WO2003100743A2 - Beruehrungsloses lagemessen von rotierenden teilen - Google Patents

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WO2003100743A2
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Joachim Hering
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FAG Kugelfischer Georg Schaefer KGaA
Kugelfischer Georg Schaefer and Co
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    • F16C35/00—Rigid support of bearing units; Housings, e.g. caps, covers
    • F16C35/04—Rigid support of bearing units; Housings, e.g. caps, covers in the case of ball or roller bearings
    • F16C35/042—Housings for rolling element bearings for rotary movement
    • F16C35/047—Housings for rolling element bearings for rotary movement with a base plate substantially parallel to the axis of rotation, e.g. horizontally mounted pillow blocks

Definitions

  • the invention relates to a method for measuring operating conditions of a rotating part, which may be at least partially stored in a substantially closed metallic housing.
  • a rotating part which may be at least partially stored in a substantially closed metallic housing.
  • rotating parts are addressed, which are mounted on a roller bearing, such as shafts.
  • the invention also relates to a device with which such a measurement is possible, wherein a reflected by the shaft rotating sensor (for example, passive SAW sensor) reflection signal is received by an antenna, which converts it into a received signal for detection or determination (measurement) of the prevailing on the rotatable part operating situation is evaluated.
  • a reflected by the shaft rotating sensor for example, passive SAW sensor
  • the invention is also concerned with the measurement of rotational states, under which rotational states not the load (mechanical or thermal) is understood, but those rotational states, which are used for example in a drive control, such as the rotational speed, the rotational position (angular position) and / or Sign of the direction of rotation.
  • This measurement should also be carried out either alone, or in combination with the previously mentioned thermal and mechanical load measurements in the context of the co-rotating sensor without contact.
  • a special focus is the application in rolling bearings and especially in combination with bearing housings, which are substantially completely closed.
  • SAW sensors can be applied as a measuring sensor on the rotating part, such as a rolling bearing.
  • Rolling bearings themselves are usually installed in substantially closed bearing housings and thus completely or practically completely surrounded by metallic surfaces, resulting in electromagnetic waves to superpositions and as a result to local extinctions and to receiving gaps.
  • Receiving gaps are disadvantageous for a continuous or continuous measurement of the load state, which is essentially continuous or oriented at the circumference of the rotating part.
  • SAW sensors are in their structure of DE-A 42 17 049 (Siemens), associated publications, such as buff, "SAW sensors", Sensors and Actuators, A, 1992, pages 117 to 121 and in an expanded Application described in a publication from Ultrasonics Symposium, 1994, pages 589 to 592, authors Schmidt, Sczesny, Reindl, Magori, there in particular page 591, right column to Figure 6.
  • the structure of the SAW sensors is known to also drive these sensors over short bursts of about 80 nsec in length to avoid unwanted environmental echoes when the reflected signal is reflected after a delay of a few microseconds.
  • the SAW sensors have been applied in a similar construction in motor vehicles on a rotating shaft, see.
  • the invention is based on the technical problem of being able to measure rotational states without contact on a rotatable part, such as a shaft, and at least reduce receiving gaps despite the metallic, possibly substantially closed bearing housing, preferably completely avoiding them in the evaluated received signal. It should not be the geometry of the housing or the bearing to be optimized, but the measurement itself, which is also to work reliably on the entire rotation angle of 360 °, with cost-effective design and low-cost evaluation.
  • the measurements described are made to determine the speed and the position of the relative to the stationary section rotatable shaft part.
  • shaft part comes the shaft itself, a section of this shaft or a bearing inner ring in question, the solid is connected to the shaft and rotates with this, without much relative to being rotated relative to her.
  • the sensor with the sensor antenna is located on the rotating part, and an antenna of the electronics on the stationary portion side is non-rotatably attached to the bearing housing.
  • an antenna of the electronics on the stationary portion side is non-rotatably attached to the bearing housing.
  • the spatial change results in transit time differences in the phase between the reflected pulses and a reference oscillator in the interrogation electronics, which is arranged on the stationary side. Since boundary conditions in the bearing housing can be assumed to be stationary, a continuous phase profile results over the angle of rotation of the shaft part. A position measurement is possible. By measuring a time interval between two recurrent phase states, the rotational speed can also be determined as a "rotational state" (claim 34, 35).
  • the phase change results from a spatial offset (claim 20), based on the location of the sensor on the rotating shaft part relative to the at least one antenna on the stationary side.
  • the evaluation of this phase influence on a signal reflected by the transmitter (claim 16) can be used to evaluate the rotational state of the shaft part (rotational position or speed).
  • An evaluation is done via the absolute phase and not the phase difference, wherein the recording takes place on the side of the stationary section, for example by a digital integrator, which records the angular position of the rotating shaft part and entrains (claim 10).
  • the additional phase change is due to the local offset of the sensor to the stationary antenna (transmitting or Receiving antenna) and can be used either as a stand-alone or as a further measured variable.
  • the recovery of a same phase value, to identify the same rotational position, can be favored if the antennas are formed in a certain way (claim 13, 14 or 15), wherein an asymmetry is applied.
  • the capacitive antenna can be coupled with a SAW sensor (claim 6, 7), also here, at the same time, a thermal or mechanical stress on the sensor by measuring changed maturities done (claim 8, 9). If these measured values are available, they can be subtracted from the results of the phase measurement for determining the rotational speed or the rotational position (claim 37).
  • sensors find, for example, SAW sensors application that work passively with surface waves (claim 25) and thereby reflected electromagnetic waves reflected time or delay. It is exploited in the reflection of a runtime in the sensors.
  • the sensor is irradiated with a high-frequency pulse (claim 31) and this pulse is picked up by an antenna, converted into a surface wave in an interdigital converter and staggered in time by reflector locations on the sensor, so that differences in transit times result in the reflected multiple signals (Claim 26).
  • This at least one transit time difference follows from the distances of the reflector locations on the sensor.
  • the reflection signals give by their transit time difference a geometric length, changes in this term (the distance of the two reflection signals) result in a mechanical strain of the sensor.
  • a mechanical stress of the rotatable part can be determined on which the sensor is firmly attached. While a mechanical load causes an expansion or contraction, a thermal load (claim 29) is a significant cause for a change in the phase velocity of the surface wave on the SAW sensor, which also changes the transit time (between the respective reflector point and the converter as an interdigital transducer) , This results in a load-dependent or temperature-dependent signal size as the output variable of the passive sensor, which can also be regarded as a transmitter, based on the reflected signal. This dependence on the physical influence variable ensures a "passive transmission signal" of the sensor, which leads to a non-contact measuring capability compared to the input signal or a constant phase reference signal.
  • the mechanical load on the rotating part changes the geometry of the (passive) sensor, which causes a change in the reflected signals by stretching or contraction (claim 30), which can be measured by the plurality of receiving antennas and a (claim 28) downstream evaluation without contact.
  • the at least two, preferably only two received signals are supplied to one of the evaluation circuit upstream signal stage, either summarizes the two signals or switches these signals so that there is always a sufficient received signal for the subsequent evaluation of this signal available.
  • Both signals are used to determine the mechanical stress of the rotating part, but not necessarily simultaneously, but preferably with a time delay, according to a mechanical rotational movement of the rotating part (claim 27).
  • the respective more favorable received signal can become a working signal which serves as the basis of the load measurement.
  • a rotatable part is formed as a shaft and held by a rolling bearing, for example a plummer block (claim 22).
  • the fixed arrangement of the sensor is to be understood on the shaft as a rotating part so that a mechanical strain or thermal load of the shaft is transmitted to the sensor, so that its state over the life of the surface waves with reflected electromagnetic waves from the housing side can be measured.
  • the electromagnetic pulse can be radiated, for example, from one of the two or more antennas, which can also operate as receiving antennas.
  • the irradiation of the pulse on the sensor provides a staggered reflection.
  • Several reflectors return a train of signals and are picked up by one (or more) antennas. They emit at least one electrical signal, but prefer several electrical signals that are output from the multiple, spatially-spaced receiving antennas. Of these, the strongest signal is evaluated. Switching between antennas is possible.
  • the several staggered incoming signals are also used to separate the effects of mechanical / thermal cause and such by rotation.
  • the receive gaps or quiescent waves resulting from standing waves can be eliminated for the measurement.
  • the concrete effects of the overlays in a specific situation housing are not known, the measuring device works reliably, regardless of a constructive or destructive interference (increase or decrease of the signal intensity by reflections of the electromagnetic waves).
  • the bearing housing unlike in exposed bearings - shading by the shaft is not one, which usually protrudes beyond the camp.
  • Figure 1 is an end view of a first exemplary rolling bearing 5 as a pillow block bearing with a rotatable shaft 1 and two stationary antennas A1, A2 for illustrating a first example of the measuring method and a first example of the measurement setup.
  • Figure 1a is a sectional view taken along the plane II-II.
  • Figure 2 illustrates the measuring principle of a SAW sensor with a transmitted pulse and the associated reflected pulses, the sinusoidal signals are shown by phase.
  • FIG. 3 illustrates the phase position over the angular position of the sensor, as depicted as sensor 30 in the previous figures.
  • Figure 4 illustrates a measuring system with a capacitive antenna coupling.
  • FIG. 4a illustrates a phase characteristic in the capacitive one
  • FIGS 1 and 1a illustrate a schematic view of a bearing.
  • a bearing housing 10 has an upper, the shape of the bearing following curved portion 10 a and a base portion 10 b with bottom 10 b '.
  • Two bearing components can be releasably connected to each other via screw mounts 11, 12 with screw heads 11a, 12a, so that a bearing shell 1b carries a plurality of rolling elements 5a, 5b, 5c ... (for example as balls or cylinders) supporting a rotatable shaft 1.
  • the rolling rolling elements 5a, 5b, 5c, ... are arranged between a bearing inner ring 1a and the outer ring 1b as a shell.
  • the inner ring 1a is fixedly mounted on the shaft 1, for example by thermal shrinking.
  • the outer ring supports the rolling elements.
  • the bearing shown can also be referred to as a pillow block bearing associated housing.
  • the rolling elements 5a, 5b, ... are arranged at substantially equal intervals orbitally about the shaft 1.
  • the sensor 30, which is in the example a SAW sensor for reflecting surface electromagnetic waves, is fixedly mounted on the shaft 1 and connected to the bearing ring 1 a, so that mechanical changes within the shaft or the bearing ring, such as strains, stresses or contractions , be transferred to him and thereby change him mechanically according to the load.
  • the arrangement of the sensor 30 can be seen, which is provided on the shaft and extends axially over a partial length of the inner ring 1a, with a substantially perpendicular thereto arranged antenna 31.
  • On the same side of the bearing are also provided at an axial distance two receiving antennas A1 and A2 on a support piece 1c, which antennas can also be used as a transmitting antenna.
  • the two antennas are introduced in the upper portion 10a, the circumferential distance ⁇ 1 is selected so that one antenna is in a field strength maximum, while the other antenna has a receiving gap with respect to their received signal.
  • Both received signals a1, a2 are not in phase, but mutatis mutandis in an antiphase, with a maximum and a minimum are assigned to each other so that both field strength curves over the rotation angle never have a minimum at the same time.
  • a working signal a3 is formed.
  • This working signal a3 is likewise dependent on the angle of rotation ⁇ and shows a much more uniform course with regard to the signal strength than in each case a single signal a1 or a2. A more uniform reception field strength is thus subjected to the evaluation, so that a more reliable load value ⁇ ( ⁇ ) or ⁇ (t) is obtained.
  • One of these two antennas A1 or A2 can simultaneously be a transmitting antenna for emitting a high-frequency pulse which is reflected by the sensor 30.
  • the reflected signals are received at different locations by the two antennas spaced apart by ⁇ 1 and form two separate electrical reception signals a1, a2, the due to the spatial spacing of the antennas are essentially not the same in essence.
  • the reception quality is no longer dependent solely on an antenna and its arrangement, but both antennas can be positioned so that the two received signals are no longer disturbed as a result of the reflected pulses to determine the strain in sync.
  • the additional phase change results from the local offset (spatial offset) of the sensor 30 or its antenna 31 relative to the at least one stationary antenna A1, A2, which can be seen from FIG. 1, FIG. 1a.
  • This proportion of the phase change can be evaluated as a further measured variable. It indicates the state of rotation in the sense of the desired measured variable, such as mainly rotational speed or rotational position.
  • the direction of rotation can also be referred to as a rotational state.
  • the exemplary course according to FIG. 3 shows the phase (the phase state) over the angular position of the SAW sensor or its sensor antenna 31, as can be seen in FIG. 1a.
  • the relatively movable transmitting antenna is spatially variable with respect to the at least one antenna on the stationary side, which is evaluated by the interrogation electronics 21. For the case sketched in FIG. 3, two phase jumps of 360 ° take place with a rotation of 360 °. A phase state is thus passed through more than once. This is taken into account in the speed measurement.
  • phase shift ⁇ ⁇ of the signal reflected by it with respect to a - not shown in the drawings - reference oscillator in the interrogation electronics 21 determined.
  • phase values is composed of a proportion ⁇ 0 ', which is due to the spatially changing arrangement of the two antennas A1 and 31 or A2 and 31, and a fraction ⁇ n 'which is mechanically and thermally influenced as far as this stress is present.
  • ⁇ n ⁇ o + ⁇ n ⁇ o '- f ( ⁇ )
  • ⁇ cpo (t) ⁇ n (t) - ⁇ n (t T 0) ⁇ o '(t) + ⁇ n' (t) - ⁇ 0 '(t T 0) - ⁇ n! (tT ") ⁇ o '(t) - ⁇ o' (t-To)
  • phase change caused by the stress is additionally subtracted. This phase change is determined anyway due to the measurement method for the thermal and mechanical stress.
  • n is the number of the reflector.
  • the proportion of the phase shift arising from the thermal and / or mechanical stress can be determined from the measured phase values of two reflectors, and thus the proportion of the results resulting from rotation can be determined.
  • a speed may be determined by measuring a time between two repeating phase states. Such phase states are shown in the example in FIG. If several identical phase states are distributed around the circumference, this is taken into account in the speed measurement. This helps an absolute phase measurement, which helps take into account phase jumps that take place at the periphery.
  • Figure 4a shows ambiguous on the circumference. It results in an arrangement of Figure 4, which operates with a capacity antenna in the context of a warehouse. Shown in Figure 4 is a bearing inner ring 1a, which is fixedly connected to the shaft 1, which shaft is not shown here. The shaft rotates in an indicated direction ⁇ (t) and has a certain position, which is defined with ⁇ (t) at time "t". The derivative of the position gives the speed, or the other way round, the speed of the shaft part gives integrated the position, depending on the order of calculation.
  • a ring antenna 40 is applied, which rotates with the shaft.
  • another ring antenna which is assigned as a housing antenna 41 to the stationary portion 10 of the bearing.
  • This stationary section is shown only schematically, but can be seen from the preceding figures. The speed of the stationary section shall be specified as zero.
  • the interrogation electronics 21 ' is symbolically represented, it is coupled to the housing antenna 41 and calculates the functions described.
  • the sensor 30 of FIG. 4 corresponds to the co-rotating sensor, which is electrically coupled to the antenna ring associated with the rotating shaft part.
  • the two antennas 40, 41 can be described as a bearing antenna or housing antenna.
  • the sensor 30 is preferably a SAW sensor, as explained above.
  • the capacitive coupling of the two ring-strip antennas 40,41 is designed so that waves standing on them with an integer number P of vibration periods form.
  • the ring-strip antennas have only a small distance to the transmission of the signals, in the range up to 1/10 of the wavelength used.
  • the frequency used here in the example is about 2.45 GHz (wavelength of 122.4 mm).
  • a distance between the antennas should therefore be less than 12mm in the example. In a further preferred example, they are about 2mm.
  • phase measured values of the individual reflectors of the SAW sensor 30 shown in FIG. 2, which is provided in FIG. 4, are given an additional angular position-dependent phase offset.
  • a rotational speed or a direction of rotation is determined, which refers to the shaft part 1a.
  • the absolute phase for one of the reflectors of the SAW chip is recorded on the stationary side and carried along. For example, this can be done by a digital integrator.
  • the factor 2P can be used to convert the integrated absolute-phase value, referred to as the raw-axis value, into the position of the inner ring, which corresponds to the position of the actual rotary position. If there is an ambiguity in the circumference, a calibration is useful to resolve the ambiguity. This calibration can be automated via targeted use of a winkeiphthalen transmission characteristic. For this purpose, the fact can be used that at a certain position of the antennas 40,41 to each other a collapse or at least a significant deviation of the transmitted signal amplitude occurs.
  • the deviation in the transmission characteristic can also be predetermined or influenced by a deliberate, slight mismatch of one or both of the two antennas 40, 41, e.g. a notch in one of the antennas.

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Abstract

Die Erfindung beschreibt eine Anordnung zur Messung der Lage (Position) oder Drehzahl oder Drehrichtung in einem Lager für einen Wellenteil (1, 1a), wobei das Lager einen stationären Abschnitt (10) aufweist, auf dem das Wellenteil (1, 1 a) drehbar gestützt ist, und dieses Wellenteil zumindest einen, mit dem Wellenteil (1) drehbaren und auf ihm fixierten Sensor (30) aufweist, und wobei auf dem stationären Abschnitt (10) und dem Wellenteil (1, 1a) jeweils ein Antennenring (41, 40) vorgesehen sind, welche in kapazitiver Signalkopplung stehen.

Description

Beruehrungsloses Lagemessen von rotierenden Teilen
Die Erfindung befaßt sich mit einem Verfahren zur Messung von Betriebszuständen eines rotierenden Teils, das zumindest teilweise in einem im wesentlichen geschlossenen metallischen Gehäuse gelagert sein kann. Bevorzugt werden solche rotierenden Teile angesprochen, die auf einem Wälzlager gelagert sind, beispielsweise Wellen. Die Erfindung befaßt sich auch mit einer Vorrichtung, mit der eine solche Messung möglich ist, wobei ein vom mit der Welle drehenden Sensor (beispielsweise passiver SAW-Sensor) reflektiertes Reflektionssignal von einer Antenne empfangen wird, die es in ein Empfangssignal umsetzt, das zur Erfassung oder Bestimmung (Messung) der auf dem drehbaren Teil herrschenden Betriebssituation ausgewertet wird.
Die Erfindung befaßt sich auch mit der Messung von Drehzuständen, unter welchen Drehzuständen nicht die Belastung (mechanisch oder thermisch) verstanden wird, sondern solche Drehzustände, die beispielsweise bei einer Antriebsregelung Einsatz finden, wie die Drehzahl, die Drehlage (Winkelposition) und/oder das Vorzeichen der Drehrichtung. Auch diese Messung soll entweder alleine, oder in Kombination mit den zuvor angesprochenen thermischen und mechanischen Belastungsmessungen im Rahmen des mitdrehenden Sensors berührungslos durchgeführt werden. Auch hier liegt ein spezielles Augenmerk der Anwendung im Wälzlager und speziell in Kombination mit Lagergehäusen, welche im wesentlichen vollständig geschlossen sind.
Oberflächenweilen-Sensoren, z.B. sogenannte SAW-Sensoren, können als Meßgeber auf dem rotierenden Teil aufgebracht werden, beispielsweise einem Wälzlager. Wälzlager selbst sind meist in im wesentlichen geschlossenen Lagergehäusen eingebaut und somit vollständig oder praktisch vollständig von metallischen Flächen umgeben, was bei elektromagnetischen Wellen zu Überlagerungen und in der Folge zu lokalen Auslöschungen und zu Empfangslücken führt. Empfangslücken sind für eine im wesentlichen stetige, oder am Umfang des drehenden Teils orientierte kontinuierliche oder durchgehende Messung des Belastungszustandes nachteilig.
Oberflächenwellen-Sensoren als SAW-Sensoren werden in ihrer Struktur der DE-A 42 17 049 (Siemens), zugehörigen Veröffentlichungen, wie Buff, "SAW-Sensors", Sensors and Actuators, A, 1992, Seiten 117 bis 121 sowie in einem erweiterten Anwendungsbereich beschrieben in einer Veröffentlichung aus Ultrasonics Symposium, 1994, Seiten 589 bis 592, Autoren Schmidt, Sczesny, Reindl, Magori, dort insbesondere Seite 591 , rechte Spalte zur Figur 6. Der Aufbau der SAW-Sensoren ist daraus bekannt, auch die Ansteuerung dieser Sensoren über kurze Bursts von etwa 80 nsec Länge, um unerwünschte Echos aus der Umgebung zu vermeiden, wenn das reflektierte Signal nach einer Verzögerung von einigen Mikrosekunden zurückgeworfen wird. Die SAW-Sensoren sind in ähnlicher Bauweise auch bei Kraftfahrzeugen auf einer drehenden Welle angewendet worden, vgl. DE-A 198 47 291, dort Spalte 2, Zeile 45 ff., wobei pro Welle zwei Sensoren verwendet worden sind, von denen jeweils eine in einer von zwei Halbschalen angeordnet war. Die gleichen Sensoren sind als Drehmomentaufnehmer auch in einer Dissertation von Pistor beschrieben worden, "Drehmomentaufnehmer mit Oberflächenwellen-Sensoren unter besonderer Berücksichtigung der Krafteinleitung", Lehrstuhl für elektrische Meßtechnik, TU-München, 28. Juni 1999, dort Bild 8.2 mit zugehöriger Beschreibung. Die Montage an einer dort angegebenen Motorwelle erfolgte durch Klebung in einem von dem Lager entfernten Einbauraum für den Aufnehmer. SAW-Sensoren sind drahtlose passive Sensoren, vgl. Reindl et al, "SAW-Devices as Wireless Passive Sensors", IEEE Ultrasonics Symposium, 1996, Seiten 363 bis 367. Dort wird auf mehrere Anwendungen von SAW-Sensoren verwiesen, vgl. Seite 367 unter Ziffer B mit zugehörigen Literaturhinweisen zur Packungstechnik (Referenzen 15,16), zur Anbringung auf drehbaren Wellen oder stark beanspruchten Antrieben (Referenzen 17,18) oder zur Erfassung eines Luftdrucks eines bewegbaren Fahrzeugs (dort Referenzen 14,16). Eine schließlich weitere Anwendung ist ein "funkabfragbarer Drehmomentsensor auf der Basis von Oberflächenwellen-Verzögerungsleitungen", Fortschritt-Berichte VDI, 1998, Reihe 8, Nr. 729, VDI-Verlag. Ein rotierender Teil und ein stationärer Teil werden gemäß dortiger Ziffer 2.1.6 telemetrisch gekoppelt, wobei ein Dipolarray als Antenne in Betracht gezogen wird, vgl. Seite 84,85.
Die Erfindung geht von der technischen Problemstellung aus, Drehzustände berührungslos an einem drehbaren Teil, wie einer Welle, messen zu können und dabei trotz des metallischen, ggf. im wesentlichen geschlossenen Lagergehäuses Empfangslücken zumindest herabzusetzen, bevorzugt in dem ausgewerteten Empfangssignal ganz zu vermeiden. Dabei soll nicht die Geometrie des Gehäuses oder des Lagers optimiert werden, sondern die Messung selbst, die dazuhin auf dem gesamten Drehwinkel von 360° zuverlässig arbeiten soll, bei kostengünstiger Auslegung und wenig aufwendiger Auswerteelektronik.
Die beschriebenen Messungen erfolgen zur Bestimmung der Drehzahl und der Position des gegenüber dem stationären Abschnitt drehbaren Wellenteils. Als Wellenteil kommt die Welle selbst, ein Abschnitt dieser Welle oder ein Lager-Innenring in Frage, der fest mit der Welle verbunden ist und mit dieser mitdreht, ohne ihr gegenüber wesentlich relativ verdreht zu werden.
Der Sensor mit der Sensorantenne befindet sich auf dem rotierenden Teil und eine Antenne der Elektronik auf der Seite des stationären Abschnitts ist nicht drehbar am Lagergehäuse angebracht. Durch eine Drehung des rotierenden Teils ändert sich die räumliche Anordnung der Antenne des Sensors auf dem drehbaren Wellenteil und der zumindest einen Antenne am stationären Abschnitt. Statt der Antenne auf dem Wellenteil kann auch der Sensor benannt werden (Anspruch 36).
Durch die räumliche Änderung ergeben sich Laufzeitunterschiede in der Phase zwischen den reflektierten Pulsen und einem Referenzoszillator in der Abfrageelektronik, die auf der stationären Seite angeordnet ist. Da Randbedingungen im Lagergehäuse als stationär angenommen werden können, ergibt sich ein stetiges Phasen-Verlaufsprofil über den Drehwinkel des Wellenteils. Eine Lagemessung wird möglich. Durch Messung einer Zeitspanne zwischen zwei wiederkehrenden Phasenzuständen kann auch die Drehzahl als "Drehzustand" ermittelt werden (Anspruch 34,35).
Die Phasenänderung ergibt sich durch einen räumlichen Versatz (Anspruch 20), bezogen auf den Ort des Sensors am rotierenden Wellenteil gegenüber der zumindest einen Antenne auf der stationären Seite. Die Auswertung dieses Phaseneinflusses auf ein vom Sender reflektiertes Signal (Anspruch 16) kann zur Auswertung des Drehzustandes des Wellenteils (Drehlage oder Drehzahl) herangezogen werden.
Bei Einsatz einer kapazitiven Antenne (Anspruch 1 , Anspruch 5) wird der Einfluß auf die Phase durch eine stehende Welle hervorgerufen, die durch zumindest einen Antennenring auf dem stationären Teil und auf dem drehbaren Wellenteil aufgeprägt wird. Diese Aufprägung geschieht in der Form einer stehenden Welle, wobei eine ganze Anzahl von Schwingungsperioden ausgebildet werden. Dadurch entsteht eine lückenlose, von der Winkelposition des Lagers weitgehende unabhängige Signalankopplung (Anspruch 4, Anspruch 11).
Eine Auswertung geschieht dabei über die Absolutphase und nicht die Phasendifferenz, wobei die Aufzeichnung auf der Seite des stationären Abschnitts erfolgt, beispielsweise durch einen digitalen Integrator, der die Winkellage des rotierenden Wellenteils aufzeichnet und mitführt (Anspruch 10). Die zusätzliche Phasenänderung ergibt sich durch den örtlichen Versatz des Sensors zu der stationären Antenne (Sende- bzw. Empfangsantenne) und kann entweder als eigenständige oder als weitere Meßgröße benutzt werden.
Das Wiederfinden eines gleichen Phasenwertes, zur Kennzeichnung derselben Drehlage, kann begünstigt werden, wenn die Antennen in einer bestimmten Weise ausgebildet werden (Anspruch 13, 14 oder 15), wobei eine Unsymmetrie Anwendung findet.
Ist eine Mehrdeutigkeit entlang des Drehwinkels von 360° gegeben, erfolgt eine Kalibrierung (Anspruch 13).
Besonders vorteilhaft läßt sich die kapazitive Antenne mit einem SAW-Sensor koppeln (Anspruch 6, 7), auch hier kann gleichzeitig eine thermische oder mechanische Belastung über den Sensor durch Messung von veränderten Laufzeiten erfolgen (Anspruch 8, 9). Liegen diese Meßwerte vor, können sie von den Ergebnissen den Phasenmessung zur Ermittlung der Drehzahl oder der Drehlage subtrahiert werden (Anspruch 37).
Mit beabstandet angeordneten zumindest zwei Antennen können Empfangssignale zur Verfügung gestellt werden, die gemeinsam betrachtet eine Verbesserung oder Optimierung eines resultierenden Arbeitssignals ermöglichen, das am Umfang betrachtet, also bei einer Umdrehung des rotierenden Teils um 360°, zumindest keine vollständigen Empfangslücken aufweist. Es kann auch nur eines der verfügbaren Signale zur Auswertung verwendet werden.
Als Sensoren finden beispielsweise SAW-Sensoren Anwendung, die passiv mit Oberflächenwellen arbeiten (Anspruch 25) und dabei eingestrahlte elektromagnetische Wellen zeitverzögert reflektieren bzw. zurücksenden. Es wird bei der Reflektion eine Laufzeit in den Sensoren ausgenutzt. Der Sensor wird dazu mit einem hochfrequenten Puls (Anspruch 31) bestrahlt und dieser Puls wird über eine Antenne aufgenommen, in einem Interdigitaiwandier in eine Oberflächenwelle umgesetzt und diese von Reflektorstellen auf dem Sensor zeitlich gestaffelt reflektiert, so daß sich Laufzeitunterschiede in den reflektierten mehreren Signalen ergeben (Anspruch 26). Dieser zumindest eine Laufzeitunterschied folgt aus den Abständen der Reflektorstellen auf dem Sensor. Die Reflektionssignale geben durch ihren Laufzeitunterschied eine geometrische Länge wieder, Änderungen dieser Laufzeit (des Abstandes der beiden Reflektionssignale) ergeben eine mechanische Dehnung des Sensors. Aus dieser Dehnung kann eine mechanische Beanspruchung des drehbaren Teils ermittelt werden, auf dem der Sensor fest aufgebracht ist. Während eine mechanische Belastung eine Dehnung oder Kontraktion bewirkt, ist eine thermische Belastung (Anspruch 29) wesentliche Ursache für eine Änderung der Phasengeschwindigkeit der Oberflächenwelle auf dem SAW-Sensor, wodurch sich ebenfalls die Laufzeit ändert (zwischen der jeweiligen Reflektorstelle und dem Umsetzer als Interdigitalwandler). Damit ergibt sich eine lastabhängige oder temperaturabhängige Signalgröße als Ausgangsgröße des passiven Sensors, der auch als Sender angesehen werden kann, bezogen auf das reflektierte Signal. Diese Abhängigkeit von der physikalischen Einflußgröße sorgt für ein "passives Sendesignal" des Sensors, das im Vergleich zu dem Eingangssignal oder einem Referenzsignal konstanter Phase zu einer berührungslosen Meßmöglichkeit führt.
Obwohl geringe Änderungen nicht unmittelbar über die Laufzeit gemessen werden können, können sie über eine relative Phasenmessung zwischen dem jeweils reflektierten Signal und einer Frequenz eines Referenzoszillators ermittelt werden.
Die mechanische Belastung auf dem rotierenden Teil verändert die Geometrie des (passiven) Sensors, der durch Dehnung oder Kontraktion (Anspruch 30) eine Veränderung der reflektierten Signale hervorruft, die von den mehreren Empfangsantennen und einer (Anspruch 28) nachgeschalteten Auswerteelektronik berührungslos gemessen werden kann. Die zumindest zwei, bevorzugt nur zwei Empfangssignale werden dabei einer der Auswerteschaltung vorgelagerten Signalstufe zugeführt, die beide Signale entweder zusammenfaßt oder diese Signale so umschaltet, daß immer ein ausreichendes Empfangssignal für die anschließende Auswertung dieses Signals zur Verfügung steht.
Beide Signale werden dabei zur Bestimmung der mechanischen Beanspruchung des rotierenden Teils herangezogen, aber nicht zwingend gleichzeitig, sondern bevorzugt zeitversetzt, entsprechend einer mechanischen Drehbewegung des rotierenden Teils (Anspruch 27). In einer möglichen Auswahl eines Maximalwertes kann das jeweils günstigere Empfangssignal zu einem Arbeitssignal werden, das als Grundlage der Belastungsmessung dient.
Bevorzugt wird ein drehbares Teil als Welle ausgebildet und von einem Wälzlager, beispielsweise einem Stehlager, gehalten (Anspruch 22). Die feste Anordnung des Sensors ist dabei auf der Welle als rotierendem Teil so zu verstehen, daß eine mechanische Dehnung oder thermische Belastung der Welle auf den Sensor übertragen wird, so daß sein Zustand über die Laufzeit der Oberflächenwellen mit reflektierten elektromagnetischen Wellen von der Gehäuseseite aus gemessen werden kann.
Der elektromagnetische Puls kann beispielsweise von einer der beiden oder mehreren Antennen, die als Empfangsantennen auch arbeiten können, eingestrahlt werden. Das Einstrahlen des Pulses auf den Sensor sorgt für eine gestaffelte Reflektion. Durch mehrere Reflektoren werden eine Folge von Signalen zurückgestrahlt und von einer (oder mehreren) Antennen aufgenommen. Sie geben mindestens ein elektrisches Signal ab, bevorzugen aber mehrere elektrische Signale, die von den mehreren, räumlich beabstandeten Empfangsantennen abgegeben werden. Davon wird das stärkste Signal ausgewertet. Ein Umschalten zwischen Antennen ist möglich. Die mehreren gestaffelt eintreffenden Signale dienen auch zur Trennung der Einflüsse von mechanisch/thermischer Ursache und einer solchen durch Dreheinfluß.
Durch das Umschalten zwischen den zumindest zwei Antennen können die Empfangslücken oder durch stehende Wellen sich ergebenden Auslöschungen für die Messung beseitigt werden. Obwohl die konkreten Wirkungen der Überlagerungen in einem spezifischen Lagegehäuse nicht bekannt sind, arbeitet die Meßeinrichtung zuverlässig, unabhängig von einer konstruktiven oder destruktiven Überlagerung (Erhöhung bzw. Reduktion der Signalintensität durch Reflektionen der elektromagnetischen Wellen). Außerdem tritt im Lagergehäuse - anders als bei offen liegenden Lagern - eine Abschattung durch die Welle nicht ein, welche meist über das Lager hinaussteht.
Ausführungsbeispiele erläutern und ergänzen die Erfindung.
Figur 1 ist in Stirnansicht ein erstes beispielhaftes Wälzlager 5 als Stehlager mit einer drehbaren Welle 1 und zwei stationäre Antennen A1 , A2 zur Veranschaulichung eines ersten Beispiels für das Meßverfahren und eines ersten Beispiels des Meßaufbaus.
Figur 1a ist eine Schnittansicht längs der Ebene ll-ll.
Figur 2 veranschaulicht das Meßprinzip eines SAW-Sensors mit einem gesendeten Puls und den zugehörigen reflektierten Pulsen, wobei die Sinussignale nach Phasenlage dargestellt sind.
Figur 3 veranschaulicht die Phasenlage über der Winkelposition des Sensors, wie er als Sensor 30 in den vorigen Figuren eingezeichnet ist.
Figur 4 veranschaulicht ein Meßsystem mit einer kapazitiven Antennenkopplung.
Figur 4a veranschaulicht einen Phasenverlauf bei der kapazitiven
Antennenkopplung nach Figur 4. Dargestellt ist der Phasenverlauf in Abhängigkeit von der Lagerposition.
Figuren 1 und 1a veranschaulichen eine schematische Ansicht eines Lagers. Ein Lagergehäuse 10 hat einen oberen, der Form des Lagers folgenden gewölbten Abschnitt 10a und einen Sockelabschnitt 10b mit Boden 10b'. Zwei Lagerbauteile können über Schraubmontagen 11 , 12 mit Schraubköpfen 11a, 12a lösbar miteinander verbunden sein, so daß eine Lagerschale 1b mehrere Wälzkörper 5a, 5b, 5c ... (beispielsweise als Kugeln oder Zylinder) trägt, die eine drehbare Welle 1 stützen. Die lagernden Wälzkörper 5a, 5b, 5c, ... sind zwischen einem Lagerinnenring 1a und dem Außenring 1b als Schale angeordnet. Der Innenring 1a ist auf der Welle 1 fest angeordnet, beispielsweise durch ein thermisches Aufschrumpfen. Der Außenring stützt die Wälzkörper. Das dargestellte Lager kann auch als ein Stehlager mit zugehörigem Gehäuse bezeichnet werden.
Die Drehbewegung der Welle 1 (mit Lagerinnenring 1a) ist durch eine Rotation ω der einzelnen Wälzkörper 5a, 5b etc. (kurz: 5) symbolisiert und die Welle 1 ist mit einem Drehwinkel φ = bezeichnet, der den Momentanwert des Drehwinkels α = φ(t) des Sensors 30 angibt, wobei 0° < φ < 360° und Vielfache ist. Die Wälzkörper 5a, 5b, ... sind in im wesentlichen gleichen Abständen orbital um die Welle 1 angeordnet. Der Sensor 30, der im Beispiel ein SAW-Sensor zur Reflektion von elektromagnetischen Oberflächenwellen ist, ist fest auf der Welle 1 angeordnet und mit dem Lagerring 1 a verbunden, so daß mechanische Veränderungen innerhalb der Welle oder des Lagerrings, wie Dehnungen, Spannungen oder Kontraktionen, auf ihn übertragen werden und ihn dabei selbst mechanisch entsprechend der Belastung verändern.
Aus der axialen Schnittansicht Il-Il ist die Anordnung des Sensors 30 zu erkennen, der an der Welle vorgesehen ist und sich axial auf einer Teillänge des Innenrings 1a erstreckt, mit einer im wesentlichen senkrecht dazu angeordneten Antenne 31. Auf derselben Seite des Lagers sind auch im axialen Abstand zwei Empfangsantennen A1 und A2 an einem Trägerstück 1c vorgesehen, von welchen Antennen eine als Sendeantenne auch verwendet werden kann.
Nicht drehbar und im Abstand von dem Sensor 30 angeordnet, sind im Beispiel zwei Antennen A1 , A2, die einen umfänglichen Abstand besitzen. Beide Antennen sind elektrisch verbunden über jeweils eine Leitung mit einer Auswerteelektronik 21.
In das Lagergehäuse 10 sind im oberen Abschnitt 10a die zwei Antennen eingebracht, deren umfänglicher Abstand α1 so gewählt ist, daß sich eine Antenne in einem Feldstärkemaximum befindet, während die andere Antenne hinsichtlich ihres Empfangssignals eine Empfangslücke aufweist. Beide Empfangssignale a1 , a2 sind nicht in Gleichphase, sondern sinngemäß in einer Gegenphase, wobei ein Maximum und ein Minimum so einander zugeordnet sind, daß beide Feldstärkeverläufe über den Drehwinkel nie gleichzeitig ein Minimum besitzen. Durch ein Umschalten der beiden Signale a1 , a2 kann sichergestellt werden, daß ein Arbeitssignal a3 gebildet wird. Dieses Arbeitssignal a3 ist ebenfalls abhängig vom Drehwinkel φ und zeigt einen viel gleichmäßigeren Verlauf hinsichtlich der Signalstärke, als jeweils ein Einzelsignal a1 oder a2. Eine gleichmäßigere Empfangsfeldstärke wird damit der Auswertung unterworfen, so daß ein zuverlässigerer Belastungswert ε(φ) oder ε(t) erhalten wird.
Während sich das Lager und mit ihm der Sensor 30 dreht, wandern Feldstärkeminimas über die fest positionierten Empfangsantennen A1 , A2 hinweg. Eine dieser beiden Antennen A1 oder A2 kann gleichzeitig eine Sendeantenne sein, zur Ausstrahlung eines Hochfrequenzpulses, der von dem Sensor 30 reflektiert wird. Die reflektierten Signale werden von den zwei um α1 beabstandeten Antennen an unterschiedlichen Orten aufgenommen und bilden zwei eigene elektrische Empfangssignale a1 , a2, die aufgrund der räumlichen Beabstandung der Antennen vom Wesen her zumeist nicht gleich sind.
Die Empfangsqualität ist nicht mehr allein von einer Antenne und ihrer Anordnung abhängig, sondern beide Antennen können so positioniert werden, daß die beiden Empfangssignale als Folge der reflektierten Pulse zur Bestimmung der Dehnung in Zusammenschau gesehen nicht mehr gestört sind.
Da zur Bestimmung der mechanischen und thermischen Effekte auf dem rotieren Wellenteil die Absolutphasenwerte der vom Sensor reflektierten elektromagnetischen Pulse sowieso gemessen werden, können daraus auch die Phasenverschiebungen aufgrund von Drehung oder Rotation des Sensors auf dem rotierenden Wellenteil bestimmt werden. Unter der Annahme, daß die Randbedingungen im Lagegehäuse stationär sind, ergibt sich ein stetiges Phasenverlaufsprofil über den Umdrehungswinkel, beispielsweise Figur 3, oder für eine kapazitive Ankopplung in einer später zu beschreibenden Figur 4 das Verlaufsprofil nach Figur 4a.
Die zusätzliche Phasenänderung ergibt sich durch den örtlichen Versatz (räumlichen Versatz) des Sensors 30 bzw. seiner Antenne 31 gegenüber der zumindest einen stationären Antenne A1 ,A2, was aus Figur 1 , Figur 1a ersichtlich ist. Dieser Anteil an der Phasenänderung kann als weitere Meßgröße ausgewertet werden. Sie kennzeichnet den Drehzustand im Sinne der gewünschten Meßgröße, wie hauptsächlich Drehzahl oder Drehlage. Auch die Drehrichtung kann als Drehzustand bezeichnet werden. Der exemplarische Verlauf nach Figur 3 zeigt die Phase (den Phasenzustand) über der Winkelposition des SAW-Sensors bzw. seiner Sensorantenne 31 , wie er in der Figur 1a ersichtlich ist. Die relativ bewegliche Sendeantenne ist gegenüber der zumindest einen Antenne auf der stationären Seite räumlich veränderbar, was mit der Abfrageelektronik 21 ausgewertet wird. Für den in Figur 3 skizzierten Fall finden bei einer Umdrehung von 360° zwei Phasensprünge von 360° statt. Ein Phasenzustand wird also mehr als einmal durchlaufen. Dies wird bei der Drehzahlmessung berücksichtigt.
Für jeden Reflektor des SAW-Sensors nach Figur 2, die dort durch die reflektierten Pulse und symbolisch durch den zugehörigen zeitlichen Abstand gekennzeichnet sind, wird eine Phasenverschiebung φπ des von ihm reflektierten Signals bezüglich eines - in den Zeichnungen nicht dargestellten - Referenzoszillators in der Abfragelektronik 21 ermittelt. Jeder dieser Phasenwerte setzt sich zusammen aus einem Anteil φ0', der durch die räumlich sich ändernde Anordnung der beiden Antennen A1 und 31 bzw. A2 und 31 zustande kommt, und einen Anteil φn', welcher mechanisch und thermisch beeinflußt ist, soweit diese Beanspruchung vorliegt. Es ergeben sich folgende Beziehungen:
ψn = φo + φn φo' — f (α)
Cpn' = f (ε,θ)
Vergleicht man die Phasenwerte zum Zeitpunkt t und zeitlich späteren Zeitpunkt t-T0) so kann man daraus die Änderung der Phase aufgrund der Drehung ableiten. Auch eine Drehzahl kann daraus abgeleitet werden.
Es ergeben sich folgenden Beziehungen:
Δcpo (t) = φn (t) - φn (t-T0) φo' (t) + φn' (t) - φ0' (t-T0) - φn ! (t-T„) φo' (t) - φo' (t-To)
wobei
φn' (t) = φn' (t-T0)
wenn keine mechanischen oder thermischen Beanspruchungen vorliegen. Liegt eine Beanspruchung vor, so wird zusätzlich die durch die Beanspruchung verursachte Phasenänderung subtrahiert. Diese Phasenänderung wird aufgrund des Meßverfahrens für die thermische und mechanische Belastung ohnehin bestimmt.
φo' addiert sich konstant zu allen gemessenen Phasenwerten φn\ wobei n = 1...4 nach Figur 2 mit den dort dargestellten vier Reflektoren R1 bis R4.
Φl (t) = φ0' (t) + Φ1' (t) φ2 (t) = φ0' (t) + φ2' (t)
φn (t) = φ0' (t) + φn' (t) Die Änderungen, die aufgrund thermischer oder mechanischer Beanspruchungen auftreten, wirken sich auf alle Phasenwerte φn derart unterschiedlich aus, dass gilt:
Φn' = kn Φn-11
dabei steht n für die Nummer des Reflektors.
Da die Faktoren kn bekannt sind, lässt sich aus den gemessenen Phasenwerten von jeweils zwei Reflektoren der Anteil der Phasenverschiebung, der aus der thermischen und/oder mechanischen Beanspruchung entsteht, ermitteln und damit der Anteil der durch Drehung resultiert bestimmen.
Eine Drehzahl kann beispielsweise dadurch bestimmt werden, daß die Messung einer Zeit zwischen zwei wiederkehrenden Phasenzuständen erfolgt. Solche Phasenzustände sind im Beispiel in Figur 3 dargestellt. Liegen mehrere gleiche Phasenzustände am Umfang verteilt vor, wird das bei der Drehzahlmessung berücksichtigt. Hierbei hilft eine Absolutphasenmessung, welche Phasensprünge, die am Umfang stattfinden, berücksichtigen hilft.
Ebenfalls mehrdeutig am Umfang ist das Phasendiagramm nach Figur 4a. Es ergibt sich bei einer Anordnung nach Figur 4, die mit einer Kapazitätenantenne im Rahmen eines Lagers arbeitet. Dargestellt ist in Figur 4 ein Lager-Innenring 1a, der fest mit der Welle 1 verbunden ist, welche Welle hier nicht dargestellt ist. Die Welle dreht sich in einer eingezeichneten Richtung α(t) und hat eine bestimmte Lage, die mit α(t) zum Zeitpunkt "t" festgelegt ist. Die Ableitung der Lage ergibt die Geschwindigkeit, oder anders herum, die Geschwindigkeit des Wellenteils gibt integriert die Lage, je nach Reihenfolge der Berechnung.
Auf dem Wellenteil 1a als Lager-Innenring ist eine Ringantenne 40 aufgebracht, die sich mit der Welle dreht. In kapazitiver Kopplung steht eine weitere Ringantenne, die als Gehäuseantenne 41 dem stationären Abschnitt 10 des Lagers zugeordnet ist. Dieser stationäre Abschnitt ist nur schematisch dargestellt, ist aber aus den vorhergehenden Figuren ersichtlich. Die Drehzahl des stationären Abschnitts ist mit Null anzugeben. Die Abfrageelektronik 21' ist symbolisch repräsentiert, sie wird mit der Gehäuseantenne 41 gekoppelt und berechnet die beschriebenen Funktionen. Der Sensor 30 der Figur 4 entspricht dem mitdrehenden Sensor, der mit dem dem drehenden Wellenteil zugeordneten Antennenring elektrisch gekoppelt ist. Die beiden Antennen 40, 41 können als Lagerantenne oder Gehäuseantenne beschrieben werden. Der Sensor 30 ist bevorzugt ein SAW-Sensor, wie er eingangs erläutert wurde.
Die kapazitive Kopplung der beiden Ring-Streifenantennen 40,41 ist so ausgelegt, daß sich auf ihnen stehende Wellen mit einer ganzzahligen Anzahl P von Schwingungsperioden ausbilden. Die Ring-Streifenantennen haben einen nur geringen Abstand zur Übertragung der Signale, im Bereich bis zu 1/10 der verwendeten Wellenlänge. Die hier im Beispiel eingesetzte Frequenz beträgt ca. 2.45 GHz (Wellenlänge von 122.4 mm). Ein Abstand der Antennen sollte im Beispiel also unter ca. 12mm liegen. In einem weiter bevorzugten Beispiel liegen sie bei ca. 2mm.
Durch die Ausbildung von stehenden Wellen ergibt sich eine lückenlose, von der Winkelposition des Lagers (bzw. des drehbaren Wellenteils) weitgehend unabhängige Signalankopplung. Die Phasen-Meßwerte der einzelnen Reflektoren des in Figur 2 dargestellten SAW-Sensors 30, der in Figur 4 vorgesehen ist, erhalten ein zusätzlichen, winkelpositions-abhängigen Phasenversatz aufgeprägt.
Durch das Zusammenspielen der beiden Antennen 40, 41 kommt es während einer Drehung des Lagerrings 1a bzw. des Wellenteils 1 zu einer zusätzlichen Phasenverschiebung um 2P*π. Dies geht davon aus, daß beide Antennen auf P Schwingungsperioden ausgelegt sind.
Die eigentliche Messung der mechanischen Beanspruchung der Temperaturbeanspruchung wird durch diesen Effekt nicht beeinfluß, da für diese Messung die Differenzen der Phasen betrachtet werden, wie in Figur 2 veranschaulicht. Dadurch fällt der Drehungseinfluß durch die Aufprägung des winkelpositions-abhängigen Phasenversatzes heraus.
Mit dem aufgeprägten Phasenversatz wird eine Position, eine Drehzahl oder eine Drehrichtung bestimmt, die sich auf den Wellenteil 1a bezieht. Dabei wird die Absolutphase für einen der Reflektoren des SAW-Chips auf der stationären Seite aufgezeichnet und mitgeführt. Beispielsweise kann dies durch einen digitalen Integrator erfolgen. Über den Faktor 2P kann der als Rohlagewert bezeichnete integrierte Absolutphasen-Wert in die Position des Innenrings umgerechnet werden, welche Position der tatsächlichen Drehlage entspricht. Liegt eine Mehrdeutigkeit am Umfang vor, ist eine Kalibrierung sinnvoll, um die Mehrdeutigkeit aufzulösen. Diese Kalibrierung kann über gezielte Nutzung einer winkeiabhängigen Übertragungscharakteristik automatisiert werden. Dazu kann die Tatsache genutzt werden, daß bei einer bestimmten Position der Antennen 40,41 zueinander ein Einbruch oder zumindest eine deutliche Abweichung der übertragenen Signalamplitude auftritt.
Die Abweichung in der Übertragungscharakteristik kann auch durch eine gezielte, leichte Fehlanpassung einer der beiden oder aller beider Antennen 40, 41 vorgegeben bzw. beeinflußt werden, z.B. eine Einkerbung einer der Antennen.
Während der Dauer der Messung und der Bildung der Absolutphase sollte diese auf einen bestimmten Reflektor Rn des SAW-Sensors bezogen sein. Dieses kann beispielsweise der erste Reflektor Ri sein, der das erste reflektierte Signal zurückwirft, welches den geringsten Phasenversatz φi gegenüber dem Referenzsignal besitzt, vgl dazu die Figur 2.

Claims

Ansprüche:
1. Anordnung zur Messung der Lage (Position) oder Drehzahl oder Drehrichtung in einem Lager für einen Wellenteil (1 ,1a), wobei das Lager einen stationären Abschnitt (10) aufweist, auf dem das Wellenteil (1 ,1a) drehbar gestützt ist, und dieses Wellenteil zumindest einen, mit dem Wellenteil (1) drehbaren und auf ihm fixierten Sensor (30) aufweist, und wobei auf dem stationären Abschnitt (10) und dem Wellenteil (1 ,1a) jeweils ein Antennenring (41 ,40) vorgesehen sind, welche in kapazitiver Signalkopplung stehen.
2. Anordnung nach Anspruch 1 , wobei ein Antennenring (40) gegenüber dem anderen Antennenring (41) im Betrieb relativ drehbar ist.
3. Anordnung nach Anspruch 1 , wobei der drehbare Antennenring (40) an dem Wellenteil (1 ,1a) mit dem Sensor (30) verbunden ist, welcher kapazitiv eingekoppelte Sendesignale reflektiert und kapazitiv gekoppelt zurücksendet.
4. Anordnung nach Anspruch 1 , wobei die Antennenringe (41 ,40) so ausgebildet sind, daß auf zumindest der Sendeseite eine stehende Welle mit einer ganzen Anzahl von Schwingungsperioden eines Sendesignals gebildet ist.
4a. Anordnung nach Anspruch 1 , wobei die Antennenringe nahe zueinander angeordnet sind, insbesondere in einem Abstand größer einer Wellenlänge des Funksignals, insbesondere oberhalb 2 GHz.
5. Verfahren zur Messung einer Lage eines Wellenteil (1 ,1a) relativ zu einem stationären Abschnitt eines Lagers (10), wobei die beiden Teile (1 ,10) über kapazitiv gekoppelte Antennen (40,41) im Signalaustausch stehen, und wobei auf dem Wellenteil (1 ,1a) ein Sensor (30) angeordnet ist, welcher sich mit der einen Antenne (40) gemeinsam gegenüber der zweiten Antenne (41) in einer sich wiederholenden Drehbewegung relativbewegt, bei welcher Bewegung dem Sensor (30) ein von der Drehlage (α) des Wellenteils gegenüber dem stationären Abschnitt (10) abhängiger Phasenversatz aufgeprägt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei der Sensor (30) ein passiver, Oberflächenwellen reflektierender Sensor ist, insbesondere ein SAW-Sensor ist
7. Verfahren nach Anspruch 1 oder 16, wobei mehrere gestaffelt eintreffende Signale von mehreren Reflektoren empfangen werden und aus den gemessenen Phasenwerten jeweils zweier Reflektoren (R1....R4) die Anteile der Phasenschiebung von Dreheinfluß und anderer Belastung (thermisch oder mechanisch) bestimmt werden.
8. Verfahren nach Anspruch 7 oder 5, wobei gleichzeitig über den Sensor (30) mechanische oder thermische Belastungen des Wellenteils (1 ,1a) gemessen werden.
9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Belastungen durch Laufzeitunterschiede der vom Sensor (30) reflektierten Signale bestimmt werden.
10. Verfahren nach Anspruch 5, wobei in einem mit Reflektoren arbeitenden Sensor (30) für einen von mehreren Reflektoren eine Absolutphase des auf der stationären Antennenseite (41) gemessenen Signals aufgezeichnet und mitgeführt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 5 oder 10, wobei auf den Antennen (40,41) als Ringantennen eine stehende Welle mit einer ganzzahligen Anzahl (P) von Schwingungsperioden ausgebildet wird.
12. Verfahren nach Anspruch 10 und 11 , wobei die Absolutphase über die Anzahl der Schwingungsperioden in einem Lagewert (α) für den Wellenteil (1 ,1a) gegenüber dem stationären Abschnitt (10) umgerechnet wird.
13. Verfahren nach Anspruch 5 oder 7, wobei eine Kalibrierung der Absolutphase erfolgt, insbesondere über eine Nutzung einer winkelabhängigen Übertragungs- Charakteristik der Antennen (40,41), wobei zumindest eine der Antennen an einer Position eine Unsymmetrie aufweist.
14. Verfahren nach Anspruch 13, wobei die Unsymmetrie ein Signal- Übertragungseinbruch ist.
15. Verfahren nach Anspruch 13, wobei die Unsymmetrie eine leichte Fehlanpassung zumindest einer der Antennen (40,41) ist.
16. Verfahren zur Bestimmung eines Drehzustandes (Drehlage, Geschwindigkeit oder Drehrichtung eines Wellenteils (1,1a) gegenüber einem Lagerbauteil (10; 10a, 10b), insbesondere einem Wälzlager oder einem Lagergehäuse, bei welchem Verfahren der Wellenteil einem Sensor (30) mit einer ersten Antenne (31 ,40) trägt, welche gegenüber einer zweiten, stationären Antenne (A1,A2;41) periodisch wiederkehrend verdreht wird, und wobei ein Phaseneinfluß auf ein von dem Sensor (30) reflektiertes Signal zur Bestimmung des Drehzustandes des Wellenteils auf der Seite der stationären Sendeantenne ausgewertet wird.
17. Verfahren nach Anspruch 16, wobei das Sendesignal vom Sensor (30) zeitverzögert als reflektiertes Signal über die Antennenkopplung (A1 ,A2;41 , 40,31) zurückgeworfen wird.
18. Verfahren nach Anspruch 16, wobei mehrere, phasenversetzte Signale für jeden Sendepuls empfangen werden, die auf Dreheinfluß und anderen Einfluß untersucht werden.
19. Verfahren nach Anspruch 18, wobei die Phasenwerte von Signalen zweier Reflektoren (R1 ,R2;R2,R3;R1 ,R4) verglichen und auswertet werden.
20. Verfahren zur Messung von Drehzuständen, insbesondere auch mechanischen Belastungen oder Beanspruchungen eines rotierenden Teils (1 ,1a), das gegenüber einem stationären Teil, insbesondere einem metallischen Gehäuse (10; 10a, 10b) für ein Lager, drehbar ist, wobei der rotierende Teil (1 ,1a) einen Sensor (30) trägt, der elektromagnetische Wellen reflektiert und seine Eigenschaft aufgrund der Beanspruchung oder Belastung des rotierenden Teils (1 ,1a) meßbar verändern kann, wobei zumindest eine - bevorzugt zwei - reflektierte Signale des Sensors (30) empfangende Antennen (A1;A2) relativ zum Sensor undrehbar und zueinander beabstandet (cd) am stationären Teil (10) angeordnet sind; diese zumindest eine Antenne elektrische Empfangssignale (a1 ,a2) abgibt, welche einer Auswerteelektronik (21) zugeführt werden; wobei eine Phasenänderung durch einen räumlichen Versatz des Sensors (30) gegenüber der zumindest einen Antenne (A1 ,A2) zur Bestimmung einer den Drehzustand des rotierenden Teils (1,1a) kennzeichnenden Größe ausgewertet wird.
21. Verfahren nach Anspruch 20, wobei der Sensor fest auf dem rotierenden Teil (1 ,1a) aufgebracht wird und sich mit diesem meßbar verformt.
22. Verfahren nach Anspruch 20, wobei das rotierende Teil (1 ,1a) im Gehäuse (10) drehbar gelagert ist, insbesondere als eine Welle (1) auf einem Wälzlager (5) in dem Lagergehäuse.
23. Verfahren nach Anspruch 20, wobei die Belastung oder Beanspruchung des rotierenden Teils
(i) über die mechanische Verformung des Sensors (30) entweder aus dem einen Empfangssignal oder dem anderen Empfangssignal bestimmt wird; oder (ii) aus einer Zusammenlegung der beiden Empfangssignale ermittelt wird.
24. Verfahren nach Anspruch 20, wobei die beiden Antennen (A1 ,A2) so beabstandet, insbesondere umfänglich versetzt (α1) angeordnet sind, daß aufgrund reflektierter Signale des Sensors (30) ein erstes Empfangssignal (a1) von der einen Antenne (A1) ansteigt, wenn ein zweites Empfangssignal (a2) von der zweiten Antenne (A2) abfällt.
25. Verfahren nach Anspruch 20, wobei der Sensor (30) ein passiver Sensor ist, der elektromagnetische Wellen aufnimmt, durch eine Laufzeit verzögert und reflektiert, insbesondere ein SAW-Sensor zur Reflektion von Oberflächenwellen, die von zumindest einer der Antennen (A1 ,A2) insbesondere als ein Puls hoher Frequenzanteile eingestrahlt werden.
26. Verfahren nach Anspruch 25, wobei der Sensor mehrere Reflektorstellen aufweist, die auf dem Sensor (30) beabstandet angeordnet sind und einen einfallenden Hochfrequenz-Puls nacheinander reflektieren, um durch zumindest eine Laufzeit der Welle zwischen einer der Reflektionsstellen und der Umsetzstelle ein belastungs-abhängiges oder temperatur-abhängiges reflektiertes Signal zu erhalten, welches es über eine Phasenmessung ermöglicht, Aufschluß über die Beanspruchung des drehbaren Teils (1) zu erhalten.
27. Verfahren nach Anspruch 20, wobei die Messung während eines Drehens (ω) des drehbaren Teils (1) erfolgt.
28. Verfahren nach Anspruch 20, wobei nur eine Auswerteelektronik (21) für beide Empfangssignale der beiden Antennen (A1 ,A2) vorgesehen ist
29. Verfahren nach Anspruch 20, wobei ein thermischer Einfluß auf den Sensor (30) gemessen wird, welcher eine gleiche thermische Belastung oder Beanspruchung des rotierenden Teils (1) repräsentiert.
30. Verfahren nach Anspruch 20, wobei eine mechanische Belastung oder Beanspruchung des drehbaren Teils (1 ,1a) gemessen wird, als Folge einer mechanischen Veränderung, wie Dehnung oder Stauchung des Sensors (30).
31. Verfahren nach Anspruch 20, wobei das elektromagnetische Signal ein gepulstes Hochfrequenzsignal ist.
32. Verfahren nach Anspruch 16 oder 20, wobei der räumliche Versatz sich durch eine drehende Relativbewegung des Sensors (30) gegenüber zumindest einer der stationären Antennen (A1 ,A2) auf der Seite des stationären Teils (10; 10a, 10b) meßbar ändert.
33. Verfahren nach Anspruch 16 oder 20, wobei sich über eine volle Umdrehung ein im wesentliches konstantes Phasenverlaufsprofil ergibt.
34. Verfahren nach Anspruch 33, 20 oder 16, wobei eine Zeitmessung zwischen zwei wiederkehrenden Phasenzuständen im Phasen-Verlaufsprofil zu einer Drehzahlbestimmung (ω) verwendet wird.
35. Verfahren nach Anspruch 34 oder 20 oder 16, wobei ein erster Phasenzustand gemessen wird; nach einer Drehung des Wellenteils (1 ,1a) ein weiterer Phasenzustand gemessen wird; letztere Messung solange wiederholt wird, bis ein dem ersten Phasenzustand im wesentliche entsprechender Wert gemessen wird; eine Zeitspanne zwischen dem Auftreten des ersten Phasenzustands und dem Auftreten des im wesentlichen entsprechenden Werts bestimmt wird; mit einer Inversen der Zeitspanne eine Momentandrehzahl (ω) des Wellenteils (1 ,1a) berechnet wird.
36. Verfahren nach Anspruch 20 oder 16, wobei eine Abstandsveränderung als räumlicher Versatz zwischen den Antennen (A1 ,A2;31) des Sensors (30) und des Wellenteils (1a,1) erfolgt.
37. Verfahren nach Anspruch 16 oder 20, wobei ein Anteil der Phasenänderung, der durch eine thermische und/oder eine mechanische Beanspruchung des Wellenteils entsteht herausgerechnet wird, insbesondere subtrahiert wird, bevor aus der verbleibenden Phasenänderung die den Drehzustand kennzeichnende Größe berechnet wird.
38. Verfahren nach Anspruch 20 oder 16, wobei der Drehzustand eine Lage, eine Drehzahl oder eine Drehrichtung ist, jedoch keine thermische und keine mechanische Beanspruchung.
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