DE102004025237B4 - Textiler Druck- und Zugsensor - Google Patents

Abstract

Textiler Druck- und Zugsensor mit einem Hohlkörper, wobei elektrisch leitfähige Fäden (2) durch herkömmliche textile Arbeitstechniken zu einem Netzwerk (1) verknüpft sind und elektrische Kontakte (6, 6', 7, 7') zur Messung des sich bei Druck- und Zugbelastung infolge elastischer Verformung des Netzwerkes (1) ändernden elektrischen Widerstandes so angebracht sind, dass die wirksamen Druck- und Zugkräfte aus dem gemessenen elektrischen Widerstand ermittelbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass der elastische Hohlkörper (8) mit dem textilen Netzwerk (1) aus elektrisch leitfähigen Fäden (2) in Form eines Rundgestrickes oder Rundgeflechtes (9), ummantelt ist, an dem mindestens zwei elektrische Kontakte (7, 7') angebracht sind, über die der elektrische Widerstand des textilen Netzwerkes (1) als Maß für den im inneren des elastischen Hohlkörpers (8) wirkenden Druckes eines ruhenden oder strömenden gasförmigen oder flüssigen Mediums messbar ist.

Description

• Die Erfindung betrifft einen aus textilen Materialien aufgebauten Sensor zur Messung von Druck- und Zugkräften, der auf der Änderung des elektrischen Widerstandes eines geflochtenen, gewebten, gestrickten oder in anderer Weise hergestellten textilen Netzwerkes aus elektrisch leitfähigen Fäden basiert. Insbesondere ist die Erfindung anwendbar, um den Druck eines ruhenden oder strömenden gasförmigen bzw. flüssigen Mediums in elastischen Hohlkörpern wie Schläuchen etc. zu bestimmen, ohne mit dem Medium im Inneren des Hohlkörpers in Kontakt zu treten.
• In DE 198 60 881 A1 ist ein aufblasbarer rohrförmiger oder flächiger auf oder in seiner Innenfläche mit Druckmesszellen bestückter Kontinuumsdrucksensor beschrieben. Ähnliche bekannte Lösungen ( JP 2003014571 A , WO 00/65984 , US 5939640 , US 6171253 B1 ) zur Messung des Druckes in Rohrleitungen oder Schläuchen basieren darauf, dass das unter Druck stehende Medium über eine flexible Membran auf herkömmliche Drucksensoren einwirkt, die ihrerseits ein elektrisches Signal liefern. Bei der nach DE 3918534 A1 bekannten Anordnung zur Ermittlung des Mediendruckes in einem elastischen Schlauchabschnitt wird der Schlauch durch ein Andrückorgan deformiert. Das Andrückorgan ist über einen einseitig befestigten Balken mit dem Kern einer Spulenanordnung verbunden, so dass die vom Innendruck bestimmte Deformation des Schlauches zu einer Veränderung der Lage des Kernes in der Spule führt. Hierdurch ändert sich die Induktivität und somit die Frequenz der Schwingspule, wodurch ein elektrisches Signal generiert wird. Andere bekannte Lösungen nutzen optische Fasern zur Bestimmung der durch den Innendruck in Hohlkörpern hervorgerufenen Deformation der Oberfläche ( JP 2002054974 A , JP 03181832 A ). Die JP 07005059 A verwendet einen aus elektrisch leitfähigem Gummi bestehenden Rohrabschnitt, der in die zu messende Leitung eingebaut wird. Die druckabhängige Deformation der Gummiwand ändert deren elektrischen Widerstand. Die Nachteile dieser bekannten Lösungen sind in dem hohen technischen Aufwand bei der Installation der Messvorrichtung, dem z. T. erheblichen Platzbedarf der Sensoren und der erforderlichen Unterbrechung der Leitung bzw. der Notwendigkeit des Einschleusens der Sensoren in die Leitung zu sehen. Ein Kontakt zwischen Medium und Drucksensor ist nicht immer auszuschließen. Textile Drucksensoren, die auf einer druckabhängigen Änderung des elektrischen Widerstandes oder der Kapazität beruhen, sind in GB 2350683 A und WO 99/60357 bzw. EP 1211633 A1 beschrieben. Hierbei handelt es sich um mehrlagige textile Flächengebilde, bei denen mindestens zwei elektrisch leitfähige Schichten durch eine isolierende Schicht voneinander getrennt sind. Bei Druckausübung ändert sich entweder der elektrische Übergangswiderstand zwischen diesen Schichten oder die Kapazität, wenn die Anordnung aus leitfähigen und isolierenden Schichten als Kondensator aufgefasst wird. Die Herstellung dieser mehrlagigen Flächengebilde ist mit erhöhtem Aufwand verbunden und erfordert spezielle Maschinen.
• Aus der gattungsbildenden DE 19826484 A1 ist ein Sensor zur Kraft- oder Druckmessung vobekannt. Der vorbekannte Sensor weist ein Trägermaterial mit spannungsbeaufschlagbaren Spalten- und Zeilenleiterbahnen auf. Das dortige Trägermaterial ist ein Trägergewebe, das die Spalten- und Zeilenleiterbahnen als leitfähige Spaltenfasern bzw. Zeilenfasern ausbildet, welche in das Trägergewebe integriert sind. Das Material der leitfähigen Fasern ist derart ausgewählt, dass ein Kontaktwiderstand an einer Kontaktstelle zwischen einer Spaltenfaser und einer Zeilenfaser von der Kraft- oder Druckbelastung der Kontaktstelle anhängig ist.
• Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, einen textilen Sensor zur Bestimmung von Druck- und Zugkräften in Form einer einlagigen, aus elektrisch leitfähigen Fäden aufgebauten Struktur zu schaffen, welcher auf Druck- und Zugbelastungen richtungsabhängig durch Änderung des elektrischen Widerstandes reagiert. Weiterhin sollen Umgebungsbedingungen, z. B. Temperatur, Feuchte und Licht, zumindest semiquantitativ zur Anzeige gebracht werden.
• Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt mit der Merkmalskombination nach Patentanspruch 1, wobei die Unteransprüche zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen zeigen.
• Die Erfindung wird nachstehend anhand von zwei Ausführungsbeispielen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:
• 1 bei Druck- und Zugeinwirkung unter Änderung des elektrischen Widerstandes reagierende textile Flächengebilde in Form eines Netzwerkes aus elektrisch leitfähigen Fäden
• 2 das elektrische Ersatzschaltbild der in 1 dargestellten Maschenstrukturen
• 3 die schematische Darstellung eines textilen Drucksensors zur Bestimmung des in einem elastischen Schlauch herrschenden Druckes
• 4 Beispiele für textile Drucksensoren in Form von Rundgestricken mit unterschiedlicher Maschenstruktur auf einem Schlauch
• 5 die Abhängigkeit des elektrischen Widerstandes der in 4 dargestellten Drucksensoren vom Innendruck des Schlauches
• Nach 1 besteht der erfindungsgemäße Druck- und Zugsensor aus einem textilen Netzwerk 1 aus elektrisch leitfähigen Fäden 2, die auf unterschiedliche Weise z. B. durch Bildung von Maschen, Weben oder Flechten miteinander verknüpft sind. Elektrisch gesehen entsteht so gemäß 2 ein Netzwerk aus Einzelwiderständen 3 und 4 in x- bzw. y-Richtung, die sich bei Ausübung von Druck oder Zug durch elastische Deformation der Maschenstruktur ändern. Diese Elementarwiderstände, die beispielsweise durch Maschen 5 gebildet werden, überlagern sich zu einem Gesamtwiderstand, welcher der Druck- bzw. Zugkraft proportional ist und als Messgröße an elektrischen Kontakten 6 und 6' bzw. 7 und 7' nach dem in 2 dargestellten elektrischen Ersatzschaltbild aufgenommen werden kann. Der besondere Vorteil dieser Anordnung besteht darin, dass auf mehrlagige Strukturen und Kombinationen von leitenden und isolierenden Fäden verzichtet werden kann. Der gesamte Sensor besteht aus einem einzigen Fadenmaterial. Die unterschiedlichen Textilverfahren erlauben sowohl flache als auch räumliche z. B. röhrenförmige Sensoren. 3 zeigt einen Sensor zur Bestimmung des Innendruckes in einem elastischen Hohlkörper 8 z. B. in Form eines Schlauches als bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung. Der textile Drucksensor ist ein Rundgestrick oder Rundgeflecht 9 aus handelsüblichen versilberten Polyamidfäden, das den elastischen Hohlkörper 8 in einem Abschnitt von frei wählbarer Länge umschließt. An den beiden Enden des als Drucksensor wirkenden Rundgestrickes oder Rundgeflechtes 9 sind elektrische Kontakte 7 und 7' angebracht, über die, wie in 4 und 5 dargestellt, das druckproportionale Widerstandssignal erfasst wird. Der Widerstand und die Empfindlichkeit des textilen Drucksensors sind durch Wahl des Fadenmaterials und der Maschenform einstellbar. Der textile Drucksensor kann ganz oder teilweise mit einer isolierenden Beschichtung 10 umhüllt sein. In die Beschichtung 10 können Substanzen mit Indikatorwirkung 11 wie thermochrome, photochrome, elektrochrome oder hydrochrome Farbstoffe eingelagert sein.
• Bezugszeichenliste

1

textiles Netzwerk

2

elektrisch leitfähiger Faden

3

Einzelwiderstand in x-Richtung

4

Einzelwiderstand in y-Richtung

5

Masche

6, 6'

elektrische Kontakte zur Messung des Gesamtwiderstandes in x-Richtung

7, 7'

elektrische Kontakte zur Messung des Gesamtwiderstandes in y-Richtung

8

elastischer Hohlkörper

9

Rundgestrick oder Rundgeflecht aus elektrisch leitfähigen Fäden

10

Beschichtung

11

Substanz mit Indikatorwirkung

Claims (3)

1. Textiler Druck- und Zugsensor mit einem Hohlkörper, wobei elektrisch leitfähige Fäden (2) durch herkömmliche textile Arbeitstechniken zu einem Netzwerk (1) verknüpft sind und elektrische Kontakte (6, 6', 7, 7') zur Messung des sich bei Druck- und Zugbelastung infolge elastischer Verformung des Netzwerkes (1) ändernden elektrischen Widerstandes so angebracht sind, dass die wirksamen Druck- und Zugkräfte aus dem gemessenen elektrischen Widerstand ermittelbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass der elastische Hohlkörper (8) mit dem textilen Netzwerk (1) aus elektrisch leitfähigen Fäden (2) in Form eines Rundgestrickes oder Rundgeflechtes (9), ummantelt ist, an dem mindestens zwei elektrische Kontakte (7, 7') angebracht sind, über die der elektrische Widerstand des textilen Netzwerkes (1) als Maß für den im inneren des elastischen Hohlkörpers (8) wirkenden Druckes eines ruhenden oder strömenden gasförmigen oder flüssigen Mediums messbar ist.
2. Textiler Druck- und Zugsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das aus elektrisch leitfähigen Fäden (2) bestehende textile Netzwerk (1) mindestens teilweise mit einer elektrisch isolierenden Beschichtung (10) versehen ist.
3. Textiler Druck- und Zugsensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (10) Substanzen mit Indikatorwirkung (11) nämlich thermochrome, photochrome, elektrochrome oder hydrochrome Farbstoffe enthält.

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