Vorratsbehälter für eine Flüssigkeit und Verfahren zum Messen der elektrischen Leitfähigkeit einer Flüssigkeit

Die Erfindung betrifft einen Vorratsbehälter für eine Flüssigkeit mit einer Anordnung zum Messen der elektrischen

Leitfähigkeit der im Behälter befindlichen Flüssigkeit und ein Verfahren hierzu.

Aus dem Stand der Technik sind Vorratsbehälter für wässrige Harnstofflösungen bekannt, die Messeinrichtungen aufweisen, mit denen die elektrische Leitfähigkeit der darin befindlichen Flüssigkeiten konduktiv gemessen wird. Wässrige Harnstofflösung wird beispielsweise in SCR-Systemen (Selective Catalytic Re- duction Systeme) verwendet, um in einem katalytischen Prozess den Anteil der Stickoxide im Abgas von Dieselaggregaten zu redu ^¬ zieren. Mit der Bestimmung der Leitfähigkeit der Harnstofflösung kann beispielsweise der Alterungszustand beziehungsweise die Qualität der Lösung festgestellt werden. Leitfähigkeitsmes ^¬ sungen der Harnstofflösung werden auch durchgeführt, um den Füllstand der Flüssigkeit im Behälter zu ermitteln.

Bei den bekannten Vorratsbehältern werden mindestens zwei Elektroden durch die Gehäusewand geführt, die mit der Flüssigkeit in leitendem Kontakt stehen. Um zu verhindern, dass an den Durchführungen der Elektroden Flüssigkeit aus dem Behälter entweicht, werden diese Durchführungen mit O-Ringen abgedichtet. Zur Messung der Leitfähigkeit wird zwischen den Kontakten des Vorratsbehälters eine elektrische Spannung angelegt. Sofern die Flüssigkeit elektrisch leitfähig ist, werden die Kontakte durch die Flüssigkeit leitend miteinander verbunden, und aufgrund des elektrischen Feldes fließt zwischen den Elektroden ein Strom. Die Stromstärke ist dabei repräsentativ für die Leitfähigkeit der Flüssigkeit . Um die elektrische Verbindung zwischen dem Vorratsbehälter und einer Messelektronik herzustellen, werden Steckersysteme oder lösbare Kabelverbindungen verwendet. Im Reparatur- oder Servicefall werden diese Verbindungen zunächst gelöst und an- schließend wieder befestigt.

Problematisch bei den bekannten Vorratsbehältern ist das Auftreten von Undichtigkeiten beziehungsweise Leckagen an den Durchführungen der Elektroden, die z. B. durch mechanische Belastung hervorgerufen werden. Solche Belastungen treten z. B. durch Vibrationen am Aufstellort des Behälters oder mehrfaches Lösen der Kabelverbindungen auf.

Da diese Behälter in SCR-Systemen verstärkt Vibrationen und Kabelbewegungen ausgesetzt sind, kommt es auch zu Material ^¬ ermüdung in den Verbindungskabeln, was zu Wackelkontakten oder Kabelbruch führt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Vorratsbehälter für Flüssigkeiten mit einer Anordnung zum Messen der elektrischen Leitfähigkeit der in dem Behälter befindlichen Flüssigkeit und ein Verfahren zur Messung der elektrischen Leitfähigkeit bereitzustellen, bei dem der Vorratsbehälter besonders einfach und robust aufgebaut ist und das Verfahren einfach und zuverlässig durchführbar ist.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch einen Vorratsbehälter mit den Merkmalen aus Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestal ^¬ tungen bilden den Gegenstand der Unteransprüche.

Der erfindungsgemäße Vorratsbehälter für eine Flüssigkeit hat eine Anordnung zum Messen der elektrischen Leitfähigkeit der in dem Behälter befindlichen Flüssigkeit, wobei die Anordnung einen ersten Kontakt und einen zweiten Kontakt aufweist, die von der Flüssigkeit benetzt werden und zwischen denen die Leitfähigkeit gemessen wird. Der Vorratsbehälter weist eine erste Leiterschleife mit einem ersten offenen Ende auf, das mit dem ersten Kontakt elektrisch gekoppelt ist, und einem zweiten offenen Ende, das mit dem zweiten Kontakt elektrisch gekoppelt ist. Sofern die Kontakte von einer elektrisch leitenden Flüssigkeit benetzt und verbunden sind, fließt mit Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen den Kontakten ein Strom. Die Stromstärke zwischen den Kontakten ist dabei abhängig von der Leitfähigkeit der Flüs ^¬ sigkeit. Durch Auswerten der Stromstärke kann auf die Leit ^¬ fähigkeit der Flüssigkeit geschlossen werden. Die erste Leiterschleife des Vorratsbehälters dient der Ver ^¬ mittlung eines elektrischen Feldes an die Kontakte des Vorratsbehälters, und insbesondere wird mithilfe dieser ersten Leiterschleife eine elektrische Spannung zwischen den Kontakten erzeugt. Die Form der ersten Leiterschleife kann dabei un- terschiedliche Geometrien aufweisen. Die erste Leiterschleife kann rund sein, das heißt die Form eines Teil-, Halb- oder Vollkreises bilden. Denkbar ist, dass die erste Leiterschleife eine Spule mit mindestens einer Windung ist. Die Funktion der ersten Leiterschleife kann genauso mit anderen Formen erzielt werden. Beispielsweise könnte die erste Leiterschleife eine rechteckige oder polygonale Form aufweisen. Denkbar ist auch, dass die erste Leiterschleife ein gerader oder gekrümmter Leiter ist . Die erste Leiterschleife wird durch einen offenen Leiter ge ^¬ bildet, das heißt, sie ist nicht geschlossen und weist zwei offene Enden auf. Die offenen Enden der ersten Leiterschleife sind elektrisch mit den Kontakten des Vorratsbehälters gekoppelt. Die Enden können dazu unmittelbar mit den Kontakten elektrisch verbunden sein. Für eine indirekte Kopplung können aber auch weitere elektrotechnische Komponenten wie z. B. Kondensatoren oder Widerstände zwischen den offenen Enden und den Kontakten eingesetzt sein. Im Gegensatz zu herkömmlichen Vorratsbehältern mit Anordnungen zum Messen der elektrischen Leitfähigkeit von Flüssigkeiten, ist bei dem erfindungsgemäßen Behälter eine Durchkontaktierung der Kontakte zu externen Messeinrichtungen durch das Behältergehäuse nicht erforderlich. Es sind also keine Durchbrüche notwendig, um eine Verbindung zu den Kontakten und einer Messelektronik herzustellen. Eine Abdichtung von Durchbrüchen oder Durch- bohrungen mit O-Ringen ist somit ebenfalls nicht erforderlich.

In einer Ausgestaltung weist der Vorratsbehälter eine zweite Leiterschleife zur Induktion einer Spannung in die erste Leiterschleife auf. Die zweite Leiterschleife dient der Er- zeugung eines Magnetfelds, mit dem eine Spannung in die erste Leiterschleife induziert werden kann. Dazu wird die zweite Leiterschleife mit einer Eingangsspannung angeregt. Durch eine Änderung der Amplitude der Eingangsspannung in Abhängigkeit der Zeit wird mit der zweiten Leiterschleife ein sich änderndes magnetisches Feld erzeugt. Wird die erste Leiterschleife von diesem Feld durchsetzt, führt dies zur Induktion einer Spannung in die erste Leiterschleife. Analog zur ersten Leiterschleife sind auch für die zweite Leiterschleife unterschiedliche Formen denkbar. Die zweite Leiterschleife kann z. B. als Spule mit mindestens einer Windung ausgebildet sein.

In einer weiteren Ausgestaltung des Vorratsbehälters ist die zweite Leiterschleife zur Bestimmung der Leitfähigkeit der Flüssigkeit an eine Messelektronik gekoppelt. Eine Kopplung bedeutet, dass die zweite Leiterschleife und die Messelektronik unmittelbar elektrisch verbunden sein können, z. B. durch eine Kabelverbindung, alternativ kann die zweite Leiterschleife aber auch anders, z. B. induktiv oder kapazitiv, an die Messelektronik gekoppelt sein.

Die Messelektronik kann zwei Funktionen erfüllen. In ihrer ersten Funktion dient die Messelektronik der Einspeisung einer Eingangsspannung in die zweite Leiterschleife, um somit ein Magnetfeld mit der zweiten Leiterschleife zu erzeugen. Die Eingangsspannung kann beispielsweise eine Wechselspannung sein oder eine Abfolge von Spannungspulsen. In ihrer zweiten Funktion dient die Messelektronik der Bestimmung und Auswertung des Stromflusses in der ersten Leiterschleife, der durch die In ^¬ duzierung einer Spannung in diese erzeugt wird.

Die induktive Einkopplung der Energie zum Messen der Leitfä- higkeit führt dazu, dass in dem Gehäuse des Versorgungsbehälters keine zusätzliche Energiequelle wie z. B. eine Batterie un ^¬ tergebracht sein muss. Ein Vorteil der induktiven Kopplung zwischen den Leiterschleifen besteht auch darin, dass sowohl der Vorratsbehälter als auch die Messelektronik beziehungsweise die zweite Leiterschleife, bei Bedarf einfach ausgetauscht werden können, ohne dass eine Kabel- oder Steckverbindung zwischen der Anordnung zum Messen der Leitfähigkeit und der Messelektronik gelöst werden muss. Durch die Abwesenheit einer Kabelverbindung werden mechanische Fehlfunktionen von elektrischen Leitern, wie z. B. Wackelkontakte oder Kabelbruch, ausgeschlossen.

In einer weiteren Ausgestaltung ist die zweite Leiterschleife in ein Gehäuse integriert, wobei das Gehäuse von dem Gehäuse des Vorratsbehälters separierbar ist. Denkbar ist z. B., dass die zweite Leiterschleife in ein schützendes Material eingegossen wird. Das Gehäuse könnte z. B. in ein Fahrzeug eingebaut oder Teil eines SCR-Systems sein. Es ist hierbei nicht erforderlich, dass die Messelektronik in der Nähe der zweiten Leiterschleife angeordnet ist. Denkbar ist, dass die Messelektronik in die Systemelektronik eines SCR-Systems integriert ist. Gegenüber den herkömmlichen Vorratsbehältern in SCR-Systemen ist die einfache Austauschbarkeit des erfindungsgemäßen Behälters oder der Messelektronik von großem Vorteil im Hinblick auf einfache und schnelle Service- oder Reparatureinsätze.

In einer weiteren Ausgestaltung weist der Vorratsbehälter erste Führungsmittel und das Gehäuse zweite Führungsmittel auf, zur Positionierung der zweiten Leiterschleife in einer vorgegebenen Anordnung zur ersten Leiterschleife. So kann eine Betriebs ^¬ position der zweiten Leiterschleife relativ zur ersten Lei- terschleife eingestellt werden, die eine optimale induktive Kopplung zwischen den Leiterschleifen bewirkt.

In einer weiteren Ausgestaltung ragen die Kontakte in die Flüssigkeit hinein und stehen mit dieser in elektrisch leitendem Kontakt. Die Kontakte können ohne Einschränkung ihrer Funktion auch flächig in einer Ebene mit einer Behälterwand liegen oder in Vertiefungen der Behälterwand vorgesehen sein. Wesentlich ist jedenfalls, dass die Kontakte von der Flüssigkeit benetzt werden. Die Kontakte können am Boden des Behälters oder an den Sei ^¬ tenwänden des Vorratsbehälters angeordnet sein.

In einer weiteren Ausgestaltung ist die erste Leiterschleife in eine Wand des Vorratsbehälters eingebettet. Die Einbettung der ersten Leiterschleife dient zum einen dem Schutz des Leitermaterials gegen den Kontakt mit der Flüssigkeit im Behälter und zum anderen der Fixierung der ersten Leiterschleife in einer vorbestimmten Position. Durch die Einbettung wird die erste Leiterschleife beispielsweise gegen Korrosion und Kurzschluss geschützt. Die erste Leiterschleife kann in einer ebenen Fläche liegen oder einer Kontur des Gehäuses des Vorratsbehälters angepasst sein. Die Integration der ersten Leiterschleife in die Behälterwandung kann z. B. bei der Herstellung des Behälters im Spritzgussverfahren durchgeführt werden. Die erste Leiter- schleife kann auch in Form einer gedruckten Elektronik bei der Herstellung des Behälters in die Wandung integriert werden. Denkbar ist weiterhin, dass auch die zweite Leiterschleife in die Wandung des Vorratsbehälters integriert ist. Falls Teile der ersten Leiterschleife in Kontakt mit der

Flüssigkeit stehen, kann ein geeignetes Isolationsmaterial zum Schutz der ersten Leiterschleife gegen Kurzschluss oder Korrosion eingesetzt werden. Es ist nicht erforderlich, dass die erste Leiterschleife in der Nähe der Kontakte angeordnet ist. Denkbar ist z. B., dass die Kontakte am Boden des Vorratsbehälters angeordnet sind und die erste Leiterschleife in einer Seitenwand angeordnet ist.

In einer Ausgestaltung weist eine Wand des Vorratsbehälters im Bereich der ersten Leiterschleife eine elektrische Leitfähigkeit auf, die geringer ist, als die elektrische Leitfähigkeit einer Flüssigkeit, deren Leitfähigkeit gemessen werden soll. Ins ^¬ besondere kann sie um einen Faktor 10 oder mehr geringer sein. Die Flüssigkeit, deren Leitfähigkeit gemessen werden soll, ist eine Flüssigkeit, für die der Vorratsbehälter in seiner Verwendung vorgesehen ist. Die Leitfähigkeit dieser Flüssigkeit kann beispielsweise 2 mS/cm betragen. Insbesondere beträgt der Leitwert wässriger Harnstofflösung unter normalen Bedingungen (Raumtemperatur, keine Alterung) ca. 2 mS/cm.

Häufig werden für Vorratsbehälter dieser Art elektrisch nicht oder schlecht leitfähige Materialien, wie z. B. Kunststoffe, verwendet. Es kann jedoch vorteilhaft sein, dass der Vor ^¬ ratsbehälter oder Teile davon elektrisch leitfähige Materialien wie z. B. leitfähige Kunststoffe, Metalle oder Legierungen aufweist. Auf diese Weise wird einer statischen Aufladung des Behälters oder Teilen davon entgegengewirkt. Es ist auch möglich einen leitfähigen Vorratsbehälter, beispielsweise aus Aluminium oder einem anderen Metall, im Bereich der ersten Leiterschleife mit einem Einsatz aus einem Material mit geringer Leitfähigkeit zu versehen.

Eine weitere Möglichkeit, statischen Aufladungen entgegenzu ^¬ wirken, besteht darin, den Vorratsbehälter ganz oder teilweise mit einem elektrisch leitfähigen Material einzuhüllen oder zu umgeben .

Eine geringere Leitfähigkeit des Materials des Vorratsbehälters im Bereich der ersten Leiterschleife kann die induktive Kopplung zwischen erster und zweiter Leiterschleife begünstigen. In einer weiteren Ausgestaltung weisen die erste und die zweite Leiterschleife jeweils eine Längsachse auf, die in einer Be ^¬ triebsposition im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet sind. Jede Längsachse ist eine Symmetrieachse der jeweiligen Leiterschleife, insbesondere eine Achse, um die eine Windung der jeweiligen Leiterschleife herum gewickelt ist. Sie können mit der Hauptrichtung eines von einem Stromfluss in der jeweiligen Leiterschleife erzeugten Magnetfeldes zusammenfallen. Diese Anordnung gewährleistet eine möglichst gute induktive Kopplung der beiden Leiterschleifen. Allgemein ist für eine gute induktive Kopplung vorgesehen, dass in einer Betriebsposition die Feldlinien des mit der zweiten Leiterschleife erzeugten Magnetfeldes im Wesentlichen senkrecht auf dem Leiter oder einer von der ersten Leiterschleife eingeschlossenen Fläche stehen. Eine schräge oder winklige Lage der Achsen der Leiterschleifen ist denkbar, sofern eine induktive Kopplung in dieser Lage noch realisierbar ist.

In einer Ausgestaltung sind die erste und zweite Leiterschleife in einer Betriebsposition koaxial zueinander angeordnet. Diese Anordnung gewährleistet eine optimale induktive Kopplung der Leiterschleifen. Die zweite Leiterschleife kann parallel zur ersten Leiterschleife oder innerhalb der ersten Leiterschleife angeordnet sein. Dies lässt sich beispielsweise dadurch rea ^¬ lisieren, dass in dem Gehäuse des Vorratsbehälters eine ent ^¬ sprechende Vertiefung beziehungsweise Kontur oder Durchführung ausgebildet ist, in der die zweite Leiterschleife in ihrer Betriebsposition angeordnet wird. Die erste Leiterschleife ist dafür beispielsweise angrenzend an diese Vertiefung bezie ^¬ hungsweise Kontur oder Durchführung in der Gehäusewandung angeordnet .

In einer Ausgestaltung ist der Vorratsbehälter ein Tank in einem Fahrzeug. Denkbar ist auch, dass der Vorratsbehälter in einem Lager oder an einer Befüllstation eingesetzt wird.

In einer weiteren Ausgestaltung wird der Vorratsbehälter in einem SCR-System eingesetzt. Beispielsweise wird der Vorratsbehälter für wässrige Harnstofflösung eingesetzt und wird dazu verwendet, die elektrische Leitfähigkeit oder andere damit verknüpfte Eigenschaften der Harnstofflösung zu bestimmen und auszuwerten. Die oben genannte Aufgabe wird ebenfalls gelöst durch das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 12. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind in den sich anschließenden Unteransprüchen angegeben. Das Verfahren dient zum Messen der Leitfähigkeit einer Flüs ^¬ sigkeit in einem Vorratsbehälter mit den oben erläuterten Merkmalen. Es weist die folgenden Schritte auf:

Induzieren einer Spannung in die erste Leiterschleife, Bestimmen der Leitfähigkeit der Flüssigkeit durch Auswerten eines Induktionsstroms in der ersten Leiterschleife.

In dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine Spannung in die erste Leiterschleife induziert, indem die erste Leiterschleife oder die davon eingeschlossene Fläche mit einem Magnetfeld durchsetzt wird. Die Leitfähigkeit kann beispielsweise als

Zahlenwert oder als relative Angabe bestimmt werden. Möglich ist auch, dass mit der Bestimmung der Leitfähigkeit lediglich ein repräsentativer Wert für die Über- oder Unterschreitung eines vorgegebenen Grenzwertes bestimmt wird. Es ist auch denkbar, dass statt der elektrischen Leitfähigkeit der elektrische Widerstand der Flüssigkeit bestimmt wird.

Im Gegensatz zu herkömmlichen Methoden in SCR-Systemen kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren die Leitfähigkeit der Flüs- sigkeit bestimmt werden, ohne dass eine Kabelverbindung zwischen Auswerteeinheit und Vorratsbehälter erforderlich ist. Weiterhin werden für dieses Verfahren keine aktiven Bauelemente wie z. B. Transistoren oder integrierte Schaltkreise an der ersten Lei ^¬ terschleife benötigt. Auch eine Energiequelle, wie z. B. eine Batterie, die direkt, das heißt mithilfe von elektrischen Leitern mit der ersten Leiterschleife verbunden ist, wird in dieser Vorrichtung und mit diesem Verfahren nicht benötigt. Die elektrische Leitfähigkeit oder andere Eigenschaften der

Flüssigkeit werden gemessen, um Grenzwerte oder Füllstände der Flüssigkeit oder des Behälters zu überwachen. Die induktive Kopplung der Messanordnung schafft im Hinblick auf bekannte Verfahren einerseits Sicherheit gegen mechanische Fehlfunktionen durch Kabelbruch oder Materialermüdung, und andererseits wird auch die Gefahr eines Falschanschlusses der Messanordnung ausgeräumt. Damit bietet dieses Verfahren und die Vorrichtung Schutz gegen Verpolung.

In einer Ausgestaltung des Verfahrens wird das Induzieren einer Spannung in die erste Leiterschleife durch Erzeugen eines Magnetfelds mit einer zweiten Leiterschleife realisiert.

In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Auswerten des Induktionsstromes mithilfe einer Mess ^¬ elektronik realisiert, die mit der zweiten Leiterschleife verbunden ist.

Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand eines Aus ^¬ führungsbeispiels näher erläutert.

Die einzige Figur zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Vorratsbehälters mit einer ersten und einer zweiten Leiterschleife.

In allen Figuren werden für sich entsprechende Teile die gleichen Bezugszeichen verwendet.

Figur 1 zeigt einen Vorratsbehälter 10 mit einer Anordnung zum Messen der Leitfähigkeit der im Behälter befindlichen Flüssigkeit 24. Der Vorratsbehälter 10 besitzt ein die Flüssigkeit 24 einschließendes Gehäuse 12 mit einem Behälterboden 22 und Seitenwänden 23. Das Gehäuse 12 kann mindestens eine Öffnung aufweisen, die z. B. zum Befüllen oder für einen Druckausgleich des Vorratsbehälters 10 dienen. Eine Öffnung kann auch zum Auslassen oder Entnehmen der Flüssigkeit dienen. In Fig. 1 ist das Gehäuse 12 nach oben hin offen dargestellt, in einer weiteren Ausführungsform weist das Gehäuse 12 eine Deckelwandung auf (nicht dargestellt) , die den Vorratsbehälter 10 nach oben hin verschließt.

Um z. B. die Außenmaße des Vorratsbehälters 10 an die Einbaumaße des vorgesehenen Einbauplatzes anzupassen, kann die Kontur des Gehäuses 12 in unterschiedlichen Formen ausgebildet sein. Das Gehäuse 12 kann Vorrichtungen und Mittel zum Befestigen des Gehäuses 12 an umliegenden Konstruktionen aufweisen (nicht dargestellt) . In den Boden 22 des Gehäuses 12 ist eine erste Leiterschleife 16 eingebettet, die mit ihrem ersten offenen Ende

18 an den ersten Kontakt 20 und mit ihrem zweiten offenen Ende

19 an den zweiten Kontakt 21 gekoppelt ist. Die erste Leiter ^¬ schleife 16 ist hier zentral im Boden 22 angeordnet. Die erste Leiterschleife kann ebenso in einer der Seitenwände 23 oder in der Flüssigkeit 24 angeordnet sein (hier nicht dargestellt) . Die Kontakte 20, 21 befinden sich am Boden 22 des Gehäuses 12 und ragen in die Flüssigkeit 24 hinein.

Weiterhin gibt es ein Gehäuse 14, das unterhalb des Gehäuses 12 angeordnet ist. In das Gehäuse 14 ist eine zweite Leiterschleife 26 integriert, die mit einer Messelektronik 28 verbunden ist, die ebenfalls in dem Gehäuse 14 angeordnet ist. Erste Führungsmittel 30, zugehörig zum Gehäuse 12, und zweite Führungsmittel 32, zugehörig zum Gehäuse 14, wirken zusammen, um die Gehäuse 12 und 14 in einer vorgegebenen Anordnung zu positionieren. In dieser Anordnung ist die erste Leiterschleife 16 koaxial zur zweiten Leiterschleife 26 angeordnet.