DE102008058995B4

DE102008058995B4 - Autonomes Energieversorgungssystem für Gasbehälter

Info

Publication number: DE102008058995B4
Application number: DE200810058995
Authority: DE
Inventors: Marc Dierckx; Joachim Dr. Münzel
Original assignee: Messer Group GmbH
Current assignee: Messer SE and Co KGaA
Priority date: 2008-11-25
Filing date: 2008-11-25
Publication date: 2010-08-26
Anticipated expiration: 2028-11-26
Also published as: DE102008058995A1

Abstract

Energieversorgungssystem für Gasbehälter, mit einer Wandlereinheit (13, 36), die ein Piezoelement umfasst, mittels der beim Entspannen von im Gasbehälter (20) gespeichertem Gas elektrische Energie erzeugbar ist, wobei die Wandlereinheit (13, 36) und ein Batterie-Ladegerät wirkverbunden sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein Energieversorgungssystem für Gasbehälter, ein System zum Erfassen und Übermitteln von Daten unter dessen Einsatzes und einen Gasbehälter dafür. Die Belieferung und/oder Wiederbefüllung von insbesondere kleinen Kunden mit Gasbehältern, insbesondere Gasflaschen oder Tanks, in denen Gase im komprimierten oder tiefgekühlten Zustand gelagert werden, stellt die Gasversorger vor eine hohe logistische Herausforderung. Bevor beim Kundendienst des Gasversorgers neue Behälter oder die Befüllung eines vorhandenen Behälters geordert werden, warten viele Kunden in der Regel so lange, bis sich der Behälter vollständig oder fast vollständig geleert hat, und erwarten in der Folge eine rasche Lieferung. Um zu lange Wartezeiten beim Kunden zu vermeiden ist der Gasversorger daher gezwungen, sehr kurzfristig zu reagieren. Dies führt dazu, dass auch Lieferungen mit nur wenig beladenen Fahrzeugen ausgeführt werden müssen und demzufolge eine entsprechend große Fahrzeugflotte zu unterhalten ist. Dies ist nicht nur mit hohen Kosten für den Gasversorger, sondern auch mit erheblichen Umweltbelastungen verbunden. Zudem können selbst kurzzeitige Ausfälle bei der Versorgung mit Flaschengasen zu Produktionsausfällen und entsprechenden Kosten beim Kunden führen. Insofern besteht ein weites Bedürfnis die Flaschenlogistik zu verbessern und insbesondere den Bedarf zukünftiger Lieferungen frühzeitig zu erkennen. Weiterhin besteht bei den Gasversorgern der Wunsch, den Standort, die Füllung und/oder den Fülldruck der von ihm gelieferten Behälter jederzeit ermitteln zu können. Auch wäre es hilfreich, einen Behälterdefekt mittels einer geeigneten Sensorik zuverlässig aufzuspüren und den Kunden und/oder den Gasversorger hierüber möglichst rasch und umfassend auch über größere Entfernungen hinweg zu informieren.
Um Informationen über Gegenstände an Leitstellen zur Überwachung zu übermitteln, sind passive oder aktive Transponder bekannt, mit denen Informationen mittels geeigneter Lesegeräte abgerufen werden können. So werden beispielsweise bei Gütern, die in Leihbehältern geliefert werden, Barcode-Aufkleber eingesetzt, die Informationen über den Inhalt des Behälters, den Vertreiber oder den Kunden enthalten, und die vor der Auslieferung auf der Behälteroberfläche befestigt werden. Mithilfe eines Barcode-Scanners kann so die Information leicht abgerufen und einer Weiterverarbeitung zugeführt werden. Ein ähnliches Informationssystem besteht darin, die entsprechenden Informationen in einem Mikrochip zu speichern, der an dem Gegenstand befestigt wird. Die gespeicherte Information kann mittels geeigneter Lesegeräte erfasst werden.
Es sind auch Systeme bekannt, bei denen Betriebszustände mittels Sensoren erfasst und die Daten über eine Funkverbindung an eine Überwachungsstelle übermittelt werden. Die DE 10 2007 010 780 A1 beschreibt beispielsweise ein System zur Überprüfung des Zustandes von Fahrzeugreifen, bei denen im Reifen Sensoren verschiedene Parameter, wie beispielsweise Radlast oder Reifenluftdruck ermitteln. Die erfassten Daten werden kontinuierlich mittels RFID (Radiofrequenz-Identifikation) an eine im Fahrzeug befindliche Überwachungseinheit gesendet und dort automatisch mit Normwerten verglichen. Weichen die gemessenen Werte in sicherheitsrelevanter Weise von den Normwerten ab, wird automatisch ein Warnsignal an den Fahrzeugführer abgegeben.
Die RFID-Technologie hat sich auch bei der Sicherung und Verfolgung von Gütern in Logistiknetzen bewährt, da mittels der RFID-Technologie selbst einzelne Objekte berührungslos und eindeutig per Funk identifiziert werden können. So werden beispielsweise Produktverpackungen mit Mikrochip, Sensoren und Energiespeicher versehen. Mit Hilfe der Elektronik kann beispielsweise ein unrechtmäßiges Öffnen der Verpackung erkannt und elektronisch auf der Verpackung dokumentiert oder einer Leitstelle gemeldet werden ( DE 10 2005 019 064 A1 ). Aus der DE 10 2005 033 112 A1 ist ein auf der RFID-Technologie basierendes System zur automatischen Übergabe von Stückgütern zwischen einem Lager und einem Transportmittel bekannt.
Passive RFID-Transponder, deren Informationsinhalt erst durch Induktion eines äußeren Feldes abgerufen werden kann, haben den Nachteil einer geringen Reichweite von in der Regel nur wenigen Metern. Aktive RFID-Transponder benötigen zur Übermittlung der in ihnen enthaltenen Informationen eine Stromquelle und sind daher umso unsicherer, je weniger eine kontinuierliche Stromversorgung dauerhaft gewährleistet werden kann. Insbesondere bei langen Standdauern der zu überwachenden Güter besteht die Gefahr, dass die Stromquelle versiegt und ein Signal nicht mehr abgegeben werden kann. Erwünscht wären daher Systeme, die dauerhaft und zuverlässig betrieben werden können. Insbesondere für den Bereich, in dem Druckgasflaschen zum Einsatz kommen, besteht der Wunsch, für verschiedene logistische oder technische Fragestellungen im Zusammenhang mit dem Einsatz der Druckgasflaschen bestimmte Abläufe autonom von einer externen Energieversorgung oder einer begrenzten Energiespeichereinheit betreiben zu können.
Um das Problem der begrenzten Energieversorgung wenigstens bei einem Rei fenüberwachungssystem zu vermeiden, wurde in der DE 44 02 136 A1 vorgeschlagen, ein im Reifen integriertes aktives RFID-System mit einem Piezoelement zur Stromerzeugung zu kombinieren. Beim jedem Latschdurchlauf des Reifens liefert das Piezoelement einen der Verformung des das Piezoelement enthaltenden Reifenbereichs entsprechenden Strompuls, der zur Stromerzeugung der übrigen Systemkomponenten eingesetzt wird. Ein solches System ist freilich nur unter den speziellen Voraussetzungen der Überwachung umlaufender Reifen einsetzbar.
Außerdem ist noch folgender druckschriftlicher zum Stand der Technik bekannt: DE 10 2007 041 882 A1 , WO 2005/069414 A2 , US 2005/0158595 A1 , US 62 37 947 B1 und CA 24 63 652 A1 .
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher, ein autonom arbeitendes Energieversorgungssystem zu schaffen, das auf die speziellen Anforderungen des Einsatzes bei Gasbehältern zugeschnitten ist, in denen Gase unter Druck oder tiefkalt verflüssigt gelagert werden. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist auch, ein autonom arbeitendes System zur Überwachung und/oder Übermittlung von Daten zu schaffen, die in Zusammenhang mit dem Einsatz von Gasbehältern stehen, und einen Gasbehälter dazu anzugeben.
Gelöst ist diese Aufgabe bei einem Energieversorgungssystem für Gasbehälter und einen System zum Erfassen und Übermitteln von Daten sowie einem Gasbehälters mit den Merkmalen der Patenansprüche 1 und 8 sowie 17. Vorteilhafte Ausgestaltungen dazu sind in den Unteransprüchen genannt.
Das erfindungsgemäße Energieversorgungssystem für Gasbehälter weist also eine Wandlereinheit auf, mittels der beim Entspannen von im Gasbehälter gespeichertem Gas elektrische Energie erzeugt wird. Als „Gasbehälter” werden vorliegend alle Behälter zum Lagern von Gasen im komprimiert gasförmigen Zustand oder im tiefkalt verflüssigten Zustand verstanden. In die Lehre der Erfindung soll somit auch das Entspannen von Gas einbezogen werden, das zuvor beim Ver dampfen von im Behälter tiefkalt verflüssigt gelagertem Gas mittels eines Verdampfers auf einen erhöhten Druck gebracht wurde. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf die Erzeugung von Strom beim Einsatz des Behälters, also bei laufender Gasentnahme. Die elektrische Energie dient bevorzugt zur Versorgung von insbesondere elektronischen Bauelementen, die Daten, die mit dem Einsatz des Behälters in Verbindung stehen, erfassen und/oder übermitteln. Auf diese Weise können beispielsweise elektronische Sensorsysteme betrieben werden, die beispielsweise den aktuellen Fülldruck bzw. Füllstand des Behälters, den Behälterinhalt oder einen auftretenden Defekt, etwa eine Leckage, im Behälter selbst oder in einem an den Behälter angeschlossenen Verbrauchersystem erfassen. Derartige Erfassungssysteme können mit einem Anzeige- und/oder einem Übertragungssystem in Datenverbindung stehen, mit dem solcherart erfasste Daten Bedienungspersonal angezeigt oder einer Leitstelle mitgeteilt werden können. Auch das Anzeige- und/oder das Übertragungssystem kann von dem erfindungsgemäßen Energieversorgungssystem mit Strom versorgt werden.
Bevorzugt ist die Wandlereinheit mit einem Gaskanal wirkverbunden, der mit dem im Behälter gespeicherten Gas im Strömungsverbindung steht. Das im Druckgasbehälter unter Druck stehende Gas wird auf seinem Weg durch den Gaskanal entspannt und die dabei freiwerdende Energie zum Teil in elektrische Energie umgewandelt. Entsprechendes gilt für tiefkalt verflüssigt gelagertes Gas, das nach seiner Verdampfung in einem Verdampfer unter Druck steht und anschließend zur Versorgung eines Verbrauchers entspannt wird.
Der Gaskanal ist in einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung in einer sich direkt am Behälter oder in einer an den Behälter angeschlossenen oder sich an einen Verdampfereinheit anschließenden Armatur vorgesehen. Bei der Armatur handelt es sich beispielsweise um eine am Behälter montierte Entnahmearmatur. Da eine solche Entnahmearmatur für den Einsatz des Behälters ohnehin erforderlich ist, ist diese Ausgestaltung der Erfindung besonders wirtschaftlich.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass als Gaskanal der Strömungsweg des aus dem Behälter entnommenen Gases innerhalb der Entnahmearmatur vorgesehen ist. Als „Strömungsweg” sind dabei die in der Entnah mearmatur vorgesehenen Durchführungen zu verstehen, durch die das Gas bei der Entnahme, gegebenenfalls nach seiner Verdampfung, geführt wird. In diesem Fall ist also kein separater Gaskanal für das erfinddungsgemäße Energieerzeugungssystem erforderlich.
In einer Alternative zur vorgenannten Ausführungsform ist als Gaskanal ein Mikrokanal vorgesehen, der den Strömungsweg des aus dem Behälter entnommenen Gases in der Entnahmearmatur mit der Außenumgebung verbindet. Als „Mikrokanal” wird hier ein Gaskanal verstanden, bei dem die durch ihn pro Zeiteinheit hindurch tretende Gasmenge klein gegenüber dem einem Verbraucher zugeleiteten Gasstrom ist. Beispielsweise liegt der durch einen solchen Mikrokanal hindurch geführte Gasstrom bei weniger als einem Prozent, bevorzugt unter einem Promille des dem Verbraucher zugeleiteten Gasstroms. Diese Alternative hat den Vorteil, dass eine Entspannung des Gases stetes auf Umgebungsdruck erfolgt und nicht abhängig von den Druckanforderungen im Verbraucher sind, weist zugleich jedoch den Nachteil auf, dass ein, wenn auch kleiner Teil des Gases ungenutzt in die Umgebung entweicht.
Vorteilhafterweise wirkt die Wandlereinheit mit einem Batterie-Ladegerät zusammen, aus dem eine wiederaufladbaren Batterie gespeist wird. Bei dieser Ausführungsform der Erfindung dient die Stromerzeugung also in erster Linie der Aufladung der Batterie, die in der Folge Strom unabhängig davon liefern kann, ob eine Gasentnahme erfolgt oder nicht.
Um den Gasverbrauch zu senken ist es vorteilhaft, dass der Gaskanal derart in der Entnahmearmatur angeordnet ist, dass beim Absperren des Behälters durch die Entnahmearmatur im Gaskanal kein Gas fließt.
Als besonders vorteilhaft erweist sich, wenn die Wandlereinheit ein Piezoelement umfasst. Das Piezoelement wandelt Schwingungen oder Druckpulse, die bei der Durchleitung von Gas durch den Gaskanal praktisch immer auftreten, in elektrischen Strom um. So kann das Piezoelement beispielweise eine schwingungsfähige Membran oder eine schwingungsfähige Zunge aufweisen, die im Gaskanal angeordnet ist, also beispielsweise in der Gasdurchführung der Entnahmearmatur, und die bei der Gasentnahme in Schwingungen versetzt wird. Ein hierzu geeignetes Piezosystem ist beispielsweise ein piezoelektrisches Mikrostromerzeugungsgerät (PMPG, „Piezoelectric Micro Power Generator”), der als Halbleiterelement ausgebildet ist und nur ein geringes Volumen beansprucht. Ein Beispiel für ein derartiges PMPG ist beipielsweise in dem Artikel: Wonjae Choi, Robert Xia, John Brewer, Sang Gook Kim: „Piezoelectric Micro Power Generator: A MEMS-based Portable Power Device” in: MTL Annual Report 2005, Seite 202 (zitiert nach www.mtl.mit.edu) beschrieben.
Alternativ oder ergänzend zum Piezoelement umfasst die Wandlereinheit einen Thermogenerator. Als Thermogenerator dient beispielsweise ein Thermoelement oder eine Anordnung aus mehreren miteinander verschalteten Thermoelementen. Der Thermogenerator erzeugt elektrischen Strom aus der Temperaturdifferenz zwischen einer Referenztemperatur, beispielsweise der Umgebungstemperatur, und der Temperatur des durch den Gaskanal ausströmenden Gases, das infolge seiner adiabatischen Entspannung stark abgekühlt ist. Diese Variante ist insbesondere auch beim Einsatz von tiefkalt verflüssigt gelagerten Gasen von Vorteil, da hier für den Thermogenerator im Prinzip direkt die Temperaturdifferenz zwischen der Referenztemperatur und der Temperatur des verflüssigten Gases genutzt werden kann, ohne dass es einer Entspannung des Gases bedarf. Jedoch ist die Temperatur nach Verdampfung und anschließender Entspannung eines zuvor tiefkalt verflüssigten Gases in der Regel sehr viel niedriger als die Umgebungstemperatur, sodass eine für die Stromversorgung elektronischer Verbraucher hinreichende Temperaturdifferenz gewährleistet werden kann.
Um die die Leistung des Thermogenerators zumindest im Falle von unter Druck gelagerten Gasen zu erhöhen, ist zweckmäßigerweise im Gaskanal eine Venturidüse angeordnet, in dessen Bereich den Thermogenerator abgreift.
Ein bevorzugter Einsatzzweck der Erfindung ist ein System zum Erfassen und Übermitteln von Daten unter Einsatz eines erfindungsgemäßen Energieerzeugungssystems. Ein solches System ist mit einer Datenerfassungseinheit, einer mit der Datenerfassungseinheit verbundenen Datenübertragungseinheit zum Übermitteln der von der Datenerfassungseinheit übermittelten Daten an eine Leitstelle und mit Mitteln zum Versorgen der Datenerfassungseinheit und/oder der Datenübertragungseinheit mit elektrischer Energie aus dem Energieerzeugungssystem ausgerüstet. Durch das integrierte Energieversorgungssystem wird eine zuverlässige Energieversorgung der elektronischen Bauelemente gewährleistet. Ein Ausfall der Elektronik aufgrund leergelaufener Batterien wird so sicher vermieden. Die Datenerfassungseinheit umfasst beispielsweise Mittel zum Erfassen behälterbezogener Daten, wie beispielsweise des Fülldruckes oder Füllstandes des Behälters, der Zusammensetzung des dem Behälter entnommenen Gases und/oder Mittel zum Erfassen des Ortes der Druckgasflasche, etwa über einen GPS-Empfänger.
Als vorteilhafte Datenübertragungseinheit dient eine Funkübertragungseinheit zum direkten oder indirekten Funkfernübertragen der von der Datenerfassungseinheit übermittelten Daten an eine Leitstelle. Die von der Datenerfassungseinheit ermittelten Werte werden also per Funk an eine Leitstelle übertragen, in der die Daten anschließend verarbeitet werden. Der Begriff „Leitstelle” ist hier sehr allgemein zu verstehen und umfasst sowohl ein umfangreiches Kontrollzentrum also auch eine Anzeigeeinheit, mittels der die Daten einem Benutzer angezeigt werden. Die Daten werden direkt oder indirekt übermittelt. Bei der direkten Übermittlung erfolgt eine Übertragung der Daten von der Datenübertragungseinheit per Funk unmittelbar an die Leitstelle; bei der indirekten Übertragung erfolgt die Übermittlung innerhalb eines Datennetzes zunächst an einen Knoten, von dem aus die Daten auf eine weitere DFÜ(Datenferübertragung)-Einheit übertragen und dann weitergeleitet werden. So können beispielsweise die Daten, die von mehreren an einem Standort eines Kunden aufgestellten Behälter gesendet werden, zunächst an einen zentralen, fest beim Kunden installierten und an das Stromnetz angeschlossenen Knoten übertragen und von diesem per Funk oder über ein festes Datennetz, etwa über Internet, an die Leitstelle übertragen werden.
Vorteilhafterweise umfasst die Funkübertragungseinheit einen WLAN- oder einen Bluetooth-Adapter für eine Kommunikation über ein WLAN- oder Bluetooth-Netz. Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Funkübertragungseinheit einen RFID-Transponder umfasst. Durch den Einsatz der RFID-Technik lassen sich individualisierbare Informationen einzelner Behäl ter per Funk übertragen. Es ist der Leitstelle somit leicht möglich, die Informationen dem entsprechenden Behälter zuzuordnen und gegebenenfalls zu reagieren.
Eine abermals zweckmäßige Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Funkübertragungseinheit mit einem Telefondienst in Datenaustausch bringbar ist und die Übertragung der Daten in einem Mobilfunkstandard, beispielsweise im GSM oder UMTS-Standard erfolgt. Auf diese Weise kann die Übertragung der Daten beispielsweise als Kurzmitteilung (SMS) an die Leitstelle oder an ein Mobiltelefon eines Außendienst-Mitarbeiters des Gasversorgers gesendet werden.
Bevorzugt ist die Datenerfassungseinheit mit Mitteln zum Erfassen des Fülldruckes bzw. des Füllstandes des Behälters wirkverbunden. Als Mittel zum Erfassen des Fülldruckes kommt insbesondere das zur Energieversorgung eingesetzte Piezoelement oder der Thermogenerator selbst in Betracht. Die bei der allmählichen Entleerung des Behälters einsetzende Verringerung der Druckdifferenz drückt sich in einer Veränderung der vom Piezoelement aufgenommenen Schwingungen bzw. in einer Veränderung der vom Thermogenerator erfassten Temperaturdifferenz aus. Diese Änderung kann unmittelbar dazu genutzt werden, eine Information über den Fülldruck bzw. den noch im Behälter herrschenden Überdruck zu gewinnen, es bedarf keines eigenen Sensors zur Füllstandserfassung.
Die Funkübertragungseinheit kann zweckmäßigerweise kontinuierlich, in vorbestimmten Abständen oder in Abhängigkeit eines vorherbestimmten Ereignisses Signale an die Leitstelle absenden. So kann der Funkübertragungseinheit ein Mikrochip zugeordnet sein, in der bestimmte Sollwerte für die von der Datenerfassungseinheit übermittelten Daten hinterlegt sind. Erst bei einer Abweichung von den Sollwerten wird ein entsprechendes Signal an die Leitstelle abgesendet. Beispielsweise wird ein Signal dann abgesendet, wenn der Fülldruck des Behälters einen bestimmten, vorgegebenen Wert unterschreitet. Die Leitstelle kann dann frühzeitig entsprechende logistische Maßnahmen anordnen, um den Behälter zu befüllen oder gegen einen vollen Behälter auszutauschen.
Um auch die sichere Übertragung von Funkdaten über sehr große Reichweiten zu gewährleisten kann es sich als vorteilhaft erweisen, wenn das System der Daten erfassung und der Datenübertragung in ein hierarchisches Netzwerk von Datenübermittlungseinheiten integriert ist. Auf diese Weise können etwa Daten von einzelnen Behältern über eine kurze Distanz an einen Knoten übermittelt werden, der an ein festes Datennetz angeschlossen ist oder über einen starken Sender zur Funkübertragung verfügt.
Die erfindungsgemäße Lehre umfasst auch eine Entnahmeeinheit für einen Gasbehälter nach Anspruch 17, insbesondere für eine Druckgasflasche, die mit einen Energieversorgungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8 und/oder einem System zum Erfassen und Übermitteln von Daten nach einem der Ansprüche 9 bis 16 ausgerüstet ist. Der Begriff der „Entnahmeeinheit” soll hier insbesondere alle Arten von Gasflaschenventilen für Druckgasflaschen umfassen.
Anhand der Zeichnungen sollen nachfolgend Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert werden. In schematischen Ansichten zeigen:
1: Eine Energieversorgungseinheit und eine daran angeschlossene Einheit zur Datenerfassung und -übermittlung,
2: Den Ausschnitt einer Entnahmearmatur für Druckgasflaschen mit eingebauter Energieversorgungseinheit und eingebauter Einheit zur Datenerfassung und Datenübermittlung, und
3: Ein hierarchisches Netzwerk von Einheiten zur Datenerfassung und -übermittlung.
Die in 1 gezeigte Einheit 1 zur Datenerfassung und -übermittlung weist vier auf einer Platine 2 montierte elektronische Bauelemente auf, und zwar einen aktiven Radiofrequenz-Identifikations-Transponder 3 (Funkübertragungseinheit)(RFID-Transponder), einen Mikroprozessor (Datenerfassungseinheit) 4, eine wiederaufladbare Batterie 5 und ein Batterie-/-Ladegerät 6. Die Batterie 5 dient zur Stromversorgung des RFID-Transponders 3 und des Mikroprozessors 4 über Stromversorgungsleitungen 8, 9. Die Batterie 5 wird über eine Ladeleitung 11 vom Ladegerät 6 aufgeladen. Hierzu ist das Ladegerät 6 über eine Stromversorgungsleitung 12 mit einer Energieversorgungseinheit 13 verbunden.
Bei der Energieversorgungseinheit (Energieerzeugungseinheit) 13 handelt es sich beispielsweise um ein Piezoelement oder um einen Thermogenerator. Die Energieversorgungseinheit 13 dient dazu, die bei der Entspannung eines Gases, das einem (in 1 nicht gezeigten) Gasbehälter entnommen wurde, freiwerdende Energie teilweise in elektrische Energie umzuwandeln, wie weiter unten näher erläutert werden wird. Bei einem Piezoelement werden durch den Gasstrom induzierte mechanische Veränderungen zur Stromerzeugung genutzt, beispielsweise eine durch das vorbeiströmende Gas hervorgerufene Vibration einer schwingfähige Membran oder Zunge. Bei einem Thermogenerator wird die durch die adiabatische Entspannung hervorgerufene Temperaturdifferenz zwischen dem sich abkühlenden, ausströmenden Gas und einer festen Referenztemperatur, beispielsweise der Umgebungstemperatur ausgenutzt, um Strom zu erzeugen. Die von der Energieerzeugungseinheit 13 durch die Stromversorgungsleitung 12 geleiteten Ströme werden im Ladegerät 6 in Ladestrom für die Batterie 5 umgewandelt und über die Ladeleitung 11 der Batterie 5 zugeführt.
Zugleich können aufgrund der Charakteristik der von der Energieversorgungseinheit 13 erzeugten Ströme Informationen über bestimmte Parameter des Gases gewonnen werden. Umfasst beispielsweise die Energieversorgungseinheit 13 ein Piezoelement mit einer schwingfähigen Membran, so ist die Frequenz der Schwingung der schwingenden Membran von der Geschwindigkeit des vorbeiströmenden Gases abhängig. Während der Gasentnahme verringert sich, aufgrund des abnehmenden Drucks im Gasbehälter oder einer Gaszuleitung, die Geschwindigkeit des austretenden Gases und folglich auch die Frequenz der Schwingung der Membran. Folglich stellt die Frequenz der Schwingung der Membran einen Parameter dar, der auch vom Druck im Behälter abhängt. Bei Vornahme einer geeigneten Kalibrierung kann der Druck direkt aufgrund der Schwingungsfrequenz der Membran bestimmt werden. Weist die Energieerzeugungseinheit 13 einen Thermogenerator auf, führt die Verringerung des Drucks im Gasbehälter oder der einer Gaszuleitung zu einer Reduktion der Temperaturdifferenz bei der Entnahme des Gases und somit zugleich auch zu einer Verringerung der anliegenden Spannung. Aus dem Spannungsverlauf am Thermoelement können somit Rückschlüsse über den Fülldruck im Druckgasbehälter gezogen werden.
Derartige, gasbezogene Informationen werden über eine Datenleitung 14 dem Mikroprozessor 4 zugeleitet. Im Mikroprozessor 4 werden die gemessenen Werte mit eingegebenen Sollwerten verglichen oder nach einem vorgegebenen Programm verarbeitet. Bei Vorliegen einer bestimmten logischen Bedingung, beispielsweise, wenn die gemessenen Werte der Frequenz auf einen Druck hinweisen, der einen bestimmten Mindestfülldruck unterschreitet, übermittelt der Mikroprozessor über eine weitere Datenleitung 15 eine Information an den RFID-Transponder 3, der daraufhin mittels eingebauter Antenne 16 ein Funksignal 17 an eine Leitstelle 18 oder einen Knoten übermittelt. Nach Erhalt der Information kann die Leitstelle entsprechend reagieren und – im Falle der Information über einen nur noch geringen Restdruck im Behälter, logistische Maßnahmen zur Widerbefüllung oder zum Austausch des Behälters vorbereiten. Im Rahmen der Erfindung können darüber hinaus auch – hier nicht gezeigt – zusätzliche Sensoren vorgesehen sein, die bestimmte Parameter des Gases, des Behälters oder der Anordnung insgesamt messen und die ebenfalls von der Batterie 5 mit Strom versorgt werden. Beispielsweise kann ein solcher Sensor den Öffnungszustand einer Entnahmearmatur erfassen, oder die Zusammensetzung des Gases, oder das Vorliegen eines bestimmten Betriebszustands. Ebenso ist es im Rahmen der Erfindung möglich, anstelle eines Datenfernübertragungssystems oder ergänzend zu diesem Anzeigeelemente vorzusehen, mit denen vor Ort das Vorliegen bestimmter Zustände angezeigt werden. Beispielsweise könnte der Mikroprozessor mit einer LCD-Anzeigeeinheit verbunden sein, an der die jeweiligen Daten direkt vor Ort abgelesen werden können.
2 zeigt ausschnittsweise einen Behälter, im Ausführungsbeispiel eine Gasflasche (Gasbehälter, Behälter) 20, mit Entnahmearmatur 21, bei der eine Anordnung der in 1 gezeigten Art vorgesehen ist. Die Entnahmearmatur 21 ist in an sich bekannter Weise mit einem konischen Gewinde 22 in ein entsprechendes Gewinde der Gasflasche 20 eingeschraubt und mit einer zentralen Bohrung 24 versehen. Von der zentralen Bohrung 24 zweigt eine seitliche Bohrung 25 ab, die in einen gleichfalls mit einem Gewinde versehenen Austrittsstutzen 26 ausmündet, der zum Anschließen eines Gasverbrauchers bestimmt ist. In der zentralen Bohrung 24 ist ein Verschlussstück 28 angeordnet, das sich im Schließzustand der Entnahmearmatur 21 unter der Kraft einer Druckfeder 29 von einem Ventilsitz 31 dichtend abstützt. Die Entnah mearmatur 21 ist mit einem Handrad 32 ausgerüstet, das mit einer Gewindespindel 33 zusammenwirkt. Die Gewindespindel 33 umgreift eine mit dem Verschlussstück (Ventilsitz) 31 verbundene Spindel 34. Durch Betätigen des Handrads 32 wird die Spindel 34 und damit das Verschlussstück 28 gegen die Wirkung der Druckfeder 29 angehoben und die Entnahmearmatur 21 damit geöffnet, womit Gas aus der Gasflasche 20 durch die zentrale Bohrung 24 in die seitliche Bohrung 25 und von dort zu einem Gasverbraucher strömt. Derartige Ventile sind seit langer Zeit bekannt und beispielsweise in der DE 11 98 628 A beschrieben.
Die in 2 gezeigte Entnahmearmatur 21 unterscheidet sich jedoch von Entnahmearmaturen nach dem Stande der Technik dadurch, dass in der zentralen Bohrung 24 eine Energieversorgungseinheit 36 eingebaut ist. Die Energieversorgungseinheit 36 umfasst ein Piezoelement, das mit einem in die zentrale Bohrung 25 hineinragenden schwingungsfähigen Element 37, beispielsweise einer Zunge oder einer Membran ausgerüstet ist, und dessen Schwingungen vom Piezoelement in elektrische Energie umgewandet werden. Beispielsweise umfasst die Energieversorgungseinheit 36 ein piezoelektrisches Mikrostromerzeugungsgerät (PMPG), das als geringvolumiges Halbleiterelement ausgebildet ist. Beim Betätigen des Handrads 32 strömt Gas aus dem Behälter mit hoher Geschwindigkeit durch die zentrale Bohrung 24 der Entnahmearmatur 21. Dadurch wird das schwingungsfähige Element 37 zu Schwingungen angeregt, aus denen das in der Energieversorgungseinheit 36 enthaltene Piezoelement Strom erzeugt. Von der Energieversorgungseinheit 36 aus führt eine Strom(versorgungs)leitung 38, die durch eine druckfest abgedichtete Durchführung 39 durch das Ventilgehäuse hindurch geführt ist, zu einer Datenerfassungs- und -übermittlungseinheit 40. Die Datenerfassungs- und -übermittlungseinheit 40 entspricht der in 1 gezeigten Art und enthält einen aktiven RFID-Transponder, einen Mikroprozessor, eine wiederaufladbare Batterie und ein Ladegerät und wird in der oben beschriebenen Weise von der Energieversorgungseinheit 36 mit elektrischem Strom versorgt.
Sofern die in der Datenerfassungs- und -übermittlungseinheit 40 enthaltene Batterie nicht im vollen Ladezustand ist, wird dieser Strom vorwiegend dazu genutzt, über das Ladegerät die Batterie aufzuladen. In Abhängigkeit von der Geschwindigkeit des durch die zentrale Bohrung 24 hindurchströmenden Gases ändert sich die Frequenz der Schwingung des schwingungsfähigen Elements 37 und damit die Charakteristik des vom Piezoelement erzeugten Stromes. Dieser Umstand kann in der bereits oben beschriebenen Weise dazu genutzt werden, eine Information über den Fülldruck im Behälter 20 zu gewinnen. Der in der Datenerfassungs- und -übermittlungseinheit 40 eingebaute Mikroprozessor leitet aus dem eingehenden Stromsignal eine Information über den Füllzustand des Druckgasbehälters ab, die er an den RFID-Transponder weitergibt. Über eine Antenne 41 des RFID-Transponders werden die Daten per Funk einer Leitstelle übermittelt. Anstelle eines Piezoelements kann im Übrigen auch ein Thermogenerator vorgesehen sein, dass aus der Temperaturdifferenz im Innern der zentralen Bohrung 24 und beispielsweise der Umgebungstemperatur Strom erzeugt. In diesem Fall ist durch die Durchführung 39 eine Leitung des Thermogenerators geführt, über die die Temperatur der Umgebung abgegriffen wird.
Die In 2 gezeigte Ausführungsform der Erfindung bezieht sich auf die Erzeugung von Strom bei einer Entnahmearmatur für Druckgase. In ganz entsprechender Weise kann eine Energieerzeugungseinrichtung auch in einer Armatur vorgesehen sein, die sich an den Verdampfer eines tiefkalt verflüssigt gelagerten Gases anschließt.
3 zeigt eine Anordnung, bei die Daten mehrere Datenerfassungs- und -übermittlungseinheiten 43 nicht direkt einer Leitstelle 44 übermittelt werden, sondern über Vermittlung eines Knotens 45. Der Knoten 45 kann dabei beispielsweise auch am Standort der den Datenerfassungs- und -übermittlungseinheiten 43 zugeordneten Gasbehälter installiert und über ein DFÜ-Netz 46, etwa dem Telefon-Festnetz oder einem Mobilfunknetz, mit der Leitstelle 44 verbunden sein. In diesem Falle genügt eine nur geringe Reichweite der Signale, die von den Datenerfassungs- und -übermittlungseinheiten 43 ausgesendet werden, um eine zuverlässige Übermittlung der Daten an die Leitstelle 44 zu gewährleisten.
Die Erfindung ist für eine Vielzahl von Anwendungen geeignet, bei denen im Zusammenhang mit dem Einsatz von Gasbehältern für die Lagerung von Druckgasen oder tiefkalt verflüssigten Gasen die Erzeugung kleiner Ströme wünschenswert oder erforderlich ist. Insbesondere eignet es sich zur Stromversorgung für elektronische Bauelemente, mit denen bestimmte Funktionen oder Parameter, die in Zusammenhang mit dem Betreib des Gasbehälters stehen, erfasst werden. Beispielsweise handelt es sich bei solchen elektronischen Elementen um eine Fern-Fülldruckskontrolle oder um Elemente, die, mit einer zusätzlichen, hierzu geeigneten Sensorik, eine Messung der Zusammensetzung des Gases im Behälter oder die Ortung der Flasche, beispielsweise über ein GPS-System erlauben.

1: Einheit zur Datenerfassung und -übermittlung
2: Platine
3: RFID-Transponder/Funkübertragunseinheit
4: Mikroprozessor/Datenerfassungseinheit
5: Batterie
6: Ladegerät/Batterie-ladegerät
7
8: Stromversorgungsleitung
9: Stromversorgungsleitung
10
11: Ladeleitung
12: Stromversorgungsleitung
13: Energieversorgungseinheit/Energieerzeugungseinheit
14: Datenleitung
15: Datenleitung
16: Antenne
17: Funksignal
18: Leitstelle
19: Sensor
20: Gasbehälter/Gasflasche/Behälter
21: Entnahmearmatur
22: konisches Gewinde
23
24: zentrale Bohrung
25: seitliche Bohrung
26: Austrittsstutzen
27
28: Verschlussstück
29: Druckfeder
30
31: Ventilsitz
32: Handrad
33: Gewindespindel
34: Spindel
35
36: Energieversorgungseinheit
37: Schwingungsfähiges Element
38: Stromleitung
39: Durchführung
40: Datenerfassungs- und übermittlungseinheit
41: Antenne
42
43: Datenerfassung- und -übermittlungseinheit
44: Leitstelle
45: Knoten
46: DFÜ-Netz

Claims

Energieversorgungssystem für Gasbehälter, mit einer Wandlereinheit (13, 36), die ein Piezoelement umfasst, mittels der beim Entspannen von im Gasbehälter (20) gespeichertem Gas elektrische Energie erzeugbar ist, wobei die Wandlereinheit (13, 36) und ein Batterie-Ladegerät wirkverbunden sind.
Energieversorgungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandlereinheit (13, 36) mit einem mit dem im Behälter (20) gespeicherten Gas im Strömungsverbindung stehenden Gaskanal (24) wirkverbunden ist.
Energieversorgungssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Gaskanal (24) in einer am Behälter (20) oder an eine dem Behälter zugeordnete Verdampfereinheit angeschlossenen Armatur, insbesondere einer Entnahmearmatur (21) vorgesehen ist.
Energieversorgungssystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Gaskanal der Strömungsweg (24, 25) des aus dem Behälter (20) entnommenen Gases innerhalb der/einer Entnahmearmatur (21) vorgesehen ist.
Energieversorgungssystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Gaskanal ein den Strömungsweg (24, 25) des aus dem Behälter (20) entnommenen Gases in der/einer Entnahmearmatur mit der Außenumgebung verbindender Mikrokanal vorgesehen ist.
Energieversorgungssystem nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Gaskanal (24) derart in der/einer Entnahmearmatur (21) angeordnet ist, dass beim Absperren des Behälters (20) durch die Entnahmearmatur (21) im Gaskanal (24) kein Gas fließt.
Energieversorgungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandlereinheit (13, 36) einen Thermogenerator umfasst.
Energieversorgungssystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass im Gaskanal (24) eine Venturidüse angeordnet ist, in dessen Bereich der Thermogenerator abgreift.
System zum Erfassen und Übermitteln von Daten unter Einsatz eines Energieversorgungssystems nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einer Datenerfassungseinheit (4), einer mit der Datenerfassungseinheit (4) verbundenen Datenübertragungseinheit zum Übermitteln der von der Datenerfassungseinheit (4) übermittelten Daten an eine Leitstelle und mit Mitteln (5, 6) zum Versorgen der Datenerfassungseinheit (4) und/oder der Datenübertragungseinheit mit elektrischer Energie aus dem Energieerzeugungssystem.
System nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass als Datenübertragungseinheit eine Funkübertragungseinheit (3) zum direkten oder indirekten Funkfernübertragen der von der Datenerfassungseinheit (4) übermittelten Daten an eine die Datenverarbeitungseinheit enthaltende Leitstelle (18, 44).
System nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Funkübertragungseinheit (3) einen WLAN- oder einen Bluetooth-Adapter für eine Kommunikation über ein WLAN- oder Bluetooth-Netz umfasst.
System nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Funkübertragungseinheit (3) einen aktiven RFID-Transponder umfasst.
System nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Funkübertragungseinheit (3) mit einem Telefondienst in Datenaustausch bringbar ist und die Übertragung der Daten in einem Mobilfunkstandard, wie GSM- oder UMTS-Standard erfolgt.
System nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Datenerfassungseinheit (4) mit Mitteln (13, 36) zum Erfassen des Fülldruckes oder Füllstandes des Gasbehälters (20) wirkverbunden ist.
System nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Funkübertragungseinheit (3) Signale kontinuierlich, in vorbestimmten Abständen oder in Abhängigkeit eines vorherbestimmten Ereignisses an die Leitstelle (18, 44) absendet.
System nach einem der Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Funkübertragungseinheit (3) in ein hierarchisches Netzwerk von Datenübermittlungseinheiten (43, 44, 45) integriert ist.
Gasbehälter, insbesondere Druckgasflasche, mit einen Energieversorgungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8 und/oder einem System zum Erfassen und Übermitteln von Daten nach einem der Ansprüche 9 bis 16.