用于监测物体的螺纹接头的监测装置、监测结构以及监测方法与流程

1.本发明涉及一种用于监测物体的螺纹接头的监测装置，该监测装置包括要附接到物体的底板和要附接到螺纹接头的一部分的顶板，其中，底板和顶板彼此平行地定位并且定位在彼此的顶部上，并且其中，底板和顶板各自包括彼此电容性地相互作用的至少一个电极。本发明还涉及具有至少一个监测装置的监测结构(monitoring arrangement)以及监测方法。


背景技术：

2.在许多情况下，物体的螺纹接头对于物体的正确操作是必不可少的。此外，安全方面与螺纹接头所有零件的正确位置有关。
3.较小的螺纹接头通常机械地固定，以便确保螺纹接头的紧密配合。已知的机械手段是使用埋头螺母、锁定粘合剂或开口销(例如开尾销)。
4.安全关键应用中的大螺纹接头替代地或另外地由如上所述的监测装置监测。
5.作为应用示例，但不限于此，转子风力涡轮机通常包括凸缘，该凸缘通过多个大尺寸螺纹接头固定到齿轮箱或发电机的轴线。螺钉被拧紧到预定扭矩，并且至少螺纹接头的选择配备有监测装置，该监测装置检测螺纹接头的松动，例如，螺纹接头的螺母相对于凸缘的松动。
6.如开头所提及的监测装置例如从美国专利第us 8,872,668 b2号已知。底板和顶板各自固定到观察的部件。在一个实施例中，确定底板和顶板的接触电极之间的电阻。螺母相对于凸缘的松动导致接触的断开，该断开是观察到的并且导致生成警报。作为确定电阻的替代方案，该文献提及了分别观察底板和顶板的两个相互作用的电极之间的电容变化。
7.根据文献us 8,872,668 b2，通过确定所测量的电特性的连续变化可以增大检测灵敏度，其中，当超出或低于连续测量的特性的某个阈值时发出警报。系统的灵敏度取决于阈值，然而，似乎必须找到获得良好检测灵敏度与最小化产生误报警的危险之间的折衷。因此，获得更高的灵敏度增加了对误报警的脆弱性。


技术实现要素：

8.因此，本发明的目的是提供一种如开头所述的监测装置和监测结构，其在无故障运行的同时具有检测螺纹接头的甚至较小旋转运动的高灵敏度。
9.该目的通过根据相应独立权利要求的监测装置和监测结构来解决。有利的实施例和进一步的发展是从属权利要求的主题。
10.根据本发明的监测装置的特征在于，电极被成形和定位为使得根据板相对于彼此的旋转位置，一个板的至少一个电极与另一个板的至少两个不同的电极相互作用。
11.该结构允许从两个电容测量的比较来确定角位置。如果测量单个电容值，其中该电容的值根据现有技术随两个板的旋转角度变化(例如，如果两个电极的重叠面积随旋转
角度变化)，那么旋转位置仅可从绝对电容值确定。根据本发明，将一个板上的(公共)电极与另一个板上的至少两个电极中的每一个之间的电容的值彼此进行比较。然后，例如通过示出最高电容值的电极组合来指示两个板相对于彼此的角位置。
12.因此，本发明的用于监测物体的螺纹接头的方法的特征在于，使用这样的监测装置。在方法的一个实施例中，在一个板的至少一个电极与另一个板的至少两个相互作用的电极中的每一个之间测量至少两个电容值。通过将至少两个电容值彼此进行比较，例如通过找到至少两个电容值中的最大值，来确定板相对于彼此的旋转位置。
13.这产生不易干扰的鲁棒且稳定的监测过程。
14.在方法的有利实施例中，将至少两个电容值彼此进行比较的步骤包括以下步骤：确定将至少两个电容值描述为有关电极的几何位置的函数的插值函数；以及找到插值函数的最大值。虽然基于测量值本身的最大值的上述方法将实现等于至少两个电极的角距的角分辨率，但是可以进一步扩展上述方法，以便通过确定插值函数的最大值来实现更高的分辨率水平。
15.在监测装置的有利实施例中，两个板都是环形的，其中电极布置在各个板的一侧上或至少靠近各个板的一侧。优选地，电极形成段，各个段在相应板的特定角度范围内延伸。为了实现可以良好插值的平滑变化的结果，有利的是具有至少两个电极，该至少两个电极各自在比至少一个电极覆盖的角度范围小的角度范围内延伸。角度范围优选地小1.3倍至1.7倍，并且特别地小大约1.5倍。至少一个电极覆盖的角度范围可以例如是大约4
°
至5
°
，优选大约4.5
°
。至少两个电极各自覆盖的角度范围可以是大约2.5
°
至3.5
°
，优选大约3
°
。这提供了合理的角分辨率，同时导致仍可以以高精度和良好的信噪比测量的电容值。
16.在监测装置的另外有利实施例中，至少两个电极是包括并排布置的多个电极的电极结构的一部分。通过设置多个电极，可以实现更宽的角度测量范围，同时仍然具有高的角分辨率。优选地，多个电极中的电极的数量等于二的幂，例如8或16。为了降低测量电路的复杂性和成本，可以使用复用器结构来进行电容测量。于是，只需要测量电容的一个电路。复用器结构随后将该电路连接到不同的电极组合。所测量的电极配对的选择通常通过数字编码来进行，由此可商购的复用器具有数量等于二的幂的信道。因此，有利的是还将电极的数量选择为等于二的幂。
17.在监测装置的另外有利实施例中，两个板至少部分地由印刷电路板制成，其中电极由印刷电路板的导电层提供。这样，可以容易地设置并且还以更大的数量接触电极。导电层可以是印刷电路板的埋层，以便避免两个板的电极彼此直接接触。
18.在监测装置的另外有利实施例中，两个板中的每一个包括另外的电极，该电极彼此相互作用并形成与在电极之间建立的电容器串联的电容器。由两个另外的电极形成的电容器可以用于将测量信号从板中的一个传递到另一个。然后，仅一个板需要与导线接触以执行电容测量。为了接触电极，两个板中的至少一个还可以包括端子。
19.在另外的有利实施例中，监测装置包括测量电路，其用于评估在两个不同电极对之间建立的至少两个电容值。测量电路可以包括用于发送至少两个电容值的评估结果的无线发送器。将测量电路集成到监测装置中导致测量电路与电极之间的短导线，这改善了信号质量并减少了干扰噪声。通过进一步集成无线发送器，创建了自持式监测装置。
20.根据本发明的用于监测物体的螺纹接头的监测结构包括至少一个监测装置，该监
测装置具有集成的测量电路和集成的无线发送器，并且监测结构还包括无线接收器。优选地，多个相应的监测装置连接到无线接收器。于是可以仅通过一个接收器来监测多于一个的螺纹接头，例如用于机械连接两个凸缘的所有螺纹接头。
附图说明
21.下面将参考示出不同实施例的附图更详细地解释本发明。附图示出了：
22.图1是具有监测装置的螺纹接头的侧视图；
23.图2是图1的结构的顶视图；
24.图3是安装到螺纹接头的监测装置的另外实施例的顶视图；
25.图4a、图4b是监测装置的实施例的顶板(图4a)和底板(图4b)的顶视图；
26.图4c是包括根据图4a、图4b的监测装置的监测结构；
27.图5a、图5b是监测装置的另外实施例的顶板(图5a)和底板(图5b)的顶视图；
28.图5c是包括根据图5a、图5b的监测装置的监测结构；
29.图6a、图6b是监测装置的另外实施例的顶板(图6a)和底板(图6b)的顶视图；
30.图6c是包括根据图6a、图6b的监测装置的监测结构；
31.图7是示出电容测量结果的图线；以及
32.图8是另外实施例中的包括多个监测装置的监测结构的示意图。
33.在所有附图中，相同的附图标记表示相同或等同的特征。为了清楚起见，在所有附图中，并非所有可见的特征都提供有附图标记。
具体实施方式
34.图1和图2示出了监测装置10的第一实施例。图1示出了剖视图，图2示出了顶视图。
35.在第一实施例中观察到的系统以示例的方式包括通过螺纹接头固定在一起的两个凸缘1、2，该螺纹接头包括螺栓3和螺母4。螺栓3被引导穿过凸缘1、2中的钻孔，其中螺栓头在一侧上，而螺母4在另一侧上。
36.监测装置10包括两个主要部分：底板11和顶板12。两个板11、12具有类似于圆环的形状，并且两个板11、12彼此平行地布置，并且在凸缘1、2的一侧上——在所示的情况下为在凸缘2上，布置在彼此的顶部上。
37.底板11在其中心具有圆形切口，通过该切口，底板围绕螺母4，使得螺母4可以在切口内自由地转动。底板11例如通过使用粘合层13固定到凸缘。
38.顶板12也具有围绕螺母3的切口，然而，顶板12中的切口是类似于螺母3的外周的多边形切口124，在这种情况下是八边形形状。由此，如果螺母4变松并且相对于凸缘2转动，则顶板12将与螺母4一起旋转，而底板11将保持其相对于凸缘2的定向。因此，如果螺母4变松并且相对于螺栓3和凸缘2转动，则顶板12和底板11将相对于彼此旋转。为了将顶板12保持在底板11的顶部上，一保持装置可以附接到螺母3，例如夹到螺母4上并且通过摩擦力保持在适当位置。替代地，顶板12也可通过磁力或者粘合剂保持在适当位置。
39.由此，底板11也可以被当做是固定板，顶板12也可以被当做是移动板。
40.底板11和顶板12配备有彼此面对并且彼此相互作用的电极112、122。底板的电极112可通过附接到底板11的端子111接入。顶板12的电极122连接到附接到顶板12的端子121
并可由其接入。
41.螺母4周围的空间可以是紧密的。因此，底板11和顶板12不具有完整的圆周。底板11和顶板12的至少一侧分别通过修边113、123修整。在凸缘1、2是风力涡轮机的转子安装座的一部分的情况下，靠近螺母4的空间由于齿轮箱轴线可能例如受到限制，其由凸缘1、2中的多个螺母4和螺栓3围绕。
42.图3以与图2相当的顶视图示出了监测装置10的第二实施例。基本布置与第一实施例的基本布置相当。然而，基本形状(除了修边113、123之外)不是如第一实施例中的圆形，而是在一个方向上伸长，具体地为在螺母4的与修边113、123相对的一侧上伸长。在顶板12上获得的额外空间用于容纳测量电路15，该测量电路用于分析来自电极112、122的信号并将分析结果发送到图3中未示出的无线接收器。测量电路15包括电池151和无线发送器152。
43.由于通过集成的测量电路15分析电极的信号，所以在第一实施例中可见的端子111、121在该第二实施例中省略。由此，图3示出了可以容易地安装到螺纹接头并且不需要任何另外布线的自持式监测装置10。通过使用低能量无线传输，例如根据蓝牙le(低能量)或lora标准，电池151的寿命将足够长，例如超过一年，使得可以在通常的维护间隔内执行电池更换。在图3所示的实施例的进一步发展中，测量电路15可以配备有能量收集装置，该能量收集装置生成用于操作测量电路15的能量。能量例如可以从凸缘1、2的旋转获得，并由此从监测装置10获得。电池151优选地是用于作为能量收集装置的备用的可充电电池。
44.图4a至图4c更详细地描述了监测装置10和包括监测装置10的监测结构的实施例。例如，可以相应地构建图1和图2所示的监测装置10。
45.图4a示出了监测装置10的顶板12的一部分的顶视图，图4b示出了监测装置10的底板11的顶视图。图4c示出了穿过两个板11、12的示意性剖视图，并且特别示出了监测装置10与测量电路15之间的布线。
46.图4a仅示出了顶板12的承载电极122的一部分。该部分被成形为圆环的一部分的形式。该部分可以嵌入到顶板的另外部分中，使得整个顶板是完整的圆环。进一步地，在该实施例中，用于将顶板12旋转地固定到螺纹接头的一部分(例如螺母4(对比图1至图3))的多边形切口124是突起的形式。然而，该切口实现了与前述实施例相同的目的，即顶板12与螺纹接头的被监测部分一起旋转。
47.在顶板12的表面处或至少非常接近该表面设置有一个电极122。电极122形成为圆环的一段的形状，其边缘指向环的中心。在所示的示例中，该段覆盖大约4.5
°
的角长。
48.顶板12的承载电极122的部分可优选地为印刷电路板(pcb)，其中，电极122为pcb的铜层。电极122或者被绝缘层覆盖，或者是所谓的pcb的埋入铜层。从电极122到此处未示出的端子(对比图1至图3中的端子111)的连接优选地由形成电极122的pcb的相同铜层建立。
49.图4b示出了对应的底板11。根据本发明，底板11不包括单个电极，而是包括由多个单独电极112a、112b至112o和112p构成的电极结构112。各个电极112a-112p被成形为圆环的一段，即类似于顶板12的电极122，但是在该示例中具有大约3
°
的更小角长。所有电极112a-112p并排布置，其间具有小的绝缘间隙。因此，整个电极结构112覆盖大约45
°
的角度范围。
50.底板11同样优选地由pcb制成。关于电极结构112的形成和/或到端子111或到集成
测量电路15的连接的细节(类似于图3的实施例)，参考以上关于顶板12的解释。
51.图4c示意性地示出了电极122和电极结构112与集成测量电路15的连接。各个电极112a-112p单独地联接到测量电路15。测量电路15被设计为测量公共电极122与各个单独电极112a-112p之间的电容。这种测量方法产生增强的位置灵敏度，其主要由电极122和112a-112p的几何延伸(角度布置)给出。此外，实现了非常鲁棒的位置检测。原因在于，确定位置不依赖于绝对电容测量和在测量值中观察到的小变化，而是依赖于相对测量的比较。
52.如所指示的，将电极112a-112p与测量电路15连接的导线可以通向另外的监测装置10。这样，仅其中一个监测装置10需要配备有用于分析(联接的)监测装置10的电极的电容值的测量电路15。在这种意义上，连接的监测装置10是无源监测装置，没有任何用于分析电容值的电路。
53.如果测量单个电容值，其中该电容的值随两个板的旋转角度变化(例如，如果两个电极的重叠面积随旋转角度变化)，那么旋转位置仅可从绝对电容值确定。根据本发明，将公共电极122与单独电极112a-112p中的每一个之间的电容值彼此进行比较，并且示出最高电容的电极组合清楚地表示两个板相对于彼此的角位置。
54.为了降低测量电路15的复杂性和成本，可以使用复用器装置来进行电容测量。因此，只需要测量电容的一个电路。然后，复用器装置随后将该电路连接到不同的电极组合。测量电容可以通过已知技术来执行，例如通过将要测量的电容切换到振荡电路中并且测量振荡器的频率。
55.图5a至图5c以与图4a至图4c类似的方式示出了监测装置10的另外实施例。
56.该设计基本上与图4a至图4c所示的实施例的设计相同，在这方面明确地参考了这些实施例。
57.如从图5a中明显的，顶板12具有电极122，该电极具有与图4a所示的实施例中相同的尺寸、形状和位置。而且，如图5b中可见的，底板11具有与图4b所示的实施例相同的电极结构112。除了电极结构112的相互作用的电极122和112a-112p之外，在顶板12上存在另外三组电极122'、122”、122”'，并且在底板11上存在相应的电极结构112'、112”、112”'。
58.如在图5c中可以看到的，电极122'、122”、112”'电气并联。而且，电极结构112'、112”、112”'的对应电极并联。因此，即使对于小的单独电极122、112a-112p，所分析的电容值也会大于由组数给出的倍数。这产生甚至更鲁棒的位置检测。
59.注意，组数——在本情况下为四——纯粹是示例性的。根据可用空间并且还根据要观察的角度范围，组数可以更小或更大。
60.图6a至图6c以与图4a至图4c和图5a至图5c类似的方式示出了监测装置10的另一实施例。
61.同样，该设计基本上与图4a至图4c和图5a至图5c所示的实施例的设计相同，因此在这方面明确地参考了这些实施例。与图5a至图5c的示例中相同，存在四组协作电极，即顶板12具有四个电极122、122'、122”、122”'，底板11(参见图6b)具有四组电极结构112、112'、112”、112”'。
62.如在图6a中可以看到的，四个电极122、122'、122”、122”'在顶板本身上彼此连接。该连接经由另外电极1-5来进行，该电极形成为类似于靠近顶板12的外周定位的环(或者更准确地说是环的一段)。
63.该另外电极125不仅连接四个电极122、122'、122”、122”'，而且与底板11上类似成形和定位的另外电极115协作。两个另外的电极115、125在底板11与顶板12之间形成电容器。该电容器具有与两个板11、12相对于彼此的旋转位置无关的恒定电容。电容器用于将在上述实施例中存在于端子121处的顶板12的信号传输到底板11，并从那里-经由连接-传输到测量电路15。
64.在图6c中可以看到所得到的信号路由。这种设置具有的优点是在可移动顶板12与测量电路15之间没有直接的导线连接。测量电路15与电极之间的所有连接都布置在底板11上。由此，可以简化布线，特别是在测量电路15布置在底板11本身上时。
65.图6a至图6c示出了另一个有利特征。该特征是可选的，并且与另外的电极115、125之间的电容耦合无关。该特征也可以被实现到上述实施例中。根据该另外的可选特征，在底板11和顶板12上存在两个屏蔽电极116、126。屏蔽电极116、126围绕电极并屏蔽该结构以防外部电磁干扰。
66.图7以图表的形式示出了由测量电路(例如图4a、图5a或图6c所示的测量电路15)执行的电容测量的结果。测量的电容值c在纵轴上表示。横轴示出了范围从0到15的数字n，其中，各个电极112a-112p被分配有一个数字，从电极112a的n＝0开始到电极112p的n＝15。
67.在图7的图表中，所有电极112a-p(或者更准确地说，电极112a-p中的一个与电极122的所有对)的测量电容值被表示为十字标记。
68.在用于确定监测装置10的顶板12相对于底板11的旋转位置的方法的第一实施例中，测量电容值c，并且选择具有最高电容值c的值。在所示的示例中，n＝6(即电极112g)示出了最高值。然后假定顶板12的旋转位置使得其电极121与电极112g相对地定位。使用这种方法，实现了等于电极112a-p的角距的角分辨率。
69.在替代实施例中，可以进一步扩展上述方法，以便实现更高的分辨率水平。从相同的测量开始，该方法包括将在峰值附近的至少电极112a-p的电容值c插值到插值函数上。
70.这种函数可以是多项式(例如二次的)或者高斯函数。线示出了图7的示例中的插值高斯函数。可以使用几种算法来执行这种插值函数，有时也称为拟合函数。作为示例，拉格朗日多项式可以用于多项式拟合。通过找到插值函数的局部最大值，即使可移动板在两个电极之间，然后也可以以更精细的分辨率水平导出可移动板的角位置。在所示的示例中，局部最大值位于大约n＝6.4至6.5处。
71.图8示出了其中存在多个监测装置10的监测结构的实施例。各个监测装置10包括具有无线发送器的测量电路15，在这种情况下，该无线发送器单独地联接到无线接收器16。以示例的方式，在该实施例中，使用八个螺纹接头，因此使用八个监测装置10。
72.附图标记
73.1、2
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
凸缘
[0074]3ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
螺栓
[0075]4ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
螺母
[0076]
10
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
监测装置
[0077]
11
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
底板
[0078]
111
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
端子
[0079]
112、112'、112”、112”' 电极结构
[0080]
112a-p
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
电极
[0081]
113
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
修边
[0082]
114
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
中心切口
[0083]
115
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
另外电极
[0084]
12
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
顶板
[0085]
121
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
端子
[0086]
122、122'、122”、122”' 电极
[0087]
123
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
修边
[0088]
124
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
多边形切口
[0089]
125
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
另外电极
[0090]
13
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
粘合层
[0091]
15
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
无线发送器
[0092]
151
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
电池
[0093]
152
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
发送器芯片
[0094]
16
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
无线接收器