Fluidsensorik: von der Direktmethanol-Brennstoffzelle bis zur Ölqualität

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1 Lehrstuhl für Messtechnik Andreas Schütze Fluidsensorik: von der Direktmethanol-Brennstoffzelle bis zur Ölqualität Saarbrücken, 08. Januar 2015 Vorlesung: Perspektiven der Ingenieurwissenschaften > Die Arbeitsgruppe Fokus: Intelligente Sensorsysteme zur Messung chemischer Größen, sowohl für die Gasphase als auch in Flüssigkeiten. Wir nutzen sowohl chemische als auch physikalische Effekte und verknüpfen (Mikro-)Sensoren mit Elektronik für Betrieb und Datenerfassung sowie mit angepassten Signalverarbeitungskonzepten zu komplexen Messsystemen. Zwei sich ergänzende Bereiche Lehrstuhl für Messtechnik, Universität des Saarlandes Grundlagenforschung Schwerpunkt Gasmesstechnik, u.a. Luftgüte Zentrum für Mechatronik und Automatisierungstechnik Angewandte F&E Schwerpunkt fluidische Sensorsysteme, u.a. Ölqualität Fluidsensorik: von der Direktmethanol-Brennstoffzelle bis zur Ölqualität Perspektiven der Ingenieurwissenschaften 08. Januar 2015 A. Schütze 2 1

2 > Warum Messung chemischer Größen? Sicherheitstechnik Explosionsschutz, z.b. CH 4 im Bergbau (bzw. im Haushalt) Vergiftungsschutz, z.b. CO im Bergbau (bzw. im Parkhaus) Qualitätskontrolle Dichtheitsprüfung von Verpackungen Prüfung von Lebensmitteln Umwelttechnik Abgaskontrolle und -regelung, z.b. Lambda-Sonde im Pkw Erkennung von Umweltverschmutzung, Identifizierung der Verursacher Komfortanwendungen bedarfsgerechte Lüftung in Toiletten und Küchen automatische Umluftklappe im Pkw Fluidsensorik: von der Direktmethanol-Brennstoffzelle bis zur Ölqualität Perspektiven der Ingenieurwissenschaften 08. Januar 2015 A. Schütze 3 > Physikalische Messung chemischer Größen Chemische Sensoren zeigen Prinzip-bedingte Nachteile Alterung/Drift/Vergiftung, da keine hermetische Kapselung möglich ist häufig geringe Selektivität, da die chemische Interaktion von verschiedenen Substanzen ausgelöst werden kann geringe Genauigkeit als Folge der Alterung und weiterer Quereinflüsse, z.b. Temperatur Physikalische Messung wird genutzt, z.b. Infrarotabsorption: Moleküle (Feder-Masse-System), meist in der Gasphase, werden von Lichtwellen zum Schwingen bei ihrer Resonanzfrequenz angeregt; diese Lichtfrequenz wird selektiv absorbiert, ihre Intensität wird gemessen. Wärmeleitung, z.b. zur Messung von Verbrennungsabgasen Bestimmung des Brechungsindex von Flüssigkeiten zur Konzentrationsmessung von Zucker o.ä Fluidsensorik: von der Direktmethanol-Brennstoffzelle bis zur Ölqualität Perspektiven der Ingenieurwissenschaften 08. Januar 2015 A. Schütze 4 2

3 Lehrstuhl für Messtechnik Bastian Schmitt, Christian Kiefer, Andreas Schütze Mikrothermischer Sensor zur Bestimmung der Methanolkonzentration und Strömungsgeschwindigkeit für Direktmethanolbrennstoffzellen Synopse verschiedener Vorträge auf internationalen Tagungen - Smart Sensors, Actuators, and MEMS SPIE Microtechnologies 2013, April 24 26, SENSOR 2013; Nuremberg, Germany, May 14-16, MST-Kongress 2013 "Von Bauelementen zu Systemen"; Aachen, Oktober 2013 > Motivation Methanol sensor Requirements Range 0-10 vol% Resolution 0.1 vol% Low cost Low power Variable flow rate approx. 1 5 vol% of methanol Anode: CH 3 OH + H 2 O -> 6 H + + 6e - + CO 2 Cathode: 1.5 O H + 6 e - -> 3 H 2 O CH 3 OH O 2 -> 2 H 2 O + CO Novel Microthermal Sensor for Quantification of Methanol in Water for DMFC 16 th SENSOR Conference, Nürnberg 6 3

4 Source: Toshiba Source: NEC Source: Toshiba > Motivation Advantages of the DMFC: Compact system (no reformer needed) Low emission Methanol: High energy density Simple storage Simple production Disadvantage: Lower efficiency compared to other fuel cells Useful in portable applications Novel Microthermal Sensor for Quantification of Methanol in Water for DMFC 16 th SENSOR Conference, Nürnberg 7 > Motivation Determination of mixture ratio of binary fluid mixtures Applications: Direct Methanol Fuel Cells: determination of methanol concentration in water range 1-10% resolution 0.1% low-cost, low-power variable flow rate robust urea in water (AdBlue TM ) for SCR exhaust gas treatment other Microthermal sensors for determining fluid composition and flow rate in fluidic systems SPIE Microtechnologies 2013 Smart Sensors, Actuators, and MEMS Grenoble 8 4

5 Thermal conductivity / W /(m K) Specific heat capacity / J/(g K) > Sensor principle Chemical sensing principles subject to drift and crosssensitivities Physical principles optical properties (diffractive index) dielectric constant sound velocity density viscosity thermal heat capacity thermal conductivity Methanol concentration / vol% Microthermal sensors for determining fluid composition and flow rate in fluidic systems SPIE Microtechnologies 2013 Smart Sensors, Actuators, and MEMS Grenoble 9 > Auswahl geeigneter physikalischer Verfahren Effektgröße, d.h. Unterschied beider Komponenten Wärmeleitfähigkeit: λ Wasser ~ 2,8 λ Methanol Dielektrizitätskonstante: ε Wasser ~ 2,4 ε Methanol Viskosität: η Wasser ~ 1,69 η Methanol Schallgeschwindigkeit: c Wasser ~ 1,31 c Methanol Dichte: ρ Wasser ~ 1,27 ρ Methanol Brechungsindex: n Wasser ~ 1,008 n Methanol Linearität vgl. Wärmeleitung und Wärmekapazität (Folie 9) Quereinflüsse, insbesondere Temperatur z.b. Viskosität, Schallgeschwindigkeit ändern sich stark mit der Temperatur: TK(Viskosität Wasser ) ~ 3%/ C dann funktioniert die Messung nur, wenn die Temperatur sehr homogen und konstant ist Fluidsensorik: von der Direktmethanol-Brennstoffzelle bis zur Ölqualität Perspektiven der Ingenieurwissenschaften 08. Januar 2015 A. Schütze 10 5

6 > Sensor principle Short heat pulse introduced by microheater Resulting temperature increase reflects heat capacity ρ c p thermal conductivity λ 4-point-probe for exact temperature measurements Measurement result temperature increase of neighboring resistor: thermal diffusivity: α = λ ρ c p temperature increase of heater itself: thermal effusivity: b = λ ρ c p Periodic measurement good resolution, slow low resolution, fast Micro thermal sensors for determining fluid composition and flow rate in fluidic systems SPIE Microtechnologies 2013 Smart Sensors, Actuators, and MEMS Grenoble 11 > Gemischmessung: Messprinzip Aluminium (0,5 µm) gesputtert auf Polyimid-Folie (Kapton-HN, 125 µm dick) geringe Wärmeleitfähigkeit und Wärmekapazität geringe Kosten Verschiedene Layouts Heizerdurchmesser symmetrisch & asymmetrisch Passivierung mit Polyamidimid wg. Langzeitstabilität (~5 µm) Mikrothermischer Sensor zur Bestimmung von Methanolkonzentration und Strömungsgeschwindigkeit für Direktmethanolbrennstoffzellen; MikroSystemTechnik-Kongress 2013, Oktober, Aachen 12 6

7 > Gemischmessung: Messprinzip Temperaturverteilung im Gemisch: Heizer Fluidmischung P M Arbeitsbereich der DMFC Folie P F T r, t T 0 = P 4πλ M 1 r erfc P F r = Ortsvektor t = Zeit erfc(x) = Komplementäre Wärmeleitfähigkeit 20 C / W/m/K λ = Wärmeleitfähigkeit Wasser 0,59 α = λ 5 Gew.-% = Temperaturleitfähigkeit ρc MeOH 0,57 ρ = Dichte c = spezifische Methanol Wärmekapazität 0,21 Kapton-HN 0,12 Luft 0,026 r 4α M t Mikrothermischer Sensor zur Bestimmung von Methanolkonzentration und Strömungsgeschwindigkeit für Direktmethanolbrennstoffzellen; MikroSystemTechnik-Kongress 2013, Oktober, Aachen 13 > Experimental Sensors tested in miniaturized housing Variable height of fluid above heater measurement results based on 1 mm height to prevent convection (indicated by multiphysics simulation) measurement chamber with variable height contact pins inlet outlet sensor Boreholes (thermal de-coupling) 10mm Microthermal sensors for determining fluid composition and flow rate in fluidic systems SPIE Microtechnologies 2013 Smart Sensors, Actuators, and MEMS Grenoble 14 7

8 8 mm max 5 mm > Experimental Novel measurement chamber realized by 3D printing smooth channel to prevent turbulence integrated sealing (2 component printing) sensor Microthermal sensors for determining fluid composition and flow rate in fluidic systems SPIE Microtechnologies 2013 Smart Sensors, Actuators, and MEMS Grenoble 15 > Simulation Flow simulations (Comsol multiphysics) laminar flow across sensor area Simulation of thermal sensor principle promising suitable sensitivity strong influence of flow square: 2*2 mm² Microthermal sensors for determining fluid composition and flow rate in fluidic systems SPIE Microtechnologies 2013 Smart Sensors, Actuators, and MEMS Grenoble 16 8

9 > Experimental Automated test set-up based on micro-syringe pumps syringe pumps heater driver meas. chamber RS-232 status synchronization signal processing temperature sensors USB Microthermal sensors for determining fluid composition and flow rate in fluidic systems SPIE Microtechnologies 2013 Smart Sensors, Actuators, and MEMS Grenoble 17 > Gemischmessung: Messergebnisse Stopped-flow Messungen mit je 20 Messzyklen Konstante Heizleistung: 30 mw (Heizer-Ø: 0,5 mm) T steigt nahezu linear mit der Methanolkonzentration Auflösung ca. 0,5 Vol.-% nach 0,5 s 15 mj/messung Steigender Methanolanteil Auswertung des Temperaturanstiegs nach vorgegebener Heizdauer Mikrothermischer Sensor zur Bestimmung von Methanolkonzentration und Strömungsgeschwindigkeit für Direktmethanolbrennstoffzellen; MikroSystemTechnik-Kongress 2013, Oktober, Aachen 18 9

10 > Characterization and results Determination of methanol concentration: Temperature increase after given time t t Fitting of heating curve T ( t) c a exp b exp 1 2 Increasing Methanol concentration Novel Microthermal Sensor for Quantification of Methanol in Water for DMFC 16 th SENSOR Conference, Nürnberg 19 > Characterization and results Determination of methanol concentration: Temperature increase after given time t t Fitting of heating curve T( t) c a exp b exp Novel Microthermal Sensor for Quantification of Methanol in Water for DMFC 16 th SENSOR Conference, Nürnberg 20 10

11 > Characterization and results Determination of methanol concentration: Temperature increase after given time t t Fitting of heating curve T( t) c a exp b exp Novel Microthermal Sensor for Quantification of Methanol in Water for DMFC 16 th SENSOR Conference, Nürnberg 21 > Characterization and results τ 2 similar to heat capacity But: to use τ more measurements have to be averaged when using c: sensitivity 0.15 K/vol%, accuracy ±1.3 vol% similar to temperature increase after given time Novel Microthermal Sensor for Quantification of Methanol in Water for DMFC 16 th SENSOR Conference, Nürnberg 22 11

12 > Gemischmessung: Messergebnisse Vorliegende Strömung Starker Einfluss der Strömung erzwungene Konvektion Einfluss auf Empfindlichkeit Flussrate muss gemessen werden oder bekannt sein! Ohne Zunehmende Strömung Strömung Mikrothermischer Sensor zur Bestimmung von Methanolkonzentration und Strömungsgeschwindigkeit für Direktmethanolbrennstoffzellen; MikroSystemTechnik-Kongress 2013, Oktober, Aachen 23 > Strömungsmessung: Messprinzip Strömungsmessung: Laufzeitverfahren (Time-of-flight) Shift aufgrund der Strömung (unabh. von Methanol) Einfluss des Methanols Sensorabstand: 2 mm Methanol Fließrichtung Ohne Fluss Fluss Mikrothermischer Sensor zur Bestimmung von Methanolkonzentration und Strömungsgeschwindigkeit für Direktmethanolbrennstoffzellen; MikroSystemTechnik-Kongress 2013, Oktober, Aachen 24 12

13 Temperature difference / C Temperature difference / C > Characterization and results Flow measurement: time-of-flight Signal: time for 0.1 degree temperature difference Offset due to heater time constant Time / ms ml/h 47 ml/h 70 ml/h 94 ml/h 117 ml/h 141 ml/h 164 ml/h 188 ml/h 938 ml/h Time / ms Microthermal sensors for determining fluid composition and flow rate in fluidic systems SPIE Microtechnologies 2013 Smart Sensors, Actuators, and MEMS Grenoble 25 > Strömungsmessung: Messergebnisse Jeweils 9 bis 15 Messungen Laufzeit des Heizpulses invers proportional zur Flussrate Auflösung von besser als 5,6 ml/h erreicht (= 3.0%) Fluss Mikrothermischer Sensor zur Bestimmung von Methanolkonzentration und Strömungsgeschwindigkeit für Direktmethanolbrennstoffzellen; MikroSystemTechnik-Kongress 2013, Oktober, Aachen 26 13

14 Sensor temperature / C > Characterization and results Combined determination of methanol ratio and flow rate Negligible influence of methanol ratio on time-of-flight Expanded physical model or LUT water, 94 ml/h water, 188 ml/h 10 vol%, 94 ml/h 10 vol%, 188 ml/h Time / ms Microthermal sensors for determining fluid composition and flow rate in fluidic systems SPIE Microtechnologies 2013 Smart Sensors, Actuators, and MEMS Grenoble 27 > Fazit Simples, low-cost, low-power Messprinzip Gleichzeitige Bestimmung von Methanolkonzentration und Flussrate möglich Auswertung der Temperaturerhöhung des Heizers: Lineare Abhängigkeit von der Methanolkonzentration Gute Reproduzierbarkeit Anwendbarkeit auf andere, binäre Gemische Harnstoff in Wasser (AdBlue ) für Abgasnachbehandlung (SCR) Frostschutzmittel in Wasser Diverse andere Mikrothermischer Sensor zur Bestimmung von Methanolkonzentration und Strömungsgeschwindigkeit für Direktmethanolbrennstoffzellen; MikroSystemTechnik-Kongress 2013, Oktober, Aachen 28 14

15 Heater temperature / C Heater temperature difference / C > Messung von Harnstoff in Wasser Stopped-flow Messungen Konstante Heizleistung: 60 mw (Heizer-Ø: 1 mm) T steigt mit der Harnstoffkonzentration Auflösung geringer als bei Methanol (ca. 1 Vol.-%) water 10 wt% 20 wt% 30 wt% 40 wt% 50 wt% Time / ms s s 0.75 s 14 1 s 2 s Urea concentration wt% Mikrothermischer Sensor zur Bestimmung von Methanolkonzentration und Strömungsgeschwindigkeit für Direktmethanolbrennstoffzellen; MikroSystemTechnik-Kongress 2013, Oktober, Aachen 29 > Fazit Erkennung von Luft und Eis möglich Wärmeleitfähigkeit / W/(m K) Eis 2.1 Wasser Vol.-% Methanol Vol.-% Methanol 0.55 Methanol 0.21 Luft Steigende Wärmeleitfähigkeit Mikrothermischer Sensor zur Bestimmung von Methanolkonzentration und Strömungsgeschwindigkeit für Direktmethanolbrennstoffzellen; MikroSystemTechnik-Kongress 2013, Oktober, Aachen 30 15

16 > Hydrophilierung der Sensoren Ätzen der Polyimid-Folie in 1M KOH Reduzierung des Kontaktwinkels Verringerung der Anhaftung von Luftblasen Mikrothermischer Sensor zur Bestimmung von Methanolkonzentration und Strömungsgeschwindigkeit für Direktmethanolbrennstoffzellen; MikroSystemTechnik-Kongress 2013, Oktober, Aachen 31 > Ausblick ToDo Verbesserung der Auflösung (derzeit: 0,5%; soll: 0,1%) Kompensation der Umgebungstemperatur Erkennung und Unterdrückung von Gasblasen (CO 2 ) Erfassung der Sensortemperaturen bei gestoppter Strömung Temperaturleitfähigkeit Mikrothermischer Sensor zur Bestimmung von Methanolkonzentration und Strömungsgeschwindigkeit für Direktmethanolbrennstoffzellen; MikroSystemTechnik-Kongress 2013, Oktober, Aachen 32 16

17 Die zugrundeliegenden Arbeiten wurden vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen des wissenschaftlichen Vorprojektes InMischung (FKZ: 16SV5394) gefördert. Integriertes Multisensorsystem zur Zustandsüberwachung von Dipl.-Ing. Torsten Bley Dissertation durchgeführt am Zentrum für Mechatronik und Automatisierungstechnik 17

18 Motivation besitzen je nach Anwendungen unterschiedliche Grenzwerte für definierte Parameter (Funktionsbereiche) Viskosität VI-Index Acid Number. Verlassen des Bereichs bedeutet Schadensrisiko bzw. erhöhter Verschleiß an Maschine oder Anlage Betriebsstundenabhängige Wechselintervalle oder Überwachung des Schmierflüssigkeitszustands internet Seite 35 Bestimmung des Schmierflüssigkeitszustands Laboranalytik Probenentnahme an der Maschine/Anlage und Untersuchung im Labor Sehr hohe Genauigkeit mit aufwändigen Laboranalysemethoden: Anzahl und Art der Partikel (optisch, Atom-Emissions- Spektroskopie, ) Chemischer Verschleiß der Schmierflüssigkeit (z.b. FTIR, Acid Number, Base Number, ) Gefahren Probenentnahme in vordefinierten Zeiträumen Ort der Probenentnahme Zeitraum der Analyse Kosten Online-Methode zur Bestimmung der Flüssigkeitsqualität erwünscht Seite 36 18

19 Sensorsystem Anforderungen an das Sensorsystem: Messung von Oxidation, Wassergehalt Breitbandig einsetzbar Kompakt und kostengünstig Nichtinvasiv Möglichst keine Querempfindlichkeiten Online-Sensor Viskositätsmessung Partikelart (Luft, Staub-, Metallpartikel) Partikelkontamination Entwickelt im Parallelprojekt D. Schön, Prof. Löffler-Mang Seite 37 Sensorsystem Mikrostrukturierte IR-Quelle Si-Küvette mit 200 µm Messspalt IR-Quelle Fluid 4-fach Thermopile Detektor IR-Detektor Gepulster Betrieb für hohes SNR Seite 38 19

20 Sensorsystem Realisiertes kompaktes Sensorsystem (BMBF-Projekt NaMiFlu) Seite 39 Charakterisierung Bestimmung der Viskosität Druckcharakterisierung Laminarer Fluss Bestimmung der Viskosität anhand der Druckdifferenz Viskosität mit Sensorsystem Parameterbestimmung mit frischer Schmierflüssigkeit Bestimmung der Viskosität von 3 Tage gealterter Schmierflüssigkeit Abweichung bis 20% (75 C) HETG 0d HETG 3d Seite 40 20

21 Hydroxylbande Charakterisierung Bestimmung von Wasser und Oxidation Synth. Motoröl Wasserzugabe Carbonylbande TP1 konstant Hydroxylbande TP3 & TP4 Reaktion auf Wasserzugabe Wasseranreicherung beobachtbar Mineralöl künstl. Oxidation Carbonylbande TP1 Reaktion auf Oxidation Hydroxylbande TP3 & TP4 sehr geringe Reaktion Anstieg der Oxidation beobachtbar Seite 41 Charakterisierung Vergleich von Hydroxylbande Carbonylbande Seite 42 21

22 Mobilsystem Einsatz des Sensorsystems im Feldtest Eigenständiger PC UMTS / VPN Zugriff Integrierte Elektronik Sensorsystem und Pumpe Vorfiltrierung Vorkühlung Laborprüfung Mobil 1 künstlich gealtert Feldtest Kühlschmierstoff einer Schraubenpresse (RUIA AG, Beckingen) Seite 43 Feldtestergebnis RUIA AG Eindeutige Indikation von Ölwechseln und Additivzugaben Manueller Prozess mit Sensorsystem automatisierbar Seite 44 22

23 Sensorsystem Anforderungen an das Sensorsystem: Messung von Oxidation, Wassergehalt Breitbandig einsetzbar Kompakt und kostengünstig Nichtinvasiv Möglichst keine Querempfindlichkeiten Online-Sensor Viskositätsmessung Partikelart (Luft, Staub-, Metallpartikel) Partikelkontamination Entwickelt im Parallelprojekt D. Schön, Prof. Löffler-Mang Seite 45 Partikelsensorsystem Prinzip Lichtstreuung bei Partikeldurchmessern im Bereich der Laserwellenlänge Erfassung der Lichtstreuung in drei Richtungen Vorwärtsstreuung (35 ) Rückwärtsstreuung (145 ) Transmission (180 ) Messung/Unterscheidung von Staub- & Metallpartikeln, Luftblasen Aufbau Modifikation Laserdiode 785 nm (220 mw (pulsed)) 3x Fotodiode nm (20 ns) Abdichtung gegen Schmierflüssigkeit mit Al 2 O 3 -Fenstern Laserfrequenz 60 Hz, DFT (250 ms) Seite 46 23

24 Partikelsensorsystem Unterscheidung von Partikeln Vorwärts- gegen Rückwärtsstreuung Trennung von Staub- und Metallpartikel Luftblasen als starke Streuung sichtbar Messung der Partikel Referenzmessung mit Partikelmikroskop (Morphology G3) Messung der Partikel > 4µm Nutzung des Streuverhältnisses Anstieg Streuverhältnis nahezu gleich zur Partikelanzahl bei Verunreinigung mit SP oder MP Seite 47 Fazit Entwicklung bzw. Charakterisierung eines Sensorsystems zur Bestimmung der Fluidqualität Verifikation der spektralen Banden für Oxidation, Wasser, Additive Auslegung und Charakterisierung der Systemkomponenten Charakterisierung des Sensorsystems bei unterschiedlichen Bedingungen Verifikation des Messverfahrens an gealterten und kontaminierten Proben Mobilsystem zur Feldtesterprobung des Sensorsystems Funktionsüberprüfung im Labor Online-Messung des Kühlschmierstoffzustands an einer Schraubenpresse Möglichkeit der Zustandsüberwachung gegeben Partikelsensorsystem Übernahme und Modifikation des Sensorsystems Charakterisierung durch künstliche Kontamination der Schmierflüssigkeit Trennung von Luftblasen, Staub- und Metallpartikeln Kombination beider Sensorsysteme COPS Combined Oil Quality and Particle Measurement System Seite 48 24

25 > Ausblick Zustandsbewertung technischer Systeme (Intelligent Condition Monitoring ICM) Bewertung von Multisensordaten mittels statistischer und semantischer Datenauswertung und -interpretation (Kooperation mit DFKI) Alterungs- und Verschleißerkennung Erkennung von Fehlfunktionen Erhöhung der Redundanz Erprobung an Hand von einfachen Versuchsanlagen Perspektivisch Übertragung auf komplexe Anlagen, z.b. Windkraftturbinen, insbes. für Offshore-Anwendungen Fluidsensorik: von der Direktmethanol-Brennstoffzelle bis zur Ölqualität Perspektiven der Ingenieurwissenschaften 08. Januar 2015 A. Schütze 49 Dank an - alle Mitarbeiter beider Teams - Geldgeber: BMBF, BMWi, Land Saarland, EU, Industriepartner 25