CN111094935B - 具有平坦的、露出的电晕放电电极的颗粒传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种颗粒传感器，该颗粒传感器具有陶瓷载体元件(34)、带有尖端(54)的电晕放电电极(40)、接地电极(42)和至少一个离子捕获电极。所述颗粒传感器的特征在于，所述电极(40、42平坦地并且附着地放置在所述陶瓷载体元件(34)上并且由此形成平坦的电极，并且所述陶瓷载体元件(34)的由所述陶瓷载体元件(34)的边界面限界的部分区域(62)作为所述陶瓷载体元件(34)的尖端从所述陶瓷载体元件的其余部分伸出，在该部分区域上放置有平坦的电晕放电电极(40)的尖端(54)。

Description

具有平坦的、露出的电晕放电电极的颗粒传感器
技术领域
本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分所述的颗粒传感器和根据独立方法权利要求的前序部分所述的用于制造这种颗粒传感器的方法。
背景技术
这种颗粒传感器和这种方法由EP 2 824 453 A1(WO 2013/125181 A1)已知。已知的颗粒传感器具有实现为层堆叠的陶瓷载体元件、带有尖端的电晕放电电极、接地电极和至少一个离子捕获电极。
在机动车的颗粒过滤器的状态方面针对车载诊断的目的越来越多地使用颗粒传感器。在此，按照阻抗原理工作的颗粒传感器在市场上具有非常稳固的位置。该传感器的作用方式基于在两个叉指电极之间的导电炭黑路径的形成和在施加电压时电流的上升时间的分析处理作为针对炭黑浓度的量度。质量浓度(mg/m3)被测量。数量浓度的计算在这种传感器设计中出于不同的原因是非常困难、甚至不可能的。传感器周期性复原，在该传感器中，所述传感器通过集成的加热元件达到至少700℃，由此烧掉炭黑积聚。
在科学中讨论很长时间，总质量(mg/m3)或颗粒数量(颗粒/m3)在健康危害方面是否是较危险的。在此，尤其要注意的是，刚好小的颗粒由于其非常小的质量(m～r3)而具有总质量的仅小的分量，所述颗粒可以是特别危险的，因为所述颗粒由于其小的尺寸能够深入地侵入到人体内。一旦在市场上可以支配在其探测效率和其价格方面可接受的颗粒传感器，可以预见的是，法律规定适用于测量数量浓度的颗粒传感器的使用。
由开始时提到的EP 2 824 453 A1(WO 2013/125181 A1)已知的高压颗粒传感器使用电荷测量原理来感测颗粒浓度。在此，(炭黑)颗粒通过电晕放电而充电。电晕放电是在首先不导电的介质中的放电，在该放电中自由的带电粒子通过介质组分的离子化产生。颗粒的充电通过离子的附着进行。随后测量这些颗粒的电荷或电流，该电流通过带电颗粒随着排气流从高压颗粒传感器的输送而释放。在已知的高压颗粒传感器中进行也被称为“逃逸电流”的这种电流的测量。电晕放电在那里在“离子生成部”中发生。在此，产生的离子经由喷嘴随着处于压力下的空气吹入到“充电部”中，该充电部通过另外的入口供应以测量气体。在已知的传感器中，电晕放电由此在空间上与测量气体分开地发生，应测量该测量气体的颗粒加载。测量气体进入开口位于电晕放电电极后面(在离子流中：在下游)。
发明内容
本发明与现有技术的不同在装置方面在于权利要求1的特征并且在方法方面在于独立的方法权利要求的特征。然后，颗粒传感器的特征在于，电极平坦地并且附着地放置在陶瓷载体元件上并且由此形成平坦的电极，并且陶瓷载体元件的由陶瓷载体元件的边界面限界的部分区域作为陶瓷载体元件的尖端从所述陶瓷载体元件的其余部分伸出，在该部分区域上放置有平坦的电晕放电电极的尖端。
所述方法的特征在于，陶瓷载体元件敷设有平坦地附着在陶瓷载体元件上的电极，并且陶瓷载体元件的由陶瓷载体元件的边界面限界的部分区域露出(freistellen)，在所述部分区域上放置有电晕放电电极的尖端，使得所述部分区域作为陶瓷载体元件的尖端从所述陶瓷载体元件的其余部分伸出。
在制造颗粒传感器时使陶瓷载体元件的由陶瓷载体元件的边界面限界的部分区域露出，在该部分区域上放置有电晕放电电极的尖端，使得所述部分区域作为陶瓷载体元件的尖端从所述陶瓷载体元件的其余部分伸出，由此实现，在颗粒传感器的运行中由电晕放电电极的尖端发出的电晕放电也可以扩展到陶瓷载体元件的露出区域中并且由电晕放电电极的尖端发出的电晕放电不受在平坦的电晕放电电极的平面中超过电晕放电电极的尖端伸出的陶瓷阻碍。
颗粒传感器的优选构型的特征在于，陶瓷载体元件在陶瓷载体元件的、放置有平坦的电晕放电电极的尖端的部分区域具有平行于以下平面的横截面，平坦的电晕放电电极位于该平面中，该横截面具有电晕放电电极的尖端的形状。
作为相同形状的结果并且优选也作为相同尺寸的结果，由电晕放电电极的尖端的侧面边缘发出的电晕放电也不受在平坦的电晕放电电极的平面中超过电晕放电电极的尖端的侧面边缘伸出的陶瓷阻碍。这种有利的作用也在以下构型中得出，在所述构型中尖端的狭窄边缘已经通过激光加工步骤蒸发，以便还稍微减小尖端的曲率半径并且由此使尖端稍微变尖地构型。
总体上，由此得出测量气体的更稳定的电晕放电和更好的离子化，因为陶瓷载体元件的尖端形状比没有这种尖端所实现的平面陶瓷载体元件更少地阻碍在颗粒传感器的规定使用中所实现的以测量气体流经电晕放电区。由此得出测量气体的改善的离子化并且作为结果得出随着测量气体输送的颗粒的更有效的充电。
也优选地，随着与平坦的电晕放电电极的间距在关于平坦的电晕放电电极朝着陶瓷指向的法线的方向上变大，所述横截面变小。通过在一定程度上描述电晕放电电极的尖端的从电晕放电电极的尖端的露出部出发的底蚀部的这种特征，进一步增大用于由电晕放电电极的尖端出发的电晕放电的扩展范围，这进一步增强了所说明的优点。
此外优选地，载体元件具有布置在平坦的电晕放电电极和接地电极之间的凹口，部分区域伸入到该凹口。所述凹口可以是盲孔或贯穿孔。通过该构型，陶瓷载体元件可以实现为单件式构件，这简化了制造并且在颗粒传感器的使用中改进了该颗粒传感器的稳固性。这尤其在颗粒传感器使用在机动车的排气设施中时是有利的。
另外的优选构型的特征在于，载体元件的附着地放置有平坦的电晕放电电极的部分和载体元件的放置有接地电极的部分通过至少一个接片相互连接，该接片是单件式陶瓷载体元件的组成部分。具有孔的实施方案具有以下优点：测量气体也可以流经所述孔，这减少了流动阻力并且改善了颗粒的充电。
参照所述方法优选的是，载体元件的放置有电晕放电电极的尖端的部分区域的露出通过去除材料的方法、如铣削实现。通过铣削可以特别准确地制造所期望的形状。
也优选的是，载体元件的放置有电晕放电电极的尖端的部分区域的露出在制造陶瓷载体元件时通过浇注过程实现。该构型具有特别简单并且由此节省时间的制造的优点。
优选构型的特征在于，陶瓷载体元件以附着放置的电极的敷设通过筛网印刷与随后共同的(共)烧结进行。通过该特征可以制造具有小的材料耗费和与陶瓷载体元件的连接的高强度的电极并且使所述电极与陶瓷载体元件连接。
也优选地，电晕放电电极尖端的曲率半径在筛网印刷之后通过电晕放电电极的用激光射束进行的材料的蒸发而减小。通过该特征使存在于电晕放电电极的尖端处的电场强度增大，这有利于电晕放电的期望产生。
附图说明
本发明通常可以用于测量在测量气体(不必是排气)中的颗粒浓度(不必是炭黑颗粒)，例如用于感测灰尘浓度。如果在该申请中提到排气和炭黑颗粒，那么这应当分别理解为用于一般概念颗粒和测量气体的示例。本发明的实施例在附图中示出并且在下面的说明书中详细阐释。在此，不同附图中的相同的附图标记分别标明相同的或至少在其功能方面类似的元件。在各个附图的说明中必要时也参照其他附图中的元件。附图分别以示意性形式示出：
图1本发明的呈排气管和颗粒传感器单元的形式的技术领域，该颗粒传感器单元具有颗粒传感器、线缆束和控制器；
图2承载不同电极的颗粒传感器的陶瓷载体元件的横截面；
图3根据本发明的颗粒传感器的实施例的承载电极的陶瓷载体元件的俯视图；
图4图3的实施例的第一构型的横截面；
图5对此替代的构型，在该构型中陶瓷载体元件的凹口是贯穿孔；
图6另外的替代构型，在该构型中陶瓷载体元件的部分通过接片相互连接；
图7根据本发明的颗粒传感器的承载电极的陶瓷载体元件的另外的实施例；
图8根据本发明的制造方法的实施例的流程图；
图9在激光加工步骤之前和之后的平坦的电晕放电电极的尖端的俯视图；和
图10布置在陶瓷载体元件的后侧上的加热元件。
具体实施方式
图1详细示出具有颗粒传感器12的颗粒传感器单元10，该颗粒传感器通过线缆束14与颗粒传感器单元10的控制器16连接。
颗粒传感器12伸入到排气管18中，该排气管引导作为测量气体20的排气，并且该颗粒传感器具有伸入到测量气体20的流中的内金属管22和外金属管24的管组件。这种管组件在本发明的优选实施例中使用，但不是本发明的主要元件。
这两个金属管22、24优选具有一般的柱体形状或棱柱形状。柱体形状的底面优选是圆形、椭圆形或多边形。柱体优选同轴地布置，其中，柱体的轴线横向于测量气体20的流动方向，该流动方向在排气管18中存在于管组件外部。内金属管22在管组件的背离排气管18中的安装开口的第一端部26上超过外金属管24伸入到流动的测量气体20中。在这两个金属管22、24的面向排气管18中的安装开口的第二端部28上，外金属管24超过内金属管22伸出。外金属管24的内宽优选比内金属管22的外直径大得多，使得在两个金属管22、24之间产生第一流动横截面或者说间隙5。内金属管22的内宽W形成第二流动横截面。
这种几何形状导致，测量气体20经由第一流动横截面在第一端部26处进入到管组件中，然后在管组件的第二端部28处改变其方向，进入到内金属管22中，并且由旁边流过的测量气体20从该内金属管中吸出。在此，在内金属管22中产生层状流动。通过根据本发明的颗粒传感器的优选实施例，由管22、24组成的该管组件横向于测量气体20的存在于排气管18中的流动方向地固定在排气管18处并且在侧面伸入到测量气体20的流中，其中，金属管22、24的内部优选相对于排气管18的周围环境密封。固定部优选通过螺栓连接实现。
在实施例中，所述固定部也可以具有向外的开口30，通过该开口可以在需要的情况下将外部的新鲜空气32吹入到管组件中。
在内金属管22中布置有陶瓷载体元件34，该陶瓷载体元件承载电极组件36，该电极组件具有多个附着在那里的电极。电极组件36的电极暴露给旁边流过的测量气体20并且通过线缆束14与颗粒传感器单元10的控制器16连接。控制器16设置成用于运行颗粒传感器12并且由出现在电极组件36的电极上的电参数、如电流和电压产生输出信号，从而反映出排气中的颗粒浓度。该输出信号在控制器16的输出端38被提供。输出信号的产生例如按照在开始时提到的EP 2 824 453 A1中描述的原理进行。
图2示出颗粒传感器的承载不同电极的陶瓷载体元件34的横截面，并且用于阐明平坦的、通过电晕放电工作的颗粒传感器的工作原理。
在电绝缘的陶瓷载体元件34上布置有电晕放电电极40、接地电极42和离子捕获电极44。在示出的实施例中，陶瓷载体元件34还附加地承载用作为颗粒电荷探测电极的测量电极46，但不强制需要该测量电极。在构型中，在陶瓷载体元件34的后侧48上布置有呈在那里附着放置的加热电极的形式的加热元件50。
陶瓷载体元件34以其与在那里流动的测量气体20的方向平行的纵向方向布置在图1的内金属管22中。通过电晕放电电极40、接地电极42、离子捕获电极44和还可能的测量电极46的这种布置，测量气体20以通过箭头方向画出的流动方向流动。电晕放电在电晕放电电极40和接地电极42之间在电晕放电区52中发生。电晕放电区52由加载以颗粒的测量气体20流经。在电晕放电区52中使存在于那里的测量气体20一部分离子化。随后颗粒接收离子并且由此接收电荷。
为了产生电晕放电所需要的电晕放电电极40和接地电极42之间的电压通过集成到控制器16中的高压源产生。
离子捕获电极44捕获未附着在较重的并且由此随着测量气体20较缓慢输送的颗粒上的离子。在图2中未示出的内金属管22可以用作为用于离子捕获电极44的对应电极。随着炭黑颗粒输送的电荷的测量要么借助于用作为颗粒电荷探测电极的测量电极46处的电荷感应发生，要么所述测量通过在EP 2 824 453 A1中阐释的“逃逸电流”原理实现。
图3示出根据本发明的颗粒传感器的实施例的承载电极的陶瓷载体元件34的俯视图。具有尖端54的电晕放电电极40、接地电极42和离子捕获电极44以及还可能的测量电极46分别平坦地并且附着地放置在陶瓷载体元件34上并且形成平坦的电极。
陶瓷载体元件34的由陶瓷载体元件的边界面限界的部分区域(在该部分区域上放置有平坦的电晕放电电极40的尖端54)作为陶瓷载体元件34的尖端从所述陶瓷载体元件的其余部分伸出。在图3中通过电晕放电电极40的尖端54遮盖的该部分区域与尖端54一起伸入到陶瓷载体元件34的凹口56中，该凹口没有被陶瓷载体元件34的陶瓷材料填充。
图4示出图3的实施例的第一构型的横截面。陶瓷载体元件34具有平面58，平坦的电晕放电电极40位于该平面中。陶瓷载体元件34的与该平面平行的、虚拟的横截面60在陶瓷载体元件34的形成尖端的、放置有平坦的电晕放电电极40的尖端54的部分区域62中不超过平坦的电晕放电电极40的尖端54的边缘伸出。平坦的电晕放电电极40的尖端54由此放置在陶瓷载体元件34的形成尖端的部分区域62上。
在示出的构型中，平坦的电晕放电电极40的尖端54和平坦的电晕放电电极40的尖端54的侧面边缘不超过陶瓷载体元件34的形成尖端的部分区域62的材料伸出。由此，平坦的电晕放电电极40的尖端54在凹口56中相对于陶瓷载体元件34的材料露出地放置在陶瓷载体元件34的形成尖端的部分区域62上。
在其上平坦地放置有电极的陶瓷载体元件34优选由单个件或由多个共同烧结的陶瓷薄膜(薄膜层压部)组成。为了能够在该陶瓷载体元件34中实现陶瓷载体元件34的形成尖端的部分区域62，陶瓷载体元件34具有布置在平坦的电晕放电电极40和接地电极42之间的凹口56，陶瓷载体元件34的放置有平坦的电晕放电电极40的尖端54的部分区域62从侧面开始伸入到该凹口中。凹口56可以是不贯穿的盲孔，如在图4中示出的那样。
图5示出对此替代的构型，在该构型中凹口56是贯穿孔。
图6示出另外的替代构型，在该构型中，陶瓷载体元件34的附着地放置有平坦的电晕放电电极40的部分和载体元件的放置有接地电极42的部分通过至少一个接片59相互连接，该接片是单件式陶瓷载体元件34的组成部分。这些构型(盲孔、贯穿孔、接片)也适用于根据图7的实施例。
图7示出根据本发明的颗粒传感器的承载电极的陶瓷载体元件34的另外的实施例。这里也适用的是，陶瓷载体元件具有平面58，平坦的电晕放电电极40位于该平面中。随着在与平坦的电晕放电电极40的间距在关于平坦的电晕放电电极40在图7中向下指向的法线的方向上变大，陶瓷载体元件34的与该平面平行的、虚拟的横截面60变小。
由此，平坦的电晕放电电极40在它的尖端54处和它的侧面边缘处相对于陶瓷载体元件34的材料露出地位于陶瓷载体元件34的形成尖端的部分上，在该部分上在凹口56中放置有电晕放电电极40的尖端54，其中，陶瓷载体元件34的形成尖端的部分(在该部分上放置有电晕放电电极40的尖端54)随着相对于电晕放电电极的尖端的增大的间距而变小，如同电晕放电电极的尖端被底蚀一样。接地电极42也可以具有这种底蚀部(Untergrabung)。这在图7中通过虚线标明，该虚线在该构型中代表了陶瓷载体元件34的限界凹口56的边界面64的位置。
图8示出根据本发明的制造方法的实施例的流程图。在第一步骤66中，陶瓷载体元件34制造为陶瓷注射成型件或陶瓷薄膜件。在此，陶瓷载体元件34的具有露出或底蚀的尖端的形状已经通过注射成型工具的空腔制造，或者所述形状在坯件的浇注之后或在陶瓷薄膜的层压之后通过材料去除的第二步骤68、如铣削来产生。
在第三步骤70中，通过筛网印刷方法使陶瓷载体元件的表面敷设有电极40、42、44和可能的46。在优选的构型中，附加地将加热元件50施加在陶瓷载体元件34的后侧48上。后侧48与陶瓷载体元件34的还布置有电晕放电电极40的侧面相对置。
在完成陶瓷注射成型(包括电极的筛网印刷)之后紧接着作为第四步骤72的热处理步骤，该第四步骤导致陶瓷材料和电极膏的硬化。
该步骤顺序在构型中通过作为第五步骤74的激光加工步骤补充，下面参照图9阐释该第五步骤：图9示出平坦的电晕放电电极的尖端54的俯视图。外边缘76相应于筛网印刷步骤的结果。为了减小尖端的曲率半径并且由此使尖端更尖地构型，可以通过激光使电极的外边缘蒸发。作为结果，相比于在激光加工步骤之前的状态更尖的电晕放电电极留下，该电晕放电电极通过内边缘78限界。
图10示出陶瓷载体元件的后侧的俯视图，该陶瓷载体元件具有在那里附着地放置的加热元件50。加热元件50优选具有曲折形的加热电极，该加热电极例如同样通过筛网印刷方法施加并且具有两个连接垫80，所述加热电极在控制器的运行中通过所述连接垫供应以电能。所有的电极优选借助于铂层的筛网印刷产生。加热元件50可以用于提高陶瓷载体元件和附着放置的电极的温度，以便例如减小会导致电极之间的短路的炭黑颗粒的积聚和/或燃烧已经积聚的炭黑颗粒。

Claims (9)

1.颗粒传感器(12)，该颗粒传感器具有陶瓷载体元件(34)、带着尖端(54)的电晕放电电极(40)、接地电极(42)和至少一个离子捕获电极(44)，其特征在于，所述电极平坦地并且附着地放置在所述陶瓷载体元件(34)上并且由此形成平坦的电极，并且所述陶瓷载体元件(34)的由所述陶瓷载体元件(34)的边界面限界的部分区域(62)作为所述陶瓷载体元件(34)的尖端从所述陶瓷载体元件的其余部分伸出，在该部分区域上放置有平坦的所述电晕放电电极(40)的尖端(54)，其中，所述陶瓷载体元件(34)具有布置在平坦的所述电晕放电电极(40)和所述接地电极(42)之间的凹口(56)，所述陶瓷载体元件(34)的放置有平坦的所述电晕放电电极(40)的尖端(54)的所述部分区域(62)伸入到该凹口中。
2.根据权利要求1所述的颗粒传感器(12)，其特征在于，所述陶瓷载体元件(34)在所述陶瓷载体元件的放置有平坦的所述电晕放电电极(40)的尖端(54)的所述部分区域(62)中具有平行于平面(58)的横截面(60)，平坦的所述电晕放电电极(40)位于该平面中，该横截面具有所述电晕放电电极(40)的尖端(54)的形状。
3.根据权利要求2所述的颗粒传感器(12)，其特征在于，随着与平坦的所述电晕放电电极的间距在关于平坦的所述电晕放电电极的法线的方向上变大，所述横截面(60)变小。
4.根据上述权利要求中任一项所述的颗粒传感器(12)，其特征在于，所述陶瓷载体元件(34)的附着地放置有平坦的所述电晕放电电极(40)的部分和所述陶瓷载体元件(34)的放置有所述接地电极(42)的部分通过至少一个接片(59)相互连接，该接片是单件式的所述陶瓷载体元件(34)的组成部分。
5.用于制造颗粒传感器(12)的方法，该颗粒传感器具有陶瓷载体元件(34)、带有尖端(54)的电晕放电电极(40)、接地电极(42)和至少一个离子捕获电极(44)，其特征在于，将陶瓷载体元件(34)敷设以平坦地附着在所述陶瓷载体元件(34)上的电极，并且使所述陶瓷载体元件(34)的由所述陶瓷载体元件(34)的边界面限界的、放置有所述电晕放电电极(40)的所述尖端(54)的部分区域(62)露出，使得所述部分区域作为尖端从所述陶瓷载体元件的其余部分伸出，其中，所述陶瓷载体元件(34)具有布置在平坦的所述电晕放电电极(40)和所述接地电极(42)之间的凹口(56)，所述陶瓷载体元件(34)的放置有平坦的所述电晕放电电极(40)的尖端(54)的所述部分区域(62)伸入到该凹口中。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述露出通过去除材料的方法、如铣削进行。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述露出在所述陶瓷载体元件(34)的通过浇注过程进行的制造中进行。
8.根据权利要求5至7中任一项所述的用于制造颗粒传感器(12)的方法，其特征在于，所述陶瓷载体元件(34)以附着地放置的所述电极的敷设通过筛网印刷与随后的共同的烧结进行。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述电晕放电电极(40)的尖端(54)的曲率半径在筛网印刷之后通过所述电晕放电电极(40)的用激光射束进行的材料蒸发而减小。
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