DE102005053075B4

DE102005053075B4 - In-Linie Sensor zur Bestimmung von Flüssigkeitsqualität

Info

Publication number: DE102005053075B4
Application number: DE102005053075A
Authority: DE
Inventors: Daniel Huntsville Stahlmann; Isabelle Mckenzie; Ray Wildeson
Original assignee: Siemens VDO Automotive Corp
Current assignee: Continental Automotive Systems Inc
Priority date: 2004-11-18
Filing date: 2005-11-04
Publication date: 2008-10-02
Anticipated expiration: 2025-11-05
Also published as: DE102005053075A1; US7030629B1

Abstract

Sensorvorrichtung zum Erfassen einer Flüssigkeitseigenschaft, mit:
einer ersten Elektrode, die einen Flüssigkeitsdurchtrittsweg aufweist, der sich zwischen Enden der ersten Elektrode erstreckt, wobei wenigstens eines dieser Enden geeignet ist, mit einer Flüssigkeitsleitung verbunden zu sein;
einer zweiten Elektrode, die innerhalb des ersten Elektrodenflüssigkeitsdurchtrittswegs gelagert ist und elektrisch von der ersten Elektrode isoliert ist, derart, dass die Flüssigkeit in dem Durchtrittsweg einen Raum zwischen der ersten und der zweiten Elektrode füllen kann; und
einem Gehäuse, das wenigstens teilweise an der ersten Elektrode angebracht ist, und elektrischen Leitungen, die mit den Elektroden verbunden sind,
dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Leitungen wenigstens teilweise durch das Gehäuse gestützt werden und dass die zweite Elektrode in dem Flüssigkeitsdurchtrittsweg durch ein Montageelement gelagert ist, von dem ein erstes Ende an der zweiten Elektrode befestigt ist und ein weiterer Abschnitt durch die erste Elektrode gelagert ist, und über das die zweite Elektrode wahlweise versorgbar...

Description

1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein einen Sensor zur Bestimmung einer Fluid- oder Flüssigkeitsqualität.
Insbesondere betrifft die Erfindung einen Sensor, der in Line entlang eines FLüssigkeitsfließweges gesetzt werden kann, zur Bestimmung einer Qualität bzw. Eigenschaft einer Flüssigkeit, die entlang dieses Weges fließt.
2. Beschreibung des Standes der Technik
Es sind eine Vielzahl von Flüssigkeitsqualitätssensoren bekannt. Eine Art der Bestimmung, die durch derartige Sensoren gemacht wird, ist die Konzentration von einer oder mehrerer Komponenten innerhalb einer Flüssigkeitsmischung. Einige beispielhafte Sensoren verwenden eine kondensatorbasierte Messtechnik zur Bestimmung der interessierenden Qualität.
Eine beispielhafte Situation ergibt sich bei Kraftfahrzeugbrennstoffsystemen. Es ist beispielsweise nützlich, den Alkoholgehalt innerhalb der Brennstoffmischung zu dem Zweck zu bestimmen, die Brennstoffzuführparameter in Brennstoffeinspritzsystemen einzustellen. Ein bekannter Sensor, der eine solche Bestimmung durchführt, ist in der US 5,367,264 gezeigt. Dieses Dokument offenbart einen Weg der Bestimmung des Alkoholgehalts einer Brennstoffmischung basierend auf einer Kapazität und Leitfähigkeit eines kondensatorbasierten Messkreises, der der Brennstoffmischung ausgesetzt ist. Eine Vielfalt derartiger Geräte ist bekannt.
Eine andere Situation, in der eine Flüssigkeitsqualitätsbestimmung nützlich ist, ist in einer Katalysatoranordnung, die eine bekannte ausgewählte katalytische Reaktion verwendet, um die fahrzeugmotoremissionen zu steuern. In dieser Situation ist es nützlich, ein Harnstoffkonzentrationsniveau in einer Flüssigkeitszufuhr zu dem Katalysator zu bestimmen. Derartige Vorrichtungen verwenden eine Mischung aus Harnstoff und deionisiertem Wasser zur Erzeugung von Ammoniakwasser, das verwendet wird, das Stickstoffoxid in Abgasen zu steuern. Es ist wünschenswert, in der Lage zu sein, eine Angabe eines Harnstoffkonzentrationsgehalts oder -niveaus zu liefern, so dass der Katalysator wie gefordert oder gewünscht arbeitet.
Sensorvorrichtungen zur Erfassung einer Flüssigkeitseigenschaft, die auf einem kapazitiven Grundprinzip beruhen, sind bspw. aus der US 4 543 191 , der GB 2 149 117 A oder der FR 7 832 473 bekannt. Allerdings können diese Anordnungen bedingt durch ihre Konstruktion keine optimalen Messbedingungen und somit keine optimalen Ergebnisse liefern.
Ein Nachteil der bisher vorgeschlagenen Vorrichtungen ist jener, dass sie typischerweise auf sehr spezifische Anwendungen begrenzt sind. Eine weitere Begrenzung ist jene, dass die Anordnung derartiger Vorrichtungen allgemein auf eine Zufuhr oder einen Reservetank begrenzt ist. So gibt es eine Notwendigkeit für eine vielseitigere Anwendung, die für verschiedene Situationen geeignet ist und die besser in ein geeignetes System eingefügt werden kann. Die vorliegende Erfindung betrifft diese Notwendigkeiten.
Insbesondere stellt sich die vorliegende Erfindung die Aufgabe, bisher bekannte Sensorvorrichtungen zum Erfassen einer Flüssigkeitseigenschaft hinsichtlich der Qualität der mit ihnen erzielbaren Messergebnisse zu verbessern.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Sensorvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Eine beispielhaft angegebene Ausführungsform einer Sensorvorrichtung zum Erfassen einer Flüssigkeitseigenschaft umfasst eine erste Elektrode, die einen Flüssigkeitskanal aufweist, der sich zwischen den Enden der ersten Elektrode erstreckt. Wenigstens eines der Enden ist in der Lage mit einer Flüssigkeitsleitung gekoppelt zu werden. Eine zweite Elektrode ist in dem ersten Elektrodenflüssigkeitsdurchflussweg angebracht und elektrisch von der ersten Elektrode isoliert. Die Flüssigkeit in dem Flüssigkeitsdurchflussweg kann einen Raum zwischen der ersten und zweiten Elektrode füllen. Ein Gehäuse ist an der ersten Elektrode gelagert, um Elektronik aufzunehmen, die verwendet wird, um eine Bestimmung bezüglich der Flüssigkeitseigenschaft zu machen. In einer Ausführungsform ist das Gehäuse auf die erste Elektrode angeformt.
Die beispielhafte Sensorvorrichtung kann beispielsweise in einer Flüssigkeitszuführleitung eingesetzt werden. Durch Anordnung des Sensors in Line mit einem geeigneten Flüssigkeitsdurchflussweg, ist der Sensor in der Lage, Flüssigkeitsqualitätsinformationen betreffend im Wesentlichen die gesamte Flüssigkeit, die durch den Durchflussweg strömt, zu liefern. Dies bedeutet einen Vorteil verglichen mit Anordnungen, wo ein Sensor der Flüssigkeit innerhalb eines begrenzten Abschnitts beispielsweise eines Zuführtanks, ausgesetzt ist. Zusätzlich ist die dargestellte Sensoranordnung bereit, in eine Vielzahl von Anordnungen eingebracht bzw. eingebaut zu werden und benötigt beispielsweise keine Veränderung eines Zuführtanks.
Die verschiedenen Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich für den Durchschnittsfachmann aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung der derzeit bevorzugten Ausführungsformen. Die Zeichnungen, die die detaillierte Beschreibung begleiten, können kurz wie folgt beschrieben werden.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 ist eine Querschnittsdarstellung, die eine Ausführungsform eines Sensors gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
2 ist eine Ansicht von oben der Darstellung von 1.
3 ist eine Querschnittsdarstellung, die ausgewählte Abschnitte einer alternativen Ausführungsform eines Sensors gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
4 zeigt eine weitere Ausführungsform.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
Wie aus 1 ersichtlich weist, eine Flüssigkeitsqualitätserfassungsvorrichtung 20 einen Flüssigkeitsdurchfluss- oder -durchtrittsweg 22 auf, durch den eine interessierende Flüssigkeit fließen kann. Der Flüssigkeitsdurchtrittsweg 22 wird durch eine erste Elektrode 24 gebildet. Ein erstes Ende 26 und ein zweites Ende 28 der ersten Elektrode 24 sind in der Lage, mit wenigstens einer Flüssigkeitsleitung 30 gekoppelt zu werden. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel kann das erste Ende 26 mit einer ersten Leitung 30 und das zweite Ende 28 mit einer zweiten Leitung 32 verbunden werden. In einer Ausführungsform sind die Leitungen 30 und 32 Abschnitte derselben Leitung.
Durch Koppeln bzw. Verbinden der ersten Elektrode 24 mit den Leitungen 30 und 32 nimmt der Flüssigkeitsdurchtrittsweg 22 Flüssigkeit auf, die durch die Leitungen 30 und 32 fließt und befindet sich in Linie mit den Leitungen eines geeigneten Abschnitts eines Flüssigkeitshandhabungssystems. In einem Ausführungsbeispiel sind die Leitungen 30 und 32 Brennstoffzuführleitungen. In einem anderen Ausführungsbeispiel sind die Leitungen 30 und 32 eine Harnstoffmischungszufuhr für eine Katalysatoranordnung.
Die Erfassungsvorrichtung 20 umfasst einen Gehäuseabschnitt 40, der auf einer ersten Elektrode 24 gelagert ist. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel trägt ein Gehäuseabschnitt 42 Elektronik auf einer Leiterplatte 44. Eine Abdeckung 46 schließt den Behälterabschnitt 42 ab, um die Elektronik auf der Leiterplatte 44 beispielsweise vor Kontamination zu schützen. Ein Lagerabschnitt 48 ist mit dem Behälterabschnitt 42 verbunden und um wenigstens einen Abschnitt des Äußeren der ersten Elektrode 24 aufgenommen.
In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Lagerabschnitt 48 an der ersten Elektrode 24 angeformt. Das gesamte Gehäuse 40 ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel auf einmal angeformt und in seiner Position mit der ersten Elektrode 24 während des Formungsprozesses befestigt.
Eine zweite Elektrode 50 ist in dem Flüssigkeitsdurchtrittsweg 22 derart gelagert, dass die Flüssigkeit, die durch den Durchtrittsweg 22 fließt, den Raum zwischen der Innenseite der ersten Elektrode 24 und dem Äußeren der zweiten Elektrode 50 füllt. Im Ausführungsbeispiel von 1 weist die erste Elektrode 50 eine stabile bzw. massive Stange auf. In dem Ausführungsbeispiel von 3 weist die erste Elektrode 50' ein hohles Rohr auf. In dem Ausführungsbeispiel von 3 weist die zweite Elektrode 50' einen zweiten Flüssigkeitsdurchtrittsweg 53 auf, durch den die Flüssigkeit, die in dem Durchtrittsweg 22' fließt, fließen kann.
Das Ausführungsbeispiel von 1 ist in Situationen nützlich, wo die interessierende Flüssigkeit eine relativ hohe Leitfähigkeit hat, wie beispielsweise ein Harnstoffkonzentrationsflüssigkeitssensor. Das Ausführungsbeispiel von 3 ist in Situationen nützlich, die eine Flüssigkeit von geringerer Leitfähigkeit umfassen, wie beispielsweise ein Kraftfahrzeugbrennstoffalkoholkonzentrationssensor. Aufgrund dieser Beschreibung wird der Fachmann in der Lage sein, geeignete Konfigurationen der zweiten Elektrode auszuwählen und sie gemäß einer Größe der ersten Elektrode zu bemessen, um die Notwendigkeiten ihrer speziellen Situation zu erfüllen.
Die erste Elektrode 24 und die zweite Elektrode 50 wirken als eine Kathode bzw. eine Anode eines Kondensators.
Kondensatorbasierte Flüssigkeitsqualitäts- oder Eigenschaftsmessungstechniken sind bekannt.
Wie am Besten aus 1 hervorgeht, ist die zweite Elektrode 50 in dem Flüssigkeitsdurchtrittsweg 22 durch ein Montageelement 52 gelagert, von dem ein erstes Ende an der zweiten Elektrode 50 befestigt ist, und ein weiterer Abschnitt durch die erste Elektrode 24 gelagert ist. In einem Ausführungsbeispiel ist eines der Enden des Montageelements 52 an die zweite Elektrode 50 gelötet. Ein Isolator 54 isoliert elektrisch das Montageelement von der ersten Elektrode 24 und, demzufolge, verbleibt die zweite Elektrode 50 von der ersten Elektrode 24 elektrisch isoliert. In dem Fall, dass Flüssigkeit den Durchtrittsweg 22 füllt, baut die Flüssigkeit zwischen der ersten Elektrode 24 und der zweiten Elektrode 25 ein Dielektrikum für kondensatorbasierte Flüssigkeitsqualtitätsmessungen auf.
In der Ausführungsform von 1, weist das Montageelement 52 einen Zapfen auf und der Isolator 54 weist eine Glasdichtung auf, die mit einer Doppelfunktion dient, nämlich des Lagerns des Montagelements 52 in einer elektrisch isolierenden Weise von der ersten Elektrode 24 und das Schaffen einer flüssigkeitsdichten Dichtung einer Öffnung 55 in der ersten Elektrode 24, in der das Montageelement 52 teilweise aufgenommen ist.
Ein elektrisch leitendes Element 56 ist mit dem Montageelement 52 und geeigneten Abschnitten der Elektronik auf der Leiterplatte 44 (siehe 2) verbunden, zum wahlweisen Versorgen der zweiten Elektrode 50. Ein weiterer elektrischer Leiter 58 ist mit der ersten Elektrode 24 und geeigneter Elektronik auf der Leiterplatte 44 verbunden. Im Betrieb des Kondensators, der die erste Elektrode 24 und die zweite Elektrode 50 aufweist, in einer gewünschten Weise, kann die interessierende Flüssigkeitsqualität bestimmt werden. In einem Ausführungsbeispiel benützen die Sensorelektroniken bekannte Techniken um eine derartige Bestimmung durchzuführen.
Ein weiteres Merkmal der Ausführungsform von 1 ist ein Temperatursensor 60, der durch das Gehäuse 40 gestützt ist. In diesem Ausführungsbeispiel weist der Temperatursensor 60 eine bekannte NTC-Vorrichtung auf und wird von dem Lagerabschnitt 48 des Gehäuses 40 derart gelagert, dass die Temperatursensorvorrichtung 60 sich in Kontakt mit einer äußeren Oberfläche der ersten Elektrode 24 befindet. Elektrische Leiter 62 verbinden die Temperatursensorvorrichtung 60 mit geeigneter Elektronik, die auf der Leiterplatte 44 gelagert ist, zum Betrieb der Vorrichtung in einer bekannten Weise. Die Temperaturinformation kann wie bekannt verwendet werden, Flüssigkeitsqualitätsbestimmungen zu machen.
Ein signifikanter Vorteil der beispielhaften Ausführungsformen ist der, dass der Sensor 20 leicht in eine Flüssigkeitszuführanordnung eingebaut werden kann und Teil beispielsweise einer Kraftstoffzuführleitung gemacht werden kann. In einem Ausführungsbeispiel ist ein Ende der ersten Elektrode 24 mit einem Tank oder Behälter verbunden, während das andere Ende mit einer Leitung verbunden ist, die erlaubt, dass Flüssigkeit in den Tank oder den Behälter hineinfließt oder herausfließt.
Wie aus 2 ersichtlich, weist das beispielhafte Gehäuse 40 einen elektrischen Verbindungsabschnitt 70 auf, der eine Verbindung der auf der Leiterplatte 44 gelagerten Elektronik mit anderen Vorrichtungen ermöglicht. In einer Ausführungsform trägt die Leiterplatte 44 eine Kontrolleinrichtung, wie einen Mikroprozessor, und eine Mehrzahl von Oszillatoren zum Betreiben des Kondensators, der die erste Elektrode 24 und die zweite Elektrode 50 in einer bekannten Weise aufweist, um Messungen zu machen, wie beispielsweise Kapazität, die elektrische Leitfähigkeit, Leitfähigkeit oder eine Kombination von diesen. Bekannte Techniken zur Durchführung derartiger Messungen sind in einem Beispiel verwendet.
Das Beispiel von 4 umfasst eine modifizierte zweite Elektrode 50, die so geformt ist, um ein getrenntes Montageelement zu vermeiden. Anstelle ist ein Abschnitt 52' in eine Richtung gebogen, um das Anbringen der zweiten Elektrode 50' in einem entsprechenden Durchtrittsweg 22 zu erleichtern. Der Gehäuseabschnitt 40' ist auch gegenüber jenem von 1 verändert, wie das aus der Zeichnung ersichtlich ist.

Claims

Sensorvorrichtung zum Erfassen einer Flüssigkeitseigenschaft, mit: einer ersten Elektrode, die einen Flüssigkeitsdurchtrittsweg aufweist, der sich zwischen Enden der ersten Elektrode erstreckt, wobei wenigstens eines dieser Enden geeignet ist, mit einer Flüssigkeitsleitung verbunden zu sein; einer zweiten Elektrode, die innerhalb des ersten Elektrodenflüssigkeitsdurchtrittswegs gelagert ist und elektrisch von der ersten Elektrode isoliert ist, derart, dass die Flüssigkeit in dem Durchtrittsweg einen Raum zwischen der ersten und der zweiten Elektrode füllen kann; und einem Gehäuse, das wenigstens teilweise an der ersten Elektrode angebracht ist, und elektrischen Leitungen, die mit den Elektroden verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Leitungen wenigstens teilweise durch das Gehäuse gestützt werden und dass die zweite Elektrode in dem Flüssigkeitsdurchtrittsweg durch ein Montageelement gelagert ist, von dem ein erstes Ende an der zweiten Elektrode befestigt ist und ein weiterer Abschnitt durch die erste Elektrode gelagert ist, und über das die zweite Elektrode wahlweise versorgbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Gehäuse auf einen Abschnitt der ersten Elektrode angeformt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die erste Elektrode einen zylindrischen Abschnitt und die zweite Elektrode einen kleineren zylindrischen Abschnitt aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei die zweite Elektrode eine massive Stange aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei die zweite Elektrode ein hohles Rohr aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, mit einem Montageelement, das mit der zweiten Elektrode verbunden ist und einen Abschnitt aufweist, der von der ersten Elektrode getragen wird.
Vorrichtung nach Anspruch 6, mit einem Isolator, der elektrisch das Montageelement von der ersten Elektrode isoliert.
Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei der Isolator eine Glasdichtung aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei das Montageelement einen Zapfen aufweist, von dem ein Ende mit der zweiten Elektrode verbunden ist und ein zweites Ende durch die erste Elektrode getragen wird.
Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei die erste Elektrode eine Öffnung aufweist, wobei das zweite Ende des Zapfens wenigstens teilweise in der Öffnung aufgenommen ist und eine Glasdichtung umfasst, die den Abschnitt des Zapfens umgibt, der in der Öffnung aufgenommen ist, und die Öffnung in einer flüssigkeitsdichtenden Weise abdichtet.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die erste Elektrode eine Kathode und die zweite Elektrode eine Anode eines Kondensators aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, mit einem Temperatursensor, der von dem Gehäuse getragen wird, wobei der Temperatursensor sich in Kontakt mit der ersten Elektrode befindet, zum Erfassen einer Temperatur der Flüssigkeit in dem Flüssigkeitsdurchtrittsweg.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die erste Elektrode ein Rohr aufweist, des Verbindungsabschnitte an Enden des Rohres aufweist, die in der Lage sind, eine Flüssigkeitsdichte, abgedichtete Verbindung mit einer Flüssigkeitsleitung zu schaffen.
Verwendung einer Sensorvorrichtung nach einem vorstehenden Anspruch in einem Flüssigkeitszuführsystem.