DE102020131192A1

DE102020131192A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Ermitteln einer Wärmeleitfähigkeit eines Fluids, Flüssigkeitsbehälter und Fahrzeug

Info

Publication number: DE102020131192A1
Application number: DE102020131192.3A
Authority: DE
Inventors: Stefan Dilger
Original assignee: AST Advanced Sensor Technologies International GmbH
Current assignee: AST Advanced Sensor Technologies International GmbH
Priority date: 2020-04-30
Filing date: 2020-11-25
Publication date: 2021-11-04
Also published as: CN116261660A; WO2021219709A1; US20230168215A1; EP4143553A1

Abstract

Eine Vorrichtung zum Ermitteln einer Wärmeleitfähigkeit eines Fluids, weist auf: eine elektrische Leiteranordnung (2, 200, 300), die derart ausgestaltet ist, dass sie zumindest teilweise mit dem Fluidgemisch in Kontakt bringbar ist, und als Spannungsteiler mit zwei Elementen (21, 221, 321, 22, 222, 322) ausgebildet ist, wobei das erste Element ein erster Leiter (21, 221, 321) ist, der zumindest in einem stromführenden Zustand einen Widerstandswert aufweist, der zu dem des zweiten Elements (22, 222, 322) unterschiedlich ist, eine Messbrücke (4, 240, 340) mit zwei parallel geschalteten Spannungsteilern, wobei einer der Spannungsteiler durch die elektrische Leiteranordnung (2, 200, 300) gebildet wird, eine Ansteuereinheit (6) zum Anlegen einer Wechselspannung (U0) an die Messbrücke (4, 240, 340), eine Spannungserfasseinheit (8) zum Erfassen einer Brückenspannung (Ub), und eine Auswerteeinheit (10), die so konfiguriert ist, dass sie die Wärmeleitfähigkeit des Fluids durch Auswerten der Brückenspannung (Ub) unter Verwendung der 3-Omega-Methode erm ittelt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Ermitteln einer Wärmeleitfähigkeit eines Fluids, insbesondere eines aus einer Mehrzahl von Fluiden gebildeten Fluidgemisches, das insbesondere eine Waschflüssigkeit oder eine wässrige Harnstofflösung zur Abgasnachbehandlung für ein Fahrzeug ist, sowie einen Flüssigkeitsbehälter und ein Fahrzeug.
In Fahrzeugen werden zunehmend optische Sensoren, z.B. Kameras, LIDAR, Radar usw., verbaut, die für Fahrer-Assistenzsysteme und/oder ein System zum autonomen Fahren benötigt werden. Bei Einsatz der optischen Sensoren für die genannten Zwecke ist es erforderlich, dass eine Erfassungsgenauigkeit bei jedem Wetter sichergestellt ist. Aus diesem Grund ist eine zuverlässige Reinigung der optischen Sensoren durch eine Waschanlage von großer Wichtigkeit.
Konventionelle Waschanlagen, die bisher in Fahrzeugen hauptsächlich zur Reinigung einer Scheibe und/oder einer Lichtquelle verwendet werden, weisen keine Möglichkeit zum Überwachen der Waschflüssigkeit auf, so dass bei niedrigen Temperaturen oftmals das Problem auftritt, dass ein Fluidgemisch, das aus Wasser und mindestens einer Frostschutzflüssigkeit gemischt und als Waschflüssigkeit verwendet wird, in einem Flüssigkeitsbehälter, in einer Leitung zu einer Spritzdüse oder auf einer Scheibe aufgrund eines zu geringen Anteils der Frostschutzflüssigkeit gefriert. Demzufolge ist eine Reinigung nicht durchführbar oder eine Sicht wird sogar noch verschlechtert.
Zudem wird in modernen Dieselfahrzeugen eine wässrige Harnstofflösung (auch als AdBlue (eingetragene Marke) bezeichnet) zur Abgasnachbehandlung (selektive katalytische Reduktion (SCR)) verwendet, um eine Reduktion der ausgestoßenen Stickoxide (NOx) zu erreichen. Der Anteil des Harnstoffs an der wässrigen Harnstofflösung beträgt dabei standardmäßig, z.B. im Auslieferungszustand, 32,5 %, wobei ein Bereich zwischen 31,8 % und 33,3 % für eine Anwendung im Fahrzeug zulässig ist. Da Harnstoff durch UV-Strahlung allmählich zersetzt wird, kann sich die Harnstoffkonzentration in einem Behälter, in dem die wässrige Harnstofflösung zum Zweck eines Nachfüllens gelagert wird und der Sonnenlicht ausgesetzt ist, mit der Zeit ändern. Außerdem kann Wasser aus dem Behälter oder einem Flüssigkeitsbehälter im Fahrzeug verdunsten, so dass sich die Harnstoffkonzentration ebenfalls mit der Zeit ändert. Eine Überprüfung einer erforderlichen Harnstoffkonzentration kann dabei mittels eines Refraktometers durchgeführt werden, was jedoch aufwendig und daher beim Betrieb des Dieselfahrzeugs impraktikabel ist.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung, ein Verfahren, einen Flüssigkeitsbehälter und ein Fahrzeug bereitzustellen, die die genannten Nachteile beseitigen. Demzufolge ist es möglich, ein Gefrieren des Fluidgemisches, das als Waschflüssigkeit verwendet wird, zuverlässig zu verhindern und/oder eine erforderliche Konzentration einer wässrigen Harnstofflösung zum Zweck einer Abgasnachbehandlung sicherzustellen.
Die Aufgabe hinsichtlich der Vorrichtung wird gelöst gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1, hinsichtlich des Flüssigkeitsbehälters gemäß den Merkmalen des Anspruchs 11, hinsichtlich des Fahrzeugs gemäß den Merkmalen des Anspruchs 14 und hinsichtlich des Verfahren gemäß den Merkmalen des Anspruchs 15. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Erfindungsgemäß wird die Wärmeleitfähigkeit eines Fluids, insbesondere eines Fluidgemisches, das z.B. als Waschflüssigkeit oder zur Abgasnachbehandlung verwendet wird, ermittelt, um einen Rückschluss über die Zusammensetzung oder einen Verunreinigungsgrad davon zu ziehen. Eine Vorrichtung zum Ermitteln der Wärmeleitfähigkeit eines Fluids oder eines Fluidgemisches weist dazu eine elektrische Leiteranordnung, die derart ausgestaltet ist, dass sie zumindest teilweise mit dem Fluidgemisch in Kontakt bringbar ist, auf. Die Leiteranordnung ist als ein Spannungsteiler ausgebildet und weist zwei Elemente auf. Als Spannungsteiler ist eine Reihenschaltung aus passiven elektrischen Zweipolen, durch die eine elektrische Spannung aufgeteilt wird, zu verstehen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist eine Messbrücke mit zwei parallel geschalteten Spannungsteilern, die jeweils zwei Elemente aufweisen, auf. Einer der Spannungsteiler wird durch die oben genannte Leiteranordnung gebildet. Ferner weist die Vorrichtung eine Ansteuereinheit zum Anlegen einer Wechselspannung an die Messbrücke und eine Spannungserfasseinheit zum Erfassen einer Brückenspannung auf.
Darüber hinaus weist die Vorrichtung eine Auswerteeinheit auf, die so konfiguriert ist, dass sie die Wärmeleitfähigkeit des Fluids durch Auswerten der Brückenspannung unter Verwendung der 3-Omega-Methode ermittelt. Durch die Verwendung der Vorrichtung kann bestimmt werden, ob das Fluid eine vorgegebene Wärmeleitfähigkeit aufweist, so dass ein Gefrieren bei einer der vorgegebenen Wärmeleitfähigkeit entsprechenden Temperatur zuverlässig verhindert wird. Zudem kann bestimmt werden, ob ein für eine Abgasnachbehandlung verwendetes Fluid, einen erforderlichen Harnstoffanteil aufweist. Dazu kann beispielsweise bei einer Gefahr eines Gefrierens oder bei einer zu geringen/hohen Konzentration des Fluids zur Abgasnachbehandlung ein Signal über ein entsprechendes Mittel, wie etwa eine Anzeige und/oder einen Lautsprecher, ausgegeben werden.
Das erste Element der Leiteranordnung ist ein erster Leiter, der zumindest im stromführenden Zustand einen Widerstandswert aufweist, der zu dem des zweiten Elements unterschiedlich ist. Demzufolge ist die Messbrücke verstimmt, wenn eine Wechselspannung an die Messbrücke angelegt wird, so dass eine Brückenspannung durch die Spannungserfasseinheit erfasst werden kann.
Das zweite Element der Leiteranordnung kann ein zweiter Leiter sein, der in einem stromlosen Zustand einen gleichen Widerstandswert wie der erste Leiter aufweist. Die beiden Leiter sind dabei so ausgebildet, dass sich der erste Leiter in einem stromführenden Zustand stärker erwärmt als der zweite Leiter.
Gemäß einem anderen Aspekt kann das zweite Element ein Festwiderstand, der anstelle des zweiten Leiters verwendet wird, sein. Als Festwiderstand ist ein Widerstand zu verstehen, der seinen Widerstandswert auch im stromdurchflossenen Zustand im Wesentlichen nicht ändert und somit unter jeglichen Bedingungen als im Wesentlichen konstant anzusehen ist. Bei Einsatz des Festwiderstands sind die beiden Widerstände des anderen Spannungsteilers derart ausgebildet, dass ihr Widerstandswert einstellbar oder veränderbar ist. Bevorzugt sind die beiden einstellbaren Widerstände als Digitalpotentiometer ausgebildet. Im stromdurchflossenen Zustand erwärmt sich der erste Leiter und ändert daher seinen Widerstandswert, so dass der erste Leiter und der Festwiderstand im stromdurchflossenen Zustand einen unterschiedlichen Widerstandswert aufweisen. Der Widerstandswert des ersten Leiters ist dabei bevorzugt größer als der des Festwiderstands. Der Widerstandswert des ersten Leiters kann aber auch kleiner als der des Festwiderstands sein. Die Auswerteeinheit ist bei Einsatz des Festwiderstands so konfiguriert, dass sie die beiden einstellbaren Widerstände vor Anlegen einer Wechselspannung an die Messbrücke abgleicht. Diese Konfiguration bietet den Vorteil, dass Anforderungen hinsichtlich einer Herstellgenauigkeit, die zum Beispiel erforderlich ist, damit der erste und zweite Leiter in einem stromlosen Zustand den gleichen Widerstandswert aufweisen, verringert wird. Zudem wird eine Erfassungsgenauigkeit erhöht, da die Messbrücke vor Beginn einer Ermittlung der Wärmeleitfähigkeit durch die Auswerteeinheit zuverlässig abgeglichen wird.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist das Fluid ein Fluidgemisch, das aus zwei Fluiden gebildet ist, von denen vorzugsweise jeweils eine Wärmeleitfähigkeit bekannt ist. Die Auswerteeinheit kann so konfiguriert sein, dass sie eine Konzentration oder ein Mischungsverhältnis des Fluidgemisches durch Vergleichen der Wärmeleitfähigkeit des Fluidgemisches mit den Wärmeleifähigkeiten der beiden Fluide, aus denen das Fluidgemisch gemischt ist, bestimmt. Demzufolge ist ein Mischungsverhältnis des Fluidgemisches genau bestimmbar. Es ist anzumerken, dass mindestens eines der beiden Fluide ebenfalls ein Fluidgemisch sein kann, sofern die Wärmeleitfähigkeit davon bekannt ist. Die Ermittlung eines Mischungsverhältnisses bietet dabei den Vorteil, dass einem Nutzer die Zusammensetzung des Fluidgemisches leicht verständlich angegeben werden kann.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung kann zusätzlich jeweils ein Gefrierpunkt der beiden Fluide, aus denen das Fluidgemisch gebildet ist, bekannt sein. Die Auswerteeinheit ist beispielsweise so konfiguriert, dass sie einen Gefrierpunkt unter Verwendung der Konzentration des Fluidgemisches ermittelt. Demzufolge kann ein Gefrierpunkt des Fluidgemisches genau bestimmt werden, der einem Nutzer eine bessere Beurteilung erlaubt, ob das Fluidgemisch für eine bestimmte Temperatur geeignet ist.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung ist das Fluid ein Fluidgemisch, das bevorzugt aus zwei Fluiden gebildet ist, von denen jeweils eine Wärmeleitfähigkeit und ein Gefrierpunkt bekannt sein kann. Die Auswerteeinheit kann so konfiguriert sein, dass sie einen Gefrierpunkt der Fluidlösung durch Vergleichen der Wärmeleifähigkeit mit einer Geraden ermittelt. Die Gerade wird durch eine lineare Interpolation erhalten, bei der die Wärmeleitfähigkeit und der Gefrierpunkt der Fluide jeweils als Stützstelle verwendet werden. Zum Erhalten der Geraden werden die Werte der Wärmeleitfähigkeit der beiden Fluide jeweils auf einer x-Achse eines kartesischen Koordinatensystems und die Werte der Gefrierpunkte der beiden Fluide auf einer y-Achse des kartesischen Koordinatensystems aufgetragen. Der ermittelte Wert der Wärmeleitfähigkeit des Fluidgemisches, das aus den beiden Fluiden gebildet wird, wird anschließend ebenfalls auf der x-Achse aufgetragen und der dazugehörige Wert des Gefrierpunkts der Wärmeleitfähigkeit kann folglich als der y-Achsenwert der Geraden an dieser Stelle ermittelt werden. Durch diese lineare Interpolation kann der Gefrierpunkt auf einfache Weise ermittelt werden und ein Nutzer kann genau beurteilen, ob das Fluidgemisch für eine bestimmte Temperatur geeignet ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist vorzugsweise eine Querschnittsfläche des ersten Leiters kleiner als die des zweiten Leiters. Durch diese Auslegung der beiden Leiter wird auf einfache Weise sichergestellt, dass sich der erste Leiter im einem stromführenden Zustand stärker erwärmt als der zweite Leiter.
Gemäß einem zusätzlichen Aspekt der vorliegenden Erfindung kann das Verhältnis zwischen den Querschnittsflächen des ersten Leiters und des zweiten Leiters im Bereich von 3 bis 5 und bevorzugt 4 sein. Das Verhältnis der Querschnittsflächen des ersten Leiters und des zweiten Leiters kann jedoch auch im Bereich von 2 bis 6 sein. Durch diese Auslegung des ersten und des zweiten Leiters wird eine ausreichende Erwärmung des ersten Leiters sichergestellt, so dass eine gute Erfassungsgenauigkeit der Widerstandsänderung ermöglicht wird.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist bevorzugterweise die Wechselspannung sinusförmig. Demzufolge kann die angelegte Wechselspannung auf einfache Weise erzeugt werden und ist für die Verarbeitung bei der 3-Omega-Methode geeignet.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist mit Vorteile eine Stromstärke eines durch die Leiteranordnung fließenden Stroms im Bereich von 150 mA bis 250 mA und ist bevorzugt 200 mA. Die Stromstärke kann jedoch auch im Bereich von 100 mA bis 300 mA sein. Durch die Festlegung der Stromstärke auf diesen Bereich wird eine gute Anpassung der Vorrichtung für ein elektrisches System eines Fahrzeugs und eine gute Erfassungsgenauigkeit der Widerstandsänderung erreicht.
Gemäß einem bevorzugten Aspekt der vorliegenden Erfindung können der erste und der zweite Leiter benachbart zueinander angeordnet sein. Beispielswese können sie sich gegenseitig hinter- und/oder übergreifen. Vorzugsweise sind die beiden Leiter auf einer gemeinsamen Halteanordnung angeordnet.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung sind vorzugsweise der erste und der zweite Leiter auf einer gemeinsamen Platine oder Halteanordnung angeordnet. Hierbei können der erste Leiter und der zweite Leiter mäanderförmig ausgebildet sein. Durch eine mäanderförmige Anordnung eines Leiters oder beider Leiter auf der Platine wird eine platzsparende Leiteranordnung erreicht. Zudem wird durch eine Verwendung einer standardmäßigen Platine (z.B. einer FR4-Platine) eine kostengünstige und einfach herzustellende Leiteranordnung ermöglicht.
Ist ein Leiter mäanderförmig ausgebildet, so weist er beispielswese zumindest zwei Schenkel im Parallelabstand und/oder benachbart zueinander auf, die über einen Verbindungsabschnitt verbunden sind. Vorzugsweise sind eine Vielzahl derartiger Schenkel vorgesehen, die nebeneinander angeordnet sind und über Verbindungsabschnitte verbunden sind. Zwischen den Schenkeln des zweiten Leiters kann beispielsweise der erste Leiter auf der Halteanordnung angeordnet sein. Diese zwei Schenkel des zweiten Leiters, zwischen denen der erste Leiter angeordnet ist, können hierbei über einen größeren Abstand zueinander als die übrigen Schenkel aufweisen. Der erste Leiter ist vorzugsweise dann auch mit zwei oder mehr Schenkeln ausgebildet, die über einen oder mehrere Verbindungsabschnitte verbunden sind. Diese Schenkel können nebeneinander, vorzugsweise im Parallelabstand, angeordnet sein. Zumindest einer oder beide Leiter ist mit Vorteil möglichst kompakt angeordnet.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung können der erste und/oder der zweite Leiter als Drähte ausgebildet sein. Als Draht ist ein metallischer Leiter mit rundem oder eckigem oder flachem oder vierkantigen oder profilierten Querschnitt zu verstehen, der, falls er nicht auf einem Substrat oder in einer Halterung angeordnet ist, vollumfänglich vom Fluidgemisch umgeben ist. Die als Draht ausgebildeten Leiter können formfest, als Helix oder in einer anderen Art und Weise gewickelt oder gebogen geformt sein. Es hat sich bei Versuchen gezeigt, dass durch die Verwendung von Drähten als erster und/oder zweiter Leiter eine Erfassungsgenauigkeit, insbesondere im Vergleich zur Ausgestaltung in Form von Leiterbahnen, deutlich verbessert wird. Selbst, wenn die Drähte auf einer Leiterbahn oder einem Substrat etwa wie Leiterbahnen befestigt sind, ist eine Erfassungsgenauigkeit verbessert. Durch die Helixform wird zudem eine kompakte Bauform ermöglicht.
Die als Drähte ausgebildeten Leiter oder der als Draht ausgebildete Leiter können/ kann mittels zumindest eines elastischen Elements vorgespannt sein, um so eine Längenänderung, die aufgrund einer Erwärmung im stromdurchflossenen Zustand auftritt, oder eine Längenänderung der Halteanordnung aufgrund einer Temperaturänderung zu kompensieren. Das elastische Element kann dabei bevorzugt als Federelement ausgebildet sein. Auf diese Weise kann verhindert werden, dass die/ der als Drähte/ Draht ausgebildete/n Leiter bei einer Längenänderung oder bei einer Form- oder Längenänderung der Halteanordnung mit anderen leitenden Abschnitten der Vorrichtung oder mit sich selbst in Kontakt kommen. Auf diese Weise kann ein Kurzschluss der Drähte zuverlässig verhindert werden.
Gemäß einem vorteilhaften Aspekt können auf der Platine oder der Halteanordnung Erhebungen zwischen den beiden Leitern oder dem Leiter ausgebildet sein. Diese Erhebungen können dabei zylindrisch oder quaderförmig sein. Da der Gefrierpunkt einer wässrigen Harnstofflösung bei ungefähr -11 °C liegt, kann an kalten Wintertagen der Fall auftreten, dass die wässrige Harnstofflösung gefriert. Daher kann in einem Flüssigkeitsbehälter ein Heizelement angeordnet sein, um die wässrige Harnstofflösung zu erwärmen. Zudem kann eine Waschflüssigkeit bei einem zu geringen Anteil eines Frostschutzmittels ebenfalls gefrieren. Die Erhebungen sorgen in einem eingefrorenen Zustand dafür, dass ein gefrorener Abschnitt oder Anteil der wässrigen Harnstofflösung oder der Waschflüssigkeit im Bereich der Platine oder der Halteanordnung begrenzt oder unterbrochen wird. Demzufolge ist dieser Abschnitt oder Anteil leichter auftaubar und eine Ermittlung der Wärmeleitfähigkeit kann schneller erfolgen. Zudem können die Erhebungen derart angeordnet sein, dass sie einen Kontakt zwischen dem ersten und dem zweiten Leiter oder zwischen einzelnen Mäandern oder Abschnitten der Leiter verhindern, so dass ein Kurzschluss zuverlässig verhindert werden kann.
Gemäß einem weiteren vorteilhaften Aspekt kann die Platine oder die Halteanordnung mit einer Abdeckung oder einem Deckel geschützt sein, die derart ausgebildet sein können, dass das Fluid, dessen Wärmeleitfähigkeit zu ermitteln ist, passieren kann, um mit dem ersten und/oder dem zweiten Leiter in Kontakt zu kommen. Die Abdeckung oder der Deckel kann zu diesem Zweck mit Schlitzen oder Löchern ausgebildet sein. Durch diese Ausgestaltung kann zudem ein gefrorener Abschnitt oder Teil im Bereich des/der Leiter oder der Leiteranordnung weiter verringert werden, so dass ein schnelles Auftauen im Bereich der Vorrichtung zum Ermitteln der Wärmeleitfähigkeit des Fluids ermöglicht wird. Außerdem kann durch die Abdeckung verhindert werden, dass bewegliche gefrorene Körper auf die Leiter oder den Leiter treffen, womit eine Beschädigung zuverlässig verhindert werden kann.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung können der erste Leiter und der zweite Leiter aus demselben Material hergestellt sein. Auf diese Weise kann eine einfache Fertigung des ersten und des zweiten Leiters erzielt werden und eine unterschiedliche Materialeigenschaft der beiden Leiter muss nicht berücksichtigt werden.
Gemäß einem zusätzlichen Aspekt der vorliegenden Erfindung können der erste Leiter und der zweite Leiter mit einer Isolationsschicht abgedeckt sein. Als Isolationsschicht kann kostengünstig ein Lack oder Lötstopplack vorgesehen sein. Auf diese Weise wird eine äußerst kompakte Anordnung der Leiter erreicht, da ein Kurzschluss zwischen nebeneinanderliegenden Mäandern oder Helixwindungen der Leiteranordnung zuverlässig verhindert wird.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine der Flüssigkeiten Wasser und die andere der Flüssigkeiten eine Frostschutzflüssigkeit oder Ethanol. Diese Zusammensetzung des Fluidgemisches ist aufgrund des Gefrierpunktbereichs einer derartigen Fluidmischung für eine Anwendung in einem Fahrzeug als Waschflüssigkeit besonders geeignet.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine der Flüssigkeiten Harnstoff und die andere der Flüssigkeiten Wasser. Diese Zusammensetzung ist zur Verwendung bei einer Abgasnachbehandlung in einem Dieselfahrzeug besonders geeignet.
Gemäß einem zusätzlichen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird vorzugsweise die Ansteuerschaltung kostengünstig und einfach aus zwei Transistor-Booster-Stufen gebildet. Auf diese Weise kann die in einem elektrischen Bordnetz eines Fahrzeugs verwendete Gleichspannung in die Wechselspannung, bevorzugt in eine sinusförmige Wechselspannung, gewandelt werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung kann die Auswerteeinheit so konfiguriert sein, dass sie einen Signalanteil der Brückenspannung, der die einfache und/oder die mehrfache Frequenz, bevorzugt die dreifache Frequenz, der Wechselspannung aufweist, mittels eines softwareimplementierten Synchrongleichrichters filtert. Auf diese Weise ist kein als Hardware ausgebildeter Synchrongleichrichter erforderlich, wodurch eine Kostenersparnis bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung erreicht wird.
Ein erfindungsgemäßer Flüssigkeitsbehälter weist die Vorrichtung zum Ermitteln der Wärmeleitfähigkeit eines Fluids oder Fluidgemisches auf. Demzufolge kann die Wärmeleitfähigkeit eines im Flüssigkeitsbehälter aufbewahrten Fluids oder Fluidgemisches, z.B. einer Waschflüssigkeit oder einer Flüssigkeit zur Abgasnachbehandlung, ermittelt werden. Auf diese Weise kann zuverlässig bestimmt werden, ob das Fluidgemisch für eine vorgesehene Anwendung verwendbar ist.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung kann die Vorrichtung zum Ermitteln der Wärmeleitfähigkeit in einem Teilbereich des Flüssigkeitsbehälters angeordnet sein, der von einem Hauptbereich des Flüssigkeitsbehälters räumlich getrennt ist, aber mit dem Hauptbereich fluidisch kommunizieren kann. Die Vorrichtung kann dabei von einem auskragenden Boden- oder Wandabschnitt des Flüssigkeitsbehälters teilweise oder ganz umgeben sein und der Boden- oder Wandabschnitt kann Schlitze oder Löcher aufweisen, so dass das im Flüssigkeitsbehälter aufbewahrte Fluidgemisch mit der Vorrichtung zum Ermitteln der Wärmeleitfähigkeit zuverlässig in Kontakt bringbar ist. Auf diese Weise kann ein gefrierender Abschnitt im Bereich der Vorrichtung zum Ermitteln der Wärmeleitfähigkeit begrenzt werden und eine Dauer zum Auftauen durch eine im Flüssigkeitsbehälter angeordneten Heizung kann auf diese Weise verringert werden. Zudem wird eine Gefahr einer mechanischen Beschädigung der Vorrichtung zum Ermitteln der Wärmeleitfähigkeit reduziert.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung kann der Flüssigkeitsbehälter einen Sensor zum Erfassen eines Füllstands aufweisen. Dieser Sensor kann insbesondere ein Ultraschallsensor oder ein Sensor zum Erfassen des hydrostatischen Drucks im Flüssigkeitsbehälter sein. Somit kann zusätzlich der Füllstand im Flüssigkeitsbehälter bestimmt werden. Darüber hinaus kann ein Mittel bereitgestellt sein, dass eine akustische und/oder optische Warnung z.B. über einen Lautsprecher und/oder eine Anzeige ausgibt, wenn der ermittelte Füllstand für eine vorgesehene Anwendung nicht ausreichend ist. Demzufolge kann zusätzlich zur Eigenschaft des Fluids der Füllstand im Flüssigkeitsbehälter bestimmt werden und eine Warnung ausgegeben werden, wenn dieser für eine vorgesehene Anwendung zu gering ist.
Gemäß einem besonders bevorzugtem Aspekt der Erfindung können die Vorrichtung zum Ermitteln der Wärmeleitfähigkeit des Fluids und der Sensor zur Füllstandsmessung als ein gemeinsames Modul ausgebildet sein. Auf diese Weise kann eine kostengünstige und platzsparende Anordnung erreicht werden.
Gemäß einem zusätzlichen Aspekt der vorliegenden Erfindung kann der Flüssigkeitsbehälter ein Erfassungsmittel aufweisen, das ein Befüllen und/oder ein Entleeren des Flüssigkeitsbehälters mit/von Flüssigkeiten erfasst. Bei einem Befüllen und/oder Entleeren des Flüssigkeitsbehälters mit/von Flüssigkeiten ist davon auszugehen, dass Wasser und/oder Frostschutzflüssigkeit oder eine Flüssigkeit zur Abgasnachbehandlung mit abweichender Harnstoffkonzentration eingefüllt oder ein Teil des Fluids oder des Fluidgemisches entfernt wird, so dass sich eine Wärmeleitfähigkeit davon ändert. Die Verwendung des Erfassungsmittels bietet somit den Vorteil, dass eine erneute Bestimmung der Wärmeleifähigkeit angestoßen werden kann, um zu prüfen, ob das Fluid weiterhin eine vorgegebene Wärmeleitfähigkeit aufweist.
Eine erfindungsgemäße Waschanlage weist den Flüssigkeitsbehälter gemäß den vorhergehenden Aspekten auf. Durch die Verwendung der Waschanlage kann somit eine Wärmeleitfähigkeit des Fluids oder Fluidgemisches bestimmt werden, so dass ein Gefrieren der Waschflüssigkeit zuverlässig verhindert werden kann.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung weist einen Flüssigkeitsbehälter gemäß den vorhergehenden Aspekten auf. Durch die Verwendung der Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung kann somit eine Wärmeleitfähigkeit eines Fluids oder Fluidgemisches, das zur Abgasnachbehandlung verwendet wird, bestimmt werden, so dass von einem Fahrzeug ausgestoßene Abgase zuverlässig gereinigt werden.
Ein erfindungsgemäßes Fahrzeug weist eine Waschanlage mit einem Flüssigkeitsbehälter gemäß einem der vorhergehenden Aspekte auf, die zum Reinigen einer Fahrzeugkomponente und/oder eines optischen Sensors und/oder einer Lichtquelle und/oder einer Scheibe verwendet wird. Demzufolge kann die Wärmeleitfähigkeit eines als Waschflüssigkeit für das Fahrzeug verwendeten Fluids oder Fluidgemisches bestimmt werden, um ein Gefrieren davon zuverlässig zu verhindern.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung weist das Fahrzeug eine Fahrzeugkomponente, insbesondere einen optischen Sensor und/oder eine Lichtquelle und/oder eine Scheibe, auf, der/die durch die Waschanlage gereinigt wird/werden. Demzufolge wird eine Reinigung davon auch bei niedrigen Temperaturen sichergestellt, da ein Gefrieren der Waschflüssigkeit in der Waschanlage durch die Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Ermitteln der Wärmeleitfähigkeit sicher verhindert werden kann.
Gemäß einem anderen oder zusätzlichen Aspekt der vorliegenden Erfindung weist das erfindungsgemäße Fahrzeug eine Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung mit einem Flüssigkeitsbehälter gemäß einem der vorhergehenden Aspekte auf. Folglich kann die Wärmeleitfähigkeit eines zur Abgasnachbehandlung verwendeten Fluidgemisches bestimmt werden, um daraus die Harnstoffkonzentration im Fluidgemisch zu bestimmen. Auf diese Weise ist eine zuverlässige Abgasreinigung durchführbar.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Ermitteln einer Wärmeleitfähigkeit eines Fluids weist die folgenden Schritte auf: Anlegen einer Wechselspannung an eine Messbrücke; Erfassen einer Brückenspannung; und Ermitteln einer Wärmeleitfähigkeit des Fluidgemisches durch Auswerten der Brückenspannung unter Verwendung der 3-Omega-Methode.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung kann das Verfahren ausgeführt werden, wenn ein Befüllen und/oder ein Entleeren eines Flüssigkeitsbehälters gemäß einem der vorhergehenden Aspekte erfasst wird. Demzufolge kann die Häufigkeit einer Ausführung des Verfahrens reduziert werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung kann das Verfahren beim Einschalten und/oder Ausschalten einer Zündung eines Fahrzeugs ausgeführt werden. Demzufolge kann die Häufigkeit einer Ausführung des Verfahrens ebenfalls reduziert werden.
Für den Fall, dass das zweite Element des einen Spannungsteilers der Messbrücke als Festwiderstand und die beiden Widerstände des andern Spannungsteilers der Messbrücke als einstellbare Widerstände ausgebildet sind, kann gemäß einem Aspekt der Erfindung ein initialer Schritt zum Abgleichen der Messbrücke ausgeführt werden. Die Auswerteeinheit kann dann so ausgebildet sein, um mindestens eine der beiden Transistor-Booster-Stufen zu veranlassen, eine Gleichspannung an die Messbrücke anzulegen. Die Gleichspannung weist dabei einen Wert von 200 mV auf. Der Wert der Gleichspannung kann aber auch zwischen einschließlich 100 mV und 500 mV liegen. Anschließend wird die Brückenspannung erfasst und die Auswerteeinheit ändert die Widerstände der beiden einstellbaren Widerstände. Daraufhin wird erneut eine Gleichspannung an die Messbrücke angelegt und die Brückenspannung wird erfasst. Dieser Vorgang wird so oft durchgeführt, bis die Brückenspannung, die in Antwort auf die angelegte Gleichspannung erfasst wird, im Wesentlichen gleich einer Spannung von 0 V ist. Folglich kann die Messbrücke zuverlässig abgeglichen werden. Dieses Vorgehen wird mit Vorteil bevorzugt bei einer Inbetriebnahme oder einem Start einer Erfassung der Wärmeleitfähigkeit ausgeführt, um die Messbrücke initial abzugleichen.
Alternativ oder zusätzlich dazu kann die Auswerteinheit ausgebildet sein, dass sie einen Signalanteil der Brückenspannung herausfiltert, der der einfachen Frequenz der an der Messbrücke angelegten Wechselspannung entspricht. Die Amplitude dieses Signalanteils der Brückenspannung kann als Maß für die Verstimmung der Messbrücke verwendet werden und die Auswerteeinheit kann so ausgebildet sein, dass sie den Widerstandswert der einstellbaren Widerstände derart ändert, dass der Signalanteil der Brückenspannung, der der einfachen Frequenz der angelegten Wechselspannung entspricht, im Wesentlichen 0 V ist. Diese Vorgehensweise bietet den Vorteil, dass eine Verstimmung der Messbrücke während eines Messbetriebs erfassbar ist. Demzufolge können Verstimmungen der Messbrücke die beispielsweise als Folge einer Erwärmung während eines Betriebs auftreten, erfasst und die Messbrücke kann anschließend abgeglichen werden.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann bei einem oder mehreren der vorgenannten Aspekte ein Fluidtank mit einer Frostschutzflüssigkeit oder mit Harnstoff vorgesehen sein. Dieser kann mit dem Waschflüssigkeitsbehälter fluidisch verbunden sein. Es wäre dann denkbar, dass bei Bedarf, z.B. über ein steuerbares Ventil, die Frostschutzflüssigkeit in den Waschflüssigkeitsbehälter geleitet wird. Dies erfolgt beispielweise, wenn festgestellt wird, dass zu wenig Frostschutzflüssigkeit oder Harnstoff im Waschflüssigkeitsbehälter vorhanden ist.
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren beschrieben. Es zeigen:

1 schematisch einen Schaltplan einer Vorrichtung zum Ermitteln einer Wärmeleitfähigkeit eines Fluidgemisches, die in einem Flüssigkeitsbehälter einer Waschanlage für ein Fahrzeug verwendet wird;
2 eine Leiteranordnung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit einem ersten Leiter und einem zweiten Leiter, die auf einer Platine aufgebracht sind;
3 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Ermitteln einer Wärmeleitfähigkeit eines Fluids bei Einsatz des ersten und des zweiten Leiters;
4 ein Diagramm, das schematisch eine Gerade zum Ermitteln eines Gefrierpunkts eines Fluidgemisches zeigt;
5 schematisch einen Schaltplan einer Vorrichtung zum Ermitteln einer Wärmeleitfähigkeit, die in einem Flüssigkeitsbehälter einer Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung für ein Fahrzeug verwendet wird;
6 und 7 eine Messbrücke mit einer Leiteranordnung bei der der erste und der zweite Leiter als Drähte ausgebildet sind;
8 und 9 eine Messbrücke mit einer Leiteranordnung, bei der ein als Draht ausgebildeter erster Leiter und ein Festwiderstand in Reihe geschaltet sind; und
10 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Ermitteln einer Wärmeleitfähigkeit eines Fluids bei Einsatz des Festwiderstands.

Nachfolgend wird eine Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben. 1 zeigt schematisch einen Schaltplan einer Vorrichtung 1 zum Ermitteln einer Wärmeleitfähigkeit eines Fluids. In der vorliegenden Ausführungsform ist das Fluid insbesondere ein Fluidgemisch, das aus Wasser und Ethanol, das die Basis für die meisten gewerblich erhältlichen Frostschutzflüssigkeiten ist, gemischt ist und wird als Waschflüssigkeit für eine Waschanlage 50 eines Fahrzeugs 70 zum Reinigen eines optischen Sensors, einer Scheibe und/oder einer Lichtquelle verwendet. Die Wachflüssigkeit wird zu diesem Zweck in einem Flüssigkeitsbehälter 30 aufbewahrt. Aus diesem Grund ist die Waschflüssigkeit in der nachfolgenden Beschreibung als Fluidgemisch zu verstehen. Des Weiteren ist die Vorrichtung 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform für eine Anwendung in einem Fahrzeug ausgestaltet.
Bei der vorliegenden Ausführungsform wird eine Wärmeleitfähigkeit der Waschflüssigkeit als Maß für das Mischungsverhältnis von Wasser zu Ethanol verwendet. Wasser weist eine Wärmeleitfähigkeit von 0,556 [W/(m*K)] und Ethanol weist eine Wärmeleitfähigkeit von 0,173 [W/(m*K)] auf. Eine aus Wasser und Ethanol gemischte Waschflüssigkeit weist demzufolge eine Wärmleitfähigkeit auf, die zwischen diesen beiden Werten liegt, so dass ein Rückschluss über das Mischungsverhältnis der Waschflüssigkeit möglich ist, indem die ermittelte Wärmeleitfähigkeit mit einer vorgegebenen Wärmeleitfähigkeit verglichen wird. Ist es beispielsweise erforderlich, dass ein Mindestanteil von Ethanol in der Waschflüssigkeit vorhanden ist, um ein Gefrieren zuverlässig zu verhindern, so muss der Wert der ermittelten Wärmeleitfähigkeit kleiner gleich der vorgegebenen Wärmeleitfähigkeit sein. Die vorgegebene Wärmeleitfähigkeit wird dabei vorhergehend durch einen Hersteller der Vorrichtung 1, der Waschanlage 50 oder des Fahrzeugs 70 vorgegeben. Die vorgegebene Wärmleitfähigkeit kann auch aufgrund unterschiedlicher Einflüsse, z.B. Datum, Standort, Wettervorhersage usw. entsprechend angepasst werden.
Die Vorrichtung 1 zum Ermitteln einer Wärmeleitfähigkeit eines aus einer Mehrzahl von Fluiden gebildeten Fluidgemisches weist dazu eine elektrische Leiteranordnung 2, eine Messbrücke 4, eine Ansteuereinheit 6, eine Spannungserfasseinheit 8 und eine Auswerteeinheit 10 auf.
Die elektrische Leiteranordnung 2 ist derart ausgestaltet, dass sie zumindest teilweise mit der Waschflüssigkeit in Kontakt bringbar ist. Die in den 1 und 2 gezeigte elektrische Leiteranordnung 2 wird mit dem Fluidgemisch in Kontakt gebracht, indem sie vollständig in die Waschflüssigkeit, die im Flüssigkeitsbehälter 30 der Waschanlage 50 aufbewahrt wird, eingetaucht wird, so dass sie vom Fluidgemisch vollständig umgeben ist.
Die elektrische Leiteranordnung 2 weist einen ersten Leiter 21 und einen zweiten Leiter 22 in einer Reihenschaltung auf. Der erste Leiter 21 und der zweite Leiter 22 weisen in einem stromlosen Zustand einen gleichen Widerstandswert auf. Des Weiteren sind die beiden Leiter 21, 22 so ausgestaltet, dass sich der erste Leiter 21 in einem stromführenden Zustand stärker erwärmt als der zweite Leiter 22.
In der vorliegenden Ausführungsform wird die in 2 dargestellte Leiteranordnung 2 verwendet, bei der die beiden Leiter 21, 22 in Form von Leiterbahnen auf einer Platine 26 mäanderförmig angeordnet sind. Zum Erreichen einer mäanderförmigen Anordnung weisen die beiden Leiter 21 und 22, wie in 2 gezeigt, mehrere Schenkel 23 und Verbindungsabschnitte 24 zwischen diesen Schenkeln 23 auf. Im Beispiel von 2 ist der erste Leiter 21 zwischen zwei Schenkeln 23 des zweiten Leiters 22 ebenfalls mäanderförmig angeordnet. Die Anordnung der beiden Leiter 21 und 22 ist jedoch nicht auf die gezeigte Anordnung begrenzt und die beiden Leiter 21 und 22 können beispielsweise auch nur abschnittsweise mäanderförmig angeordnet sein. Zudem kann nur einer der beiden Leiter 21, 22, bevorzugt der zweite Leiter 22, mäanderförmig angeordnet sein. Durch Aufbringen der beiden Leiter 21, 22 in Form von Leiterbahnen auf der Platine 26, z.B. auf einer FR4-Platine durch ein bekanntes Druckverfahren, kann eine kostengünstige und robuste Leiteranordnung 2 erhalten werden. Zudem bietet die mäanderförmige Anordnung der beiden Leiter 21, 22 den Vorteil einer platzsparenden Anordnung der Leiteranordnung 2 im Flüssigkeitsbehälter 30.
Wie in 2 zu sehen, ist eine Querschnittsfläche des ersten Leiters 21 kleiner als die des zweiten Leiters 22. Demzufolge muss der zweite Leiter 22 um den Faktor länger als der erste Leiter 21 sein, um den die Querschnittsfläche des zweiten Leiters 22 größer als die des ersten Leiters 21 ist, damit der erste Leiter 21 und der zweite Leiter 22 im stromlosen Zustand den gleichen Widerstandswert aufweisen. Bei der in 2 dargestellten elektrischen Leiteranordnung 2 ist der Querschnitt des zweiten Leiters 22 um den Faktor 4 größer, so dass der erste Leiter 21 die 4-fache Länge aufweisen muss, um den gleichen Widerstandswert aufzuweisen. Der Faktor ist jedoch nicht auf den Faktor 4 begrenzt und kann im Bereich von 3 bis 5 liegen. Durch eine derartige Auslegung der beiden Querschnittsflächen wird eine ausreichende Erfassungsgenauigkeit bei einer nachfolgend beschriebenen Widerstandsänderung im stromführenden Zustand sichergestellt.
In der vorliegenden Ausführungsform sind die beiden Leiter 21, 22 durch Leiterbahnen aus Kupfer realisiert. Es kann jedoch auch ein anderes Material, wie z.B. Nickel, verwendet werden. Bevorzugt sind die beiden Leiter 21, 22 aus demselben Material hergestellt, so dass ein Einfluss eines unterschiedlichen Materials bei der Dimensionierung und der später beschriebenen Widerstandsänderung im stromführenden Zustand nicht zu berücksichtigen ist. Zudem wird bei Verwendung desselben Materials eine Herstellung der elektrischen Leiteranordnung 2 vereinfacht.
Darüber hinaus sind der erste und der zweite Leiter 21, 22 bevorzugt mit Lötstopplack abgedeckt, so dass ein Kurzschluss zwischen den einzelnen Mäandern des ersten und des zweiten Leiters 21, 22 aufgrund der dazwischen vorhandenen Waschflüssigkeit vermieden wird.
Fließt ein Strom durch die beiden in Reihe geschalteten Leiter 21, 22, wird der erste Leiter 21 aufgrund seiner geringeren Querschnittsfläche stärker erwärmt als der zweite Leiter 22. Folglich nimmt ein Widerstandswert des ersten Leiters 21 stärker zu als der Widerstandswert 22 des zweiten Leiters. Da die Leiteranordnung 2 in das Fluidgemisch vollständig eingetaucht ist, hängt die Stärke der Erwärmung des ersten Leiters 21 auch von einer Wärmeleitfähigkeit der Waschflüssigkeit ab. Wenn die Waschflüssigkeit eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist, erwärmt sich der erste Leiter 21 weniger stark, als wenn die Waschflüssigkeit eine geringe Wärmeleitfähigkeit aufweist. Eine Waschflüssigkeit mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit kühlt somit den ersten Leiter 21 besser als eine Waschflüssigkeit mit niedriger Wärmeleitfähigkeit. Demzufolge kann die Größe der Widerstandsänderung des ersten Leiters 21 als ein Maß für die Wärmeleitfähigkeit der Waschflüssigkeit verwendet werden.
Um diese Widerstandsänderung des ersten Leiters 21 zu erfassen wird, wie in 1 gezeigt, eine Messbrücke 4, die z.B. als Wheatstone-Messbrücke ausgebildet ist, mit zwei parallel geschalteten Spannungsteilern verwendet, wobei einer der Spannungsteiler durch die elektrische Leiteranordnung 2, also folglich durch die Reihenschaltung des ersten Leiters 21 und des zweiten Leiters 22, gebildet wird. Der andere Spannungsteiler wird durch zwei Widerstände R1 und R2 gebildet, die jeweils den gleichen Widerstandswert aufweisen. Die Verwendung der Messbrücke 4 bietet den Vorteil, dass eine Änderung der Widerstandswerte des ersten Leiters 21 und des zweiten Leiters 22 aufgrund einer Änderung der Umgebungstemperatur vollständig kompensiert wird.
Um einen Stromfluss in den beiden Leitern 21, 22 zu erzeugen, wird an der Messbrücke 4 eine Wechselspannung durch die Ansteuereinheit 6 angelegt. Die Ansteuereinheit 6 wird in der vorliegenden Ausführungsform aus zwei Transistor-Booster-Stufen 61, 62 gebildet, so dass eine Umwandlung der Gleichspannung des Bordnetzes des Fahrzeugs 70 in eine Wechselspannung möglich ist. Dazu legen die erste Transistor-Booster-Stufe 61 eine positive Spannung und die zweite Transistor-Booster-Stufe 62 eine negative Spannung abwechselnd an die Messbrücke 4 an. Die Wechselspannung ist dabei insbesondere eine sinusförmige Wechselspannung, so dass die nachfolgend beschriebene 3-Omega-Methode durchführbar ist. Die Ansteuereinheit 6 legt die Wechselspannung an die Messbrücke 4 an, so dass in der Reihenschaltung aus erstem und zweitem Leiter 21 und 22 ein Strom im Bereich von ungefähr 200 mA fließt. Die Stromstärke ist jedoch nicht auf diesen Wert begrenzt und kann im Bereich von 150 mA bis 250 mA liegen. Der erste Leiter 21 erwärmt sich im stromführenden Zustand um wenige Kelvin, wodurch sich sein Widerstandswert erhöht, was wiederum zu einer Verstimmung der Messbrücke 4 führt. Demzufolge liegt zwischen den beiden Spannungsteilern eine Brückenspannung Ub an, die von der Spannungserfasseinheit 8 erfasst wird.
Die Spannungserfasseinheit 8 ist in der vorliegenden Ausführungsform, wie in 1 gezeigt, als eine Verstärkereinheit, insbesondere als ein Differenzverstärker, ausgebildet, um die erfasste Brückenspannung Ub um einen vorgegebenen Faktor zu verstärken, so dass eine verstärkte Spannung Uv erhalten wird, die am Widerstand 81 von der Auswerteinheit 10 abgegriffen wird. Die verstärkte Spannung Uv entspricht somit der Brückenspannung Ub und eine Verarbeitung der verstärkten Spannung Uv ist als eine Verarbeitung der Brückenspannung Ub zu verstehen.
Die Auswerteeinheit 10 wird in der vorliegenden Ausführungsform durch einen bekannten Mikrocontroller mit RAM, ROM, CPU, I/O-Anschlüssen, A/D-Wandler usw. gebildet. Die Auswerteeinheit 10 ist so konfiguriert, dass sie die Wärmeleitfähigkeit des Fluidgemisches durch Auswerten der Brückenspannung Ub bzw. der verstärkten Spannung Uv, die der Brückenspannung Ub entspricht, unter Verwendung der 3-Omega-Methode ermittelt.
Die 3-Omega-Methode wurde zuerst durch Jason Randall Foley im Jahr 1999 in „The 3-Omega method as a nondestructive testing technique for composite material characterization“ beschrieben. Der Inhalt davon ist hierin durch Bezugnahme aufgenommen.
Bei der 3-Omega-Methode wird ein mit einer Probe in Kontakt stehender Metalldraht, d.h. der erste Leiter 21, sowohl als Heizer als auch als Thermometer verwendet. An die Messbrücke 4 wird durch die Ansteuereinheit 6, wie oben beschrieben, die Wechselspannung U0 angelegt, so dass durch den ersten Leiter 21 der Strom I mit derselben Frequenz fließt. Folglich wird im ersten Leiter 21 eine Leistung, die mit der doppelten Frequenz schwingt, in Wärme umgewandelt, so dass sich eine Temperatur des ersten Leiters 21 und folglich auch sein Widerstandswert mit der doppelten Frequenz der angelegten Wechselspannung U0 ändert.
Folglich wird die Messbrücke 4 verstimmt und die Brückenspannung Ub, die ebenfalls mit der doppelten Frequenz wie die Widerstandsänderung schwingt, wird generiert. Die Widerstandswerte der beiden Widerstände 41, 42, die den zweiten Spannungsteiler der Brückenschaltung 4 bilden, sowie die Widerstandswerte des ersten Leiters 21 und des zweiten Leiters 22 werden in der vorliegenden Ausführungsform so ausgelegt, dass sie in einem stromlosen Zustand den gleichen Widerstandswert R aufweisen. Zudem wird der zweite Leiter 22 so ausgelegt, dass sich sein Widerstandswert in einem stromführenden Zustand im Wesentlichen nicht ändert. Daraus ergibt sich der Vorteil, dass die Brückenspannung proportional zur Widerstandsänderung ΔR₂₁ des ersten Leiters 21 ist und durch die folgende Gleichung ausgedrückt werden kann: $U b = \frac{1}{4} \cdot \frac{Δ R_{21}}{R} \cdot U 0$
Demzufolge weist die Brückenspannung Ub einen Signalanteil auf, der die dreifache Frequenz der an der Messbrücke 4 angelegten Wechselspannung aufweist. Die Filterung dieses sogenannten 3-Omega-Signanteils erfolgt in Software. Die Auswerteeinheit 10 ist daher so konfiguriert, dass sie einen Signalanteil der Brückenspannung Ub, der die mehrfache Frequenz, bevorzugt die dreifache Frequenz, der Wechselspannung aufweist, mittels eines softwareimplementierten Synchrongleichrichters filtert.
Die Amplitude des Signals mit der dreifachen Frequenz der Brückenspannung ist gemäß der 3-Omega-Methode ein direktes Maß für die Wärmeleitfähigkeit des Fluids. Wie bereits erwähnt, liegt die ermittelte Wärmeleitfähigkeit zwischen den beiden Werten für die Wärmleitfähigkeit von Wasser und Ethanol, so dass sie als Maß für das Mischungsverhältnis verwendbar ist. Die ermittelte Wärmeleitfähigkeit kann anschließend mit einer vorgegebenen Wärmeleitfähigkeit verglichen werden, um zu beurteilen, ob ein Mischungsverhältnis der im Flüssigkeitsbehälter 30 aufbewahrten Waschflüssigkeit für die vorgesehene Anwendung in der Waschanlage 50 des Fahrzeugs 70 geeignet ist, so dass ein Gefrieren zuverlässig verhindert wird. Ist es beispielsweise erforderlich, dass ein Mindestanteil von Ethanol in der Waschflüssigkeit vorhanden ist, um ein Gefrieren zuverlässig zu verhindern, so muss der Wert der ermittelten Wärmeleitfähigkeit kleiner gleich der vorgegebenen Wärmeleitfähigkeit sein. Ist die ermittelte Wärmeleitfähigkeit jedoch größer als die vorgegebene Wärmeleitfähigkeit, kann einem Fahrer des Fahrzeugs 70 beispielswese ein geeignetes Warnsignal über eine Anzeige und/oder einen Lautsprecher des Fahrzeugs angezeigt werden, so dass er veranlasst wird, das Mischungsverhältnis der Waschflüssigkeit zu ändern.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der Flüssigkeitsbehälter 30 einen Sensor zur Füllstandsmessung auf. Der Sensor ist dabei ein Ultraschallsensor zur Füllstandsmessung oder ein Sensor zum Messen des hydrostatischen Drucks. Demzufolge kann sichergestellt werden, dass nicht nur ein Gefrieren der Waschflüssigkeit verhindert wird, sondern dass zusätzlich eine ausreichende Menge an Waschflüssigkeit im Flüssigkeitsbehälter 30 vorhanden ist. Dies ist vor allem wichtig, wenn die optischen Sensoren bei schlechtem Wetter für ein autonomes Fahren oder für Fahrerassistenzsysteme verwendet werden. Durch Eingabe einer geplanten Route und unter Berücksichtigung einer Wettervorhersage wird eine für die Fahrt benötigte Menge an Waschflüssigkeit abgeschätzt. Unterschreitet die durch den Sensor zur Füllstandsmessung bestimmte Menge an Waschflüssigkeit die für die Fahrt benötigte Menge an Waschflüssigkeit, wird eine optische und/oder akustische Warnung über das oben genannte Mittel, d.h. den Lautsprecher oder die Anzeige, im Fahrzeug ausgegeben. Demzufolge kann eine Situation vermieden werden, dass ein autonomes Fahren oder Fahrerassistenzsysteme während einer Fahrt nicht mehr genutzt werden können, da eine Reinigung der optischen Sensoren nicht möglich ist.
Die Vorrichtung 1 zum Ermitteln der Wärmeleitfähigkeit eines aus einer Mehrzahl von Fluiden gebildeten Fluidgemisches wird für die Waschanlage 50 des Fahrzeugs 70 verwendet. Die Waschanlage 50 weist zum Aufbewahren der Waschflüssigkeit den Flüssigkeitsbehälter 30 auf und es kann ein Erfassungsmittel vorgesehen sein, das ein Befüllen und/oder ein Entleeren des Waschflüssigkeitsbehälters mit/von Flüssigkeiten erfasst. Wird z.B. eine der Flüssigkeiten, Ethanol oder Wasser, in den Waschflüssigkeitsbehälter gefüllt, ist davon auszugehen, dass sich ein Mischungsverhältnis und folglich auch eine Wärmeleitfähigkeit der Waschflüssigkeit ändert. Demzufolge kann z.B. aufgrund einer Erfassung eines Befüllens des Waschflüssigkeitsbehälters mit einer Flüssigkeit eine Ermittlung der Wärmeleitfähigkeit gestartet werden, um festzustellen, ob die Waschflüssigkeit weiterhin eine vorgegebene Wärmeleitfähigkeit aufweist. Demzufolge ist es möglich, eine Häufigkeit der Ermittlung der Wärmeleitfähigkeit zu reduzieren.
Die Waschflüssigkeit ist, wie oben beschrieben, aus den zwei Fluiden Wasser und Ethanol gebildet, von denen jeweils eine Wärmeleitfähigkeit bekannt ist. Die Auswerteeinheit 10 gemäß einer anderen Ausführungsform kann dann auch so konfiguriert sein, dass sie eine Konzentration des Fluidgemisches durch Vergleichen der Wärmeleitfähigkeit des Fluidgemisches mit den Wärmeleifähigkeiten der beiden Fluide bestimmt. Diese Ausführungsform bietet den Vorteil, dass einem Fahrer des Fahrzeugs das Mischungsverhältnis leicht verständlich angezeigt werden kann.
Falls jeweils ein Gefrierpunkt der beiden Fluide bekannt ist, kann die Auswerteeinheit 10 gemäß einer weiteren Ausführungsform zusätzlich so konfiguriert sein, dass sie einen Gefrierpunkt des Fluidgemisches unter Verwendung der Konzentration des Fluidgemisches ermittelt. Dem Fahrer kann dann durch eine geeignete Anzeige der Gefrierpunkt der Waschflüssigkeit mitgeteilt werden, so dass er genau beurteilen kann, ob ein Mischungsverhältnis der Waschflüssigkeit zu ändern ist, so dass ein Gefrieren davon zuverlässig verhindert wird.
Falls jeweils eine Wärmeleitfähigkeit und ein Gefrierpunkt des Fluidgemisches bekannt sind, kann die Auswerteeinheit 10 gemäß einer anderen Ausführungsform so konfiguriert sein, dass sie einen Gefrierpunkt der Fluidmischung durch Vergleichen der Wärmeleifähigkeit mit einer Geraden ermittelt. Die Gerade wird dabei, wie in 4 gezeigt, durch eine lineare Interpolation erhalten, bei der die Wärmeleitfähigkeit und der Gefrierpunkt der Fluide jeweils als Stützstelle verwendet werden. Die Werte der Wärmeleitfähigkeit der beiden Fluide werden dazu jeweils auf der x-Achse eines kartesischen Koordinatensystems aufgetragen und die Werte der Gefrierpunkte der beiden Fluide werden jeweils auf der y-Achse des kartesischen Koordinatensystems aufgetragen. Der Gefrierpunkt des Fluidgemisches kann dann anschließend, wie in 4 durch einen Pfeil gezeigt, durch Vergleichen der ermittelten Wärmeleitfähigkeit des Fluidgemisches mit der Geraden als ein entsprechender Wert auf der y-Achse ermittelt werden. Dem Fahrer kann dann ebenfalls der Gefrierpunkt der Waschflüssigkeit mitgeteilt werden, so dass er genau beurteilen kann, ob ein Mischungsverhältnis der Waschflüssigkeit für eine bestimmte Temperatur geeignet ist.
Die Waschanlage 50 ist, wie bereits erwähnt, im Fahrzeug 70 eingebaut und dient insbesondere zum Reinigen eines optischen Sensors, der für ein Fahrer-Assistenzsystem und/oder ein System zum autonomen Fahren verwendet wird. Die Waschanlage 50 kann aber auch zum Reinigen einer Lichtquelle und/oder einer Scheibe des Fahrzeugs 70 verwendet werden. Die Waschanlage 50 weist zusätzlich zum Flüssigkeitsbehälter 30 weitere Komponenten, wie z.B. Leitungen, Pumpen, Spritzdüsen, Wischer usw., auf, die für eine Reinigung des optischen Sensors, der Lichtquelle oder der Scheibe erforderlich sind.
Nachfolgend werden Schritte S1 bis S6 eines Verfahrens 100 zum Ermitteln der Wärmeleitfähigkeit eines Fluids oder Fluidgemisches unter Bezugnahme auf 3 beschrieben. Die Auswerteeinheit 10 ist dabei so konfiguriert, dass sie die anderen Komponenten der Vorrichtung 1 zum Ermitteln der Wärmeleitfähigkeit steuert, so dass die einzelnen Schritte S1 bis S6 des Verfahrens 100 ausgeführt werden. Die Auswerteeinheit 10 ist zum Zweck einer Erlangung von weiteren Informationen zusätzlich zu einer Kommunikation mit anderen nicht gezeigten Einheiten und Mitteln, wie etwa dem Erfassungsmittel, die im Fahrzeug 70 eingebaut und über z.B. einen Fahrzeugbus miteinander kommunikativ verbunden sind, imstande. Das Verfahren 100 ist dabei in Form von Software im RAM oder ROM gespeichert und wird durch Ausführen von Befehlen durch die CPU sowie durch Ausgeben und Empfangen von Signalen an den I/O-Anschlüssen ausgeführt.
In Schritt S1 wird überprüft, ob eine Zündung des Fahrzeugs 70 ein- und/oder ausgeschaltet wird. Wenn nicht erfasst wird, dass die Zündung ein- und/oder ausgeschaltet wird (Nein in S1) wird gewartet, bis ein entsprechendes Signal erhalten wird. Wenn die Zündung ein- und/oder ausgeschaltet wird (Ja in S1), wird S2 ausgeführt.
In S2 wird aufgrund eines vom Erfassungsmittel erhaltenen Signals bestimmt, ob ein Befüllen und/oder Entleeren des Waschflüssigkeitsbehälter mit/von einer Flüssigkeit erfasst wird. Wenn nicht bestimmt, das ein Befüllen und/oder ein Entleeren stattgefunden hat (Nein in S2), geht die Verarbeitung wieder zum Anfang des Verfahrens zurück. Wenn bestimmt wird, dass ein Befüllen und/oder ein Entleeren stattgefunden hat, geht die Verarbeitung zu Schritt S3.
Es ist anzumerken, dass das Verfahren 100 auch ohne die Schritte S1 und S2 ausführbar ist, so dass das Verfahren 100 direkt mit Schritt S3 beginnt. Das Verfahren 100 wird dabei in einem vorgegebenen Intervall wiederholt. Das Verfahren 100 kann auch nur einen der beiden Schritte S1 oder S2 aufweisen. Die Reihenfolge der beiden Schritte S1 und S2 kann auch geändert werden.
In S3 steuert die Auswerteeinheit 10 die Ansteuereinheit 6, um die Wechselspannung an die Messbrücke 4 anzulegen und das Verfahren 100 geht zu Schritt S4.
In S4 erfasst die Spannungserfasseinheit 8 die Brückenspannung Ub bzw. eine der Brückenspannung Ub entsprechende verstärkte Spannung Uv und das Verfahren 100 geht zu S5.
In S5 filtert die Auswerteeinheit 10 den Signalanteil der Spannung Uv, der der dreifachen Frequenz des an die Messbrücke 4 angelegten Stroms entspricht, und ermittelt daraus die Wärmeleitfähigkeit der Waschflüssigkeit.
In S6, der optional ausgeführt werden kann, wird die Konzentration und/oder der Gefrierpunkt der Waschflüssigkeit auf die oben beschriebene Art und Weise ermittelt. Es ist jedoch nicht erforderlich, dass diese Parameter ermittelt werden, so dass das Verfahren 100 auch ohne den Schritt S6 ausführbar ist.
Die Vorrichtung 1, das Verfahren 100 zum Ermitteln einer Wärmeleitfähigkeit eines Fluids oder des Fluidgemisches und der Flüssigkeitsbehälter 30 wurden für eine Verwendung in der Waschanlage 50 für das Fahrzeug 70 beschrieben. Es ist anzumerken, dass die Vorrichtung 1 und das Verfahren 100 nicht darauf begrenzt sind und in jedem Bereich einsetzbar sind, in dem eine Wärmeleitfähigkeit eines Fluids zu bestimmen ist. Zudem ist die erfindungsgemäße Waschanlage 50 nicht auf eine Anwendung im Fahrzeug 70 begrenzt und kann für Überwachungskameras, Wettersensoren oder anderen Einheiten verwendet werden, bei denen ein Gefrieren einer Waschflüssigkeit zuverlässig verhindert werden soll, um eine Reinigung auch bei niedrigen Temperaturen sicherzustellen.
Nachfolgend wird eine andere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben. 5 zeigt schematisch einen Schaltplan der Vorrichtung 1 zum Ermitteln einer Wärmeleitfähigkeit eines Fluids oder Fluidgemisches. In der vorliegenden Ausführungsform ist das Fluidgemisch insbesondere eine wässrige Harnstofflösung, die aus Wasser und Harnstoff gemischt ist und als Flüssigkeit zur Abgasnachbehandlung in einer Vorrichtung 60 zur Abgasnachbehandlung im Fahrzeug 70 verwendet wird. Demzufolge ist die Vorrichtung 1 zum Ermitteln einer Wärmeleitfähigkeit eines Fluidgemisches in oder an einem Flüssigkeitsbehälter 40 der Vorrichtung 60 zur Abgasnachbehandlung angebracht.
Bei der vorliegenden Ausführungsform wird eine Wärmeleitfähigkeit der wässrigen Harnstofflösung als Maß für das Mischungsverhältnis von Harnstoff zu Wasser verwendet. Eine zur Abgasnachbehandlung geeignete wässrige Harnstofflösung weist eine Konzentration von 32,5 % auf, so dass die wässrige Harnstofflösung eine Wärmeleitfähigkeit von 0,57 W/(m·K) aufweist. Weicht die ermittelte Wärmeleitfähigkeit von der vorgegebenen Wärmeleitfähigkeit ab, weist die wässrige Harnstofflösung nicht die erforderliche Harnstoffkonzentration auf. Demzufolge kann es erforderlich sein, die im Flüssigkeitsbehälter 40 aufbewahrte wässrige Harnstofflösung auszutauschen oder Wasser oder Harnstoff nachzufüllen.
6 und 7 zeigen eine Messbrücke 240 mit einer Leiteranordnung 200, bei der ein erster Leiter 221 und ein zweiter Leiter 222 als Drähte ausgebildet sind. Als Draht wird ein metallischer Leiter mit einem runden oder eckigem Querschnitt verstanden, der nur an seinen beiden Enden an einer Halteanordnung angebracht ist. Der Abschnitt dazwischen wird durch das Fluidgemisch vollumfänglich umgeben.
Der erste Leiter 221 weist dabei eine mehrfache Länge, bevorzugt die vierfache Länge, des zweiten Leiters 222 auf und weist aus diesem Grund einen Querschnitt auf, der um das Verhältnis der Länge des ersten Leiters 221 zu der Länge des zweiten Leiters 222 kleiner als der Querschnitt des zweiten Leiters 222 ist. Demzufolge weisen der erste Leiter 221 und der zweite Leiter 222 in einem stromlosen Zustand den gleichen Widerstandswert auf. Um die räumliche Ausdehnung der Leiteranordnung 200 zu reduzieren, ist der erste Leiter 221 mäanderförmig auf der Leiteranordnung 200 angebracht. Es ist anzumerken, dass der Querschnitt der beiden Leiter 221 und 222 in 6 und 7 aus zeichnerischen Gründen gleich gezeichnet ist. Der Querschnitt der beiden Leiter 221 und 222 ist tatsächlich unterschiedlich zueinander.
Die beiden Leiter 221 und 222 sind über eine vertiefte Fläche 202 einer Halteanordnung 201 in einer zu der vertieften Fläche 202 parallelen Ebene gespannt, so dass sie vom Fluid oder Fluidgemisch vollumfänglich umgeben und umflossen werden. Auf diese Weise sind die beiden Leiter 221 und 222 vollumfänglich mit dem Fluid in Kontakt bringbar. Auf diese Weise kann eine Erfassungsgenauigkeit der Wärmeleitfähigkeit durch die erfindungsgemäße Vorrichtung weiter verbessert werden.
In einem Randbereich der Leiteranordnung 200 sind die beiden Leiter 221 und 222 über Öffnungen 204 geführt, um die einzelnen Mäander zu bilden. In der Leiteranordnung 200 können elastische Elemente, z.B. Federelemente (nicht gezeigt), angeordnet sein, um die beiden Leiter 221 und 222 vorzuspannen, so dass eine Längenänderung aufgrund einer Erwärmung im stromdurchflossenen Zustand ausgeglichen wird, wobei sowohl eine Längenänderung der Leiteranordnung 200, als auch eine Längenänderung der beiden Leiter 221 und 222 kompensiert wird. Auf diese Weise kann verhindert werden, dass sich die beiden Leiter 221 und 222 oder nebeneinanderliegende Mäander des ersten Leiters 221 gegenseitig berühren und ein Kurzschluss kann dadurch zuverlässig verhindert werden. Zudem kann eine Längen- oder Formänderung der Halteanordnung 201 aufgrund einer Temperaturänderung ebenfalls kompensiert werden.
Zwischen den beiden Leitern 221 und 222 sowie den Mäandern des ersten Leiters 221 sind quaderförmige Erhebungen 206 angeordnet. Die Erhebungen 206 erstrecken sich von der viertieften Fläche 202 bis zu einer Ebene, die ebenfalls zur vertieften Ebenen parallel und weiter von der vertieften Fläche 202 beabstandet ist als die Ebene, in der der erste und der zweite Leiter 221 und 222 angeordnet sind. Demzufolge wird durch die Erhebungen 206 ebenfalls verhindert, dass der erste und zweite Leiter 221 und 222 sowie die Mäander des ersten Leiters 221 in Kontakt kommen. Zudem wird ein Gefrieren eines größeren Abschnitts im Bereich der Leiteranordnung 200 durch die Erhebungen 206 verhindern. Dies ist erforderlich, da eine wässrige Harnstofflösung zur Abgasnachbehandlung einen Gefrierpunkt von -11 °C aufweist und daher an kalten Wintertagen der Fall eintreten kann, dass die wässrige Harnstofflösung gefriert. Zudem kann ein Frostschutzanteil einer Waschflüssigkeit zu gering sein, so dass diese an kalten Wintertagen ebenfalls gefrieren kann. Durch diese Begrenzung kann ein gefrorener Abschnitt des Fluidgemisches im Bereich der Leiteranordnung 200 durch eine im Flüssigkeitsbehälter 40 für die wässrige Harnstofflösung angeordnete Heizung schneller aufgetaut werden, so dass eine zuverlässige Ermittlung der Wärmeleitfähigkeit der Waschflüssigkeit oder der wässrigen Harnstofflösung nach einem Start des Fahrzeugs 70 schneller möglich ist.
Die beiden Widerstände 41 und 42 des anderen Zweigs der Messbrücke 240 sind als Widerstände mit festen Widerstandswerten ausgebildet. Die Widerstandswerte der beiden Widerstände 41 und 42 werden dabei so gewählt, dass die Messbrücke 240 in einem stromlosen Zustand abgeglichen ist. Die beiden Widerstände 41 und 42 sowie die Leiteranordnung 200 mit dem ersten und dem zweiten Leiter 221 und 222 können auf einer gemeinsamen Anordnung, wie beispielsweise einer gemeinsamen Platine angeordnet sein, oder können räumlich voneinander getrennt angeordnet und über Kabel miteinander verbunden sein.
Im Randbereich der Halteanordnung 201 sind Löcher 208 gebildet, in die Stifte eines Deckels oder einer Abdeckung (nicht gezeigt) für die Leiteranordnung 200 einsteckbar sind. Alternativ können auch Schrauben in die Löcher, in denen ein Gewinde ausgebildet ist, eingedreht werden, um den Deckel mit der Halteanordnung 201 zu verbinden. Durch den Deckel kann ein Gefrieren eines größeren Bereichs der wässrigen Harnstofflösung im Bereich der beiden Leiter 221 und 222 weiter verhindert werden. Damit das Fluidgemisch weiterhin mit dem ersten und dem zweiten Leiter 221 und 222 in Kontakt bringbar ist, weist der Deckel Schlitze oder Löcher auf, durch die das Fluidgemisch zum ersten und zweiten Leiter 221 und 222 fließen kann. Zudem kann durch den Deckel ein Risiko einer mechanischen Beschädigung des ersten und des zweiten Leiters 221 und 222 reduziert werden.
In 8 und 9 ist eine Messbrücke 340 gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt. Bei der Messbrücke 340 ist einer der Spannungsteiler durch eine Leiteranordnung 300 gemäß einer anderen Ausführungsform gebildet. Bei der Leiteranordnung 300 sind ein als Draht ausgebildeter erster Leiter 321, der an einer Halteanordnung 301 angebracht ist, und ein Festwiderstand 322 in Reihe geschaltet. Bei Anwendung dieser Leiteranordnung 300 ist es nicht erforderlich, dass der Festwiderstand 322 mit dem Fluid in Kontakt gebracht wird und es reicht aus, wenn nur der erste Leiter 312 mit dem Fluid in Kontakt gebracht wird.
Der andere der Spannungsteiler wird durch zwei einstellbare Widerstände 341 und 342 gebildet. Die Widerstände 341 und 342 sind Widerstände, deren Widerstandswert veränderbar ist, und sind bevorzugt als Digitalpotentiometer ausgebildet. In dieser Ausführungsform ist die Auswerteeinheit 10 derart konfiguriert, dass sie die Widerstandswerte der Widerstände 341 und 342 so einstellt oder ändert, dass die Messbrücke 340 beim initialen Anlegen der Wechselspannung U0 abgeglichen ist.
Die Leiteranordnung 300 weist in dieser Ausführungsform nur einen ersten Leiter 321 auf, der als Draht ausgebildet ist. Der erste Leiter 321 ist an Anschlüssen 302 mit Leitungen der Messbrücke 340 verbunden. Die Anschlüsse 302 in der in 8 und 9 gezeigten Ausführungsform sind schraubbare Anschlüsse, aber es ist auch möglich, die Anschlüsse als Klemm- oder Steckanschlüsse auszubilden. Demzufolge kann die Leiteranordnung leicht montiert und entfernt werden.
In dem in 8 und 9 gezeigten Beispiel ist der erste Leiter 321 als Schlaufe gelegt und in einer zur einer Bodenfläche 304 der Halteanordnung 301 parallelen Ebene angeordnet. Um die Bodenfläche 304 ist ein Rahmen 306 geformt, so dass die Halteanordnung 301 als vertieftes Gehäuse gebildet wird, in dem ein geringer Anteil des Fluids vorhanden ist. Durch die derart ausgebildete Halteanordnung 301 wird erreicht, dass der als Draht ausgebildete erste Leiter 321 im Wesentlichen über eine gesamte Länge vollumfänglich vom Fluid umgeben ist. Demzufolge wird eine Erfassungsgenauigkeit weiter verbessert.
Der erste Leiter 321 wird über Umlenkstellen 308 geführt und wird mittels elastischer Elemente vorgespannt, um eine Längenänderung aufgrund einer Erwärmung im stromdurchflossenen Zustand und einer Form- oder Längenänderung des Halteanordnung 301 bei einer Temperaturänderung auszugleichen. Die elastischen Elemente sind in der vorliegenden Ausführungsform als Federelemente 310 und 312 ausgebildet. Ein erstes Federelement 310 spannt den ersten Leiter 321 in einer Richtung einer Außenseite der Schlaufe hin vor. Ein zweites Federelement 312 spannt den ersten Leiter 321 zu einer Innenseite der Schlaufe hin vor, indem zwei gegenüberliegenden Abschnitte des ersten Leiters 321 durch das zweite Federelement 312 zusammengezogen werden. Auf diese Weise wird eine Berührung des ersten Leiters 321 mit sich selbst oder mit anderen Elementen der Leiteranordnung 300 zuverlässig verhindert. Folglich kann ein Kurzschluss des ersten Leiters 321 zuverlässig verhindert werden. Zudem kann eine Form- oder Längenänderung der Halteanordnung aufgrund einer Temperaturänderung kompensiert werden.
Innerhalb und außerhalb der Schleife des ersten Leiters 321 sind wiederum Erhebungen 314 oder Auskragungen angeordnet, die einen Kontakt des ersten Leiters 321 mit sich selbst oder mit umgebenden Elementen weiter zuverlässig verhindern. Die Erhebungen 314, die in dem in 8 und 9 gezeigten Beispiel zylindrisch ausgebildet sind, begrenzen zudem eine räumliche Ausbreitung eines gefrorenen Abschnitts im Bereich des ersten Leiters 321, so dass der gefrorene Abschnitt der wässrigen Harnstofflösung nach einem Start eines Heizens schnell auftaubar ist.
Die Halteanordnung 301 weist in einem mittleren Bereich an den Außenseiten zwei Hohlzylinder 316 auf, in die Stifte eines Deckels oder einer Abdeckung (nicht gezeigt) einsteckbar sind oder in die Schrauben einschraubbar sind, um den Deckel mit der Halteanordnung 301 zu verbinden. Der Deckel liegt dabei auf dem Rahmen 306 der Leiteranordnung 300 auf und ist wiederum mit Schlitzen oder Löchern ausgebildet, so dass das Fluid in das Innere der Leiteranordnung 300 eindringen kann. Durch den Deckel wird ein Gefrieren der wässrigen Harnstofflösung oder der Waschflüssigkeit im Bereich der Halteanordnung 301 weiter verhindert und es wird eine Gefahr einer mechanischen Zerstörung der Halteanordnung 301 oder des ersten Leiters 321 reduziert.
Die Halteanordnung 301 ist nicht auf den ersten Leiter 321 begrenzt und ein zweite Leiter kann ebenfalls auf einer ähnlichen Leiteranordnung angeordnet sein. Zudem kann die Leiteranordnung 300 auch derart ausgebildet sein, dass sowohl der erste Leiter, als auch der zweite Leiter auf der Leiteranordnung 300 anbringbar sind. Zu diesem Zweck können die beiden Leiter in zwei parallelen Ebenen übereinander geführt werden oder der zweite Leiter, der eine kürzere Länge als der erste Leiter aufweist, kann im Inneren der Schlaufe des ersten Leiters ebenfalls als Schlaufe, die ggf. ebenfalls durch elastische Elemente vorgespannt wird, gebildet werden.
In 10 ist ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 400 gezeigt, das ausgeführt wird, wenn die in 8 und 9 gezeigte Messbrücke 340 verwendet wird. Das Verfahren 400 unterscheidet sich von dem in 3 gezeigten Verfahren 100 dadurch, dass ein Schritt S10, in dem die Auswerteinheit 10 die Messbrücke 340 durch Einstellen der Widerstandswerte der beiden Widerstände 341 und 342 abgleicht, vor dem Schritt S1 ausgeführt wird.
Ein Abgleich der Messbrücke 340 wird dabei wie folgt durchgeführt. Die Auswerteeinheit 10 ist ausgebildet, um mindestens eine der beiden Transistor-Booster-Stufen 61, 62 zu veranlassen, eine Gleichspannung an die Messbrücke 340 anzulegen. Die Gleichspannung weist dabei einen Wert von 200 mV auf. Der Wert der Gleichspannung kann aber auch zwischen einschließlich 100 mV und 500 mV liegen. Anschließend wird die Brückenspannung Ub erfasst und die Auswerteeinheit 10 ändert die beiden einstellbaren Widerstände 341 und 342. Daraufhin wird erneut eine Gleichspannung an die Messbrücke 340 angelegt und die Brückenspannung Ub wird erfasst. Dieser Vorgang wird so oft durchgeführt, bis die Brückenspannung Ub, die in Antwort auf die angelegte Gleichspannung erfasst wird, im Wesentlichen gleich einer Spannung von 0 V ist. Folglich kann die Messbrücke 340 zuverlässig abgeglichen werden. Dieses Vorgehen wird mit Vorteil bevorzugt bei einer Inbetriebnahme oder einem Start einer Erfassung der Wärmeleitfähigkeit ausgeführt, um die Messbrücke 340 initial abzugleichen.
Alternativ oder zusätzlich dazu kann die Auswerteinheit 10 ausgebildet sein, dass sie einen Signalanteil der Brückenspannung Ub herausfiltert, der der einfachen Frequenz der an der Messbrücke 340 angelegten Wechselspannung U0 entspricht. Die Amplitude dieses Signalanteils der Brückenspannung Ub kann als Maß für die Verstimmung der Messbrücke 340 verwendet werden und die Auswerteeinheit 10 ist so ausgebildet, dass sie den Widerstandswert der einstellbaren Widerstände 341 und 342 in Schritt S10 derart ändert, dass der Signalanteil der Brückenspannung, der der einfachen Frequenz der angelegten Wechselspannung Ub entspricht, im Wesentlichen 0 V ist. Diese Vorgehensweise bietet den Vorteil, dass eine Verstimmung der Messbrücke 340 während eines Messbetriebs erfassbar ist. Demzufolge können Verstimmungen der Messbrücke 340, die beispielsweise als Folge einer Erwärmung während eines Betriebs auftreten, erfasst werden und die Messbrücke 340 kann anschließend abgeglichen werden.

Claims

Vorrichtung zum Ermitteln einer Wärmeleitfähigkeit eines Fluids, mit: einer elektrischen Leiteranordnung (2, 200, 300), die derart ausgestaltet ist, dass sie zumindest teilweise mit dem Fluid in Kontakt bringbar ist, und als Spannungsteiler mit zwei Elementen (21, 221, 321, 22, 222, 322) ausgebildet ist, wobei das erste Element ein erster Leiter (21, 221, 321) ist, der zumindest in einem stromführenden Zustand einen Widerstandswert aufweist, der zu dem des zweiten Elements (22, 222, 322) unterschiedlich ist, einer Messbrücke (4, 240, 340) mit zwei parallel geschalteten Spannungsteilern, wobei einer der Spannungsteiler durch die elektrische Leiteranordnung (2, 200, 300) gebildet wird, einer Ansteuereinheit (6) zum Anlegen einer Wechselspannung (U0) an die Messbrücke (4, 240, 340), einer Spannungserfasseinheit (8) zum Erfassen einer Brückenspannung (Ub), und einer Auswerteeinheit (10), die so konfiguriert ist, dass sie die Wärmeleitfähigkeit des Fluids durch Auswerten der Brückenspannung (Ub) unter Verwendung der 3-Omega-Methode ermittelt.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei das zweite Element ein zweiter Leiter (22, 222) ist und der erste Leiter (21, 221) und der zweite Leiter (22, 222) in einem stromlosen Zustand einen gleichen Widerstandswert aufweisen und der erste Leiter (21, 221) sich in einem stromführenden Zustand stärker erwärmt als der zweite Leiter (22, 222)
Vorrichtung gemäß Anspruch 2, wobei eine Querschnittsfläche des ersten Leiters (21, 221) kleiner als die des zweiten Leiters (22, 222) ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei das zweite Element ein Festwiderstand (322) ist und der erste Leiter (321) zumindest in einem stromdurchflossenen Zustand einen Widerstandswert aufweist, der zu dem des Festwiderstands (322) unterschiedlich ist, der andere der Spannungsteiler der Messbrücke (340) durch zwei einstellbare Widerstände (341, 342) gebildet wird, und die Auswerteeinheit so konfiguriert ist, dass sie die zwei einstellbaren Widerstände (341, 342) vor einem Anlegen der Wechselspannung (U0) derart einstellt, dass die Messbrücke (340) abgeglichen ist.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der erste Leiter (21, 22, 221) und/oder der zweite Leiter (222, 321) auf einer Platine (26) oder einer Halteanordnung (201, 301) zumindest abschnittsweise mäanderförmig oder im Form einer Schleife angeordnet sind.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1 bis 5, wobei der erste Leiter (221, 321) und/oder der zweite Leiter (222) als Drähte ausgebildet sind.
Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Fluid ein Fluidgemisch ist, das aus zwei Fluiden gebildet ist, von denen jeweils eine Wärmeleitfähigkeit bekannt ist, und die Auswerteeinheit (10) so konfiguriert ist, dass sie eine Konzentration des Fluidgemisches durch Vergleichen der Wärmeleitfähigkeit des Fluidgemisches mit den Wärmeleifähigkeiten der beiden Fluide bestimmt.
Vorrichtung gemäß Anspruch 7, wobei jeweils ein Gefrierpunkt der beiden Fluide bekannt ist, und die Auswerteeinheit (10) so konfiguriert ist, dass sie einen Gefrierpunkt unter Verwendung der Konzentration des Fluidgemisches ermittelt.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Fluid ein Fluidgemisch ist, das aus zwei Fluiden gebildet ist, von denen jeweils eine Wärmeleitfähigkeit und ein Gefrierpunkt bekannt ist, und die Auswerteeinheit (10) so konfiguriert ist, dass sie einen Gefrierpunkt des Fluidgemisches durch Vergleichen der Wärmeleifähigkeit mit einer Geraden ermittelt, die durch eine lineare Interpolation erhalten wird, bei der die Wärmeleitfähigkeit und der Gefrierpunkt der beiden Fluide jeweils als Stützstelle verwendet wird.
Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Auswerteeinheit (10) so konfiguriert ist, dass sie einen Signalanteil der Brückenspannung (Ub), der die einfache oder mehrfache Frequenz, bevorzugt die dreifache Frequenz, der Wechselspannung (U0) aufweist, mittels eines softwareimplementierten Synchrongleichrichters filtert.
Flüssigkeitsbehälter, der eine Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10 aufweist.
Flüssigkeitsbehälter gemäß Anspruch 11, der einen Sensor zur Füllstandsmessung aufweist.
Flüssigkeitsbehälter gemäß Anspruch 12, wobei die Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10 und der Sensor zur Füllstandsmessung als ein gemeinsames Modul ausgebildet sind.
Fahrzeug, das eine Waschanlage (50), die zum Reinigen einer Fahrzeugkomponente und/oder eines optischen Sensors und/oder einer Lichtquelle und/oder einer Scheibe verwendet wird, und/oder eine Vorrichtung (60) zur Abgasnachbehandlung aufweist, die einen Flüssigkeitsbehälter (30, 40) gemäß einem der Ansprüche 10 bis 13 aufweisen.
Verfahren zum Ermitteln einer Wärmeleitfähigkeit eines aus einer Mehrzahl von Fluiden gebildeten Fluidgemisches, mit den folgenden Schritten: Anlegen (S3) einer Wechselspannung an eine Messbrücke (4, 240, 340), Erfassen (S4) einer Brückenspannung (Ub), Ermitteln (S5) einer Wärmeleitfähigkeit des Fluidgemisches durch Auswerten der Brückenspannung (Ub) unter Verwendung der 3-Omega-Methode.