DE19504218A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Messung oder Überwachung des Innendrucks in einem Druckbehälter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrich­ tung zur Messung oder Überwachung des Innendrucks eines Druckbehälters gemäß dem Oberbegriff der Ansprüche 1 und 5.

Um beispielsweise die ständige Einsatzbereitschaft ei­ nes Hybrid-Gasgenerators im Airbag eines Kraftfahrzeugs zu gewährleisten, darf der Druck des gespeicherten Gases einen unteren Grenzwert nicht unterschreiten. Als Ursache für einen Druckverlust sind durch Alterung her­ vorgerufene Materialfehler oder auch extrem tiefe Tem­ peraturen denkbar. Um einen Fahrer vor der fehlenden Einsatzbereitschaft des Airbags zu warnen oder ihm den aktuellen Innendruck des Druckbehälters mitzuteilen, sind Drucksensoren mit Auswerteschaltung oder Druck­ schalter bekannt, die ein Absinken des Drucks unter ei­ nen vorgegebenen Schwellwert erkennen und dies dem Fah­ rer anhand eines Warnsignals mitteilen.

Beispielsweise befaßt sich die Offenlegungsschrift DE 41 13 563 A1 mit einer derartigen Vorrichtung. Der dar­ in beschriebene Druckschalter enthält eine Kompensa­ tionsschaltung, um die Druckschwelle, bei deren Unter­ schreiten ein Warnsignal ausgelöst wird, einer tempera­ turbedingten Druckänderung nachzuführen.

Nachteilig sind die hierbei vorzugsweise verwendeten piezoresistiven Drucksensoren, die in ihrer Herstellung kompliziert und teuer sind.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung oder Überwa­ chung des Innendrucks in einem Druckbehälter anzugeben, wobei keine teuren und komplizierten Drucksensoren be­ nötigt werden.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale der Ansprüche 1 und 5 gelöst.

Demnach wird zur Messung oder Überwachung des Innen­ drucks in einem Druckbehälter ein druckbeaufschlagter Teil des Druckbehälters oder der Druckbehälter selbst zu Eigenschwingungen angeregt und danach eine Auswer­ tung der Frequenzen der sich ergebenden Eigenschwingun­ gen vorgenommen.

Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Un­ teransprüchen.

So wird nach Anspruch 2 zur Auswertung ein Vergleich zwischen der Frequenz der Eigenschwingung und einer Re­ ferenzfrequenz vorgenommen.

Nach Anspruch 3 werden zuvor gemessene Kenndaten des Druckbehälters in Form einer Wertetabelle als Sollwerte in einem Datenspeicher abgelegt und mit aktuell gemes­ senen Istwerten verglichen.

Überschreitet der durch Differenzbildung sich ergebende Wert einen vorgegebenen Wertebereich, wird nach An­ spruch 4 einer Warneinrichtung ein Signal zugeführt.

Nach Anspruch 6 wird die zum Vergleich herangezogene Referenzspannung durch einen Schwingquarz erzeugt, der nach Anspruch 7 zusammen mit einem Generator einen Quarzoszillator bildet.

Zum Vergleich der Frequenz der Eigenschwingung mit der Referenzfrequenz wird nach Anspruch 8 eine Phasenver­ gleichsschaltung verwendet.

Anspruch 9 sagt aus, daß es sich bei der aus Oszilla­ tor, Phasenvergleichsschaltung und Quarzoszillator be­ stehenden Oszillatoreinheit auch um eine PLL-Schal­ tungsanordnung handeln kann, wobei es sich beim Genera­ tor zur Erzeugung der Eigenschwingungen um einen VCO als Teil der PLL-Schaltungsanordnung, beim Schwingkreis zur Erzeugung der Referenzfrequenz und bei der Phasen­ vergleichsschaltung um Schaltungsteile derselben PLL- Schaltungsanordnung handelt.

Nach Anspruch 10 ist es vorteilhaft, wenn der zu Eigen­ schwingungen angeregte Teil des Druckbehälters als Mem­ brane ausgelegt ist.

Nach Anspruch 11 sind Kenndaten des Druckbehälters, die temperaturabhängig sind, in Form einer Wertetabelle als Sollwerte in einem Datenspeicher abgelegt.

Schließlich ist es nach Anspruch 12 von Vorteil, wenn Teile der Druckmeßvorrichtung oder die Vorrichtung selbst zugleich die Funktion eines Überdruckventils ausüben.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist erläutert und in den Figuren dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 ein Schnittbild einer Druckbehälterwand mit einer erfindungsgemäßen Druckmeßvorrichtung,

Fig. 2 eine Draufsicht gemäß Fig. 1,

Fig. 3 ein Blockschaltbild einer ersten Auswerte­ schaltung und

Fig. 4 ein Blockschaltbild einer zweiten Auswerte­ schaltung.

In Fig. 1 und 2 ist dargestellt, wie eine Drucküberwa­ chungseinheit 8 in eine Druckbehälterwand 9 eingebracht ist. Um auch einem hohen Druck im Druckbehälter von ca. 500 Bar standhalten zu können, empfiehlt sich ein Schweißverbund zur Befestigung der Drucküberwachungs­ einheit 8 in der Druckbehälterwand 9. Ein piezoelektri­ scher Erreger 1 wird mit Hilfe eines Federelements 72 innen gegen die druckbeaufschlagte und als Membrane 2 ausgebildete Seite (Pfeil) der Drucküberwachungseinheit 8 gepreßt. Um auch die Funktion eines Überdruckventils wahrzunehmen, weist die Membrane 2 außen eine konzen­ trisch verlaufende Ausdünnung 81 auf, damit im Falle eines übermäßig hohen Drucks im Druckbehälter, z. B. während der Befüllung, an dieser Stelle die Membrane 2 zuerst ausbeult und anschließend geringfügig aufreißt, was ein kontrolliertes und gefahrloses Ausströmen des im Druckbehälter gespeicherten Gases ermöglicht.

Auf einer Leiterplatte 44 ist die gesamte, in Fig. 3 oder 4 dargestellte Schaltungsanordnung untergebracht. Von dort werden über eine Verbindungsleitung 14 dem piezoelektrischen Erreger 1 Spannungssignale zugeführt. An die Leiterplatte 44 sind mittels Verbindungselemen­ ten 73 Anschlußstifte 71 angebracht, die in eine Steckereinheit 7 münden. Vorzugsweise ist die Stecker­ einheit 7 mit einer Codierung 74 versehen, damit ein zugehöriger Stecker nicht verpolt werden kann. Über die Anschlußstifte 71 wird die sich auf der Leiterplatte 44 befindliche Elektronik mit elektrischer Energie ver­ sorgt und werden die Ausgangssignale beispielsweise ei­ ner nachgeschalteten Anzeige- oder Warneinheit zuge­ führt.

Fig. 3 zeigt ein Blockschaltbild einer möglichen Schaltungsanordnung zur Messung oder Überwachung des Druckes in einem Druckbehälter.

Ein Oszillator 41 führt über Verbindungsleitungen 10 und 11 dem piezoelektrischen Erreger 1 Spannungssignale zu, der daraufhin die Membrane 2 als Teil der Druckbe­ hälterwand 9 zu Eigenschwingungen anregt. Die Frequenz f₂ des aus Oszillator 41, piezoelektrischem Erreger 1 und Membrane 2 gebildeten Schwingkreises ist linear ab­ hängig vom Druck, der im Druckbehälter herrscht und der auf die Membrane 2 einwirkt. Die sich ergebende Fre­ quenz f₂ wird über eine Verbindungsleitung 12 einer Phasenvergleichsschaltung 42 zugeführt, die diese Fre­ quenz f₂ mit einer stabilen Referenzfrequenz f₁ ver­ gleicht.

Diese Referenzfrequenz f₁ wird in einem zweiten Schwingkreis erzeugt, der aus einem Oszillator 43 und einem Quarz 3 besteht, wobei der Quarz 3 mittels Ver­ bindungsleitungen 14a und 14b mit dem Oszillator 43 verbunden ist. Die in diesem Schwingkreis erzeugte Re­ ferenzfrequenz f₁ wird mittels der Verbindungsleitung 13 der Phasenvergleichsschaltung 42 zugeführt, die ih­ rerseits das sich ergebende Vergleichsergebnis über eine Verbindungsleitung 15 an eine Auswerteschaltung 5 weiterleitet. Über Verbindungsleitungen 18a und 18b ist die Auswerteschaltung 5 an eine Energieversorgungs- und -reserveeinheit 52 angeschlossen und versorgt ihrer­ seits über eine Verbindungsleitung 16 die Oszillator­ einheit 4, die aus dem Oszillator 41, der Phasenver­ gleichsschaltung 42 und dem Quarzoszillator 43 besteht, mit elektrischer Energie.

Da der Druck im Druckbehälter direkt von der Temperatur abhängig ist, muß die Temperatur in der Umgebung des Druckbehälters mitbewertet werden. Hierzu wird die Tem­ peratur mittels eines Temperatursensors 51 gemessen und über Verbindungsleitungen 17a und 17b der Auswerte­ schaltung 5 zugeführt. Damit die Auswerteschaltung 5 das ihr von der Oszillatoreinheit 4 zugeführte Ver­ gleichsergebnis bewerten und ggf. erkennen kann, ob der Druck im Druckbehälter einen ihr vorgegebenen Schwell­ wert unter- oder überschreitet, werden ihr über eine Verbindungsleitung 20 zuvor ermittelte Sollwerte, die in Form einer Wertetabelle in einem Speicher 6, vor­ zugsweise einen EEPROM, abgelegt sind, zugeführt. So­ bald der Vergleich zwischen dem von der Oszillatorein­ heit 4 ermittelten Istwert und dem im Speicher 6 abge­ legten Sollwert als Vergleichsergebnis einen Wert er­ gibt, der einen beispielsweise im Speicher 6 oder in der Auswerteschaltung 5 selbst abgelegten Schwellwert unter- oder überschreitet, wird über eine Verbindungs­ leitung 19 beispielsweise einer nachgeschalteten Warn­ einrichtung ein Signal zugeführt.

Es ist auch möglich, über die Verbindungsleitung 19 die gemessenen Istwerte ständig einer nachgeschalteten An­ zeigeeinheit zuzuführen, damit bei Bedarf der aktuell herrschende Druck im Druckbehälter abgelesen werden kann.

Die Oszillatoreinheit 4 kann auch durch eine in Fig. 4 dargestellte kostengünstige PLL-Schaltungsanordnung 4′ ersetzt werden. Hierbei wird die Druckmembrane 2 wie­ derum durch den piezoelektrischen Erreger 1 zu Eigen­ schwingungen angeregt, der aber seine Spannungssignale von einem spannungsgesteuerten Oszillator 45 (VCO) er­ hält. Die sich ergebende Frequenz f₂ und eine von einem Bezugsoszillator 47 erzeugte Referenzfrequenz f₁ werden einem Phasendetektor 46 zugeführt. Ein nachgeschalteter Tiefpaß 48 reduziert das vom Phasendetektor 46 erzeugte Ergebnis f₁ ± f₂ auf die Komponente f₁-f₂, die einem nachgeschalteten Regel spannungsverstärker 49 zugeführt wird. Das am Ausgang des Regelspannungsverstärkers 49 anstehende Signal k·(f₁-f₂) wird mittels einer Rückkopplungsschleife 15′ dem VCO 45 und mittels der Verbindungsleitung 15 der nachgeschalteten Auswerte- Schaltung 5 (Fig. 3) zugeführt.

Die beschriebene Druckmeßvorrichtung eignet sich für jeden Druckbehälter, dessen Innendruck überwacht oder gemessen werden muß, in dem bei Unter- oder Überschrei­ ten eines vorgegebenen Schwellwertes mittels einer nachgeschalteten Warneinrichtung ein Alarmsignal abge­ geben wird oder auf einer Anzeigeeinheit der aktuelle Druck im Druckbehälter abgelesen werden kann.

Claims (12)

1. Verfahren zur Messung oder Überwachung des Innen­ drucks eines Druckbehälters, dadurch gekennzeichnet, daß ein druckbeaufschlagter Teil des Druckbehälters oder der Druckbehälter selbst zu Eigenschwingungen an­ geregt wird und daß eine Auswertung der Frequenzen der sich ergebenden Eigenschwingungen (f₂) vorgenommen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Auswertung ein Vergleich zwischen der Frequenz der Eigenschwingung (f₂) und einer Referenzfrequenz (f₁) vorgenommen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zuvor gemessene Kenndaten des Druckbehäl­ ters in Form einer Wertetabelle als Sollwerte in einem Datenspeicher (6) abgelegt werden und diese Sollwerte mit aktuell gemessenen Istwerten verglichen werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß beim Überschreiten des durch eine Differenzbildung sich ergebenden Wertes eines vorgege­ benen Wertebereiches ein Signal einer Warneinrichtung zugeführt wird.

5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach An­ spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Anregung des druckbeaufschlagten Teils piezoelektrische Komponenten (1) verwendet werden.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzfrequenz (f₁) durch einen Schwingquarz (3) erzeugt wird.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein Schwingquarz (3) mit einem Generator (43) einen Quarzoszillator bildet und zum Erzeugen der Referenzfrequenz (f₁) verwendet wird.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Phasenvergleichsschal­ tung (42) zum Vergleich zwischen der Frequenz der Ei­ genschwingung (f₂) und der Referenzfrequenz (f₁) ver­ wendet wird.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5, 6, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß es sich beim Generator zur Erzeugung der Eigenschwingungen (41) um einen VCO als Teil einer PLL-Schaltungsanordnung, beim Schwingkreis zur Erzeugung einer Referenzfrequenz (43) und bei der Phasenvergleichsschaltung (42) um Schaltungsteile der­ selben PLL-Schaltungsanordnung handelt.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, da­ durch gekennzeichnet, daß der zu Eigenschwingungen an­ geregte Teil des Druckbehälters als Membrane (2) ausge­ legt ist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 10, da­ durch gekennzeichnet, daß Kenndaten des Druckbehälters, die temperaturabhängig sind, als Sollwerte in form ei­ ner Wertetabelle in einem Datenspeicher (6) abgelegt sind.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 11, da­ durch gekennzeichnet, daß Teile der Vorrichtung oder die Vorrichtung (8) selbst zugleich die Funktion eines Überdruckventils ausüben.