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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Konzentration von Partikeln in Gasgemischen.
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Stand der Technik
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Im Zuge einer sich verschärfenden Umweltgesetzgebung erlangen zunehmend Abgasnachbehandlungssysteme Bedeutung, die die Filtration bzw. Eliminierung von in Verbrennungsabgasen existierenden Rußpartikeln ermöglichen. Um die Funktionstüchtigkeit derartiger Abgasnachbehandlungssysteme zu überprüfen bzw. zu überwachen, werden Sensoren benötigt, mit denen auch im Langzeitbetrieb eine genaue Ermittlung der aktuell im Verbrennungsabgas vorliegenden Partikelkonzentration ermöglicht werden kann. Darüber hinaus soll mittels derartiger Sensoren eine Beladungsprognose beispielsweise von Dieselpartikelfiltern ermöglicht werden, um eine hohe Systemsicherheit zu erreichen und dadurch kostengünstigere Filtermaterialien einsetzen zu können.
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Aus der
DE 101 49 333 A1 ist eine Sensorvorrichtung zur Bestimmung der Feuchtigkeit von Gasen bekannt, die neben einer Widerstandsmessstruktur eine Temperaturmessvorrichtung sowie ein Heizelement umfasst. Dies bedingt einen verhältnismäßig komplizierten Aufbau des Sensorelements, da das Heiz- und das Temperaturmesselement sowie die Widerstandsmessstruktur innerhalb des Sensorelements räumlich getrennt und elektrisch isoliert voneinander ausgebildet werden müssen.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Bestimmung der Partikelkonzentration eines Gasgemisches bereitzustellen, das eine gute Messgenauigkeit gewährleistet und das auf ein Sensorelement mit vereinfachtem Aufbau zurückgreift.
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Vorteile der Erfindung
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Das Verfahren zur Bestimmung der Konzentration von Partikeln in Gasgemischen, insbesondere von Ruß, mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs hat den Vorteil, dass die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe in vorteilhafter Weise gelöst wird. Dies beruht insbesondere auf dem einfachen Aufbau des der Messanordnung zugrunde liegenden Sensorelements da auf den Einbau eines Heizelements in das Sensorelement verzichtet werden kann. Dies wird insbesondere erreicht, indem ein in das Sensorelement integriertes Temperaturmesselement eine Doppelfunktion erfüllt, indem es phasenweise als Temperaturmesselement und phasenweise als Heizelement betrieben wird.
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Weitere vorteilhafte Ausführungsformen des vorliegenden Verfahrens ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Es ist vorgesehen, dass das der Messanordnung zugrunde liegende Sensorelement als Messelement zur Detektion von Partikeln im Gasgemisch eine erste und eine zweite Messelektrode umfasst, die als Interdigitalelektroden ausgeführt sind und mit denen ein elektrischer Widerstand bestimmbar ist. Die erfindungsgemäße Verwendung von Interdigitalelektroden erhöht die Messgenauigkeit des Sensorelements und somit der gesamten Messanordnung.
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Erfindungsgemäß ist eine Regenerierung des Sensorelementes vorgesehen, bei der das Temperaturmesselement mit einer elektrischen Leistung beaufschlagt wird, bei der es zur Erhitzung des Sensorelements insbesondere auf die Abbrandtemperatur der auf der Oberfläche des Sensorelements abgelagerten Partikel kommt.
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In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist die Messanordnung eine Auswerteeinheit auf, wobei eine mittels dem Temperaturmesselement des Sensorelementes ermittelte Temperatur und ein mittels dem Messelement des Sensorelementes bestimmter elektrischer Widerstand bzw. gemessene Stromstärke der Auswerteeinheit zugeführt wird und der gemessene elektrische Widerstand mittels eines in der Auswerteeinheit hinterlegten Kompensationsalgorithmus in einen temperaturbereinigten elektrischen Widerstand bzw. Stromstärke überführt wird. Dabei umfasst der Kompensationsalgorithmus zumindest eine Korrelation zwischen der Temperatur des Sensorelements und dessen zugehörigem elektrischem Widerstand bei mindestens einem Beladungszustand oder mindestens eine Korrelation der Temperatur des Sensorelements und dem Anlagerungsverhalten der Partikel bei mindestens einer Partikelkonzentration im Gasgemisch oder beide Korrelationen.
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Zeichnung
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Ein Ausführungsbeispiel einer Messanordnung ist in der Zeichnung schematisch vereinfacht dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Dabei zeigt 1 eine schematische Darstellung der Komponenten der Messanordnung und 2 das in 1 schematisch dargestellte Sensorelement in einer Explosionsdarstellung.
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Beschreibung des Ausführungsbeispiels
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In 1 ist ein prinzipieller Aufbau einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Mit 10 ist eine Messanordnung zur Bestimmung der Konzentration von Partikeln in Gasgemischen, insbesondere von Ruß, dargestellt. Die Messanordnung 10 umfasst ein Sensorelement 12, das mit dem zu bestimmenden Gasgemisch in physischem Kontakt steht und ein der Partikelkonzentration des Gasgemischs proportionales Messsignal generiert. Gleichzeitig wird über das Sensorelement 12 eine Bestimmung der Temperatur des Gasgemischs vorgenommen. Dazu ist das Sensorelement 12 beispielsweise mit einer Strom- oder Spannungsversorgung 14 elektrisch kontaktiert. Weiterhin umfasst die Messanordnung 10 eine Auswerteeinheit 16, die ebenfalls mit dem Sensorelement 12 in elektrischem Kontakt steht und der Messwertaufnahme bzw. -verarbeitung dient. Die Auswerteeinheit erhält dabei sowohl ein Messsignal, das proportional zur abgelagerten Partikelmasse ist, als auch ein Messsignal, das die aktuelle Temperatur des Sensorelementes repräsentiert. Da die eine Partikelmasse abbildenden Messsignale des Sensorelements 12 eine starke Temperaturabhängigkeit zeigen, wird mittels der Auswerteeinheit 16 vorzugsweise eine Korrelation zwischen den Messsignalen des Sensorelementes und der aktuellen Temperatur des Sensorelementes hergestellt und daraus temperaturbereinigte Messwerte berechnet. Dies geschieht beispielsweise durch Anwendung von entsprechenden Kompensationsalgorithmen. Zusätzlich oder alternativ kann das Adsorptions- bzw. Desorptionsverhalten der angelagerten Partikel bei bestimmten Temperaturen hinterlegt und in die Messwertbildung einbezogen werden. Auf diese Weise können sowohl Temperatureinflüsse auf das elektrische Messsignal des Sensorelements als auch Temperatureinflüsse bedingt durch das Anlagerungsverhalten der zu bestimmenden Partikel, die sich indirekt auf das Messsignal auswirken, kompensiert werden. Dies verbessert die Güte der erhaltenen Messwerte. Eine Berechnung der Partikelkonzentration ist auf der Basis der Messwerte möglich, sofern die Strömungsgeschwindigkeit des Gasgemisches bekannt ist. Diese bzw. der Volumenstrom des Gasgemisches kann bspw. mittels eines geeigneten weiteren Sensors bestimmt werden.
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Die Auswerteeinheit 16 steht vorzugsweise in Kontakt mit einer Steuereinheit 18, die der Regulierung des mittels der Strom- oder Spannungsversorgung 14 an das Sensorelement 12 anzulegenden Stroms bzw. der entsprechenden Spannung dient. Insbesondere dann, wenn den Messsignalen des Sensorelements 12 ein Sättigungsverhalten zu entnehmen ist, wird mittels der Steuereinheit 18 eine Regenerierung des Sensorelements 12 eingeleitet. Dazu wird auf ein entsprechendes Signal der Steuereinheit 18 hin mittels der Strom- und Spannungsversorgung 14 an das Temperaturmesselement des Sensorelements 12 eine erhöhte elektrische Leistung angelegt, sodass es zu einer Erwärmung des Sensorelements 12 kommt. Diese Erwärmung erfolgt vorzugsweise bis zu einer Temperatur, bei der es zu einem Abbrand bzw. zu einer verhältnismäßig raschen Desorption bzw. Oxidation der angelagerten Partikel kommt. Dann wird die an das Temperaturmesselement angelegte elektrische Leistung wieder im wesentlichen auf ihr Niveau vor der Regenerierung reduziert.
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In 2 sind Einzelheiten des in 1 dargestellten Sensorelementes 12 abgebildet. Das Sensorelement 12 umfasst beispielsweise sauerstoffionenleitende Festelektrolytschichten 21a, 21b. Die Festelektrolytschicht 21a wird dabei als keramische Folie ausgeführt und bildet einen planaren keramischen Körper. Sie besteht aus einem sauerstoffionenleitenden Festelektrolytmaterial, wie beispielsweise mit Y2O3 stabilisiertem oder teilstabilisiertem ZrO2.
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Die Festelektrolytschicht 21b wird dagegen beispielsweise mittels Siebdruck eines pastösen keramischen Materials auf der Festelektrolytschicht 21a erzeugt. Als keramische Komponente des pastösen Materials wird dabei bevorzugt dasselbe Festelektrolytmaterial verwendet, aus dem auch die Festelektrolytschicht 21a besteht.
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Weiterhin weist das Sensorelement beispielsweise eine Vielzahl von elektrisch isolierenden keramischen Schichten 22a, 22b, 22c auf. Die Schichten 22a - 22c werden dabei ebenfalls mittels Siebdruck eines pastösen keramischen Materials beispielsweise auf den Festelektrolytschichten 21a, 21b erzeugt. Als keramische Komponente des pastösen Materials wird dabei beispielsweise bariumhaltiges Aluminiumoxid verwendet wird, da dieses auch bei Temperaturwechselbeanspruchungen über einen langen Zeitraum einen weitgehend konstant hohen elektrischen Widerstand aufweist. Alternativ ist auch die Verwendung von Cerdioxid bzw. der Zusatz anderer Erdalkalioxide möglich.
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Auf einer Großfläche des Sensorelements 10 sind beispielsweise zwei Messelektroden 24, 26 aufgebracht, die vorzugsweise als ineinander verzahnte Interdigitalelektroden ausgebildet sind. Die Verwendung von Interdigitalelektroden als Messelektroden 24, 26 ermöglicht eine besonders genaue Bestimmung des elektrischen Widerstandes bzw. der elektrischen Leitfähigkeit des sich zwischen den Messelektroden 24, 26 befindenden Oberflächenmaterials. Zur Kontaktierung der Messelektroden 24, 26 sind im Bereich eines dem Gasgemisch abgewandten Ende des Sensorelements 12 Kontaktflächen 28, 30 vorgesehen. Dabei sind die Zuleitungsbereiche der Elektroden 24, 26 vorzugsweise durch eine weitere, elektrisch isolierende, keramische Schicht 22d gegenüber den Einflüssen eines das Sensorelement 12 umgebenden Gasgemischs abgeschirmt.
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Auf der mit den Messelektroden 24, 26 versehenen Großfläche des Sensorelements 12 kann zusätzlich eine aus Übersichtlichkeitsgründen nicht dargestellte poröse Schicht vorgesehen sein, die die Messelektroden 24, 26 in ihrem ineinander verzahnten Bereich gegenüber einem direkten Kontakt mit dem zu bestimmenden Gasgemisch abschirmt. Dabei ist die Schichtdicke der porösen Schicht vorzugsweise größer als die Schichtdicke der Messelektroden 24, 26. Die poröse Schicht ist vorzugsweise offenporös ausgeführt, wobei die Porengröße so gewählt wird, dass die zu bestimmenden Partikel im Gasgemisch in die Poren der porösen Schicht eindiffundieren können. Die Porengröße der porösen Schicht liegt dabei vorzugsweise in einem Bereich von 2 bis 10 µm. Die poröse Schicht ist aus einem keramischen Material ausgeführt, das vorzugsweise dem Material der Schicht 22a ähnlich ist oder diesem entspricht und kann mittels Siebdruck hergestellt werden. Die Porosität der porösen Schicht kann durch Zusatz von Porenbildnern zu der Siebdruckpaste entsprechend eingestellt werden.
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Während des Betriebs des Sensorelementes 12 wird an die Messelektroden 24, 26 eine Spannung angelegt. Da die Messelektroden 24, 26 auf der Oberfläche der elektrisch isolierenden Schicht 22a angeordnet sind, kommt es zunächst im wesentlichen zu keinem Stromfluss zwischen den Messelektroden 24, 26.
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Enthält ein das Sensorelement 12 umströmendes Gasgemisch Partikel, insbesondere Ruß, so lagern sich diese auf der Oberfläche des Sensorelementes 12 ab. Durch die offenporige Struktur der porösen Schicht diffundieren die Partikel durch die poröse Schicht hindurch bis in unmittelbare Nähe der Messelektroden 24, 26. Da die Partikel eine bestimmte elektrische Leitfähigkeit aufweisen, kommt es bei ausreichender Beladung der Oberfläche des Sensorelementes 12 mit Partikeln zu einem ansteigenden Stromfluss zwischen den Messelektroden 24, 26, der mit dem Ausmaß der Beladung korreliert.
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Wird nun an die Messelektroden 24, 26 eine vorzugsweise konstante Gleich- oder Wechselspannung angelegt und der zwischen den Messelektroden 24, 26 auftretende Stromfluss ermittelt, so kann aus dem Integral des Stromflusses über der Zeit auf die abgelagerte Partikelmasse bzw. auf den aktuellen Partikelmassenstrom, insbesondere Rußmassenstrom, und auf die Partikelkonzentration im Gasgemisch geschlossen werden. Mit dieser Messmethode wird die Konzentration all derjenigen Partikel in einem Gasgemisch erfasst, die die elektrische Leitfähigkeit des sich zwischen den Messelektroden 24, 26 befindenden keramischen Materials positiv oder negativ beeinflussen.
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Eine weitere Möglichkeit besteht darin, den Anstieg des Stromflusses über der Zeit zu ermitteln und aus dem Quotienten aus Stromflussanstieg und Zeit bzw. aus dem Differentialquotienten aus Stromfluss nach der Zeit auf die abgelagerte Partikelmasse bzw. auf den aktuellen Partikelmassenstrom, insbesondere Rußmassenstrom, und auf die Partikelkonzentration im Gasgemisch zu schließen.
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Darüber hinaus umfasst das Sensorelement 12 ein Temperaturmesselement 32, das in Form einer elektrischen Widerstandsleiterbahn ausgeführt ist. Die Widerstandsleiterbahn ist vorzugsweise aus einem Cermet-Material ausgeführt; vorzugsweise als Mischung von Platin oder einem Platinmetall mit keramischen Anteilen, wie beispielsweise Aluminiumoxid. Die Widerstandsleiterbahn ist weiterhin vorzugsweise in Form eines Mäanders ausgebildet und weist an beiden Enden elektrische Anschlüsse 46, 48 auf. Durch Anlegen einer entsprechenden Spannung bzw. eines entsprechenden Stroms an die Anschlüsse 46, 48 der Widerstandsleiterbahn und durch Bestimmen des elektrischen Widerstandes derselben kann auf die Temperatur des Sensorelements geschlossen werden. Eine alternative bzw. zusätzliche Möglichkeit der Tempraturmessung besteht darin, die per se temperaturabhängige Leitfähigkeit des zwischen der Widerstandsleiterbahn des Temperaturmesselements 32 und den Messelektroden 24, 26 angeordneten keramischen Körpers zu bestimmen und aus dessen Höhe auf die Temperatur des Sensorelementes zu schließen.
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Übliche Sensorelemente zur Bestimmung insbesondere von Rußpartikeln weisen weiterhin keramische Heizelemente auf, die in Form einer elektrischen Widerstandsleiterbahn ausgeführt sind und der Aufheizung der Sensorelemente auf eine Temperatur dienen, bei der es zu einem Abbrand der auf dem Sensorelement abgelagerten Rußpartikel kommt. Die Ausbildung eines separaten Heizelementes bedingt jedoch einen relativ aufwendigen Gesamtaufbau des Sensorlements.
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Das vorliegende Sensorelement 12 macht jedoch den Einbau eines separaten Heizelementes entbehrlich. Dazu wird insbesondere dann, wenn den Messsignalen des Sensorelementes 12 ein Sättigungsverhalten zu entnehmen ist, mittels der Steuereinheit 18 eine Regenerierung des Sensorelementes 12 eingeleitet. Dazu wird auf ein entsprechendes Signal der Steuereinheit 18 hin mittels der Strom- und Spannungsversorgung 14 an das Temperaturmesselement 30 des Sensorelements 12 eine erhöhte elektrische Leistung angelegt, sodass es zu einer Erwärmung des Sensorelements 12 kommt. Diese Erwärmung erfolgt vorzugsweise bis zu einer Temperatur, bei der es zu einem Abbrand bzw. zu einer verhältnismäßig raschen Desorption bzw. Oxidation der angelagerten Partikel kommt. Dann wird die an das Temperaturmesselement 32 angelegte elektrische Leistung wieder im wesentlichen auf ihr Niveau vor der Regenerierung reduziert. Der Betrieb des Temperaturmesselementes 32 erfolgt somit in einem Zweiphasenbetrieb. Dabei wird das Temperaturmesselement 32 in einer ersten Phase in einem Messmodus betrieben, bei dem parallel zur Bestimmung des elektrischen Widerstandes mittels der Messelektroden 24, 26 eine Temperaturbestimmung über das Temperaturmesselement 32 erfolgt. In einer zweiten Phase, die der Regenerierung des Sensorelementes 12 dient, erfolgt mittels dem Temperaturmesselement 32 eine Beheizung des Sensorelementes 12. Nach Ende der Regenerierung wird das Temperaturmesselement 32 wieder im Temperaturmessmodus der ersten Phase betrieben.
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Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die in den 1 und 2 dargestellten Ausführungsformen eines Sensorelements beschränkt, sondern es können zahlreiche Abwandlungen dieses Sensorelements vorgenommen werden. So ist es beispielsweise möglich, zusätzliche keramische Schichten im Sensorelement vorzusehen oder den Mehrschichtaufbau des Sensorelements anwendungsbezogen zu vereinfachen, sowie weitere Messelektroden vorzusehen. Auch die Verwendung mehrerer Heiz- und Temperaturmesselemente ist möglich.
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Weiterhin können einzelne oder mehrere der Elemente 14, 16, 18 zu einem Kombiinstrument zusammengefasst werden.
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Die Anwendung des beschriebenen Sensorelements ist nicht auf die Bestimmung von Rußpartikeln in Abgasen von Verbrennungsmotoren beschränkt, sondern es kann allgemein zur Bestimmung der Konzentration von Partikeln, die die elektrische Leitfähigkeit eines keramischen Substrats bei Anlagerung verändern, beispielsweise in chemischen Herstellungsprozessen oder Abluftnachbehandlungsanlagen, eingesetzt werden.
