DE10027183A1

DE10027183A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Bestimmen des Füllstandes einer Flüssigkeit in einem Behälter

Info

Publication number: DE10027183A1
Application number: DE2000127183
Authority: DE
Inventors: Manfred Weigl
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2000-05-31
Filing date: 2000-05-31
Publication date: 2001-12-20

Abstract

Es werden zwei entsprechend dem Füllstand mit Flüssigkeit benetzte Elektroden (3, 4) verwendet, wobei auf mindestens einer Elektrode (3, 4) eine Widerstandsschicht ähnlich einer Potentiometerbahn aufgebracht ist oder die komplette Elektrode aus Widerstandsmaterial gefertigt ist. Der elektrische Kontakt zwischen der Widerstandsschicht oder dem Widerstandsmaterial der einen Elektrode und der anderen Elektrode wird unmittelbar durch die elektrisch leitfähige Flüssigkeit hergestellt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen des Füllstands einer Flüssigkeit, insbesondere für ein in einem Behälter gespeichertes und in einem Kraftfahr zeug mitgeführtes Reduktionsmittel zur Abgasnachbehandlung bei einer Brennkraftmaschine.

Die Verminderung der Stickoxidemission einer mit Luftüber schuss arbeitenden Brennkraftmaschine, insbesondere einer Diesel-Brennkraftmaschine kann mit Hilfe des SCR-Verfahrens (Selektive katalytische Reduktion) zu Luftstickstoff (N₂) und Wasserdampf (H₂O) erfolgen. Als Reduktionsmittel können bei spielsweise gasförmiges Ammoniak (NH₃), Ammoniak in wässeri ger Lösung oder Harnstoff in wässeriger Lösung eingesetzt werden. Der Harnstoff dient dabei als Ammoniakträger und wird mit Hilfe eines Dosiersystems vor einem Hydrolysekatalysator in das Auspuffsystem eingespritzt, dort mittels Hydrolyse zu Ammoniak umgewandelt, der dann wiederum in dem eigentlichen SCR-Katalysator, vielfach auch als DeNOx-Katalysator bezeich net, die Stickoxide reduziert.

Ein solches, mit flüssigem Reduktionsmittel arbeitendes Ab gasnachbehandlungssystem weist als wesentliche Komponenten einen Reduktionsmittelbehälter, eine Pumpe, einen Druck regler, einen Drucksensor, ein Dosierventil und die nötigen Verbindungsleitungen auf. Die Pumpe fördert das in dem Reduk tionsmittelbehälter bevorratete Reduktionsmittel zu dem Do sierventil, mittels dessen das Reduktionsmittel in den Abgas strom stromaufwärts des Hydrolysekatalysators eingespritzt wird. Das Dosierventil wird über Signale einer Steuereinrich tung derart angesteuert, dass abhängig von Betriebsparametern der Brennkraftmaschine eine bestimmte, aktuell nötige Menge an Reduktionsmittel zugeführt wird (DE 197 43 337 C1).

Zur Sicherstellung der kontinuierlichen Verfügbarkeit einer solchen SCR-Abgasnachbehandlungsanlage ist eine zuverlässige Überwachung des Füllstandes im Reduktionsmittelbehälter nö tig. Sinkt der Füllstand unter einen vorgegebenen Wert, so soll der Fahrer des Kraftfahrzeuges optisch und/oder akus tisch darauf aufmerksam gemacht werden, den Behälter z. B. im Rahmen des nächsten Tankstopps wieder zu füllen. Für diverse Anwendungen soll es auch möglich sein, aus einer Veränderung des Füllstandes auf einen Verbrauch an Reduktionsmittel zu schließen, um eine verbesserte Steuerung des SCR-Verfahrens oder eine Diagnose des zugehörigen Dosiersystems zu ermögli chen.

Herkömmliche Systeme für Füllstandsgeber mit Schwimmer und Potentiometer wie sie für Kraftstofftanks üblicherweise ein gesetzt werden, sind für die Anwendung in wässeriger Harn stofflösung wegen der Leitfähigkeit der Flüssigkeit, der Kor rosivität und der Kristallisation beim Austrocknen problema tisch.

In bisher existierenden Systemen wird der Füllstand durch Messung des elektrischen Widerstandes zwischen zwei gut leit fähigen Elektroden (Edelstahlstäbe) bestimmt. Der elektrische Widerstand ergibt sich aus der begrenzten Leitfähigkeit der Reduktionsmittellösung zwischen den Elektroden. Somit ist der elektrische Widerstand prinzipiell indirekt proportional zur Eintauchtiefe der Elektroden. Da die Leitfähigkeit der Reduk tionsmittellösung von der Konzentration, Temperatur und che mischer Zusammensetzung (Anteil freien Ammoniaks in der Lö sung bei Verwendung von wässeriger Harnstofflösung) abhängt, muss die Leitfähigkeit zusätzlich mit füllstandsunabhängigen Referenzelektroden gemessen werden, um aus dem Verhältnis der Messwerte von Referenz- und Füllstandselektroden den Tank füllstand zu berechnen. Der relativ große Variationsbereich der Leitfähigkeit erfordert einen großen Messbereich in der Auswerteelektronik, wodurch die Auflösung und die Genauigkeit der Messung eingeschränkt werden (DE 198 41 770 A1).

Aus der DE 34 39 087 A1 ist ein Gerät zum Messen des Füll standes einer Flüssigkeit in einem Behälter, insbesondere in einem Kraftstofftank eines Kraftfahrzeuges bekannt, das einen in den Behälter ragenden Isolierstab aufweist, an dem ein entsprechend dem Füllstand auf- und abbewegbarer Schwimmer geführt ist. Der Schwimmer verbindet mittels zweier miteinan der verbundener Schleifkontakte zwei entlang der Längserstre ckung auf dem Isolierstab aufgebrachte Widerstandsschichten leitend miteinander. Die Schleifkontakte sind an sich in Längsrichtung des Isolierstabs erstreckenden Kontaktschneiden der Widerstandsschicht in Anlage.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, mit dem bzw. mit der auf einfache Weise ohne bewegliche Teile der Füllstand einer elektrisch leitenden Flüssigkeit in einem Behälter ermittelt werden kann.

Diese Aufgabe wird für das Verfahren durch die Merkmale des Patentanspruches 1 bzw. 2 und für die Vorrichtung durch die Merkmale des Patentanspruches 5 bzw. 6 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, anstelle von gut leit fähigen Elektroden eine oder zwei Widerstandsbahnen als E lektroden zu verwenden, vergleichbar Potentiometerbahnen wie sie in nichtleitfähigen Flüssigkeiten für Füllstandsmessungen eingesetzt werden. Aufgrund der guten Leitfähigkeit der Re duktionsmittellösung können aber alle beweglichen Teile ent fallen, da die Funktion eines Schwimmers mit Schleifer auf der Potentiometerbahn die Flüssigkeit direkt übernimmt.

Dies hat den Vorteil, dass bei geeigneter mechanischer und e lektrischer Dimensionierung der Elektroden (Widerstandsbereich < 10 kΩ) der elektrische Widerstand in der Flüssigkeit (Schleiferwiderstand) nur einen vernachlässigbaren Einfluss auf die Messgenauigkeit ausübt, da dieser abhängig von der E lektrodengeometrie in der Größenordnung von 10 Ω liegt.

Aus dem gleichen Grund verursachen auch Alterungseffekte der Elektrodenoberfläche keinen wesentlichen Messfehler. Der hochohmige Sensor stellt geringere Anforderungen an die Stromversorgung als bei der bisherigen Lösung. Es muss zwar auch ein Messstrom ohne Gleichstromanteil erzeugt werden, dies ist jedoch aufgrund des geringen Strombedarfs weniger aufwendig.

Die beschriebene Lösung kombiniert die Vorteile herkömmlicher Potentiometer-Systeme mit der einfachen Mechanik von Füll standssensorsystemen auf der Basis von Leitfähigkeitsmessun gen. Dabei kann die Schwachstelle von Potentiometersystemen, nämlich der mechanische Abgriff mit Hilfe eines Schleifers durch Nutzung der Leitfähigkeit der Flüssigkeit vermieden werden Durch den Wegfall von Schwimmer und Schleifer kann das System zur Füllstandsbestimmung vereinfacht und der Füllstand weitgehend unabhängig von Schwankungen der Leitfähigkeit der Flüssigkeit bestimmt werden.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Füllstandsmess einrichtung in einem Kunststoffbehälter,

Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel einer Füllstandsmess einrichtung in einem Metallbehälter,

Fig. 3 ein drittes Ausführungsbeispiel einer Füllstandsmess einrichtung mit einer Trägerplatte als Masseelektrode und

Fig. 4 den Schichtaufbau einer Elektrode der Füllstandsmess einrichtung

In Fig. 1 ist mit dem Bezugszeichen 1 ein Behälter bezeich net, der zumindest teilweise mit einer Flüssigkeit 2 gefüllt ist und dessen Füllstand ermittelt werden soll. In diesem und den weiteren beschriebenen Ausführungsbeispielen ist als Flüssigkeit wässerige Harnstofflösung vorgesehen, die als Re duktionsmittel für die Abgasnachbehandlung einer Dieselbrenn kraftmaschine eingesetzt wird.

Der Behälter 1 besteht aus einem elektrisch nichtleitendem Material, beispielsweise aus einem Hartkunststoff und weist an seiner Oberseite ein Isolierstück 5 in Form eines Flan sches auf, der zur Aufnahme und elektrischer Isolierung zwei er stabförmiger Elektroden 3, 4 dient, welche in den Behälter 1 annähernd bis zu dessen Boden reichen. Die Elektrode 4 ist aus elektrischem Widerstandsmaterial gefertigt oder ein e lektrisch nichtleitendes Trägermaterial ist mit einer Wider standsschicht in Form einer Widerstandsbahn, ähnlich einer Potentiometerbahn überzogen. Die Elektrode 3 kann ebenso aus geführt sein oder aus einem elektrisch gut leitfähigem, kor rosionsbeständigem Material bestehen. Abhängig vom Füllstand der Flüssigkeit tauchen die Elektroden 3, 4 mehr oder weniger tief in die Flüssigkeit ein. Diese bildet eine elektrisch leitende Verbindung zwischen den Elektroden 3, 4 und verkürzt somit den elektrischen Widerstandspfad vergleichbar einem me chanischen Schleifer eines herkömmlichen Potentiometers. Der elektrische Widerstand zwischen den beiden oberen Anschluss punkten A3, A4 der Elektroden 3, 4 ist somit ein Maß für den Füllstand im Behälter 1.

Eine einfache Methode zur Ermittlung des Füllstandes besteht darin, den Anschlusspunkt A3 der Elektrode 3 mit einem Masse potenzial 7 (Bezugsmasse) und den Anschlusspunkt A4 der E lektrode 4 über einen Vorwiderstand 6 an eine Bezugsspannung UREF zu legen. Aus der an dem Anschlusspunkt A4 abgreifbaren Spannung UFS kann dann die Eintauchtiefe oder der Füllstand ermittelt werden. Hierzu ist beispielsweise in einem Daten speicher einer Steuerungseinrichtung eine Kennlinie oder ein Kennfeld abgelegt, das den Zusammenhang zwischen Spannung UFS und dem Füllstand im Behälter 1 wiedergibt. Dieser Zusammen hang wird entsprechend der konstruktiven Geometrie des Behäl ters empirisch ermittelt.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach der Fig. 2 ist als Behälter 1 ein Metalltank vorgesehen, wobei die Tankwandung die Funk tion der Elektrode 3 übernimmt und somit direkt mit dem Be zugspotential 7 verbunden ist. Die Elektrode 4 ist aus Wider standsmaterial gefertigt oder ein elektrisch nichtleitendes Trägermaterial ist mit einer Widerstandsschicht (Widerstands bahn) überzogen. Der elektrische Widerstand zwischen dem obe ren Anschlusspunkt A4 der Elektrode 4 und dem Massepotential 7 ist somit ein Maß für den Füllstand im Behälter 1. Die Er mittlung des Füllstandes mit Hilfe dieser Anordnung ist ana log der Ermittlung, wie sie anhand der Fig. 1 beschrieben wurde.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach der Fig. 3 werden die E lektroden 3, 4 durch geeignete Beschichtungen einer Träger platte 8, eines Trägerrohres oder der Tankwandung des Behäl ters 1 erzeugt. Hierbei stellt die Trägerplatte 8 gleichzei tig die Masseelektrode dar.

In der Fig. 4 ist ein solcher Schichtaufbau im Schnitt dar gestellt. Die Trägerplatte 8 besteht aus metallischem Werk stoff, auf welche eine Isolierschicht 9 aufgebracht ist. Auf diese Schicht 9 wiederum ist eine Potentiometerbahn 10 aufge bracht.

Claims

1. Verfahren zum Bestimmen des Füllstandes einer elektrisch leitenden Flüssigkeit (2) in einem Behälter (1), wobei
der Wert des elektrischen Widerstandes zwischen zwei, ent sprechend dem Füllstand mit Flüssigkeit (2) benetzten E lektroden (3, 4) bestimmt wird,
aus dem Wert des elektrischen Widerstandes auf den Füll stand im Behälter (1) geschlossen wird,
auf mindestens eine Elektrode (3, 4) aus elektrisch nicht leitendem Trägermaterial eine elektrische Widerstands schicht (10) aufgebracht ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
der elektrische Kontakt zwischen der Widerstandsschicht (10) der einen Elektrode (4) und der anderen Elektrode (3) unmittelbar durch die Flüssigkeit (2) hergestellt wird.

2. Verfahren zum Bestimmen des Füllstandes einer elektrisch leitenden Flüssigkeit (2) in einem Behälter (1), wobei
der Wert des elektrischen Widerstandes zwischen zwei, ent sprechend dem Füllstand mit Flüssigkeit (2) benetzten E lektroden (3, 4) bestimmt wird,
aus dem Wert des elektrischen Widerstandes auf den Füll stand im Behälter (1) geschlossen wird,
mindestens eine Elektrode (3, 4) vollständig aus elektri schem Widerstandsmaterial gefertigt ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
der elektrische Kontakt zwischen dem Widerstandsmaterial der einen Elektrode (4) und der anderen Elektrode (3) un mittelbar durch die Flüssigkeit (2) hergestellt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Kontakt zwischen der Widerstandsschicht (10) oder dem Widerstandsmaterial der einen Elektrode (3) und einer Widerstandsschicht oder dem Widerstandsmaterial der an deren Elektrode (4) hergestellt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Kontakt zwischen der Widerstandsschicht (10) oder dem Widerstandsmaterial der einen Elektrode (3) und einer Wandung des aus einem elektrisch leitfähigem Material bestehenden Behälters (1) hergestellt wird.

5. Vorrichtung zum Bestimmen des Füllstandes einer elektrisch leitenden Flüssigkeit (2) in einem Behälter (1) durch Auswer ten des elektrischen Widerstandes zwischen zwei Elektroden (3, 4) mit zwei entsprechend dem Füllstand mit Flüssigkeit (2) benetzten Elektroden (3, 4), wobei mindestens eine Elektrode (3, 4) aus elektrisch nichtleitendem Trägermaterial eine e lektrische Widerstandsschicht (10) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitende Verbindung zwischen der Widerstands schicht (10) der einen Elektrode (4) und der anderen Elektro de (3) unmittelbar durch die Flüssigkeit (2) hergestellt ist.

6. Vorrichtung zum Bestimmen des Füllstandes einer elektrisch leitenden Flüssigkeit (2) in einem Behälter (1) durch Auswer ten des elektrischen Widerstandes zwischen zwei Elektroden (3, 4) mit zwei entsprechend dem Füllstand mit Flüssigkeit (2) benetzten Elektroden (3, 4), wobei mindestens eine Elektrode (3, 4) vollständig aus elektrischem Widerstandsmaterial gefer tigt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitende Verbindung zwischen dem Widerstands material der einen Elektrode (4) und der anderen Elektrode (3) unmittelbar durch die Flüssigkeit (2) hergestellt ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass beide Elektroden (3, 4) eine Widerstandsschicht (10) aufweisen und die elektrisch leitende Verbindung zwischen den beiden Widerstandsschichten (10) unmittelbar durch die Flüssigkeit (2) hergestellt ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass beide Elektroden (3, 4) aus Widerstandsmaterial gefertigt sind und die elektrisch leitende Verbindung zwischen den beiden Widerstandsmaterialien unmittelbar durch die Flüssigkeit (2) hergestellt ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeich net, dass zumindest eine Wandung des Behälters (1) aus elekt risch leitfähigem Material besteht und die elektrisch leiten de Verbindung zwischen der Widerstandsschicht (10) oder dem Widerstandsmaterial der einen Elektrode (3) und der Wandung unmittelbar durch die Flüssigkeit (2) hergestellt ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5, 7 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Widerstandsschicht (10) unter Zwi schenlage einer Isolierschicht (9) auf einem elektrisch leit fähigem Trägermaterial (8) aufgebracht ist, welches als E lektrode (4) dient.