Bauteil

Die Erfindung betrifft ein System zur Ermittlung von Messgössen an einem rotierenden Bauteil, wie einer Welle oder eines Rotationskörpers, umfassend zumindest eine passive RFID-Sensoreinheit mit einem Sensor, einer Energieversor- gungseinheit, einer Sendeeinheit sowie einer Antenne und einen RFID-Reader mit einer Antenne, wobei der RFID-Reader an einer Basis und die RFID- Sensoreinheit an dem Bauteil angeordnet ist.

Die Überwachung von Maschinenbauteilen, insbesondere von rotierenden Bauteilten wie Wellen und Rotationskörpern, wird immer wichtiger. Die Maschinenbetrei- ber wünschen immer häufiger eine online Überwachung, die dazu geeignet ist, Betriebszustände auszuwerten, um daraus Schlüsse für die nächste Inspektion oder Instandhaltung zu treffen und insbesondere einem vorzeitigen Ausfall ohne Vorankündigung vorzubeugen. Allgemein wird die Überwachung als„Condition- Monitoring" bezeichnet. So ist aus der US 2010 0 315 204 A1 ein System bekannt, welches auf Basis der RFID Technologie arbeitet. Dabei wird ein Sensor auf der Oberfläche einer Welle angebracht und die Messdaten dann über eine RFID Transponder auf ein RFID Reader übermittelt.

Weiterhin ist aus der WO 201 1/104433 ein Monitoring-System für ein Planetenge- triebe bekannt, welches eine drahtlose Übertragung von Daten und Energie vorsieht.

Die vorgeschlagenen Systeme haben den Nachteil, dass die Messdaten bzw. die Energie nur dann übertragen werden kann, wenn die Feldverläufe der Antennen von Sender und Empfänger fluchten. Bei der Anordnung der Sensoreinheit auf dem Planetenträger also einmal je Umdrehung.

Die bekannte RFID Technologie arbeitet im Allgemeinen vor allem in der 125 kHz Technologie die für das Auslesen von fixen Daten (IDs) bestens geeignet ist. Die- se RFID-Chips, die die Daten tragen, betreten das Feld der Antenne, werden aktiviert und abgefragt und verlassen danach das Feld der Antenne wieder. Es sind nur sehr langsame Relativgeschwindigkeiten vorgesehen (bis 10m/s) und große Antennenflächen und Antenneniesebereiche (einige m ² ). Für Rotationskörpern wie beispielsweise Turbokupplungen, bei denen es besonders Interessant ist, die Temperatur des Arbeitsmediums während des Betriebs zu kennen, gibt es zur zeit nur unbefriedigende Lösungen wie z.B. Schmelzsicherungsschrauben, über die das Arbeitsmedium bei Überhitzung in die Umwelt ablassen wird (Schaden für die Umwelt). Bei einer anderen Variante kann im drehenden System ein Schalter umgelegt werden, wenn eine Temperatur überschritten wurde. Beide Verfahren sind irreversibel und funktionieren nur bei drehender Kupplung. Im Stillstand sind beide Systeme ohne Wirkung.

Eine Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein System vorzuschlagen mittels dem Messgössen an einem rotierenden Bauteil, wie einer Welle oder eines Rotationskörpers, kontinuierlich und sicher erfasst werden können.

Erfindungsgemäß wird ein System zur Ermittlung von Messgössen an einem rotierenden Bauteil, wie einer Welle oder eines Rotationskörpers, umfassend zumindest eine passive RFID-Sensoreinheit mit einem Sensor, einer Energieversor- gungseinheit, einer Sendeeinheit sowie einer Antenne und einen RFID-Reader mit einer Antenne, wobei der RFID-Reader an einer Basis und die RFID- Sensoreinheit an dem Bauteil angeordnet ist, vorgeschlagen.

Das System ist dadurch gekennzeichnet, dass die Antenne des RFID-Readers und die Antenne der RFID-Sensoreinheit derart zueinander angeordnet sind, dass sich die Antenne der RFID-Sensoreinheit während der Bewegung im Wesentlichen in dem Antennenfeldbereich der Antenne des RFID-Readers bewegt, sodass eine im Wesentlichen unterbrechungsfreie Übertragung von Energie und/oder Daten gewährleistet ist.

Unter einer passiven RFID-Sensoreinheit, auch als RFID-Transponder oder TAG bezeichnet, versteht man eine Einheit ohne eigene Energieeinheit wie eine Batterie. Die benötigte Energie wird über die Antenne induziert. - -

RFID-Sensoreinheit bzw. TAG kann an oder in einem Bauteil bzw. einer Welle oder eines Rotationskörpers angeordnet sein. Der Rotationskörper kann auch ein Fluidgefüllter Hohlkörper, wie eine Turbokupplung sein, die aus zwei unabhängig drehbar gelagerten Schaufelrädern besteht. Die Basis an der der RFID-Reader angeordnet ist, ist eine Haltevorrichtung, mittels der der Reader bzw. insbesondere dessen Antenne in Position gegenüber dem Bauteil gehalten wird. Vorzugsweise umfasst die Basis ein ringförmiger Antennenträger für die Reader-Antenne, der zentrisch in Bezug auf die Drehachse des Bauteils angeordnet ist. Weiterhin kann der RFID-Reader mit einer Auswert- einheit, wie einem Computer, verbunden sein, die wiederum mit der Steuerung des Getriebes in Verbindung steht.

Die zum Messen von Betriebsparametern benötigte Energie wird vom RFID- Reader aus auf den TAG übertragen, wobei auf dem TAG alternativ auch eine Energiespeichereinheit angeordnet sein kann, zum kurzzeitigen speichern von Energie.

Die RFID-Sensoreinheit bzw. TAG ist mit mindestens einem Sensor verbunden. Dabei kann der Sensor auf dem TAG angeordnet oder mit diesem elektrisch verbunden sein.

Um eine im Wesentlichen unterbrechungsfreie Verbindung von RFID-Reader und TAG zu gewährleisten kann die Antenne als zweiflutige Antenne ausgeführt sein. Zweiflutige Antennen sind Antennen die schlaufenförmig ausgeführt sind bzw. deren Antennendraht in einer Schlaufe geführt wird.

Die Reader-Antenne kann derart ausgeführt sein, dass sie auf dem Bewegungsradius der rotierenden TAG-Antenne ein rotationssymmetrisches bzw. ringförmi- ges Antennenfeld ausbildet.

Zur weiteren Verbesserung des Antennenfeldbereichs kann die Reader-Antenne mehrere parallele Windungen umfassen, die zueinander versetzt angeordnet sind. So kann ein mehradriges Reader-Antennenkabel verwendet werden, dass in einem Rohrschlaufe, die ringförmig gebogen ist, oder in einen Kunststoffträger ein- gelegt positioniert sein. Dadurch wird erreicht, dass es im Antennenüberlappungs- - - bereich zu einer geringeren Feldschwankung kommt, sodass auch bei hohen Drehzahlen eine nahezu unterbrechungsfreie Antennenfunktion gewährleistet ist.

Die Reader Antenne und die TAG Antenne können in zwei wesentliche Ausrichtungen zueinander angeordnet sein, in axialer oder radialer Richtung. Neben Temperatursensoren können auch Sensoren eingesetzt werden, mittels denen einer der folgenden Betriebsparameter Druck, Feuchte, Drehmomente und/oder Schwingungen erfassbar sind.

Insbesondere kann der Sensor an oder innerhalb dem Bauteil angeordnet sein und dort Betriebsparameter erfassen. Bei einer Turbokupplung, also einem hohlem Rotationskörper, der zumindest teilweise mit einem Fluid gefüllt ist, ist der Sensor derart angeordnet, dass zumindest in einer Stillstandposition und im Betrieb die Temperatur des Fluides messbar ist

Das mehrere RFID-Tags vorgesehen sind, die alle mittels eines RFID-Reader ^' s kommunizieren und durch diese mit Energie versorgt werden. Wobei zur Unter- Scheidung der Messstellen codierte Daten übermittelt werden können.

Mittels des erfindungsgemäßen Systems sind besonders vorteilhaft Messungen im Stillstand wie auch im Betrieb eines Rotationskörpers möglich.

Weitere Merkmale des erfindungsgemäßen Systems und weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnung.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Skizzen näher erläutert.

In diesen zeigen:

Figur 1 a, b Funktionsprinzip des RFID-Systems Figur 2a bis e Turbokupplung mit Messsystem Figur 3a bis c Antenne von RFID Reader Figur 4 TAG

In Figur 1 a wird schematisch das aus dem Stand der Technik bekannte Funktionsprinzip eines RFID-Systems dargestellt. Das dargestellte System ermöglicht - - eine berührungslose Signal- und Energieübertragung. Im Wesentlichen besteht das System aus einem Sensor 6 der mit einer RFID-Sensoreinheit 2 verbunden ist und einem RFID-Reader 1 der mit einer Aüswerteinheit 25 verbunden ist. Die Antennenfelder der Antennen 3a und 3b von Reader 1 und TAG 2 greifen ineinander. Figur 1 b zeigt den genaueren Aufbau des RFID-Systems. In dieser Darstellung sind alle Bauteile die auf einem Reader 1 und einen TAG 2 angeordnet sein können dargestellt.

Die Energieübertragung wie auch die Datenübertragung erfolgt über die Antennen 3a, 3b der beiden Bauteile 1 , 2. Dazu müssen RFI D-TAG 2 und RFID-Reader 1 in Funkreichweite zueinander positioniert werden bzw. die Antennen derart zueinander positioniert sein, dass die Feldverläufe der Antennen ineinandergreifen.

Der RFID-TAG 2 kann neben dem Schaltkreis zum Senden und Empfangen von Signalen und Energie eine Energieversorgungseinheit aufweisen, welche für die Stromversorgung der Schaltkreise sorgt. Zur Speicherung der Energie kann eine Energiespeichereinheit vorgesehen sein. Ein derartiger passiver RFID-TAG wird daher allgemein auch als Smartsensor bezeichnet.

In den Figuren 2a bis 2e ist eine Turbokupplung in unterschiedlichen Ansichten bzw. Schnitten dargestellt. So zeigt figur 2a eine Turbokupplung 7 im Stillstand. Die Turbokupplung ist zwischen einem Antrieb und einem Getriebe angeordnet. Die Drehmomentübertragung erfolgt mittels des hydrodynamischen Prinzips. Dabei bildet sich im Arbeitsraum der Turbokupplung, gebildet vom ersten und zweiten Schaufelrad, so lange eine Kreislaufströmung aus, bis im Nennbetrieb nahezu eine Drehzahlgleichheit besteht. Solange keine Drehzahlgleichheit bildet sich eine Kreislaufströmung. Je höher die Diffenenzdrehzahl zwischen ersten und zweiten Schaufelrad ist, desto größer ist die Verlustleistung durch die das Arbeitsmedium erhitzt wird. Bei einer Störung kann es so sehr schnell zu einer Überhitzung des Arbeitsmediums kommen, die eine Abschaltung des Antriebs erfordert.

In der persektivischen Darstellung, Figur 2b ist der Blick auf das erste Schaufelrad 8, der Antriebseite, mit dem RFI D-Messsystem dargestellt. Der RFID-TAG 2 ist am Schaufelrad 8 derart befestigt bzw. eingeschraubt, dass der Sensor in den Arbeitsraum 10 hineinreicht. Die Positionierung des TAG ^' s 2 bzw. des Sensors 6 ist so - - gewählt, dass die Messung am Außenradius des Arbeitsraumes 1 1 erfolgt, da hier die höchsten Temperaturen herrschen können.

Des Weiteren ist die RFID-Readereinheit , bestehend aus dem Reader 1 und der Antenne 3a, dargestellt. Dabei ist die Antenne 3a auf einem Antennenträger 21 positioniert, der als Ring um den Wellenbereich 15 angeordnet ist. Die Antenne 3a ist als Schlaufe ausgeführt, so dass eine zweiflutige Antenne entsteht, die auf der Antennenplatine 19 derart geschaltet ist, dass der Antennenüberlappungsbereich 17 möglichst keine Feldschwächung bewirkt. Der ein oder mehradrige Antennendraht kann dabei in die Nuten 14 eingegossen sein. Der Reader 1 ist mit der An- tenne über eine Antennenzuleitung 20 verbunden.

In den Figuren 2c und 2d die sie Turbokupplung im Nennbetrieb und im Stillstand dargestellt. Während des Nennbetriebes, wenn nur noch ein geringer Schlupf zwischen den Schaufelrädern 8, 9 vorhanden ist, gibt es keine Kreislaufströmung mehr und die Temperatur des Arbeitsmediums wird nicht mehr erhöht. Nach einem Abbremsvorgang, durch den die Bremsenergie zu einer starken Erhitzung des Arbeitsmediums führt, sammelt sich das heiße Arbeitsmedium im unteren Arbeitsraumbereich. Je nach Stillstands-Position ist der Sensor dann in einer Position in der er die Temperatur des Arbeitsmediums nicht messen kann, wie in Figur 2e dargestellt. Um nun zu erreichen, dass in jeder Stillstandsposition die Temperatur gemessen werden kann, müssen mehere TAG ^' s eingebaut werden oder die Stillstandsposition so geregelt werden, dass der Sensor immer unterhalb des Füllstands bleibt.

Weiterhin ist es denkbar, dass durch gezieltes langsames Drehen der Turbokupp- lungsantriebsseite der Kühlvorgang des Arbeitsmediums beschleunigt wird. Wobei die Temperaturschwankung dazu genutzt werden kann, die optimale Drehzahl für die bestmögliche Kühlung zu ermitteln.

In Figur 3 sind Ausführungen der RFID-Reader-Antenne 3a dargestellt. Damit mittels der Antenne 3a ein Antennenfeldbereich aufgebaut werden kann, das eine im Wesentlichen unterbrechungsfreie Übertragung von Energie und/oder Daten ge- währleistet, muss die Antenne 3a derart gestaltet sein, dass eine zweiflutige Antenne entsteht. Dies wird erreicht, indem der Antennendraht wie in Figur 3a darge- - - stellt als Schlaufe zu einem ringförmigen Gebilde geformt wird. Zwischen dem Zuführ- und Rückführdraht entsteht ein Antennenfeld, dessen Feldstärke senkrecht zur Ringfläche verstärkt wird.

Eine derartig gestaltete Antenne erzeugt ein gerichtetes Antennenfeld senkrecht zur Ringfläche, wobei sich der Feldbereich vor der Antenne konzentriert und die Umgebung weniger beeinflusst wird, wodurch die EMV-Eigenschaften verbessert werden. Lediglich an der Nahtstelle bzw. dem Antennenüberlappungsbereich 17 kommt es, je nach Ausführung, zu einer Feldüberhöhung oder zu einer Feldschwächung, die aber nur eine kleinen Abschnittsbereich der Antennenringfläche beeinflusst, so dass im Wesentlichen eine unterbrechungsfreie Übertragung stattfinden kann.

Der Antennendraht kann auf einem Antennenträger aufgebracht oder alternativ in einem Metallrohr 23 geführt sein, wobei das Rohr dann derart verformt ist, dass ein ringförmiges Gebilde entsteht, bei dem das Rohr zwei konzentrische Kreise bildet, die eine Ringfläche einschließen^ Fig 3b)

Alternativ kann ein ein- oder mehradriger Antennendraht verwendet werden oder das Rohr 23 selbst als Antennendraht dienen.

Die Kreisringdurchmesser bzw. der Abstand der Schlaufe, also der Abstand zwischen der Außenantenne und Innenantenne ist dabei von der Bewegung des RFID-TAG ^' s bzw. der Antenne 3b abhängig. Das heißt, der Antennenring 3a muss derart ausgelegt sein, dass die Antenne 3b des RFID-TAG ^' s während der Drehung immer im Bereich der Ringfläche bleibt.

Um die Beeinflussung an der Nahtstelle, dem Antennenüberlappungsbereich 17 möglichst gering zu halten, kann die Antenne 3a, wie in Figur 3c dargestellt, mehradrig ausgeführt werden. Dabei bildet jede Ader einen eigene Ringfläche, das heißt, die einzelnen Adern sind parallel geschaltet. Durch die räumliche Versetzung der einzelnen Windungen zueinander kann eine Feldschwankung gut ausgeglichen werden. Die einzelnen Windungen sind auf der Antennenplatine entsprechend verschaltet. In Figur 4 ist beispielhaft eine Ausführung eines TAG ^' s 2 dargestellt. Insbesondere bei hohen Temperaturen ist es notwendig, dass die Tag-Platine vor zu großer Hit- - - ze geschützt ist. Das dargestellte Gehäuse 26 des TAG ^' s 2 ist als Einschraubgehäuse ausgeführt, wobei der Sensor 6 an der Spitze positioniert ist und so nahe an einen Temperaturbereich herangeführt werden kann. Die TAG-Platine 2 ist dagegen gut gegenüber Hitze abgeschirmt. Zur weiteren Isolierung gegenüber der Hitze und zur Befestigung ist der TAG mittels eines Isoliermaterials 24 in dem Gehäuse 26 fixiert.

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Bezuqszeichenliste

1 RFID-Reader

2 RFI D-TAG

3a, b Antenne

4 Energieversorgung

5 Datenaustausch

6 Sensor

7 Turbokupplung

8 erstes Schaufelrad

9 zweites Schaufelrad

10 Arbeitsraum

1 1 Schaufel

12 Gehäuse

13 Arbeitsmedium

14 Nut für Antenne

15 Wellenteil

16 Lager

17 Antennenüberlappungsbereich 18 Feldbereich

19 Antennenplatine

20 Antennenzuleitung

21 Antennenträger

22 Gehäuse

23 Metallrohre

24 Isoliermaterial

25 Auswerteinheit

26 TAG-Gehäuse