СИСТЕМЫ И СПОСОБЫ МОНИТОРИНГА РЕМНЯ
BELT MONITORING SYSTEMS AND METHODS

Область техники, к которой относится изобретение
[0001] Настоящее изобретение, в общем, относится к приводным ремням, более конкретно, к системам и способам для мониторинга состояния такого ремня и, конкретно, к системам и способам мониторинга ремня для мониторинга ремня, который имеет проводящий армирующий элемент.
Уровень техники
[0002] Предыдущие попытки мониторинга состояния приводных ремней или им подобных требуют специальных модификаций ремня. Например, Gartland, патент США № 6715602, пишет о встраивании по меньшей мере одного датчика специального назначения, содержащего бесконечную петлю, который должен быть целенаправленно встроен в конвейерную ленту для того, чтобы облегчить обнаружение и определение расположения разрыва в конвейерной ленте. В качестве другого примера, в двух патентах, выданных на Ahmed, патенты США №№ 6523400 и 6532810, говорится об использовании замкнутой проволочной петли или полоски специального назначения, которую требуется встраивать в ремень для облегчения обнаружения разрыва в замкнутой петле. В обоих случаях встраивание таких датчиков является дорогостоящим и требует специальных способов изготовления и дополнительных материалов, которые являются необычными для нормального использования ремня.
Раскрытие изобретения
[0003] Настоящее изобретение относится к системам и способам считывания состояния приводного ремня, конвейерной ленты или т.п. Более конкретно, варианты осуществления настоящего изобретения относятся к мониторингу физической характеристики ремня посредством распространения электромагнитных волн в существующем проводящем армирующем элементе внутри ремня. Настоящее изобретение избегает использования проникающего датчика, который может подвергнуть риску надежность, целостность и прочность ремня, что может отрицательно влиять на эксплуатационные характеристики ремня при применении по его назначению.
[0004] Вариант осуществления системы мониторинга ремня может включать в себя ремень, имеющий по меньшей мере один армирующий элемент, предпочтительно выполненный из проводящего вещества, такого как нить из углеродного волокна или т.п. Внедрение углеродного волокна в приводные ремни в качестве арматуры обсуждалось в совместных патентах США №№ 5807194 и 6695733, которые включены в настоящий документ в качестве ссылки. Альтернативно или дополнительно, такой армирующий элемент может содержать другие армирующие материалы в дополнение к проводящему веществу, такие как в композитном ремне из гибрида углерода и стекла. Система по настоящему изобретению предпочтительно также включает в себя устройство мониторинга ремня, которое может быть расположено вместе с ремнем. Такое устройство мониторинга ремня предпочтительно содержит полевой индуктор, такой как, например, прессованный индуктор с сердечником из феррита, который может возбуждаться под действием прикладываемого сигнала, такого как сигнал напряжения, что приводит к образованию электромагнитного поля. Индуктор с сердечником из феррита может иметь тороидальную или U-образную форму. Если сердечник индуктора тороидальный, то он, предпочтительно, разъемный. Электромагнитное поле может подвергаться действиям изменений в электрических свойствах армирующего элемента в ремне. Эти изменения в электрических свойствах армирующего элемента в ремне могут являться результатом изменений в физическом состоянии ремня, таких как повреждение, разломы, трещины, усталость, изменения в температуре и/или т.п. Влияние этих изменений может обнаруживаться в виде изменений в электромагнитном поле, которые затем могут обнаруживаться в электрических свойствах полевого индуктора.
[0005] Измерения электрической характеристики по меньшей мере части полевого индуктора могут быть сделаны, используя сенсорный индуктор, который может быть расположен рядом с полевым индуктором, например, вокруг прессованного сердечника индуктора с сердечником из феррита. Такие измерения могут включать в себя, без ограничения, измерение таких электрических свойств, как величина тока, протекающего в полевом индукторе, изменение симметричности колебаний напряжения в полевом индукторе, разность фаз между напряжением и током в полевом индукторе и/или величина магнитного потока в полевом индукторе. Такие измерения могут быть достигнуты посредством применения, например, процесса регистрации данных, включающего в себя цифровую обработку сигналов (DSP) или что-то подобное.
[0006] Вариант осуществления системы мониторинга ремня может следить за состоянием ремня, такого, который может использоваться в автомобиле, такого как зубчатый ремень привода или ремень привода вспомогательных агрегатов, ремень бесступенчато регулируемой передачи (CVT), V-образный ремень (включая углеродный V-образный ремень), ремень вентилятора, ремень из термопластичного полиуретана (TPU), армированного углеродным волокном, затвердевающие/упругие ремни, бесконечные ленты, длинномерная ременная передача и/или т.п. Альтернативно, систему мониторинга ремня можно использовать вместе с ремнями в промышленных применениях, таких как статическая машина, механизм привода, конвейерная лента и/или т.п. Ремень предпочтительно содержит проводящее волокно, такое как углеродное волокно или углеродный шнур, который может быть встроен в ремень и может проходить в продольном направлении через по меньшей мере часть ремня, осуществляя армирование ремня. Поскольку полевой индуктор, как описано выше, предпочтительно расположен рядом с ремнем, содержащим проводящее армирующее волокно, волокно может влиять на электромагнитное поле, формируемое при возбуждении полевого индуктора. Изменения в состоянии ремня, например истирание ремня, напряжение на ремне, напряжение на волокнах в ремне, изменение температуры ремня, старение материала ремня и/или т.п., могут обнаруживаться в виде изменений в электромагнитном поле, формируемом полевым индуктором. Изменения в электромагнитном поле могут обнаруживаться в виде изменений в электрических характеристиках полевого индуктора, таких как изменения импеданса полевого индуктора, величины тока, протекающего в полевом индукторе, симметричности колебаний напряжения в полевом индукторе, разности фаз между напряжением и током в полевом индукторе, величины магнитного потока в полевом индукторе и/или т.п.
[0007] При работе система, такая как описана выше, может применять способ мониторинга ремня, который включает в себя этапы размещения полевого индуктора близко к ремню, который имеет по меньшей мере один проводящий армирующий элемент; возбуждение полевого индуктора пропусканием тока через него для того, чтобы формировать электромагнитное поле; размещение сенсорного индуктора рядом с полевым индуктором, ремнем и электромагнитным полем; измерение электрического параметра сенсорного индуктора под воздействием электромагнитного поля, на которое влияют физические параметры ремня; и определение физического состояния ремня по измеренному электрическому параметру сенсорного индуктора.
[0008] Упомянутое ранее в достаточно общих чертах описывает признаки и технические преимущества настоящего изобретения для того, чтобы нижеследующее подробное описание изобретения было более понятным. Далее в настоящем документе будут описаны дополнительные признаки и преимущества изобретения, которые составляют предмет формулы изобретения. Специалистам в данной области должно быть понятно, что концепция и конкретный раскрытый вариант осуществления могут без труда использоваться в качестве основы для модифицирования или разработки других структур для выполнения тех же целей настоящего изобретения. Также специалисты в данной области должны понимать, что такие эквивалентные конструкции не отклоняются от сущности и объема изобретения, которые указаны в прилагающейся формуле изобретения. Новые признаки, которые считаются отличительными признаками изобретения и касаются как его организации, так и способа работы, вместе с дополнительными целями и преимуществами будет легче понять из следующего описания, при рассмотрении его вместе с сопроводительными чертежами. Однако следует ясно понимать, что все чертежи предоставлены только с иллюстративной и описательной целью и не предназначены для определения объема настоящего изобретения.
Краткое описание чертежей
[0009] Сопроводительные чертежи, которые включены в и образуют часть настоящего описания, на которых одинаковые номера позиций обозначают одинаковые части, иллюстрируют варианты осуществления настоящего изобретения и вместе с описанием служат для объяснения принципов изобретения. На чертежах:
[0010] фиг.1 представляет собой схематическое изображение варианта осуществления системы мониторинга ремня;
[0011] фиг.2 представляет собой вид фрагмента примера ремня с зубцами;
[0012] фиг.3 представляет собой схематическое изображение варианта осуществления устройства мониторинга ремня;
[0013] фиг.4 представляет собой более подробное схематическое изображение структуры варианта осуществления устройства мониторинга ремня;
[0014] фиг.5 представляет собой блок-схему варианта осуществления способа определения состояния ремня;
[0015] фиг.6 представляет собой блок-схему варианта осуществления процесса цифровой обработки сигналов, который можно использовать в настоящих системах и способах;
[0016] фиг.7 представляет собой блок-схему варианта осуществления процесса регулирования температуры, который можно применять в настоящих системах и способах;
[0017] фиг.8 представляет собой блок-схему варианта осуществления процесса калибровки/сбора данных, который можно применять в настоящих системах и способах; и
[0018] фиг.9 представляет собой блок-схему варианта осуществления алгоритма извлечения, который можно применять в настоящих системах и способах.
Осуществление изобретения
[0019] Настоящее изобретение относится к системам и способам таким, как показано на фиг.1 и 5, соответственно, для считывания состояния ремня, такого как приводной ремень, показанный на фиг.2, конвейерная лента или т.п. Более конкретно, варианты осуществления настоящего изобретения относятся к мониторингу физического состояния ремня путем распространения электромагнитных волн в армирующем элементе внутри ремня, которое более подробно обсуждается ниже.
[0020] Обращаясь к фиг.1, вариант осуществления системы 100 мониторинга ремня может включать в себя ремень 110, имеющий армирующий элемент 120, предпочтительно выполненный из проводящего материала, такого как, например, углеродное волокно, углеродный шнур и/или т.п. Такой проводящий армирующий элемент 120 может быть примешан или другим способом встроен в другие ремневые армирующие элементы 130, которые могут представлять собой, например, витые или плетеные шнуры, тканые или нетканые материи или т.п., выполненные из таких материалов, как, например, полиамид, арамид, полиуретан, нейлон, стекло, акриловое волокно и/или полиэстер, которые также могут обладать или не обладать проводимостью. Например, такой проводящий армирующий элемент 120 может быть примешан к существующим тканым материям внутри ремня 110, которые могут быть расположены по меньшей мере на части поверхности, такой как поверхность контакта с барабаном или тыльная поверхность ремня 110. Альтернативно, такой проводящий армирующий элемент 120 может быть вплетен в тыльную материю, кросс-кордовую материю или любой встроенный слой материи в ремне 110, или иным способом расположен внутри ремня 110. Альтернативно, проводящий армирующий элемент 120 может быть встроен, вставлен или примешан к материалу 125 корпуса ремня, который может основываться на, например, пластике, эластомере, резине, полиуретане или т.п. и может содержать, например, наполнители, волокна, отвердители и/или любое число различных добавок. В соответствии с определенными вариантами осуществления настоящего изобретения элемент 120 может представлять собой непрерывную нить из углеродного волокна любого желаемого диаметра или одну или несколько нитей из углеродного волокна, обладающих диаметром в диапазоне от пяти до девяти микрон.
[0021] Проводящий армирующий элемент 120 предпочтительно проходит в продольном направлении через по меньшей мере часть ремня 110. Альтернативно, элемент 120 может проходить вдоль всей длины ремня 110 или, кроме того, проходить несколькими витками вдоль всей длины ремня 110. Элемент 120 предпочтительно предоставляет проводящий путь через по меньшей мере часть ремня 110. Этот проводящий путь может быть выполнен из нескольких проводящих армирующих элементов 120. Альтернативно или дополнительно, элемент 120 (или по меньшей мере часть элемента 120) может быть расположен сбоку, проходя по меньшей мере вдоль части ремня 110, таким образом обеспечивая армирование вдоль продольной оси ремня. Обращаясь к фиг.2, например, элемент 120 может быть расположен внутри или рядом с зубцами 200. При этом материя 210 зубца может содержать в себе соединение или материал, использованные в ремне, или адгезивную пропитку. Материя 210 зубца может представлять собой многослойный или композитный материал. Например, материя 210 зубца может содержать проводящий слой, такой как слой, обладающий проводящим покрытием, проводящую пленку и/или т.п. Дополнительно, такой проводящий слой может покрывать большую часть, если не всю открытую поверхность ремня. «Потрескивание» и другие признаки изнашивания и истирания ремня можно обнаруживать в таких ремнях с проводящим покрытием в соответствии с настоящим изобретением. В качестве другого примера витой шнур 230 может представлять собой гибрид стекла/углерода. Альтернативно или дополнительно, проводящие элементы могут содержать сочетание боковых и продольных армирующих шнуров, встроенных в ремень 110, и/или т.п.
[0022] Также настоящие системы предпочтительно содержат устройство мониторинга 140 ремня, которое предпочтительно расположено рядом с ремнем 110 так, чтобы быть непосредственно рядом с участком ремня 110. Вариант осуществления устройства мониторинга 140 ремня, такого, которое схематически изображено на фиг.3, может содержать микроконтроллер 310 и датчик 320 температуры. Также устройство мониторинга 140 ремня предпочтительно содержит полевой индуктор 330, который может быть, например, индуктором с разъемным сердечником, катушку индуктивности с ферритовым сердечником или т.п. Полевой индуктор 330 предпочтительно расположен рядом с ремнем 110 так, как показано на фиг.4, располагаясь над ремнем 110. Индуктор с сердечником из феррита может обладать тороидальной или U-образной формой. Если индуктор тороидальный, то он предпочтительно разъемный, чтобы допускать расположение полевого индуктора вокруг участка ремня.
[0023] При работе полевой индуктор 330 может возбуждаться подаваемым сигналом, таким как сигнал напряжения, на этапе 520 на фиг.5, которая представляет собой блок-схему варианта 500 осуществления способа определения состояния ремня. Этот сигнал может применяться на терминале полевого индуктора 330 и может представлять собой биполярный сигнал, такой как, например, колебательный сигнал напряжения переменного тока, меняющийся сигнал постоянного тока или т.п. Приложение напряжения предпочтительно будет приводить к образованию электромагнитного поля 410 полевым индуктором 330.
[0024] Трансформатор может содержать первичную и вторичную обмотку. В основном такой трансформатор выдает разность фаз между сигналами напряжения и тока первичной и вторичной обмотки, стремящуюся к девяноста градусам, когда вторичная обмотка имеет импеданс, стремящийся к бесконечности, которая также известна как обмотка с открытым витком. Альтернативно, когда импеданс вторичной обмотки стремится к нулю, указанная выше разность фаз также стремится к нулю градусов. В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения полевой индуктор действует в качестве первичной обмотки трансформатора. Ремень, расположенный рядом с полевым индуктором, как описано на этапе 510, в качестве вторичной обмотки, подает нагрузку на первичную обмотку полевого индуктора. Физические характеристики ремня, которые воздействуют на физическое состояние проводящего элемента и/или элементов, присутствующих в ремне, будут влиять на образующееся электромагнитное поле, способствуя нагрузке, подаваемой ремнем на первичную обмотку. Ремень в хорошем или прекрасном состоянии может давать более низкий импеданс, чем ремень, который имеет состояние, вызванное истиранием, повреждением, напряжением, разрушением и/или и т.п.
[0025] В определенных вариантах осуществления настоящего изобретения предпочтительно, чтобы электромагнитное поле 410 подвергалось воздействию изменений электрических свойств армирующего элемента 120 в ремне 110, которые могут быть результатом изменений физического состояния ремня 110. Влияние этих изменений может обнаруживаться в виде изменений электромагнитного поля 410 и может быть измерено, как описано на этапе 540 на фиг.5. Влияние этих изменений может обнаруживаться в электрических свойствах полевого индуктора 330. Например, повреждение структуры ремня 110 можно обнаруживать в виде изменения импеданса ремня 110. Следовательно, в приведенном выше примере, когда ремень 110 действует в качестве вторичной обмотки, изменение импеданса на вторичной обмотке может быть результатом повреждения ремня 110. Такое повреждение может принимать вид повреждения корпуса ремня 110, зубцов 200 на ремне, армирующего элемента 120 или других материалов в ремне, таких, как указано выше.
[0026] Устройство мониторинга 140 ремня может дополнительно включать в себя сенсорный индуктор 340, такой, как показан в иллюстративных вариантах осуществления на фиг.3 и 4. Сенсорный индуктор 340 может быть расположен рядом с полевым индуктором 330 с тем, чтобы иметь общий сердечник, как показано в варианте осуществления на фиг.4. Как указано на этапе 550 блок-схемы на фиг.5, физическое состояние ремня можно определять исходя из измеренного электрического параметра сенсорного индуктора. Более конкретно, измерения электрической характеристики по меньшей мере части полевого индуктора 330 можно выполнить, используя сенсорный индуктор 340. Такие измерения могут включать в себя измерение таких электрических свойств, как величина тока, протекающего в полевом индукторе 330, изменение симметричности колебаний напряжения в полевом индукторе 330, разность фаз между напряжением и током в полевом индукторе 330, величина магнитного потока в полевом индукторе 330 и/или т.п.
[0027] Разность фаз между напряжением и током в полевом индукторе 330, где приложено биполярное напряжение, например, от синусоидального источника напряжения, будет иметь разность фаз, равную девяноста градусам. То есть ток через первичную обмотку трансформатора отстает от напряжения на девяносто градусов. Ток, индуцированный в ремне 110 за счет его близости к электромагнитному полю 410, как правило, отстает от напряжения, приложенного к полевому индуктору 330, на девяносто градусов, так что индуцированное напряжение или обратное электромагнитное поле (EMF) также присутствуют в индукторе 330. Когда на вторичную обмотку (ремень 110) подается нагрузка, такая как изменение в импедансе в результате измерения физических характеристик ремня 110 и/или армирующего элемента 120, ток забирается нагрузкой. Этот забираемый ток отражается через трансформатор на первичной обмотке (полевой индуктор 330). В результате, полевой индуктор 330 забирает больше тока из приложенного источника напряжения. Поскольку мощность трансформатора приближается к максимуму, то исходный сдвиг фаз, равный девяноста градусам, становится все меньше и меньше, и это можно использовать для определения изменения в физических свойствах ремня 110 и/или армирующего элемента 120 в соответствии с настоящими системами и способами.
[0028] В соответствии с различными вариантами осуществления настоящего изобретения величина магнитного потока в ферритовом сердечнике варианта осуществления полевого индуктора 330 может быть измерена с использованием сенсорного индуктора 340. Изменения в магнитном потоке связаны с нагрузкой, приложенной импедансом ремня 110, и характеризуют повреждение ремня 110 и/или армирующего элемента 120. Устройство мониторинга 140 ремня может быть откалибровано для того, чтобы сохранять и/или компенсировать любые существующие состояния, внутренние или внешние по отношению к ремню 110, такие как температура окружающей среды, влажность, давление и/или т.п.
[0029] В соответствии с различными вариантами осуществления изменение симметричности колебаний полевого индуктора 330 может быть обнаружено и измерено, используя один или несколько способов сравнения образов посредством цифровой обработки сигналов (DSP). Пример варианта 600 осуществления такой технологии сравнения изображен на фиг.6 и может включать обнаружение сигнала через сенсорный индуктор 340 на этапе 630, например, применяя 16-битный сигма-дельта аналогово-цифровой преобразователь. Преобразование 640 сигнала, например, используя двухполупериодное выпрямление, может позволить сохранить точность сигнала. Такой сигнал может быть функцией частоты и может храниться в многомерном массиве или в т.п. Обнаруженный и/или преобразованный сигнал может быть скорректирован по измеренной температуре на этапе 650. Вариант 700 осуществления такого процесса корректировки показан на фиг.7. Последующие данные могут быть собраны и сравнены с набором калибровочных данных на этапе 660. Эти данные могут храниться в блоке энергонезависимой памяти. Сбор и сравнение данных на этапе 660 можно осуществить, используя способ калибровки и сбора данных. Пример такого процесса показан на фиг.8. На этапе 670, если преобразованное и термокомпенсированное значение данных меньше порогового значения, что будет указывать на повреждение ремня, то поток DSP-процесса 600 возвращается на этап 630 и собирает новые данные. Однако, если на этапе 670 преобразованное и термокомпенсированное значение данных превышает пороговое значение, что будет указывать на повреждение ремня, может быть вызвано предупреждение на этапе 680.
[0030] Фиг.7 представляет собой блок-схему варианта 700 осуществления процесса регулирования температуры, который может применяться в DSP-процессе 600 на этапе 650. На этапе 710 измеряется температура окружающей среды. На этапе 715 к измеренной температуре применяют полиномиальное уравнение температурной компенсации. Полученный на этапе 720 результат уравнения на этапе 730 вычитают из необработанных данных, собранных на этапе 740. Скомпенсированные данные, полученные на этапе 750, могут быть поданы в DSP-процесс 600 для использования на этапе 650.
[0031] Фиг.8 представляет собой блок-схему варианта осуществления процесса 800 калибровки/сбора данных, который может быть применен к данным, используемым в DSP-потоке 600 на фиг.6. На этапе 810 задается частота развертки. На этапе 820 может быть выделено время для того, чтобы сделать возможной стабилизацию сердечника полевого индуктора 330. Сбор данных инициализируется на этапе 830. На этапе 840 проводится определение того, завершен ли сбор данных, если нет, то инициируется состояние ожидания. Если на этапе 840 завершен сбор данных, то температурная компенсация 700 осуществляется на этапе 850. На этапе 860 термоскомпенсированные данные из этапа 850 сохраняются в массиве данных калибровки на этапе 860. На этапе 870 частота развертки увеличивается на этапе 870, а на этапе 880 увеличивается элемент массива. На этапе 890 проводится определение, равна ли увеличенная частота пороговому значению. Если нет, то процесс калибровки/сбора данных возвращается на этап 820. Если увеличенная частота равна пороговому значению, то процесс калибровки/сбора данных 800 заканчивается.
[0032] Фиг.9 представляет собой блок-схему варианта 900 осуществления алгоритма извлечения, который можно применять как часть процесса 800 сбора данных и калибровки. На этапе 920 массив разностей, показывающий, например, степень изменений между данными калибровки и любыми впоследствии собранными данными, конструируется на этапе 920. Массив разностей, любые данные калибровки или последовательно собранные данные могут включать в себя информацию, относящуюся к частоте, амплитуде, симметричности колебаний сигнала и/или т.п. Например, на этапе 920 вновь полученный элемент X массива может быть вычтен из откалиброванного X элемента, а результат может быть сохранен в виде разности X. Затем на этапе 930 элемент X массива может быть увеличен. В определенный момент на этапе 940 определяется, что вычитание элементов на этапе 920 завершено. Данные могут быть извлечены из массива разностей, и массив разностей может быть модифицирован. Например, содержимое может быть возведено в квадрат на этапе 950 таким образом, чтобы предоставить возведенные в квадрат абсолютные значения. Такие данные могут благоприятно увеличить воспринимаемую величину, таким образом облегчая более надежное обнаружение маленьких изменений. Скользящее среднее по многим точкам, например, скользящее среднее по двадцати (20) точкам, может быть получено на этапе 960 посредством применения фильтра, такого как, например, фильтр с конечной импульсной характеристикой, который может быть обработан методом окна с использованием прямоугольного окна с единичными коэффициентами. Это может привести к определенным значениям, отражающим изменения между любыми данными калибровки и последующими данными. Такие значения могут сравниваться с определенными пороговыми значениями на этапе 970, которые могут быть сохранены или вычислены для того, чтобы определить состояние ремня. Индикация состояния ремня может быть представлена в виде предупреждения, сигнала, информации, данных и/или т.п., которые выводятся на этапе 990 на любое внешнее устройство, на любой другой внутренний компонент системы 100, любой другой внутренний компонент устройства мониторинга 140 ремня или любому другому пользователю. Если на этапе 970 не произошло предупреждение, то процесс 800 сбора данных продолжается.
[0033] Несмотря на то, что настоящее изобретение и его преимущества описаны в подробностях, следует понимать, что различные изменения, замены и перемены могут быть выполнены в нем без отклонения от сущности и объема изобретения, как определено прилагающейся формулой изобретения. Более того, объем настоящей заявки не ограничивается конкретными вариантами осуществления процесса, устройством, производством, композицией, средствами, способами и этапами, описанными в настоящем описании. Специалист в данной области на основе раскрытия настоящего изобретения с легкостью признает, что процессы, устройства, производства, композиции, средства, способы или этапы, те, что существуют в настоящее время или будут изобретены в будущем, выполняющие по существу такую же функцию или достигающие по существу такого же результата, что и соответствующие варианты осуществления, описываемые в настоящем документе, можно использовать по настоящему изобретению. Следовательно, подразумевается, что объем приложенной формулы изобретения включает в себя такие процессы, устройства, производство, композиции, средства, способы или этапы.