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