DE10154145C1 - Verfahren und Vorrichtung für die laufende Überwachung von Composite-Druckgasbehältern - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung für die laufende Überwachung von Composite-Druckgasbehältern

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Abstract

Ein Druckgasbehälter aus faserverstärktem Kunststoff ist mit einer Dehnungsmessvorrichtung versehen, bei der Messwiderstände (10) sich um den gesamten Behälterumfang erstrecken. Die Messwiderstände (10) als Dehndrähte sind Bestandteil einer Brückenschaltung. Die Brückenschaltung enthält außerdem Ergänzungswiderstände (11), die den gleichen Temperaturverhältnissen ausgesetzt sind wie die Messwiderstände (10). Die Erfindung ermöglicht eine kontinuierliche Dehnungsüberwachung des Druckgasbehälters.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung für die laufende Überwachung von Composite-Druckgasbehältern.
Composite-Druckgasbehälter sind Behälter aus faserverstärktem Kunststoff. Solche Druckgasbehälter werden insbesondere als Tanks in gasbetriebenen Fahrzeugen benutzt.
Composite-Druckgasbehälter müssen derzeit im zeitlichen Abstand von zwei Jahren einer regelmäßigen Überprüfung auf Dichtheit und Unversehrtheit unterzogen werden. Hierzu gehört auch der Volumenexpansionstest. Die Durchführung einer aufwendigen Vo­ lumenexpansionsprüfung ist für vollumwickelte Kunststoff-Behäl­ ter allerdings nicht besonders sinnvoll, da keine speziellen Aussagen über den Zustand des Behälters und der Verstärkungs­ fasern erwartet werden können. Eine reine Wasserdruckprüfung besagt nur, dass der Behälter dem Prüfdruck ohne sichtbare Ver­ formung standhält und dicht ist, jedoch werden keine Angaben über innere Materialzerstörungen gewonnen.
Aus JP 08 145 296 A ist ein Druckgasbehälter bekannt, der lei­ tende Verstärkungsfasern enthält, welche mit einer elektrischen Detektionsvorrichtung verbunden sind. Ein Faserbruch der leitenden Fasern wird auf der Basis einer sich ergebenden Widerstandsänderung erkannt.
Ein Druckgasbehälter mit Dauerüberwachung ist in JP 04 297 839 A beschrieben. Hierbei weist der Behälter mehrere Dehnmess­ streifen auf, die zu einer Brückenschaltung zusammengeschaltet sind und die Materialspannungen bei den verschiedenen Betriebs­ zuständen angeben. Auf diese Weise wird ermittelt, ob der Gas­ druck einen bestimmten Druckwert übersteigt.
JP 11 230 347 A beschreibt einen Druckgasbehälter mit einem In­ nengehäuse aus Metall oder Kunststoff und einem Außengehäuse aus faserverstärktem Kunststoff und eingebetteten leitenden Fasern. Die leitfähigen Fasern sind mit einer Stromquelle ver­ bunden, so dass sie Wärme für die Beheizung und Trocknung des Behälters erzeugen. Ferner dienen sie zur Erkennung von Be­ schädigungen des Behälters.
In DE 296 06 594 U1 ist ein Überwachungssystem für Flüssiggas­ behälter und Druckgasbehälter beschrieben, das mehrere im In­ nern des Behälters angeordnete Sensoren aufweist. Zur Ermitt­ lung des Füllstands eines Flüssiggasbehälters wird eine Sensor­ leiste aus zahlreichen Temperatursensoren benutzt. Ferner kön­ nen andere Sensoren, wie Drucksensoren oder Sensoren zum Messen einer chemischen Zusammensetzung, in dem Behälter angeordnet sein. Eine Überwachung des Zustandes des Behältermaterials oder eine Überwachung der Verformung des Behälters aufgrund des Innendrucks erfolgt nicht.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, um eine kosten- und zeitsparende Dauerüberwachung von Composite-Druckgasbehältern durchzuführen.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß bei dem Ver­ fahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und bei der Vor­ richtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 7.
Die Erfindung ermöglicht es, Druckgasbehälter zeitlich lücken­ los zu überwachen, so dass im Falle einer Mängelanzeige ein um­ gehender Austausch des Druckgasbehälters stattfinden kann.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren für die laufende Über­ wachung von Composite-Druckgasbehältern wird durch Messung der Dehnung am Umfang des zylindrischen Mantels eines unter Innen­ druck stehenden Behälters festgestellt, wie sich die Dehnung in Abhängigkeit vom Behälterdruck ändert. Ein Draht wird so an dem Behälter befestigt, dass er sich über den gesamten Umfang des Behälters erstreckt und fest und schlupffrei mit der Behälter­ wand verbunden ist. Die Änderung des elektrischen Widerstandes des Drahtes ist ein Maß für die Dehnung des Behälters.
Nach der Erfindung erfolgt die Bestimmung der Dehnung durch eine Dehndrahtmessung. Dazu wird ein unisolierter Wider­ standsdraht auf oder im Mantelmaterial des zylindrischen Um­ fangs des Druckgasbehälters vorzugsweise mittels Epoxidharz so befestigt, dass der Draht bei einer Umfangs-Dehnung des Druck­ gasbehälters dieser Dehnung folgt. Die Änderung des elek­ trischen Widerstandes ist der Dehnung des Dehnmessdrahtes pro­ portional, der z. B. mit einer Wheatstoneschen Brückenschaltung gemessen werden kann.
Die Erfindung eignet sich insbesondere für die zeitlich lücken­ lose Überwachung von Composite-Druckgasbehältern bei mit Erdgas angetriebenen Fahrzeugen sowie für Behälter gleicher Bauart für andere unter hohem Druck stehender Gase. Sobald während des Be­ füllens eines Behälters eine für den jeweiligen Druckgasbe­ hälter-Typ zulässige Dehnung überschritten wird, wird dies durch ein akustisches und/oder optisches Signal zur Anzeige ge­ bracht sowie in einem am Behälter befestigten Chip abge­ speichert. Hierbei bleibt die Anzeige in dem Chip so lange ab­ gespeichert, bis der Behälter ausgetauscht ist. Falls der Aus­ tausch nicht stattgefunden hat, wird einem Tankstellenrechner bei einer späteren Betankung, z. B. durch drahtlose Datenüber­ tragung mitgeteilt, dass der Druckgasbehälter einen Schaden aufweist, so dass eine Behälterbefüllung rechnergesteuert vor­ zeitig beendet oder nicht zugelassen wird. Dadurch wird mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erreicht, dass eine regelmäßige kostenintensive und zeitaufwendige Überprüfung von Composite- Druckgasbehältern sich erübrigt. Außerdem wird ein Behälter­ schaden nicht erst bei der nächsten vorgeschriebenen Behälter­ prüfung festgestellt, sondern laufend, spätestens jedoch beim nächsten anstehenden Befüllen erkannt.
Liegt eine Kalibrierkurve u = f(p) vor, so kann bei einem Be­ hälter mit dem erfindungsgemäßen Verfahren statisch festge­ stellt werden, ob eine irreversible Formänderung eingetreten ist. Beim Füllvorgang lässt sich eine dynamische Formänderung feststellen, falls eine solche eintreten sollte.
Beim Befüllen und Entnehmen von Gas wird die Dehnung des Druck­ gasbehälters nicht nur von dem sich ändernden Druck, sondern auch von der sich ändernden Temperatur des Behälters beein­ flusst. Durch den Joule-Thomson-Effekt wird bei einem großen Verhältnis zwischen dem Druck in einem Vorratsbehälter und dem in dem zu befüllenden Druckgasbehälter zunächst eine Tempe­ raturabnahme des in den Druckgasbehälter einströmenden Gases erfolgen. Verringert sich dann während des Überströmens das Druckverhältnis, so kommt es durch die Einschiebearbeit zu einer Temperaturerhöhung des in den Druckgasbehälter ein­ strömenden Gases. Eine Gasentnahme aus dem Druckgasbehälter ist stets mit einer Temperaturerniedrigung verbunden. Ist der Tem­ peratureinfluss auf die Dehnung des Behältermaterials bekannt, so kann die Messung dieser Dehnung durch zusätzliche Ermittlung der Behältertemperatur rechnerisch korrigiert werden, z. B. durch Addition eines temperaturabhängigen Korrekturwertes zu dem Dehnungssignal, so dass ein rein druckproportionales Mess- Signal verfügbar wird. Wird mit Hilfe einer im Behälter befind­ lichen weiteren Temperaturmess-Stelle die Gastemperatur be­ stimmt, so kann schließlich aus den Druck- und Temperaturwerten unter Anwendung der Realgasgleichung, bei bekanntem Behältervo­ lumen die Masse des eingeschlossenen Gases bestimmt und zur An­ zeige gebracht werden.
Um einen Temperatureinfluss auf die Brückenschaltung auszu­ schließen, sind vorzugsweise Brückenergänzungswiderstände aus dem gleichen Material und in derselben Länge vorgesehen, wie die Messwiderstände. Weiterhin sind in einer bevorzugten Aus­ führungsform der Erfindung die beiden Brückenergänzungswider­ stände denselben Temperaturänderungen der Wand des Druckgasbe­ hälters ausgesetzt wie die Messwiderstände, so dass auf diese Weise ein Temperatureinfluss auf die Dehnungsmessung ausge­ schaltet ist. Die Brückenergänzungswiderstände haben keine we­ sentliche Umfangserstreckung bzw. eine solche Umfangser­ streckung, die wesentlich kleiner ist als die der Messwider­ stände.
Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnungen näher beschrieben:
Es zeigen:
Fig. 1 einen Druckgasbehälter mit den schematisch dargestellen mechanischen Hauptspannungen an einem Ringelement sowie den aufgelegten Dehnmessdrähten (2n-filar) und den Brückenergänzungswiderständen (bifilar),
Fig. 2 den Schaltplan der elektrischen Messanordnung.
Der in Fig. 1 schematisch dargestellte Druckgasbehälter 1 zeigt durch die an einem Ringelement (Fig. 1a, b) angreifenden äußeren und inneren Kräfte die dadurch entstehenden Umfangs- und Längs­ spannungen σu und σ1, die sich nach den Gleichungen
mit dem Behälterinnendurchmesser D, dem Gasdruck p und der Be­ hälterwandstärke s berechnen lassen. Die Umfangsspannungen σu erweisen sich nach Gleichung (1) als doppelt so groß wie die Längsspannungen σ1 nach Gleichung (2). Dies ist die Ursache da­ für, dass zylindrische Behältermäntel unter dem Berstdruck stets am Umfang aufreißen. Es genügt daher, zur laufenden Über­ wachung des Druckgasbehälters 1 die Dehnung am Behälterumfang zu erfassen. Die als unisolierter Dehnmessdraht ausgeführten Widerstandsdrähte 10 sind mittig am zylindrischen Teil des Be­ hälters, z. B. mit einem Epoxidharz befestigt. Um im Falle einer Speisung der als Dehnmessdraht ausgeführten Widerstandsdrähte 10 mit Wechselspannung die induktiven Widerstandsanteile zu verringern, werden diese bei dem erfindungsgemäßen Verfahren vorteilhafterweise 2n-filar (n = 1, 2, 3 . . .) auf dem Behälter befestigt. Dabei sind jeweils zwei parallele Leiter an einem Ende durch eine Schleife verbunden. Erfolgt die Speisung mit Gleichspannung, so bewirkt eine 2n-filare Anordnung des Dehn­ messdrahtes eine Minderung von induktiven eingekoppelten Stö­ rungen.
Die Brückenergänzungswiderstände 11 sind, ebenfalls zur Minde­ rung induktiver eingekoppelter Störungen, bifilar aufgebaut und vorteilhafterweise in Form einer Spirale flächig auf dem Druck­ gasbehälter 1 befestigt, so dass diese denselben Temperaturän­ derungen unterworfen sind wie die Messwiderstände 10. Fig. 1c zeigt einen Ausschnitt der Behälteroberfläche mit den für n = 1 2n-filar aufgelegten Messwiderständen 10 und dem bifilaren Brückenausgleichswiderstand 11.
In Fig. 2 ist ein Messaufbau zum Betreiben der Wheatstoneschen Brücke gezeigt. Hierbei werden die der Dehnung ausgesetzten Messwiderstände 10 mit zwei unveränderlichen Widerständen, den Brückenergänzungswiderständen 11, die denselben Temperatureinflüssen unterworfen sind, zu einer Wheatstoneschen Widerstandsmessbrücke ergänzt. Zur Verstärkung der Mess-Signale dient bei Speisung mit Wechselspannung ein Träger­ frequenzmessverstärker 12, bei Speisung mit Gleichspannung ein Differenzmessverstärker 13. Das verstärkte Ausgangssignal wird durch ein Multimeter 14 zur Anzeige gebracht, ein Oszilloskop 15 dient zur Beobachtung von Störspannungen.

Claims (9)

1. Verfahren für die zeitlich lückenlose Überwachung von Composite-Druckgasbehältern mit einer Dehndrahtmessung, dadurch gekennzeichnet, dass durch Messung der Dehnung des Umfangs des zylin­ drischen Behältermantels bei einem unter Innendruck stehen­ den Behälter (1) festgestellt wird, ob die Dehnung einen vorgeschriebenen Grenzwert überschritten hat oder einem vorgegebenen druckabhängigen Verlauf folgt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung der Dehnung gleichzeitig an mehreren Stellen des Behälterumfangs erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zu der Messung der Dehnung eine Temperatur­ messung des Behältermaterials erfolgt und dass das Mess­ signal der Dehnung durch den Messwert der Temperatur kor­ rigiert wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, dass eine Grenzwertüberschreitung der Dehnung ab­ gespeichert wird, so dass, ausgelöst durch eine drahtlose Datenübertragung, ein Tankstellen-Rechner bei einer Betan­ kung den Vorgang abbricht und/oder nicht zulässt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekenn­ zeichnet, dass eine Kalibrierkurve der Dehnung in Abhängig­ keit von dem jeweiligen Füllstand beim Füllen des Behälters gespeichert wird und dass die sich bei einem Füllvorgang ergebenden Dehnungswerte mit denjenigen der Kalibrierkurve verglichen werden, um bei Abweichungen Materialschäden festzustellen.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die Messung der Dehnung unter zusätzlicher Messung der Temperatur des Behälters oder seines Inhalts erfolgt und dass bei bekannten Behältervolumen aus der Deh­ nung und der Temperatur die Masse des im Behälter einge­ schlossenen Gases errechnet wird.
7. Vorrichtung zur Messung der Dehnung eines Druckgasbehälters (1), dadurch gekennzeichnet, dass unter Anwendung einer Brückenschaltung die als Dehndraht ausgeführten Messwider­ stände (10) in Umfangsrichtung des Behälters angebracht sind.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass Ergänzungswiderstände (11) der Brückenschaltung in den Ab­ messungen und im Material identisch mit den Messwider­ ständen (10) sind und durch ihre Anordnung auf der Behäl­ terwand denselben Temperaturänderungen wie die Messwider­ stände (10) ausgesetzt sind, wobei die Ergänzungswider­ stände (11) eine Erstreckung in Umfangsrichtung haben, die Null ist oder wesentlich kleiner ist als diejenige der Messwiderstände.
9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die als Dehndraht ausgeführten Messwiderstände (10) 2n-filar auf dem Behälter angeordnet sind, wobei n eine ganze Zahl ist, so dass induktiv eingekoppelte Störspan­ nungen ganz oder teilweise kompensiert werden.
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