Mischungsverhältnisse von Flüssigkeiten per Sensor überwachen
Mit den kostengünstigen Sensoren, die Ingenieure der Saar-Uni entwickelt haben, kann das Mischungsverhältnis von Flüssigkeiten gemessen und damit überwacht und geregelt werden.
Saarbrücker Forscher haben einfach aufgebaute Sensoren entwickelt, mit denen die Mischungsverhältnisse von Flüssigkeiten wie Öl, Brems- und Kühlflüssigkeit überwacht werden können.
Foto: Autoclub Europa
Ihren Einsatz sollen die Sensoren beispielsweise in der Automobiltechnik finden, wo sie etwa die Abgasnachbehandlung in Dieselfahrzeugen, die Ölqualität oder die Brems- und Kühlflüssigkeiten überwachen können. Auch bei Brennstoffzellen können sie für Verbesserungen genutzt werden. Die Saarbrücker Sensoren sind einfach aufgebaut und können in Laptops integriert werden.
Nahezu überall, wo in der Technik Gemische von mehreren Flüssigkeiten eingesetzt werden, kommt es für optimale Ergebnisse auf die korrekten Mischverhältnisse der beteiligten Flüssigkeiten an. Das gilt sowohl für die Abgasreduzierung bei Dieselfahrzeugen als auch für Brennstoffzellen, Frostschutzmittel oder Bremsflüssigkeiten.
Überwachung bislang aufwändig und kostenintensiv
Das richtige Mengenverhältnis dieser Flüssigkeiten auf die Dauer aufrecht zu erhalten ist nicht immer leicht – denn die Mischung müsste für beste Ergebnisse ständig überwacht werden und nötigenfalls das richtige Verhältnis wiederhergestellt werden – ansonsten hat der Mix nicht den Effekt, den er haben sollte und auch könnte. Das Verhältnis der Bestandteile eines Gemischs zu bestimmen, ohne dabei zu großen Aufwand zu betreiben oder hohe Kosten zu verursachen, war bisher immer ein richtiges Problem.
Einfach aufgebaute Sensoren
Die Saarbrücker Messtechniker aus der Forschergruppe von Professor Dr. Andreas Schütze haben jetzt eine Lösung entwickelt, die sie im April auf der Industriemesse in Hannover vorstellen wollen: Sensoren, die in der Lage sind, das Mischungsverhältnis von Gemischen aus zwei Komponenten zuverlässig konstant zu halten. „Unsere beiden Sensorsysteme, die auch kombiniert werden können, sind einfach aufgebaut und die Messwerte können unkompliziert ausgewertet werden. Außerdem sind sie kostengünstig herzustellen und für den mobilen Einsatz etwa in Laptops geeignet“, sagt dazu Andreas Schütze.
Prof. Andreas Schütze.
Quelle: Uni Saarland
Diese Sensoren könnten in Zukunft beispielsweise dazu verwendet werden, in Dieselfahrzeugen sicherzustellen, dass der Katalysator gefährliche Abgase optimal reduziert. Der so genannte DeNOx-Katalysator, den man in der Regel in modernen Diesel-Pkws und -Lkws findet, wandelt die schädlichen Stickoxide in Stickstoff und Wasser um. „Aber nur, wenn das richtige Mischungsverhältnis von Harnstoff in Wasser in den Abgasstrang eingespritzt wird. Unsere Sensoren können überwachen, ob dies der Fall ist“, erläutert der Messtechniker.
Sensoren halb so groß wie eine Kreditkarte
Die neu entwickelten Sensoren bestehen aus einer dünnen Folie mit darauf aufgebrachten Leiterbahnen und sind zurzeit noch etwa halb so groß wie eine Kreditkarte. „Wir haben zwei verschiedene Messmethoden erforscht, die beide gute Ergebnisse erzielen. Werden sie zusammen eingesetzt, ergibt die Messung noch exaktere Ergebnisse“, sagt Schütze.
Bei einem der Messverfahren prägt ein winziger Miniatur-Heizer auf der Folie einen Wärmeimpuls in die zu prüfende Mischung ein. „Der Sensor misst dabei, wie sich die Wärme darin ausbreitet“, erklärt einer der Entwickler der Systeme, Bastian Schmitt. „Wie schnell sich die Wärme ausbreitet und wie viel Wärme überhaupt aufgenommen wird, ändert sich mit dem Mischungsverhältnis. Anhand dieser Messwerte können wir daher auf das Mischungsverhältnis der Flüssigkeiten rückschließen“, erläutert der Ingenieur.
Der Sensor besteht nur aus einer kleinen, dünnen Folie mit aufgebrachten Leiterbahnen und kann die Zusammensetzung von Flüssigkeiten messen. In Dieselfahrzeugen kann er zum Beispiel sicherstellen, dass der Katalysator die gefährlichen Abgase ordnungsgemäß reduziert und so diese schädlichen Stickoxide in Stickstoff und Wasser umwandelt. Diplom-Ingenieur Bastian Schmitt (Foto) hat den Sensor am Lehrstuhl für Messtechnik von Professor Andreas Schütze mitentwickelt.
Quelle: Uni Saarland/Oliver Dietze
Das zweite Sensorprinzip der Forscher basiert auf einem bei fließenden Flüssigkeiten zu beobachtenden Phänomen: den Wirbeln. Wenn man einen Stock in eine Strömung hält, entstehen dahinter deutlich sichtbare Verwirbelungen. Ähnlich machen es die Saarbrücker Ingenieure bei ihrer Messung: „Bei geringer Strömung entsteht hinter einem Störkörper, den wir in die Mischung bringen, ein Wirbelpaar. Je nachdem wie zähflüssig ein Gemisch ist, dehnen sich die beiden Wirbel verschieden aus. Außerdem ändert sich die Strömungsgeschwindigkeit innerhalb der Wirbel, die wir mit unseren Sensoren erfassen und so Aussagen über das Verhältnis der Komponenten treffen können“, sagt Bastian Schmitt. Die an der Saar-Uni entwickelten Sensoren können prinzipiell bedingt sogar gefrorene Mischungen erkennen oder nachweisen, dass gar keine Flüssigkeit vorliegt – beispielsweise weil der Tank leer ist.
Vorstellung auf der Hannover Messe
Das Projekt „InMischung“ wurde vom Bundesforschungsministerium im Rahmen des Schwerpunktes Mikrosystemtechnik als Teil der Ausschreibung „Mikro-Nano-Integration als Schlüsseltechnologie für die nächste Generation von Sensoren und Aktoren (MNI)“ gefördert. Die Saarbrücker Sensoren sind sehr einfach aufgebaut und können zum Beispiel in Laptops integriert werden. Ihre beiden Verfahren stellen die Messtechniker vom 7. bis 11. April am saarländischen Forschungsstand auf der Hannover Messe vor. (Halle 2, Stand C 48)
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