DE102005016395A1

DE102005016395A1 - Russimpedanzsensor

Info

Publication number: DE102005016395A1
Application number: DE200510016395
Authority: DE
Inventors: Gerald Hauser
Original assignee: Hauser, Günther, Prof. Dr.-Ing.
Current assignee: HAUSER, ANDREAS, DIPL.-ING., 52062 AACHEN, DE
Priority date: 2005-04-18
Filing date: 2005-04-18
Publication date: 2006-10-19
Anticipated expiration: 2025-04-19
Also published as: DE102005016395B4

Abstract

In dem am 30. 09. 1999 erteilten Patent Nr. DE 19817402C1 bezieht sich ein Patentanspruch auf das Beheizen von Elektrodendurchführungen mit dem Ziel, diese frei von Rußablagerungen zu halten. Wenn die Elektrodenheizung abgeschaltet wird, lagert sich Ruß ab, der zu einer ohmschen Widerstandsbrücke führt. DOLLAR A In dieser neuen Patentanmeldung wird dieser Vorgang messtechnisch zur Bestimmung von Ruß im Abgas von Dieselmotoren spezialisiert. Auf einem nicht leitenden Keramikträger werden Elektroden aufgebracht, zwischen denen die Widerstandsänderung in Abhängigkeit der Rußablagerung ausgewertet wird. Es wird der Widerstandsverlauf über der Zeit als auch der Gradient dieses Verlaufes ermittelt. Unter Einbeziehung der Abgastemperatur und des Abgasmassenstroms wird das Messergebnis in [mg/m·3·] dargestellt. Das Freiheizen der Elektrodendurchführungen bei 250 [ DEG C] als auch das Abbrennen der Messelektroden bei 700 [ DEG C] erfolgt durch Temperaturregelungen, um die Einwirkung des Abgasstroms auszuschließen. Zur Erhöhung der Empfindlichkeit werden Elektrodenkombinationen aufgesputtert, deren Einzelergebnisse addiert werden. Anstatt der Messung von Rußwiderstandsbrücken wird eine Halb- und Vollbrückenschaltung vorgestellt. Bei der Halbbrückenschaltung wird ein Widerstandszweig durch Beschichten der Oberfläche elektrisch isoliert, während der andere Zweig eine nicht korrodierende, leitende Oberfläche besitzt, auf der einzelne Rußpartikel wie parallel geschaltete Widerstände wirken. Die ...

Description

Zur Vermeidung von Russablagerungen auf den Elektrodenhalterungen wird ein ca. 10 [mm] langer Bereich der Elektrodenhalter mit Hilfe einer Widerstandskeramik oder Widerstandsheizwicklung auf ca. 200 [°C] oder höher erwärmt. Das bisher beschriebene Verfahren ist als Patent Nr. DE 198 17 402 C1 am 30.09.1999 erteilt worden. Der Bezug auf dieses Verfahrens ist zur Abgrenzung der neu angemeldeten Erfindung erforderlich.

Gegenstand dieser Erfindung ist u.a. die Verbesserung der Heizung durch Verwendung eines Heizelementes mit stark ausgeprägtem positiven Widerstandstemperaturkoeffizienten, z. B. Nickeldraht, der temperaturfest ist und nicht oxidiert. Diese elektrische Eigenschaft wird genutzt, um mit Hilfe einer Regelung die Temperatur des Drahtes auf einer konstanten Temperatur von z. B. 250 [°C] oder höher zu halten. Diese Maßnahme ist erforderlich, da der Heizung durch die unterschiedlichen Strömungsgeschwindigkeiten und Temperaturen des Abgases Wärme entzogen wird und damit die erforderliche Temperatur von 250 [°C] und höher sichergestellt werden kann.

1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Schaltung zur Tem peraturmessung des Heizwiderstandes. Das Prinzip besteht in der Messung von Strom und Spannung am Heizwiderstand. Der Strom erzeugt an dem niederohmigen Widerstand einen Spannungsabfall, der soweit verstärkt wird, dass dieser gleich groß ist, wie die angelegte Spannung am Heizwiderstand. In einem Operationsverstärker werden beide Spannungen von einander subtrahiert. Wenn der Heizwiderstand durch einen Widerstand mit konstantem Widerstandstemperaturkoeffizienten ersetzt wird, ist die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers bei Veränderung der Leistung in dem Widerstand konstant 0 [V]. Bei einem Heizwiderstand mit positivem Widerstandstemperaturkoeffizienten steigt die Ausgangsspannung linear mit der Temperatur an. Diese Ausgangsspannung wird als Istwert in den Regler, 2, eingespeist. Um bei kaltem Heizwiderstand eine Überlastung des Leistungstransistors zu verhindern, wird der erste Operationsverstärker zunächst in seiner Sättigung betrieben, bis die allmählich ansteigende Temperatur des Heizwiderstandes eine Spannung erzeugt, die den Verstärker aus seiner Sättigung führt und der Regelungsprozess aktiviert wird. Diese Einrichtung ermöglicht eine Temperaturkonstanz von z. B. 250 ± 2 [°C]. Diese Genauigkeit ist erforderlich, weil der Isolationswiderstand der verwendeten Keramik temperaturabhängig ist und als konstante Nullpunktdrift in der Messsignalauswertung berücksichtigt wird.
Diese regelungstechnische Einrichtung wird gleichzeitig genutzt, um den Abgasmassenstrom zu ermitteln, da der Strom durch das Heizelement proportional zur Wärmeableitung ist. Hierbei ist Voraussetzung, dass das Heizelement eine höhere Temperatur als das Abgas besitzt. Gegebenenfalls muss ein separater Sensor, bestehend aus einem dünnen Nickel- oder Wolframdraht, in die Strömung eingebracht werden, um diese Bedingung zu erfüllen. Zur Ermittlung des Abgasmassenstroms ist zusätzlich eine Temperaturmessung erforderlich, die mit Hilfe derselben Schaltung verwirklicht wird, wobei der Stromfluss durch den Sensordraht derart eingestellt werden muss, dass der Sensordraht eine niedrigere Temperatur einnimmt als das Abgas.
Der erfindungsgemäße Gegenstand ist ein Impedanzsensor in verschiedenen Varianten, der eine Messung der Widerstandsänderung durch den auf ihm abgelagerten Russ ermöglicht. Diese Widerstandsänderung und zusätzlich das Differential bzw. der Gradient dieser Widerstandsänderung werden, unter Einbeziehung der Abgasgeschwindigkeit, als Russkonzentration in [mg/m³] ausgewertet. Wenn die Abgasgeschwindigkeit und Abgastemperatur nicht berücksichtigt werden, eignet sich der Sensor zur Bestimmung der gesamten Russmasse in [g], die der Motor emittiert. Damit besteht z. B. die Möglichkeit, den Russeintrag in ein Russfilter zu bestimmen, um zu beurteilen, wann die Reinigung des Filters eingeleitet werden muss. 3 zeigt einen typischen Messvorgang. In dem Diagramm wird ersichtlich, dass der differenzierte Widerstandsverlauf des Impedanzsensors Auskunft über das dynamische Verhalten der Russkonzentration während der Messphase gibt.
4 erläutert das Prinzip der 1. Varianten. In das Abgasrohr (1) ragt ein temperaturbeständiger, elektrischer Isolator, vorzugsweise ein Keramikrohr (2), das in einer Halterung (3) befestigt ist. Auf dem Keramikrohr sind zwei Elektroden bifilar mit geringem Abstand der Wicklungen aufgebracht (4). Der Abgasstrom (5), der Russpartikel enthält, lagert, beim Umströmen des Keramikrohrs, Russ auf der Oberfläche ab (6). Wenn genügend Russ abgelagert ist, überbrückt dieser die bifilaren Elektro den und es wird ein ohmscher Widerstand zwischen der Elektrode A (7) und Elektrode B (8) gemessen. In Abhängigkeit von dem Abstand der bifilaren Wicklungen und der vorherrschenden Russmenge im Abgas entsteht ein Zeitverzug, bis eine Widerstandsänderung festgestellt wird. Bei z. B. einer Russkonzentration von 15 [mg/m³] und einem Abstand der Windungen von 0,8 [mm] beträgt dieser Zeitverzug 8 [min]. Da sich Russ überall im Abgasrohr ablagert, entsteht auch eine Russwiderstandsbrücke zwischen den Elektroden (7, 8) und der Halterung (3). Um dieses zu verhindern, werden mit einem Heizwiderstand, erläutert in Absatz 1 und 2, die Elektrodendurchführung auf mindestens 250 [°C] erwärmt (9). Wenn der Widerstandsverlauf über der Zeit durch die Russablagerung auf der bifilaren Wicklung nicht mehr linear ist, bei ca. 100 [kΩ], wird die Messphase unterbrochen und durch Kurzschließen der bifilaren Wicklung mit Hilfe des Relais (10) ein Stromkreis erzeugt. Da die bifilare Wicklung z. B. aus Nickeldraht besteht, wird mit einer Regelung, beschrieben in Absatz 1 und 2, eine Glühtemperatur von 700 [°C] erzeugt, bei der die Russablagerung verbrennt und das Messsystem für einen weiteren Russmesszyklus verfügbar ist. Die Anzahl der Russmesszyklen und der Verlauf des Widerstandes innerhalb der Messzyklen dienen, unter Einbeziehung der Abgasströmungsgeschwindigkeit und der Temperatur, der Bestimmung der Russmasse/m³. Wenn der Impedanzsensor in Motornähe installiert ist und der Motor mit Volllast betrieben wird, können hohe Abgastemperaturen entstehen, die eine Ablagerung von Russ auf der Sensoroberfläche vermindern. Deshalb soll durch Injektorwirkung (11) Frischluft angesaugt werden, um die Sensortemperatur niedrig zu halten. Wenn der Abgasgegendruck zu hoch ist, soll Kühlluft (12) zugeführt werden. Zur Erhöhung der Messempfindlichkeit wird eine Saugelektrode (13) verwendet, die an eine Gleichspannung von mehreren kV angeschlossen ist. Um eine kontinuierliche Messung durchzuführen, werden zwei gleiche Sensoren eingesetzt. Während der eine Sensor gereinigt wird, ist der andere im Messeinsatz und umgekehrt.
5 beschreibt eine Ausführungsvariante desselben Russmessprinzips. Als Träger der Messelektroden wird ein handelsübliches Heizkeramikrohr (2) verwendet. Das an der äußeren und inneren Oberfläche nicht elektrisch leitende Keramikmaterial ist in einem Bereich (3) innerhalb des Keramikrohrs niederohmig dotiert, so dass dieser Bereich bei einer Einspeisung von 12 [V] an den Klemmen (4) auf ca. 700 [°C] erhitzt wird. In diesem Bereich werden die Messelektroden (5) aufge bracht. Eine mögliche Anordnung der Messelektroden zeigt 6. Zwischen der Elektrode A (1) und Elektrode B (2) soll ein möglichst geringer Spalt (3) bestehen, damit der Zeitverzug bis zum Schließen einer Russwiderstandsbrücke kurz ist. Die an der Spaltseite liegenden Kanten der Elektroden sind abzuschrägen, damit die Abgasströmung an diesen Stellen nicht abreißen kann und kein Strömungsschatten entsteht, der ein leitendes Anlagern der Russpartikel verzögert. Zur Zeit laufen Versuche, die elektrisch leitenden Elektroden durch Aufspattern einer Schicht aus Chrom und anschließender fotochemischer Behandlung zur Erzeugung eines mikroskopisch kleinen Spaltes herzustellen. Die Elektrodenschicht ist dadurch sehr dünn und stellt keine Behinderung der Gasströmung dar. In 5 ist die Kontaktierung der Elektroden (5) durch Punktschweißen (6) dargestellt. Die Verbindungsleitungen werden durch Keramikröhrchen (7) nach außen geführt. Diese müssen sich in dem Bereich der Heizkeramik (3) befinden, damit während des Heizvorganges zum Verbrennen der Russablagerungen auf den Elektroden (5) der auf den Keramikröhrchen (7) abgelagerten Russ ebenfalls verbrannt wird. Durch diese Maßnahme kann auf eine separate Heizung der Messelektrodendurchführungen, wie in der Variante (4) gezeigt, verzichtet werden.
Um die Ablagerung von Russ auf den Elektroden, insbesondere in dem Spalt, zu intensivieren und damit die Empfindlichkeit des Sensors zu steigern, wird an die Heizkeramik (3) eine Gleichspannung von mehreren kV gegen Masse angelegt. Russpartikel sind aufgrund des motorischen Verbrennungsprozesses ionisiert und werden durch das starke elektrische Feld von coulomb'schen Kräften angezogen und in dem Spalt festgehalten.
In 7 ist eine weitere Variante eines Impedanzsensors beschrieben. Als Träger der Messelektrode wird ebenfalls ein Heizkeramikrohr (1) verwendet, das im Bereich des Messwiderstandes (2) über eine Heizkeramik (3) verfügt. Die Nutzung der Heizkeramik als Saugelektrode bei Beaufschlagung mit Hochspannung als auch die Anordnung der Keramikröhrchen (4) zur Führung der Anschlüsse der Elektroden ist mit den beschriebenen Varianten gleich. Der Unterschied in der Wirkungsweise dieser Variante im Vergleich zu den beschriebenen, besteht in der Verwendung eines Messwiderstandes anstatt der Messelektroden. Der Messwiderstand (5) besteht aus korrosionsfestem Widerstandmaterial mit einem möglichst konstanten Widerstandstemperaturkoeffizienten und ist an der Oberfläche nicht isoliert, so dass sich ablagernde Russteilchen, die elektrisch leitend sind, wie elektrisch parallel geschaltete Widerstände wirken und dadurch den Gesamtwiderstand, entsprechend der abgelagerten Russmenge, verkleinern. Der entscheidende Vorteil dieses Messprinzips besteht darin, dass keine Russwiderstandsbrücke aufgebaut werden muss, bis der Messvorgang beginnen kann, sondern dass jedes einzelne Russpartikel unmittelbar einen Beitrag zu der Messgröße, der Messwiderstandsverkleinerung, liefert. In unmittelbarer Nähe des Messwiderstandes (5) ist ein Brückenwiderstand (6) angeordnet, der denselben Widerstandswert wie der Messwiderstand aufweist. Der Brückenwiderstand ist an seiner Oberfläche mit einer elektrischen Isolationsschicht überzogen, z. B. Keramik oder Glas, damit die sich dort ebenfalls ablagernden Russpartikel keine Widerstandsänderung hervorrufen können. Beide Widerstände werden in einer Wheatstone'schen Halbbrücke verschaltet. Durch die Wirkung der Halbbrücke werden thermische Veränderungen der beiden Widerstände kompensiert. Die Widerstandsänderung des Messwiderstands (5) durch die Russablagerung verstimmt einen Viertelbrückenzweig und erzeugt in der Brückendiagonale eine Ausgangsspannung, die verstärkt wird. Elektrische Tiefpassfilter in den sensorseitigen Brückenzweigen beseitigen EMV-Störungen.
Wenn anstatt der Halbbrücke eine Vollbrücke als Sensorelement eingesetzt wird, verdoppelt sich das Messergebnis. Zwei Brückenwiderstände werden durch eine isolierende Oberflächenbeschichtung passiviert, während die anderen beiden Widerstände messtechnisch aktiv sind.
Die Messempfindlichkeit des Impedanzsensors wird maßgeblich von der Form und der Anzahl der Messelektroden sowie des Spaltes zwischen den Elektroden beeinflusst. Bei der Ablagerung von Russpartikeln bildet jede Russbrücke zwischen den Elektroden einen eigenständigen Widerstand. Je größer die Länge des Spaltes zwischen den Elektroden ist, um so mehr Russwiderstandsbrücken entstehen, d. h. es erfolgt eine fortlaufende Parallelschaltung von Widerständen. Nach dem Gesetz der Parallelschaltung von Widerständen kann mit einer Verlängerung des Spaltes nur eine vernachlässigbar geringe Erhöhung der Messempfindlichkeit erreicht werden. Deshalb werden kurze Spaltlängen von ca. 10 [mm] Länge bevorzugt und die Anzahl der Messelektroden bzw. der Spalte wesentlich erhöht. 8 zeigt eine mögliche Anordnung von vielen Elektroden (1 ... 5), A, B, C, ... usw., verteilt auf der Außenfläche des Heizkeramikrohrs bzw. des Heizkeramikstabes. Die Widerstandsverkleinerungen durch Russablagerungen in den Spalten zwischen den Elektroden werden von jedem Spalt einzeln ermittelt und mit Hilfe einer Summierschaltung (6) addiert, d. h. die einzelnen Russwiderstandsbrücken werden addiert und damit die Messempfindlichkeit entsprechend erhöht. Solche Elektrodenkombinationen können durch Sputtern erzeugt werden.
Die beschriebene Elektrodenkombination kann nur dann sinnvoll eingesetzt werden, wenn, wie in 9 gezeigt, der Abgasstrom (1) im Abgasrohr (2) durch Leitschaufeln (3) gezwungen wird, Russablagerungen möglichst über die gesamte Elektrodenfläche ringförmig zu verteilen. Diese Leitschaufeln und die Durchbrüche für den Abgasein- und Austritt werden aus der als Schutzrohr (4) dienenden Ummantelung des Heizkeramikrohrs (5) herausgearbeitet.
10 zeigt Beispiele von strömungsgünstig geformten, isolierenden Trägern der Messelektroden, z. B. Heizkeramikrohre (1) bzw. Heizkeramikstäbe im Abgasrohr (2), mit dem Ziel, dass durch die Abgasströmung (3) auf dem gesamten Umfang der Messelektroden gleichmäßige Russablagerungen erzeugt werden.
Bisher wurde zur Reinigung der Elektroden bzw. der Messwiderstände die Heizkeramik bzw. die bifilare Wicklung auf ca. 700 [°C] erwärmt, um den abgelagerten Russ zu verbrennen. Es wurde das Freibrennen der Elektrodenspalten mit Erfolg durch einen elektrischen Lichtbogen erreicht. Ein Hochspannungsgerät mit einer Leistung von ca. 5 [W] ladet einen Kondensator von ca. 0,1 [μF] mit 1000 [V] auf. Beim Anlegen der Spannung an die Messelektroden entladet sich die im Kondensator gespeicherte Energie über den Russwiderstand und verbrennt den Russ an der Funkenüberschlagstelle. Dadurch wird dieser Bereich hochohmig, so dass die geringe Leistung des Hochspannungsgerätes ausreicht, einen Lichtbogen zu zünden. Die hohe Temperatur des Lichtbogens verbrennt die angrenzenden Russablagerungen. Dadurch vergrößert sich der nicht leitende Abstand im Spalt zwischen den Elektroden und der Lichtbogen wandert automatisch weiter zu den Stellen mit den geringsten leitenden Abständen im Spalt. Auf diese Weise wird innerhalb von weinigen Sekunden der Spalt zwischen den Elektroden von Russablagerungen gereinigt.

Claims

Impedanzsensor, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung für onboard Anwendungen in Fahrzeugen und als eigenständiges Messgerät eingesetzt wird.
Impedanzsensor nach 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Messelektroden in einer bifilaren Wicklung angeordnet sind.
Impedanzsensor nach 2 dadurch gekennzeichnet, dass die bifilare Wicklung aus leitendem Material besteht.
Impedanzsensor nach 2, 3 dadurch gekennzeichnet, dass das leitende Material einen temperaturabhängigen Widerstandstemperaturkoeffzienten aufweist.
Impedanzsensor nach 2, 3, 4 dadurch gekennzeichnet, dass die bifilare Wicklung durch Kurzschließen als Widerstandsheizung zum Abbrennen der Russablagerung verwendet wird.
Impedanzsensor nach 2, 3, 4, 5 dadurch gekennzeichnet, dass die Abbrenntemperatur durch eine Temperaturregelung konstant gehalten wird.
Impedanzsensor nach 2, 3, 4, 5, 6 dadurch gekennzeichnet, dass der Istwert für die Temperaturregelung durch Subtraktion des Stroms durch den Heizwiderstand von der Spannung am Heizwiderstand erzeugt wird.
Impedanzsensor nach 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 dadurch gekennzeichnet, dass die Russpartikel Widerstandsbrücken zwischen den Messelektroden erzeugen.
Impedanzsensor nach 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 dadurch gekennzeichnet, dass der Zeitverzug bis zum Einsetzen der Widerstandsänderung von dem Elektrodenabstand und der Querschnittsform des Elektrodenmaterials abhängt.
Impedanzsensor nach 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 dadurch gekennzeichnet, dass durch den Innenraum des Keramikrohrs Kühlluft geleitet wird.
Impedanzsensor nach 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 dadurch gekennzeichnet, dass im Innenraum des Keramikrohrs im Bereich der bifilaren Wicklung eine Saugelektrode mit hoher Gleichspannung installiert ist.
Impedanzsensor nach 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11 dadurch gekennzeichnet, dass die Russwiderstandsmessung mit einer Abgastemperatur- und Massenstrommessung kombiniert wird.
Impedanzsensor nach 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Träger der Elektroden aus einem Heizkeramikrohr mit integrierter Heizkeramik besteht.
Impedanzsensor nach 1, 13 dadurch gekennzeichnet, dass der Träger der Elektroden aus einem Heizkeramikstab mit integrierter Heizkeramik besteht.
Impedanzsensor nach 1, 4, 6, 7, 8, 9, 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizkeramik, bei Einspeisung einer hohen Gleichspannung von mehreren kV, als Saugelektrode wirkt.
Impedanzsensor nach 1, 4, 6, 7, 8, 9, 10, 14, 15 dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Leitungen zu den Messelektroden durch temperaturfeste Isolatoren geführt werden, die im Bereich der Heizkeramik münden.
Impedanzsensor nach 1, 6, 7, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16 dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement aus zwei Zweigen einer Wheatstone'schen Brücke besteht, von denen der eine Widerstand eine leitende Oberfläche besitzt, während der andere Widerstand eine elektrisch isolierende Oberfläche aufweist.
Impedanzsensor nach 1, 6, 7, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16 dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement aus einer Wheatstone'schen Vollbrücke besteht, bei der zwei Brückenzweige eine elektrisch leitende Oberfläche und zwei Zweige eine elektrisch isolierte Oberfläche besitzen.
Impedanzsensor nach 1, 6, 7, 9, 10, 12, 13, 14, 15, 16 dadurch gekennzeichnet, dass die Messelektroden aus einer Messelektrodenkombination von vielen Einzelelektroden bestehen, deren einzelnen Signale summiert werden.
Impedanzsensor nach 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19 dadurch gekennzeichnet, dass in einem Schutzrohr Ein- und Austrittsöffnungen für den Abgasstrom und Leitschaufeln eingearbeitet sind.
Impedanzsensor nach 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20 dadurch gekennzeichnet, dass, anstatt eines kreisförmigen isolierenden Trägers der Messelektroden, strömungsgünstig geformte Träger verwendet werden, um eine möglichst allseitige Russablagerung zu erreichen.
Impedanzsensor nach 1, 2, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 19, 20, 21 dadurch gekennzeichnet, dass die Reinigung des Spaltes zwischen den Elektroden durch einen Hochspannungslichtbogen erfolgt, der mit Hilfe einer Kondensatorentladung eingeleitet wird.