AT528341A1 - Vorrichtung zur Messung von Verunreinigungen in einem Strömungskanal - Google Patents

Abstract

Es wird eine Vorrichtung zur Messung von Verunreinigungen in einem Strömungskanal (1) mit zwei im Strömungskanal (1) zueinander kontaktfrei angeordneten Messelektroden (2) beschrieben. Um weitgehend unabhängig von den Strömungsbedingungen und den Strömungskanalgeometrien eine zuverlässige Detektion von Verunreinigungen, insbesondere von lokal beschränkt auftretenden Verunreinigungen, zu ermöglichen, wird vorgeschlagen, dass die Messelektroden (2) mehrere quer zur Strömungsrichtung (3) benachbarte Durchtrittsöffnungen (7) aufweisen, die je von einem Leiterabschnitt (8) begrenzt sind.

Description

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Beschreibung

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Messung von Verunreinigungen in einem Strömungskanal mit zwei im Strömungskanal zueinander kontaktfrei angeordneten Messelektroden.

[0002] Aus der US20060185977A1 ist eine Vorrichtung zur Messung von Verunreinigungen einer einen Strömungskanal durchströmenden Flüssigkeit bekannt. Hierzu sind mehrere über einen Stromkreis mit Spannung versorgte stabförmige Messelektroden im Strömungskanal kontaktfrei zueinander, nämlich in Strömungsrichtung voneinander beabstandet, angeordnet. Dem amperometrischen Messprinzip folgend können Verunreinigungen in der Flüssigkeit durch die im Stromkreis gemessene Stromstärke quantifiziert werden, wenn die Verunreinigungen eine Redoxreaktion mit den Messelektroden eingehen. Nachteilig daran ist allerdings, dass Verunreinigungen nur dann festgestellt werden können, wenn diese redoxaktive Komponenten umfassen. Darüber hinaus ergibt sich das Problem, dass vor allem bei schnellen Strömungsgeschwindigkeiten der zu analysierenden Flüssigkeit aufgrund der geringen Verweilzeit der Verunreinigung und/oder bei großen Strömungskanaldurchmessern durch die sterischen Bedingungen nur eine mangelnde Interaktion zwischen den Messelektroden und den Verunreinigungen vorliegt, sodass die Verunreinigungen undetektiert die Messelektroden passieren, bzw. deren Messsignale unzuverlässig sind. Insbesondere Festkörper oder lokal beschränkte Verunreinigungen können dabei undetektiert die Messelektroden passieren.

[0003] Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Messung von Verunreinigungen einer einen Strömungskanal durchströmenden Flüssigkeit vorzuschlagen, welche weitgehend unabhängig von den Strömungsbedingungen und den Strömungskanalgeometrien eine zuverlässige Detektion von Verunreinigungen, insbesondere von lokal beschränkt auftretenden Verunreinigungen, erlaubt.

[0004] Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe dadurch, dass die Messelektroden mehrere quer zur Strömungsrichtung benachbarte Durchtrittsöffnungen aufweisen, die je von einem Leiterabschnitt begrenzt sind. Durch die Durchtrittsöffnungen der Messelektroden bildet sich im Strömungskanal ein Strömungssog, der die Verunreinigungen in Richtung der Leiterabschnitte zwingt, sodass die Verunreinigungen den Leiterabschnitten räumlich besser sowohl für etwaige Redoxreaktionen aber auch für tatschliche Kontaktierungen zugänglich ist. Auf diese Weise kann daher ein gemessenes Signal bzw. eine gemessene Signaländerung durch die Messelektroden nicht nur auf gelöste Verunreinigungen als Folge von Redoxreaktionen an der Messelektrode, sondern auch auf leitende Festkörper als Folge eines Kontaktes des Festkörpers mit der Messelektrode hindeuten. Die Durchtrittsöffnungen, welche quer zur Strömungsrichtung benachbart sind, können gleichmäßig über Messelektrodenfläche verteilt sein, was eine Interaktion zwischen Verunreinigungen und den Messelektroden begünstigt. Durch die Anzahl, Größe und Verteilung der Durchtrittsöffnungen auf der Messelektrode und die damit einhergehende Ausgestaltung der die Durchtrittsöffnungen begrenzenden Leiterabschnitte kann die Messelektrode auf unterschiedliche Strömungsbedingungen und zu analysierende Flüssigkeiten angepasst werden. Vorzugsweise wird die Vorrichtung zur Messung von Verunreinigungen in einem Kühlmittel, insbesondere Batteriekühlmittel, eingesetzt. Um vorteilhafte Messbedingungen für Kühlmittel oder Flüssigkeiten mit ähnlichen rheologischen Eigenschaften zu schaffen, können je Messelektrode wenigstens 10, vorzugsweise wenigsten 50, weiter bevorzugt wenigstens 100 quer zur Strömungsrichtung benachbarte Durchtrittsöffnungen vorgesehen sein. Der freie Durchmesser der Durchtrittsöffnungen bestimmt gemeinsam mit dem Abstand der Messelektroden zueinander das Messvolumen, also jenes Volumen, das eine Verunreinigung mindestens einnehmen muss, um von der erfindungsgemäßen Vorrichtung zuverlässig detektiert zu werden.

[0005] Eine einfache Möglichkeit die Messelektroden zueinander kontaktfrei auszugestalten, kann dadurch erreicht werden, dass die Messelektroden in Strömungsrichtungen voneinander beabstandet sind. Um eine besonders kompakte Vorrichtung zu ermöglichen, können jedoch die Leiterabschnitte der unterschiedlichen Messelektroden zueinander winkelig angeordnet sein, abschnittsweise in einer Ebene liegen und über an den Kreuzungspunkten vorgesehenen Isolatoren

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zueinander kontaktfrei gehalten werden, sodass die Messelektroden voneinander elektrisch isoliert sind und sich ein etwaiger Stromfluss nur über Verunreinigungen im Strömungskanal ergibt.

[0006] Es hat sich herausgestellt, dass Verunreinigungen mit ausreichend hoher Wahrscheinlichkeit erfasst werden können, ohne dabei zu hohe Strömungsverluste in Kauf nehmen zu müssen, wenn sich wenigstens eine Messelektrode, insbesondere alle Messelektroden, quer zur Strömungsrichtung über wenigstens 50%, vorzugsweise über wenigstens 80% der freien Strömungskanalquerschnittsfläche erstrecken. Dies bedeutet, dass sich die Oberfläche, also die Fläche des Umrisses der Messelektrode über wenigstens 50%, vorzugsweise über wenigstens 80% der freien Strömungskanalquerschnittsfläche erstreckt. Bevorzugt ist die Messelektrode in diesem Fall zentral im Strömungskanal angeordnet. Als freie Strömungskanalquerschnittsfläche wird dabei jene einbautenfreie Strömungskanalquerschnittsfläche gesehen, die die Flüssigkeit ungehindert durchströmen kann.

[0007] Besonders bevorzugt kann sich die wenigstens eine Messelektrode, insbesondere alle Messelektroden, über die gesamte freie Strömungskanalquerschnittsfläche erstrecken, wodurch die Wahrscheinlichkeit einer Nichtdetektion von Verschmutzungen weiter reduziert wird. Um dabei die Strömungsverluste nicht übermäßig zu erhöhen und daher einen ressourcenschonenden Einsatz der Vorrichtung zu ermöglichen, wird vorgeschlagen, dass die wenigstens eine Messelektrode ein Sieb ist, vorzugsweise, dass alle Messelektroden Siebe sind. Dies hat den weiteren Vorteil, dass die Messelektroden als Abscheideelemente fungieren können und dadurch das Passieren von besonders groben Verunreinigungen nicht nur detektieren, sondern sogar verhindern können. Dies ermöglicht einen Einbau strömungsaufwärts von empfindlichen Komponenten und bieten einen Schutz für diese. Vorteilhafterweise sind die Siebe lösbar im Strömungskanal angeordnet, sodass eine einfache Reinigung unter Herausnahme des Siebs aus dem Strömungskanal ermöglicht wird. Hierzu kann der Strömungskanal einen abdichtbaren Aufnahmeschlitz aufweisen, durch den das Sieb eingeführt ist. Im Falle von Sieben als Messelektroden, können die Leiterabschnitte von Gitterabschnitten des Siebes gebildet sein.

[0008] Grundsätzlich können unterschiedliche Messprinzipien in Zusammenhang mit den Messelektroden eingesetzt werden. Beispielsweise kann das Vorhandensein von elektrisch leitenden Verunreinigungen durch die Änderung der Kapazität zwischen den Messelektroden gemessen werden. Besonders vorteilhafte Messbedingungen, insbesondere in Zusammenhang mit Kühlmittelflüssigkeiten, ergeben sich, wenn die Messung amperometrisch erfolgt. Dies bedeutet, dass der bei angelegter Spannung zwischen den zueinander kontaktfreien, vorzugsweise beabstandeten Messelektroden fließende Strom proportional zu den detektierten Verunreinigungen ist. Der Ladungstransport zwischen den Messelektroden im Strömungskanal erfolgt über redoxaktive Komponenten in der zu analysierenden Flüssigkeit, oder über feste Leiter als Verunreinigungen, die beide Messelektroden gleichzeitig kontaktieren. Um die Wahrscheinlichkeit einer Kontaktierung der festen Verunreinigungen mit einer der oder beiden Messelektroden zu erhöhen, können die Durchtrittsöffnungen der beabstandeten Messelektroden zueinander versetzt sein. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass die vorzugsweise baugleichen Messelektroden zueinander um eine Strömungskanallängsachse winkelverschwenkt im Strömungskanal angeordnet sind. Sollte eine Verunreinigung berührungslos durch die Durchtrittsöffnung der in Strömungsrichtung aufwärts angeordneten Messelektrode passieren, so wird durch den Winkelversatz der in Strömungsrichtung nachgeordneten Messelektrode eine Kontaktierung dieser mit der Verunreinigung begünstigt. Die sich ausbildende turbulente Strömung zwischen den Messelektroden erhöht dabei die Wahrscheinlichkeit einer Kontaktierung auch der in Strömungsrichtung aufwärts angeordneten Messelektrode. Die Kollisionswahrscheinlichkeit kann weiter dadurch erhöht werden, dass die Durchtrittsöffnungen der beabstandeten Messelektroden zueinander auf Lücke versetzt sind.

[0009] Um die Strömungsverluste möglichst gering zu halten, kann der Anteil aller Querschnittsflächen der Durchtrittsöffnungen bezogen auf die größte Umrissfläche der Messelektrode wenigstens 5% betragen. Vorzugsweise beträgt der Anteil aller Querschnittsflächen der Durchtrittsöffnungen bezogen auf die größte Umrissfläche der Messelektrode wenigstens 30%. Zufolge dieser Maßnahme kann trotz geringer Messvolumen und damit guter räumlicher Auflösung ein ausreichender freier Strömungsquerschnitt geschaffen werden.

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[0010] Eine Kontaktierung zwischen üblichen in Batteriekühlmitteln zu erwartenden Verunreinigungen und den Messelektroden wird erreicht, wenn das Verhältnis von größtem Durchmesser der Durchgangsöffnungen zum Durchmesser der Messelektroden 0,001 — 0,01 ist. Die Durchgangsöffnung können unterschiedliche geometrische Querschnittsflächen aufweisen, die insbesondere als Rechtecke oder Ovale, vorzugsweise Kreise ausgestaltet sind. Bei Durchgangsöffnungen mit rechteckiger Querschnittsfläche wird die Diagonale als größter Durchmesser angesehen. Bei einem Einsatz der Vorrichtung in Temperiervorrichtungen zum Temperieren von Batterien empfiehlt es sich, wenn der größte Durchmesser der Durchgangsöffnung 0,1 — 2 mm beträgt.

[0011] Um die gleichzeitige Kontaktierung beider Messelektroden durch einen Festkörper als Verunreinigung weiter zu begünstigen, wird vorgeschlagen, dass das Verhältnis vom Abstand in Strömungsrichtung zwischen den zwei Messelektroden zum Durchmesser der Messelektroden kleiner als 2, vorzugsweise kleiner als 1, insbesondere kleiner als 0,5 ist. Dadurch wird zwischen den Messelektroden ein ausreichend kleines Messvolumen geschaffen, in dem eine Verunreinigung mit

[0012] ausreichend hoher Wahrscheinlichkeit beide Messelektroden miteinander elektrisch verbindet und somit einen detektierbaren Stromfluss ermöglicht. Vorzugsweise kann der Abstand in Strömungsrichtung zwischen den zwei Messelektroden 0,05 — 1 mm betragen.

[0013] Um bei hohen Durchflussgeschwindigkeiten bei geringem Leiterquerschnitt eine hohe räumliche Messauflösung zu erreichen, kann zwischen den Messelektroden wenigstens ein Abstandhalter vorgesehen sein. Dieser kann die Messelektroden gegeneinander isolieren, sodass eine verformungsbedingte Kontaktierung zwischen den Messelektroden trotz eines für eine kleines Messvolumen erforderlichen geringen Abstands und ein damit verbundenes Falschsignal vermieden werden kann. Gleichzeitig kann der Abstandhalter als Schwingungsdämpfer fungieren, sodass ein Ruhigstellen der Messelektroden auch bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten ermöglicht wird, was die Messbedingungen verbessert.

[0014] In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand beispielsweise dargestellt. Es zeigen [0015] Fig. 1 eine schematische Seitenansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung,

[0016] Fig. 2 eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Messelektrode gemäß einer ersten Ausführungsform in vergrößertem Maßstab,

[0017] Fig. 3 eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Messelektrode gemäß einer zweiten Ausführungsform in gleichem Maßstab und

[0018] Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Details einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform.

[0019] Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Messung von Verunreinigungen in einem Strömungskanal 1, insbesondere zur Messung von Verunreinigungen in einem Kühlmittelstrom zum Temperieren von Batteriezellen eines Batteriemoduls, weist, wie der Fig. 1 zu entnehmen ist, wenigstens zwei Messelektroden 2 auf, welche kontaktfrei zueinander angeordnet sind. Dies kann dadurch bewerkstelligt werden, dass die Messelektroden 2 in Strömungsrichtung 3 voneinander beabstandet sind.

[0020] Die Messelektroden 2 können über einen Stromkreis 4 umfassend eine Spannungsquelle 5 miteinander verbunden sein. Wird der Stromkreis 4 über die Messelektroden 2 durch im Strömungskanal 1 befindliche Verunreinigungen, beispielsweise leitende Festkörper oder gelöste redoxaktive Komponenten, geschlossen, kann ein Stromfluss von einem Amperemeter 6 erfasst werden, der auf eine Verunreinigung hindeutet. Erfindungsgemäß weisen die Messelektroden 2 mehrere quer zur Strömungsrichtung 3 benachbarte Durchtrittsöffnungen 7 auf, die je von einem Leiterabschnitt 8 begrenzt sind. Die Durchtrittsöffnungen 7, durch die das Kühlmittel strömt, zwingen den Verunreinigungen einen Strömungsweg auf, sodass diese in Richtung der Leiterabschnitte 8 geleitet werden, wodurch die Interaktion zwischen Verunreinigung und Messelektroden 2 und damit die Messsensitivität verbessert wird.

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[0021] Die Messelektroden 2 können sich quer zur Strömungsrichtung 3 über wenigstens 50% der freien Strömungskanalquerschnittsfläche 9, insbesondere über die gesamte Strömungskanalquerschnittsfläche 9 erstrecken, wodurch die Verunreinigungen über den gesamten Strömungskanalquerschnitt verteilt detektiert werden können.

[0022] Eine vorteilhafte Ausgestaltungsmöglichkeit der Messelektroden 2 ergibt sich durch den Einsatz von Sieben, die gitterförmig (Fig. 2) oder als Lochblech (Fig. 3) ausgestaltet sein können. Durch die Siebe können besonders grobe Verunreinigungen vom Kühlmittel getrennt werden, sodass stromabwärts angeordnete Komponenten geschützt werden können.

[0023] Wie in Fig. 1 angedeutet, können die Messelektroden 2 zueinander um eine Strömungskanallängsachse 10 winkelverschwenkt im Strömungskanal 1 angeordnet sein, sodass die Durchtrittsöffnungen 7 der beabstandeten Messelektroden 2 zueinander versetzt sind, wodurch die Wahrscheinlichkeit einer Kollision einer Verunreinigung mit den Leiterabschnitten 8 erhöht wird. Insbesondere können die Messelektroden 8 dabei baugleich ausgebildet sein.

[0024] Wie in der Fig. 2 angedeutet, kann das Verhältnis von größtem Durchmesser 11 der Durchgangsöffnungen 7 zum Durchmesser 12 der Messelektroden 2 0,008 — 0,009 betragen. Gemäß der Fig. 3 kann das Verhältnis 0,003 — 0,004 betragen.

[0025] Das Verhältnis vom Abstand 13 in Strömungsrichtung 3 zwischen den zwei Messelektroden 2 zum Durchmesser 12 der Messelektroden 2 ist vorzugsweise kleiner 2, bevorzugt kleiner 1. Der Abstand 13 kann 0,05 - 1 mm betragen, um eine ausreichende Messauflösung zu erzielen.

[0026] Zur Vermeidung eines Kurzschlusses und zur Verringerung von Vibrationen kann ein vorzugsweise ringförmiger Abstandhalter 14 vorgesehen sein, gegen den die Messelektroden 2 abgestützt sind. Der Abstandhalter 14 kann ein Isolator sein.

[0027] Fig. 4 zeigt eine alternative Ausgestaltungsmöglichkeit, die Messelektroden 2 zueinander kontaktfrei im Sinne der Erfindung auszugestalten. Hierbei können die Leiterabschnitte 8 der unterschiedlichen Messelektroden 2 winkelig zueinander, vorzugsweise quer zueinander angeordnet sein und abschnittsweise in einer Ebene liegen. An den Kreuzungspunkten 15 liegen Leiterabschnitte 8 der unterschiedlichen Messelektroden 2 nicht in einer Ebene und sind durch einen als Isolator wirkenden Abstandhalter 14 zueinander kontaktfrei gehalten.

Claims (10)

x bes AT 528 341 A1 2025-12-15 Ss N Patentansprüche

1. Vorrichtung zur Messung von Verunreinigungen in einem Strömungskanal (1) mit zwei im Strömungskanal (1) zueinander kontaktfrei angeordneten Messelektroden (2), dadurch gekennzeichnet, dass die Messelektroden (2) mehrere quer zur Strömungsrichtung (3) benachbarte Durchtrittsöffnungen (7) aufweisen, die je von einem Leiterabschnitt (8) begrenzt sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich wenigstens eine Messelektrode (2) quer zur Strömungsrichtung (3) über wenigstens 50% der freien Strömungskanalquerschnittsfläche (9) erstreckt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich wenigstens eine Messelektrode (2) quer zur Strömungsrichtung (3) über die gesamte freie Strömungskanalquerschnittsfläche (9) erstreckt.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Messelektrode (2) ein Sieb ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchtrittsöffnungen (7) der beabstandeten Messelektroden (2) zueinander versetzt sind.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil aller Querschnittsflächen der Durchtrittsöffnungen bezogen auf die größte Umrissfläche der Messelektrode wenigstens 5% beträgt.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis von größtem Durchmesser (11) der Durchgangsöffnungen (7) zum Durchmesser (12) der Messelektroden (2) 0,001 — 0,01 ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis vom Abstand (13) in Strömungsrichtung (3) zwischen den zwei Messelektroden (2) zum Durchmesser (12) der Messelektroden (2) kleiner als 2, vorzugsweise kleiner als 1 ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (13) in Strömungsrichtung (3) zwischen den zwei Messelektroden (2) 0,05 — 1 mm beträgt.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Messelektroden (2) wenigstens ein Abstandhalter (14) vorgesehen ist.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen