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Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Bewertung des Zustandes von Fluiden. Das Fluid kann beispielsweise das Kühlwasser in dem Kühlkreislauf eines Kraftfahrzeuges sein oder auch jedes andere Fluid.
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Die Kühlflüssigkeit in Fahrzeugen besteht üblicherweise aus einem Kühlmittel auf Basis von Wasser, sowie Zusatzmitteln wie Glykol (z.B. Ethylenglykol) und Additiven. Die Hinzuführung der Additive ist auf die verwendeten Materialien des Motors und die weiteren Komponenten des Kühlsystems abgestimmt und ist daher in der Regel von den Spezifikationen der Motorhersteller abhängig. Da sich die Additive im Laufe der Zeit abbauen bzw. einem Alterungs- und/oder Verschleißprozess unterliegen, ist ein regelmäßiger Wechsel der Kühlflüssigkeit notwendig.
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Neben dem Motor kann auch ein Retarder, der die Kühlflüssigkeit als Arbeitsmedium verwendet, einen Kanalabschnitt im Kühlsystem bilden. Ferner weisen derartige Kühlsysteme zumindest eine Kühlfluidfördereinrichtung sowie einen Wärmetauscher auf. Dabei umfasst der Kühlkreislauf mehrere Kanalabschnitte die in der Regel aus unterschiedlichen Materialien bestehen, wobei die Kühlflüssigkeit im Idealfall alle Materialien mit einer Schutzschicht überzieht, die in der Lage ist eine Reaktionsschicht auf der Oberfläche des Kanals aufzubauen, so dass eine Korrosion zuverlässig verhindert wird.
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Um sicherzustellen, dass Korrosionsprozesse zuverlässig vermieden werden, müssen die Wechselintervalle eingehalten werden. Im Allgemeinen kommt es deshalb zu einer Entsorgung von Kühlmittel, welches durchaus noch hätte verwendet werden können. Dies stellt hinsichtlich der Kosten, insbesondere auch im Hinblick auf die Notwendigkeit einer fachgerechten Entsorgung, und/oder der damit verbundenen Betriebsunterbrechung einen gravierenden Nachteil dar.
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Aus der
DE 195 33 628 A1 ist eine Schaltanordnung für ein Kraftfahrzeugkühlsystem mit den üblichen Merkmalen und Bauteilen eines Kühlsystems bekannt, in dem ein Sensor vorgesehen ist, mittels dem eine Dielektrizitätswertmessung durchgeführt werden kann, so dass die Frostschutzkonzentration bestimmt werden kann.
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Aus der
DE10 2005 043 699 A1 ist eine Sensoreinheit bekannt, welche mindestens eine Messinformation zur Ermittlung eines Korrosionsschutzmittelanteils in einem Fluid eines Fluidsystems für ein Fahrzeug erzeugt, wobei ein Widerstandswert oder ein Impedanzwert des eingetauchten Referenzleiters und des Reaktionsleiters zur Ermittlung des Korrosionsschutzmittelanteils im Fluid des Fluidsystems als Messinformation ausgebbar sind.
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Die
US2014/0303831 offenbart weiterhin ein Verfahren zur Bewertung des Zustandes einer Fahrzeugkühlflüssigkeit auf Basis der Temperatur und Leitfähigkeit der Flüssigkeit.
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Es hat sich aber gezeigt, dass die Messung von Eigenschaften bzw. Eigenschaftsänderungen sehr aufwendig sind und die Messwerte nicht zuverlässig mit der Funktionsfähigkeit des Fluids korrelieren.
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Eine der Aufgaben der hier vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Bewertung des Zustandes und/oder der Funktionsfähigkeit eines Fluids vorzuschlagen.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Verfahren gemäß Anspruch 1 und einer Vorrichtung gemäß Anspruch 10 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und bevorzugte Lösungsvarianten sind in den hiervon abhängigen Unteransprüchen beschrieben.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die Fähigkeit eines Fluids, eine Reaktionsschicht auf der Oberfläche eines Bauteils aufzubauen, sich ändert, wenn sich die Eigenschaften des Fluids verändern, was beispielsweise bei der Alterung von Kühlmittel eintritt.
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Unter Berücksichtigung des Obigen ist es ein Ziel bzw. Gegenstand der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung vorzuschlagen mittels dem der Zustand eines Fluids bestimmt werden kann.
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Es wird ein Verfahren zur Ermittlung des Zustandes eines Fluids vorgeschlagen, wobei das Fluid anteilig aus Wasser besteht oder mit Wasser mischbar ist und dazu geeignet ist, eine Reaktionsschicht auf der Oberfläche eines Bauteils aufzubauen, wobei ein Sensor vorgesehen ist der zumindest ein Elektrodenpaar umfasst, wobei die Elektroden gegeneinander isoliert sind und aus unterschiedlichen Materialien bestehen. Weiterhin ragen die Elektroden in das Fluid hinein oder sind in das Fluid hineinbewegbar.
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Dabei umfasst das Verfahren folgende Schritte:
- - Schaffung einer Reaktionsfläche an zumindest einer Teiloberfläche einer Elektrode des Elektrodenpaares;
- - herstellen einer elektrisch leitenden Verbindung zwischen den Elektroden und messen des elektrischen Stromflusses zwischen den Elektroden über eine vorgebbare Zeitspanne, wenn die Elektroden zumindest teilweise von dem Fluid benetzt sind, oder messen der Spannung zwischen den Elektroden über eine vorgebbare Zeitspanne, wenn die Elektro zumindest teilweise von dem Fluid benetzt sind;
- - Beurteilung des Zustandes des Fluids nach der vorgegebenen Zeitspanne auf Basis der gemessenen Stromstärke oder der gemessenen Spannung, wobei der Zustand des Fluids als gut gilt, wenn die gemessene Stromstärke oder Spannung kleiner ist als ein vorgebbarer Schwellwert oder innerhalb eines vorgebbaren Wertebereichs liegt.
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Als Reaktionsfläche im Sinne der Anmeldung wird jede Fläche angesehen, auf der sich eine Reaktionsschicht aufbauen kann, die eine Veränderung des Stromflusses bewirkt, so dass beim Kurzschließen der Elektroden der messbare Stromfluss kleiner ist als der Stromfluss ohne Reaktionsschicht.
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Weiterhin kann zur Beurteilung des Zustandes des Fluids auch der Verlauf der Stromstärke oder der Spannung bis zum Ablauf der vorgegebenen Zeitspanne berücksichtigt werden.
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In einem weiteren vorteilhaften Verfahren kann zur Beurteilung des Zustandes des Fluids ein Kurzschluss zwischen den Elektroden hergestellt werden, der zeitweise unterbrochen wird, wobei während der Zeit der Unterbrechung eine Spannungsmessung erfolgt. Durch den Kurzschluss wird die Bildung von Reaktionsschichten an den Elektrodenoberflächen beschleunigt bzw. begünstigt. Die Messung der Spannung kann zur Beurteilung des Zustandes des Fluids herangezogen werden.
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Weiterhin kann die vorgegebene Zeitspanne mehrere erste Zeitabschnitte zur Spannungsmessung und zweite Zeitabschnitte zur Strommessung umfassen. Durch diese abwechselnde Messung von Spannung und Strom können besonders vorteilhaft der Spannungsverlauf und der Stromverlauf zur Beurteilung des Fluids herangezogen werden.
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Der erste Zeitabschnitt für die Spannungsmessung kann dabei zwischen 0,2s und 10s und der zweite Zeitabschnitt für die Strommessung zwischen 0,2s und 600s liegen. Bevorzugt kann der erste Zeitabschnitt für die Spannungsmessung aber auch zwischen 1s und 2s und der zweite Zeitabschnitt für die Strommessung zwischen 1s und 10s betragen.
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Eine Messung kann auch mit einer Strommessung bzw. einem Kurzschluss beginnen.
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Um die Beseitigung einer vorhandenen Reaktionsschicht an den Elektroden zu erzielen, wird zumindest eines der folgenden Verfahren verwendet:
- - Anlegen einer Spannung zwischen den Elektroden;
- - Generierung einer Bruchfläche;
- - spanende Bearbeitung;
- - elektrochemisches Verfahren;
- - gezielte abrasive Bearbeitung;
- - gezielte Erzeugung von Kavitation an zumindest einer Elektrodenoberfläche in einem Fluidstrom;
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Bei der Spannung kann es sich um eine Gleich- oder Wechselspannung handeln die zwischen den Elektroden angelegt wird. In einer weiteren Ausführung kann auch eine Gleich- oder Wechselspannung zwischen einer Hilfselektrode und den Elektroden angelegt werden.
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Alternativ kann auch eine abrasive Bearbeitung mittels eines bewegbaren Reinigungskörpers erfolgen.
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Weiterhin wird eine Vorrichtung zur Ermittlung des Zustandes eines Fluids vorgeschlagen, dass für ein Verfahren nach einer der beschrieben Verfahren geeignet ist. Diese umfasst einen Sensor, bestehend aus Trägerelement und zumindest einem Elektrodenpaar, welches aus unterschiedlichen Materialien besteht und gegeneinander isoliert ist, wobei die Vorrichtung einen Bearbeitungskörper und Mittel umfasst, die eine abrasive Bearbeitung der Elektroden ermöglichen.
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Die Mittel können dabei eine Bewegung der Elektrode und /oder des Bearbeitungskörpers ermöglichen, wobei der Antrieb mechanisch, elektrisch, hydraulisch oder pneumatisch erfolgen kann.
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Ein Fluidkreislauf kann beispielsweise mehrere Kanalabschnitte umfassen, durch die ein Fluid strömen kann, wobei der Fluidkreislauf eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 oder 11 umfasst.
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In einer Ausführung können die Kanalabschnitte durch Bauteile gebildet werden, die aus unterschiedlichen Materialien bestehen, wobei der Sensor zumindest ein Elektrodenpaar umfasst, wobei die Elektroden aus Materialien bestehen, die mit den verwendeten Materialien unterschiedlicher Kanalabschnitte übereinstimmen.
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Weitere Merkmale des erfindungsgemäßen Verfahrens und der Vorrichtung sowie weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Skizzen näher erläutert.
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In diesen zeigen:
- 1 eine erfindungsgemäße Messanordnung
- 2a, b zeigt beispielhaft den Spannungsverlauf und den Stromverlauf
- 3 ist der Stromverlauf für ein Fluid dargestellt, welches unterschiedlich lang im Einsatz war
- 4 zeigt die Stromstärken nach 120s Messzeit, für ein alterndes Fluid
- 5 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer Messvorrichtung im Fluidstrom
- 6 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer Messvorrichtung im Fluidstrom
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1 zeigt eine erfindungsgemäße Messanordnung zur Erläuterung des Messverfahrens, mittels dem sich der Zustand eines Fluids messen bzw. bestimmen lassen kann. In dem beispielhaft dargestellten Gefäß 8 befindet sich das zu prüfende Fluid 7. Das Fluid kann Wasser oder Wasser mit mindestens einem Zusatzmittel sein. Das Fluid 7 muss dazu geeignet sein, eine Reaktionsschicht auf der Oberfläche eines Bauteils aufzubauen. Bei dem Bauteil handelt es sich hier um die Elektroden 1a, b, die aus unterschiedlichen Materialien bestehen und gegeneinander elektrisch isoliert sind.
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Der Schalter 3 hat zwei Stellungen, wobei in der ersten Stellung des Schalters 3 die Elektroden 1 a, b über die Strommesseinheit 4 direkt miteinander verbindbar sind, so dass eine Strommessung durführbar ist und in der zweiten Stellung des Schalters 3 ist ein Voltmeter zwischen die Elektroden schaltbar, so dass eine Spannung messbar ist.
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Wird der Sensor, bzw. die blanken Elektroden in das Fluid getaucht, bildet sich eine Reaktionsschicht auf den mit Fluid benetzten Oberflächen der Elektroden 1a, b. Die Bildung der Reaktionsschicht ist abhängig von der Zusammensetzung des Fluids, bzw. dessen Zustand und der Stellung des Schalters 3.
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In den 2a, 2b, 3 und 4 sind Spannungs- und Stromverläufe dargestellt. Der erste Messwert ist immer ein Wert, der kurz nach dem Eintauchen der blanken Elektroden 1a, b in das Fluid gemessen wurde. Unter einer blanken Elektrode ist eine Elektrode zu verstehen die keine Reaktionsschicht aufweist.
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2a und 2b zeigen beispielhaft den Spannungsverlauf und den Stromverlauf über ca. 60s. Dabei sind im Diagramm 2a der Spannungsverlauf für mehrere Materialpaarungen dargestellt. Hier wurde also gemessen wie sich die Spannung ändert, wenn sich im Laufe der Zeit eine Reaktionsschicht auf zumindest einer der Elektroden 1a, 1b aufbaut, wobei die Reaktionsschicht wie eine Isolierschicht wirkt.
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Im Diagramm 2b wurden die gleichen Materialpaarungen verwendet und der Strom gemessen. Auch hier ist der Aufbau der Reaktionsschicht bei zwei Materialpaarungen eindeutig zu erkennen.
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In 3 ist der Stromverlauf für ein Fluid dargestellt, welches zu unterschiedlichen Zeiten bzw. nach unterschiedlichen Einsatzzeiten wiederholt gemessen wurde. Vor jeder erneuten Messung wurde die Reaktionsschicht entfernt. Aus dem Verlauf der Stromstärke ist deutlich zu erkennen, dass der Aufbau einer neuen Reaktionsschicht unterschiedlich lange dauert. Weiterhin ist deutlich zu erkennen, dass das verwendete Fluid mit zunehmendem Alter seine Fähigkeit verliert eine Reaktionsschicht aufzubauen.
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Ist das Fluid beispielsweise eine Kühlflüssigkeit sollte diese ausgetauscht werden, sobald sie ihre Fähigkeit verliert eine Reaktionsschicht auf den Elektroden aufzubauen bzw. in einem Kühlkreislauf die Innenwände der Kanalabschnitte mittels der Reaktionsschicht zu schützen.
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4 zeigt nochmals deutlich, wie sich die Stromstärken nach 120s Messzeit ändert, wenn das Fluid immer älter wird. Ab einer bestimmten Einsatzdauer, hier nach ca.250h, lässt die Fähigkeit eine Reaktionsschicht aufzubauen rapide nach.
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5 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einen Sensor 2 im Fluidstrom 7. Der Sensor ist an einer Hubvorrichtung 9 angebracht, so dass der Sensor 2 mit den Elektroden 1a, 1b in dem Kanalabschnitt 13 auf und ab bewegt werden kann, der Hub ist mit 6 bezeichnet.
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Vor jeder Messung wird der Sensor 2 gegen die Bearbeitungskörper 10 bewegt, durch die die Elektroden 1a, 1b gesäubert, bzw. die Reaktionsschicht entfernt wird. Dies kann beispielsweise durch die Rotation der Bearbeitungskörper 10 erfolgen. Die Hubvorrichtung 9 kann mittels Druckluft betätigt werden.
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6 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer Messvorrichtung im Fluidstrom, wobei hier die Entfernung der Reaktionsschicht an den Elektroden 1a, 1b mittels eines, im Kanalabschnitt 13, frei beweglichen Bearbeitungskörpers 10 erfolgt. Dabei dient der Fluidstrom 7 als Antrieb für die Bewegung des Bearbeitungskörpers 10.
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Die dargestellten Ausführungen zeigen nur zwei mögliche Konstruktionen, wobei auch andere Anordnungen und Kinematiken denkbar sind.
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Weiterhin können zwei oder mehr Elektrodenpaarungen 1a, 1b einen Sensor 2 bilden. So könne mehrere Materialpaarungen die in einem Kühlkreislauf verwendet werden, gleichzeitig gemessen werden. Wird festgestellt, dass ein Material nicht mehr ausreichend geschützt ist - es baut sich keine Reaktionsschicht mehr auf - ist das ein Hinweis die Kühlflüssigkeit auszutauschen.
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Der Einsatz des Messverfahrens ist nicht auf den beschriebenen Einsatzbereich beschränkt. Beispielsweise ist es auch möglich, den Zustand von Wässer aus Flüssen und Seen (Hydro), Grubenwässer (Turbo Minenanwendung) etc., die sehr unterschiedlich korrosiv wirken können, zu bestimmen. Die unterschiedliche Korrosivität ergibt sich hier durch Verunreinigungen, die dann als Zusatzmittel im Sinne der Erfindung zu verstehen sind.
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Bezugszeichenliste
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- 1a, b
- Elektroden
- 2
- Sensor
- 3
- Schalter
- 4
- Strommessgerät
- 5
- Spannungsmessgerät
- 6
- Hub
- 7
- Fluid
- 8
- Behälter
- 9
- Hubvorrichtung
- 10
- Bearbeitungskörper
- 11
- Antrieb
- 12
- Druckluft
- 13
- Kanalabschnitt
- 14
- elek. Anschluss
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19533628 A1 [0005]
- DE 102005043699 A1 [0006]
- US 2014/0303831 [0007]
