfang dieser elektromagnetischen WeUen (11, 12) besitzt
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