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Die
vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen einen Sensor und Systeme
zum Messen eines Gewichts und insbesondere einen Gewichtssensor
zum Messen des Gewichts von Insassen oder anderen Gegenständen in
einem Sitz eines motorisierten Fahrzeugs, beispielsweise zum Bestimmen
von Sitzzuständen eines
Insassen zum Steuern eines Fahrzeugsicherheitsrückhaltesystems.
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Die
US 5,176,424 beschreibt
ein System mit einer Blase, die aus einem flexiblen Material hergestellt ist,
zum Anbringen unterhalb einer Polsterung eines Sitzes, wobei die
Blase durch die Basis des Sitzes gelagert wird; einem flüssigen Fluid,
das in der Blase gehalten wird; und einen Drucksensor, der funktionsmäßig mit
der Blase zum Erzeugen eines Signals gekoppelt ist, das dem Druck
des Fluids innerhalb der Blase entspricht. Das Drucksignal wird
dazu verwendet, um entweder eine Pumpe oder eine Ventilanordnung
zu steuern.
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Ferner
offenbart die EP-A-0 900 705, die als Stand der Technik gemäß Artikel
54 (3) EPÜ anzusehen ist,
ein System zum Messen des auf einem Sitz lastenden Gewichts.
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Ein
Fahrzeug kann Aktuatoren für
ein automatisches Sicherheitssystem aufweisen, die in Antwort auf einen
Fahrzeugunfall aktiviert werden, um Verletzungen von Insassen abzuschwächen. Beispiele
derartiger Rückhalteaktuatoren
umfassen Airbags, Anschnallgurt-Vorspanneinrichtungen und ausfahrbare
Kniefänger.
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Es
ist eine Aufgabe eines automatischen Sicherheitsrückhaltesystems,
Verletzungen von Insassen anzuschwächen, wobei mit dem automatischen
Rückhaltesystem
nicht mehr Verletzungen hervorgerufen werden, als dann, wenn bei
dem Unfall das automatische Rückhaltesystem
nicht aktiviert wurde. Abgesehen von dem Vorteil hinsichtlich des
Schutzes durch diese automatischen Sicherheitsrückhalte-Aktuatoren existiert
im Zusammenhang mit deren Auffaltung grundsätzlich sowohl ein Risiko als
auch ein Kostenproblem. Im Allgemeinen ist es wegen der Kosten beim
Ersetzen der zugehörigen
Komponenten des Fahrzeugsicherheitssystems und wegen dem Potential
bei derartigen Aktivierungen, Fahrzeuginsassen zu schädigen, wünschenswert,
automatische Sicherheitsrückhalte-Aktuatoren
lediglich dann zu aktivieren, wenn es erforderlich ist, Verletzungen
abzuschwächen.
Dies ist insbesondere bei Airbag- Rückhaltesystemen
zutreffend, wobei zu nahe am Airbag zum Zeitpunkt der Entfaltung
positionierte Fahrzeuginsassen – das
heißt
außerhalb
der Sollposition befindliche Insassen – durch das Entfalten des Airbags
verletzt oder getötet
werden können,
selbst wenn der Fahrzeugunfall relativ mild ist. Darüber hinaus
sind Fahrzeuginsassen mit relativ geringer Körpergröße oder mit schwacher Konstitution,
wie beispielsweise Kinder, kleinwüchsige Erwachsene oder Menschen
mit schwachen Knochen insbesondere dem Risiko einer durch den Airbag-Gasgenerator
verursachten Verletzung ausgesetzt. Ferner sind auch Kleinkinder,
die korrekt in einem normal positionierten Kindersitz mit Gesicht
nach hinten (RFIS, rear facing infant seat) nahe einem Passagier-Seitenairbag
auf einem Vordersitz positioniert sind, ebenfalls dem Risiko einer
Verletzung oder Tötung
durch das Entfalten des Airbags wegen der engen Nähe der Rückseite
des Kindersitzes zu dem Airbag-Gasgeneratormodul ausgesetzt.
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Airbag-Gasgeneratoren
sind mit einer vorgegebenen Rückhaltekapazität ausgelegt,
beispielsweise der Kapazität
zum Schützen
eines nicht angeschnallten normalsitzend positionierten fünfzig perzentilen
Insassen, wenn er einem Unfall mit 48 km/h (30 MPH) gegen eine Barriere
ausgesetzt ist, was zu zugehörigen
Energie- und Kraftpegeln führt,
die für
depositionierte Insassen gesundheitsschädigend sein können. Obwohl
es relativ selten vorkommt, haben Fälle einer Verletzung oder Tötung aufgrund
von Airbag-Gasgeneratoren bei Unfällen, bei denen die Insassen
andernfalls relativ unverletzt überlebt
hätten,
Anlass dafür
gegeben, das Risiko zu reduzieren oder zu eliminieren, dass Airbag-Gasgeneratoren
die Insassen verletzen, welche an sich geschützt werden sollten.
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Eine
Technik zum Abschwächen
einer Verletzung bei Insassen durch den Airbag-Gasgenerator liegt darin, die Kraft-
und Energiewerte des zugeordneten Airbag-Gasgenerators zu reduzieren, beispielsweise durch
eine Reduktion der Menge an Gaserzeugungsmittel in dem Airbag-Gasgenerator
oder durch Reduktion dessen Gaserzeugungsrate. Dies verringert das
Risiko, Insassen durch den Airbag-Gasgenerator zu verletzen, während gleichzeitig
die Rückhaltekapazität des Airbag-Gasgenerators
reduziert wird, was zu einem größeren Verletzungsrisiko
für Insassen
führt,
wenn diese einem schweren Unfall ausgesetzt sind.
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Eine
weitere Technik zum Abschwächen
der Verletzungen von Insassen durch den Airbag-Gasgenerator liegt
darin, die Gasgeneratorrate oder die Kapazität des Gasgenerators in Antwort
auf ein Maß für die Schwere
des Unfalls zu steuern. Allerdings würde das Risiko einer Verletzung
für derartige
Insassen unter Bedingungen einer größeren Unfallschwere nicht abgeschwächt, wenn
der Gasgenerator beabsichtigter weise aggressiver gestaltet ist,
um ein hinreichendes Rückhaltevermögen für normal
positionierte Insassen bereitzustellen.
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Eine
weitere Technik zum Abschwächen
von Verletzungen von Insassen durch den Airbag-Gasgenerator liegt
darin, die Aktivierung des Airbag-Gasgenerators in Antwort auf das
Vorhandensein, die Position und die Größe des Insassen oder in Antwort
auf die Schwere des Unfalls zu steuern. Beispielsweise kann der
Airbag-Gasgenerator deaktiviert werden, wenn das Gewicht des Insassen
unterhalb eines vorgegebenen Schwellenwerts liegt. Darüber hinaus
kann die Aufblaskapazität
durch Steuern der Anzahl der aktivierten Gasgeneratorstufen eines
mehrstufigen Gasgenerators eingestellt werden. Darüber hinaus
kann die Gasgeneratorleistung durch Steuern der Zeitverzögerung zwischen
dem Feuern jeweiliger Stufen eines mehrstufigen Gasgenerators eingestellt
werden.
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Ein
Maß für die Rückhaltekapazität eines
Airbag-Gasgenerators ist der Betrag an kinetischer Energie des Insassen,
die von dem zugehörigen
Airbag-System aufgenommen werden kann, wobei dann wenn der Insasse
mit dem gasgefüllten
Airbag kollidiert, die kinetische Energie des Insassen in potentielle
Energie über den
Druckaufbau des Airbags umgewandelt wird, und wobei diese potentielle
Energie durch Ablassen von Druckgasen aus dem Airbag dissipiert.
Wenn ein Fahrzeug in einem Unfall abgebremst wird, steigt die Geschwindigkeit
eines nicht zurückgehaltenen
Passagiers relativ zu dem Fahrzeug an. Vorzugsweise wird der Insassenrückhalteprozess
relativ früh
während
des Unfalls eingeleitet, um die Menge an kinetischer Energie des Insassen,
die aufgenommen werden muss, zu begrenzen und um dadurch die zugehörigen Rückhaltekräfte und
Beschleunigungen und Belastungen innerhalb des Insassen zu minimieren.
Wenn der Insasse eine einfache träge Masse ohne Reibung relativ
zu dem Fahrzeug wäre,
dann wäre
die kinetische Energie des Insassen gegeben durch ½ M·V2, wobei M die Masse des Insassen und V die
Geschwindigkeit des Insassen relativ zu dem Fahrzeug ist. Wenn ein
realer Insasse durch eine Anordnung miteinander verbundener Körper repräsentiert
wird, von denen einige Reibung relativ zu dem Fahrzeug ausgesetzt
sind, wobei jeder Körper
davon unterschiedliche Geschwindigkeiten relativ zu dem Fahrzeug
aufweist, würde
sich obige Gleichung auf die Bewegung des Schwerpunkts des Insassen
anwenden lassen. Unabhängig
von der Art der Darstellung, besitzen Insassen größerer Masse
eine größere kinetische
Energie bei derselben Geschwindigkeit relativ zu dem Fahrzeug. Deshalb
ist ein Insassengewichtssensor bei einem Airbagsystem mit variabler
Rückhaltekapazität nützlich,
um zu ermöglichen,
dass die Rückhaltekapazität vorzugsweise
an das Gewicht oder die Masse, des Insassen angepasst wird.
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Die
US 5,573,269 , auf welcher
der Oberbegriff der Ansprüche
beruht, beschreibt eine Vorrichtung zum Erfassen und Rückhalten
eines Insassen auf einem Fahrzeugsitz mit einem Gewichtssensor und
einem Fahrzeugneigungssensor. Der Gewichtssensor erfasst ein erfasstes
Gewicht des Insassen auf dem Sitz. Das erfasste Gewicht weicht von
dem aktuellen Gewicht des Insassen ab. Der Neigungssensor erfasst
eine Charakteristik, die die Differenz zwischen dem erfassten Gewicht
und dem tatsächlichen
Gewicht des Insassen beeinflusst.
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Mit
Ausnahme von einigen Fällen
schräger
Unfälle
oder eines Seitenaufpralls ist es im Allgemeinen wünschenswert,
einen automatischen Sicherheitsrückhalte-Aktuator
nicht zu aktivieren, wenn ein zugehöriger Insasse nicht vorhanden
ist, wegen der ansonsten überflüssigen Kosten
und Unannehmlichkeiten, die mit dem Austauschen eines ausgelösten Airbag-Gasgeneratorssystems
verbunden sind. Das Vorhandensein eines Insassen kann durch einen
Sitzgewichtssensor erfasst werden, der dazu ausgelegt ist, entweder
ein kontinuierliches Maß für das Insassengewicht
bereitzustellen oder binär
eine Anzeige bereitzustellen, ob das Insassengewicht entweder oberhalb
oder unterhalb eines bestimmten Gewichtsschwellenwertes ist.
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Bekannte
Sitzgewichtssensoren umfassen ein oder mehrere Kissen, die kraftempfindliche
Widerstandsfilme (FSR)(force sensitive resistive) verwenden. Diese
Anordnungen werden typischerweise als Gewichtsschwellenwertsysteme
genutzt, um einen Insassen-Airbag zu deaktivieren, wenn der Sitz
leer ist. Kraftaufnehmer, die an den Sitzbefestigungspfosten angebracht
sind, wurden in Forschungsfällen
ebenfalls eingesetzt. Ferner wurden Mechanismen untersucht, die
Streifenpotentiometer verwenden, um eine Sitzverlagerung nach unten
zu erfassen.
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Derartige
bekannte Anordnungen unterliegen jedoch einigen Nachteilen. Zunächst haben
Kraftsensoren mit variablem Widerstand begrenzte Empfindlichkeit
und sind in einigen Situationen nicht empfindlich genug, damit sie
direkt unter einem Sitzkissen positioniert werden können, während sie
weiterhin das gewünschte
Ansprechverhalten zeigen. Zweitens stellen Schwellenwertgewichtssysteme
nur sehr beschränkte
Informationen bereit. Beispielsweise geben derartige Anordnungen
keine Auskunft über
die Größe eines
Insassen. Drittens verändern
sich Widerstandswerte bekannter variabler Kraftwiderstände mit
der Temperatur und zeigen ein Driftverhalten über der Zeit bei einer konstanten
Belastung auf den Sensor.
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Die
weiteren bekannten Sensieranordnungen sorgen auch in anderer Hinsicht
nicht für
hinreichend gute Ergebnisse. Beispielsweise ist die Verwendung von
Kraftaufnehmern inakzeptabel teuer für kommerzielle Anwendungen
im großen
Stiel. Dehnmessstreifen beliebigen Typs können aufgrund der Probleme
beim Anwenden auf gestrecktes Material ungeeignet sein. Schließlich sind
Gewichtssensoren, die auf mechanischen Streifenpotentiometern beruhen,
komplex und unterliegen dem Problem eines Versagens durch Dehnung
des Streifens.
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Der
Stand der Technik lehrt auch die Verwendung von Sitzgewichtssensoren
außerhalb
der kraftfahrzeugtechnischen Umgebung, beispielsweise als Mittel
zum Deaktivieren des Betriebs entweder eines Boots oder einer industriellen
Maschine, wenn die Bedienungsperson nicht korrekt auf dem Sitz positioniert
ist, oder zum Wiegen einer Person, die auf einem Trainingsrad sitzt.
Diese Vorrichtungen umfassen pneumatische Blasen, die in dem Sitz
angeordnet sind, wobei der Druck innerhalb der Blase dazu verwendet
wird, um entweder einen Schwellenwertschalter zu aktivieren oder
um eine kontinuierliche Anzeige des Gewichts des Benutzers bereitzustellen.
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Ein
Problem bei pneumatischen Sensoren gemäß dem Stand der Technik, insbesondere
dann, wenn diese in der kraftfahrzeugtechnischen Umgebung eingesetzt
werden, liegt in deren Empfindlichkeit auf Umwelteinflüsse, insbesondere
auf die Umgebungstemperatur und den Umgebungsdruck. Ein Sitzgewichtssensor
in einer kraftfahrzeugtechnischen Umgebung muss zuverlässig und
genau über
einen großen
Bereich von Temperaturen und Drücken
arbeiten, was signifikante Fehler erzeugen kann.
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Der
Stand der Technik lehrt auch, hydraulische Kraftaufnehmer zu verwenden,
wobei das zu messende Gewicht auf ein Kolbenelement mit einer bekannten
Fläche
einwirkt, wobei das gemessene Gewicht dadurch ermittelt wird, dass
ein gemessener Druck mit der bekannten Fläche multipliziert wird. Ein
Problem von hydraulischen Kraftaufnehmern in der kraftfahrzeugtechnischen
Umgebung, insbesondere in einem Sitz, liegt darin, dass die Effekte
einer Kraftaufnehmerorientierung an dem Hydraulikkopf Lastmessfehler
hervorrufen kann.
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Gemäß einem
ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung, ist ein System zum Messen
eines Gewichts auf einem Sitz vorgesehen, gekennzeichnet durch:
eine
Blase zum Anbringen unter dem Polster des Sitzes und zum abgestützt werden
durch die Basis des Sitzes, wobei die Blase aus einem flexiblem
Material hergestellt ist;
ein in der Blase gehaltenes Fluid,
wobei das Fluid eine Flüssigkeit
ist; und
einen Drucksensor, der funktionsmäßig mit der Blase zur Erzeugung
eines Signals in Antwort auf den Druck des Fluids innerhalb der
Blase gekoppelt ist, wobei ein aus der funktionsmäßig mit
dem Drucksensor gekoppelten Blase bestehendes Subsystem hinsichtlich
der Zuführung
und Abführung
des Fluids geschlossen ist.
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Gemäß einem
zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung, ist ein System zum Messen
eines Gewichts auf einem Sitz vorgesehen, gekennzeichnet durch
eine
Blase zum Anbringen unter dem Polster des Sitzes und zum abgestützt werden
durch die Basis des Sitzes, wobei die Blase aus einem flexiblem
Material hergestellt ist;
ein in der Blase enthaltenes Fluid,
wobei die Blase lediglich teilweise mit dem Fluid gefüllt ist;
und
einen Drucksensor, der funktionsmäßig mit der Blase zum Erzeugen
eines Signals in Antwort auf den Druck des Fluids innerhalb der
Blase gekoppelt ist.
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Die
gegenwärtige
Erfindung beseitigt die vorstehend genannten Probleme durch Bereitstellen
eines Sitzgewichtssensors, der eine fluidgefüllte Blase umfasst, die in
Reihe mit einem Kraftweg in dem Sitz angeordnet ist, wobei eine
auf die Blase ausgeübte
und über
diese verteilte Last den Druck des Fluids in dieser erhöht. Der
Druck des Fluids kann durch einen Drucksensor gemessen werden und
ist im Wesentlichen proportional zu der Größe der ausgeübten Last
und im Wesentlichen umgekehrt proportional zu der Stützfläche der
Blase.
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Die
gegenwärtige
Erfindung kann auch ein Mittel zum Verteilen der einwirkenden Last über die
Fläche der
fluidgefüllten
Blase umfassen, um zu verhindern, dass eine konzentrierte Last die
obere und die untere Oberfläche
der Blase gegeneinander drückt
um dadurch einen alternativen Kraftweg zu erzeugen, der keine entsprechende
Druckerhöhung
des Fluids bewirkt. Das Ausgangssignal ist im Wesentlichen linear
bezüglich des
Gewichts, vorausgesetzt dass 1) das Gewicht über eine hinreichend große Fläche verteilt,
so dass die Blase nicht am Boden aufsitzt, 2) die Höhe der Blase
hinreichend klein relativ zu den Basisdimensionen ist, so dass der
Effekt eines Auflastens auf dem Stützbereich relativ klein ist.
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Vorzugsweise
sollte die Menge an Fluid in der Blase kleiner als die Kapazität der Blase
sein, wenn die Blase unbelastet ist. Andererseits kann das Fluid
in der Blase durch Erhöhen
der Temperatur oder durch Reduzieren des Umgebungsdrucks ansteigen,
was zu entsprechenden Lastmessfehlern führt.
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Die
Blase kann entweder eine Flüssigkeit
oder ein Gas als Erfassungsfluid enthalten. Ein gasförmiges Erfassungsfluid
neigt zu einer Expansion oder Kontraktion aufgrund von Änderungen
in der Umgebungstemperatur und dem Umgebungsdruck relativ zu den
Zuständen,
unter welchen die Blase anfangs gefüllt wurde. Ein gasförmiges Fluid
neigt stärker
zu Leckage und einem lokalen Kollabieren der oberen und unteren
Oberflächen
der Blase unter dem Einfluss einer konzentrierten Last. Bei einer
Anordnung in dem Sitz unterhalb einer Polsterung kann die Polsterung
eine wirksame Verteilung der auf den Sitz einwirkenden Lasten bewirken. Eine
Bahn aus halbsteifem Material kann darüber hinaus dazu verwendet werden,
um die Last auf die Blase zu verteilen, insbesondere die Reaktionskräfte von
den Sitzfedern, wenn die Blase auf diesen angeordnet ist.
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Die
Blase kann innere Nähte
umfassen, die die obere und untere Oberfläche der Blase innerhalb des Umfangs
der Blase aneinander befestigen, ohne die fluidische Verbindung
innerhalb der Blase zu unterbrechen. Diese Nähte verhindern, dass die Blase
sich in der Mitte ausbaucht, wenn sich das Fluid aufgrund von Temperatur-
oder Druckeffekten ausdehnt. Ein derartiges Ausbauchen beeinträchtigt den
Sitzkomfort. Die Nähte
sorgen auch dafür,
die Gesamtdicke der Blase zu reduzieren und eine hinreichende Menge
Erfassungsfluid zu konservieren, was die Kosten reduziert, wenn
Flüssigkeiten,
wie beispielsweise silikonbasierte Fluide, verwendet werden. Die
inneren Nähte
sind auch dahingehend wirksam, um die Empfindlichkeit der Blase
zu modifizieren. Beispielsweise kann eine Blase gegenüber zentralen
Belastungen empfindlicher als gegenüber distalen Belastungen gemacht
werden, wie sie auftreten können,
wenn ein Teil der einwirkenden Last von einem Teil des Sitzpolsters
getragen wird, das sich nicht in Reihe mit dem Kraftweg der Lastblase
befindet. In diesem Fall können
ausgewählte
Zonen innerhalb der Blase, beispielsweise nahe dem Zentrum, durch
eine Naht mit geschlossenem Weg von dem Erfassungsfluid isoliert
werden, so dass eine darauf ausgeübte Last nicht durch das Fluid
innerhalb der Blase erfasst wird.
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Die
Blase kann aus mehreren Lagen aus einem Fasermaterial, wie beispielsweise
Nylon, hergestellt sein, das mit einer dichtend verschweißbaren Beschichtung
versehen ist, wie beispielsweise mit Polyuhrethan, das HF (Hochfrequenz)-verscheißt wer den
kann. Eine Beschichtung kann auf die Außenseite der Blase aufgebracht
werden, um die Membransteifigkeit von dieser zu erhöhen und
um dadurch die Verteilung von aufgebrachten Kräften zu erleichtern.
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Das
System kann Druck über
die gesamte Belastungsfläche
des Sitzes integrieren, wodurch ein konsistentes Ausgangssignal
erzeugt werden kann, das relativ unempfindlich bei einer zugeordneten
Lastverteilung ist. Das System kann relativ flexibel sein und beeinträchtigt im
installierten Zustand unterhalb des Sitzpolsters den Sitzkomfort
nicht. Ferner ist diese Installation relativ einfach, wodurch die
Auswirkung auf den gesamten Herstellungsprozess des Sitzes/Fahrzeugs
minimiert werden.
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Das
nachfolgend beschriebene Ausführungsbeispiel
stellt einen Sitzgewichtssensor mit den folgenden Merkmalen und
Vorteilen bereit:
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Der
Sitzgewichtssensor stellt ein konsistentes genaues Maß für die Sitzlast
bereit, unabhängig
von der Anordnung der Gewichtsquelle auf dem Sitz.
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Der
Sitzgewichtssensor stellt ein konsistentes und genaues Maß für die Sitzlast
bereit, unabhängig von
der Größe und Verteilung
der Gewichtsquelle auf dem Sitz.
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Der
Sitzgewichtssensor stellt ein konsistentes und genaues Maß für die Sitzlast
bereit, unabhängig von
der Größe des Gewichts
auf dem Sitz.
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Der
Sitzgewichtssensor funktioniert unter einem weiten Bereich von Umgebungstemperaturen
und Druckzuständen.
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Der
verbesserte Sitzgewichtssensor kann zwischen einem nach hinten weisenden
Kindersitz, bei dem ein Airbag-System vorzugsweise nicht entfaltet
wird, und anderen Insassen unterscheiden, für die ein Airbag-System vorzugsweise
im Falle eines Unfalls hinreichend großer Schwere entfaltet wird.
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Der
Sitzgewichtssensor kann in einem intelligenten Sicherheitsrückhaltesystem
eingebaut werden, bei dem der bevorzugte Aktivierungsmodus eines
steuerbaren Insassenrückhaltesystem
abhängig
von dem Gewicht des Insassen ist.
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Der
Sitzgewichtssensor stört
nicht den Komfort für
den Insassen.
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Der
Sitzgewichtssensor ist unempfindlich gegenüber der Orientierung des Sitzes.
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Der
Sitzgewichtssensor ist kostengünstig
in der Herstellung.
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Der
Drucksensor kann ein Differenzdrucksensor sein, der funktionsmäßig mit
der fluidgefüllten
Blase zum Messen des Drucks in dieser relativ zu dem lokalen Atmosphärendruck
gekoppelt ist.
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Es
kann ein Mittel zum Verteilen der Last über die lasttragende Oberfläche der
Blase vorgesehen sein.
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Vorzugsweise
ist das Volumen des in die fluidgefüllte Blase eingefüllten Fluids
derart, dass das Volumen der Blase in einem nichtbelasteten Zustand
kleiner ist als das maximale Volumen der Blase über den Bereich der Betriebsbedingungen
der Umwelt.
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Das
nachfolgend beschriebene Ausführungsbeispiel
weist eine Vielzahl an Vorteilen auf, wie im Folgenden dargelegt.
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Ein
Vorteil liegt darin, dass die fluidgefüllte Blase auf Belastungen über einer
großen
Fläche
des Sitzes unabhängig
von der Verteilung oder Größe der Belastung
anspricht.
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Ein
weiterer Vorteil liegt darin, dass das systemeigene Ausgangssignal
relativ linear ist, was die Signalanalyse vereinfacht.
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Ein
weiterer Vorteil besteht darin, dass der Sitzgewichtssensor die
Möglichkeit
schafft, einen nach hinten orientierten Kindersitz, bei dem das
Airbag-System vorzugsweise nicht entfaltet wird, von einem Insassen unterschieden
wird, bei dem das Airbag-System vorzugsweise entfaltet wird.
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Ein
weiterer Vorteil liegt darin, dass der Sitzgewichtssensor verhältnismäßig robust,
zuverlässig
und genau ist, um eine entsprechende insassengewichtsabhängige Steuerung
eines steuerbaren Insassenrückhaltesystems
zu ermöglichen.
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Ein
weiterer Vorteil besteht darin, dass der Sitzgewichtssensor relativ
kostengünstig
in der Herstellung ist.
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Entsprechend
ist der Sitzgewichtssensor relativ unempfindlich gegenüber Einwirkungen
der Umgebungstemperatur und des Umgebungsdrucks; er ist relativ
einfach im Aufbau und unempfindlich gegen Außentemperatur und Druck; er
ist relativ einfach im Aufbau und relativ robust und zuverlässig im
Betrieb; er kann leicht in einem Fahrzeugsitz integriert werden,
ohne den Insassenkomfort zu beeinträchtigen; und er kann relativ
kostengünstig
hergestellt werden.
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Die
vorliegende Erfindung wird besser nach dem Studium der folgenden
detaillierten Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels mit Bezug auf
die beiliegenden Zeichnungen ersichtlich. Obgleich diese Beschreibung
die Anwendung der vorliegenden Erfindung in einem Fahrzeugsicherheits-Rückhaltesystem darstellt,
ist es selbstverständlich,
dass der Fachmann die vorliegende Erfindung auch bei anderen Systemen zum
Wiegen von Gegenständen
anwenden kann.
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In
den Zeichnungen:
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1 stellt
die Anordnung der vorliegenden Erfindung in einem Fahrzeugsitz dar.
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2 stellt
die Blase eines Ausführungsbeispiels
der vorliegenden Erfindung in einem unbelasteten Zustand zusammen
mit einigen weiteren Drucksensoren dar, die mit einem zugeordneten
Signalprozessor verbunden sind, der das Gewicht aus dem gemessenen
Druck bestimmt.
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3 stellt
die vorliegende Erfindung bei einer möglichen Lastverteilung dar.
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4 stellt
die vorliegende Erfindung bei einer zweiten möglichen Lastverteilung dar.
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5 stellt
eine Umgebung für
die vorliegende Erfindung dar.
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6 stellt
ein zweites Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung dar, hergestellt aus dicht miteinander
verbundenen Lagen aus flexiblem Material.
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7 stellt
einen Querschnitt des Ausführungsbeispiels
aus 6 dar, wobei einige fluidgefüllte Zonen innerhalb der zugeordneten
Blase gezeigt sind und wobei ferner eine zugeordnete inaktive Zone
gezeigt ist.
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8 stellt
ein Mittel zum Verteilen der Stützlast
von den Sitzfedern über
die Basis der fluidgefüllten Blase
der vorliegenden Erfindung dar.
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Nimmt
man Bezug auf 5, so umfasst ein Sitz 3 in
einem motorisierten Fahrzeug 1 einen hydrostatischen Sitzgewichtssensor 10,
der in der Sitzbasis 40 angeordnet ist. Der hydrostatische
Sitzgewichtssensor 10 umfasst eine Blase 12 und
einen Differenzdrucksensor 20 zum Messen des Differenzdrucks
zwischen der Blase 12 und der Atmosphäre 25. Die Blase 12 ist
sandwichartig zwischen dem Sitzrahmen 46 unterhalb und dem
Sitzpolsterschaum 44 oberhalb angeordnet. Die Blase ist
entweder mit einem gasförmigen
oder mit einem flüssigen
Fluid gefüllt.
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Im
Betrieb bewirkt ein Insasse 5, der auf der Basis 40 des
Sitzes 3 sitzt, dass der Druck innerhalb der Blase 12 ansteigt,
so dass das Produkt des Differenzdrucks, wie durch den Differenzdrucksensor 20 erfasst, multipliziert
mit der Fläche
der Basis der Blase 12 im Wesentlichen gleich dem Gesamtgewicht
ist, das über den
Sitzpolsterschaum 44 über
die Oberseite der Blase 12 verteilt wird. Der Drucksignalausgang 22 von
dem Differenzdrucksensor 20 ist funktionsmäßig mit
einem elektronischen Steuermodul 50 gekoppelt, das den Drucksignalausgang 22 konvertiert,
um unter Verwendung einer analogen, digitalen oder Mikroprozessorschaltung
und entsprechender Software ein Insassengewicht zu messen. Ein Unfallsensor 60 ist
ferner funktionsmäßig mit
der elektronischen Steuereinheit 50 gekoppelt. In Antwort
auf einen von dem Unfallsensor 60 erfassten Unfall und
ferner in Antwort auf das erfasste Gewicht des Insassen, wie aus
dem Drucksignalausgang 22 abgeleitet, erzeugt das elektronische
Steuermodul 50 ein Signal 80, das funktionsmäßig mit
einem oder mehreren Initiatoren 90 eines oder mehrerer
Gasgeneratoren 100 gekoppelt ist, die in einem Airbag-Gasgenerator-Modul 110 angebracht
sind, wodurch die Aktivierung der Airbag-Gasgenerator-Modulanordnung 7 gesteuert
wird, um den Airbag 120 je nach Bedarf aufzublasen, um
den Insassen 5 gegenüber
Verletzungen zu schützen,
die andernfalls durch den Unfall hervorgerufen werden könnten. Die
elektrische Energie, die zum Auslösen dieser Vorgänge erforderlich
ist, wird von einer Energiequelle bereitgestellt, vorzugsweise von
der Fahrzeugbatterie.
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Nimmt
man Bezug auf 1, so wirkt die Sitzpolsterung 44 derart,
dass sie die Last von dem Insassen 5 über die obere lasttragende
Fläche
der Blase 12 verteilt, wodurch ein Anwachsen des Drucks
des Fluids innerhalb der Blase 12 bewirkt wird. Dadurch
wird die obere lasttragende Fläche
der Blase 12 gestützt.
Durch Verteilen der Last über
die obere lasttragende Fläche
wirkt das Sitzpolster derart, dass es verhindert, dass auf den Sitz
ausgeübte
konzentrierte Lasten dazu führen,
dass die oberen und unteren Flächen
der Blase 12 kollabieren und aneinander anliegen, wodurch
ein alternativer Kraftweg erzeugt werden würde, der keinen entsprechenden
Druckanstieg in dem Fluid bewirken würde.
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Nimmt
man Bezug auf 2, so ist der Druck der unbelasteten
Blase 12 durch Po gegeben, was im Wesentlichen gleich dem
lokalen Atmosphärendruck
ist. Der Druck in der Blase 12 kann alternativ durch einen Absolutdrucksensor 20 oder
durch einen oder mehrere Spannungssensoren erfasst werden, die in
der Blase 12 angeordnet oder an der Oberfläche von
dieser angebracht sind. Das Signal von dem Drucksensor 12 ist funktionsmäßig mit
einem Signalprozessor 50 gekoppelt, der das Gewicht W der
einwirkenden Last misst.
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Nimmt
man Bezug auf 3, so bewirkt eine Last des
Gewichts W, das von der Blase 12 gestützt wird, dass der Druck des
darin enthaltenen Fluids um einen Betrag ΔP ansteigt, so dass das Gewicht
W gegeben ist durch W
= ΔP·A (1)wobei A die
wirksame Fläche
der unteren lasttragenden Oberfläche
der Blase 12 ist. Wenn die Blase 12 voll von der
Sitzbasis 46 gestützt
wird, dann ist die wirksame Fläche
A im Wesentlichen genau so groß wie
die Fläche
der Basis der Blase 12. Dies trifft unabhängig von
der Fläche
und Verteilung der Last auf der oberen lasttragenden Oberfläche der
Blase 12 zu, wie in 4 dargestellt,
solange die Last auf der oberen lasttragenden Oberfläche der
Blase 12 hinreichend gut verteilt ist, so dass die obere
Oberfläche
und die untere Oberfläche
der Blase 12 nicht aneinander anliegend innerhalb des Umfangs
der Blase kollabieren.
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Es
ist festzuhalten, dass die Fläche
A der Blase 12, die auf der Stützfläche lastet, im Wesentlichen gleich
bleibt, unabhängig
von der Verteilung des Gewichts, das auf die Blase 12 einwirkt.
Mit anderen Worten führen
zwei verschiedene Gegenstände,
von denen jeder das Gewicht W aufweist, jedoch unterschiedliche Gewichtsverteilungen
besitzen – ein
Gegenstand mit konzentrierter Gewichtsverteilung und ein Gegenstand, dessen
Gewicht verteilt ist – jeweils
zu demselben Druckanstieg ΔP.
Die beiden gleichen Gewichte, jeweils mit dem Gewicht W, führen zu
demselben Druckanstieg. Der Druckanstieg ΔP, der aus dem einwirkenden
Gewicht resultiert, ist unabhängig
von der Form des einwirkenden Gewichts W, solange wie die Kontaktfläche zwischen der
Unterseite der Blase 12 und der Stützfläche konstant bleibt.
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Die
Blase 12 ist vorzugsweise lediglich teilweise mit Fluid
mit einer Menge gefüllt,
so dass relativ hohe Umgebungstemperaturen oder relativ niedrige
Umgebungsdrücke
nicht dazu führen,
dass das Fluid der unbelasteten Blase 12 innerhalb des
Sitzes relativ zu dem lokalen Atmosphärendruck eine Druckerhöhung erfährt. In
der innerhalb eines Sitzes 3 angebrachten Blase 12,
wie in 1 dargestellt, wird dann, wenn keine Last einwirkt,
der Druck des Fluids innerhalb der Blase 12 grundsätzlich höher sein
als der lokale Atmosphärendruck,
und zwar um einen Betrag, der dem Gewicht der oberen Fläche der
Blase 12 und dem hydrostatischen Druck des Fluids innerhalb
der Blase 12 in Abhängigkeit
von dem Ort des Drucksensors 20 entspricht. Typischerweise
sind diese inkrementalen Druckanteile relativ zu dem Bereich der
zu messenden Lasten vernachlässigbar.
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Die
Blase 12 ist vorzugsweise derart gestaltet, dass die Kontaktfläche an der
unteren lasttragenden Fläche
der Blase 12 relativ konstant über 1) den erwarteten Bereich
von einwirkenden Gewichten W und Gewichtsverteilungen ist, die aus
verschiedenen Größen und
Positionen von Objekten resultieren können, und 2) dem erwarteten
Bereich von Umgebungstemperatur- und Druckbedingungen ist.
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In
Situationen, in denen es nicht möglich
ist, die Blase 12 derart zu gestalten, dass eine signifikante Veränderung
der Kontaktfläche
an der unteren lasttragenden Fläche
der Blase 12 verhindert werden kann, kann der Differenzdruck
des Fluids innerhalb der Blase 12 selbst nicht genau das
einwirkende Gewicht anzeigen. Eine signifikante Veränderung
der Kontaktfläche
führt zu
einer Unklarheit hinsichtlich des Anstiegs des Fluiddrucks relativ
zu einem Anwachsen der inneren Spannung entlang der Oberfläche der
Blase. Für
diesen Fall kann ein piezoresistiver Film an der Oberfläche der
Blase angebracht werden, um die Oberflächenspannung zu messen. An
der oberen Oberfläche
der Blase, wird das Gewicht W durch einen Druckanstieg dP sowie durch
einen Anstieg der Oberflächenspannung
der Blase 12 gestützt.
Wenn die Oberflächenspannung
bekannt ist, kann diese Information dazu verwendet werden, die Unklarheit
hinsichtlich des Drucks/der Spannung aufzulösen, so dass dann genau das
Gewicht W der einwirkenden Last geschätzt werden kann.
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Nimmt
man Bezug auf 6 und 7, so ist
die Blase eines hydrostatischen Sitzgewichtssensors 10 aus
zwei Lagen eines flexiblen Materials konstruiert, das mit einem
Material beschichtet ist, dass dichtend miteinander verschweißt werden
kann. Die Lagen des flexiblen Materials werden zunächst mit
den dichten verschweißbaren
Beschichtungsseiten einander benachbart positioniert und durch eine
Schweißnaht 602 entlang eines
Umfangs 601 miteinander verschweißt, um einen aufblasbaren Raum zu
erzeugen. Die Lagen aus Material werden auch an einer Mehrzahl von
Nähten 602 an
Orten 603 innerhalb des Umfangs 601 miteinander verschweißt, um eine
Mehrzahl von Zonen zu bilden, die in fluidischer Kommunikation miteinander
innerhalb des aufblasbaren Raums stehen. Die Blase 12 ist
teilweise mit einem Fluid gefüllt,
das sich über
die verschiedenen Zonen verteilt. Die Menge an Fluid und die Anzahl
der Zonen ist derart gewählt,
dass die obere und untere Oberfläche
der Blase 12 bei einem Einwirken einer Last nicht miteinander
kollabieren. Der Druck innerhalb der Blase 12 wird durch
einen Drucksensor 20 erfasst, der außerhalb der Außenoberfläche der
Blase 12 angeordnet ist, wodurch eine Veränderung
des Drucks der Blase eine Kraft auf eine erste Elektrode 612 des Drucksensors 20 ausübt, was
bewirkt, dass die Elektrode sich relativ zu einer zweiten Elektrode 614 deformiert oder
bewegt, wodurch die Kapazität
zwischen den Elektroden 612 und 614 verändert wird.
Die zweite Elektrode ist an dem Drucksensorgehäuse 616 befestigt,
das an der Oberfläche
der Blase 12 angebracht ist. Innerhalb der Blase 12 nahe
dem Drucksensor ist ein Hemmkörper 702 angeordnet,
um zu verhindern, dass die obere und untere Oberfläche der
Blase 12 nahe dem Drucksensor 20 zueinander kollabieren.
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Ein
Problem, das bei einem hydrostatischen Gewichtssensor 10 auftreten
kann, ist die reduzierte Empfindlichkeit gegenüber Lasten, die auf dem Sitz
in Richtung des Umfangs der Blase verteilt sind. Dieses Problem
kann dadurch abgeschwächt
werden, dass eine ungleichmäßige Verteilung
von fluidgefüllten
Zonen 603 innerhalb des Umfangs der Blase vorgesehen wird.
Ferner können
eine oder mehrere Totzonen 604 innerhalb der Blase ausgebildet
werden, jede durch eine Naht 602 die einen geschlossenen
Weg definiert, wodurch der Teil der Last, die auf das Sitzpolster 44 im
Bereich der Totzone 604 einwirkt, entweder von den benachbarten
fluidgefüllten
Zonen getragen wird oder auf die Sitzbasis 46 ohne eine
Druckerhöhung
innerhalb des Fluids in der Blase 12 übertragen wird.
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In
einem beispielhaften System gemäß 6 und 7 ist
die Oberfläche
der Blase 12 aus 200 Denier Nylonfasern hergestellt, die
mit Polyuhrethan beschichtet sind, und die untere Oberfläche der
Blase ist aus 840 Denier Nylonfasern hergestellt, die mit Polyuhrethan
beschicht sind. Die Nähte
sind durch Verschweißen der
Polyuhrethanbeschichtungen der verschiedenen Schichten miteinander
unter Verwendung eines HF Schweißprozesses hergestellt. Die
Außenseite
der unteren Oberfläche
ist ebenfalls mit Polyuhrethan beschichtet, um lokale Belastungen über die
untere Oberfläche
der Blase 12 zu verteilen. Die Blase 12 ist mit einem
Silikonfluid gefüllt.
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Nimmt
man Bezug auf 8, so ist eine Lastverteilungsanordnung 802 vorgesehen,
die eine Platte aus halbstarrem Material umfasst, wobei diese zwischen
der unteren Oberfläche
der Blase 12 und der Oberseite der Sitzstützfedern 47 angeordnet
ist, um die Stützlast
von der Sitzbasis 46 über
die untere lasttragende Oberfläche
der Blase 12 zu verteilen, wodurch verhindert wird, dass
die obere und untere Oberfläche
der Blase 12 nahe den Federn 47 kollabiert.
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Es
kann auch ein gasartiges Fluid in der Blase 12 enthalten
sein. Die gasgefüllte
Blase ist vorzugsweise lediglich teilweise gefüllt, um eine gasartige Expansion
aufgrund von Schwankungen der Umgebungstemperatur und des Umgebungsdrucks
zuzulassen, so dass über
den möglichen
Bereich von Betriebsbedingungen der Umgebung das Volumen der unbelasteten
gasgefüllten
Blase 12 im Wesentlichen nicht deren gestaltungsbedingte
Kapazität übersteigt.
Darüber
hinaus übersteigt
unter diesen Bedingungen der entsprechende Absolutdruck in der Blase
nicht den Umgebungsdruck um mehr als einen vernachlässigbar
kleinen Betrag, der erforderlich ist, um die Oberfläche der
Blase 12 zu stützen.
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Unter
der Wirkung einer verteilten Last nimmt das Volumen der Blase 12 ab,
bis der Druck darin hinreichend groß ist, um die Last zu tragen.
Bei einer Blase mit einer Gestaltungsform einer rechteckigen Platte mit
einer Höhe
und zwei Basisdimensionen wachsen die Basisdimensionen dann, wenn
die Höhe
unter der Wirkung der Last abnimmt, wodurch die Basisfläche der
Blase 12 größer wird.
Das Gewicht der verteilten Last ist dann gegeben durch das Produkt
der Basisfläche
der Blase mal der Differenz der Drücke innerhalb und außerhalb
der Blase. Selbst wenn die Last auf die Oberseite des Sitzes relativ
lokal begrenzt ist, ist ein entsprechendes Gewicht durch den Differenzdruck
gegeben, der auf die Basisfläche
der Blase wirkt, vorausgesetzt, dass die Basis der Blase voll gestützt wird
und dass die obere Oberfläche
der Blase nicht lokal gegen die untere Fläche gedrückt wird.
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In
der folgenden analytischen Näherung
sind für
eine Blase 12 mit einem quadratischen Profil, einer Höhe h und
einer Basisdimension S die Wirkungen der Last auf der Stützfläche A der
Blase und bei einem entsprechenden Differenzdruck DP relativ zu
dem Atmosphärendruck
Patm dargestellt:
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Aus
der idealen Gasgleichung folgt, wobei P = der Absolutdruck innerhalb
der Blase, V = das Blasenvolumen, n = die Anzahl von Molen an Gas,
R = die allgemeine Gaskonstante und Tatm = die Temperatur des Gases
innerhalb der Blase, P·V = n·R·Tatm (2)
-
Der
Druck innerhalb der Blase ist gegeben durch P
= Patm_ DP (3)
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Nimmt
man an, dass die Blase bis zu einem Volumen Vfill bei einer Temperatur
Tfill gefüllt
wird, so ist der zugeordnete Druck Pfill wie folgt durch die ideale
Gasgleichung gegeben
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Das
Füllvolumen
kann auch mit der Gestaltungshöhe
h0 und der Basisdimension SO der Blase und dem gefüllten Teil
des Gestaltungsvolumens Vmax ausgedrückt werden als Vmax = S02·h0 (5) Vfill = α·Vmax (6)
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Das
Volumen der Blase Vdpc ist dann anhand der Füllbedingungen, der lokalen
Atmosphärenbedingungen
und dem gemessenen Druckdifferential DP wie folgt gegeben
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In
dieser Analyse wird die Oberfläche "a" der Blase als unter Last konstant bleibend
angenommen, wobei unter dem Einfluss einer einwirkenden Last die
Basisfläche
zunimmt, wenn die Höhe
abnimmt. Diese Oberfläche
ist gegeben durch a
= 2·(S2 – 2·S·h) (8)
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Löst man nach
der Basisdimension S auf, so ergibt sich anhand der Höhe h und
der Oberfläche "a"
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Die
Basisfläche
H und das Volumen V der Blase sind dann gegeben durch
A = S2 (10) V = A·h (12) -
Durch
Gleichsetzen der Gleichungen (7) und (13) und Auflösen der
Blasenhöhe
unter den Annahme dass a >> 2·h2 (14)ergibt
sich die Höhe
der Blase anhand der Oberfläche,
den Füllkonditionen,
den Umgebungsbedingungen und der gemessenen Druckdifferenz durch:
-
-
Das
gemessene Druckdifferential hängt
von der Größe der ausgeübten Last
und der Blasenoberfläche ab
durch
-
-
Die
vorstehenden Gleichungen können
implizit aufgelöst
werden, um die Empfindlichkeit des Gewichtsmessfehlers relativ zur
Geometrie der Blase, die Füllbedingungen
und die Umgebungsbedingungen zu bestimmen.
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Im
Allgemeinen nimmt die Empfindlichkeit der gasgefüllten Blase relativ zur Umgebungstemperatur und
zum Umgebungsdruck mit abnehmenden Mengen an Gas in der Blase und
mit einer abnehmenden Blasendicke (das heißt Höhe) für die selben Basisdimensionen
der Blase ab. Allerdings wird dann, wenn die Blase in ihrer Gesamthöhe dünner gemacht
wird und die Menge an Gas reduziert wird, die Blase empfindlicher
gegenüber
einem Aufsetzen unter dem Einfluss lokal konzentrierter Lasten,
die auf den Sitz ausgeübt
werden.
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Der
Fachmann wird erkennen, dass obwohl die Blase gemäß der vorliegenden
Erfindung unter Verwendung einer rechteckigen Form dargestellt ist,
die besondere Form der Blase nicht als beschränkend für die vorliegende Erfindung
anzusehen ist.
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Obwohl
bestimmte Ausführungsbeispiele
im Detail beschrieben wurden, wird der Fachmann erkennen, dass verschiedene
Modifikationen und Alternativen im Lichte der gesamten Beschreibung
dieser Offenbarung an verschiedenen Details vorgenommen werden können. Folglich
sind die offenbarten speziellen Anordnungen als lediglich darstellend
anzusehen und sollen den Rahmen der Erfindung nicht beschränken, der durch
die volle Breite der beigefügten
Ansprüche
und Äquivalente
davon gegeben ist.
