DE102010005736A1

DE102010005736A1 - Konditionierungsschaltung für Signale von Sensoren für flüssiges Wasser zur Verwendung in PEM-Brennstoffzellen

Info

Publication number: DE102010005736A1
Application number: DE102010005736A
Authority: DE
Inventors: Robert L. Fuss; Kenneth L. Kaye
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2009-01-29
Filing date: 2010-01-26
Publication date: 2010-09-16
Also published as: US8089290B2; CN101819232B; CN101819232A; US20100188108A1

Abstract

Eine Messschaltung, die eine besondere Anwendung für die Detektion eines Hochimpedanz-Messsignals von einem Sensor für flüssiges Wasser hat. Die Messschaltung enthält eine Hochimpedanz-Widerstand/Frequenz-Umsetzungsschaltung, die mit dem Sensor gekoppelt ist und hiervon ein Widerstandssignal empfängt. Die Widerstand/Frequenz-Umsetzungsschaltung enthält einen Oszillator, der das Widerstandssignal in eine repräsentative Frequenz umsetzt. Die Messschaltung enthält außerdem eine Frequenz/Spannung-Umsetzungsschaltung, die das Frequenzsignal von der Widerstand/Frequenz-Umsetzungsschaltung empfängt und das Frequenzsignal in eine repräsentative Spannung umsetzt, die eine Angabe für Wasser an dem Sensor schafft.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf eine Messschaltung zum Messen eines Hochimpedanz-Widerstandssignals und insbesondere auf eine Messschaltung zum Messen eines Widerstandssignals von einem Sensor für flüssiges Wasser, der in einem Strömungsfeld einer Brennstoffzelle angeordnet ist, wobei die Messschaltung eine Hochimpedanz-Widerstand/Frequenz-Umsetzungsschaltung, die das Widerstandssignal empfängt, und eine Frequenz/Spannung-Umsetzungsschaltung, die das Frequenzsignal von der Widerstand/Frequenz-Umsetzungsschaltung in eine repräsentative Spannung umsetzt, enthält.
2. Diskussion des Standes der Technik
Wasserstoff ist ein sehr attraktiver Brennstoff, weil er sauber ist und verwendet werden kann, um in einer Brennstoffzelle Elektrizität effizient zu erzeugen. Eine Wasserstoffbrennstoffzelle ist eine elektrochemische Vorrichtung, die eine Anode und eine Katode mit einem Elektrolyt dazwischen enthält. Die Anode empfängt Wasserstoffgas, während die Katode Sauerstoff oder Luft empfängt. Das Wasserstoffgas wird in der Anode dissoziiert, um freie Wasserstoffprotonen und Elektronen zu erzeugen. Die Wasserstoffprotonen bewegen sich durch den Elektrolyt zur Katode. Die Wasserstoffprotonen reagieren mit dem Sauerstoff und mit den Elektronen in der Katode, um Wasser zu erzeugen. Die Elektronen von der Katode können sich nicht durch den Elektrolyt bewegen und werden daher durch eine Last geleitet, um Arbeit zu verrichten, bevor sie zur Katode geschickt werden.
Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEMFC) sind populäre Brennstoffzellen für Fahrzeuge. Die PEMFC enthält im Allgemeinen eine Festkörperpolymerelektrolyt-Protonenleitmembran wie etwa eine Perfluorsulfonsäure-Membran. Die Anode und die Katode enthalten typischerweise fein verteilte katalytische Partikel, gewöhnlich Platin (Pt), die auf Kohlenstoffpartikeln getragen werden und mit einem Ionomer gemischt sind. Das katalytische Gemisch ist auf gegenüberliegenden Seiten der Membran abgelagert. Die Kombination aus dem katalytischen Gemisch der Anode, dem katalytischen Gemisch der Katode und der Membran definiert eine Membranelektrodenanordnung (MEA). MEAs sind bei der Herstellung verhältnismäßig teuer und erfordern bestimmte Bedingungen für einen effektiven Betrieb.
Typischerweise sind mehrere Brennstoffzellen zu einem Brennstoffzellenstapel kombiniert, um die gewünschte Leistung zu erzeugen. Beispielsweise kann ein typischer Brennstoffzellenstapel für ein Fahrzeug 200 oder mehr gestapelte Brennstoffzellen haben. Der Brennstoffzellenstapel empfängt ein Katodeneingangsgas, typischerweise eine Luftströmung, die durch den Stapel mittels eines Kompressors gedrängt wird. Von dem Stapel wird nicht der ganze Sauerstoff verbraucht, so dass ein Teil der Luft als ein Katodenabgas ausgegeben wird, das als ein Stapelnebenprodukt Wasser enthalten kann. Der Brennstoffzellenstapel empfängt außerdem Anodenwasserstoff-Eingangsgas, das in die Anodenseite des Stapels strömt.
Der Brennstoffzellenstapel enthält eine Reihe von Bipolarplatten, die zwischen den mehreren MEAs im Stapel positioniert sind, wobei die Bipolarplatten und die MEAs zwischen zwei Stirnplatten positioniert sind. Die Bipolarplatten enthalten eine Anodenseite und eine Katodenseite für benachbarte Brennstoffzellen in dem Stapel. Anodengas-Strömungskanäle sind auf der Anodenseite der Bipolarplatten vorgesehen, die einem Anodenreaktand-Gas ermöglichen, zu der entsprechenden MEA zu strömen. Katodengas-Strömungskanäle sind auf der Katodenseite der Bipolarplatten vorgesehen, die dem Katodenreaktand-Gas ermöglichen, zu der entsprechenden MEA zu strömen. Eine Stirnplatte enthält Anodengas-Strömungskanäle, während die andere Stirnplatte Katodengas-Strömungskanäle enthält. Die Bipolarplatten und die Stirnplatten sind aus einem leitenden Material hergestellt, etwa aus Edelstahl oder aus einem leitenden Verbundwerkstoff. Die Stirnplatten leiten die Elektrizität, die von den Brennstoffzellen des Stapels erzeugt wird. Die Bipolarplatten enthalten außerdem Strömungskanäle, durch die ein Kühlungsfluid strömt.
Wie auf dem Gebiet wohl verstanden ist, arbeiten Brennstoffzellenmembranen mit einer bestimmten relativen Feuchtigkeit (RH), so dass der Ionenwiderstand über der Membran niedrig genug ist, um Protonen effektiv zu leiten. Die relative Feuchtigkeit des Katodenauslassgases von dem Brennstoffzellenstapel wird gesteuert, um die relative Feuchtigkeit der Membranen durch Steuern mehrerer Stapelbetriebsparameter zu steuern, etwa den Stapeldruck, der Temperatur, der Katodenstöchiometrie und der relativen Feuchtigkeit der Katodenluft in den Stapel.
Während des Betriebs der Brennstoffzelle können Feuchtigkeit aus den MEAs und externe Feuchtigkeit in die Anoden- und Katoden-Strömungskanäle eintreten. Bei geringen Zellenleistungsanforderungen, typischerweise unter 0,2 A/cm², kann sich Wasser in den Strömungskanälen an sammeln, weil die Durchflussmenge des Reaktand-Gases zu gering ist, um das Wasser aus den Kanälen zu drangen. Wenn sich das Wasser ansammelt, bilden sich in den Strömungskanälen Tröpfchen. Wenn die Größe der Tröpfchen zunimmt, wird der Strömungskanal verschlossen und wird das Reaktand-Gas auf andere Strömungskanäle aufgeteilt, weil die Kanäle zwischen Einlass- und Auslassverteilern parallel verlaufen. Außerdem kann, wenn die Tröpfchengröße zunimmt, die Oberflächenspannung des Tröpfchens stärker werden als der Deltadruck, der versucht, die Tröpfchen zum Auslassverteiler zu schieben, so dass das Reaktand-Gas nicht durch einen Kanal strömen kann, der mit Wasser blockiert ist, wobei das Reaktand-Gas das Wasser nicht aus dem Kanal drängen kann. Diese Bereiche der Membran, die als Folge der Blockierung des Kanals kein Reaktand-Gas empfangen, werden keine Elektrizität erzeugen, was eine nicht homogene Stromverteilung und eine Verringerung des Gesamtwirkungsgrades der Brennstoffzelle zur Folge hat. Wenn mehr und mehr Strömungskanäle durch Wasser blockiert sind, nimmt die durch die Brennstoffzelle erzeugte Elektrizität ab, wobei ein Zellenspannungspotential von weniger als 200 mV als Zellenfehler angesehen wird. Da die Brennstoffzellen elektrisch in Reihe geschaltet sind, kann der gesamte Brennstoffzellenstapel seine Arbeit einstellen, falls eine der Brennstoffzellen ihre Arbeit einstellt.
Das Bestimmen des Vorhandenseins oder Fehlens von flüssigem Wasser in einem Brennstoffzellen-Strömungsfeld ist wegen der oben diskutierten Gründe im Allgemeinen wünschenswert. Daher ist eine Entwicklung auf dem Gebiet entstanden, um einen Sensor zu schaffen, der in die Kanäle oder in den Verteiler eines Brennstoffzellen-Strömungsfeldes integriert werden kann und der das Vorhandensein von flüssigem Wasser angeben kann.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung wird eine Messschaltung offenbart, die eine besondere Anwendung auf die Detektion eines Hochimpedanz-Messsignals von einem Sensor für flüssiges Wasser hat. Die Messschaltung umfasst eine Hochimpedanz-Widerstand/Frequenz-Umsetzungsschaltung, die mit dem Sensor gekoppelt ist und von diesem ein Widerstandssignal empfängt. Die Widerstand/Frequenz-Umsetzungsschaltung umfasst einen Oszillator, der das Widerstandssignal in eine repräsentative Frequenz umsetzt. Die Messschaltung umfasst außerdem eine Frequenz/Spannung-Umsetzungsschaltung, die das Frequenzsignal von der Widerstand/Frequenz-Umsetzungsschaltung empfängt und das Frequenzsignal in eine repräsentative Spannung umsetzt, die eine Angabe von Wasser an dem Sensor bereitstellt.
Weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der folgenden Beschreibung und der beigefügten Ansprüche, die zusammen mit den beigefügten Zeichnungen gelesen werden sollten.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Draufsicht einer Brennstoffzellen-Bipolarplatte, die Strömungsfeldkanäle und einen Sensor für flüssiges Wasser enthält;
2 ist eine Querschnittsansicht des Sensors für flüssiges Wasser auf der Strömungsfeldplatte; und
3a, 3b sind ein Schaltbild einer Messschaltung, die ein Hochimpedanz-Widerstandssignal von dem in den 1 und 2 gezeigten Sensor misst.
GENAUE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die folgende Diskussion der Ausführungsformen der Erfindung, die auf eine Messschaltung zum Messen eines Hochimpedanz-Widerstandssignals und zum Bereitstellen einer repräsentativen Spannung des Signals gerichtet sind, ist dem Wesen nach lediglich beispielhaft und soll die Erfindung oder ihre Anwendungen oder Verwendungen in keiner Weise einschränken. Beispielsweise hat die Messschaltung der vorliegenden Erfindung eine besondere Anwendung auf die Messung eines Widerstandssignals von einem Sensor für flüssiges Wasser, der in einem Strömungsfeld einer Brennstoffzellenplatte vorgesehen ist. Wie der Fachmann auf dem Gebiet jedoch erkennt, hat die Messschaltung der Erfindung auch eine Anwendung auf die Messung anderer Hochimpedanz-Widerstandssignale für andere Anwendungen.
1 ist eine aufgebrochene Draufsicht einer Strömungsfeldplatte 10 für eine Brennstoffzelle, die mehrere Strömungskanäle 12 enthält. In einer nicht beschränkenden Ausführungsform ist die Platte 10 eine gestanzte Aluminiumplatte, die die Strömungskanäle 12 bildet, wobei die Platte 10 entweder eine katodenseitige Platte oder eine anodenseitige Platte sein kann. Auf der Platte 10 ist ein Sensor 14 vorgesehen, der parallele Elektrodenstreifen 16 und 18 aufweist, die um eine bestimmte Strecke voneinander beabstandet sind. 2 ist eine Querschnittsansicht der Platte 10, die den Sensor 14 zeigt, der die Streifen 16 und 18 aufweist. Für die Streifen 16 und 17 kann an Kontakten 20 bzw. 22 ein Erregungssignal bereitgestellt werden. Der Sensor 14 ist auf der Platte 10 strategisch positio niert, so dass er Wasser in den Strömungskanälen 12 dort detektieren kann, wo sich ein Wassertröpfchen über beide Elektrodenstreifen 16 und 18 legen würde, wodurch der Widerstand des Sensors 14 geändert wird, der durch eine Messschaltung gelesen werden kann, die später im Einzelnen diskutiert wird.
In einer nicht beschränkenden Ausführungsform ist der Sensor 14 in einer Mulde in der Platte 10 positioniert. Der Sensor kann irgendein Sensor sein, der für die hier beschriebenen Zwecke geeignet ist und die Eigenschaften eines hohen Widerstandes im trockenen Zustand und eines niedrigen Widerstandes im nassen Zustand hat.
Wie oben erwähnt, ändert sich der Widerstand des Sensors 14, wenn ein Wassertröpfchen die Elektrodenstreifen 16 und 18 elektrisch koppelt, wobei ein Widerstandssignal von dem Sensor 14 die Änderung identifizieren würde. Das Widerstandssignal würde auf zahlreichen Faktoren wie etwa der Länge der Streifen 16 und 18, die durch das Wasser bedeckt ist, die Reinheit des Wassers, die Dicke des Wassers und dergleichen basieren. Das Widerstandssignal, das durch den Sensor 14 erzeugt wird, ist ein Hochimpedanzsignal, typischerweise in der Größenordnung von 1 Megaohm. Daher ist es notwendig, eine geeignete Messschaltung sorgfältig auszuwählen, die mit dem Sensor 10 bei dieser Impedanz effizient gekoppelt werden soll. Mit anderen Worten, die Eingangsimpedanz der Messschaltung muss wenigstens so hoch sein wie die Widerstandsschaltung, die durch den Sensor 14 bereitgestellt wird, um die Messschaltung in die Lage zu versetzen, das Widerstandssignal zu detektieren.
Eine Betrachtung des Schaltungsentwurfs besteht darin, dass er ein Wechselsstrom-Antwortsignal misst. Insbesondere muss der Widerstand über dem Spalt zwischen den Elektrodenstreifen 16 und 18 unter Ver wendung eines Störwechselstroms statt eines Gleichstroms gemessen werden, um zu verhindern, dass die Elektrodenstreifen 16 und 18 vorgespannt werden. Falls eine Gleichstrommessung verwendet würde, würde im Laufe der Zeit eine Plattierung der Elektrodenstreifen 16 und 18 auftreten und würde sich das Widerstandssignal als eine Funktion der Elektrodenoberfläche ändern. Durch die Verwendung eines Wechselstrom-Störsignals wird eine ununterbrochene Reaktion bei jedem Elektrodenstreifen 16 und 18 verhindert.
Die Messschaltung würde entworfen werden, um bei der Frequenz des Wechselstrom-Störstroms zu arbeiten, die sich als eine Funktion des Widerstandes zwischen den Elektrodenstreifen 16 und 18 ändert. In einer nicht beschränkenden Ausführungsform könnte sich die Frequenz des Störstroms im Bereich von 4 kHz bis 15 kHz ändern. Wenn das Wasser den Spalt zwischen den Elektrodenstreifen 16 und 18 überbrückt, kann eine Abnahme des Widerstandes für den Wechselstrom detektiert werden. Der Widerstand nimmt proportional zu der Länge der Streifen 16 und 18, die durch Wasser überbrückt ist, ab. Wenn der Widerstand fällt, nimmt eine Oszillatorfrequenz zu. An seiner Grenze am nassen Ende besitzt der Widerstand 14 einen Widerstand von lediglich etwa 200 km, was einer Frequenz von 15 kHz entspricht. An seiner Grenze am trockenen Ende kann der Widerstand des Spalts zwischen den Elektrodenstreifen 16 und 18 700 kΩ betragen, was einer Frequenz von 4 kHz entspricht.
Spannungseingänge für ein Datenerfassungssystem sind eher üblich als Frequenzeingänge. Daher kann eine Frequenz/Spannung-Umsetzungsschaltung mit dem Ausgang der Oszillatorschaltung gekoppelt werden. Dieses Segment der Konditionierungsschaltung setzt den Frequenzausgang in einen Spannungsausgang um, der typischen Erfassungssystemen zugeführt werden kann. An den Grenzen entspricht ein Gleichspannungs ausgang von 1 Volt einem Frequenzeingang von 4 kHz, während ein Gleichspannungsausgang von 5 Volt einem Frequenzeingang von 15 kHz entspricht.
Wegen des Zellenpotentials, insbesondere in einem Brennstoffzellenstapel, ist eine Gleichspannungsisolation des Sensors 14 gegenüber der Messschaltung wichtig. Um zu gewährleisten, dass das Zellenstapelpotential die Messschaltung nicht beeinflusst oder beschädigt, können Isolationskondensatoren in den Verbindungen mit den Elektrodenstreifen 16 und 18 verwendet werden. Die Strommess- und Konditionierungsschaltung kann entworfen sein, um bis zu 50 V Gleichspannung zurückzuweisen, was für eine Einzelzellen- und Kurzstapeloperation ausreicht.
Die 3a und 3b sind ein Schaltbild einer Messschaltung 30 des oben diskutierten Typs, die auf die Messung des Widerstandssignals von dem Sensor anwendbar ist. Die verschiedenen Werte der Schaltungskomponenten, die in der Messschaltung 30 gezeigt sind, bilden lediglich Beispiele und sind für Werte jener Komponenten repräsentativ. Wie der Fachmann auf dem Gebiet jedoch erkennt, können andere Werte für diese Komponenten in anderen Ausführungsformen gleichermaßen anwendbar sein. In diesem Schaltbild repräsentiert der variable Widerstand 32 den Sensor 14. Der Widerstand 32 kann mit der Messschaltung 30 durch irgendeinen für die hier beschriebenen Zwecke geeigneten Koppler, etwa einen Molex-Koppler, elektrisch gekoppelt sein.
Die Messschaltung 30 enthält einen Hochimpedanz-Widerstand/Frequenz-Umsetzungsschaltungsabschnitt 34 und einen Frequenz/Spannungs-Umsetzungsabschnitt 36. Der Widerstand/Frequenz-Umsetzungsschaltungsabschnitt 34 enthält einen Operationsverstärker 38, der als ein Oszillator arbeitet, der ein Frequenzsignal erzeugt, das den Widerstand des Widerstandssignals von dem Widerstand 32 angibt. Die Frequenz des Oszillatorverstärkers 38 wird durch den Widerstand des Sensors 32 gesteuert. Einer der Elektrodenstreifen 16 oder 18 ist mit einer ersten Eingangsleitung in den Verstärker 38 gekoppelt, während der andere Elektrodenstreifen 16 oder 18 mit einer Ausgangsleitung des Verstärkers 38 elektrisch gekoppelt ist. Der Verstärker 38 besitzt eine sehr hohe Eingangsimpedanz, die mit dem Widerstand des Sensors 32 kompatibel ist. Der Sensor 32 ist mit dem Schaltungsabschnitt 34 mittels Kondensatoren 44 und 46 kondensatorgekoppelt, um Gleichspannungsisolationsanforderungen zu erfüllen, wie oben erwähnt wurde. In einer nicht beschränkenden Ausführungsform kann der Oszillatorverstärker 38 kalibriert sein, um mit etwa 4 kHz zu arbeiten, wenn der Sensor 32 trocken ist, und um mit seinem höchsten Widerstand zu arbeiten, was einen Anstieg auf etwa 15 kHz bedeutet, wenn der Sensor 32 vollständig nass ist und dessen Widerstand abfällt.
Der sinusförmige Ausgang des Oszillatorverstärkers 38 wird einem Operationsverstärker 40 zugeführt, der als ein Komparator arbeitet, der die Sinuswelle in eine Rechteckwelle derselben Frequenz umsetzt. Insbesondere wird die Frequenz des sinusförmigen Ausgangs auf der Ausgangsleitung des Oszillatorverstärkers 38 als ein erster Eingang für den Verstärkerkomparator 40 vorgesehen, wobei die zweiten Eingänge des Oszillatorverstärkers 38 und des Komparators 48 miteinander gekoppelt sind. Der Ausgang des Komparatorverstärkers 40 wird zum ersten Eingang des Oszillatorverstärkers 38 rückgekoppelt, um eine selbstoszillierende Schaltung zu schaffen, die die Wechselspannungserregung erzeugt, die für den Sensor 32 erforderlich ist. Die Oszillator/Komparator-Schaltung ist abstimmbar, um den Widerstand der verschiedenen Sensorentwürfe und die Frequenzbereiche, die mit anderen Brennstoffzellensystem-Messungen kompatibel sind, etwa die HFR-1-kHz-Störung, zu berücksichtigen.
Das Rechteckwellen-Frequenzsignal vom Komparator 40 wird dann für den Frequenz/Spannung-Umsetzungsschaltungsabschnitt 36 auf der Leitung 46 bereitgestellt, der das Frequenzsignal in eine repräsentative Spannung auf der Ausgangsleitung 42 umsetzt. Der Umsetzerschaltungsabschnitt 36 verwendet einen integrierten Schaltungschip 48, der die Umsetzung schafft und ein für den Fachmann auf dem Gebiet für diesen Zweck bekannter Chip ist. Der Chip 48 kann in einer nicht beschränkenden Ausführungsform kalibriert sein, um bei 4 kHz einen Ausgang von 1 Volt und bei 15 kHz einen Ausgang von 5 Volt bereitzustellen. Dieser Ausgangspegel wird durch übliche Datenerfassungs- und Steuersysteme ohne weiteres gelesen und ist außerdem vernünftig immun gegenüber einem EMI- und HFI-Rauschen mit niedrigem Pegel.
Die Schaltung 30 umfasst außerdem einen Spannungsteilerabschnitt 50, der einen Gleichspannungseingang von 15 Volt empfängt und einen Gleichspannungsausgang von 5 Volt bereitstellt. Der Gleichspannungsausgang von 5 Volt ist für den Oszillatorverstärker 38 und für andere Systemkomponenten in der Schaltung 30 geeignet. Die Messschaltung 30 ist eine Schaltung mit sehr niedrigem Leistungsverbrauch, etwa 200 Mikrowatt, und kann mit Versorgungsspannungen im Bereich von 5 V bis 25 V arbeiten. Da sie außerdem sehr wenige kostengünstige Komponenten erfordert, ist sie auf eine Kraftfahrzeugsteuerungssystem-Implementierung ohne weiteres anwendbar.
Die obige Diskussion offenbart und beschreibt lediglich beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Der Fachmann auf dem Gebiet wird ohne weiteres anhand dieser Diskussion und anhand der beigefügten Zeichnungen und der Ansprüche erkennen, dass verschiedene Veränderungen, Abwandlungen und Variationen daran vorgenommen werden können, ohne vom Erfindungsgedanken und vom Schutzbereich der Erfindung, wie er durch die folgenden Ansprüche definiert ist, abzuweichen.

Claims

Messschaltung für die Schaffung eines Spannungsausgangs von einem Widerstandssensor, wobei die Messschaltung umfasst: eine Widerstand/Frequenz-Umsetzungsschaltung, die mit dem Sensor elektrisch gekoppelt ist und ein Wechselspannungs-Erregungssignal für den Sensor bereitstellt, wobei die Widerstand/Frequenz-Umsetzungsschaltung auf ein Widerstandssignal von dem Sensor, das gemessen werden soll, anspricht, wobei die Widerstand/Frequenz-Umsetzungsschaltung einen Oszillatorverstärker mit einem ersten Eingang, der mit dem Sensor gekoppelt ist, und einem Ausgang, der mit dem Sensor gekoppelt ist, enthält, wobei der Oszillatorverstärker ein sinusförmiges Frequenzsignal mit einer Frequenz erzeugt, die sich anhand des Widerstandes des Widerstandssignals ändert, wobei die Widerstand/Frequenz-Umsetzungsschaltung ferner einen Komparatorverstärker mit einem ersten Eingang, der mit dem Ausgang des Oszillatorverstärkers gekoppelt ist, einem zweiten Eingang, der mit einem zweiten Eingang des Oszillatorverstärkers gekoppelt ist, und einem Ausgang, der mit dem ersten Eingang des Oszillatorverstärkers gekoppelt ist, enthält, wobei der Komparatorverstärker ein Rückkopplungsverstärker ist, der das sinusförmige Frequenzsignal von dem Oszillatorverstärker in ein Rechteckwellensignal mit derselben Frequenz umsetzt und bewirkt, dass der Oszillatorverstärker eine selbstoszillierende Schaltung ist, um für den Sensor das Wechselspannungs-Erregungssignal bereitzustellen; und eine Frequenz/Spannung-Umsetzungsschaltung, die auf das Rechteckwellensignal von dem Komparatoroszillator anspricht, wo bei die Frequenz/Spannung-Umsetzungsschaltung das Frequenzsignal in ein repräsentatives Spannungssignal umsetzt.
Messschaltung für die Bereitstellung eines Spannungsausgangs von einem Widerstandssensor, wobei die Messschaltung umfasst: eine Widerstand/Frequenz-Umsetzungsschaltung, die mit dem Sensor elektrisch gekoppelt ist und für den Sensor ein Erregungssignal bereitstellt, wobei die Widerstand/Frequenz-Umsetzungsschaltung auf ein zu messendes Widerstandssignal von dem Sensor anspricht, wobei die Widerstand/Frequenz-Umsetzungsschaltung einen Oszillator enthält, der mit dem Sensor gekoppelt ist und das Widerstandssignal in ein Frequenzsignal umsetzt, das eine Frequenz hat, die sich anhand des Widerstandes des Widerstandssignals ändert; und eine Frequenz/Spannung-Umsetzungsschaltung, die auf das Frequenzsignal von der Widerstand/Frequenz-Umsetzungsschaltung anspricht, wobei die Frequenz/Spannung-Umsetzungsschaltung das Frequenzsignal in ein repräsentatives Spannungssignal umsetzt.
Schaltung nach Anspruch 2, wobei der Oszillator in der Widerstand/Frequenz-Umsetzungsschaltung ein Operationsverstärker mit einem ersten Eingang, der mit dem Sensor gekoppelt ist, und einem Ausgang, der mit dem Sensor gekoppelt ist, ist, wobei die Widerstand/Frequenz-Umsetzungsschaltung ferner einen Komparatorverstärker mit einem ersten Eingang, der mit dem Ausgang des Oszillatorverstärkers gekoppelt ist, einem zweiten Eingang, der mit einem zweiten Eingang des Oszillatorverstärkers gekoppelt ist, und einem Ausgang, der mit dem ersten Eingang des Oszillatorverstärkers gekoppelt ist, umfasst, wobei der Komparatorverstärker ein Rückkopp lungsverstärker ist, das sinusförmige Frequenzsignal von dem Oszillatorverstärker in eine Rechteckwelle von der Frequenz umsetzt und bewirkt, dass der Oszillatorverstärker eine selbstoszillierende Schaltung ist, um für den Sensor das Erregungssignal bereitzustellen.
Schaltung nach Anspruch 1 oder 3, wobei eine Signalleitung, die den Sensor mit dem ersten Eingang des Oszillatorverstärkers koppelt, und eine Signalleitung, die den Sensor mit dem Ausgang des Oszillatorverstärkers koppelt, wenigstens einen Kondensator enthalten, um eine Gleichspannungsisolation des Oszillatorverstärkers zu schaffen.
Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Sensor ein Sensor für flüssiges Wasser ist, der eine verhältnismäßig hohe Impedanz hat, wobei der Sensor insbesondere Wasser in einem Strömungskanal einer Brennstoffzelle erfasst, und/oder wobei der Sensor ein Paar Elektrodenstreifen enthält, die durch einen Spalt getrennt sind, wobei das flüssige Wasser über den Elektrodenstreifen liegt und den Widerstand des Sensors verändert, wobei der Widerstand des Sensors in Abhängigkeit davon, wie groß die Länge ist, auf der der Streifen mit flüssigem Wasser bedeckt ist, reduziert wird.
Schaltung nach Anspruch 5, wobei der Sensor eine Impedanz von etwa 1 Megaohm besitzt.
Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Oszillatorverstärker kalibriert ist, so dass der Oszillatorverstärker ein Signal mit etwa 4 kHz bereitstellt, wenn der Widerstand des Sensors am höchsten ist, und ein Signal von etwa 16 kHz bereitstellt, wenn der Widerstand des Sensors am niedrigsten ist.
Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Frequenz/Spannung-Umsetzungsschaltung kalibriert ist, um einen Ausgang von 1 Volt bereitzustellen, wenn der Widerstand des Sensors am höchsten ist, und um einen Ausgang von etwa 5 Volt bereitzustellen, wenn der Widerstand des Sensors am niedrigsten ist.
Schaltung nach Anspruch 2, wobei das für den Sensor bereitgestellte Erregungssignal ein Wechselspannungs-Erregungssignal ist.
Messschaltung, um einen Spannungsausgang für einen Widerstandssensor für flüssiges Wasser zu schaffen, der eine verhältnismäßig hohe Impedanz hat, wobei der Widerstandssensor in einem Strömungskanal einer Brennstoffzelle positioniert ist, um flüssiges Wasser darin zu erfassen, wobei die Messschaltung umfasst: eine Widerstand/Frequenz-Umsetzungsschaltung, die mit dem Sensor elektrisch gekoppelt ist und für den Sensor ein Wechselspannungs-Erregungssignal bereitstellt, wobei die Widerstand/Frequenz-Umsetzungsschaltung auf ein zu messendes Widerstandssignal von dem Sensor anspricht, wobei die Widerstand/Frequenz-Umsetzungsschaltung einen Oszillatorverstärker mit einem ersten Eingang, der mit dem Sensor gekoppelt ist, und einem Ausgang, der mit dem Sensor gekoppelt ist, enthält, wobei der Oszillationsverstärker ein sinusförmiges Frequenzsignal mit einer Frequenz erzeugt, die sich anhand des Widerstandes des Widerstandssignals verändert, wobei die Widerstand/Frequenz-Umsetzungsschaltung ferner einen Komparatorverstärker mit einem ersten Eingang, der mit dem Ausgang des Oszillatorverstärkers gekoppelt ist, einem zweiten Eingang, der mit einem zweiten Eingang des Oszillatorverstärkers gekoppelt ist, und einem Ausgang, der mit dem ersten Eingang des Oszillatorverstärkers gekoppelt ist, enthält, wobei der Komparatorverstärker ein Rückkopplungsverstärker ist, der das sinusförmige Frequenzsignal von dem Oszillatorverstärker in ein Rechteckwellensignal derselben Frequenz umsetzt und bewirkt, dass der Verstärker eine selbstoszillierende Schaltung ist, um für den Sensor das Wechselspannungs-Erregungssignal bereitzustellen; einen ersten Kondensator, der in einer Signalleitung vorgesehen ist, die den Sensor mit dem ersten Eingang des Oszillationsverstärkers koppelt, und einen zweiten Kondensator, der in einer Signalleitung vorgesehen ist, die den Sensor mit dem Ausgang des Oszillatorverstärkers koppelt, wobei der erste und der zweite Kondensator eine Gleichspannungsisolation für den Oszillatorverstärker schaffen; und eine Frequenz/Spannung-Umsetzungsschaltung, die auf das Rechteckwellensignal von dem Komparatoroszillator anspricht, wobei die Frequenz/Spannung-Umsetzungsschaltung das Frequenzsignal in ein repräsentatives Spannungssignal umsetzt, wobei insbesondere der Oszillatorverstärker kalibriert ist, so dass der Oszillatorverstärker ein Signal mit etwa 4 kHz bereitstellt, wenn der Widerstand des Sensors am höchsten ist, und ein Signal mit etwa 15 kHz bereitstellt, wenn der Widerstand des Sensors am niedrigsten ist, wobei die Frequenz/Spannung-Umsetzungsschaltung kalibriert ist, um einen Ausgang von 1 Volt bereitzustellen, wenn die Oszillatorschaltung ein Frequenzsignal mit 4 kHz erzeugt, und um einen Ausgang mit 5 Volt bereitzustellen, wenn der Oszillatorverstärker das 15 kHz-Frequenzsignal erzeugt.