EP4652448A1 - Verfahren zur messung der qualität eines kraftstoffes und messvorrichtung dafür - Google Patents

Verfahren zur messung der qualität eines kraftstoffes und messvorrichtung dafür

Info

Publication number
EP4652448A1
EP4652448A1 EP24705042.0A EP24705042A EP4652448A1 EP 4652448 A1 EP4652448 A1 EP 4652448A1 EP 24705042 A EP24705042 A EP 24705042A EP 4652448 A1 EP4652448 A1 EP 4652448A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
fuel
resonator
line
resonance chamber
resonance
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP24705042.0A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Friedrich Wirz
Alexander Kölpin
Carsten VON OHLEN
Nico WEISS
Jasmin Bullermann
Andreas KRAFFT
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Technische Universitaet Hamburg Harburg
Original Assignee
Technische Universitaet Hamburg Harburg
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Technische Universitaet Hamburg Harburg filed Critical Technische Universitaet Hamburg Harburg
Publication of EP4652448A1 publication Critical patent/EP4652448A1/de
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N22/00—Investigating or analysing materials by the use of microwaves or radio waves, i.e. electromagnetic waves with a wavelength of one millimetre or more
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/26—Oils; Viscous liquids; Paints; Inks
    • G01N33/28—Oils, i.e. hydrocarbon liquids
    • G01N33/2829—Mixtures of fuels
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/26—Oils; Viscous liquids; Paints; Inks
    • G01N33/28—Oils, i.e. hydrocarbon liquids
    • G01N33/2835—Specific substances contained in the oils or fuels
    • G01N33/287—Sulfur content

Definitions

  • the invention relates to a method for measuring the quality of a fuel transported via a fuel line by means of cavity resonance via microwaves coupled into a resonator formed in the fuel line, wherein a resonance frequency which is set as a function of the fuel transported through the resonator is measured.
  • the invention further relates to a measuring device for carrying out the aforementioned method with a resonator in the form of a housing made of conductive material in which a resonance chamber which is widened relative to the fuel line and has at least one high-frequency connection is formed, wherein a fuel supply line and a fuel discharge line diametrically opposite are arranged on the resonance chamber for the passage of the fuel through the resonator.
  • Internal combustion engines such as gas turbines and combustion engines are operated with liquid fuels in most mobile applications. According to the state of the art, these are, for example, diesel fuels, heating oils, gasoline, kerosene, alcohols and possibly cryogenic liquids such as liquefied natural gas.
  • the task of the fuel systems is to supply the fuel from a main reservoir (tank) to the internal combustion engine under the conditions required by the machine. These are usually requirements regarding pressure, temperature and purity, particle loading and contamination with undesirable accompanying substances and also viscosity. Pressure and temperature are usually permanently monitored at several points in the system, which is very simple in terms of measurement technology. Measuring viscosity is more complex, but also state of the art, for example in fuel systems on ships.
  • Measuring purity cannot be described in general terms, because it There are many different types of contamination, for each of which more or less complex measuring methods are known. A distinction must be made between continuous measurements, which are suitable for measuring in the flow, and measurements in which a sample is taken at specific points and then measured. In most cases, individual measuring methods are used for the qualitative and quantitative determination of contamination, depending on the substances or groups of substances to be determined. These are mainly carried out in the laboratory and thus with a time delay in machine operation.
  • Example for a Ships usually have several tanks in which different quantities and qualities of fuel can be stored. Since reduction targets for fossil greenhouse gases (especially carbon dioxide) are to be prescribed in the coming years, it is planned to carry both fossil and climate-neutral liquid fuels on board, which will be mixed together during operation in accordance with the limit values or reduction targets and fed to the combustion engines.
  • reduction targets for fossil greenhouse gases especially carbon dioxide
  • Airplanes must gradually reduce the amount of fossil carbon in their fuel within certain time periods. For cost reasons, it is expected that so-called "drop-in fuels" containing the required amount of carbon from renewable sources and conventional kerosene of fossil origin will be mixed together on the ground and the aircraft will be refueled with this blend. 2. In fuels for road transport, it is already common practice to add limited amounts of biofuels to fossil diesel fuels and gasoline.
  • the device described at the beginning is known from DE 34 12 704 C2 for measuring the alcohol content in fuel mixtures.
  • This describes a microwave resonance chamber in the form of an enlarged cylindrical cavity through which a continuous fuel line, for example in the form of a rubber hose, leads, whereby a degree of attenuation of the microwave signals transmitted into the resonance chamber is received and evaluated.
  • the disadvantage is that such a measuring device can only be used on fuel lines made of a material with a very low dielectric constant and a low dielectric loss coefficient.
  • This measuring device is not suitable for fuel lines made of electrically conductive material, especially steel pipe fuel lines.
  • US 10,753,302 B2 describes a method for determining fuel components using a high-frequency sensor for motor vehicles. It describes the measurement in a vehicle tank using so-called patch antennas or a monopole antenna. The different fuel mixtures are determined using a specific resonance frequency. This essentially results in a static measurement of the fuel quality in the tank in the vicinity of the measuring section between the antennas or in the immediate vicinity of the monopole antenna, which requires that the fuel in the tank is completely mixed, meaning that bubbles, clouds or inhomogeneities outside the sensitive area cannot be detected using this method.
  • a method and device for determining a composition of a fuel mixture in particular for determining an ethanol content and/or a water content in the fuel mixture, is known in which a first microwave radiation with at least two microwave frequencies is radiated into the fuel mixture, wherein at least a second microwave radiation is received from the fuel mixture, wherein the second microwave radiation is compared with the first microwave radiation and at least one characteristic is determined as a function of the microwave frequency of the first microwave radiation, wherein the composition of the fuel mixture is deduced from the course of the characteristic over the microwave frequency of the first microwave radiation.
  • a similar method and device is known from DE 10 2009 054 844 A1, in which a differential sensor concept is proposed, whereby the change and the direction of the change in the fuel mixture, i.e. here the ethanol content, can be determined and a corresponding ignition angle adjustment can be controlled.
  • EP 0 564 879 A1 a device for determining material parameters by microwave measurements.
  • the object of the invention is to provide a measuring method and a measuring device, starting from a measuring device according to DE 34 12 704 C2, with which the quality of a fuel or fuel mixture transported via a fuel line is detected, whereby a high sensitivity is achieved for the occurrence of different fuel qualities, their varying mixing ratios, bubbles, vapors and/or two-phase mixtures.
  • the resulting resonance frequency being a measure of the quality of the fuel or
  • a high level of sensitivity is achieved across the entire fuel line cross-section in determining the fuel or fuel mixture flowing through it, thus allowing a reliable determination of the current quality.
  • the measurement is carried out continuously, which allows a temporal progression to be displayed in the flow and in real time, which can be introduced, for example, in a sufficiently fast reaction in a control loop, for example for mixing different fuel components.
  • the measurement is carried out discretely by repeatedly performing the measurement with a sampling rate of 10 to 500 ms for a respective measurement duration of 1 to 400 ms.
  • the recurring measurement must have sufficient resolution with fine quantization in order to be able to measure the fuel flowing through the line with the desired sensitivity.
  • Sampling rates of less than or equal to 100 ms are preferred, particularly preferably between 10 ms and 50 ms.
  • the sampling rate indicates how long the latency between two value updates lasts or how many processed measured values are output per second (sampling frequency).
  • the sampling rate must be greater than the measurement duration.
  • a measurement time of 10 ms can be used to record many values, which are then processed, converted and output during the following 40 ms, which would enable a sampling rate of 50 ms.
  • an effective permittivity of the fuel currently in the resonator is a measure of the quality of the fuel or fuel mixture
  • the effective permittivity is determined compared to a reference measurement with a fuel with a known permittivity based on the shift in the measured resonance frequency, whereby the permittivity of the fuel is proportional to the reciprocal of the square of the measured resonance frequency.
  • the effective permittivity can be determined and the quality of the fuel can be determined from this.
  • the quality and mixing ratio of fuel mixtures can be measured, whereby the mixing ratio of fuel mixtures is determined with known permittivities of the individual components.
  • the permittivities of individual components are measured and, after their mixing, the permittivity of the fuel mixture is measured, from which the mixing ratios are calculated. This makes it possible, for example, to detect changes in the quality of a fuel before it is mixed with another fuel and, if necessary, to adjust the mixing ratio or even add a third component. This means that the mixture can be monitored and controlled even without prior knowledge of the parameters of the individual fuels. In an analogous manner, mixtures with more than two individual fuels can also be monitored by measuring the inflow of the individual fuel components and at individual mixing points.
  • bubbles, clouds or inhomogeneities in the fuel are detected due to sudden changes in measured values that are greater than a specified limit, such irregularities can be detected with a correspondingly continuous or sufficiently fast measurement (low sampling rate) in order to be able to initiate countermeasures in the control of the subsequent internal combustion engine and, for example, to prevent a malfunction in the injection, mixture formation or To avoid combustion and thus machine failures and/or increasing emissions.
  • the initially mentioned task is solved with a generic measuring device in that the resonance chamber is filled with a non-conductive, heat-resistant, solid material, wherein a hole is formed in the non-conductive, heat-resistant, solid material with a diameter approximately equal to (+/- 10%) of the inner diameter of the fuel supply line and/or the fuel outlet to guide the fuel, wherein the hole connects the fuel supply line to the fuel outlet and is arranged within the resonance chamber in the area of maximum field strength.
  • the housing of the resonator and thus the shape of the resonance chamber can be any. Cuboid-shaped or, in particular, cylindrical designs are preferred.
  • the resonance chamber is particularly preferably cylindrical and the bore is arranged on the cylinder axis. This means that when a resonance mode H o is excited, a maximum is achieved exactly on the cylinder axis and thus maximum sensitivity is achieved here.
  • it is also possible to use higher order resonance modes for the measurement which means that even with a cylindrical resonance chamber, the fuel line and thus the The corresponding hole in the dielectric does not necessarily have to be positioned in the middle (cylinder axis).
  • the diameter of the cylindrical resonance chamber is selected in relation to the diameter of the fuel supply line and the fuel outlet such that the waveguides formed in the form of the fuel supply line entering the resonator and the fuel outlet exiting the resonator are below the cut-off frequency of this resonator mode with respect to the resonance frequency generated in the resonator, the electromagnetic energy coupled into the resonance chamber cannot leave the resonator through the fuel supply line or fuel outlet and thus impair the sensitivity of the resonator.
  • the cut-off frequency represents the lowest frequency at which an electromagnetic wave of the mode in question could still propagate in the pipe.
  • PTFE has proven to be a particularly suitable dielectric because it is insensitive to many types of fuels, has a very low inherent permittivity and is also heat-resistant and easy to process.
  • Fig. 1 shows a resonator in a first embodiment in a sectional side view
  • Fig. 3 shows an electric field in the resonator in a sectional side view
  • Fig. 4 in cross section through the resonator
  • Fig. 5 shows a graph of the attenuation versus the excitation frequency
  • Fig. 6 shows a graph of attenuation versus excitation frequency with transmission measurement results for three different samples.
  • Fig. 1 shows a sectional side view of an embodiment of the measuring device with a circular cylindrical resonator 1, to which instruments (not shown here) for determining the resonance frequency forming in the resonator 1 can be connected.
  • the housing 10 of the resonator 1 consists of a pipe section 11 made of conductive material, which is closed by a first end face 12 on one side and by a second end face 13 on the other side.
  • the end faces 12, 13 are also made of conductive material.
  • the pipe section 11 and the end faces 12, 13 are connected to one another in a liquid-tight and pressure-tight manner via flange connections.
  • Fuel supply line 15 on the cylinder axis of the resonator 1 is shown in the form of a pressure-tight screw connection.
  • the fuel discharge line 16 on the cylinder axis is also designed with a corresponding pressure-tight screw connection on the second end face 13.
  • the free interior of the pipe section 11 forms a resonance chamber 2 of the resonator 1.
  • the resonance chamber 2 is filled with a non-conductive, heat-resistant, solid material 23, a suitable dielectric with low dielectric losses, with a bore 20 being formed on the cylinder axis for guiding the fuel from the fuel supply line 15 to the fuel discharge line 16.
  • the diameter of the bore 20 corresponds to the inner diameter of the fuel supply line 15 or the fuel discharge line 16. This is advantageous for the most undisturbed fuel flow in the fuel line. Deviations of the The difference in the inner diameter of the bore 20 compared to the fuel supply line 15 or fuel discharge line 16 should not be more than 10%.
  • the inner diameter of the pipe section 11, which forms the expanded resonance chamber 2 is significantly larger than the inner diameter of the fuel supply line 15 or fuel discharge line 16.
  • the inner diameter of the pipe section 11 is approximately 2.5 times the inner diameter of the fuel lines 15, 16.
  • the inner diameter of the pipe section 11 is matched to the desired resonance frequency.
  • the inner diameters of the fuel lines 15, 16 and their openings in the two end faces 12, 13 are dimensioned such that only minimal portions of the resonating electromagnetic wave can escape from the resonance chamber 2 into the connected fuel lines.
  • a first high-frequency connection 21 is arranged in the middle of the pipe section 11 and a second high-frequency connection 22 is arranged opposite, which penetrate the wall of the pipe section 11 into the resonance chamber 2 and couple the high-frequency signal required for the measurement into the resonator 1 (into the resonance chamber 2).
  • the reflection of the high-frequency signal which changes depending on the medium to be examined, or the transmission between the two (or several) high-frequency connections 21, 22 or a combination of reflection and transmission is measured. It is important that there is a maximum of interaction between the medium and the resonating electromagnetic wave, i.e. the fuel supply, i.e. bore 20 is arranged in the area of maximum field strength of the electromagnetic signal.
  • an electric field mode is excited via the high-frequency connections 21, 22 in the resonance chamber 2, which has a maximum in the area of the cylinder axis, namely a so-called Hm mode (see Fig. 3 and Fig. 4).
  • Hm mode a so-called Hm mode
  • the electric field generated with the corresponding Hw field mode is shown with its field lines, with the field strength maximum in each case in the area of the field lines that are closest to one another, i.e. in the middle in the side view in Fig. 3, approximately in the area of the opposite high-frequency connections 21, 22, and in Fig. 4 in the cross section in the area of the bore 20 in which the fuel to be measured flows.
  • the resonance frequency of the resonator changes according to the relationship shown, as shown in Figs. 5 and 6.
  • the high-frequency instrument measures the resonance frequency, from whose shift compared to a reference measurement the effective permittivity of the fuel/fuel mixture currently in the resonator can be determined.
  • the effective permittivity results from the individual permittivities of the fuels involved according to mixing rules.
  • disruptive influences on the resonance frequency shift such as temperature changes, can be mathematically compensated in the result by calibration steps and/or additional measurement of the influencing parameters.
  • Fig. 5 the attenuation of the coupled high-frequency signal is shown by measuring the reflection (Sn) as a function of frequency.
  • f r , mess represents the measured resonance frequency
  • f r ,o is the resonance frequency of the resonator when the entire resonator is filled with air
  • E fuel is the permittivity of the fuel inside the resonator
  • £ dielectric is the permittivity of the dielectric 23
  • a and b are the weighting factors of the influence of fuel and dielectric 23 respectively on the resonance frequency
  • Each fuel has its own permittivity value, which depends on its chemical composition. If the permittivity of two fuels in tanks A and B is determined, the mixing ratio of the two fuels can then be determined. The permittivity of the fuel mixture is
  • the mixing parameters f A and f B can thus be determined with one measurement. In this way, the volume flows can be adjusted to obtain the exact, desired mixing ratio. By measuring the resonance frequency with a sampling rate adapted to the flow velocity, bubbles and precipitating reaction products, etc. can be detected by sudden (short-term) changes in measured values that exceed a limit value of the change, and possible countermeasures can be taken.
  • the measuring method can be carried out in a first embodiment with a resonator, for example at the fuel transfer point immediately before the internal combustion engine.
  • a resonator for example at the fuel transfer point immediately before the internal combustion engine.
  • the quality of the fuel can be monitored in terms of the delivery conditions (e.g. sulfur content, impurities, water content or the like) as well as the systemic processing (viscosity, filtering, water separation) and, if necessary, the processing steps to be controlled.
  • creeping, undesirable effects such as the contamination of a separator can be identified.
  • this simplest version can also be used to monitor fuel mixtures. Knowing the relationships between the permittivity and the parameter to be determined, which can be linear or non-linear, or knowing the permittivity of the individual substances, the homogeneity and the ratio of the mixing partners can be determined with just one measuring point.
  • fuel mixtures made up of two fuels can be monitored.
  • the mixture can be monitored and controlled without prior knowledge of the parameters of the individual fuels.
  • mixtures with more than two individual substances can also be monitored by measuring the permittivity in the inflow and at any number of locations after individual mixing points. appropriate measuring devices must be installed.
  • a measuring system can be implemented on board a ship to monitor the mixing ratio of two (or more) fuels, even though the composition of the individual components is not fully known.

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Oil, Petroleum & Natural Gas (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Food Science & Technology (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Electric Means (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung der Qualität eines über eine Kraftstoffleitung transportierten Kraftstoffes mittels Hohlraumresonanz über in einem in der Kraftstoffleitung ausgebildeten Resonator (1) eingekoppelte Mikrowellen, wobei eine sich in Abhängigkeit des durch den Resonator (1) transportierten Kraftstoffes einstellende Resonanzfrequenz gemessen wird, dadurch gekennzeichnet, dass im Resonator (1) eine elektrische Feldmode angeregt wird, die über den vom Kraftstoff durchflossenen Querschnitt der Kraftstoffleitung ein Maximum bei im Wesentlichen gleichmäßiger Feldstärke aufweist, wobei aus der sich einstellenden Resonanzfrequenz ein Maß für die Qualität des Kraftstoffs oder Kraftstoffgemisches abgeleitet wird. Ferner betrifft die Erfindung eine Messvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 8 mit einem Resonator (1) in Form eines Gehäuses (10) aus leitfähigem Material, in dem eine gegenüber der Kraftstoffleitung aufgeweitete Resonanzkammer (2) mit wenigstens einem Hochfrequenz-Anschluss (21, 22) ausgebildet ist, wobei für die Durchleitung des Kraftstoffes durch den Resonator (1) eine Kraftstoffzuleitung (15) und diametral gegenüberliegend eine Kraftstoffableitung (16) an der Resonanzkammer (2) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Resonanzkammer (2) mit einem nicht leitenden, hitzebeständigen, festen Material ausgefüllt ist, wobei zur Führung des Kraftstoffes eine Bohrung (20) im nicht leitenden, hitzebeständigen, festen Material (23) mit einem Durchmesser etwa gleich (+/- 10%) des Innendurchmessers der Kraftstoffzuleitung (15) und/oder der Kraftstoffableitung (16) ausgebildet ist, wobei die Bohrung (20) die Kraftstoffzuleitung (15) mit der Kraftstoffableitung (16) verbindet und innerhalb der Resonanzkammer im Bereich der maximalen Feldstärke angeordnet ist.

Description

B E S C H R E I B U N G
Verfahren zur Messung der Qualität eines Kraftstoffes und Messvorrichtung dafür
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung der Qualität eines über eine Kraftstoffleitung transportierten Kraftstoffes mittels Hohlraumresonanz über in einem in der Kraftstoffleitung ausgebildeten Resonator eingekoppelte Mikrowellen, wobei eine sich in Abhängigkeit des durch den Resonator transportierten Kraftstoffes einstellende Resonanzfrequenz gemessen wird. Ferner betrifft die Erfindung eine Messvorrichtung zur Durchführung des vorgenannten Verfahrens mit einem Resonator in Form eines Gehäuses aus leitfähigem Material, in dem eine gegenüber der Kraftstoffleitung aufgeweitete Resonanzkammer mit wenigstens einem Hochfrequenz-Anschluss ausgebildet ist, wobei für die Durchleitung des Kraftstoffes durch den Resonator eine Kraftstoffzuleitung und diametral gegenüberliegend eine Kraftstoffableitung an der Resonanzkammer angeordnet sind.
Verbrennungskraftmaschinen wie Gasturbinen und Verbrennungsmotoren werden in den meisten mobilen Anwendungen mit flüssigen Kraftstoffen betrieben. Nach dem Stand der Technik sind das beispielsweise Dieselkraftstoffe, Heizöle, Benzine, Kerosine, Alkohole und ggf. kryogene Flüssigkeiten wie verflüssigtes Erdgas. Die Aufgabe der Kraftstoff Systeme besteht darin, den Kraftstoff aus einem Hauptspeicher (Tank) der Verbrennungskraftmaschine unter den Bedingungen zuzuführen, die die Maschine erfordert. Das sind in der Regel Anforderungen bezüglich Druck, Temperatur und Reinheit, hinsichtlich Partikelbeladung und Verunreinigung mit unerwünschten Begleitstoffen und auch der Viskosität. Druck und Temperatur werden in der Regel an mehreren Stellen im System permanent überwacht, was messtechnisch sehr einfach ist. Die Messung der Viskosität ist aufwändiger, aber ebenfalls Stand der Technik, beispielsweise in Kraftstoffsystemen von Schiffen. Die Messung der Reinheit kann nicht pauschal beschrieben werden, denn es existieren vielfältige Arten von Verunreinigungen, für die jeweils mehr oder weniger aufwändige Messverfahren bekannt sind. Dabei ist zwischen kontinuierlichen Messungen, die für eine Messung im Durchfluss geeignet sind, und solchen Messungen, bei denen punktuell eine Probe entnommen und im Nachgang vermessen wird, zu unterscheiden. Meistens werden für die qualitative und quantitative Bestimmung von Verunreinigungen je nach zu bestimmenden Stoffen oder Stoffgruppen individuelle Messverfahren eingesetzt, die überwiegend im Labor und damit unter Zeitverzug des Maschinenbetriebes durchgeführt werden.
Aktuell entsteht, insbesondere im Bereich der Schifffahrt, eine zusätzliche Herausforderung: Aus Umweltschutzgründen kommt für Verbrennungskraftmaschinen eine Vielfalt an zusätzlichen Kraftstoffarten in Frage, die bislang aus Kostengründen keine Rolle spielten. Dabei ist es für Betreiber besonders interessant, verschiedene Kraftstoffe a) an Bord miteinander zu mischen oder b) im laufenden Betrieb zwischen ihnen umzuschalten. Oder c) der Betreiber erhält vom Kraftstofflieferanten einen vor dem Tankvorgang fertig hergestellten Blend.
Beispiel für a): Schiffe haben meist mehrere Tanks, in denen verschiedene Kraftstoffmengen und -qualitäten gebunkert werden können. Da in den kommenden Jahren Reduktionsziele für fossile Klimagase (insbesondere Kohlenstoffdioxid) vorgeschrieben sind, ist vorgesehen, an Bord sowohl fossile, als auch klimaneutrale Flüssigkraftstoffe mitzuführen, die entsprechend der Grenzwerte bzw. Reduktionsziele im Betrieb miteinander gemischt und den Verbrennungskraftmaschinen zugeführt werden.
Beispiel für b): Schiffe in besonderen Fahrtgebieten, z.B. sog. Emission Control Areas, müssen Kraftstoffe mit einem Schwefelgehalt <0,1 % Massenanteil verwenden, wohingegen sie in sonstigen weltweiten Gewässern Kraftstoffe mit einem Schwefelgehalt <0,5 % Massenanteil verwenden dürfen. Aus Kostengründen wird bei Überfahren der Schutzgebietsgrenze zwischen z.B. niedrigschwefligem Schweröl und leichtem Dieselkraftstoff umgeschaltet.
Beispiele für c): 1. Flugzeuge müssen in bestimmten zeitlichen Fristen den Anteil an fossilem Kohlenstoff im Kraftstoff schrittweise reduzieren. Aus Kostengründen ist damit zu rechnen, dass sog. „Drop-in fuels“ mit Kohlenstoff aus regenerativen Quellen im erforderlichen Maß und klassisches Kerosin fossilen Ursprunges am Boden miteinander gemischt und die Flugzeuge mit diesem Blend betankt werden. 2. In Kraftstoffen für den Straßenverkehr ist es bereits heute üblich, begrenzte Anteile an Biokraftstoffen den fossilen Dieselkraftstoffen und Benzinen zuzumischen.
Unabhängig davon, ob durch diese Szenarien verschiedene Kraftstoffe dauerhaft (a), c)) oder nur übergangsweise (b)) miteinander vermischt werden, können durch das Zusammenbringen unerwünschte Effekte entstehen. Beispiele sind das chemisch bedingte Ausfällen von Feststoffen und/oder eine fehlende Mischbarkeit, so dass anstelle einer homogenen Flüssigkeit Blasen, Schwaden und Zweiphasengemische entstehen. Solche Effekte stellen eine Gefahr für das Kraftstoff system (Verstopfen von Filtern etc.) sowie für die Verbrennungskraftmaschine (Störung bei der Einspritzung, Gemischbildung, Verbrennung) dar, die zu Maschinenausfällen und zunehmenden Emissionen führen können.
Die eingangs beschriebene Vorrichtung ist aus der DE 34 12 704 C2 zum Messen des Alkoholgehaltes in Kraftstoffgemischen bekannt. Darin ist eine Mikrowellen-Resonanzkammer in Form eines vergrößerten zylindrischen Hohlraums beschrieben, durch die eine durchgängige Kraftstoffleitung, beispielsweise in Form eines Gummischlauches führt, wobei ein Dämpfungsgrad der in die Resonanzkammer übertragenen Mikrowellensignale empfangen und ausgewertet wird.
Nachteilig ist, dass eine derartige Messvorrichtung nur an Kraftstoffleitungen aus einem Material mit sehr niedriger Dielektrizitätskonstante und einer möglichst geringen dielektrischen Verlustzahl möglich ist. Für Kraftstoffleitungen aus einem elektrisch leitfähigen Material, insbesondere Stahlrohr-Kraftstoffleitungen, ist diese Messvorrichtung nicht geeignet.
Aus der US 10,753,302 B2 ist ein Verfahren zur Bestimmung von Brennstoffkomponenten mittels eines Hochfrequenzsensors für Kraftfahrzeuge bekannt. Darin wird die Messung in einem Fahrzeugtank mittels sogenannter Patchantennen oder einer Monopolantenne beschrieben. Die unterschiedlichen Kraftstoffmischungen werden anhand einer spezifischen Resonanzfrequenz ermittelt. Damit erfolgt eine im Wesentlichen statische Messung der Kraftstoffqualität im Tank in der Umgebung der Messstrecke zwischen den Antennen bzw. direkten Umfeld der Monopolantenne, die voraussetzt, dass der im Tank aufgenommene Kraftstoff vollständig durchmischt ist, womit Blasen, Schwaden oder Inhomogenitäten abseits des sensitiven Bereichs bei diesem Verfahren nicht detektierbar sind.
Ferner ist aus der DE 102008 044 383 A1 ein Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung einer Zusammensetzung eines Kraftstoffgemisches, insbesondere zur Bestimmung eines Ethanolanteils und/oder eines Wasseranteils in dem Kraftstoffgemisch bekannt, bei dem eine erste Mikrowellenstrahlung mit mindestens zwei Mikrowellenfrequenzen in das Kraftstoffgemisch eingestrahlt wird, wobei mindestens eine zweite Mikrowellenstrahlung aus dem Kraftstoffgemisch empfangen wird, wobei die zweite Mikrowellenstrahlung mit der ersten Mikrowellenstrahlung verglichen und mindestens eine Kenngröße in Abhängigkeit von der Mikrowellenfrequenz der ersten Mikrowellenstrahlung bestimmt wird, wobei aus dem Verlauf der Kenngröße über die Mikrowellenfrequenz der ersten Mikrowellenstrahlung auf die Zusammensetzung des Kraftstoffgemisches geschlossen wird.
Ein ähnliches Verfahren und Vorrichtung ist aus der DE 10 2009 054 844 A1 bekannt, bei dem ein differenzielles Sensorkonzept vorgeschlagen wird, womit die Änderung und die Richtung der Änderung des Kraftstoffgemisches, also hier des Ethanol-Gehalts, bestimmbar wird und eine entsprechende Zündwinkelverstellung gesteuert werden kann.
Weiter sind ähnliche Verfahren bzw. Vorrichtungen bekannt aus
DE 33 16 328 A1 , einem Mikrowellen-Meßgerät für den Leerraumanteil in einer Flüssigkeitsströmung;
DE 38 41 471 A1 , einem Verfahren zur Feststellung des Alkoholgehaltes und/oder des Heizwertes von Kraftstoffen;
DE 10 2010 029 007 A1 , einer Vorrichtung zur Bestimmung einer Zusammensetzung eines Kraftstoffgemisches;
US 4 767 982 A, einem Verfahren und einer Vorrichtung zur Bestimmung der Konzentration oder des Anteils der einzelnen Komponenten einer Zweikomponentenflüssigkeit;
EP 0 069 969 A1 , einem Mikrowellensensor für den Alkoholgehalt in Treibstoffen; und
EP 0 564 879 A1 , einer Vorrichtung zur Bestimmung von Materialparametern durch Mikrowellenmessungen.
Aufgabe der Erfindung ist es, ausgehend von einer Messvorrichtung gemäß DE 34 12 704 C2 ein Messverfahren sowie eine Messvorrichtung anzugeben, mit der die Qualität eines über eine Kraftstoffleitung transportierten Kraftstoffs oder Kraftstoffgemisches erkannt wird, wobei eine hohe Sensitivität für das Auftreten unterschiedlicher Kraftstoffqualitäten, deren variierende Mischverhältnisse, Blasen, Schwaden und/oder Zweiphasengemische erreicht wird.
Gelöst wird diese Aufgabe mit einem Messverfahren gemäß Anspruch 1 und einer Messvorrichtung gemäß Anspruch 9.
Dadurch, dass im Resonator eine elektrische Feldmode angeregt wird, die über den vom Kraftstoff durchflossenen Querschnitt der Kraftstoffleitung ein Maximum bei im Wesentlichen gleichmäßiger Feldstärke aufweist, wobei aus der sich einstellenden Resonanzfrequenz ein Maß für die Qualität des Kraftstoffs oder Kraftstoffgemisches abgeleitet wird, wird über den gesamten Kraftstoffleitungsquerschnitt eine hohe Sensitivität bei der Bestimmung des darin durchfließenden Kraftstoffs bzw. Kraftstoffgemisches und somit eine sichere Bestimmung der momentanen Qualität erreicht. Durch die Überdeckung des gesamten Leitungsquerschnitts werden auch Blasen oder Schwaden sicher erkannt.
In einer ersten Ausgestaltung erfolgt die Messung kontinuierlich, womit im Durchfluss und in Echtzeit ein zeitlicher Verlauf dargestellt werden kann, der beispielsweise in ausreichend schneller Reaktion in einem Regelkreis, beispielsweise zur Mischung verschiedener Kraftstoffkomponenten, eingebracht werden kann.
Alternativ erfolgt die Messung diskret, dadurch, dass die Messung wiederkehrend mit einer Abtastrate von 10 bis 500 ms für eine jeweilige Messdauer von 1 bis 400 ms durchgeführt wird. Dabei muss bei der wiederkehrenden Messung eine ausreichende Auflösung mit feiner Quantisierung erfolgen, um den durch die Leitung fließenden Kraftstoff in der gewünschten Sensitivität messen zu können. Bevorzugt sind dafür Abtastraten von kleiner gleich 100 ms, besonders bevorzugt zwischen 10 ms und 50 ms. Dabei gibt die Abtastrate an, wie lange die Latenz zwischen zwei Werte-Updates dauert bzw. wie viele verarbeitete Messwerte pro Sekunde ausgegeben werden (Abtastfrequenz). Die Abtastrate muss dabei größer als die Messdauer sein. In einer praktischen Ausführung kann beispielsweise eine Messzeit von 10 ms zur Erfassung vieler Werte verwendet werden, die dann während der folgenden 40 ms verarbeitet, umgerechnet und ausgegeben werden, was eine Abtastrate von 50 ms ermöglichen würde.
Dadurch, dass aus der sich einstellenden Resonanzfrequenz eine effektive Permittivität des momentan im Resonator befindlichen Kraftstoffes berechnet wird, die ein Maß für die Qualität des Kraftstoffs oder Kraftstoffgemisches ist, kann eine zuverlässige Qualitätsbestimmung des Kraftstoffes bzw. Kraftstoffgemisches erreicht werden. Dazu wird die effektive Permittivität gegenüber einer Referenzmessung mit einem Kraftstoff mit bekannter Permittivität anhand der Verschiebung der gemessenen Resonanzfrequenz ermittelt, wobei die Permittivität des Kraftstoffs proportional zum Kehrwert des Quadrats der gemessenen Resonanzfrequenz ist. Somit kann in Abhängigkeit der Polarisierbarkeit des im Inneren des Resonators befindlichen Kraftstoffgemisches die effektive Permittivität ermittelt und daraus die Qualität des Kraftstoffs ermittelt werden.
Ferner kann die Qualität und das Mischungsverhältnis von Kraftstoffgemischen gemessen werden, wobei das Mischungsverhältnis von Kraftstoffgemischen bei bekannten Permittivitäten der einzelnen Komponenten ermittelt wird.
In einer weiteren Ausführungsform ist es bevorzugt, dass die Permittivitäten einzelner Komponenten gemessen werden und nach deren Mischung die Permittivität des Kraftstoffgemisches gemessen wird, wobei daraus die Mischungsverhältnisse berechnet werden. Damit können beispielsweise Veränderungen in der Qualität eines Kraftstoffes bereits vor der Vermischung mit einem weiteren Kraftstoff erkannt und ggf. das Mischungsverhältnis angepasst oder gar eine dritte Komponente zugemischt werden. Damit kann auch ohne vorausgehende Kenntnis der Parameter der einzelnen Kraftstoffe die Mischung überwacht und geregelt werden. In Analogie können auch Gemische mit mehr als zwei Einzelkraftstoffen überwacht werden, in dem jeweils im Zufluss der einzelnen Kraftstoffkomponenten und nach einzelnen Mischpunkten gemessen wird.
Wenn Blasen, Schwaden oder Inhomogenitäten im Kraftstoff aufgrund erfasster sprunghafter Messwertänderungen, die größer als ein vorgegebener Grenzwert sind, ermittelt werden, können bei entsprechend kontinuierlicher oder ausreichend schneller Messung (geringe Abtastrate) derartige Unregelmäßigkeiten erkannt werden, um ggf. Gegenmaßnahmen bei der Steuerung der nachfolgenden Verbrennungskraftmaschine einleiten zu können und beispielsweise eine Störung der Einspritzung, der Gemischbildung oder der Verbrennung und somit Maschinenausfälle und/oder zunehmende Emissionen vermeiden zu können.
Vorrichtungsgemäß wird die eingangs genannte Aufgabe mit einer gattungsgemäßen Messvorrichtung dadurch gelöst, dass die Resonanzkammer mit einem nicht leitenden, hitzebeständigen, festen Material ausgefüllt ist, wobei zur Führung des Kraftstoffes eine Bohrung im nicht leitenden, hitzebeständigen, festen Material mit einem Durchmesser etwa gleich (+/- 10%) des Innendurchmessers der Kraftstoffzuleitung und/oder der Kraftstoffableitung ausgebildet ist, wobei die Bohrung die Kraftstoffzuleitung mit der Kraftstoffableitung verbindet und innerhalb der Resonanzkammer im Bereich der maximalen Feldstärke angeordnet ist. Damit befindet sich innerhalb der Resonanzkammer ein homogenes Dielektrikum, nämlich das nicht leitende, hitzebeständige und feste Material, und der/das durch die Bohrung in diesem Material hindurchfließende Kraftstoff/Kraftstoffgemisch, so dass Messwertveränderungen bei den resonierenden elektromagnetischen Wellen in der Resonanzkammer allein von Veränderungen des sich durch die Bohrung fließenden Kraftstoffs bzw. Kraftstoffgemisches herrühren können. Da ferner diese Bohrung innerhalb der Resonanzkammer im Bereich der maximalen Feldstärke der sich bildenden Feldmode angeordnet ist, wird eine maximale Sensitivität für den in dieser Bohrung befindlichen Kraftstoff bzw. Kraftstoffgemisch erzielt und somit eine hohe Messgenauigkeit erreicht.
Im Prinzip kann das Gehäuse des Resonators und damit die Form der Resonanzkammer beliebig sein. Bevorzugt sind quaderförmige oder insbesondere zylinderförmige Ausbildungen. Besonders bevorzugt weist die Resonanzkammer eine Zylinderform auf und die Bohrung ist auf der Zylinderachse angeordnet. Damit wird bei Anregung einer Resonanzmode H o ein Maximum genau auf der Zylinderachse und somit hier maximale Sensitivität erreicht. Selbstverständlich ist es auch möglich Resonanzmoden höherer Ordnung für die Messung zu verwenden, womit dann auch bei einer Resonanzkammer in Zylinderform die Kraftstoffleitung und damit die entsprechende Bohrung im Dielektrikum nicht zwingend in der Mitte (Zylinderachse) zu positionieren wäre.
Wenn der Durchmesser der zylindrischen Resonanzkammer im Verhältnis zum Durchmesser der Kraftstoffzuleitung und der Kraftstoffableitung so gewählt ist, dass die sich in Form der in den Resonator eintretenden Kraftstoffzuleitung und der austretenden Kraftstoffableitung bildenden Wellenleiter bezüglich der im Resonator entstehenden Resonanzfrequenz unterhalb der Cut-Off-Frequenz dieser Resonatormode liegen, kann die elektromagnetische Energie, die in die Resonanzkammer eingekoppelt wird, nicht durch die Kraftstoffzuleitung bzw. Kraftstoffableitung den Resonator verlassen und somit die Sensitivität des Resonators verschlechtern. Dabei stellt die Cut-Off-Frequenz die untersteste Frequenz dar, bei welcher sich eine elektromagnetische Welle der betreffenden Mode noch im Rohr ausbreiten könnte.
Als besonders geeignetes Dielektrikum hat sich PTFE herausgestellt, da es sowohl unempfindlich gegen viele Arten von Kraftstoffen ist, eine sehr geringe eigene Permittivität aufweist und zudem hitzebeständig und gut bearbeitbar ist.
Nachfolgend wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen detailliert beschrieben.
Darin zeigt:
Fig. 1 einen Resonator in einem ersten Ausführungsbeispiel in geschnittener Seitenansicht,
Fig. 2 den Resonator in räumlicher Ansicht,
Fig. 3 ein sich in dem Resonator einstellendes, elektrisches Feld in geschnittener Seitenansicht und
Fig. 4 im Querschnitt durch den Resonator, Fig. 5 einen Graphen der Dämpfung über der Anregungsfrequenz mit
Reflexionsmessergebnissen für drei unterschiedliche Proben und
Fig. 6 einen Graphen der Dämpfung über der Anregungsfrequenz mit Transmissionsmessergebnissen für drei unterschiedliche Proben.
Fig. 1 zeigt in einer geschnittenen Seitenansicht ein Ausführungsbeispiel der Messvorrichtung mit einem kreiszylinderförmigen Resonator 1, an den hier nicht dargestellte Instrumente zur Ermittlung der sich in dem Resonator 1 ausbildenden Resonanzfrequenz anschließbar sind.
Das Gehäuse 10 des Resonators 1 besteht aus einem Rohrabschnitt 11 aus leitfähigem Material, welches durch eine erste Stirnfläche 12 auf der einen Seite und durch eine zweite Stirnfläche 13 auf der anderen Seite verschlossen ist. Die Stirnflächen 12, 13 bestehen ebenfalls aus leitfähigem Material. Im hier dargestellten Ausführungsbeispiel sind der Rohrabschnitt 11 und die Stirnflächen 12, 13 über Flanschverbindungen flüssigkeitsdicht und druckfest miteinander verbunden. An der ersten Stirnfläche 12 ist eine
Kraftstoffzuleitung 15 auf der Zylinderachse des Resonators 1 in Form einer druckfesten Schraubverbindung dargestellt. Ebenfalls ist an der zweiten Stirnfläche 13 die Kraftstoffableitung 16 auf der Zylinderachse mit einer entsprechenden druckdichten Verschraubung ausgeführt.
Der freie Innenraum des Rohrabschnitts 11 bildet eine Resonanzkammer 2 des Resonators 1. Die Resonanzkammer 2 ist mit einem nicht leitenden, hitzebeständigen, festen Material 23, einem geeigneten Dielektrikum mit geringen dielektrischen Verlusten verfallt, wobei auf der Zylinderachse eine Bohrung 20 zur Führung des Kraftstoffs von der Kraftstoffzuleitung 15 zur Kraftstoffableitung 16 ausgebildet ist. Im hier dargestellten Ausführungsbeispiel entspricht der Durchmesser der Bohrung 20 dem Innendurchmesser der Kraftstoffzuleitung 15 bzw. der Kraftstoffableitung 16. Dies ist für einen möglichst ungestörten Kraftstofffluss in der Kraftstoffleitung vorteilhaft. Abweichungen des Innendurchmessers der Bohrung 20 im Vergleich zur Kraftstoffzuleitung 15 bzw. Kraftstoffableitung 16 sollten nicht mehr als 10 % betragen. Der Innendurchmesser des Rohrabschnitts 11, der die aufgeweitete Resonanzkammer 2 bildet, ist deutlich größer als der Innendurchmesser der Kraftstoffzuleitung 15 oder Kraftstoffableitung 16. Im hier dargestellten Ausführungsbeispiel beträgt der Innendurchmesser des Rohrabschnitts 11 ca. dem 2,5-fachen Innendurchmesser der Kraftstoffleitungen 15, 16. Dabei ist der Innendurchmesser des Rohrabschnitts 11 auf die gewünschte Resonanzfrequenz abgestimmt. Dabei sind die Innendurchmesser der Kraftstoffleitungen 15, 16 und deren Öffnungen in den beiden Stirnflächen 12, 13 so dimensioniert, dass nur minimale Anteile der resonierenden elektromagnetischen Welle aus der Resonanzkammer 2 in die angeschlossenen Kraftstoffleitungen entweichen kann.
Zur Ankopplung des Resonators 1 an die Instrumente zur Messung der Resonanzfrequenz und selbstverständlich zur Einkopplung des Hochfrequenz- Signals sind an mindestens einer, vorteilhafter weise mindestens zwei geeigneten Positionen am Umfang des Rohrabschnitts 11 oder den Stirnflächen 12, 13 des Resonators 1 entsprechende Hochfrequenz-Anschlüsse (Koaxialverbinder) vorgesehen. Im hier dargestellten Ausführungsbeispiel sind ein erster Hochfrequenz-Anschluss 21 mittig im Rohrabschnitt 11 und gegenüberliegend ein zweiter Hochfrequenz-Anschluss 22 angeordnet, die die Wandung des Rohrabschnitts 11 bis in die Resonanzkammer 2 durchdringen und das zur Messung erforderliche Hochfrequenz-Signal in den Resonator 1 (in die Resonanzkammer 2) einkoppeln.
Dabei wird entweder die sich in Abhängigkeit des zu untersuchenden Mediums ändernde Reflexion des Hochfrequenz-Signals oder die Transmission zwischen den beiden (oder auch mehreren) Hochfrequenz-Anschlüssen 21 , 22 oder eine Kombination aus Reflexion und Transmission gemessen. Wichtig ist dabei, dass ein Maximum der Interaktion des Mediums mit der resonierenden elektromagnetischen Welle besteht, also die Kraftstoffführung, also Bohrung 20 im Bereich maximaler Feldstärke des elektromagnetischen Signals angeordnet ist.
Im hier dargestellten Ausführungsbeispiel wird über die Hochfrequenz- Anschlüsse 21, 22 in der Resonanzkammer 2 eine elektrische Feldmode angeregt, die ein Maximum im Bereich der Zylinderachse aufweist, nämlich eine sogenannte Hm-Mode (siehe Fig. 3 und Fig. 4). In den Figuren 3 und 4 ist das mit der entsprechenden Hw-Feldmode erzeugte elektrische Feld mit seinen Feldlinien dargestellt, wobei das Feldstärkemaximum jeweils im Bereich der näher nebeneinander liegenden Feldlinien liegt, also in Fig. 3 in der Seitenansicht mittig, etwa im Bereich der einander sich gegenüberstehenden Hochfrequenz- Anschlüsse 21, 22 und in Fig. 4 im Querschnitt im Bereich der Bohrung 20, in der der zu messende Kraftstoff fließt.
In Abhängigkeit der Polarisierbarkeit des in der Bohrung 20 der Resonanzkammer 2 fließenden Kraftstoffs bzw. Kraftstoffgemisches ändert sich nach dem dargestellten Zusammenhang die Resonanzfrequenz des Resonators, wie in den Fig. 5 und 6 dargestellt ist. Dabei misst das Hochfrequenz-Instrument die Resonanzfrequenz, aus deren Verschiebung gegenüber einer Referenzmessung die effektive Permittivität des momentan im Resonator befindlichen Kraftstoffs/Kraftstoffgemisches ermittelt werden kann. Bei Kraftstoffgemischen ergibt sich die effektive Permittivität nach Mischungsregeln aus den Einzelpermittivitäten der beteiligten Kraftstoffe. Selbstverständlich können Störeinflüsse auf die Resonanzfrequenzverschiebung, wie beispielsweise durch Temperaturänderungen durch Kalibrationsschritte und/oder zusätzliche Messung der Einflussparameter rechnerisch im Ergebnis kompensiert werden.
In Fig. 5 ist die Dämpfung des eingekoppelten Hochfrequenz-Signals über eine Messung der Reflektion (Sn) in Abhängigkeit der Frequenz dargestellt. Die drei unterschiedlichen Proben weisen eine Permittivität von er = 2,4 entsprechend 4,84 GHz Resonanzfrequenz, er = 3,0 entsprechend 4,69 GHz und er = 3,6 entsprechend 4,58 GHz auf. Bei der Messung der Transmission (S21) bei Anschluss beider Hochfrequenz-Anschlüsse (Koppelsonden) stellen sich demgegenüber Maxima der Transmission bei den entsprechenden Resonanzfrequenzen ein, so dass hier für die erste Probe mit er = 2,4 ein Maximum bei 4,84 GHz, für die zweite Probe mit er = 3,0 bei 4,69 GHz und für die dritte Probe mit er = 3,6 ein Maximum bei 4,58 GHz liegt.
Durch die Messung der Resonanzfrequenz des Resonators kann mit Hilfe der Formel f r,mess~f r,0 ' (fl' EKraftstoff b ' EDieiektrikumf^f
(wobei fr, mess die gemessene Resonanzfrequenz darstellt, fr,o die Resonanzfrequenz des Resonators ist, wenn der gesamte Resonator mit Luft verfallt ist, EKraftstoff die Permittivität des Kraftstoffes im Inneren des Resonators, £ Dielektrikum die Permittivität des Dielektrikums 23 und a sowie b die Gewichtungsfaktoren des Einflusses von Kraftstoff bzw. Dielektrikum 23 auf die Resonanzfrequenz sind,) die Permittivität des Kraftstoffes gemessen werden.
Jeder Kraftstoff besitzt einen eigenen Permittivitätswert, welcher von seiner chemischen Zusammensetzung abhängt. Bestimmt man die Permittivität von zwei Kraftstoffen in den Tanks A und B so kann anschließend das Mischungsverhältnis der beiden Kraftstoffe bestimmt werden. Die Permittivität des Kraftstoffgemisches ist
EKraftstoff ~f A 'EKraftstoff, A~^f B 'EKraftstoffß,
(wobei fA und fB die Mischungsanteile der Kraftstoffe A und B sind (es gilt
Es lassen sich somit die Mischungsparameter fA und fB mit einer Messung bestimmen. Auf diesem Weg können die Volumenströme nachgeregelt werden, um das exakte, gewünschte Mischungsverhältnis zu erhalten. Durch Messen der Resonanzfrequenz mit für die Strömungsgeschwindigkeit angepasster Abtastrate können außerdem Blasen sowie ausfallende Reaktionsprodukte, etc. durch sprunghafte (kurzzeitige) Messwertänderungen, die einen Grenzwert der Änderung überschreitet, detektiert werden und mögliche Gegenmaßnahmen ergriffen werden.
In der Gesamtkonstellation kann das Messverfahren in einer ersten Ausführungsform mit einem Resonator zum Beispiel an der Übergabestelle des Kraftstoffs unmittelbar vor der Verbrennungskraftmaschine ausgeführt werden. Damit kann die Qualität des Kraftstoffs hinsichtlich der Lieferbedingungen (z.B. Schwefelgehalt, Verunreinigungen, Wassergehalt oder dergleichen) sowie der systemischen Aufbereitung (Viskosität, Filterung, Wasserabscheidung) überwacht und ggf. die Aufbereitungsschritte gesteuert werden. Außerdem können dabei schleichende, unerwünschte Effekte, wie die Verschmutzung eines Separators, identifiziert werden.
Unter der Annahme, dass zumindest die Lieferbedingungen hinsichtlich bestimmter Parameter (z.B. Wassergehalt, Schwefelgehalt, Nennviskosität, etc.) bekannt sind, können mit dieser einfachsten Ausführung auch Kraftstoffgemische überwacht werden. Unter Kenntnis der Zusammenhänge zwischen der Permittivität und dem zu bestimmenden Parameter, die linear, wie nichtlinear sein können, bzw. unter Kenntnis der Permittivität der Einzelstoffe, können mit nur einer Messstelle die Homogenität und das Verhältnis der Mischpartner bestimmt werden.
In einer zweiten verfahrensgemäßen Ausführungsform können Kraftstoffgemische aus zwei Kraftstoffen überwacht werden. Dazu werden drei Messvorrichtungen zur Permittivitätsmessung benötigt, nämlich jeweils eine im Zufluss zum Mischpunkt und eine im Nachlauf zum Mischpunkt. Damit kann dann auch ohne vorausgehende Kenntnis der Parameter der Einzelkraftstoffe die Mischung überwacht und geregelt werden. In Analogie dazu können auch Gemische mit mehr als zwei Einzelstoffen überwacht werden, in dem jeweils im Zufluss und an beliebig vielen Stellen nach einzelnen Mischpunkten entsprechende Messvorrichtungen installiert werden. Somit kann beispielsweise an Bord eines Schiffes ein Messsystem realisiert werden, bei dem das Mischungsverhältnis zweier (oder mehrerer) Treibstoffe überwacht wird, wobei sogar die Zusammensetzung der einzelnen Bestandteile nicht vollständig bekannt ist.
Bezugszeichenliste
1 Resonator
10 Gehäuse
11 Rohrabschnitt
12 erste Stirnfläche
13 zweite Stirnfläche
14 Flanschverbindung
15 Kraftstoffzuleitung
16 Kraftstoffableitung
2 Resonanzkammer
20 Bohrung
21 erster Hochfrequenz-Anschluss
22 zweiter Hochfrequenz-Anschluss
23 nicht leitendes, hitzebeständiges, festes Material; Dielektrikum

Claims

P A T E N T A N S P R Ü C H E
1 . Verfahren zur Messung der Qualität eines über eine Kraftstoffleitung transportierten Kraftstoffes mittels Hohlraumresonanz über in einem in der Kraftstoffleitung ausgebildeten Resonator (1) eingekoppelte Mikrowellen, wobei eine sich in Abhängigkeit des durch den Resonator (1) transportierten Kraftstoffes einstellende Resonanzfrequenz gemessen wird, dadurch gekennzeichnet, dass im Resonator (1) eine elektrische Feldmode angeregt wird, die über den vom Kraftstoff durchflossenen Querschnitt der Kraftstoffleitung ein Maximum bei im Wesentlichen gleichmäßiger Feldstärke aufweist, wobei aus der sich einstellenden Resonanzfrequenz ein Maß für die Qualität des Kraftstoffs oder Kraftstoffgemisches abgeleitet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Messung kontinuierlich erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Messung wiederkehrend mit einer Abtastrate von 10 bis 500 ms für eine jeweilige Messdauer von 1 bis 400 ms durchgeführt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass aus der sich einstellenden Resonanzfrequenz eine effektive Permittivität des momentan im Resonator (1) befindlichen Kraftstoffes berechnet wird, die ein Maß für die Qualität des Kraftstoffs oder Kraftstoffgemisches ist.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die effektive Permittivität gegenüber einer Referenzmessung mit einem Kraftstoff mit bekannter Permittivität anhand der Verschiebung der gemessenen Resonanzfrequenz ermittelt wird, wobei die Permittivität des Kraftstoffs proportional zum Kehrwert des Quadrats der gemessenen Resonanzfrequenz ist.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Mischungsverhältnis von Kraftstoffgemischen bei bekannten Permittivitäten der einzelnen Komponenten ermittelt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Permittivitäten einzelner Komponenten gemessen werden und nach deren Mischung die Permittivität des Kraftstoffgemisches gemessen wird, wobei daraus die Mischungsverhältnisse berechnet werden.
8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Blasen, Schwaden oder Inhomogenitäten im Kraftstoff aufgrund erfasster sprunghafter Messwertänderungen, die größer als ein vorgegebener Grenzwert sind, ermittelt werden.
9. Messvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 8 mit einem Resonator (1) in Form eines Gehäuses (10) aus leitfähigem Material, in dem eine gegenüber der Kraftstoffleitung aufgeweitete Resonanzkammer (2) mit wenigstens einem Hochfrequenz-Anschluss (21 , 22) ausgebildet ist, wobei für die Durchleitung des Kraftstoffes durch den Resonator (1) eine Kraftstoffzuleitung (15) und diametral gegenüberliegend eine Kraftstoffableitung (16) an der Resonanzkammer (2) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Resonanzkammer (2) mit einem nicht leitenden, hitzebeständigen, festen Material (23) ausgefüllt ist, wobei zur Führung des Kraftstoffes eine Bohrung (20) im nicht leitenden, hitzebeständigen, festen Material (23) mit einem Durchmesser etwa gleich (+/- 10%) des Innendurchmessers der Kraftstoffzuleitung (15) und/oder der Kraftstoffableitung (16) ausgebildet ist, wobei die Bohrung (20) die Kraftstoffzuleitung (15) mit der Kraftstoffableitung (16) verbindet und innerhalb der Resonanzkammer im Bereich der maximalen Feldstärke angeordnet ist.
10. Messvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Resonanzkammer (2) eine Zylinderform aufweist und die Bohrung (20) auf der Zylinderachse angeordnet ist.
11. Messvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser der zylindrischen Resonanzkammer (2) im Verhältnis zum Durchmesser der Kraftstoffzuleitung (15) und der
Kraftstoffableitung (16) so gewählt ist, dass die sich in Form der in den Resonator (1) eintretenden Kraftstoffzuleitung (15) und der austretenden Kraftstoffableitung (16) bildenden Wellenleiter bezüglich der im Resonator entstehenden Resonanzfrequenz unterhalb der Cut- Off-Frequenz dieser Resonatormode liegen.
12. Messvorrichtung nach Anspruch 9, 10 oder 11 , dadurch gekennzeichnet, dass das nicht leitende Material (23) PTFE ist.
EP24705042.0A 2023-01-19 2024-01-11 Verfahren zur messung der qualität eines kraftstoffes und messvorrichtung dafür Pending EP4652448A1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102023101256.8A DE102023101256A1 (de) 2023-01-19 2023-01-19 Verfahren zur Messung der Qualität eines Kraftstoffes und Messvorrichtung dafür
PCT/DE2024/100019 WO2024153291A1 (de) 2023-01-19 2024-01-11 Verfahren zur messung der qualität eines kraftstoffes und messvorrichtung dafür

Publications (1)

Publication Number Publication Date
EP4652448A1 true EP4652448A1 (de) 2025-11-26

Family

ID=89940950

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP24705042.0A Pending EP4652448A1 (de) 2023-01-19 2024-01-11 Verfahren zur messung der qualität eines kraftstoffes und messvorrichtung dafür

Country Status (3)

Country Link
EP (1) EP4652448A1 (de)
DE (1) DE102023101256A1 (de)
WO (1) WO2024153291A1 (de)

Family Cites Families (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5811840A (ja) * 1981-07-15 1983-01-22 Hitachi Ltd マイクロ波アルコ−ル燃料センサ
DE3316328A1 (de) * 1982-05-27 1983-12-01 Atomic Energy of Canada Ltd., Ottawa, Ontario Mikrowellen-messgeraet fuer den leerraumanteil in einer fluessigkeitsstroemung
DE3412704A1 (de) 1983-04-06 1984-10-11 Nippondenso Co., Ltd., Kariya, Aichi Vorrichtung zum messen des alkoholgehaltes in kraftstoffgemischen
JPS59190641A (ja) * 1983-04-14 1984-10-29 Nippon Denso Co Ltd アルコ−ル含有率センサ
US4767982A (en) * 1987-06-01 1988-08-30 Master Chemical Corporation Concentration detection system
DE3841471A1 (de) * 1988-12-09 1990-06-13 Fev Motorentech Gmbh & Co Kg Verfahren zur feststellung des alkoholgehaltes und/oder des heizwertes von kraftstoffen
DE4211362C2 (de) * 1992-04-04 1995-04-20 Berthold Lab Prof Dr Vorrichtung zur Bestimmung von Materialparametern durch Mikrowellenmessungen
DE102008044383A1 (de) 2008-12-05 2010-06-10 Robert Bosch Gmbh Verfahren zur Bestimmung einer Zusammensetzung eines Kraftstoffgemischs
DE102009054844A1 (de) 2009-12-17 2011-06-22 Robert Bosch GmbH, 70469 Vorrichtung zur Messung einer Zusammensetzung eines Kraftstoffgemischs
DE102010029007A1 (de) * 2010-05-17 2011-11-17 Robert Bosch Gmbh Vorrichtung zur Bestimmung einer Zusammensetzung eines Kraftstoffgemischs
CN112362973A (zh) * 2014-06-06 2021-02-12 滤波器感知技术有限公司 射频状态变量测量系统和方法
KR102552023B1 (ko) 2018-08-28 2023-07-05 현대자동차 주식회사 자동차용 rf 센서를 이용한 연료 성분 분석 방법

Also Published As

Publication number Publication date
WO2024153291A1 (de) 2024-07-25
DE102023101256A1 (de) 2024-07-25

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE69810288T2 (de) Elektrische messung der ölqualität
DE69709896T2 (de) Grenzschicht-niveaumessung
DE69022421T2 (de) Mikrowellenvorrichtung und verfahren zum messen von flüssigkeitsmischungen.
DE68927587T2 (de) Vorrichtung zum nachweis einer zusammensetzung und nachweisverfahren unter verwendung von impedanzmessungen
DE3412704C2 (de)
DE19728612C2 (de) Verfahren zur Bestimmung der in einer Zweiphasenströmung mit gasförmigem Trägermedium enthaltenen Menge festen und/oder flüssigen Materials
DE69422213T2 (de) Mikrowellendensitometer
DE4211362C2 (de) Vorrichtung zur Bestimmung von Materialparametern durch Mikrowellenmessungen
DE10392903T5 (de) Schaltung für Mehrfrequenzbereichsradar-Füllstandsmeßgerät
EP1241469B1 (de) Mikrowellenresonatoreinrichtung für Messungen an Tabak
DE69226178T2 (de) Methode zur messung von wasser-öl-mischungen mit relativ hohem gasgehalt
DE102011102991B4 (de) Vorrichtung zur Bestimmung des Volumenanteils wenigstens einer Komponente eines mehrphasigen Mediums
EP3298266A1 (de) Vorrichtung zur messung der einspritzrate, verfahren zur herstellung einer solchen vorrichtung sowie messverfahren
EP3475686B1 (de) Verfahren und vorrichtung zur überwachung der qualität von gasförmigen medien
EP1459055B1 (de) Mikrowellen-messeinrichtung zur bestimmung der beladung einer zweiphasenströmung
WO2010063566A2 (de) Verfahren zur bestimmung einer zusammensetzung eines kraftstoffgemischs
EP1322922A2 (de) Verfahren zur erfassung des grenzstandes eines gutes und vorrichtung hierzu
EP0717269A2 (de) Verfahren und Vorrichtung zur berührungsfreien Messung des Massedurchsatzes in Förderleitungen bei Zweiphasenströmungen mit Hilfe von Mikrowellen
WO2024153291A1 (de) Verfahren zur messung der qualität eines kraftstoffes und messvorrichtung dafür
EP3535562A1 (de) Mikrowellenmessanordnung zur bestimmung der beladung einer zweiphasenströmung
EP0377791B1 (de) Verfahren zur Feststellung des Alkoholgehaltes und/oder des Heizwertes von Kraftstoffen
JP2000513758A (ja) 燃料、特にディーゼルエンジン用燃料をその成分のオンライン混合によって製造する製造方法および製造装置
EP1339978B1 (de) Vorrichtung und verfahren zum messen der einspritzmenge von einspritzdüsen, insbesonderer für kraftfahrzeuge
DE102004046500B4 (de) Sauerstoffdetektor und Sicherheitssystem für Brennstofftanks von Luftfahrzeugen, sowie Brennstofftank für Luftfahrzeuge
DE102020108103A1 (de) Flüssig- / Gasmedium-Signal-Messanordnung sowie zugehöriges Flüssig- / Gasmedium- Signal-Messverfahren und Verwendung

Legal Events

Date Code Title Description
STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: UNKNOWN

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE INTERNATIONAL PUBLICATION HAS BEEN MADE

PUAI Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009012

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: REQUEST FOR EXAMINATION WAS MADE

17P Request for examination filed

Effective date: 20250717

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AL AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC ME MK MT NL NO PL PT RO RS SE SI SK SM TR

DAV Request for validation of the european patent (deleted)
DAX Request for extension of the european patent (deleted)