DE102014209876B4 - Method for operating a particle sensor - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur Bestimmung von Partikeln in Gasgemischen, insbesondere von Ruß in Abgasen von Verbrennungsmotoren, mittels eines Sensorelementes (10), das mindestens zwei dem Gasgemisch ausgesetzte Messelektroden (14, 16) aufweist, wobei an den mindestens zwei Messelektroden (14, 16) eine Gleichspannung (UIDE) angelegt wird und der sich zwischen den Messelektroden (14, 16) einstellende Stromfluss (IIDE) oder elektrische Widerstand bestimmt wird und als Maß für die Partikelkonzentration oder den Partikelmassenstrom ausgegeben wird, wobei ein Wechsel der Polarität der Gleichspannung (UIDE) erfolgt und wobei eine Regenerierung des Sensorelementes (10) eingeleitet wird, sobald der sich zwischen den Messelektroden (14, 16) einstellende Stromfluss (IIDE) einen vorbestimmten Wert überschreitet und/oder für einen vorbestimmten Zeitraum einen konstanten Wert annimmt und wobei die Polarität der Gleichspannung (UIDE) vor der Regenerierung von der Polarität der Spannung (UIDE) nach der Regenerierung verschieden ist und wobei regelmäßig Regenerierungen vorgesehen sind, wobei die Polarität der Spannung (UIDE) bei jeder Regenerierung oder bei jeder n-ten Regenerierung wechselt und wobei unter einer Gleichspannung eine Spannung verstanden wird, deren Polarität über Zeiträume von mindestens 3 Sekunden unverändert bleibt.Method for determining particles in gas mixtures, in particular soot in exhaust gases from internal combustion engines, by means of a sensor element (10) which has at least two measuring electrodes (14, 16) exposed to the gas mixture, wherein a direct voltage (UIDE) is applied to the at least two measuring electrodes (14, 16) and the current flow (IIDE) or electrical resistance occurring between the measuring electrodes (14, 16) is determined and output as a measure of the particle concentration or the particle mass flow, wherein a change in the polarity of the direct voltage (UIDE) takes place and wherein a regeneration of the sensor element (10) is initiated as soon as the current flow (IIDE) occurring between the measuring electrodes (14, 16) exceeds a predetermined value and/or assumes a constant value for a predetermined period of time and wherein the polarity of the direct voltage (UIDE) before the regeneration is different from the polarity of the voltage (UIDE) after the regeneration and wherein regular regenerations are provided, where the polarity of the voltage (UIDE) changes at each regeneration or at every nth regeneration and where a direct voltage is understood to mean a voltage whose polarity remains unchanged for periods of at least 3 seconds.

Description

Stand der TechnikState of the art

Um die Funktionstüchtigkeit aktueller in Kraftfahrzeugen eingesetzter Abgasnachbehandlungssysteme zu überprüfen bzw. zu überwachen, werden Sensoren benötigt, mit denen auch im Langzeitbetrieb eine genaue Ermittlung der in einem Verbrennungsabgas vorliegenden Partikelkonzentration ermöglicht werden kann. Darüber hinaus soll mittels derartiger Sensoren eine Beladungsprognose beispielsweise eines in einem Abgassystem vorgesehenen Dieselpartikelfilters ermöglicht werden, um eine hohe Systemsicherheit zu erreichen und dadurch kostengünstigere Filtermaterialien einsetzen zu können.In order to check or monitor the functionality of current exhaust aftertreatment systems used in motor vehicles, sensors are required that can enable the precise determination of the particle concentration in a combustion exhaust gas, even during long-term operation. In addition, such sensors should enable a load forecast, for example of a diesel particulate filter provided in an exhaust system, in order to achieve a high level of system reliability and thus be able to use more cost-effective filter materials.

Aus der DE 10 2006 009 066 A1 ist ein Sensor zur Detektion von Partikeln in einem Fluidstrom bekannt, der auf der Basis eines keramischen Mehrlagensubstrats ausgeführt ist. Er umfasst zwei voneinander beabstandete Messelektroden, die dem zu untersuchenden Verbrennungsabgas ausgesetzt sind. Lagert sich zwischen den beiden Messelektroden Ruß ab, so kommt es beim Anlegen einer Gleichspannung an die Messelektroden zu einem Stromfluss zwischen den Messelektroden. Ein schichtförmig ausgeführtes Heizelement ermöglicht es, die Elektroden bzw. deren Umgebung auf thermischem Wege von abgelagerten Rußpartikeln zu befreien und den Sensor auf diese Weise zu regenerieren.From the EN 10 2006 009 066 A1 A sensor for detecting particles in a fluid flow is known, which is based on a ceramic multilayer substrate. It comprises two measuring electrodes spaced apart from one another, which are exposed to the combustion exhaust gas to be examined. If soot is deposited between the two measuring electrodes, a current flows between the measuring electrodes when a direct voltage is applied to the measuring electrodes. A layered heating element makes it possible to free the electrodes or their surroundings of deposited soot particles by thermal means and thus regenerate the sensor.

Weitere Sensoren und zugehörige Betriebsweisen sind bekannt aus der DE 10 2012 210 525 A1 , der DE 10 2009 028 239 A1 und der DE 10 2012 018 104 A1 .Further sensors and associated operating modes are known from the EN 10 2012 210 525 A1 , the EN 10 2009 028 239 A1 and the EN 10 2012 018 104 A1 .

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Lebensdauer derartiger Partikelsensoren zu erhöhen.The object of the present invention is to increase the service life of such particle sensors.

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass bei längerfristigem Betrieb derartiger Partikelsensoren, insbesondere im hinteren Drittel einer Abgasanlage, wo es zur Einwirkung von Abgaskondensat und Feuchte kommt, Alterungsprozesse der Partikelsensoren auftreten, die mit der Elektrolyse von Wasser und der Migration von Edelmetall, zum Beispiel von Platin, von der als Anode wirkenden Messelektrode zu der als Katode wirkenden Messelektrode in Zusammenhang stehen.The invention is based on the finding that during long-term operation of such particle sensors, in particular in the rear third of an exhaust system, where exhaust gas condensate and moisture are exposed, aging processes of the particle sensors occur which are associated with the electrolysis of water and the migration of precious metal, for example platinum, from the measuring electrode acting as an anode to the measuring electrode acting as a cathode.

Erfindungsgemäß ist ein Wechsel der Polarität der zwischen den Messelektroden anliegenden Gleichspannung vorgesehen. Die oben beschriebenen Migrationsprozesse laufen nach einem Wechsel der Polarität der an den Messelektroden anliegenden Gleichspannung in entgegengesetzter Richtung ab und wirken den vorangehende Migrationsprozessen insofern entgegen und heben diese zumindest zum Teil wieder auf. Insgesamt erhöht sich die Lebensdauer des Partikelsensors durch das erfindungsgemäße Verfahren.According to the invention, a change in the polarity of the direct current voltage applied between the measuring electrodes is provided. The migration processes described above run in the opposite direction after a change in the polarity of the direct current voltage applied to the measuring electrodes and thus counteract the preceding migration processes and at least partially cancel them out. Overall, the service life of the particle sensor is increased by the method according to the invention.

Unter einer Gleichspannung wird vorliegend eine Spannung verstanden, deren Polarität über mindestens 3 Sekunden unverändert bleibt. Ihr Betrag schwankt vorzugsweise über längere Zeiträume, beispielsweise mindestens 3 Sekunden, nur wenig, beispielsweise weniger als 15 %.In this context, a direct voltage is understood to mean a voltage whose polarity remains unchanged for at least 3 seconds. Its magnitude preferably fluctuates only slightly, for example less than 15%, over longer periods of time, for example at least 3 seconds.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass eine Regenerierung des Sensorelementes eingeleitet wird, sobald der sich zwischen den Messelektroden einstellende Stromfluss einen vorbestimmten Wert überschreitet und/oder für einen vorbestimmten Zeitraum einen konstanten Wert annimmt und dass die Polarität der Gleichspannung vor der Regenerierung von der Polarität der Spannung nach der Regenerierung verschieden ist. Auf diese Weise kann der Zeitraum der Regeneration für den Wechsel der Polarität der Gleichspannung genutzt werden. Zwischen den Regenerationen bleibt die Polarität der Gleichspannung dann zum Beispiel stets unverändert.According to the invention, regeneration of the sensor element is initiated as soon as the current flow between the measuring electrodes exceeds a predetermined value and/or assumes a constant value for a predetermined period of time and that the polarity of the direct voltage before regeneration is different from the polarity of the voltage after regeneration. In this way, the regeneration period can be used to change the polarity of the direct voltage. Between regenerations, the polarity of the direct voltage then always remains unchanged, for example.

Erfindungsgemäß sind regelmäßig Regenerierungen vorgesehen, wobei die Polarität der Spannung bei jeder Regenerierung oder bei jeder n-ten (also beispielsweise jeder 2., 3., 4., usw.) Regenerierung wechselt. Die Polarität der Spannung bleibt dann zwischen diesen Wechseln vorzugsweise stets unverändert. Hiervon ist umfasst, dass die Spannung während einer Regeneration zumindest zeitweise den Wert Null annehmen kann und eine Polarität während dieser Zeiträume insofern undefiniert bleibt.According to the invention, regular regenerations are provided, with the polarity of the voltage changing with each regeneration or with every nth (i.e., for example, every 2nd, 3rd, 4th, etc.) regeneration. The polarity of the voltage then preferably always remains unchanged between these changes. This includes the fact that the voltage can assume the value zero at least temporarily during a regeneration and a polarity remains undefined during these periods.

Eine weitere Alternative ist es, regelmäßig Umpolungen der Gleichspannung UIPE vorzunehmen, zum Beispiel in konstanten zeitlichen Abständen. Eine Synchronisation der Umpolungen mit Messphasen und Regenerationsphasen braucht in diesem Fall nicht notwendigerweise bestehen.Another alternative is to regularly reverse the polarity of the direct voltage U IPE , for example at constant time intervals. In this case, the polarity reversals do not necessarily have to be synchronized with the measurement phases and regeneration phases.

Zeichnungdrawing

Es zeigt

  • 1 ein Sensorelement gemäß dem Stand der Technik.
  • 2 ein Ausführbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • 3 ein weiteres Ausführbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens.
It shows
  • 1 a sensor element according to the state of the art.
  • 2 an embodiment of the method according to the invention.
  • 3 another embodiment of the method according to the invention.

Beschreibung der AusführungsbeispieleDescription of the embodiments

In 1 ist ein aus dem Stand der Technik grundsätzlich bekannter Aufbau eines Sensorelements eines Partikelsensors dargestellt. Mit 10 ist ein keramisches Sensorelement bezeichnet, das der Bestimmung von Partikeln, wie beispielsweise Rußpartikeln, in einem das Sensorelement umgebenden Gasgemisch dient. Das Sensorelement 10 umfasst beispielsweise eine Mehrzahl von sauerstoffionenleitenden Festelektrolytschichten 11 a, 11b, 11c und 11d. Die Festelektrolytschichten 11 a und 11 d werden dabei als keramische Folien ausgeführt und bilden einen planaren keramischen Körper. Sie bestehen vorzugsweise aus einem sauerstoffionenleitenden Festelektrolytmaterial, wie beispielsweise mit Y2O3 stabilisiertem oder teilstabilisiertem ZrO2.In 1 a structure of a sensor element of a particle sensor that is basically known from the prior art is shown. 10 designates a ceramic sensor element that is used to determine particles, such as soot particles, in a gas mixture surrounding the sensor element. The sensor element 10 comprises, for example, a plurality of oxygen ion-conducting solid electrolyte layers 11 a, 11 b, 11 c and 11 d. The solid electrolyte layers 11 a and 11 d are designed as ceramic films and form a planar ceramic body. They preferably consist of an oxygen ion-conducting solid electrolyte material, such as ZrO 2 stabilized or partially stabilized with Y 2 O 3 .

Die Festelektrolytschichten 11b und 11c werden dagegen mittels Siebdruck eines pastösen keramischen Materials beispielsweise auf der Festelektrolytschicht 11a erzeugt. Als keramische Komponente des pastösen Materials wird dabei bevorzugt dasselbe Festelektrolytmaterial verwendet, aus dem auch die Festelektrolytschichten 11a, 11d bestehen.The solid electrolyte layers 11b and 11c, on the other hand, are produced by screen printing a pasty ceramic material, for example on the solid electrolyte layer 11a. The same solid electrolyte material from which the solid electrolyte layers 11a, 11d are made is preferably used as the ceramic component of the pasty material.

Weiterhin weist das Sensorelement 10 beispielsweise eine Vielzahl von elektrisch isolierenden keramischen Schichten 12a, 12b, 12c, 12d, 12e, 12f, 12g, 12h und 12i auf. Die Schichten 12a - 12i werden dabei ebenfalls mittels Siebdruck eines pastösen keramischen Materials beispielsweise auf den Festelektrolytschichten 11 a, 11c, 11d erzeugt. Als keramische Komponente des pastösen Materials wird dabei beispielsweise bariumhaltiges Aluminiumoxid verwendet, da dieses auch bei Temperaturwechselbeanspruchungen über einen langen Zeitraum einen weitgehend konstant hohen elektrischen Widerstand aufweist. Alternativ ist auch die Verwendung von Cerdioxid bzw. der Zusatz anderer Erdalkalioxide möglich.Furthermore, the sensor element 10 has, for example, a plurality of electrically insulating ceramic layers 12a, 12b, 12c, 12d, 12e, 12f, 12g, 12h and 12i. The layers 12a - 12i are also produced by screen printing a pasty ceramic material, for example on the solid electrolyte layers 11a, 11c, 11d. Barium-containing aluminum oxide, for example, is used as the ceramic component of the pasty material, since this has a largely constant high electrical resistance even when subjected to thermal cycling over a long period of time. Alternatively, the use of cerium dioxide or the addition of other alkaline earth oxides is also possible.

Die integrierte Form des planaren keramischen Körpers des Sensorelementes 10 wird durch Zusammenlaminieren der mit den Festelektrolytschichten 11b, 11c und mit Funktionsschichten sowie den Schichten 12a - 12i bedruckten keramischen Folien und anschließendem Sintern der laminierten Struktur in an sich bekannter Weise hergestellt.The integrated shape of the planar ceramic body of the sensor element 10 is produced by laminating together the ceramic foils printed with the solid electrolyte layers 11b, 11c and with functional layers as well as the layers 12a - 12i and subsequently sintering the laminated structure in a manner known per se.

Das Sensorelement 10 weist weiterhin ein keramisches Heizelement 40 auf, das in Form einer elektrischen Widerstandsleiterbahn ausgeführt ist und der Aufheizung des Sensorelementes 10 insbesondere auf die Temperatur des zu bestimmenden Gasgemischs bzw. dem Abbrand der auf den Großflächen des Sensorelementes 10 abgelagerten Rußpartikel dient. Die Widerstandsleiterbahn ist vorzugsweise aus einem Cermet-Material ausgeführt; vorzugsweise als Mischung von Platin oder einem Platinmetall mit keramischen Anteilen, wie beispielsweise Aluminiumoxid. Die Widerstandsleiterbahn ist weiterhin vorzugsweise in Form eines Mäanders ausgebildet und weist an beiden Enden Durchkontaktierungen 42, 44 sowie elektrische Kontakte 46, 48 auf. Durch Anlegen einer entsprechenden Heizspannung UH an dieKontakte 46, 48 der Widerstandsleiterbahn kann die Heizleistung des Heizelementes 40 entsprechend reguliert werden.The sensor element 10 also has a ceramic heating element 40, which is designed in the form of an electrical resistance conductor track and serves to heat the sensor element 10, in particular to the temperature of the gas mixture to be determined or to burn off the soot particles deposited on the large surfaces of the sensor element 10. The resistance conductor track is preferably made of a cermet material; preferably as a mixture of platinum or a platinum metal with ceramic components, such as aluminum oxide. The resistance conductor track is also preferably designed in the form of a meander and has through-contacts 42, 44 and electrical contacts 46, 48 at both ends. The heating power of the heating element 40 can be regulated accordingly by applying a corresponding heating voltage U H to the contacts 46, 48 of the resistance conductor track.

Auf einer Großfläche des Sensorelementes 10 sind beispielsweise zwei Messelektroden 14, 16 aufgebracht, die vorzugsweise als ineinander verzahnte Interdigitalelektroden ausgebildet sind und ein Messelement bilden. Die Verwendung von Interdigitalelektroden als Messelektroden 14, 16 ermöglicht vorteilhafterweise eine besonders genaue Bestimmung des elektrischen Widerstandes bzw. der elektrischen Leitfähigkeit des sich zwischen den Messelektroden 14, 16 befindenden Oberflächenmaterials. Zur Kontaktierung der Messelektroden 14, 16 sind im Bereich eines dem Gasgemisch abgewandten Endes des Sensorelementes Kontakte 18, 20 vorgesehen. Dabei sind die Zuleitungsbereiche der Elektroden 14, 16 vorzugsweise durch die elektrisch isolierenden Schichten 12a, 12b gegenüber den Einflüssen eines das Sensorelement 10 umgebenden Gasgemischs abgeschirmt.For example, two measuring electrodes 14, 16 are applied to a large surface of the sensor element 10, which are preferably designed as interlocking interdigital electrodes and form a measuring element. The use of interdigital electrodes as measuring electrodes 14, 16 advantageously enables a particularly precise determination of the electrical resistance or the electrical conductivity of the surface material located between the measuring electrodes 14, 16. Contacts 18, 20 are provided in the area of an end of the sensor element facing away from the gas mixture to contact the measuring electrodes 14, 16. The supply areas of the electrodes 14, 16 are preferably shielded from the influences of a gas mixture surrounding the sensor element 10 by the electrically insulating layers 12a, 12b.

Auf der mit den Messelektroden 14, 16 versehenen Großfläche des Sensorelementes 10 kann zusätzlich eine aus Übersichtlichkeitsgründen nicht dargestellte poröse Deck- oder Schutzschicht vorgesehen sein, die die Messelektroden 14, 16 in ihrem ineinander verzahnten Bereich gegenüber einem direkten Kontakt mit dem zu bestimmenden Gasgemisch abschirmt. Dabei ist die Schichtdicke der porösen Schutzschicht vorzugsweise größer als die Schichtdicke der Messelektroden 14, 16. Die poröse Schutzschicht ist vorzugsweise offenporös ausgeführt, wobei die Porengröße so gewählt wird, dass die zu bestimmenden Partikel im Gasgemisch in die Poren der porösen Schutzschicht eindiffundieren können. Die Porengröße der porösen Schutzschicht liegt dabei vorzugsweise in einem Bereich von 2 bis 10 □ m. Die poröse Schutzschicht ist aus einem keramischen Material ausgeführt, das vorzugsweise dem Material der Schicht 12a ähnlich ist oder diesem entspricht und kann mittels Siebdruck hergestellt werden. Die Porosität der porösen Schutzschicht kann durch Zusatz von Porenbildnern zu der Siebdruckpaste entsprechend eingestellt werden.On the large surface of the sensor element 10 provided with the measuring electrodes 14, 16, a porous cover or protective layer (not shown for reasons of clarity) can also be provided, which shields the measuring electrodes 14, 16 in their interlocking area against direct contact with the gas mixture to be determined. The layer thickness of the porous protective layer is preferably greater than the layer thickness of the measuring electrodes 14, 16. The porous protective layer is preferably designed to be open-pored, with the pore size being selected so that the particles to be determined in the gas mixture can diffuse into the pores of the porous protective layer. The pore size of the porous protective layer is preferably in a range of 2 to 10 □ m. The porous protective layer is made of a ceramic material that is preferably similar to or corresponds to the material of the layer 12a and can be produced by screen printing. The porosity of the porous protective layer can be adjusted by adding pore formers to the screen printing paste.

Während des Betriebs des Sensorelementes 10 wird an die Messelektroden 14, 16 eine Spannung UIDE angelegt. Da die Messelektroden 14, 16 auf der Oberfläche der elektrisch isolierenden Schicht 12c angeordnet sind, kommt es zunächst im Wesentlichen zu keinem Stromfluss zwischen den Messelektroden 14, 16.During operation of the sensor element 10, a voltage U IDE is applied to the measuring electrodes 14, 16. Since the measuring electrodes 14, 16 are on the surface of the electrically insulating layer 12c are arranged, there is initially essentially no current flow between the measuring electrodes 14, 16.

Enthält ein das Sensorelement 10 umströmendes Gasgemisch Partikel, insbesondere Ruß, so lagert sich dieser auf der Oberfläche des Sensorelementes 10 ab. Da Ruß eine bestimmte elektrische Leitfähigkeit aufweist, kommt es bei ausreichender Beladung der Oberfläche des Sensorelementes 10 bzw. der porösen Schutzschicht mit Ruß zu einem ansteigenden Stromfluss IIDE zwischen den Messelektroden 14, 16, der mit dem Ausmaß der Beladung korreliert.If a gas mixture flowing around the sensor element 10 contains particles, in particular soot, these are deposited on the surface of the sensor element 10. Since soot has a certain electrical conductivity, if the surface of the sensor element 10 or the porous protective layer is sufficiently loaded with soot, an increasing current flow I IDE occurs between the measuring electrodes 14, 16, which correlates with the extent of the loading.

Wird nun an die Messelektroden 14, 16 eine Gleichspannung UIDE angelegt und der zwischen den Messelektroden 14, 16 auftretende Stromfluss ermittelt, so kann aus dem Stromfluss auf die abgelagerte Partikelmasse bzw. auf den aktuellen Partikelmassenstrom, insbesondere Rußmassenstrom, und auf die Partikelkonzentration im Gasgemisch geschlossen werden. Mit dieser Messmethode wird die Konzentration all derjenigen Partikel in einem Gasgemisch erfasst, die die elektrische Leitfähigkeit des sich zwischen den Messelektroden 14, 16 befindenden keramischen Materials positiv oder negativ beeinflussen.If a direct voltage U IDE is now applied to the measuring electrodes 14, 16 and the current flow occurring between the measuring electrodes 14, 16 is determined, the current flow can be used to determine the deposited particle mass or the current particle mass flow, in particular the soot mass flow, and the particle concentration in the gas mixture. This measuring method records the concentration of all those particles in a gas mixture that positively or negatively influence the electrical conductivity of the ceramic material located between the measuring electrodes 14, 16.

Eine weitere Möglichkeit besteht darin, den Anstieg des Stromflusses über der Zeit zu ermitteln und aus dem Quotienten aus Stromflussanstieg und Zeit bzw. aus dem Differentialquotienten des Stromflusses nach der Zeit auf die abgelagerte Partikelmasse bzw. auf den aktuellen Partikelmassenstrom, insbesondere Rußmassenstrom, und auf die Partikelkonzentration im Gasgemisch zu schließen. Eine Berechnung der Partikelkonzentration ist auf der Basis der Messwerte möglich, sofern die Strömungsgeschwindigkeit des Gasgemisches bekannt ist. Diese bzw. der Volumenstrom des Gasgemisches kann bspw. mittels eines geeigneten weiteren Sensors bestimmt werden.Another possibility is to determine the increase in current flow over time and to use the quotient of the increase in current flow and time or the differential quotient of the current flow over time to determine the deposited particle mass or the current particle mass flow, in particular the soot mass flow, and the particle concentration in the gas mixture. The particle concentration can be calculated on the basis of the measured values, provided the flow velocity of the gas mixture is known. This or the volume flow of the gas mixture can be determined, for example, using a suitable additional sensor.

Darüber hinaus umfasst das Sensorelement 10 ein Temperaturmesselement 30, das vorzugsweise in Form einer elektrischen Widerstandsleiterbahn ausgeführt ist. Die Widerstandsleiterbahn ist beispielsweise aus einem ähnlichen oder dem selben Material ausgeführt, wie das der Widerstandsleiterbahn des Heizelementes 40. Die Widerstandsleiterbahn des Temperaturmesselementes 30 ist vorzugsweise in Form eines Mäanders ausgeführt, wobei einer der Anschlüsse der Widerstandsleiterbahn vorzugsweise mit dem Kontakt 48 über eine Durchkontaktierung 45 verbunden ist. Ein weiterer elektrischer Anschluss des Temperaturmesselements 30 ist vorzugsweise mit einem der Kontakte 18, 20 über eine weitere Durchkontaktierung 19 leitend verbunden. Durch Anlegen einer entsprechenden Spannung an die Anschlüsse 20, 48 der Widerstandsleiterbahn und durch Bestimmen des elektrischen Widerstandes RT derselben kann auf die Temperatur des Sensorelementes 10 geschlossen werden. Alternativ ist eine Temperaturbestimmung mittels Thermoelementen möglich. Eine weitere alternative bzw. zusätzliche Möglichkeit der Tempraturmessung besteht darin, die per se temperaturabhängige Leitfähigkeit des zwischen der Widerstandsleiterbahn des Temperaturmesselements 30 und den Messelektroden 14, 16 angeordneten keramischen Körpers zu bestimmen und aus dessen Höhe auf die Temperatur des Sensorelementes zu schließen.In addition, the sensor element 10 comprises a temperature measuring element 30, which is preferably designed in the form of an electrical resistance conductor track. The resistance conductor track is made, for example, of a similar or the same material as that of the resistance conductor track of the heating element 40. The resistance conductor track of the temperature measuring element 30 is preferably designed in the form of a meander, wherein one of the connections of the resistance conductor track is preferably connected to the contact 48 via a through-hole 45. Another electrical connection of the temperature measuring element 30 is preferably conductively connected to one of the contacts 18, 20 via a further through-hole 19. By applying an appropriate voltage to the connections 20, 48 of the resistance conductor track and by determining the electrical resistance R T of the same, the temperature of the sensor element 10 can be determined. Alternatively, the temperature can be determined using thermocouples. Another alternative or additional possibility of temperature measurement consists in determining the inherently temperature-dependent conductivity of the ceramic body arranged between the resistance conductor track of the temperature measuring element 30 and the measuring electrodes 14, 16 and inferring the temperature of the sensor element from its height.

Die 2 zeigt das erfindungsgemäße Verfahren in einer zeitlichen Sequenz. Zum Zeitpunkt t0 sind die Messelektroden 14, 16 und der zwischen ihnen ausgebildete Raum frei von Partikeln. Wenngleich die zwischen den Messelektroden 14, 16 anliegende Gleichspannung UIDE zu diesem Zeitpunkt einen von Null verschiedenen positiven Wert aufweist, ist der resultierende Messstrom IIDE daher etwa gleich 0. Die Gleichspannung UIDE kann beispielsweise 12 V oder 24 V betragen.The 2 shows the method according to the invention in a temporal sequence. At time t0, the measuring electrodes 14, 16 and the space formed between them are free of particles. Although the DC voltage U IDE present between the measuring electrodes 14, 16 has a positive value other than zero at this time, the resulting measuring current I IDE is therefore approximately equal to 0. The DC voltage U IDE can be 12 V or 24 V, for example.

In dem darauf folgenden Zeitintervall bis t1 kommt es zur Anlagerung von Partikeln zwischen den Messelektroden 14, 16 und infolge von deren elektrischer Leitfähigkeit steigt der Messstrom IIDE an. Die Anstiegsgeschwindigkeit kann zur Bestimmung der Partikelkonzentration im Messgas herangezogen werden.In the subsequent time interval up to t1, particles accumulate between the measuring electrodes 14, 16 and, as a result of their electrical conductivity, the measuring current I IDE increases. The rate of increase can be used to determine the particle concentration in the measuring gas.

Im Zeitintervall von t1 bis t2 wird der Heizer 40 des Sensorelements 10 aktiviert. Infolge der Wärmeeinwirkung verbrennen die angelagerten Partikel. Das Sensorelement 10 wird auf diese Weise regeneriert.In the time interval from t1 to t2, the heater 40 of the sensor element 10 is activated. As a result of the heat effect, the deposited particles burn. The sensor element 10 is regenerated in this way.

Anschließend, im Zeitintervall von t2 bis t3 wird an den Messelektroden 14, 16 eine Gleichspannung angelegt, deren Polarität entgegengesetzt ist zu der Polarität die im Zeitintervall von t0 bis t1 an den Messelektroden 14, 16 anlag.Subsequently, in the time interval from t2 to t3, a direct voltage is applied to the measuring electrodes 14, 16, the polarity of which is opposite to the polarity applied to the measuring electrodes 14, 16 in the time interval from t0 to t1.

Wiederum kommt es zur Anlage von Partikeln und einem entsprechenden Messstrom IIDE zwischen den Messelektroden 14, 16, entsprechend der Polarität der anliegenden Spannung, in entgegengesetzter Richtung wie zuvor.Again, particles and a corresponding measuring current I IDE are applied between the measuring electrodes 14, 16, according to the polarity of the applied voltage, in the opposite direction as before.

Hervorzuheben ist, dass Migrationsprozesse, die im Zeitintervall zwischen t0 und t1 hinsichtlich der Messelektroden 14, 16 zu Alterungseffekten führen, im Zeitintervall zwischen t2 und t3 in entgegengesetzter Richtung erfolgen, und die vorangehenden Alterungseffekten insofern zumindest zum Teil wieder aufheben.It should be emphasized that migration processes which lead to ageing effects with regard to the measuring electrodes 14, 16 in the time interval between t0 and t1 occur in the opposite direction in the time interval between t2 and t3 and thus at least partially cancel out the preceding ageing effects.

Die 3 zeigt ein weiteres Ausführbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer zeitlichen Sequenz. Zum Zeitpunkt t4 sind die Messelektroden 14, 16 und der zwischen ihnen ausgebildete Raum frei von Partikeln. Wenngleich die zwischen den Messelektroden 14, 16 anliegende Gleichspannung UIDE zu diesem Zeitpunkt einen von Null verschiedenen positiven Wert aufweist, ist der resultierende Messstrom IIDE und sein Betrag |IIDE| daher etwa gleich 0. Die Gleichspannung UIDE kann beispielsweise 12 V oder 24 V betragen.The 3 shows a further embodiment of the method according to the invention in a temporal sequence. At time t4, the measuring electrodes 14, 16 and the space formed between them are free of particles. Although the DC voltage U IDE present between the measuring electrodes 14, 16 has a positive value other than zero at this time, the resulting measuring current I IDE and its magnitude |I IDE | is therefore approximately equal to 0. The DC voltage U IDE can be 12 V or 24 V, for example.

In dem darauf folgenden Zeitintervall bis t5 kommt es bereits zu einer ersten Anlagerung von Partikeln zwischen den Messelektroden 14, 16 und infolge von deren elektrischer Leitfähigkeit steigt der Messstrom IIDE etwas an. Die Anstiegsgeschwindigkeit kann bereits zur Bestimmung der Partikelkonzentration im Messgas herangezogen werden. Zum Zeitpunkt t5 erfolgt eine Umpolung der Gleichspannung UIDE. Der resultierende Messstrom IIDE wechselt daher zu diesem Zeitpunkt sein Vorzeichen, sein Betrag |IIDE| bleibt jedoch konstant.In the subsequent time interval up to t5, particles begin to accumulate between the measuring electrodes 14, 16 and, as a result of their electrical conductivity, the measuring current I IDE increases slightly. The rate of increase can already be used to determine the particle concentration in the measuring gas. At time t5, the direct voltage U IDE is reversed. The resulting measuring current I IDE therefore changes its sign at this time, but its magnitude |I IDE | remains constant.

Zum Zeitpunkt t6 erfolgt eine weitere Umpolung der Gleichspannung UIDE. Die Anstiegsgeschwindigkeit des Messstroms IIDE bzw. seines Betrages kann weiterhin zur Bestimmung der Partikelkonzentration im Messgas herangezogen werden. Zum Zeitpunkt t7 wird die Messspannung abgeschaltet.At time t6, the direct voltage U IDE is reversed again. The rate of rise of the measuring current I IDE or its magnitude can still be used to determine the particle concentration in the measuring gas. At time t7, the measuring voltage is switched off.

Im Zeitintervall von t7 bis t8 wird der Heizer 40 des Sensorelements 10 aktiviert. Infolge der Wärmeeinwirkung verbrennen die angelagerten Partikel. Das Sensorelement 10 wird auf diese Weise regeneriert. Eine weitere Messphase kann sich anschließen.In the time interval from t7 to t8, the heater 40 of the sensor element 10 is activated. As a result of the heat effect, the deposited particles burn. The sensor element 10 is regenerated in this way. A further measuring phase can follow.

Auch in diesem Beispiel tritt der Effekt ein, dass Migrationsprozesse, die im Zeitintervall zwischen t4 und t5 hinsichtlich der Messelektroden 14, 16 erfolgen, im Zeitintervall zwischen t5 und t6 in entgegengesetzter Richtung erfolgen und insofern Alterungseffekte durch Migrationsprozesse in Summe zumindest zum Teil vermieden werden.In this example, too, the effect occurs that migration processes that occur in the time interval between t4 and t5 with respect to the measuring electrodes 14, 16 occur in the opposite direction in the time interval between t5 and t6 and, in this respect, aging effects due to migration processes are at least partially avoided.

Claims (7)

Verfahren zur Bestimmung von Partikeln in Gasgemischen, insbesondere von Ruß in Abgasen von Verbrennungsmotoren, mittels eines Sensorelementes (10), das mindestens zwei dem Gasgemisch ausgesetzte Messelektroden (14, 16) aufweist, wobei an den mindestens zwei Messelektroden (14, 16) eine Gleichspannung (UIDE) angelegt wird und der sich zwischen den Messelektroden (14, 16) einstellende Stromfluss (IIDE) oder elektrische Widerstand bestimmt wird und als Maß für die Partikelkonzentration oder den Partikelmassenstrom ausgegeben wird, wobei ein Wechsel der Polarität der Gleichspannung (UIDE) erfolgt und wobei eine Regenerierung des Sensorelementes (10) eingeleitet wird, sobald der sich zwischen den Messelektroden (14, 16) einstellende Stromfluss (IIDE) einen vorbestimmten Wert überschreitet und/oder für einen vorbestimmten Zeitraum einen konstanten Wert annimmt und wobei die Polarität der Gleichspannung (UIDE) vor der Regenerierung von der Polarität der Spannung (UIDE) nach der Regenerierung verschieden ist und wobei regelmäßig Regenerierungen vorgesehen sind, wobei die Polarität der Spannung (UIDE) bei jeder Regenerierung oder bei jeder n-ten Regenerierung wechselt und wobei unter einer Gleichspannung eine Spannung verstanden wird, deren Polarität über Zeiträume von mindestens 3 Sekunden unverändert bleibt.Method for determining particles in gas mixtures, in particular soot in exhaust gases from internal combustion engines, by means of a sensor element (10) which has at least two measuring electrodes (14, 16) exposed to the gas mixture, wherein a direct voltage (U IDE ) is applied to the at least two measuring electrodes (14, 16) and the current flow (I IDE ) or electrical resistance occurring between the measuring electrodes (14, 16) is determined and output as a measure of the particle concentration or the particle mass flow, wherein a change in the polarity of the direct voltage (U IDE ) takes place and wherein a regeneration of the sensor element (10) is initiated as soon as the current flow (I IDE ) occurring between the measuring electrodes (14, 16) exceeds a predetermined value and/or assumes a constant value for a predetermined period of time and wherein the polarity of the direct voltage (U IDE ) before the regeneration differs from the polarity of the voltage (U IDE ) after the regeneration and wherein regenerations are provided at regular intervals, the polarity of the voltage (U IDE ) changing at each regeneration or at every nth regeneration and a direct voltage is understood to mean a voltage the polarity of which remains unchanged for periods of at least 3 seconds. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (10) ein integriertes Heizelement (40) aufweist, durch das das Sensorelement (10) während einer Regenerierung aufgeheizt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the sensor element (10) has an integrated heating element (40) by which the sensor element (10) is heated during regeneration. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (10) ein integriertes Temperaturmesselement (30) aufweist.Procedure according to Claim 2 , characterized in that the sensor element (10) has an integrated temperature measuring element (30). Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Messelektrode (14, 16) auf einem elektrisch isolierenden Substrat (12c, 12d) angeordnet sind, wobei das elektrisch isolierende Substrat Aluminiumoxid und/oder Erdalkalioxide enthält.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the first and the second measuring electrode (14, 16) are arranged on an electrically insulating substrate (12c, 12d), wherein the electrically insulating substrate contains aluminum oxide and/or alkaline earth oxides. Computerprogramm, welches eingerichtet ist jeden Schritt des Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche durchzuführen.Computer program adapted to carry out each step of the method according to any one of the preceding claims. Elektronisches Speichermedium auf welchem ein Computerprogramm nach dem vorangehenden Anspruch gespeichert ist.Electronic storage medium on which a computer program according to the preceding claim is stored. Elektronisches Steuergerät (20), welches ein elektronisches Speichermedium nach dem vorangehenden Anspruch umfasst.Electronic control device (20) comprising an electronic storage medium according to the preceding claim.
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