DE102007033215A1 - Sensor, Verfahren sowie deren Verwendung zur Detektion der Größenverteilung von Teilchen in einem Gasstrom - Google Patents

Sensor, Verfahren sowie deren Verwendung zur Detektion der Größenverteilung von Teilchen in einem Gasstrom Download PDF

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Ralf Schmidt
Peter Bartscherer
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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Sensor zur Detektion der Größenverteilung von Teilchen in einem Gasstrom, umfassend ein Elektrodensystem mit mindestens drei in einer Ebene liegenden Elektroden (1, 1'; 2, 2'; 3, 3'; 4, 4'), mindestens eine Spannungsversorgungsvorrichtung (201; 202; 203; 204) und mindestens eine Spannungsmess- und/oder Strommessvorrichtung (301; 302; 303; 304), der dadurch gekennzeichnet ist, dass in dem Elektrodensystem jeweils zwei Elektroden unterschiedlicher Polarität (1, 1'; 2, 2'; 3, 3'; 4, 4') ein Elektrodenpaar (11; 12; 13; 14) bilden, wobei die Elektrodenpaare (11; 12; 13; 14) derart entlang eines in der Ebene der Elektroden liegenden fiktiven Strahls (X1, S1) angeordnet sind, dass der Strahl (X1, S1) jeweils zwischen den beiden Elektroden (1, 1'; 2, 2' 3, 3'; 4, 4') eines Elektrodenpaares (11; 12; 13; 14) verläuft, wobei die entlang des Strahls (X1; S1) angeordneten Elektrodenpaare (11; 12; 13; 14) derart an mindestens eine Spannungsmess- und/oder Strommessvorrichtung (301; 302; 303; 304) angeschlossen sind, dass die Spannung und/oder der Stromfluss zwischen jedem Elektrodenpaar (11; 12; 13; 14) einzeln bestimmt werden kann, ein Verfahren sowie deren Verwendung.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Sensor und ein Verfahren sowie deren Verwendung zur Detektion der Größenverteilung 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 Diagnose, 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. Zur Regeneration des Sensors nach der Teilchenanlagerung muss der Sensor mit Hilfe einer integrierten Heizvorrichtung freigebrannt werden.
  • Derartige Sensoren reagieren jedoch auf alle sich an den Elektroden anlagernde Teilchen, unabhängig von deren Teilchengröße. Daher können herkömmliche Sensoren an sich nur die Teilchenmasse pro Gasvolumen (Teilchenmasse pro Kubikzentimeter Luft) ermitteln.
  • Dem Umstand, dass kleine Teilchen von den Schleimhäuten im Nasen-/Rachenraum bzw. den Härchen im Nasenbereich nur bedingt ausgefiltert werden und somit eine Belastung der Atemwege zur Folge haben, während größere Teilchen ausgefiltert werden und damit keine Belastung der Atemwege darstellen, wird mit einer Bestimmung der Teilchenmasse pro Kubikzentimeter Luft nicht Rechnung getragen.
  • Daher wurde von der US-amerikanischen Umweltschutzbehörde EPA der Particulate-Matter-Standard (PM-Standard) eingeführt, bei dem die Teilchenimmission in Abhängigkeit von der Teilchengröße gewichtet wird. Dieser PM-Standard wurde auch in der Europäischen Union eingeführt. Seit Anfang 2005 ist in der Europäischen Union der Grenzwert PM10 einzuhalten. Dabei bedeutet PM10, dass alle Teilchen mit einem aerodynamischen Durchmesser von kleiner 10 μm in die Gewichtung eingehen. Obwohl ultrafeine Teilchen/Partikel mit einem aerodynamischen Durchmesser von weniger als 100 nm als besonders gesundheitsbedenklich angesehen werden, werden diese bei einer PM10 Gewichtung untergewichtet.
  • Zur Bestimmung des PM10-Wertes werden herkömmliche Sensoren mit größenselektiven Einlässen ausgestattet. Bei diesen größenselektiven Einlässen werden größere Teilchen durch eine der Größenklasse angepasste Umlenkung der teilchenbehafteten Gasströmung ausgeblendet. Durch derartige Umlenkung können jedoch nur Teilchen, die einen aerodynamischen Durchmesser von etwa ≥ 300 nm aufweisen und sich ballistisch verhalten, ausgeblendet werden. Die Größenverteilung von gesundheitsbedenklichen, ultrafeinen Teilchen/Partikel mit einem aerodynamischen Durchmesser von weniger als 300 nm, die sich nach den Gesetzen der Diffusion verhalten, kann daher durch größenselektive Einlässe nicht bestimmt werden.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Vorteile der Erfindung
  • Ein erfindungsgemäßer Sensor zur Detektion der Größenverteilung von Teilchen in einem Gasstrom, umfassend ein Elektrodensystem mit mindestens drei in einer Ebene liegenden Elektroden, mindestens eine Spannungsversorgungsvorrichtung und mindestens eine Spannungsmess- und/oder Strommessvorrichtung, der dadurch gekennzeichnet ist, dass in dem Elektrodensystem jeweils zwei Elektroden unterschiedlicher Polarität ein Elektrodenpaar bilden, wobei die Elektrodenpaare derart entlang eines in der Ebene der Elektroden liegenden fiktiven Strahls angeordnet sind, dass der Strahl jeweils zwischen den beiden Elektroden eines Elektrodenpaares verläuft, wobei die entlang des Strahls angeordneten Elektrodenpaare derart an mindestens eine Spannungsmess- und/oder Strommessvorrichtung angeschlossen sind, dass die Spannung und/oder der Stromfluss zwischen jedem Elektrodenpaar einzeln bestimmt werden kann, hat den Vorteil, dass verschiedene Größenfraktionen von sich anlagernden Teilchen aufgelöst und gemessen werden können, wobei auch Größenfraktionen von ultrafeinen Teilchen/Partikel mit einem aerodynamischen Durchmesser von weniger als 300 nm noch aufgelöst und gemessen werden können. Die Aufteilung der Größenfraktionen kann dabei einerseits durch die Ausgestalttrng des Elektrodensystems bestimmt werden. Andererseits kann die Aufteilung der Größenfraktionen durch Adaption der an den Elektrodenpaaren angelegten Spannungen während des Betriebs eingeregelt werden. Vorteilhafterweise sind erfindungsgemäße Elektrodensysteme darüber hinaus sehr klein und kostengünstig zu realisieren und haben das Potential in Kraftfahrzeugen eingesetzt zu werden.
  • Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Gegenstandes sind der Beschreibung, der Zeichnung und den Patentansprüchen zu entnehmen.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
  • 1a zeigt eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensors mit einem Elektrodensystem, in dem Elektrodenpaare entlang eines Strahls angeordneten sind, wobei jedes Elektrodenpaar an eine eigene Spannungsmess- und/oder Strommessvorrichtung angeschlossen ist, wobei alle Elektrodenpaare an eine gemeinsame Spannungsversorgungsvorrichtung angeschlossen sind und wobei jedes Elektrodenpaar über einen eigenen, variablen Vorwiderstand verfügt, der es ermöglicht an den unterschiedlichen Elektrodenpaaren unterschiedlich hohe Spannungen anzulegen;
  • 1b zeigt eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensors mit einem Elektrodensystem, in dem Elektrodenpaare entlang eines Strahls angeordneten sind, wobei jedes Elektrodenpaar an eine eigene Spannungsmess- und/oder Strommessvorrichtung und an eine eigene Spannungsversorgungsvorrichtung angeschlossen ist;
  • 1c zeigt eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensors, die sich von der zweiten, in 1b gezeigten Ausführungsform dadurch unterscheidet, dass zwischen benachbarten Elektroden, die zu unterschiedlichen Elektrodenpaaren gehören, jeweils eine weitere Spannungsmess- und/oder Strommessvorrichtung angeschlossen ist, wodurch eine verbesserte Messung mit einer von Elektrodenpaar zu Elektrodenpaar wechselnden Spannungspolarität ermöglicht wird;
  • 1d zeigt eine schematische Darstellung einer vierten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensors, die sich von der ersten, in 1a gezeigten Ausführungsform hauptsächlich dadurch unterscheidet, dass sich der zwischen den beiden Elektroden eines Elektrodenpaares befindliche Elektrodenpaarlückenabstand A von Elektrodenpaar zu Elektrodenpaar stetig vergrößert, wobei die Anordnung der Elektroden bezüglich des durch die Elektrodenpaarlücke verlaufenden Strahls asymmetrisch ist;
  • 1e zeigt eine schematische Darstellung einer fünften Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensors, die sich von der vierten, in 1d gezeigten Ausführungsform dadurch unterscheidet, dass die Anordnung der Elektroden bezüglich des durch die Elektrodenpaarlücke verlaufenden Strahls symmetrisch ist;
  • 1f zeigt eine schematische Darstellung einer sechsten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensors, die sich von der ersten, in 1a gezeigten Ausführungsform hauptsächlich dadurch unterscheidet, dass die Elektrodenpaarlückenabstände der einzelnen Elektrodenpaare hinsichtlich einer auf einer Gaußverteilung basierenden Teilchengrößenverteilung optimiert sind;
  • 1g zeigt eine schematische Darstellung einer siebten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensors, die sich von der sechsten, in 1f gezeigten Ausführungsform dadurch unterscheidet, dass die Elektrodenpaarlückenabstände der einzelnen Elektrodenpaare hinsichtlich einer auf einer bimodalen Verteilung basierenden Teilchengrößenverteilung optimiert sind;
  • 1h zeigt eine schematische Darstellung einer achten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensors, die sich von der ersten, in 1a gezeigten Ausführungsform dadurch unterscheidet, dass die auf einer Seite des Strahls angeordneten Elektroden von vier benachbarten Elektrodenpaaren als eine Elektrode ausgebildet sind, wobei die auf der anderen Seite des Strahls angeordneten Elektroden voneinander beabstandet angeordnet sind und dadurch mit der einen, auf anderen Seite des Strahls befindlichen Elektrode vier Elektrodenpaare bildenden;
  • 2a zeigt eine schematische Darstellung einer neunten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensors mit einem Elektrodensystem in dem Elektrodenpaare entlang radialen Strahlen angeordneten sind;
  • 2b dient der Veranschaulichung einer Staupunkbeströmung des in 2a gezeigten Elektrodensystems mit einem Gasstrom;
  • 2c zeigt eine schematische Darstellung einer zehnten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensors mit einem Elektrodensystem in dem Elektrodenpaare entlang von sechs radialen Strahlen angeordneten sind, wobei die Polarität der Elektroden von einer radialen Elektrodenreihe zu den benachbarten radialen Elektrodenreihen alternierend wechselt und veranschaulicht darüber hinaus, dass diejenigen Elektrodenpaare, die auf einem Elektrodenkreis angeordnet sind an eine (gemeinsame) weitere Spannungsmess- und/oder Strommessvorrichtung angeschlossen werden können;
  • 2d zeigt eine schematische Darstellung einer elften Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensors mit einem Elektrodensystem in dem Elektrodenpaare entlang von sechs radialen Strahlen angeordneten sind, wobei die Polarität der Elektroden sowohl von einer radialen Elektrodenreihe zu den benachbarten radialen Elektrodenreihen, als auch von Elektrode zu Elektrode innerhalb einer radialen Elektrodenreihe alternierend wechselt;
  • 2e zeigt eine schematische Darstellung einer zwölften Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensors, die sich von der zehnten, in 2c gezeigten Ausführungsform hauptsächlich dadurch unterscheidet, dass jeweils die auf einer Seite eines Strahls angeordneten Elektroden von vier benachbarten Elektrodenpaaren als eine Elektrode ausgebildet sind, wobei die auf der anderen Seite des Strahls angeordneten Elektroden voneinander beabstandet angeordnet sind und dadurch jeweils mit der einen, auf anderen Seite des Strahls befindlichen Elektrode vier Elektrodenpaare bilden;
  • 2f zeigt eine schematische Darstellung einer dreizehnten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensors, die sich von der neunten, zehnten und elften, in 2a, 2c und 2d gezeigten Ausführungsform hauptsächlich dadurch unterscheidet, dass die radialen Strahlen eine unterschiedliche Anzahl von daran angeordneten Elektrodenpaaren aufweisen;
  • 2g zeigt eine schematische Darstellung einer vierzehnten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensors, die sich von der neunten, zehnten, elften und dreizehnten in 2a, 2c, 2d und 2f gezeigten Ausführungsform hauptsächlich dadurch unterscheidet, dass sich die an den radialen Strahlen angeordneten Elektroden über zwei gegenüberliegende Kreisausschnitte erstrecken, wobei zwischen diesen Kreisausschnitten elektrodenfreie Kreisausschnitte liegen; und
  • 2h zeigt eine schematische Darstellung einer fünfzehnte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensors, die sich von der neunten, zehnten, elften, dreizehnten und vierzehnten in 2a, 2c, 2d, 2f und 2g gezeigten Ausführungsform hauptsächlich dadurch unterscheidet, dass die Anzahl und Ausgestaltung der auf zwei gegenüberliegende Kreisausschnitte angeordneten Elektroden sich voneinander unterscheidet.
  • 1a zeigt eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensors mit einem Elektrodensystem, in dem in einer Ebene liegende Elektrodenpaaren 11; 12; 13; 14 entlang eines in der Ebene der Elektrodenpaare 11; 12; 13; 14 liegenden Strahls S1 angeordneten sind. Die Elektroden 1, 1'; 2, 2'; 3, 3'; 4, 4' eines Elektrodenpaares 11; 12; 13; 14 weisen erfindungsgemäß eine unterschiedliche Polarität auf, sind auf unterschiedlichen Seiten des Strahls S1 angeordnet. Im Rahmen dieser und einiger weiterer Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind alle Elektrodenpaare 11; 12; 13; 14 über Leitungen 101, 101' an eine gemeinsame Spannungsversorgungsvorrichtung 201 angeschlossen. Um das Anlegen von unterschiedlichen Spannungen an die unterschiedlichen Elektrodenpaare 11; 12; 13; 14 zum erfindungsgemäßen Auflösen der Größenverteilung von Teilchen in einem Gasstrom zu ermöglichen, verfügt jedes Elektrodenpaar 11; 12; 13; 14 über einen eigenen, variablen, in der Größe bekannten Vorwiderstand 401; 402; 403; 404.
  • Erfindungsgemäß sind die entlang des Strahls X1 angeordneten Elektrodenpaare 11; 12; 13; 14 derart an mindestens eine Spannungsmess- und/oder Strommessvorrichtung 301; 302; 303; 304 angeschlossen, dass die Spannung und/oder der Stromfluss zwischen jedem Elektrodenpaar einzeln bestimmt werden kann. Im Rahmen der in 1a gezeigten Ausführungsform wird dies dadurch gewährleistet, dass jedes Elektrodenpaar 11; 12; 13; 14 an eine eigene Spannungsmess- und/oder Strommessvorrichtung 301; 302; 303; 304 angeschlossen ist. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist es jedoch ebenso möglich mehrere entlang des Strahls angeordnete Elektrodenpaar über einen Schalter an eine (gemeinsame) Spannungsmess- und/oder Strommessvorrichtung anzuschließen, wobei der Schalter zwischen den einzelnen Elektrodenpaaren umgeschaltet wird, um die Spannung und/oder den Stromfluss jedes einzelnen Elektrodenpaares zu bestimmen.
  • Bei einer erfindungsgemäßen Spannungsmess- und/oder Strommessvorrichtung 301; 302; 303; 304 kann es sich beispielsweise um ein in Reihe geschaltetes Strommessgerät handeln. Es kann sich jedoch auch um ein Spannungsmessgerät, welches einem Widerstand parallel geschaltetes handeln.
  • Vorteilhafterweise kann im Rahmen derjenigen erfindungsgemäßen Ausführungsformen die mindestens einen Vorwiderstand aufweisen, die Funktion einer Spannungsmess- und/oder Strommessvorrichtung und eines Vorwiderstandes kombiniert werden. Beispielsweise kann jedem in der Größe bekannten Vorwiderstand ein Spannungsmessgerät parallel geschaltet werden, welches den aus einer Teilchenanlagerung resultierenden Spannungsabfall an dem jeweiligen Vorwiderstand misst. Vorteilhafterweise kann ein solcher Spannungsabfall bei einer bekanten Spannung als Maß für angelagerte Teilchen herangezogen werden kann.
  • Zweckmäßigerweise wird man sich zwischen der direkten Strommessung über die dargestellten Strommessvorrichtungen 301; 302; 303; 304 und der hier nicht dargestellten indirekten Messung über den Spannungsabfall an den bekannten Vorwiderständen 401; 402; 403; 404 entscheiden. Handelt es sich bei den Vorwiderständen um elektronisch regelbare Widerstände, so ist eine hier nicht dargestellte separate Schaltung zur Ansteuerung und/oder zum Regeln des jeweiligen Vorwiderstandes 401; 402; 403; 404 notwendig.
  • Die Elektrodenpaare 11; 12; 13; 14 sind derart entlang des Strahls S1 angeordnet, dass der Strahl S1 jeweils zwischen den beiden Elektroden 1, 1'; 2, 2'; 3, 3'; 4, 4' eines Elektrodenpaares 11; 12; 13; 14 verläuft. Zwischen den Elektroden 1, 1'; 2, 2'; 3, 3'; 4, 4' liegt daher eine Elektrodenpaarlücke 6 vor. Im Rahmen dieser Ausführungsform und einiger weiterer Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind die Elektroden 1; 2; 3; 4 auf der einen Seite des Strahls S1 spiegelsymmetrisch zu den Elektroden 1'; 2'; 3'; 4' auf der anderen Seite des Strahls S1 ausgestaltet und angeordnet. Der Strahl S1 kann daher im Rahmen der spiegelsymmetrischen Ausführungsform/en als Symmetriestrahl S1 bezeichnet werden.
  • Ein „Symmetriestrahl" (gekennzeichnet mit dem Bezugszeichen S) im Sinn der vorliegenden Erfindung weist abgesehen davon, dass es ein Strahl, das heißt eine fiktive, gerade, auf einer Seite, beispielsweise von dem Punkt P, begrenzte Linie; und keine Gerade ist, die gleichen Eigenschaften wie eine Symmetrieachse auf. Das heißt, zu einem Punkt Y oder Gegenstand (eine Elektrode eines Elektrodenpaars) auf der einen Seite des Strahls, gibt es einen weiteren, insbesondere spiegelsymmetrischen, Punkt Y' oder Gegenstand' (Partnerelektrode) auf der anderen Seite des Strahls. Dabei weisen die beiden Punkte Y und Y' oder Gegenstände den gleichen Abstand zum Strahl auf und sind derart angeordnet, dass eine Verbindungsstrecke zwischen den Punkten Y und Y' oder Gegenständen von dem Strahl rechtwinklig halbiert wird. Ein Strahl, der durch eine Elektrodenpaarlücke verläuft und zu dem die Elektroden der daran angeordneten Elektrodenpaare asymmetrisch angeordnet sind, wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung hingegen mit dem Bezugszeichen X gekennzeichnet.
  • Zur Detektion der Größenverteilung von Teilchen in einem Gasstrom wird ein Teilchen umfassender Gasstrom 5 parallel zu dem Symmetriestrahl S1, insbesondere parallel zu der zwischen den Elektroden 1, 1'; 2, 2'; 3, 3'; 4, 4' der Elektrodenpaare 11; 12; 13; 14 liegenden Elektrodenpaarlücke 6, sowie parallel zu der Ebene der Elektroden 1, 1', 2, 2', 3, 3', 4, 4' über das Elektrodensystem geleitet bzw. geströmt. Durch die variablen Vorwiderstände 401; 402; 403; 404 werden an den Elektrodenpaaren 11; 12; 13; 14 unterschiedliche Spannungen angelegt. Der Betrag der jeweils an einem Elektrodenpaar 11; 12; 13; 14 angelegten Spannungen wird dadurch bei jedem Elektrodenpaar 11; 12; 13; 14 individuell auf die zu erwartenden Teilchengrößenverteilung und/oder die Gasströmungsgeschwindigkeit angepasst. Die zu erwartende Teilchengrößenverteilung wird zweckmäßigerweise durch zuvor durchgeführte Einstellungsmessungen bestimmt. Die Höhe der Gasströmungsgeschwindigkeit ist in den meisten Anwendungsbereichen eines erfindungsgemäßen Sensors bekannt. Beispielsweise lässt sich die Gasströmungsgeschwindigkeit über ein Signal eines Motor- oder Anlagen-Steuergeräts entsprechend einer Anström-Übertragungsfunktion berechnen. In den Fällen in denen die Gasströmungsgeschwindigkeit nicht bekannt ist, kann in einen erfindungsgemäßen Sensor eine zusätzliche Vorrichtung zum Messen der Gasströmungsgeschwindigkeit integriert werden. Anhand der so erhaltenen Daten über die zu erwartenden Teilchengrößenverteilung und/oder die Gasströmungsgeschwindigkeit werden durch eine Steuervorrichtung individuelle Spannungen an den einzelnen Elektrodenpaaren angelegt.
  • Wenn die Teilchen in dem Gasstrom 5 mit einer bestimmten Gasgeschwindigkeit von der einen Seite des Elektrodensystems parallel zur Elektrodenpaarlücke 6 zur gegenüberliegenden Seite der Elektrodenpaarlücke 6 strömen, werden die Teilchen durch elektrophoretische Kräfte, welche aus den an den Elektrodenpaaren 11; 12; 13; 14 angelegten Spannungen resultieren, sowie durch Thermophorese und Diffusion auf die Oberfläche des Elektrodensystems gezogen/geleitet und lagern sich zwischen und/oder an den Elektroden 1, 1', 2, 2', 3, 3', 4, 4' an. Der Ort der Anlagerung der Teilchen hängt dabei von der Größe, Masse und Ladung der Teilchen ab, da sich die Teilchen in der Gasströmung einerseits den Gesetzen der Diffusion und Ballistik, andererseits den Gesetzen der Elektrophorese entsprechend verhalten.
  • Aufgrund des aus den angelegten Spannungen resultierenden elektrischen Feldes, werden die Teilchen in der Elektrodenpaarlücke 6 zwischen den Elektroden 1, 1'; 2, 2'; 3, 3'; 4, 4' ausgerichtet und bilden dendritische Strukturen, welche jeweils von der einen Elektrode 1; 2; 3; 4 eines Elektrodenpaares 11; 12; 13; 14 zu der anderen Elektrode 1'; 2'; 3'; 4' eines Elektrodenpaares 11; 12; 13; 14 wachsen. Die Dendrit-Wachstumsgeschwindigkeit, das heißt die gewachsene Strecke pro Zeiteinheit, ist dabei bei größeren Teilchen höher als bei kleineren. Dies liegt zum einen darin begründet, dass eine geringere Anzahl an größeren Teilchen zum Überbrücken der gleichen Strecke benötigt wird als bei kleinen Teilchen. Zum anderen können sich größere Teilchen durch das elektrische Feld stärker strecken als kleinere Teilchen.
  • Mit fortschreitender Teilchenanlagerung bilden sich jeweils zwischen den Elektroden 1, 1'; 2, 2'; 3, 3'; 4, 4' eines Elektrodenpaares 11; 12; 13; 14 Teilchenbrücken/Teilchenpfade, welche das jeweilige Elektrodenpaar 11; 12; 13; 14 kurzschließen. Dabei erfolgt der Kurzschluss der einzelnen Elektrodenpaare 11; 12; 13; 14 in Abhängigkeit von der im Gasstrom vorliegenden Größenverteilung der Teilchen zu unterschiedlichen Zeitpunkten. Da jedes Elektrodenpaar 11; 12; 13; 14 über eine eigene Spannungsmess- und/oder Strommessvorrichtung 301; 302; 303; 304 verfügt, können die Kurzschlüsse zwischen den einzelnen Elektrodenpaaren 11; 12; 13; 14 des erfindungsgemäßen Elektrodensystems unabhängig voneinander bestimmt und als Maß für die Teilchengrößenverteilung ausgegeben werden. Dabei ist sowohl eine Auswertung über die Auslösezeit, das heißt der Zeitraum, der vergeht bis das Elektrodenpaar einen vorher festgelegten Widerstand infolge einer Teilchenbrücke zeigt, als auch eine Auswertung der zeitlichen Änderung der Spannung, des Stroms und/oder des Widerstandes möglich.
  • Dieses erfindungsgemäße Messprinzip ist sowohl bei einem Gasstrom 5 mit konstanter Gasströmungsgeschwindigkeit als auch bei einem Gasstrom 5 mit variabler Gasströmungsgeschwindigkeit anwendbar. Bei Gasströmen 5 mit konstanter Gasströmungsgeschwindigkeit kann beispielsweise mit konstant angelegten Spannungen gearbeitet werden. Bei Gasströmen 5 mit variabler Gasströmungsgeschwindigkeit kann sich die Anlagerung der jeweiligen Größenfraktion jedoch von einem Elektrodenpaar zu einem benachbarten Elektrodenpaar verschieben. Dies kann erfindungsgemäß korrigiert werden indem die Gasströmungsgeschwindigkeit in die Auswertung der Messung einbezogen wird.
  • Beispielswiese wird die Messung bei einer variablen Gasgeschwindigkeit mit konstant an den Elektrodenpaaren 11; 12; 13; 14 angelegten Spannungen durchgeführt und die zeitliche Änderung des Widerstandes gemessen und in Abhängigkeit von der Gasgeschwindigkeit ausgewertet. Alternativ dazu kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Gasgeschwindigkeitsänderung durch Anpassen der an den Elektrodenpaaren 11; 12; 13; 14 angelegten Spannungen korrigiert werden. Durch eine derartige Sofortkorrektur erfolgt die Anlagerung der Teilchen wieder an den für die jeweilige Teilchengröße bestimmten Elektrodenpaaren und nicht, wie es ohne Korrektur der Fall wäre, an dazu benachbarten Elektrodenpaaren.
  • Vorzugsweise werden die Beträge der an den Elektrodenpaaren 11; 12; 13; 14 angelegten Spannungen derart eingestellt, dass bei der zu erwartenden Teilchengrößenverteilung alle Elektrodenpaare 11; 12; 13; 14 im gleichen Zeitbereich Messergebnisse liefern und/oder regeneriert werden müssen.
  • Das heißt, wenn die Größenverteilung der zu detektierenden Teilchen, beispielsweise einer Gauß'schen, bimodalen oder multimodalen Verteilung entspricht, werden die jeweils an den Elektrodenpaaren 11; 12; 13; 14 angelegten Spannungen voneinander unabhängig an den Verlauf der Verteilung, beispielsweise auf das/die Maximum/Maxima und/oder das/die Minimum/Minima der Verteilung angepasst. Beispielsweise werden die an den Elektrodenpaaren angelegten Spannungen derart eingestellt, dass an dem/denjenigen Elektrodenpaar/en, bei denen das/die Maximum/Maxima der Verteilung erwartet wird, eine niedrigere Spannung angelegt wird als an den übrigen Elektrodenpaaren.
  • Für den Spezialfall einer auf einer Gaußverteilung basierenden Teilchengrößenverteilung hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn vom ersten Elektrodenpaar zu dem Elektrodenpaar, an dem die Teilchengrößenfraktion detektiert wird, welche dem Maximum der Gaußverteilung entspricht, die an den Elektrodenpaaren angelegten Spannungen stetig sinken und von dem Gaußverteilungsmaximum entsprechenden Elektrodenpaar zum letzten Elektrodenpaar die an den Elektrodenpaaren angelegten Spannungen stetig steigen. Beispielsweise kann der Betrag der Spannung vom ersten Elektrodenpaar zum mittleren Elektrodenpaar einer an einem Strahl angeordneten Elektrodenpaarreihe stetig sinken und von dem mittleren Elektrodenpaar zum letzten Elektrodenpaar einer an einem Strahl angeordneten Elektrodenpaarreihe stetig steigen.
  • Für den weiteren Spezialfall, dass die Größenverteilung der zu detektierenden Teilchen einer kontinuierlich steigenden oder abfallenden Verteilung entspricht, können die Spannungen derart an den jeweiligen Elektrodenpaaren 11; 12; 13; 14 angelegten werden, dass sich die an den Elektrodenpaaren angelegte Spannung von Elektrodenpaar zu Elektrodenpaar stetig verändern, das heißt stetig vergrößern oder verkleinern.
  • Darüber hinaus ist es möglich, die an jedem Elektrodenpaar angelegte Spannung wie bereits erläutert in Abhängigkeit von der Betriebsweise des mit dem erfindungsgemäßen Sensor untersuchten Verbrennungsmotors und/oder der Anlage individuell anzupassen.
  • 1b zeigt eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensors mit einem Elektrodensystem in dem Elektrodenpaare 11; 12; 13; 14 entlang eines Strahls S1 angeordneten sind. Die in 1b gezeigte, zweite Ausführungsform unterscheidet sich dadurch von der in 1a gezeigten, ersten Ausführungsform, dass jedes Elektrodenpaar 11; 12; 13; 14 an eine eigene Spannungsversorgungsvorrichtung 201; 202; 203; 204 angeschlossen ist. Diese Spannungsversorgungsvorrichtungen 201; 202; 203; 204 ermöglichen das Anlegen von unterschiedlichen Spannungen an die unterschiedlichen Elektrodenpaare 11; 12; 13; 14. Daher kann im Rahmen dieser Ausführungsform auf Vorwiderstände 401; 402; 403; 404 zum Einregeln unterschiedlicher Spannungen verzichtet werden. Der Anschluss der Elektrodenpaare 11; 12; 13; 14 an die jeweilige eigene Spannungsversorgungsvorrichtung 201; 202; 203; 204 erfolgt im Rahmen der zweiten Ausführungsform über jeweils zwei Leitungen 101; 101'; 102, 102'; 103, 103'; 104, 104'.
  • Im Rahmen der ersten und zweiten, in 1a und 1b gezeigten Ausführungsform werden die unterschiedlichen Spannungen derart an den Elektrodenpaaren 11; 12; 13; 14 angelegt, dass diejenigen Elektroden 1; 2; 3; 4; 1'; 2'; 3'; 4' die sich auf der gleichen Seite des Strahls S1 befinden, die gleiche Polarität aufweisen. Dadurch werden elektrophoretische Kräfte zwischen benachbarten Elektrodenpaaren, bspw. 1' und 2' vermieden.
  • Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist es jedoch ebenso möglich, dass diejenigen Elektroden 1; 2; 3; 4; 1'; 2'; 3'; 4' die sich auf der gleichen Seite des Strahls S/X befinden, eine unterschiedliche Polarität aufweisen. Eine derartige Beschaltung mit einem oder mehreren Polaritätswechseln, beispielsweise mit einer von Elektrodenpaar zu Elektrodenpaar entlang des Strahls alternierender Polarität, hat sich im Rahmen der vorliegenden Erfindung als vorteilhaft erwiesen, da hierdurch zusätzliche Informationen über die im Gasstrom enthaltene Menge an positiv geladenen und negativ geladenen Teilchen ermittelt werden können. Bei einer Beschaltung mit mindestens einem Polaritätswechsel erfolgt die Teilchenanlagerung jedoch nicht nur zwischen den Elektroden 1, 1'; 2, 2'; 3, 3'; 4, 4' eines Elektrodenpaares 11; 12; 13; 14 (das heißt in der Elektrodenpaarlücke 6), sondern auch zwischen zwei benachbarten Elektroden 1, 2; 2, 3; 3, 4; 1', 2'; 2', 3'; 3', 4', die sich auf der gleichen Seite des Strahls S/X befinden, eine unterschiedliche Polarität aufweisen und dabei zu unterschiedlichen Elektrodenpaaren 11; 12; 13; 14 gehören. Eine derartige Kombination aus zwei benachbarten Elektroden 1, 2; 2, 3; 3, 4; 1', 2'; 2', 3'; 3', 4', die sich auf der gleichen Seite eines Strahls S/X befinden, eine untersehiedliche Polarität aufweisen und dabei zu unterschiedlichen Elektrodenpaaren 11; 12; 13; 14 gehören, wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung als „Nachbarelektrodenpaar" 1001; 1002; 1003; 1001'; 1002'; 1003' bezeichnet, um „Nachbarelektrodenpaare" 1001; 1002; 1003; 1001'; 1002'; 1003' von den „Elektrodenpaaren" 11; 12; 13; 14, bei denen die Elektroden 1, 1'; 2, 2'; 3, 3'; 4, 4' auf unterschiedlichen Seiten eines Strahls S/X angeordnet sind, zu unterscheiden.
  • 1c veranschaulicht eine derartige dritte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensors mit einer von Elektrodenpaar 11; 12; 13; 14 zu Elektrodenpaar 11; 12; 13; 14 entlang eines Strahls S1 alternierender Polarität. Die in 1c gezeigten, schraffierten Flächen zwischen den Elektroden eines Elektrodenpaares 11; 12; 13; 14 bzw. eines Nachbarelektrodenpaares 1001; 1002; 1003; 1001'; 1002'; 1003' stellen potentielle, durch Teilchenanlagerung entstehende, Teilchenpfade dar. Um die Teilchenanlagerung zwischen einem Nachbarelektrodenpaar 1001; 1002; 1003; 1001'; 1002'; 1003' detektieren zu können, ist es notwendig, dass zwischen den Elektroden 1, 2; 2, 3; 3, 4; 1', 2'; 2', 3'; 3', 4' eines Nachbarelektrodenpaares 1001; 1002; 1003; 1001'; 1002'; 1003' eine Spannungs- und/oder Strommessung möglicht ist. Dies kann dadurch realisiert werden, dass jedes Nachbarelektrodenpaar 1001; 1002; 1003; 1001'; 1002'; 1003' an eine eigene Spannungsmess- und/oder Strommessvorrichtung 501, 501'; 502, 502'; 503, 503' angeschlossen ist. Im Rahmen der dritten, in 1c gezeigten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensors, umfasst der erfindungsgemäße Sensor daher neben den Spannungsmess- und/oder Strommessvorrichtungen 301; 302; 303; 304 der Elektrodenpaare 11; 12; 13; 14 zusätzliche Spannungsmess- und/oder Strommessvorrichtungen 501, 501'; 502, 502'; 503, 503' für die Nachbarelektrodenpaare 1001; 1002; 1003; 1001'; 1002'; 1003'.
  • Anstelle oder zusätzlich zu dem Anlegen von unterschiedlichen Spannungen an die unterschiedlichen Elektrodenpaare 11; 12; 13; 14 können erfindungsgemäß einige, in 1d veranschaulichte Parameter A, B, C, D, E der Ausgestaltung des Elektrodensystems variiert werden, um die Größenverteilung von Teilchen in einem Gasstrom aufzulösen bzw. zu messen. Beispielsweise kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung der Abstand zwischen den Elektroden 1, 1'; 2, 2'; 3, 3'; 4, 4' eines Elektrodenpaares 11; 12; 13; 14 (Elektrodenpaarlückenabstand) A, die Elektrodenbreite B, der Abstand zwischen benachbarten Elektrodenpaaren C und/oder die Elektrodenlänge D unabhängig voneinander von Elektrodenpaar zu Elektrodenpaar variiert werden.
  • Darüber hinaus kann erfindungsgemäß die Länge des gesamten Elektrodensystems E sowie die Anzahl der Elektroden n, beispielsweise von 1 bis n, variiert werden.
  • Insbesondere wird in 1d eine schematische Darstellung einer vierten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensors gezeigt, die sich von der ersten, in 1a gezeigten Ausführungsform hauptsächlich dadurch unterscheidet, dass sich der zwischen den beiden Elektroden 1, 1'; 2, 2'; 3, 3'; 4, 4' eines Elektrodenpaares 11; 12; 13; 14 befindliche Elektrodenpaarlückenabstand A von Elektrodenpaar zu Elektrodenpaar stetig vergrößert. Schon allein durch diese Änderung des Elektrodenpaarlückenabstands A ist eine erfindungsgemäße Bestimmung der Größenverteilung von Teilchen in einem Gasstrom möglich. Daher umfasst die in 1d dargestellte dritte Ausführungsform, sowie andere erfindungsgemäße Ausführungsformen in denen die Ausgestaltungsparameter A, B, C und/oder D der Elektrodenpaare variiert werden, nicht zwangsläufig jeweils einen variablen Vorwiderstand 401; 402; 403; 404 für jedes Elektrodenpaar 11; 12; 13; 14 oder jeweils eine Spannungsversorgungsvorrichtung 201; 202; 203; 204 für jedes Elektrodenpaar 11; 12; 13; 14. Das heißt, bei der in 1d gezeigten dritte Ausführungsform, sowie andere erfindungsgemäße Ausführungsformen in denen die Ausgestaltungsparameter A, B, C und/oder D der Elektrodenpaare variiert werden, können die Elektrodenpaare 11; 12; 13; 14 derart beschaltet werden, dass an allen Elektrodenpaaren 11; 12; 13; 14 die gleiche Spannung anliegt.
  • Im Allgemeinen gilt für den Fall, dass an allen Elektrodenpaaren 11; 12; 13; 14 die gleiche Spannung anliegt: Je kleiner das Verhältnis der Teilchengröße zur Teilchenladung eines Teilchens ist, desto eher lagert sich das Teilchen auf den zuerst von dem Gasstrom überströmten Elektrodenpaaren 11, 12 an. Umgekehrt gilt: Je größer das Verhältnis der Teilchengröße zur Teilchenladung eines Teilchens ist, desto eher lagert sich das Teilchen auf den zuletzt von dem Gasstrom überströmten Elektrodenpaaren 13, 14 an.
  • Für den Fall, dass die Größenverteilung der zu detektierenden Teilchen einer kontinuierlich steigenden oder abfallenden Verteilung entspricht, kann das erfindungemäße Elektrodensystem derart ausgestaltet werden, dass sich der Elektrodenpaarlückenabstand A, die Elektrodenbreite B, der Abstand zwischen benachbarten Elektrodenpaaren C und/oder die Elektrodenlänge D von Elektrodenpaar zu Elektrodenpaar entlang eines Strahls X1/S1 vergrößert oder verkleinert, beispielsweise stetig vergrößert oder stetig verkleinert.
  • Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann eine Variation der Ausgestaltungsparameter Elektrodenpaarlückenabstand A, die Elektrodenbreite B, der Abstand zwischen benachbarten Elektrodenpaaren C und/oder die Elektrodenlänge D des Elektrodensystems spiegelsymmetrisch oder asymmetrisch zu dem durch die Elektrodenpaarlücken verlaufende Strahl S/X vorgenommen werden. 1d zeigt beispielsweise eine vierte erfindungsgemäße Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensors mit, bezüglich eines durch die Elektrodenpaarlücke 6 verlaufenden Strahls X1, asymmetrisch angeordnete Elektrodenpaare 11; 12; 13; 14 bzw. Elektroden 1, 1'; 2, 2'; 3, 3'; 4, 4'.
  • 1e zeigt hingegen eine schematische Darstellung einer fünften Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensors, die sich von der vierten, in 1d gezeigten Ausführungsform dadurch unterscheidet, dass die Anordnung der Elektrodenpaare 11; 12; 13; 14 bzw. Elektroden 1, 1'; 2, 2'; 3, 3'; 4, 4' bezüglich des durch die Elektrodenpaarlücke 6 verlaufenden Strahls S1 symmetrisch ist.
  • Um die Auflösung des Sensors während des Betriebs individuell anpassen zu können, ist es jedoch von Vorteil, an den Elektrodenpaaren 11; 12; 13; 14 individuelle Spannungen anlegen zu können. Daher wird hiermit explizit darauf hingewiesen, dass auch in einem Sensor der in 1d gezeigten vierten und der in 1e gezeigten fünften erfindungsgemäßen Ausführungsform, sowie in anderen erfindungsgemäßen Ausführungsformen in denen die Ausgestaltungsparameter A, B, C und/oder D der Elektrodenpaare variiert werden, jedes Elektrodenpaar 11; 12; 13; 14 an eine eigene Spannungsversorgungsvorrichtung 201; 202; 203; 204 und/oder an einen eigenen variablen Vorwiderstand 401; 402; 403; 404 angeschlossen sein kann. Dabei ist jedoch darauf zu achten, dass nicht alle erläuterten Parameter (A, B, C, D, Spannung) voneinander unabhängig sind. So kann beispielsweise ein bestimmtes Verhältnis der Elektrodenbreiten B der Elektrodenpaare 11; 12; 13; 14 entlang eines Strahls X1/S1 zueinander durch ein bestimmtes Potentialprofil der Elektrodenpaare entlang des Strahls X1/S1 mit dem gleichen Effekt der Anlagerung dargestellt werden.
  • Für den Fall, dass die Größenverteilung der zu detektierenden Teilchen einer Gaußverteilung entspricht, kann das erfindungemäße Elektrodensystem derart ausgestaltet werden, dass der Elektrodenpaarlückenabstand A, die Elektrodenbreite B, der Abstand zwischen benachbarten Elektrodenpaaren C und/oder die Elektrodenlänge D der einzelnen Elektrodenpaare 11; 12; 13; 14 entlang eines Strahls X1/S1 individuell auf das Maximum und die Minima der Gaußverteilung angepasst wird. Beispielsweise hat es sich hierbei als vorteilhaft herausgestellt, wenn sich der Elektrodenpaarlückenabstand A vom ersten Elektrodenpaar zu dem Elektrodenpaar, an dem diejenige Teilchengrößenfraktion detektiert wird, welche dem Maximum der Gaußverteilung entspricht, stetig vergrößert und von diesem dem Gaußverteilungsmaximum entsprechenden Elektrodenpaar zum letzten Elektrodenpaar einer an einem Strahl angeordneten Elektrodenpaarreihe stetig verkleinert. Eine derartige Ausgestaltung des Elektrodensystems, in der die Elektrodenpaarlückenabstände A der einzelnen Elektrodenpaare 11; 12; 13; 14 hinsichtlich einer auf einer Gaußverteilung basierenden Teilchengrößenverteilung optimiert sind, wird in 1f gezeigt, welche eine schematische Darstellung einer sechsten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensors darstellt.
  • Für den Fall, dass die Größenverteilung der zu detektierenden Teilchen einer bimodalen oder multimodalen Verteilung entspricht, kann das erfindungemäße Elektrodensystem derart ausgestaltet werden, dass der Elektrodenpaarlückenabstand A, die Elektrodenbreite B, der Abstand zwischen benachbarten Elektrodenpaaren C und/oder die Elektrodenlänge D der einzelnen Elektrodenpaare entlang eines Strahls X1/S1 individuell auf die Maxima und das/die Minimum/Minima der bimodalen oder multimodalen Verteilung angepasst wird, wodurch eine genauere Auflösung der relevanten Bereiche einer bimodalen oder multimodalen Größenverteilung möglich ist. Eine derartige Ausgestaltung des Elektrodensystems, in der die Elektrodenpaarlückenabstände A der einzelnen Elektrodenpaare 11; 12; 13; 14 hinsichtlich einer auf einer bimodalen Verteilung basierenden Teilchengrößenverteilung optimiert sind, wird in 1g gezeigt, welche eine schematische Darstellung einer siebten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensors darstellt.
  • 1h zeigt eine schematische Darstellung einer achten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensors, die sich von der ersten, in 1a gezeigten, ersten Ausführungsform dadurch unterscheidet, dass die auf einer Seite des Strahls X1 angeordneten Elektroden von vier benachbarten Elektrodenpaaren 11; 12; 13; 14 als eine Elektrode ausgebildet 1 sind. Dabei sind die auf der anderen Seite des Strahls X1 angeordneten Elektroden 1'; 2'; 3'; 4' voneinander beabstandet angeordnet und verfügen jeweils über eine eigene Spannungsmess- und/oder Strommessvorrichtung 301; 302; 303; 304. Zudem weisen die beabstandet angeordneten Elektroden 1'; 2'; 3'; 4' eine andere Polarität als die auf der anderen Seite des Strahls X1 angeordnete Elektrode 1 auf und bilden somit jeweils ein erfindungsgemäßes Elektrodenpaar 11; 12; 13; 14 mit der auf anderen Seite des Strahls X1 befindlichen Elektrode 1.
  • 2a zeigt eine schematische Darstellung einer neunten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensors mit einem Elektrodensystem in dem Elektrodenpaare entlang radialen Strahlen, insbesondere entlang von acht Strahlen, S1; S2; S3; S4; S5; S6; S7; S8 angeordneten sind.
  • Dabei werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung unter dem Begriff „Strahl" nur diejenigen fiktiven gerade Linien verstanden, die auf einer Seite von dem Punkt P begrenzt sind und sich auf der anderen Seite ins Unendliche erstrecken, die sich zwischen Elektroden erstrecken, die eine unterschiedliche Polarität aufweisen und über eine gemeinsame Spannungsmess- und/oder Strommessvorrichtung verfügen und dadurch ein erfindungsgemäßes Elektrodenpaar darstellen. Alle weiteren fiktiven geraden Linien, die auf einer Seite von dem Punkt P begrenzt sind und sich auf der anderen Seite ins Unendliche erstrecken, stellen keine „Strahle" im Sinn der vorliegenden Erfindung dar. Im Bezug auf 2a bedeutet dies, dass diejenigen Elektroden, die entlang einer, nicht durch einen gestrichelte Linie S1; S2; S3; S4; S5; S6; S7; S8 gekennzeichneten, vom Punkt P radial auswärts verlaufenden Elektrodenlücke angeordnet sind, über keine gemeinsame Spannungsmess- und/oder Strommessvorrichtung verfügen. Dies ist bei einer in 2a gezeigten Beschaltung auch nicht notwendig.
  • 2a zeigt, dass die Strahle S1; S2; S3; S4; S5; S6; S7; S8 in der Ebene der Elektroden/Elektrodenpaare liegen und sich derart radial von einem gemeinsamen Punkt P aus erstrecken, dass alle benachbarten Strahlen S1; S2; S3; S4; S5; S6; S7; S8 den gleichen Winkel einschließen. Entlang jedem der acht Strahle S1; S2; S3; S4; S5; S6; S7; S8 sind jeweils vier Elektrodenpaare 11, 12, 13, 14 bis 81, 82, 83, 84 derart angeordnet, dass der jeweilige Strahl (beispielsweise S1) jeweils zwischen den beiden Elektroden (beispielsweise 1, 1'; 2, 2'; 3, 3', 4, 4') der an ihm angeordneten Elektrodenpaare (beispielsweise 11; 12; 13, 14) verläuft. Darüber hinaus sind die zu den beiden Seiten eines Strahls (beispielsweise S1) angeordneten Elektroden (beispielsweise 1, 1'; 2, 2'; 3, 3', 4, 4') spiegelsymmetrisch zueinander, wobei der Strahl (beispielsweise S1) die Symmetrieachse darstellt. Die Strahle S1; S2; S3; S4; S5; S6; S7; S8 sind somit im Rahmen dieser Ausführungsform Symmetriestrahle. 2a zeigt, dass an allen Strahlen S1; S2; S3; S4; S5; S6; S7; S8 die gleiche Anzahl von Elektrodenpaaren n angeordnet ist. Darüber hinaus zeigt 2a, dass die Elektrodenpaare 11; 21; 31; 41; 51; 61; 71; 81, welche auf den jeweiligen Symmetriestrahlen S1; S2; S3; S4; S5; S6; S7; S8 die vom Punkt P aus auswärts gezählt ersten Elektrodenpaare darstellen, dass heißt welche den innersten Elektrodenpaarkreis bilden, die gleiche Ausgestaltung und den gleichen Abstand bezüglich des Punktes P aufweisen. Ebenso weisen die zweiten 12; 22; 32; 42; 52; 62; 72; 82, dritten 13; 23; 33; 43; 53; 63; 73; 83 und vierten 14; 24; 34; 44; 54; 64; 74; 84 Elektrodenpaare der Symmetriestrahle S1; S2; S3; S4; S5; S6; S7; S8, das heißt die Elektrodenpaare welche den zweiten, dritten und vierten Elektrodenpaarkreis bilden, jeweils die gleiche Ausgestaltung und den gleichen Abstand bezüglich des Punktes P auf. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind die Spannungsmess- und/oder Strommessvorrichtungen, Spannungsversorgungsvorrichtung/en und/oder Vorwiderstände und elektrischen Leitungen der Elektroden 1, 1' bis 4g, 4g' nicht in 2a dargestellt.
  • Dem in 2a dargestellten, radialen Elektrodensystem mit mehreren, insbesondere acht, Strahlen S1; S2; S3; S4; S5; S6; S7; S8 liegt das gleiche Aufbau- und Messprinzip wie den in den 1a bis 1h erläuterten Elektrodensystemen mit nur einem Strahl S1/X1 zugrunde. Betrachtet man beispielsweise nur die Elektrodenpaare 11; 12; 13, 14 sowie den Symmetriestrahl S1 und blendet die übrigen sieben Symmetriestrahle S2; S3; S4; S5; S6; S7; S8 und die daran angeordnete Elektrodenpaare 21, 22, 23, 24 bis 81, 82, 83, 84 aus, so ergibt sich eine Elektrodenanordnung, welche analog zu der in den 1a bis 1h gezeigten Elektrodenanordnung ist. Die im Zusammenhang mit den 1a bis 1h erläuterten Parameter (A, B, C, D, E, n, Spannung) können daher auch bei einem erfindungsgemäßen radialen Elektrodensystem analog variiert werden.
  • Ein derartiges erfindungsgemäßes radiales Elektrodensystem ist für eine Staupunktanströmung geeignet. Dabei wird unter dem Begriff „Staupunktströmung" im Rahmen der vorliegend Erfindung das, insbesondere mittige, Anströmung eines Elektrodensystems senkrecht zur Ebene des Elektrodensystems verstanden. Wie 2a zeigt, müssen für eine Staupunktanströmung die Elektrodenpaarlücken im Wesentlichen radialsymmetrisch um den Staupunkt herum angeordnet sein. Vorteilhafterweise sollte daher beim Beströmen eines in 2a gezeigten, radialen Elektrodensystems der Gasstrom so ausgerichtet werden, dass der Staupunkt der Gasströmung auf dem Punkt P liegt.
  • 2b dient der Veranschaulichung einer Staupunkbeströmung des in 2a gezeigten, erfindungsgemäßen, radialen Elektrodensystems mit einem Gasstrom. Der senkrecht auf den Punkt P des Elektrodensystems auftreffende Gasstrom wird durch das Elektrodensystem und/oder die Fläche auf der das Elektrodensystem angeordnet ist derart abgelenkt, dass er ausgehend vom Punkt P radial nach Außen und gleichzeitig im Wesentlichen parallel zur Elektrodensystemebene strömt. Da die Elektrodenpaare auf den jeweiligen Strahlen radial ausgerichtet sind, strömt der Gasstrom auch parallel zu den Strahlen und den Elektrodenpaarlücken.
  • 2c zeigt eine schematische Darstellung einer zehnten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensors mit einem Elektrodensystem in dem Elektrodenpaare entlang von radialen Strahlen S1, S2, S3, S4, S5, S6 angeordneten sind.
  • Das in 2c gezeigte Elektrodensystem unterscheidet sich von dem in 2a gezeigten Elektrodensystem hauptsächlich darin, dass die Elektrodenpolarität von einer vom Punkt P radial auswärts ausgebildeten Elektrodenreihe (beispielsweise 1', 2', 3', 4') zu den benachbarten vom Punkt P radial auswärts ausgebildeten Elektrodenreihen (beispielsweise 1, 2, 3, 4 und 1a, 2a, 3a, 4a) alternierend wechselt. Dies hat zur Folge, dass durch alle zwischen den Elektrodenreihen radial auswärts verlaufende Elektrodenlücken Strahle S1, S2, S3, S4, S5, S6 im Sinn der vorliegenden Erfindung verlaufen, an denen erfindungsgemäße Elektrodenpaare angeordnet sind, zwischen denen sich Teilchen anlagern können und zeigt beispielhaft die Beschaltung der äußeren Elektroden. Um die Teilchenanlagerung detektieren zu können, ist es notwendig, dass jeweils zwischen allen benachbarten Elektroden eines Elektrodenkreises, eine Spannungs- und/oder Strommessung möglicht ist. Dies kann zum einen dadurch realisiert werden, dass allen benachbarten Elektroden eines Elektrodenkreises paarweise an eine eigene Spannungsmess- und/oder Strommessvorrichtung angeschlossen werden, was jedoch eine Vielzahl von Spannungsmess- und/oder Strommessvorrichtungen und damit einen komplizierten und kostenintensiven Aufbau zur Folge hat. Zum anderen kann dies, aufgrund der Symmetrie des gezeigten Elektrodensystems, dadurch realisiert werden, dass jeweils alle Elektroden eines Elektrodenkreises mit negativer Polarität und jeweils alle Elektroden eines Elektrodenkreises mit positiver Polarität zusammengeschaltet und an eine gemeinsame Spannungsmess- und/oder Strommessvorrichtung (301, 302, 303 aus Übersichtlichkeitsgründen nicht dargestellt) 304 angeschlossen werden. Ein derartiges Zusammenschalten der negativen und positiven Elektroden eines Kreises hat sich im Rahmen der vorliegenden Erfindung als besonders Vorteilhaft erwiesen, da hierdurch die Anzahl der Spannungsmess- und/oder Strommessvorrichtungen und elektrischen Leitungen verringert und die Messfläche/das Messsignal vergrößert werden kann.
  • Die Strahle S1, S2, S3, S4, S5, S6 erstrecken sich analog zur neunten, in 2a gezeigten Ausführungsform, derart radial von einem gemeinsamen Punkt P aus, dass alle benachbarte Strahle S1; S2; S3; S4; S5; S6 den gleichen Winkel einschließen. Entlang jedem der sechs Strahle S1; S2; S3; S4; S5; S6 sind jeweils vier Elektrodenpaare 11, 12, 13, 14 bis 61, 62, 63, 64 derart angeordnet, dass der jeweilige Strahl (beispielsweise S1) jeweils zwischen den beiden Elektroden (beispielsweise 1, 1'; 2, 2'; 3, 3', 4, 4') der an ihm angeordneten Elektrodenpaare (beispielsweise 11; 12; 13, 14) verläuft. Im Gegensatz zu der in 2a gezeigten, neunten Ausführungsform, ist dabei im Rahmen dieser Ausführungsform jeweils eine Elektrode Bestandteil von zwei Elektrodenpaaren. Das heißt eine zwischen einem ersten und einem zweiten Strahl angeordnete Elektrode bildet mit einer auf der anderen Seite des ersten Strahls angeordneten Elektrode desselben Elektrodenkreises ein erstes Elektrodenpaar und mit einer auf der anderen Seite des zweiten Strahls angeordneten Elektrode desselben Elektrodenkreises ein zweites Elektrodenpaar. Beispielsweise bildet die Elektrode 1' sowohl ein Elektrodenpaar 11 mit der Elektrode 1 als auch ein Elektrodenpaar 41 mit der Elektrode 1a.
  • Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind mit Ausnahme der Spannungsmess- und/oder Strommessvorrichtungen 304, die Spannungsmess- und/oder Strommessvorrichtungen, Spannungsversorgungsvorrichtung/en und/oder Vorwiderstände und elektrischen Leitungen der Elektroden 1, 1' bis 4b, 4b' nicht in 2c dargestellt.
  • 2d zeigt eine schematische Darstellung einer elften Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensors mit einem Elektrodensystem in dem Elektrodenpaare entlang von sechs radialen Strahlen angeordneten sind. Die Bezugszeichen für die einzelnen Elektroden entsprechen denen in 2c, werden jedoch aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht in 2d wiederholt.
  • Das in 2d gezeigte Elektrodensystem unterscheidet sich von dem in 2c gezeigten Elektrodensystem hauptsächlich darin, dass zusätzlich zu dem alternierenden Polaritätswechsel der vom Punkt P radial auswärts ausgebildeten Elektrodenreihen auch die Polarität der Elektroden innerhalb einer vom Punkt P radial auswärts ausgebildeten Elektrodenreihe alternierend wechselt.
  • Dies hat zur Folge, dass, in Analogie zu dem im Rahmen von 1c beschriebenen Mechanismus, auch zwischen Nachbarelektrodenpaaren (zwei benachbarten Elektroden, die sich auf der gleichen Seite eines Strahls S/X befinden, eine unterschiedliche Polarität aufweisen und dabei zu unterschiedlichen, durch eine kreisähnliche Elektrodenlücke getrennte, Elektrodenpaare gehören) (beispielsweise 1001, 1002, 1003) einer vom Punkt P radial auswärts ausgebildeten Elektrodenreihen (beispielsweise 1, 2, 3, 4) eine Teilchenanlagerung stattfindet. Um die Teilchenanlagerung zwischen einem Nachbarelektrodenpaar (beispielsweise 1001; 1002; 1003) detektieren zu können, ist es notwendig, dass zwischen den Elektroden (beispielsweise 1, 2; 2, 3; 3, 4) eines Nachbarelektrodenpaares (beispielsweise 1001; 1002; 1003) eine Spannungs- und/oder Strommessung möglicht ist. Dies kann dadurch realisiert werden, dass jedes Nachbarelektrodenpaar (beispielsweise 1001; 1002; 1003) an eine eigene Spannungsmess- und/oder Strommessvorrichtung (nicht dargestellt) angeschlossen ist.
  • Im Rahmen der elften, in 2d gezeigten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensors, umfasst der erfindungsgemäße Sensor daher neben den Spannungsmess- und/oder Strommessvorrichtung der erfindungsgemäßen Elektrodenpaare (beispielsweise 1, 2, 3, 4) zusätzliche Spannungsmess- und/oder Strommessvorrichtung für die erfindungsgemäßen Nachbarelektrodenpaare (beispielsweise 1001; 1002; 1003).
  • Wie im Zusammenhang mit der zehnten Ausführungsform erläutert, können aufgrund der Symmetrie des Elektrodensystems auch bei der elften Ausführungsform alle Elektroden eines Elektrodenkreises mit negativer Polarität und jeweils alle Elektroden eines Elektrodenkreises mit positiver Polarität zusammengeschaltet und an eine gemeinsame Spannungsmess- und/oder Strommessvorrichtung angeschlossen werden.
  • Die Strahle S1, S2, S3, S4, S5, S6 erstrecken sich analog zur neunten und zehnten, in 2a und 2c gezeigten Ausführungsform, derart radial von einem gemeinsamen Punkt P aus, dass alle benachbarte Strahle S1; S2; S3; S4; S5; S6 den gleichen Winkel einschließen. Entlang jedem der sechs Strahle S1; S2; S3; S4; S5; S6 sind jeweils vier Elektrodenpaare 11, 12, 13, 14 bis 61, 62, 63, 64 derart angeordnet, dass der jeweilige Strahl (beispielsweise S1) jeweils zwischen den beiden Elektroden (beispielsweise 1, 1'; 2, 2'; 3, 3', 4, 4') der an ihm angeordneten Elektrodenpaare (beispielsweise 11; 12; 13, 14) verläuft. Im Gegensatz zu der in 2a und 2c gezeigten, neunten und zehnten Ausführungsform, ist dabei im Rahmen dieser Ausführungsform jeweils eine Elektrode Bestandteil von zwei Elektrodenpaaren und einem oder zwei Nachbarelektrodenpaaren. Das heißt eine zwischen einem ersten und einem zweiten Strahl angeordnete Elektrode bildet mit einer auf der anderen Seite des ersten Strahls angeordneten Elektrode desselben Elektrodenkreises ein erstes Elektrodenpaar, mit einer auf der anderen Seite des zweiten Strahls angeordneten Elektrode desselben Elektrodenkreises ein zweites Elektrodenpaar und mit einer auf der gleichen Seite des ersten Strahls angeordneten Elektrode des einen benachbarten Elektrodekreises ein erste Nachbarelektrodenpaar und/oder mit einer auf der gleichen Seite des ersten Strahls angeordneten Elektrode des anderen benachbarten Elektrodekreises ein zweites Nachbarelektrodenpaar. Beispielsweise bildet die Elektrode 2' ein Elektrodenpaar 12 mit der Elektrode 2, ein Elektrodenpaar 42 mit der Elektrode 2a, ein Nachbarelektrodenpaar 1001' mit der Elektrode 1 und ein Nachbarelektrodenpaar 1002' mit der Elektrode 3.
  • Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind die Spannungsmess- und/oder Strommessvorrichtungen, Spannungsversorgungsvorrichtung/en und/oder Vorwiderstände und elektrischen Leitungen der Elektroden 1, 1' bis 4b, 4b' nicht in 2d dargestellt.
  • 2e zeigt eine schematische Darstellung einer zwölften Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensors, die sich von der zehnten, in 2c gezeigten Ausführungsform hauptsächlich dadurch unterscheidet, dass jeweils die auf einer Seite eines Strahls (beispielsweise X1) angeordneten Elektroden von vier benachbarten (beispielsweise 11; 12; 13; 14) Elektrodenpaaren als eine Elektrode (beispielsweise 1) ausgebildet sind. Dabei sind jeweils die auf der anderen Seite des Strahls angeordneten Elektroden (beispielsweise 1'; 2'; 3'; 4') voneinander beabstandet angeordnet, wobei die beabstandet angeordneten Elektroden (beispielsweise 1'; 2'; 3'; 4') über voneinander getrennte Spannungsmess- und/oder Strommessvorrichtung verfügen. Wie im Zusammenhang mit der zehnten und elften Ausführungsform erläutert, können dabei alle auf einem Elektrodenkreis beabstandet angeordneten Elektroden (beispielsweise 1', 1a', 1b', 1c' zusammengeschaltet und an eine gemeinsame Spannungsmess- und/oder Strommessvorrichtung angeschlossen werden. Die voneinander beabstandet angeordneten Elektroden (beispielsweise 1'; 2'; 3'; 4') weisen zudem eine andere Polarität als die auf anderen Seite des jeweiligen Strahls (beispielsweise X1) befindlichen Elektrode (beispielsweise 1) auf und bilden somit jeweils mit der auf der anderen Seite des jeweiligen Strahls (beispielsweise X1) befindlichen Elektrode (beispielsweise 1) ein erfindungsgemäßes Elektrodenpaar (beispielsweise 11; 12; 13; 14).
  • 2f zeigt eine schematische Darstellung einer dreizehnten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensors, die sich von der neunten, zehnten und elften, in 2a, 2c und 2d gezeigten Ausführungsform hauptsächlich dadurch unterscheidet, dass die radialen Strahlen eine unterschiedliche Anzahl von daran angeordneten Elektrodenpaaren aufweisen. Eine derartige Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Elektrodensystems hat sich dahingehend als vorteilhaft erwiesen, weil so die für das Elektrodensystem benötigte Fläche optimal genutzt werden kann.
  • 2g zeigt eine schematische Darstellung einer vierzehnten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensors, die sich von der neunten, zehnten, elften und dreizehnten in 2a, 2c, 2d und 2f gezeigten Ausführungsform hauptsächlich dadurch unterscheidet, dass sich die an den radialen Strahlen angeordneten Elektroden über zwei gegenüberliegende Kreisausschnitte 2001; 2002 erstrecken, wobei zwischen diesen Kreisausschnitten elektrodenfreie Kreisausschnitte 3001; 3002 liegen. Vorteilhafterweise kann hierdurch auch das Elektrodensystem an die zur Verfügung stehende Fläche angepasst werden. Darüber hinaus hat sich eine derartige Anordnung von Kreisausschnitten 2001; 2002 bezüglich der Herstellung als vorteilhaft erwiesen, da bei der Verwendung von Siebdruckverfahren die Herstellung von schmalen Strukturen welche senkrecht zur Siebdruckrakelrichtung angeordnet sind, erschwert ist.
  • 2h zeigt eine schematische Darstellung einer fünfzehnte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensors, die sich von der neunten, zehnten, elften, dreizehnten und vierzehnten in 2a, 2c, 2d, 2f und 2g gezeigten Ausführungsform hauptsächlich dadurch unterscheidet, dass die Anzahl und Ausgestaltung der auf zwei gegenüberliegenden Kreisausschnitten 2001; 2002 angeordneten Elektroden sich voneinander unterscheidet. Wie bereits erläutert, ist eine derartige Ausgestaltung auf Grund einer Optimierung der Elektrodensystemfläche sowie auf Grund des Herstellungsverfahrens vorteilhaft. Darüber hinaus hat sich eine derartige Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Elektrodensystems als vorteilhaft erwiesen, wenn der Gasstrom auf Grund der Geometrie des Sensors bevorzugt in eine bestimmte Richtung (beispielsweise in Richtung des Strahls S2 mit der höheren Anzahl an Elektrodenpaaren) abströmt.
  • Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Sensor zur Detektion der Größenverteilung von Teilchen in einem Gasstrom, umfassend
    • – ein Elektrodensystem mit mindestens drei in einer Ebene liegenden Elektroden,
    • – mindestens eine Spannungsversorgungsvorrichtung und
    • – mindestens eine Spannungsmess- und/oder Strommessvorrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass
    • – in dem Elektrodensystem jeweils zwei Elektroden unterschiedlicher Polarität ein Elektrodenpaar bilden, wobei die Elektrodenpaare derart entlang eines in der Ebene der Elektroden liegenden, fiktiven Strahls angeordnet sind, dass der Strahl jeweils zwischen den beiden Elektroden eines Elektrodenpaares verläuft,
    • – wobei die entlang des Strahls angeordneten Elektrodenpaare derart an mindestens eine Spannungsmess- und/oder Strommessvorrichtung angeschlossen sind, dass die Spannung und/oder der Stromfluss zwischen jedem Elektrodenpaar einzeln bestimmt werden kann.
  • Die entlang des Strahls angeordneten Elektrodenpaare können derart an mindestens eine Spannungsmess- und/oder Strommessvorrichtung angeschlossen sein, dass die Spannung und/oder der Stromfluss zwischen jedem einzelnen Elektrodenpaar bestimmt werden kann, indem
    • – jedes entlang des Strahls angeordnete Elektrodenpaar an eine eigene Spannungsmess- und/oder Strommessvorrichtung angeschlossen ist; und/oder
    • – mehrere entlang des Strahls angeordnete Elektrodenpaare über einen Schalter an eine gemeinsame Spannungsmess- und/oder Strommessvorrichtung angeschlossen sind, wobei der Schalter zwischen den einzelnen Elektrodenpaaren umgeschaltet wird, um die Spannung und/oder den Stromfluss jedes einzelnen Elektrodenpaars zu bestimmen.
  • Beispielsweise kann es sich bei einem solchen Schalter um ein Relais handeln.
  • Vorteilhafterweise ist es mit einem derartigen erfindungsgemäßen Sensor sowie dem erfindungsgemäßen Verfahren möglich, sowohl die Auflösung verschiedener Größenfraktionen der sich anlagernden Teilchen sowie die Konzentration in einem Gasstrom befindlicher Teilchen pro Größenfraktion zu bestimmen.
  • Dabei wird unter dem Begriff „Strahl" im Sinn der vorliegenden Erfindung ein geometrischer Strahl, das heißt eine fiktive gerade Linie verstanden, die auf einer Seite, beispielsweise von dem Punkt P, begrenzt ist und sich auf der anderen Seite ins Unendliche erstreckt. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung werden unter dem Begriff „Strahl" nur diejenigen geometrischen Strahlen verstanden, die sich zwischen Elektroden erstrecken, die eine unterschiedliche Polarität aufweisen und über eine gemeinsame Spannungsmess- und/oder Strommessvorrichtung verfügen und dadurch ein erfindungsgemäßes Elektrodenpaar darstellen. Dabei wird im Sinn der vorliegenden Erfindung unter einer unterschiedlichen Polarität der beiden Elektroden eines Elektrodenpaares verstanden, dass zwischen den beiden Elektroden eines Elektrodenpaares ein Potentialunterschied vorliegt. Der Potentialunterschied zwischen den beiden Elektroden eines Elektrodenpaares kann dabei beispielsweise null zu plus, plus zu minus, minus zu null, plus zu höher plus oder minus zu stärker minus sein.
  • Unter dem Begriff „Teilchen" werden im Sinn der vorliegenden Erfindung feste und/oder flüssige leitfähige Teilchen, beispielsweise leitfähige Partikel und/oder Tröpfchen, insbesondere Rußpartikel, beispielsweise halbleitender Kohlenstoff, verstanden.
  • Wie im Zusammenhang mit den Figuren detailliert erläutert, beruht die Erfindung auf dem Prinzip, dass der Ort der Anlagerung von Teilchen an den Elektroden von der Größe, Masse und Ladung der Teilchen abhängt und sich die Teilchen in dem Gasstrom beim Überströmen eines erfindungsgemäßen Elektrodensystems einerseits den Gesetzen der Diffusion und Ballistik, andererseits den Gesetzen der Elektrophorese entsprechend verhalten. Durch geschickte Ausnutzung dieser Gesetzmäßigkeiten und entsprechende Dimensionierung der Elektroden und daran angelegten Spannungen können somit mit Hilfe eines erfindungsgemäßen Elektrodensystems nicht nur Teilchen als solches, sondern auch die Größenverteilung der Teilchen, detektiert werden.
  • Ein erfindungsgemäßes Elektrodensystem kann mindestens zwei in der Ebene der Elektroden liegende Strahle aufweisen, die sich von einem gemeinsamen Punkt P aus radial erstrecken und entlang denen Elektrodenpaare derart angeordnet sind, dass der jeweilige Strahl jeweils zwischen den beiden Elektroden der an ihm angeordneten Elektrodenpaare verläuft.
  • Die mindestens zwei Strahlen können sich erfindungsgemäß, derart von dem gemeinsamen Punkt P aus radial, dass alle benachbarten Strahlen in etwa den gleichen Winkel einschließen. Dabei bedeutet in etwa, dass die Winkelabweichung bis zu 30%, beispielsweise bis zu 20%, insbesondere bis zu 15%, betragen kann.
  • Darüber hinaus können sich die mindestens zwei in der Ebene der Elektroden liegende Strahlen von einem gemeinsamen Punkt P aus derart radial erstrecken, dass sich die daran angeordneten Elektroden über zwei, beispielsweise gegenüberliegende, Ausschnitte einer im wesentlichen runden Fläche erstrecken, wobei zwischen diesen Ausschnitten elektrodenfreie Teilflächen liegen.
  • Wenn das erfindungsgemäße Elektrodensystem mindestens zwei, sich von einem gemeinsamen Punkt P radial erstreckende Strahlen aufweist, weisen diejenigen Elektrodenpaare, die entlang den jeweiligen Strahlen die ersten, zweiten, ... oder n-ten Elektrodenpaare sind, jeweils im wesentlichen die gleiche Ausgestaltung und/oder den gleichen Abstand bezüglich des Punktes P auf, wobei die Nummerierung der Elektrodenpaare vom Punkt P ausgehend radial auswärts erfolgt.
  • Im Rahmen der vorliegenden Erfindung werden die Elektrodenpaare, die entlang den jeweiligen, sich von einem gemeinsamen Punkt P radial erstreckenden Strahlen als jeweils erste, zweite, dritte, ... n-te Elektrodenpaare angeordnet sind, auch als Elektrodenpaar des ersten, zweiten, dritten, ... n-ten Elektrodenkreises bezeichnet. Daher können diejenigen Elektrodenpaare, die auf dem gleichen erfindungsgemäßen Elektrodenkreis angeordnet sind, jeweils im Wesentlichen die gleiche Ausgestaltung und/oder den gleichen Abstand bezüglich des Punktes P aufweisen. Dabei bedeutet im Wesentlichen im Rahmen der vorliegenden Erfindung, dass Abweichungen von der absoluten Symmetrie bzw. Parallelität bis zu 30%, beispielsweise bis zu 20%, insbesondere bis zu 15%, betragen kann.
  • Insofern es sich bei dem Elektrodensystem um ein derartig symmetrisches, radiales Elektrodensystems mit mindestens zwei sich von einem gemeinsamen Punkt P radial erstreckenden Strahlen handelt, können diejenigen Elektrodenpaare, die entlang den jeweiligen Strahlen die ersten, zweiten, ... oder n-ten Elektrodenpaare sind, im Rahmen der vorliegenden Erfindung jeweils an eine gemeinsame Spannungsmess- und/oder Strommessvorrichtung und/oder Spannungsversorgungsvorrichtung angeschlossen werden, wobei die Nummerierung der Elektrodenpaare vom Punkt P ausgehend radial auswärts erfolgt.
  • Wenn das erfindungsgemäße Elektrodensystem mindestens zwei, sich von einem gemeinsamen Punkt P radial erstreckende Strahlen aufweist, kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung entlang allen Strahlen die gleiche Anzahl von Elektrodenpaaren n angeordnet sein.
  • Die beiden Elektroden eines entlang eines Strahls angeordneten Elektrodenpaares können jeweils im wesentlichen spiegelsymmetrisch zueinander ausgebildet und/oder angeordnet sein, wobei der zwischen den beiden Elektroden eines Elektrodenpaares verlaufende Strahl die Spiegelachse bildet. Vorzugsweise sind die einander zugewandten Flächen der Elektroden eines Elektrodenpaars im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet.
  • Entlang eines Strahls angeordnete Elektrodenpaare werden vorzugsweise im Wesentlichen parallel zueinander entlang des Symmetriestrahls angeordnet. Die Elektroden der Elektrodenpaare werden dabei vorzugsweise derart ausgestaltet, dass diejenigen Flächen der Elektroden, welche den benachbarten Elektrodenpaaren zugewandt sind, im Wesentlichen parallel zu den Flächen der benachbarten Elektrodenpaare verlaufen. Das heißt, vorzugsweise sind die einander zugewandten Flächen der Elektroden eines Nachbarelektrodenpaars im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet.
  • Im Rahmen der vorliegenden Erfindung können zwei oder mehr auf einer Seite eines Strahls angeordnete Elektroden als eine Elektrode ausgebildet sein, wobei die auf der anderen Seite des Strahls angeordneten Elektroden voneinander beabstandet angeordnet sind, eine andere Polarität als die auf der einen Seite des Strahls angeordnete Elektrode aufweisen. Die auf der anderen Seite des Strahls angeordneten Elektroden bilden mit der auf der einen Seite des Strahls angeordneten Elektrode jeweils ein Elektrodenpaar aus, wobei die entlang des Strahls angeordneten Elektrodenpaare derart an mindestens eine Spannungsmess- und/oder Strommessvorrichtung angeschlossen sind, dass die Spannung und/oder der Stromfluss zwischen jedem Elektrodenpaar einzeln bestimmt werden kann. Beispielsweise kann dafür jedes entlang des Strahls angeordnete Elektrodenpaar, insbesondere jede der auf der anderen Seite des Strahls voneinander beabstandet angeordneten Elektroden, an eine eigene Spannungsmess- und/oder Strommessvorrichtung angeschlossen sein; und/oder mehrere entlang des Strahls angeordnete Elektrodenpaare, insbesondere mehrere auf der anderen Seite des Strahls voneinander beabstandet angeordneten Elektroden, können über einen Schalter an eine gemeinsame Spannungsmess- und/oder Strommessvorrichtung angeschlossen sein, wobei der Schalter zwischen den einzelnen Elektrodenpaaren umgeschaltet wird, um die Spannung und/oder den Stromfluss jedes einzelnen Elektrodenpaars zu bestimmen. Diese Art und Weise der Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Elektrodensystems kann sowohl bei einem erfindungsgemäßen einstrahligen Elektrodensystem als auch bei einem erfindungsgemäßen mehrstrahligen Elektrodensystem vorgenommen werden.
  • Ein erfindungsgemäßes Elektrodensystem kann mindestens vier, beispielsweise mindestens fünf sechs, sieben, acht, neun oder zehn in einer Ebene liegende Elektroden umfassen.
  • Entlang eines erfindungsgemäßen Strahls können mindestens drei, beispielsweise mindestens vier oder mindestens fünf, insbesondere mindestens sechs oder mindestens sieben Elektrodenpaare angeordnet sein. Das heißt, wenn das erfindungsgemäße Elektrodensystem einen in der Ebene der Elektroden liegende Strahl aufweist, so können entlang dieses Strahls mindestens drei, beispielsweise mindestens vier oder fünf, insbesondere mindestens sechs oder sieben Elektrodenpaare derart angeordnet sein, dass der Strahl jeweils zwischen den beiden Elektroden eines Elektrodenpaares verläuft. Wenn das erfindungsgemäße Elektrodensystem mehrere in der Ebene der Elektroden liegende, sich von einem gemeinsamen Punkt P erstreckende Strahlen aufweist, so können entlang dieser Strahlen jeweils mindestens drei, beispielsweise mindestens vier oder fünf insbesondere mindestens sechs oder sieben Elektrodenpaare derart angeordnet sein, dass der jeweilige Strahl jeweils zwischen den beiden Elektroden der an ihm angeordneten Elektrodenpaare verläuft.
  • Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann ein erfindungsgemäßes Elektrodensystem beispielsweise mindestens drei, beispielsweise mindestens vier oder fünf oder sechs oder sieben oder acht in der Ebene der Elektroden liegende, sich von einem gemeinsamen Punkt P erstreckende Strahlen aufweisen.
  • Bei einem erfindungsgemäßen Sensor kann der Elektrodenpaarlückenabstand (Abstand zwischen den beiden Elektroden eines Elektrodenpaares) bei jedem Elektrodenpaar gleich groß sein oder der Elektrodenpaarlückenabstand kann bei jedem Elektrodenpaar eines Strahls variieren. Da große Teilchen eine Strecke bei gleicher Teilchenanzahl schneller überbrücken als kleine Teilchen und das Überschreiten eines Schwellwertes durch ein Elektrodenpaar die Regeneration des gesamten Elektrodensystems zur Folge, hat es sich im Rahmen der vorliegenden Erfindung als vorteilhaft herausgestellt, den Elektrodenpaarlückenabstand bei jedem Elektrodenpaar derart auszugestalten, dass bei der zu erwartenden Teilchengrößenverteilung alle Elektrodenpaare im gleichen Zeitbereich Messergebnisse liefern und/oder regeneriert werden.
  • Das heißt, wenn die Größenverteilung der zu detektierenden Teilchen, beispielsweise einer Gauß'schen, bimodalen oder multimodalen Verteilung entspricht, wird der Elektrodenpaarlückenabstand eines jeden Elektrodenpaares individuell auf den Verlauf der Verteilung, beispielsweise auf das/die Maximum/Maxima und/oder das/die Minimum/Minima der Verteilung angepasst. Beispielsweise kann der Elektrodenpaarlückenabstand bei jedem Elektrodenpaar derart ausgewählt werden, dass dieser bei dem/n Elektrodenpaar/en bei denen das/die Maximum/Maxima der Verteilung erwartet wird einen größeren Abstand aufweist als bei den übrigen Elektrodenpaaren.
  • Für den Spezialfall einer auf einer Gaußverteilung basierenden Teilchengrößenverteilung hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn sich der Elektrodenpaarlückenabstand vom ersten Elektrodenpaar zu dem Elektrodenpaar, bei dem die Teilchengrößenfraktion detektiert wird, welche dem Maximum der Gaußverteilung entspricht, einer an einem Strahl angeordneten Elektrodenpaarreihe stetig vergrößert und von diesem dem Gaußverteilungsmaximum entsprechenden Elektrodenpaar zum letzten Elektrodenpaar einer an einem Strahl angeordneten Elektrodenpaarreihe stetig verkleinert. Beispielsweise kann sich der Elektrodenpaarlückenabstand vom ersten Elektrodenpaar zum mittleren Elektrodenpaar einer an einem Strahl angeordneten Elektrodenpaarreihe stetig vergrößern und von dem mittleren Elektrodenpaar zum letzten Elektrodenpaar einer an einem Strahl angeordneten Elektrodenpaarreihe stetig verkleinern.
  • Für den Fall, dass die Größenverteilung der zu detektierenden Teilchen einer kontinuierlich steigenden oder abfallenden Verteilung entspricht, kann das erfindungemäße Elektrodensystem derart ausgestaltet werden, dass sich der Elektrodenpaarlückenabstand entlang eines Strahls stetig vergrößert oder stetig verkleinert.
  • Darüber hinaus können bei einem erfindungsgemäßen Sensor die Elektroden eine einheitliche Elektrodenbreite aufweisen oder die Elektrodenbreite kann bei jedem Elektrodenpaar eines Strahls variieren. Eine große Elektrodenbreite führt vorteilhafterweise zu einem stärkeren Signal, geht jedoch mit einem breiteren Spektrum der sich anlagernden Teilchen und damit mit einer geringeren Größenauflösung einher. Der Abstand zwischen den Elektrodenpaaren kann bei einem erfindungsgemäßen Sensor äquidistant sein oder kann zwischen jedem Paar von benachbarten Elektrodenpaaren eines Strahls unterschiedlich sein. Ferner können bei einem erfindungsgemäßen Sensor die Elektroden eine einheitliche Elektrodenlänge aufweisen oder die Elektrodenlänge kann bei jedem Elektrodenpaar eines Strahls variieren. Vorzugsweise werden in einem erfindungsgemäßen Sensor die Elektrodenbreiten und/oder Elektrodenlängen und/oder die Abstände zwischen den Elektrodenpaaren auf die zu erwartende Teilchengrößenverteilung und/oder Strömungsgeschwindigkeit angepasst. Das heißt, die Elektrodenbreiten und/oder Elektrodenlängen der einzelnen Elektrodenpaare und/oder die Abstände zwischen den Elektrodenpaaren werden individuell auf den Verlauf der zu erwartenden Teilchengrößenverteilung, beispielsweise auf das/die Maximum/Maxima und/oder das/die Minimum/Minima der Teilchengrößenverteilung angepasst.
  • Die Spannungsversorgung kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung auf zweierlei Weise erfolgen. Einerseits kann es bei einem Elektrodensystem, bei dem die Elektrodenpaare unterschiedlich ausgestaltet und/oder angeordnet sind, genügen an mehrere oder alle Elektrodenarme die gleiche Spannung durch eine Spannungsversorgungsvorrichtung anzulegen, da die Bestimmung der Größenverteilung von Teilchen in diesem Fall allein durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Elektrodensystems gewährleistet werden kann. Andererseits ist es, wie bereits erläutert, von Vorteil, die Aufteilung der Größenfraktionen durch Adaption der an den Elektrodenpaaren angelegten Spannungen während des Betriebs einzuregeln und die Messung an die Gasströmgeschwindigkeit anpassen zu können.
  • Das Anlegen unterschiedlicher und anpassbarer Spannungen kann erfindungsgemäß dadurch erfolgen, dass zwei oder mehr Elektrodenpaare jeweils an eine eigene Spannungsversorgungsvorrichtung angeschlossen werden und/oder zwei oder mehr Elektrodenpaare an eine gemeinsame Spannungsversorgungsvorrichtung angeschlossen werden, wobei die Elektrodenpaare jeweils über einen eigenen Vorwiderstand zum Einstellen einer individuellen Spannung verfügen. Dass zwei oder mehr Elektrodenpaare an eine gemeinsame Spannungsversorgungsvorrichtung angeschlossen werden, wobei die Elektrodenpaare jeweils über einen eigenen Vorwiderstand zum Einstellen einer individuellen Spannung verfügen, hat den Vorteil, dass die Zahl der Spannungsversorgungsvorrichtungen gesenkt werden. Vorzugsweise wird jedem Vorwiderstand ein Spannungsmessgerät parallel geschaltet. Vorteilhafterweise dient diese Kombination aus einem Vorwiderstand und einem parallel geschalteten Spannungsmessgerät sowohl als erfindungsgemäße Spannungsmess- und/oder Strommessvorrichtung als auch als erfindungsgemäßer Vorwiderstand, da aus einer Spannungsabfallsmessung an einem bekannten Vorwiderstand vorteilhafterweise der der elektrische Widerstand der/der Stromfluss durch die Teilchenpfade berechnet werden kann.
  • Der Anschluss der Elektroden des Elektrodensystems an Spannungsmess- und/oder Strommessvorrichtungen, Spannungsversorgungsvorrichtungen und/oder Vorwiderstände erfolgt über Leitungen. Vorzugsweise verfügt jede Elektrode des Elektrodensystems über eine eigene Leitung zum Anschluss an die, zumindest mit dem Elektrodenpaarpartner gemeinsame, Spannungsversorgungs-, Spannungsmess- und/oder Strommessvorrichtung.
  • Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist es jedoch ebenso möglich, Elektroden verschiedener Elektrodenpaare über Leitungen miteinander zu verbinden. Im Rahmen einer Ausführungsform der Erfindung verfügt daher in dem Elektrodensystem nur jeweils eine Elektrode eines jeden Elektrodenpaares über eine eigene Leitung zum Anschluss an die Spannungsmess- und/oder Strommessvorrichtung und/oder die Spannungsversorgungsvorrichtung und/oder den Vorwiderstand, wobei die verbleibenden Elektroden (Elektrodenpaarpartner) auf ein gemeinsames Potential gelegt werden. Ein derartiger Anschluss weist den Vorteil auf, dass dadurch die Zahl der Leitungen herabgesetzt werden kann.
  • Die beiden Elektroden eines Elektrodenpaares des Elektrodensystems werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung jeweils derart an die Spannungsversorgungsvorrichtung angeschlossen, dass sie zueinander eine unterschiedliche Polarität aufweisen.
  • Im Rahmen der vorliegenden Erfindungen kann/können die Spannungsversorgungsvorrichtung/en an den jeweiligen Elektrodenpaaren derart angeschlossen werden, dass an den Elektroden, die auf der gleichen Seite eines Strahls angeordnet sind, ein Potential gleicher Polarität anliegt.
  • Wenn es sich bei dem erfindungsgemäßen Elektrodensystem um ein erfindungsgemäßes, radiales Elektrodensystem handelt, kann/können die Spannungsversorgungsvorrichtung/en derart an den Elektrodenpaaren der jeweiligen Strahlen angeschlossen sein, dass alle benachbarten Elektroden, die an unterschiedlichen Strahlen angeordnet sind, die gleiche Polarität aufweisen.
  • Wenn es sich bei dem erfindungsgemäßen Elektrodensystem um ein erfindungsgemäßes, radiales Elektrodensystem handelt, kann/können die Spannungsversorgungsvorrichtung/en jedoch auch derart an den Elektrodenpaaren der jeweiligen Strahlen angeschlossen sein, dass die Polarität einer vom Punkt P radial auswärts ausgebildeten Elektrodenreihen zu den benachbarten vom Punkt P radial auswärts ausgebildeten Elektrodenreihen alterniert.
  • Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist es darüber hinaus möglich, dass diejenigen Elektroden die auf der gleichen Seite eines Strahls angeordnet sind, eine unterschiedliche Polarität aufweisen. Beispielsweise kann die Polarität der Elektrodenpaare entlang des Strahls alternieren. Bei einer Beschaltung mit mindestens einem Polaritätswechsel erfolgt die Teilchenanlagerung nicht nur zwischen den Elektroden eines Elektrodenpaares, sondern auch zwischen zwei benachbarten, auf der gleichen Seite eines Strahls angeordneten Elektroden unterschiedlicher Polarität, die im Rahmen der vorliegenden Erfindung als Nachbarelektrodenpaar bezeichnet werden. Um das aus dieser Teilchenanlagerung resultierende Signal messen zu können, ist im Rahmen einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung jedes Nachbarelektrodenpaar derart an mindestens eine Spannungsmess- und/oder Strommessvorrichtung angeschlossen, dass die Spannung und/oder der Stromfluss zwischen jedem Nachbarelektrodenpaar einzeln bestimmt werden kann, wobei ein Nachbarelektrodenpaar ein Paar aus zwei benachbarten, auf der gleichen Seite eines Strahls angeordneten Elektroden unterschiedlicher Polarität ist. Beispielsweise kann dafür jedes Nachbarelektrodenpaar an eine eigene Spannungsmess- und/oder Strommessvorrichtung angeschlossen sein; und/oder mehrere Nachbarelektrodenpaare können über einen Schalter an eine gemeinsame Spannungsmess- und/oder Strommessvorrichtung angeschlossen sein, wobei der Schalter zwischen den einzelnen Nachbarelektrodenpaaren umgeschaltet wird, um die Spannung und/oder den Stromfluss jedes einzelnen Nachbarelektrodenpaars zu bestimmen.
  • Zweckmäßigerweise ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Auswertungsvorrichtung an die Spannungs- und/oder Strommessvorrichtungen angeschlossen.
  • Darüber hinaus kann ein erfindungsgemäßer Sensor ein Steuergerät zum Ansteuern der Spannungsversorgungsvorrichtung/en und/oder variablen Vorwiderstände umfassen, welches das Anlegen von individuellen Spannungen an den einzelnen Elektrodenpaaren anhand von Daten über die zu erwartenden Teilchengrößenverteilung und/oder die Gasströmungsgeschwindigkeit steuert.
  • Ferner kann ein erfindungsgemäßer Sensor eine Heizvorrichtung und/oder eine Temperaturmessvorrichtung umfassen.
  • Die erfindungsgemäßen Elektroden können ein Metall, wie Platin, Kupfer, Silber, Gold, Eisen, Cobalt, Nickel, Palladium, Ruthenium, Iridium oder Rhodium, oder eine Metalllegierung, insbesondere einer Metalllegierung umfassend Platin, Kupfer, Silber, Gold, Eisen, Cobalt, Nickel, Palladium, Ruthenium, Iridium und/oder Rhodium, umfassen. Vorzugsweise umfassen die Elektroden Platin.
  • Darüber hinaus kann ein erfindungsgemäßer Sensor weiterhin mindestens ein Schutzrohr umfassen, welches den Gasstrom
    • – parallel zu der Ebene des Elektrodensystems und
    • – parallel zu dem/den Symmetriestrahl/en leitet.
  • Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Detektion der Größenverteilung von Teilchen in einem Gasstrom mit einem erfindungsgemäßen Sensor, indem
    • – an die Elektrodenpaare des Elektrodensystems eine Spannung angelegt wird oder an die Elektrodenpaare des Elektrodensystems jeweils voneinander unabhängige Spannungen angelegt werden, wobei sich Teilchen anlagern,
    • – die aus der Teilchenanlagerung resultierende Änderung der Spannung und/oder des Stroms und/oder des elektrischen Widerstandes zwischen den beiden Elektroden eines Elektrodenpaares an jedem Elektrodenpaar einzeln gemessen wird und
    • – die Größenverteilung der Teilchen und/oder die Teilchenkonzentration und/oder der Teilchenmassenstrom durch Auswerten der Änderungen der Spannung und/oder des Stromes und/oder des elektrischen Widerstandes der jeweiligen Elektrodenpaare bestimmt wird.
  • Das Anlegen von jeweils voneinander unabhängigen Spannungen an die Elektrodenpaare des Elektrodensystems hat den Vorteil, dass die Aufteilung der sich an den jeweiligen Elektrodenpaaren anlagernden Teilchengrößenfraktionen durch gezieltes Einstellen der jeweiligen Spannungen einfach, schnell und gezielt eingestellt werden kann.
  • Daher können im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens an die Elektrodenpaare des Elektrodensystems derart jeweils voneinander unabhängige Spannungen angelegt werden, dass die jeweils an einem Elektrodenpaar angelegte Spannung bei jedem Elektrodenpaar individuell auf die zu erwartenden Teilchengrößenverteilung und/oder die Gasströmungsgeschwindigkeit angepasst ist. Vorzugsweise werden die jeweils an den Elektrodenpaaren angelegten Spannungen derart eingestellt, dass bei der zu erwartenden Teilchengrößenverteilung alle Elektrodenpaare im gleichen Zeitbereich Messergebnisse liefern und/oder regeneriert werden.
  • Das heißt, wenn die Größenverteilung der zu detektierenden Teilchen, beispielsweise einer Gauß'schen, bimodalen oder multimodalen Verteilung entspricht, werden die jeweils an den Elektrodenpaaren angelegten Spannungen voneinander unabhängig an den Verlauf der Verteilung, beispielsweise auf das/die Maximum/Maxima und/oder das/die Minimum/Minima der Verteilung angepasst. Beispielsweise werden die an den Elektrodenpaaren angelegten Spannungen derart eingestellt, dass an dem/denjenigen Elektrodenpaar/en, bei denen das/die Maximum/Maxima der Verteilung erwartet wird, eine niedrigere Spannung angelegt wird als an den übrigen Elektrodenpaaren.
  • Für den Spezialfall einer auf einer Gaußverteilung basierenden Teilchengrößenverteilung hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn vom ersten Elektrodenpaar zu dem Elektrodenpaar, an dem diejenige Teilchengrößenfraktion detektiert wird, welche dem Maximum der Gaußverteilung entspricht, die an den Elektrodenpaaren angelegten Spannungen stetig sinken und von dem Gaußverteilungsmaximum entsprechenden Elektrodenpaar zum letzten Elektrodenpaar die an den Elektrodenpaaren angelegten Spannungen stetig steigen. Beispielsweise kann der Betrag der Spannung vom ersten Elektrodenpaar zum mittleren Elektrodenpaar einer an einem Strahl angeordneten Elektrodenpaarreihe stetig sinken und von dem mittleren Elektrodenpaar zum letzten Elektrodenpaar einer an einem Strahl angeordneten Elektrodenpaarreihe stetig steigen.
  • Für den weiteren Spezialfall, dass die Größenverteilung der zu detektierenden Teilchen einer kontinuierlich steigenden oder abfallenden Verteilung entspricht, werden die jeweils an den Elektrodenpaaren angelegten Spannungen derart eingestellt, dass sich die an den Elektrodenpaaren angelegte Spannung von Elektrodenpaar zu Elektrodenpaar stetig verändern, das heißt stetig vergrößern oder verkleinern.
  • Darüber hinaus ist es möglich, die an jedem Elektrodenpaar angelegte Spannung wie bereits erläutert in Abhängigkeit von der Betriebsweise des mit dem erfindungsgemäßen Sensor untersuchten Verbrennungsmotors und/oder der Anlage individuell anzupassen.
  • Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens können Spannungen an die Elektrodenpaare eines Strahls derart angelegt werden, dass auf der gleichen Seite eines Strahls angeordnete Elektroden die gleiche Polarität aufweisen. Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens können Spannungen jedoch auch derart an die Elektrodenpaare eines Strahls angelegt werden, dass die Polarität der Elektrodenpaare entlang des Strahls alterniert.
  • Beispielsweise können Spannungen an die Elektrodenpaare von zwei oder mehr Strahlen derart angelegt werden, dass alle benachbarten Elektroden, die an unterschiedlichen Strahlen angeordnet sind, die gleiche Polarität aufweisen.
  • Die Spannungen können jedoch auch derart an die Elektrodenpaare von zwei oder mehr Strahlen angelegt werden, dass die Polarität einer vom Punkt P radial auswärts ausgebildeten Elektrodenreihen zu den benachbarten vom Punkt P radial auswärts ausgebildeten Elektrodenreihen alterniert.
  • Darüber hinaus können Spannungen an die Elektrodenpaare eines Strahls derart angelegt werden, dass die Polarität der Elektrodenpaare entlang eines Strahls alterniert.
  • Das Einstellen von voneinander unabhängigen Spannungen an den Elektrodenpaaren kann, wie bereits erläutert dadurch erfolgen, dass jedes entlang eines Strahls angeordnete Elektrodenpaar über eine eigene Spannungsversorgungsvorrichtung oder über einen eigenen variablen Vorwiderstand verfügt.
  • Vorzugsweise wird die Änderung der Spannung und/oder des Stroms und/oder des elektrischen Widerstandes zwischen den beiden Elektroden eines Elektrodenpaares in Abhängigkeit von der Zeit gemessen.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, dass es eine Detektion der Größenverteilung von Teilchen in einem Gasstrom sowohl bei einem Gasstrom mit konstanter Geschwindigkeit als auch bei einem Gasstrom mit variabler Geschwindigkeit erlaubt.
  • Wenn ein Gasstrom mit einer konstanten Geschwindigkeit vorliegt, wird/werden die Spannung/en an den Elektrodenpaaren des Elektrodensystems vorzugsweise konstant angelegt.
  • Bei Gasströmen mit variabler Gasgeschwindigkeit kann sich die Anlagerung der jeweiligen Größenfraktion jedoch von einem Elektrodenpaar zu einem benachbarten Elektrodenpaar verschieben.
  • Daher kann, wenn ein Gasstrom mit einer variablen Geschwindigkeit vorliegt,
    • – die Messung mit konstant an den Elektrodenpaaren angelegten Spannungen durchgeführt werden und die Änderung der Gasgeschwindigkeit als Korrekturfaktor in die Auswertung mit einbezogen werden oder
    • – die an den Elektrodenpaaren des Elektrodensystems angelegten Spannungen können, insbesondere direkt, an die Änderung der Gasgeschwindigkeit angepasst werden.
  • Dabei hat das Anpassen der an den Elektrodenpaaren des Elektrodensystems angelegten Spannungen den Vorteil, dass eine Verschiebung der Größenfraktionen vermieden wird.
  • Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist die Verwendung eines erfindungsgemäßen Sensors und/oder eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einem Werkstattmessgerät zur Abgasuntersuchung oder in einem Messgerät zur Kontrolle der Luftqualität oder in Ruß-Partikel-Sensoren, insbesondere Ruß-Partikel-Sensoren für „on board diagnosis" (OBD), und/oder zur Überwachung der Betriebsweise eines Verbrennungsmotors, beispielsweise eines Dieselmotors, oder einer Verbrennungsanlage, beispielsweise einer Ölheizung oder eines Ofens, und/oder zur Überwachung der Funktionsfähigkeit eines Partikelfilters und/oder zur Überwachung des Beladungszustandes eines Partikelfilters, beispielsweise eines Diesel-Partikel-Filters (DPF), oder zur Überwachung von chemischen Herstellungsprozessen, Abluftanlagen und/oder Abluftnachbehandlungsanlagen.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • - DE 10149333 A1 [0003]
    • - WO 2003006976 A2 [0003]

Claims (18)

  1. Sensor zur Detektion der Größenverteilung von Teilchen in einem Gasstrom, umfassend – ein Elektrodensystem mit mindestens drei in einer Ebene liegenden Elektroden (1, 1'; 2, 2'; 3, 3'; 4, 4'), – mindestens eine Spannungsversorgungsvorrichtung (201; 202; 203; 204) und – mindestens eine Spannungsmess- und/oder Strommessvorrichtung (301; 302; 303; 304), dadurch gekennzeichnet, dass – in dem Elektrodensystem jeweils zwei Elektroden unterschiedlicher Polarität (1, 1'; 2, 2'; 3, 3'; 4, 4') ein Elektrodenpaar (11; 12; 13; 14) bilden, wobei die Elektrodenpaare (11; 12; 13; 14) derart entlang eines in der Ebene der Elektroden liegenden, fiktiven Strahls (X1, S1) angeordnet sind, dass der Strahl (X1, S1) jeweils zwischen den beiden Elektroden (1, 1'; 2, 2'; 3, 3'; 4, 4') eines Elektrodenpaares (11; 12; 13; 14) verläuft, – wobei die entlang des Strahls (X1; S1) angeordneten Elektrodenpaare (11; 12; 13; 14) derart an mindestens eine Spannungsmess- und/oder Strommessvorrichtung (301; 302; 303; 304) angeschlossen sind, dass die Spannung und/oder der Stromfluss zwischen jedem Elektrodenpaar (11; 12; 13; 14) einzeln bestimmt werden kann.
  2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – jedes entlang des Strahls (X1; S1) angeordnete Elektrodenpaar (11; 12; 13; 14) an eine eigene Spannungsmess- und/oder Strommessvorrichtung (301; 302; 303; 304) angeschlossen ist; und/oder – mehrere entlang des Strahls (X1; S1) angeordnete Elektrodenpaare (11; 12; 13; 14) über einen Schalter an eine gemeinsame Spannungsmess- und/oder Strommessvorrichtung angeschlossen sind, wobei der Schalter zwischen den einzelnen Elektrodenpaaren (11; 12; 13; 14) umgeschaltet wird, um die Spannung und/oder den Stromfluss jedes einzelnen Elektrodenpaars (11; 12; 13; 14) zu bestimmen.
  3. Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Elektrodensystem mindestens zwei in der Ebene der Elektroden liegende Strahlen (X1; X2; X3; S1; S2; S3; S4; S5; S6; S7; S8) aufweist, die sich von einem gemeinsamen Punkt P aus radial erstrecken und entlang denen Elektrodenpaare (11, 12, 13, 14 bis 81, 82, 83, 84) derart angeordnet sind, dass der jeweilige Strahl jeweils zwischen den beiden Elektroden (1, 1' bis 4g, 4g') der an ihm angeordneten Elektrodenpaare (11, 12, 13, 14 bis 81, 82, 83, 84) verläuft.
  4. Sensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich die mindestens zwei Strahlen (X1; X2; X3; X4; S1; S2; S3; S4; S5; S6; S7; S8) derart von dem gemeinsamen Punkt P aus radial erstrecken, dass alle benachbarten Strahlen (X1; X2; X3; X4; S1; S2; S3; S4; S5; S6; S7; S8) in etwa den gleichen Winkel einschließen.
  5. Sensor nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich die mindestens zwei in der Ebene der Elektroden liegende Strahlen (X1; X2; X3; X4; S1; S2; S3; S4; S5; S6; S7; S8) von einem gemeinsamen Punkt P aus derart radial erstrecken, dass sich die daran angeordneten Elektroden über zwei Ausschnitte (2001; 2002) einer im wesentlichen runden Fläche erstrecken, wobei zwischen diesen Ausschnitten elektrodenfreie Teilflächen (3001, 3002) liegen.
  6. Sensor nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass diejenigen Elektrodenpaare (11 bis 81; 12 bis 82; 13 bis 83; 14 bis 84), die auf den jeweiligen Strahlen (S1; S2; S3; S4; S5; S6; S7; S8) die ersten, zweiten, ... oder n-ten Elektrodenpaare sind, jeweils im wesentlichen die gleiche Ausgestaltung und/oder den gleichen Abstand bezüglich des Punktes P aufweisen, wobei die Nummerierung der Elektrodenpaare (11 bis 81; 12 bis 82; 13 bis 83; 14 bis 84) vom Punkt P ausgehend radial auswärts erfolgt.
  7. Sensor nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass diejenigen Elektrodenpaare (11 bis 81; 12 bis 82; 13 bis 83; 14 bis 84), die auf den jeweiligen Strahlen die ersten, zweiten, ... oder n-ten Elektrodenpaare sind, jeweils an eine gemeinsame Spannungsmess- und/oder Strommessvorrichtung (301; 302; 303; 304) und/oder Spannungsversorgungsvorrichtung (201; 202; 203; 204) angeschlossen sind, wobei die Nummerierung der Elektrodenpaare (11 bis 81; 12 bis 82; 13 bis 83; 14 bis 84) vom Punkt P ausgehend radial auswärts erfolgt.
  8. Sensor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils die beiden Elektroden (1, 1' bis 4g, 4g') eines entlang eines Strahls (S1; S2; S3; S4; S5; S6; S7; S8) angeordneten Elektrodenpaares (11 bis 84) im wesentlichen spiegelsymmetrisch zueinander ausgebildet und/oder angeordnet sind, wobei der zwischen den beiden Elektroden eines Elektrodenpaares verlaufende Strahl (S1; S2; S3; S4; S5; S6; S7; S8) die Spiegelachse bildet.
  9. Sensor nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwei oder mehr auf einer Seite eines Strahls (X1; X2; X3; X4) angeordneten Elektroden als eine Elektrode (1; 1a; 1b; 1c) ausgebildet sind, wobei die auf der anderen Seite des Strahls (X1; X2; X3; X4) angeordneten Elektroden (1', 2', 3', 4'; 1a', 2a', 3a', 4a'; 1b', 2b', 3b', 4b'; 1c', 2c', 3c', 4c') voneinander beabstandet angeordnet sind, eine andere Polarität als die auf der einen Seite des Strahls (X1; X2; X3; X4) angeordnete Elektrode (1; 1a; 1b; 1c) aufweisen und mit der auf der einen Seite des Strahls (X1; X2; X3; X4) angeordneten Elektrode (1; 1a; 1b; 1c) jeweils ein Elektrodenpaar (11; 12; 13; 14) ausbilden, wobei die entlang des Strahls (X1; S1) angeordneten Elektrodenpaare (11; 12; 13; 14) derart an mindestens eine Spannungsmess- und/oder Strommessvorrichtung (301; 302; 303; 304) angeschlossen sind, dass die Spannung und/oder der Stromfluss zwischen jedem Elektrodenpaar (11; 12; 13; 14) einzeln bestimmt werden kann.
  10. Sensor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass entlang eines Strahls (X1; S1) mindestens drei Elektrodenpaare (11; 12; 13; 14) angeordnet sind.
  11. Sensor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrodenpaarlückenabstand A bei jedem Elektrodenpaar (11; 12; 13; 14; 15; 16; 17) derart ausgestaltet wird, dass bei der zu erwartenden Teilchengrößenverteilung alle Elektrodenpaare (11; 12; 13; 14; 15; 16; 17) im gleichen Zeitbereich Messergebnisse liefern und/oder regeneriert werden.
  12. Sensor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenbreiten B und/oder Elektrodenlängen D und/oder die Abstände zwischen den Elektrodenpaaren C auf die zu erwartende Teilchengrößenverteilung und/oder Strömungsgeschwindigkeit angepasst sind.
  13. Sensor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – zwei oder mehr Elektrodenpaare (11; 12; 13; 14) jeweils an eine eigene Spannungsversorgungsvorrichtung (201; 202; 203; 204) angeschlossen sind; und/oder – zwei oder mehr Elektrodenpaare (11; 12; 13; 14) an eine gemeinsame Spannungsversorgungsvorrichtung (201) angeschlossen sind, wobei die Elektrodenpaare (11; 12; 13; 14) jeweils über einen eigenen Vorwiderstand (401; 402; 403; 404) zum Einstellen einer individuellen Spannung verfügen.
  14. Sensor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Nachbarelektrodenpaar (1001; 1002; 1003; 1001'; 1002'; 1003') derart an mindestens eine Spannungsmess- und/oder Strommessvorrichtung (501; 501'; 502; 502'; 503; 503') angeschlossen ist, dass die Spannung und/oder der Stromfluss zwischen jedem Nachbarelektrodenpaar (1001; 1002; 1003; 1001'; 1002'; 1003') einzeln bestimmt werden kann, wobei ein Nachbarelektrodenpaar (1001; 1002; 1003; 1001'; 1002'; 1003') ein Paar aus zwei benachbarten, auf der gleichen Seite eines Strahls (X1; X2; X3; X4; S1; S2; S3; S4; S5; S6; S7; S8) angeordneten Elektroden (1; 2; 3; 4; 1'; 2'; 3'; 4') unterschiedlicher Polarität ist.
  15. Verfahren zur Detektion der Größenverteilung von Teilchen in einem Gasstrom mit einem Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 14, indem – an die Elektrodenpaare (11; 12; 13; 14 bis 81; 82; 83; 84) des Elektrodensystems eine Spannung angelegt wird oder an die Elektrodenpaare (11; 12; 13; 14 bis 81; 82; 83; 84) des Elektrodensystems jeweils voneinander unabhängige Spannungen angelegt werden, wobei sich Teilchen anlagern, – die aus der Teilchenanlagerung resultierende Änderung der Spannung und/oder des Stroms und/oder des elektrischen Widerstandes zwischen den beiden Elektroden eines Elektrodenpaares (11; 12; 13; 14 bis 81; 82; 83; 84) an jedem Elektrodenpaar (11; 12; 13; 14 bis 81; 82; 83; 84) einzeln gemessen wird und – die Größenverteilung der Teilchen und/oder die Teilchenkonzentration und/oder der Teilchenmassenstrom durch Auswerten der Änderungen der Spannung und/oder des Stromes und/oder des elektrischen Widerstandes der jeweiligen Elektrodenpaare (11; 12; 13; 14 bis 81; 82; 83; 84) bestimmt wird.
  16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweils an den Elektrodenpaaren (11; 12; 13; 14 bis 81; 82; 83; 84) angelegten Spannungen derart eingestellt sind, dass bei der zu erwartenden Teilchengrößenverteilung alle Elektrodenpaare im gleichen Zeitbereich Messergebnisse liefern und/oder regeneriert werden.
  17. Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass – wenn ein Gasstrom mit einer konstanten Geschwindigkeit vorliegt, die Spannung/en an den Elektrodenpaaren (11; 12; 13; 14 bis 81; 82; 83; 84) des Elektrodensystems konstant angelegt wird/werden oder – wenn ein Gasstrom mit einer variablen Geschwindigkeit vorlegt, – die Messung mit konstant an den Elektrodenpaaren (11; 12; 13; 14 bis 81; 82; 83; 84) angelegten Spannungen durchgeführt und die Änderung der Gasgeschwindigkeit als Korrekturfaktor in die Auswertung mit einbezogen wird oder – die an den Elektrodenpaaren (11; 12; 13; 14 bis 81; 82; 83; 84) des Elektrodensystems angelegten Spannungen an die Änderung der Gasgeschwindigkeit angepasst werden.
  18. Verwendung eines erfindungsgemäßen Sensors nach einem der Ansprüche 1 bis 14 und/oder eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 15 bis 17 in einem Werkstattmessgerät zur Abgasuntersuchung oder in einem Messgerät zur Kontrolle der Luftqualität oder in Ruß-Partikel-Sensoren und/oder zur Überwachung der Betriebsweise eines Verbrennungsmotors oder einer Verbrennungsanlage und/oder zur Überwachung der Funktionsfähigkeit eines Partikelfilters und/oder zur Überwachung des Beladungszustandes eines Partikelfilters oder zur Überwachung von chemischen Herstellungsprozessen, Abluftanlagen und/oder Abluftnachbehandlungsanlagen.
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