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Die Erfindung betrifft einen Sensor zur Detektion eines Überschreitens eines vorgegebenen Grenzwertes für eine Beschleunigung, der in vorteilhafter Weise z. B. zur Überwachung des Transports zerbrechlicher Güter anwendbar ist.
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Stoßvorgänge, wie sie zum Beispiel beim Transport von Gütern auftreten können, führen zu kurzzeitigen, sehr großen Beschleunigungen, die aber in der Regel innerhalb weniger hundert Millisekunden abklingen. Die kontinuierliche Überwachung der auf eine Transportkiste einwirkenden Beschleunigungen, die für einen Transport von z. B. zerbrechlichen Gütern oder stoßempfindlichen Produkten (Glas, Keramik, Medikamente, Chemikalien usw.) eingesetzt wird, ist von wirtschaftlichem und, je nach Anwendung, von sicherheitstechnischem Interesse. Während Herstellung, Transport oder Einsatz existieren meist spezifische Vorgaben einzuhaltender Grenzwerte der Kraft- oder Stoßeinwirkungen sowie dementsprechend zugehöriger maximaler Beschleunigungswerte, sodass in diesen Fällen die Detektion einer Beschleunigungsgrenzwertüberschreitung notwendig ist. Eine Verletzung dieses vorgegebenen Grenzwertes, z. B. aufgrund eines Herunterfallens der Transportkiste, kann zur Beeinträchtigung der Qualität oder einer vollständigen Zerstörung der in der Kiste gelagerten Güter führen.
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Sensoren zur Detektion eines Grenzwertes, sog. Grenzwertsensoren, können auf einer irreversiblen Änderung einer messbaren physikalischen Größe, beispielsweise des elektrischen Widerstandes, basieren. Aufgrund der irreversiblen Änderung wird eine einmalig vorliegende Grenzwertüberschreitung zeitlich unbegrenzt gespeichert. Aus demselben Grund sind derartige Sensoren nur einmalig einsetzbar, sodass eine kostengünstige und technisch einfache Lösung erstrebenswert ist.
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Zur Beschleunigungsgrenzwertüberwachung sind Sensorelemente bekannt, die für die kontinuierliche Überwachung der Einhaltung vorgegebener maximaler Beschleunigungsgrenzwerte das Prinzip der „trägen Masse“ (beschrieben durch das Zweite Newtonsche Gesetz) ausnutzen.
DE 748 408 A und
US 3,167,965 A zeigen jeweils eine Vorrichtung, bestehend aus einem oder mehreren auf einer Grundplatte aufgebrachten spröden oder bleibend verformbaren Stäbe. Wird diese Vorrichtung einem Stoß, d. h. einer hohen Beschleunigung, ausgesetzt, so zerbrechen die Stäbe oder verformen sich plastisch. Bei Verwendung einer Mehrzahl von Stäben können diese derart gestaltet sein, dass jedem Stab ein anderer Beschleunigungsgrenzwert zugeordnet werden kann.
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Zur Auswertung erfordern solche auf dem Prinzip der „trägen Masse“ basierende Beschleunigungsgrenzwertsensoren einen optischen Zugang bzw. Sichtzugang zu dem Sensor, wobei z. B. eine optische Sichtkontrolle durch einen menschlichen Beobachter vorgesehen ist.
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Aus
WO 98/09 174 A1 ist ein Beschleunigungsgrenzwertsensor bekannt, der eine über eine Sollbruchstelle mit einer Trägereinrichtung verbundene Masse aufweist. Bei Einwirken einer Beschleunigung auf die Masse wird nach Überschreiten des vorgegebenen Beschleunigungsgrenzwertes die Verbindung zwischen der Masse und der Trägereinrichtung irreversibel unterbrochen, wobei hier eine Auswertung durch eine elektrische Widerstandsmessung möglich ist, d. h., ein optischer Zugang zu dem Sensor ist entbehrlich.
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Ein Nachteil aller dieser Beschleunigungsgrenzwertsensoren ist, dass sie eine Beschleunigung bzw. deren Grenzwertüberschreitung nur in einer vorgegebenen Richtung erfassen können, da die zum Verbiegen bzw. Zerbrechen notwendige Beschleunigung bzw. Massenträgheits-Kraft von der Richtung abhängt, in der sie auf den Sensor einwirkt. Somit ist für jede zu erfassende Richtung jeweils ein separates Sensorelement notwendig.
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Bekannt sind auch die kommerziell verfügbaren Einweg-Beschleunigungsgrenzwertsensoren der Firma Shockwatch Corporate, USA, die jedoch ebenfalls eine ausgeprägte Richtungsabhängigkeit aufweisen.
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Ein Stoßsensor zur optischen Detektion von Erschütterungen und Stößen an empfindlichen Geräten bzw. Frachtgut ist in
DE 10 2005 021 914 A1 beschrieben. Dieser besteht aus einer mit Glaskugeln gefüllten, durchsichtigen Kapsel, die am zu überwachenden Gerät oder Frachtgut angeklebt ist. Die Glaskugeln weisen eine farbige und druckempfindliche explosive Beschichtung auf. Bei Erschütterungen verbrennt diese und ändert ihre Farbe.
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen Sensor zum Erfassen einer Grenzwertüberschreitung einer Beschleunigung bereitzustellen, wobei die Erfassung unabhängig von der Richtung der Beschleunigung und unabhängig von einer Energieversorgung erfolgen soll. Zusätzlich soll der Sensor wartungsfrei sowie kostengünstig herstell- und betreibbar sein, wobei das Auslesen des Sensors elektrisch und zu einem beliebigen Zeitpunkt möglich sein soll.
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Die Aufgabe der Erfindung wird mit einem Sensor zur Erfassung des Überschreitens eines Beschleunigungsgrenzwertes gemäß der Merkmale nach Anspruch 1 gelöst; zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindungen ergeben sich aus den Ansprüchen 2 bis 9.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, das Überschreiten eines Beschleunigungsgrenzwertes durch die Explosion eines Explosivstoffes mit hoher Schlagempfindlichkeit, d. h. der schon bei einem Schlag bzw. einer Stoßeinwirkung mit einer Schlagenergie von weniger als 40 Joule explodiert, zu erfassen.
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Die Auswertung, d. h. die Überprüfung, ob eine Explosion stattgefunden hat (und damit eine unzulässige Beschleunigung), erfolgt mittels elektrischem Strom, der durch einen mit dem Explosivstoff in mittel- oder unmittelbarem Kontakt stehenden elektrischen Leiter, z. B. ein Draht, ein Kabel oder eine elektrisch leitfähige Schicht, im Folgenden „Leiterbahn“ genannt, geschickt wird. Die Abmessungen des Querschnitts (z. B. Dicke und/oder Breite) dieser Leiterbahn sind derart gewählt, dass sie durch eine Explosion lokal zerstört, d. h. unterbrochen, wird.
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Indem im Falle einer durch eine Stoßeinwirkung ausgelösten Explosion des Explosivstoffs die Leiterbahn lokal zerstört wird, zeigt ein hoher elektrischer Widerstand der Leiterbahn ihre Unterbrechung und somit das Überschreiten das Beschleunigungsgrenzwertes an. Umgekehrt ist ein Stromfluss durch die Leiterbahn, d. h. ein niedriger elektrischer Widerstand, eine Anzeige für das Unterbleiben von Beschleunigungen oberhalb des Beschleunigungsgrenzwertes.
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Aufgrund einer vorgebbaren, sprengstoffspezifischen Schlagempfindlichkeit wird die Explosion erst bei Überschreiten eines dieser Schlagempfindlichkeit entsprechenden Beschleunigungsgrenzwertes ausgelöst. Somit ist der Beschleunigungsgrenzwert durch die Wahl des Explosivstoffes festlegbar. Zum Beispiel besitzt der Explosivstoff Nitropenta (PETN – Pentaerythrityltetranitrat) eine Schlagempfindlichkeit von 3 J, was bei einer Masse von 1 g und einer Dauer von 0,1 s einem Beschleunigungsgrenzwert von 775 m/s2 entspricht.
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Der erfindungsgemäße Sensor zum Erfassen des Überschreitens eines Beschleunigungsgrenzwertes umfasst eine Leiterbahn, welche auf ein Trägermaterial, vorzugsweise eine Trägerplatte, aufgebracht ist, und eine Sensorschicht aus einem schlagempfindlichen Explosivstoff wie z. B. Nitropenta, die mit der Leiterbahn in Kontakt steht. Hierbei ist die Menge des Explosivstoffs derart bemessen, dass im Falle seiner Explosion nur die Leiterbahn unterbrochen wird, die strukturelle Integrität des Trägermaterials jedoch erhalten bleibt.
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Vorzugsweise weisen Trägerplatte, Leiterbahn und Sensorschicht des Sensors einen schichtartigen Aufbau auf, wobei die Schichtdicken von Leiterbahn und Sensorschicht jeweils unterhalb eines Millimeters liegen. Hierbei kann die Leiterbahn über die auf das Trägermaterial aufgebrachte Sensorschicht geführt sein oder die Sensorschicht in einem Teilbereich auf der auf der Trägerplatte befindlichen Leiterbahn aufgebracht sein.
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Durch diesen Schichtaufbau ist eine zuverlässige Unterbrechung der Leiterbahn im Falle der Explosion des Explosivstoffes der Sensorschicht gewährleistet.
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Ferner umfasst der Sensor eine Auswerteeinheit, die in elektrischer Verbindung (resistiv oder kapazitiv) mit der Leiterbahn steht. Hierbei ist die Auswerteeinheit räumlich derart von der Sensorschicht getrennt oder von dieser, beispielsweise mittels einer Kapselung, abgeschirmt, dass eine Explosion des Explosivstoffes die Auswerteeinheit in ihrer ordnungsgemäßen Funktionalität unbeeinträchtigt lässt.
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Die Auswerteeinheit kann beispielsweise einen elektrischen Schwingkreis umfassen, der kapazitiv mit der Leiterbahn gekoppelt ist. Dieser Schwingkreis kann elektrische Schwingungen ausführen, deren Resonanzfrequenz durch die Koppelung mit der Leiterbahn bestimmt ist. Bei Zerstörung der Leiterbahn, d. h. Unterbrechung der Leiterbahn aufgrund einer Explosion der Sensorschicht, ist der kapazitiv mit der Leiterbahn gekoppelte Schwingkreis der Auswerteeinheit verstimmt, d. h. er schwingt mit einer gegenüber dem unausgelösten Zustand des Sensors veränderten Resonanzfrequenz. Somit ist eine Änderung der Resonanzfrequenz des elektrischen Schwingkreises eine Anzeige für eine Explosion der Sensorschicht und daher für ein Überschreiten des vorgegebenen Beschleunigungsgrenzwertes.
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Eine resistive elektrische Verbindung der Auswerteeinheit mit der Leiterbahn kann vorgesehen sein, wenn mittels der Auswerteeinheit der elektrische Gleichstromwiderstand der Leiterbahn bzw. seine Änderung, d. h. die beiden Zustände „mit geringen elektrischen Widerstand leitfähig“ und „elektrischer Widerstand größer als 1 MΩ (d. h. Stromfluss unterbrochen)“ erfassbar und auswertbar ist. Beispielsweise kann die Leiterbahn Bestandteil einer in der Auswerteeinheit implementierten Wheatstoneschen Messbrücke, d. h. einer elektrischen Schaltung zur Messung eines Gleichstromwiderstandes bzw. von ohmschen Widerstandsänderungen, sein
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Weiterhin weist die Auswerteeinheit eine, vorzugsweise drahtlose, Schnittstelle zum Auslesen der gespeicherten Information mit einem geeigneten Auslesegerät auf. Eine drahtlose Schnittstelle kann in Form einer Antenne ausgeführt sein, mittels derer beim Auslesevorgang auch eine induktive Energieübertragung auf die Auswerteeinheit möglich ist.
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Der Vorteil des erfindungsgemäßen Sensors ist, dass die Explosion unabhängig von der Schlagrichtung ausgelöst wird, d. h. die Richtung der Beschleunigung ist unerheblich. Außerdem arbeitet der Sensor rein passiv, d. h. es wird keine zusätzliche Energie zur Erfassung der Beschleunigung oder der Speicherung des Zustandes benötigt. Lediglich für das Auslesen ist kurzzeitig ein Stromfluss notwendig, wobei die dafür benötigte Energie z. B. von dem zum Auslesen verwendeten Auslesegerät bereitgestellt werden kann.
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Der Sensor kann in vorteilhafter Weise als wartungsfreier Einmalsensor bzw. Einmalmessgrößenaufnehmer eingesetzt werden. Die zu überwachende Größe, nämlich die maximale Beschleunigung, führt bei Grenzwertüberschreitung zu einer irreversiblen Parameteränderung des Sensors, was sich in einer bleibenden Änderung eines auswertbaren Messsignals manifestiert. Insbesondere kann die Erfindung in der drahtlosen, sensorischen RFID Technik (RFID: Radio Frequency IDentification, zu Deutsch: berührungslose Identifizierung mit Hilfe von Radiowellen) zur Anwendung kommen. RFID-Transponder (auch RFID-Tag oder Funketikett genannt) können zum automatischen und berührungslosen Identifizieren von Waren oder Transportkisten eingesetzt werden. Der erfindungsgemäße Sensor kann als integrativer Bestandteil eines derartigen zur Identifizierung der Ware bzw. Transportkiste eingesetzten RFID-Transponders ausgeführt sein, d. h. direkt auf die Platine des RFID-Transponders aufgebracht, z. B. aufgedruckt, sein. Ebenso kann er in drahtlosen, passiven Sensorsystemen zur Anwendung kommen, in denen eine elektrische Energieversorgung entweder nicht möglich, zu teuer oder nicht zu allen Zeitpunkten gewährleistet ist.
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Indem eine durch Überschreiten des festgelegten Beschleunigungsgrenzwertes herbeigeführte Widerstandsänderung der Leiterbahn – beispielsweise zu bestimmten Kontrollzeitpunkten – durch ein geeignetes Auslesegerät (z. B. ein RFID-Handlesegerät) erfasst werden kann, besteht keine Notwendigkeit für eine Messanordnung bzw. ein Messsystem zur permanenten Messung; lediglich sporadische Kontrollen bzw. eine Endkontrolle z. B. am Ende des Transportweges sind durchzuführen. Diese Eigenschaft ist insbesondere für energiekritische Anwendungen, so z. B. RFID-Transponder mit zusätzlicher Sensorfunktion, vorteilhaft, zumal kein zusätzlicher elektrischer Energiespeicher benötigt wird.
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Der Sensor ist mittels kostengünstiger, additiver, digitaler Fertigungsverfahren wie Offset- oder Inkjetdruck herstellbar. Insbesondere ist auch die Herstellung der Sensorschicht aus einem Explosivstoff mittels Drucktechnik möglich, wie z. B. in dem Proceeding von A. Ihnen et al, „Inkjet Printing of Nanocomposite High-Explosive Materials for Direct Write Fuzing“, zur im Mai 2010 in Kansas City/USA abgehaltenen 54th Fuze Conference beschrieben.
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In einer Ausgestaltungsvariante des erfindungsgemäßen Sensors ist die Auswerteeinheit ein RFID-Transponder, der über digitale I/O-Pins zum Anschluss an die Leiterbahn verfügt.
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Es kann auch vorgesehen sein, zusätzlich eine optische Anzeige des Überschreitens des Beschleunigungsgrenzwertes zu implementieren. Hierzu wird z. B. die Sensorschicht, die auf die Leiterbahn aufgebracht ist, mit einer farbigen Deckschicht, beispielsweise einem Farblack, überzogen. Im Fall der Explosion der Sensorschicht wird somit auch die farbige Deckschicht zerstört, was zu einer Farbänderung führt. Diese Farbänderung kann bei einer optischen Sichtkontrolle durch einen menschlichen Beobachter erfasst werden, d. h. ein Auslesen des Sensors ist somit auch ohne Auslesegerät ermöglicht.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Dazu zeigen in schematischer Darstellung die
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1: das Prinzip zum Erfassen des Überschreitens eines Beschleunigungsgrenzwertes; und
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2: den Sensor in Schrägdraufsicht.
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3: Ausgestaltungsvarianten des Sensors.
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1a zeigt die Leiterbahn 2, die in direktem Kontakt zu zwei Sensorschichten 1 aus schlagempfindlichem Explosivstoff steht. Bei angelegtem elektrischem Potential, d. h. einer Spannung U, kann durch die Leiterbahn ein elektrischer Strom I der Größe I0 fließen.
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Bei Einwirkung einer Beschleunigung oberhalb des Beschleunigungsgrenzwertes, d. h. einem Stoß mit einer Energie oberhalb der Schlagempfindlichkeit des Explosivstoffs, explodiert der Explosivstoff, wobei gemäß 1b die Leiterbahn 2 unterbrochen wird. Der Stromfluss durch die Leiterbahn 2 wird somit ebenfalls unterbrochen.
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Das Auslesen des Zustandes der Leiterbahn 2 (unterbrochen oder durchgehend) wird elektrisch mittels Messung deren Widerstandes durchgeführt, wobei der elektrische Widerstand der Leiterbahn 2 durch Anlegen einer Spannung U und Messen des durch die Leiterbahn 2 fließenden elektrischen Stromes I bestimmt wird.
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In 2 ist eine Variante des Sensors dargestellt. Auf die Trägerplatte 3 ist die Leiterbahn 2 mittels Inkjetdruck aufgedruckt. Auf der Leiterbahn 2 ist, ebenfalls mit Drucktechnologie, die Sensorschicht 1 aus Explosivstoff aufgebracht, die in diesem Beispiel eine Flächenausdehnung von 200 µm × 200 µm aufweist. Die Leiterbahn 2 ist mit der Auswerteeinheit 4, hier einem RFID-Transponder, verbunden.
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In 3a ist eine erste Ausgestaltungsvariante des Sensors dargestellt. Auf die Trägerplatte 3 ist die Leiterbahn 2 und auf der Leiterbahn 2 ist die Sensorschicht 1 aus Explosivstoff aufgebracht. Die Leiterbahn 2 ist hier resistiv mit der Auswerteeinheit 4 verbunden. Die Schnittstelle zum drahtlosen Auslesen des Sensors ist in Form der Antenne 5 realisiert.
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3b zeigt eine zweite Ausgestaltungsvariante des Sensors. Hier ist die Sensorschicht 1 auf die Trägerplatte 3 aufgebracht und die Leiterbahn 2 über die Sensorschicht 1 geführt. Außerdem erfolgt die Anbindung der Auswerteeinheit 4 an die Leiterbahn 2 in diesem Beispiel kapazitiv.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Sensorschicht
- 2
- Leiterbahn
- 3
- Trägerplatte
- 4
- Auswerteeinheit
- 5
- Antenne
- U
- elektrische Spannung
- I
- elektrischer Strom
