DE10297370T5 - Sensor für ein Brennstoffzellengasgemisch - Google Patents

Abstract

Ein Sensor, einsetzbar zur Messung des Methanolgehalts innerhalb eines Gemisches, umfasst:
einen Kondensator, der über eine erste im wesentlichen zylindrische Elektrode und eine zweite Elektrode, die wenigstens teilweise die erste Elektrode umschliesst, verfügt, wobei die Elektroden räumlich so voneinander getrennt angebracht sind, dass das Gemisch zwischen den Elektroden fließen kann;
einen ersten Oszillator, der den Kondensator veranlasst in einem ersten Modus zu arbeiten, um eine Anzeige des Kapazität des Kondensators bereitzustellen, wenn sich das Gemisch zwischen den Elektroden befindet;
einen zweiten Oszillator, der den Kondensator veranlasst in einem zweiten Modus zu arbeiten, um eine Anzeige der Leitfähigkeit von dem Kondensator bereitzustellen, wenn sich das Gemisch zwischen den Elektroden befindet; und
einen Controller, der zwischen dem ersten und dem zweiten Oszillator hin- und herschaltet, um die entsprechenden Messwerte zu erhalten.

Description

• Hintergrund der Erfindung
• Technischer Anwendungsbereich
• Die Erfindung bezieht sich allgemeinen auf Sensoren für flüssige Inhaltsstoffe. Im speziellen berichtet diese Erfindung über eine Sensoranordnung mit einem einzelnen Kondensator, der zwei unterschiedliche Moden nutzt, um die gewünschten Eigenschaften eines Fluidgemisches zu bestimmen, das gebraucht wird, um zum Beispiel eine Brennstoffzelle mit Wasserstoff zu versorgen.
• Beschreibung des Standes der Technik
• Eine Vielzahl von Sensoren zur Bestimmung flüssiger Inhaltsstoffe ist bekannt. Zum Beispiel sind Brennstoffsensoren gebräuchlich, um die Zusammensetzung eines Brennstoffgasgemisches innerhalb des Brennstoffsystems eines Fahrzeugs zu bestimmen. Einige Sensoren sind in der Lage die Zusammensetzung von einem Brennstoffgasgemisch zu bestimmen, wie als ein Verhältnis oder ein Anteil des Alkoholgehalts zum Spritgehalt des Brennstoffs. Die Zündeinstellung und die Treibstoffmenge, die durch Einspritzventile zugeführt wird, werden dann in Abhängigkeit von dem bestimmten Verhältnis von einem geeigneten Treibstoffkontrollsystem abgestimmt.
• Es ist bekannt, dass sich die entsprechenden Dielektrizitätskonstanten und elektrische Leitfähigkeiten von Stoffen oder Flüssigkeiten unterscheiden, zum Beispiel aufgrund der unterschiedlichen Sauerstoffgehalte in jedem von diesen. Folglich kann die Zusammensetzung eines Flüssigkeitsgemisches von gebräuchlichen Komponenten eine gut definierbare Funktion der entsprechende Dielektrizitätskonstante, der Temperatur und der elektrische Leitfähigkeit sein.
• Bekannte Sensoren nutzen die Vorteile dieser bekannten Eigenschaften und nutzen die elektrischen Eigenschaften der Zusammensetzung der Fluidgemische, um zum Beispiel eine Bestimmung hinsichtlich der Konzentration des Fluidgemisches vorzunehmen. Beispielhafte Musterpatente in diesem Bereich des Bestrebens umfassen die US-Patente 4,945,863 und 5,367,264. Jedes dieser Patente zeigt Ansätze einen Brennstoffsensor bereitzustellen, der die elektrischen Eigenschaften eines Fluids nutzt, um die Brennstoffzusammensetzung zu bestimmen.
• Während gegenwärtige Ansätze eine Zufriedenstellung bewiesen haben, die den Fachleuten in diesem Bereich bekannt sind, so sind dort immer Bestrebungen für Verbesserungen. Zum Beispiel haben alternative Energiequellen für Fahrzeuge, wie die Brennstoffzelle, spezielle Anforderungen an die Abmessungen. Außerdem erzwingt die Einbindung in die Fahrzeugsysteme andauernd mit Nachdruck eine Minimierung der Größe der Komponenten und eine Maximierung der Vorteile bei der Eingliederung der Komponenten in das Fahrzeug hinein. Kosteneinsparungen in sehr starkem Maße sind außerdem immer ein Bestreben des Fahrzeugherstellers.
• Diese Erfindung richtet sich auf den Bedarf eines wirtschaftlichen und vorteilhaften Ansatzes, die Eigenschaften eines Ge misches zu messen, um ein Brennstoffgemisch, wie Wasserstoff zu einer Brennstoffzelle, zu liefern.
• Zusammenfassung dieser Erfindung
• Allgemein gesprochen ist diese Erfindung ein Sensor, der einen einzelnen Kondensator nutzt, der in zwei unterschiedlichen Moden arbeiten kann, um die elektrische Leitfähigkeit und die Dielektrizitätskonstante eines Gasgemisches zu bestimmen und Informationen hinsichtlich der Zusammensetzung des Gasgemisches zur Verfügung zu stellen.
• In einem Beispiel hat der Sensor einen im wesentlichen zylindrischen Teil, der ohne weiteres in den ausgewählten Standort einer Mischkammer eingebracht werden kann, wo mehrere Komponenten gemischt werden, um ein Gasgemisch vorzubereiten, welches die Brennstoffzelle mit Wasserstoff versorgt.
• In einer Darstellung hat der Kondensator des Sensors eine erste im wesentlichen zylindrische Elektrode, die koaxial zu der anderen Elektrode ausgerichtet ist. Das Gasgemisch fließt zwischen den Elektroden, so dass die Informationen der geeigneten elektrischen Leitfähigkeit und der geeigneten Dielektrizitätskonstante bestimmt werden können. Der Kondensator arbeitet effektiv in zwei Moden (in einem Beispiel werden zwei Oszillatoren genutzt), so dass die Dielektrizitätskonstanten- und elektrischen Leitfähigkeitsmesswerte bestimmt werden können.
• Die Sensormessungen können dann einer anderen Einrichtung zugänglich gemacht werden, welche die Zuführung der Komponenten zu der Mischkammer kontrolliert, soweit es erforderlich ist, um die gewünschte Zusammensetzung des Gasgemisches zu erlangen.
• Die verschiedenen Merkmale und Vorteile werden den in ihrem Bereich erfahrenen Fachleuten durch die folgende detaillierte Beschreibung der aktuellen bevorzugten Ausführungsbeispiele augenscheinlich.
• Kurzbeschreibung der Zeichnungen
• 1 stellt schematisch ein System dar, in das ein Sensor gemäß dieser Erfindung integriert ist.
• 2 veranschaulicht schematisch einen Sensor, der gemäß dieser Erfindung gestaltet ist.
• 3 ist ein Teilausschnitt, der schematisch die ausgewählten Komponenten der Darstellung von 1 veranschaulicht.
• 4 ist eine schematisch zerlegte Anordnung der Darstellung von 2.
• 5 ist ein schematisch veranschaulichtes Beispiel, welche elektronischen Bauteile gebraucht werden, um einen Sensor gemäß dieser Erfindung zu konstruieren.
• 6 veranschaulicht schematisch in genauerer Betrachtung eine beispielhafte Ausführung der elektronischen Bauteile, die für den Betrieb eines Sensors, der gemäß dieser Erfindung konstruiert ist, eingesetzt werden.
• 7 stellt graphisch ein beispielhaftes Ausgangssignal des Sensors dar, der in einer Anordnung gemäß dieser Erfindung installiert ist.
• Detaillierte Beschreibung der eingereichten Darstellungen
• 1 veranschaulicht schematisch ein System 20 zur Versorgung einer Brennstoffzelle mit Wasserstoff. In der dargestellten Anordnung werden Methanol 22, Luft 24 und Wasser 26 innerhalb einer Mischkammer 28 gemischt. Die Brennstoffzelle (nicht gezeigt) wird durch einen Ausgangsstutzen 30 mit dem Wasserstoff der Mischkammer 28 versorgt.
• Ein Controller 32 überwacht die Menge von jeder zu der Mischkammer 28 gelieferten Komponenten, um den gewünschten Prozentsatz, zum Beispiel von Methanol und Wasser, zu erreichen, so dass sich eine geeignetete Reaktion ereignet, die die gewünschte Menge von Wasserstoff für den Betrieb der Brennstoffzelle bereitstellt.
• Ein Sensor 40 ist strategisch mindestens teilweise innerhalb der Mischkammer 28 platziert, um den Controller 32 mit Informationen hinsichtlich der Zusammensetzung des Gasgemisches innerhalb der Mischkammer 28 zu versorgen. Der gemäß dieser Erfindung gestalte Sensor 40, ist ein kapazitiver Sensor, der Informationen der elektrischen Leitfähigkeit und der Dielektrizitätskonstante hinsichtlich des innerhalb der Mischkammer 28 befindlichen Gasgemisches bereitstellt. Der Sensor versieht vorzugsweise ebenso den Controller 32 mit Informationen über die Temperatur innerhalb des Gasgemisches. In mindestens einem Beispiel überwacht der Controller 32 die Menge der verschiedenen in die Mischkammer 28 gelieferten Komponenten, reagierend auf die Informationen, die der Controller 32 vom Sensor 40 erhalten hat.
• Eine Beispieldarstellung, bezugnehmend auf die 2 bis 4, von einem gemäß dieser Erfindung gestaltetem Sensor enthält ein kapazitives Sensorbauteil 42. Eine erste Elektrode 44 ist im wesentlichen zylindrisch und umringt eine zweite Elektrode 46. In dem veranschaulichten Beispiel ist die erste Elektrode 44 die Kathode, und die zweite Elektrode 46 die Anode. So wie das Gasgemisch innerhalb der Mischkammer 28 zwischen den Elektroden 44 und 46 fließt, so liefert die kapazitive Messung Informationen, zum Beispiel hinsichtlich des Prozentsatzes von Methanol und Wasser innerhalb des Gemisches. Die Eigenschaften von Methanol und Wasser sowie deren Verhältnis zum Ausgangssignal des kapazitiven Sensors sind bekannt. Zum Beispiel versorgen die durch den Sensor 40 gesammelten Informationen über die elektrischen Leitfähigkeit und die Dielektrizitätskonstante einen Hinweis auf den Methanolprozentsatz innerhalb des Gemisches, basierend auf den bekannten Eigenschaften von Methanol und den anderen Komponenten innerhalb des Gemisches. Die auf diesem Gebiet erfahrenen Fachleute werden den Vorteil bzw. Gewinn dieser Beschreibung richtig einzuschätzen wissen, wie die bekannten Eigenschaften zusammen mit einem Sensor gemäß dieser Erfindung zu nutzen sind, um Informationen bereitzustellen, die für die jeweilige Situation gebraucht werden.
• Ein sensortragendes Bauteil 48 wird am besten zusammen mit einem entsprechenden Bauteil in der Mischkammer 28 aufgenommen. In einem veranschaulichten Beispiel ist das sensortragende Bauteil 48 so angebracht, dass es außerhalb der Mischkammer 28 verbleibt. Das sensortragende Bauteil 48 hat ein Gehäuse 50 mit einem befestigten Teil, damit die Position des Sensors bezüglich der Mischkammer 28 gesichert wird. Wie in dem veranschaulichten Beispiel gezeigt, hat das befestigte Bauteil 52 Löcher, durch welche Schrauben oder andere Bauteile zur Befestigung eingebracht werden können, um das sensortragende Bauteil 48 an seinem Platz zu sichern.
• Ein sich von dem Gehäuse 50 ausdehnendes elektrisches Anschlussbauteil 54 erleichtert die Herstellung einer elektrischen Verbindung zwischen der Elektronik des Sensors 40 (wird noch nachfolgend beschrieben) und dem Controller 32. Herkömmliche elektrische Anschlussstrukturen können benutzt werden, um den Bedarf der speziellen Situation zu treffen.
• Eine Lasche 56 ist mit dem Gehäusebauteil 50 gekoppelt, damit die Elektronik des Sensors 40 eingeschlossen werden kann. In dem veranschaulichtem Beispiel wird eine installierte Dichtungsanordnung verhindern, dass irgendeine Flüssigkeit aus der Mischkammer 28 austritt, und schützt das Sensorbauteil so am besten vor Feuchtigkeit und anderen Elementen. Zwei O-Ringe 60 und zwei Abstandhalter 62 sind vorzugsweise über der Außenseite der ersten Elektrode 44 montiert. Die O-Ringe 60 dichten eine Öffnung in der Mischkammer 28 ab, durch die das Kondensatorbauteil 42 eingebracht ist. Jeder der O-Ringe 60 versieht für sich bereits eine garantierte Dichtigkeit. Zwei O-Ringe sind am besten zu gebrauchen, um eine Reservedichtung für den Umstand bereitzustellen, dass einer der O-Ringe zerstört werden oder in anderer Weise versagen sollte.
• Die dargestellte erste Elektrode 44 hat im wesentlichen eine zylindrische Form, die an beiden Enden Öffnungen hat. Eine der Öffnungen 64 ist dem Gasgemisch innerhalb der Mischkammer ausgesetzt. Eine Vielzahl von Öffnungen 68 sind am besten in der Seitenwand des Körpers der ersten Elektrode 44 vorgesehen, so dass das Fluid innerhalb der Mischkammer 28 durch die erste Elektrode 44 und dadurch zwischen den beiden Elektroden 44 und 46 des Kondensatorbauteils 42 fließen kann. In einem Beispiel ist das Kondensatorbauteil 42 generell am besten vertikal in der Mischkammer 28 installiert, so dass die Flüssigkeit innerhalb der Kammer senkrecht durch die Öffnung 64 und anschließend aus der Öffnung 68 fließen wird. Innerhalb des Bereiches dieser Erfindung können eine Vielzahl von Strukturen gebraucht werden. Die auf diesem Gebiet anerkannten Fachleute werden erkennen, wie die Elektrode des Kondensatorbauteils 42 am besten anzubringen ist, um den Bedarf der speziellen Situation zu treffen.
• Das sensortragende Bauteil 48 hat vorzugsweise eine Leiterplatte 70, die die elektronischen Bauteile für den Betrieb des Sensors trägt. Ein Abstandhalter 72 bewahrt einen gewünschten Abstand zwischen dem Laschenteil 56 und der Leiterplatte 70 und stellt somit die Positionierung der ersten Elektrode 44 über der zweiten Elektrode 46 sicher. Die Elektronik (schematisch veranschaulicht in den 5 und 6) liefert vorzugsweise den Betrieb des Kondensatorbauteils 42, um die gewünschten Messwerte der Dielektrizitätskonstanten und der elektrischen Leitfähigkeit zu erhalten.
• Das erfindungsgemässe Sensorgehäuse besitzt am besten auch die Fähigkeit, eine Temperaturmessung des Fluids bereitzustellen, welches als Dielektrikum für das Kondensatorbauteil 42 dient. In dem dargestellten Beispiel ist ein Temperatursensor 76, wie ein NTC oder eine Heißleitereinrichtung, innerhalb der zweiten Elektrode 46 angebracht. Der Körper der zweiten Elektrode 46 ist am besten hohl, so dass zwischen dem Körper der zweiten Elektrode 46 und dem Temperatursensor 76 ausreichend Platz vorhanden ist. In dem veranschaulichtem Beispiel hält ein kreuzförmiger Abstandhalter 78 den Temperatursensor 76 in der gewünschten Position innerhalb der zweiten Elektrode 46.
• Die bevorzugte Anordnung enthält ein thermisch leitfähiges Schmierfett 80, das den Körper der zweiten Elektrode 46 und den Temperatursensor 76 berührt, um sicherzustellen, dass die geeignete Wärmeleitfähigkeit zum Sensor 76 vorliegt, damit eine genauere Temperaturanzeige erreicht wird. In einem Beispiel ist ein thermisches Schmierfett eingebracht, um die Oberfläche des Elektrodenkörpers zu benetzen und mit dem Heißleiter zu koppeln, um einen maximale Konvektions- und Strahlundswärmeübertragung zu der Heißleitereinrichtung zu erreichen. Es ist am besten, dass keinen Platz zwischen dem Heißleiter und dem Sensorkörper ohne thermisches Schmierfett zu lassen, damit vermieden wird, dass ein kein unterschiedliches oder verlängertes Ansprechen auf eine Veränderung der Gasgemischtemperatur auftritt.
• Zwei Leitungen 82 ermöglichen die Herstellung des geeigneten elektrischen Anschlüsse für den Temperatursensor 76. Die kreuzförmigen Abstandhalter 78 erleichtern es, den gewünschten Abstand zwischen den Leitungen 82 innerhalb der zweiten Elektrode 46 zu bewahren. Die Leitungen 82 können, zum Beispiel, mit geeigneten elektronischen Bauteilen auf der Leiterplatte 70 verbunden werden. In einem anderen Beispiel ist der Controller 32 durch einen geeigneten Anschluss unmittelbar mit den Leitungen 82 verbunden, um das elektrische Anschlussbauteil 52 benutzen zu können.
• Wie den 3 und 4 am besten entnommen werden kann, umfasst ein beispielhafter Montageprozess für die Herstellung der beispielhaften Sensoreinrichtung zunächst den ersten Zusammenbau der Leiterplatte 70 mit den notwendigen elektronischen Bauteilen. Die zweite Elektrode 46 wird dann am besten auf der Plattengrundlage gesichert und die geeigneten elektrischen Anschlüsse sind mit den entsprechenden elektronischen Bauteilen auf der Leiterplatte 70 zu verbinden. Das veranschaulichte Beispiel enthält ein Basisbauteil 90 auf der zweiten Elektrode 46, welches zwei Montagelöcher 92 zur Einbringung geeigneter Befestigungsmittel besitzt. Des weiteren ist am besten ein Basisabstandhalter 94 über der zweiten Elektrode 46 angebracht. In dem dargestellten Beispiel sind die Montagelöcher 96 auf dem Basisabstandhalter 94 angebracht worden. Ein O-Ring 98 gefolgt von einem Abstandhalter 100 und einem weiteren O-Ring 102 werden am besten auf der zweiten Elektrode 46 angebracht.
• Die erste Elektrode 44 wird dann am besten über der zweiten Elektrode 46 bis zu einer Basistiefe 104 des ersten Elektrodenkörpers installiert, der über einer Nabe 106 auf dem Basisabstandhalter 94 angebracht ist. Die Basis 104 der ersten Elektrode 44 besitzt am besten Öffnungen 108, die in Übereinstimmung mit den Montagelöchern 96 auf dem Basisabstandhalter 94 gebracht werden, so dass Schrauben oder andere Befestigungsmittel eingebracht werden können, um die erste Elektrode 44 in ihrer Position zu sichern.
• Die O-Ringe 102 und 98 bilden eine Dichtung zwischen der äußeren Oberfläche der zweiten Elektrode 46 und der inneren Oberfläche von der äußeren Elektrode 44, so dass irgendein eintretendes Fluid nicht bis zu den Elektroden durchdringen kann, wo die Berührungsmöglichkeit mit den elektronischen Bauteilen des Sensorgehäuses bestehen würde. Die O-Ringe 98 und 102 und die Abstandhalter tragen ebenfalls dazu bei, die elektrische Isolation zwischen den Elektroden 44 und 46 zu bewahren.
• Im nächsten Schritt wird die Leiterplatte 70 getragen und in ihrer Position innerhalb des Gehäusebauteils 50 gesichert. Die geeigneten elektrischen Anschlüsse sind so konstruiert, dass ein geeigneter Leiter später mit dem Anschlussbauteil 54 verbunden werden kann, um zum Beispiel eine Verbindung mit dem Controller 32 herzustellen. Weiter ist das Plattenbauteil 56 am besten über der ersten Elektrode 44 angebracht und wird dann in dem Gehäusebauteil 50 gesichert. In einem Beispiel wird ein Heissnietverfahren zur Herstellung dieser Verbindung genutzt. Die Kupplung zwischen dem Platten- 56 und dem Gehäusebauteil 50 dichtet am besten das Gehäuse gegen Fluide oder andere in das Gehäuse 50 eindringende Elemente ab.
• Die O-Ringe 60 und die Abstandhalter 62 können dann am besten über dem Äußeren der ersten Elektrode 44 positioniert werden. Der Sensor 40 ist in diesem momentanen Zustand für eine geeignete Einfügung in die entsprechende Öffnung in der Mischkammer 28 vorbereitet.
• Aufmerksamkeit verdienen jetzt die elektronischen Bauteile, die für den Betrieb der beispielhaften Ausführung des erfindungsgemässen Sensors gebraucht werden. Die allgemeinen Methoden zur Widerstands- und Leitfähigkeitsmessung sind bekannt. Wie es augenscheinlich sichtbar wird, nutzt der erfindungsgemässe Sensor herkömmliche Messungsprinzipien, enthält aber ebenso neuartige Merkmale, die die erfundene Anordnung von früheren Sensoren unterscheidet. Die erfundene Sensoranordnung stellt vorzugsweise Informationen hinsichtlich des Methanolgehalts des Fluidgemisches innerhalb der Mischkammer 28 bereit.
• 5 veranschaulicht schematisch den Sensorkondensator 42 und die elektronischen Bauteile 170 für den Betrieb des Sensors. Ein Mikroprozessor 172 ist so programmiert, Informationen über den Widerstand, die Temperatur und die elektrische Leitfähigkeit zu sammeln, die er durch den Sensor erhalten hat, und vergleicht diese Informationen mit den auf einer ROM des Controllers 172 gespeicherten Daten, um somit eine Bestimmung der Gasgemischzusammensetzung zu liefern. Kalibrierungsparameter des Sensors sind in der EEPROM 174 gespeichert. In einem Beispiel besitzt die Controller 172 ROM eine Referenztabelle mit einer Vielzahl von vorbestimmten Sensorwerten, entsprechend den bestimmten bekannten Gasgemischen. Der Mikroprozessor 172 ist programmiert die Informationen zu verarbeiten und liefert eine Sendung über eine herkömmliche Kommunikationsstelle 176, die dann von dem Controller 32 genutzt werden kann, der für die Menge des in die Mischkammer 28 gelieferten Methanols, Wasser und Luft verantwortlich ist. Eine herkömmliche Stromquelle betreibt den Mikroprozessor 172.
• Ein einzigartiges Merkmal dieser Erfindung ist der Gebrauch eines einzelnen Kondensators 42, um die Messwerte der Leitfähigkeit und der Dielektrizität bereitzustellen. Zwei ausgewählte unterschiedliche Oszillatoren 180 und 182 sind mit dem Kondensator 42 gekoppelt, um zwei unabhängige Messungen der Leitfähigkeit und des Widerstands zu erbringen. Die erfundene Anordnung enthält eine einzelne mechanische Verbindung 183 zwischen dem Kondensator 42 und den Oszillatoren 180 und 182. Anstatt einer Umstellung der Verbindung zu dem Kondensator 42 besitzt die Beispielausführung dieser Erfindung die Umstellung der Oszillatorenausgänge. In einem derartigen Fall können parasitäre Kapazitäten die Messkapazität nicht stören.
• Die elektronischen Bauteile 170 besitzen einen Multiplexer 184, der das Ausgangssignal der Oszillatoren 180 und 182 empfängt. In einem Beispiel arbeitet einer der Oszillatoren im Megahertz Bereich, wogegen der andere Oszillator in einem Kilohertz Bereich arbeitet. Wegen dieser verhältnismäßig hohen Frequenzen ist ein Zählwerk 186 zwischen dem Multiplexer 184 und dem Mikroprozessor 172 eingebaut, das wie ein Unterteiler wirkt, so dass der Mikroprozessor 172 in der Lage ist, die Signalinformation von den Oszillatoren zu handhaben. Obwohl es schematisch wie einzelne Komponenten gezeigt wird, sind die verschiedenen Bauteile der 5 oder 6 so ausgeführt, dass zum Beispiel ein passend programmierter Mikroprozessor 172 gebraucht werden kann. Die dargestellten Abteilungen sind natürlich für das beschriebene Beispiel anwendbar, aber die beschrieben Erfindung ist so nicht begrenzt.
• Die erfundene Anordnung umfast auch den Betrieb der Oszillatoren 180 und 182 bei unterschiedlichen Frequenzen und auch unabhängig voneinander, so dass der Kondensator 42 in zwei unterschiedlichen Moden nutzbar ist, ja nachdem, welcher der Oszillatoren gerade in Betrieb ist.
• Referenzoszillatoren 188 und 190 sind vorgesehen, um Drift- und Alterungsvorgänge der Komponenten zu kompensieren. In einem Beispiel ist der Referenzoszillator 188 so eingerichtet, dass er einen Methanolgehalt bei einem unteren Ende des zu erwartenden Spektrums anzeigt. Der Oszillator 190 ist entsprechend so eingerichtet, einen Methanolgehalt, der am gegenüber liegenden oberen Ende eines erwarteten Spektrums liegt, anzuzeigen. In einem Beispiel entspricht der Referenzoszillator 188 einem zehnprozentigen Methanolgehalt, während dagegen der Referenzoszillator 190 einem neunzigprozentigen Methanolgehalt entspricht. Die Referenzoszillatoren sind am besten dort befestigt, wo sie über die Lebensdauer des Sensorgehäuses nicht angegriffen oder beschädigt werden können.
• Wie erwähnt, wird als weiterer Faktor zur Bestimmung der Zusammensetzung des Gemisches die Temperatur des Gemisches herangezogen. Die veranschaulichte beispielhafte Anordnung umfasst einen anderen Oszillator 192, der mit einem Heißleiter 80 gekoppelt ist. Dieser Heißleiter 80 erhält Informationen über die Temperatur des Gemisches. Ein Referenzoszillator 196 ist gewählt worden, um Kalibrierungsinformationen zur Kompensation des Driftens und die Alterns des Oszillators 192 zu liefern.
• Der Gebrauch von Oszillatoren in Kombination mit Kondensatoren zur Erlangung der notwendigen Informationen hinsichtlich der Gemischzusammensetzung ist bekannt. Ein vorteilhafter Unter schied dieser Erfindung ist, dass ein einzelner Kondensator 42 in zwei Moden genutzt werden kann, und dass nur eine einzelne mechanische Verbindung 183 zwischen dem Kondensator 42 und den Oszillatoren 180 und 182 besteht, wodurch das gesamte Gehäuse vereinfacht und wirtschaftlicher gestaltet werden kann.
• Der Mikroprozessor 172 ist vorzugsweise so programmiert, zwischen den Oszillatoren 180 und 182 hin- und herzuschalten und die geeigneten Messwerte der Leitfähigkeit oder des Widerstandes zu ermitteln. In dem Beispiel von 6 sind elektronische Schalter 200 und 202 installiert, deren Betrieb durch den Mikroprozessor 172 ausgewählt worden ist, um den erwünschten Betrieb der Oszillatoren zu erreichen und die gewünschten Messwerte zu erhalten. Dementsprechend überwacht der Mikroprozessor 172 die elektronischen Schalter 204 und 206, damit er jeden der Referenzoszillatoren 188 und 190 auswählen kann.
• Die Anordnung der elektronischen Bauteile für den Betrieb eines gemäß dieser Erfindung gestalteten Sensors kann verschiedene Varianten enthalten. In dem Beispiel nach 6 ist eine spezielle Ausführung der gesamten erfinderischen Strategie veranschaulicht. Der auf seinem Gebiet erfahrene Fachmann wird den Vorteil dieser Beschreibung erkennen und fähig sein, zwischen den kommerziell verfügbaren elektronischen Bauteilen oder der speziell gestalteten Hardware und Software zu wählen, um den Bedarf von seiner spezieller Situation zu decken.
• In einem Beispiel ist das Ausgangssignal des Sensors 40 ein Frequenz- und Negativpulsweiten moduliertes Signal. 7 ist eine grafische Darstellung einer speziellen Ausgangssignalstrategie, die mit einem gemäß dieser Erfindung gestalteten Sensor genutzt wird. Das Sensorausgangssignal 250 enthält eine Serie von positiven Pulsen 252 und negativen Pulsen 254. In diesem Beispiel zeigt die Frequenz 256 der Pulsfolge den Prozentsatz des Methanols innerhalb des Gemisches an. Eine 50 Hertz Frequenz zum Beispiel entspricht einem nullprozentigen Methanolgehalt. Eine 150 Hertz Frequenz entspricht dagegen einem hundertprozentigen Methanolgehalt. Alle zehn Hertz Zuwachs zwischen 50 Hertz und 150 Hertz entsprechen einer zehnprozentigen Veränderung in der Menge des Methanols innerhalb des Gemisches. Abhängig von der gewählten Gestaltung des Mikroprozessors 172, ist entweder der Controller 32 oder der Mikroprozessors 172 so programmiert, die auf der Frequenz des Sensorausgangssignals 250 basierende Information über den Methanolgehalt zu erkennen.
• Die erfinderische Anordnung beinhaltet ebenso die Veränderung des Betriebszykluses (zum Beispiel die relative positive und negative Impulsbreite), um die erkannte Temperatur bzw. die erkannte Leitfähigkeit anzuzeigen. In dem dargestellten Beispiel zeigt jede andere negative Pulsbreite die Temperatur oder die Leitfähigkeit an. Die Pulsbreite 258 zeigt die durch den Temperatursensor 76 gemessene Temperatur an. In einem Beispiel entspricht eine Pulsbreite von einer Millisekunde einer Temperatur von 0° C, während dagegen eine Impulsbreite von fünf Millisekunden einer Temperatur von 100° C entspricht. Jeder der Mikroprozessoren 172 oder der Controller 32 ist so programmiert, die Information über die Pulsweite 258 mit einer vorher ausgewählten Temperaturskala in Übereinstimmung zu bringen.
• Jeder abwechselnde negative Puls hat eine Pulsbreite 260, die eine Informationen über die Leitfähigkeit anzeigt, die durch das Kondensatorbauteil 42 des Sensors 40 gesammelt worden sind. Eine geeignete Skala bezüglich der zeitlich abgestimmten Informationen über die Leitfähigkeitsmesswerte (zum Beispiel die Impulsbreite 260) wird am besten so ausgewählt, so dass der Bedarf der gegebenen Situation gedeckt wird. Der auf seinem Gebiet erfahrene Fachmann wird den Vorteil dieser Beschreibung erkennen und wissen, was sich für seine spezielle Situation am besten ergeben wird.
• Durch die Nutzung jeder anderen negativen Pulsbreite als Information hinsichtlich der gemessenen Temperatur bzw. Leitfähigkeit liefert die erfinderische Anordnung ein einzigartiges Sensorausgangssignal, das geeignet und auch wirtschaftlich ist, die gemessenen Informationen gemeinsam mit den Informationen der Dielektrizitätskonstante (z.B. Prozentsatz des Methanolgehalts) zu übermitteln. Natürlich sind dabei auch Varianten für die Art des Sensorausgangssignals vom Umfang dieser Erfindung abgedeckt.
• Die vorangegangene Beschreibung ist daher beispielhaft und begrenzt der Umfang der vorliegenden Erfindung nicht. Mögliche Variationen und Modifikationen in den bekannt gegebenen Beispielen sind für jeden auf seinem Gebiet erfahrenen Fachmann zu erkennen, sie machen jedoch auch vom Wesen dieser Erfindung Gebrauch. Der Bereich des gegebenen gesetzlichen Schutzes kann nur durch die Untersuchung der folgenden Patentansprüche bestimmt werden.
• Zusammenfassung
• Ein Sensor (40) umfasst einen einzigen Kondensator (42), der in zwei unterschiedlichen Moden betrieben wird, um die Kapazitäts- und Leitfähigkeitsinformation zu erhalten, wenn ein Gemisch zwischen den Elektroden (44, 46) des Kondensator fliesst. Der erfinderische Sensor ist sehr gut geeignet, die Methanol-Konzentration in einem Gemisch zu messen, welches bestimmt ist, eine Brennstoffzelle mit Wasserstoff zu versorgen. Zwei verschiedene Oszillatoren (180, 182) werden selektiv benutzt, um die Kapazitäts- und Leitfähigkeitsinformation zu gewinnen. In einer offenbarten Ausführungsform umfasst der Kondensator (42) eine äussere Elektrode (44), welches eine innere Elektrode (46) beabstandet umfasst, damit in dem Zwischenraum das Gemisch strömen kann. Das Gemisch fungiert dabei als Dielektrikum des Kondendators und erlaubt so die Kapazitäts- und Leitfähigkeitsmessung. Ein beispielhafter Sensor (42) umfasst ausserdem einen Temperatursensor (76), der in vorteilhafter Weise innerhalb der inneren Elektrode (46) gehalten ist.
  2

Claims (20)

1. Ein Sensor, einsetzbar zur Messung des Methanolgehalts innerhalb eines Gemisches, umfasst: einen Kondensator, der über eine erste im wesentlichen zylindrische Elektrode und eine zweite Elektrode, die wenigstens teilweise die erste Elektrode umschliesst, verfügt, wobei die Elektroden räumlich so voneinander getrennt angebracht sind, dass das Gemisch zwischen den Elektroden fließen kann; einen ersten Oszillator, der den Kondensator veranlasst in einem ersten Modus zu arbeiten, um eine Anzeige des Kapazität des Kondensators bereitzustellen, wenn sich das Gemisch zwischen den Elektroden befindet; einen zweiten Oszillator, der den Kondensator veranlasst in einem zweiten Modus zu arbeiten, um eine Anzeige der Leitfähigkeit von dem Kondensator bereitzustellen, wenn sich das Gemisch zwischen den Elektroden befindet; und einen Controller, der zwischen dem ersten und dem zweiten Oszillator hin- und herschaltet, um die entsprechenden Messwerte zu erhalten.
2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein einzelner mechanischer Anschluss zwischen dem ersten und dem zweiten Oszillator und dem Kondensator vorgesehen ist, wobei der Controller den entsprechenden Oszillator selektiv auswählt, um die gewünschten Sensorsignale zu erlangen.
3. Sensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass elektronische Schalter, die mit jedem der Oszillatoren verbunden sind, vorgesehen sind und in Antwort auf den Controller den ausgewählten Oszillator mit dem Kondensator elektrisch verbinden.
4. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass einen Temperatursensor vorgesehen ist, den innerhalb der zweiten Elektrode getragen ist, wobei der Temperatursensor die Temperatur des Gemisches misst.
5. Sensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Controller benutzt die Informationen über die Temperatur, die Kapazität und die Leitfähigkeit, um die Zusammensetzung des Gemisches zu bestimmen.
6. Sensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Speicherbauteil vorgesehen ist, welches eine Vielzahl von vorbestimmten Werten einer Gemischzusammensetzung beinhaltet, wobei der Controller basierend auf den Informationen über die Temperatur, der Kapazität und der Leitfähigkeit mit den vorbestimmten Werten die Zusammensetzung.
7. Sensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Elektrode hohl ist und einen Abstandhalter umfasst, der den Temperatursensor in einer bestimmten Posi tion innerhalb der zweiten Elektrode hält.
8. Sensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein thermisch leitfähiges Schmierfett an einer Stelle zwischen der inneren Oberfläche der zweiten Elektrode und dem Temperatursensor vorgesehen ist, wobei das thermisch leitfähige Schmierfett die zweite Elektrode und den Temperatursensor kontaktiert.
9. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor liefert eine Form der Ausgangswelle, die eine Periode entsprechend der gemessenen Kapazität und eine zeitliche Information entsprechend der gemessenen Leitfähigkeit umfast.
10. Sensor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die zeitliche Informationen in Form einer Pulsbreite umfasst ist.
11. Sensor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die zeitliche Informationen in Form eines Betriebszyklus umfasst ist.
12. Sensor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorausgangssignal eine zweite zeitliche Information umfasst, die zur gemessenen Temperatur korrespondiert, welche durch den in dem Sensor enthaltenen Temperatursen sor ermittelt worden ist.
13. Sensor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die zeitliche Information entsprechend der erfassten Leitfähigkeit und die zweite zeitliche Information entsprechend der gemessenen Temperatur in Form der Veränderung der Zykluszeit des Wellenformausgangssignals umfasst sind.
14. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Elektrode umfasst einen hohlen im wesentlichen zylindrischen Körper mit Öffnungen an beide Enden und die zweite Elektrode umfasst einen im wesentlichen zylindrischen Körper, der mindestens ein geschlossenes Ende hat, wobei eine dichtende Anordnung nahe einem Ende der Elektroden zur fluidmässigen Abdichtung eines Raumes zwischen der ersten und der zweiten Elektrode vorgesehen ist.
15. Sensor nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Elektrode über wenigstens eine Öffnung in der Seitenwand der Elektrode verfügt, damit das Fluid durch eines der offenen Enden der ersten Elektrode zwischen den beiden Elektroden fließen kann und durch die Öffnung in der Seitenwand wieder austritt.
16. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein sensortragendes Bauteil vorgesehen ist, das den Controller und die Oszillatoren in einer Weise beherbergt, dass der Controller und die Oszillatoren fluiddicht von dem Gemisch isoliert sind, welches zwischen den Elektroden fließt.
17. Verfahren zur Bestimmung des Methanolgehaltes in einem Gemisch, umfassend die folgenden Schritte: – Bereitstellen eines Kondensators, der über zwei Elektroden verfügt, zwischen denen das Gemisch fließt; – Verwenden des Kondensators in einem ersten Modus, um die Leitfähigkeit des Kondensators bei zwischen den Elektroden befindlichem Gemisch zu erhalten; – Verwenden des Kondensators in einem zweiten Modus, um den Widerstande des Kondensators bei zwischen den Elektroden befindlichem Gemisch zu erhalten.
18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass ein elektrischer Betrieb eines ersten Oszillators vorgesehen ist, der eine erste Frequenz hat, die mit dem Kondensator in dem ersten Modus verbunden ist, und dass der elektrische Betrieb eines zweiten Oszillators vorgesehen ist, der eine zweite Frequenz hat, die mit dem Kondensator in dem zweiten Modus verbunden ist.
19. Verfahren nach Anspruch 17, die Temperatur des Gemisches bestimmt wird, wobei die gemessene Temperatur, die Information über die Kapazität und der Leitfähigkeit zur Bestimmung des Methanolgehalts in dem Gemisch verwendet werden.
20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorausgangssignal eine Wellenform aufweist, welche eine zur Kapazität korrespondierende Frequenz aufweist, welche eine zur Temperatur korrespondierende erste Pulsweite aufweist und eine zur Leitfähigkeit korrespondierende zweite Pulsweite aufweist.