Sensoren messen Mischungsverhältnis von Flüssigkeiten mit Wärme und Wirbeln

Kostengünstige Sensoren, mit denen die Zusammensetzung von Flüssigkeiten gemessen werden kann, haben Ingenieure der Saar-Uni am Lehrstuhl für Messtechnik von Andreas Schütze entwickelt. Ihr Einsatzfeld ist weit: In der Automobiltechnik können die Sensoren etwa die Abgasnachbehandlung in Dieselfahrzeugen, die Ölqualität oder die Brems- und Kühlflüssigkeit überwachen. Aber auch bei Brennstoffzellen können sie Anwendung finden. Die Saarbrücker Sensoren sind einfach aufgebaut und zum Beispiel in Laptops integrierbar. Ihre Verfahren stellen die Messtechniker vom 7. bis 11. April am saarländischen Forschungsstand auf der Hannover Messe vor.

Diplom-Ingenieur Bastian Schmitt zeigt den Sensor, der zum Beispiel sicherstellen kann, dass der Katalysator in Dieselfahrzeugen schädliche Stickoxide in Stickstoff und Wasser umwandelt / Bildquelle: Oliver Dietze

Ob Abgasreduzierung beim Dieselfahrzeug, Brennstoffzelle, Frostschutzmittel oder Bremsflüssigkeit – fast überall, wo in der Technik mehrere Flüssigkeiten zugleich zum Einsatz kommen, gilt: Auf die Mischung kommt es an. Das richtige Mengenverhältnis der Flüssigkeiten dauerhaft aufrechtzuerhalten ist kein simples Unterfangen – das Gemisch müsste idealerweise ständig überwacht werden und, falls ein Bestandteil zu wenig oder zu viel enthalten ist, das passende Gleichgewicht wiederhergestellt werden. Sonst hat der Mix nicht den Effekt, den er haben soll. Aber das Verhältnis der Bestandteile eines Gemischs zu bestimmen, ohne dabei zu großen Aufwand zu betreiben oder hohe Kosten zu verursachen, war bislang ein Problem.

Saarbrücker Messtechniker aus der Forschergruppe von Professor Andreas Schütze haben hierfür eine Lösung entwickelt: Ihre Sensoren sind in der Lage, das Mischungsverhältnis von Gemischen aus zwei Komponenten zuverlässig zu überwachen. Die 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.

Künftig könnten die Sensoren zum Beispiel dazu dienen, in Dieselfahrzeugen sicherzustellen, dass der Katalysator ordnungsgemäß gefährliche Abgase reduziert. Der so genannte DeNOx-Katalysator, der in modernen Diesel-Pkws und -Lkws eingesetzt wird, wandelt schädliche Stickoxide in Stickstoff und Wasser um. Aber nur, wenn das richtige Mischungsverhältnis von Harnstoff in Wasser in den Abgasstrang eingespritzt wird. Die Sensoren können überwachen, ob dies der Fall ist.

Die Sensoren bestehen aus einer dünnen Folie mit aufgebrachten Leiterbahnen, derzeit noch etwa halb so groß wie eine Kreditkarte. Die Ingeniere haben zwei verschiedene Messmethoden erforscht, die beide gute Ergebnisse erzielen. Werden sie zusammen eingesetzt, ergibt die Messung noch exaktere Ergebnisse. Bei einem der Messverfahren prägt ein winziger Mikro-Heizer auf der Folie einen Wärmeimpuls in die zu prüfende Mischung ein. Der Sensor misst dabei, wie sich die Wärme darin ausbreitet, so Bastian Schmitt, der die Systeme mitentwickelt hat. Wie schnell sich die Wärme ausbreitet und wie viel Wärme überhaupt aufgenommen wird, ändert sich mit dem Mischungsverhältnis. Anhand dieser Messwerte kann daher auf das Mischungsverhältnis der Flüssigkeiten rückgeschlossen werden.

Das zweite Sensorprinzip arbeitet mit einem bei fließenden Flüssigkeiten bekannten Phänomen: den Wirbeln. Wird ein Stock in eine Strömung gehalten, entstehen dahinter Verwirbelungen. Ähnlich verfahren die Saarbrücker Ingenieure bei ihrer Messung: Bei geringer Strömung entsteht hinter einem Störkörper, der in die Mischung eingebracht wird, 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 mit den Sensoren erfasst werden und so Aussagen über das Verhältnis der Komponenten machen. Die Sensoren können von ihren Messprinzipien her sogar gefrorene Mischungen erkennen oder auch nachweisen, dass gar keine Flüssigkeit vorliegt – etwa bei einem leeren Tank.

Das Projekt InMischung wurde gefördert 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).

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