DE102017110036A1 - Apparatus and method for detecting a mechanical load - Google Patents

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Abstract

Eine Vorrichtung zum Detektieren einer mechanischen Lasteinwirkung, die von außen auf einen Behälter einwirkt und ein potentielle Überlastung darstellt, ist offenbart. Die Vorrichtung umfasst zumindest zwei Sensoren, die jeweils auf oder in dem Behälter an verschiedenen Positionen anbringbar sind, um Sensorsignale an der jeweiligen Position ansprechend auf die mechanische Lasteinwirkung zu erfassen. Die Vorrichtung umfasst weiter eine Auswerteeinheit, die ausgebildet ist, um (i) basierend auf den Sensorsignalen von den zumindest zwei Sensoren, ein Detektionssignal für die mechanische Lasteinwirkung zu erzeugen, (ii) das erzeugte Detektionssignal mit einem Schwellenwert zu vergleichen und (iii) in Antwort auf ein Erreichen oder Überschreiten des Schwellenwertes ein Warnsignal bereitzustellen und so die potentielle Überlastung des Behälters anzuzeigen.A device for detecting a mechanical load acting externally on a container and presenting a potential overload is disclosed. The device comprises at least two sensors, each of which is mountable on or in the container at different positions to detect sensor signals at the respective position in response to the mechanical load. The apparatus further comprises an evaluation unit configured to (i) generate a mechanical load detection signal based on the sensor signals from the at least two sensors, (ii) compare the generated detection signal to a threshold, and (iii) in Response to reaching or exceeding the threshold to provide a warning signal and so indicate the potential overload of the container.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Detektieren einer mechanischen Lasteinwirkung und insbesondere auf eine Behälterüberwachung mittels einer Halbbrücken- oder Vollbrückenschaltung.The present invention relates to an apparatus and method for detecting a mechanical load, and more particularly to container monitoring by means of a half-bridge or full-bridge circuit.

Hintergrundbackground

Häufig ist es erforderlich, Druckbehälter ständig zu überwachen, um rechtzeitig entsprechende Warnhinweise bei einer Schädigung auszugeben. So ist es bei Druckbehältern wichtig, umgehend entsprechende Kontrollen zu veranlassen, wenn es zu einer mechanischen Überlastung gekommen ist. Von besonderem Interesse sind hier Tankbehälter, wie sie in Fahrzeugen zum Einsatz kommen und beispielsweise mit Druck- oder Flüssiggas befüllt werden. Solche Druckbehälter sind beispielsweise aus einem Faser-Kunststoff-Verbundmaterial, das extrem belastbar ist. Allerdings sind bei diesem Material viele Schädigungen optisch kaum erkennbar. Das führt dazu, dass häufig bereits auf Verdacht Behälter ausgetauscht werden, obwohl sie keine Schäden aufweisen.Often it is necessary to constantly monitor pressure vessels in order to issue timely appropriate warnings of damage. So it is important for pressure vessels to promptly prompt appropriate controls when it has come to a mechanical overload. Of particular interest here are tank containers, such as those used in vehicles and are filled for example with compressed or LPG. Such pressure vessels are for example made of a fiber-plastic composite material which is extremely resilient. However, with this material many damages are visually hardly recognizable. As a result, containers are often replaced on suspicion, even though they show no signs of damage.

Derzeit sind keine Systeme bekannt, die eine ständige Überwachung solcher Behälter erlauben und die eine rechtzeitige Warnung bei potentiellen Schädigungen ausgeben. Im Ruhezustand können diese Behälter mittels verschiedener Verfahren (z.B. akustischer Messungen) untersucht werden. Diese Verfahren sind jedoch nicht zur dauerhaften Detektierung von potentiellen Beschädigungen an Druckbehältern geeignet, wie sie in Fahrzeugen eingesetzt werden und die bisher nur unzureichend überwacht werden konnten - obwohl gerade hier eine zuverlässige Überwachung wünschenswert wäre.At present, there are no known systems which permit constant monitoring of such containers and which provide a timely warning of potential damage. At rest, these containers may be examined by various methods (e.g., acoustic measurements). However, these methods are not suitable for the permanent detection of potential damage to pressure vessels, as they are used in vehicles and could not be monitored so far - although just here a reliable monitoring would be desirable.

Daher besteht ein Bedarf nach Vorrichtungen zur Detektierung von mechanisehen Lasteinwirkungen auf Behältern, um potentielle Beschädigungen des Behälters rechtzeitig zu erkennen.Therefore, there is a need for devices for detecting mechanical load on containers to detect potential damage to the container in time.

ZusammenfassungSummary

Zumindest ein Teil der obengenannten Probleme wird durch eine Vorrichtung zum Detektieren einer mechanischen Lasteinwirkung nach Anspruch 1, ein dementsprechendes Verfahren Anspruch 12 und ein Verfahren zur Ermittlung von Sensorpositionen auf einem Behälter nach Anspruch 13 gelöst. Die abhängigen Ansprüche definieren weitere vorteilhafte Ausführungsformen.At least part of the above problems are solved by a mechanical load sensing apparatus according to claim 1, a corresponding method claim 12 and a method of detecting sensor positions on a container according to claim 13. The dependent claims define further advantageous embodiments.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Detektieren einer mechanischen Lasteinwirkung, die von außen auf einen Behälter einwirkt und ein potentielle Überlastung darstellt. Die Vorrichtung umfasst zumindest zwei Sensoren, die jeweils auf dem Behälter an verschiedenen Positionen anbringbar sind, um Sensorsignale an der jeweiligen Position ansprechend auf die mechanische Lasteinwirkung zu erfassen. Die Vorrichtung umfasst außerdem eine Auswerteeinheit, die ausgebildet ist, um (i) basierend auf den Sensorsignalen von den zumindest zwei Sensoren, ein Detektionssignal für die mechanische Lasteinwirkung zu erzeugen, (ii) das erzeugte Detektionssignal mit einem Schwellenwert zu vergleichen und (iii) in Antwort auf ein Verlassen eines durch den Schwellenwert definierten Toleranzbereiches (z.B. Erreichen oder Überschreiten oder Unterschreiten des Schwellenwertes), ein Warnsignal bereitzustellen und so die potentielle Überlastung des Behälters anzuzeigen.The present invention relates to a device for detecting a mechanical load acting externally on a container and constitutes a potential overload. The device comprises at least two sensors each mountable on the container at different positions to detect sensor signals at the respective position in response to the mechanical load. The apparatus further comprises an evaluation unit configured to (i) generate a mechanical load detection signal based on the sensor signals from the at least two sensors, (ii) compare the generated detection signal to a threshold, and (iii) in In response to leaving a tolerance range defined by the threshold (eg, reaching or exceeding or falling below the threshold), provide a warning signal to indicate the potential overload of the container.

Für die Vorrichtung können alle Sensoren genutzt werden, die in der Lage, mechanische Lasteinwirkungen wie beispielsweise Schlag- oder Krafteinwirkungen oder gar Deformationen des Behälters zu detektieren. Insbesondere können Sensoren genutzt werden, die Dehnungen der Behälterwand erfassen, die durch die mechanischen Lasteinwirkungen verursacht werden. Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung lösen somit zumindest ein Teil der obengenannten Probleme durch ein Anbringen oder Koppeln von mehreren Sensoren an einem Behälter, sodass mechanische Lasteinwirkungen auf den Behälter permanent gemessen werden können und die Auswerteeinheit basierend darauf, ein entsprechendes Warnsignal ausgeben kann.For the device, all sensors can be used, which are able to detect mechanical load effects such as impact or force effects or even deformation of the container. In particular, sensors can be used which detect strains of the container wall, which are caused by the mechanical loads. Embodiments of the present invention thus solve at least some of the above problems by attaching or coupling multiple sensors to a container so that mechanical loads on the container can be permanently measured and the evaluation unit can issue a corresponding warning signal based thereon.

Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen wird bei einer normalen Behälterbelastung (z.B. Befüllen mit einem Druckgas) kein Detektionssignal erzeugt und kein Ereignis oder Warnung ausgelöst. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass die Sensoren differenziell ausgelesen werden. Die differentielle Auslesung führt dazu, dass eine gleiche Belastung aller Sensoren kein Signal liefert. Wenn es aber zu einer ungleichmäßigen Belastung der Sensoren kommt, ist das Differenzsignal von Null verschieden und ein Ereignis wird detektiert. Daher ist die Auswerteeinheit optional ausgebildet, um das Detektionssignal basierend auf einer differenziellen Erfassung der Sensorsignale zu erzeugen. Die Auswerteeinheit kann beispielsweise ausgebildet sein, um paarweise differentielle Sensorsignale von den Sensoren zu erfassen, um so den gewünschten Effekt (Detektierung einer inhomogenen Belastung) zu erzielen.In other embodiments, in normal container loading (e.g., pressurized gas filling), no detection signal is generated and no event or warning is triggered. This can be achieved, for example, by reading the sensors differentially. The differential readout means that the same load on all sensors does not deliver a signal. But if there is an uneven load on the sensors, the difference signal is different from zero and an event is detected. Therefore, the evaluation unit is optionally designed to generate the detection signal based on a differential detection of the sensor signals. The evaluation unit can be designed, for example, to detect pairwise differential sensor signals from the sensors so as to achieve the desired effect (detection of an inhomogeneous load).

Um eine asymmetrische Belastung des Behälters zu detektieren, ist es insbesondere möglich, eine Vollbrücke oder eine Halbbrücke zu nutzen (z.B. eine Wheatstoneschen Brückenschaltung). Daher sind optional die zumindest zwei Sensoren zu einer Halbbrücke verschaltet. Wenn die zumindest zwei Sensoren vier Sensoren umfassen, dann können diese Sensoren auch zu einer Vollbrücke verschaltet werden. Bei diesen Brückenschaltungen werden die Sensoren an verschiedenen Positionen an dem Behälter befestigt, um beispielsweise die lokalen Dehnungen zu messen. Diese Positionen können beispielsweise über eine Simulation bestimmt werden. Die Verschaltung der Sensoren zu einer Brückenschaltung ist sehr einfach und kostengünstig möglich und erzeugt bereits bei kleinen Lasteinwirkungen ein klares Sensorsignal.In order to detect an asymmetric loading of the container, it is in particular possible to use a full bridge or a half bridge (eg a Wheatstone bridge circuit). Therefore, optionally, the at least two sensors are connected to form a half-bridge. If the at least two sensors comprise four sensors, then these sensors can also become a full bridge be interconnected. In these bridge circuits, the sensors are attached to the container at various positions to measure, for example, the local strains. These positions can be determined, for example, via a simulation. The interconnection of the sensors to a bridge circuit is very simple and inexpensive possible and generates a clear sensor signal even with small loads.

Bei der differentiellen Signalerfassung können beispielsweise zumindest zwei der Sensoren auch durch Festwiderstände ersetzt werden, dessen Widerstandswert kann so gewählt werden, dass bei gleichförmiger Belastung des Behälters kein Detektionssignal erzeugt wird. Die Sensoren können aber auch paarweise ausgetauscht werden, also 2,4,6.... Daher kann die Vorrichtung optional einen oder mehrere feste Widerstände aufweisen und die Auswerteeinheit kann ausgebildet sein, um das Detektionssignal durch eine Kombination eines der Sensorsignal mit einem Signal von einem der Widerstände derart zu erzeugen, dass der feste Widerstandswert das Sensorsignal in einem Zustand ohne mechanische Lasteinwirkung auf den Behälter kompensiert (z.B. wiederum über eine differentielle Signalerfassung). Beispielsweise kann hierdurch eine Ausführung mit einer oder mehrerer Halbbrückenschaltungen umgesetzt werden. Hierbei gibt es zwei Möglichkeiten: eine oder mehrere Vollbrücken mit 4 Sensoren pro Brücke und eine oder mehrere Halbbrücken, bei denen jeweils 2 aktive Sensoren und 2 Widerstände verschaltet sind.In the case of the differential signal detection, for example, at least two of the sensors can also be replaced by fixed resistors whose resistance value can be chosen so that no detection signal is generated when the container is subjected to uniform loading. The sensors can also be replaced in pairs, so 2 . 4 . 6 Thus, the device may optionally include one or more fixed resistors and the evaluation unit may be configured to generate the detection signal by combining one of the sensor signal with a signal from one of the resistors such that the fixed resistance value matches the sensor signal in one Condition compensated without mechanical load on the container (eg again via a differential signal acquisition). For example, this embodiment can be implemented with one or more half-bridge circuits. There are two possibilities: one or more full bridges with 4 Sensors per bridge and one or more half-bridges, each one 2 active sensors and 2 Resistors are interconnected.

Optional umfasst die Vorrichtung zumindest ein Transformationselement, welches zwischen einem der zumindest zwei Sensoren und einer Behälterwand positionierbar ist, um Dehnungen der Behälterwand zu reduzieren oder zu verstärken. Das Transformationselement kann beispielsweise ein entsprechend geeignetes Material aufweisen, das der Behälterdeformation genau folgt oder diese abschwächt. Beispielsweise kann ein besonders starres Material genutzt werden, sodass als Folge der Behälterkrümmung die Oberfläche, auf der der Sensor sich befindet, einer stärkeren Längendehnung ausgesetzt ist als die Behälteroberfläche selbst. Auch der umgekehrte Fall ist möglich, d.h. ein weicheres Material zu nutzen, so dass weniger Dehnung am Sensor ankommt. Das ist beispielsweise vorteilhaft für Dehnungsmesstreifen, die keine großen Dehnungen bei vielen Lastzyklen vertragen. Ob eine Dehnungsverstärkung oder Dehnungsdämpfung ausgebildet wird, kann in Abhängigkeit der Sensitivität des Sensors entschieden werden.Optionally, the device comprises at least one transformation element, which can be positioned between one of the at least two sensors and a container wall, in order to reduce or increase strains of the container wall. By way of example, the transformation element may have a suitably suitable material which closely follows or attenuates the container deformation. For example, a particularly rigid material can be used, so that as a result of the container curvature, the surface on which the sensor is exposed to a greater elongation than the container surface itself. The opposite case is possible, i. to use a softer material, so that less strain on the sensor arrives. This is for example advantageous for strain gauges that do not tolerate large strains in many load cycles. Whether an expansion reinforcement or expansion damping is formed, can be decided depending on the sensitivity of the sensor.

Optional ist es außerdem möglich, dass zumindest einer der Sensoren mehrere Sensorelemente umfasst, die entlang einer Linie aufgereiht sind, um eine Deformation des Behälters an einem Ort entlang der Linie zu detektieren. Die Linie kann gerade oder auch gekrümmt sein bzw. eine beliebige Kurve auf der Behälteroberfläche beschreiben.Optionally, it is also possible that at least one of the sensors comprises a plurality of sensor elements aligned along a line to detect deformation of the container at a location along the line. The line may be straight or curved or describe any curve on the container surface.

Die zumindest zwei Sensoren können beispielsweise eines der folgenden Elemente umfassen: einen Dehnungsmessstreifen, einen Faser-Bragg-Sensor, einen Kraftsensor, einen Beschleunigungssensor. Ein Vorteil von Dehnungsmessstreifen besteht darin, dass sie sehr kostengünstig einsetzbar sind und mit einer entsprechenden Ausleseelektronik einfach an verschiedenen Positionen auf beliebigen Behältern befestigt werden können. Faser-Bragg-Sensoren sind als Gitter in Lichtwellenleiter ausgebildet und dienen als optisches Interferenzfilter, wobei die Filtercharakteristik sich mit der Dehnung ändert (z.B. andere Wellenlängen gefiltert werden), sodass Dehnungen detektiert werden können. Grundsätzlich können jedoch beliebige Sensoren genutzt werden, wobei die Sensoren auf dem Behälter entsprechend zu positionieren sind, um mechanische Lasteinwirkungen aus einer zu erwartenden Richtung mit hoher Sensitivität zu erfassen.The at least two sensors may, for example, comprise one of the following elements: a strain gauge, a fiber Bragg sensor, a force sensor, an acceleration sensor. An advantage of strain gauges is that they are very inexpensive to use and can be easily attached with appropriate readout electronics in different positions on any containers. Fiber Bragg sensors are formed as grids in optical waveguides and serve as an optical interference filter, where the filter characteristic changes with strain (e.g., other wavelengths are filtered) so that strains can be detected. In principle, however, any sensors can be used, wherein the sensors are to be positioned on the container accordingly to detect mechanical loads from an expected direction with high sensitivity.

Optional ist die Auswerteeinheit weiter ausgebildet, um das Detektionssignal mit zumindest einen weiteren Schwellenwert zu vergleichen, um basierend darauf einen Grad der mechanischen Lasteinwirkung anzuzeigen. Ein Vorteil hierbei besteht darin, dass mit einer Vielzahl von Schwellenwerten verschiedene Bereiche definiert werden können, sodass der Umfang oder Grad einer möglichen Beschädigung des Behälters abgeschätzt werden kann. Dieser Grad der Beschädigung kann auch als farbliche Warnung dargestellt werden. So kann einem beispielhaften Fahrer beispielsweise mit „gelb“ angezeigt werden, dass es sich um eine leichte Lasteinwirkung handelt, während „rot“ eine starke Einwirkung anzeigt, die ein sofortiges Handeln erfordert.Optionally, the evaluation unit is further configured to compare the detection signal with at least one further threshold value in order to indicate a degree of the mechanical load action based thereon. An advantage here is that with a plurality of thresholds different areas can be defined so that the extent or degree of possible damage to the container can be estimated. This degree of damage can also be displayed as a color warning. For example, an example driver may be indicated as "yellow" indicating that it is a light load, while "red" indicates a heavy impact requiring immediate action.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auch auf einen Behälter mit einer zuvor definierten Vorrichtung. Beispielsweise sind die Sensoren auf der entsprechenden Behälteroberfläche angeordnet oder in ihr integriert. Der Behälter weist beispielsweise zumindest eines der folgenden Materialien auf: Kunststoff, Faserkunststoffverbundmaterial, Metall, Stahlmaterial. Diese Aufzählung ist nicht abschließend, d.h. der Behälter kann auch andere Materialien aufweisen.The present invention also relates to a container with a previously defined device. For example, the sensors are arranged on the corresponding container surface or integrated into it. The container has, for example, at least one of the following materials: plastic, fiber-reinforced plastic composite material, metal, steel material. This list is not exhaustive, i. the container may also comprise other materials.

Der Behälter ist beispielsweise ein Druckbehälter, wobei die Vorrichtung beispielsweise ausgebildet ist, um unabhängig von einem Druck in dem Druckbehälter ein Detektionssignal (nur) dann zu erzeugen, wenn die (äußere) mechanische Lasteinwirkung eine lokalisierte Deformation des Behälters bewirkt. Es versteht sich, dass das Sensorsignal im Allgemeinen auch bei nichtlokalen Belastungen oder bei Druckerhöhungen im Behälterinnenraum erzeugt wird. Dies ist in der Regel aber nur ein sehr kleines Signal verglichen mit dem lokalen Lasteingriff (z.B. um zumindest einen von Faktor 5-10 kleiner). Allerdings kann eine Filterung dieser Ereignisse beispielsweise durch eine geeignete Wahl des Schwellenwertes und/oder der differentiellen Messung erreicht werden, sodass nur lokal begrenzte Lasteinwirkungen detektiert werden.The container is, for example, a pressure vessel, the device being designed, for example, to generate a detection signal (only) independently of a pressure in the pressure vessel when the (external) mechanical load causes a localized deformation of the vessel. It is understood that the sensor signal is generally generated even in non-local loads or pressure increases in the container interior becomes. However, this is usually only a very small signal compared to the local load intervention (eg smaller by a factor of at least 5-10). However, a filtering of these events can be achieved, for example, by a suitable choice of the threshold value and / or the differential measurement, so that only locally limited load effects are detected.

Der Behälter kann beispielsweise ein Tank in einem Fahrzeug sein und zum Beispiel zylinder- oder rohrförmig gebildet sein. Wenn es nun zu einem Crash oder einem Unfall oder auch nur zu einem Aufsetzen oder Berühren des Behälters mit dem Untergrund kommt, erzeugt die Vorrichtung ein Detektionssignal. Da dies in der Regel zu einer inhomogenen Lasteinwirkung auf den Behälter führt, erzeugt die Vorrichtung ein ausreichend starkes Detektionssignal, wenn beispielsweise eine Brückenschaltung genutzt wird. Dieses Brückensignal kann jedoch noch mal verstärkt werden, da es häufig sehr gering ist.The container may for example be a tank in a vehicle and be formed, for example, cylindrical or tubular. If a crash or an accident occurs, or even just touching or touching the container to the ground, the device generates a detection signal. Since this usually leads to an inhomogeneous load on the container, the device generates a sufficiently strong detection signal when, for example, a bridge circuit is used. However, this bridge signal can be amplified again because it is often very low.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfahren zum Detektieren einer mechanischen Lasteinwirkung, die von außen auf einen Behälter einwirkt und eine potentielle Überlastung darstellt. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:

  • - wenn die mechanische Lasteinwirkung auf den Behälter einwirkt, Erfassen von Sensorsignalen von zumindest zwei Sensoren, die an verschiedenen Positionen an dem Behälter angeordnet sind;
  • - basierend auf den Sensorsignalen von den zumindest zwei Sensoren, Erzeugen eines Detektionssignals für die mechanische Lasteinwirkung;
  • - Vergleichen des erzeugten Detektionssignals mit (zumindest) einem Schwellenwert; und
  • - in Antwort auf ein Erreichen oder Überschreiten des Schwellenwertes, Bereitstellen eines Warnsignals, um die potentielle Überlastung des Behälters anzuzeigen.
The present invention also relates to a method of detecting a mechanical load acting on a container from the outside and presenting a potential overload. The method comprises the following steps:
  • when the mechanical load is applied to the container, detecting sensor signals from at least two sensors located at different positions on the container;
  • - Based on the sensor signals from the at least two sensors, generating a detection signal for the mechanical load application;
  • - comparing the generated detection signal with (at least) a threshold value; and
  • in response to reaching or exceeding the threshold, providing a warning signal to indicate the potential overload of the container.

Die Positionen der Sensoren an dem Behälter werden gemäß Ausführungsbeispielen gezielt gewählt, wobei eine typische mechanische Lasteinwirkung bzw. deren Ort berechnet wird, um dort entsprechende Sensoren zu platzieren. Für den beispielhaften Fahrzeugtank wäre dies beispielsweise der Oberflächenbereich, der der Fahrbahn zugewandt ist, oder ein anderer Bereich, wo bei einem Crash eine Lasteinwirkung zu erwarten ist. Somit hängen die Positionen zum einen von dem konkreten Fahrzeug ab aber auch von der Form des Behälters und dessen Anbringung selbst. Der Behälter kann beispielsweise zylinderförmig oder auch domförmig sein, wobei in Abhängigkeit von der konkreten Form bestimmte kritische Bereiche existieren, die in einer Simulation (z.B. unter Nutzung eines Finite-Elemente-Modells) bestimmt werden können. Die Behälter können einen zylindrischen Bereich aufweisen und je nach Typ einen Dom oder einen andersförmigen Deckel umfassen.The positions of the sensors on the container are selected selectively according to embodiments, wherein a typical mechanical load or their location is calculated to place corresponding sensors there. For example, for the exemplary vehicle tank, this would be the surface area facing the roadway or another area where a load is expected in a crash. Thus, the positions depend on the one hand on the specific vehicle but also on the shape of the container and its mounting itself. The container may be, for example cylindrical or dome-shaped, depending on the specific shape certain critical areas exist that in a simulation ( eg using a finite element model) can be determined. The containers may have a cylindrical portion and, depending on the type, comprise a dome or other shaped lid.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich daher auch auf ein Verfahren zum Ermitteln einer Position von Sensorelementen auf einem Behälter. Dieses Verfahren umfasst die Schritte:

  • - Erfassen der Behältergeometrie;
  • - Bestimmen einer möglichen Lasteinwirkung;
  • - Simulation der Auswirkung der möglichen Lasteinwirkungen unter Nutzung eines Finite-Elemente-Modells; und
  • - basierend auf der Simulation, Bestimmen der Positionen der Sensoren auf dem Behälter, um eine möglichst hohe Sensitivität zu erreichen.
The present invention therefore also relates to a method for determining a position of sensor elements on a container. This method comprises the steps:
  • - Detecting the container geometry;
  • - determining a possible load action;
  • - Simulation of the effect of possible load effects using a finite element model; and
  • - Based on the simulation, determining the positions of the sensors on the container in order to achieve the highest possible sensitivity.

Somit ist die vorliegende Erfindung nicht auf eine konkrete Form eines bestimmten Behälters eingeschränkt, sondern kann auf beliebig geformte Behälter angewendet werden. Die Positionen der Sensoren werden in Abhängigkeit von der Form des Behälters und der Umgebung (z.B. konkrete Fahrzeuganbringung) gewählt.Thus, the present invention is not limited to a specific shape of a particular container, but may be applied to arbitrarily shaped containers. The positions of the sensors are selected depending on the shape of the container and the environment (e.g., concrete vehicle mounting).

Ausführungsbeispiele bieten die folgenden Vorteile:

  • - Der Behälter braucht erst dann ausgetauscht zu werden, wenn ein Ereignis detektiert wurde, d.h. ein gültiges Detektionssignal durch Überschreiten oder Unterschreiten des Schwellenwertes ausgelöst wurde.
  • - Der Schwellenwert kann aus Sicherheitsgründen beispielsweise derart gewählt werden, dass bei einem Verlassen des durch den Schwellenwert definierten Toleranzbereiches von einer Beschädigung des Behälters auszugehen ist.
  • - Ein Fahrer eines Fahrzeuges kann sofort gewarnt werden, wenn es beispielsweise zu einer kritischen Situation kam. Zum Beispiel kann der Fahrer sofort eine entsprechende Rückmeldung erhalten, wenn es zu einem Crash des Fahrzeugs kam, oder wenn der Unterboden einen Stein oder eine Bordsteinkante tuschiert hat. Aus der direkten Rückmeldung kann der Fahrer sofort schließen, ob der Tankbehälter unzulässig stark belastet wurde oder nicht. In den eingangs genannten konventionellen Systemen wurde bei einem nur entfernt vorliegenden Verdacht auf eine Schädigung der Behälter sofort ausgetauscht, was zu erhöhten Reparatur- und Instandhaltungskosten geführt hat. Es wurden regelmäßig Behälter ausgetauscht, die noch nicht beschädigt waren.
  • - Außerdem wird es bei Ausführungsbeispielen möglich, den gesamten Lebenszyklus des Behälters mit dem System zu überwachen.
  • - Schließlich können Schädigungen bereits beim Transport der Behälter zuverlässig detektiert werden.
Embodiments offer the following advantages:
  • - The container needs to be replaced only when an event has been detected, ie a valid detection signal was triggered by exceeding or falling below the threshold.
  • For safety reasons, the threshold value can be selected, for example, such that damage to the container can be assumed when leaving the tolerance range defined by the threshold value.
  • - A driver of a vehicle can be warned immediately, for example, when it came to a critical situation. For example, the driver may immediately receive appropriate feedback when there was a crash of the vehicle, or when the subfloor has doused a stone or curb. From the direct feedback, the driver can immediately close whether the tank container was subjected to undue stress or not. In the above-mentioned conventional systems, the containers were replaced immediately in the event of only a remote suspicion of damage, which led to increased repair and maintenance costs. There were regularly exchanged containers that were not damaged.
  • - In addition, in embodiments, it becomes possible to monitor the entire life cycle of the container with the system.
  • - Finally, damage can be reliably detected during transport of the container.

Figurenlistelist of figures

Die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden besser verstanden anhand der folgenden detaillierten Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen der unterschiedlichen Ausführungsbeispiele, die jedoch nicht so verstanden werden sollten, dass sie die Offenbarung auf die spezifischen Ausführungsformen einschränkt, sondern lediglich der Erklärung und dem Verständnis dienen.

  • 1 zeigt eine Vorrichtung zum Detektieren einer mechanischen Lasteinwirkung auf einen Behälter gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
  • 2 zeigt einen Ausschnitt durch den Behälter, auf welchem ein Sensor mittels eines Transformationselementes auf dem Behälter befestigt ist.
  • 3. veranschaulicht eine mechanische Lasteinwirkung auf einen Behälter auf dem vier Sensorelemente gemäß weiterer Ausführungsformen angebracht sind.
  • 4 zeigt eine Vollbrückenschaltung gemäß weiterer Ausführungsbeispiele.
  • 5 zeigt einen Tankbehälter aus einem Faserverbundmaterial gemäß weiterer Ausführungsbeispiele.
  • 6. zeigt ein Flussdiagramm für ein Verfahren zum Detektieren einer mechanischen Lasteinwirkung auf einen Behälter gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
The embodiments of the present invention will be better understood from the following detailed description and the accompanying drawings of the different embodiments, which should not be construed as limiting the disclosure to the specific embodiments, but for explanation and understanding only.
  • 1 shows a device for detecting a mechanical load on a container according to an embodiment of the present invention.
  • 2 shows a section through the container, on which a sensor is secured by means of a transformation element on the container.
  • 3 , illustrates a mechanical load on a container on which four sensor elements are mounted according to further embodiments.
  • 4 shows a full bridge circuit according to further embodiments.
  • 5 shows a tank container made of a fiber composite material according to further embodiments.
  • 6 , FIG. 10 shows a flow chart for a method of detecting a mechanical load on a container according to an embodiment of the present invention.

Detaillierte BeschreibungDetailed description

1 zeigt eine Vorrichtung, die geeignet ist zum Detektieren einer mechanischen Lasteinwirkung F, die von außen auf einen Behälter 50 einwirkt und ein potentielle Überlastung darstellt. Die Vorrichtung umfasst zumindest zwei Sensoren 111, 112, die jeweils auf dem Behälter 50 an verschiedenen Positionen 61, 62 angebracht sind, um Sensorsignale an der jeweiligen Position 61, 62 ansprechend auf die mechanische Lasteinwirkung F zu erzeugen. Außerdem umfasst die Vorrichtung eine Auswerteeinheit 120, die ausgebildet ist, um (i) basierend auf den Sensorsignalen von den zumindest zwei Sensoren 111, 112, ein Detektionssignal für die mechanische Lasteinwirkung F zu erzeugen, (ii) das erzeugte Detektionssignal mit einem Schwellenwert zu vergleichen, wobei der Schwellenwert einen Toleranzbereich definiert, und (iii) in Antwort auf ein Verlassen des Toleranzbereiches, ein Warnsignal bereitzustellen und so die potentielle Überlastung des Behälters anzuzeigen. 1 shows a device suitable for detecting a mechanical load F from the outside onto a container 50 acts and represents a potential overload. The device comprises at least two sensors 111 . 112 , each on the container 50 in different positions 61 . 62 are attached to sensor signals at the respective position 61 . 62 in response to the mechanical load F to create. In addition, the device comprises an evaluation unit 120 configured to (i) based on the sensor signals from the at least two sensors 111 . 112 , a detection signal for the mechanical load F (ii) compare the generated detection signal to a threshold, wherein the threshold defines a tolerance range; and (iii) in response to leaving the tolerance range, provide a warning signal indicating the potential overload of the container.

Der Behälter 50 kann ein Tankbehälter, der in Fahrzeugen genutzt wird, aber auch ein Behälter zum Transport von Gasen oder anderen gefährlichen Stoffen sein. Es sollen insbesondere alle Hochdruckbehältersysteme und auch Rohre, die beispielsweise aus Kunststoffen wie Faserverbundmaterialien oder aus Metallen oder Stahl gebildet sind, umfasst sein.The container 50 For example, a tank container used in vehicles may also be a container for transporting gases or other hazardous substances. In particular, all high-pressure container systems and also pipes which are formed, for example, from plastics such as fiber composite materials or from metals or steel, should be included.

2 zeigt einen Ausschnitt des Behälters 50, auf welchem ein Sensor 111 nicht direkt auf der Oberfläche 51 des Behälters 50 angebracht ist. Vielmehr ist zwischen der Behälteroberfläche 51 und dem Sensor 111 ein optionales Transformationselement 210 ausgebildet, um eine Dehnung des Behälters 50 (oder jede Behälterdeformation) zu transformieren. Somit wird es beispielsweise möglich, dass eine relativ schwache Dehnung des Behälters 50 durch das Transformationselement 210 entsprechend verstärkt wird, sodass der Sensor 111 ein stärkeres Sensorsignal erzeugt. Ebenso ist es möglich, dass das Transformationselement 210 die Dehnungen des Behälters 50 entsprechend dämpft. Dies kann beispielsweise vorteilhaft sein, wenn der Sensor 111 bereits sehr kleine Dehnungen detektieren kann. Eine Reduzierung der Dehnung kann beispielsweise für bestimmte Dehnungsmessstreifen erforderlich sein.Die Dehnungstransformation kann beispielsweise durch eine geeignete Wahl des Materials und/oder der Geometrie für das Transformationselement 210 geschehen. Das Material kann beispielsweise starr genug sein, so dass eine Längenänderung der Oberfläche des Transformationselementes 210 größer ist als eine Dehnung der gekrümmten Behälteroberfläche 51 (z.B. wegen der Behälterkrümmung und des radial weiter außen liegenden Sensors 111). Die Geometrie des Transformationselementes 210 kann ebenso zu einer Verstärkung führen, z.B. wenn der Betrag der Längenänderung auf einen größeren oder kleineren Längenabschnitt verteilt wird. Beispielsweise kann die Seitenflächen des Transformationselementes 210 wie in der 2 geneigt sein und nicht rechtwinkelig auf die Behälteroberfläche 51 auftreffen. Durch die Wahl des Neigungswinkels kann die Längenänderung der Behälteroberfläche 51 auf einen größeren (wie in der 2 gezeigt) oder kleineren Längenabschnitt der Oberfläche des Transformationselementes 210 verteilt werden, was so zu einer kleineren Dehnung (wie in der 2) oder zu einer größeren Dehnung führt. 2 shows a section of the container 50 on which a sensor 111 not directly on the surface 51 of the container 50 is appropriate. Rather, between the container surface 51 and the sensor 111 an optional transformation element 210 designed to elongate the container 50 (or any container deformation). Thus, for example, it becomes possible that a relatively weak elongation of the container 50 through the transformation element 210 is amplified accordingly, so that the sensor 111 generates a stronger sensor signal. Likewise it is possible that the transformation element 210 the strains of the container 50 dampens accordingly. This can be advantageous, for example, if the sensor 111 already detect very small strains. Strain reduction may be required, for example, for certain strain gauges. Strain transformation may be accomplished, for example, by a suitable choice of material and / or geometry for the transformation element 210 happen. The material may be rigid enough, for example, so that a change in length of the surface of the transformation element 210 is greater than an elongation of the curved container surface 51 (Eg because of the container curvature and the radially outer sensor 111 ). The geometry of the transformation element 210 can also lead to a reinforcement, for example, if the amount of change in length is distributed over a larger or smaller length. For example, the side surfaces of the transformation element 210 like in the 2 be inclined and not perpendicular to the container surface 51 incident. By choosing the angle of inclination, the change in length of the container surface 51 on a larger (as in the 2 shown) or smaller length of the surface of the transformation element 210 be distributed, resulting in a smaller elongation (as in the 2 ) or leads to a greater elongation.

Allerdings kann bei bestimmten Faser-Kunststoff-Verbundmaterialien durch eine starre Ausgleichsmasse eher eine Dehnungsentlastung eintreten. Daher kann es vorteilhaft sein ein weiches, dickes Material zu verwenden, sodass sich Dehnung am Sensor verringert. Dieser Fall kann technisch interessanter sein als die Verstärkung der Dehnung, da sich das Signal einfach elektrisch verstärken lässt und das Sensorelement weniger stark belastet wird.However, in certain fiber-plastic composite materials by a rigid leveling compound rather a strain relief occur. Therefore, it may be advantageous to use a soft, thick material, thus stretching reduced at the sensor. This case may be technically more interesting than the reinforcement of the strain, since the signal can be easily amplified electrically and the sensor element is less heavily loaded.

Die konkrete Ausgestaltung der Transformationselemente ist jedoch für die vorliegende Erfindung nicht wesentlich. Vielmehr können beliebige Transformationselemente 210 genutzt werden. Die Sensorelemente können wie zuvor erwähnt auch direkt auf der Behälteroberfläche 50 platziert oder in einer Ummantelung des Behälters integriert werden.However, the specific embodiment of the transformation elements is not essential to the present invention. Rather, any transformation elements 210 be used. The sensor elements can, as mentioned above, also directly on the container surface 50 placed or integrated in a casing of the container.

3 zeigt eine beispielhafte Anordnung mit vier Sensoren 111, 112, 113, 114, auf denen eine mechanische Lasteinwirkung F ausgeübt wird (z.B. infolge eines Aufpralls, eines Schlages oder anderer Krafteinwirkungen). In der gezeigten Anordnung erfolgt die Lasteinwirkung F auf den Behälter 50 beispielhaft an einer Stelle 61, wo der erste Sensor 111 angeordnet ist. Die Sensoren 111, 112, 113, 114, umfassen beispielsweise Dehnungsmesselemente, die die mechanische Lasteinwirkung F oder die resultierende Dehnung/Deformation des Behälters 50 messen können. 3 shows an exemplary arrangement with four sensors 111 . 112 . 113 . 114 on which a mechanical load F exercise (eg as a result of impact, impact or other force effects). In the arrangement shown, the load is applied F on the container 50 by way of example at one point 61 where the first sensor 111 is arranged. The sensors 111 . 112 . 113 . 114 For example, strain gauges include the mechanical load F or the resulting expansion / deformation of the container 50 can measure.

Die Dehnung/Deformation kann plastisch oder elastisch sein und führt dazu, dass der Behälter 50 an der Position 61 des ersten Sensors 111 gestaucht (negative Dehnung) und an den Positionen 62, 64 der zweiten und vierten Sensoren 112, 114 (positiv) gedehnt wird. Da der Behälter 50 als Folge der Lasteinwirkung F an den Positionen des zweiten und vierten Sensors 112, 114 nach außen gedrückt wird, kommt es an der Position 63 des dritten Sensors 113 ebenfalls zu einer Stauchung. Es versteht sich, dass die 3 nur ein Beispiel zeigt. Allgemein kommt es zu unterschiedlichen Krümmungen der Behälterwand und somit auch Dehnungen auf deren Oberfläche. Diese unterschiedlichen Dehnungsrichtungen können sehr effizient über eine differenzielle Sensorauslesung erfasst werden. Beispielsweise ist es möglich, dass die vier in der 3 gezeigten Sensoren 111, ..., 114 mittels einer Vollbrückenschaltung miteinander verschaltet werden.The stretch / deformation can be plastic or elastic and causes the container 50 at the position 61 of the first sensor 111 compressed (negative elongation) and at the positions 62 . 64 the second and fourth sensors 112 . 114 (positive) is stretched. Because the container 50 as a result of the load effect F at the positions of the second and fourth sensors 112 . 114 pushed outward, it comes at the position 63 of the third sensor 113 also to a compression. It is understood that the 3 just an example shows. In general, there are different curvatures of the container wall and thus also expansions on the surface. These different strain directions can be detected very efficiently via a differential sensor reading. For example, it is possible that the four in the 3 shown sensors 111 , ..., 114 be interconnected by means of a full bridge circuit.

4 zeigt eine solche Vollbrückenschaltung, die vier Widerstände R1, R2, R3, R4 aufweist. Jedes dieser vier Widerstände R1, ..., R4 kann beispielsweise ein Sensor sein, wie es in der 3 gezeigt ist, wobei sich in diesem Fall die Widerstandswerte der Widerstände mit den lokal vorliegenden Dehnungen ändern. So kann beispielsweise der erste Widerstand R1 der erste Sensor 111, der zweite Widerstand R2 der zweite Sensor 112, der dritte Widerstand R3 der dritte Sensor 113 und der vierte Widerstand R4 der vierte Sensor 114 sein. Es versteht sich aber, dass die Sensoren aus der 3 nicht auf diesen Fall einzuschränken sind, sondern auch ein anderes Messprinzip nutzen können (wie zum Beispiel optische Messungen in einem Faser-Bragg-Gitter). 4 shows such a full bridge circuit, the four resistors R1 . R2 . R3 , R4. Each of these four resistors R1 , ..., R4 For example, it can be a sensor, as in the 3 is shown, in which case the resistance values of the resistors change with the local strains. For example, the first resistance R1 the first sensor 111 , the second resistance R2 the second sensor 112 , the third resistance R3 the third sensor 113 and the fourth resistance R4 the fourth sensor 114 be. It is understood, however, that the sensors from the 3 are not limited to this case, but can also use a different measurement principle (such as optical measurements in a fiber Bragg grating).

Die Sensorauslesung in der 4 erfolgt derart, dass eine Spannung Uges zwischen zwei Anschlüssen 10, 20 angelegt wird, zwischen denen der erste Widerstand R1 und der zweite Widerstand R2 seriell geschaltet sind. Außerdem sind der dritte Widerstand R3 und der vierte Widerstand R4 ebenfalls seriell zwischen den beiden Anschlüssen 10, 20 geschaltet. Außerdem ist ein Messelement 30 zwischen einem ersten Stromknoten „A“ und einem zweiten Stromknoten „B“ geschaltet, wobei der erste Stromknoten „A“ zwischen dem ersten Widerstand R1 und dem zweiten Widerstand R2 sich befindet und der zweite Stromknoten „B“ sich zwischen dem dritten Widerstand R3 und dem vierten Widerstand R4 befindet. Das Messelement 30 ist beispielsweise ausgebildet, um einen Spannungswert als Detektionssignal auszugeben. Es kann aber auch noch mal verstärkt werden, da es häufig nur wenige mV groß ist.The sensor reading in the 4 takes place such that a voltage U ges between two connections 10 . 20 is created, between which the first resistance R1 and the second resistance R2 are connected in series. In addition, the third resistance R3 and the fourth resistance R4 also serially between the two connections 10 . 20 connected. There is also a measuring element 30 between a first current node "A" and a second current node "B", wherein the first current node "A" is connected between the first resistor R1 and the second resistor R2 is located and the second current node "B" is located between the third resistor R3 and the fourth resistor R4. The measuring element 30 For example, it is designed to output a voltage value as a detection signal. But it can also be strengthened again, since it is often only a few mV large.

Die Widerstandswerte der Widerstände R1 bis R4 sind derart gewählt, dass im Fall einer gleichmäßigen Belastung des Behälters 50 zwischen den Stromknoten „A“ und „B“ keine elektrische Spannung anliegt, so dass das Messelement 30 keinen elektrischen Spannungswert und somit kein Detektionssignal liefert. Wenn es aber zu einer mechanischen Lasteinwirkung auf den Behälter 50 kommt, führt dies dazu, dass sich die Widerstandswerte in den Sensoren 111 bis 114 unterschiedlich ändern, was in dem Schaltbild der 4 dazu führt, dass eine von Null verschieden elektrische Spannung zwischen den Stromknoten „A“ und „B“ anliegt. Dies wiederum hat zur Folge, dass das Messinstrument 30 einen Spannungswert liefert.The resistance values of the resistors R1 to R4 are chosen such that in the case of a uniform load on the container 50 between the current nodes "A" and "B" no electrical voltage is applied, so that the measuring element 30 provides no electrical voltage value and thus no detection signal. But if there is a mechanical load on the container 50 comes, this causes the resistance values in the sensors 111 to 114 change differently, what in the diagram of the 4 causes a non-zero electrical voltage between the power nodes "A" and "B" is applied. This in turn has the consequence that the measuring instrument 30 provides a voltage value.

In der Auswerteeinheit 120 (nicht gezeigt in 4) kann dieser Spannungswert mit einem Schwellenwert verglichen werden, wobei eine optionale Verstärkung möglich ist. Wenn der Schwellenwert überschritten wird, kann dies als Detektionssignal ausgegeben werden. Wenn es sich bei dem Behälter 50 um einen Tankbehälter eines Fahrzeuges handelt, kann dieses Detektionssignal beispielsweise als ein Warnhinweis an einem Fahrer des Fahrzeugs ausgegeben werden. Der Fahrer wird somit gewarnt, dass eine unzulässige Belastung des Tankbehälters erfolgt ist.In the evaluation unit 120 (not shown in 4 ), this voltage value can be compared to a threshold, with optional amplification possible. If the threshold is exceeded, this can be output as a detection signal. If it is at the container 50 is a fuel tank of a vehicle, this detection signal may be output, for example, as a warning to a driver of the vehicle. The driver is thus warned that an impermissible load on the tank has occurred.

In einem beispielhaften Versuch wurden folgende Werte für die Dehnungen gemessen (die Nummerierung bezieht sich auf die ersten bis vierten Sensoren 111, ..., 114): ε1 = -0,005, ε2 = 0,0015, ε3 = 0,0003, ε4 = 0,0015, was zu den beispielhaften Widerstandsänderungen führt: dR1 = -1,23 Ω, dR2 = 0,39 Ω, dR3 = 0,07 Ω und dR4 = 0,39 Ω. Mit der in der 4 gezeigten Sensoranordnung konnte eine Sensitivität von 5 mm/m erreicht werden. Es ist ebenfalls möglich, die dritten und vierten Sensoren 113 und 114 (R3 und R4) auszutauschen, was bei der gezeigten beispielhaften Belastung zu einer weiteren Erhöhung der Sensitivität führt. So wird bei dem gezeigten Beispiel im Normalzustand (ohne Belastung) eine elektrische Differenzspannung für die Brückenschaltung von max 0,5 mV gemessen, bei der beispielhaften Belastung stieg dieser Ausschlag auf 14 mV. Es versteht sich, dass diese Werte lediglich ein bestimmtes Beispiel darstellen und der Veranschaulichung dienen. Die Erfindung soll nicht darauf beschränkt werden. Im Allgemeinen wird ein Signal erzeugt, das einem Vielfachen des Normalbetriebs entspricht. Bei weiteren Ausführungsbeispielen sind einige Sensoren der Anordnung durch Festwiderstände ersetzt. So können beispielsweise der erste und der dritte Sensor 111, 113 oder der zweite und der vierte Sensor 112, 114 durch Festwiderstände R2 und R4 ersetzt werden (deren Widerstandswerte sich nicht mit der Dehnung ändern). Das Verhältnis R1/R2 und R3/R4 unter Innendruck wird dabei gleichbleiben. Um eine möglichst hohe Sensitivität zu erreichen, können diese Festwiderstandswert derart gewählt werden, dass in einem Normalfall (z.B. bei einer homogenen Belastung oder in einem belastungsfreien Fall) kein Messsignal durch das Messelement 30 erzeugt wird.In an exemplary experiment, the following values for the strains were measured (the numbering refers to the first to fourth sensors 111 , ..., 114 ): ε1 = -0.005, ε2 = 0.0015, ε3 = 0.0003, ε4 = 0.0015, which leads to the exemplary changes in resistance: dR1 = -1.23 Ω, dR2 = 0.39 Ω, dR3 = 0 , 07 Ω and dR4 = 0.39 Ω. With the in the 4 shown sensor arrangement, a sensitivity of 5 mm / m could be achieved. It is too possible, the third and fourth sensors 113 and 114 ( R3 and R4 ), which leads to a further increase in sensitivity in the exemplary load shown. Thus, in the example shown in the normal state (without load) an electrical differential voltage for the bridge circuit of max 0.5 mV is measured, in the exemplary load this rash rose to 14 mV. It should be understood that these values are only a specific example and are illustrative. The invention should not be limited thereto. In general, a signal corresponding to a multiple of the normal operation is generated. In further embodiments, some sensors of the arrangement are replaced by fixed resistors. For example, the first and third sensors 111 . 113 or the second and fourth sensors 112 . 114 through fixed resistors R2 and R4 (whose resistance values do not change with elongation). The relationship R1 / R2 and R3 / R4 under internal pressure will remain the same. In order to achieve the highest possible sensitivity, these fixed resistance values can be chosen such that in a normal case (eg in the case of a homogeneous load or in a load-free case), no measurement signal through the measuring element 30 is produced.

Bei weiteren Ausführungsbeispielen umfassen zumindest einige der Sensoren 111...114 mehrere Sensorelemente, die entlang einer Linie oder flächenförmig auf der Oberfläche 51 des Behälters 50 ausgebildet sind. Die Widerstände R1...R4 sind dann jeweils die Gesamtwiderstände der Sensorelemente, die einen Sensor bilden. So kann beispielsweise der erste Sensor 111 mehrere in Reihe verschaltete Sensorelemente aufweisen, deren Gesamtwiderstand R1 ist.In further embodiments, at least some of the sensors include 111 ... 114 multiple sensor elements running along a line or plane on the surface 51 of the container 50 are formed. The resistors R1 ... R4 Then, in each case, the total resistance of the sensor elements, which form a sensor. For example, the first sensor 111 have a plurality of sensor elements connected in series, their total resistance R1 is.

5 zeigt einen beispielhaften Tankbehälter 50, der aus einem Faserverbundmaterial hergestellt ist und beispielsweise zur Aufnahme eines Flüssiggases als Treibmittel für ein Fahrzeug genutzt werden kann. Der Behälter 50 wird über eine erste Behälterhalterung 52 und eine zweite Behälterhalterung 53 an dem beispielhaften Fahrzeug befestigt. Außerdem zeigt die 5 wiederum den ersten Sensor 111, an dessen Stelle eine mechanische Lasteinwirkung F erfolgte (siehe auch 3). Diese Lasteinwirkung F führt dazu, dass der Behälter 50 sich an der dortigen Stelle nach innen deformiert hat (Stauchung). Wie zuvor dargelegt führt die gezeigte Deformation F des Behälters 50 an den Positionen 62, 64 zu einer Dehnung (Deformation in eine entgegengesetzte Richtung). 5 shows an exemplary tank container 50 , which is made of a fiber composite material and can be used for example for receiving a liquefied gas as a propellant for a vehicle. The container 50 is via a first container holder 52 and a second container holder 53 attached to the exemplary vehicle. In addition, the shows 5 turn the first sensor 111 , in its place a mechanical load F took place (see also 3 ). This load effect F causes the container 50 has deformed at the local point inside (compression). As stated above, the deformation shown leads F of the container 50 at the positions 62 , 64 to an elongation (deformation in an opposite direction).

Dies ist in der 5 durch ein Ausbeulen nach außen dargestellt. Wenn nun an den beiden Positionen 62, 64 wiederum Sensoren angebracht werden, können - wie zuvor dargelegt - die gegenläufigen Dehnungen effizient über eine differenzielle Messung gemessen werden. Beispielsweise ist es möglich, dass an den Deformationsstellen 62, 64 der zweite Sensor 112 und der vierte Sensor 114 (siehe 3) angebracht werden. Wenn dann die Sensoren, wie in der 4 dargestellt, über eine Vollbrückenschaltung miteinander verbunden werden, führt eine Deformation, wie sie beispielhaft in der 5 zu sehen ist, zu einem starken Ausschlag des Messelementes 30.This is in the 5 represented by a bulging outwards. If now at the two positions 62 . 64 In turn, sensors are mounted, as stated above, the opposing strains can be measured efficiently via a differential measurement. For example, it is possible that at the deformation points 62 . 64 the second sensor 112 and the fourth sensor 114 (please refer 3 ). If then the sensors, as in the 4 represented connected via a full bridge circuit, leads to a deformation, as exemplified in the 5 can be seen, a strong rash of the measuring element 30 ,

6 zeigt ein Flussdiagramm für ein Verfahren zum Detektieren einer mechanischen Lasteinwirkung F, die von außen auf einen Behälter 50 einwirkt und ein potentielle Überlastung darstellt. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:

  • - wenn die mechanische Lasteinwirkung auf den Behälter einwirkt, Erfassen S110 von Sensorsignalen von zumindest zwei Sensoren 111, 112, die an verschiedenen Positionen an dem Behälter 50 angeordnet sind;
  • - basierend auf den Sensorsignalen von den zumindest zwei Sensoren 111, 112, Erzeugen S120 eines Detektionssignals für die mechanische Lasteinwirkung F;
  • - Vergleichen S130 des erzeugten Detektionssignals mit einem Schwellenwert, wobei der Schwellenwert einen Toleranzbereich definiert; und
  • - in Antwort auf ein Verlassen des Toleranzbereiches, Bereitstellen S140 eines Warnsignals, um die potentielle Überlastung des Behälters anzuzeigen.
6 shows a flowchart for a method for detecting a mechanical load F from the outside onto a container 50 acts and represents a potential overload. The method comprises the following steps:
  • when the mechanical load is applied to the container, detecting S110 of sensor signals from at least two sensors 111 . 112 placed at different positions on the container 50 are arranged;
  • - Based on the sensor signals from the at least two sensors 111 . 112 , Produce S120 a detection signal for the mechanical load F ;
  • - To compare S130 the generated detection signal having a threshold, the threshold defining a tolerance range; and
  • in response to leaving the tolerance range, providing S140 a warning signal to indicate the potential overload of the container.

Wesentliche Aspekte der vorliegenden Erfindung können wie folgt zusammengefasst werden:Essential aspects of the present invention may be summarized as follows:

Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung können zur Überwachung eines axialsymmetrisch belasteten Rohres oder Behälters 50 mit einer beispielhaften Vollbrückenschaltung genutzt werden. Bei dieser Vollbrückenschaltung können beispielhaft vier Sensoren 111 ... 114 zur Messung von Dehnungen genutzt werden, die an vorher berechnete Positionen 61 ... 64 entlang der Axial- und Umfangskoordinaten des Rohres oder Behälters 50 angebracht werden. Bei einer symmetrischen Lasteinwirkung erhöht sich der Innendruck gleichmäßig und alle Sensoren 111 ... 114 werden in gleicher Weise belastet. Die Vollbrückenschaltung bleibt dementsprechend ausgeglichen und es wird kein Messsignal erzeugt. Sobald eine Dehnungsdifferenz entsteht, kommt es jedoch zu Spannungsdifferenzen in der Messbrücke. Diese Spannung wird dann entsprechend verstärkt und gilt als ein Auslösesignal für die Überwachung des beispielhaften Rohres oder Behälters 50.Embodiments of the present invention may be used to monitor an axially symmetric loaded tube or container 50 be used with an exemplary full bridge circuit. By way of example, four sensors can be used in this full-bridge circuit 111 ... 114 be used to measure strains that are at previously calculated positions 61 ... 64 along the axial and circumferential coordinates of the tube or container 50 be attached. With a symmetrical load, the internal pressure increases evenly and all sensors increase 111 ... 114 are charged in the same way. The full bridge circuit remains balanced accordingly and no measurement signal is generated. As soon as a strain difference occurs, however, voltage differences occur in the measuring bridge. This voltage is then amplified accordingly and is considered a trigger signal for the monitoring of the exemplary tube or container 50 ,

Ausführungsbeispiele beziehen sich ebenfalls auf ein Verfahren zur Bestimmung der Sensorpositionen, wozu ein Finites-Elemente-Modell genutzt werden kann. In diesem Verfahren werden beispielsweise die folgenden Aspekte berücksichtigt: (i) wahrscheinlicher Bereich der Schädigung, (ii) Geometrie und Verformungsverhalten des Bauteils (Behälters 50) bei bestimmten Schädigungen und (iii) eine Lagerung des Bauteils.Embodiments also relate to a method for determining the sensor positions, for which purpose a finite element model can be used. In this method, for example, the following aspects are taken into consideration: (i) probable range of damage, (ii) geometry and deformation behavior of the component (container 50 ) for certain damages and (iii) a bearing of the component.

Alle Sensoren 111 ... 114 können je nach erwarteten Dehnungen entsprechend gewählt werden. So ist es beispielsweise möglich, Dehnungsmessstreifen als einfachste Sensoren zu nutzen. Es können jedoch ebenfalls Faser-Bragg-Sensoren oder andere Sensoren genutzt werden, die direkt oder indirekt über ein zwischengeschaltetes elektronisches Bauteil einen veränderlichen elektrischen Widerstand generieren, wenn es zu einer mechanischen Lasteinwirkung F auf den Behälter 50 kommt.All sensors 111 ... 114 can be selected according to the expected strains. For example, it is possible to use strain gauges as the simplest sensors. However, it is also possible to use fiber Bragg sensors or other sensors which generate a variable electrical resistance directly or indirectly via an interposed electronic component when subjected to a mechanical load F on the container 50 comes.

Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung bieten die folgenden Vorteile:

  • - Sie sind sehr kostengünstig umsetzbar. Beispielsweise ist lediglich eine Vollbrücke, ein Verstärkungselement (z.B. einen Instrumentenverstärker) und ein Komparator erforderlich, der das verstärkte Signal mit einem zuvor definierten Referenzsignal (Schwellenwert) vergleicht. Die Höhe der Referenzspannung bestimmt dann den Zeitpunkt, ab welchem von einer Schädigung auszugehen ist.
  • - Es ist ebenfalls möglich, eine Dauerüberwachung zu implementieren. Die Vorrichtung verbraucht nur eine minimale elektrische Energiemenge und kann beispielsweise bereits bei einem Transport des Behälters 50 vor dem Einbau ins Fahrzeug eingesetzt werden, um so ebenfalls Transportschäden festzustellen. So könnten beispielsweise unsachgemäß behandelte Behälter 50 detektiert werden (wenn beispielsweise ein Behälter beim Rangieren von einem Gabelstapler oder einem anderen Transportmittel fällt). Eine Überwachung des Behälters während des gesamten Lebenszyklus ist ebenfalls möglich.
  • - Durch die Wahl der Sensorpositionen können bestimmte Missbrauchs-Lasten deutlich stärker berücksichtigt werden als unkritische Lasteinwirkungen.
  • - Es können ebenfalls mehr als vier Sensoren eingesetzt werden, um eine sensible Überwachung umzusetzen.
  • - Es ist ebenfalls möglich, dass nicht alle Sensoren Dehnungsmessstreifen oder ähnliche dehnungsabhängige Sensorelemente aufweisen müssen. Es können ebenfalls einige der Sensoren durch Festwiderstände ersetzt werden. Besonders bei Behältern, die aufgrund der Abschirmung im Fahrzeug nur aus bestimmten Richtungen beschädigt werden können, ist es kostengünstiger, eine Reduktion der Sensoren auf lediglich zwei Sensoren durchzuführen.
Embodiments of the present invention offer the following advantages:
  • - They are very cost-effective to implement. For example, only a full bridge, a gain element (eg, an instrumentation amplifier), and a comparator is needed that compares the amplified signal to a previously defined reference signal (threshold). The height of the reference voltage then determines the time from which damage can be assumed.
  • - It is also possible to implement a continuous monitoring. The device consumes only a minimum amount of electrical energy and can for example already during transport of the container 50 be inserted into the vehicle before installation, so as to also detect transport damage. For example, improperly handled containers 50 be detected (for example, when a container falls when maneuvering by a forklift or other means of transport). Monitoring of the container throughout the life cycle is also possible.
  • - By choosing the sensor positions, certain abuse loads can be considered much more than uncritical load effects.
  • - More than four sensors can also be used to implement sensitive monitoring.
  • It is also possible that not all sensors must have strain gauges or similar strain-dependent sensor elements. Some of the sensors can also be replaced by fixed resistors. Especially with containers that can only be damaged from certain directions due to the shielding in the vehicle, it is more cost-effective to perform a reduction of the sensors to only two sensors.

Die in der Beschreibung, den Ansprüchen und den Figuren offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein.The features of the invention disclosed in the description, the claims and the figures may be essential for the realization of the invention either individually or in any combination.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

10, 2010, 20
Anschlüsse einer VollbrückenschaltungConnections of a full bridge circuit
3030
(Spannung-) Messelement(Voltage) measuring element
5050
Behältercontainer
5151
Behälteroberflächecontainer surface
52, 5352, 53
Behälterhalterungencontainer holders
61, 62,...61, 62, ...
Positionen von SensorenPositions of sensors
111, 112, ...111, 112, ...
zumindest zwei Sensorenat least two sensors
120120
Auswerteeinheitevaluation
210210
Transformationselement(e)Transform element (s)
R1, R2, ...R1, R2, ...
Widerständeresistors
FF
mechanische Lasteinwirkungmechanical load
A, BA, B
Stromknoten einer VollbrückenschaltungCurrent node of a full bridge circuit
Uges U ges
Gesamtspannung an der VollbrückenschaltungTotal voltage at the full bridge circuit

Claims (13)

Vorrichtung zum Detektieren einer mechanischen Lasteinwirkung (F), die von außen auf einen Behälter (50) einwirkt und eine potentielle Überlastung darstellt, mit: zumindest zwei Sensoren (111, 112), die jeweils auf oder in dem Behälter (50) an verschiedenen Positionen (61, 62) anbringbar sind, um Sensorsignale an der jeweiligen Position (61, 62) ansprechend auf die mechanische Lasteinwirkung (F) zu erfassen; und einer Auswerteeinheit (120), die ausgebildet ist, um - basierend auf den Sensorsignalen von den zumindest zwei Sensoren (111, 112), ein Detektionssignal für die mechanische Lasteinwirkung (F) zu erzeugen, - das erzeugte Detektionssignal mit einem Schwellenwert zu vergleichen, wobei der Schwellenwert einen Toleranzbereich definiert, und - in Antwort auf ein Verlassen des Toleranzbereiches, ein Warnsignal bereitzustellen und so die potentielle Überlastung des Behälters (50) anzuzeigen.Apparatus for detecting a mechanical load (F) acting externally on a container (50) and presenting a potential overload, comprising: at least two sensors (111, 112), each on or in the container (50) at different positions (61, 62) are attachable to detect sensor signals at the respective position (61, 62) in response to the mechanical load (F); and an evaluation unit (120) which is designed to-based on the sensor signals from the at least two sensors (111, 112), generate a detection signal for the mechanical load (F), - to compare the generated detection signal with a threshold value, where the threshold defines a tolerance range, and in response to leaving the tolerance range, provide a warning signal indicating the potential overload of the container (50). Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Auswerteeinheit (120) ausgebildet ist, um das Detektionssignal basierend auf einer differenziellen Erfassung der Sensorsignale zu erzeugen.Device after Claim 1 wherein the evaluation unit (120) is designed to generate the detection signal based on a differential detection of the sensor signals. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei die zumindest zwei Sensoren (111, 112) zu einer Halbbrücke verschaltet sind, oder die zumindest zwei Sensoren vier Sensoren (111, 112, 113, 114) umfassen, die zu einer Vollbrücke verschaltet sind.Device after Claim 1 or Claim 2 wherein the at least two sensors (111, 112) are interconnected to form a half bridge, or the at least two sensors comprise four sensors (111, 112, 113, 114) which are connected in a full bridge. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die weiter einen oder mehrere feste Widerstände umfasst und die Auswerteeinheit (120) ausgebildet ist, um das Detektionssignal durch eine Kombination eines der Sensorsignale mit einem Signal von einem der Widerstände derart zu erzeugen, dass der feste Widerstandswert das Sensorsignal in einem Zustand ohne die mechanische Lasteinwirkung (F) auf den Behälter (50) kompensiert.Device according to one of the preceding claims, further comprising one or more fixed resistors and the evaluation unit (120) is adapted to generate the detection signal by combining one of the sensor signals with a signal from one of the resistors such that the fixed resistance value is the sensor signal in a state without the mechanical load (F) on the container (50) compensated. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest einer der Sensoren (111, 112) mehrere Sensorelemente umfasst, die entlang einer Linie aufgereiht sind, um eine Deformation des Behälters (50) an einem Ort entlang der Linie zu detektieren.Apparatus according to any one of the preceding claims, wherein at least one of the sensors (111, 112) comprises a plurality of sensor elements aligned along a line to detect deformation of the container (50) at a location along the line. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die weiter zumindest ein Transformationselement (210) umfasst, welches zwischen einem der zumindest zwei Sensoren (111, 112) und einer Behälterwand (51) positionierbar ist, um Dehnungen der Behälterwand (51) zu dämpfen oder zu verstärken.Apparatus according to any one of the preceding claims, further comprising at least one transformation element (210) positionable between one of the at least two sensors (111, 112) and a container wall (51) to attenuate or reinforce strains of the container wall (51) , Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zumindest zwei Sensoren (111, 112) zumindest eines der folgenden Elemente umfasst: einen Dehnungsmessstreifen, einen Faser-Bragg-Sensor.Device according to one of the preceding claims, wherein the at least two sensors (111, 112) comprises at least one of the following elements: a strain gauge, a fiber Bragg sensor. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Auswerteeinheit (120) weiter ausgebildet ist, um die Sensorsignale mit zumindest einen weiteren Schwellenwert zu vergleichen, um basierend darauf einen Grad der mechanischen Lasteinwirkung anzuzeigen.Device according to one of the preceding claims, wherein the evaluation unit (120) is further adapted to compare the sensor signals with at least one further threshold value to indicate thereon a degree of the mechanical load action. Behälter (50) mit einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8.Container (50) with a device according to one of Claims 1 to 8th , Behälter (50) nach Anspruch 9, der zumindest eines der folgenden Materialien aufweist: Kunststoff, Faserkunststoffverbundmaterial, Metall, Stahlmaterial.Container (50) after Claim 9 comprising at least one of the following materials: plastic, fiber composite material, metal, steel material. Behälter (50) nach Anspruch 9 oder Anspruch 10, wobei der Behälter (50) ein Druckbehälter ist, insbesondere ein Tank, und zylinderförmig oder rohrförmig ist und die Vorrichtung ausgebildet ist, um unabhängig von einem Druck in dem Druckbehälter ein Detektionssignal nur zu erzeugen, wenn die mechanische Lasteinwirkung (F) eine lokalisierte Deformation des Behälters (50) bewirkt.Container (50) after Claim 9 or Claim 10 wherein the container (50) is a pressure vessel, in particular a tank, and is cylindrical or tubular and the apparatus is adapted to generate a detection signal independent of pressure in the pressure vessel only when the mechanical load (F) is localized deformation the container (50) causes. Verfahren zum Detektieren einer mechanischen Lasteinwirkung (F), die von außen auf einen Behälter (50) einwirkt und ein potentielle Überlastung darstellt, mit: wenn die mechanische Lasteinwirkung (F) auf den Behälter (50) einwirkt, Erfassen (S110) von Sensorsignalen von zumindest zwei Sensoren (111, 112), die an verschiedenen Positionen (61, 62) an dem Behälter (50) angeordnet sind; basierend auf den Sensorsignalen von den zumindest zwei Sensoren (111, 112), Erzeugen (S120) eines Detektionssignals für die mechanische Lasteinwirkung (F); Vergleichen (S130) des erzeugten Detektionssignals mit einem Schwellenwert, wobei der Schwellenwert einen Toleranzbereich definiert; und in Antwort auf ein Verlassen des Toleranzbereiches, Bereitstellen (S140) eines Warnsignals, um die potentielle Überlastung des Behälters (50) anzuzeigen.A method of detecting a mechanical load (F) acting externally on a container (50) and presenting a potential overload, comprising: when the mechanical load (F) acts on the container (50), detecting (S110) sensor signals from at least two sensors (111, 112) located at different positions (61, 62) on the container (50); based on the sensor signals from the at least two sensors (111, 112), generating (S120) a mechanical load application (F) detection signal; Comparing (S130) the generated detection signal with a threshold, the threshold defining a tolerance range; and in response to leaving the tolerance range, providing (S140) a warning signal to indicate the potential overload of the container (50). Verfahren zum Ermitteln einer Position (61...64) von Sensoren (111...114) an einem Behälter (50), das Verfahren umfasst die folgenden Schritte: Erfassen der Behältergeometrie; Bestimmen einer möglichen Lasteinwirkung (F); Simulation der Auswirkung der möglichen Lasteinwirkungen (F) unter Nutzung eines Finite-Elemente-Modells; und basierend auf der Simulation, Bestimmen der Positionen (61...64) der Sensoren (111...114) auf dem Behälter (50), um eine möglichst hohe Sensitivität zu erreichen.A method for determining a position (61 ... 64) of sensors (111 ... 114) on a container (50), the method comprising the following steps: Detecting the container geometry; Determining a possible load (F); Simulation of the impact of possible load actions (F) using a finite element model; and based on the simulation, determining the positions (61 ... 64) of the sensors (111 ... 114) on the container (50) in order to achieve the highest possible sensitivity.
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