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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur
Bestimmung des Siedepunktes eines flüssigen Mediums nach dem Oberbegriff
der unabhängigen
Ansprüche
sowie auf dessen Verwendung.
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Hydraulikflüssigkeiten,
insbesondere Bremsflüssigkeiten
für Kraftfahrzeugbremssysteme
werden als hydraulisches Medium zur Kraftübertragung in Bremssystemen
eingesetzt. Derartige Hydraulikfluide müssen für eine sichere Funktion der
Bremsen sehr hohe Anforderungen erfüllen und sind in kritischen
Fahrsituationen, wie beispielsweise bei lang anhaltenden Bremsungen
an Gefällstrecken,
besonderen Beanspruchungen ausgesetzt. Die Belastung kann besonders
an den Radbremszylindern, an welchen die höchsten Temperaturen in einem
Bremssystem vorliegen, sehr hoch sein. Ein Maß für die thermische Belastbarkeit
der Bremsflüssigkeit
stellt der sogenannte Gleichgewichtssiedepunkt dar. Bei Temperaturen über dem
aktuellen Siedepunkt der Bremsflüssigkeit
kommt es zu einer Dampfblasenbildung. Ein wirkungsvolles Betätigen der
Bremsen ist dann nicht mehr möglich.
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Besonders
kritisch ist es, wenn die verwendete Bremsflüssigkeit hygroskopisch ist
und über
Diffusion durch die Bremsschläuche
Wasser aus der Umgebung aufnimmt, da dies ein starkes Absinken des
Siedepunktes der Bremsflüssigkeit
zur Folge hat. Dieser Effekt erfordert den Wechsel der Bremsflüssigkeit
in einem Kraftfahrzeug nach etwa ein bis zwei Jahren, da der Abfall
des Siedepunktes einer Bremsflüssigkeit
bei Wasseraufnahme rasch vor sich geht.
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Ferner
kann es aber auch zu einer unerwarteten, vorzeitigen Wasseraufnahme
der Bremsflüssigkeit
kommen, die zu einem Versagen des betreffenden Hydraulik- bzw. Bremssystems
führen
kann. Aus diesem Grunde ist es wünschenswert,
den Siedepunkt einer Hydraulikflüssigkeit
bzw. Bremsflüssigkeit
eines Systems ständig,
d.h. online, überwachen zu
können.
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Aus
der deutschen Offenlegungsschrift
DE 40 02 792 A1 ist eine Vorrichtung zur
Ermittlung der Beschaffenheit einer Druckübertragungsflüssigkeit bekannt.
Diese Vorrichtung umfasst zwei Elektroden, die über ein als Linearleiter ausgebildetes
Sensorelement miteinander verbunden sind. Eine Siedetemperaturbestimmung
erfolgt derart, dass das in der Bremsflüssigkeit angeordnete Sensorelement
aufgeheizt wird und sich dadurch eine stabile Zellularkonvektion
im Bereich des Sensorelements einstellt. Eine derartige Zellularkonvektion
stellt sich ein, wenn das als Konvektionskörper verwendete Sensorelement
bzw. Heizelement in dem unmittelbar angrenzenden Flüssigkeitsraum
eine Wärmemenge
erzeugt, die nicht mehr durch eine laminare Konvektion schnell genug
an das umgebende Gesamtvolumen an Flüssigkeit weitergeleitet werden
kann. Hierbei bilden sich Grenzschichten aus, die das Heizelement
in geringem Abstand, wie ein Hüllstrom,
umgeben. Innerhalb einer derartigen Zelle entsteht ein Wärmerückstau bis
zum Heizelement. Die Zelle kann nach außen in den Flüssigkeitsraum
durch laminare Konvektion gerade so viel Wärme abgeben, wie in diesem
Raum pro Zeiteinheit aufgenommen und verteilt werden kann.
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Das
Heizelement und sein Konvektionszellenumfeld verhalten sich damit
wie ein gemeinsames Heizgebilde, das sich in bezug auf laminare
Konvektionsverhältnisse
mit der Restflüssigkeit
im Zustand der thermischen Leistungsanpassung befindet. Die Grenzschicht
bleibt stabil, solange die Rückstautemperatur
an der Innenseite der Grenzschicht um einen gewissen Betrag höher ist
als an der Außenseite
in der Restflüssigkeit.
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Zur
Bestimmung der Siedetemperatur mittels der Vorrichtung gemäß der
DE 40 02 792 A1 wird
der veränderliche
Heizwiderstand des Sensorelements infolge der Rückstautemperatur an der Grenzschicht zwischen
der Heizeroberfläche
und der Zellenflüssigkeit
ausgewertet. Bei hygroskopischen Bremsflüssigkeiten bewirkt nun der
Versatz mit Wasser eine spezifische Veränderung von Dichte und Viskosität und damit
der Rückstautemperatur.
Diese Änderung wird zur
Bestimmung der Siedetemperatur ausgewertet. Eine direkte Messung
der Siedetemperatur der Bremsflüssigkeit
ist aber auch mit dieser Vorrichtung nicht möglich.
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Aus
der deutschen Offenlegungsschrift
DE 197 10 358 A1 ist weiterhin ein mikrostrukturierter Sensor
bekannt, der zur Bestimmung des Zustands eines Fluids, beispielsweise
einer Bremsflüssigkeit einer
Kraftfahrzeugbremsanlage, über
Leitfähigkeits- bzw.
Kapazitätsmessungen
mittels interdigitaler Elektroden verwendet wird. Dabei wird Bremsflüssigkeit
von einer Heizeinrichtung erhitzt und verdampft. Der Übergang
von der flüssigen
Phase in die Gasphase wird durch eine schlagartige Änderung
der Kapazität
der Bremsflüssigkeit
erkannt und die dabei aktuell vorliegende Temperatur der Heizeinrichtung wird
als aktueller Siedepunkt der Bremsflüssigkeit bestimmt. Die Kapazitätsänderung
wird über
die interdigitalen Elektroden bestimmt.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren bzw. eine Sensoranordnung
zur Verfügung
zu stellen, das die Bestimmung der Siedetemperatur eines flüssigen Mediums
auf einfache Weise in hinreichender Genauigkeit gestattet.
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Vorteile der
Erfindung
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
zur Bestimmung des Siedepunktes eines flüssigen Mediums gemäß den kennzeichnenden
Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass es in einfacher Weise
eine zuverlässige
Bestimmung der Siedetemperatur eines flüssigen Mediums gestattet. Dies
ermöglicht
es insbesondere, den Zustand von Hydraulikflüssigkeiten bzw. Schmierölen zu verschiedenen Zeitpunkten
zuverlässig
zu charakterisieren. Diese Informationen werden online erhalten
und die zugrundeliegenden elektrischen Signale können in einfacher Weise beispielsweise
im Bordcomputer eines Kraftfahrzeugs verarbeitet werden.
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Das
Verfahren beruht darauf, dass das flüssige Medium an einem Oberflächenbereich
eines Sensorelement lokal bis zu dessen Siedepunkt erhitzt wird
und die sich dabei einstellende Temperatur des Oberflächenbereichs
erfasst wird. Sobald eine sich bei fortschreitender Beheizung weitgehend
konstante Temperatur in diesem Oberflächenbereich einstellt, wird
diese als Siedetemperatur des flüssigen Mediums erfasst.
Dieses Verfahren ist zuverlässig, obwohl
es auf einer sehr einfach gestalteten Messtechnik beruht.
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Mit
den in den Unteransprüchen
aufgeführten
Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens
möglich.
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So
ist es von Vorteil, wenn die gemessene Siedetemperatur mit einem
hinterlegten Temperaturbereich verglichen wird und bei Abweichung
der sich einstellenden Temperatur von dem hinterlegten Temperaturbereich
eine Meldung, insbesondere eine Gefahrenmeldung ausgegeben wird.
Dies ermöglicht beispielsweise
den rechtzeitigen Wechsel des betroffenen flüssigen Mediums bzw. die rechtzeitige
Stilllegung einer Anlage, wie beispielsweise einer Bremsanlage,
deren Funktion wesentlich auf dem Einsatz des flüssigen Mediums beruht.
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Weiterhin
ist von Vorteil, wenn die Siedetemperatur in regelmäßigen Abständen bestimmt
wird. Dabei kann es sich sowohl um eine Kontrolle nach definierten
zeitlichen Abständen
handeln als auch um eine Kontrolle beispielsweise nach bestimmten Fahrleistungen
eines Kraftfahrzeugs.
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Besonders
vorteilhaft ist es, wenn zumindest derjenige Oberflächenbereich
des Sensorelementes, der bis zu Siedetemperatur des flüssigen Mediums erhitzt
wird, porös
strukturiert ist.
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In
einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist das Sensorelement
aus einem Schichtverbund eines keramischen Materials wie Zirkondioxid
ausgeführt,
da dieser besonders unempfindlich ist gegenüber mechanischen Erschütterungen,
thermischen Belastungen und Korrosion.
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Die
Ausführung
des Sensorelements in Form eines Schichtverbundes ermöglicht weiterhin
eine baukastenartige Erweiterung um mögliche weitere Funktionalitäten des
Sensorelements neben der Temperaturmessung.
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Zeichnung
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung
näher erläutert. 1 zeigt
schematisch eine Draufsicht eines dem erfindungsgemäßen Verfahren
zugrunde liegendes Sensorelement, 2 zeigt
schematisch den Aufbau des Sensorelements in einer Explosionsdarstellung
und 3 zeigt schematisch eine das Sensorelement beinhaltende
Sensoranordnung.
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Ausführungsbeispiel
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In 1 ist
schematisch der Aufbau eines dem erfindungsgemäßen Verfahren zugrunde liegenden
Sensorelements zur Bestimmung des Siedepunktes eines flüssigen Mediums
dargestellt. Das Sensorelement 10 umfasst ein keramisches
Substrat 11, das vorzugsweise als Schichtverbund mehrerer keramischer
Schichten ausgeführt
ist. Zur Beheizung des Sensorelementes enthält dieses ein Widerstandsheizelement 12 in
Form eines Heizmäanders. Weiterhin
weist das Sensorelement 10 auf einer dem zu bestimmenden
flüssigen
Medium zugewandten Großfläche vorzugsweise
eine poröse
Deckschicht 14 auf. Die poröse Oberflächenstruktur der Deckschicht 14 erleichtert
das Sieden des flüssigen
Mediums und verhindert Siedeverzüge
in diesem Bereich. Das Sensorelement beinhaltet zur Bestimmung der Siedetemperatur
des flüssigen
Mediums ein Messelement 13, das als resistives Temperaturmesselement
ausgeführt
ist und räumlich
in unmittelbarer Nähe
der porösen
Deckschicht 14 angeordnet ist. Zum Schutz vor möglichen
korrosiven Einflüssen
des flüssigen
Mediums ist das Messelement 13 jedoch durch eine vorzugsweise
dünne keramische
Schicht von der Deckschicht 14 separiert. Zur elektrischen Kontaktierung
weist das Messelement 13 Anschlusskontakte 15 auf.
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Ein
detaillierter Aufbau des Sensorelementes 10 ist in 2 dargestellt.
Dabei bezeichnen gleiche Bezugszeichen die gleichen Bauteilkomponenten
wie in 1. Das Sensorelement 10 umfasst beispielsweise
eine Mehrzahl von keramischen Schichten 11a, 11b, 11c,
und 11d. Die Schichten 11a–11d werden dabei
als keramische Folien ausgeführt
und bilden einen planaren keramischen Körper. Die integrierte Form
des planaren keramischen Körpers
des Sensorelements 10 wird durch Zusammenlaminieren der
mit Funktionsschichten bedruckten keramischen Folien und anschließendem Sintern
der laminierten Struktur in an sich bekannter Weise hergestellt.
Jede der Schichten 11a–11d ist
aus einem mechanisch und thermisch beständigen keramischen Material
wie beispielsweise aus mit Y2O3 teil-
oder vollstabilisiertem ZrO2 ausgeführt.
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Das
Sensorelement 10 umfasst weiterhin mehrere keramische Isolationsschichten 17a, 17b, 17c, 17d, 17e,
und 17f die aus einem elektrisch isolierenden keramischen
Material wie beispielsweise Aluminiumoxid, mit Barium dotiertem
Aluminiumoxid oder Mullit ausgeführt
sind. Zur besseren Anbindung der Isolationsschichten 17a–17f an
die keramischen Schichten 11a–11d weist das Sensorelement 10 vorzugsweise
zusätzliche
Verbindungsschichten 19a, 19b, 19c und 19d auf.
Die Verbindungsschichten 19a–19d sind dabei vorzugsweise
aus ZrO2 oder aus mit Y2O3 teil- oder vollstabilisiertem ZrO2 ausgeführt. Das
Material der Verbindungsschichten 19a–19d entspricht somit
vorzugsweise dem Material der Schichten 11a–11d.
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In
den keramischen Grundkörper
des Sensorelements 10 ist ferner zwischen den Isolationsschichten 17c und 17d das
Widerstandsheizelement 12 eingebettet. Das Widerstandsheizelement 12 dient
dem Aufheizen des Sensorelements 10 auf die notwendige
Betriebstemperatur. Die Kontaktierung des Widerstandsheizelements 12 erfolgt
mittels Durchkontaktierungen 20, die die Leiterbahn des
Widerstandsheizelements 12 mit Anschlusskontakten 22,
die sich auf einer ersten Großfläche 23 des
Sensorelements 10 befinden, elektrisch leitend verbinden.
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Weiterhin
befindet sich zwischen den Isolationsschichten 17e und 17f das
Messelement 13 in Form einer weiteren mäanderförmigen Widerstandsleiterbahn.
Zur Kontaktierung des Messelements 13 weist dieses weitere
Anschlusskontakte 15 auf. Die Widerstandsleiterbahnen des
Heizelementes 12 und des Messelements 13 sind
hinsichtlich ihres Materials in an sich bekannter Weise als Cermet
ausgeführt,
um mit den keramischen Folien zu versintern. Um einen freien Zugang
zu den weiteren Anschlusskontakten 15 zu gewährleisten,
sind die Schichten 11d und 17f vorzugsweise in
ihrer Längsausdehnung anschlussseitig
verkürzt.
Um die Leiterbahn des Messelement 13 in einer möglichst
geringe Distanz zu der Oberfläche
der weiteren Großfläche 25 des Sensorelements 10 zu
positionieren, sind die Schichten 11d und 17f mit
einer geringen Schichtdicke ausgeführt.
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Auf
der dem zu messenden flüssigen
Medium unmittelbar zugewandten weiteren Großfläche 25 ist auf der
Schicht 11d die poröse
Deckschicht 14 angeordnet, die einen eintretenden Siedevorgang
des flüssigen
Mediums unter kinetischen Aspekten erleichtert und somit Siedeverzüge verhindert.
Die Deckschicht 14 ist ebenfalls aus einem keramischen Material,
vorzugsweise aus Aluminiumoxid oder Zirkondioxid ausgeführt.
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Die
Schichten 11b, 19b, 17b sind für die Funktionsweise
des Sensorelements nicht zwingend erforderlich und können aus
weggelassen werden. Ihre Existenz bedingt lediglich einen asymmetrischen Aufbau
des Sensorelements und somit einen bevorzugten Wärmefluss in Richtung der porösen Deckschicht 14.
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Eine
weitere Ausführungsform
des Sensorelements besteht darin, dass die Schichten 11a–11d sowie
die Verbindungsschichten 19a–19d aus einem elektrisch
gut isolierenden Material wie beispielsweise Aluminiumoxid bestehen.
Die Isolationsschichten 17a–17f können in
diesem Fall weggelassen werden. Dies vereinfacht den Aufbau des
Sensorelements.
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Die
Funktionsweise des Sensorelements 10 beruht darauf, dass
dieses in ein zu messendes flüssiges
Medium temporär
oder permanent eingetaucht wird, sodass zumindest die weitere Großfläche 25 des
Sensorelements 10 in Kontakt mit dem zu messenden flüssigen Medium
steht und dieses mittels des Heizelementes 12 aufgeheizt
werden kann. Die sich einstellende Temperatur des Sensorelementes 10 wird
mittels des Messelements 13 erfasst. Sobald im Bereich
der porösen
Deckschicht 14 ein Siedevorgang des flüssigen Mediums eintritt, führt dies
zu einem Energieverlust durch die dem Sensorelement 10 entzogene
Verdunstungsenergie. Ab Erreichen der Siedetemperatur erhöht sich
auch bei einem fortgesetzten Heizvorgang die Temperatur des Sensorelements 10 nicht
mehr nennenswert. Die sich einstellende weitgehend konstante Temperatur
wird erfasst und als Siedetemperatur des flüssigen Mediums ausgegeben.
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Weist
das flüssigen
Medium keinerlei gelöste Verunreinigungen
auf, so entspricht die gemessene, sich einstellende, weitgehend
konstante Temperatur der theoretischen Siedetemperatur des flüssigen Mediums.
Je höher
die Konzentration an gelösten
Verunreinigungen im flüssigen
Medium ist, desto stärker weicht
die gemessene, sich einstellende, weitgehend konstante Temperatur
von der theoretischen Siedetemperatur ab. Dies ermöglicht es, über die
gemessene Siedetemperatur durch einen Vergleich mit der theoretisch
zu erwartenden Siedetemperatur den Grad an Verunreinigung bzw. der
Degradation des flüssigen
Mediums zu bestimmen. Unterschreitet die gemessene Siedetemperatur
einen bestimmten Grenzwert, so kann ein Fehlersignal generiert werden, wenn
die Gefahr besteht, dass die weitere Verwendung des flüssigen Mediums
zu einer Beeinträchtigung
oder zu einem Betriebsausfall eines das flüssige Medium beinhaltenden
Gesamtsystems führen
kann.
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In 3 ist
eine Sensoranordnung dargestellt, die das Sensorelement 10 umfasst
und die zur Ausführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens
geeignet ist. Das Sensorelement 10 ist zur elektrischen Kontaktierung
mit einer Auswerteeinheit 30 verbunden. Mittels der Auswerteeinheit 30 wird
der elektrische Widerstand des Messelements 13 während eines
Heizvorgangs fortlaufend oder periodisch bestimmt und aus dem elektrischen
Widerstand über ein
hinterlegtes geeignetes Kennfeld die korrespondierende Temperatur
des Sensorelements 10 bestimmt. Eine sich einstellende,
weitgehend konstante Temperatur des Sensorelements 10 wird
erfasst und als Siedetemperatur ausgegeben. Dies kann bspw. mittels
einer Datenausgabeeinheit 32 geschehen, die die ermittelte
Siedetemperatur entweder elektronisch speichert oder optisch bzw.
akustisch sichtbar macht. Weiterhin kann mittels der Ausgabeeinheit 32 ein Fehlersignal
generiert werden, falls die ermittelte Siedetemperatur außerhalb
eines ebenfalls in der Auswerteeinheit 30 hinterlegten
zulässigen
Temperaturbereichs angesiedelt ist. Die in der Auswerteeinheit 30 bzw.
in der Ausgabeeinheit 32 hinterlegten Daten können beispielsweise
online an eine Fahrzeugsteuerung bzw. ein Prüfgerät übertragen werden.