DE19616859B4 - Einrichtung und Verfahren zur Überwachung einer Messgröße an einer in einem Gehäuse angeordneten und sich relativ zu dem Gehäuse bewegenden Maschinenkomponente - Google Patents
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Abstract
Kommunikationssystem zur Überwachung einer Messgröße an einer Maschinenkomponente, welche innerhalb eines Gehäuses (22) angeordnet ist und sich relativ zu dem Gehäuse bewegt, wobei das System umfasst: eine Erfassungseinrichtung (26), die mit der Maschinenkomponente gekoppelt ist zum Erfassen der Messgröße und zum Erzeugen eines ersten elektrischen Signals, welches die Messgröße repräsentiert; eine Sendeeinrichtung (28), die mit der Erfassungseinrichtung (26) gekoppelt ist, zum Umwandeln des ersten elektrischen Signals in ein Funksignal und zum Aussenden des Funksignals; und eine Empfangseinrichtung (54) zum Empfang des Funksignals und Umwandeln des Funksignals in ein zweites elektrisches Signal als ein Ausgangssignal gemäß dem von der Erfassungseinrichtung erzeugten ersten elektrischen Signal, wobei die Sendeeinrichtung und die Empfangseinrichtung zum Betrieb mit Mikrowellen als das Funksignal ausgebildet sind, wobei in dem Gehäuse wenigstens ein Resonanzschlitz ausgebildet ist durch den die Mikrowellen austreten, und die Empfangseinrichtung eine Antenne (54) umfasst zum Empfang der Mikrowellen und außerhalb des Gehäuses angeordnet ist.
Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zum Erfassen von Messgrößen an einer in einem Gehäuse angeordneten und sich relativ zu dem Gehäuse bewegenden Maschinenkomponente gemäß den Patentansprüchen 1 und 8.
- Die Erfindung wird in Form einer Einrichtung zum Überwachen von Temperaturen und Drücken in einem automatischen Getriebe beschrieben. Es sei angemerkt, daß eine Anzahl weiterer Anwendungen möglich sind, z. B. zum Messen von Spannung oder Vibration in einem Bauteil, der Temperatur in einem Kolben, dem Druck hinter Ringen in einem Kolben in einem Verbrennungsmotor oder Druck und Temperatur an Gasturbinenschaufeln.
- Für das Obengenannte sind eine Anzahl von Technologien verwendbar. Eine Hauptschwierigkeit besteht darin, die Messgröße aus einem Gehäuse als vertrauenswürdiges und verwendbares Signal kosteneffektiv herauszubekommen. Es wurde beispielsweise vorgeschlagen, die Signale aus einem Motor unter Verwendung von Schleifringen und/oder mechanischen Kopplungen herauszuholen. Dabei ergeben sich eine Anzahl von damit verbundenen Nachteilen. Schleifringe führen zu elektrischem Rauschen, das die Vertrauenswürdigkeit beeinflußt. Mechanische Kopplungen sind schwierig zu installieren und erfordern erhebliche Modifikationen des Motors. Dabei sind sie bezüglich der Geschwindigkeiten, denen sie ausgesetzt sind, d. h., der Motordrehzahl, nur begrenzt verwendbar.
- Ein anderes bekanntes zum Messen der Temperatur eines Kolbens in einem Verbrennungsmotor vorgeschlagene Verfahren verwendet beispielsweise einen Stöpsel in dem Kolben, wenn eine Temperaturbestimmung erforderlich ist. Diese Stöpsel sind aus einer speziell bearbeiteten Legierung hergestellt, die den erhöhten Temperaturen für eine bestimmte Zeitperiode standhalten kann. Allerdings werden bestimmte Charakteristika des Stöpsels, beispielsweise seine Härte, durch die erhöhten Temperaturen beeinflußt und Änderungen der Charakteristika werden zum Erhalten der Temperaturmessung verwendet.
- Ein Beispiel für einen solchen Typ von Meßsystem ist in der
US-A-4 787 282 offenbart. In diesem Patent wird ein Stöpsel aus einer Aluminium-Kupfer-Legierung in einem Kolben eingesetzt. Dieser Stöpsel kann ein einteilig mit dem Kolben gegossenes Band, eine Feststellschraube oder ein in dem Kolben eingepreßter Spitzkeil sein. Der Stöpsel wird einem Probelauf von wenigstens 100 Stunden unterzogen und die Härte des Stöpsels wird dann gemessen. Die Ausgleichstemperatur des Kolbens wird dann anhand einer Kalibrierungskurve berechnet, die für die gegebene Legierungsmischung die Härte in Abhängigkeit von der Temperatur darstellt. Ein Nachteil bei diesem Typ von Kolbenmeßeinrichtung ist, daß sie nur langsam auf schnelle Temperaturübergänge auf der Oberfläche des Kolbens reagiert. Weiterhin müssen diese Einrichtungen vom Kolben entfernt werden, an ein Labor zum Überprüfen der Härte geschickt werden und dann wird die Temperatur des Kolbens anhand der Kalibrierungskurve berechnet. Dieser eine lange Zeit beanspruchende Prozeß ist nicht akzeptierbar, wenn die Temperatur des Kolbens sofort benötigt wird. - Eine effektive Lösung einiger dieser Nachteile wird in der
US-A-5 106 202 offenbart. Bei dieser Patentschrift wird recht effektiv Infrarottechnik verwendet. - Allerdings ergibt sich der Nachteil, dass diese Technik auf Sichtanwendungen beschränkt ist.
- Die Druckschrift
DE 691 02 363 T2 beschreibt eine Messanordnung für ein Bohrgestänge mit einer Messeinrichtung, welche fest an den rotierenden Bohrer angebracht ist. Die Messanordnung umfasst weiter Erfassungseinrichtungen und eine elektrische Schaltung zum Aufbereiten des Signals bevor dieses als Funkfrequenzsignal an eine Empfangseinrichtung übertragen wird. - Die Druckschrift
DE 36 21 990 C2 beschreibt ein Funkkommunikationssystem zur drahtlosen Kommunikation zwischen Fahrzeugen und einem ortsfesten Funksender unter Verwendung eines Repeaters. Die Druckschrift zeigt die Verwendung von Funksignalen in einem geschlossenen Raum eines Fahrzeugs. - Die Druckschrift
DE 93 15 427 U1 zeigt, dass Funksensorsysteme im Zusammenhang mit beweglichen Teilen bekannt sind, mit denen sich Drehmomente, Kräfte oder Drehzahlen messen und übertragen lassen. - Die
GB 2252828 A - Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Kommunikationssystem zur Erfassung von Messgrößen in einer in einem Gehäuse angeordneten und sich relativ zu dem Gehäuse bewegenden Maschinenkomponente sowie ein zugehöriges Verfahren anzugeben, mit welchem auf einfache Art und Weise und mit geringem Aufwand die Messgröße der Maschinenkomponente erfasst und übertragen werden kann.
- Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen der Patentansprüche 1 und 8 gelöst.
- Weiterhin betrifft die Erfindung ein System zur Erfassung einer Messgröße in einem Drehmomentwandler eines Automatikgetriebes gemäß dem Patentanspruch 4.
- Die vorliegende Erfindung hat wichtige Anwendungen als Untersuchungswerkzeug bei der Auswahl von Materialien und bei dem Festlegen von Treibstoff- und Schmierprodukten. Weitere Anwendungen ergeben sich bei Fahrzeugbauteilen, wie einem automatischen Getriebe.
- Die vorliegende Erfindung stellt eine Einrichtung zum Erfassen einer Messgröße an bewegten Teilen und/oder innerhalb eines Gehäuses, wie beispielsweise des Drucks in einem Drehmomentwandler eines automatischen Getriebes, bereit. Sensoren sind beispielsweise auf dem bewegten Teil, wie einem Schaufelrad oder einer Turbine, angeordnet. Das bewegte Teil trägt einen mit einem Mikrowellensender operativ gekoppelten Sensor. Der Sensor erzeugt ein der erfaßten Messgröße, wie beispielsweise dem Druck, entsprechendes Signal. Das Signal wird verarbeitet und regt eine Antenne des Mikrowellensenders an, Mikrowellen in das Drehmomentwandlergehäuse abzugeben. Empfangsantennen sind den Mikrowellen innerhalb des Getriebegehäuses ausgesetzt und das empfangene Signal wird verarbeitet und zu einem außerhalb des Gehäuses angeordneten Empfänger übermittelt. Dort wird eine dem erfaßten Signal entsprechende Anzeige erzeugt.
- Verschiedene Elemente können zur Druckmessung verwendet werden, wie beispielsweise bekannte piezoresistive oder piezoelektrische Wandler. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird ein piezoresistiver Wandler verwendet. Das Verarbeiten des durch den Sensor erzeugten Signals zu einer verwendbaren Anzeige ist bekannt und wird daher nur allgemein beschrieben, um einen angemessenen Zusammenhang zum Verstehen der Erfindung herzustellen.
- Ein analoges Signal wird durch den piezoresistiven Wandler erzeugt. Dieses wird wiederum durch einen Verstärker und einen Spannungs/Frequenz-Wandler zur Erzeugung eines Rechteckwellensignals verarbeitet. Das Rechteckwellensignal moduliert einen Mikrowellensender, der ein frequenzmoduliertes Mikrowellensignal erzeugt. Dieses wird über eine abgestimmte Antenne in das Innere des Getriebegehäuses übertragen. Eine Empfangsantenne oder Empfangsantennen sind mit dem Gehäuseinneren gekoppelt und werden durch das Mikrowellensignal angeregt. Jede Empfangsantenne ist mit einem Mikrowellenempfänger verbunden, der das Mikrowellensignal verstärkt und demoduliert, um das dem erfaßten Druck entsprechende Rechteckwellensignal wiederherzustellen. Ein Frequenz/Spannungs-Wandler wandelt das Rechteckwellensignal in ein Analogsignal zurück, das dem erfaßten Druck entspricht. Dieses Analogsignal wird zur Erzeugung einer Druckanzeige verarbeitet.
- Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel hat die Empfangsantenne die Form von Schlitzen im Gehäuse, welche eine durch die Wellenlänge der in das Getriebegehäuse abgegebenen Mikrowellen bestimmte Länge haben oder in Beziehung zu dieser Wellenlänge stehen. Bevorzugt ist die Schlitzlänge die Hälfte der erzeugten Wellenlänge. Die Schlitze sind mit einem Dichtmaterial gefüllt, das ein Fluidleck verhindert aber für die erzeugten Mikrowellen durchlässig ist.
- Es zeigen:
-
1 eine Ansicht eines Bereichs eines Automatikgetriebes, welches zum Freilegen seines Inneren teilweise geschnitten dargestellt ist; -
2 eine vergrößerte Ansicht einer Turbinenschaufel zur Darstellung der Anordnung von Sensor und Sender; -
3 eine schematische Ansicht einer Empfangsschlitzantenne, und -
4 eine schematische Ansicht eines Datenkanals. - Es sei angemerkt, daß die genauen Details der Konstruktion und der Anordnung nicht Teil der Erfindung sind, außer wenn sie besonders diskutiert werden. Deshalb sind zur Vereinfachung die Darstellungen der Strukturen und der elektrischen Schaltungsanordnungen allgemein schematisch dargestellt.
- Eine Einrichtung zur Druck- oder Temperaturmessung innerhalb eines Drehmomentwandlers
10 eines automatischen Getriebes12 ist in1 dargestellt. - In bekannter Weise ist ein Stator
14 mit der Getriebewelle16 verbunden. Stator14 ist operativ Schaufelrad18 und Turbine20 zugeordnet. Diese Bauteile sind in einem Drehmomentwandlergehäuse22 enthalten, das mit einer bekannten Getriebeflüssigkeit gefüllt ist und selbst in einem Getriebegehäuse24 enthalten ist. - Ein piezoresistiver Druckmeßwandler
26 ist auf einer der Turbinenschaufeln20a (siehe2 ) angeordnet. Der Drucksensor26 ist bündig zur Turbinenschaufeloberfläche20b angeordnet. Der Drucksensor26 ist ein operativer Teil einer Signalverarbeitungs- und Übertragungseinheit28 , die ebenfalls von der Turbinenschaufel20a getragen ist. Der Sensor reagiert auf den Druck innerhalb des Drehmomentwandlers und erzeugt eine zur erfaßten Eigenschaft proportionale Spannung. Die physikalische Befestigung des piezoresistiven Wandlers und der Mikrowellenübertragungseinheit kann in jeder bekannten Weise erfolgen. - Die Einheit
28 empfängt das elektrische Signal des Sensors26 und erzeugt ein analoges Signal, das dem erfaßten Druck entspricht. Gemäß4 weist die Einheit28 einen Verstärker30 , einen Spannungs/Frequenz-Wandler32 , einen Mikrowellensender34 und eine Schlitzantenne36 auf. Der Spannungs/Frequenz-Wandler32 empfängt das verstärkte Signal und erzeugt eine positive Rechteckwelle mit einer Frequenz, die zum durch den Sensor erzeugten Strom in Relation steht, d. h. zum erfaßten Druck. Die Bauteile, wie Verstärker, Spannungs/Frequenz-Wandler, Mikrowellensender und Antenne, sind alle wie auch die operative Verbindung dieser Bauteile bekannt. - Das Signal von Sender
34 regt Antenne36 an, die ein Mikrowellensignal in das Drehmomentwandlergehäuse22 abgibt. Das Mikrowellensignal tritt durch das Drehmomentwandlergehäuse22 in das Getriebegehäuse über Schlitze60 in dem Drehmomentwandlergehäuse ein. Schlitze60 sind mit einem dielektrischen Medium gefüllt, das eine flüssigkeitsdichte Abdichtung gewährleistet und für Mikrowellen durchlässig ist. Ein bevorzugtes Schlitzfüllmaterial ist ein RTV-Silikon-Dichtmittel. - Eine Mikrowellenempfangseinheit
50 ist außerhalb und entfernt vom Getriebe angeordnet. Die Einheit50 empfängt das Mikrowellensignal vom Inneren des Getriebes und wandelt dieses in eine entsprechende Druckausgabe bei52 um. - Die Empfangseinheit
50 ist mit einer Empfangsantenne54 verbunden und weist (4 ) einen Mikrowellenempfangsdemodulator56 und einen Frequenz/Spannungs-Wandler58 auf. Wiederum sind Mikrowellenempfangsdemodulator und Frequenz/Spannungs-Wandler bekannt. Die Empfangsantenne kann jede Form einer Anzahl von bekannten Formen aufweisen. Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel umfaßt Resonanzschlitze im Getriebegehäuse, wie im folgenden ausführlicher beschrieben wird. - Bevor das Signal in dem Frequenz/Spannungs-Wandler
58 verarbeitet wird, muß es verstärkt werden. Der Verstärker (nicht dargestellt) ist in dem Empfangsdemodulator56 enthalten. - Zur weiteren Spezifizierung der elektrischen Bauteile und der Schaltung zum Erzeugen, Verarbeiten und Auslesen des Signals wird auf die Beschreibung der
US-A-5 106 202 verwiesen. Die Schaltung in derUS-A-S 106 202 , die für Infrarotanwendungen verwendet wird, kann auch bei dieser Mikrowellenanwendung mit bekannten Modifikationen zum Verarbeiten eines Mikrowellensignals im Gegensatz zu einem Infrarotsignal verwendet werden. -
4 zeigt einen Datenkanal einer die vorliegende Erfindung verkörpernden Einheit. Der piezoresistive Wandler26 erzeugt ein Signal, das zur Bildung eines Analogsignals verstärkt wird, welches eine durch Kurve A dargestellte Spannungscharakteristik aufweist. Dieses Signal wird durch den Spannungs/Frequenz-Wandler32 zur Bildung eines Reckteckwellensignals B verarbeitet. Signal B moduliert die Frequenz des Mikrowellensenders34 , dessen Ausgang durch Schlitzantenne36 in das Drehmomentwandlergehäuse eingestrahlt wird. Die erzeugten Mikrowellen füllen das Drehmomentwandlergehäuse und treten in das äußere Getriebegehäuse durch Lücken oder Ausnehmungen in den bewegten Teilen, aber prinzipiell durch Resonanzschlitze60 in dem Gehäuse22 , aus. Die Mikrowellen im Gehäuse22 werden durch die Empfangsantennen54 erfaßt, welche mit dem Mikrowellenempfänger56 verbunden sind. Genauer gesagt, werden die Mikrowellen durch den Mikrowellenempfangsdemodulator zu einer Rechteckwelle C demoduliert, die eine Reproduktion der Rechteckwelle B darstellt. Der Frequenz/Spannungs-Wandler58 wandelt das Rechteckwellensignal in ein Analogsignal D um, das dem Analogsignal A und entsprechend den erfaßten Eigenschaften entspricht. Dieses Signal D erzeugt die Anzeige. - Wie gut bekannt ist, können Mikrowellen nicht durch Metallwände des Gehäuses (bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel das innere Drehmomentwandlergehäuse und das äußere Getriebegehäuse) hindurchtreten, bis auf einen kleinen Zufallsanteil durch Ausnehmungen zwischen den bewegten Teilen. Ein Aussetzen der Empfangsantennen gegenüber den inneren Mikrowellen und ein Übertragen des empfangenen Signals nach außen kann durch eine Anzahl von Anordnungen ermöglicht werden. Vorzugsweise sind die Empfangsantennen als Schlitze
54 in dem Getriebegehäuse ausgebildet. Die Schlitze sind dünn mit einer Größenordnung von 0,030 Zoll. Ihre Länge wird entsprechend zur Wellenlänge der erzeugten Mikrowelle ausgewählt. Vorzugsweise ist die Schlitzlänge ein Bruchteil der erzeugten Welle, vorzugsweise die Hälfte der erzeugten Wellenlänge. Allerdings kann sie auch im Bereich von einem Drittel bis zu drei Dritteln der Wellenlänge liegen. Tritt die Mikrowelle durch den Schlitz hindurch, wird ein elektrischer Impuls im Anschluß62 erzeugt, der schematisch in3 dargestellt ist. - Da der entsprechende Zustand im Innengehäuse gemessen wird, sind zusätzliche Schlitze
60 im Drehmomentwandlergehäuse vorgesehen, die wie Schlitz54 aufgebaut sind. Die Schlitze in beiden Gehäusen sind den Mikrowellen angepaßt, die, wie oben beschrieben, erzeugt werden. Diese Antennenanordnung ist einfach und effektiv. - Eine Batterie
64 und eine Schalteranordnung66 sind als integrierter Teil der inneren Sendeeinheit28 vorgesehen, um die notwendige Energie bereitzustellen. Die Batterie ist vorzugsweise eine käuflich erhältliche Lithium-Thionyl-Chlorid-Batterie, die die erforderliche Energieversorgung bereitstellen kann. - Die Verwendung eines impulsfrequenzmodulierten FM-Mikrowellensignals ist bevorzugt, da dieser Signaltyp
- a) leicht an Öl und Transmissionsbauteilen ohne Erfordernis eines freien Weges ankoppelbar ist,
- b) keine Hochfrequenzstabilität für den Mikrowellensender erfordert,
- c) unempfindlich bezüglich Fluktuationen im Empfangssignalpegel ist,
- d) nur eine geringe Energieversorgung erfordert, und
- e) ein sehr hohes Empfangssignal/Rauschverhältnis ermöglicht.
Claims (8)
- Kommunikationssystem zur Überwachung einer Messgröße an einer Maschinenkomponente, welche innerhalb eines Gehäuses (
22 ) angeordnet ist und sich relativ zu dem Gehäuse bewegt, wobei das System umfasst: eine Erfassungseinrichtung (26 ), die mit der Maschinenkomponente gekoppelt ist zum Erfassen der Messgröße und zum Erzeugen eines ersten elektrischen Signals, welches die Messgröße repräsentiert; eine Sendeeinrichtung (28 ), die mit der Erfassungseinrichtung (26 ) gekoppelt ist, zum Umwandeln des ersten elektrischen Signals in ein Funksignal und zum Aussenden des Funksignals; und eine Empfangseinrichtung (54 ) zum Empfang des Funksignals und Umwandeln des Funksignals in ein zweites elektrisches Signal als ein Ausgangssignal gemäß dem von der Erfassungseinrichtung erzeugten ersten elektrischen Signal, wobei die Sendeeinrichtung und die Empfangseinrichtung zum Betrieb mit Mikrowellen als das Funksignal ausgebildet sind, wobei in dem Gehäuse wenigstens ein Resonanzschlitz ausgebildet ist durch den die Mikrowellen austreten, und die Empfangseinrichtung eine Antenne (54 ) umfasst zum Empfang der Mikrowellen und außerhalb des Gehäuses angeordnet ist. - System, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge des Schlitzes ein Vielfaches der Wellenlänge der Mikrowellen beträgt, welche in dem Gehäuse erzeugt werden.
- System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge des Schlitzes gleich der halben Wellenlänge der Mikrowellen beträgt.
- Kommunikationssystem zur Überwachung einer Messgröße in einem Drehmomentwandler (
10 ) eines Automatikgetriebes (12 ), wobei das System umfasst: eine Erfassungseinrichtung (26 ), die innerhalb des Drehmomentwandlergehäuses (22 ) angeordnet ist zum Erfassen einer Messgröße und zum Erzeugen eines ersten elektrischen Signals, welches die Messgröße repräsentiert; eine Sendeeinrichtung (34 ,36 ), welche innerhalb des Drehmomentwandlergehäuses (22 ) angeordnet ist, wobei die Sendeeinrichtung mit der Erfassungseinrichtung gekoppelt ist zum Empfangen des ersten elektrischen Signals, Umwandeln des ersten elektrischen Signals in ein Funksignal und zum Senden des Funksignals; eine Empfangseinrichtung (50 ,54 ,56 ,58 ) die außerhalb des Drehmomentwandlergehäuses (22 ) angeordnet ist zum Empfangen des Funksignals und Umwandeln des Funksignals in ein zweites elektrisches Signal als ein Ausgangssignal entsprechend dem ersten elektrischen Signal, welches von der Erfassungseinrichtung erzeugt wird; wobei die Sendeeinrichtung und die Empfangseinrichtung so ausgebildet sind, dass sie mit Mikrowellen als das Funksignal betrieben werden können; wobei die Empfangseinrichtung außerhalb des Drehmomentwandlergehäuses (22 ) angeordnet ist und eine Antenne (54 ) zum Empfang der Mikrowellen umfasst und wobei in dem Drehmomentwandlergehäuse (22 ) ein Resonanzschlitz (60 ) ausgebildet ist, durch den Mikrowellen austreten. - System nach Anspruch 4, wobei die Erfassungseinrichtung (
26 ) und die Sendeeinrichtung (34 ,36 ) mit den beweglichen Teilen des Drehmomentwandlers (10 ) verbunden und mit diesen bewegbar sind. - System nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge des Schlitzes ein Vielfaches der Wellenlänge der Mikrowellen beträgt, welche in dem Gehäuse erzeugt werden.
- System nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge des Schlitzes gleich der halben Wellenlänge der Mikrowellen beträgt.
- Verfahren zur Erfassung einer Messgröße an einer Maschinenkomponente, welche innerhalb eines Gehäuses angeordnet ist und sich relativ zum Gehäuse bewegt, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: Erfassen der Messgröße durch eine mit der Maschinenkomponente gekoppelten Erfassungseinrichtung und Erzeugen eines ersten elektrischen Signals, welches die Messgröße repräsentiert; Empfangen des ersten elektrischen Signals, Umwandeln des ersten elektrischen Signals in ein Funksignal und Aussenden des Funksignals; Empfangen des Funksignals und Umwandeln des Funksignals in ein zweites elektrisches Signal als ein Ausgangssignal entsprechend dem ersten elektrischen Signal; wobei Mikrowellen als Funksignal für den Sendeschritt und den Empfangsschritt verwendet werden, und wobei das Empfangen des Funksignals außerhalb des Gehäuses mittels einer Antenne durchgeführt wird, wobei die Mikrowellen durch wenigstens einen im Gehäuse ausgebildeten Resonanzschlitz austreten.
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