WO2021219709A1 - Vorrichtung und verfahren zum ermitteln der wärmeleitfähigkeit eines fluids - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zum ermitteln der wärmeleitfähigkeit eines fluids Download PDF

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WO2021219709A1
WO2021219709A1 PCT/EP2021/061124 EP2021061124W WO2021219709A1 WO 2021219709 A1 WO2021219709 A1 WO 2021219709A1 EP 2021061124 W EP2021061124 W EP 2021061124W WO 2021219709 A1 WO2021219709 A1 WO 2021219709A1
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fluid
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thermal conductivity
bridge
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Stefan Dilger
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AST (Advanced Sensor Technologies) International GmbH
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    • G01N27/14—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance of an electrically-heated body in dependence upon change of temperature
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    • G01F23/00—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm
    • G01F23/0007—Indicating or measuring liquid level or level of fluent solid material, e.g. indicating in terms of volume or indicating by means of an alarm for discrete indicating and measuring

Definitions

  • the present invention relates to a device and a method for determining a property, in particular a thermal conductivity, of a fluid, in particular a fluid mixture formed from a plurality of fluids, which is in particular a washing liquid or an aqueous fuel solution for exhaust gas aftertreatment for a vehicle, as well as a fluid container and a vehicle.
  • Optical sensors e.g. cameras, LIDAR, radar, etc., which are required for driver assistance systems and / or a system for autonomous driving, are increasingly being installed in vehicles.
  • Optical sensors e.g. cameras, LIDAR, radar, etc.
  • washing systems which have hitherto been mainly used in vehicles to clean a window and / or a light source, have no way of monitoring the washing liquid, so that at low temperatures the problem often arises that a fluid mixture consisting of water and at least one antifreeze liquid is mixed and used as a washing liquid, in a fluid container, in a line to a spray nozzle or on a window freezes due to an insufficient proportion of the anti-freeze liquid. As a result, cleaning is not feasible or visibility is even deteriorated.
  • an aqueous urea solution (also known as AdBlue (registered trademark)) is used in modern diesel vehicles for exhaust gas aftertreatment (selective catalytic reduction (SCR)) in order to reduce the nitrogen oxides (NOx) emitted.
  • SCR selective catalytic reduction
  • the proportion of urea in the aqueous The standard urea solution, for example in the delivery state, is 32.5%, with a range between 31.8% and 33.3% being permissible for use in the vehicle. Since urea is gradually decomposed by UV radiation, the urea concentration may change over time in a container in which the aqueous urea solution is stored for the purpose of refilling and which is exposed to sunlight.
  • water can evaporate from the container or a fluid container in the vehicle, so that the urea concentration also changes over time.
  • a check of the required urea concentration can be carried out by means of a refractometer, which, however, is complex and therefore impractical when operating the diesel vehicle.
  • a property, in particular the thermal conductivity, of a fluid, in particular a fluid mixture, which is used, for example, as a scrubbing liquid or for exhaust gas aftertreatment is determined in order to draw a conclusion about the composition or a degree of contamination thereof.
  • a device for determining the property of the fluid or the fluid mixture has an electrical conductor arrangement which is designed such that it can be brought into contact at least partially or essentially completely or completely with the fluid.
  • the conductor arrangement is designed as a voltage divider and has two elements.
  • a series circuit consisting of, for example, a voltage divider, in particular to understand passive, electrical two-pole terminals, through which an electrical voltage is divided.
  • the device according to the invention 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 above-mentioned conductor arrangement.
  • the device also has a control unit for applying an alternating voltage to the measuring bridge and a voltage detection unit for detecting a bridge voltage.
  • the device has an evaluation unit which is configured in such a way that it determines the property, in particular the thermal conductivity, of the fluid by evaluating the bridge voltage using the 3-omega method.
  • the device determines whether the fluid has a predetermined property, i.e. for example the predetermined thermal conductivity, so that, for example, freezing is reliably prevented at a temperature corresponding to the predetermined thermal conductivity.
  • it can be determined, for example, whether a fluid used for exhaust gas aftertreatment has a required flarea content.
  • a signal can be output via a corresponding means, such as a display and / or a loudspeaker.
  • the first element of the conductor arrangement is preferably a first conductor which, at least in the current-carrying state, has a resistance that is different 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 preferably designed so that the first conductor is in a live state is more heated than the second conductor. As a result, a resistance value of the first conductor can be different from that of the second conductor and the measuring bridge can be detuned, so that a bridge voltage can be detected.
  • the second element can be a fixed resistor used in place of the second conductor.
  • a fixed resistance is to be understood, for example, as a resistance that essentially does not change its resistance value even when the current is flowing through it and is therefore to be regarded as essentially constant under any conditions.
  • the two resistors of the other voltage divider are preferably designed in such a way that their resistance value can be set or changed.
  • 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. However, the resistance value of the first conductor can also be smaller than that of the fixed resistor.
  • the evaluation unit is preferably configured in such a way that it compares the two adjustable resistors before an alternating voltage is applied to the measuring bridge. This configuration offers the advantage that requirements with regard to manufacturing accuracy, which is required, for example, so that the first and second conductors have the same resistance value in a de-energized state, is reduced. In addition, the accuracy of the detection is increased because the measuring bridge is reliably calibrated by the evaluation unit before the start of a determination of the thermal conductivity.
  • the fluid can be a fluid mixture which is formed from two fluids, 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 as the property of the fluid mixture by comparing the thermal conductivity of the fluid mixture with the thermal conductivity of the two fluids from which the fluid mixture is mixed. Accordingly, a mixing ratio of the mixed fluid is accurate determinable.
  • at least one of the two fluids can also be a fluid mixture, provided that 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.
  • a freezing point of the two fluids from which the fluid mixture is formed can also be known.
  • the evaluation unit is configured, for example, in such a way that it determines a freezing point as the property of the fluid mixture using the concentration of the fluid mixture.
  • a freezing point of the fluid mixture can be precisely determined, so that a user can better judge whether the fluid mixture is suitable for a certain temperature.
  • the fluid can be a fluid mixture which is preferably formed from two fluids, of which a thermal conductivity and a freezing point can be known.
  • the evaluation unit can be configured in such a way that it determines a freezing point as the property of the fluid mixture by comparing the thermal conductivity with a characteristic curve, in particular in the form of a straight line.
  • the straight line is obtained by a linear interpolation in which the thermal conductivity and the freezing point of the fluids are each used as a support point.
  • 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 determined value of the thermal conductivity of the fluid mixture, which is 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 preferably smaller than that of the second conductor.
  • the ratio between the cross-sectional areas of the first conductor and the second conductor can 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 can also be in the range from 2 to 6. This design of the first and the second conductor ensures sufficient heating of the first conductor, so that good accuracy of detection of the change in resistance is made possible.
  • the alternating voltage is preferably sinusoidal.
  • the applied alternating voltage can be generated in a simple manner and is suitable for processing in the 3-omega method.
  • a current intensity 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 intensity can also be in the range from 100 mA to 300 mA.
  • the first and the second conductor can be arranged adjacent to one another. For example, they can overlap and / or overlap one another.
  • the two conductors are preferably arranged on a common holding arrangement.
  • the first and the second conductor 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.
  • a space-saving conductor arrangement is achieved by a meandering arrangement of one conductor or both conductors on the board.
  • a standard circuit board eg an FR4 circuit board
  • a conductor is designed in a meandering shape, it has, for example, at least two legs at a parallel spacing and / or adjacent to one another, which are connected via a connecting section. A plurality of such legs are preferably provided, which are arranged next to one another and are connected via connecting sections.
  • the first conductor for example, 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 in this case have a greater distance from one another than the other legs.
  • the first conductor is then preferably also designed with two or more legs which are connected via one or more connecting sections. These legs can be arranged next to one another, preferably with a parallel spacing. At least one or both conductors are advantageously arranged as compactly as possible.
  • the first and / or the second conductor can be designed as wires.
  • a wire is, for example, a metallic conductor with a round or angular or flat or square or profiled cross-section which, apart from its fastening section (s) or if it is not arranged or fastened on a substrate or in a holder, is completely covered by the fluid mixture is surrounded.
  • the conductors designed as wire can be dimensionally stable, as a helix, as a loop, in a meander shape or in some other way wound or curved or shaped or arranged. It has been shown in tests that the use of wires as the first and / or second conductor significantly improves detection accuracy, in particular in comparison to the configuration in the form of conductor tracks.
  • the conductor designed as wires or the conductor designed as a wire can / can be pretensioned by means of at least one elastic element in order to compensate for a change in length that occurs due to heating in the current-carrying state 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.
  • elevations between the two conductors / wires or the conductor / wire can be formed on the circuit board or the holding arrangement. These elevations can be cylindrical or cuboid. The elevations preferably extend up to a height which extends beyond a plane in which the conductors / wires are arranged. The elevations can also be formed in that the conductor / wire is arranged in a groove or a groove section, so that regions outside the groove section extend beyond a plane in which the conductor / wire is arranged. Since the freezing point of an aqueous urea solution is around -11 ° C, it can happen on cold winter days that the aqueous urea solution freezes.
  • a heating element can therefore be arranged in a fluid container in order to heat the aqueous urea solution.
  • a washing liquid can also freeze if the proportion of antifreeze is too low.
  • the elevations ensure that a frozen section or portion of the aqueous urea solution or the washing liquid is limited or interrupted in the area of the circuit board or the holding arrangement. As a result, this section or portion can be thawed more easily and the thermal conductivity can be determined more quickly.
  • the surveys ensure that there is contact between the Wires / conductors and frozen parts / bodies is prevented in order to prevent damage to the conductors / wires.
  • the device according to the invention which has wires, can therefore also be used in an environment that is exposed to low temperatures, such as in a vehicle.
  • the elevations can be arranged in such a way that they prevent contact between the first and second conductors or between individual meanders or sections of the conductors, so that a short circuit can be reliably prevented.
  • At least one conductor section or several conductor sections of the conductors / wires can be contacted with the fluid.
  • the conductor (s) and / or the conductor section (s) extends over a housing side of a housing that is open to the fluid or an open arrangement side of the holding arrangement. From the housing side / arrangement side, in turn, one or more elevations or protrusions (s) extend over the conductor (s) and / or the conductor section (s) in order to protect them from mechanical forces, such as ice contact.
  • 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 fluid, the thermal conductivity of which is to be determined, can pass in order to communicate with the first and / or the second conductor in To get in touch.
  • the cover or the lid can be designed with slots or holes for this purpose.
  • the first conductor and the second conductor can 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 properties of the two conductors need not be taken into account.
  • the first conductor and the second conductor can be covered or comprised with an insulation layer.
  • a lacquer or solder mask can be provided as an inexpensive insulation 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.
  • one of the fluids is water and the other of the fluids is an anti-freeze liquid or ethanol. Because of the freezing point range of such a fluid mixture, this composition of the fluid mixture is particularly suitable for use in a vehicle as a washing liquid.
  • one of the fluids is urea and the other of the fluids is water.
  • This composition is particularly suitable for use in exhaust aftertreatment in a diesel vehicle.
  • control circuit is preferably formed inexpensively and simply from two transistor booster stages.
  • the direct voltage used in an on-board electrical system of a vehicle can be converted into alternating voltage, preferably into a sinusoidal alternating voltage.
  • the evaluation unit can be configured in such a way that it uses a software-implemented synchronous rectifier, also as a software-implemented lock rectifier, to transmit a signal component of the bridge voltage that has the single and / or multiple frequency, preferably three times the frequency, of the AC voltage.
  • a software-implemented synchronous rectifier also as a software-implemented lock rectifier
  • filters With a software-implemented synchronous rectifier this can The input signal, ie the bridge voltage, can be digitized by an A / D converter, preferably by an A / D converter of the evaluation unit.
  • a table is preferably stored in the evaluation unit in which normalized amplitude values of the signal component to be filtered, ie the amplitude values of a sinusoidal voltage with the single or multiple frequency of the voltage applied to the measuring bridge, are stored.
  • the digitized values of the input signal can then be multiplied, in particular correlated, with the values from the table.
  • a sliding sum is then preferably formed over a multiple of the length of the table, ie over a multiple of the period duration of the signal component. The sliding sum can then be used as a measure of the amplitude of the signal component to be filtered in the input signal, ie in the bridge voltage.
  • a fluid container or liquid container according to the invention has the device for determining the thermal conductivity of a fluid or fluid mixture.
  • the thermal conductivity of a fluid or fluid mixture stored in the fluid container e.g. a washing liquid or a liquid for exhaust gas aftertreatment, can be determined. In this way it can be reliably determined whether the fluid mixture can be used for an intended application.
  • the device for determining the thermal conductivity can be arranged in a partial area of the fluid container which is spatially separated from a main area of the fluid container but which can communicate fluidically with the main area.
  • the device can partially or from a protruding bottom or wall section of the fluid container be completely surrounded and the bottom or wall section can have slots or holes, so that the fluid stored in the fluid container can be reliably brought into contact with the device for determining the property of the fluid.
  • a freezing section can be limited in the area of the device for determining the thermal conductivity, and a time for thawing, for example by means of a heater arranged in the fluid container, can be reduced in this way.
  • the risk of mechanical damage to the device for determining the thermal conductivity is reduced.
  • the fluid container can have a sensor for detecting a fill level.
  • This sensor can in particular be an ultrasonic sensor or a sensor for detecting the hydrostatic pressure in the fluid container.
  • the fill level in the fluid container can also be determined.
  • a means can be provided that emits an acoustic and / or visual warning, e.g. via a loudspeaker and / or a display, if the determined fill level is not sufficient for an intended application.
  • the level in the fluid container can be determined and a warning can be issued if this is too low for an intended application.
  • the device for determining the thermal conductivity of the fluid and the sensor for level measurement can be designed as a common module. In this way, an inexpensive and space-saving arrangement can be achieved.
  • the fluid container can have a detection means which detects a filling and / or an emptying of the fluid container with / of liquids.
  • a detection means which detects a filling and / or an emptying of the fluid container with / of liquids.
  • a washing system according to the invention has the fluid container according to the preceding aspects.
  • a property, in particular a thermal conductivity, of the fluid or fluid mixture can thus be determined so that freezing of the washing liquid can be reliably prevented.
  • a device according to the invention for exhaust gas aftertreatment has a fluid container according to the preceding aspects.
  • a property, in particular a thermal conductivity, of a fluid or fluid mixture that is used for exhaust gas aftertreatment can be determined so that exhaust gases emitted by a vehicle are reliably cleaned.
  • a vehicle according to the invention has a washing system with a fluid container according to one of the preceding aspects, which is used for cleaning a vehicle component and / or an optical sensor and / or a light source and / or a window. Accordingly, the property, in particular the thermal conductivity, of a fluid or fluid mixture used as a washing liquid for the vehicle can be determined in order to reliably prevent it from freezing.
  • the vehicle has a vehicle component, in particular an optical sensor and / or a light source and / or a pane, which is / are cleaned by the washing system. Accordingly, cleaning thereof is ensured even at low temperatures, since freezing of the washing liquid in the washing installation can be reliably prevented by using the device according to the invention for determining the properties of the fluid.
  • the vehicle according to the invention has a device for exhaust gas aftertreatment with a fluid container according to one of the preceding aspects. Consequently, the property of a fluid or fluid mixture used for exhaust gas aftertreatment can be determined in order to determine the flarnea concentration in the fluid mixture therefrom. In this way, reliable exhaust gas cleaning can be carried out.
  • a method for determining a property, in particular a thermal conductivity, of a fluid has the following steps: applying an alternating voltage to a measuring bridge; Detecting a bridge voltage; and determining a thermal conductivity as the property of the fluid mixture by evaluating the bridge tension using the 3-omega method.
  • the method can be carried out when filling and / or emptying of a fluid container is detected according to one of the preceding aspects.
  • the frequency of execution of the method can be reduced, so that a processing load on the evaluation unit is reduced.
  • the method can be carried out when switching on and / or switching off an ignition of a vehicle.
  • the frequency of execution of the method can also be reduced, so that a processing load on the evaluation unit is reduced.
  • 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 to cause at least one of the two transistor booster stages to apply a direct voltage to the measuring bridge.
  • the DC voltage has a value of 200 mV.
  • the value of the direct voltage can also be between 100 mV and 500 mV.
  • the bridge voltage is then recorded and the evaluation unit changes the resistances of the two adjustable resistors. A DC voltage is then again applied to the measuring bridge and the bridge voltage is recorded.
  • This process is carried out until the bridge voltage, which is detected in response to the applied DC voltage, is essentially equal to a voltage of 0V.
  • the measuring bridge can be adjusted reliably. This procedure is advantageously carried out when commissioning or starting a detection of the property in order to initially align the measuring bridge.
  • the evaluation unit can be designed so that it filters out a signal component of the bridge voltage which corresponds to the single frequency of the alternating voltage applied to the measuring bridge.
  • the amplitude of this signal component of the bridge voltage can be used as a measure for 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 applied alternating voltage, in Is essentially 0V.
  • This procedure offers the advantage that a detuning of the measuring bridge can be detected during a measuring operation. Accordingly, detunings of the measuring bridge that occur, for example, as a result of heating during operation, can be detected and the measuring bridge can then be adjusted.
  • a reserve container with an anti-freeze liquid or with flarea can be provided. This can be fluidically connected to the fluid container. It would then be conceivable that the antifreeze liquid could be fed into the fluid container if necessary, e.g. via a controllable valve. This takes place, for example, if it is determined that there is too little antifreeze liquid or flare in the fluid container.
  • FIG. 1 schematically shows a circuit diagram of a device for determining a property of a fluid mixture which is used in a fluid container of a washing system for a vehicle;
  • 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 the first and second conductors are used
  • FIG. 4 is a diagram schematically showing a straight line for determining a freezing point of a fluid mixture
  • FIG. 5 schematically shows a circuit diagram of a device for determining a thermal conductivity which is used in a fluid container of a device for exhaust gas aftertreatment for a vehicle;
  • FIG. 6 and 7 show a measuring bridge with a conductor arrangement in which the first and second conductors are designed as wires;
  • FIGS. 8 and 9 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. 10 shows a flow chart of a method for determining a thermal conductivity of a fluid when the fixed resistor is used
  • FIG. 11 shows an embodiment of a holding arrangement for holding a conductor designed as a wire
  • Figure 12 is a schematic block diagram of a software implemented synchronous rectifier.
  • a device 1 for determining a property, in particular a thermal conductivity, of a fluid the fluid is particularly a fluid mixture that is mixed from water and ethanol, which is the basis for most commercially available antifreeze liquids, and is used as a washing liquid for a washing system 50 of a vehicle 70 for cleaning an optical sensor, a window and a / or a light source is used.
  • the wax liquid is stored in a fluid container 30 for this purpose.
  • the washing liquid is to be understood as a fluid mixture in the following description.
  • the device 1 according to the present embodiment is designed for use in a vehicle 70.
  • a thermal conductivity of the washing liquid is used as a measure of the mixing ratio of water to ethanol.
  • Water has a thermal conductivity of 0.556 [W / (m * K)] and ethanol has a thermal conductivity of 0.173 [W / (m * K)].
  • a washing liquid mixed from water and ethanol accordingly has a thermal conductivity that lies between these two values, so that a conclusion about the mixing ratio of the washing liquid is possible by comparing the determined thermal conductivity with a predetermined thermal conductivity. If it is necessary, for example, that a minimum proportion of ethanol is present in the washing liquid in order to reliably prevent freezing, then the value of the determined thermal conductivity must be less than or equal to the specified thermal conductivity.
  • the specified thermal conductivity is specified beforehand by a manufacturer of the device 1, the washing system 50 or the vehicle 70.
  • the specified thermal conductivity can also be adjusted accordingly based on different influences, e.g. date, location, weather forecast, etc.
  • the device 1 for determining the thermal conductivity of a fluid mixture formed from a plurality of fluids has for this purpose 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 can at least partially be brought into contact with the washing liquid.
  • the electrical conductor arrangement 2 shown in FIGS. 1 and 2 is brought into contact with the fluid mixture by being completely immersed in the washing liquid that is stored in the fluid container 30 of the washing system 50 so that it is completely surrounded by the fluid mixture.
  • 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 is more heated 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 the form of conductor tracks on a circuit board 26 in a meandering manner.
  • the two conductors 21 and 22, as shown in FIG. 2 have several legs 23 and connecting sections 24 between these legs 23.
  • the first conductor 21 is also arranged in a meandering shape between two legs 23 of the second conductor 22.
  • 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, also be arranged in a meandering manner only in sections.
  • only one of the two conductors 21, 22, preferably the second conductor 22, can be arranged in a meandering manner.
  • the two conductors 21, 22 in the form of conductor tracks on the circuit board 26, e.g. on an FR4 circuit board, by a known printing process, an inexpensive and robust conductor arrangement 2 can be obtained.
  • the meandering arrangement of the two conductors 21, 22 offers the advantage of a space-saving arrangement of the conductor arrangement 2 in the fluid 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 a factor by which the cross-sectional area of the second conductor 22 is is greater 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. Such a design of the two cross-sectional areas ensures sufficient detection accuracy in the event of a change in resistance described below in the current-carrying state.
  • the two conductors 21, 22 are implemented by conductor tracks made of copper. However, another material such as nickel can be used.
  • the two conductors 21, 22 are preferably made from the same material, so that an influence of a different material in the dimensioning and the change in resistance described later in the current-carrying state does not have to be taken into account.
  • the production of the electrical conductor arrangement 2 is simplified.
  • first and second conductors 21, 22 are preferably covered with solder mask, so that a short circuit between the individual meanders of the first and second conductors 21, 22 due to the washing liquid present in between is avoided.
  • the first conductor 21 is heated more than the second conductor 22 due to its smaller cross-sectional area. Consequently, a resistance value of the first conductor 21 increases more than the resistance value 22 of the second conductor. Since the conductor arrangement 2 is completely immersed in the fluid mixture, the strength of the heating of the first conductor 21 also depends on a thermal conductivity of the washing liquid. When the washing liquid has a high thermal conductivity, the first conductor 21 is heated less than when the washing liquid has a low thermal conductivity. A washing liquid with a high thermal conductivity thus cools the first conductor 21 better than a washing liquid 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 washing liquid.
  • a measuring bridge 4 which is designed, for example, as a Wheatstone measuring bridge, with two voltage dividers connected in parallel, one of the voltage dividers being used by the electrical conductor arrangement 2, i.e. consequently by the series connection of the first conductor 21 and the second conductor 22 is formed.
  • the other voltage divider is formed by two resistors R1 and R2, each of which has the same resistance value.
  • an alternating voltage is applied to the measuring bridge 4 by the control unit 6.
  • the control unit 6 is formed in the present embodiment from two transistor booster stages 61, 62, so that a conversion of the direct voltage of the electrical system of the vehicle 70 into an alternating voltage is possible.
  • the first transistor booster stage 61 applies a positive voltage
  • the second transistor booster stage 62 alternately applies a negative voltage to the measuring bridge 4.
  • the alternating voltage is in particular a sinusoidal alternating voltage, so that the 3-omega method described below can be carried out.
  • the control unit 6 applies the alternating voltage to the measuring bridge 4, so that a current in the range of approximately 200 mA flows in the series circuit comprising the first and second conductors 21 and 22.
  • the current strength is not limited to this value and can be in the range from 150 mA to 250 mA.
  • the first conductor 21 is heated by a few Kelvin in the current-carrying state, as a result of which its resistance value increases, which in turn leads to a detuning of the measuring bridge 4.
  • a bridge voltage Ub is present between the two voltage dividers, which voltage is detected by the voltage detection unit 8.
  • the voltage detection unit 8 is in the present embodiment, as shown in FIG.
  • the amplified voltage Uv thus corresponds to the bridge voltage Ub and processing of the amplified voltage Uv is to be understood as processing 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 determines the thermal conductivity of the fluid mixture by evaluating the bridge voltage Ub or the increased voltage Uv, which corresponds to the bridge voltage Ub, using the 3-omega method as the property of the fluid or fluid mixture.
  • 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 as both a heater and a thermometer.
  • the ac voltage U0 is applied to the measuring bridge 4 by the control unit 6, so that the current I flows through the first conductor 21 at the same frequency. Consequently, a power that oscillates at twice the frequency is converted into heat in the first conductor 21, so that a temperature of the first conductor 21 and consequently also its resistance value changes at twice the frequency of the applied alternating voltage U0.
  • the measuring bridge 4 is detuned and the bridge voltage Ub, which also oscillates at twice the frequency as 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, as well as the resistance values of the first are designed in such a way 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 essentially does not change in a current-carrying state. This has the advantage that the bridge voltage is proportional to the change in resistance AR2i of the first conductor 21 and can be expressed by the following equation:
  • the bridge voltage Ub has a signal component which has three times the frequency of the alternating voltage applied to the measuring bridge 4.
  • This so-called 3-omega-sign 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 a multiple frequency, preferably three times the frequency, of the AC voltage by means of a software-implemented synchronous rectifier or software-implemented lock-in amplifier shown in FIG. 12.
  • the software-implemented synchronous rectifier uses a table 602 in which the amplitude values of the signal component with the multiple frequency, preferably three times the frequency, are stored in a standardized manner as a reference.
  • the evaluation unit 10 then correlates the values of the bridge voltage Ub digitized by means of an A / D converter 604 of the evaluation unit 10 with the standardized amplitude values stored in the table 602 and forms a sliding sum over a multiple of the length of the table, ie over a multiple of the period of the signal component.
  • the sum S can then be used as a measure of the component or the amplitude of the signal component in the bridge voltage Ub.
  • the 3-omega signal component can be determined in a simple and inexpensive manner.
  • the amplitude of the signal with three times the frequency of the bridge voltage is a direct measure of the thermal conductivity of the fluid.
  • the determined thermal conductivity lies between the two values for the thermal conductivity of water and ethanol, so that it can be used as a measure for the mixing ratio.
  • the determined thermal conductivity can then be compared with a predetermined thermal conductivity in order to assess whether a mixing ratio of the washing liquid stored in the fluid container 30 is suitable for the intended use in the washing system 50 of the vehicle 70, so that freezing is reliably prevented. If it is necessary, for example, that a minimum proportion of ethanol is present in the washing liquid in order to reliably prevent freezing, then the value of the determined thermal conductivity must be less than or equal to the specified thermal conductivity.
  • a suitable warning signal can be displayed to a driver of the vehicle 70 via a display and / or a loudspeaker of the vehicle so that he is prompted to change the mixing ratio of the washing liquid.
  • the fluid container 30 has a sensor for level measurement.
  • the sensor is an ultrasonic sensor for measuring the fill level or a sensor for measuring the hydrostatic pressure.
  • the device 1 for determining the property of a fluid mixture formed from a plurality of fluids is used for the washer 50 of the vehicle 70, and a thermal conductivity thereof is determined as the property.
  • the washing system 50 has the fluid container 30 for storing the washing liquid and a detection means can be provided which detects a filling and / or emptying of the washing fluid container 30 with / of liquids. If, for example, one of the fluids, ethanol or water, is filled into the washing fluid container 30, it can be assumed that a mixing ratio and consequently also the thermal conductivity of the washing liquid changes. Accordingly, a determination of the thermal conductivity can be started, for example on the basis of a detection of the filling of the fluid container 30 with a fluid, in order to determine whether the washing liquid continues to have a predetermined thermal conductivity. As a result, it is possible to reduce a frequency of detection of the thermal conductivity.
  • the washing liquid is formed from the two fluids water and ethanol, each of which has a known thermal conductivity.
  • the evaluation unit 10 can then also be configured such that it determines a concentration as the property of the fluid mixture by comparing the thermal conductivity of the fluid mixture with the thermal conductivity of the two fluids. This embodiment offers the advantage that a driver of the vehicle can easily understand the mixture ratio.
  • the evaluation unit 10 can additionally be configured such that it determines a freezing point as the property of the fluid mixture using the concentration of the fluid mixture.
  • the freezing point of the washing liquid can then be communicated to the driver by means of a suitable display, so that he can judge precisely whether a mixing ratio of the washing liquid needs to be changed so that it is reliably prevented from freezing.
  • the evaluation unit 10 can do so be configured to determine a freezing point as the property of the fluid mixture 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 fluids are each used as a support point.
  • the values of the thermal conductivity of the two fluids are each plotted on the x-axis of a Cartesian coordinate system and the values of the freezing points of the two fluids are each plotted on the y-axis of the Cartesian coordinate system.
  • the freezing point of the fluid mixture can then, as shown in FIG.
  • the washing system 50 is built into the vehicle 70 and is used in particular to clean an optical sensor that is used for a driver assistance system and / or a system for autonomous driving.
  • the washing system 50 can, however, also be used to clean a light source and / or a window of the vehicle 70.
  • the washing system 50 has further components, such as, for example, lines, pumps, spray nozzles, wipers, etc., which are required for cleaning the optical sensor, the light source or the window.
  • 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 able to communicate with other units and means, not shown, such as the detection means for detecting filling / emptying, which are installed in the vehicle 70 and are communicatively connected to one another via a vehicle bus, for example .
  • the method 100 is in the form of software in RAM or ROM and is carried out by executing commands by the CPU and outputting 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), it is waited until a corresponding signal is received. If the ignition is switched on and / or off (Yes in S1), S2 is carried out.
  • step S2 it is determined on the basis of a signal received from the detection means whether filling and / or emptying of the fluid container 30 with / from a liquid is detected. If it is not determined that filling and / or emptying has taken place (No in S2), processing goes back to the beginning of the method. If it is determined that filling and / or emptying has occurred, 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 control unit 6 in order to apply the alternating 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 voltage applied to the measuring bridge 4, and uses this to determine the thermal conductivity of the washing liquid.
  • the concentration and / or the freezing point of the washing liquid is determined in the manner described above.
  • the device 1, the method 100 for determining a thermal conductivity of a fluid or the fluid mixture and the fluid container 30 have been described for use in the washing system 50 for the vehicle 70. It should be noted that the device 1 and the method 100 are not limited to this and can be used in any area in which a thermal conductivity of a fluid is to be determined.
  • the washing system 50 according to the invention is not limited to an application in the vehicle 70 and can be used for surveillance cameras, weather sensors or other units in which freezing of a washing liquid is to be reliably prevented in order to ensure cleaning even at low temperatures.
  • FIG. 5 schematically shows a circuit diagram of the device 1 for determining a thermal conductivity of a fluid or fluid mixture.
  • the fluid mixture is in particular an aqueous fuel solution that is mixed from water and fuel and is used as a liquid for exhaust gas aftertreatment in a device 60 for exhaust gas aftertreatment in vehicle 70.
  • the device 1 for determining a thermal conductivity of a fluid mixture is attached in or on a fluid container 40 of the device 60 for exhaust gas aftertreatment.
  • a thermal conductivity of the aqueous fuel solution is used as a measure of the mixing ratio of fuel to water.
  • An aqueous flare solution suitable for exhaust gas aftertreatment has a concentration of 32.5%, so that the aqueous flare solution has a thermal conductivity of 0.57 W / (m K). If the determined thermal conductivity deviates from the specified thermal conductivity, the aqueous flare solution does not the required urea concentration. As a result, it may be necessary to replace the aqueous urea solution stored in the fluid container 40 or to refill water or urea.
  • FIGS. 6 and 7 show a measuring bridge 240 with a conductor arrangement 200 in which a first conductor 221 and a second conductor 222 are designed as 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 currentless state.
  • the first conductor 221 is attached to the conductor arrangement 200 in a meandering or loop-shaped manner. It should be noted that the cross-section of the two conductors 221 and 222 in FIG. 6 and FIG. 7 is drawn identically for reasons of drawing. The cross-section of the two conductors 221 and 222 is actually different from one another.
  • 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 they are completely surrounded and surrounded by the fluid or fluid mixture. In this way, the two conductors 221 and 222 can be brought into full contact with the fluid. 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 guided over openings 204 in order to form the individual meanders.
  • elastic elements for example spring elements (not shown)
  • the two conductors 221 and 222 or adjacent meanders or loops of the first conductor 221 can be prevented from touching one another, and a short circuit can thereby be reliably prevented.
  • a change in length or shape of the holding arrangement 201 due to a change in temperature can also be compensated for.
  • Block-shaped elevations 206 are arranged between the two conductors 221 and 222 and the meanders of the first conductor 221.
  • the elevations 206 extend from the fourth recessed surface 202 to a plane which is also parallel to the recessed plane and spaced further apart from the recessed surface 202 than the plane in which the first and second conductors 221 and 222 are arranged. Accordingly, the elevations 206 likewise prevent the first and second conductors 221 and 222 and the meanders of the first conductor 221 from coming into contact. In addition, a larger section in the area of the conductor arrangement 200 is prevented by the elevations 206 from freezing.
  • an aqueous urea solution for exhaust gas aftertreatment has a freezing point of -11 ° C and therefore it can happen on cold winter days that the aqueous urea solution freezes.
  • the antifreeze content of a washing liquid can be too low, so that it can also freeze on cold winter days.
  • a frozen section of the fluid mixture in the area of the conductor arrangement 200 can be thawed more quickly by a heater arranged in the fluid container 40 for the aqueous urea solution, so that a reliable determination of the thermal conductivity of the washing liquid or the aqueous urea solution is possible more quickly after the vehicle 70 has been started is.
  • the two resistors 41 and 42 of the other branch of the measuring bridge 240 are designed as resistors with fixed resistance values.
  • the resistance values of the two resistors 41 and 42 are selected so 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 second conductors 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 or lines.
  • holes 208 are formed into which pins of a lid or a cover (not shown) for the conductor arrangement 200 can be inserted.
  • screws can also be screwed into the holes in which a thread is formed in order to connect the cover to the holding arrangement 201.
  • the cover can further prevent a larger area of the aqueous urea solution in the area of the two conductors 221 and 222 from freezing. So that the fluid mixture can continue to be brought into contact with the first and second conductors 221 and 222, the cover has slots or holes through which the fluid mixture can flow to the first and second conductors 221 and 222. In addition, the cover can reduce the risk of mechanical damage to the first and second conductors 221 and 222.
  • a measuring bridge 340 according to a further embodiment of the present invention is shown in FIGS. 8 and 9.
  • one of the voltage dividers is formed by a conductor arrangement 300 according to another embodiment.
  • 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.
  • the fixed resistor 322 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 adjusts 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 one first conductor 321, which is designed as a wire.
  • the first conductor 321 is connected at connections 302 to lines of the measuring bridge 340.
  • the connections 302 in the embodiment shown in FIGS. 8 and 9 are screwable connections, but it is also possible to design the connections as clamp or plug connections. As a result, the holding structure 301 can be easily assembled and removed.
  • the first conductor 321 is laid as a loop and is arranged in a plane parallel to a bottom surface 304 of the holding arrangement 301.
  • a frame 306 is formed around the bottom surface 304 so that the holding arrangement 301 is formed as a recessed housing in which a small proportion of the fluid is present.
  • the first conductor 321 is guided over deflection points 308 and is pretensioned by means of elastic elements in order to compensate for a change in length due to heating in the current-carrying state 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.
  • 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 towards an inner side of the loop in that two opposite sections of the first conductor 321 are drawn together by the second spring element 312. In this way, contact of the first conductor 321 with itself or with other elements of the conductor arrangement 300 is reliably prevented. As a result, short-circuiting of the first conductor 321 can be reliably prevented.
  • a change in shape or length of the holding arrangement 301 due to a change in temperature can be compensated for.
  • elevations 314 or projections are arranged, which make contact with the first conductor 321 further reliably prevent with itself or with surrounding elements.
  • the elevations 314, which are cylindrical in the example shown in FIGS. 8 and 9, also limit a spatial expansion of a frozen section in the area of the first conductor 321, so that the frozen section of the aqueous urea solution quickly after a start of heating is defrostable.
  • the holding arrangement 301 has two hollow cylinders 316 in a central area on the outside, 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 formed with slots or holes so that the fluid can penetrate into the interior of the conductor arrangement 300.
  • the cover further prevents the aqueous urea solution or the washing liquid from freezing in the area of the holding arrangement 301 and the risk of mechanical destruction of the holding arrangement 301 or the first conductor 321 is reduced.
  • the holding arrangement 301 is not limited to the first conductor 321 and a second conductor can also be arranged on a similar conductor arrangement.
  • 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 is optionally also pretensioned by elastic elements , are formed.
  • FIG. 10 shows a flowchart of a method 400 that is executed when the measuring bridge 340 shown in FIGS. 8 and 9 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 compares the measuring bridge 340 by setting the resistance values of the two resistors 341 and 342, is carried out before step S1.
  • An adjustment 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 direct voltage to the measuring bridge 340.
  • the DC voltage has a value of 200 mV. However, the value of the direct voltage can also be between 100 mV and 500 mV.
  • the bridge voltage Ub is then 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 process is carried out until the bridge voltage Ub, which is detected in response to the applied DC voltage, is essentially equal to a voltage of 0V.
  • the measuring bridge 340 can be balanced reliably. This procedure is advantageously carried out when commissioning or starting a detection of the thermal conductivity in order to initially adjust the measuring bridge 340.
  • the evaluation unit 10 can be designed so that it filters out a signal component of the bridge voltage Ub which corresponds to the single frequency of the alternating 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 so that it changes the resistance value of the adjustable resistors 341 and 342 in step S10 in such a way that the signal component of the bridge voltage that the corresponds to the simple frequency of the applied alternating 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, detunings of the measuring bridge 340, which occur, for example, as a result of heating during operation, can be detected and the measuring bridge 340 can then be adjusted.
  • FIG. 11 shows a folding arrangement 501 according to an embodiment, which is covered by a cover 502.
  • the folding arrangement 501 and the cover 502 have congruent holes 504 and 506, respectively, into which pins 508 can be inserted.
  • the holding arrangement 501 and the cover 502 can also be connected to one another by screws or rivets.
  • the holes have, for example, a thread for the screw or are designed in such a way that a rivet can be supported therein.
  • the cover 502 has two slots 510 through which the fluid, the property of which is to be determined, can communicate with a conductor 521 designed as a wire.
  • the holding arrangement 501 shown in FIG. 11 also differs from the previous embodiments in that the conductor 521 is arranged in a groove section 512. Accordingly, the sections outside of the groove section 512 correspond to the elevations according to the previous embodiments.
  • the conductor 521 can be connected to a measuring bridge, such as the measuring bridge 340 according to the previous embodiment, via two contact pins 514. Furthermore, the conductor 521 is pretensioned via an elastic element, in particular the spring element 516, so that a change in length of the conductor 312 and / or a change in length or shape of the holding arrangement 510 due to a change in temperature can be compensated for. As a result, the conductor 521 formed as a wire can be reliably prevented from being destroyed.

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Abstract

Eine Vorrichtung zum Ermitteln einer Eigenschaft eines Fluids, weist auf: eine elektrische Leiteranordnung (2, 200, 300), die derart ausgestaltet ist, dass sie zumindest teilweise mit dem Fluid in Kontakt bringbar ist, und als Spannungsteiler mit zwei Elementen (21, 221, 321, 521, 22, 222, 322) ausgebildet ist, wobei das erste Element ein erster Leiter (21, 221, 321, 521) ist, der zumindest in einem stromführenden Zustand einen Widerstandswert aufweist, der zu dem des 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 ist, eine Ansteuereinheit (6) zum Anlegen einer Wechselspannung (U0) an die Messbrücke (4, 240, 340), eine Spannungserfasseinheit (8) zum Erfassen einer Brückenspannung (Ub), und eine Auswerteeinheit (10), die so konfiguriert ist, dass sie eine Wärmeleitfähigkeit als die Eigenschaft des Fluids durch Auswerten der Brückenspannung (Ub) unter Verwendung der 3-Omega-Methode ermittelt.

Description

VORRICHTUNG UND VERFAHREN ZUM ERMITTELN DER WÄRMELEITFÄHIGKEIT EINES FLUIDS
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Ermitteln einer Eigenschaft, insbesondere einer Wärmeleitfähigkeit, eines Fluids, insbesondere eines aus einer Mehrzahl von Fluiden gebildeten Fluidgemisches, das insbesondere eine Waschflüssigkeit oder eine wässrige Flarnstofflösung zur Abgasnachbehandlung für ein Fahrzeug ist, sowie einen Fluidbehälter und ein Fahrzeug.
In Fahrzeugen werden zunehmend optische Sensoren, z.B. Kameras, LIDAR, Radar usw., verbaut, die für Fahrer-Assistenzsysteme und/oder ein System zum autonomen Fahren benötigt werden. Bei Einsatz der optischen Sensoren für die genannten Zwecke ist es erforderlich, dass eine Erfassungsgenauigkeit bei jedem Wetter sichergestellt ist. Aus diesem Grund ist eine zuverlässige Reinigung der optischen Sensoren durch eine Waschanlage von großer Wichtigkeit.
Konventionelle Waschanlagen, die bisher in Fahrzeugen hauptsächlich zur Reinigung einer Scheibe und/oder einer Lichtquelle verwendet werden, weisen keine Möglichkeit zum Überwachen der Waschflüssigkeit auf, so dass bei niedrigen Temperaturen oftmals das Problem auftritt, dass ein Fluidgemisch, das aus Wasser und mindestens einer Frostschutzflüssigkeit gemischt und als Waschflüssigkeit verwendet wird, in einem Fluidbehälter, in einer Leitung zu einer Spritzdüse oder auf einer Scheibe aufgrund eines zu geringen Anteils der Frostschutzflüssigkeit gefriert. Demzufolge ist eine Reinigung nicht durchführbar oder eine Sicht wird sogar noch verschlechtert.
Zudem wird in modernen Dieselfahrzeugen eine wässrige Harnstofflösung (auch als AdBlue (eingetragene Marke) bezeichnet) zur Abgasnachbehandlung (selektive katalytische Reduktion (SCR)) verwendet, um eine Reduktion der ausgestoßenen Stickoxide (NOx) zu erreichen. Der Anteil des Harnstoffs an der wässrigen Harnstofflösung beträgt dabei standardmäßig, z.B. im Auslieferungszustand, 32,5 %, wobei ein Bereich zwischen 31,8 % und 33,3 % für eine Anwendung im Fahrzeug zulässig ist. Da Harnstoff durch UV-Strahlung allmählich zersetzt wird, kann sich die Harnstoffkonzentration in einem Behälter, in dem die wässrige Harnstofflösung zum Zweck eines Nachfüllens gelagert wird und der Sonnenlicht ausgesetzt ist, mit der Zeit ändern. Außerdem kann Wasser aus dem Behälter oder einem Fluidbehälter im Fahrzeug verdunsten, so dass sich die Harnstoffkonzentration ebenfalls mit der Zeit ändert. Eine Überprüfung einer erforderlichen Harnstoffkonzentration kann dabei mittels eines Refraktometers durchgeführt werden, was jedoch aufwendig und daher beim Betrieb des Dieselfahrzeugs impraktikabel ist.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung, ein Verfahren, einen Fluidbehälter und ein Fahrzeug bereitzustellen, die die genannten Nachteile beseitigen. Demzufolge ist es möglich, ein Gefrieren des Fluidgemisches, das als Waschflüssigkeit verwendet wird, zuverlässig zu verhindern und/oder eine erforderliche Konzentration einer wässrigen Harnstofflösung zum Zweck einer Abgasnachbehandlung sicherzustellen.
Die Aufgabe hinsichtlich der Vorrichtung wird gelöst gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1, hinsichtlich des Fluidbehälters gemäß den Merkmalen des Anspruchs 11, hinsichtlich des Fahrzeugs gemäß den Merkmalen des Anspruchs 14 und hinsichtlich des Verfahren gemäß den Merkmalen des Anspruchs 15. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Erfindungsgemäß wird eine Eigenschaft, insbesondere die Wärmeleitfähigkeit, eines Fluids, insbesondere eines Fluidgemisches, das z.B. als Waschflüssigkeit oder zur Abgasnachbehandlung verwendet wird, ermittelt, um einen Rückschluss über die Zusammensetzung oder einen Verunreinigungsgrad davon zu ziehen. Eine Vorrichtung zum Ermitteln der Eigenschaft des Fluids oder des Fluidgemisches weist dazu eine elektrische Leiteranordnung, die derart ausgestaltet ist, dass sie zumindest teilweise oder im Wesentlichen vollständig oder vollständig mit dem Fluid in Kontakt bringbar ist, auf. Die Leiteranordnung ist als ein Spannungsteiler ausgebildet und weist zwei Elemente auf. Als Spannungsteiler ist beispielsweise eine Reihenschaltung aus, insbesondere passiven, elektrischen Zweipolen, durch die eine elektrische Spannung aufgeteilt wird, zu verstehen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist 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 Eigenschaft, insbesondere die Wärmeleitfähigkeit, des Fluids durch Auswerten der Brückenspannung unter Verwendung der 3-Omega-Methode ermittelt. Durch die Verwendung der Vorrichtung kann bestimmt werden, ob das Fluid eine vorgegebene Eigenschaft, d.h. beispielsweise die vorgegebene Wärmeleitfähigkeit, aufweist, so dass beispielsweise ein Gefrieren bei einer der vorgegebenen Wärmeleitfähigkeit entsprechenden Temperatur zuverlässig verhindert wird. Zudem kann beispielsweise bestimmt werden, ob ein für eine Abgasnachbehandlung verwendetes Fluid, einen erforderlichen Flarnstoffanteil aufweist. Dazu kann, beispielsweise bei einer Gefahr eines Gefrierens oder bei einer zu geringen/hohen Konzentration des Fluids zur Abgasnachbehandlung, ein Signal über ein entsprechendes Mittel, wie etwa eine Anzeige und/oder einen Lautsprecher, ausgegeben werden.
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 vorzugsweise dabei so ausgebildet, dass sich der erste Leiter in einem stromführenden Zustand stärker erwärmt als der zweite Leiter. Demzufolge kann ein Widerstandswert des ersten Leiters unterschiedlich zu dem des zweiten Leiters sein und die Messbrücke kann verstimmt sein, so dass eine Brückenspannung erfassbar ist.
Gemäß einem anderen Aspekt kann das zweite Element ein Festwiderstand, der anstelle des zweiten Leiters verwendet wird, sein. Als Festwiderstand ist beispielsweise 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 vorzugsweise 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 vorzugsweise 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 kann das Fluid ein Fluidgemisch sein, das aus zwei Fluiden gebildet ist, von denen vorzugsweise jeweils eine Wärmeleitfähigkeit bekannt ist. Die Auswerteeinheit kann so konfiguriert sein, dass sie eine Konzentration oder ein Mischungsverhältnis als die Eigenschaft 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 weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung kann zusätzlich jeweils ein Gefrierpunkt der beiden Fluide, aus denen das Fluidgemisch gebildet ist, bekannt sein. Die Auswerteeinheit ist beispielsweise so konfiguriert, dass sie einen Gefrierpunkt als die Eigenschaft des Fluidgemisches unter Verwendung der Konzentration des Fluidgemisches ermittelt. Demzufolge kann ein Gefrierpunkt des Fluidgemisches genau bestimmt werden, so dass einem Nutzer eine bessere Beurteilung ermöglicht wird, ob das Fluidgemisch für eine bestimmte Temperatur geeignet ist.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung kann das Fluid ein Fluidgemisch sein, das bevorzugt aus zwei Fluiden gebildet ist, von denen jeweils eine Wärmeleitfähigkeit und ein Gefrierpunkt bekannt sein kann. Die Auswerteeinheit kann so konfiguriert sein, dass sie einen Gefrierpunkt als die Eigenschaft des Fluidgemisches durch Vergleichen der Wärmeleifähigkeit mit einer Kennlinie, insbesondere in Form 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. Hierbei 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 sind 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 beispielsweise ein metallischer Leiter mit rundem oder eckigem oder flachem oder vierkantigen oder profilierten Querschnitt zu verstehen, der, bis auf seine/n Befestigungsabschnitt/e oder falls er nicht auf einem Substrat oder in einer Halterung angeordnet oder befestigt ist, vollumfänglich vom Fluidgemisch umgeben ist. Die als Draht ausgebildeten Leiter können formfest, als Helix, als Schleife, mäanderförmig oder in einer anderen Art und Weise gewickelt oder gebogen geformt oder angeordnet 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, da die Drähte weiterhin mit einem großen Umfangsflächenbereich in Fluidkontakt bringbar sind. Durch die Helixform oder eine Anordnung als Schleife wird zudem eine kompakte Bauform der Vorrichtung 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. Zudem wird eine Beschädigung der oftmals dünnen und empfindlichen Drähte aufgrund einer zu großen Spannung der Drähte sicher verhindert, so dass die erfindungsgemäße Vorrichtung, die Drähte aufweist, auch für eine Anwendung in einer Umgebung, die großen Temperaturschwankungen unterliegt, wie etwa in einem Fahrzeug, einsetzbar ist.
Gemäß einem vorteilhaften Aspekt können auf der Platine oder der Halteanordnung Erhebungen zwischen den beiden Leitern/Drähten oder dem Leiter/Draht ausgebildet sein. Diese Erhebungen können dabei zylindrisch oder quaderförmig sein. Vorzugsweise erstrecken sich die Erhebungen bis zu einer Höhe, die über eine Ebene hinausreicht, in der die Leiter/Drähte angeordnet sind. Die Erhebungen können auch gebildet werden, in dem der Leiter/Draht in einer Nut oder einem Nutabschnitt angeordnet ist, so dass sich Bereiche außerhalb des Nutabschnitts über einer Ebene hinaus erstrecken, in der der Leiter/Draht angeordnet ist. Da der Gefrierpunkt einer wässrigen Harnstofflösung bei ungefähr -11 °C liegt, kann an kalten Wintertagen der Fall auftreten, dass die wässrige Harnstofflösung gefriert. Daher kann in einem Fluidbehälter ein Heizelement angeordnet sein, um die wässrige Harnstofflösung zu erwärmen. Zudem kann eine Waschflüssigkeit bei einem zu geringen Anteil eines Frostschutzmittels ebenfalls gefrieren. Die Erhebungen sorgen in einem eingefrorenen Zustand dafür, dass ein gefrorener Abschnitt oder Anteil der wässrigen Harnstofflösung oder der Waschflüssigkeit im Bereich der Platine oder der Halteanordnung begrenzt oder unterbrochen wird. Demzufolge ist dieser Abschnitt oder Anteil leichter auftaubar und eine Ermittlung der Wärmeleitfähigkeit kann schneller erfolgen. Darüber hinaus sorgen die Erhebungen, dafür, dass ein Kontakt zwischen den Drähten/Leitern und gefrorenen Teilen/Körpern verhindert wird, um einer Beschädigung der Leiter/Drähte vorzubeugen. Die erfindungsgemäße Vorrichtung, die Drähte aufweist, ist somit auch für eine Anwendung in einer Umgebung, die niedrigen Temperaturen ausgesetzt ist, wie etwa in einem Fahrzeug, einsetzbar. Zudem können die Erhebungen derart angeordnet sein, dass sie einen Kontakt zwischen dem ersten und dem zweiten Leiter oder zwischen einzelnen Mäandern oder Abschnitten der Leiter verhindern, so dass ein Kurzschluss zuverlässig verhindert werden kann.
Mit anderen Worten sind zumindest ein Leiterabschnitt oder mehrere Leiterabschnitte der Leiter/Drähte mit dem Fluid kontaktierbar. Der Leiter/ die Leiter und/oder der/die Leiterabschnitt/e erstreckt/erstrecken sich über eine zum Fluid hin offen Gehäuseseite eines Gehäuses oder einer offenen Anordnungseite der Halteanordnung. Von der Gehäuseseite/Anordnungsseite wiederum erstreckt/ erstrecken sich eine oder mehrere Erhebung/en oder Vorsprung/Vorsprünge, die den/die Leiter und/oder den/die Leiterabschnitt/e überstrecken, um diese vor mechanischen Krafteinflüssen, wie beispielsweise Eiskontakt, zu schützen.
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 das Fluid, 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 ausgebildet sein. Durch diese Ausgestaltung kann zudem ein gefrorener Abschnitt oder Teil im Bereich des/der Leiter oder der Leiteranordnung weiter verringert werden, so dass ein schnelles Auftauen im Bereich der Vorrichtung zum Ermitteln der Wärmeleitfähigkeit des Fluids ermöglicht wird. Außerdem kann durch die Abdeckung verhindert werden, dass bewegliche gefrorene 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 oder umfasst 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 Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eines der Fluide Wasser und das andere der Fluide eine Frostschutzflüssigkeit oder Ethanol. Diese Zusammensetzung des Fluidgemisches ist aufgrund des Gefrierpunktbereichs eines derartigen Fluidgemisches für eine Anwendung in einem Fahrzeug als Waschflüssigkeit besonders geeignet.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eines der Fluide Harnstoff und das andere der Fluide Wasser. Diese Zusammensetzung ist zur Verwendung bei einer Abgasnachbehandlung in einem Dieselfahrzeug besonders geeignet.
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, auch als softwareimplementierter Lock-In-Verstärker bezeichnet, filtert. Bei einem softwareimplementierten Synchrongleichrichter kann das Eingangssignal, d.h. die Brückenspannung, durch einen A/D-Wandler, bevorzugt durch einen A/D-Wandler der Auswerteeinheit, digitalisiert sein. In der Auswerteeinheit ist vorzugsweise eine Tabelle gespeichert, in der normierte Amplitudenwerte des zu filternden Signalanteils, d.h. die Amplitudenwerte einer Sinusspannung mit der einfachen oder der mehrfachen Frequenz der an die Messbrücke angelegten Spannung, gespeichert sind. Anschließend können die digitalisierten Werte des Eingangssignals mit den Werten aus der Tabelle multipliziert werden, insbesondere korreliert werden. Anschließend wird vorzugsweise eine gleitende Summe über ein Vielfaches der Länge der Tabelle, d.h. über ein Vielfaches der Periodendauer des Signalanteils, gebildet. Die gleitende Summe kann anschließend als Maß für die Amplitude des zu filternden Signalanteils im Eingangssignal, d.h. in der Brückenspannung, heranziehbar sein. Auf diese Weise ist kein als Hardware ausgebildeter und kostenintensiver Synchrongleichrichter oder ein anderer Filterbaustein erforderlich, wodurch eine deutliche Kostenersparnis bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung erreicht wird. Zudem muss kein Referenzsignal in analoger Form bereitgestellt werden, so dass auf einfache Weise eine Filterung mehrere Signalanteile mit unterschiedlicher Frequenz durch Speicherung unterschiedlicher Tabellen ermöglicht wird, ohne dass für jeden Signalanteil ein eigenes Referenzsignal bereitzustellen ist. Demzufolge wird auch ein schaltungstechnischer Aufwand verringert.
Ein erfindungsgemäßer Fluidbehälter oder Flüssigkeitsbehälter weist die Vorrichtung zum Ermitteln der Wärmeleitfähigkeit eines Fluids oder Fluidgemisches auf. Demzufolge kann die Wärmeleitfähigkeit eines im Fluidbehälter aufbewahrten Fluids oder Fluidgemisches, z.B. einer Waschflüssigkeit oder einer Flüssigkeit zur Abgasnachbehandlung, ermittelt werden. Auf diese Weise kann zuverlässig bestimmt werden, ob das Fluidgemisch für eine vorgesehene Anwendung verwendbar ist.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung kann die Vorrichtung zum Ermitteln der Wärmeleitfähigkeit in einem Teilbereich des Fluidbehälters angeordnet sein, der von einem Hauptbereich des Fluidbehälters räumlich getrennt ist, aber mit dem Hauptbereich fluidisch kommunizieren kann. Die Vorrichtung kann dabei von einem auskragenden Boden- oder Wandabschnitt des Fluidbehälters teilweise oder ganz umgeben sein und der Boden- oder Wandabschnitt kann Schlitze oder Löcher aufweisen, so dass das im Fluidbehälter aufbewahrte Fluid mit der Vorrichtung zum Ermitteln der Eigenschaft des Fluids zuverlässig in Kontakt bringbar ist. Auf diese Weise kann ein gefrierender Abschnitt im Bereich der Vorrichtung zum Ermitteln der Wärmeleitfähigkeit begrenzt werden und eine Dauer zum Auftauen beispielsweise durch eine im Fluidbehälter angeordneten Heizung kann auf diese Weise verringert werden. Zudem wird eine Gefahr einer mechanischen Beschädigung der Vorrichtung zum Ermitteln der Wärmeleitfähigkeit reduziert.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung kann der Fluidbehälter einen Sensor zum Erfassen eines Füllstands aufweisen. Dieser Sensor kann insbesondere ein Ultraschallsensor oder ein Sensor zum Erfassen des hydrostatischen Drucks im Fluidbehälter sein. Somit kann zusätzlich der Füllstand im Fluidbehälter bestimmt werden. Darüber hinaus kann ein Mittel bereitgestellt sein, dass eine akustische und/oder optische Warnung z.B. über einen Lautsprecher und/oder eine Anzeige ausgibt, wenn der ermittelte Füllstand für eine vorgesehene Anwendung nicht ausreichend ist. Demzufolge kann zusätzlich zur Eigenschaft des Fluids der Füllstand im Fluidbehälter bestimmt werden und eine Warnung ausgegeben werden, wenn dieser für eine vorgesehene Anwendung zu gering ist.
Gemäß einem besonders bevorzugtem Aspekt der Erfindung können die Vorrichtung zum Ermitteln der Wärmeleitfähigkeit des Fluids und der Sensor zur Füllstandsmessung als ein gemeinsames Modul ausgebildet sein. Auf diese Weise kann eine kostengünstige und platzsparende Anordnung erreicht werden.
Gemäß einem zusätzlichen Aspekt der vorliegenden Erfindung kann der Fluidbehälter ein Erfassungsmittel aufweisen, das ein Befüllen und/oder ein Entleeren des Fluidbehälters mit/von Flüssigkeiten erfasst. Bei einem Befüllen und/oder Entleeren des Fluidbehälters mit/von Flüssigkeiten ist davon auszugehen, dass Wasser und/oder Frostschutzflüssigkeit oder eine Flüssigkeit zur Abgasnachbehandlung mit abweichender Harnstoffkonzentration eingefüllt oder ein Teil des Fluids oder des Fluidgemisches entfernt wird, so dass sich eine Wärmeleitfähigkeit davon ändert. Die Verwendung des Erfassungsmittels bietet somit den Vorteil, dass eine erneute Bestimmung der Wärmeleifähigkeit angestoßen werden kann, um zu prüfen, ob das Fluid weiterhin eine vorgegebene Wärmeleitfähigkeit aufweist.
Eine erfindungsgemäße Waschanlage weist den Fluidbehälter gemäß den vorhergehenden Aspekten auf. Durch die Verwendung der Waschanlage kann somit eine Eigenschaft, insbesondere eine Wärmeleitfähigkeit, des Fluids oder Fluidgemisches bestimmt werden, so dass ein Gefrieren der Waschflüssigkeit zuverlässig verhindert werden kann.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung weist einen Fluidbehälter gemäß den vorhergehenden Aspekten auf. Durch die Verwendung der Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung kann somit eine Eingenschaft, inbesondere eine Wärmeleitfähigkeit, eines Fluids oder Fluidgemisches, das zur Abgasnachbehandlung verwendet wird, bestimmt werden, so dass von einem Fahrzeug ausgestoßene Abgase zuverlässig gereinigt werden.
Ein erfindungsgemäßes Fahrzeug weist eine Waschanlage mit einem Fluidbehälter gemäß einem der vorhergehenden Aspekte auf, die zum Reinigen einer Fahrzeugkomponente und/oder eines optischen Sensors und/oder einer Lichtquelle und/oder einer Scheibe verwendet wird. Demzufolge kann die Eigenschaft, insbesondere die Wärmeleitfähigkeit, eines als Waschflüssigkeit für das Fahrzeug verwendeten Fluids oder Fluidgemisches bestimmt werden, um ein Gefrieren davon zuverlässig zu verhindern.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung weist das Fahrzeug eine Fahrzeugkomponente, insbesondere einen optischen Sensor und/oder eine Lichtquelle und/oder eine Scheibe, auf, der/die durch die Waschanlage gereinigt wird/werden. Demzufolge wird eine Reinigung davon auch bei niedrigen Temperaturen sichergestellt, da ein Gefrieren der Waschflüssigkeit in der Waschanlage durch die Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Ermitteln der Eingeschaft des Fluids sicher verhindert werden kann. Gemäß einem anderen oder zusätzlichen Aspekt der vorliegenden Erfindung weist das erfindungsgemäße Fahrzeug eine Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung mit einem Fluidbehälter gemäß einem der vorhergehenden Aspekte auf. Folglich kann die Eigenschaft eines zur Abgasnachbehandlung verwendeten Fluids oder Fluidgemisches bestimmt werden, um daraus die Flarnstoffkonzentration im Fluidgemisch zu bestimmen. Auf diese Weise ist eine zuverlässige Abgasreinigung durchführbar.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Ermitteln einer Eigenschaft, insbesondere einer Wärmeleitfähigkeit, eines Fluids weist die folgenden Schritte auf: Anlegen einer Wechselspannung an eine Messbrücke; Erfassen einer Brückenspannung; und Ermitteln einer Wärmeleitfähigkeit als die Eigenschaft des Fluidgemisches durch Auswerten der Brückenspannung unter Verwendung der 3-Omega-Methode.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung kann das Verfahren ausgeführt werden, wenn ein Befüllen und/oder ein Entleeren eines Fluidbehälters gemäß einem der vorhergehenden Aspekte erfasst wird. Demzufolge kann die Häufigkeit einer Ausführung des Verfahrens reduziert werden, so dass eine Verarbeitungslast der Auswerteeinheit verringert wird.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung kann das Verfahren beim Einschalten und/oder Ausschalten einer Zündung eines Fahrzeugs ausgeführt werden. Demzufolge kann die Häufigkeit einer Ausführung des Verfahrens ebenfalls reduziert werden, so dass eine Verarbeitungslast der Auswerteeinheit verringert wird.
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 Eigenschaft 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 werden und die Messbrücke kann anschließend abgeglichen werden.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann bei einem oder mehreren der vorgenannten Aspekte ein Reservebehälter mit einer Frostschutzflüssigkeit oder mit Flarnstoff vorgesehen sein. Dieser kann mit dem Fluidbehälter fluidisch verbunden sein. Es wäre dann denkbar, dass bei Bedarf, z.B. über ein steuerbares Ventil, die Frostschutzflüssigkeit in den Fluidbehälter geleitet wird. Dies erfolgt beispielweise, wenn festgestellt wird, dass zu wenig Frostschutzflüssigkeit oder Flarnstoff im Fluidbehälter vorhanden ist.
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren beschrieben. Es zeigen: Fig. 1 schematisch einen Schaltplan einer Vorrichtung zum Ermitteln einer Eigenschaft eines Fluidgemisches, die in einem Fluidbehälter einer Waschanlage für ein Fahrzeug verwendet wird;
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 ein Diagramm, das schematisch eine Gerade zum Ermitteln eines Gefrierpunkts eines Fluidgemisches zeigt;
Fig. 5 schematisch einen Schaltplan einer Vorrichtung zum Ermitteln einer Wärmeleitfähigkeit, die in einem Fluidbehälter einer Vorrichtung zur Abgasnachbehandlung für ein Fahrzeug verwendet wird;
Fig. 6 und Fig. 7 eine Messbrücke mit einer Leiteranordnung bei der der erste und der zweite Leiter als Drähte ausgebildet sind;
Fig. 8 und Fig. 9 eine Messbrücke mit einer Leiteranordnung, bei der ein als Draht ausgebildeter erster Leiter und ein Festwiderstand in Reihe geschaltet sind;
Fig. 10 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Ermitteln einer Wärmeleitfähigkeit eines Fluids bei Einsatz des Festwiderstands;
Fig. 11 eine Ausführungsform einer Halteanordnung zum Halten eines als Draht ausgebildeten Leiters; und
Fig. 12 ein schematisches Blockdiagramm eines softwareimplementierten Synchrongleichrichters. Nachfolgend wird eine Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben. Fig. 1 zeigt schematisch einen Schaltplan einer Vorrichtung 1 zum Ermitteln einer Eigenschaft, insbesondere einer Wärmeleitfähigkeit, eines Fluids. In der vorliegenden Ausführungsform ist das Fluid insbesondere ein Fluidgemisch, das aus Wasser und Ethanol, das die Basis für die meisten gewerblich erhältlichen Frostschutzflüssigkeiten ist, gemischt ist und wird als Waschflüssigkeit für eine Waschanlage 50 eines Fahrzeugs 70 zum Reinigen eines optischen Sensors, einer Scheibe und/oder einer Lichtquelle verwendet. Die Wachflüssigkeit wird zu diesem Zweck in einem Fluidbehälter 30 aufbewahrt. Aus diesem Grund ist die Waschflüssigkeit in der nachfolgenden Beschreibung als Fluidgemisch zu verstehen. Des Weiteren ist die Vorrichtung 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform für eine Anwendung in einem Fahrzeug 70 ausgestaltet.
Bei der vorliegenden Ausführungsform wird eine Wärmeleitfähigkeit der Waschflüssigkeit als Maß für das Mischungsverhältnis von Wasser zu Ethanol verwendet. Wasser weist eine Wärmeleitfähigkeit von 0,556 [W/(m*K)] und Ethanol weist eine Wärmeleitfähigkeit von 0,173 [W/(m*K)] auf. Eine aus Wasser und Ethanol gemischte Waschflüssigkeit weist demzufolge eine Wärmleitfähigkeit auf, die zwischen diesen beiden Werten liegt, so dass ein Rückschluss über das Mischungsverhältnis der Waschflüssigkeit möglich ist, indem die ermittelte Wärmeleitfähigkeit mit einer vorgegebenen Wärmeleitfähigkeit verglichen wird. Ist es beispielsweise erforderlich, dass ein Mindestanteil von Ethanol in der Waschflüssigkeit vorhanden ist, um ein Gefrieren zuverlässig zu verhindern, so muss der Wert der ermittelten Wärmeleitfähigkeit kleiner gleich der vorgegebenen Wärmeleitfähigkeit sein. Die vorgegebene Wärmeleitfähigkeit wird dabei vorhergehend durch einen Hersteller der Vorrichtung 1 , der Waschanlage 50 oder des Fahrzeugs 70 vorgegeben. Die vorgegebene Wärmleitfähigkeit kann auch aufgrund unterschiedlicher Einflüsse, z.B. Datum, Standort, Wettervorhersage usw. entsprechend angepasst werden.
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 Waschflüssigkeit in Kontakt bringbar ist. Die in den Figuren 1 und 2 gezeigte elektrische Leiteranordnung 2 wird mit dem Fluidgemisch in Kontakt gebracht, indem sie vollständig in die Waschflüssigkeit, die im Fluidbehälter 30 der Waschanlage 50 aufbewahrt wird, eingetaucht wird, so dass sie vom Fluidgemisch vollständig umgeben ist.
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 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 auch 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 Fluidbehälter 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 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 Waschflüssigkeit 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 der Waschflüssigkeit ab. Wenn die Waschflüssigkeit eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist, erwärmt sich der erste Leiter 21 weniger stark, als wenn die Waschflüssigkeit eine geringe Wärmeleitfähigkeit aufweist. Eine Waschflüssigkeit mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit kühlt somit den ersten Leiter 21 besser als eine Waschflüssigkeit mit niedriger Wärmeleitfähigkeit. Demzufolge kann die Größe der Widerstandsänderung des ersten Leiters 21 als ein Maß für die Wärmeleitfähigkeit der Waschflüssigkeit 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 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 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. 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 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, unter Verwendung der 3- Omega-Methode als die Eigenschaft des Fluids oder Fluidgemisches 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:
1 AR21
Ub - - — U 0
4 fl
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 in Fig. 12 gezeigten softwareimplementierten Synchrongleichrichters oder softwareimplementierten Lock-In- Verstärkers filtert. Anstelle eines Referenzsignals verwendet der softwareimplementierte Synchrongleichrichter eine Tabelle 602, in der die Amplitudenwerte des Signalanteils mit der mehrfachen Frequenz, bevorzugt der dreifachen Frequenz, in normierterWeise gespeichert sind als Referenz. Die Auswerteeinheit 10 korreliert dann die mittels eines A/D-Wandlers 604 der Auswerteeinheit 10 digitalisierten Werte der Brückenspannung Ub mit den in der Tabelle 602 gespeicherten normierten Amplitudenwerten und bildet eine gleitende Summe über ein Vielfaches der Länge der Tabelle, d.h. über ein Vielfaches der Periodendauer des Signalanteils. Die Summe S ist anschließend als Maß für den Anteil oder die Amplitude des Signalanteils in der Brückenspannung Ub heranziehbar. Demzufolge kann der 3-Omega-Singalanteil auf einfache und kostengünstige Weise ermittelt werden.
Die Amplitude des Signals mit der dreifachen Frequenz der Brückenspannung ist gemäß der 3-Omega-Methode ein direktes Maß für die Wärmeleitfähigkeit des Fluids. Wie bereits erwähnt, liegt die ermittelte Wärmeleitfähigkeit zwischen den beiden Werten für die Wärmleitfähigkeit von Wasser und Ethanol, 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 ein Mischungsverhältnis der im Fluidbehälter 30 aufbewahrten Waschflüssigkeit für die vorgesehene Anwendung in der Waschanlage 50 des Fahrzeugs 70 geeignet ist, so dass ein Gefrieren zuverlässig verhindert wird. Ist es beispielsweise erforderlich, dass ein Mindestanteil von Ethanol in der Waschflüssigkeit vorhanden ist, um ein Gefrieren zuverlässig zu verhindern, so muss der Wert der ermittelten Wärmeleitfähigkeit kleiner gleich der vorgegebenen Wärmeleitfähigkeit sein. Ist die ermittelte Wärmeleitfähigkeit jedoch größer als die vorgegebene Wärmeleitfähigkeit, kann einem Fahrer des Fahrzeugs 70 beispielswese ein geeignetes Warnsignal über eine Anzeige und/oder einen Lautsprecher des Fahrzeugs angezeigt werden, so dass er veranlasst wird, das Mischungsverhältnis der Waschflüssigkeit zu ändern.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der Fluidbehälter 30 einen Sensor zur Füllstandsmessung auf. Der Sensor ist dabei ein Ultraschallsensor zur Füllstandsmessung oder ein Sensor zum Messen des hydrostatischen Drucks. Demzufolge kann sichergestellt werden, dass nicht nur ein Gefrieren der Waschflüssigkeit verhindert wird, sondern dass zusätzlich eine ausreichende Menge an Waschflüssigkeit im Fluidbehälter 30 vorhanden ist. Dies ist vor allem wichtig, wenn die optischen Sensoren bei schlechtem Wetter für ein autonomes Fahren oder für Fahrerassistenzsysteme verwendet werden. Durch Eingabe einer geplanten Route und unter Berücksichtigung einer Wettervorhersage wird eine für die Fahrt benötigte Menge an Waschflüssigkeit abgeschätzt. Unterschreitet die durch den Sensor zur Füllstandsmessung bestimmte Menge an Waschflüssigkeit die für die Fahrt benötigte Menge an Waschflüssigkeit, wird eine optische und/oder akustische Warnung über das oben genannte Mittel, d.h. den Lautsprecher oder die Anzeige, im Fahrzeug ausgegeben. Demzufolge kann eine Situation vermieden werden, dass ein autonomes Fahren oder Fahrerassistenzsysteme während einer Fahrt nicht mehr genutzt werden können, da eine Reinigung der optischen Sensoren nicht möglich ist. Die Vorrichtung 1 zum Ermitteln der Eigenschaft eines aus einer Mehrzahl von Fluiden gebildeten Fluidgemisches wird für die Waschanlage 50 des Fahrzeugs 70 verwendet und es wird eine Wärmeleitfähigkeit davon als die Eigenschaft ermittelt. Die Waschanlage 50 weist zum Aufbewahren der Waschflüssigkeit den Fluidbehälter 30 auf und es kann ein Erfassungsmittel vorgesehen sein, das ein Befüllen und/oder ein Entleeren des WaschFluidbehälters 30 mit/von Flüssigkeiten erfasst. Wird z.B. eines der Fluide, Ethanol oder Wasser, in den WaschFluidbehälter 30 gefüllt, ist davon auszugehen, dass sich ein Mischungsverhältnis und folglich auch eine Wärmeleitfähigkeit der Waschflüssigkeit ändert. Demzufolge kann z.B. aufgrund einer Erfassung eines Befüllens des Fluidbehälters 30 mit einem Fluid eine Ermittlung der Wärmeleitfähigkeit gestartet werden, um festzustellen, ob die Waschflüssigkeit weiterhin eine vorgegebene Wärmeleitfähigkeit aufweist. Demzufolge ist es möglich, eine Häufigkeit der Ermittlung der Wärmeleitfähigkeit zu reduzieren.
Die Waschflüssigkeit ist, wie oben beschrieben, aus den zwei Fluiden Wasser und Ethanol gebildet, von denen jeweils eine Wärmeleitfähigkeit bekannt ist. Die Auswerteeinheit 10 gemäß einer anderen Ausführungsform kann dann auch so konfiguriert sein, dass sie eine Konzentration als die Eigenschaft des Fluidgemisches durch Vergleichen der Wärmeleitfähigkeit des Fluidgemisches mit den Wärmeleifähigkeiten der beiden Fluide bestimmt. Diese Ausführungsform bietet den Vorteil, dass einem Fahrer des Fahrzeugs das Mischungsverhältnis leicht verständlich angezeigt werden kann.
Falls jeweils ein Gefrierpunkt der beiden Fluide bekannt ist, kann die Auswerteeinheit 10 gemäß einerweiteren Ausführungsform zusätzlich so konfiguriert sein, dass sie einen Gefrierpunkt als die Eigenschaft des Fluidgemisches unter Verwendung der Konzentration des Fluidgemisches ermittelt. Dem Fahrer kann dann durch eine geeignete Anzeige der Gefrierpunkt der Waschflüssigkeit mitgeteilt werden, so dass er genau beurteilen kann, ob ein Mischungsverhältnis der Waschflüssigkeit zu ändern ist, so dass ein Gefrieren davon zuverlässig verhindert wird.
Falls jeweils eine Wärmeleitfähigkeit und ein Gefrierpunkt des Fluidgemisches bekannt sind, kann die Auswerteeinheit 10 gemäß einer anderen Ausführungsform so konfiguriert sein, dass sie einen Gefrierpunkt als die Eingeschaft der Fluidmischung durch Vergleichen der Wärmeleifähigkeit mit einer Geraden ermittelt. Die Gerade wird dabei, wie in Fig. 4 gezeigt, durch eine lineare Interpolation erhalten, bei der die Wärmeleitfähigkeit und der Gefrierpunkt der Fluide jeweils als Stützstelle verwendet werden. Die Werte der Wärmeleitfähigkeit der beiden Fluide werden dazu jeweils auf der x-Achse eines kartesischen Koordinatensystems aufgetragen und die Werte der Gefrierpunkte der beiden Fluide werden jeweils auf der y-Achse des kartesischen Koordinatensystems aufgetragen. Der Gefrierpunkt des Fluidgemisches kann dann anschließend, wie in Fig. 4 durch einen Pfeil gezeigt, durch Vergleichen der ermittelten Wärmeleitfähigkeit des Fluidgemisches mit der Geraden als ein entsprechender Wert auf der y-Achse ermittelt werden. Dem Fahrer kann dann ebenfalls der Gefrierpunkt der Waschflüssigkeit mitgeteilt werden, so dass er genau beurteilen kann, ob ein Mischungsverhältnis der Waschflüssigkeit für eine bestimmte Temperatur geeignet ist.
Die Waschanlage 50 ist, wie bereits erwähnt, im Fahrzeug 70 eingebaut und dient insbesondere zum Reinigen eines optischen Sensors, der für ein Fahrer- Assistenzsystem und/oder ein System zum autonomen Fahren verwendet wird. Die Waschanlage 50 kann aber auch zum Reinigen einer Lichtquelle und/oder einer Scheibe des Fahrzeugs 70 verwendet werden. Die Waschanlage 50 weist zusätzlich zum Fluidbehälter 30 weitere Komponenten, wie z.B. Leitungen, Pumpen, Spritzdüsen, Wischer usw., auf, die für eine Reinigung des optischen Sensors, der Lichtquelle oder der Scheibe erforderlich sind.
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 zum Erfassen eines Befüllens/Entleerens, 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 Fluidbehälters 30 mit/von einer Flüssigkeit erfasst wird. 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 der an die Messbrücke 4 angelegten Spannung entspricht, und ermittelt daraus die Wärmeleitfähigkeit der Waschflüssigkeit. In S6, der optional ausgeführt werden kann, wird die Konzentration und/oder der Gefrierpunkt der Waschflüssigkeit auf die oben beschriebene Art und Weise 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 Fluidbehälter 30 wurden für eine Verwendung in der Waschanlage 50 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 zu bestimmen ist. Zudem ist die erfindungsgemäße Waschanlage 50 nicht auf eine Anwendung im Fahrzeug 70 begrenzt und kann für Überwachungskameras, Wettersensoren oder anderen Einheiten verwendet werden, bei denen ein Gefrieren einer Waschflüssigkeit zuverlässig verhindert werden soll, um eine Reinigung auch bei niedrigen Temperaturen sicherzustellen.
Nachfolgend wird eine andere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben. Fig. 5 zeigt schematisch einen Schaltplan der Vorrichtung 1 zum Ermitteln einer Wärmeleitfähigkeit eines Fluids oder Fluidgemisches. In der vorliegenden Ausführungsform ist das Fluidgemisch insbesondere eine wässrige Flarnstofflösung, die aus Wasser und Flarnstoff gemischt ist und als Flüssigkeit zur Abgasnachbehandlung in einer Vorrichtung 60 zur Abgasnachbehandlung im Fahrzeug 70 verwendet wird. Demzufolge ist die Vorrichtung 1 zum Ermitteln einer Wärmeleitfähigkeit eines Fluidgemisches in oder an einem Fluidbehälter 40 der Vorrichtung 60 zur Abgasnachbehandlung angebracht.
Bei der vorliegenden Ausführungsform wird eine Wärmeleitfähigkeit der wässrigen Flarnstofflösung als Maß für das Mischungsverhältnis von Flarnstoff zu Wasser verwendet. Eine zur Abgasnachbehandlung geeignete wässrige Flarnstofflösung weist eine Konzentration von 32,5 % auf, so dass die wässrige Flarnstofflösung eine Wärmeleitfähigkeit von 0,57 W/(m K) aufweist. Weicht die ermittelte Wärmeleitfähigkeit von der vorgegebenen Wärmeleitfähigkeit ab, weist die wässrige Flarnstofflösung nicht die erforderliche Harnstoffkonzentration auf. Demzufolge kann es erforderlich sein, die im Fluidbehälter 40 aufbewahrte wässrige Harnstofflösung auszutauschen oder Wasser oder Harnstoff nachzufüllen.
Fig. 6 und Fig. 7 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 oder schleifenförmig auf der Leiteranordnung 200 angebracht. Es ist anzumerken, dass der Querschnitt der beiden Leiter 221 und 222 in Fig. 6 und Fig. 7 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 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 geführt, um die einzelnen Mäander zu bilden. In der Leiteranordnung 200 können elastische Elemente, z.B. Federelemente (nicht gezeigt), angeordnet sein, um die beiden Leiter 221 und 222 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 oder Schleifen 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.
Zwischen den beiden Leitern 221 und 222 sowie den Mäandern des ersten Leiters 221 sind quaderförmige 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. Zudem wird ein Gefrieren eines größeren Abschnitts im Bereich der Leiteranordnung 200 durch die Erhebungen 206 verhindern. Dies ist erforderlich, da eine wässrige Harnstofflösung zur Abgasnachbehandlung einen Gefrierpunkt von -11 °C aufweist und daher an kalten Wintertagen der Fall eintreten kann, dass die wässrige Harnstofflösung gefriert. Zudem kann ein Frostschutzanteil einer Waschflüssigkeit zu gering sein, so dass diese an kalten Wintertagen ebenfalls gefrieren kann. Durch diese Begrenzung kann ein gefrorener Abschnitt des Fluidgemisches im Bereich der Leiteranordnung 200 durch eine im Fluidbehälter 40 für die wässrige Harnstofflösung angeordnete Heizung schneller aufgetaut werden, so dass eine zuverlässige Ermittlung der Wärmeleitfähigkeit der Waschflüssigkeit oder der wässrigen Harnstofflösung nach einem Start des Fahrzeugs 70 schneller möglich ist.
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 oder Leitungen 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 ein Gewinde ausgebildet ist, eingedreht werden, um den Deckel mit der Halteanordnung 201 zu verbinden. Durch den Deckel kann ein Gefrieren eines größeren Bereichs der wässrigen Harnstofflösung im Bereich der beiden Leiter 221 und 222 weiter verhindert werden. 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 reduziert werden.
In Fig. 8 und Fig. 9 ist eine Messbrücke 340 gemäß einerweiteren 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 Halteanordnung 301 leicht montiert und entfernt werden.
In dem in Fig. 8 und Fig. 9 gezeigten Beispiel ist der erste Leiter 321 als Schleife gelegt und in einer zur einer Bodenfläche 304 der Halteanordnung 301 parallelen Ebene angeordnet. Um die Bodenfläche 304 ist ein Rahmen 306 geformt, so dass die Halteanordnung 301 als vertieftes Gehäuse gebildet wird, in dem ein geringer Anteil des Fluids vorhanden ist. 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 Umlenkstellen 308 geführt und wird mittels elastischer Elemente 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 Schleife hin vor. Ein zweites Federelement 312 spannt den ersten Leiter 321 zu einer Innenseite der Schleife 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 301 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 Erhebungen 314, die in dem in Fig. 8 und Fig. 9 gezeigten Beispiel zylindrisch ausgebildet sind, begrenzen zudem eine räumliche Ausbreitung eines gefrorenen Abschnitts im Bereich des ersten Leiters 321 , so dass der gefrorene Abschnitt der wässrigen Harnstofflösung nach einem Start eines Heizens schnell auftaubar ist.
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 ein Gefrieren der wässrigen Harnstofflösung oder der Waschflüssigkeit im Bereich der Halteanordnung 301 weiter verhindert und es 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 Schleife des ersten Leiters ebenfalls als Schleife, die ggf. ebenfalls durch elastische Elemente vorgespannt wird, gebildet werden.
In Fig. 10 ist ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 400 gezeigt, das ausgeführt wird, wenn die in Fig. 8 und Fig. 9 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.
In Fig. 11 ist eine Flalteanordnung 501 gemäß einer Ausführungsform gezeigt, die durch eine Abdeckung 502 abgedeckt ist. Um den Deckel 502 mit der Flalteanordnung 501 zu verbinden, weisen die Flalteanordnung 501 und die Abdeckung 502 deckungsgleiche Löcher 504 bzw. 506 auf, in die Stifte 508 einsteckbar sind. Alternativ können die Halteanordnung 501 und die Abdeckung 502 auch durch Schrauben oder Nieten miteinander verbunden werden. In diesem Fall weisen die Löcher beispielsweise ein Gewinde für die Schraube auf oder sind so ausgebildet, dass sich eine Niete darin abstützen kann. Wie in Fig. 11 gezeigt, weist die Abdeckung 502 zwei Schlitze 510 auf, durch die das Fluid, dessen Eigenschaft zu ermitteln ist, mit einem als Draht ausgebildeten Leiter 521 kommunizieren kann.
Die in Fig. 11 gezeigte Halteanordnung 501 unterscheidet sich zudem von den vorherigen Ausführungsformen dadurch, dass der Leiter 521 in einem Nutabschnitt 512 angeordnet ist. Demzufolge entsprechen die Abschnitte außerhalb des Nutabschnitts 512 den Erhebungen gemäß der vorhergehenden Ausführungsformen. Der Leiter 521 ist über zwei Kontaktstifte 514 mit einer Messbrücke, wie etwa der Messbrücke 340 gemäß der vorhergehenden Ausführungsform, verbindbar. Ferner ist der Leiter 521 über ein elastisches Element, insbesondere das Federelement 516, vorgespannt, so dass eine Längenänderung des Leiters 312 und/oder eine Längen- oder Formänderung der Halteanordnung 510 aufgrund einer Temperaturänderung ausgleichbar ist. Demzufolge kann eine Zerstörung des als Draht ausgebildeten Leiters 521 zuverlässig verhindert werden.

Claims

Ansprüche
1. Vorrichtung zum Ermitteln einer Eigenschaft eines Fluids, mit: einer elektrischen Leiteranordnung (2, 200, 300), die derart ausgestaltet ist, dass sie zumindest teilweise mit dem Fluid in Kontakt bringbar ist, und als Spannungsteiler mit zwei Elementen (21, 221, 321, 521, 22, 222, 322) ausgebildet ist, wobei das erste Element ein erster Leiter (21 , 221 , 321 , 521 ) 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 ist, 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 eine Wärmeleitfähigkeit als die Eigenschaft des Fluids durch Auswerten der Brückenspannung (Ub) unter Verwendung der 3-Omega-Methode ermittelt.
2. Vorrichtung gemäß 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 2, wobei eine Querschnittsfläche des ersten Leiters (21 , 221 ) kleiner als die des zweiten Leiters (22, 222) ist.
4. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei das zweite Element ein Festwiderstand (322) ist und der erste Leiter (321, 521) 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 ist, 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.
5. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der erste Leiter (21 , 22, 221 ) und/oder der zweite Leiter (222, 321 , 521 ) auf einer Platine (26) oder einer Halteanordnung (201, 301, 501) zumindest abschnittsweise mäanderförmig oder in Form einer Schleife angeordnet sind.
6. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 bis 5, wobei der erste Leiter (221 , 321 , 521 ) und/oder der zweite Leiter (222) als Drähte ausgebildet sind.
7. Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Fluid ein Fluidgemisch ist, das aus zwei Fluiden gebildet ist, von denen jeweils eine Wärmeleitfähigkeit bekannt ist, und die Auswerteeinheit (10) so konfiguriert ist, dass sie eine Konzentration des Fluidgemisches als die Eigenschaft des Fluidgemisches durch Vergleichen der Wärmeleitfähigkeit des Fluidgemisches mit den Wärmeleifähigkeiten der beiden Fluide bestimmt.
8. Vorrichtung gemäß Anspruch 7, wobei jeweils ein Gefrierpunkt der beiden Fluide bekannt ist, und die Auswerteeinheit (10) so konfiguriert ist, dass sie einen Gefrierpunkt als die Eigenschaft des Fluidgemisches unter Verwendung der Konzentration des Fluidgemisches ermittelt.
9. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Fluid ein Fluidgemisch ist, das aus zwei Fluiden gebildet ist, von denen jeweils eine Wärmeleitfähigkeit und ein Gefrierpunkt bekannt ist, und die Auswerteeinheit (10) so konfiguriert ist, dass sie einen Gefrierpunkt als die Eigenschaft des Fluidgemisches durch Vergleichen der Wärmeleifähigkeit mit einer Geraden ermittelt, die durch eine lineare Interpolation erhalten wird, bei der die Wärmeleitfähigkeit und der Gefrierpunkt der beiden Fluide jeweils als Stützstelle verwendet wird.
10. Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Auswerteeinheit (10) so konfiguriert ist, dass sie einen Signalanteil der Brückenspannung (Ub), der die einfache oder mehrfache Frequenz, bevorzugt die dreifache Frequenz, der Wechselspannung (U0) aufweist, mittels eines softwareimplementierten Synchrongleichrichters filtert.
11. Fluidbehälter, der eine Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10 aufweist.
12. Fluidbehälter gemäß Anspruch 11 , der einen Sensor zur Füllstandsmessung aufweist.
13. Fluidbehälter gemäß Anspruch 12, wobei die Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10 und der Sensor zur Füllstandsmessung als ein gemeinsames Modul ausgebildet sind.
14. Fahrzeug, das eine Waschanlage (50), die zum Reinigen einer Fahrzeugkomponente und/oder eines optischen Sensors und/oder einer Lichtquelle und/oder einer Scheibe verwendet wird, und/oder eine Vorrichtung (60) zur Abgasnachbehandlung aufweist, die einen Fluidbehälter (30, 40) gemäß einem der Ansprüche 10 bis 13 aufweisen.
15. Verfahren zum Ermitteln einer Eigenschaft eines Fluids, mit den folgenden Schritten:
Anlegen (S3) einer Wechselspannung an eine Messbrücke (4, 240, 340),
Erfassen (S4) einer Brückenspannung (Ub), Ermitteln (S5) einer Wärmeleitfähigkeit als die Eigenschaft des Fluids durch Auswerten der Brückenspannung (Ub) unter Verwendung der 3-Omega-Methode.
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