CN110582695B - 用于运行颗粒传感器的设备和方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于运行颗粒传感器的设备(100)，所述颗粒传感器包括至少一个高电压电极(102)和至少一个接地电极(104)，其中，所述设备(100)具有处理器(106)、测量装置(108)和电压供给单元(110)，其中，在所述至少一个高电压电极(102)与所述至少一个接地电极(104)之间能够产生电场(E)，所述测量装置(108)构造用于测量电荷平衡电流(I)，所述电荷平衡电流在废气流至少部分地在所述至少一个高电压电极(102)与所述至少一个接地电极(104)之间的电场(E)的区域中流动期间流至所述至少一个高电压电极(102)和/或所述至少一个接地电极(104)；所述处理器(106)构造用于控制所述电压供给单元(110)，以便在所述电荷平衡电流(I)的测量期间至少在一个时间段中通过所述至少一个高电压电极(102)与所述至少一个接地电极(104)之间的交流电压(U)来产生所述电场(E)。

Description

用于运行颗粒传感器的设备和方法
技术领域
本发明涉及用于运行颗粒传感器、尤其静电颗粒传感器的一种设备和一种方法。
背景技术
颗粒传感器用于机动车的内燃机的废气管中的碳烟质量确定，例如以便监测柴油颗粒过滤器。已知的颗粒传感器根据静电测量原理来工作，该静电测量原理能够实现通过测量充电电流来实时测量颗粒浓度或颗粒质量。在WO 2012089924 A1、US 20120312074A1、US 20130219990 A1中描述这样的方案。这些颗粒传感器包括至少一个高电压电极和至少一个接地电极。高电压电极通常以直流高电压、即DC高电压来运行，该直流高电压处在几千伏(kV)范围内的高电位。接地电极接地。在电极之间产生电场。
颗粒传感器如此设计，使得富含碳烟颗粒的废气流过电极中的至少一个并且可以在那里积聚碳烟颗粒。
由于在两个电极之间存在电场，产生碳烟颗粒枝晶(Dendriten)的独特生长，也就是说，由优选地沿场线构造的碳烟颗粒构成的树状或灌木状的结构。碳烟颗粒枝晶在生长期间一直进一步伸入到流过的废气中并且除了因此上升的流体动力外同时经历从对应电极出发的增大的电吸引力，该电吸引力通过两个电极之间的电位差产生。如果对于碳烟颗粒枝晶的这些力达到临界值，则这导致碳烟颗粒枝晶在碳烟颗粒枝晶的脱落长度处分离。
在废气中的恒定的烟尘颗粒浓度的情况下，枝晶的脱落长度并且因此直至分离的时间此外取决于电场强度和颗粒传感器中废气的流动速度。
通过使碳烟颗粒尤其积聚在高电压电极上，相应于高电压电极的电位地产生碳烟颗粒的静态充电。在碳烟颗粒枝晶尤其从高电压电极脱落的情况下，将其电荷从高电压电极排出。必须将这些排出的电荷以电流的形式引导回到高电压电极，以将直流高电压维持在相同的电位。
该电流用作测量信号。由于非常小的电流强度，使用敏感的设备(例如具有非常高的放大系数的静电计或放大器)来检测测量信号。
碳烟颗粒枝晶的生长和尤其脱落可能不规则地并且未定义地发生。尤其在内燃机的非静态的运行条件下应考虑到这点。因此值得期望的是，提供相对于这种影响稳健的颗粒传感器。
发明内容
该任务通过根据权利要求1所述的一种用于运行颗粒传感器的方法来实现，该颗粒传感器包括至少一个高电压电极和至少一个接地电极。该方法包括以下步骤：在至少一个高电压电极与至少一个接地电极之间产生电场；测量电荷平衡电流，所述电荷平衡电流在废气流至少部分地在至少一个高电压电极与至少一个接地电极之间的电场的区域中流动期间流至至少一个高电压电极和/或至少一个接地电极，其中，在电荷平衡电流的测量期间至少在一个时间段中通过至少一个高电压电极与至少一个接地电极之间的交流电压产生电场。交流电压能够实现以预给定的交替的颗粒的积聚和分离阶段来运行颗粒传感器。这提高测量精度。
有利地对于所述交流电压预给定期望值，其中，所述期望值取决于产生所述废气流的内燃机的运行状态、取决于具有产生所述废气流的内燃机的机动车的运行状态和/或取决于可预给定的频率。这能够实现对于相应的状况尽可能地预给定积聚和分离阶段。
有利地，在所述电荷平衡电流的测量期间至少在第一时间段中通过所述交流电压产生所述电场，其中，在所述电荷平衡电流的测量期间至少在第二时间段中通过直流电压产生所述电场，所述直流电压能够施加在所述至少一个高电压电极与所述至少一个接地电极之间。在具有直流电压的时间段内使颗粒的枝晶的生长加速。具有交流电压的时间段改善测量精度。这能够实现在几秒内以高的测量精度进行实时测量。
有利地，交流电压是锯齿电压、矩形电压或三角电压。这些电压形状是简单的并且可以以有利的组件来产生。
有利地，交流电压是频率调制电压、脉冲宽度调制电压、脉冲高度调制电压或具有恒定频率的电压。这些调制是简单的并且可以以有利的组件来产生。
有利地，所述交流电压的上升边沿从第一电位上升到第二电位，而所述交流电压的下降边沿从第二电位下降到第一电位。电位可以匹配于布置有电极的废气管中的力关系。枝晶的生长取决于流体动态力和静电力。第二电位例如是具有或超过使生长的枝晶脱落所需的大小的电位。第一电位例如是以下电位：该电位至少保持不变，以影响从分离阶段到积聚阶段的变换的时刻。
有利地，第一电位是产生废气流的内燃机的接地电位或者是具有产生废气流的内燃机的机动车的接地电位。在此，现有的接地线路可以用于接通接地电极。这可以简化颗粒传感器的结构和连接端。
有利地，第一电位高于产生废气流的内燃机的接地电位或高于具有产生废气流的内燃机的机动车的接地电位。因此，可以预给定从分离阶段变换到积聚阶段的时刻。
相应的用于运行颗粒传感器的设备具有处理器、测量装置和电压供给单元，其中，在所述至少一个高电压电极与所述至少一个接地电极之间能够产生电场，所述测量装置构造用于测量电荷平衡电流，所述电荷平衡电流在废气流至少部分地在所述至少一个高电压电极与所述至少一个接地电极之间的电场的区域中流动期间流至所述至少一个高电压电极和/或所述至少一个接地电极，并且，所述处理器构造用于控制所述电压供给单元，以便在所述电荷平衡电流的测量期间至少在一个时间段中通过所述至少一个高电压电极与所述至少一个接地电极之间的交流电压来产生所述电场。
附图说明
由以下描述和附图得出另外的有利的构型方式。在附图中，
图1示意性地示出一种用于运行颗粒传感器的设备的一部分；
图2-10示意性地示出一种用于运行颗粒传感器的交流电压变化过程；
图11示意性地示出一种用于运行颗粒传感器的电压变化过程。
具体实施方式
图1示意性地示出一种用于运行颗粒传感器的设备100。颗粒传感器例如是所提及的根据静电测量原理工作的颗粒传感器中的一种，该静电测量原理能够通过测量充电电流来实时测量废气流中的颗粒浓度或颗粒质量。
颗粒传感器包括至少一个高电压电极102和至少一个接地电极104。在至少一个高电压电极102与至少一个接地电极104之间可以产生电场E。至少一个接地电极104接地。接地例如表示产生废气流的内燃机的接地电位或者具有产生废气流的内燃机的机动车的接地电位。如下所描述的那样，至少一个接地电极104的电位也可以高于接地电位。
设备100具有处理器106、测量装置108和电压供给单元110。测量装置108构造用于测量电荷平衡电流I，所述电荷平衡电流在废气流至少部分地在至少一个高电压电极102和至少一个接地电极104之间的电场E的区域中流动期间流至至少一个高电压电极102和/或至少一个接地电极104。
电压供给单元110包括交流电压源112，其构造用于提供交流电压U。处理器106构造用于控制电压供给单元110，以便通过至少一个高电压电极102与至少一个接地电极104之间的交流电压U来产生电场E。
处理器106构造用于使电荷平衡电流I的测量与电场E的产生同步。这意味着，在电荷平衡电流I的测量期间至少在一个时间段中通过交流电压U产生电场E。优选地，交流电压U处在千伏范围内。
优选地，借助锁相放大器或相关性方法来执行用于确定颗粒浓度或颗粒数量的信号分析处理，该方法通过所施加的交流电压U与所测量的电荷平衡电流I之间的相关性消除由交流电压U产生的电流分量。例如在出现交流电压U的最大值或最小值的情况下进行电荷平衡电流I的测量，因为由交流电压U引起的电流分量在此变为近似零。由此提高信号质量或信号精度。
电压供给单元110还可以具有直流电压源114以及用于选择性地提供交流电压U或直流电压G的开关装置116。在这种情况下，处理器106构造用于例如借助开关装置116控制电压供给单元110，以便在电荷平衡电流I的测量期间至少在第一时间段中通过至少一个高电压电极102与至少一个接地电极104之间的交流电压U产生电场，并且以便在电荷平衡电流I的测量期间至少在第二时间段中通过至少一个高电压电极102与至少一个接地电极104之间的直流电压G产生电场E。
为了进行控制，处理器106经由第一信号线路118与测量设备108连接并且经由第二信号线120与电压供给单元110连接。电压供给单元110经由高电压线路122与高电压电极102连接并且经由接地线路124与接地电极104连接。测量装置108在第一高电压线路122中布置在电压供给单元110与高电压电极102之间。
下面描述一种用于运行颗粒传感器的方法。图2至图10涉及交流电压U的对于该方法有利的电压变化过程，其在图2至图10中示出为测量间隔M1中的时间变化过程。
该方法在测量间隔MI中包括以下步骤：
在至少一个高电压电极102与至少一个接地电极104之间产生电场E；
测量电荷平衡电流I，所述电荷平衡电流在废气流至少部分地在至少一个高电压电极102与至少一个接地电极104之间的电场E的区域中流动期间流至至少一个高电压电极102。
在电荷平衡电流I的测量期间至少在一个时间段中通过至少一个高电压电极102与至少一个接地电极104之间的交流电压U产生电场E。随着交流电压U增大，烟尘颗粒积聚并且在积聚阶段形成枝晶。如果交流电压U超过确定的电位，则枝晶在分离阶段脱落。当交流电压U的瞬时电位和瞬时流动条件再次允许积聚时，积聚阶段在脱落后开始。积聚阶段例如已经在交流电压U的下降边沿处开始。在合适的匹配的情况下，积聚阶段和分离阶段可能非常短(几秒钟)，从而能够实现准实时测量。
此外，通过使用交流电压U来使颗粒传感器仅仅部分地以最大的高电压来运行。这与纯直流运行相比减少所需的功率(能量消耗)。
例如预给定交流电压U的期望值。交流电压U可以是频率调制电压、脉冲宽度调制电压、脉冲高度调制电压或者是具有恒定频率的电压。
交流电压U例如是锯齿电压，如在图2至图4中所示的那样。
交流电压U的上升边沿在图2中从第一电位U0上升至第二电位U1。交流电压U的下降边沿从第二电位U1下降至第一电位U0。图2示出具有恒定频率的第一时间变化过程。在该示例中，电位U0是接地电位。由此，积聚阶段和分离阶段有规律地重复。
在图3中，交流电压U的上升边沿从第一电位U0上升至第二电位U1。交流电压U的下降边沿从第二电位U1下降至第一电位U0。图3示出具有可变频率的第二时间变化过程。由此导致不同强烈上升的或下降的边沿。由此可以调节积聚阶段或沉积阶段的长度。
在图4中，交流电压U的上升边沿从第三电位U2上升至第四电位U3。在该示例中，第三电位U2与第一电位U0不同。交流电压U的下降边沿从第四电位U3下降至第三电位U2。图4显示具有恒定频率的第三时间变化过程。
在另一示例中，交流电压U是如在图5至图8所示的那样的矩形电压。
图5示出具有恒定频率的第五电位U4与第六电位U5之间的矩形电压的第四时间变化过程。
图6示出在第五电位U4与第六电位U5之间的矩形电压的第五时间变化过程，其具有不同的脉冲宽度的脉冲。由此可以调节积聚阶段或分离阶段的长度。
图7示出在第五电位U4与第六电位U5之间的矩形电压的第六时间变化过程，其在第六电位U5上具有相同宽度的脉冲而在第五电位U4上具有不同的脉冲宽度。
图8示出在第五电位U4与第六电位U5之间具有恒定频率的矩形电压的第七时间变化过程，其具有直至第六电位的第一高度的脉冲、直至第七电位U6的第二高度的脉冲和直到第八电位U7的第三高度的脉冲。
图9示出第八时间变化过程，其中，交流电压U例如是第一电位U0与第二电位U1之间的对称的三角电压。
交流电压U也可以是如图10所示的那样的脉冲宽度调制电压。优选地，根据例如确定的运行点或运行条件来对交流电压U进行脉冲宽度调制。所述运行点或运行条件例如涉及机动车的发动机转速、废气管中的废气速度或废气质量流。
边沿的斜率、脉冲的宽度、脉冲的高度、相应的边沿或相应的脉冲出现的频率或时刻例如确定为与所提及的运行状态或所分配的频率相关的参数。例如，根据表征运行状态的事件来预给定这些参数的值。
因此，交流电压U的期望值可以根据产生废气流的内燃机的运行状态和/或根据具有产生废气流的内燃机的机动车的运行状态来预给定。期望值也可以取决于可预给定的频率。
代替电极的纯直流电压运行，因此有针对性地以用于测量的高压交流电压运行静电颗粒传感器。为此，优选地使用所提及的脉冲状的高电压。其他的交流信号形状同样是可能的。
通过将交流电压U施加到电极上来有针对性地改变电场E并且因此也同时改变最终导致枝晶脱落的电场力，该电场显著地影响碳烟颗粒的沉积并且因此影响碳烟枝晶的形成/生长。这种变化对电荷平衡电流I的测量直接产生影响。
有利地，在枝晶的生长阶段期间，交流电压U缓慢地提高，即例如以较低的斜率或以缓慢增大的脉冲高度提高，并且随着在确定的时刻达到最大值而有针对性地触发脱落。
图11示意性地示出一种用于运行颗粒传感器的电压变化过程，其中，在电荷平衡电流I的测量期间至少在第一时间段T1中通过交流电压U产生电场E，其中，在电荷平衡电流I的测量期间至少在第二时间段T2中通过直流电压G产生电场E，该直流电压可以直接施加在至少一个高电压电极102与至少一个接地电极104之间。
例如，在测量间隔M的开始M1与测量间隔M的结束M2之间测量电荷平衡电流I。第二时间段T2例如在时刻TA开始并且在测量间隔M内在时刻TB结束。第一时间段在时刻TB开始并且在测量间隔M内在时刻TA'结束。这些时间段也可能通过间歇来中断。例如接下来是另一时间段T2'，在该另一时间段中，通过直流电压G产生电场E。
在该实施中，首先以直流电压模式来运行颗粒传感器确定的时间，以便允许枝晶快速生长。然后更换成交流电压模式，以便加速枝晶的分离。在此，在交流电压U与平衡充电电流I之间使用所提及的锁相放大器或相关性技术以进行优化也是可能的。

Claims (11)

1.一种用于运行颗粒传感器的方法，所述颗粒传感器包括至少一个高电压电极（102）和至少一个接地电极（104），所述方法具有以下步骤：
在所述至少一个高电压电极（102）与所述至少一个接地电极（104）之间产生电场（E）；
测量电荷平衡电流（I），所述电荷平衡电流在废气流至少部分地在所述至少一个高电压电极（102）与所述至少一个接地电极（104）之间的电场（E）的区域中流动期间流至所述至少一个高电压电极（102）和/或所述至少一个接地电极（104），
其中，在所述电荷平衡电流（I）的测量期间至少在一个时间段中通过所述至少一个高电压电极（102）与所述至少一个接地电极（104）之间的交流电压（U）产生所述电场（E），
其中，在所述电荷平衡电流（I）的测量期间至少在第一时间段（T2）中通过所述交流电压（U）产生所述电场（E），其中，在所述电荷平衡电流（I）的测量期间至少在第二时间段（T1）中通过直流电压（G）产生所述电场，所述直流电压能够施加在所述至少一个高电压电极（102）与所述至少一个接地电极（104）之间。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对于所述交流电压（U）预给定期望值，其中，所述期望值取决于产生所述废气流的内燃机的运行状态、取决于具有产生所述废气流的内燃机的机动车的运行状态和/或取决于可预给定的频率。
3.根据权利要求1至2中任一项所述的方法，其特征在于，所述交流电压（U）是锯齿电压、矩形电压或三角电压。
4.根据权利要求1至2中的任一项所述的方法，其特征在于，所述交流电压（U）是频率调制电压。
5.根据权利要求1至2中任一项所述的方法，其特征在于，所述交流电压（U）是脉冲宽度调制电压。
6.根据权利要求1至2中任一项所述的方法，其特征在于，所述交流电压（U）是具有恒定频率的电压。
7.根据权利要求1至2中任一项所述的方法，其特征在于，所述交流电压（U）是脉冲高度调制电压。
8.根据权利要求1至2中任一项所述的方法，其特征在于，所述交流电压（U）的上升边沿从第一电位（U0，U4）上升到第二电位（U1，U5），而所述交流电压（U）的下降边沿从第二电位（U1，U4）下降到第一电位。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述第一电位（U0）是产生所述废气流的内燃机的接地电位或者是具有产生所述废气流的内燃机的机动车的接地电位。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述第一电位（U4）高于产生所述废气流的内燃机的接地电位或高于具有产生所述废气流的内燃机的机动车的接地电位。
11.一种用于运行颗粒传感器的设备（100），所述颗粒传感器包括至少一个高电压电极（102）和至少一个接地电极（104），
其中，所述设备（100）包括处理器（106）、测量装置（108）和电压供给单元（110），其中，在所述至少一个高电压电极（102）与所述至少一个接地电极（104）之间能够产生电场（E），所述测量装置（108）构造用于测量电荷平衡电流（I），所述电荷平衡电流在废气流至少部分地在所述至少一个高电压电极（102）与所述至少一个接地电极（104）之间的电场（E）的区域中流动期间流至所述至少一个高电压电极（102）和/或所述至少一个接地电极（104）；
所述处理器（106）构造用于控制所述电压供给单元（110），以便在所述电荷平衡电流（I）的测量期间至少在一个时间段中通过所述至少一个高电压电极（102）与所述至少一个接地电极（104）之间的交流电压（U）来产生所述电场（E），
其中，所述电压供给单元（110）包括交流电压源（112）、直流电压源（114）和开关装置（116），所述开关装置用于选择性地提供交流电压（U）或直流电压（G），其中，所述处理器（106）构造用于控制所述电压供给单元（110），以便在所述电荷平衡电流（I）的测量期间至少在第一时间段中通过所述至少一个高电压电极（102）与所述至少一个接地电极（104）之间的交流电压（U）产生所述电场（E），并且以便在所述电荷平衡电流（I）的测量期间至少在第二时间段中通过所述至少一个高电压电极（102）与所述至少一个接地电极（104）之间的直流电压（G）来产生所述电场（E）。
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