Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung des Siedepunktes eines flüssigen Mediums nach dem Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche sowie auf dessen Verwendung.

Stand der Technik

Hydraulikflüssigkeiten, insbesondere Bremsflüssigkeiten für Kraflfahrzeugbremssysteme werden als hydraulisches Medium zur Kraftübertragung in Bremssystemen eingesetzt. Derartige Hydraulikfluide müssen für eine sichere Funktion der Bremsen sehr hohe Anforderungen erfüllen und sind in kritischen Fahrsituationen, wie beispielsweise bei lang anhaltenden Bremsungen an Gefällstrecken, besonderen Beanspruchungen ausgesetzt. Die Belastung kann besonders an den RadbremszyUndern, an welchen die höchsten Temperaturen in einem Bremssystem vorliegen, sehr hoch sein. Ein Maß für die thermische Belastbarkeit der Bremsflüssigkeit stellt der sogenannte Gleichgewichtssiedepunkt dar. Bei Temperaturen über dem aktuellen Siedepunkt der Bremsflüssigkeit kommt es zu einer Dampf blasenbildung. Ein wirkungsvolles Betätigen der Bremsen ist dann nicht mehr möglich.

Besonders kritisch, ist es, wenn die verwendete Bremsflüssigkeit hygroskopisch ist und über Diffusion durch die Bremsschläuche Wasser aus der Umgebung aufnimmt, da dies ein starkes Absinken des Siedepunktes der Bremsflüssigkeit zur Folge hat. Dieser Effekt erfordert den Wechsel der Bremsflüssigkeit in einem Kraftfahrzeug nach etwa ein bis zwei Jahren, da der Abfall des Siedepunktes einer Bremsflüssigkeit bei Wasseraufhahme rasch vor sich geht. Ferner kann es aber auch zu einer unerwarteten, vorzeitigen Wasseraumahme der Bremsflüssigkeit kommen, die zu einem Versagen des betreffenden Hydraulik- bzw. Bremssystems führen kann. Aus diesem Grunde ist es wünschenswert, den Siedepunkt einer Hydraulikflüssigkeit bzw. Bremsflüssigkeit eines Systems ständig, d.h. online, überwachen zu können.

Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 4002792 Al ist eine Vorrichtung zur Ermittlung der Beschaffenheit einer Druckübertragungsflüssigkeit bekannt. Diese Vorrichtung umfasst zwei Elektroden, die über ein als Linearleiter ausgebildetes Sensorelement miteinander verbunden sind. Eine Siedetemperaturbestimmung erfolgt derart, dass das in der Bremsflüssigkeit angeordnete Sensorelement aufgeheizt wird und sich dadurch eine stabile Zellularkonvektion im Bereich des Sensorelements einstellt. Eine derartige Zellularkonvektion stellt sich ein, wenn das als Konvektionskörper verwendete Sensorelement bzw. Heizelement in dem unmittelbar angrenzenden Flüssigkeitsraum eine Wärmemenge erzeugt, die nicht mehr durch eine laminare Konvektion schnell genug an das umgebende Gesamtvolumen an Flüssigkeit weitergeleitet werden kann. Hierbei bilden sich Grenzschichten aus, die das Heizelement in geringem Abstand, wie ein Hüllstrom, umgeben. Innerhalb einer derartigen Zelle entsteht ein Wärmerückstau bis zum Heizelement. Die Zelle kann nach außen in den Flüssigkeitsraum durch laminare Konvektion gerade so viel Wärme abgeben, wie in diesem Raum pro Zeiteinheit aufgenommen und verteilt werden kann.

Das Heizelement und sein Konvektionszellenumfeld verhalten sich damit wie ein gemeinsames Heizgebilde, das sich in bezug auf laminare Konvektionsverhältnisse mit der Restflüssigkeit im Zustand der thermischen Leistungsanpassung befindet. Die Grenzschicht bleibt stabil, solange die Rückstautemperatur an der Innenseite der Grenzschicht um einen gewissen Betrag höher ist als an der Außenseite in der Restflüssigkeit.

Zur Bestimmung der Siedetemperatur mittels der Vorrichtung gemäß der DE 4002792 Al wird der veränderliche Heizwiderstand des Sensorelements infolge der Rückstautemperatur an der Grenzschicht zwischen der Heizeroberfläche und der Zellenflüssigkeit ausgewertet. Bei hygroskopischen Bremsflüssigkeiten bewirkt nun der Versatz mit Wasser eine spezifische Veränderung von Dichte und Viskosität und damit der Rückstautemperatur. Diese Änderung wird zur Bestimmung der Siedetemperatur ausgewertet. Eine direkte Messung der Siedetemperatur der Bremsflüssigkeit ist aber auch mit dieser Vorrichtung nicht möglich.

Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 197 10358 Al ist weiterhin ein mikrostrukturierter Sensor bekannt, der zur Bestimmung des Zustande eines Fluids, beispielsweise einer Bremsflüssigkeit einer Krafifahrzeugbremsanlage, über Leitfähigkeits- bzw. Kapazitätsmessungen mittels interdigitaler Elektroden verwendet wird. Dabei wird Bremsflüssigkeit von einer Heizeinrichtung erhitzt und verdampft. Der Übergang von der flüssigen Phase in die Gasphase wird durch eine schlagartige Änderung der Kapazität der Bremsflüssigkeit erkannt und die dabei aktuell vorliegende Temperatur der Heizeinrichtung wird als aktueller Siedepunkt der Bremsflüssigkeit bestimmt. Die Kapazitätsänderung wird über die interdigitalen Elektroden bestimmt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren bzw. eine Sensoranordnung zur Verfügung zu stellen, das die Bestimmung der Siedetemperatur eines flüssigen Mediums auf einfache Weise in hinreichender Genauigkeit gestattet.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Bestimmung des Siedepunktes eines flüssigen Mediums gemäß den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass es in einfacher Weise eine zuverlässige Bestimmung der Siedetemperatur eines flüssigen Mediums gestattet. Dies ermöglicht es insbesondere, den Zustand von Hydraulikflüssigkeiten bzw. Schmierölen zu verschiedenen Zeitpunkten zuverlässig zu charakterisieren. Diese Informationen werden online erhalten und die zugrundeliegenden elektrischen Signale können in einfacher Weise beispielsweise im Bordcomputer eines Kraftfahrzeugs verarbeitet werden.

Das Verfahren beruht darauf, dass das flüssige Medium an einem Oberflächeribereich eines Sensorelement lokal bis zu dessen Siedepunkt erhitzt wird und die sich dabei einstellende Temperatur des Oberflächenbereichs erfasst wird. Sobald eine sich bei fortschreitender Beheizung weitgehend konstante Temperatur in diesem - A -

Oberflächenbereich einstellt, wird diese als Siedetemperatur des flüssigen Mediums erfasst Dieses Verfahren ist zuverlässig, obwohl es auf einer sehr einfach gestalteten Messtechnik beruht.

Mit den in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens möglich.

So ist es von Vorteil, wenn die gemessene Siedetemperatur mit einem hinterlegten Temperaturbereich verglichen wird und bei Abweichung der sich einstellenden Temperatur von dem hinterlegten Temperaturbereich eine Meldung, insbesondere eine Gefahrenmeldung ausgegeben wird. Dies ermöglicht beispielsweise den rechtzeitigen Wechsel des betroffenen flüssigen Mediums bzw. die rechtzeitige Stilliegung einer Anlage, wie beispielsweise einer Bremsanlage, deren Funktion wesentlich auf dem Einsatz des flüssigen Mediums beruht.

Weiterhin ist von Vorteil, wenn die Siedetemperatur in regelmäßigen Abständen bestimmt wird. Dabei kann es sich sowohl um eine Kontrolle nach definierten zeitlichen Abständen handeln als auch um eine Kontrolle beispielsweise nach bestimmten Fahrleistungen eines Kraftfahrzeugs.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn zumindest derjenige Oberflächenbereich des Sensorelementes, der bis zu Siedetemperatur des flüssigen Mediums erhitzt wird, porös strukturiert ist.

In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist das Sensorelement aus einem Schichtverbund eines keramischen Materials wie Zirkondioxid ausgeführt, da dieser besonders unempfindlich ist gegenüber mechanischen Erschütterungen, thermischen Belastungen und Korrosion.

Die Ausführung des Sensorelements in Form eines Schichtverbundes ermöglicht weiterhin eine baukastenartige Erweiterung um mögliche weitere Funktionalüaten des Sensorelements neben der Temperaturmessung.

Zeichnung Ein Ausfiihrungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Figur 1 zeigt schematisch eine Draufsicht eines dem erfindungsgemäßen Verfahren zugrunde liegendes Sensorelement, Figur 2 zeigt schematisch den Aufbau des Sensorelements in einer Explosionsdarstellung und Figur 3 zeigt schematisch eine das Sensorelement beinhaltende Sensoranordnung.

Ausfiihrungsbeispiel

Ih Figur 1 ist schematisch der Aufbau eines dem erfindungsgemäßen Verfahren zugrunde liegenden Sensorelements zur Bestimmung des Siedepunktes eines flüssigen Mediums dargestellt. Das Sensorelement 10 umfässt ein keramisches Substrat 11, das vorzugsweise als Schichtverbund mehrerer keramischer Schichten ausgeführt ist. Zur Beheizung des Sensorelementes enthält dieses ein Widerstandsheizelement 12 in Form eines Heizmäanders. Weiterhin weist das Sensorelement 10 auf einer dem zu bestimmenden flüssigen Medium zugewandten Großfläche vorzugsweise eine poröse Deckschicht 14 auf. Die poröse Oberflächenstruktur der Deckschicht 14 erleichtert das Sieden des flüssigen Mediums und verhindert Siedeverzüge in diesem Bereich. Das Sensorelemenl beinhaltet zur Bestimmung der Siedetemperatur des flüssigen Mediums ein Messelement 13, das als resistives Temperaturmesselement ausgeführt ist und räumlich in unmittelbarer Nähe der porösen Deckschicht 14 angeordnet ist. Zum Schutz vor möglichen korrosiven Einflüssen des flüssigen Mediums ist das Messelement 13 jedoch durch eine vorzugsweise dünne keramische Schicht von der Deckschicht 14 separiert. Zur elektrischen Kontaktierung weist das Messelement 13 Anschlusskontakte 15 auf.

Ein detaillierter Aufbau des Sensorelementes 10 ist in Figur 2 dargestellt. Dabei bezeichnen gleiche Bezugszeichen die gleichen Bauteilkomponenten wie in Figur 1. Das Sensorelement 10 umfasst beispielsweise eine Mehrzahl von keramischen Schichten 1 Ia, IIb, llc, und Hd. Die Schichten 1 Ia-I Id werden dabei als keramische Folien ausgeführt und bilden einen planaren keramischen Körper. Die integrierte Form des planaren kerami¬ schen Körpers des Sensorelements 10 wird durch Zusammenlaminieren der mit Funktionsschichten bedruckten keramischen Folien und anschließendem Sintern der laminierten Struktur in an sich bekannter Weise hergestellt. Jede der Schichten 1 Ia -1 Id ist aus einem mechanisch und thermisch beständigen keramischen Material wie beispielsweise aus mit Y2O3 teil- oder vollstabilisiertem ZrOa ausgeführt.

Das Sensorelement 10 umfasst weiterhin mehrere keramische Isolationsschichten 17a, 17b, 17c, 17d, 17e, und 17f, die aus einem elektrisch isolierenden keramischen Material wie beispielsweise Aluminiumoxid, mit Barium dotiertem Aluminiumoxid oder Mullit ausgeführt sind. Zur besseren Aribindung der Isolationsschichten 17a - 17f an die keramischen Schichten IIa - Hd weist das Sensorelement 10 vorzugsweise zusätzliche Verbindungsschichten 19a, 19b, 19c und 19d auf. Die Verbindungsschichten 19a - 19d sind dabei vorzugsweise aus ZrO2 oder aus mit Y2Oj teil- oder vollstabilisiertem Zrθ2 ausgeführt. Das Malerial der Verbindungsschichten 19a — 19d entspricht somit vorzugsweise dem Material der Schichten 1 Ia - 1 Id.

Ih den keramischen Grundkörper des Sensorelements 10 ist ferner zwischen den Isolations¬ schichten 17c und 17d das Widerstandsheizelement 12 eingebettet. Das Widerstandsheizelement 12 dient dem Aufheizen des Sensorelements 10 auf die notwendige Betriebstemperatur. Die Kontaktierung des Widerstandsheizelements 12 erfolgt mittels Durcbkonlaktierungen 20, die die Leiterbahn des Widerstandsheizelements 12 mit Anschlusskontakten 22, die sich auf einer ersten Großfläche 23 des Sensorelements 10 befinden, elektrisch leitend verbinden.

Weiterhin befindet sich zwischen den Isolationsschichten 17e und 17f das Messelement 13 in Form einer weiteren mäanderförmigen Widerstandsleiterbahn. Zur Kontaktierung des Messelements 13 weist dieses weitere Anschlusskontakte 15 auf. Die Widerstandsleiterbahnen des Heizelementes 12 und des Messelements 13 sind hinsichtlich ihres Materials in an sich bekannter Weise als Cermet ausgeführt, um mit den keramischen Folien zu versintern. Um einen freien Zugang zu den weiteren Anschlusskontakten 15 zu gewährleisten, sind die Schichten 1 Id und 17f vorzugsweise in ihrer Längsausdehnung anschlussseitig verkürzt. Um die Leiterbahn des Messelement 13 in einer möglichst geringe Distanz zu der Oberfläche der weiteren Großfläche 25 des Sensorelements 10 zu positionieren, sind die Schichten Hd und 17f mit einer geringen Schichtdicke ausgeführt.

Auf der dem zu messenden flüssigen Medium unmittelbar zugewandten weiteren Großfläche 25 ist auf der Schicht lld die poröse Deckschicht 14 angeordnet, die einen eintretenden Siedevorgang des flüssigen Mediums unter kinetischen Aspekten erleichtert und somit Siedeverzüge verhindert. Die Deckschicht 14 ist ebenfalls aus einem keramischen Material, vorzugsweise aus Aluminiumoxid oder Zirkondioxid ausgeführt. Die Schichten 1 Ib, 19b, 17b sind für die Funktionsweise des Sensorelements nicht zwingend erforderlich und können aus weggelassen wenden. Ihre Existenz bedingt lediglich einen asymmetrischen Aufbau des Sensorelements und somit einen bevorzugten Wärmefluss in Richtung der porösen Deckschicht 14.

Eine weitere Ausföhrungsform des Sensorelements besteht darin, dass die Schichten 1 Ia- 1 Id sowie die Verbindungsschichten 19a— 19d aus einem elektrisch gut isolierenden Material wie beispielsweise Aluminiumoxid bestehen. Die Isolationsschichten 17a— 17f können in diesem Fall weggelassen werden. Dies vereinfacht den Aufbau des Sensorelements.

Die Funktionsweise des Sensorelements 10 beruht darauf, dass dieses in ein zu messendes flüssiges Medium temporär oder permanent eingetaucht wird, sodass zumindest die weitere Großfläche 25 des Sensorelements 10 in Kontakt mit dem zu messenden flüssigen Medium steht und dieses mittels des Heizelementes 12 aufgeheizt werden kann. Die sich einstellende Temperatur des Sensorelementes 10 wird mittels des Messelements 13 erfasst. Sobald im Bereich der porösen Deckschicht 14 ein Siedevorgang des flüssigen Mediums eintritt, führt dies zu einem Energieverlust durch die dem Sensorelement 10 entzogene Verdunstungsenergie. Ab Erreichen der Siedetemperatur erhöht sich auch bei einem fortgesetzten Heizvorgang die Temperatur des Sensorelements 10 nicht mehr nennenswert. Die sich einstellende weitgehend konstante Temperatur wird erfasst und als Siedetemperatur des flüssigen Mediums ausgegeben.

Weist das flüssigen Medium keinerlei gelöste Verunreinigungen auf, so entspricht die gemessene, sich einstellende, weitgehend konstante Temperatur der theoretischen Siedetemperatur des flüssigen Mediums. Je höher die Konzentration an gelösten Verunreinigungen im flüssigen Medium ist, desto stärker weicht die gemessene, sich einstellende, weitgehend konstante Temperatur von der theoretischen Siedetemperatur ab. Dies ermöglicht es, über die gemessene Siedetemperatur durch einen Vergleich mit der theoretisch zu erwartenden Siedetemperatur den Grad an Verunreinigung bzw. der Degradation des flüssigen Mediums zu bestimmen. Unterschreitet die gemessene Siedetemperatur einen bestimmten Grenzwert, so kann ein Fehlersignal generiert werden, weün die Gefahr besteh!, dass die weitere Verwendung des flüssigen Mediums zu einer Beeinträchtigung oder zu einem Betriebsausfall eines das flüssige Medium beinhaltenden Gesamtsystems führen kann. Ih Figur 3 ist eine Sensoranordnung dargestellt, die das Sensorelement 10 umfasst und die zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist. Das Sensorelement 10 ist zur elektrischen Kontaktierung mit einer Auswerteeinheit 30 verbunden. Mittels der Auswerteeinheit 30 wird der elektrische Widerstand des Messelements 13 während eines Heizvorgangs fortlaufend oder periodisch bestimmt und aus dem elektrischen Widerstand über ein hinterlegtes geeignetes Kennfeld die korrespondierende Temperatur des Sensorelements 10 bestimmt Eine sich einstellende, weitgehend konstante Temperatur des Sensorelements 10 wird erfasst und als Siedetemperatur ausgegeben. Dies kann bspw. mittels einer Datenausgabeeinheit 32 geschehen, die die ermittelte Siedetemperatur entweder elektronisch speichert oder optisch bzw. akustisch sichtbar macht. Weiterhin kann mittels der Ausgabeeinheit 32 ein Fehlersignal generiert werden, falls die ermittelte Siedetemperatur außerhalb eines ebenfalls in der Auswerteeinheit 30 hinterlegten zulässigen Temperaturbereichs angesiedelt ist Die in der Auswerteeinheit 30 bzw. in der Ausgäbeeinheit 32 hinterlegten Daten können beispielsweise online an eine Fahrzeugsteuerung bzw. ein Prüfgerät übertragen werden.