Optischer Sensor für den Einsatz In Kraftfahrzeugen

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1 Optischer Sensor für den Einsatz In Kraftfahrzeugen

2 Einleitung Dieselmotor SCR (Selective Catalytic Reduction) AdBlue [source: EMITEC] 1 TT Electronics plc (NH2)2CO NH3 + HNCO 4 NH3 + 4 NO + O2 4 N2 + 6 H2O Gesetz

3 Einleitung TIER3/EURO6: OBD (on board diagnosis) für Abgasnachbehandlungssystem Überwachen Abgas (Nox-Sensoren) Überwachen der Medien (AdBlue-Qualität) [source: EMITEC] 2 TT Electronics plc (NH2)2CO NH3 + HNCO 4 NH3 + 4 NO + O2 4 N2 + 6 H2O Sensor?

4 Aufgabe AdBlue Qualitäts-Sensor Sensor Überwachen AdBlue-Qualität Signalisieren fehlerhafter Befüllung Fremdmedien (Wasser, Diesel...), falsche Harnstoffkonzentration [source: EMITEC] 3 TT Electronics plc (NH2)2CO NH3 + HNCO 4 NH3 + 4 NO + O2 4 N2 + 6 H2O Eigenschaften

5 Sensoreigenschaften Signal: Genauigkeit: Auflösung: SENT/PWM/CAN ( kontinuierlich, manipulationssicher) Konzentration + Temperatur ±2 %urea / ±3 K ( C) 0,25 %urea / 1 K Einsatzbedingungen Temperatur: Funktion -10 C C Lagerung -40 C C ( frostresistent) Einbauort: Versorgung: Lebensdauer: Medien: im/an AdBlue-Tank / Dosierleitungssystem 12 V (9 16 V) / 5 ±0,25 V mind. 10 Jahre Wasser, Harnstoff, Diesel, Benzin, Kühlmittel, Scheibenwaschmittel, Ethanol 4 TT Electronics plc AdBlue-Spezifikation

6 AdBlue Eigenschaften Merkmal [ISO ( )] Einheit Spezifikation Harnstoffgehalt Gew.-% 31,8 33,2 Brechzahl bei 20 C 1,3814 1,3843 Dichte bei 20 C g/cm 3 1,0870 1,0930 (NH 2 ) 2 CO + H 2 O Alkalität als NH 3 Gew.-% 0,2 max. Biuret Gew.-% 0,3 max. Aldehyde mg/kg 5 max Unlösliches mg/kg 20 max. Phosphat, Calcium, Kalium, Natrium, Magnesium, Aluminium mg/kg je 0,5 max. Kupfer, Zink, Chrom, Nickel mg/kg je 0,2 max. Sonstiges: Spez. Wärmekapazität, Wärmeleitfähigkeit, Schmelzpunkt, Oberflächenspannung, Viskosität, ph-wert, elektr. Leitfähigkeit 5 TT Electronics plc Messprinzipien

7 Messprinzipien AdBlue Qualitätssensor Harnstoffgehalt 32,5 Gew.-% Brechzahl C Optischer Sensor Messung von: Dichte, Spez. Wärmekapazität, elektr. Leitfähigkeit,... Grenzwinkel Totalreflexion Spektroskopie (Oberfläche) Brechzahl Durchlichtrefraktometrie TT Electronics plc Konzentration-Brechzahl

8 Messprinzipien AdBlue Qualitätssensor Harnstoffgehalt 32,5 Gew.-% Brechzahl C Optischer Sensor Messung von: Dichte, Spez. Wärmekapazität, elektr. Leitfähigkeit,... Grenzwinkel Totalreflexion Spektroskopie (Oberfläche) Brechzahl Durchlichtrefraktometrie TT Electronics plc Konzentration-Brechzahl

9 Brechungsindex Brechungsindex - Harnstoffkonzentration 1,383 1, ,5 45 Harnstoffgehalt [%urea] [Source: CRC Handbook of Chemistry and Physics / Copyright CRC Press LLC 2005, Stickstoffwerk Piesterwitz, AB internal measurements] 8 TT Electronics plc Idee-Musterstände

10 Idee Umsetzung Harnstoffgehalt Brechungsindex Brechungswinkel Lichtleiter Medium Position Lichtstrahl auf CMOS-Zeile LED CMOS-zeile Sensorgehäuse Tests Simulation Verbesserung: Geometrie Auflösung 9 TT Electronics plc Grundprinzip

11 Idee Umsetzung Harnstoffgehalt Brechungsindex Brechungswinkel Lichtleiter Medium Position Lichtstrahl auf CMOS-Zeile LED CMOS-zeile Sensorgehäuse Tests Simulation Verbesserung: Geometrie Auflösung 10 TT Electronics plc Montage

12 Parametrisierung: CMOS-Zeilensignale in Medien Wasser n=1,333 0 %urea pixel 11 TT Electronics plc Länge CMOS-Zeile 8 mm CMOS-Zeile

13 Parametrisierung: CMOS-Zeilensignale in Medien AdBlue n=1,383 32,5 %urea pixel 12 TT Electronics plc Länge CMOS-Zeile 8 mm CMOS-Zeile

14 Parametrisierung: CMOS-Zeilensignale in Medien AdBlue n=1,383 32,5 %urea Wasser n=1,333 0 %urea Auflösung: ca. 0,15 %urea / pixel ca. 220 pixel pixel Länge CMOS-Zeile 8 mm 13 TT Electronics plc CMOS-Zeile

15 CMOS-Zeilensignale in verschiedenen Medien 10W40 n=1,473 pixel 14 TT Electronics plc Länge CMOS-Zeile 8 mm Generieren Signal

16 Brechungsindex Sensorfunktion: Medien - Sensorsignal Motoröl 10W40 DOT4 1,450 AdBlue 1,383 Ethanol 1, TT Electronics plc , Sensorsignal Harnstoffgehalt [%urea] Genauigkeit

17 Signalabweichung [%urea] Sensorsignal RT +3 % -3 % 16 TT Electronics plc Referenzkonzentration [%urea] Temperaturabhängigkeit

18 Signalabweichung [%urea] Temperatur [ C] Sensorkennlinie über Temperatur TT Electronics plc Messwerte Temperatureinfluss kompensiert 0-10 Trübung

19 Trübung - Versuch Arizonastaub (fein) Verschmutzung mit: 3 g 2,5 g 1,5 g 0 g Staub auf 500 ml FNU Formazine Nephelometric Units Streulichtmessung (Winkel 90 ) gemäß ISO 7027 Verschmutzung bis 2,5 g auf 500 ml (0,5 %) Flüssigkeit (komplett vermischt) tolerierbar. 18 TT Electronics plc Qualifizierung

20 Qualifizierungstests 100 Zyklen +40 C / -40 C <1minute / 1,5 hour Vibrationsprofil IV für Karosserieanbauteile / 23 C Vibrationsprofil V an Fahrwerk) / 2 Zyklen 40 C 5 C Qualifizierung

21 Qualifizierungstests 100 Zyklen +40 C / -40 C <1minute / 1,5 hour Vibrationsprofil IV für Karosserieanbauteile / 23 C Vibrationsprofil V an Fahrwerk) / 2 Zyklen 40 C 5 C Qualifizierung

22 AdBlue Quality Sensor - Zusammenfassung optisches Messprinzip, Kombination aus Kunststoff-Spritzgussteilen mit opto-elektronischen Bauelementen sowie einer intelligenten Auswertung.

23 Zusammenfassung ortsaufgelöstes, intensitätsunabhängiges Signal - kaum Einfluss von Verschmutzungen und Qualität der Oberflächen, - verschleißfrei, - geringer Einfluss von Trübung, Schwebstoffen, - temperaturunabhängig, - vibrationsunempfindlich, - unabhängig von Durchflussraten, Füllständen, - unabhängig von Tankgeometrie, - kein Einfluss von Luftblasen oder Eisstücken im Tank, - unempfindlich gegen Alterung der Bauelemente (kompensierbar)... geschlossenes, hinterschnittfreies Gehäuse - medienfest, - leicht, - frostsicher... Vorteil gegenüber Ultraschall-Sensoren 22 TT Electronics plc Ende

24 Fragen? 23 TT Electronics plc