-
Die
Erfindung betrifft die Überwachung
physikalischer Parameter von Gegenständen bei ihrem Transport und
insbesondere eine Sensorvorrichtung für Beschleunigungen, d.h. Stöße, denen
Transportgegenstände
ausgesetzt sind, gemäß dem Oberbegriff
von Anspruch 1.
-
Beim
Versand und Transport von Waren kann es erforderlich sein, dass
diese zerbrechlich sind und gegen Stöße geschützt werden müssen. Sie müssen daher
besonders schonend transportiert werden, und es ist wichtig, am
Zielort oder zu bestimmten Zeiten überprüfen zu können, ob sie seit Transportbeginn übergroßen Beschleunigungen
ausgesetzt wurden. So müssen
Spediteure in der Lage sein, bei Übergabe der Ware deren Zustand überprüfen bzw.
dokumentieren zu können,
damit eine lückenlose Überwachung
des Transports sichergestellt ist. Aus diesem Grund sollte an möglichst
vielen Stellen in der Logistikkette ohne großen Aufwand der Zustand der
Gegenstände überprüfbar sein.
-
Im
Stand der Technik werden zu diesem Zweck einfache Schauzeichen verwendet,
die bei den Transportgegenständen
bleiben und bei denen von außen
sichtbare Kugeln in einer Vertiefung liegen. Bei einer starken Beschleunigung
rollen diese Kugeln aus den Vertiefungen und dokumentieren so den
Stoß,
den die Transportgegenstände
erfahren haben. Alternativ werden Glaskörper eingesetzt, welche an
dem Transportgut angebracht sind. Diese werden irreversibel zerstört, wenn
ein entsprechend heftiger Stoß stattgefunden
hat.
-
Die
Einrichtungen nach dem Stand der Technik haben jedoch den Nachteil,
dass sie eine Sichtkontrolle erforderlich machen, was insbesondere
bei Transportgegenständen
auf Schwierigkeiten stößt, die
in einer umfangreicheren Verpackung oder in einem Container transportiert
werden.
-
Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung zu schaffen,
mit der das Überschreiten
eines Schwellenwertes für
die Beschleunigung, der Gegenstände
in der Vergangenheit ausgesetzt waren, erkannt werden kann, ohne
dass dies auf Sicht erfolgen muss.
-
Diese
Aufgabe wird gelöst
durch die Vorrichtung nach Anspruch 1. Bevorzugte Ausführungsformen
der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
-
Die
Erfindung beruht auf dem Erfindungsgedanken, einen RFID-Chip (Radio Frequency
Identification-Chip) mit einem Beschleunigungssensor zu verbinden.
Der Beschleunigungssensor ist mit einer Leiterschleife und einer
beweglichen Masse ausgerüstet,
wobei die Leiterschleife bei einem Stoß durch die Bewegung der Masse
zerstört
wird. Die dadurch ausgelöste
Widerstandsänderung
kann über
den RFID-Chip als Änderung
eines Speicherbits ausgelesen werden. – Bei horizontalen Stößen wird
vorzugsweise eine elastische Aufhängung (z.B. eine Feder) eingesetzt.
-
Mit
dem erfindungsgemäßen Aufbau
lässt sich
der Sensor einfach, d.h. berührungslos,
verschleißfrei,
d.h. beliebig oft, und unabhängig
von einer Sichtverbindung, z.B. aus einem Container heraus, auslesen.
-
Die
erfindungsgemäße Sensorvorrichtung zum Überwachen
von Beschleunigungen, denen ein Gegenstand ausgesetzt ist, ist gekennzeichnet
durch einen Beschleunigungssensor, der fest mit dem zu überwachenden
Gegenstand verbunden ist, so dass eine Relativbewegung zwischen
dem Beschleunigungssensor und dem Gegenstand verhindert wird, und
eine RFID-Sendeempfangseinrichtung zum kontaktlosen Einkoppeln elektrischer
Energie in den Beschleunigungssensor und zum Aussenden von Funksignalen
in Abhängigkeit
von dem physikalischen Zustand des Beschleunigungssensors.
-
Insbesondere
umfasst der Beschleunigungssensor eine bewegliche Masse, die in
Abhängigkeit von
der Beschleunigung eine Auslenkung aus einer Ruhelage erfährt, ein
Halterungsgestell zum Halten der beweglichen Masse und mindestens
einen elektrischen Leiter, der mit der RFID-Sendeempfangseinrichtung
verbunden ist, wobei der oder mindestens einer der elektrischen
Leiter irreversibel unterbrochen wird, wenn die Auslenkung der beweglichen Masse
einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet. Durch die irreversible
Unterbrechung des elektrischen Leiters hat man eine zuverlässige Aussage über den
Schwellenwert, der durch die Beschleunigung überschritten wurde.
-
Dabei
wird die bewegliche Masse vorzugsweise über den mindestens einen elektrischen
Leiter von dem Halterungsgestell mechanisch gehalten, und der oder
mindestens einer der elektrischen Leiter reißt, wenn die Auslenkung der
beweglichen Masse einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet. Mit
diesem Aufbau lässt
sich die Erfindung besonders einfach und kostengünstig umsetzen.
-
Alternativ
umfasst das Halterungsgestell wenigstens eine Sensorwand, mit der
der oder mindestens einer der elektrischen Leiter fest verbunden
ist, wobei die bewegliche Masse in Abhängigkeit von der Beschleunigung
gegen die Sensorwand gedrückt wird,
so dass diese durch den Druck verformt wird und der elektrische
Leiter irreversibel unterbrochen wird, wenn der Druck auf die Sensorwand
einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet. Mit diesem Aufbau
lässt sich
die bewegliche Masse in dem Halterungsgestell mit einer wand vor
Beschädigungen schützen.
-
Insbesondere
umfasst dabei die Sensorwand eine Glasscheibe, die bei Verformung
zerbricht. Alternativ dazu kann die Sensorwand eine flexible Membran
umfassen. Im letzteren Fall bleiben keine Bruchstücke zurück und verteilen
sich unkontrolliert in der Umgebung, wenn die Sensorwand zerbricht.
-
In
beiden Fällen
ist der elektrische Leiter vorzugsweise in der Sensorwand eingebettet.
Damit wird verhindert, dass er durch Beschädigung der Oberfläche der
Sensorwand unbeabsichtigt zerstört wird,
d.h. zerstört
wird ohne dass dies auf eine übergroße Beschleunigung
zurückzuführen ist.
-
Bei
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
weist die bewegliche Masse eine schmale Kante auf, mit der sie gegen
die Sensorwand drückt. Auf
diese Art reduziert man die Auftrefffläche und erhöht in demselben Maße den wirksamen
Druck auf die Sensorwand, so dass sie einer höheren Belastung ausgesetzt
wird und daher schneller bricht.
-
Insbesondere
ist die Masse in mehreren Richtungen beweglich, und das Halterungsgestell weist
mehrere Sensorwände
auf, die in unterschiedlichen Richtungen angeordnet sind. Damit
lässt sich die
Beschleunigung außer
der Stärke
nach auch der Richtung nach diskriminieren. Dies ist dann von Bedeutung,
wenn der überwachte
Gegenstand richtungsabhängig
stoßempfindlich
ist und ggfs. unsymmetrisch verpackt ist.
-
Vorzugsweise
sind mehrere der elektrischen Leiter jeweils mit einem vorgegebenen
Vorwiderstand in Reihe geschaltet zu einem Richtungsdetektor, wobei
die Vorwiderstände
jeweils unterschiedliche Werte aufweisen und mehrere Richtungsdetektoren
parallel geschaltet sind zum Erfassen der Richtung(en) der Beschleunigung.
Dies ist notwendig, wenn man die Richtung, aus der der Stoß kam, diskriminieren
will, ohne dass der Sensor auf Sicht untersucht werden muss.
-
Vorzugsweise
ist eine Transportsicherungseinrichtung vorgesehen, mit der die
bewegliche Masse arretiert werden kann. Damit lässt sich die erfindungsgemäße Sensorvorrichtung
von einem deaktivierten in einen aktivierten Zustand bringen und
umgekehrt.
-
Neben
den bereits erwähnten
Vorteilen besteht ein weiterer Vorteil der Erfindung darin, dass zum
Erkennen der Über schreitung
eines Schwellenwertes für
die Beschleunigung keine Stromversorgung und kein elektronischer
Speicher notwendig ist.
-
Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden
Beschreibung von Ausführungsbeispielen,
wobei auf die beigefügte Zeichnung
Bezug genommen wird.
-
1 zeigt
schematisch den Grundaufbau einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Beschleunigungssensors.
-
2 zeigt
schematisch eine zweite Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Beschleunigungssensors.
-
3 zeigt
schematisch Bewegungsablauf und Wirkung des erfindungsgemäßen Beschleunigungssensors.
-
4 zeigt
schematisch eine weitere Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Beschleunigungssensors.
-
5 zeigt
schematisch die Eigenart einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Beschleunigungssensors.
-
Die
Zeichnung ist nicht maßstabsgetreu. Gleiche
oder gleich wirkende Elemente sind mit denselben Bezugsziffern versehen.
-
In 1 ist
das Prinzip der Erfindung schematisch dargestellt. Auf einem Gegenstand 1,
bei dem bezüglich
der Beschleunigung auch im Nachhinein noch festgestellt werden soll,
ob ein Grenzwert überschritten
wurde oder nicht, wird ein Beschleunigungssensor 2 fest
angebracht. Der Begriff "fest
anbringen" bedeutet
in dem hier erläuterten
Zusammenhang, dass es keine oder nur vernachlässigbare Relativbewegungen
zwischen dem Gegenstand 1 und dem Beschleunigungssensor 2 gibt.
Mit anderen Worten, die Beschleunigung, die auf den Gegenstand 1 wirkt,
wirkt in gleicher Stärke
auch auf den Beschleunigungssensor 2. Der Beschleunigungssensor 2 setzt
sich aus einem Halterungsgestell 3 und einer darin beweglich gelagerten
Masse 4 zusammen. Das Halterungsgestell 3 ist
hier kubusförmig,
es versteht sich für
den Fachmann von selbst, dass seine Form quasi beliebig ist und
in Abhängigkeit
von der Anwendung des Beschleunigungssensors und in Abhängigkeit
von dem zur Verfügung
stehenden Platz für
den Beschleunigungssensor gewählt
wird. Insbesondere kann das Halterungsgestell kugelförmig sein (nicht
dargestellt) und aus einer einzigen Sensorwand bestehen.
-
Die
Masse 4 ist in der Darstellung nach 1 kugelförmig und
an mehreren Federn 5 aufgehängt. Diese Federn 5 verlaufen
horizontal parallel zur Zeichenebene, d.h. in die mit "x" bezeichnete Richtung, bzw. vertikal
parallel zur Zeichenebene, d.h. in die mit "y" bezeichnete
Richtung. Selbstverständlich
muss die Masse 4 bei völliger
dreidimensionaler Bewegungsfreiheit ebenso in "z"-Richtung aufgehängt sein.
Diese Federn wurden in der Zeichnung aus Gründen der Übersichtlichkeit fortgelassen. Es
versteht sich, dass die Schraubenfedern in der Zeichnung nur symbolisch
gemeint sind und allgemein eine existierende Kraft andeuten sollen,
deren Größe allgemein
und ohne irgendwelche Einschränkungen
(z.B. linear oder quadratisch abhängig, mit negativem Vorzeichen,
etc.) von dem Auslenkungsweg abhängt
und die die Masse in ihre Ruhelage zurücktreiben.
-
In 2 ist
eine weitere Ausführungsform
eines Beschleunigungssensors gezeigt, anhand derer im folgenden
die Arbeitsweise des Sensors erläutert werden
soll. Das Halterungsgestell 3 des Sensors ist bei dieser
Ausführungsform
tubusförmig
mit einer zylindrischen Seitenwand, einer das Halterungsgestell 3 nach
oben abschließenden
Wand und einer das Halterungsgestell 3 nach unten abschließenden Wand.
Die das Halterungsgestell 3 nach unten abschließende Wand
dient gleichzeitig als eine Sensorwand 6, was im folgenden
näher erläutert wird.
Die bewegliche Masse 4 ist in dieser Ausführungsform über eine
Feder 5 an der oberen Wand aufgehängt und schwingt frei in vertikaler,
also in z-Richtung. Die Bewegung der Masse 4 ist in der 2 durch
einen Pfeil nach unten neben der Masse 4 angedeutet. Wenn
die Beschleunigung zu groß wird,
d.h. wenn die Masse 4 gegenüber ihrer Ruhelage zu weit
nach unten ausgelenkt wird, so berührt die Masse 4 die Sensorwand 6.
Die Sensorwand 6 ist in 2 der Übersichtlichkeit
halber als koplanar mit einer Wand des Gegenstandes 1 dargestellt.
In der Praxis wird jedoch vorzugsweise ein (geringer) Abstand zwischen der
zerbrechlichen Sensorwand 6 und dem Gegenstand 1 vorhanden
sein.
-
Wenn
die Beschleunigung stärker
ist als ein vorgegebener Grenzwert, so stößt die bewegliche Masse 4 entsprechend
heftig gegen die Sensorwand 6 und zerstört diese letztendlich. Dadurch
wird auch ein elektrischer Leiter 7 unterbrochen, der sich
auf oder unter der Sensorwand 6 befindet und dort beispielsweise
aufgeklebt ist. Der Leiter 7 kann aber ebenso gut in der
Sensorwand 6 eingebettet sein. Der Leiter 7 erstreckt
sich in jedem Fall vorzugsweise (mäandrierend oder spiralförmig) über einen
möglichst
großen
Teil der Fläche 6,
so dass er auch bei partieller Beschädigung der Sensorwand 6 durch
die Masse 4 unterbrochen wird, wenn z.B. die bewegliche
Masse 4 schräg
auf die Sensorwand 6 auftrifft und nur einen Randbereicht
von dieser zerstört.
-
Die
Sensorwand 6 ist vorzugsweise ein Glasplättchen,
dessen Dicke darauf abgestimmt ist, ab welcher Beschleunigung es
durch die bewegliche Masse 4 zerstört werden soll. Die bewegliche
Masse 4 ist vorzugsweise eine Stahlkugel geeigneten Durchmessers
oder besteht aus einem anderen Metall, das eine möglichst
hohe Dichte und eine geringe Elastizität/große Härte hat. Auf diese Art wird
auch bei kleinem Bauraum der Sensorvorrichtung bei einer starken
Beschleunigung und dem Aufprall der Masse 4 ein hoher Druck
auf die Sensorwand 6 gebracht. Weitere mögliche Ausführungsformen
dazu werden weiter unten besprochen.
-
Der
elektrische Leiter 7 ist auf beiden Seiten aus dem Halterungsgestell 3 herausgeführt und
mit einem Funkübertragungsmodul 8 verbunden.
Er bildet somit eine Leiterbrücke,
deren Zustand abgefragt wird. Das Funkübertragungsmodul 8 ist
vorzugsweise ein sog. RFID-Modul mit Einrichtungen zum kontaktlosen
Einkoppeln elektrischer Energie in die Leiterbrücke 7 und zum Übertragen
von (Hochfrequenz-) Funksignalen. Die Signale werden von einem (nicht
gezeigten) Mikrokontroller und ggfs. einem ROM-Speicher in Abhängigkeit
von dem physikalischen Zustand des Beschleunigungssensors moduliert,
so dass auf diese Art der Zustand der Leiterbrücke 7 des Beschleunigungssensors
abgefragt werden kann. RFID-Module sind inzwischen standardisiert
und weit verbreitet, so dass sie im Einsatz sehr zuverlässig sind
bzw. ohne Schwierigkeiten ausgetauscht werden können. Außerdem lassen sich mit RFID-Modulen
die Herstellungskosten der erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung sowie
der dazugehörigen
Kommunikationseinrichtungen minimieren.
-
Die
bewegliche Masse 4 muss nicht in Federrichtung ausgelenkt
werden, sie kann ebenso gut an einer Federaufhängung oder einer Fadenaufhängung seitlich
pendeln. Dies ist in 3 durch einen gebogenen Pfeil
neben der Masse 4 angedeutet. Die Masse 4, die
hier an der Feder 5 hängend
dargestellt ist, wird aufgrund einer Beschleunigung seitlich ausgelenkt.
In ihrer Rückwärtsbewegung
trifft sie danach auf eine senkrecht stehende Sensorwand 6,
die parallel zu der Ebene liegt, in welcher sich die Aufhängung der
Masse 4 in ihrer Ruhelage befindet. In der Sensorwand 6 eingebettet
ist der elektrische Leiter 7. Wenn der Aufprall der Masse 4 auf
die Sensorwand 6 stark genug ist, so wird die Sensorwand 6 durch
die Masse 4 zerstört.
Dies ist durch die Bruchstelle 10 in der Sensorwand 6 angedeutet.
Durch die Zerstörung der
Sensorwand 6 wird der elektrische Leiter 7 unterbrochen.
Die Unterbrechung des Leiters 7 wird elektrisch abgefragt
und wird erfindungsgemäß über eine RFID-Sendeempfangseinrichtung
nach außen
gemeldet. Dabei wird im einfachsten Fall ein Vorwiderstand gemessen,
der in Reihe mit dem elektrischen Leiter 7 geschaltet ist.
Ist der Leiter 7 intakt, so hat die Serienschaltung aus
Leiter 7 und Widerstand 10 einen Wert, der dem
Widerstand 10 entspricht. Ist der Leiter 7 dagegen
unterbrochen, so wird ein unendlicher Widerstand gemessen.
-
Um
die Zerstörungskraft
der Masse 4 zu erhöhen
und damit die Aufhängung
der Masse 4 zu verbessern, ist die bewegliche Masse 4 in
der Ausführungsform
nach 3 zusätzlich
mit einer Schneide 9 versehen. Diese läuft in der Darstellung in 3 um
die gesamte Masse 4 herum und weist eine scharfe Kante
auf, mit der sie beim Auftreffen auf die Sensorwand 6 letztere
berührt.
Durch die Verkleinerung der wirksamen Fläche der Masse 4 auf
die scharfe Kante 9 wird erreicht, dass beim Auftreffen der
Masse 4 auf die Wand 6 ein höherer Druck erzeugt wird und
die Wand 6 dadurch schneller zerstört wird.
-
Es
kann für
Gegenstände,
deren Empfindlichkeit gegenüber
Beschleunigungen richtungsabhängig
ist, wichtig sein, über
die bisherige Information hinaus festzustellen, in welcher Richtung
die Beschleunigung/der Stoß stattgefunden
hat. Zu diesem Zweck haben die Erfinder die Ausführungsform nach 4 entwickelt.
Grundsätzlich
unterscheidet sich diese Weiterentwicklung von den bisher betrachteten Ausführungsformen
dadurch, dass die Sensorwand 6 mehrere Richtungssegmente
aufweist, die in unterschiedlichen Richtungen angeordnet sind. Bei
der Ausführungsform
nach 4 sind zur Erläuterung zwei
einander gegenüberliegende
Richtungssegmente der Sensorwand 6 mit jeweils einem unabhängigen elektrischen
Leiter 7 versehen, so wie es in Bezug auf Einzelwände 6 bei
den obigen Ausführungsformen
nach 1 bis 3 erläutert wurde. Beide Leiter 7 sind
mit einem eigenen Vorwiderstand 11 verbunden, so dass sich
jeweils ein Richtungsdetektor 12 für die linke bzw. für die rechte
Seite ergibt. Je nachdem, in welche Richtung die Masse 4 ausschlägt, wird
der rechte oder der linke Richtungsdetektor zerstört. Die
beiden hier betrachteten Ausschlagsrichtungen der Masse sind mit
einem Doppelpfeil in 4 angedeutet. Die beiden Richtungsdetektoren 12 sind
elektrisch parallel geschaltet und als Parallelschaltung mit dem
RFID-Modul 8 verbunden. Sind also beide Richtungsdetektoren
noch intakt, da es zu keiner übergroßen Beschleunigung gekommen ist,
wird das RFID-Modul 8 Signale übertragen, die charakteristisch
sind für
einen ohmschen Widerstand, der der Parallelschaltung der beiden
Widerstände 11 entspricht.
In der gezeigten Ausführungsform
hat der "rechte" Widerstand den Wert "R", der "linke" Widerstand hat den Wert "2R". Als Gesamtwiderstand
ergibt sich somit ein Wert von (2/3)R. Wenn einer der beiden Richtungsdetektoren 12 zerstört wird,
wird ein Widerstand gemessen, der davon abhängt, welcher der beiden Richtungsdetektoren 12 zerstört ist.
So wird im Falle eines zerstörten "rechten" Richtungsdetektors 12 der
Widerstand "2R" gemessen, im Fall
eines zerstörten "linken" Richtungsdetektors 12 der
Widerstand "R". Auf diese Art kann von
außen
berührungslos
nicht nur die Überschreitung
eines Grenzwertes, sondern auch seine geometrische Richtung festgestellt
werden.
-
Da
der erfindungsgemäße Sensor
in der Regel nicht unmittelbar nach seiner Herstellung eingesetzt
wird, ist es von Vorteil, wenn man ihn aktivieren und deaktivieren
kann. Dazu ist in der Ausführungsform
nach 5 eine Transportsicherung vorgesehen, die aus
drei Transportsicherungseinrichtungen 13 besteht. Diese
Transportsicherungseinrichtungen 13 sind in der gezeigten,
einfachsten Ausführung Stäbe, die
in das Halterungsgestell 3 eingesetzt werden, so dass sie
die Bewegung der Masse 4 behindern. In der in 5 gezeigten
Ausführungsform
wird davon ausgegangen, dass sich die Masse 4 nur in y-Richtung
bewegen kann, d.h. von oben nach unten. In diesem Fall reichen die
drei gezeigten Stäbe 13 aus,
um die Masse 4 zu arretieren. Selbstverständlich sind
entsprechend mehr Sicherungseinrichtungen 13 vorzusehen,
wenn sich die Masse 4 in mehr als nur einer Richtung bewegen
kann.
-
Es
versteht sich für
den Fachmann von selbst, dass die Form der Masse 4 hier
eine untergeordnete Rolle spielt. In der zeichnerischen Darstellung
der bevorzugten Ausführungsformen
der Erfindung ist die Masse 4 ausschließlich als Kugel gezeigt. Selbstverständlich kann
jedoch die Masse 4 auch quaderförmig, trapezförmig oder
keilförmig sein,
oder sie kann eine gänzlich
unregelmäßige Form
annehmen.
-
Ferner
wurden in der obigen Beschreibung im wesentlichen Ausführungsformen
beschrieben, die auf der Zerstörung
eines eingebetteten Leiters 7 beruhen. Genauso gut lässt sich
die Erfindung aber auch umsetzen mit einem Sensor, bei dem die bewegliche
Masse 4 über
mindestens einen elektrischen Leiter 7 von dem Halterungsgestell 3 mechanisch
gehalten wird. Wenn dann die Auslenkung der beweglichen Masse 4 zu
groß wird,
d.h. die Beschleunigung einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet,
reißt
der mindestens eine elektrische Leiter 7, so dass eine
elektrische Verbindung unterbrochen wird. Dies wird über das
RFID-Modul nach außen
gemeldet, so dass man genauso wie bei den zeichnerisch dargestellten
Ausführungsformen
eine Information erhält,
die den physikalischen Zustand des Sensors wiedergibt.