DE10233039A1

DE10233039A1 - Verfahren zur Regelung des Füllstands

Info

Publication number: DE10233039A1
Application number: DE10233039A
Authority: DE
Inventors: Ray Mack; Uwe Dipl.-Ing. Pasera
Original assignee: Ballard Power Systems AG; Siemens VDO Electric Drives Inc
Current assignee: Mercedes Benz Fuel Cell GmbH
Priority date: 2002-07-20
Filing date: 2002-07-20
Publication date: 2004-02-05

Abstract

Verfahren zur Regelung des Füllstands einer Flüssigkeit in einem Behälter, dem die Flüssigkeit zugeführt wird, bei dem überwacht wird, ob der Füllstand ein vorgebbares Behälterminimalniveau unterschreitet und der Behälter alternierend während Öffnungszyklen durch Öffnen eines Auslasses bis zum Erreichen des vorgebbaren Behälterminimalniveaus entleert und während Schließzyklen durch Schließen des Auslasses geschlossen gehalten wird. DOLLAR A Erfindungsgemäß wird vom jeweiligen Schließzyklus auf den nächsten Öffnungszyklus nach Ablauf einer durch einen vorgebbaren Maximalwert nach oben begrenzten Schließzeit seit Beginn des Schließzyklus umgeschaltet. DOLLAR A Verwendung z. B. zur Füllstandsregelung in Kondensatabscheidern von Brennstoffzellensystemen.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Regelung des Füllstands einer Flüssigkeit in einem Behälter nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Füllstandsregelungen zur Regelung des Füllstands von Flüssigkeiten in Behältern mit einem Zu- und einem Abfluss mit Hilfe von zwei Füllstandssensoren oder einem analogen Füllstandssensor sind bekannt. Bei Verwendung von zwei Füllstandssensoren wird beispielsweise ein erster Sensor zur Erfassung eines minimalen Füllstands bzw. Niveaus im Behälter und ein zweiter Sensor zur Erfassung eines maximalen Füllstands bzw. Niveaus im Behälter eingesetzt. Wird beispielsweise ein minimaler Füllstand unterschritten und wird dies durch den ersten Sensor erkannt, wird der Abfluss geschlossen, um ein Leerlaufen des Behälters zu vermeiden. Steigt der Füllstand der Flüssigkeit in dem Behälter über das maximale Niveau hinaus an und wird dies durch den zweiten Sensor erkannt, wird der Abfluss geöffnet, um den Füllstand zu reduzieren. Bei analogen Füllstandssensoren wird ein analoges Ausgangssignal entsprechend dem vom Füllstandssensor erfassten Füllstand erzeugt und der Abfluss beispielsweise proportional zum erfassten Füllstand geöffnet.

Der Erfindung liegt als technisches Problem die Bereitstellung eines Verfahrens zugrunde, mit dem die Regelung des Füllstands einer Flüssigkeit in einem Behälter einfacher und kostengünstiger bewerkstelligt werden kann.

Die Erfindung löst dieses Problem durch die Bereitstellung eines Verfahrens mit den Merkmalen des Anspruchs 1.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird der Behälter während der Öffnungszyklen durch Öffnen eines Auslasses bis zum Erreichen eines vorgebbaren Behälterminimalniveaus entleert. Das Erreichen des Behälterminimalniveaus kann mit Hilfe eines entsprechend positionierten Füllstandssensors detektiert werden. Im Anschluss an den Öffnungszyklus findet nun ein Schließzyklus statt, bei dem der Auslass geschlossen gehalten wird. Das Umschalten vom jeweiligen Schließzyklus auf den nächsten Öffnungszyklus erfolgt nach Ablauf einer durch einen vorgebbaren Maximalwert nach oben begrenzten Schließzeit seit Beginn des Schließzyklus. Die Schließzeit, d.h. die Zeit während der der Auslass geschlossen gehalten wird, kann innerhalb eines Bereichs eingestellt werden, der durch einen vorgebbaren Maximalwert nach oben begrenzt wird. Indem die Schließzeit auf einen vorgebbaren Maximalwert begrenzt wird, kann sichergestellt werden, dass der Behälter nicht überfüllt wird. Dadurch ist ein weiterer Füllstandssensor zur Detektion des Erreichens eines Behältermaximalniveaus nicht notwendig.

Durch den Wegfall des Sensors. zur Überwachung des Behältermaximalniveaus können die Kosten für diesen zwei ten Füllstandssensor eingespart werden. Der Verdrahtungsaufwand reduziert sich, und digitale Eingänge an einem Steuergerät zur Ansteuerung der Füllstandsregelungen werden eingespart. Es besteht selbstverständlich die Möglichkeit, die erfindungsgemäße Füllstandsregelung für mehrere Behälter einzusetzen.

In einer Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 2 wird die Schließzeit kleiner oder gleich dem Quotienten aus der Behältervolumendifferenz zwischen dem Behältermaximalniveau V_max und dem Behälterminimalniveau V_min und einer maximalen Volumenzuflussrate Q_zu in den Behälter gewählt.

Ist die maximale Volumenzuflussrate in den Behälter bekannt, so kann durch diese Wahl der Schließzeit verhindert werden, dass der Füllstand das Behältermaximalniveau überschreitet. Dies ergibt sich direkt durch Umformen von (1) in tzu·Qzu ≤ Vmax – Vmin (2)

Man sieht, dass bei der Wahl von t_zu nach (1) der Volumenzufluss innerhalb der Schließzeit t_zu kleiner als die Behältervolumendifferenz zwischen dem Behältermaximalniveau V_max und dem Behälterminimalniveau V_min ist und somit ein Überlaufen des Behälters vermieden wird. Der Füllstand des Behälters bleibt folglich während des Betriebs auch ohne eine Überwachung mit Hilfe eines zweiten Füllstandssensors zwischen dem Behälterminimalniveau und dem Behältermaximalniveau.

In einer Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 3 wird die Öffnungszeit t_auf des Öffnungszyklus ermittelt und eine Störungsmeldung erzeugt, wenn die Öffnungszeit t_auf eine Maximalzeit t_max

überschreitet, wobei t_zu die Schließzeit, Q_zu die maximale Volumenzuflussrate in den Behälter und Q_ab eine minimale Volumenabflussrate aus dem Behälter bezeichnen.

Bei bekannter maximaler Volumenzuflussrate Q_zu und bekannter minimaler Volumenabflussrate Q_ab aus dem Behälter muss der Füllstand der Flüssigkeit innerhalb dieser Maximalzeit t_max bis zum Behälterminimalniveau abgesunken sein. Dies ergibt sich aus der Forderung, dass im zeitlichen Mittel der Volumenabfluss aus dem Behälter mindestens so groß sein muss wie der Volumenzufluss in den Behälter. Wird diese Forderung nicht erfüllt, überschreitet die Flüssigkeit auf Dauer das Behältermaximalniveau.

Diese Forderung wird durch folgende Gleichung beschrieben: Qzu·(tzu + tauf) ≤ Qab·tauf (4)

Durch Umformen der Formel (4) erhält man:

Durch Einsetzen von (3) in (5) erhält man: tauf ≤ tmax (6)

Man sieht, dass t_auf ≤ t_max sein muss, damit die Flüssigkeit das Behältermaximalniveau auf Dauer nicht überschreitet. Die Überwachung der Öffnungszeit t_auf ermöglicht die Erkennung von Störungen der Füllstandsregelung, da nur im Störungsfall die Öffnungszeit t_auf die Maximalzeit t_max überschreitet.

In einer Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 4 wird die Öffnungszeit des Öffnungszyklus ermittelt und die Schliesszeit an die ermittelte Öffnungszeit angepasst. Durch das Anpassen bzw. das Nachführen der Schliesszeit ist eine verbesserte Anpassung an veränderliche Zuflussraten möglich. So kann beispielsweise bei einer Zunahme der ermittelten Öffnungszeit die Schliesszeit verringert und bei einer Abnahme der ermittelten Öffnungszeit die Schliesszeit vergrößert werden, wodurch eine Reduktion der Umschalthäufigkeiten erreichbar ist.

Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Hierbei zeigt:
1 ein schematisches Blockschaltbild einer Anordnung zur erfindungsgemäßen Regelung des Füllstands einer Flüssigkeit in einem Behälter.
1 zeigt ein schematisches Blockschaltbild einer Anordnung zur erfindungsgemäßen Regelung des Füllstands einer Flüssigkeit in einem Behälter. Die Anordnung weist einen Kondensatabscheider 1 auf, der einen Behälter bildet. Der Kondensatabscheider 1 weist an seiner Oberseite einen Zufluss 2 und an seiner Unterseite einen Abfluss 3 auf. Der Abfluss kann durch ein ansteuerbares Ventil 4 geöffnet oder geschlossen werden. Ein Füllstandsensor 5 ist so angebracht, dass er detektiert, wenn die Flüssigkeit ein Minimalniveau des Kondensatabscheiders 1 unterschreitet. Das ansteuerbare Ventil 4, der Füllstandssensor 5 und ein Alarmmelder 6 sind mit einer Steuereinheit 7 verbunden, die anhand der vom Füllstandssensor 5 gelieferten Signale und einer intern implementierten Steuerlogik die Ansteuersignale für das Ventil 4 erzeugt. Die Steuereinheit 7 kann als Mikroprozessor ausgeführt sein, auf dem ein Programm abläuft, welches das erfindungsgemäße Verfahren realisiert.
Durch den Zufluss 2 gelangt die Flüssigkeit in den Kondensatabscheider 1. Bei geöffnetem Ventil 4 wird der Kondensatabscheider 1, unterstützt durch den im Kondensatabscheider 1 oberhalb des Flüssigkeitsniveaus anliegenden Systemgasdruck, durch den Abfluss 3 entleert. Unterschreitet der Füllstand der Flüssigkeit bei geöffnetem Ventil 4 das Behälterminimalniveau, was durch den Füllstandssensor 5 detektiert wird, wird das Ventil 4 geschlossen. Dies verhindert eine völlige Entleerung des Kondensatabscheiders 1, wodurch vermieden wird, dass Wasserstoff-Gas, das sich eventuell oberhalb der Flüssigkeitssäule befindet, in die Umgebung gelangt. Das Ventil 4 bleibt anschließend während einer vorgebbaren Schließzeit geschlossen. Die Schließzeit t_zu wird in Abhängigkeit einer Behältervolumendifferenz zwischen dem Behältermaximalniveau V_max und dem Behälterminimal niveau V_min und einer maximalen Volumenzuflussrate Q_zu der Flüssigkeit nach der Formel
gewählt, wodurch sichergestellt wird, dass die Flüssigkeit das Behältermaximalniveau nicht überschreitet. Die Behältervolumendifferenz zwischen dem Behältermaximalniveau und dem Behälterminimalniveau entspricht dem minimal erforderlichen Behältervolumen. Die maximale Volumenzuflussrate kann beispielsweise empirisch ermittelt oder aus spezifischen Kenngrößen der Füllstandsregelung, wie beispielsweise Leitungsquerschnitten, Betriebsdrücken etc., bestimmt werden.
Bei konstanter Volumenzufluss- und Volumenabflussrate ergibt sich ein periodisches Ansteuersignal des Ventils 4 mit einem festen Verhältnis zwischen Öffnungs- und Schließzeiten. Die Periodendauer des Ansteuersignals und die Öffnungsdauer hängen vom Verhältnis der Volumenzufluss- und Volumenabflussrate und der gewählten Schließzeit ab.
Durch Überwachung der Öffnungszeit des Ventils 4 auf Überschreiten eines Maximalwertes wird auf einen gestörten Betrieb der Anlage geschlossen. Die Öffnungszeit wird in der Steuereinheit 7 ermittelt und mit einem zulässigen Maximalwert verglichen. Der Maximalwert ergibt sich aus der Formel:
wobei t_zu die Schließzeit, Q_zu eine maximale Volumenzuflussrate in den Kondensatabscheider 1 und Q_ab eine minimale Volumenabflussrate aus dem Kondensatabscheider 1 bezeichnen. Überschreitet die Öffnungszeit diesen Maximalwert, wird von der Steuereinheit 7 mit Hilfe des Alarmmelders 6 ein Alarmsignal ausgegeben.
Durch geeignete Wahl der Schließzeit oder die Nachführung der Schließzeit in Abhängigkeit von der ermittelten Öffnungszeit ist es möglich, die Umschalthäufigkeit des Ventils 4 zu reduzieren und die Füllstandsregelung an eine zeitlich veränderliche Zuflussrate anzupassen. Die Schließzeit wird umgekehrt proportional zu der von der Steuereinheit 7 ermittelten Öffnungszeit nachgeführt. Bei einer Zunahme der Öffnungszeit, die hauptsächlich von einer Zunahme der Zuflussrate verursacht wird, wird die Schließzeit verringert. Bei einer Abnahme der Öffnungszeit, die hauptsächlich von einer Abnahme der Zuflussrate verursacht wird, wird die Schließzeit erhöht. Dies ermöglicht eine optimale Ausnutzung der Behältervolumendifferenz zwischen dem Behältermaximalniveau und dem Behälterminimalniveau. Bei der Nachführung der Schließzeit in Abhängigkeit der ermittelten Öffnungszeit ist darauf zu achten, dass die zeitliche Veränderung der Zuflussrate größere Zeitkonstanten aufweist als die Periodendauer des Ansteuersignals.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die Füllstandsregelung der Flüssigkeit in dem Kondensatabscheider 1 zwischen dem Behältermaximal- und dem Behälterminimalniveau, die mit Hilfe nur eines einzelnen Füllstandssensors 5 zur Detektion des Behälterminimalniveaus und einer zeitlichen Ansteuerung des Ablassventils 4 arbeitet.

Claims

Verfahren zur Regelung des Füllstands einer Flüssigkeit in einem Behälter, dem die Flüssigkeit zugeführt wird, insbesondere einem Kondensatabscheider eines Brennstoffzellensystems, bei dem – überwacht wird, ob der Füllstand ein vorgebbares Behälterminimalniveau unterschreitet und der Behälter alternierend während Öffnungszyklen durch Öffnen eines Auslasses bis zum Erreichen des vorgebbaren Behälterminimalniveaus entleert und während Schließzyklen durch Schließen des Auslasses geschlossen gehalten wird, dadurch gekennzeichnet, dass – vom jeweiligen Schließzyklus auf den nächsten Öffnungszyklus nach Ablauf einer durch einen vorgebbaren Maximalwert nach oben begrenzten Schließzeit seit Beginn des Schließzyklus umgeschaltet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, das die Schließzeit kleiner oder gleich dem Quotienten aus einer Behältervolumendifferenz zwischen einem Behältermaximalniveau und dem Behälterminimalniveau und einer maximalen Volumenzuflussrate in den Behälter gewählt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , dass die Öffnungszeit des Öffnungszyklus ermittelt und eine Störungsmeldung erzeugt wird, wenn die Öffnungszeit einen Wert
überschreitet, wobei t_zu die Schließzeit, Q_zu eine maximale Volumenzuflussrate in den Behälter und Q_ab eine minimale Volumenabflussrate aus dem Behälter bezeichnen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass die Öffnungszeit des Öffnungszyklus ermittelt und die Schließzeit an die ermittelte Öffnungszeit angepasst wird.