DE10212494A1

DE10212494A1 - Vorrichtung zur kapazitiven Messung des Mischungsverhältnisses eines Mediums

Info

Publication number: DE10212494A1
Application number: DE2002112494
Authority: DE
Inventors: Uwe Pasera
Original assignee: Ballard Power Systems AG; Siemens VDO Electric Drives Inc
Current assignee: Mercedes Benz Fuel Cell GmbH
Priority date: 2002-03-21
Filing date: 2002-03-21
Publication date: 2003-10-30

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur kapazitiven Messung des Mischungsverhältnisses eines Mediums aus zwei Komponenten unterschiedlicher Dielektrizitätskonstanten. DOLLAR A Eine solche Vorrichtung weist zur kapazitiven Messung des Mischungsverhältnisses eines Mediums aus zwei Komponenten unterschiedlicher Dielektrizitätskonstanten ein mit Medium gefülltes Volumen auf. Von einer Trägerplatte ragen voneinander elektrisch isolierte erste und zweite Elektroden ab. Dabei ist die erste Elektrode als sich axial erstreckender Hohlkörper ausgebildet. Der Hohlkörper weist eine durchbrochene Wandung auf, so dass das Innere des Hohlkörpers mit der Außenseite des Hohlkörpers fluidisch verbunden ist. Die zweite Elektrode ist koaxial im Inneren der ersten Elektrode angeordnet. Zwischen den beiden Elektroden ist ein von Medium durchströmbarer Zwischenraum ausgebildet.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur kapazitiven Messung des Mischungsverhältnisses eines Mediums aus zwei Komponenten unterschiedlicher Dielektrizitätkonstanten.
Eine gattungsgemäß zugrundegelegte Vorrichtung zur kapazitiven Messung des Mischungsverhältnisses geht beispielsweise aus der EP 0 472 767 A1 hervor. Die Vorrichtung weist ein mit Medium gefülltes Volumen auf. Es ist eine Trägerplatte vorgesehen, von der eine erste und eine zweite Elektrode abragen.
Bei der gattungsgemäß zugrundeliegenden Vorrichtung sind die beiden Elektroden beabstandet zueinander angeordnet und befinden sich innerhalb eines im Bereich der Vorrichtung ausgebildeten Strömungskanals durch den das Fluid, dessen Zusammensetzung zu messen ist, hindurchströmt. Durch die voneinander beabstandete Anordnung der beiden Elektroden zueinander bilden diese die Elektroden einer Kapazität. Die Feldstärke und damit implizit die Kapazität bzw. die Ladung der Kapazität ist von der Zusammensetzung, also dem Mischungsverhältnis des Mediums, das sich zwischen den beiden Elektroden befindet, abhängig. Bei dieser Veränderung des Mischungsverhältnisses verändert sich die relative Dielektrizitätskonstante _r der Kapazität.
Ein Nachteil einer Messvorrichtung gemäß der EP 0 472 767 A1 ist es, dass die Elektroden voneinander entfernt im Bereich eines Strömungskanales, beispielsweise einer Fluidleitung, angeordnet sein müssen, damit zum einen eine Kapazität ausgebildet ist und zum anderen die Messgenauigkeit auch bei Veränderungen des Mischungsverältnisses sichergestellt ist.
Demgegenüber ist es Aufgabe der Erfindung, eine Messvorrichtung bereitzustellen, die einerseits ein kompakteres Volumen aufweist und andererseits geeignet ist, auch in Speicherbehältern verwendet zu werden.
Die Aufgabe der Erfindung wird mit einer Vorrichtung gemäß dem Anspruch 1 gelöst.
Eine solche Vorrichtung weist zur kapazitiven Messung des Mischungsverhältnisses eines Mediums aus zwei Komponenten unterschiedlicher Dielektrizitätskonstanten ein mit Medium gefülltes Volumen auf. Von einer Trägerplatte ragen voneinander elektrisch isolierte erste und zweite Elektroden ab. Dabei ist die erste Elektrode als sich axial erstreckender Hohlkörper ausgebildet. Der Hohlkörper weist eine durchbrochene Wandung auf, so dass das Innere des Hohlkörpers mit der Außenseite des Hohlkörpers fluidisch verbunden ist. Die zweite Elektrode ist koaxial im Inneren der ersten Elektrode angeordnet. Zwischen den beiden Elektroden ist ein von Medium durchströmbarer Zwischenraum ausgebildet.
Der Vorteil einer solchen Anordnung, bei denen die beiden Elektroden koaxial zueinander angeordnet sind, ist der, dass eine enge Bauform des Sensors erreicht wird und er auch in kleinen Volumen (Hohl- und Zwischenräumen) angeordnet werden kann. Darüber hinaus weist die Vorrichtung aufgrund ihrer Bauform nur ein geringes Volumen zwischen den beiden Elektroden auf, so dass ein rascher Austausch des Mediums im Messvolumen zwischen den Elektroden stattfinden kann und so eine gute Messqualität erreicht wird.
Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sehen vor, dass die erste Elektrode feststehend auf der Trägerplatte angeordnet ist und insbesondere elektrisch mit ihr verbunden ist. Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn die erste Elektrode elektrisch mit der Masse verbunden ist. Die Trägerplatte dient vorzugsweise als im Bereich des Fluidvolumens anordenbares Bauteil, das sich auch mediendicht an den Rest des das Volumen begrenzenden Gehäuses anordnen lässt. Dadurch, dass die erste Elektrode als Masse dient, wird sichergestellt, dass nicht durch Entladungseffekte ein elektrischer Durchschlag durch das Medium stattfindet, der außerhalb des Messvolumens zwischen der ersten und zweiten Elektrode liegt. Zum anderen wird auch eine Abschirmung der Messanordnung gegen elektromagnetische Einflüsse von außen wenigstens teilweise erreicht. Die Vorrichtung ist dabei sowohl in Fluidleitungen als auch in Fluidkammern, wie Fluidspeichern oder Reaktionskammern gegebenenfalls auch in Verbindung mit weiteren Größen erfassenden Sensoren anordenbar.
Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sehen vor, dass die zweite Elektrode durch eine Bohrung in der Trägerplatte hindurchgeführt ist. Hierzu kann insbesondere im Bereich der Bohrung der Trägerplatte eine Hülse angeordnet sein. Der Fuß der Hülse führt durch die Bohrung der Trägerplatte hindurch und ragt in den Zwischenraum zwischen den beiden Elektroden hinein. Der Kopf der Hülse liegt auf der den Elektroden abgewandten Außenseite der Trägerplatte flächig an dieser an. Zwischen Kopf der Hülse und Trägerplatte sowie zwischen Hülse und Elektrode können Dichtungen vorgesehen sein, um für einen fluiddichten Abschluss der Vorrichtung zu sorgen. Die Dichtungen können dabei insbesondere als Ringdichtungen ausgebildet sein, die axial beaufschlagbar sind und einen Dichtsitz erzeugen. Die in den Zwischenraum zwischen den beiden Elektroden hineinragende Hülse dient somit auch der Zentrierung und koaxialen Ausrichtung der zweiten Elektrode innerhalb der ersten Elektrode.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sehen vor, dass an dem der Trägerplatte abgewandten Ende der ersten Elektrode eine elektrisch isolierende Zentrierhülse angeordnet ist. In dieser Zentrierhülse, die vorzugsweise auch in den Innenraum der ersten Elektrode hineinragt, ist das andere Ende der zweiten Elektrode koaxial in einer Mittelbohrung der Zentrierhülse gehalten. Hierdurch wird die koaxiale Ausrichtung der zweiten Elektrode zur ersten Elektrode und, falls die Elektroden nicht zylindrisch ausgebildet sind, auch die Drehlage der beiden Elektroden bezüglich einer Drehung um die axial verlaufende Achse herum gesichert. Hierbei kann die zweite Elektrode insbesondere ein Kopfstück aufweisen, das formschlüssig in der Zentrierhülse gehalten ist. Die elektrisch isolierend wirkende Zentrierhülse sorgt dabei dafür, dass die zweite Elektrode bzw. ihr Kopf nicht elektrisch mit der ersten Elektrode in Kontakt gelangen kann. Dies ist auch dann der Fall, wenn Schwingungen, beispielsweise über das Medium in den Sensor eingetragen werden.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sehen vor, dass die zweite Elektrode einerseits an der Trägerplatte und andererseits an dem der Trägerplatte abgewandten Ende der ersten Elektrode als ein abgestütztes Zugelement ausgebildet ist. Über die Abstützung des Zugelementes einerseits an der Trägerplatte und andererseits an dem der Trägerplatte abgewandten Ende der ersten Elektrode und der Erzeugung einer Zugkraft in der zweiten Elektrode wird zum einen eine stabile koaxiale Ausrichtung der zweiten Elektrode in der ersten Elektrode sichergestellt. Darüber hinaus können über die eingeleitete Zugspannung beispielsweise mit Dichtungen abgedichtete Dichtsitze mit einer entsprechenden Vorspannung und Anlagekraft beaufschlagt werden, um gute Dichtwirkung in allen Betriebsbedingungen herzustellen. Die Ausbildung als Zugelement kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass die zweite Elektrode einerseits ein Kopfstück aufweist, welches wenigstens mittelbar an den der Trägerplatte abgewandten, freien Ende der ersten Elektrode abgestützt ist, wogegen das andere Ende der zweiten Elektrode aus der Bohrung der Trägerplatte abragt und, beispielsweise auch eine Dichtscheibe durchsetzt, wobei die zweite Elektrode ein Schraubgewinde aufweist, an dem über Muttern gehalten, eine Zugkraft in der zweiten Elektrode erzeugt wird und über die Dichtscheibe und gegebenenfalls eine Hülse an der Trägerplatte abgestützt wird.
Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet der Erfindung liegt darin, das Mischungsverhältnis zwischen Methanol und Wasser, beispielsweise im Bereich eines sogenannten Reformers, der eine Brennstoffzelle vorgeschaltet sein kann, zu bestimmen. Der Einbauort der Vorrichtung liegt dabei vorzugsweise noch vor dem Verdampfer des Reformers, so dass das Fluid (Methanol- Wasser-Gemisch) insbesondere in flüssiger Phase vorliegt.
Im übrigen ist die Erfindung anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles beschrieben. Dabei zeigt die einzige Figur eine Querschnittsdarstellung durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung.
Die Figur zeigt eine Trägerplatte 8, an der ein erfindungsgemäßer Sensor gehalten ist. Die Trägerplatte 8 weist eine Bohrung 9 auf. In diese Bohrung 9 eingesetzt ist die erste Elektrode 10. Sie kann dabei fest mit der Trägerplatte 8 verbunden sein. Dies kann beispielsweise dadurch geschehen, dass eine Schweißverbindung zwischen der ersten Elektrode 10 und der Trägerplatte hergestellt wird. Die erste Elektrode 10 ist hohlzylindrisch ausgebildet und weist an ihrer Wandung 11 Durchbrüche 12 auf, die eine fluidische Verbindung des Inneren der hohlzylindrischen ersten Elektrode mit der äußeren Umgebung herstellt. Die Durchbrüche weisen dabei vorzugsweise die Form von Langlöchern auf. Konstruktiv gesehen sollen die Durchbrüche 12 in der Wandung 11 möglichst wenig Kanten aufweisen, an denen sich beispielsweise Gasblasen bilden oder absetzen können. Um eine möglichst gute Durchströmung der Vorrichtung mit Medium zu erreichen, wird man die Fläche der Durchbrüche möglichst groß wählen. Andererseits sollte der Abstand zwischen zwei von einem Durchbruch 12 voneinander getrennten Abschnitten der Wandung 11 zueinander nicht wesentlich größer, vorzugsweise höchstens gleich der Breite (in radialer Richtung gesehen) des Spaltes 18 zwischen der ersten Elektrode 10 und der zweiten Elektrode 7 sein.
Eine Hülse 6 durchsetzt die Trägerplatte 8 in der Bohrung 9. Dabei liegt sie mit ihrem Fuß 13 an der der ersten Elektrode abgewandten Außenseite der Trägerplatte flächig an. Mittels des Dichtelements 2, das zwischen dem Kopf 4 der Hülse und der Trägerplatte 8 angeordnet ist, wird die Bohrung radial nach außen hin abgedichtet. Der Fuß 3 ragt durch die Bohrung 9 hindurch in das Innere der hohlzylindrisch ausgebildeten ersten Elektrode 10 hinein. Dabei ist der Fuß 3 so ausgebildet, dass er nahezu formschlüssig an der Innenseite der Wandung 11 der ersten Elektrode anliegt. Dabei ragt der Fuß 3 ungefähr so weit in den Innenraum der ersten Elektrode hinein, wie dieser einen unteren Wandungsring aufweist, in dessen Bereich kein Durchbruch 12 ausgebildet ist.
Im Inneren weist die Hülse 6 eine zentrische Bohrung auf, durch die hindurch die zweite Elektrode 7 geführt und im Inneren der ersten Elektrode 10 zentrisch gehalten ist. Hierzu ist insbesondere eine formschlüssige Führung der zweiten Elektrode 7 im Inneren der Hülse 6 gegeben. Am äußeren, dem von der Trägerplatte 8 abgewandten Ende des Kopfes 4 der Hülse 6 ragt die zweite Elektrode über die Hülse 6 hinaus nach außen ab und weist einen Gewindeabschnitt 15 auf. Dabei rastet der Gewindeabschnitt 15 auch noch über eine an dem Fuß der Hülse 6 auf dieser Seite anliegende Lochscheibe 3 hinaus und eine Fixierung der Konstruktion wird über die beiden am Gewindeabschnitt angelegten Muttern 16 erzielt. Eine sowohl radial wie auch axial arbeitende Dichtung ist dabei in einer entsprechend ausgebildeten Nut des Kopfes der Hülse angeordnet. Die Dichtung stützt sich radial gesehen zwischen Kopf 14 der Hülse 6 und zweiter Elektrode 7 ab, während sie axial gesehen eine Dichtwirkung zwischen dem Kopf 14 und der Lochscheibe 3 erzeugt. Mittels der Dichtung 1 und dem Dichtelement 2 wird über die Hülse 6 eine Abdichtung des Innenraumes der Vorrichtung auf der einen Seite der Trägerplatte nach außen hin erzielt.
Die zweite Elektrode 7 ist koaxial zur ersten Elektrode verlaufend zentrisch in dieser angeordnet. Am oberen, der Trägerplatte 8 abgewandten Ende der ersten Elektrode 10 ist die Zentrierhülse 5 gehalten. Die Zentrierhülse 5 besteht aus elektrisch nicht leitendem Material. Sie weist eine Mittelbohrung 17 auf. In dieser Mittelbohrung 17 ist die zweite Elektrode 7 ebenfalls zentrisch gehalten. Das Kopfstück 4 der zweiten Elektrode stellt dabei eine Erweiterung des Außendurchmessers der zweiten Elektrode dar und ist sowohl axial als auch radial formschlüssig in der Zentrierhülse 5 gehalten.
Dadurch, dass die Muttern 16 entsprechend an dem Gewindeabschnitt 16 verschraubt werden, kann eine axial wirkende Zugspannung durch die zweite Elektrode 7 hindurch erzeugt werden, deren Gegenabstützung sich in der Zentrierhülse 5 ergibt. Durch diese axiale Spannung wird der Verbund aus Zentrierhülse, erster Elektrode 10, Hülse 6, Lochscheibe 3 fest miteinander verbunden.
Die Trägerplatte kann aus elektrisch leitendem Material sein und dient als Masse bzw. ist mit der Massenleitung verbunden, wodurch auch die erste Elektrode mit der Masse elektrisch verbunden ist. Die zweite Elektrode ist durch Zentrierhülse 5 und Hülse 6 elektrisch gegenüber der ersten Elektrode isoliert und weist in ihrem Verlauf im Inneren der ersten Elektrode 10 einen Messspalt 18 auf, in dem sich das Medium aufhält, dessen Zusammensetzung durch kapazitive Messung zu bestimmen ist. Dabei ist das Volumen des Messspaltes 18 gering, was für eine geringe Trägheit des Sensors sorgt. Die zweite Elektrode 7 kann beispielsweise im Bereich der Muttern 16 oder des Gewindeabschnittes 15 mit einer entsprechende Auswerteeinrichtung elektrisch kontaktiert werden, da die Spannung an der zweiten Elektrode gegenüber der ersten Elektrode und ihr Spannungsverlauf als Messsignal dient.

Claims

1. Vorrichtung zur kapazitiven Messung des Mischungsverhältnisses eines Mediums aus zwei Komponenten unterschiedlicher Dielektrizitätskonstanten, mit
einem mit Medium gefüllten Volumen
einer Trägerplatte (8) von der zueinander elektrisch isolierte erste und zweite Elektroden (10, 7) abragen,
dadurch gekennzeichnet, dass
die erste Elektrode (10) als sich axial erstreckender Hohlkörper mit durchbrochener Wandung (11) ausgebildet ist,
die zweite Elektrode (7) koaxial im Inneren der ersten Elektrode (10) angeordnet ist, so dass
zwischen den beiden Elektroden ein von Medium durchströmbarer Zwischenraum (18) besteht.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Elektrode (10) feststehend auf der Trägerplatte (8) angeordnet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Elektrode (10) mit der Trägerplatte (8) elektrisch verbunden ist.

4. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Elektrode (7) in einer Bohrung (9) durch die Trägerplatte (8) hindurchgeführt ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Bohrung (9) der Trägerplatte (8) eine Hülse (6) angeordnet ist, wobei die Hülse (6) mit einem Fuß (13) durch die Bohrung (9) der Trägerplatte (8) in den Zwischenraum (18) zwischen den Elektroden (10, 7) hineinragt und ein Kopf (14) auf der den Elektroden (10, 7) abgewandten Außenseite der Trägerplatte (8) flächig an dieser anliegt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Kopf (14) der Hülse (6) und der Trägerplatte (8) ein Dichtelement (2) angeordnet ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Hülse (6) und zweiter Elektrode (7) eine Dichtung (1) angeordnet ist.

8. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass an dem der Trägerplatte (8) abgewandten Ende der ersten Elektrode (10) eine elektrisch isolierende Zentrierhülse (5) zum koaxialen Halten der zweiten Elektrode (7) in der Mittelbohrung (17) der Zentrierhülse (5) gehalten ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Elektrode (7) ein Kopfstück (4) aufweist, das insbesondere die Form einer Sechskantmutter aufweist, das formschlüssig in der Zentrierhülse (5) gehalten ist.

10. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Elektrode (7) ein einerseits an der Trägerplatte (8) und andererseits an der ersten Elektrode (10) abgestütztes Zugelement ist.

11. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Mischungsverhältnis zwischen Methanol und Wasser gemessen wird.