DE102017105805A1 - Einrichtung zur Zustandsüberwachung von Druckgasen in einem Druckbehälter und entsprechender Druckbehälter - Google Patents

Einrichtung zur Zustandsüberwachung von Druckgasen in einem Druckbehälter und entsprechender Druckbehälter Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung (6) zur Zustandsüberwachung eines Druckgases in einem Druckbehälter (1), wobei die Einrichtung (6) eine zur Anbringung an den Druckbehälter (1) angepasste Sensoreinheit (3) mit einem ersten Sensor zur Detektion einer von dem Druck des Medium innerhalb des Druckbehälters (1) verursachten mechanischen Spannungs- und/oder Formänderung aufweist.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Zustandsüberwachung eines Druckgases in einem Druckbehälter sowie einen entsprechenden Druckbehälter.
  • Stand der Technik
  • Es besteht der Wunsch, den aktuellen Zustand eines Druckgases in einem Druckbehälter zu erfahren oder auch zu überwachen. Der Zustand eines Druckgases kann durch eine oder mehrere der Größen Druck, Temperatur, Volumen, Gasmenge, Gasgewicht oder Füllgrad oder weitere hiervon abgeleitete Größen charakterisiert werden. Eine entsprechende bekannte Einrichtung („smart valve“) ist im Ventil des Druckbehälters integriert und somit aufwendig und teuer. Die bekannten smarten Ventile kommunizieren den aktuellen Füllgrad und den Ort des Druckbehälters beispielsweise über eine webbasierte Anwendung an einen Anwender.
  • Für Standard-Gaszylinder, beispielsweise mit 10 oder 50 I-Volumen, wäre die Ausstattung mit solchen smarten Ventilen zu aufwendig und kostenintensiv.
  • Es besteht daher Bedarf an einer technisch einfachen und damit kostengünstigen insbesondere nachrüstbaren Einrichtung zur Zustandsüberwachung eines Druckgases in einem Druckbehälter.
  • Vorteile der Erfindung
  • Erfindungsgemäß wird eine Einrichtung zur Zustandsüberwachung eines Druckgases in einem Druckbehälter sowie ein entsprechender Druckbehälter gemäß den unabhängigen Patentansprüchen vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
  • Erfindungsgemäß weist die genannte Einrichtung eine zur Anbringung an den Druckbehälter angepasste Sensoreinheit mit einem ersten Sensor zur Detektion einer vom Druck innerhalb desDruckbehälters verursachten mechanischen Spannungsänderung bzw. der resultierenden Formänderung/Dehnung in der Wand und auf der Oberfläche des Druckbehälters auf. Als ein solcher erster Sensor kann zweckmäßigerweise ein sogenannter Dehnungsmessstreifen verwendet werden. Dieser kann unmittelbar, zweckmäßigerweise jedoch über ein weiteres Medium, wie ein Band, an den Druckbehälter angebracht werden. Eine Befüllung oder eine Entleerung des Druckbehälters mit einem Druckgas verursacht eine entsprechende Änderung der mechanischen Spannungen in der Wand des Druckbehälters, die wiederum von dem ersten Sensor aufgenommen und detektiert werden. Solche Dehnungsmessstreifen zur Erfassung von Formänderungen (Dehnungen und Stauchungen) an der Oberfläche von Bauteilen sind an sich bekannt. Sie sind in Form von Folien auf dem Markt erhältlich und verwenden je nach Ausbildung den piezoresistiven oder den piezoelektrischen Effekt, wobei bei einer Dehnung oder Stauchung sich der elektrische Widerstand des Dehnungsmesstreifens ändert bzw. eine entsprechende Spannung induziert wird. Auch optische, induktive oder kapazitive Sensoren sind vorhanden. Der Einfachheit halber soll im Folgenden von einem Dehnungsmessstreifen ausgegangen werden, der bei Verformung seinen elektrischen Widerstand verändert.
  • Aus der Änderung der von dem ersten Sensor detektierten mechanischen Spannungs- bzw. Formänderung/Dehnung kann nach Kalibrierung der aktuelle Druck im Druckbehälter bestimmt werden. Auf diese Weise erlaubt die Erfindung die Bestimmung einer wichtigen Zustandsgröße des Druckgases in einem Druckbehälter.
  • Es ist vorteilhaft, wenn die Sensoreinheit ein Band, insbesondere ein Metallband, umfasst, das unter Vorspannung um zumindest einen Teil des Druckbehälters gelegt werden kann. Bei den Standard-Gaszylindern ist die Anbringung um den zylindrischen Hauptteil des Gaszylinders zweckmäßig. Der erste Sensor wird dann zweckmäßigerweise mit besagtem (Metall-)Band verbunden, so dass sich Spannungsänderungen des Druckbehälters über das Band in den ersten Sensor fortpflanzen.
  • Es ist weiterhin vorteilhaft, wenn die Einrichtung zur Zustandsüberwachung einen zweiten Sensor zur Messung der Temperatur in, an oder auf dem Druckbehälter aufweist. Der zweite Sensor misst vorteilhafterweise die Temperatur auf der Oberfläche des Druckbehälters. Die Bestimmung der Temperatur kann auch direkt über die Bestimmung des elektrischen Widerstands des Metallbands bzw. des Druckbehälters geschehen. Selbstverständlich sind auch andere Möglichkeiten denkbar, etwa die Messung der Temperatur ausserhalb des Druckbehälters in unmittelbarer Nähe der Oberfläche desselbigen oder die Messung der Temperatur im Inneren des Druckbehälters. Besonders praktikabel ist jedoch die Messung der Temperatur auf der Oberfläche des Druckbehälters, wobei vorteilhafterweise der zweite Sensor mit dem erwähnten (Metall-)Band verbunden und Bestandteil der erwähnten Sensoreinheit sein kann. Zur ausreichenden Wärmeleitfähigkeit ist dieses Band vorzugsweise als Metallband ausgestaltet. Mittels dieses zweiten Sensors kann der Einfluss von Schwankungen der Umgebungstemperatur auf die Spannung im Metallband bzw. auf die Spannung des Druckbehälters kompensiert werden. Dies ist beispielsweise zur genauen Bestimmung des Füllgrades vorteilhaft. Die Bestimmung der Temperatur ermöglicht die Berechnung des aktuellen Füllgrads des Druckbehälters für eine vorgegebene Substanz. In diese Berechnung fließen neben den physikalischen Eigenschaften des Mediums innerhalb des Druckbehälters sowie dem Druckbehältermaterial, dem bestimmten Druck und der bestimmten Temperatur auch das bekannte Volumen und u.U. auch die Geometrie des Druckbehälters ein.
  • Vorteilhafterweise weist die erfindungsgemäße Einrichtung eine Auswerteeinheit auf, die zur Bestimmung des aktuellen Drucks in dem Druckbehälter anhand des Ausgangssignals des ersten Sensors eingerichtet ist. Vorzugsweise ist diese Auswerteeinheit zusätzlich zur Bestimmung des Füllgrads des Druckbehälters durch Hinzunahme des Ausgangssignals des zweiten Sensors eingerichtet. Die Auswerteeinheit kann kabelgebunden mit dem ersten und/oder zweiten Sensor verbunden sein. In diesem Fall bietet es sich an, den ersten und den zweiten Sensor als Sensoreinheit zusammen mit der Auswerteeinheit auf dem benannten (Metall-)Band zu montieren, um eine kompakte und einfach handhabbare Einrichtung zur Zustandsüberwachung eines Druckgases in einem Druckbehälter zu erhalten.
  • Andererseits ist es auch möglich, die Auswerteeinheit kabellos mit dem ersten und/oder zweiten Sensor zu verbindem. Weiterhin ist es möglich, ein Steuergerät mit der Auswerteeinheit insbesondere kabellos zu verbinden. Bei diesem Steuergerät kann es sich auch um ein mobiles Endgerät handeln, an das die relevanten Zustandsdaten des Druckgases in dem Druckbehälter übermittelt werden. Beispielsweise über eine webbasierte Anwendung können dann solche Zustandsdaten abgefragt werden.
  • Die Auswerteeinheit und/oder das Steuergerät besitzen optional Möglichkeiten zur direkten oder indirekten Einflussnahme auf die zur Datenauswertung benötigten Parameter.
  • Die Erfindung betrifft ausserdem einen Druckbehälter mit einer erfindungsgemäßen Einrichtung zur Zustandsüberwachung eines Druckgases in diesem Druckbehälter. Insbesondere weist ein solcher Druckbehälter ein unter Vorspannung um zumindest einen Teil des Druckbehälters gelegtes (Metall-)Band auf, das die genannte Sensoreinheit mit dem ersten Sensor sowie dem zweiten Sensor trägt. Optional kann auch die Auswerteeinheit auf dem (Metall-)Band montiert sein.
  • Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
  • Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispieles in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.
  • Figurenliste
    • 1 zeigt schematisch einen Druckbehälter mit einer Einrichtung zur Zustandsüberwachung eines Druckgases in diesem Druckbehälter.
  • Eine Einrichtung zur Zustandsüberwachung eines Druckgases in einem Druckbehälter 1 ist mit 6 bezeichnet. Diese Einrichtung 6 weist eine zur Anbringung an den Druckbehälter 1 angepasste Sensoreinheit 3 auf. Ein erster Sensor innerhalb der Sensoreinheit 3 detektiert eine von Druck des Mediums innerhalb des Druckbehälters in der Wand des Druckbehälters 1 verursachte mechanische Spannung bzw. Spannungsänderung bzw. die resultierende Formänderung/Dehnung. Die Sensoreinheit 3 ist mittels eines Metallbandes 2 zur Anbringung an den Druckbehälter 1 angepasst. Das Metallband 2 kann mit Vorspannung um den zylindrischen Hauptteil des Druckbehälters 1 gelegt werden. Bei dem ersten Sensor handelt es sich in diesem Ausführungsbeispiel um einen piezoresistiven Dehnungsmessstreifen.
  • Der erste Sensor (nicht dargestellt) befindet sich auf dem Metallband 2 und misst auf diese Weise Spannungsänderungen auf der Oberfläche des Druckbehälters 1, die in erster Linie durch eine Befüllung oder Entleerung des Druckbehälters 1 verursacht werden. Solche Spannungsänderungen können jedoch auch von Temperaturveränderungen resultieren. Daher ist es vorteilhaft, einen zweiten Sensor zur Bestimmung der Temperatur in die Sensoreinheit 3 unterzubringen. Vorteilhafterweise ist dieser zweite Sensor ebenfalls mit dem Metallband 2 verbunden, um die Temperatur auf der Oberfläche des Druckbehälters 1 zu messen. Nach entsprechender Kalibrierung kann auf diese Weise der Druck im Druckbehälter 1 unter Berücksichtigung der herrschenden Temperatur und mit Kompensation von Messfehlern aufgrund von Temperaturschwankungen bestimmt werden. Zur Bestimmung des Drucks als wesentliche Zustandsgröße des Druckgases weist die Einrichtung 6 eine Auswerteeinheit 7 (schematisch dargestellt) auf, der die jeweiligen Ausgangssignale des ersten und zweiten Sensors zugeführt werden.
  • Zudem ist bei Kenntnis der Temperatur und des Druckes bei bekanntem Volumen des Druckbehälters 1 auch die Berechnung des Füllgrads bei einem bekannten Gas oder einer bekannten Gasmischung möglich. Die Auswerteeinheit 7 kann somit permanent oder periodisch wichtige Zustandsgrößen des in dem Druckbehälter 1 befindlichen Druckgases bestimmen und insbesondere kabellos an ein verbundenes Steuergerät übertragen. Die Art der kabellosen Übertragung ist mit 4 angedeutet. 5 bezeichnet die Ventilkappe mit darunterliegendem Ventil des Druckbehälters 1.
  • Alternativ kann die Auswerteeinheit 7 auch ausserhalb der Sensoreinheit 3 angeordnet sein und kabellos mit dem ersten und/oder zweiten Sensor der Sensoreinheit 3 verbunden sein, um die entsprechenden Zustandsgrößen zu bestimmen.
  • In einer weiteren Ausgestaltungsmöglichkeit beinhaltet die Sensoreinheit 3 und/oder die Auswerteeinheit 7 eine Vorrichtung zur Umwandlung von Außen empfangener elektromagnetischer Wellen in die zum Betrieb erforderliche elektrische Energie.
  • Die Einrichtung 6 stellt eine technisch einfache und kostengünstige Lösung zur Bestimmung und Überwachung von Zustandsgrößen eines Druckgases, insb. dessen Druck und Menge, in einem Druckbehälter 1 dar.

Claims (13)

  1. Einrichtung (6) zur Zustandsüberwachung eines Druckgases in einem Druckbehälter (1), wobei die Einrichtung (6) eine zur Anbringung an den Druckbehälter (1) angepasste Sensoreinheit (3) mit einem ersten Sensor zur Detektion einer von dem Druck des Medium innerhalb des Druckbehälters (1) verursachten mechanischen Spannungs- und/oder Formänderung aufweist.
  2. Einrichtung (6) nach Anspruch 1 mit einem zweiten Sensor zur Messung der Temperatur in, an oder auf dem Druckbehälter (1).
  3. Einrichtung (6) nach Anspruch 1 oder 2 mit einer Auswerteeinheit (7), die zur Bestimmung des aktuellen Drucks im Druckbehälter (1) anhand eines Ausgangssignals des ersten Sensors eingerichtet ist.
  4. Einrichtung (6) nach Anspruch 3, wobei die Auswerteeinheit (7) zur Bestimmung des Füllgrads des Druckbehälters (1) anhand des Ausgangssignals des ersten Sensors und eines Ausgangssignals des zweiten Sensors eingerichtet ist.
  5. Einrichtung (6) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Sensoreinheit (3) ein Band (2) umfasst, das unter Vorspannung um zumindest einen Teil des Druckbehälters (1) gelegt werden kann.
  6. Einrichtung (6) nach Anspruch 5, wobei der zweite Sensor mit dem Band (2) verbunden ist.
  7. Einrichtung (6) nach einem der vorherigen Ansprüche, soweit auf Anspruch 3 zurückbezogen, wobei die Auswerteeinheit (7) kabellos mit dem ersten Sensor verbunden ist.
  8. Einrichtung (6) nach einem der vorherigen Ansprüche, soweit auf die Ansprüche 3 und 2 zurückbezogen, wobei die Auswerteeinheit (7) kabellos mit dem zweiten Sensor verbunden ist.
  9. Einrichtung (6) nach einem der vorherigen Ansprüche, soweit auf Anspruch 3 zurückbezogen, wobei ein Steuergerät mit der Auswerteeinheit (7) insbesondere kabellos verbunden ist.
  10. Druckbehälter (1) mit einer Einrichtung (6) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 zur Zustandsüberwachung eines Druckgases in diesem Druckbehälter (1).
  11. Einrichtung (6) nach Ansprüchen 1 bis 5 wobei die Bestimmung der Temperatur über die Messung des elektrischen Widerstands des Druckbehälters bzw. des Bands (2) geschieht.
  12. Einrichtung (6) nach Ansprüchen 1 bis 11 wobei die Energieversorgung der Sensoreinheit (3) über die Umwandlung von von Außen empfangenen elektromagnetischen Wellen geschieht.
  13. Einrichtung (6) nach Ansprüchen 1 bis 11 wobei die Energieversorgung der Auswerteeinheit (7) über die Umwandlung von von Außen empfangenen elektromagnetischen Wellen geschieht.
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