EP4305409A1 - Vorrichtung und verfahren zum ermitteln einer wärmeleitfähigkeit eines gases, tankanordnung und fahrzeug - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zum ermitteln einer wärmeleitfähigkeit eines gases, tankanordnung und fahrzeug

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EP4305409A1
EP4305409A1 EP22711029.3A EP22711029A EP4305409A1 EP 4305409 A1 EP4305409 A1 EP 4305409A1 EP 22711029 A EP22711029 A EP 22711029A EP 4305409 A1 EP4305409 A1 EP 4305409A1
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EP
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conductor
hydrogen
voltage
thermal conductivity
bridge
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Application number
EP22711029.3A
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Stefan Dilger
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AST Advanced Sensor Technologies International Asset GmbH
Original Assignee
AST Advanced Sensor Technologies International Asset GmbH
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Filing date
Publication date
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    • H01M2250/20—Fuel cells in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane

Definitions

  • the present invention relates to a device and a method for determining a thermal conductivity of a gas, in particular a gas mixture formed from a plurality of gases, which in particular contains a hydrogen or is a hydrogen, as well as a tank arrangement and a vehicle.
  • Hydrogen is used as the fuel.
  • a hydrogen internal combustion engine or a fuel cell can be provided as the energy source.
  • the fuel cell is usually followed by an electric motor for driving the vehicle.
  • a hydrogen tank is arranged to store the hydrogen. This can be designed as a pressure or liquid hydrogen storage or the hydrogen is stored in metal hydrides.
  • leakage sensors on the vehicle, which detect a possible escape of hydrogen from the hydrogen tank.
  • the invention is based on the object of creating a device with which a hydrogen concentration can be determined in a simple manner in terms of device technology.
  • a method for measuring a hydrogen concentration that is simple in terms of device technology and inexpensive is to be created.
  • the object with regard to the device is achieved according to the features of claim 1, with regard to the tank arrangement according to the features of claim 5, with regard to the vehicle according to the features of claim 8 and with regard to the method according to the features of claim 9.
  • the thermal conductivity of a hydrogen is determined in order to draw conclusions about the hydrogen concentration.
  • a device for determining the thermal conductivity has an electrical conductor arrangement which is designed in such a way that it can at least partially be brought into contact with the hydrogen or hydrogen mixture.
  • the conductor arrangement is designed as a voltage divider and has two elements.
  • a voltage divider is preferably understood to be a series connection of passive electrical two-terminal networks, by means of which an electrical voltage is divided.
  • the device according to the invention preferably has a measuring bridge with two voltage dividers connected in parallel, each of which has two elements.
  • One of the voltage dividers is formed by the conductor arrangement mentioned above.
  • the device has a control unit for applying an AC voltage to the measuring bridge and a voltage detection unit for detecting a bridge voltage.
  • the device has an evaluation unit that is configured in such a way that it determines the thermal conductivity and/or the concentration of the hydrogen or the hydrogen mixture by evaluating the bridge voltage using the 3-omega method.
  • the device determines whether the hydrogen or the hydrogen mixture has a predetermined thermal conductivity or concentration, so that a leak in a hydrogen storage device can be determined, for example.
  • a signal can be output, in particular via an appropriate means such as a display and/or a loudspeaker.
  • hydrogen In the gaseous state, hydrogen has a comparatively high thermal conductivity compared to other gases, for example 0.186 W/mK. If hydrogen escapes from the hydrogen tank due to a leak, this leads to a change in the thermal conductivity of the atmosphere surrounding the hydrogen tank. In the event of a leak, the atmosphere contains air and hydrogen. Due to the comparatively high thermal conductivity of the hydrogen, a change in the thermal conductivity of the atmosphere can be detected by the device with a high degree of measurement accuracy, and a leak can thus be concluded.
  • the device is designed in a simple and cost-effective manner, which makes it possible to detect hydrogen in a simple and reliable manner in terms of device technology.
  • the device is preferably designed in such a way that it can be arranged outside of a tank space of the hydrogen tank in order to indirectly determine a leakage of the hydrogen via the thermal conductivity.
  • the first element of the conductor arrangement is preferably a first conductor which, at least in the current-carrying state, has a resistance value which differs from that of the second element.
  • the second element of the conductor arrangement can be a second conductor which, in a currentless state, has the same resistance value as the first conductor.
  • the two conductors are designed in such a way that the first conductor heats up more than the second conductor in a current-carrying state.
  • the second element may be a fixed resistor used in place of the second conductor.
  • a fixed resistor is to be understood as meaning a resistor whose resistance value does not change substantially even when current is flowing through it and can therefore be regarded as essentially constant under all conditions.
  • the two resistors of the other voltage divider are designed in such a way that their resistance value can be adjusted or is changeable.
  • the two adjustable resistors are preferably designed as digital potentiometers. In the current-carrying state, the first conductor heats up and therefore changes its resistance value, so that the first conductor and the fixed resistor have a different resistance value in the current-carrying state.
  • the resistance value of the first conductor is preferably greater than that of the fixed resistor.
  • the resistance value of the first conductor can also be smaller than that of the fixed resistor.
  • the evaluation unit is configured in such a way that it adjusts the two adjustable resistors before applying an AC voltage to the measuring bridge. This configuration offers the advantage of reducing requirements for manufacturing accuracy, which is required, for example, for the first and second conductors to have the same resistance value in a de-energized state. In addition, a detection accuracy is increased since the measuring bridge is reliably adjusted by the evaluation unit before the start of a determination of the thermal conductivity.
  • the hydrogen is part of a fluid mixture that is formed from at least two fluids, in particular at least two gases, in particular from hydrogen and air, of which a thermal conductivity is preferably known in each case.
  • the evaluation unit can be configured in such a way that it determines a concentration or a mixing ratio of the fluid mixture by comparing the thermal conductivity of the fluid mixture with the thermal conductivities of the two fluids from which the fluid mixture is mixed. Accordingly, a mixing ratio of the mixed fluid can be accurately determined. It should be noted that at least one of the two fluids can also be a fluid mixture as long as the thermal conductivity thereof is known. The determination of a mixing ratio offers the advantage that the composition of the fluid mixture can be indicated to a user in an easily understandable manner.
  • the fluid is a fluid mixture, which is preferably formed from two fluids, in particular air and hydrogen, of which a thermal conductivity can be known in each case.
  • the evaluation unit can be configured in such a way that it determines a freezing point of the fluid solution determined by comparing the thermal conductivity with a straight line.
  • the straight line is obtained by a linear interpolation, in which the thermal conductivity and the freezing point of the fluid are used as reference points.
  • the values of the thermal conductivity of the two fluids are each plotted on an x-axis of a Cartesian coordinate system and the values of the freezing points of the two fluids are plotted on a y-axis of the Cartesian coordinate system.
  • the value determined for the thermal conductivity of the fluid mixture formed from the two fluids is then also plotted on the x-axis and the associated value of the freezing point of the thermal conductivity can consequently be determined as the y-axis value of the straight line at this point.
  • This linear interpolation allows the freezing point to be determined in a simple manner, and a user can assess precisely whether the fluid mixture is suitable for a specific temperature.
  • a cross-sectional area of the first conductor is smaller than that of the second conductor.
  • the ratio between the cross-sectional areas of the first conductor and the second conductor may be in the range of 3 to 5 and preferably 4.
  • the ratio of the cross-sectional areas of the first conductor and the second conductor may be in the range of 2-6. This design of the first and second conductors ensures that the first conductor is sufficiently heated, so that good detection accuracy of the change in resistance is made possible.
  • the AC voltage is sinusoidal. Accordingly, the applied AC voltage can be easily generated and is suitable for processing in the 3-omega method.
  • an amperage of a current flowing through the conductor arrangement is advantageously in the range from 150 mA to 250 mA and is preferably 200 mA.
  • the current strength can also be in the range from 100 mA to 300 mA.
  • the first and second conductors may be arranged adjacent to each other. For example, they can overlap and/or overlap each other.
  • the two conductors are preferably arranged on a common holding arrangement.
  • the first and second conductors are preferably arranged on a common circuit board or holding arrangement.
  • the first conductor and the second conductor can be designed in a meandering manner on the circuit board or holding arrangement.
  • a space-saving conductor arrangement is achieved by a meandering arrangement of one conductor or both conductors on the circuit board.
  • the use of a standard circuit board e.g. an FR4 circuit board
  • a standard circuit board e.g. an FR4 circuit board
  • a conductor is designed in a meandering shape, it has, for example, at least two legs at a parallel distance and/or adjacent to one another, which are connected via a connecting section. A large number of such legs are preferably provided, which are arranged next to one another and are connected via connecting sections.
  • the first conductor can be arranged on the holding arrangement between the legs of the second conductor. These two legs of the second conductor, between which the first conductor is arranged, can be at a greater distance from one another than the other legs.
  • the first conductor is then preferably also formed with two or more legs which are connected via one or more connecting sections. These legs can be arranged side by side, preferably at a parallel distance.
  • the first and/or the second conductor can be in the form of wires.
  • a wire is a metallic conductor with a round or angular or flat or square or profiled cross-section which, if it is not arranged on a substrate or in a holder, is completely surrounded by the fluid mixture at least in the longitudinal section of the wire.
  • the conductors designed as a wire can be dimensionally stable, wound or bent as a helix or in some other way.
  • the conductors designed as wires or the conductor designed as a wire can be prestressed by means of at least one elastic element in order to compensate for a change in length that occurs due to heating when current is flowing through it, or a change in length of the holding arrangement due to a change in temperature.
  • the elastic element can preferably be designed as a spring element. In this way, it is possible to prevent the conductor(s) designed as wires from coming into contact with other conductive sections of the device or with itself when there is a change in length or when there is a change in shape or length of the holding arrangement. In this way, short-circuiting of the wires can be reliably prevented.
  • the circuit board or the holding arrangement can be protected with a cover or a lid, which can be designed in such a way that the hydrogen or the hydrogen mixture whose thermal conductivity is to be determined can happen in order to communicate with the first and/or the second conductor to come into contact.
  • the cover or lid may be formed with slots or holes or openings for this purpose. Also can be prevented by the cover that moving bodies hit the conductor or the conductor, whereby damage can be reliably prevented.
  • the first conductor and the second conductor may be made of the same material. In this way, a simple production of the first and the second conductor can be achieved and a different material property of the two conductors does not have to be taken into account.
  • the first conductor and the second conductor may be covered with an insulating layer.
  • a lacquer or solder resist can be provided inexpensively as the insulating layer. In this way, an extremely compact arrangement of the conductors is achieved since a short circuit between adjacent meanders or helical turns of the conductor arrangement is reliably prevented.
  • the drive circuit is preferably formed from two transistor booster stages in a cost-effective and simple manner.
  • the DC voltage used in an on-board electrical system of a vehicle can be converted into AC voltage, preferably into a sinusoidal AC voltage.
  • the evaluation unit can be configured such that it filters a signal component of the bridge voltage which has the single and/or multiple frequency, preferably triple the frequency, of the AC voltage, using a software-implemented synchronous rectifier.
  • a synchronous rectifier designed as hardware is not required, as a result of which a cost saving is achieved with the device according to the invention.
  • the device is preferably designed as a module.
  • a tank arrangement which has at least one device according to one or more of the preceding aspects.
  • the tank arrangement has at least one fluid tank with at least one inner tank space that can be filled with a fluid.
  • the fluid tank is designed, for example, as a pressure accumulator or as a liquid hydrogen accumulator or as an accumulator with metal hydrides or as an accumulator with nanotubes. It would also be conceivable to store the fluid, in particular in the form of hydrogen, in the fluid tank via a chemical compound.
  • the device is preferably arranged outside the tank space in such a way as to detect a possible escaping or a possible leakage of the fluid, in particular in the form of a gas, by determining the thermal conductivity of an atmosphere surrounding the fluid tank.
  • a liquid container can have the device for determining the thermal conductivity of a fluid or fluid mixture.
  • the device is not in operative connection with the interior of the container, ie the fluid/fluid mixture in the interior does not flow around it.
  • the device is arranged in such a way that the conductor arrangement is in touch or in contact with an atmosphere surrounding the liquid container or with air or gas surrounding the liquid container. Accordingly, the change in thermal conductivity can be determined by a fluid or fluid mixture escaping into the environment. In this way it can be reliably determined whether, for example, hydrogen is escaping.
  • the fluid tank is preferably a hydrogen tank that can be filled with hydrogen.
  • the hydrogen tank can be designed as a fuel cell, for example.
  • the device is preferably set up in such a way that it detects a leakage of the hydrogen. This is advantageous since the device can detect the hydrogen with a very high degree of certainty due to the comparatively high thermal conductivity of the hydrogen. This occurs in particular due to a change in the thermal conductivity of the gas surrounding the hydrogen tank, which becomes contaminated with the hydrogen in the event of a leak.
  • a plurality of the devices are provided, which are arranged at a distance from one another.
  • the devices are in different areas with their conductor arrangement in contact with the gas surrounding the fluid tank, in particular outside of the fluid tank. Safety is thus further increased since a larger area of the fluid tank can be monitored by the devices. It would be conceivable for the devices to share one or more components, such as the evaluation unit.
  • the conductor arrangement of the device is preferably not divided, which means that a respective conductor arrangement is provided for each device, which can each be brought into contact with the fluid mixture.
  • a vehicle with a hydrogen drive and with the tank arrangement according to one or more of the aforementioned aspects is provided. This can be used safely due to the tank arrangement and can be configured in a simple manner in terms of device technology.
  • the vehicle can be an aircraft or a water-based vehicle or a land-based vehicle.
  • the land vehicle can be an automobile or a rail vehicle or a bicycle.
  • the vehicle is particularly preferably a truck or a passenger car or a motorcycle.
  • the vehicle can be designed as a non-autonomous or partially autonomous or autonomous vehicle.
  • a device is preferably arranged adjacent to the hydrogen tank or fuel cell and/or a device in the area of the underbody of the vehicle—in particular on an inside of the underbody—and/or a device in the area of the exhaust tract, in particular on the inside of the vehicle. It has been shown that hydrogen accumulates at these positions in the event of a leak and is therefore easily detectable. If such a device is provided at all positions, a safe monitoring of the hydrogen tank can be made possible.
  • a method according to the invention for determining a thermal conductivity of a hydrogen in a gas mixture with the device according to one or more of the aforementioned aspects or with a tank arrangement according to one or more of the aforementioned aspects has the following steps: applying an AC voltage to a measuring bridge; detecting a bridge voltage; and determining a thermal conductivity of the gas mixture by evaluating the bridge voltage using the 3-omega method.
  • an initial step for balancing the measuring bridge can be carried out according to one aspect of the invention.
  • the evaluation unit can then be designed in such a way that at least one of the two transistor booster stages causes a DC voltage to be applied to the measuring bridge.
  • the DC voltage has a value of 200 mV. However, the value of the DC voltage can also be between 100 mV and 500 mV inclusive.
  • the bridge voltage is then recorded and the evaluation unit changes the resistances of the two adjustable resistors. A DC voltage is then applied to the measuring bridge again and the bridge voltage is recorded.
  • this operation is performed until the bridge voltage detected in response to the applied DC voltage is substantially equal to a 0V voltage. Consequently, the measuring bridge can be reliably adjusted.
  • this procedure is preferably carried out when the system is put into operation or when recording the thermal conductivity is started, in order to initially calibrate the measuring bridge.
  • the evaluation unit can be designed such that it filters out a signal component of the bridge voltage which corresponds to the simple frequency of the AC voltage applied to the measuring bridge.
  • the amplitude of this signal component of the bridge voltage can be used as a measure of the detuning of the measuring bridge and the evaluation unit can be designed in such a way that it changes the resistance value of the adjustable resistors in such a way that the signal component of the bridge voltage, which corresponds to the simple frequency of the AC voltage applied, is im is essentially 0V.
  • This procedure offers the advantage that a detuning of the measuring bridge can be detected during a measuring operation. As a result, detuning of the measuring bridge can occur, for example, as a result of heating occur during operation and the measuring bridge can then be adjusted.
  • FIG. 1 schematically shows a circuit diagram of a device for determining a thermal conductivity of a fluid mixture
  • FIG. 2 shows a conductor arrangement according to an embodiment of the present invention with a first conductor and a second conductor which are applied to a circuit board;
  • FIG. 3 shows a flow chart of a method for determining a thermal conductivity of a fluid when using the first and the second conductor
  • FIGS. 4 and 5 show a measuring bridge with a conductor arrangement in which the first and the second conductor are in the form of wires;
  • FIGS. 6 and 7 show a measuring bridge with a conductor arrangement in which a first conductor designed as a wire and a fixed resistor are connected in series;
  • FIG. 8 shows a flow chart of a method for determining a thermal conductivity of a fluid when using the fixed resistor.
  • FIG. 1 schematically shows a circuit diagram of a device 1 for determining a thermal conductivity of a fluid.
  • the fluid is in particular a fluid mixture that can be formed from hydrogen and air.
  • the fluid mixture can arise when hydrogen unintentionally escapes from a fluid tank in the form of a hydrogen tank 50 of a vehicle 70 due to a leak.
  • the device 1 according to the present embodiment is designed for use in a vehicle.
  • a thermal conductivity of the fluid mixture is used as a measure of the mixing ratio of hydrogen to air.
  • a fluid mixture mixed with hydrogen and air therefore has a thermal conductivity that lies between the thermal conductivity of hydrogen and air, so that conclusions about the mixing ratio of the fluid mixture are possible by comparing the determined thermal conductivity with a specified thermal conductivity.
  • the device 1 for determining a thermal conductivity of a fluid mixture formed from a plurality of fluids has an electrical conductor arrangement 2 , a measuring bridge 4 , a control unit 6 , a voltage detection unit 8 and an evaluation unit 10 .
  • the electrical conductor arrangement 2 is designed in such a way that it is at least partially in contact with the air or with the fluid mixture if hydrogen escapes.
  • the electrical conductor arrangement 2 shown in FIGS. 1 and 2 is brought into contact with the air or the fluid mixture by being in contact with the air surrounding the hydrogen tank 50 .
  • the conductor arrangement 2 is therefore not in contact with the tank interior of the hydrogen tank 50 but with its surroundings.
  • the device 1 is arranged or fastened, for example, adjacent to the hydrogen tank 50 or on the outside of the hydrogen tank 50 . It would also be conceivable to provide several devices 1 for monitoring the hydrogen tank 50 .
  • the device 1 is preferably arranged on or near the hydrogen tank 50 in such a way that it can detect escaping hydrogen.
  • the electrical conductor arrangement 2 has a first conductor 21 and a second conductor 22 connected in series.
  • the first conductor 21 and the second conductor 22 have the same resistance value in a currentless state.
  • the two conductors 21, 22 are designed in such a way that the first conductor 21 heats up more than the second conductor 22 in a current-carrying state.
  • the conductor arrangement 2 shown in FIG. 2 is used, in which the two conductors 21 , 22 are arranged in a meandering manner in the form of conductor tracks on a circuit board 26 .
  • the first conductor 21 is arranged between two, in particular central, legs 23 of the second conductor 22, likewise in a meandering manner.
  • the arrangement of the two conductors 21 and 22 is not limited to the arrangement shown and the two conductors 21 and 22 can, for example, only be arranged in a meandering manner in sections.
  • only one of the two conductors 21, 22, preferably the second conductor 22, can be arranged in a meandering manner.
  • a cost-effective and robust conductor arrangement 2 can be obtained by applying the two conductors 21, 22 in the form of conductor tracks on the circuit board 26, for example on an FR4 circuit board using a known printing process.
  • the meandering arrangement of the two conductors 21, 22 offers the advantage of a space-saving arrangement of the conductor arrangement 2 in the liquid container 30.
  • a cross-sectional area of the first conductor 21 is smaller than that of the second conductor 22. Accordingly, the second conductor 22 must be longer than the first conductor 21 by the factor by which the cross-sectional area of the second conductor 22 is larger than that of the first conductor 21, so that the first conductor 21 and the second conductor 22 have the same resistance value in the de-energized state.
  • the cross section of the second conductor 22 is larger by a factor of 4, so that the first conductor 21 must have four times the length in order to have the same resistance value.
  • the factor is not limited to a factor of 4 and can range from 3 to 5, for example. Such a design of the two cross-sectional areas ensures sufficient detection accuracy in the event of a change in resistance in the current-carrying state, as described below.
  • the two conductors 21, 22 are realized by conductor tracks made of copper. However, another material such as nickel can also be used.
  • the two conductors 21, 22 are preferably made of the same material Material made so that an influence of a different material in the dimensioning and the later described change in resistance in the current-carrying state is not to be considered. In addition, when the same material is used, production of the electrical conductor arrangement 2 is simplified.
  • first and second conductors 21, 22 are preferably covered with solder resist, so that a short circuit between the individual meanders of the first and second conductors 21, 22 due to the fluid mixture present between them is avoided.
  • the degree of heating of the first conductor 21 also depends on a thermal conductivity of the fluid mixture. If the fluid mixture has a high thermal conductivity, the first conductor 21 heats up less than if the fluid mixture has a low thermal conductivity. A fluid mixture with a high thermal conductivity thus cools the first conductor 21 better than a fluid mixture with a low thermal conductivity. Accordingly, the magnitude of the change in resistance of the first conductor 21 can be used as a measure of the thermal conductivity of the fluid mixture.
  • the other voltage divider is formed by two resistors R1 and R2 or 41 and 42, each of which has the same resistance value.
  • the use of the measuring bridge 4 offers the advantage that a change in the resistance values of the first conductor 21 and the second conductor 22 due to a change in the ambient temperature is fully compensated.
  • an AC voltage is applied to the measuring bridge 4 by the control unit 6 .
  • the control unit 6 is formed from two transistor booster stages 61, 62, so that it is possible to convert the DC voltage of the on-board network of the vehicle 70 into an AC voltage.
  • the first transistor booster stage 61 applies a positive voltage and the second transistor booster stage 62 applies a negative voltage to the measuring bridge 4 in alternation.
  • the AC voltage is in particular a sinusoidal AC voltage, so that the 3-omega method described below can be carried out.
  • the drive unit 6 applies the AC voltage to the measuring bridge 4, so that a current in the range of approximately 200 mA flows in the series connection of the first and second conductors 21 and 22.
  • the current is not limited to this value and can be in the range of 150 mA to 250 mA, for example.
  • the first conductor 21 heats up by a few Kelvin, as a result of which its resistance value increases, which in turn results in the measuring bridge 4 being out of tune. Consequently, a bridge voltage Ub is present between the two voltage dividers, which is detected by the voltage detection unit 8 .
  • the bridge voltage Ub is preferably tapped between the resistors 41 and 42 on the one hand and between the conductors 21 and 22 on the other hand.
  • the voltage detection unit 8 is, as shown in Fig.
  • the amplified voltage Uv thus corresponds to the bridge voltage Ub—or the bridge voltage Ub can be inferred from the amplified voltage Uv—and processing of the amplified voltage Uv is to be understood as processing of the bridge voltage Ub.
  • the evaluation unit 10 is formed by a known microcontroller with RAM, ROM, CPU, I/O connections, A/D converter, etc.
  • the evaluation unit 10 is configured in such a way that it measures the thermal conductivity of the Fluid mixture determined by evaluating the bridge voltage Ub or the amplified voltage Uv, which corresponds to the bridge voltage Ub or which can be used to infer the bridge voltage, using the 3-omega method.
  • the 3-Omega method was first described by Jason Randall Foley in 1999 in The 3-Omega method as a nondestructive testing technique for composite material characterization. The contents thereof are incorporated herein by reference.
  • a metal wire in contact with a sample i.e. the first conductor 21, is used both as a heater and a thermometer.
  • the AC voltage U0 is applied to the measuring bridge 4 by the control unit 6, as described above, so that the current I flows through the first conductor 21 at the same frequency. Consequently, in the first conductor 21, power that oscillates at twice the frequency is converted into heat, so that a temperature of the first conductor 21 and consequently also its resistance value changes at twice the frequency of the applied AC voltage U0.
  • the measuring bridge 4 is detuned and the bridge voltage Ub, which also oscillates at twice the frequency of the change in resistance, is generated.
  • the resistance values of the two resistors 41, 42, which form the second voltage divider of the bridge circuit 4, and the resistance values of the first conductor 21 and the second conductor 22 are designed in the present embodiment so that they have the same resistance value R in a currentless state.
  • the second conductor 22 is designed in such a way that its resistance value does not change substantially in a current-carrying state.
  • the bridge voltage Ub has a signal component that has three times the frequency of the AC voltage applied to the measuring bridge 4 .
  • This so-called 3-omega signal component is filtered in software.
  • the evaluation unit 10 is therefore configured in such a way that it filters a signal component of the bridge voltage Ub, which has the multiple frequency, preferably three times the frequency, of the AC voltage, by means of a software-implemented synchronous rectifier.
  • the amplitude of the signal at three times the frequency of the bridge voltage is a direct measure of the thermal conductivity of the fluid or fluid mixture.
  • the thermal conductivity determined for the fluid mixture lies between the two values for the thermal conductivity of hydrogen and air, so that it can be used as a measure of the mixing ratio.
  • the determined thermal conductivity can then be compared with a predetermined thermal conductivity in order to assess whether hydrogen is present outside of the hydrogen tank 50 . If hydrogen is detected in the fluid mixture, a signal or alarm signal can be output.
  • the fluid mixture can be formed from the two fluids hydrogen and air, each of which has a known thermal conductivity.
  • the evaluation unit 10 according to another embodiment can then also be configured in such a way that it determines a concentration of the fluid mixture by comparing the thermal conductivity of the fluid mixture with the thermal conductivities of the two fluids.
  • Steps S1 to S6 of a method 100 for determining the thermal conductivity of a fluid or fluid mixture are described below with reference to FIG. 3 .
  • the evaluation unit 10 is configured in such a way that it controls the other components of the device 1 for determining the thermal conductivity, so that the individual steps S1 to S6 of the method 100 are carried out.
  • the evaluation unit 10 is for the purpose of obtaining further information in addition to communication with other units and means not shown, such as the detection means installed in the vehicle 70 and communicatively connected to one another via, for example, a vehicle bus.
  • the method 100 is stored in the form of software in RAM or ROM and is carried out by executing instructions through the CPU and by issuing and receiving signals at the I/O ports.
  • step S1 it is checked whether an ignition of the vehicle 70 is switched on and/or off. If it is not detected that the ignition is switched on and/or off (No in S1), there is a wait until a corresponding signal is received. If the ignition is switched on and/or off (Yes in S1), S2 is executed.
  • step S2 based on a signal received from the detection means, it is determined whether the hydrogen tank 50 is being filled and/or emptied. If it is not determined that filling and/or emptying has taken place (No in S2), the processing returns to the beginning of the method. If it is determined that charging and/or discharging has taken place, the processing goes to step S3.
  • the method 100 can also be carried out without steps S1 and S2, so that the method 100 begins directly with step S3.
  • the method 100 is repeated at a predetermined interval.
  • the method 100 can also have only one of the two steps S1 or S2.
  • the order of the two steps S1 and S2 can also be changed.
  • the evaluation unit 10 controls the drive unit 6 in order to apply the AC voltage to the measuring bridge 4, and the method 100 goes to step S4.
  • the voltage detection unit 8 detects the bridge voltage Ub or an amplified voltage Uv corresponding to the bridge voltage Ub, and the method 100 goes to S5.
  • the evaluation unit 10 filters the signal component of the voltage Uv, which corresponds to three times the frequency of the current applied to the measuring bridge 4, and uses this to determine the thermal conductivity of the fluid mixture or the air if no hydrogen has escaped.
  • the concentration and/or the freezing point of the fluid mixture is determined. However, it is not necessary for these parameters to be determined, so that method 100 can also be carried out without step S6.
  • the device 1 , the method 100 for determining a thermal conductivity of a fluid or the fluid mixture and the hydrogen tank 50 have been described for use for the vehicle 70 . It should be noted that the device 1 and the method 100 are not limited thereto and can be used in any area in which a thermal conductivity of a fluid or fluid mixture is to be determined. In addition, the hydrogen tank 50 is not limited to an application in the vehicle 70 .
  • FIGS. 4 and 5 show a measuring bridge 240 with a conductor arrangement 200 in which a first conductor 221 and a second conductor 222 are in the form of wires.
  • a wire is understood to be a metallic conductor with a round or angular cross-section, which is attached to a holding arrangement only at its two ends. The section in between is completely surrounded by the fluid mixture.
  • the first conductor 221 has a multiple length, preferably four times the length, of the second conductor 222 and for this reason has a cross section that is smaller than the cross section by the ratio of the length of the first conductor 221 to the length of the second conductor 222 of the second conductor 222 is. Accordingly, the first conductor 221 and the second conductor 222 have the same resistance value in a de-energized state.
  • the first conductor 221 is attached to the conductor arrangement 200 in a meandering manner. It should be noted that the cross section of the two conductors 221 and 222 in Fig. 4 and Fig. 5 is drawn the same for reasons of drawing. The cross section of the two conductors 221 and 222 is actually different from each other.
  • the two conductors 221 and 222 are stretched over a recessed surface 202 of a holding arrangement 201 in a plane parallel to the recessed surface 202, so that the fluid or fluid mixture completely surrounds and flows around them. In this way, the two conductors 221 and 222 can be brought into contact with the fluid or fluid mixture over their entire circumference. In this way, a detection accuracy of the thermal conductivity can be further improved by the device according to the invention.
  • the two conductors 221 and 222 are routed via openings 204, preferably from a sealed or open interior, in order to form the individual meanders.
  • the meandering sections of the conductors 221, 222 guided out of the openings 204 can extend parallel to one another and/or in a common plane.
  • an elastic or elastic element/s e.g. spring elements (not shown)
  • an elastic or elastic element/s e.g. spring elements (not shown)
  • the two conductors 221 and 222 or adjacent meanders of the first conductor 221 can be prevented from touching each other, and a short circuit can thereby be reliably prevented.
  • a change in length or shape of the holding arrangement e.g. spring elements
  • the meandering sections of the conductors 221 and 222 led out of the openings 204 can have the same length.
  • the ridges 206 extend from the fourth depressed surface 202 to a plane that is also parallel to and further from the depressed plane is spaced from the recessed surface 202 than the plane in which the first and second conductors 221 and 222 are arranged. Accordingly, the bumps 206 also prevent the first and second conductors 221 and 222 and the meanders of the first conductor 221 from coming into contact.
  • a ridge or ridges 206 is/are provided which overlaps the conductors 221 and 222 projecting from the openings 204 in order to protect this.
  • a cover with at least one fluid opening to protect the conductors 221 and 222 .
  • the advantage of the elevation(s) is that the conductors 221 and 222 are practically exposed despite the protection and can easily be brought into contact with a fluid/fluid mixture.
  • the two resistors 41 and 42 of the other branch of the measuring bridge 240 are in the form of resistors with fixed resistance values.
  • the resistance values of the two resistors 41 and 42 are selected in such a way that the measuring bridge 240 is balanced in a currentless state.
  • the two resistors 41 and 42 and the conductor arrangement 200 with the first and the second conductor 221 and 222 can be arranged on a common arrangement, such as a common circuit board, or can be arranged spatially separated from one another and connected to one another via cables.
  • Holes 208 are formed in the edge area of the holding arrangement 201, into which pins of a lid or a cover (not shown) for the conductor arrangement 200 can be inserted. Alternatively, screws can also be screwed into the holes, in which a thread is preferably formed, in order to connect the cover to the holding arrangement 201 . So that the fluid mixture can still be brought into contact with the first and second conductors 221 and 222, the cover has slits or holes through which the fluid mixture can flow to the first and second conductors 221 and 222. In addition, a risk of mechanical damage to the first and second conductors 221 and 222 can be further reduced by the cover.
  • a measuring bridge 340 is shown in FIGS. 6 and 7 .
  • the measuring bridge 340 is one the voltage divider formed by a conductor arrangement 300 according to another embodiment.
  • a conductor arrangement 300 In the conductor arrangement 300, a first conductor 321 in the form of a wire, which is attached to a holding arrangement 301, and a fixed resistor 322 are connected in series. Using this conductor arrangement 300, it is not necessary for the fixed resistor 322 to be brought into contact with the fluid, and it is sufficient if only the first conductor 312 is brought into contact with the fluid.
  • the other of the voltage dividers is formed by two adjustable resistors 341 and 342.
  • the resistors 341 and 342 are resistors whose resistance value can be changed and are preferably designed as digital potentiometers.
  • the evaluation unit 10 is configured in such a way that it sets or changes the resistance values of the resistors 341 and 342 in such a way that the measuring bridge 340 is balanced when the AC voltage U0 is initially applied.
  • the conductor arrangement 300 has only a first conductor 321, which is designed as a wire.
  • the first conductor 321 is connected to lines of the measuring bridge 340 at connections 302 .
  • the terminals 302 in the embodiment shown in Figures 8 and 9 are screwable terminals, but it is also possible to form the terminals as clamp or push-in terminals. Accordingly, the ladder assembly can be easily assembled and detached.
  • the first conductor 321 is looped and arranged in a plane parallel to a bottom surface 304 of the holding arrangement 301 .
  • the bottom surface 304 is, for example, planar or flat.
  • a frame 306 is formed around the bottom surface 304 so that the support assembly 301 is formed as a recessed housing or can in which a small proportion of the fluid resides.
  • the first conductor 321 can thus preferably be arranged inside the bushing.
  • the holding arrangement 301 designed in this way ensures that the first conductor 321 embodied as a wire is essentially completely surrounded by the fluid over an entire length. As a result, detection accuracy is further improved.
  • the first conductor 321 is guided over one or more deflection point(s) 308 and is prestressed by means of one or more elastic(s) in order to compensate for a change in length due to heating when current is flowing through and a change in shape or length of the holding arrangement 301 in the event of a temperature change .
  • the elastic elements are designed as spring elements 310 and 312 in the present embodiment.
  • a first spring element 310 biases the first conductor 321 in a direction toward an outside of the loop.
  • a second spring element 312 biases the first conductor 321 toward an inside of the loop by pulling two opposing portions of the first conductor 321 together by the second spring element 312 .
  • Elevations 314 or projections are in turn arranged inside and outside the loop of the first conductor 321, which further reliably prevent contact of the first conductor 321 with itself or with surrounding elements.
  • the holding arrangement 301 has two hollow cylinders 316 on the outsides in a central region, into which pins of a lid or a cover (not shown) can be inserted or into which screws can be screwed in order to connect the lid to the holding arrangement 301 .
  • the cover rests on the frame 306 of the conductor arrangement 300 and is in turn designed with slots or holes, so that the fluid can penetrate into the interior of the conductor arrangement 300 .
  • the risk of mechanical destruction of the holding arrangement 301 or of the first conductor 321 is reduced by the cover.
  • the support structure 301 is not limited to the first conductor 321, and a second conductor may also be arranged on a similar conductor structure.
  • the conductor arrangement 300 can also be designed in such a way that both the first conductor and the second conductor can be attached to the conductor arrangement 300 .
  • the two conductors can be routed one above the other in two parallel planes, or the second conductor, which is shorter than the first conductor, can also be used as a loop inside the loop of the first conductor, which may also be pretensioned by elastic elements. are formed.
  • FIG. 8 Shown in FIG. 8 is a flowchart of a method 400 that is performed when the measurement bridge 340 shown in FIGS. 6 and 7 is used.
  • the method 400 differs from the method 100 shown in FIG. 3 in that a step S10, in which the evaluation unit 10 adjusts the measuring bridge 340 by adjusting the resistance values of the two resistors 341 and 342, is carried out before step S1.
  • a calibration of the measuring bridge 340 is carried out as follows.
  • the evaluation unit 10 is designed to cause at least one of the two transistor booster stages 61 , 62 to apply a DC voltage to the measuring bridge 340 .
  • the DC voltage has a value of 200 mV. However, the value of the DC voltage can also be between 100 mV and 500 mV inclusive.
  • the bridge voltage Ub is recorded and the evaluation unit 10 changes the two adjustable resistors 341 and 342.
  • a DC voltage is then again applied to the measuring bridge 340 and the bridge voltage Ub is recorded. This operation is repeated until the bridge voltage Ub, which is detected in response to the applied DC voltage, is substantially equal to a voltage of 0V. Consequently, the measuring bridge 340 can be reliably adjusted. This procedure is advantageously carried out when the thermal conductivity is started up or when it is started, in order to initially calibrate the measuring bridge 340 .
  • the evaluation unit 10 can be designed such that it filters out a signal component of the bridge voltage Ub which corresponds to the simple frequency of the AC voltage U0 applied to the measuring bridge 340 .
  • the amplitude of this signal component of the bridge voltage Ub can be used as a measure for the detuning of the measuring bridge 340 and the evaluation unit 10 is designed in such a way that it measures the resistance value of the adjustable resistors 341 and 342 changes in step S10 such that the signal component of the bridge voltage, which corresponds to the simple frequency of the applied AC voltage Ub, is essentially 0 V.
  • This procedure offers the advantage that a detuning of the measuring bridge 340 can be detected during a measuring operation. Accordingly, detuning of the measuring bridge 340, which occurs, for example, as a result of heating during operation, can be detected and the measuring bridge 340 can then be adjusted.

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Abstract

Eine Vorrichtung zum Ermitteln einer Wasserstoffkonzentration oder Wasserstoffgemischkonzentration, weist auf: eine elektrische Leiteranordnung (2, 200, 300), die derart ausgestaltet ist, dass sie mit dem Wasserstoff oder Wasserstoffgemisch 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 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) and die Messbrücke (4, 240, 340), eine Spannungserfasseinheit (8) zum Erfassen einer Brückenspannung (üb), und eine Auswerteeinheit (10), die so konfiguriert ist, dass sie die Wärmeleitfähigkeit des Wasserstoffs oder Wasserstoffgemisches durch Auswerten der Brückenspannung (Ub) unter Verwendung der 3-Omega- Methode ermittelt.

Description

Vorrichtung und Verfahren zum Ermitteln einer Wärmeleitfähigkeit eines Gases,
Tankanordnung und Fahrzeug
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Ermitteln einer Wärmeleitfähigkeit eines Gases, insbesondere eines aus einer Mehrzahl von Gasen gebildeten Gasgemisches, das insbesondere einen Wasserstoff aufweist oder ein Wasserstoff ist, sowie eine Tankanordnung und ein Fahrzeug.
Es sind Fahrzeuge, wie beispielsweise Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen, bekannt, die einen Wasserstoffantrieb aufweisen. Als Treibstoff dient hierbei Wasserstoff. Als Energiequelle kann insbesondere ein Wasserstoffverbrennungsmotor oder eine Brennstoffzelle vorgesehen sein. Der Brennstoffzelle wiederum ist üblicherweise ein Elektromotor zum Antreiben des Fahrzeugs nachgeschaltet. Zur Speicherung des Wasserstoffs ist ein Wasserstofftank angeordnet. Dieser kann als Druck- oder Flüssigkeitswasserstoffspeicher ausgebildet sein oder der Wasserstoff wird in Metallhydriden gespeichert. Als Sicherheitsvorkehrung ist es notwendig Leckagesensoren am Fahrzeug anzuordnen, die einen möglichen Austritt des Wasserstoffs aus dem Wasserstofftank erkennen.
Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde eine Vorrichtung zu schaffen, mit der auf vorrichtungstechnisch einfache Weise eine Wasserstoffkonzentration ermittelbar ist. Außerdem ist es die Aufgabe der Erfindung ein/e vorrichtungstechnisch einfache/s ausgestaltete/s und kostengünstige/s Tankanordnung für einen Wasserstoff und Fahrzeug mit einem Wasserstoffantrieb zu schaffen, die/das sicher einsetzbar ist. Außerdem soll ein Verfahren zur vorrichtungstechnisch einfachen und kostengünstigen Messung einer Wasserstoffkonzentration geschaffen werden.
Die Aufgabe hinsichtlich der Vorrichtung wird gelöst gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1, hinsichtlich der Tankanordnung gemäß den Merkmalen des Anspruchs 5, hinsichtlich des Fahrzeugs gemäß den Merkmalen des Anspruchs 8 und hinsichtlich des Verfahrens gemäß den Merkmalen des Anspruchs 9.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Erfindungsgemäß wird die Wärmeleitfähigkeit eines Wasserstoffs, insbesondere eines Wasserstoffgemisches, wie beispielsweise Wasserstoff und Luft, ermittelt, um einen Rückschluss über die Wasserstoffkonzentration zu ziehen. Eine Vorrichtung zum Ermitteln der Wärmeleitfähigkeit weist dazu eine elektrische Leiteranordnung auf, die derart ausgestaltet ist, dass sie zumindest teilweise mit dem Wasserstoff oder Wasserstoffgemisch in Kontakt bringbar ist. Die Leiteranordnung ist als ein Spannungsteiler ausgebildet und weist zwei Elemente auf. Als Spannungsteiler ist vorzugsweise eine Reihenschaltung aus passiven elektrischen Zweipolen, durch die eine elektrische Spannung aufgeteilt wird, zu verstehen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist vorzugsweise 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 und/oder die Konzentration des Wasserstoffs oder des Wasserstoffgemisches durch Auswerten der Brückenspannung unter Verwendung der 3-Omega-Methode ermittelt. Durch die Verwendung der Vorrichtung kann bestimmt werden, ob der Wasserstoff oder das Wasserstoffgemisch eine vorgegebene Wärmeleitfähigkeit oder Konzentration aufweist, so dass beispielsweise eine Leckage eines Wasserstoffspeichers ermittelbar ist. Dazu kann beispielsweise bei einer Gefahr oder bei einer vorbestimmten Konzentration des Wasserstoffs oder einer Konzentration des Wasserstoffs, die größer Null ist, ein Signal, insbesondere über ein entsprechendes Mittel, wie etwa eine Anzeige und/oder einen Lautsprecher, ausgegeben werden. Wasserstoff weist im gasförmigen Zustand im Vergleich zu anderen Gasen eine vergleichsweise hohe Wärmeleitfähigkeit auf, beispielsweise 0,186 W/mK. Tritt bei einer Leckage des Wasserstofftanks ein Wasserstoff aus diesem aus, so führt dies zu einer Änderung der Wärmeleitfähigkeit der den Wasserstofftank umgebenden Atmosphäre. Die Atmosphäre weist bei einer Leckage Luft und Wasserstoff auf. Durch die vergleichsweise hohe Wärmeleitfähigkeit des Wasserstoffs kann von der Vorrichtung mit einer hohen Messgenauigkeit eine Änderung der Wärmeleitfähigkeit der Atmosphäre erkannt werden und somit auf eine Leckage geschlossen werden. Die Vorrichtung ist einfach und kostengünstig ausgestaltet, womit eine vorrichtungstechnisch einfach und sichere Wasserstoffdetektion ermöglicht ist.
Vorzugsweise ist die Vorrichtung derart ausgestaltet, dass diese außerhalb eines Tankraums des Wasserstofftanks anordbar ist, um eine Leckage des Wasserstoffs indirekt über die Wärmeleitfähigkeit zu ermitteln.
Das erste Element der Leiteranordnung ist vorzugsweise 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 der Wasserstoff ein Teil eines Fluidgemisches, das aus zumindest zwei Fluiden, insbesondere zumindest zwei Gasen, insbesondere aus Wasserstoff und Luft, 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 anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung ist das Fluid ein Fluidgemisch, das bevorzugt aus zwei Fluiden, insbesondere Luft und Wasserstoff, gebildet ist, von denen jeweils eine Wärmeleitfähigkeit 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.
Auf der Platine oder Halteanordnung 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, zumindest bei einem Drahtlängsabschnitt 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 weiteren vorteilhaften Aspekt kann die Platine oder die Halteanordnung mit einer Abdeckung oder einem Deckel geschützt sein, die derart ausgebildet sein können, dass der Wasserstoff oder das Wasserstoffgemisch, 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 oder Öffnungen ausgebildet sein. Außerdem kann durch die Abdeckung verhindert werden, dass bewegliche 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 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.
Die Vorrichtung ist vorzugsweise als Modul ausgebildet. Erfindungsgemäß ist eine Tankanordnung vorgesehen, die zumindest eine Vorrichtung gemäß einem oder mehreren der vorgehenden Aspekte aufweist. Die Tankanordnung hat zumindest einen Fluidtank mit zumindest einem inneren Tankraum, der mit einem Fluid befüllbar ist. Der Fluidtank ist beispielsweise als Druckspeicher oder als Flüssigwasserstoffspeicher oder als Speicher mit Metallhydriden oder als Speicher mit Nanoröhren ausgebildet. Denkbar wäre auch das Fluid, insbesondere in Form des Wasserstoffs über eine chemische Verbindung in dem Fluidtank zu speichern. Die Vorrichtung ist vorzugsweise außerhalb des Tankraums derart angeordnet ist, um ein mögliches Austreten oder eine mögliche Leckage des Fluids, insbesondere in Form eines Gases, durch Ermittlung der Wärmeleitfähigkeit einer den Fluidtank umgebenden Atmosphäre zu detektieren.
Mit anderen Worten kann ein Flüssigkeitsbehälter die Vorrichtung zum Ermitteln der Wärmeleitfähigkeit eines Fluids oder Fluidgemisches aufweisen. Die Vorrichtung ist hierbei nicht mit dem Behälterinnenraum in Wirkverbindung, also nicht vom Fluid/ Fluidgemisch im Innenraum umströmt. Dagegen ist die Vorrichtung derart angeordnet, dass die Leiteranordnung mit einer den Flüssigkeitsbehälter umgebenden Atmosphäre oder einer den Flüssigkeitsbehälter umgebenden Luft oder Gas in Berührung oder in Kontakt ist. Demzufolge kann die Änderung der Wärmeleitfähigkeit durch eines in die Umgebung austretenden Fluids oder Fluidgemisches ermittelt werden. Auf diese Weise kann zuverlässig bestimmt werden, ob beispielsweise Wasserstoff austritt.
Vorzugsweise ist der Fluidtank ein Wasserstofftank, der mit Wasserstoff befüllbar ist. Der Wasserstofftank kann beispielsweise als Brennstoffzelle ausgebildet sein. Die Vorrichtung ist vorzugsweise derart eingerichtet, eine Leckage des Wasserstoffs zu detektieren. Dies ist vorteilhaft, da die Vorrichtung aufgrund der vergleichsweise hohen Wärmeleitfähigkeit des Wasserstoffs diesen mit einer sehr hohen Sicherheit erfassen kann. Dies erfolgt insbesondere aufgrund einer Änderung der Wärmeleitfähigkeit des den Wasserstofftank umgebenden Gases, dass bei einer Leckage mit dem Wasserstoff verunreinigt wird.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind eine Mehrzahl von den Vorrichtungen vorgesehen ist, die beabstandet zueinander angeordnet sind. Die Vorrichtungen sind in unterschiedlichen Bereichen mit ihrer Leiteranordnung in Kontakt mit dem den Fluidtank umgebenden Gases, insbesondere außerhalb des Fluidtanks. Somit ist die Sicherheit weiter erhöht, da ein größerer Bereich des Fluidtanks durch die Vorrichtungen überwachbar ist. Denkbar wäre, dass sich die Vorrichtungen ein oder mehrere Bauteil/e teilen, wie beispielsweise die Auswerteeinheit. Die Leiteranordnung der Vorrichtung wird vorzugsweise nicht geteilt, womit bei einer jeweiligen Vorrichtung eine jeweilige Leiteranordnung vorgesehen ist, die jeweils mit der Fluidgemisch in Kontakt bringbar sind.
Erfindungsgemäß ist ein Fahrzeug mit Wasserstoffantrieb und mit der Tankanordnung gemäß einem oder mehreren der vorgenannten Aspekte vorgesehen. Dieses ist durch die Tankanordnung sicher einsetzbar und vorrichtungstechnisch einfach ausgestaltbar.
Das Fahrzeug kann ein Luftfahrzeug oder ein wassergebundenes Fahrzeug oder ein landgebundenes Fahrzeug sein. Das landgebundene Fahrzeug kann ein Kraftfahrzeug oder ein Schienenfahrzeug oder ein Fahrrad sein. Besonders bevorzugt ist das Fahrzeug ein Lastkraftwagen oder ein Personenkraftwagen oder ein Kraftrad. Das Fahrzeug kann des Weiteren als nicht-autonomes oder teil-autonomes oder autonomes Fahrzeug ausgestaltet sein.
Vorzugsweise ist eine Vorrichtung benachbart zum Wasserstofftank oder Brennstoffzelle und/oder eine Vorrichtung im Bereich des Unterbodens des Fahrzeugs - insbesondere auf einer Innenseite des Unterbodens - und/oder eine Vorrichtung im Bereich des, insbesondere Fahrzeuginnenseitigen, Abgastrakts angeordnet. Es hat sich gezeigt, dass sich an diesen Position Wasserstoff bei einer Leckage ansammelt und somit leicht nachweisbar ist. Ist an allen Positionen eine derartige Vorrichtung vorgesehen, so kann eine sichere Überwachung des Wasserstofftanks ermöglicht werden.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Ermitteln einer Wärmeleitfähigkeit eines Wasserstoffs in einem Gasgemisch mit der Vorrichtung gemäß einem oder mehreren der vorgenannten Aspekte oder mit einer Tankanordnung gemäß einem oder mehreren der vorgenannten Aspekte weist folgende Schritte auf: Anlegen einer Wechselspannung an eine Messbrücke; Erfassen einer Brückenspannung; und Ermitteln einer Wärmeleitfähigkeit des Gasgemisches durch Auswerten der Brückenspannung unter Verwendung der 3-Omega-Methode.
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.
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 schematisch einen Schaltplan einer Vorrichtung zum Ermitteln einer Wärmeleitfähigkeit eines Fluidgemisches;
Fig. 2 eine Leiteranordnung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit einem ersten Leiter und einem zweiten Leiter, die auf einer Platine aufgebracht sind;
Fig. 3 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Ermitteln einer Wärmeleitfähigkeit eines Fluids bei Einsatz des ersten und des zweiten Leiters;
Fig. 4 und Fig. 5 eine Messbrücke mit einer Leiteranordnung bei der der erste und der zweite Leiter als Drähte ausgebildet sind;
Fig. 6 und Fig. 7 eine Messbrücke mit einer Leiteranordnung, bei der ein als Draht ausgebildeter erster Leiter und ein Festwiderstand in Reihe geschaltet sind; und
Fig. 8 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Ermitteln einer Wärmeleitfähigkeit eines Fluids bei Einsatz des Festwiderstands.
Nachfolgend wird eine Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben. Fig. 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 Wasserstoff und Luft ausbildbar ist. Das Fluidgemisch kann entstehen, wenn Wasserstoff aufgrund einer Undichtigkeit ungewollt aus einem Fluidtank in Form eines Wasserstofftanks 50 eines Fahrzeugs 70 austritt. Des Weiteren ist die Vorrichtung 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform für eine Anwendung in einem Fahrzeug ausgestaltet. Bei der vorliegenden Ausführungsform wird eine Wärmeleitfähigkeit des Fluidgemisches als Maß für das Mischungsverhältnis von Wasserstoff zu Luft verwendet. Ein aus Wasserstoff und Luft gemischtes Fluidgemisch weist demzufolge eine Wärmleitfähigkeit auf, die zwischen der Wärmeleitfähigkeit von Wasserstoff und Luft liegt, so dass ein Rückschluss über das Mischungsverhältnis des Fluidgemisches möglich ist, indem die ermittelte Wärmeleitfähigkeit mit einer vorgegebenen Wärmeleitfähigkeit verglichen wird.
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 Luft oder mit dem Fluidgemisch, falls Wasserstoff austritt, in Kontakt steht. Die in den Figuren 1 und 2 gezeigte elektrische Leiteranordnung 2 wird mit der Luft oder dem Fluidgemisch in Kontakt gebracht, indem sie mit der den Wasserstofftank 50 umgebenden Luft in Verbindung steht. Die Leiteranordnung 2 steht somit nicht mit dem Tankinneren des Wasserstofftanks 50 in Kontakt, sondern mit seiner Umgebung. Die Vorrichtung 1 ist hierfür beispielsweise benachbart zum Wasserstofftank 50 oder außen am Wasserstofftank 50 angeordnet oder befestigt. Denkbar wäre auch mehrere Vorrichtungen 1 zur Überwachung des Wasserstofftanks 50 vorzusehen.
Die Vorrichtung 1 ist vorzugsweise derart am oder beim Wasserstofftank 50 angeordnet, dass diese austretenden Wasserstoff detektieren kann.
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 Fig. 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 Fig. 2 gezeigt, mehrere Schenkel 23 und Verbindungsabschnitte 24 zwischen diesen Schenkeln 23 auf. Im Beispiel von Fig. 2 ist der erste Leiter 21 zwischen zwei, insbesondere mittleren, 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 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 Fig. 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 Fig. 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 beispielsweise 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 Fluidgemisches 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 des Fluidgemisches ab. Wenn das Fluidgemisch eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist, erwärmt sich der erste Leiter 21 weniger stark, als wenn das Fluidgemisch eine geringe Wärmeleitfähigkeit aufweist. Ein Fluidgemisch mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit kühlt somit den ersten Leiter 21 besser als ein Fluidgemisch mit niedriger Wärmeleitfähigkeit. Demzufolge kann die Größe der Widerstandsänderung des ersten Leiters 21 als ein Maß für die Wärmeleitfähigkeit des Fluidgemisches verwendet werden.
Um diese Widerstandsänderung des ersten Leiters 21 zu erfassen wird, wie in Fig. 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 bzw. 41 und 42 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 beispielsweise 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. Vorzugsweise wird die Brückspannung Ub zum einen zwischen den Widerständen 41 und 42 und zum anderen zwischen den Leitern 21 und 22 abgegriffen.
Die Spannungserfasseinheit 8 ist in der vorliegenden Ausführungsform, wie in Fig.
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 - oder über die verstärkte Spannung Uv kann auf die Brückenspannung Ub geschlossen werden - 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 oder über die auf die Brückenspannung geschlossen werden kann, 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 AR2i des ersten Leiters 21 ist und durch die folgende Gleichung ausgedrückt werden kann: 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 oder Fluidgemisches. Wie bereits erwähnt, liegt die ermittelte Wärmeleitfähigkeit beim Fluidgemisch zwischen den beiden Werten für die Wärmleitfähigkeit von Wasserstoff und Luft, 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 Wasserstoff außerhalb des Wasserstofftanks 50 vorliegt. Wird ein Wasserstoff in dem Fluidgemisch erkannt, so kann ein Signal oder Alarmsignal ausgegeben werden.
Das Fluidgemisch kann, wie oben beschrieben, aus den zwei Fluiden Wasserstoff und Luft gebildet sein, von denen jeweils eine Wärmeleitfähigkeit bekannt ist. Die Auswerteeinheit 10 gemäß einer anderen Ausführungsform kann dann auch derart konfiguriert sein, dass sie eine Konzentration des Fluidgemisches durch Vergleichen der Wärmeleitfähigkeit des Fluidgemisches mit den Wärmeleifähigkeiten der beiden Fluide bestimmt.
Nachfolgend werden Schritte S1 bis S6 eines Verfahrens 100 zum Ermitteln der Wärmeleitfähigkeit eines Fluids oder Fluidgemisches unter Bezugnahme auf Fig. 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 Wasserstofftanks 50 erfolgt. 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 des Fluidgemisches oder der Luft, falls kein Wasserstoff ausgetreten ist.
In S6, der optional ausgeführt werden kann, wird die Konzentration und/oder der Gefrierpunkt des Fluidgemisches 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 Wasserstofftank 50 wurden für eine Verwendung 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 oder Fluidgemisches zu bestimmen ist. Zudem ist der Wasserstofftank 50 nicht auf eine Anwendung im Fahrzeug 70 begrenzt.
Fig. 4 und Fig. 5 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 Fig. 4 und Fig. 5 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 oder Fluidgemisch 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, vorzugsweise aus einem abgedichteten oder geöffneten Innenraum, geführt, um die einzelnen Mäander zu bilden. Die aus den Öffnungen 204 geführten Mäanderabschnitte der Leiter 221, 222 können sich dabei im Parallelabstand zueinander und/oder in einer gemeinsamen Ebene erstrecken. In der Leiteranordnung
200 kann/können ein elastisches oder elastische Element/e, z.B. Federelemente (nicht gezeigt), angeordnet sein - beispielsweise im Innenraum -, um die beiden Leiter 221 und 222 mechanisch 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. Die aus den Öffnungen 204 geführten Mäanderabschnitte der Leiter 221 und 222 können eine gleiche Länge aufweisen.
Zwischen den beiden Leitern 221 und 222 sowie den Mäandern des ersten Leiters 221 ist/sind - vorzugsweise quaderförmige - zumindest eine Erhebung oder 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.
Mit anderen Worten ist/sind eine Erhebung oder Erhebungen 206 vorgesehen, die die aus den Öffnungen 204 auskragenden Leiter 221 und 222 übergreift/übergreifen, um dies zu schützen. Denkbar wäre alternativ oder zusätzlich einen Deckel mit zumindest einer Fluidöffnung zum Schutz der Leiter 221 und 222 vorzusehen. Der Vorteil der Erhebung/en ist, dass die Leiter 221 und 222 trotz Schutz praktisch frei liegen und leicht mit einem Fluid/Fluidgemisch in Kontakt bringbar sind.
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 vorzugsweise ein Gewinde ausgebildet ist, eingedreht werden, um den Deckel mit der Halteanordnung 201 zu verbinden. 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 weiter reduziert werden.
In Fig. 6 und Fig. 7 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 Fig. 8 und Fig. 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 Fig. 6 und Fig. 7 gezeigten Beispiel ist der erste Leiter 321 als Schlaufe gelegt und in einer zur einer Bodenfläche 304 der Halteanordnung 301 parallelen Ebene angeordnet. Die Bodenfläche 304 ist beispielsweise eben oder flach ausgestaltet. Um die Bodenfläche 304 ist ein Rahmen 306 geformt, so dass die Halteanordnung 301 als vertieftes Gehäuse oder Büchse gebildet wird, in dem ein geringer Anteil des Fluids vorhanden ist. Der erste Leiter 321 kann somit vorzugsweise innerhalb der Büchse angeordnet sein. 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 eine oder mehrere Umlenkstelle/n 308 geführt und wird mittels einem oder mehrerer elastischem/elastischer Element/e 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 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 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 Fig. 8 ist ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 400 gezeigt, das ausgeführt wird, wenn die in Fig. 6 und Fig. 7 gezeigte Messbrücke 340 verwendet wird. Das Verfahren 400 unterscheidet sich von dem in Fig. 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

Ansprüche
1. Vorrichtung zum Ermitteln einer Wasserstoffkonzentration oder Wasserstoffgemischkonzentration, mit: einer elektrischen Leiteranordnung (2, 200, 300), die derart ausgestaltet ist, dass sie mit dem Wasserstoff oder Wasserstoffgemisch in Kontakt bringbar ist, wobei die Leiteranordnung (2, 200, 300) 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 Wasserstoffs oder Wasserstoffgemisches durch Auswerten der Brückenspannung (Ub) unter Verwendung der 3-Omega-Methode ermittelt.
2. Vorrichtung nach 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)
3. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, 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.
4. Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Wasserstoff ein Teil eines Gas- oder Fluidgemisches ist, das aus zumindest Wasserstoff und zumindest einem weiteren Gas gebildet ist, von denen jeweils eine Wärmeleitfähigkeit bekannt ist, und die Auswerteeinheit (10) so konfiguriert ist, dass sie eine Konzentration des Gasgemisches durch Vergleichen der Wärmeleitfähigkeit des Gasgemisches mit den Wärmeleifähigkeiten von Wasserstoff und dem zumindest einem weiteren Gas bestimmt.
5. Tankanordnung, die zumindest eine Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4 aufweist und die zumindest einen Fluidtank (50) hat, der mit einem Fluid befüllbar ist, wobei die Leiteranordnung (2, 200, 300) der Vorrichtung (1) mit einem den Fluidtank (50) zumindest teilweise umgebenden Gas in Berührung steht.
6. Tankanordnung nach Anspruch 5, wobei der Fluidtank ein Wasserstofftank (50) ist, der mit Wasserstoff befüllbar ist, und wobei die Vorrichtung (1) derart eingerichtet ist, eine Leckage des Wasserstoffs zu detektieren.
7. Tankanordnung nach Anspruch 5 oder 6, wobei eine Mehrzahl von den Vorrichtungen (1) vorgesehen ist, die beabstandet zueinander außerhalb des Tankraums und/oder Fluidtanks (50) zur Detektion eines Fluidlecks angeordnet sind.
8. Fahrzeug mit einem Wasserstoffantrieb und mit der Tankanordnung gemäß einem der Ansprüche 5 bis 7.
9. Verfahren zum Ermitteln einer Wärmeleitfähigkeit eines Wasserstoffs in einem Gasgemisch mit der Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4 oder mit einer Tankanordnung gemäß einem der Ansprüche 5 bis 7, mit den folgenden Schritten:
Anlegen (S3) einer Wechselspannung an eine Messbrücke (4, 240, 340), Erfassen (S4) einer Brückenspannung (Ub),
Ermitteln (S5) einer Wärmeleitfähigkeit des Gasgemisches durch Auswerten der Brückenspannung (Ub) unter Verwendung der 3-Omega-Methode.
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