DE102007021913A1

DE102007021913A1 - Verfahren und Sensor zur Detektion von Teilchen in einem Gasstrom sowie deren Verwendung

Info

Publication number: DE102007021913A1
Application number: DE102007021913A
Authority: DE
Inventors: Ralf Schmidt; Markus Siebert; Johannes Grabis
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2007-05-10
Filing date: 2007-05-10
Publication date: 2008-11-20
Also published as: WO2008138849A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Detektion von Teilchen in einem Gasstrom mit einem mindestens zwei Elektroden aufweisenden Sensorelement, indem in einer Messphase an die Elektroden des Sensorelements eine Messspannung angelegt wird, wobei sich durch Anlagerung von Teilchen bildende Teilchenpfade die Elektroden kurzschließen, unl und/oder elektrische Widerstand gemessen und als Maß für die Konzentration und/oder den Massenstrom der Teilchen ausgegeben wird, das dadurch gekennzeichnet ist, dass in einer an die Messphase anschließenden Regenerationsphase die angelagerten Teilchen teilweise oder vollständig entfernt werden, indem an den Elektroden anliegende Messspannung auf eine Regenerationsspannung erhöht wird, sowie einen Sensor zur Durchführung des Verfahrens und die Verwendung des Verfahrens und Sensors.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren, einen Sensor sowie deren Verwendung zur Detektion von Teilchen in einem Gasstrom.
Stand der Technik
In naher Zukunft muss der Partikelausstoß, insbesondere von Fahrzeugen während des Fahrbetriebes, nach dem Durchlaufen eines Motors bzw. Dieselpartikelfilters (DPF) per gesetzlicher Vorschrift überwacht werden (On Board Diagnosis, OBD). Darüber hinaus ist eine Beladungsprognose von Dieselpartikelfiltern zur Regenerationskontrolle notwendig, um eine hohe Systemsicherheit bei wenigen effizienten, Kraftstoffsparenden Regenerationszyklen zu gewährleisten und kostengünstige Filtermaterialien, beispielsweise Cordierit, einsetzen zu können.
Eine Möglichkeit hierzu bieten aus dem Stand der Technik bekannte resistive Teilchensensoren, insbesondere resistive Partikelsensoren. Resistive Teilchensensoren ziehen zur Detektion des Teilchenausstoßes eine durch Teilchenanlagerung hervorgerufene Widerstandsänderung eines Elektrodensystems mit zwei oder mehr kammartig ineinander greifenden Elektroden (interdigitales Elektrodensystem) heran. Aufgrund ihrer Funktionsweise ordnen sich resistive Teilchensensoren bei den sammelnden Prinzipien ein. Derartige Sensoren werden von der DE 101 493 33 A1 sowie der WO 2003006976 A2 beschrieben.
Derzeit sind resistive Teilchensensoren, insbesondere Partikelsensoren, für leitfähige Teilchen bekannt, bei denen zwei oder mehrere metallische, kammartig ineinander greifende Elektroden (Interdigitalelektroden) ausgebildet sind, wobei die sich unter Einwirkung einer elektrischen Messspannung anlagernden Teilchen, insbesondere Rußpartikel, die Elektroden kurzschließen und so mit steigender Teilchenkonzentration auf der Sensorfläche ein abnehmender Widerstand (bzw. ein zunehmender Strom bei konstanter angelegter Spannung) zwischen den Elektroden messbar wird. Nach Erreichen eines Schwellwertes kann ein sich ändernder Sensorstrom gemessen werden, der mit der Zunahme der Teilchenmasse auf der Sensoroberfläche korreliert werden kann. Resistive Teilchensensoren arbeiten üblicherweise zyklisch und werden bei einer bestimmten Belegung mit Teilchen regeneriert, das heißt der Sensor wird durch Verbrennen der angelagerten Teilchen in den Ausgangszustand gebracht. Dies geschieht üblicherweise durch Einschalten einer im Sensor integrierten separaten Heizvorrichtung, beispielsweise eines Metallmäanders. Wegen der Temperaturbeanspruchung basiert die Heizvorrichtung üblicherweise auf einem Platinmäander, was aufgrund der hohen Platinmaterialkosten den Sensor stark verteuert. Darüber hinaus wird durch eine herkömmliche Heizvorrichtung der gesamte Sensor erwärmt, was lange Aufwärm- und Abkühlzeiten und somit eine lange Regenerationsphase zur Folge hat und eine permanente Messfähigkeit des Sensors nicht realisiert werden kann.
Die Anlagerung von Teilchen kann neben der Anlagerung durch Elektrophorese, welche von der Kraft des an den Elektroden anliegenden elektrischen Feldes abhängig ist, durch Diffusion von Teilchen infolge der Brownschen Molekularbewegung, welche von der Absoluttemperatur des Abgases abhängig ist, und durch einen Temperaturgradienten getrieben, das heißt durch Thermophorese, erfolgen. Die Anlagerungsraten durch Diffusion und Elektrophorese können durch Messung der Stromverhältnisse auch dann direkt kontrolliert und beeinflusst werden, wenn sich die Temperaturdifferenz zwischen Abgas und Sensor, aufgrund von innerhalb kürzester Zeit auftretenden Lastwechseln des Motors und damit verbundenen Temperaturschwankungen im Abgasstrang, ständig ändert und so zu unterschiedlichen Anlagerungsraten führt. Für die präzise Korrelation und Beeinflussung der Anlagerungsraten durch Diffusion und Elektrophorese ist es jedoch, aufgrund der schnellen Temperaturänderungen, notwendig, dass die Messung der Stromverhältnisse durch eine permanent messfähige Vorrichtung mit einer kurzen Ansprechzeit bei hoher Genauigkeit erfolgt. Vorrichtungen mit diesen Eigenschaften sind bei Sensoren, die herkömmlichen Heizvorrichtungen verwenden, jedoch aufgrund der langen Aufwärm- und Abkühlzeiten nicht realisierbar.
Ferner ist die Anlagerung von Teilchen durch Thermophorese, im Gegensatz zur Anlagerung von Teilchen durch Diffusion und Elektrophorese, nicht kontrollierbar, sondern nur erfassbar. Für ein stabiles und genaues Messsignal werden deshalb die Temperaturverhältnisse gemessen und in Korrekturen bzw. einem Kompensationsalgorithmus berücksichtigt. Dies ist jedoch recht aufwändig und verteuert das Messprinzip ebenfalls.
Offenbarung der Erfindung
Vorteile der Erfindung
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Detektion von Teilchen in einem Gasstrom mit einem mindestens zwei Elektroden aufweisenden Sensorelement nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, das dadurch gekennzeichnet ist, dass in einer an die Messphase anschließenden Regenrationsphase die angelagerten Teilchen teilweise oder vollständig entfernt werden, indem die an den Elektroden anliegende Messspannung auf eine Regenerationsspannung erhöht wird, hat den Vorteil, dass auf eine herkömmliche separate Heizvorrichtung, insbesondere eine auf einem Platinmäander basierende Heizvorrichtung, in der Nähe des Sensorelementes und damit verbundene Leitungen verzichtet werden kann und somit hierfür keine, beispielsweise durch Druck- und Strukturierungsschritte verursachte, Produktions- und Materialkosten anfallen.
Darüber hinaus hat der Verzicht auf herkömmliche separate Heizvorrichtung den Vorteil, dass nicht der gesamte Sensor erwärmt wird, was lange Aufwärm- und Abkühlzeiten und somit eine lange Regenerationsphase zur Folge hat in der die Messfähigkeit des Sensors nicht gewährleistet ist, sondern nur die Teilchenstrukturen, insbesondere Rußstrukturen, lokal erhitzt werden und somit die benötigte Heizleistung, Aufheiz-, Abkühl- und Regenerationszeit verringert, eine kurze Ansprechzeit bei hoher Genauigkeit gewährleistet, die Messbereitschaft des Sensors deutlich erhöht und sogar eine annähernd permanente Messbereitschaft des Sensors realisiert werden kann.
Das erfindungsgemäße Verfahren und/oder der erfindungsgemäße Sensor können beispielsweise in einem Abgasstrom eines Kraftfahrzeuges, beispielsweise mit einem Dieselmotor, oder einer Verbrennungsanlage, beispielsweise einer Ölheizung oder eines Ofens oder in einem Werkstattmessgerät zur Abgasuntersuchung eingesetzt werden.
Insbesondere kann die vorliegende Erfindung vorteilhafterweise in Ruß-Partikel-Sensoren, insbesondere Ruß-Partikel-Sensoren für „on board diagnosis" (OBD), und Werkstattmessgeräten zur Abgasuntersuchung sowie zur Beladungsprognose eines Diesel-Partikel-Filters (DPF) in einem Dieselabgasstrang eingesetzt werden. Eine Beladungsprognose von Dieselpartikelfiltern (DPF) wird benötigt um eine hohe Systemsicherheit auch für den Einsatz von kostengünstigen Filtermaterialien zu erreichen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindungen sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
1 ist eine perspektivische, schematische Ansicht eines Teilchensensors aus dem Stand der Technik umfassend ein auf zwei linear kammartig ineinander greifenden Interdigitalelektroden 2 basierendes Sensorelement 1, eine separate Heizvorrichtung 3 auf der Basis eines Platinmäanders, eine Temperaturmessvorrichtung 4, mehrere Isolationsschichten 5 und Trägerelementen 6. Wie 1 zeigt wird die Heizvorrichtung üblicherweise durch mehrere Schichten von den zu beheizenden Interdigitalelektroden 2 des Sensorelementes getrennt, sodass in der Regenerationsphase zunächst alle zwischen der Heizvorrichtung 3 und dem Sensorelement 1 liegenden Schichten 5, 6 erwärmt werden müssen bis eine Erwärmung des Sensorelementes und der Interdigitalelektroden erfolgt. Bei einem derartigen Aufbau werden darüber hinaus auch die sich zwischen der Heizvorrichtung 3 und der Temperaturmessvorrichtung 4 liegenden Schichten erwärmt, sodass zum einen eine hohe Heizleistung zum anderen lange Aufheiz- und Abkühlzeiten, in denen der Sensor nicht messbereit ist, benötigt werden.
Die 2a, 2b und 2c werden der Verlauf des Sensorstroms („gepunktete” Kurve) und der Elektrodenspannung („gestrichelte” Kurve) während des herkömmlichen Betriebes eines in 1 gezeigten Sensors mit separater Heizvorrichtung (2a) und während zwei unterschiedlichen, erfindungsgemäßen Betriebsweisen eines Sensors ohne separate Heizvorrichtung (2b und 2c) schematisch dargestellt.
2a zeigt, dass Sensoren mit separater Heizvorrichtung im Stand der Technik einer dreiphasigen Betriebsstrategie unterliegen. Diese beruht auf einer sich wiederholenden Abfolge einer Teilchensammelphase 8, einer Regenerationsphase 9 und einer Thermalisierungsphase 10. In der Teilchensammelphase 8 wird eine Messspannung an die, in 1 gezeigten, linear kammartig ineinander greifenden Elektroden des Sensorelementes angelegt. Durch Elektrophorese, Diffusion und Thermophorese lagern sich während der Teilchensammelphase Teilchen zwischen den Elektroden des Sensorelementes an und bilden Teilchenpfade, welche die Elektroden kurzschließen. Dadurch kommt es zu einem mit der Zeit ansteigenden Stromfluss (Sensorstrom) zwischen den Elektroden, der zur Bestimmung der Teilchenmenge herangezogen wird. Sobald ein Schwellwert an angelagerten Teilchen erreicht ist, beginnt die Regenerationsphase 9, in der nach der bisherigen Regenerationsstrategie keine Spannung an den Elektroden anliegt und in der die separate Heizvorrichtung eingeschaltet wird um den gesamten Sensor nach und nach zu erwärmen. Da während der Regenerationsphase 9 herkömmlicherweise keine Messspannung anliegt, wird für die Dauer der Regenerationsphase 9 kein Sensorstrom gemessen. Daher handelt es sich bei dem in 2a während der Regenerationsphase gestrichelt dargestellten Sensorstromverlauf um einen theoretisch berechneten Sensorstromverlauf. Nach dem Abschalten der Heizvorrichtung wird, aufgrund der noch hohen Temperatur des gesamten Sensors, während der Thermalisierung 10 die Eigenleitfähigkeit der Keramik beobachtet. Herkömmlich betriebene Sensoren geben daher für die Dauer der Regenerationsphase und Thermalisierungsphase keine Information über die Teilchenmenge.
Sowohl 2b als auch 2c zeigen den Verlauf des Sensorstroms („gepunktete” Kurve) und der Elektrodenspannung („gestrichelte” Kurve) eines Sensors ohne separate Heizvorrichtung unter Anwendung eines erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei die Regenerationsphase zur besseren Übersichtlichkeit zeitlich übertrieben lang dargestellt ist. Obwohl es in den 2a bis 2c den Anschein hat, dass die Regenerationsphasen aller drei Betriebsstrategien in etwa gleich lang sind, sind die Regenerationsphasen in 2a und 2b tatsächlich deutlich kürzer als die Regenerationsphase in 2a. 2b und 2c unterscheiden sich dadurch, dass in 2b eine Vollregeneration des Sensors durch das Anlegen einer Gleichspannung und in 2c eine Teilregeneration des Sensors durch einen Spannungspuls erfolgt. Dabei bedeutet Vollregeneration, dass die angelagerten Partikel vollständig entfernt werden; und Teilregeneration bedeutet, dass die angelagerten Partikel nur bis zum Erreichen einer gewünschten Grundmenge an Teilchen entfernt werden und ein ständiger Grundstrom zwischen den Elektroden erhalten bleibt. Unabhängig davon, ob eine Voll- oder Teilregeneration durchgeführt wird, umfasst das erfindungsgemäße Verfahren zwei und nicht wie herkömmlich drei Phasen, und zwar eine Teilchensammelphase 8 und eine Regenerationsphase 9. Die Teilchensammelphase 8 des erfindungsgemäßen Verfahrens entspricht der herkömmlichen, im Zusammenhang mit 2a erläuterten Teilchensammelphase. Anders als bei dem herkömmlichen Verfahren wird beim erfindungsgemäßen Verfahren die an den Elektroden des Sensorelementes anliegende Spannung beim Erreichen des die Regenerationsphase 9 einleitenden Teilchenschwellwertes nicht abgeschaltet, sondern stark erhöht („gestrichelte” Kurve). Die erhöhte Spannung (Regenerationsspannung) verursacht einen erhöhten Stromfluss durch die Teilchenpfade, welche die Elektroden des Sensorelementes kurzschließen. Bei den Teilchen der Teilchenpfade handelt es sich beispielsweise um Rußteilchen, das heißt halbleitenden Kohlenstoff. Der erhöhte Stromfluss durch die Teilchenpfade führt wiederum zu einer Erwärmung. Durch die steigende Temperatur, steigt auch die spezifische Leitfähigkeit der die Elektroden kurzschließenden Teilchenpfade und damit der Stromfluss zwischen den Elektroden an. Der Verlauf des Stromfluss kann dabei zur Eigendiagnose der Elektroden herangezogen werden; das heißt es kann überprüft werden ob und in wieweit sich das Elektrodensystem seit den vorherigen Regenerationsphasen, beispielsweise durch das Ablösen von Elektrodenarmen oder Vergiftungserscheinungen, verändert hat. Sobald die zur Oxidation der Teilchen notwendige Temperatur erreicht ist, setzen Teilchenabbrand und Teilchendesorbtion ein und führen zu einem Rückgang des Sensorstromes. Dabei verbrennen zunächst die Teilchenpfade mit der höchsten Leistungsaufnahme, das heißt mit dem kleinsten Querschnitt. Nach deren Abbrand verteilt sich die Heizleistung auf die restlichen, noch bestehenden Teilchenpfade. Die Regeneration kann so lange fortgesetzt werden, bis die beiden Elektroden nicht mehr durch leitfähige Partikel kurzgeschlossen sind. Die Leitfähigkeit des Teilchen-Elektroden-System nimmt während der Regenerationsphase so lange ab, bis die letzten geschlossenen Teilchenpfade durch Abbrand/Oxidation oder Desorbtion durchtrennt und/oder entfernt sind (2b) oder die Regenerationsspannung wieder auf die Messspannung reduziert wird (2c). Durch die im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens sehr lokal eingebrachte Heizleistung erwärmt sich der Sensor kaum, die im Rahmen des herkömmlichen Verfahrens auftretende Thermalisierungsphase 10 (2a), in der keine Anlagerung von Teilchen erfolgt und in der der Sensor nicht messfähig ist, entfällt und der Sensor bleibt quasi permanent messfähig und liefert gültige Signale.
3a ist eine Explosionszeichnung eines erfindungsgemäßen, auf einem 2-Lagen-Laminat basierenden Sensors 11. Die erste Laminat-Lage 12 des Sensors 11 umfasst eine erfindungsgemäße, thermisch entkoppelte Messzelle 13 mit einer kleinen Wärmespeicherkapazität, welche auf einer, hier oben gezeigten, Seite eine Temperaturmessvorrichtung 14 umfasst. Darüber hinaus umfasst die Messzelle 13 auf der zur Temperaturmessvorrichtung 14 gegenüberliegenden Seite ein mindestens zwei Interdigitalelektroden aufweisendes Sensorelement, welches aus Gründen der Übersichtlichkeit in 3a nicht dargestellt ist. Die thermische Entkopplung der Messzelle 13 wird über eine oder mehrere, insbesondere schmale, Aufhängungsvorrichtung/en 15 gewährleistet, durch welche die Messzelle 13 an der ersten Laminat-Lage 12 angebracht ist. Über diese Aufhängungsvorrichtung/en 15 werden die zum Anschluss der Temperaturmessvorrichtung 14 und des Sensorelements an die übrigen Elementen des Sensors, wie Spannungsversorgung, Spannungsbegrenzungs-, Auswertungs-, Spannungsmess- und/oder Strommessvorrichtung (nicht dargestellt), notwendigen vier Leitungen 16 (zwei für die Temperaturmessvorrichtung und zwei für das Sensorelement) geführt. Dabei werden jeweils zwei Leitungen 16 auf gegenüberliegenden Seiten der ersten Laminat-Lage 12 zu Kontakten 17, 17a geführt, von denen aus Gründen der Übersichtlichkeit nur die zwei Leitungen der Temperaturmessvorrichtung in 3a dargestellt sind. Der Anschluss der Leitungen 16 an die übrigen Elemente des Sensors erfolgt über die Kontakte 17 (Temperaturmessvorrichtung) und 17a (Sensorelement) auf der ersten Laminat-Lage. Darüber hinaus umfasst der Sensor eine zweite Laminat-Lage 18, welche eine über/unter der Messzelle angeordnete Strömungsaussparung 19 sowie über/unter den Kontakten 17a der ersten Laminat-Lage angeordnete Kontakte 20 aufweist. Die Kontakte 20 der zweiten Laminat-Lage 18 ermöglichen einen Anschluss des Sensorelements über Durchkontaktierung mit den auf der Unterseite der ersten Laminat-Lage 12 liegenden Kontakten 17a des Sensorelements an die übrigen Elemente des Sensors. Die Strömungsaussparung 19 ermöglicht, dass ein Gasstrom und darin enthaltenen Teilchen durch die zweite Laminat-Lage auf die Messzelle 13 geströmt werden können.
3b ist eine Explosionszeichnung eines erfindungsgemäßen, auf einem 3-Lagen-Laminat basierenden Sensors 11. Der in 3b gezeigte Sensor 11 weist die gleichen Elemente wie der in 3a gezeigte Sensor 11 auf. Jedoch verfügt der Sensor 11 in 3b über eine zusätzliche, das heißt dritte, Laminat-Lage 21, die wie die zweite Laminat-Lage 18, allerdings spiegelverkehrt zu dieser, ausgestaltet und angeordnet ist. Dabei ist die erste Laminat-Lage 12 derart zwischen der zweiten und dritten Laminat-Lage 18, 21 angeordnet, dass die Strömungsaussparungen 19, 22 der zweiten und dritten Laminat-Lage 18, 21 über und unter der Messzelle 13 der ersten Laminat-Lage 12 angeordnet sind und die Kontakte 20, 23 der zweiten und dritten Laminat-Lage 18, 21 über und unter den Kontakten 17, 17a der ersten Laminat-Lage 12 angeordnet sind. Durch zwei Durchkontaktierungen, einerseits der Kontakte 17 und 23 andererseits der Kontakte 17a und 20, werden die auf der innenliegenden Laminat-Lage 12 angeordnete Temperaturmessvorrichtung 14 und das ebenfalls auf der innenliegenden Laminat-Lage 12 angeordnete Sensorelement (nicht dargestellt) an die übrigen, nicht dargestellten Elementen des Sensors 11, wie Spannungsversorgung, Spannungsbegrenzungs-, Auswertungs-, Spannungsmess- und/oder Strommessvorrichtung, angeschlossen.
4a ist eine Unteransicht einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen, in 3a oder 3b gezeigten, auf Laminat-Lagen basierenden Sensors 11. 4a zeigt die Strömungsaussparung 19 in der zweiten Laminat-Lage 18, welche den Blick frei gibt auf die Messzelle 13, die ein zwei Interdigitalelektroden 24a aufweisendes Sensorelement 25 umfasst. Die Messzelle 13 ist über vier Haltevorrichtungen 15 an der ersten Laminat-Lage 12 befestigt. Die vier Haltevorrichtungen 15 werden durch vier im wesentlichen runde, insbesondere kreis- oder ellipsenförmige, Aussparungen 26 in der ersten Laminat-Lage 12, deren Mittelpunkte in Form eines Rechtecks, insbesondere Quadrats angeordnet sind, realisiert. Darüber hinaus zeigt 4a eine spezielle Ausführungsform der Interdigitalelektroden 24a des Sensorelementes 25, in der die zwei Interdigitalelektroden 24a radial kammartig, und nicht wie üblich linear kammartig, ineinander greifen (radiales Interdigitalelektrodensystem 24a).
4b ist eine vergrößerte schematische Ansicht des radialen Interdigitalelektrodensystems 24a aus 4a. Wie 4b zeigt, setzte sich das radiale Interdigitalelektrodensystem 24a beispielsweise aus einer Elektrode 27, mit sich von einem inneren Ring 28 radial erstreckenden, strahlenförmigen Elektrodenarmen 29, und einer Elektrode 30, mit sich von einem äußeren Ring 31 in Richtung auf den inneren Ring 28 radial erstreckenden, keilförmigen Elektrodenarmen 32 zusammen. Eine Elektrodenanordnung bei der sich keilförmige Elektrodenarme vom inneren Ring 28 und keilförmige Elektrodenarme vom äußeren Ring 31 in Richtung auf den inneren Ring 28 radial erstrecken ist erfindungsgemäß ebenso möglich. Die Elektrodenarme 29, 32 sind beispielsweise derart ausgestaltet, dass die Abstände zwischen den Elektrodenarmen im wesentlichen äquidistant sind und die Elektroden 27, 30 als solches nicht elektrisch leitend miteinander verbunden sind.
4c zeigt eine weitere Ausführungsform des in 4a und b dargestellten radialen Interdigitalelektrodensystems 24a. Im Rahmen dieser Ausführungsform erstreckt sich das radiale Interdigitalelektrodensystem nicht wie in 4a und b über eine volle Kreisfläche. Stattdessen weist die in 4c gezeigte Ausführungsform ein radiales Interdigitalelektrodensystem 24b auf, in dem ein oder mehr Kreisausschnitte 33 der vollen, in 4a und b gezeigten, Kreisfläche, kein radiales Interdigitalelektrodensystem aufweisen. Insbesondere weist das in 4c gezeigte radiale Interdigitalelektrodensystem 24b zwei gegenüberliegende, im wesentlichen gleich große Kreisausschnitte 34, 35 mit einer radialem Elektrodenanordnung sowie zwei gegenüberliegende, im wesentlichen gleich große elektrodenfreie Kreisausschnitte 33 auf. Beispielsweise erstrecken sich in der in 4c gezeigten Ausführungsform eines radialen Interdigitalelektrodensystems 24b von dem inneren Ring 28 der einen Elektrode 27 nur strahlenförmige Elektrodenarme 29 radial auswärts, die innerhalb der Winkelbereiche 34, 35 von zwei Scheitelwinkeln liegen. Analog dazu, erstrecken sich in dieser Ausführungsform von dem äußeren Ring 31 nur keilförmige Elektrodenarme 32 in Richtung auf den inneren Ring 28 radial einwärts, die innerhalb derselben Winkelbereiche 34, 35 der zwei Scheitelwinkel liegen. Die Winkelbereiche 33 außerhalb der beiden Scheitelwinkel 34, 35 weisen dabei keine Elektrodenarme 29, 32 auf. Eine derartige Anordnung von Kreisausschnitten mit 34, 35 und ohne 33 radiales Interdigitalelektrodensystem hat sich bezüglich der Herstellung als vorteilhaft erwiesen, da bei der Verwendung von Siebdruckverfahren die Herstellung von Elektrodenarmen, welche senkrecht zur Siebdruckrakelrichtung angeordnet sind, erschwert ist.
4d zeigt eine weitere Ausführungsform der in 4a bis 4c dargestellten radialen Interdigitalelektrodensysteme. Im Gegensatz zu der Ausführungsform in 4c ist das radiale Interdigitalelektrodensystem in 4d unsymmetrisch. So schließen einerseits die sich gegenüberstehenden Winkelbereiche 36, 37 unterschiedlich große Winkel ein. Zum anderen ist die Länge der Elektrodenarme 39 in dem einen Winkelbreich 37 deutlich kleiner als die Länge der Elektrodenarme 38 in dem gegenüberliegenden Winkelbereich 36. Eine derartige unsymmetrische Anordnung der Elektrodenarme 29, 32 des radialen Interdigitalelektrodensystems 24c hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn der Gasstrom aufgrund der Geometrie des Sensors bevorzugt in eine bestimmte Richtung (beispielsweise in Richtung der verlängerten Elektrodenarme) abströmt.
5 ist eine Unteransicht einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen, in 3a oder 3b gezeigten, auf Laminat-Lagen basierenden Sensors 11. 5 unterscheidet sich von 4a dadurch, dass eine weitere spezielle Ausführungsform der Interdigitalelektroden 24 des Sensorelementes 25 dargestellt ist, in der die zwei Interdigitalelektroden 24 clipartig, und nicht wie üblich linear kammartig, ineinander greifen (clipartiges Interdigitalelektrodensystem 24d).
6 ist eine Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform einer eine Messzelle umfassenden Laminat-Lage 12 eines erfindungsgemäßen Sensors 11 und dient der Veranschaulichung einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Haltevorrichtungen 15. Im Rahmen dieser Ausführungsform werden zwei Haltevorrichtungen 15 durch zwei L- und/oder U-ähnliche, punktsymmetrisch zueinander angeordnete, ineinander greifende Aussparungen 26 in der Laminat-Lage realisiert. Dabei entstehen durch die zwei L- und/oder U-ähnlichen, punktsymmetrisch zueinander angeordnete, ineinander greifende Aussparungen 26 zwei schmale Stege 40, welche die Haltevorrichtungen 15 darstellen. Die Stege/Haltevorrichtungen 40/15 sind über eine Fläche 41 im Symmetriezentrum, welche die Basis für eine Messzelle 13 bildet, verbunden sind. Darüber hinaus zeigt 6 eine im Symmetriezentrum der Aussparungen 26 angeordnete Temperaturmessvorrichtung 14, an die zwei Leitungen 16 anschließen, welche über die schmalen Stege 40/Haltevorrichtungen 15 zu der Temperaturmessvorrichtung 14 und von dieser weg geführt werden. Die Leitungen 16 sind elektrisch leitend mit Kontakten 17 verbunden, welche einen Anschluss, beispielsweise über Durchkontaktierung, der Temperaturmessvorrichtung 14 an die übrigen, nicht dargestellten Elementen des Sensors, wie Spannungsversorgung, Spannungsbegrenzungs-, Auswertungs-, Spannungsmess- und/oder Strommessvorrichtung, gewährleisten. Dieser Aufbau hat den Vorteil, dass die Messzelle 13 durch die schmalen Stege 40/Haltevorrichtungen 15 von dem restlichem Sensor 11 thermisch entkoppelt werden kann und gleichzeitig mechanische Spannungen durch eine leichte Verdrehung der inneren Struktur ausgeglichen werden können.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Detektion von Teilchen in einem Gasstrom mit einem mindestens zwei Elektroden aufweisenden Sensorelement, indem
in einer Messphase an die Elektroden des Sensorelement eine Messspannung angelegt wird, wobei sich durch Anlagerung von Teilchen bildende Teilchenpfade die Elektroden kurzschließen, und der sich einstellende Stromfluss, Spannungsabfall und/oder elektrische Widerstand gemessen und als Maß für die Konzentration und/oder den Massenstrom der Teilchen ausgegeben wird,
das dadurch gekennzeichnet, dass
in einer an die Messphase anschließenden Regenrationsphase die angelagerten Teilchen teilweise oder vollständig entfernt werden, indem die an den Elektroden anliegende Messspannung auf eine Regenerationsspannung erhöht wird.
Dabei beruht die Erfindung auf dem Prinzip, dass sich durch das Anlegen einer hohen Regenerationsspannung an die zur Messung verwendeten Elektroden ein Stromfluss durch die Teilchenpfade einstellt, der ausreicht die Teilchenpfade so stark zu erwärmen, dass die angelagerten Teilchen desorbiert und/oder verbrannt und somit teilweise oder vollständig entfernt werden.
Die Messspannung und Regenerationsspannung werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung an den gleichen Elektroden, beispielsweise an den gleichen Kontakten der Elektroden angelegt. Das heißt, es ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung nicht vorgesehen bei dem Wechsel von der Messspannung auf die Regenerationsspannung einen Kontaktwechsel vorzunehmen.
Ferner ist es im Rahmen der vorliegenden Erfindung nicht vorgesehen, wie in einer herkömmlichen Heizvorrichtung, eine Erwärmung durch einen Stromfluss durch eine metallische Leiterbahn, wie einen Heizmäander oder eine Elektrode, zu erzielen. Daher werden die Elektroden als solches weder zu Beginn des erfindungsgemäßen Verfahrens noch während des Verlaufs des erfindungsgemäßen Verfahrens elektrisch leitend miteinander verbunden.
Unter dem Begriff „Teilchen" werden im Sinn der vorliegenden Erfindung feste und/oder flüssige leitfähige Teilchen, beispielsweise leitfähige Partikel und/oder Tröpfchen, insbesondere Rußpartikel, das heißt halbleitender Kohlenstoff, verstanden. Unter den Begriffen „desorbieren" und „Desorbtion" wird im Sinn der vorliegenden Erfindung abtragen bzw. Abtrag verstanden.
Die Regenerationsphase wird beispielsweise beim Erreichen eines bestimmten Schwellwertes an Teilchen eingeleitet. Vorzugsweise werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung die Messphase und Regenerationsphase alternierend wiederholt werden.
Erfindungsgemäß können die angelagerten Teilchen sowohl vollständig (vollständige Regeneration) als auch teilweise (Teilregeneration) entfernt werden. Bei einer Teilregeneration bleibt eine Restleitfähigkeit der angelagerten Teilchen erhalten, sodass eine Blindzeit des Sensors, in der kein auswertbares Messsignal (kein Elektrodenstrom) vorliegt, vermieden wird. Im Rahmen einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die angelagerten Teilchen daher in der Regenrationsphase teilweise entfernt.
Da die Regeneration des Sensorelementes in dem erfindungsgemäßen Verfahren über das Anlegen einer Regenerationsspannung an die ohnehin in einem Teilchensensor enthaltenen Elektroden des Sensorelementes erfolgt, kann das erfindungsgemäße Verfahren vorteilhafterweise auf Sensoren angewendet werden, die keine separate Heizvorrichtung zur Regeneration des Sensors aufweisen. Dies hat wiederum den Vorteil, dass keine zusätzlichen Leitungen für eine separate Heizvorrichtung benötigt werden und das Verfahren beispielsweise auf einen ein Sensorelement und eine Temperaturmessvorrichtung umfassenden Sensor mit nur vier Anschlussleitungen angewendet werden kann. Darüber hinaus ist, wegen der geringen zu erwärmenden Teilchenmenge und der gezielt eingesetzten Heizleistung, die benötigte Heizleistung gering und eine Erwärmung des gesamten Sensors kann im Gegensatz zu bekannten Verfahren und vermieden werden. Dies hat den Vorteil, dass Energiekosten, Aufwärm- und Abkühlzeiten gesenkt werden und somit die Messbereitschaft des Sensors erhöht wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es folglich die Elektroden des Sensorelementes so einzusetzen, dass sie sowohl als Messvorrichtung zur Detektion von Teilchen in einem Gasstrom als auch als Heizvorrichtung zur Regeneration des Sensors verwendet werden können. Vorteilhafterweise ermöglicht es das erfindungsgemäße Verfahren, dass die Elektroden eines Sensorelementes in Abhängigkeit von der Höhe daran angelegten Spannung

– als Messvorrichtung zur Detektion von Teilchen in einem Gasstrom und/oder
– als Heizvorrichtung zur Regeneration des Sensors

Vorzugsweise ist die Regenerationsspannung ≥ 2- bis ≤ 20-mal, beispielsweise ≥ 3- bis ≤ 9-mal, insbesondere ≥ 4- bis ≤ 6-mal, höher als die Messspannung. Im Rahmen einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Höhe der Regenerationsspannung so eingestellt, dass die durch das Anlegen der Regenerationsspannung umgesetzte Regenerationsleistung ≥ 4- bis ≤ 400-mal mal, beispielsweise ≥ 9- bis ≤ 81-mal, insbesondere ≥ 16- bis ≤ 36-mal, höher ist als die am Ende der Messphase bei angelegter Messspannung umgesetzte Messleistung.
Vorteilhaft wird die Höhe der Regenerationsspannung und der Zeitraum in dem die Regenerationsspannung angelegt wird, so bemessen, dass nicht die gesamten Teilchen desorbiert und/oder verbrannt werden, sondern eine Teilchengrundmenge gehalten wird, von der aus der Sensor sofort weiter messen kann. Dies hat gegenüber der normalen thermischen Regeneration mittels einer separaten Heizvorrichtung den Vorteil, dass sich das Elektrodensystem und andere benachbarte Elemente des Sensors nicht oder nur sehr geringfügig erwärmen.
Vorzugsweise beträgt die Regenerationsphase weniger als ≤ 10 Sekunden, beispielsweise weniger als ≤ 5 Sekunde, insbesondere weniger als ≤ 2 Sekunden. Dabei kann die Regenerationsspannung erfindungsgemäß eine Gleichspannung, eine Wechselspannung oder eine gepulste Spannung sein. Die Anwendung eines Spannungspulses hat sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, da der Sensor, bis auf eine kurze Unterbrechung durch den Spannungspuls, permanent messbereit ist.
Zweckmäßigerweise kann die Regenerationsspannung von ≥ 40 V bis ≤ 500 V, beispielsweise von ≥ 100 V bis ≤ 320 V, insbesondere von ≥ 200 V bis ≤ 300 V betragen. Vorteilhafterweise wird die Regenerationsspannung für ≥ 1 s bis ≤ 20 s, beispielsweise ≥ 1,2 s bis ≤ 10 s, insbesondere ≥ 1,5 s bis ≤ 5 s angelegt.
Die durch das Anlegen einer erfindungsgemäßen Regenerationsspannung umgesetzte Regenerationsleistung liegt beispielsweise in einem Bereich von ≥ 0,05 W bis ≤ 1 W, beispielsweise in einem Bereich von ≥ 0,1 W bis ≤ 0,5 W, insbesondere in einem Bereich ≥ 0,2 W bis ≤ 0,3 W.
In der Messphase ist zu beachten, dass eine Messspannung angelegt wird, die nicht ausreicht angelagerte Teilchen durch Erwärmung zu entfernen. Zweckmäßigerweise kann die Messspannung in einem Bereich von ≥ 0,1 V bis ≤ 100 V, beispielsweise in einem Bereich von ≥ 1 V bis ≤ 60 V, insbesondere in einem Bereich von ≥ 25 V bis ≤ 40 V liegen. Die am Ende der Messphase bei angelegter Messspannung umgesetzte Messleistung kann in einem Bereich von ≥ 0,001 mW bis ≤ 20 mW, beispielsweise in einem Bereich von ≥ 0,005 mW bis ≤ 15 mW, insbesondere in einem Bereich ≥ 0,01 mW bis ≤ 10 mW, liegen.
Im Rahmen einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, wird weiterhin die Temperatur, beispielsweise des Sensors und/oder des Gasstroms, permanent gemessen und ausgewertet.
Somit ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung sowohl das Teilchenmesssignal, bis auf eine kurze Unterbrechung durch das Anlegen der Regenerationsspannung, als auch das Temperaturmesssignal permanent verfügbar.
Vorzugsweise wird das erfindungsgemäße Verfahren zur Überwachung der Betriebsweise eines Verbrennungsmotors oder einer Verbrennungsanlage oder eines Werkstattmessgerät zur Abgasuntersuchung und/oder der Funktionsfähigkeit eines Partikelfilters und/oder des Beladungszustandes eines Partikelfilters und/oder zur Überwachung von chemischen Herstellungsprozessen, Abluftanlagen und/oder Abluftnachbehandlungsanlagen eingesetzt.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Sensor zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens umfassend

– ein mindestens zwei Elektroden aufweisendes Sensorelement,
– eine an die Elektroden angeschlossene Spannungsversorgungsvorrichtung,
– eine an die Elektroden angeschlossene Spannungs- und/oder Strommessvorrichtung und
– eine an die Spannungs- und/oder Strommessvorrichtung angeschlossene Auswertungsvorrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor
– eine thermisch entkoppelte Messzelle mit einer geringen Wärmespeicherkapazität aufweist, welche das Sensorelement umfasst.

Eine solche thermisch entkoppelte Messzelle mit geringer Wärmespeicherkapazität hat den Vorteil, dass sie ein schnelles Ansprechverhalten und eine hohe Genauigkeit des Sensors sowohl bei Temperatur- als auch bei Teilchenmessungen gewährleistet, was aufgrund von schnellen, beispielsweise Motorlastwechsel bedingten, Temperaturschwankungen im Gasstrom vorteilhaft ist. Der Aufbau der Messzelle auf einer kleinen thermischen Masse, das heißt mit einer geringen Wärmespeicherkapazität, hat zudem den Vorteil, dass die Messzelle stets auf Abgastemperatur liegt und deshalb An- und Ablagerungsvorgänge infolge von Thermophorese (welche ansonsten nur rechnerisch korrigiert werden können) gegenüber der Elektrophorese (welche ansonsten aktiv über die Messspannung eingestellt werden können) vernachlässigt werden können, wodurch der Sensor genauer, besser beherrschbar und kontrollierbar sowie das Signalauswertungsverfahren einfacher und kostengünstiger wird.
Vorteilhafterweise weist die Messzelle eine Wärmespeicherkapazität von ≤ 50 mJ/K, beispielsweise von ≤ 10 mJ/K, insbesondere von ≤ 2 mJ/K auf.
Vorzugsweise umfasst die erfindungsgemäße Messzelle weiterhin eine Temperaturmessvorrichtung. Vorzugsweise basiert eine solche Temperaturmessvorrichtung auf einem Temperaturmessmäander, einem Thermoelement, einem negativen Temperaturkoeffiezienten-Widerstand (NTC-Widerstand) oder einem positiven Temperaturkoeffiezienten-Widerstand (PTC-Widerstand).
Das Sensorelement und/oder die Temperaturmessvorrichtung ist/sind in/an der Messzelle angeordnet. Vorteilhafterweise liegen das Sensorelement und die Temperaturmessvorrichtung dicht beieinander. Beispielsweise sind das Sensorelement und die Temperaturmessvorrichtung auf der gleichen Seite der Messzelle oder auf gegenüber liegenden Seiten der Messzelle angeordnet. Eine Anordnung auf gegenüber liegenden Seiten der Messzelle hat sich dabei als besonders vorteilhaft heraus gestellt, da durch eine solche Anordnung die Größe des Sensors verringert und Zuleitung einfacher zugeführt werden können.
Vorzugsweise basiert ein erfindungsgemäßer Sensor auf keramischer Mehrlagentechnik oder robuster Dünnschichttechnik (Mikrosystemtechnik) und umfasst beispielsweise eine oder mehrerer Folie/n und/oder Membran/en und/oder Laminat-Lage/n, die eine Schichtstruktur bilden.
Wenn ein erfindungsgemäßer Sensor auf einer solchen Schichtstruktur aus einer oder mehreren Folie/n und/oder Membran/en und/oder Laminat-Lage/n basiert, kann eine erfindungsgemäße Messzelle beispielsweise so ausgestaltet sein, dass mindestens eine Folie und/oder Membran und/oder Laminat-Lage des Sensors mindestens eine Aussparung aufweist. Beispielsweise ist die mindestens eine Aussparung so angeordnet, dass ein, insbesondere kleiner, Teilbereich der Folie und/oder Membran und/oder Laminat-Lage durch die Aussparung/en von den übrigen Bereichen der Folie und/oder Membran und/oder Laminat-Lage getrennt, das heißt thermisch entkoppelt, wird; und der Teilbereich über mindestens einen schmalen Steg, welcher im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch als Aufhängungsvorrichtung bezeichnet wird, mit den übrigen Bereichen der Folie und/oder Membran und/oder Laminat-Lage weiterhin verbunden ist.
Beispielsweise könnte eine derartige Messzelle durch eine Aussparung in Form einer einfach unterbrochenen Kreislinie realisiert werden. Da Gassensoren üblicherweise jedoch hohen Vibrationsbelastungen ausgesetzt sind, müssen bei der Form, Größe und Anzahl der Aussparung/en Kompromisse zwischen einer möglichst kleinen Masse/Wärmespeicherkapazität, guter thermischer Entkopplung und hoher mechanischer Stabilität eingegangen werden.
Zum Erhöhen der mechanischen Stabilität ist es beispielsweise vorteilhaft, wenn die Messzelle zwei oder mehr, beispielsweise geschichtete, Folie/n, Membran/en und/oder Lage/n umfasst. Wenn die Messzelle zwei oder mehr Folien, Membranen und/oder Lagen umfasst, kann die Temperaturmessvorrichtung auch zwischen den Folien, Membranen und/oder Lagen angeordnet sein.
Darüber hinaus kann die mechanische Stabilität durch die Form der Aussparung/en erhöht werden. Im Rahmen einer Ausführungsform der Erfindung wird eine erfindungsgemäße Messzelle nebst Aufhängungsvorrichtungen durch vier im wesentlichen runde, insbesondere ellipsen- oder kreisförmige, Aussparungen, deren Mittelpunkte in Form eines Vierecks, insbesondere Rechtecks oder Quadrats angeordnet sind, realisiert. Eine derartige Anordnung von Aussparungen wird beispielsweise in den 4a und 5 dargestellt. Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird eine erfindungsgemäße Messzelle nebst Aufhängungsvorrichtungen durch zwei L-, C- und/oder U-ähnliche, punktsymmetrisch zueinander angeordnete, ineinander greifende Aussparungen realisiert. Eine derartige Anordnung von Aussparungen wird beispielsweise in 6 dargestellt.
Die mindestens zwei Elektroden des Sensorelements können interdigital sein, das heißt die mindestens zwei Elektroden des Sensorelements können kammartig ineinander greifen (Interdigitalelektroden). Interdigitalelektroden können auf einfache Weise durch Verfahren wie Siebdruckverfahren auf eine darunter liegenden Schicht, beispielsweise auf eine Folie, eine Membran und/oder ein Laminat-Lage, aufgedruckt werden. Wenn es sich bei den Elektroden des Elektrodensystems um Interdigitalelektroden handelt, liegen diese daher zweckmäßigerweise in einer Ebene. Bei dem Elektrodenmaterial handelt es sich beispielsweise um Metalle wie Platin, Gold oder Kupfer, wobei Platin bevorzugt wird. Vorzugsweise weist das Elektrodensystem eine Schichtdicke in einem Bereich von ≥ 1 μm bis ≤ 100 μm, beispielsweise von ≥ 2 μm bis ≤ 50 μm, insbesondere von ≥ 5 μm bis ≤ 20 μm, auf.
Im Rahmen einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Elektroden des Sensorelementes Interdigitalelektroden, die linear kammartig, radial kammartig oder clipartig ineinander greifen.
Dabei wird unter „radial kammartig ineinander greifenden Interdigitalelektroden" verstanden, dass eine Interdigitalelektrode in Form eines Kamms mit einem im wesentlichen runden, insbesondere ellipsoiden oder kreisförmigem Rückrat ausgestaltet ist, dessen Zähne (Elektrodenarme) radial in Richtung auf den Mittelpunkt des im wesentlichen runden Rückrats zeigen, und in eine zweite Interdigitalelektrode eingreift, die ebenfalls in Form eines Kamms mit einem im wesentlichen runden, insbesondere ellipsoiden oder kreisförmigem Rückrat ausgestaltet ist, dessen Zähne (Elektrodenarme) jedoch radial von dem Mittelpunkt des im wesentlichen runden Rückrats wegzeigen, wobei die Bereiche zwischen den radial kammartig ineinander greifenden Interdigitalelektroden vorzugsweise äquidistant sind. Die Zähne (Elektrodenarme) können dabei beispielsweise strahl- oder keilförmig ausgestaltet sein. Eine solche Kombination aus mindestens zwei „radial kammartig ineinander greifenden Interdigitalelektroden" wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch als „radiales Interdigitalelektrodensystem" bezeichnet. Ein erfindungsgemäßes radiales Interdigitalelektrodensystem kann sich über eine volle, im wesentlichen runde Fläche, insbesondere Ellipsen- oder Kreisfläche, erstrecken. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist es jedoch ebenso möglich, dass sich das radiale Elektrodensystem nur über einzelnen Sektoren einer im wesentlichen runden Fläche, insbesondere Ellipsen- oder Kreisfläche, erstreckt. Darüber hinaus kann das erfindungsgemäße radiale Interdigitalelektrodensystem sowohl symmetrisch als auch unsymmetrisch aufgebaut sein. Hinsichtlich der bevorzugten Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen radialen Interdigitalelektrodensystems wird auf die 4a bis 4d und deren Beschreibung verwiesen.
Unter dem Begriff „clipartig ineinander greifend" wird verstanden, dass die Elektrodenarme der Interdigitalelektroden nicht wie üblicherweise einheitlich rechteckig ausgestaltet sind, sondern eine individuelle Breite und Länge aufweisen, wobei die Breite sowohl von Elektrodenarm zu Elektrodenarm als auch über die Länge eines Elektrodenarms variieren kann. Vorzugsweise sind die Elektrodenarme der Interdigitalelektroden dabei so ausgestaltet, dass die Elektrodenarme insgesamt ein symmetrisches Muster, das heißt ein symmetrisches Interdigitalelektrodensystem bilden. Zweckmäßigerweise ist ein clipartiges, Interdigitalelektrodensystem so ausgestaltet, dass die Bereiche zwischen den clipartig ineinander greifenden Interdigitalelektroden äquidistant sind.
Im Rahmen einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Elektroden des Sensorelementes radiale Interdigitalelektroden, die sich über eine volle, im wesentlichen runde Fläche, insbesondere Kreis- oder Ellipsenfläche, oder über einen oder mehrere Ausschnitte einer im wesentlichen runden Fläche, insbesondere Kreisausschnitte oder Ellipsenausschnitte, erstrecken. Dabei wird unter einem Kreisausschnitt (Kreissektor) eine Teilfläche einer Kreisfläche verstanden, die von einem Kreisbogen und zwei Kreisradien begrenzt wird (Draufsicht auf ein Tortenstück). Analog dazu wird unter einem Ellipsenausschnitt oder einem Ausschnitt einer im wesentlichen runden Fläche eine Teilfläche einer Ellipsenfläche oder einer in wesentlichen runden Fläche verstanden, die von einem Bogen und zwei Radien begrenzt wird. Beispielsweise erstreckt sich das erfindungsgemäße radiale Interdigitalelektrodensystem über zwei gegenüberliegende Ausschnitte einer im wesentlichen runden Fläche, insbesondere Kreis- oder Ellipsenausschnitte, wobei zwischen den Ausschnitten, über die sich das radiale Interdigitalelektrodensystem erstreckt, elektrodenfreie Teilflächen, insbesondere Ausschnitte, liegen. Im Rahmen einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform ist das radiale Interdigitalelektrodensystem darüber hinaus derart ausgestaltet, dass einer der zwei gegenüberliegende Ausschnitte der im wesentlichen runde Fläche, insbesondere der Kreis- oder Ellipsenausschnitte, sich über einen größeren Winkelbereich erstreckt als der andere Ausschnitt der im wesentlichen runde Fläche, insbesondere Kreis- oder Ellipsenausschnitt, und/oder dass die Elektrodenarme des einen Ausschnitts länger oder kürzer als die Elektrodenarme des anderen, gegenüberliegenden Ausschnitts sind.
Um das Beströmen der Messzelle, des Sensorelemente und/oder der Temperaturmessvorrichtung mit einem Gasstrom und darin enthaltenen Teilchen zu gewährleisten, sind über und/oder unter der Messzelle, dem Sensorelement und/oder der Temperaturmessvorrichtung liegende Schichten des Sensors zweckmäßigerweise mit Strömungsaussparungen ausgestattet. Vorzugsweise sind diese Strömungsaussparungen mittig über und/oder unter der Messzelle, dem Sensorelement und/oder der Temperaturmessvorrichtung angeordnet.
Die Spannungsversorgung mit hohen Spannungen kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung beispielsweise durch eine Wandlerschaltung gewährleistet werden. Zweckmäßigerweise umfasst ein erfindungsgemäßer Sensor weiterhin

– eine Strombegrenzungsvorrichtung.

Durch eine geeignet gewählte Strombegrenzungsvorrichtung kann ein potentieller Spannungsüberschlag zwischen den mindestens zwei Elektroden des Sensorelementes, der die Elektroden beschädigen könnte, vermieden werden.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst der erfindungsgemäße Sensor weiterhin mindestens ein Schutzrohr mit Öffnungen. Sofern die Gefahr von größeren Teilchenflocken, wie abgerissenen Wandablagerungen, im Gasstrom besteht, sollten die Öffnungen des Schutzrohres, um großen Teilchenflocken auszublenden, so angeordnet sein, dass sich das Sensorelement auf der dem Gasstrom abgewandten Seite befindet. Insofern die Gefahr von größeren Teilchenflocken gering ist, hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, die Schutzrohröffnung so anzuordnen, dass sich das Sensorelement auf der dem Gasstrom zugewandten (und gegebenenfalls die Temperaturmessvorrichtung auf der dem Gasstrom abgewandten Seite) befindet, da durch einen derartigen Aufbau die Empfindlichkeit des Sensorelementes gesteigert werden kann und die Temperaturmessung auch auf der dem Gasstrom abgewandten Seite wegen der kleinen thermischen Masse sehr schnell ist.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist die Verwendung eines erfindungsgemäßen Sensors.
Darüber hinaus ist auch die Verwendung eines erfindungsgemäßen Sensors und/oder eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Überwachung der Betriebsweise eines Verbrennungsmotors oder einer Verbrennungsanlage oder eines Werkstattmessgerät zur Abgasuntersuchung und/oder der Funktionsfähigkeit eines Partikelfilters und/oder des Beladungszustandes eines Partikelfilters und/oder zur Überwachung von chemischen Herstellungsprozessen, Abluftanlagen und/oder Abluftnachbehandlungsanlagen Gegenstand der vorliegenden Erfindung.
Darüber hinaus ist auch die Verwendung eines Sensors umfassend

– ein mindestens zwei Elektroden aufweisendes Sensorelement,
– eine an die Elektroden angeschlossene Spannungsversorgungsvorrichtung,
– eine an die Elektroden angeschlossene Spannungs- und/oder Strommessvorrichtung und
– eine an die Spannungs- und/oder Strommessvorrichtung angeschlossene Auswertungsvorrichtung

Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Gegenstandes sind der Beschreibung, der Zeichnung und den Patentansprüchen zu entnehmen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 10149333 A1 [0003]
- WO 2003006976 A2 [0003]

Claims

Verfahren zur Detektion von Teilchen in einem Gasstrom mit einem zwei Elektroden aufweisenden Sensorelement, indem in einer Messphase an die Elektroden des Sensorelement eine Messspannung angelegt wird, wobei sich durch Anlagerung von Teilchen bildende Teilchenpfade die Elektroden kurzschließen, und der sich einstellende Stromfluss, Spannungsabfall und/oder elektrische Widerstand gemessen und als Maß für die Konzentration und/oder den Massenstrom der Teilchen ausgegeben wird, dadurch gekennzeichnet, dass in einer an die Messphase anschließenden Regenrationsphase die angelagerten Teilchen teilweise oder vollständig entfernt werden, indem die an den Elektroden anliegende Messspannung auf eine Regenerationsspannung erhöht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Regenerationsspannung ≥ 2- bis ≤ 20-mal höher als die Messspannung ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe der Regenerationsspannung so eingestellt wird, dass die durch das Anlegen der Regenerationsspannung umgesetzte Regenerationsleistung ≥ 4- bis ≤ 400-mal höher ist als die am Ende der Messphase bei angelegter Messspannung umgesetzte Messleistung.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Regenerationsphase weniger als ≤ 10 Sekunden beträgt.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Regenerationsspannung eine Gleichspannung, eine Wechselspannung oder eine gepulste Spannung ist.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Messphase und Regenerationsphase alternierend wiederholt werden.
Sensor (11) zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6 umfassend – ein mindestens zwei Elektroden (24) aufweisendes Sensorelement (25), – eine an die Elektroden (24) angeschlossene Spannungsversorgungsvorrichtung, – eine an die Elektroden (24) angeschlossene Spannungs- und/oder Strommessvorrichtung und – eine an die Spannungs- und/oder Strommessvorrichtung angeschlossene Auswertungsvorrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor – eine thermisch entkoppelte Messzelle (13) mit einer geringen Wärmespeicherkapazität aufweist, welche das Sensorelement (25) umfasst.
Sensor (11) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Messzelle (13) weiterhin eine Temperaturmessvorrichtung (14) umfasst.
Sensor (11) nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Messzelle (13) eine Wärmespeicherkapazität von ≤ 50 mJ/K aufweist.
Sensor (11) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (25) und die Temperaturmessvorrichtung (14) auf gegenüber liegenden Seiten der Messzelle (13) angeordnet sind.
Sensor (11) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (24) des Sensorelementes (25) Interdigitalelektroden sind, die linear kammartig, radial kammartig (24a, 24b, 24c) oder clipartig (24d) ineinander greifen.
Sensor (11) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden des Sensorelementes radiale Interdigitalelektroden (24a, 24b, 24c) sind, die sich über eine volle im wesentlichen runde Fläche oder über einen oder mehrere Ausschnitte (34, 35; 36, 37) einer im wesentlichen runden Fläche erstrecken.
Sensor (11) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich das radiale Interdigitalelektrodensystem (24b, 24c) über zwei gegenüberliegende Ausschnitte (34, 35; 36, 37) einer im wesentlichen runden Fläche erstreckt, wobei zwischen den Ausschnitten (34, 35; 36, 37), über die sich das radiale Interdigitalelektrodensystem erstreckt, elektrodenfreie Teilflächen (33) liegen.
Verwendung eines Sensors (11) nach einem der Ansprüche 7 bis 13 und/oder eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6 zur Überwachung der Betriebsweise eines Verbrennungsmotors oder einer Verbrennungsanlage oder eines Werkstattmessgerät zur Abgasuntersuchung und/oder der Funktionsfähigkeit eines Partikelfilters und/oder des Beladungszustandes eines Partikelfilters und/oder zur Überwachung von chemischen Herstellungsprozessen, Abluftanlagen und/oder Abluftnachbehandlungsanlagen.
Verwendung eines Sensors umfassend – ein mindestens zwei Elektroden (24) aufweisendes Sensorelement (25), – eine an die Elektroden (24) angeschlossene Spannungsversorgungsvorrichtung, – eine an die Elektroden (24) angeschlossene Spannungs- und/oder Strommessvorrichtung und – eine an die Spannungs- und/oder Strommessvorrichtung angeschlossene Auswertungsvorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6.