CN109997026A - 用于运行用于检测在测量气体空间中的测量气体的颗粒的传感器元件的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种用于运行用于检测在测量气体空间中的测量气体的颗粒的传感器元件的方法。所述传感器元件具有载体和至少一个测量电极，所述至少一个测量电极与所述载体连接并且能够暴露在所述测量气体中。所述方法包括如下步骤：a)以第一再生温度实施所述传感器元件的第一再生；b)在所述测量电极上实施第一诊断测量；并且c)根据所述第一诊断测量的结果实施以下步骤中的至少一个步骤：c1)输出故障通报；c2)实施测量阶段以检测所述测量气体的颗粒；或者c3)以第二再生温度实施所述传感器元件的第二再生。

Description

用于运行用于检测在测量气体空间中的测量气体的颗粒的传 感器元件的方法

背景技术

由现有技术已知用于检测在测量气体空间中的测量气体的颗粒的多种传感器元件。测量气体例如可以涉及内燃机的废气(Abgas)。颗粒尤其可以涉及炭黑颗粒或灰尘颗粒。以下在不限制另外的实施方式和应用的情况下尤其参照用于探测炭黑颗粒的传感器元件来描述本发明。

在电绝缘的载体上可以安装两个或多个金属电极。在电压的作用下积聚的微粒、尤其炭黑颗粒在传感器元件的聚集阶段中形成在例如构型为梳状地彼此啮合的叉指形电极(Interdigitalelektrode)的电极之间的能导电的桥并且由此将这些电极短路。在再生(regenerieren)阶段中，电极通常借助集成的加热元件进行自燃(freibrennen)。通常，颗粒传感器分析处理电极结构的基于颗粒积聚而变化的电特性。例如可以在施加有恒定的电压的情况下测量出减小的电阻或增大的电流。根据这种原理进行工作的传感器元件通常称为电阻式传感器并且以多种实施方式存在，例如由DE 103 19 664 A1、DE 10 2006 042362 A1、DE 103 53 860 A1、DE 101 49 333 A1和WO 2003/006976 A2已知。构型为颗粒传感器或炭黑传感器的传感器元件通常用于监测柴油颗粒过滤器。在内燃机的排气管道(Abgastrakt)中，所描述的类型的颗粒传感器通常容纳在保护管中，该保护管同时例如允许以废气流经颗粒传感器。

在正在再生的阶段或再生阶段中，在测量前将颗粒传感器例如加热到大约785℃。由此使得至少一个测量电极——例如叉指形电极(IDE)——处在定义的、优选无炭黑的状态，该状态可以用作颗粒测量的起点。残留的炭黑剩余物可能歪曲后续的测量。然而在这种方法的情况下的挑战原则上在于：将传感器元件、尤其测量电极加热到用于炭黑燃尽的相对高的温度可能长期地损害测量电极、尤其电路板电极，特别是因为该测量电极通常暴露(aussetzen)在大气中。

发明内容

因此，在本发明的范畴内提出一种用于运行用于检测在测量气体空间中的测量气体的颗粒的传感器元件的方法。该传感器元件包括载体和至少一个测量电极、尤其至少一个叉指形电极，所述至少一个测量电极与载体连接并且可以暴露在测量气体中。该方法包括以下描述的方法步骤，所述方法步骤可以优选地——然而不必须地——以所示出的顺序来实施。此外，也可以同时地或在时间上重叠地实施一个或多个方法步骤。此外，也可以重复地实施一个或多个方法步骤或所有方法步骤。该方法也可以超出所示出的方法步骤地包括另外的方法步骤。该方法包括以下步骤：

a)以第一再生温度实施传感器元件的第一再生；

b)在测量电极上实施第一诊断测量；并且

c)根据第一诊断测量的结果实施以下步骤中的至少一个步骤：

c1)输出故障通报；

c2)实施测量阶段以检测测量气体的颗粒；或者

c3)以第二再生温度实施传感器元件的第二再生。

在本发明的范畴内，“传感器元件”理解为任意的如下设备：该设备适用于定性地和/或定量地检测颗粒，并且该设备例如可以借助适合的操控单元和适合地构型的电极相应于所检测到的颗粒产生电测量信号，例如电压或电流。所检测到的颗粒尤其可以涉及炭黑颗粒和/或灰尘颗粒。在此可以使用直流信号和/或交流信号。此外，例如为了信号分析处理，可以从阻抗中使用阻性分量和/或容性分量。关于传感器元件的可能的构型方案例如可以参照以上提及的现有技术。然而，其他的构型方案也是可能的。

传感器元件尤其可以设置用在机动车中。测量气体尤其可以涉及机动车的废气。其他的气体和气体混合物原则上也是可能的。测量气体空间原则上可以涉及任意的、敞开的或封闭的空间，在该空间中容纳有测量气体和/或该空间由测量气体流经。测量气体空间例如可以涉及内燃机(例如内燃发动机)的排气管道。

传感器元件包括载体和至少一个测量电极，所述至少一个测量电极与载体连接并且可以暴露在测量气体中。所述至少一个测量电极尤其可以布置在载体的表面上或从载体的表面对于测量气体是可触及的。至少一个测量电极尤其可以具有多个测量电极，例如至少一个第一测量电极和至少一个第二测量电极。所述测量电极尤其可以形成至少一个叉指形电极，即两个彼此啮合的如下测量电极的结构：所述测量电极分别具有彼此啮合的电极指。然而至少一个测量电极的其他布置原则上也是可能的。

在本发明的范畴内，“载体”原则上理解为任意的如下基底(Substrat)：该基底适用于承载至少一个测量电极，和/或至少一个测量电极可以施加到该基底上。在本发明的范畴内，“测量电极”原则上理解为任意的如下电导体：该电导体适用于电流测量和/或电压测量，和/或该电导体可以给与电极装置存在接通的至少一个元件施加电压和/或电流。在本发明的范畴内，概念“电极指”原则上理解为测量电极的任意的如下外形：该外形在一个维度中的尺寸显著超过在至少一个其他的维度中的尺寸，例如是至少2倍、优选是至少3倍、特别优选是至少5倍。在本发明的范畴内，“多个”原则上理解为至少两个的任意数量。

至少一个测量电极尤其可以包括铂和/或完全地或部分地由铂组成。合金原则上也是可能的。替代使用铂或除了使用铂以外，也可以使用其他金属。

载体可以包括至少一种陶瓷材料作为载体材料。载体尤其可以包括氧化的陶瓷，优选氧化铝、尤其三氧化二铝。然而，其他的氧化物、例如氧化锆是可能的。此外，载体可以包括至少一种电绝缘的材料。载体可以具有载体表面。在本发明的范畴内，“载体表面”原则上理解为任意的如下层：该层由载体的周围环境限界该载体，并且在该层上施加有至少一个测量电极。

通常应指出：在本发明的范畴内，概念“第一”、“第二”或“第三”以及对此相应的变型用作纯粹的名称和命名，而不是出于编号的目的。因此，例如可以存在第一元件和第三元件，而不一定需要第二元件，或者可以存在第二元件，而不存在第一元件，或者可以存在第一元件，而不存在第二元件或第三元件。

在本发明的范畴内，“以再生温度的再生”原则上理解为将传感器元件或该传感器元件的一部分加热到再生温度，其中，可以使用一个或多个如下的再生温度：所述再生温度可以是固定的或也可以是可变的。在此，如此选择至少一个再生温度，使得颗粒至少部分地在热学上远离至少一个测量电极。至少一个再生温度尤其可以高于500℃，例如在500℃与1100℃之间的范围中。

在本发明的范畴内，“在至少一个测量电极上的诊断测量”理解为如下测量：在所述测量的情况下求取至少一个测量值，所述至少一个测量值可以推断出至少一个测量电极的状态，尤其至少一个测量电极铺设有颗粒。在此，尤其可以涉及至少一个电测量值，例如从由电流、电压或电阻构成的组中选出的至少一个电测量值。因此，至少一个测量电极例如可以包括两个或更多的测量电极，并且诊断测量例如可以包括在至少两个测量电极之间的电阻测量或者，替代地或附加地包括在至少两个测量电极之间预给定的电压的情况下的电流测量或者，替代地或附加地包括在至少两个测量电极之间预给定的电流的情况下的电压测量。不同的构型方案是可能的并且对于本领域内技术人员原则上是已知的。

在本发明的范畴内，“根据第一诊断测量的结果实施一个或多个方法步骤”通常理解为有条件地实施一个方法步骤或多个方法步骤。在此，有条件的实施可以包括一个或多个询问，例如将诊断测量的至少一个测量值与至少一个阈值进行比较，其中，根据比较的结果选择方法步骤。

在本发明的范畴内，“故障通报”通常理解为如下信号：该信号使接收信号的设备和/或接收信号的人员能够推断出故障的存在。信号例如可以是或包括电信号、声学信号、光学信号或触觉信号。相应地，“输出故障通报”理解为传送信号和/或提供信号。

“用于检测测量气体的颗粒的测量阶段”通常理解为如下过程：在该过程的情况下求取至少一个测量参量，所述至少一个测量参量与测量气体中的颗粒相关。例如可以产生至少一个电测量参量，所述至少一个电测量参量可以推断出测量气体中的颗粒的浓度。测量阶段尤其可以包括多个以时间顺序的测量，从而例如也可以由以至少一个测量值(例如在至少两个测量电极之间的电流)的变化的形式的测量参量推断出颗粒浓度。

第二再生温度尤其可以高于第一再生温度。第二再生温度尤其可以比第一再生温度高例如至少50℃、优选至少70℃。第一再生温度例如可以是650-730℃、尤其690℃。此外，第二再生温度例如可以是745-825℃、尤其785℃。第一再生温度例如可以是690℃，并且第二再生温度可以是785℃。然而，其他的值原则上也是可能的。

第一诊断测量尤其可以包括在测量电极中的至少两个之间的分路诊断。“分路诊断”通常可以理解为如下方法：在该方法的情况下产生至少一个测量值，所述至少一个测量值可以推断出在至少两个测量电极之间的电分路。分路诊断通常可以包括例如测量在预给定的电压的情况下在至少两个测量电极之间的电流和/或测量在至少两个测量电极之间的电阻。然而，其他的测量值原则上也是可能的。

在方法步骤c)中，尤其可以将第一诊断测量的结果(例如至少一个诊断测量值)与第一阈值进行比较。该比较例如可以完全地或部分地以软件(例如借助相应的软件例行程序)或者完全地或部分地以硬件(例如借助比较器)实施。该方法尤其可以如此构型，使得当第一诊断测量的结果高于第一阈值时，实施方法步骤c1)。“诊断测量的结果”例如可以理解为至少一个诊断测量值。此外，当结果低于第一阈值时，可以将该结果与低于第一阈值的第二阈值进行比较。诊断测量值例如可以包括在至少两个测量电极之间的至少一个电流，所述至少一个电流例如在第一再生后在预给定的电压的情况下直接测量。第一阈值例如可以是5μA，并且第二阈值可以是2μA。然而，其他的阈值也是可能的。此外，还可以如此实施该方法，使得当该结果(例如诊断测量值)低于第二阈值时，实施方法步骤c2)。此外，可以如此实施该方法，使得当结果(例如诊断测量值)处在第一阈值与第二阈值之间时，实施方法步骤c3)。

此外，可以如此构型该方法，使得在实施方法步骤c3)后实施以下方法步骤：

d)在测量电极上实施第二诊断测量。

该方法例如可以如此构型，使得仅当第一诊断测量的结果处在第一阈值与第二阈值之间时，例如在实施传感器元件的第二再生后才实施方法步骤d)。

此外，还可以如此实施该方法，使得继续地实施以下方法步骤：

e)根据第二诊断测量的结果实施以下步骤中的至少一个步骤：

e1)输出故障通报；或者

e2)实施测量阶段以检测测量气体的颗粒。

因此，在方法步骤e)中例如可以将第二诊断测量的结果(例如第二诊断测量值)与第三阈值进行比较。方法步骤e1)或e2)的实施例如可以根据该比较的结果来实施。该比较例如又可以完全地或部分地以软件和/或完全地或部分地以硬件来实现。当第二诊断测量的结果(例如第二诊断测量值)高于第三阈值时，例如可以实施方法步骤e1)。当第二诊断测量的结果(例如第二诊断测量值)低于第三阈值时，尤其可以实施方法步骤e2)。在此，第三阈值和第一阈值可以相等地构型。然而，另一第三阈值原则上也是可能的。

在本发明的另一方面中，提出一种用于检测在测量气体空间中的测量气体的颗粒、尤其炭黑颗粒的传感器。该传感器包括至少一个传感器元件和至少一个控制装置，所述至少一个控制装置与传感器元件连接。该传感器元件具有载体和至少一个测量电极、尤其至少一个叉指形电极，所述至少一个测量电极与载体连接并且可以暴露在测量气体中。该控制装置设置用于实施根据本发明——例如根据以上描述的构型方案中的一个或多个或者根据以下进一步描述的构型方案中的一个或多个——的方法。

在本发明的范畴内，“控制装置”在此通常理解为如下的设备：该设备设置用于开始、结束、控制或调节在另一设备中的一个或多个过程。控制装置例如可以包括至少一个微控制器。替代地或附加地，然而控制装置也可以包括其他的硬件，例如从由如下构成的组中选择至少一个硬件构件：比较器、电流源、电压源、电流测量设备、电压测量设备、电阻测量设备。

此外，传感器可以包括一个或多个附加的构件。例如传感器元件可以包括至少一个加热设备。加热设备例如可以具有至少一个热电阻，并且传感器例如可以包括至少一个电流源以给热电阻施加电流。控制装置例如可以与电流源连接，从而通过控制装置可以控制第一再生和/或第二再生。

本发明的优点

根据本发明的方法和根据本发明的传感器相对于已知的方法和传感器具有多个优点。根据本发明的方法也尤其可以在现有的传感器的情况下例如通过改变现有的软件容易地实现。因此，在实施所提出的方法的情况下例如可以实现改变运行策略，其方式是：相应地匹配传感器控制设备的软件。

本发明尤其可以实现颗粒传感器的运行策略，该运行策略有助于提高再生周期的可能的数量并且因此提高传感器的可规定的使用寿命。通常，第一再生温度例如可以选择低于迄今常见的再生温度，例如低于700℃。由此，可以在传统的传感器的情况下相对于传统的传感器降低电极金属(例如铂)的逐渐蒸发的风险。尽管如此，通过使用相应的诊断仍然可以确保完全的颗粒燃尽。

总体上，借助本发明例如可以实现显著大于250000km的使用寿命，这尤其在商用车的领域中是有利的。

附图说明

本发明进一步优选的细节和特征由优选的实施例的以下描述得出，该描述在附图中示意性地示出。附图示出：

图1示出根据本发明的用于运行用于检测在测量空气空间中的测量空气的颗粒的传感器元件的方法的一种实施例的示意性的流程图。

具体实施方式

以下描述一种根据本发明的用于运行传感器元件的方法的示例。传感器元件设置用于检测在测量气体空间中的测量气体的颗粒。在图1中以流程图的形式示意性地示出该方法。对于可能的传感器元件——在该传感器元件上可以实施该方法并且该传感器元件可以根据本发明地运行，例如可以参照根据以上提及的现有技术(例如DE 103 19 664A1)的传感器元件。然而，其他的传感器元件原则上也是可能的。对于根据本发明的传感器的构型方案，例如可以将这样的传感器元件与相应的控制装置组合，也称为传感器控制装置。也可以相应地设置马达控制设备。

该方法在步骤110中包括要求第一再生。该第一再生在步骤112中以第一再生温度(例如650℃)来实施。接下来，在方法步骤114分路诊断中实施第一诊断测量。例如可以在大约45V至46V的预给定的电压的情况下求取在两个测量电极之间的电流作为结果和第一诊断测量值。在方法步骤116中实现评估第一诊断测量的结果。例如可以将第一诊断测量值与第一阈值进行比较，从而例如可以询问第一诊断测量值是否高于第一阈值(例如5μA)。如果这是这种情况——这在图1中以分支“是”表示，那么可以在方法步骤118中例如输出故障通报。如果这不是这种情况——这在图1中以分支“否”表示，那么可以在方法步骤120中例如实现其他的询问。

通常在此在本发明的范畴内，在与阈值进行比较并且询问确定的值大于还是小于阈值的情况下，该阈值本身落在(zuschlagen)一个范围中或替代地在另一范围中。如果例如询问一个值是否大于阈值，那么这可以包括询问“>”或“≥”。类似地例如如果询问一个值是否小于阈值，那么这可以包括询问“<”或“≤”。在询问一个值x是否处在两个阈值a、b之间的情况下，那么这可以包含询问“a<x<b”、“a≤x<b”、“a<x≤b”或“a≤x≤b”。

在方法步骤120中的另一询问的情况下，例如可以通过询问而得知第一诊断的结果是否处在第一阈值与第二阈值之间。第二阈值例如可以是2μA。如果这不是这种情况——在图1中表示为分支“否”，那么可以实施测量阶段122，在所述测量阶段的情况下例如可以确定颗粒浓度。反之，如果这是这种情况，即第一诊断测量的结果处在第一阈值与第二阈值之间——在图1中以分支“是”表示，那么可以在步骤124中要求并且实施以第二再生温度(例如785℃)的第二再生。

接下来可以在步骤126中实现第二诊断测量，该第二诊断测量例如可以类似于第一诊断测量地实施。在方法步骤128中又实现询问第二诊断的结果是否高于第三阈值。第三阈值例如可以选择等于第一阈值，即例如5μA。如果该询问是肯定的——在图1中以分支“是”表示，即第二诊断测量的结果高于第三阈值，那么可以在方法步骤130中例如输出故障通报。如果该询问是否定的——在图1中以分支“否”表示，即第二诊断测量的结果低于第三阈值，那么可以在方法步骤132中例如实施如下测量阶段：该测量阶段可以与方法步骤122中的测量阶段类似地构型。

借助在图1中示出的方法例如可以确保更干净(sauber)的、未歪曲的颗粒测量。在单阶段的方法的情况下——在该方法的情况下仅仅实施唯一的再生——通常使用高的再生温度(传感器元件例如对于确定的时间保持在该再生温度上)，而本方法基于低的初始的第一再生温度，该第一再生温度优选低于第二再生温度。这种构思基于如下认识：在很多情况下，低的再生温度对于成功的再生已经足够。尽管如此，紧接着的询问以及必要时第二再生确保：在第一再生后颗粒负荷过高的情况下，在需要时可以附设第二再生，该第二再生可以相应地更强地构型。以这种方式可以在正常情况下保护传感器元件，反之在需要时可以实施更强的再生。

对于诊断测量可以在前置的再生后例如不再较长时间地加热传感器元件。然后，传感器元件例如又可以冷却，例如冷却到周围的气体温度、例如冷却到周围的废气温度。在低于预给定的温度阈值后例如可以接通用于诊断的测量电压，并且不久后可以实施分路诊断。然后，例如可以对诊断测量进行如下检查：在测量的开始时，可测量的电流是否已经流经一个或多个测量电极。如果在第一诊断测量的情况下该电流超过确定的第一阈值，那么例如可以向故障监视器传送相应的故障。

在测量的开始时(即直接在再生后)可测量的电流通常已经指示：必要时在至少一个测量电极(例如叉指形电极)上积聚能导电的颗粒，所述颗粒不能够通过先前的再生来燃尽。典型地，通过诊断例如可以显示可能引起大于5μA的分路的金属污染。

在根据图1的运行策略的根据本发明的变型方案的情况下，尤其可以始终使用：例如在高的再生温度和785℃作为第二再生温度的情况下，即使在极端条件下通常总是实现成功的再生。然而，该认识——与再生控制结合——能够实现排除这些极端条件并且显著地降低常见的再生温度。因此在正常情况下第一再生可以相对于仅在极端情况下实施的第二再生显著地降低，例如降低到690℃。尤其可以如此选择该第一再生温度，使得该第一再生温度在在现场典型的工作点的大约90％中足以完全燃尽处在至少一个测量电极上的覆层，例如炭黑。对于在CV范围中的应用，这例如可以意味着：如此选择第一再生温度，使得该第一再生温度足以在马达的具有最大废气速度的工作点中确保成功的再生，其中，然而废气温度还不是最坏情况。在同时温度低的情况下，再生在这种情况下通常是不成功的。然而这种情况很少发生，因为典型地高的废气速度(例如在全负荷点中)通常伴随着高废气温度。

通过在步骤114中的分路诊断——例如在测量阶段的开始时——可以检查：第一再生是否是成功的并且是否得出覆层(例如炭黑)完全燃尽。除了通过第一阈值预给定的例如5μA的边界以外，可以检查是否超过通过第二阈值预给定的例如2μA的边界。如果未超过该第二阈值，那么可以正常地继续该测量阶段。如果反之诊断测量值处在第一阈值与第二阈值之间(例如在5μA与2μA之间)，那么通常可以认为：第一再生不成功，并且例如炭黑还处在叉指形电极上。在这种情况下，优选地不向故障监视器传送故障，而是实施具有优选更高的第二再生温度(例如785℃)的第二再生。如果在第二再生后出现小于2μA的诊断值，那么正常地继续测量阶段，如当诊断值重新处在2μA与5μA之间时的那样。如果反之诊断值处在大于5μA的值，那么将相应的故障传送给故障监视器。

这种表示通常示出：在方法步骤122、132中的测量阶段也可以完全地或部分地相同。此外，相应的测量阶段也可以完全地或部分地是在步骤114或126中相应的诊断测量的继续。因此，例如可以将测量阶段的定义的初始阶段用作相应的诊断测量。在根据方法步骤122、132的询问成功的情况下，然后才可以将测量解释为其值具有有效性的测量阶段。

Claims (10)

1.一种用于运行用于检测在测量气体空间中的测量气体的颗粒的传感器元件的方法，其中，所述传感器元件包括载体和至少一个测量电极，所述至少一个测量电极与所述载体连接并且能够暴露在所述测量气体中，其中，所述方法包括如下步骤：

a)以第一再生温度实施所述传感器元件的第一再生；

b)在所述测量电极上实施第一诊断测量；并且

c)根据所述第一诊断测量的结果实施以下步骤中的至少一个步骤：

c1)输出故障通报；

c2)实施测量阶段以检测所述测量气体的所述颗粒；或者

c3)以第二再生温度实施所述传感器元件的第二再生。

2.根据上述权利要求所述的方法，其中，所述第二再生温度高于所述第一再生温度。

3.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中，在方法步骤c)中将所述第一诊断测量的结果与第一阈值进行比较，其中，当所述结果高于所述第一阈值时，实施方法步骤c1)。

4.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中，当所述结果低于所述第一阈值时，将所述结果与第二阈值进行比较，所述第二阈值低于所述第一阈值。

5.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中，当所述结果低于所述第二阈值时，实施方法步骤c2)。

6.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中，当所述结果处在所述第一阈值与所述第二阈值之间时，实施方法步骤c3)。

7.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中，在实施所述方法步骤c3)后实施以下方法步骤：

d)在所述测量电极上实施第二诊断测量。

8.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中，还实施以下方法步骤：

e)根据所述第二诊断测量的结果实施所述以下步骤中的至少一个步骤：

e1)输出故障通报；或者

e2)实施测量阶段以检测所述测量气体的所述颗粒。

9.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中，在方法步骤e)中将所述第二诊断测量的结果与第三阈值进行比较，其中，当所述结果高于所述第三阈值时，实施方法步骤e1)，其中，当所述结果低于所述第三阈值时，实施方法步骤e2)。

10.一种用于检测在测量气体空间中的测量气体的颗粒的传感器，所述传感器包括至少一个传感器元件和至少一个控制装置，所述至少一个控制装置与所述传感器元件连接，其中，所述传感器元件包括载体和至少一个测量电极，所述至少一个测量电极与所述载体连接并且能够暴露在所述测量气体中，其中，所述控制装置设置用于实施根据上述权利要求中任一项所述的方法。