DE19508514A1 - Magnetischer Drucksensor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung des Innendrucks in einem Druckbehälter, insbesondere einem Kaltgasbehälter bei einem Hybrid-Gasgenerator.

In fast allen neu produzierten Kraftfahrzeugen sind heutzutage serienmäßig Rückhaltesysteme zum Schutz der Insassen bei einem Unfall vorhanden. Am meisten verbreitet sind hierbei Airbag-Systeme und Gurtstrammer. Die bei Airbag-Systemen verwendeten und zum Schutz der Insassen in das Lenkrad, in das Armaturenbrett sowie in Türen und Sitzen eingebauten Prallsäcke werden im Falle einer Auslösung innerhalb weniger Millisekunden mit Gas aufgeblasen, das mittels Gasgeneratoren erzeugt wird.

Bei den hierzu verwendeten Gasgeneratoren unterscheidet man zwischen pyrotechnischen Gasgeneratoren, die im Falle einer Auslösung aus meist in Tablettenform vorhandenem Festtreibstoff ein Heißgas erzeugen, und Hy­ brid-Gasgeneratoren, in denen ein ungefährliches inertes Gas oder Gasge­ misch unter hohem Druck in einem zum Hybrid-Gasgenerator gehörenden Druckbehälter gespeichert ist. Dabei werden die pyrotechnischen Gasgene­ ratoren, von denen viele bei einer Auslösung für die Insassen gefährliche und umweltschädliche Gase freisetzen, in zunehmendem Maße durch die Hy­ brid-Gasgeneratoren ersetzt, um die gesetzlich vorgeschriebenen Immissions­ grenzwerte und die Vorgaben der Automobilindustrie einzuhalten.

Um zu gewährleisten, daß ein derartiger Hybrid-Gasgenerator über seine ge­ samte Einsatzdauer von 15 Jahren stets einsatzbereit ist, um bei einem Un­ fall den Prallsack innerhalb kürzester Zeit aufblasen zu können, muß der Druck des gespeicherten Gases im Druckbehälter überwacht werden, um beim Unterschreiten eines unteren Schwellwertes den Fahrer vor einem dro­ henden Ausfall der Schutzeinrichtung zu warnen.

Nach dem Stand der Technik werden zur Messung des Innendrucks zumeist piezoresistive Druckschalter oder Drucksensoren im Innern eines Druckbehäl­ ters angeordnet. Derartige Drucksensoren sind beispielsweise in den Druck­ schriften DE 27 14 644 A1, DE 28 41 312 A1 und DE 41 13 563 A1 beschrieben.

Die darin beschriebenen Drucksensoren weisen zumindest zwei Nachteile auf, daß nämlich zum einen durch die Anordnung des Drucksensors im In­ nern des Druckbehälters eine Öffnung zur Durchführung der elektrischen Verbindungsleitungen in die Druckbehälterwandung eingebracht werden muß. Eine derartige Öffnung in der Druckbehälterwandung stellt ein poten­ tielles Leck dar; zudem sind präzise und damit teure Arbeitsschritte nötig, um die Öffnung einzubringen, zu verschließen und abzudichten. Zum ande­ ren sind die verwendeten piezoresistiven Sensoren aufgrund ihrer Herstel­ lung teuer und tragen deshalb zusätzlich zu den hohen Kosten bei, die eine solche Druckmeßeinrichtung verursacht.

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, ein möglichst einfaches und damit kostengünstiges Verfahren zur Messung des Innendrucks in Druckbehältern anzugeben, bei der keine Kabeldurchführung in die Druckbehälterwandung eingebracht werden muß und die deshalb nicht die Zuverlässigkeit des Hy­ brid-Gasgenerators herabsetzt. Ferner soll eine einfache Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens angegeben werden.

Hierzu wird ein magnetischer Kreis gebildet, wobei ein Teil dieses magneti­ schen Kreises aus der Wandung des Druckbehälters besteht und wobei mit­ tels eines Dauer- oder Elektromagneten ein magnetischer Fluß in diesem ma­ gnetischen Kreis erzeugt wird. Eine Änderung des magnetischen Flusses, die ihre Ursache in der durch eine Druckänderung bedingten Verformung der Druckbehälterwandung hat, wird dadurch detektiert, daß sie in einer Wick­ lung, die im Bereich des magnetischen Flusses angeordnet ist, eine Span­ nung induziert, die einer Auswerteschaltung zugeführt wird.

Die Vorteile der Erfindung liegen neben der Kosteneinsparung und dem Wegfall der Kabeldurchführung auch darin, daß mit der Meßanordnung Druckänderungen bereits im Bereich von 2% zuverlässig erkannt werden können und daß bei einer Störung oder einem Ausfall der Meßvorrichtung diese ausgetauscht und der mit Gas befüllte Druckbehälter weiterbenutzt werden kann.

Die Erfindung ist nachstehend anhand von drei Ausführungsbeispielen aus­ führlich erläutert und in den Figuren dargestellt.

Es zeigen

Fig. 1 ein Schnittbild eines Hybrid-Gasgenerators mit Drucksensor,

Fig. 2 ein Schnittbild einer ersten Drucküberwachungseinheit,

Fig. 3 ein Schnittbild einer zweiten Drucküberwachungseinheit,

Fig. 4a eine perspektivische Darstellung eines Druckbehälters mit ei­ ner dritten Drucküberwachungseinheit und

Fig. 4b eine detaillierte Darstellung der Drucküberwachungseinheit aus Fig. 4a.

Ein in Fig. 1 dargestellter Hybrid-Gasgenerator 1 besteht hauptsächlich aus den beiden Teilen Anzündeinheit 2 und Druckbehälter 3, die mittels einer formschlüssigen Verbindung 7 zusammengehalten werden. Die Druckbehäl­ terwandung 4 des zumeist aus Stahl bestehenden Druckbehälters 3 weist eine Düse 5 auf, die mit einer Berstmembrane 6 verschlossen ist.

Zur Anzündeinheit 2 gehören ein auf bekannte Art und Weise auszulösender Anzünder 20, der bei einer Auslösung ein Treibmittel 21 entzündet und da­ durch ein Heißgas erzeugt. Ein Füllkörper 22 sorgt für einen sicheren Halt des meist zu Tabletten gepreßten Treibmittels 21, das in einer Brennkammer 25 angeordnet ist. Ein Stützsieb 23 hält feste und heiße Abbrandprodukte, die beim Abbrennen des Treibmittels 21 entstehen, aus dem Heißgas zurück.

Die Berstmembrane 6 des Druckbehälters 3 wird nach einer Auslösung des Anzünders 20 dadurch geöffnet, daß das in der Brennkammer 25 erzeugte Heißgas durch Brennkammerdüsen 24 ausströmt und auf die Berstmembra­ ne 6 auftrifft, die dadurch aufgeheizt und durchschweißt wird.

Daraufhin strömt das gespeicherte Kaltgas aus dem Druckbehälter 3 und vermischt sich mit dem in der Brennkammer 25 aus dem Treibmittel 21 er­ zeugten Heißgas, das sich beim Expandieren abkühlt. Das entstandene Gas­ gemisch verläßt nach Passieren von bekannten und deshalb nicht dargestellten (Fein-)Filtern durch Ausblasöffnungen 26 den Hybrid- Gasgenerator 1 und wird zum Aufblasen eines Prallsacks verwendet.

Eine nachfolgend beschriebene Drucküberwachungseinheit 10 ist vorzugs­ weise an einer der beiden eingezeichneten Positionen 10′ bzw. 10′′ der Druckbehälterwandung 4 angeordnet.

Fig. 2 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Druck­ überwachungseinheit 10. Ein Jochmagnet 12 ist vorsichtshalber mittels einer nicht dargestellten Verbindung, beispielsweise mit einer Schraub- oder Kle­ beverbindung, mit der Druckbehälterwandung 4 verbunden. Unter dem Jochmagnet 12 ist ein Spulenkörper 9 derart angeordnet, daß eine möglichst große Kontaktfläche zwischen Spulenkörper 9 und Druckbehälterwandung 4 entsteht. Der Spulenkörper 9 ist mit einem isolierten Draht, vorzugsweise aus Kupfer, umwickelt, so daß eine Spule mit Wicklung 13 entsteht.

Das Magnetfeld des Jochmagneten 12 durchsetzt die Wicklung 13 und die Druckbehälterwandung 4, wobei seine Beschaffenheit aufgrund des kon­ stanten, vom Jochmagneten 12 erzeugten Magnetfeldes im wesentlichen nur von der Form der Druckbehälterwandung 4 beeinflußt wird. Ändert sich die Wölbung der Druckbehälterwandung 4 aufgrund eines sich ändernden Innendrucks im Druckbehälter, induziert die daraus hervorgehende Magnet­ feldänderung in der Wicklung 13 eine elektrische Spannung, so daß letztendlich die in der Wicklung 13 induzierte Spannung ein Maß für den im Druckbe­ hälter herrschenden Innendruck ist.

Die in der Wicklung 13 induzierte Spannung wird mittels einer Steckereinheit 15 und elektrischer Verbindungsleitungen 14 einem A/D-Umsetzer zugeführt. Vom digitalisierten Signal werden zuerst Störungen und unverwertbare An­ teile ausgefiltert, bevor es einer nachgeschalteten und an sich bekannten Auswerteschaltung, insbesondere einem Mikroprozessor, zur weiteren Verar­ beitung zugeleitet wird.

In der Auswerteschaltung werden zuerst aus dem digitalisierten Signal sol­ che Werte gebildet, die in Form einer Wertetabelle in einem zur Auswerte­ schaltung gehörenden Speicher abgelegt werden können. Durch einen Ver­ gleich zwischen dem letzten abgespeicherten Wert und einer aktuell erfaß­ ten Änderung wird jeweils ein aktueller Wert errechnet und anschließend abgespeichert. Da der Innendruck im Druckbehälter temperaturabhängig ist, muß die in der Nähe des Druckbehälters herrschende Temperatur gemessen und bei jeder Berechnung berücksichtigt werden.

Die Auswerteschaltung besitzt vorzugsweise eine Einrichtung zur Kalibrie­ rung der Meßvorrichtung und zum Speichern eines anfänglichen absoluten Druckes. Diese Kalibrierung erfolgt am besten beim Befüllen des Druckbehäl­ ters, wenn der vorgesehene Druck erreicht ist und auf einer Anzeigeeinheit der Befüllstation, etwa auf einem Manometer, abgelesen und in die Auswer­ teschaltung eingelesen oder eingegeben werden kann.

Wird ein der Auswerteschaltung vorgegebener, temperaturabhängiger Schwellwert unterschritten, weil zum Beispiel die in der Spezifikation vorge­ gebenen Temperaturen unterschritten werden oder der Innendruck im Druckbehälter aufgrund eines Lecks absinkt, wird der Fahrer mittels einer Warneinrichtung darauf aufmerksam gemacht, daß der Innendruck im Druckbehälter möglicherweise nicht mehr dazu ausreicht, bei einem Unfall einen Prallsack vollständig aufzufüllen.

Dieses Ausführungsbeispiel einer Drucküberwachungseinheit 10 ist überall dort vorteilhaft einzusetzen, wo über einen langen Zeitraum hinweg der In­ nendruck eines Druckbehälters überwacht werden muß und die Drucküber­ wachungseinheit 10 dauerhaft und fest mit der Druckbehälterwandung 4 verbunden sein muß.

Fig. 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Drucküberwachungseinheit 10. Hierbei wird in die Druckbehälterwandung 4 eine Bohrung mit Innengewinde 8 eingebracht. Ein Stahlbolzen 16, der in diese Bohrung mit Innengewinde 8 eingeschraubt wird, weist zu diesem Zweck an einem Ende ein zum Innengewinde der Bohrung 8 passendes Au­ ßengewinde 17 auf. An seinem anderen Ende wird um den Stahlbolzen 16 ein isolierter Kupferdraht gewickelt, so daß wie im ersten Ausführungsbei­ spiel (Fig. 2) eine Wicklung 13 mit Zuleitungen 14 entsteht.

Über die Wicklung 13 wird ein Ringmagnet 18 gestülpt, dessen Innendurch­ messer geringfügig größer ist als der Außendurchmesser der Wicklung 13. Ringmagnet 18 und Wicklung 13 werden mittels Endstücken 19 zusammen­ gehalten, deren Außendurchmesser dem Außendurchmesser des Ringma­ gneten 18 entsprechen und deren Innendurchmesser geringfügig größer sind als der Außendurchmesser des Stahlbolzens 16. Vorzugsweise werden die Endstücke 19 mit der zugehörigen Außenfläche des Ringmagneten 18 dauerhaft verbunden, beispielsweise verklebt.

Anders als im ersten Ausführungsbeispiel (Fig. 2) wird das konstante Ma­ gnetfeld des Ringmagneten 18 nicht direkt in die Druckbehälterwandung 4 eingekoppelt, sondern indirekt über den Stahlbolzen 16. Dieser wird nach den Gesetzen des Magnetismus selbst wieder zum Magneten, dessen Feldli­ nien direkt in die Druckbehälterwandung 4 eingekoppelt werden. Der weite­ re Ablauf entspricht dann wiederum dem des ersten Ausführungsbeispiels, da der Verlauf der vom Stahlbolzen 16 ausgehenden Magnetfeldlinien bei konstantem Magnetfeld im wesentlichen nur von der Wölbung der Druckbe­ hälterwandung 4 bestimmt wird und bei einer Änderung dieser Wölbung aufgrund eines veränderten Innendrucks eine Spannung in der Wicklung 13 induziert wird, die mittels elektrischer Verbindungsleitungen 14 einer Aus­ werteschaltung zugeführt wird.

Dieses Ausführungsbeispiel weist den Vorteil auf, daß die Drucküberwa­ chungseinheit 10 ohne großen Aufwand an einen Druckbehälter angebracht und wieder abgenommen werden kann, wenn zum Beispiel an einem Druck­ behälter nur eine kurzzeitige Messung durchzuführen ist.

In den Fig. 4a und 4b ist ein drittes Ausführungsbeispiel einer Drucküberwa­ chungseinheit 10 dargestellt, wobei Fig. 4a die Anordnung der Drucküber­ wachungseinheit 10 an einem Druckbehälter 3 und Fig. 4b den Aufbau der Drucküberwachungseinheit 10 detailliert zeigt.

Bei diesem Ausführungsbeispiel besteht die Druckbehälterwandung 4 des Druckbehälters 3 aus einem Nichteisen-Metall, weshalb zur Erzeugung eines magnetischen Kreises und eines magnetischen Flußes ein ferromagnetischer Streifen 11 beispielsweise mittels einer Klebeverbindung fest und dauerhaft mit der Druckbehälterwandung 4 verbunden wird, damit bei einer Verfor­ mung der Druckbehälterwandung 4 die Länge des ferromagnetischen Strei­ fens 11 entsprechend verändert wird.

Die Druckbehälterwandung 4 des Druckbehälters 3 weist eine mit einer Berstmembrane 6 verschlossene Düse auf. Die Drucküberwachungseinheit 10 ist ungefähr auf halber Höhe der Seitenfläche des zylindrischen Druckbehäl­ ters 3 angeordnet und besteht aus einem ferromagnetischen Streifen 11, ei­ nem ferromagnetischen Joch 27 und zweier um das Joch 27 angeordneter Wicklungen 13 und 28 mit elektrischen Anschlüssen 14. Joch 27, ferromagne­ tischer Streifen 11 und Druckbehälterwandung 4 sind fest miteinander ver­ bunden.

Im Gegensatz zum ersten und zweiten Ausführungsbeispiel wird bei der in Fig. 4a und 4b dargestellten beispielhaften Vorrichtung ein magnetischer Fluß mittels eines Elektromagneten erzeugt, der aus dem Joch 27 und der Wicklung 28 mit Anschlüssen 14 besteht. Wie im ersten und zweiten Ausfüh­ rungsbeispiel wird in der Wicklung 13 bei einer Änderung des magnetischen Flusses, die auf eine Änderung des Innendrucks im Druckbehälter 3 zurück­ zuführen ist, eine Spannung induziert und einer Auswerteschaltung zugeführt.

Dieses Ausführungsbeispiel findet seine Verwendung vorzugsweise in einem Kraftfahrzeug zur Überwachung des Innendrucks im Kaltgasbehälter eines Airbag-Systems.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Messung des Innendrucks findet ihre Verwendung hauptsächlich bei Druckbehältern von Hybrid-Gasgeneratoren, bei Druckbehältern für brennbare Gasgemische und bei Druckbehältern für flüssig-gasförmige Gemische.

Claims (12)

1. Verfahren zur Messung des Innendrucks in einem Druckbehälter, gekenn­ zeichnet durch folgende Merkmale:

• a) Bildung eines magnetischen Kreises, wobei ein Teil dieses magneti­ schen Kreises von der Wandung (4) des Druckbehälters (3) gebildet wird,
• b) Erzeugung eines bestimmten magnetischen Flusses in dem magneti­ schen Kreis und
• c) Detektierung der Flußänderung in dem magnetischen Kreis, wobei die Flußänderung ihre Ursache in der durch die Druckänderung be­ dingten Verformung der Druckbehälterwandung (4) ist.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an der Druckbehälterwandung (4) ein Magnet (12; 18; 28) und eine Wicklung (13) angeordnet sind, daß eine Spannung, die bei einer Änderung der Verformung der Druckbehälterwandung (4) aufgrund eines sich ändernden Innendrucks im Druckbehälter (3) durch das Magnetfeld des Magneten (12; 18; 28) in der Spule (13) induziert wird, ein Maß für die Ände­ rung des Innendrucks im Druckbehälter (3) darstellt.

3. Vorrichtung zum Messen des Innendrucks in einem Druckbehälter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung des Magnetfel­ des ein Jochmagnet (12) verwendet wird.

4. Vorrichtung zum Messen des Innendrucks in einem Druckbehälter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung des Magnetfel­ des ein Elektromagnet (28) verwendet wird.

5. Vorrichtung zum Messen des Innendrucks in einem Druckbehälter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung des Magnetfel­ des ein Ringmagnet (18) verwendet wird.

6. Vorrichtung zum Messen des Innendrucks in einem Druckbehälter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringmagnet (18) um einen Stahlbolzen (16) herum angeordnet ist.

7. Vorrichtung zum Messen des Innendrucks in einem Druckbehälter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Stahlbolzen (16) ein Gewin­ de (17) aufweist.

8. Vorrichtung zum Messen des Innendrucks in einem Druckbehälter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckbehälterwandung (4) eine mit Gewinde versehene Bohrung (8) zur Aufnahme des Stahlbolzens (16) aufweist.

9. Vorrichtung zum Messen des Innendrucks in einem Druckbehälter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Stahlbolzen (16) in die mit einem Gewinde versehene Bohrung (8) in der Druckbehälterwandung (4) ein­ geschraubt wird.

10. Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 9 zur Über­ wachung des Innendrucks im Kaltgasbehälter eines Hybrid-Gasgenerators.

11. Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 9 zur Über­ wachung des Innendrucks in einem Druckbehälter für brennbare Gasgemi­ sche.

12. Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 9 zur Über­ wachung des Innendrucks in einem Druckbehälter für flüssig-gasförmige Ge­ mische.