DE102008020119B4

DE102008020119B4 - Vorrichtung zur Ermittlung des Alkoholgehaltes eines Gemischs

Info

Publication number: DE102008020119B4
Application number: DE102008020119.7A
Authority: DE
Inventors: Dr. Kiesewetter Olaf; Anatolij Ewert; Reinhard Sender; Alexander Kraußer
Original assignee: UST Umweltsensortechnik GmbH
Current assignee: UST Umweltsensortechnik GmbH
Priority date: 2007-04-27
Filing date: 2008-04-22
Publication date: 2014-06-12
Anticipated expiration: 2028-04-23
Also published as: DE102008020119A1

Abstract

Vorrichtung zur Ermittlung des Alkoholgehaltes eines Gemischs, welches mindestens Alkohol und Benzin enthält, wobei die Vorrichtung einen Kondensator, der in einem vom Gemisch durchflossenen Gehäuse angeordnet ist, sowie Anschlussleitungen (6), die mit einer elektronischen Messanordnung verbindbar sind, enthält, die Elektroden (1.1, 2.1) des Kondensators auf jeweils einer Keramikplatte (1, 2) angeordnet sind und mindestens eine der Keramikplatten (1, 2) eine Widerstandsanordnung (1.2, 2.2) enthält, und die Keramikplatten (1, 2) mit einer Glasabdeckung (1.3, 2.3) versehen sind, welche an den Stellen, an denen sich die Elektroden (1.1, 2.1) befinden, eine Öffnung (13.1, 2.3.1) aufweisen, und wobei die Keramikplatten (1, 2) in einer Trägerplatte (5) eingeschmolzen sind, aus der die elektrischen Anschlüsse (6) nach außen geführt werden, und wobei die Messanordnung mittels einer Abdeckkappe (4) aus elektrisch nicht leitendem Material verschlossen ist, welche mindestens eine Öffnung (4.1) aufweist, wobei die Trägerplatte (5) eine Glasdurchführung aufweist oder aus Glas besteht und auf mindestens einer der Keramikplatten (1, 2) mindestens eine Halbleiterschicht angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Ermittlung des Alkoholgehaltes eines Gemischs, welches Alkohol und Benzin sowie gegebenenfalls weitere Flüssigkeiten enthält, wobei die Vorrichtung einen Kondensator, der in einem vom Gemisch durchflossenen Gehäuse angeordnet ist, sowie Anschlussleitungen, die mit einer elektronischen Messanordnung verbindbar sind, enthält.
Als alternativer Kraftstoff wird in zunehmendem Maße Alkohol verwendet, der aus nicht fossilen Energieträgern hergestellt werden kann. Insbesondere bei Brennkraftmaschinen mit Einspritzmotoren wird dem Benzin Alkohol beigemischt. Um eine einwandfreie Arbeitsweise einer solchen Brennkraftmaschine zu erreichen, ist die Kenntnis des Alkoholgehaltes im Gemisch erforderlich. Damit eine dem Betriebszustand angepasste Kraftstoffmenge in den Verbrennungsraum eingespritzt oder verdampft werden kann, muss laufend der Alkoholgehalt bestimmt werden.
Der Alkoholgehalt oder den Heizwert eines Gemisches aus Alkohol und Benzin kann durch Messen der Kapazität und der daraus zu berechenden relativen Dielektrizitätskonstante ermittelt werden. Zur Kompensation der Frequenzabhängigkeit der Kapazität und der Temperaturabhängigkeit der Dielektrizitätskonstante ist es bekannt, drei Größen, nämlich die Kapazität, den Leitwert sowie die Temperatur des Gemisches zu bestimmen.
In der DE 38 41 316 A1 wird eine Vorrichtung zum Feststellen des Alkoholgehaltes und des Heizwertes eines Gemischs durch Messen von physikalischen Parametern des Gemischs in einem Gehäuse und mit einer elektronischen Messschaltung beschrieben. Dabei stellen ein Mittelzylinder und ein Teil der Wandung eines Gehäuses die Elektroden eines Kondensators dar. Eine Spannungszuführung und eine Signalausgabe zur oder von der Messschaltung verlaufen über die Zentrierscheiben.
Nach EP 0 472 767 B1 ist eine Vorrichtung zum Feststellen des Alkoholgehaltes oder des Heizwert eines Gemischs bekannt, welche ein elektrisch leitendes Gehäuse aufweist, das eine erste Elektrode eines Kondensators bildet und ein elektrisch leitendes Sensorelement die zweite Elektrode des Kondensators bildet. Das Sensorelement ist in einer Zwischenplatte hermetisch eingeglast, wobei das Gehäuse durch die Zwischenplatte zur Messschaltung hin hermetisch abgedichtet ist. Durch Messen der Kapazität und der daraus berechneten relativen Dielektrizitätskonstante kann der Alkoholgehalt des Gemischs durch Vergleich mit einer Referenzkapazität ermittelt werden. Zur Kompensation von Frequenz- und Temperaturabhängigkeit werden neben der Kapazität des Kondensators noch der elektrische Leitwert zwischen einem Sensorelement und dem Gehäuse sowie die Temperatur des Gemischs bestimmt.
Ferner ist in DE 196 49 366 A1 ein Sensor zur Flüssigkeitsanalyse, insbesondere von Alkohol-Benzin-Gemischen beschrieben. Der Sensor weist einen Kondensator und Anschlussleitungen auf.
Aus DE 40 34 471 C1 ist ein Sensor zur Messung des Mischungsverhältnisses von Flüssigkeiten bekannt, bei dem Elektroden auf Keramiksubstraten aufgedruckt sind und die Keramikplatten mit einer Glasverbindungsschicht befestigt sind Nachteilig ist dabei, dass mit dieser Anordnung nur binäre Gemische untersucht werden können und dass die Anordnung einen komplizierten Aufbau aufweist und eine metallische Kapselung erfordert.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, die es ermöglicht, auch Gemische mit mehr als zwei Bestandteilen zu analysieren, und die kostengünstig hergestellt werden kann.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Anordnung gelöst, welche die in Anspruch 1 genannten Merkmale aufweist.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Mit der erfindungsgemäßen Anordnung können neben der Kapazität, dem elektrischen Leitwert und der Temperatur zusätzlich die Wärmeleitfähigkeit und die Wärmekapazität der zu untersuchenden Flüssigkeiten bestimmt werden. Hierzu wird in einer der Keramikplatten ein Platin-Widerstand als Heizer verwendet und die zu analysierende Flüssigkeit damit kurz aufgeheizt. Ein in der anderen Keramikplatte angebrachter Platin-Widerstand dient als Temperatursensor, mit dem das Aufheizen der Flüssigkeit erfasst wird. Auf diese Weise kann ein definierter Temperaturimpuls gestartet und der Verlauf der Temperatur in der Messanordnung bestimmt werden. Daraus lässt sich das dynamische Verhalten der Wärmekapazität bestimmen. Aus den damit ermittelten Werten können verschiedene Störeffekte erkannt werden und sowohl die Anteile als auch die Materialkennwerte eines Dreistoffgemischs bestimmt werden, so dass auch angegeben werden kann, aus welchen Flüssigkeiten das Gemisch besteht.
Die elektrische Leitfähigkeit wird vorzugsweise mit einer Hilfselektrode und einer Gegenelektrode bestimmt, wobei die Hilfselektrode entweder gesondert im Gehäuse angeordnet ist oder sich auf einer der Keramikplatten befindet.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Darin zeigen:
1 einen Längsschnitt durch die Anordnung,
2 die zugehörige Draufsicht,
3 die Draufsicht auf eine Keramikplatte,
4 eine Glasabdeckung,
5 die Draufsicht auf eine Keramikplatte mit Glasabdeckung und
6 einen Längsschnitt durch eine Keramikplatte.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt die Schnittdarstellungen zweier Ausführungsformen. Die Vorrichtung enthält ein vom zu untersuchendem Gemisch durchflossenes Gehäuse, in dem von einer Abdeckkappe 4 geschützt, die Keramikplatten 1 und 2 angeordnet sind. Die Abdeckkappe 4 besteht aus Kunststoff. Die in der Figur dargestellte Ausführungsform enthält eine zusätzliche Hilfselektrode 3, die es ermöglicht, direkt die elektrische Leitfähigkeit zu messen. Bei der in 1a dargestellten Ausführung sind die Keramikplatten 1 und 2 sowie die Hilfselektrode 3 in einer Glas- oder Polymerkeramikeinschmelzung angeordnet. 1b zeigt eine Ausführungsmöglichkeit, bei der die Trägerplatte 5 aus einer Keramik oder einer Polymerkeramik besteht, die mit Glaseinschmelzungen 5.1 versehen ist, in denen die Keramikplatten 1 und 2 befestigt sind. Dabei ist es auch möglich, die Anschlussleitung 6.3 für die Hilfselektrode 3 auf die gleiche Weise in einer Glasdurchführung anzuordnen.
In 2 ist die Draufsicht auf die Abdeckkappe 4 dargestellt. Sie enthält zwei schlitzförmige Öffnungen 4.1 und 4.2, durch welche das zu untersuchende Medium ein- und ausströmen kann.
3 erläutert die Anordnung der Elektroden auf der Keramikplatte 1 (3A) und der Keramikplatte 2 (3A). Die Kondensatorelektroden 1.1 und 2.1 sind in der jeweiligen Keramikplatte 1 oder 2 integriert und bestehen aus Platin. Ferner ist auf mindestens einer der Keramikplatten 1 oder 2 ein mäanderförmiges Widerstandselement 1.2 aufgebracht, welches entweder als Temperatursensor oder als Heizelement dienen kann. Die Keramikplatten 1 und 2 enthalten ferner eine halbleitende sensitive Schicht. Das in einer der beiden Keramikplatten 1 oder 2 integrierte Widerstandselement 1.2 dient als Temperatursensor, das in der anderen Keramikplatte integrierte Widerstandselement 1.2 als Heizer. Die Keramikplatten 1 und 2 sind stoffschlüssig mit der Trägerplatte 5 verbunden, die vorteilhaft als Glasplatte oder als Polymer-Keramik ausgeführt ist. Die elektrischen Anschlüsse 6 der Elektroden 1.1, 1.2, 2.1 und 2.2 sind durch die Trägerplatte 5 nach außen geführt und sind mit einer Prozessoreinheit verbunden, durch die eine Auswertung der Messwerte der Sensoren und des Kondensators erfolgt.
In 4 ist eine Glasabdeckung dargestellt, mit der die sensitive Schicht und die Widerstandselemente 1.2 oder 2.2 geschützt werden. Der Bereich, der die Kondensatorelektroden 1.1 oder 2.1 überdeckt ist mit einer Öffnung 1.3.1 bzw. 2.3.1 versehen, damit das zu untersuchende Medium ungehindert auf die Elektroden 1.1 und 2.1 gelangen kann.
Eine mit der Glasabdeckung 1.3 versehene Keramikplatte 1 ist aus 5 ersichtlich.
Bezugszeichenliste

1: erste Keramikplatte
1.1: erste Elektrode
1.2: erstes Widerstandselement
1.3: Glasabdeckung für erste Keramikplatte
2: zweite Keramikplatte
2.1: zweite Elektrode
2.2: zweites Widerstandselement
2.3: Glasabdeckung für zweite Keramikplatte
3: Hilfselektrode
4: Abdeckkappe
4.1, 4.2: Öffnungen
5: Trägerplatte
6: elektrische Anschlüsse
6.1: Anschlüsse der ersten Keramikplatte
6.1.1: Anschluss der Elektrode 1.1
6.1.2, 6.1.3: Anschlüsse des Widerstandselementes 1.2
6.2: Anschlüsse der zweiten Keramikplatte
6.2.1: Anschluss der Elektrode 2.1
6.2.2, 6.2.3: Anschlüsse des Widerstandselementes 2.2
6.3: Anschluss der Hilfselektrode

Claims

Vorrichtung zur Ermittlung des Alkoholgehaltes eines Gemischs, welches mindestens Alkohol und Benzin enthält, wobei die Vorrichtung einen Kondensator, der in einem vom Gemisch durchflossenen Gehäuse angeordnet ist, sowie Anschlussleitungen (6), die mit einer elektronischen Messanordnung verbindbar sind, enthält, die Elektroden (1.1, 2.1) des Kondensators auf jeweils einer Keramikplatte (1, 2) angeordnet sind und mindestens eine der Keramikplatten (1, 2) eine Widerstandsanordnung (1.2, 2.2) enthält, und die Keramikplatten (1, 2) mit einer Glasabdeckung (1.3, 2.3) versehen sind, welche an den Stellen, an denen sich die Elektroden (1.1, 2.1) befinden, eine Öffnung (13.1, 2.3.1) aufweisen, und wobei die Keramikplatten (1, 2) in einer Trägerplatte (5) eingeschmolzen sind, aus der die elektrischen Anschlüsse (6) nach außen geführt werden, und wobei die Messanordnung mittels einer Abdeckkappe (4) aus elektrisch nicht leitendem Material verschlossen ist, welche mindestens eine Öffnung (4.1) aufweist, wobei die Trägerplatte (5) eine Glasdurchführung aufweist oder aus Glas besteht und auf mindestens einer der Keramikplatten (1, 2) mindestens eine Halbleiterschicht angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Widerstandsanordnung (1.2, 2.2) ein Temperatursensor oder ein Heizer ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abdeckkappe (4) aus Kunststoff besteht.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (1.1, 2.1) des Kondensators und/oder die Widerstandsanordnung (1.2, 2.2) aus Platin bestehen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung eine Hilfselektrode (3) enthält, deren elektrische Anschlussleitung (6.3) durch die Trägerplatte (5) geführt und mit dieser stoffschlüssig verbunden ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Keramikplatten (1, 2) mit je einer Glasabdeckung (1.3, 2.3) geschützt sind, welche mit einer Öffnung (1.3.1, 2.3.1) versehen ist.