DE102011119664A1 - Level sensor e.g. ultrasonic sensor for detecting liquid level in container, has float that is provided with reflecting surface for reflecting ultrasound, and liquid inlet which is arranged below the float - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft einen Füllstandssensor für einen mit Flüssigkeit befüllbaren Behälter nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Außerdem betrifft die Erfindung einen Behälter zum Befüllen mit einer Flüssigkeit nach der im Oberbegriff von Anspruch 6 näher definierten Art. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zum Bestimmen des Füllstands mit einem erfindungsgemäßen Füllstandssensor sowie ein Brennstoffzellensystem mit wenigstens einem Wasserabscheider, welcher einen solchen Füllstandssensor aufweist.The invention relates to a level sensor for a liquid-filled container according to the closer defined in the preamble of
Aus dem allgemeinen Stand der Technik sind Behälter bekannt, in denen sich Flüssigkeit ansammelt, welche von Zeit zu Zeit entleert werden muss. Beispielhaft kann hierfür auf Flüssigkeitsabscheider verwiesen werden, welche typischerweise von Gasströmen mittransportierte Flüssigkeiten, beispielsweise in Form von Tröpfchen, aus dem Gasstrom abscheiden. Die abgeschiedene Flüssigkeit sammelt sich in einem Behälter des Flüssigkeitsabscheiders. Von Zeit zu Zeit muss diese Flüssigkeit entleert werden, um ein Überlaufen des Behälters zu verhindern. Insbesondere dann, wenn die Flüssigkeit aus Gasen abgeschieden wird, welche aus Sicherheitsgründen nicht an die Umgebung gelangen dürfen, muss das diskontinuierliche Entleeren des Behälters so erfolgen, dass der Behälter einerseits nicht überläuft, um keine Flüssigkeit zurück in den Gasstrom zu transportieren, und andererseits der Behälter beim Entleeren nie vollkommen entleert wird, um immer eine gewisse Restmenge an Flüssigkeit in dem Behälter zu belassen. Diese Restmenge an Flüssigkeit dient dann als Sperre zum Zurückhalten der Gase, welche nicht an die Umgebung entweichen dürfen.From the general state of the art, containers are known in which liquid accumulates, which must be emptied from time to time. By way of example, it is possible to refer to liquid separators which typically separate liquids transported by gas streams, for example in the form of droplets, from the gas stream. The separated liquid collects in a container of the liquid separator. From time to time, this liquid must be drained to prevent overflowing the container. In particular, when the liquid is separated from gases, which may not reach the environment for safety reasons, the discontinuous emptying of the container must be such that the container on the one hand does not overflow, in order to transport any liquid back into the gas stream, and on the other hand Container is never emptied completely when emptying to always leave a certain residual amount of liquid in the container. This residual amount of liquid then serves as a barrier for retaining the gases, which must not escape to the environment.
Ein beispielhafter Einsatzzweck kann in chemischen Systemen liegen, in denen die Gase beispielsweise Lösungsmittel oder dergleichen sind. Ein weiterer Einsatz kann beispielsweise bei der Verwendung in einem Brennstoffzellensystem liegen, bei dem derartige Flüssigkeitsabscheider eingesetzt werden, um das von der Brennstoffzelle produzierte Produktwasser aus den Abgasen der Brennstoffzelle abzuscheiden. Da die Abgase auf der Anodenseite typischerweise zumindest eine Restmenge an Wasserstoff enthalten, muss darauf geachtet werden, dass dieser Wasserstoff nicht oder zumindest nicht in einer unkontrollierten Menge in den Bereich der Umgebung gelangt.An exemplary use may be in chemical systems in which the gases are, for example, solvents or the like. Another use may be, for example, when used in a fuel cell system in which such liquid separator are used to separate the product produced by the fuel cell product water from the exhaust gases of the fuel cell. Since the exhaust gases on the anode side typically contain at least a residual amount of hydrogen, care must be taken that this hydrogen does not reach the region of the environment, or at least not in an uncontrolled amount.
Aus dem allgemeinen Stand der Technik ist es daher bekannt, derartige Behälter mit Füllstandssensoren auszurüsten. Solche Füllstandssensoren können beispielsweise als kapazitive Sensoren ausgebildet sein, welche entweder zwischen zwei im Bereich des Sensors liegenden Flächen oder einer im Bereich des Behälters und einer im Bereich des Sensors angeordneten Fläche aufgrund der Menge an dazwischen befindlicher Flüssigkeit den Füllstand aufgrund einer sich ändernden Kapazität zwischen den beiden Flächen erfassen und auswerten. Der Stand der Technik kennt hier zahlreiche Ausführungsbeispiele, so wird beispielhaft lediglich auf die
Die Problematik bei diesen Aufbauten liegt nun darin, dass kapazitive Füllstandssensoren sehr stark zur Verschmutzung neigen und dann fehlerhafte Werte angeben. Dies ist insbesondere beim Einsatz in Brennstoffzellensystemen zu beobachten, in denen aus der Brennstoffzelle ausgewaschene Stoffe in dem Wasser vorhanden sind, welches die Füllstandssensoren umspült. Die Sensoren verschmutzen dann massiv und liefern sehr häufig falsche Werte, sodass eine sichere und zuverlässige Steuerung des Ablassens nicht mehr möglich ist.The problem with these structures lies in the fact that capacitive level sensors are very prone to contamination and then indicate incorrect values. This is particularly noticeable when used in fuel cell systems in which substances washed out of the fuel cell are present in the water which flows around the level sensors. The sensors then become heavily soiled and very often give incorrect values, so that safe and reliable control of the discharge is no longer possible.
Ergänzend soll außerdem auf die Möglichkeit zur Füllstandsmessung in elektrischen Flüssigkeiten hingewiesen werden, bei welchen eine Reihe von elektrischen Kontakten ausreicht, um durch eine Benetzung des Kontakts mit elektrisch leitfähiger Flüssigkeit oder nicht den Flüssigkeitsstand zu ermitteln. Dies ist beispielsweise in der
Aus dem nächstliegenden Stand der Technik – beispielsweise in Form der
Es ist die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung, die genannten Nachteile zu vermeiden und ein Verfahren zum Bestimmen des Füllstands anzugeben, welches einfach und effizient arbeitet, einen sicheren Füllstandswert liefert und gegenüber Verschmutzung unanfällig ist.It is the object of the present invention to avoid the disadvantages mentioned and to provide a method for determining the level, which works simply and efficiently, a provides safe level value and is not susceptible to contamination.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil von Patentanspruch 1 genannten Merkmale gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen. Außerdem löst ein Behälter gemäß Anspruch 6 die Aufgabe. Ein Verfahren zum Bestimmen des Füllstands mit einem erfindungsgemäßen Füllstandssensor ist im Patentanspruch 7 angegeben. Letztlich ist im Anspruch 8 außerdem ein Brennstoffzellensystem mit wenigstens einem Wasserabscheider angegeben, welcher einen erfindungsgemäßen Füllstandssensor aufweist. Vorteilhafte Weiterbildungen hiervon finden sich in den abhängigen Unteransprüchen.According to the invention, this object is achieved by the features mentioned in the characterizing part of
Der erfindungsgemäße Füllstandssensor ist im Prinzip als Ultraschallsensor ausgebildet. Er weist einen Ultraschallsender und einen Ultraschallempfänger auf. Aus der Lauflänge der Ultraschallwellen zwischen dem Sender einer die Wellen reflektierenden Oberfläche und dem Empfänger lässt sich so der Abstand zwischen dem Ultraschallsensor und der Reflektionsfläche erfassen. Erfindungsgemäß ist es dabei vorgesehen, dass ein Schwimmer verwendet wird, welcher die Oberfläche für die Reflektion des Ultraschalls bildet. Ein solcher Schwimmer hat gegenüber der reinen Reflektion an der Flüssigkeitsoberfläche, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt ist, den entscheidenden Vorteil, dass dieser immer eine definierte und zuverlässige Reflektionsfläche bereitstellt. Vibrationen, Erschütterungen oder eine dynamische Bewegung des Behälters, beispielsweise wenn dieser in einem Fahrzeug eingesetzt ist, können zu einer Veränderung der Oberfläche der Flüssigkeit führen. Dies wird typischerweise ein Schwappen der Flüssigkeitsoberfläche, eine Wellenbewegung, eine Kräuselung der Oberfläche aufgrund von Vibrationen oder dergleichen sein. Beim herkömmlichen Ultraschallsensor würden diese Veränderungen der Flüssigkeitsoberfläche die Messgenauigkeit des Ultraschallsensors nachteilig beeinflussen. Bei dem erfindungsgemäß aufgebauten Füllstandssensor ist es nun so, dass diese Probleme durch den Einsatz eines Schwimmers ausgeglichen werden. Der Schwimmer stellt immer eine sichere und zuverlässige Oberfläche für die Reflektion der Ultraschallwellen dar. Diese ist dabei unabhängig von Vibrationen, Wellen oder dergleichen. Außerdem lassen sich durch einen Schwimmer dynamische Wellenbewegungen oder dergleichen in der Flüssigkeitsoberfläche ausgleichen. Auch hierdurch lassen sich die Messergebnisse, welche mit dem erfindungsgemäßen Füllstandssensors erzielt werden können, verbessern, da der Schwimmer die Flüssigkeitsoberfläche beruhigt.The level sensor according to the invention is designed in principle as an ultrasonic sensor. It has an ultrasonic transmitter and an ultrasonic receiver. From the run length of the ultrasonic waves between the transmitter of a surface reflecting the waves and the receiver, the distance between the ultrasonic sensor and the reflection surface can thus be detected. According to the invention, it is provided that a float is used, which forms the surface for the reflection of the ultrasound. Such a float has the decisive advantage over pure reflection on the liquid surface, as known from the prior art, that it always provides a defined and reliable reflection surface. Vibrations, vibrations or dynamic movement of the container, for example when it is used in a vehicle, can lead to a change in the surface of the liquid. This will typically be a sloshing of the liquid surface, a wave motion, a curl of the surface due to vibrations, or the like. In the conventional ultrasonic sensor, these changes in the liquid surface would adversely affect the measurement accuracy of the ultrasonic sensor. In the inventively constructed level sensor, it is now so that these problems are compensated by the use of a float. The float always represents a safe and reliable surface for the reflection of the ultrasonic waves. This is independent of vibrations, waves or the like. In addition, can be compensated by a float dynamic wave movements or the like in the liquid surface. This also makes it possible to improve the measurement results which can be achieved with the fill level sensor according to the invention, since the float calms the liquid surface.
Die Verwendung des Schwimmers ermöglicht es außerdem, durch den Schwimmer einen Schutz für den Ultraschallsender und den Ultraschallempfänger gegenüber Spritzern der Flüssigkeit zu realisieren. Aufgrund des Schwimmers ist die freie Oberfläche der Flüssigkeit eingeschränkt, sodass ein Auftreten von Spritzern, welche den Ultraschallsender und/oder den Ultraschallempfänger benetzen könnten, weitgehend vermieden werden kann.The use of the float also makes it possible for the float to provide protection for the ultrasonic transmitter and the ultrasonic receiver against splashes of the liquid. Due to the float, the free surface of the liquid is limited, so that an occurrence of splashes, which could wet the ultrasonic transmitter and / or the ultrasonic receiver can be largely avoided.
Der erfindungsgemäße Füllstandssensor ist außerdem mit beliebigen Flüssigkeiten einsetzbar und ist als berührungsloser Sensor gegen Verschmutzungen weitgehend resistent.The fill level sensor according to the invention can also be used with any liquids and is largely resistant to contamination as a non-contact sensor.
In einer weiteren sehr günstigen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Füllstandssensors mit dem Schwimmer kann es ferner vorgesehen sein, dass der Schwimmer mit einem Federelement im bestimmungsgemäßen Gebrauch unten mit dem Behälter verbunden wird. Ein solcher Aufbau, bei dem das Federelement eine Federkraft entgegen der Auftriebskraft des Schwimmers aufbringt, kann insbesondere bei bewegten Behältern von besonderem Vorteil sein. Eventuelle Schwappbewegungen der Flüssigkeit können so noch besser ausgeglichen werden, so gut, dass eine zuverlässigere Messung des mittleren Füllstands möglich ist. Selbstverständlich muss die Federkraft hier in die Berechnung des Füllstandes mit einfließen, da diese beziehungsweise die Differenz zwischen Federkraft und Auftrieb einen Einfluss auf den Abstand zwischen der Schwimmeroberfläche und der Flüssigkeitsoberfläche hat.In a further very favorable embodiment of the level sensor according to the invention with the float, it may further be provided that the float is connected with a spring element in the intended use below with the container. Such a construction, in which the spring element applies a spring force against the buoyancy of the float, can be of particular advantage, in particular in the case of moving containers. Any sloshing movements of the liquid can be even better compensated, so well that a more reliable measurement of the average level is possible. Of course, the spring force must be included here in the calculation of the level, since these or the difference between spring force and buoyancy has an influence on the distance between the float surface and the liquid surface.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird auch durch einen Behälter mit einem Füllstandssensor gemäß der Erfindung gelöst. Bei dem Behälter ist es dabei ferner vorgesehen, dass der wenigstens eine Flüssigkeitseinlass in den Behälter im bestimmungsgemäßen Gebrauch unterhalb des Schwimmers angeordnet ist. Oben wurde bereits erwähnt, dass der Schwimmer in Kombination mit dem Ultraschallsensor besonders günstig ist, da er Spritzer zu dem Ultraschallsender und/oder -empfänger verhindern oder zumindest stark reduzieren kann. Die Messgenauigkeit lässt sich ohne derartige den Ultraschallsender und/oder -empfänger gegebenenfalls verschmutzende Spritzer deutlich verbessern. Wird nun der Behälter außerdem so vorgesehen, dass der Einlass von Gas und Flüssigkeit in den Behälter unterhalb des Schwimmers stattfindet, dann kann auch die Bildung von Spritzern aus dem Bereich des Einlasses in Richtung des Ultraschallsenders und/oder -empfängers verhindert werden. Die Messgenauigkeit lässt sich noch weiter verbessern.The object of the invention is also achieved by a container with a level sensor according to the invention. In the container, it is further provided that the at least one liquid inlet is arranged in the container under normal use below the float. It has already been mentioned above that the float in combination with the ultrasound sensor is particularly favorable since it can prevent or at least greatly reduce spattering to the ultrasound transmitter and / or receiver. The measurement accuracy can be significantly improved without such the ultrasonic transmitter and / or receiver possibly contaminating splash. In addition, when the container is provided so that the admission of gas and liquid into the container below the float takes place, then the formation of splashes from the region of the inlet in the direction of the ultrasonic transmitter and / or receiver can be prevented. The measuring accuracy can be improved even further.
Beim Einsatz eines Schwimmers, mit oder ohne Befestigung durch eine Feder, muss bei der Ermittlung des Füllstands dann selbstverständlich die Auftriebskraft des Schwimmers, oder, wie bereits erwähnt die Differenz zwischen der Auftriebskraft und der Federkraft, mit berücksichtigt werden, da sich hierdurch der Überstand des Schwimmers über die eigentliche Wasseroberfläche ergibt, welcher je nach Situation zudem durch den Füllstandssensor ermittelten Abstand hinzuaddiert werden muss.When using a float, with or without attachment by a spring, then, of course, has to determine the level of buoyancy of the float, or, as already mentions the difference between the buoyancy force and the spring force, to be taken into account, as this results in the supernatant of the float on the actual water surface, which must also be added depending on the situation also determined by the level sensor distance.
Brennstoffzellensysteme sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Sie können beispielsweise auf der Basis von PEM-Brennstoffzellen ausgebildet sein und können zur Erzeugung von elektrischer Antriebsleistung für Fahrzeuge eingesetzt werden. In diesen Systemen entsteht sowohl auf der Kathodenseite als auch auf der Anodenseite der Brennstoffzelle Produktwasser aus dem zugeführten Wasserstoff und Sauerstoff. Dieses Produktwasser wird entsprechend aus der Brennstoffzelle abgeführt. Um im Bereich der Abführung liegende Peripheriebauteile des Brennstoffzellensystems nicht zu schädigen ist es allgemein bekannt und üblich, über Wasserabscheider dieses Produktwasser, welches in dem Gasstrom zumindest teilweise in flüssiger Form vorliegt, abzuscheiden. Das flüssige Produktwasser sammelt sich dann in dem Wasserabscheider und muss von Zeit zu Zeit abgelassen werden. Hierfür sind zuverlässige Verfahren zum Bestimmen des Füllstandes notwendig, um einerseits ein Fluten der Brennstoffzelle aufgrund eines zu hohen Wasserstandes und andererseits ein Schließen der Ablassventile, sobald das Wasser vollständig abgelassen ist, zu gewährleisten. Insbesondere auf der Anodenseite könnte ansonsten Wasserstoff oder Restwasserstoff an die Umgebung gelangen und dort gegebenenfalls zündfähige oder explosive Gemische bilden. Da in Brennstoffzellensystemen das Wasser sehr häufig Stoffe mitträgt, welches es beispielsweise aus den Bereichen, aus denen es in den Wasserabscheider fließt, ausgewaschen hat, kommt es speziell in solchen Wasserabscheidern sehr häufig zu Verschmutzungen, welche insbesondere kapazitive Sensoren beeinträchtigen und die Messung damit sehr unzuverlässig machen. Das erfindungsgemäße Verfahren hat dieses Problem nicht, sondern kann auch unter diesen schwierigen Bedingungen sicher und zuverlässig den Füllstand in dem Wasserabscheider erfassen und somit für einen sehr sicheren und zuverlässigen Betrieb des mit ihm ausgestatteten Brennstoffzellensystems sorgen.Fuel cell systems are known from the general state of the art. They may for example be formed on the basis of PEM fuel cells and can be used to generate electrical drive power for vehicles. In these systems, product water is produced from the supplied hydrogen and oxygen both on the cathode side and on the anode side of the fuel cell. This product water is discharged accordingly from the fuel cell. In order not to damage peripheral components of the fuel cell system located in the region of the discharge, it is generally known and customary to deposit this product water, which is present in the gas stream at least partially in liquid form, via water separators. The liquid product water then collects in the water separator and must be drained from time to time. For this purpose, reliable methods for determining the level are necessary in order to ensure on the one hand flooding of the fuel cell due to a high water level and on the other hand closing the drain valves as soon as the water is completely drained. In particular, on the anode side, hydrogen or residual hydrogen could otherwise escape to the environment and possibly form explosive or explosive mixtures there. Since in fuel cell systems the water very often carries substances which it has washed out, for example, from the areas from which it flows into the water separator, soiling is very common, especially in such water separators, which in particular affect capacitive sensors and thus the measurement is very unreliable do. The inventive method does not have this problem, but can safely and reliably detect the level in the water trap even under these difficult conditions and thus ensure a very safe and reliable operation of the fuel cell system equipped with it.
Die bevorzugte Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Bestimmen des Füllstands in einem Wasserabscheiders liegt vorzugsweise in einem Anodenwasserabscheider insbesondere in einer Anodenrezirkulationsleitung in einem Brennstoffzellensystem. Da hier die sichere und zuverlässige Funktionalität der Füllstandserfassung entscheidend ist.The preferred application of the method according to the invention for determining the fill level in a water separator is preferably in an anode water separator, in particular in an anode recirculation line in a fuel cell system. Since the safe and reliable functionality of the level detection is crucial here.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich anhand der restlichen Unteransprüche und werden anhand des Ausführungsbeispiels nachfolgend dargestellt, wozu dieses unter Bezugnahme auf die Figuren erläutert wird.Further advantageous embodiments of the method according to the invention will become apparent from the remaining dependent claims and will be described below with reference to the embodiment, for which purpose this will be explained with reference to the figures.
Dabei zeigen:Showing:
Ein Füllstandssensor
Das Brennstoffzellensystem
In der Darstellung der
Der Kathodenraum
Durch die Reaktion der über die Luftfördereinrichtung
Weitere Wasserabscheider in dem Brennstoffzellensystem
Ungeachtet der genauen Position und der Anzahl der Wasserabscheider
Zur Steuerung der Ventileinrichtungen
In der Darstellung der
Dadurch ist sichergestellt, dass der Schwimmer
In der Darstellung der
In der Darstellung der
Beide Varianten des Füllstandssensors
Es gibt Anwendungsfälle, in denen neben dem Wasser auch das Gas über den Wasserabscheider auf der Anodenseite des Brennstoffzellensystems
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