DE19959699C1 - Vorrichtung zur Überwachung eines Gases in einem Fahrzeug - Google Patents
Vorrichtung zur Überwachung eines Gases in einem FahrzeugInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Überwachung einer Wasserstoffkonzentration in einem Medium, wobei zumindest ein wasserstoffsensitiver Sensor mit dem Medium in Kontakt ist, wobei der zumindest eine Sensor mit einer Auswerteeinheit verbunden ist und wobei die Auswerteeinheit über Alarmmittel verfügt, um bei Erreichen einer maximal zulässigen Wasserstoffkonzentration im Medium ein Alarmsignal auszulösen, wobei die Auswerteeinheit zumindest zwei getrennte Sensorkanäle aufweist und daß an jeden der zumindest zwei Sensorkanäle entweder ein Analogsensor oder eine kaskadierbare Sensorkette anschließbar ist.
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Überwachung eines
Gases in einem Medium gemäß dem Oberbegriff des unabhängigen
Anspruchs.
Bei der Verwendung von explosionsfähigen Gasen, insbesondere
Wasserstoff, ist eine zuverlässige Überwachung des Gehaltes des
explosionsfähigen Gases in einem Medium wünschenswert.
Wasserstoff ist bei Konzentrationen von mehr als 4% in Luft
brennbar, bei Konzentrationen über 17,5% sogar explosiv.
Zur Detektion verschiedener Gase sind Sensoren erforderlich,
die auf unterschiedlichen Detektionsprinzipien beruhen. Zur
Detektion von Wasserstoff sind mehrere Prinzipien bekannt, wie
Detektion mittels einer elektrochemischen Zelle,
Infrarotabsorption, elektrischer Leitfähigkeitsmessung an
Halbleiterdetektoren, katalytische Verbrennung und thermische
Leitfähigkeitsmessung.
Aus der DE 43 41 437 C1 ist ein Sicherheitssystem für ein mit
gasförmigem Kraftstoff betriebenes Fahrzeug bekannt, welches
die Versorgung der einzelnen Fahrzeugkomponenten mit
elektrischer Spannung und gasförmigem Kraftstoff überwacht und
steuert. Ein Steuergerät empfängt und verarbeitet Signale von
verschiedenen Sensoren und erzeugt daraus Fehlermeldungen sowie
Freigabesignale für verschiedene in der Spannungsversorgung
eingebaute Schalter.
Die üblichen eingesetzten Wasserstoff-Detektoren sind jedoch
sehr sensitiv auf Umgebungsbedingungen, so daß der Verwendung
bei stark schwankenden Versuchsbedingungen enge Grenzen gesetzt
sind.
Aus der DE 44 44 907 A1 ist ein Sensorsystem für mehrere kaska
dierbare Sensoren zur Ermittlung eines aktuellen Drehwinkels
rotierender Teile, wie beispielsweise die Rotorlage elektri
scher Maschinen, bekannt, deren Sensorsignale über einen
gemeinsamen Übertragungsweg einer Auswerteschaltung zuführbar
sind, bei dem bei Auftreten einer Änderung des Schaltzustands
eines Sensors die Schaltzustände aller Sensoren des Sensorsy
stems an die Auswerteschaltung übertragbar sind.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur
Detektion von Wasserstoff anzugeben, welche einfach anzuwenden
und gegen starke Temperaturschwankungen stabil ist.
Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Vorrichtung gemäß Anspruch 1 durch die
Merkmale im kennzeichnenden Teil des Anspruchs gelöst.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist eine Auswerteeinheit mit
zumindest zwei getrennten Sensorkanälen auf, wobei an zumindest
einen der zumindest zwei Sensorkanäle eine kaskadierbare Sen
sorkette anschließbar ist.
Vorteilhaft ist, daß die Sensorkette auf einfache Weise kaska
dierbar ist, so daß mit geringem Aufwand auch hohe
Sicherheitsanforderungen erfüllt werden können. Die Auswerte
einheit erkennt einen möglichen Drahtbruch oder einen
Kurzschluß an beliebiger Stelle in der Kette. Günstigerweise
werden Wasserstoffsensoren in der Kette verwendet, die ein
Schaltsignal abgegen, sobald eine kritische Wasserstoffkonzen
tration in einem Medium, vorzugsweise Luft, erreicht ist. In
der Auswerteinheit kann dazu einfach ein Stromsummensignal ge
bildet werden. Es genügen wenige Sensoren, vorzugsweise maximal
vier Sensoren, in der Kette.
Besonders bevorzugt werden Wärmeleitfähigkeitssensoren verwen
det. In einer besonders bevorzugten Weiterbildung der Erfindung
weist jeder Sensor ein Gehäuse auf, wobei ein Wasser
stoff-Detektionselement, eine Signalaufbereitung der
Sensorsignale und eine Temperaturkompensation für die
Signalaufbereitung und/oder für das Wasserstoff-
Detektionselement im Gehäuse integriert ist. Dadurch wird eine
Einsatztemperatur der Vorrichtung zwischen -40°C und bis zu
100°C möglich.
Besonders günstig ist die Vorrichtung beim Einsatz in einem
wasserstoffbetriebenen Fahrzeug oder einem Fahrzeug, welches
ein Brennstoffzellensystem aufweist.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus
den weiteren Ansprüchen und der Beschreibung hervor.
Die Erfindung ist nachstehend anhand einer Zeichnung näher
beschrieben, wobei die Figuren zeigen:
Fig. 1 eine Prinzipdarstellung einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung,
Fig. 2 eine Detailansicht von zwei parallel geschalteten
Sensoren einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
Die Erfindung ist besonders für Fahrzeuge geeignet, wie etwa
wasserstoffbetriebene Fahrzeuge oder Brennstoffzellen-
Fahrzeuge.
In Fig. 1 ist eine bevorzugte Vorrichtung schematisch
dargestellt. Eine Auswerteeinheit 1 hat zwei Eingänge als
Sensorkanäle 2, 3 für Sensoren. Die Sensoren sind so
angebracht, daß sie im Normalzustand nicht mit einem
wasserstoffhaltigen Medium in Kontakt sind, wo jedoch im
Fehlerfall eine unerwünschte Wasserstoffkonzentration auftreten
könnte.
Es kann an jeden der Sensorkanäle 2, 3 je eine Sensorkette 4, 5
oder an einen Eingang 2 oder 3 ein Analogsensor und an den
anderen Eingang 3 oder 2 eine Sensorkette. Mittels Sensorketten
können sicherheitsempfindliche Bereiche, z. B.
wasserstofführende Leitungen, entlang ihrer Erstreckung
überwacht werden.
Natürlich könnte auch je ein Analogsensor an die Sensorkanäle
2, 3 angeschlossen werden.
In der Sensorkette 4 sind Sensoren S1, S2, S3, S4 und in der
Sensorkette 5 Sensoren S5, S6, S7, S8 angeordnet. Vorzugsweise
sind die Sensoren S1-S4 und S5-S8 digitale Sensoren.
Prinzipiell können auch Analogsensoren in einer Sensorkette
angeordnet sein. Die Digitalsensoren bieten jedoch den Vorteil,
in der Auswerteeinheit 1 auf einfache Weise einen Drahtbruch
oder einen Kurzschluß in der Sensorkette zu detektieren, indem
die Sensorsignale der Sensorketten in der Auswerteeinheit 1 zu
einem Summenpunkt geführt werden und dort die Stromsumme
bestimmt wird.
Ein Analogsensor liefert kontinuierlich ein Sensorsignal,
vorzugsweise eine Spannung, die dem Gehalt von Wasserstoff im
Medium proportional ist, z. B. 1-4 V bei einem Wasserstoffgehalt
von 0-4% in Luft. Digitalsensoren geben ein Schaltsignal aus.
Solange ein kritischer Wasserstoffgehalt im Medium
unterschritten ist, ist der Spannungspegel jedes Sensors S1-S4,
S5-S8 konstant, vorzugsweise bei z. B. U0 = 5 V. Wird ein
kritischer Wasserstoffgehalt erreicht, z. B. 1,6 vol% H2 in
Luft, so sinkt die Spannung auf U1 = 0 V.
Welche Art von Sensoren an den Sensoreingängen 2, 3 und
wieviele Sensoren von welcher Art angeschlossen ist, kann über
übliche DIL-Schalter in der Auswerteeinheit 1 eingestellt
werden.
Wird ein Fehlerfall durch Überschreiten der Schaltschwelle von
einem der Digitalsensoren erkannt, oder erkennt die
Ausewerteeinheit 1 eine zu hohe Wasserstoff-Konzentration am
Ort eines Analogsensors, wird ein Alarmsignal durch ein
Alarmmittel 12 ausgelöst, etwa ein akustisches Signal oder ein
optisches Signal. Gleichzeitig wird ein Signal an einen
Schaltkontakt 11 gegeben, der ein Ventil 10 betätigt, um die
Zufuhr des wasserstoffhaltigen Mediums zu unterbrechen und/oder
Maßnahmen einzuleiten, die ein weiteres Ansteigen der
Wasserstoffkonzentration zu vermeiden. Der Schaltkontakt 11
fällt ab, wenn eine Überschreitung der maximal zulässigen
Wasserstoffkonzentration oder ein Kabelbruch oder ein
Kurzschluß in den Sensorketten detektiert wird. Ventil 10 ist
über die Leitungen 8 und 9 mit der Auswerteeinheit 1 verbunden.
Der aktuelle Status der Vorrichtung, etwa mögliche
Fehlermeldungen der Auswerteeinheit 1, der Wasserstoffgehalt im
Medium, kann über eine digitale Schnittstelle 6, z. B. einen
CAN-Bus oder eine RS 232, an einen Steuerrechner oder eine
ähnliche Datenverarbeitungsanlage (nicht dargestellt)
weitergegeben werden. Zweckmäßigerweise werden die gemessenen
Wasserstoffkonzentrationen der Sensorketten 4, 5 bzw. der
Analogsensoren sowie etwaige aktuelle Fehlerzustände zyklisch
an die Schnittstelle 6 abgegeben.
Vorzugsweise ist die Auswerteinheit 1 in SMD-Technik aufgebaut.
Zusätzlich kann noch ein Mikrocontroller (nicht dargestellt)
eingebaut sein, der zum Implementieren etwaiger
Sonderfunktionen entsprechend programmiert werden kann.
Aus Gründen des Explosionsschutzes kann die Auswerteeinheit 1
die Stromversorgung der Sensoren S1-S4, S5-S8 und von etwaigen
Analogsensoren an den Sensoreingängen 2, 3 auf einen Stromwert
begrenzen, vorzugsweise auf 100 mA.
Die Auswerteinheit 1 wird über einen Eingang 7 mit einer
Betriebsspannung versorgt, die zwischen 5 und 50 V, bevorzugt
zwischen 8 und 32 V, variieren kann. Damit ist der Betrieb über
übliche Fahrzeugbordnetze, etwa in Personenwagen oder in
Nutzfahrzeugen, möglich. Durch den weiten Bereich der
Betriebsspannungen kann die Vorrichtung ohne Änderungen sowohl
für Personenwagen als auch für Nutzfahrzeuge als auch für Busse
eingesetzt werden.
Besonders vorteilhaft ist es, bei Verwendung der Vorrichtung in
Fahrzeugen in der Auswerteeinheit 1 einen Crashsensor
vorzusehen. Dieser kann im Fehlerfall ein Signal an das Ventil
10 abgeben, um die Zufuhr des wasserstoffhaltigen Mediums zu
unterbrechen.
Die Auswerteinheit 1 überwacht die Betriebsparameter der
Vorrichtung daraufhin, ob Bedingungen erfüllt sind, die der
Sicherheit des Systems wegen notwendig sind. Es wird geprüft,
ob die Versorgungsspannung in einem zulässigen Bereich liegt,
ob die Wasserstoffkonzentration unterhalb eines maximal
zulässigen Wertes Hmax liegt, vorzugsweise unterhalb von Hmax = 1,6
vol% H2 in Luft. Es wird weiterhin der Zustand des
Schaltkontakts 11 für das Ventil 10 überprüft, etwa ob das
Ventil 10 offen oder geschlossen ist.
Es wird überprüft, ob die Sensorversorgung fehlerhaft ist und
ob die Auswerteinheit 1 funktionsfähig ist.
Vorzugsweise wird als Sensorelement ein
Wärmeleitfähigkeitssensor verwendet. Diese weisen geringe
Querempfindlichkeiten gegenüber anderen Stoffen auf. So
bewirken Benzindämpfe, Dieseldämpfe, Zigarettenrauch praktisch
keinen Einfluß auf den Wasserstoffsensor, während Propan und
Butan einen dem Wasserstoff entgegengesetzten Effekt bewirken.
Die Vorrichtung kann sowohl im kontinuierlichen Betrieb als
auch intermittierend betreiben werden. Im intermittierenden
Betrieb läßt sich so der Leistungskonsum der Vorrichtung
deutlich reduzieren.
Über lange Testzeiten zeigt sich eine sehr gute
Langzeitstabilität des Systems.
Die Sensoren werden vorzugsweise an solche Stellen z. B. in
einem Fahrzug montiert, wo eine Ansammlung von unerwünscht
austretendem Wasserstoff zu erwarten wäre. Die Sensorketten
bieten die Möglichkeit, ein wasserstoffbetriebenes System in
weiten Bereichen zu überwachen.
In Fig. 2 ist sind zwei Sensoren 13, 14 einer Sensorkette
dargestellt. Die beiden Sensoren 13, 14 sind elektrisch
parallel geschaltet und können jeweils ein Schaltsignal
abgeben.
Jeder Sensor S1-S4, S5-S8, 13, 14 weist ein Gehäuse 15 auf. In
dem Gehäuse 15 ist ein Wasserstoff-Detektionselement, eine
Signalaufbereitung für Sensorsignale und eine
Temperaturkompensation für die Signalaufbereitung und/oder für
das Wasserstoff-Detektionselement integriert. Das Wasserstoff-
Detektionselement detektiert Wasserstoff vorzugsweise mittels
Messung der Wärmeleitfähigkeit eines Mediums, welches mit dem
wasserstoffsensitiven Bereich des Elements in Kontakt ist.
Die gemessene Wärmeleitfähikgeit des Wasserstoff-
Detektionselements wird durch die Signalaufbereitung im Sensor
in eine Spannung Ua umgewandelt und in der Signalaufbereitung
mit dem Spannungswert U(Hmax) verglichen, der der maximal
zulässigen Wasserstoffkonzentration Hmax entspricht. Solange die
Messung ergibt, daß der Wasserstoffgehalt niedriger ist, steht
ein Ausgangssignal von U0 = 5 V an. Ergibt sich Ua = U(Hmax), dann
fällt das Ausgangssignal auf U = 0 V.
Um Meßfehler zu vermeiden und ein zufälliges Auslösen zu
verhindern, kann bei Erreichen des Zustandes Ua = U(Hmax)
mehrfach geprüft werden, ob der Zustand ansteht. Erst wenn der
Zustand über einen längeren Zeitraum ansteht, wird der
Schaltkontakt 11 ausgelöst. Vorzugsweise wird geprüft, ob der
Zustand mindestens 2 Sekunden andauert. Entsprechendes gilt bei
Verwendung eines Analogsensors, dessen Ausgangsspannung dem
Wasserstoffgehalt proportional ist.
Die Ausgangsspannung U0 des Wasserstoff-Detektionselements wird
in einen Konstantstrom I0 = U0 . Ra umgesetzt. Jeder Digitalsensor
liefert bei Wassrstoffkonzentrationen unterhalb von Hmax
denselben Stromwert I0. In der Auswerteeinheit 1 werden die
Ströme der einzelnen Digitalsensoren in einem Summenpunkt
zusammengeführt. Bei 4 Sensoren wird dort im Normalfall ein
Stromwert von 4 . I0 gemessen, bei 8 Digitalsensoren 8 . I0.
Detektiert einer der Sensoren in einer Sensorkette einen
unerlaubt hohen Wasserstoffpegel, so verändert sich der
Stromwert am Strom-Summenpunkt, und der Fehler wird erkannt.
Um eine Abhängigkeit des Signals des Wasserstoff-
Detektionselements von der Umgebungstemperatur zu eliminieren,
ist eine elektrische Schaltung zur Temperaturkompensation mit
in das Gehäuse 15 integriert, welche Temperatureinflüsse auf
die Signale eliminiert.
Für Analog- und Digitalsensoren läßt sich im wesentlichen
derselbe elektrische Aufbau des Sensors verwenden, wobei die
Unterscheidung zwischen Digital- und Analogdetektor in der
Signalaufbereitung des Sensors erfolgt.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist besonders für den Einsatz
in wechselnden Umgebungsbedingungen, besonders in Fahrzegen
geeignet. Sie ist stabil gegen Feuchteschwankungen zwischen 0-
100%, hohen Temperaturschwankungen (-40°C-100°C), ist EMV
verträglich, weist keine störenden Querempfindlichkeiten zu
anderen Gasen auf, braucht nicht kalibriert zu werden und hat
eine geringe Ansprechzeit von weniger als 1 s. Die
Leistungsaufnahme des Systems ist gering. Die Lebensdauer ist
groß (< 10 Jahre) und die Vorrichtung ist langzeitstabil. Die
Vorrichtung ist unempfindlich gegen Erschütterungen,
korrosionsbeständig und preiswert.
Claims (15)
1. Vorrichtung zur Überwachung der Wasserstoffkonzentration in
einem Medium, wobei wasserstoffsensitive Sensoren (S1, S2, S3,
S4, S5, S6, S7, S8, 13, 14) mit dem Medium in Kontakt sind,
wobei die Sensoren (S1, S2, S3, S4, S5, S6, S7, S8, 13, 14) mit
einer Auswerteeinheit (1) verbunden sind und wobei die Auswer
teeinheit (1) über Alarmmittel (12) verfügt, um bei Erreichen
einer maximal zulässigen Wasserstoffkonzentration (Hmax) im Me
dium ein Alarmsignal auszulösen,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Auswerteeinheit (1) zumindest zwei getrennte Sensorka
näle (2, 3) aufweist und daß in zumindest einem der
Sensorkanäle (2, 3) zumindest einige der Sensoren (S1, S2, S3,
S4, S5, S6, S7, S8, 13, 14) zu einer kaskadierbaren Sensorkette
(4, 5) geschaltet sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Sensorkette (4, 5) aus mindestens zwei Digitalsensoren
besteht, wobei die Digitalsensoren zueinander elektrisch paral
lel geschaltet sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß an zumindest einen der Sensorkanäle (2, 3) ein Analogsen
sor angeschlossen ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Sensoren (S1, S2, S3, S4, S5, S6, S7, S8, 13, 14) Wär
meleitfähigkeitssensoren sind.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß jeder Sensor (S1, S2, S3, S4, S5, S6, S7, S8, S9, 13, 14)
ein Gehäuse aufweist, in dem ein Wasserstoff-Detektionselement,
eine Signalaufbereitung der Sensorsignale und eine Temperatur
kompensation für die Signalaufbereitung und/oder für das
Wasserstoff-Detektionselement im Gehäuse integriert sind.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Alarmmittel (12) der Auswerteeinheit (1) beim Erreichen
einer maximal zulässigen Wasserstoffkonzentration zur Abgabe
eines akustischen und/oder optischen Alarmsignals und/oder zum
Auslösen eines Schaltmittels (11) zur Unterbrechung einer Zu
fuhr von Wasserstoff oder eines wasserstoffhaltigen Mediums
vorgesehen ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß eine aktuelle Sensorkombination in einer einzelnen Sensor
kette (4, 5), bestehend aus Analogsensoren oder Analogsensoren
und Digitalsensoren oder Digitalsensoren, durch DIL-Schalter in
der Auswerteinheit (1) einstellbar ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Auswerteeinheit (1) Mittel zur Überwachung und/oder
Begrenzung einer Spannungsversorgung der Sensoren (S1, S2, S3,
S4, S5, S6, S7, S8, 13, 14) aufweist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Auswerteeinheit (1) zumindest eine digitale Schnitt
stelle (6) für einen Steuerrechner zur Weitergabe von analogen
und/oder digitalen Sensorsignalen an den Steuerrechner auf
weist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Auswerteeinheit (1) einen Crash-Sensor aufweist, der
vorgesehen ist, um im Fehlerfall zusätzlich die Unterbrechung
der Zufuhr von Wasserstoff oder eines wasserstoffhaltigen Medi
ums zu bewirken.
11. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Auswerteeinheit (1) eine interne Betriebsspannung zwi
schen 5 und 50 Volt aufweist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Auswerteeinheit (1) Mittel zum Selbsttest und/oder zu
einer Sicherheitsabfrage enthält.
13. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Auswerteeinheit (1) einen programmierbaren Mikrocon
troller enthält.
14. Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis
13 in einem Fahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem.
15. Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis
13 in einem wasserstoffbetriebenen Fahrzeug.
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1999
- 1999-12-10 DE DE1999159699 patent/DE19959699C1/de not_active Expired - Fee Related
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