DE10343751A1

DE10343751A1 - Brennstoffzellengemisch-Sensor

Info

Publication number: DE10343751A1
Application number: DE10343751A
Authority: DE
Inventors: Mckenzie Isabelle; David M. Fremon Vanzuilen; Francois-Xavier Bernard
Original assignee: Siemens VDO Automotive Corp
Current assignee: Continental Automotive Systems Inc
Priority date: 2002-10-30
Filing date: 2003-09-22
Publication date: 2004-05-27
Also published as: US6842017B2; US20030117153A1

Abstract

Ein Sensor (40) beinhaltet einen einzelnen Kondensator (42), der in zwei verschiedenen Betriebsarten betrieben wird, um die Kapazitäts- und Wirkleitwertinformationen zu erhalten, wenn ein Gemisch zwischen den Elektroden (44, 46) des Kondensators fließt. Der erfindungsgemäße Sensor ist besonders gut zum Durchführen von Methanolgehaltbestimmungen in einem Gemisch geeignet, das verwendet wird, um Wasserstoff bereitzustellen, der einer Brennstoffzelle zugeführt wird. Zwei verschiedene Oszillatoren (180, 182) werden selektiv verwendet, um die Wirkleitwert- und Kapazitätsinformationen zu erhalten. In einer offenbarten Ausführungsform beinhaltet ein Kondensator eine äußere Elektrode (44), die um eine innere Elektrode (46) aufgenommen wird, so dass es einen Zwischenraum zwischen den Elektroden gibt, durch den das Gemisch fließt. Das Gemisch wirkt als ein Dielektrikum des Kondensators, was das Durchführen der Wirkleitwert- und Kapazitätsmessungen ermöglicht. Der Beispielsensor beinhaltet einen Temperatursensor (76), der zweckmäßig in der inneren Elektrode (46) getragen wird.

Description

Diese Patentanmeldung beansprucht Vorrang gegenüber den vorläufigen US-Patentanmeldungen Nr. 60/341.025 und 60/341.042, die am 30. Oktober 2001 eingereicht wurden. Diese Patentanmeldung ist eine Teilfortsetzung von US Lfd. Nr. 10/150.903, die am 16. Mai 2002 eingereicht wurde, die Vorrang gegenüber den vorläufigen US-Patentanmeldungen Nr. 60/291.781, die am 17. Mai 2001 eingereicht wurde; 60/325.369, die am 27. September 2001 eingereicht wurde; und 60/341.042, die am 30. Oktober 2001 eingereicht wurde, beansprucht.

Technisches Gebiet

Diese Erfindung betrifft im Allgemeinen Sensoren für flüssigen Inhalt. Insbesondere betrifft diese Erfindung eine Sensoranordnung, die einen einzelnen Kondensator aufweist, der in zwei verschiedenen Betriebsarten verwendet wird, um die gewünschten Eigenschaften eines Flüssigkeitsgemisches, das zum Beispiel verwendet wird, um einer Brennstoffzelle Wasserstoff zuzuführen, zu bestimmen.

Beschreibung des Standes der Technik

Eine Vielfalt von Sensoren zum Bestimmen flüssiger Inhalte sind bekannt. Zum Beispiel werden Kraftstoffsensoren normalerweise verwendet, um den Inhalt eines Kraftstoffgemisches in einem Kraftstoffsystem eines Fahrzeugs zu bestimmen. Einige Sensoren sind dazu fähig, den Inhalt des Kraftstoffgemisches wie ein Verhältnis oder einen Anteil von Alkohol im Benzin in dem Kraftstoff zu bestimmen. Je nach dem bestimmten Verhältnis können die Zündzeitpunkteinstellung und die von den Einspritzventilen gelieferte Kraftstoffmenge von einem geeigneten Kraftstoffmengen-Regelungssystem eingestellt werden.

Es ist bekannt, dass sich zum Beispiel die relative Dielektrizitätskonstante und die Leitfähigkeit von Substanzen oder Flüssigkeiten wegen der verschiedenen Sauerstoffspiegel in jeder Flüssigkeit von einander unterscheiden. Dementsprechend können die relativen Inhalte eines Flüssigkeitsgemisches aus bekannten Komponenten eine wohldefinierte Funktion der relativen Dielektrizitätskonstante, der Temperatur und der Leitfähigkeit der Flüssigkeit sein.

Bekannte Sensoren nutzen diese bekannten Eigenschaften aus und nutzen die elektrischen Eigenschaften der Inhalte des Flüssigkeitsgemisches, um zum Beispiel eine Bestimmung bezüglich der Konzentrationen durchzuführen. Beispielpatente in diesem Gebiet des Bestrebens, die auf Kraftstoffsysteme gerichtet sind, beinhalten die US-Patente Nr. 4.945.863 und Nr. 5.367.264. Jedes diese Patente zeigt Vorgehensweisen zum Bereitstellen eines Kraftstoffsensors, der die elektrischen Eigenschaften der Flüssigkeit zum Durchführen der Bestimmungen der Kraftstoffinhalte nutzt.

Während sich die gegenwärtigen Vorgehensweisen als zufrieden stellend erwiesen haben, ist der Fachmann immer bestrebt, Verbesserungen zu machen. Zum Beispiel haben alternative Energiequellen für Fahrzeuge wie Brennstoffzellen besondere Messerfordernisse. Außerdem bewirken Montagebeschränkungen bei Fahrzeugsystemen ständig, dass ein Schwerpunkt darauf gelegt werden muss, die Größe der Komponenten zu minimieren und den Komfort bei ihrer Integration in Fahrzeugsysteme zu maximieren. Außerdem sind Kostenersparnisse immer eine Sorge bei Automobillieferanten.

Diese Erfindung spricht den Bedarf an, eine wirtschaftliche und zweckmäßige Vorgehensweise bereitzustellen, um Eigenschaften eines Gemisches zu messen, das verwendet wird, um einer Brennstoffzelle Kraftstoff wie zum Beispiel Wasserstoff zuzuführen.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Allgemein ausgedrückt ist diese Erfindung ein Sensor, der einen einzelnen Kondensator nutzt, der zum Bestimmen der Leitfähigkeit und der Dielektrizitätskonstante eines Gemisches in zwei verschiedenen Betriebsarten betrieben wird, um Information bezüglich der Inhalte des Gemisches bereitzustellen.

In einem Beispiel weist der Sensor einen im Allgemeinen zylindrischen Abschnitt auf, der sich leicht in eine ausgewählte Stelle einer Mischkammer, in der mehrere Komponenten gemischt sind, einführen lässt, um ein Gemisch zum Zuführen von Wasserstoff in eine Brennstoffzelle vorzubereiten.

In einer Ausführungsform weist der Kondensator des Sensors eine erste im Allgemeinen zylindrische Elektrode auf, die koaxial auf die andere Elektrode ausgerichtet ist. Das Gemisch fließt zwischen den Elektroden, so dass die entsprechenden Leitfähigkeitsund Dielektrizitätskonstanteninformationen bestimmt werden können. Der Kondensator wird in zwei verschiedenen Betriebsarten (bei einem Beispiel mit Hilfe von zwei verschiedenen Oszillatoren) wirksam betrieben, so dass die Dielektrizitätskonstanten- und Leitfähigkeitsmessungen durchgeführt werden.

Die Sensormessungen können anschließend für eine weitere Vorrichtung, welche die Zufuhr der Komponenten zur Mischkammer einstellt, wie sie notwendig ist, um die gewünschten Inhalte des Gemisches zu erreichen, verfügbar gemacht werden.

Die verschiedenen Merkmale und Vorzüge dieser Erfindung werden dem Fachmann aus der folgenden ausführlichen Beschreibung der gegenwärtig bevorzugten Ausführungsform offensichtlich. Die Zeichnungen, welche die ausführliche Beschreibung begleiten, können kurz wie folgt beschrieben werden.

1 zeigt schematisch ein Beispielsystem, das einen entsprechend dieser Erfindung gestalteten Sensor integriert.
2 zeigt schematisch einen entsprechend dieser Erfindung gestalteten Beispielsensor.
3 ist eine schematische Abbildung von ausgewählten Komponenten der Ausführungsform in 1 teilweise im Wegschnitt.
4 ist eine schematische, auseinander gezogene Ansicht der Ausführungsform in 2.
5 zeigt schematisch Beispielelektronik, die verwendet wird, um einen entsprechend dieser Erfindung gestalteten Sensor zu betreiben.
6 zeigt schematisch etwas ausführlicher eine Beispielausführung der Elektronik zum Betreiben eines entsprechend dieser Erfindung gestalteten Sensors.
7 zeigt grafisch einen Beispielsensorausgang in einer entsprechend dieser Erfindung gestalteten Anordnung.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
1 zeigt schematisch ein System 20 zur Zufuhr von Wasserstoff in eine Brennstoffzelle. In der gezeigten Anordnung sind Methanol 22 und Wasser 26 in einer Mischkammer 28 gemischt. Durch einen Auslass 30 wird einer (nicht gezeigten) Brennstoffzelle Wasserstoff aus der Mischkammer 28 zugeführt.
Ein Regler 32 regelt die Menge jeder der Komponenten, die der Mischkammer zugeführt werden, um zum Beispiel die gewünschten Prozentsätze von Methanol und Wasser zu erreichen, so dass eine entsprechende Reaktion auftritt, um die zum Betreiben der Brennstoffzelle gewünschte Menge an Wasserstoff zuzuführen.
Ein Sensor 40 ist strategisch wenigstens teilweise in der Mischkammer 28 untergebracht, um dem Regler 32 Informationen bezüglich der Inhalte des Gemisches in der Mischkammer 28 bereitzustellen. Der entsprechend dieser Erfindung gestaltete Sensor 40 ist ein kapazitiver Sensor, der Leitfähigkeits- und Dielektrizitätskonstanteninformationen bezüglich des Gemisches in der Mischkammer 28 bereitstellt. Der Sensor 40 stellt vorzugsweise auch dem Regler 32 die Temperaturinformation bereit. In wenigstens einem Beispiel regelt der Regler 32 die Menge der verschiedenen Komponenten, die in Reaktion auf die vom Sensor 40 bereitgestellte Information in die Mischkammer 28 zugeführt werden.
Wie in den 2 bis 4 gezeigt ist, beinhaltet eine Beispielausführungsform eines entsprechend dieser Erfindung gestalteten Sensors einen kapazitiven Sensorabschnitt 42. Eine erste Elektrode 44 ist im Allgemeinen zylindrisch und umgibt eine zweite Elektrode 46. In dem gezeigten Beispiel ist die erste Elektrode 44 die Kathode, und die zweite Elektrode 46 ist die Anode. Während das Gemisch in der Mischkammer 28 zwischen den Elektroden 44 und 46 fließt, liefert die kapazitive Messung zum Beispiel die Information bezüglich des Prozentsatzes von Methanol und Wasser in dem Gemisch. Die Eigenschaften von Methanol und Wasser und ihre Verhältnisse zu der Ausgabe eines kapazitiven Sensors sind bekannt. Die durch den Sensor 40 zusammengetragenen Leitfähigkeits- und Dielektrizitätskonstanteninformationen stellen zum Beispiel auf der Grundlage der bekannten Eigenschaften des Methanols (und der anderen Komponenten in dem Gemisch) eine Anzeige des Prozentsatzes des Methanols in dem Gemisch bereit. Dem Fachmann, der den Vorteil dieser Beschreibung hat, ist klar, wie derartige bekannte Eigenschaften bei einem entsprechend dieser Erfindung entworfenen Sensor zu verwenden sind, um die für seine Situation erforderliche Information bereitzustellen.
Ein Sensortragabschnitt 48 wird vorzugsweise anliegend an einem entsprechenden Abschnitt der Mischkammer 28 aufgenommen. In dem gezeigten Beispiel ist der Sensortragabschnitt 48 angepasst, um außerhalb der Mischkammer zu bleiben. Der Sensortragabschnitt 48 beinhaltet ein Gehäuse 50, das Befestigungsabschnitte 52 zum örtlichen Sichern des Sensors bezüglich der Mischkammer 28 aufweist. Im gezeigten Beispiel umfassen die Befestigungsabschnitte 52 Löcher, durch die Schrauben oder andere Befestigungselemente zum örtlichen Sichern des Sensortragabschnitts 48 aufgenommen werden können.
Ein elektrischer Verbindungsabschnitt 54 erstreckt sich von dem Körper 50 weg und erleichtert das Herstellen einer elektrischen Verbindung zwischen der Elektronik des Sensors 40 (die unten beschrieben ist) und des Reglers 32. Herkömmliche elektrische Anschlusskonfigurationen können verwendet werden, um den Erfordernissen einer besonderen Situation zu entsprechen.
Eine Abdeckplatte 56 wirkt mit dem Gehäuseabschnitt 50 zusammen, um die Elektronik des Sensors 40 einzuschließen. In dem gezeigten Beispiel ist eine Dichtungsanordnung 58 bereitgestellt, um jede Flüssigkeit daran zu hindern, die Mischkammer 28 zu verlassen, und schützt die Abschnitte des Sensors, die vorzugsweise nicht nass werden oder anderen Elementen ausgesetzt werden. Zwei O-Ringe 60 und zwei Distanzscheiben 62 werden vorzugsweise um die Außenseite der ersten Elektrode 44 aufgenommen. Die O-Ringe 60 dichten eine Öffnung in der Mischkammer ab, durch die der Kondensatorabschnitt 42 aufgenommen wird. Jeder der O-Ringe 60 schafft vorzugsweise allein eine ausreichende Dichtung. Zwei O-Ringe werden vorzugsweise verwendet, um eine Sicherungsdichtung in dem Fall bereitzustellen, dass einer der O-Ringe beschädigt wird oder anders versagt.
Die gezeigte erste Elektrode 44 weist einen im Allgemeinen zylindrischen Körper auf, der an beiden Enden offen ist. Eine Öffnung 64 ist dem Gemisch in der Mischkammer 28 ausgesetzt. Mehrere Öffnungen 68 sind vorzugsweise in der Seitenwand des Körpers der ersten Elektrode 44 bereitgestellt, so dass die Flüssigkeit in der Mischkammer 28 durch die erste Elektrode 44 und zwischen den zwei Elektroden 44 und 46 des Kondensatorabschnitts 42 fließt. In dem gezeigten Beispiel ist der Kondensatorabschnitt 42 vorzugsweise im Allgemeinen senkrecht in der Mischkammer, so dass die Flüssigkeit in der Kammer nach unten durch die Öffnung 64 und aus den Öffnungen 68 fließt. Im Umfang dieser Erfindung können mehrere Konfigurationen verwendet werden. Der Fachmann erkennt, wie die Elektroden des Kondensatorabschnitts 42 zu konfigurieren sind, um den Erfordernissen seiner besonderen Situation am besten zu entsprechen.
Der Sensortragabschnitt 48 bringt vorzugsweise eine gedruckte Leiterplatte 70 unter, welche die Elektronik für das Betreiben des Sensors trägt. Eine Distanzscheibe 72 gewährleistet einen gewünschten Abstand zwischen dem Plattenabschnitt 56 und der gedruckten Leiterplatte 70 und schafft eine Halterung für die erste Elektrode 44 um die zweite Elektrode 46. Die (schematisch in den 5 und 6 gezeigte) Elektronik schafft vorzugsweise den gewünschten Betrieb des Kondensatorabschnitts 42, um die gewünschten Dielektrizitätskonstanten- und Leitfähigkeitsmessungen zu erreichen.
Die erfindungsgemäße Sensorbaugruppe beinhaltet vorzugsweise auch die Fähigkeit, eine Temperaturmessung der Flüssigkeit bereitzustellen, die als das Dielektrikum des Kondensatorabschnitts 42 dient. In dem gezeigten Beispiel wird ein Temperatursensor 76 wie zum Beispiel eine NTC- oder Thermistorvorrichtung in der zweiten Elektrode 46 getragen. Der Körper der zweiten Elektrode 46 ist vorzugsweise hohl, so dass es einen Zwischenraum zwischen dem Temperatursensor 76 und dem Körper der Elektrode 46 gibt. In dem gezeigten Beispiel hält ein kreuzförmiges Distanzstück 78 den Temperatursensor 76 in der gewünschten Position in der zweiten Elektrode 46.
Die bevorzugte Anordnung beinhaltet ein thermisch leitendes Fett 80, das den Körper der Elektrode 46 und den Temperatursensor 76 berührt, um eine entsprechende Temperaturleitfähigkeit zum Sensor 76 sicherzustellen, um genauere Temperaturanzeigen zu schaffen. Ein Beispiel beinhaltet thermisches Fett, das die Oberfläche des Elektrodenkörpers anfeuchtet und sie zur maximalen Konvektions- und Strahlungsübertragung der Wärme zu der Thermistorvorrichtung mit dem Thermistor koppelt. Vorzugsweise wird kein Zwischenraum zwischen dem Thermistor und dem Sensorkörper ohne thermisches Fett gelassen, um ein unbeständiges oder verlängertes Ansprechen auf eine Änderung in der Gemischtemperatur zu vermeiden.
Zwei Leitungen 82 gewährleisten die Herstellung der entsprechenden elektrischen Verbindungen mit dem Temperatursensor 76. Das kreuzförmige Distanzstück 78 erleichtert die Gewährleistung des gewünschten Zwischenraumes zwischen den Leitungen 82 in dem zweiten Elektrodenkörper 46. Die Leitungen 82 können zum Beispiel mit der entsprechenden Elektronik auf der gedruckten Leiterplatte 70 verbunden sein. In einem weiteren Beispiel ist der Regler 32 durch eine mit Hilfe des elektrischen Verbindungsabschnitts 54 hergestellte entsprechende Verbindung direkt mit den Leitungen 82 gekoppelt.
Wie am besten aus den 3 und 4 ersichtlich ist, beinhaltet ein Beispielmontageverfahren zum Herstellen der Beispielsensorvorrichtung, dass zuerst die gedruckte Leiterplatte 70 mit der notwendigen Elektronik zusammengebaut wird. Die zweite Elektrode 46 wird anschließend vorzugsweise am Leiterplattensubstrat gesichert, und die entsprechenden elektrischen Verbindungen werden mit den entsprechenden Abschnitten der Elektronik auf der gedruckten Leiterplatte 70 hergestellt. Das gezeigte Beispiel enthält einen Fußabschnitt 90 an der zweiten Elektrode 46, der zwei Befestigungslöcher 92 für das Aufnehmen der entsprechenden Befestigungselemente aufweist. Danach wird ein Fußdistanzstück 94 vorzugsweise über der zweiten Elektrode 46 positioniert. In dem gezeigten Beispiel sind an dem Fußdistanzstück 94 Befestigungslöcher 96 bereitgestellt. Anschließend werden ein O-Ring 98, gefolgt von einer Distanzscheibe 100 und von einem weiteren O-Ring 102 vorzugsweise über der zweiten Elektrode 46 aufgenommen.
Die erste Elektrode 44 wird anschließend vorzugsweise über der zweiten Elektrode 46 aufgenommen, bis ein Fußpunkt 104 des ersten Elektrodenkörpers 44 über einem runden Vorsprung 106 auf dem Fußdistanzstück 94 aufgenommen wird. Der Fußpunkt 104 der ersten Elektrode 44 beinhaltet vorzugsweise Öffnungen 108, die auf die Befestigungslöcher 96 in dem Fußdistanzstück 94 ausgerichtet sind, so dass Schrauben oder andere Befestigungselemente durch jedes Befestigungsloch eingeführt werden können, um die erste Elektrode 44 in ihrer Position zu sichern.
Die O-Ringe 102 und 98 bilden eine Dichtung zwischen der äußeren Oberfläche der zweiten Elektrode 46 und der inneren Oberfläche der äußeren Elektrode 44, so dass jede Flüssigkeit, die zwischen den Elektroden eintritt, nicht durchsickert, wobei sie möglicherweise die Elektronik der Sensorbaugruppe berühren würde. Die O-Ringe 98 und 102 und die Distanzscheibe 100 erleichtern auch die Gewährleistung der elektrischen Isolierung zwischen den Elektroden 44 und 46.
Danach kann die gedruckte Leiterplatte 70 entsprechend örtlich in dem Gehäuseabschnitt 50 getragen und gesichert werden, wobei die entsprechenden elektrischen Verbindungen hergestellt werden können, so dass später ein geeigneter Leiter mit dem Verbindungsabschnitt 54 verbunden werden kann, um zum Beispiel eine Verbindung mit dem Regler 32 herzustellen. Anschließend wird der Plattenabschnitt 56 vorzugsweise über der ersten Elektrode 44 aufgenommen und dann an dem Gehäuseabschnitt 50 gesichert. In einem Beispiel wird ein Warmfüge-Arbeitsgang zum Herstellen dieser Verbindung verwendet. Die Kopplung zwischen dem Plattenabschnitt 56 und dem Gehäuseabschnitt 50 dichtet die Baugruppe vorzugsweise gegen flüssige oder andere Elemente ab, die in das Gehäuse 50 eintreten.
Die O-Ringe 60 und die Distanzscheibe 62 können dann um die Außenseite der ersten Elektrode 44 positioniert werden. In diesem Zustand ist der Sensor 40 auf die entsprechende Einführung in die entsprechende Öffnung in der Mischkammer 28 vorbereitet.
Die Aufmerksamkeit wird jetzt auf die Elektronik gerichtet, die verwendet wird, um die Beispielausführungsform des erfindungsgemäßen Sensors zu betreiben. Die allgemeinen Prinzipien zum Durchführen von Kapazitäts- und Wirkleitwertmessungen sind bekannt. Wie offensichtlich wird, verwendet der erfindungsgemäße Sensor herkömmliche Messprinzipien, er beinhaltet aber auch neuartige Merkmale, welche die erfindungsgemäße Anordnung von den früheren Sensoren unterscheiden. Die erfindungsgemäße Sensoranordnung stellt vorzugsweise die Information bezüglich des Methanolgehalts des Flüssigkeitsgemisches in der Mischkammer 28 bereit.
Die 5 zeigt schematisch den Sensorkondensator 42 und die Elektronik 170 zum Betreiben des Sensors. Ein Mikroprozessor 172 ist in geeigneter Weise darauf programmiert, die von dem Sensor erhaltenen Kapazitäts-, Temperatur- und Leitfähigkeitsinformationen zusammenzutragen, und diese Information mit den im ROM des Reglers 172 gespeicherten Daten zu vergleichen, um eine Gemischgehaltbestimmung durchzuführen. Die Kalibrierungsparameter des Sensors sind in dem EEPROM 174 gespeichert. In einem Beispiel beinhaltet das ROM des Reglers 172 eine Tabelle mehrerer vorgegebener Sensorwerte, die spezifischen bekannten Gemischen entsprechen. Der Mikroprozessor 172 ist darauf programmiert, diese Information zu nutzen und durch einen herkömmlichen Kommunikationsanschluss 176 eine Ausgabe bereitzustellen, die von dem Gemischzufuhrregler 32 verwendet wird, der für die in die Mischkammer 28 zugeführte Menge an Methanol, Wasser und Luft zuständig ist. Eine herkömmliche Spannungsversorgung 178 versorgt den Mikroprozessor 172.
Ein einzigartiges Merkmal dieser Erfindung ist die Verwendung eines einzelnen Kondensators 42, um die Leitfähigkeits- und Dielektrizitätskonstantenmessungen von dem Gemisch durchzuführen. Zwei verschiedene Oszillatoren 180 und 182 sind selektiv mit dem Kondensator 42 gekoppelt, um die zwei getrennten (d.h. Leitfähigkeits- und Kapazitäts-) Bestimmungen durchzuführen. Die erfindungsgemäße Anordnung beinhaltet eine einzelne mechanische Verbindung 183 zwischen dem Kondensator 42 und den Oszillatoren 180 und 182. Statt die Verbindung zum Kondensator 42 zu schalten, beinhaltet die Beispielausführung dieser Erfindung das Umschalten der Ausgänge der Oszillatoren (180 und 182). In einem solchen Fall beeinflusst die Parasitärkapazität die zu messende Kapazität nicht.
Die Elektronik 170 beinhaltet einen Multiplexer 184, der die Ausgänge der Oszillatoren 180 und 182 empfängt. In einem Beispiel läuft einer der Oszillatoren in einem Megahertzbereich, während der Andere in einem Kilohertzbereich läuft. Wegen diesen relativ hohen Frequenzen ist ein Zähler 186, der als ein Frequenzteiler wirkt, zwischen dem Multiplexer 184 und dem Mikroprozessor 172 bereitgestellt, so dass der Mikroprozessor dazu fähig ist, die Signalinformationen von den Oszillatoren zu verarbeiten. Obwohl sie schematisch als getrennte "Komponenten" gezeigt sind, können die verschiedenen Abschnitte der 5 oder 6 zum Beispiel durch Verwenden eines in geeigneter Weise programmierten Mikroprozessors ausgeführt werden. Die gezeigten Aufteilungen sind auf das beschriebene Beispiel anwendbar, aber diese Erfindung ist nicht darauf beschränkt.
Die erfindungsgemäße Anordnung beinhaltet, die Oszillatoren 180 und 182 in verschiedenen Frequenzen und unabhängig von einander zu betreiben, so dass der Kondensator 42 in zwei verschiedenen Betriebsarten verwendet wird, je nachdem, welcher Oszillator aktiviert ist.
Die Referenzoszillatoren 188 und 190 sind bereitgestellt, um die Komponentendrift und -alterung zu kompensieren. In einem Beispiel ist der Referenzoszillator 188 eingestellt, um eine Anzeige eines Methanolgehalts an einem unteren Ende eines erwarteten Spektrums bereitzustellen. Der Oszillator 190 ist eingestellt, um eine Anzeige bereitzustellen, die einem Methanolgehalt an einem gegenüberliegenden Ende eines erwarteten Spektrums entspricht. In einem Beispiel entspricht der Referenzkondensator 188 einem Methanolgehalt von zehn Prozent, während der Referenzkondensator 190 einem Methanolgehalt von neunzig Prozent entspricht. Die Referenzoszillatoren werden vorzugsweise so ausgewählt, dass sie fest eingestellt bleiben, so dass sie während der Lebensdauer der Sensorbaugruppe nicht beeinflusst werden.
Wie erwähnt, ist ein weiterer beim Durchführen einer Gemischgehaltbestimmung verwendeter Faktor die Temperatur des Gemisches. Die gezeigte Beispielanordnung beinhaltet einen weiteren Oszillator 192, der mit dem Thermistor 80, der die Gemischtemperaturinformation erhält, gekoppelt ist. Es wird ein Referenzoszillator 196 gewählt, der die Kalibrierungsinformation bereitstellt, um die Drift oder das Altern des Oszillators 192 über die Zeit zu kompensieren.
Die Verwendung von Oszillatoren in Verbindung mit Kondensatoren zum Erhalten der notwendigen Information bezüglich des Gemischgehalts sind bekannt. Ein vorteilhafter Unterschied dieser Erfindung ist, dass ein einzelner Kondensator 42 in zwei Betriebsarten verwendet wird, wobei nur eine einzelne mechanische Verbindung 183 zwischen dem Kondensator 42 und den Oszillatoren 180 und 182 die Gesamtbaugruppe vereinfacht und sie wirtschaftlicher macht.
Der Mikroprozessor 172 ist vorzugsweise programmiert, um selektiv zwischen den Oszillatoren 180 und 182 umzuschalten, um die entsprechenden Leitfähigkeits- oder Kapazitätsmessungen durchzuführen. Das Beispiel der 6 beinhaltet die Halbleiterschalter 200 und 202, die selektiv durch den Mikroprozessor 172 betrieben werden, damit der gewünschte Oszillatorbetrieb erreicht wird, um die gewünschte Messung zu erhalten. Ebenso regelt der Mikroprozessor 172 die Halbleiterschalter 204 und 206, um einen der Referenzoszillatoren 188 und 190 auszuwählen.
Die Anordnung der Elektronik zum Betreiben eines entsprechend dieser Erfindung gestalteten Sensors kann mehrere Formen annehmen. Das Beispiel aus 6 ist eine besondere Ausführung der erfindungsgemäßen Gesamtstrategie. Der Fachmann, der den Vorteil dieser Beschreibung hat, wird in der Lage sein, handelsübliche elektronische Bauelemente auszuwählen oder Hardware und Software speziell zu gestalten, um den Erfordernissen seiner besonderen Situation zu entsprechen.
In einem Beispiel ist der Ausgang von dem Sensor 40 ein Frequenz- und Impulsabfalldauer-moduliertes Signal. 7 zeigt grafisch eine besondere Ausgabestrategie, die bei einem entsprechend dieser Erfindung gestalteten Sensor verwendbar ist. Das Sensorausgangssignal 250 beinhaltet eine Folge von positiven Impulsen 252 und negativen Impulsen 254. In diesem Beispiel stellt die Frequenz 256 der Impulsfolge eine Anzeige des Prozentsatzes des Methanols in dem Gemisch bereit. Zum Beispiel entspricht eine Frequenz von 50 Hertz einem Methanolgehalt von null Prozent. Eine Frequenz von 150 Hertz entspricht einem Methanolgehalt von 100 Prozent. Jede Zunahme von zehn Hertz entspricht zwischen 50 Hertz und 150 Hertz einer Änderung von zehn Prozent in der Menge an Methanol, die in dem Gemisch vorhanden ist. Je nach der gewählten Konfiguration des Mikroprozessors 172 ist entweder der Regler 32 oder der Mikroprozessor 172 darauf programmiert, die auf der Frequenz des Sensorausgangssignals 250 basierende Methanolgehaltinformation zu erkennen.
Die erfindungsgemäße Anordnung beinhaltet auch, den Tastgrad (d.h. die relativen positiven und negativen Impulsbreiten) zu ändern, um eine Anzeige der festgestellten Temperatur bzw. der festgestellten Leitfähigkeit bereitzustellen. In dem gezeigten Beispiel ist jede zweite negative Impulsbreite für die Temperatur oder die Leitfähigkeit kennzeichnend. Die Impulsbreite 258 stellt eine Anzeige der von dem Temperatursensor 76 festgestellten Temperatur bereit. In einem Beispiel entspricht eine Impulsdauer von einer Millisekunde 0 °C, während eine Impulsdauer von fünf Millisekunden 258 einer 100 °C-Messung entspricht. Entweder ist der Mikroprozessor 172 oder der Regler 32 darauf programmiert, die Impulsbreiten-Taktinformation 258 mit einem vorher ausgewählten Temperaturmaßstab in Beziehung zu setzen.
Jeder zweite negative Impuls weist eine Impulsbreite 260 auf, die eine Anzeige der Leitfähigkeitsinformation bereitstellt, die von dem Kondensatorabschnitt 42 des Sensors 40 zusammentragen wird. Ein entsprechender Maßstab, der die Taktinformation (d.h. die Impulsbreite 260) mit den Messungen der Leitfähigkeit in Beziehung setzt, wird vorzugsweise ausgewählt, um den Erfordernissen einer gegebenen Situation zu entsprechen. Der Fachmann, der den Vorteil dieser Beschreibung hat, wird erkennen, was in seiner besonderen Situation am besten funktioniert.
Durch das Nutzen jeder zweiten negativen Impulsbreite als Informationsbereitstellung bezüglich der gemessenen Temperatur bzw. der Leitfähigkeit stellt die erfindungsgemäße Anordnung einen einzigartigen Sensorausgang bereit, der die gemessene Information zweckmäßig und wirtschaftlich zusammen mit der gemessenen Dielektrizitätskonstanteninformation (d.h. mit dem Prozentsatz des Methanolgehalts) übermittelt. Natürlich sind mehrere Sensorausgabeformate innerhalb des Umfangs dieser Erfindung.
Die vorangegangene Beschreibung ist im Wesen beispielhaft statt einschränkend. Abwandlungen und Änderungen, die nicht notwendigerweise vom Wesen dieser Erfindung abweichen, bei den offenbarten Beispielen können dem Fachmann offensichtlich werden. Der Umfang des dieser Erfindung gegebenen gesetzlichen Schutzes kann nur durch das Prüfen der folgenden Ansprüche bestimmt werden.

Claims

Ein Sensor, der zum Messen des Methanolgehalts in einem Gemisch nützlich ist, umfassend einen Kondensator, der eine erste im Allgemeinen zylindrische Elektrode und eine zweite Elektrode, die wenigstens teilweise die erste Elektrode umgibt, aufweist, wobei die Elektroden mit einem Abstand voneinander angeordnet sind, so dass das Gemisch zwischen den Elektroden fließt; einen ersten Oszillator, der bewirkt, dass der Kondensator in einer ersten Betriebsart läuft, um eine Anzeige der Kapazität des Kondensators bereitzustellen, wenn sich das Gemisch zwischen den Elektroden befindet; einen zweiten Oszillator, der bewirkt, dass der Kondensator in einer zweiten Betriebsart läuft, um eine Anzeige des Wirkleitwerts des Kondensators bereitzustellen, wenn sich das Gemisch zwischen den Elektroden befindet; und einen Regler, der zwischen dem ersten und dem zweiten Oszillator umschaltet, um die jeweiligen Anzeigen zu erhalten.
Sensor nach Anspruch 1, der eine einzelne mechanische Verbindung zwischen dem ersten und dem zweiten Oszillator und dem Kondensator beinhaltet, wobei der Regler selektiv die jeweiligen Oszillatoren mit dem Kondensator elektrisch betreibt, um eine gewünschte Anzeige zu erhalten.
Sensor nach Anspruch 2, der mit jedem der Oszillatoren, die auf den Regler ansprechen, verbundene Halbleiterschalter beinhaltet, um den ausgewählten Oszillator mit dem Kondensator elektrisch zu betreiben.
Sensor nach Anspruch 1, der einen in der zweiten Elektrode getragenen Temperatursensor beinhaltet, wobei der Sensor eine Anzeige der Gemischtemperatur bereitstellt.
Sensor nach Anspruch 4, wobei der Regler die Temperaturinformation, die Kapazitätsanzeige und die Wirkleitwertanzeige verwendet, um die Inhalte des Gemisches zu bestimmen.
Sensor nach Anspruch 5, der einen Speicherabschnitt beinhaltet, der mehrere vorgegebene Werte aufweist, die für den Gemischgehalt kennzeichnend sind, und wobei der Regler den Gehalt aus den vorgegebenen Werten auf der Grundlage der Temperaturinformation, der Kapazitätsanzeige und der Wirkleitwertanzeige bestimmt .
Sensor nach Anspruch 4, wobei die zweite Elektrode hohl ist und ein Distanzstück beinhaltet, das den Temperatursensor in einer gewählten Position in der zweiten Elektrode hält.
Sensor nach Anspruch 4, der ein thermisch leitendes Fett in einem Zwischenraum zwischen einer inneren Oberfläche der zweiten Elektrode und dem Temperatursensor beinhaltet, und wobei das thermisch leitende Fett die zweite Elektrode und den Temperatursensor berührt.
Sensor nach Anspruch 1, wobei der Sensor eine Ausgangsschwingungsform bereitstellt, die eine Zeitdauer aufweist, die der Kapazitätsanzeige entspricht, und eine Taktinformation aufweist, die der Wirkleitwertanzeige entspricht.
Sensor nach Anspruch 9, wobei die Taktinformation eine Impulsbreite umfasst.
Sensor nach Anspruch 9, wobei die Taktinformation einen Tastgrad umfasst.
Sensor nach Anspruch 9, wobei der Sensorausgang eine zweite Taktinformation beinhaltet, die einer Temperaturanzeige entspricht, die von einem in dem Sensor enthaltenen Temperatursensor erhalten wird.
Sensor nach Anspruch 12, wobei die Taktinformation, die der Wirkleitwertanzeige entspricht, und die zweite Taktinformation, die der Temperaturanzeige entspricht, in abwechselnden Perioden des Schwingungsformausgangs bereitgestellt werden.
Sensor nach Anspruch 1, wobei die erste Elektrode einen hohlen im Allgemeinen zylindrischen Körper mit offenen Enden umfasst, und wobei die zweite Elektrode einen im Allgemeinen zylindrischen Körper umfasst, der wenigstens ein Ende aufweist, das geschlossen ist, und der nahe einem Ende der Elektroden eine Dichtungsanordnung zur Flüssigkeitsabdichtung eines Raumes zwischen der ersten und der zweiten Elektrode beinhaltet.
Sensor nach Anspruch 14, wobei die erste Elektrode wenigstens eine Öffnung in einer Seitenwand der Elektrode beinhaltet, um das Fließen der Flüssigkeit durch eines der offenen Enden der ersten Elektrode zwischen den zwei Elektroden und aus der Öffnung der Seitenwand zu ermöglichen.
Sensor nach Anspruch 1, der einen Sensortragabschnitt beinhaltet, der den Regler und die Oszillatoren unterbringt, so dass der Regler und die Oszillatoren von dem Gemisch, das zwischen den Elektroden fließt, flüssigkeitsisoliert sind.
Verfahren zum Bestimmen eines Methanolgehalts eines Gemisches, das die folgenden Schritte umfasst: Bereitstellen eines einzelnen Kondensators, der zwei Elektroden aufweist, zwischen denen das Gemisch fließt; Verwenden des Kondensators in einer ersten Betriebsart, um eine Anzeige des Wirkleitwerts des Kondensators mit dem Gemisch zwischen den Elektroden zu erhalten; Verwenden des Kondensators in einer zweiten Betriebsart, um eine Anzeige der Kapazität des Kondensators mit dem Gemisch zwischen den Elektroden zu erhalten.
Verfahren nach Anspruch 17, welches das elektrische Betreiben eines ersten Oszillators, der eine erste Frequenz aufweist, die dem Kondensator in der ersten Betriebsart zugeordnet ist, und das elektrische Betreiben eines zweiten Oszillators, der eine zweite Frequenz aufweist, die dem Kondensator in der zweiten Betriebsart zugeordnet ist, beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 17, welches das Bestimmen einer Temperatur des Gemisches und das Verwenden der bestimmten Temperatur, der Kapazitätsanzeige und der Wirkleitwertanzeige beinhaltet, um den Methanolgehalt des Gemisches zu bestimmen.
Verfahren nach Anspruch 19, welches das Bereitstellen eines Schwingungsform-Sensorausgangs, der eine Zeitdauer aufweist, die der Kapazitätsanzeige entspricht, eine erste Impulsbreite, die der bestimmten Temperatur entspricht, und eine zweite Impulsbreite, die der Wirkleitwertanzeige entspricht, beinhaltet.