CN106662518B - 用于检测微粒的传感器 - Google Patents

Abstract

建议一种用于检测微粒、尤其是炭黑颗粒的传感器（10）。该传感器包括传感器元件（12），其具有至少两个布置在载体衬底（16）上的测量电极（14），和包括保护管结构（18），其具有至少一外部保护管（20）和内部保护管（22）。所述传感器元件（12）在纵向延伸方向（24）上布置在内部保护管（22）中。所述外部保护管（20）和内部保护管（22）被设计成允许微粒进入到传感器元件（12）。所述内部保护管（22）被设计成允许微粒在偏离纵向延伸方向（24）的方向（40）上进入到传感器元件（12）。

Description

用于检测微粒的传感器

现有技术

由现有技术已知大量的方法和装置，用于检测微粒，例如炭黑或粉尘颗粒。

下面不受其它实施方式和应用限制地、尤其参照用于检测微粒、尤其是在燃烧发动机的废气流中的炭黑颗粒的传感器描述本发明。

由实践中已知，利用两个布置在陶瓷上的电极测量在废气中的微粒、例如炭黑或粉尘颗粒的浓度。这一点例如可以通过测量分开两个电极的陶瓷材料的电阻实现。准确地说，测量在施加电压在电极上时在电极之间流动的电流。炭黑颗粒由于静电力沉积在电极之间，并且随着时间形成在电极之间的可导电的桥。这些桥存在得越多，测量的电流就越大。因此形成电极的增大的短路。

这种传感器例如安装在燃烧发动机、例如柴油机结构形式的内燃机的废气系统中。这些传感器一般位于排气阀或者炭黑颗粒过滤器的下游。

尽管由现有技术已知的用于检测微粒的装置的大量优点，但是它们还是有改进潜力。所述颗粒传感器用于确定废气支管中的炭黑量，用于监控柴油发动机的颗粒过滤器。所述传感器包括陶瓷的传感器元件，它被保护管包围。所述陶瓷传感器元件具有电极系统，它用于以炭黑的导电性为基础测量炭黑。所述保护管尤其用于沿着传感器元件的炭黑敏感的表面输送测量气体流。常见的保护管方案以双重保护管为基础，即外部的保护管和内部的保护管。通过在外部保护管与内部保护管之间的环缝作为废气进入缝隙实现传感器的与角度的独立性，因为流入的废气均匀地分布在内部与外部的保护管之间的空间上。这样地形成废气进入到内部保护管中，使得实现在密封填料的方向上的优先流动。进入到这个区域中的废气由于内部保护管的烟囱形的造型必须纵向地沿着传感器元件在出口方向上流动。由此所述保护管在传感器元件的纵向延伸方向上沿着主电极方向在同时微小的角度依赖关系下引起在传感器元件上的均匀的流过。

这种均匀的层流式的流过的缺陷是，尽管许多炭黑颗粒漂浮在电极系统上面，但是电极系统不一定完全以颗粒加载。只有在靠近电极表面上面的层中流动的颗粒经历足够强大的通过电泳和热泳垂直于主流动方向的吸引力并且由此被吸引和形成连续的炭黑路径。但是这一点只在靠近电极表面的层中实现。如果电场足够强大，出现非常迅速的吸引，并且颗粒不再在传感器元件的纵向延伸方向继续运动，而是着落在电极系统上。但是在较高的层-在电极表面与内部保护管之间的距离为几毫米-中的所有颗粒没有经受或者只经受非常弱的垂直于飞行方向的力，并因此完全飘过电极系统，并且再次离开保护管。因此它们无助于测量效果。相反，如果完成吸引，则这一点非常快速地实现并且只在前端的区域中实现对电极的加载。因此存在的电极表面没被完全利用。

发明内容

因此建议一种用于检测微粒、尤其是炭黑颗粒的传感器，它至少很大程度地避免上述缺陷，并且在这个传感器中这样改进用于微粒的流动导向，使所述传感器元件与外部条件、例如燃烧发动机的运行点无关地总是从相同方向被流过，并且尤其炭黑敏感的电极系统的整个表面尽可能均匀地以微粒加载。在此要保持沿着电极系统的主方向有利地流过电极。

按照本发明的用于检测微粒、尤其是炭黑颗粒的传感器，包括传感器元件，其具有至少两个布置在载体衬底上的测量电极，和保护管结构，其具有至少一外部保护管和内部保护管。所述传感器元件在纵向延伸方向上布置在内部保护管中。所述外部保护管和内部保护管被设计成允许微粒进入到传感器元件。所述内部保护管被设计成允许微粒在偏离纵向延伸方向的方向上进入到传感器元件。

所述内部保护管可以具有翻板，它们在传感器元件的方向上突出来。所述内部保护管可以具有开孔，它们邻接翻板。所述翻板可以相对于纵向延伸方向倾斜。所述传感器还包括传感器外壳。所述传感器元件可以在纵向延伸方向上从传感器外壳伸出来。所述翻板可以具有不同长度。所述翻板的长度可以在纵向延伸方向上离开传感器外壳地增加。所述翻板可以布置在内部保护管的面对测量电极的区段处。所述传感器还可以包括传感器外壳。所述传感器元件可以在纵向延伸方向上从传感器外壳伸出来。所述内部保护管可以在纵向延伸方向上离开传感器外壳地收缩。所述内部保护管可以均匀地或者不均匀地、尤其台阶形地收缩。所述传感器还可以包括中间保护管，它布置在外部保护管与内部保护管之间。所述内部保护管可以具有不同开孔面积的开孔。所述开孔面积在纵向延伸方向上离开传感器外壳地减小。所述内部保护管可以在背离传感器外壳的端面上与中间保护管连接。所述内部保护管可以在横截面垂直于纵向延伸方向时具有矩形的、尤其正方形的横截面形状。

关于本发明意义上的微粒尤其理解为导电的微粒，例如炭黑或粉尘颗粒。

关于测量电极在本发明的范围内理解为适用于测量电流电压的电极。

关于电流电压测量在本发明的范围内理解为一种测量，在测量时，或者在测量电极上施加确定的电压并且测量在测量电极之间的电流，或者在测量电极上施加电流，并且测量在测量电极之间的电压。电流电压测量尤其可以是电阻测量，其中通过测量电极可以测量电阻。例如，可以实现电压控制的或电压调节的测量，和/或电流控制的和/或电流调节的测量。施加电流和/或电压可以以连续信号的形式和/或以脉冲信号的形式实现。例如，可以施加直流电压和/或直流电流，并且检测电流应答或电压应答。替代地可以施加脉冲的电压和/或脉冲的电流，并且检测电流应答或电压应答。

关于交叉指型电极在本发明的范围内理解为这样布置的电极，它们相互嵌接，尤其梳形地相互嵌接。

关于电绝缘的材料在本发明的范围内理解为各种适合于阻止电流的材料。尤其在本发明的范围内电绝缘的材料理解为陶瓷的形式，它们在较高温时，例如其典型地在机动车的排气设备中产生的那样，也具有可忽略的导电性。在此尤其可以使用氧化铝。

关于层在本发明的范围内理解为具有一定高度的、平面的扩展的单一物质，它可以位于其它构件的上面、下面或之间。

本发明的基本思想是具有特殊造型的内部保护管，它划分例如在燃气流中的微粒向着在电极系统的区域中的传感器元件的表面的进入，以便使来自整个的、进入到外部保护管中的燃气流通过内部保护管带入到沿着整个电极的电的近场中并最终带到电极结构本身上。因此可以利用用于形成信号的整个电极表面，这伴随着明显提高的敏感性。

尤其可以使用三重保护管，用于不仅保证相对于由各自的发动机运行点引起的不同的运行条件的独立性，而且这样地构成流动导向，沿着传感器电极的整个长度（在x方向上）使颗粒可以尽可能均匀分布地一直到进入近场中，其中使颗粒垂直于主流动方向地、即在z方向上，经受电的和/或热的吸引力并且然后被吸引到电极表面上或者被中间空间吸引，粘附在那里并且在足够长的加载时形成在两个电极指之间的导电路径。通过沿着在电极结构上的整个范围（在x方向上）具有多个翻板和开孔的内部保护管的造型，使流动并由此使颗粒也在z方向上得到加速，并因此可以沿着整个电极结构进入到电的近场中。在此也可以无定向地实施传感器元件的安装。在此多个翻板在圆周/横截面上分布地安置。但是在最大可实现的敏感性方面定向地安装传感器元件是有利的。在此沿着圆周只使用一个翻板就足够了，它分别直接位于传感器元件的电极表面上方。在定向地安装传感器元件的情况下代替圆柱形的内部保护管也可以使用正方形的内部保护管。

在优选的实施方式中，所述保护管包括具有分级的长度的翻板，它们导致整个电极表面的特别均匀的加载。在另一实施方式中，对于内部保护管不使用翻板，而是使用在端面方向上不同的、减小的尺寸的孔。此外所述内部保护管与中间保护管在端面机械地连接。由此这样调整压力特性，使得同样达到均匀地分布燃气流并由此均匀地分布颗粒。这些孔例如可以冲压制成，这在加工技术上可以方便地实施。

对于上述的主要以三重保护管的形式的变型替代地，能够实现双重保护管形式的实施方式，它们同样提高传感器敏感性，其中它们使燃气流划分开，并且有目的地在电极结构的整个长度上使颗粒尽可能均匀地分布到电的近场中。

在这种变型中翻板位于内部保护管中，它们通过冲压被置入并因此在侧面上形成附加的气体进入口。通过平行于电极布置的翻板干扰在传感器元件上面的层流，并因此保证，更快速地再输运炭黑颗粒到电场的附近范围中。同时，通过翻板降低在较高废气速度时探针的加热功率需求，因为这产生旁路效应，其中不再是整个试样质量流被从传感器元件旁边引导。此外炭黑颗粒的沉积不再与废气流速有关。

在另一实施方式中内部保护管配有翻板，但是没有附加的气体进入口。在此通过横截面的强烈的偏转和变窄迫使流体重新混合，由此在传感器元件的附近范围中又可以进入新的颗粒，用于通过电泳沉积。

替代地，可以使用没有附加的孔的内部保护管，但是它向着气体出口所在的端面收缩。横截面的收缩使来自在前面的区段中没有能够通过电泳达到的层的颗粒移向传感器元件。

附图说明

由下面优选的、在附图中简示的实施例的描述给出本发明的其它可选择的细节和特征。

附图示出：

图1 按照本发明的第一实施方式的用于检测微粒的传感器的纵剖面图，

图2 按照本发明的第二实施方式的用于检测微粒的传感器的纵剖面图，

图3 按照本发明的第三实施方式的用于检测微粒的传感器的纵剖面图，

图4 按照本发明的第四实施方式的用于检测微粒的传感器的纵剖面图，

图5 按照本发明的第五实施方式的用于检测微粒的传感器的纵剖面图，

图6 第五实施方式的传感器的横剖面图，

图7 按照本发明的第六实施方式的用于检测微粒的传感器的横剖面图，

图8 按照第六实施方式的传感器的另一个横剖面图，

图9 第六实施方式的传感器的改型的横剖面图，

图10 按照第七实施方式的用于检测微粒的传感器的纵剖面图，

图11 按照本发明的第八实施方式的用于检测微粒的传感器的纵剖面图。

具体实施方式

图1示出用于检测微粒、尤其在燃气流、例如燃烧发动机的废气流中的炭黑颗粒的传感器10的纵剖面图，它用于安装在机动车的排气管路中。例如传感器10构造为炭黑传感器并且优选布置在具有柴油内燃机的机动车的炭黑颗粒过滤器的下游。传感器10包括传感器元件12，其具有至少两个布置在载体衬底16上的测量电极14。载体衬底16可以由陶瓷材料制成，例如氧化硅和/或氧化铝和/或氧化锆。测量电极14可以布置在载体衬底16上，尤其作为交叉指型电极。

传感器10还包括保护管结构18，具有至少一外部保护管20和内部保护管22。传感器元件12在纵向延伸方向24上布置在内部保护管22中。在此外部保护管20包围内部保护管22。传感器10还具有传感器外壳26。这样地布置传感器元件12，使它在纵向延伸方向24上从传感器外壳26伸出来。

外部保护管20和内部保护管22被设计成允许微粒进入到传感器元件12，如同下面详细地描述的那样。因此外部保护管20在背离传感器外壳26的端面28处具有进入口30。进入口30例如构造为环缝。通过进入口30微粒可以进入到外部保护管20与内部保护管22之间的中间空间31中。为了允许微粒从在外部保护管20与内部保护管22之间形成的中间空间31进入，内部保护管22在面对传感器外壳26的后端部32处具有进入口34。在此进入口34可以相对于纵向延伸方向24倾斜。为了允许微粒从在内部保护管22与传感器元件12之间形成的内室35排出，内部保护管22在背离传感器外壳26的端面36处具有排出孔38。内部保护管22尤其被设计成允许微粒在偏离纵向延伸方向24的方向40上进入到传感器元件12。在所示的实施例中内部保护管22具有翻板42，它们在传感器元件12方向上突出。翻板42相对于纵向延伸方向24倾斜。由此使通过进入口34进入到在内部保护管22与传感器元件12之间形成的内室35中的且在排出孔38方向上流动的微粒流在翻板42处被在传感器元件12的方向上偏转。

图2示出按照本发明的第二实施方式的用于检测微粒的传感器10的纵剖面图。下面仅仅描述与上述实施方式的差别，并且相同的构件配有相同的附图标记。在第二实施方式的传感器10中内部保护管22具有开孔44，它们邻接翻板42。由此进入到中间空间31中的微粒的一部分已经通过开孔44流动，并且在翻板42上在传感器元件12的方向上偏转。微粒的其余的部分通过进入口34进入到内室35中，并且与在第一实施方式中一样在到出口38的方向上流动时在翻板42上在传感器元件12的方向上偏转。

图3示出按照本发明的第三实施方式的用于检测微粒的传感器10的纵剖面图。下面仅仅描述与上述实施方式的差别，并且相同的构件配有相同的附图标记。第三实施方式的传感器10没有翻板。取而代之，内部保护管22在纵向延伸方向24上离开传感器外壳26地收缩。内部保护管22尤其均匀地收缩，即，内部保护管22的内径在纵向延伸方向24上离开传感器外壳26地均匀减小。通过内部保护管22的逐渐地收缩，使通过进入口34进入到在内部保护管22与传感器元件12之间形成的内室35中的且在出口38的方向上流动的微粒流在传感器元件12方向上偏转。

图4示出按照本发明的第四实施方式的用于检测微粒的传感器10的纵剖面图。下面仅仅描述与上述实施方式的差别，并且相同的构件配有相同的附图标记。第四实施方式的传感器10以第三实施方式的传感器10为基础。在此内部保护管33不均匀地收缩。因此内部保护管22具有台阶形的收缩46，由此使内部保护管台阶形地收缩。通过内部保护管22的台阶形的收缩部46，使通过进入口34进入到在内部保护管22与传感器元件12之间形成的内室35中的且在出口38的方向上流动的微粒流在传感器元件12方向上偏转。

图5示出按照本发明的第五实施方式的用于检测微粒的传感器10的纵剖面图。下面仅仅描述与上述实施方式的差别，并且相同的构件配有相同的附图标记。第五实施方式的传感器10以第二实施方式的传感器10为基础。保护管结构18还具有中间保护管48。为了允许微粒从在外部保护管20与中间保护管48之间的中间空间49在内部保护管22的进入口34的方向上排出，中间保护管48在面对传感器外壳26的后端部50处具有进入口52。通过进入口34微粒进入到在中间保护管48与内部保护管22之间形成的中间空间53中。如同通过箭头54表示的那样，微粒从在中间保护管48与内部保护管22之间形成的中间空间53通过邻接翻板42的开孔44进入到内部保护管22的内室35中，并由此到达传感器元件12。

图6示出第五实施方式的传感器10的横剖面图。在此该剖面垂直于纵向延伸方向24延伸。由图6可以看出，传感器元件12无需平行于一排翻板42地在纵向延伸方向24上定向。在这种情况下可以涉及传感器元件12的非定向的安装。在此内部保护管22具有基本上圆形的横剖面。此外可以看出，例如可以设有四排56翻板42，它们在圆周方向上围绕纵向延伸方向24均匀地相间隔并且分别布置在纵向延伸方向24上。

图7示出按照本发明的第六实施方式的用于检测微粒的传感器10的纵剖面图。下面仅仅描述与上述实施方式的差别，并且相同的构件配有相同的附图标记。第六实施方式的传感器10以第五实施方式的传感器10为基础。第六实施方式的传感器10这样地构成，翻板42布置在内部保护管22的面对测量电极14的区段58上。在内部保护管22的其余区段中不设置翻板42和开孔44。

图8示出按照第六实施方式的传感器10的横剖面图。在此剖面垂直于纵向延伸方向24延伸。图8表明图7的结构。可以清楚地看出，翻板42只布置在内部保护管22的面对测量电极14的区段58上，否则在圆周方向上不设置翻板42。

图9示出按照第六实施方式的一种修改的传感器10的横剖面图。在这个修改中内部保护管22具有矩形的且尤其正方形的横剖面。在此该横剖面是在垂直于纵向延伸方向24上看的。

图10示出按照本发明的第七实施方式的用于检测微粒的传感器10的纵剖面图。下面仅仅描述与上述实施方式的差别，并且相同的构件配有相同的附图标记。第七实施方式的传感器10以第五实施方式的传感器10为基础。翻板42具有不同的长度。翻板42的长度在纵向延伸方向24上离开传感器外壳26地增加。换言之，那些在纵向延伸方向24上更远地离开传感器外壳26的翻板42具有比那些更靠近传感器外壳26的翻板更长的长度。

图11示出按照本发明的第八实施方式的用于检测微粒的传感器10的纵剖面图。下面仅仅描述与上述实施方式的差别，并且相同的构件配有相同的附图标记。第八实施方式的传感器10以第五实施方式的传感器10为基础。代替翻板42内部保护管22具有开孔60。开孔58,60具有不同的开孔面积。开孔面积在纵向延伸方向24上离开传感器外壳26地减小。换言之，那些在纵向延伸方向24上更远地离开传感器外壳26的开孔60具有比更靠近传感器外壳26的那些开孔60更小的开孔面积。

Claims (13)

1.一种用于检测微粒的传感器（10），包括传感器元件（12），其具有至少两个布置在载体衬底（16）上的测量电极（14），和保护管结构（18），其具有至少一外部保护管（20）和内部保护管（22），其中所述传感器元件（12）在纵向延伸方向（24）上布置在内部保护管（22）中，其中所述外部保护管（20）和内部保护管（22）被设计成允许微粒进入到传感器元件（12），其中，所述内部保护管（22）被设计成允许微粒在偏离纵向延伸方向（24）的方向（40）上进入到传感器元件（12），其中保持沿着传感器元件（12）的纵向延伸方向（24）流过电极，其中，所述传感器（10）还包括传感器外壳（26），其中，所述传感器元件（12）在纵向延伸方向（24）上从传感器外壳（26）伸出来，其中，所述内部保护管（22）沿着所述纵向延伸方向（24）具有不同开孔面积的开孔（60），并且其中，所述开孔面积在纵向延伸方向（24）上离开传感器外壳（26）地减小。

2.一种用于检测微粒的传感器（10），包括传感器元件（12），其具有至少两个布置在载体衬底（16）上的测量电极（14），和保护管结构（18），其具有至少一外部保护管（20）和内部保护管（22），其中所述传感器元件（12）在纵向延伸方向（24）上布置在内部保护管（22）中，其中所述外部保护管（20）和内部保护管（22）被设计成允许微粒进入到传感器元件（12），其中，所述内部保护管（22）被设计成允许微粒在偏离纵向延伸方向（24）的方向（40）上进入到传感器元件（12），其中保持沿着传感器元件（12）的纵向延伸方向（24）流过电极，其中，所述内部保护管（22）具有翻板（42），它们在传感器元件（12）的方向上突出，其中，所述传感器（10）还包括传感器外壳（26），其中，所述传感器元件（12）在纵向延伸方向（24）上从传感器外壳（26）伸出来，其中，所述翻板（42）具有不同长度，其中，所述翻板（42）的长度在纵向延伸方向（24）上离开传感器外壳（26）地增加。

3.如权利要求2所述的传感器（10），其中，所述内部保护管（22）具有开孔（44），它们邻接翻板（42）。

4.如权利要求2或3所述的传感器（10），其中，所述翻板（42）相对于纵向延伸方向（24）倾斜。

5.如权利要求2所述的传感器（10），其中，所述微粒是炭黑颗粒。

6.如权利要求2或3所述的传感器（10），其中，所述翻板（42）布置在内部保护管（22）的面对测量电极（14）的区段（58）处。

7.如权利要求2或3所述的传感器（10），还包括传感器外壳（26），其中，所述传感器元件（12）在纵向延伸方向（24）上从传感器外壳（26）伸出来，其中，所述内部保护管（22）在纵向延伸方向（24）上离开传感器外壳（26）地收缩。

8.如权利要求7所述的传感器（10），其中，所述内部保护管（22）均匀地或者不均匀地收缩。

9.如权利要求2或3所述的传感器（10），还包括中间保护管，它布置在外部保护管（20）与内部保护管（22）之间。

10.如权利要求9所述的传感器（10），其中，所述内部保护管（22）在背离传感器外壳（26）的端面（36）处与中间保护管连接。

11.如权利要求2或3所述的传感器（10），其中，所述内部保护管在横截面垂直于纵向延伸方向（24）时具有矩形的横截面形状。

12.如权利要求7所述的传感器（10），其中，所述内部保护管（22）台阶形地收缩。

13.如权利要求2或3所述的传感器（10），其中，所述内部保护管在横截面垂直于纵向延伸方向（24）时具有正方形的横截面形状。

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