CN101208597B - 用于检测烟黑的传感器和工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种传感器，其根据以下方法通过以下的步骤来操作用于检测烟黑：在传感器上设定用于测量阶段的第一工作温度，从而烟黑可以沉积到衬底表面上，但防止了其他的干扰烟黑测量的沉积物，记录从测量开始直到在电极之间出现提高的导电率的时间，在传感器上设定用于再生阶段的第二工作温度，从而沉积的烟黑与在测量气体中存在的氧化物燃烧。
Description
技术领域
本发明涉及一种传感器和一种工作方法，用于检测测量气体体积中的烟黑。值得注意的是，不仅要确定在测量气体中是否存在烟黑，而且要确定该烟黑的浓度。
背景技术
当前多方面都在探讨二氧化碳在大气中的增加。由此联系到实际情况，即限制化石能源的使用。例如，燃烧过程被热力学地优化成在化石能源上的反应，从而改善其效能。在机动车领域中，这抵制柴油机动车的扩大应用。这种燃烧技术的缺点是，相对于优化的汽油发动机当然是明显过高的烟黑的排放量。另外，通过燃烧技术的措施几乎不可能避免烟黑的形成。烟黑尤其是由多环芳基化合物(PAK)的沉积而强烈地致癌，对此在不同的规章中已做出反应。因此，例如在欧洲的尾气排放标准中相应地对烟黑排放做出了最大的限制。由此而需要价廉物美的传感器，来用于测量尾气中的烟黑含量。
使用这种烟黑传感器不仅可以用于测量当前排放的烟黑，由此而以当前行使情况的信息来管理汽车中的发动机，以便于通过调整技术的适配来降低排放，也可以通过所谓的尾气烟黑过滤器来进行主动的尾气清洁。在后一种情况下，使用可清洁的过滤器，其可以从尾气中清除相当部分的烟黑含量。从而需要用于检测烟黑的烟黑传感器，以便于监测烟黑过滤器的功能或控制其再生循环。
在现有技术中已给出用于检测烟黑的不同方式。一种在实验室中还被关注的方式是使用由烟黑带来的光散射。这种做法适用于复杂的测量设备。在此尝试这也作为移动的传感器系统在尾气中使用，但必须明确：这些方式为了实现在机动车中成本低廉的传感器会关系到高成本的复杂的光学结构。此外，无法解决的问题是关于由燃烧废气引起的所需光学窗口的污染。
在德国专利公开文件DE199 59 871A1中描述了一种传感器和工作方法，这两者都基于热的考虑。传感器由开放、多孔的成型体构成，例如蜂窝状的陶瓷、加热元件和温敏元件。如果传感器与测量气体体积连接，则烟黑沉积到传感器上。为了测量，在时间间隔内沉积的烟黑由加热元件点燃并且燃烧。测量在燃烧时产生的温度升高。尽管这是在恒定的环境条件下能够实施的方法，但是在流动和尾气温度波动很大的机动车排气部的条件下，相对较小的温度升高的测量是极其困难的问题。
原则上可以使用两种用于测量烟黑的方法。一种基于两个电极之间的电场，在这两个电极存在载有烟黑的测量气体体积，其中烟黑会造成电离电流。该原理的实施方案由德国专利公开文件DE10244 702A所公开。在该方案中，尾气流通过两个电极，这些电极具有电绝缘层并且待检测的烟黑含量的气体处于它们之间。这些电极以1到10kV的交流电压工作。在电极之间根据测量气体中的烟黑浓度进行电介质阻抗地放电并且测量产生的电流。对于机动车行驶，这种方法就此而言不宜于实现高压并且需要复杂的测量技术。另一方面，交替的气态尾气组分会随之带来由电离电流的干扰气体影响而产生的测量不真实。
发明内容
本发明的目的在于，提出一种传感器和工作方法，通过该传感器及工作方法可以检测烟黑，其中可以快速并可再生地进行检测。
该目的通过权利要求1或12或18的相应的特征组合来实现。有利的设计方案可以由从属权利要求给出。
本发明基于这样的认识，即通过使用测量绝缘的表面导电率的传感器借助于例如两个电极可以检测烟黑沉积到表面上的量。当例如烟黑薄膜在表面上形成时，通过传感器的平面的设计就可以识别微小的导电率变化。
在此，当细微分布并且不接触的导电的颗粒位于测量电极之间时，是特别有利的，这会导致，在明显降低的烟黑量或薄膜厚度中出现了可测量的导电率。
有利地，鉴于测量信号的产生提出一种测量电极的交叉指结构。这种结构大致设计为例如两个相互伸入的梳状形状。
如果根据本发明的电阻传感器设计为两个或多个的，则可以保证，基于所需的再生阶段从而在任何时候传感器都处于测量阶段。
为了保护传感器，特别是测量电极或温度传感器或加热元件将安置薄的层，其例如是细微多孔的(起保护作用)，以便于通过测量气流，或者层这样设计，即其本身具有足够的导电率，从而通过由层产生的电阻不产生不允许的传感信号的失真。
为了构成传感器，鉴于有效的信号产生，将高电绝缘层安置在通常也是绝缘的衬底上将是十分有利的。该高绝缘层可以同时设计成尾气稳定的。
可以在衬底表面或安置在该衬底表面上的层上定位氧化催化剂，这种氧化催化剂通常以分散的形式涂层，也就是以不连续的形式安置。
为了节省在传感器上的组件，电阻加热元件同时也作为温度传感器工作。该电阻加热元件优选单独或与温度传感器地覆盖有保护层来或安装在传感器基体的内部的多层结构中。
衬底表面这样设计来作为使用零电阻作为电阻测量的起点的基础是有利的，即该衬底表面具有限定的基本导电系数。结合零电阻，传感器的电的功能作用在自监控单元或自监控查询中可以评估。
所述的烟黑传感器被加热，从而在测量阶段中这样来设定工作条件，即可能引起干扰信号的组分不会附加地凝聚到表面上的烟黑中。在封闭的测量中，再生阶段在提高的温度中进行。根据使用情况可以运用以至少两个不同温度来工作的变型，从而使传感器分开测量及再生，或传感器保持在一个温度上，在该温度中，在测量和再生之间存在动态平衡。这意味着，与表面的限定的催化活性相关的温度水平允许通过尾气中存在的氧气进行烟黑的连续燃烧，在对烟黑沉积物的电阻的同时测量中，该测量动态调节。根据烟黑沉积物，在电极之间测量到提高的导电率。测量信号的显示可以直接基于导电率或可以通过温度测量来确定，其中导电率调整到恒定的值上。在使用衬底表面时，可以以有利的方式建立传感器的自我监控，该衬底表面零电阻供使用。
附图说明
接下来将根据并非限定本发明的示意性附图来说明实施例，附图表示：
图1示出了根据本发明的烟黑过滤器的设计方案，
图2和3分别示意性示出了根据本发明的烟黑过滤器的横截面图，其中表示出电子评估装置，
图4示出了本发明的设计方案，用于通过在传感器表面上细微分布的、有利于传导的颗粒来改进响应特性，
图5示出了一种设置方案，用于借助于沉积在衬底上的绝缘层改善电绝缘性而提高敏感度，
图6示出了在根据本发明的烟黑传感器上的导电率测量的图表。
具体实施方式
在图1中，在两个大面积的连接面之间的上半部分中示出电极3的交叉指设计并由此而呈梳状的结构。在衬底1(通常是陶瓷衬底)上，一侧具有这种测量结构并且相对一侧具有加热元件2的、在图1的下半部分示出的曲折形状的结构。
烟黑传感器可以由陶瓷的基体构成，该基体使包含烟黑的气体至少作用在其表面上，其中预设的具有电绝缘或弱导电属性的表面具有针对沉积的烟黑的催化作用。在传感器上预定通过温度传感器进行温度测量。当烟黑从包含烟黑的尾气中沉积到表面时，测量在电极之间由沉积的烟黑所导致的导电率并且由此而检测到烟黑或烟黑膜的存在。
可行的第一种工作方法在于，使传感器保持在恒定的第一温度，该温度例如在250-450℃的范围内。由此而防止，不希望的其他尾气组分，例如湿气、氧化氮或二氧化硫沉积到该表面上，它们还会造成表面上的导电。烟黑颗粒的沉积自然地发生，其中传感器的测量阶段在一定的时间零点开始并且在电极之间达到预定的导电系数时结束。这基于，随着时间的增长在传感器表面上逐渐强烈地沉积烟黑颗粒，在传感器表面上产生导电率，该导电率可以测量。在收集烟黑颗粒的第一阶段，测量直到发生导电率提高的时间并作为具有烟黑的测量气体的平均负载的量度标准。在电极之间超出一定的导电率时，传感器元件被加热到限定的第二温度，该第二温度典型地在500到800℃之间，在该温度水平上，烟黑颗粒通过在尾气中存在的氧气来燃烧，由此表现为再生阶段。在再生阶段结束后将开始下一个测量阶段。时间间隔的典型数值为：测量阶段例如是30-300s；再生阶段例如是10-40s。数值大小与烟黑作用的方式和持续时间有关。
有利的操作变型建议，设置至少两个传感器元件，其中至少一个传感器元件始终处于测量阶段并由此而确保连续地，也就是不间断的测量。第二种工作方法设计出，传感器在恒定的温度中工作，该温度在350到500℃的范围内。通过这种较高的温度水平首先将防止湿气、氧化氮或二氧化硫的沉积，由此有可能会产生干扰信号。但是可出现烟黑颗粒的沉积。通过在第一工作方法中以与第一温度成比例地提高温度，结合表面的预定的催化活性目前通过在尾气中存在的氧气也在测量过程中存在烟黑的连续燃烧，从而对应于气体的烟黑负载的烟黑沉积物在表面动态出现。相对于表面的烟黑沉积，在两个电极之间测量提高的导电率。对于烟黑分离和催化燃烧之间的动态平衡中的烟黑沉积，温度和催化活性是决定性的。传感器的输出信号在目前要么通过相应提高的导电率表示或者传感器元件的温度这样调节，即实现稳定提高的导电率，其中所需的温度显示测量信号。
传感器通常由陶瓷基体构成，例如由具有一种未进一步说明的导电率的氧化铝构成。在暴露于测量气体的表面上，涂上优选具有高电绝缘的层。在该层上安置测量电极。由此实现了电极的非常好的电绝缘并且可以通过烟黑沉积物检测已经很小的导电率。作为用于绝缘层的材料提出一种良好的电绝缘的陶瓷层，例如高纯度的Al2O3，或具有典型的层厚度为10-100μm的AlN。也可以是由SiO2或Si3N4构成的高绝缘层，借助于如溅射或CVD的方法来涂覆。
为了保护传感器或其部分区域可以安置层，该层是尾气稳定的。也可以提出一种传感器的表面，该表面具有限定的基本导电率。在这种情况中，在无烟黑沉积的传感器元件中测量限定的零电阻。因为未限定的高电阻在传感器工作中难以确定，所以这是有利的测量方法。这对于工作方法的扩展是实用的，在这种不存在烟黑分离的工作方法中，零电阻的存在表现出传感器的电的功能作用。这可以实现一种自我监测。对于废气稳定的合适材料，半导层例如是Ga2O3，CeO2或HfO2的金属氧化物。
为了在第一工作方法变型中支持再生或者在第二工作方法变型中支持烟黑的催化燃烧，传感器的表面有针对性地配属有用于将表面上沉积的烟黑氧化为临时的气体组分的催化作用。这通过以散布的形式在层的表面安置氧化催化剂来产生。散布提供不连续的区域，以至于通常可导的催化剂材料不会在电极之间起到不希望的传导作用，这可能会使测量信号失真。用于这种催化剂的材料例如是像Pt，Rh，Pa或其合金的铂系金属。也可以使用例如像Fe2O3，CeO2，MnO2，Cr2O3或HfO2的副族金属的催化活性氧化物。
通过在测量电极之间安置细微分布的、无接触的电的颗粒可以明显地降低为实现可测量导电率所需的烟黑量。
加热元件由例如用铂或铂系金属或其合金制成的金属导轨构成。在这种情况下，加热电阻是传感器元件温度的函数，并且通过加热元件的当前电阻的估值可以确定出温度。在这种情况下，加热元件用作温度传感器。对于传感器的工作原理，需要温度的精确认识。为了保护加热元件和/或温度传感器免受环境影响而老化，其要在与环境接触之前尽可能得到保护。这要么通过安置覆盖层进行，例如由高温融化的材料，如玻璃、氧化铝、二氧化硅或其中的合成物构成，或者在载体的内部安置组件，例如以多层结构嵌入该元件。
测量电极3例如由尾气稳定的金属，如Pt、Rh、铂系金属合金、铬镍合金构成，或者也可以由尾气稳定的、导电的化合物例如亚硝酸钛/TiN、亚硝酸硼/BN、碳化硅/SiC、碳化硼/B4C或者硅化钨/WSi2、或还由硅化铂/PtSi构成。测量电极可以设置薄涂层以提高在尾气中的稳定性。这种涂层这样薄或者也可以多细孔，即其不能造成电绝缘的干扰。但降低了腐蚀性的尾气组分在电极材料上的化学侵蚀。用于层的合适材料例如是尾气稳定的、但在高温中是半导电率的金属，如氧化镓或氧化铈，或者是由氧化硅或二氧化铝构成非常薄的层。
本发明的优点特别是，即提供紧凑、简单并由此而成本低廉的结构，该结构通过相应的工作方法来确定尾气中的烟黑含量。该结构由材料构成，该材料为该结构提供了所需的对于侵蚀性及腐蚀性的环境因素(例如尾气环境)下的耐抗性和蠕变强度。传感器适用于持续地监测尾气并且根本无需保养或所消耗更换零件。通过相对于具有循环设计方案的第一工作变型的计量学方法，测量原理直接参照尾气标准EURO5的规定来进行。其中规定了每行驶100km的烟黑排放。
结合图1示出了所述传感器的示意性横截面图，这也适用于图2和3。在传感器上侧示出了测量电极。在测量阶段，以气相存在的烟黑颗粒沉积到表面上并且在形成连续的电路后导致电极之间可测量的导电率。在再生阶段，沉积的烟黑颗粒氧化为临时的气体组分，如二氧化碳和湿气。对此请参见图3。图2示出了传感器处于测量阶段的示图。相对于图3，传感器处于再生阶段中。
在上述的变型中，为了获得可测量的信号需要已知数量的相关烟黑颗粒的沉积。该数量会显著减小，其方式是在向外接触的测量电极之间安置细微分布的、可传导的颗粒，这些颗粒使待烟黑颗粒通过的距离降低到一个极小值，如图4中所示。因此，不仅可以使响应传感器所需要的单位长度的质量明显下降而且可以提高在小颗粒上的敏感度。基于其明显的危害健康的潜在可能性小的颗粒要特别值得注意。另外，在选择用于这种导电颗粒的合适的传感器材料、例如铂时，可以提高表面的催化活性并且由此而提高再生过程的功效。这可以实现再生持续时间和/或再生温度的降低。
在图5中示出了通过设置附加绝缘层来提高绝缘能力的变型。在此测量电极或位于绝缘层上或安置在该层中，从而形成了用于最佳化测量薄烟黑膜的上表面结构。因此，也可以根据在图5的右半边中形成而防止电极的垂直边沿上的烟黑带来的导电率的中断。
在图6中示出了通过根据图1构成的传感器的测量。在测量的第一分钟的过程中传感器的电阻上升，因为在加热阶段时被解吸到350℃。在大约3分钟后，在800℃时进行再生步骤。在此通过衬底的本征电导率来降低电阻。在传感器再次达到其350℃的工作温度后，在4.3分钟之后，传感器暴露于开放的柴油机火焰的烟黑中。点燃后的仅几秒钟，传感器电阻几十倍以上地垂直下降，其中该电阻仍然在烟黑形成期间达到一个稳定值。通过9.5分钟以上800℃时的再生，处于活性的传感器表面的烟黑燃烧而变成临时的气态组分(主要为二氧化碳)，从而电阻又达到其原始值。
Claims (31)
1.一种检测烟黑的传感器，所述传感器具有以下部分：
-陶瓷的衬底(1)，具有暴露于测量气体中并且不导电的表面，
-在衬底表面上形成的电极结构，具有用于测量导电率的电极(3)，
-安置在所述衬底上的加热元件(2)，用于设置250-450℃的工作温度，
-至少一个温度测量装置，
-其中，通过测量所述电极(3)之间的导电率可以检测存在的烟黑沉积物，
-其中，在所述电极之间细微分布、不接触的导电的颗粒安置在所述衬底表面上，以便减少用于产生可测量的导电率所需的烟黑量。
2.根据权利要求1所述的传感器，其中，所述衬底表面具有用于燃烧烟黑的催化特性。
3.根据权利要求1至2中任一项所述的传感器，其中，所述电极交叉指地设置。
4.根据权利要求1至2中任一项所述的传感器，其中，所述传感器设计有至少一个相同类型的第二传感器，用于同时使用。
5.根据权利要求3所述的传感器，其中，所述传感器设计有至少一个相同类型的第二传感器，用于同时使用。
6.根据权利要求1至2中任一项所述的传感器，其中，所述电极设置有薄的或细微多孔的涂层以提高稳定性。
7.根据权利要求5所述的传感器，其中，所述电极设置有薄的或细微多孔的涂层以提高稳定性。
8.根据权利要求1至2中任一项所述的传感器，其中，所述陶瓷衬底附加地设置有良好电绝缘的层，所述层同时是尾气稳定的。
9.根据权利要求7所述的传感器，其中，所述陶瓷衬底附加地设置有良好电绝缘的层，所述层同时是尾气稳定的。
10.根据权利要求1至2中任一项所述的传感器，其中，在所述衬底上或安置在所述衬底上的高电绝缘层上以分散的形式安置有氧化催化剂，从而存在不连续的层。
11.根据权利要求9所述的传感器，其中，在所述衬底上或安置在所述衬底上的高电绝缘层上以分散的形式安置有氧化催化剂，从而存在不连续的层。
12.根据权利要求1至2中任一项所述的传感器，其中，所述加热元件可以同时作为温度传感器工作。
13.根据权利要求11所述的传感器，其中，所述加热元件可以同时作为温度传感器工作。
14.根据权利要求1至2中任一项所述的传感器，其中，所述加热元件和/或温度传感器在表面装配时覆盖有保护层或安装在传感器基体的内部的多层结构中。
15.根据权利要求13所述的传感器，其中，所述加热元件和/或温度传感器在表面装配时覆盖有保护层或安装在传感器基体的内部的多层结构中。
16.根据权利要求1至2中任一项所述的传感器，其中，所述衬底表面或安置在所述衬底表面上的层具有预设的基本导电率，以限定零电阻。
17.根据权利要求15所述的传感器，其中，所述衬底表面或安置在所述衬底表面上的层具有预设的基本导电率，以限定零电阻。
18.一种用于使根据权利要求1至17中任一项所述的传感器工作以检测烟黑的方法，所述方法具有以下步骤：
-在所述传感器上设定用于测量阶段的第一工作温度，从而使所述烟黑可以沉积到所述衬底表面上，但防止其他干扰烟黑测量的沉积，
-记录从测量开始直到在所述电极之间出现提高的导电率的时间，
-在所述传感器上设定用于再生阶段的第二工作温度，从而使沉积的烟黑利用测量气体中存在的氧气燃烧。
19.根据权利要求18所述的方法，其中，在使用至少两个传感器时，通过相对交替的工作使至少一个传感器处于测量阶段中。
20.根据权利要求18或19所述的方法，其中，所述第一工作温度在250到450℃之间。
21.根据权利要求18或19所述的方法，其中，所述第二工作温度在500到800℃之间的范围内。
22.根据权利要求20所述的方法，其中，所述第二工作温度在500到800℃之间的范围内。
23.根据权利要求18或19所述的方法，其中，通过选择所述第一工作温度防止湿气、氧化氮或二氧化硫凝聚到所述衬底表面上。
24.根据权利要求22所述的方法，其中，通过选择所述第一工作温度防止湿气、氧化氮或二氧化硫凝聚到所述衬底表面上。
25.根据权利要求18或19所述的方法，其中，测量阶段的持续时间在30到300s之间的范围内，再生阶段的持续时间在10到40s之间的范围内。
26.根据权利要求24所述的方法，其中，测量阶段的持续时间在30到300s之间的范围内，再生阶段的持续时间在10到40s之间的范围内。
27.一种用于使根据权利要求1至17中任一项所述的传感器工作以检测烟黑的方法，该方法具有以下步骤：
-在所述传感器上设定恒定的工作温度，用于设定测量和再生之间的动态平衡，以使得所述烟黑沉积到所述衬底表面上并产生提高的导电率，并且所述衬底表面的预定的催化活性引起烟黑成分的持续燃烧，
-测量信号基于存在的导电率产生。
28.根据权利要求27所述的方法，其中，所述恒定的工作温度在350到500℃之间。
29.根据权利要求27或28所述的方法，其中，产生测量信号，在导电率保持恒定的情况下测量信号以温度变化为基础。
30.根据权利要求27或28所述的方法，其中，所述衬底表面提供限定的零电阻，根据该零电阻，所述传感器的电的功能作用可被调整以自我监控。
31.根据权利要求29所述的方法，其中，所述衬底表面提供限定的零电阻，根据该零电阻，所述传感器的电的功能作用可被调整以自我监控。
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