Die Mischung macht's
Sensoren messen Mischungsverhältnis von Flüssigkeiten anhand von Wärme und Wirbeln.
Kostengünstige Sensoren, mit denen die Zusammensetzung von Flüssigkeiten gemessen werden kann, haben Ingenieure der Universität des Saarlandes 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.
Abb.: Ein Sensor in der Hand von Bastian Schmitt (Bild: O. 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 Andreas Schütze haben hierfür eine Lösung entwickelt: Ihre Sensoren sind in der Lage, das Mischungsverhältnis von Gemischen aus zwei Komponenten zuverlässig zu überwachen. „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 Schütze.
Künftig könnten die Sensoren zum Beispiel dazu dienen, in Dieselfahrzeugen sicherzustellen, dass der Katalysator ordnungsgemäß gefährliche Abgase reduziert. Der 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. Unsere Sensoren können überwachen, ob dies der Fall ist“, erklärt der Messtechniker.
Die Sensoren bestehen aus einer dünnen Folie mit aufgebrachten Leiterbahnen, derzeit 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 Mikro-Heizer auf der Folie einen Wärmeimpuls in die zu prüfende Mischung ein. „Der Sensor misst dabei, wie sich die Wärme darin ausbreitet“, erklärt 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 können wir daher auf das Mischungsverhältnis der Flüssigkeiten rückschließen“, sagt der Ingenieur.
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, 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 Schmitt. Die Sensoren können von ihren Messprinzipien her sogar gefrorene Mischungen erkennen oder auch nachweisen, dass gar keine Flüssigkeit vorliegt – etwa bei einem leeren Tank.
UdS / FM
