DE102016226263A1 - Device for detecting particles in a gas - Google Patents
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Abstract
Es wird eine Vorrichtung (110) zur Detektion von Partikeln (114) in einem Gas, insbesondere in einem Abgas einer Verbrennungsmaschine, und ein Verfahren zur Detektion von Partikeln (114) in einem Gas, insbesondere in einem Abgas einer Verbrennungsmaschine, vorgeschlagen. Die Vorrichtung (110) weist auf:• mindestens eine von dem Gas durchströmbare Messkammer (116), wobei die Messkammer (116) mindestens eine Aufladungsvorrichtung (134) zur elektrostatischen Aufladung zumindest eines Teils der Partikel (114) und zur Erzeugung elektrisch geladener Partikel (136) umfasst;• mindestens ein Sensorelement (122) zum Nachweis der elektrisch geladenen Partikel (136);• mindestens eine Heizvorrichtung (162), wobei die Heizvorrichtung (162) eingerichtet ist, um zumindest ein Messkammerteilvolumen (164) der Messkammer (116) zu heizen.A device (110) for detecting particles (114) in a gas, in particular in an exhaust gas of an internal combustion engine, and a method for detecting particles (114) in a gas, in particular in an exhaust gas of an internal combustion engine, are proposed. The device (110) comprises: • at least one measuring chamber (116) through which the gas can flow, wherein the measuring chamber (116) has at least one charging device (134) for electrostatically charging at least a portion of the particles (114) and for generating electrically charged particles ( 136), at least one sensor element (122) for detecting the electrically charged particles (136), at least one heating device (162), wherein the heating device (162) is arranged to generate at least one measuring chamber partial volume (164) of the measuring chamber (116). to heat.
Description
Stand der TechnikState of the art
Methoden der Entstaubung von Gasen sind in der Industrie seit langem erfolgreich etabliert. Die dort eingesetzten Verfahren sind vielfältig und umfassen beispielsweise eine Filtration und elektrostatische Verfahren. Im Zuge einer ständig verschärften Abgasgesetzgebung entsteht auch ein steigender Bedarf an einer Überwachung einer Partikelemission.Methods of dedusting of gases have long been successfully established in the industry. The methods used there are diverse and include, for example, a filtration and electrostatic processes. In the course of a constantly tightened emission legislation, there is also an increasing demand for monitoring of particulate emissions.
Aus dem Stand der Technik sind zahlreiche Verfahren und Vorrichtungen zur Detektion von Partikeln, im Folgenden auch als Teilchen bezeichnet, bekannt. Beispielsweise kann es sich bei den Partikeln um Ruß- oder Staubpartikel handeln. Beispielsweise kann die Vorrichtung ein keramisches Sensorelement und ein Schutzrohr aufweisen. Das keramische Sensorelement kann ein Elektrodensystem aufweisen, welches für eine Messung von Ruß auf Basis einer elektrischen Leitfähigkeit von Ruß eingerichtet ist.Numerous methods and devices for the detection of particles, also referred to below as particles, are known from the prior art. For example, the particles may be soot or dust particles. For example, the device may comprise a ceramic sensor element and a protective tube. The ceramic sensor element may comprise an electrode system adapted for measuring soot based on electrical conductivity of soot.
In
Trotz der zahlreichen Vorteile der aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren und Vorrichtungen zur Detektion von Partikeln beinhalten diese noch Verbesserungspotenzial. So bedingen die bekannten Vorrichtungen und Verfahren, dass eine Ladung einer vergleichsweisen geringen Anzahl an Partikeln gemessen wird, was im Allgemeinen sehr kleine Messströme zur Folge hat und somit hohe Isolationsanforderungen an den Sensor im Hinblick auf eine Lebensdauer des Sensors stellt. Weiterhinkönnen Rußpartikel und/oder andere leitfähige Partikel und/oder halbleitende Partikel oder Ionen auf Wänden innerhalb einer Messkammer der Vorrichtung temporär oder permanent verbleiben. Weiterhin kann nach einem Kaltstart Kondensat innerhalb der Messkammer vorhanden sein, was zu einer längeren Betriebszeit führen kann.Despite the numerous advantages of the methods and devices for detecting particles known from the prior art, these still contain room for improvement. Thus, the known devices and methods require that a charge of a comparatively small number of particles is measured, which generally results in very small measuring currents and thus places high insulation requirements on the sensor with regard to a lifetime of the sensor. Furthermore, soot particles and / or other conductive particles and / or semiconducting particles or ions may remain temporarily or permanently on walls within a measuring chamber of the device. Furthermore, after a cold start condensate may be present within the measuring chamber, which may lead to a longer operating time.
Wünschenswert wäre daher eine Vorrichtung, welche die genannte technische Herausforderung adressiert. Insbesondere soll eine Vorrichtung bereitgestellt werden, welche Partikelemissionen auch bei sehr geringen Konzentrationen repräsentativ und langzeitstabil erfasst und welche eine hohe Lebensdauer aufweist.It would therefore be desirable to have a device which addresses the aforementioned technical challenge. In particular, a device is to be provided which detects particulate emissions even at very low concentrations in a representative and long-term stable manner and which has a long service life.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Es werden daher eine Vorrichtung zur Detektion von Partikeln in einem Gas, insbesondere in einem Abgas einer Verbrennungsmaschine, und ein Verfahren zur Detektion von Partikeln in einem Gas, insbesondere in einem Abgas einer Verbrennungsmaschine, vorgeschlagen, welche die oben genannten Probleme bekannter Vorrichtungen und Verfahren zumindest weitgehend vermeiden.Therefore, an apparatus for detecting particles in a gas, in particular in an exhaust gas of an internal combustion engine, and a method for detecting particles in a gas, in particular in an exhaust gas of an internal combustion engine, are proposed which at least overcome the above-mentioned problems of known devices and methods largely avoided.
In einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zur Detektion von Partikeln in einem Gas, insbesondere in einem Abgas einer Verbrennungsmaschine vorgeschlagen. Die Vorrichtung weist mindestens eine von dem Gas durchströmbare Messkammer auf. Die Messkammer umfasst mindestens eine Aufladungsvorrichtung zur elektrostatischen Aufladung zumindest eines Teils der Partikel und zur Erzeugung elektrisch geladener Partikel. Weiterhin umfasst die Vorrichtung mindestens ein Sensorelement zum Nachweis der elektrisch geladenen Partikel sowie mindestens eine Heizvorrichtung. Die Heizvorrichtung ist eingerichtet, um zumindest ein Messkammerteilvolumen der Messkammer zu heizen.In a first aspect of the present invention, an apparatus for detecting particles in a gas, in particular in an exhaust gas of an internal combustion engine is proposed. The device has at least one measuring chamber through which the gas can flow. The measuring chamber comprises at least one charging device for electrostatically charging at least part of the particles and for generating electrically charged particles. Furthermore, the device comprises at least one sensor element for detecting the electrically charged particles and at least one heating device. The heating device is set up to heat at least one measuring chamber partial volume of the measuring chamber.
Unter einer „Verbrennungsmaschine“ im Sinne der vorliegenden Erfindung ist eine grundsätzlich beliebige Vorrichtung zu verstehen, welche einen Verbrennungsprozess unterstützen oder durchführen kann. Insbesondere kann es sich um eine Vorrichtung mit mindestens einer Brennkammer handeln. Insbesondere kann es sich um eine Wärmekraftmaschine handeln, mittels derer durch Verbrennung von mindestens einem Treibstoff chemische Energie in mechanische Energie umgewandelt wird. Als Beispiel sind Verbrennungsmotoren zu nennen, insbesondere Dieselmotoren. Auch andere Arten von Verbrennungsmaschinen sind jedoch grundsätzlich einsetzbar.An "internal combustion engine" in the sense of the present invention is to be understood as meaning basically any device which can support or carry out a combustion process. In particular, it may be a device with at least one combustion chamber. In particular, it may be a heat engine, by means of which by combustion of at least one fuel chemical energy is converted into mechanical energy. As an example, internal combustion engines are mentioned, especially diesel engines. However, other types of combustion engines are basically usable.
Unter „Partikeln“ im Sinne der vorliegenden Erfindung sind im Rahmen der Erfindung allgemein Teilchen zu verstehen, welche im Vergleich zu dem betrachteten System, insbesondere der Verbrennungsmaschine oder einem Abgassystem derselben, eine kleine Dimension aufweisen. Insbesondere können die Partikel eine Partikelgröße oder mittlere Partikelgröße von weniger als einem Millimeter aufweisen, typischerweise von weniger als 1 Mikrometer. Beispielsweise kann es sich bei den Partikeln um Partikel mit einer mittleren Partikelgröße von 20 Nanometern bis 300 Nanometern handeln. Dabei kann es sich grundsätzlich um elektrisch isolierende und/oder auch um elektrisch leitfähige Partikel handeln, wie beispielsweise Ruß- oder Staubpartikel. Ruß kann insbesondere ein schwarzer Feststoff sein, der zumindest zum größten Teil Kohlenstoff aufweist.For the purposes of the present invention, "particles" in the context of the invention generally mean particles which have a small dimension in comparison with the system under consideration, in particular the internal combustion engine or an exhaust system of the same. In particular, the particles may have a particle size or average particle size of less than one millimeter, typically less than 1 micrometer. For example, it may be at the Particles to act particles with a mean particle size of 20 nanometers to 300 nanometers. In principle, these may be electrically insulating and / or electrically conductive particles, such as soot or dust particles. Carbon black may in particular be a black solid which at least for the most part contains carbon.
Unter einem „Gas“ im Seine der vorliegenden Erfindung ist grundsätzlich ein beliebiges fluides Medium zu verstehen, bei welchem sich Teilchen in einem großen Abstand voneinander freibewegen und einen verfügbaren Raum gleichmäßig ausfüllen. Unter einem „Abgas“ im Sinne der vorliegenden Erfindung sind insbesondere gasförmige Abfallprodukte in einem Verbrennungsprozess zu verstehen, welche auch feste und/oder flüssige Beimischungen, beispielsweise in Form von Partikeln und/oder Tröpfchen, beinhalten können.By "gas" in the art of the present invention is basically meant any fluid medium in which particles travel a great distance from each other and uniformly fill an available space. In the context of the present invention, an "exhaust gas" is to be understood in particular as gaseous waste products in a combustion process, which may also include solid and / or liquid admixtures, for example in the form of particles and / or droplets.
Unter einer „Detektion“ im Sinne der vorliegenden Erfindung ist ein grundsätzlich beliebiger Vorgang zu verstehen, bei welchem mindestens eine Messgröße erfasst wird, beispielsweise eine physikalische und/oder chemische Messgröße, insbesondere eine optische und/oder elektrische Messgröße. Unter einer „Detektion von Partikeln“ ist grundsätzlich beliebiger Vorgang zur qualitativen und/oder quantitativen Erfassung von Partikeln zu verstehen. Die Detektion kann eine Verwendung eines Detektors umfassen. Insbesondere kann die Detektion eine Verwendung des Sensorelements der Vorrichtung umfassen. Unter einem „Sensorelement“ im Sinne der vorliegenden Erfindung ist grundsätzlich eine beliebige Vorrichtung zu verstehen, welche eingerichtet ist, um mindestens eine Messgröße zu erfassen, beispielsweise eine physikalische und/oder chemische Messgröße, insbesondere eine optische und/oder elektrische Messgröße. Unter einem Sensorelement zum Nachweis der Partikel ist also ein grundsätzlich beliebiges Messgerät zu verstehen, welches eingerichtet ist, um die Partikel qualitativ und/oder quantitativ zu erfassen. Das Sensorelement kann insbesondere eingerichtet sein, um mindestens ein Sensorsignal zu erzeugen, insbesondere mindestens ein elektrisches Sensorsignal, beispielsweise ein analoges und/oder digitales Sensorsignal. Das Sensorelement kann insbesondere mindestens ein Partikelsensor sein, beispielsweise ein auf einer Widerstandsmessung basierender Partikelsensor. Weiterhin kann das Sensorelement beispielsweise ein Teilchenzähler sein oder ein Detektor, welcher eine Dichte eines Teilchenstromes erfasst. Dabei können, wie später noch näher ausgeführt wird, grundsätzlich beliebige Sensorprinzipien zum Einsatz kommen, beispielsweise Sensorelemente, welche auf elektrischen Messprinzipien basieren, beispielsweise einer Messung eines durch die Partikel beeinflussbaren elektrischen Widerstands, welche auf einem akustischen Messprinzip basieren, beispielsweise einer durch die Partikel beeinflussbaren Schwingungsfrequenz eines Schwingungselements, welche auf einem optischen Messprinzip beruhen, beispielsweise einer Streuung von Strahlung, insbesondere Licht, durch die Partikel. Auch eine Kombination der genannten Techniken und/oder anderer Techniken sowie ein Einsatz weiterer Techniken zur Detektion der Partikel sind denkbar, beispielsweise Techniken basierend auf photoakustischen Prinzipien und/oder Techniken basierend auf Laser-induzierter Inkandeszenz.A "detection" in the sense of the present invention is to be understood as a basically arbitrary process in which at least one measured variable is detected, for example a physical and / or chemical measured variable, in particular an optical and / or electrical measured variable. A "detection of particles" basically means any process for the qualitative and / or quantitative detection of particles. The detection may include use of a detector. In particular, the detection may include use of the sensor element of the device. A "sensor element" in the sense of the present invention basically means any device that is set up to detect at least one measured variable, for example a physical and / or chemical measured variable, in particular an optical and / or electrical measured variable. A sensor element for detecting the particles is therefore to be understood as meaning any basically arbitrary measuring device which is set up in order to detect the particles qualitatively and / or quantitatively. The sensor element may in particular be designed to generate at least one sensor signal, in particular at least one electrical sensor signal, for example an analog and / or digital sensor signal. In particular, the sensor element may be at least one particle sensor, for example a particle sensor based on a resistance measurement. Furthermore, the sensor element can be, for example, a particle counter or a detector which detects a density of a particle stream. In principle, any sensor principles may be used, for example sensor elements which are based on electrical measurement principles, for example a measurement of an electrical resistance which can be influenced by the particles, which are based on an acoustic measurement principle, for example one which can be influenced by the particles Oscillation frequency of a vibration element, which are based on an optical measurement principle, for example, a scattering of radiation, in particular light, by the particles. A combination of the mentioned techniques and / or other techniques as well as the use of further techniques for the detection of the particles are also conceivable, for example techniques based on photoacoustic principles and / or techniques based on laser-induced incandescence.
Unter einer „Messkammer“ im Sinne der vorliegenden Erfindung ist grundsätzlich eine beliebige Kammer oder ein beliebiger Raum zu verstehen, welcher eingerichtet ist zur Durchführung einer Messung und/oder einer Detektion, insbesondere zu einer Detektion von Partikeln in einem Gas. Die Messkammer kann beispielsweise ganz oder teilweise aus einem starren Material hergestellt sein, beispielsweise einem Metall und/oder einem Kunststoff. Die Messkammer kann grundsätzlich einen beliebigen Querschnitt aufweisen, beispielsweise einen rechteckigen Querschnitt. Weiterhin kann die Messkammer zumindest teilweise als Hohlkörper ausgestaltet sein. Eine Strömung des Gases, insbesondere des Abgases in der Messkammer kann beispielsweise laminar oder auch turbulent ausgestaltet sein und kann beispielsweise auch von Lastzuständen der Verbrennungsmaschine abhängig sein. Die Messkammer kann insbesondere mindestens einen Nachweisbereich aufweisen. Unter einem Nachweisbereich im Sinne der vorliegenden Erfindung ist ein grundsätzlich beliebiger, räumlich beschränkter Bereich innerhalb der Messkammer zu verstehen, innerhalb dessen ein Nachweis der Partikel mittels des Detektors erfolgen kann. Beispielsweise kann der Nachweisbereich in einem Zentrum der Messkammer angeordnet sein. Auch andere Ausgestaltungen sind grundsätzlich denkbar.A "measuring chamber" in the sense of the present invention basically means any chamber or any space that is set up to carry out a measurement and / or a detection, in particular for a detection of particles in a gas. The measuring chamber may for example be wholly or partly made of a rigid material, for example a metal and / or a plastic. The measuring chamber can in principle have any cross section, for example a rectangular cross section. Furthermore, the measuring chamber may be at least partially designed as a hollow body. A flow of the gas, in particular of the exhaust gas in the measuring chamber may be designed, for example, laminar or turbulent and may for example also be dependent on load conditions of the internal combustion engine. The measuring chamber may in particular have at least one detection area. A detection area in the sense of the present invention is to be understood as meaning a fundamentally arbitrary, spatially limited area within the measuring chamber within which detection of the particles by means of the detector can take place. For example, the detection area can be arranged in a center of the measuring chamber. Other embodiments are conceivable in principle.
Unter einer „Aufladungsvorrichtung“ zur elektrostatischen Aufladung zumindest eines Teils der Partikel im Sinne der vorliegenden Erfindung ist grundsätzlich eine beliebige Vorrichtung zu verstehen, mittels derer die Partikel oder eine Teilmenge der Partikel mit Ladungen beaufschlagt werden können, beispielsweise negativen und/oder positiven Ladungen, sodass elektrisch geladene Partikel entstehen. Dabei sind grundsätzlich sämtliche Mechanismen einsetzbar, welche aus dem Stand der Technik zum elektrischen Aufladen von Partikeln bekannt sind, beispielsweise fotoelektrische Aufladungsvorrichtungen, Aufladungsvorrichtungen unter Verwendung ionisierender Strahlung oder auch elektrostatische Aufladungsvorrichtungen. Insbesondere kann die Aufladungsvorrichtung eine elektrostatische Aufladungsvorrichtung sein, welche mittels einer oder mehrerer Elektroden eine Aufladung der Partikel bewirkt, beispielsweise durch eine Koronaentladung und/oder eine andere Art der elektrischen Entladung, wobei beispielsweise negative Ladungen auf die Partikel oder einen Teil derselben übertragen werden oder von den Partikeln oder einem Teil derselben entfernt werden. Insbesondere kann die Aufladungsvorrichtung eingerichtet sein, um mithilfe von Elektroden negative Ladungsträger an die Partikel zu übertragen.A "charging device" for the electrostatic charging of at least part of the particles in the sense of the present invention basically means any device by means of which the particles or a subset of the particles can be charged with charges, for example negative and / or positive charges, so electrically charged particles arise. In principle, all mechanisms are known which are known from the prior art for the electric charging of particles, for example photoelectric charging devices, charging devices using ionizing radiation or else electrostatic charging devices. In particular, the charging device may be an electrostatic charging device, which causes charging of the particles by means of one or more electrodes, for example by means of a corona discharge and / or another type of electrical discharge wherein, for example, negative charges are transferred to or removed from the particles or a part thereof. In particular, the charging device can be designed to transfer negative charge carriers to the particles with the aid of electrodes.
Die Aufladungsvorrichtung zur elektrostatischen Aufladung kann insbesondere mindestens eine Vorrichtung zur Erzeugung einer Koronaentladung in dem Abgas umfassen. Unter einer Koronaentladung im Sinne der vorliegenden Erfindung ist grundsätzlich eine elektrische Entladung an einer Elektrode in einem nicht-leitenden Medium zu verstehen, bei welcher eine im Vergleich zu einem neutralen Zustand des Mediums erhöhte Ladungsträgerkonzentration auftritt. Insbesondere kann die Koronaentladung eine Spitzenentladung sein, und die Vorrichtung zur Erzeugung der Koronaentladung kann mindestens eine Elektrode, beispielsweise mit mindestens einer Elektrodenspitze, aufweisen, vorzugsweise mindestens eine Entladungselektrode und mindestens eine Gegenelektrode. Die Entladungselektrode kann insbesondere mindestens eine Elektrodenspitze umfassen. Die Gegenelektrode kann insbesondere flächig ausgeprägt sein. Beispielsweise kann als Gegenelektrode das Strömungsrohr verwendet werden, welches beispielsweise metallisch und geerdet ausgestaltet oder mit einer elektrischen Masse verbunden sein kann. Beispielsweise kann eine isolierte, flächige Gegenelektrode realisiert werden. Insbesondere kann es sich bei dem nicht-leitenden Medium um Luft und/oder das Abgas handeln.The charging device for electrostatic charging may in particular comprise at least one device for generating a corona discharge in the exhaust gas. Under a corona discharge in the context of the present invention is basically an electrical discharge at an electrode in a non-conductive medium to understand, in which a compared to a neutral state of the medium increased charge carrier concentration occurs. In particular, the corona discharge can be a peak discharge, and the device for generating the corona discharge can have at least one electrode, for example with at least one electrode tip, preferably at least one discharge electrode and at least one counterelectrode. The discharge electrode may in particular comprise at least one electrode tip. The counterelectrode may be particularly flat. By way of example, the flow tube can be used as counterelectrode, which, for example, can be made metallic and earthed or connected to an electrical ground. For example, an insulated, flat counter electrode can be realized. In particular, the non-conductive medium may be air and / or the exhaust gas.
Die Aufladungsvorrichtung zur elektrostatischen Aufladung kann insbesondere mindestens zwei Elektroden, beispielsweise mindestens eine Entladungselektrode und mindestens eine Gegenelektrode, umfassen. Die Entladungsladungselektrode kann insbesondere mindestens eine Elektrodenspitze aufweisen. Alternativ oder zusätzlich sind jedoch auch andere Elektrodenformen denkbar, beispielsweise Stabelektroden mit halbkugelförmiger oder kugelförmiger Spitze, insbesondere mit kleinen Radien. Beispielsweise kann die Gegenelektrode als eine isolierte, flächige Gegenelektrode realisiert sein. Die Entladungselektrode, insbesondere die Elektrodenspitze, kann in die Messkammer hineinragen. Auch andere Ausgestaltungen sind grundsätzlich denkbar. Die Aufladungsvorrichtung zur elektrostatischen Aufladung kann insbesondere elektrisch gegen das Strömungsrohr isoliert sein, insbesondere die Entladungselektrode. So kann die Aufladungsvorrichtung zur elektrostatischen Aufladung insbesondere mindestens einen Isolator aufweisen, der die Aufladungsvorrichtung gegen das Strömungsrohr elektrisch isoliert.The charging device for electrostatic charging may in particular comprise at least two electrodes, for example at least one discharge electrode and at least one counter electrode. The discharge charge electrode may in particular have at least one electrode tip. Alternatively or additionally, however, other electrode forms are also conceivable, for example, rod electrodes with a hemispherical or spherical tip, in particular with small radii. For example, the counterelectrode can be realized as an insulated, flat counterelectrode. The discharge electrode, in particular the electrode tip, can protrude into the measuring chamber. Other embodiments are conceivable in principle. The charging device for electrostatic charging can in particular be electrically insulated against the flow tube, in particular the discharge electrode. Thus, the charging device for electrostatic charging in particular comprise at least one insulator, which electrically isolates the charging device against the flow tube.
Unter einer „Heizvorrichtung“ im Sinne der vorliegenden Erfindung ist grundsätzlich eine beliebige Vorrichtung zu verstehen, welche eingerichtet ist, um thermische Energie in Form von Wärme einem beliebigen Volumen und/oder einem beliebigen Element zuzuführen und das Volumen und/oder das Element zu erwärmen. Insbesondere kann die Heizvorrichtung eingerichtet sein, um ein Volumen der Messkammer zu heizen. Weiterhin kann die Heizvorrichtung eingerichtet sein, um einen Wärmestrom zu erzeugen. Der Begriff „Wärmestrom“ bezeichnet grundsätzlich einen Wärmeübertrag. Im Allgemeinen erfolgt der Wärmeübertrag infolge eines Temperaturunterschiedes in Richtung eines Ortes mit einer tieferen Temperatur. Beispielsweise kann der Wärmeübertrag von einer Stelle der Messkammer zu einer anderen Stelle der Messkammer erfolgen.In principle, a "heating device" in the sense of the present invention is to be understood as any device which is set up to supply thermal energy in the form of heat to any volume and / or element and to heat the volume and / or the element. In particular, the heating device may be configured to heat a volume of the measuring chamber. Furthermore, the heater may be configured to generate a heat flow. The term "heat flow" basically refers to a heat transfer. In general, the heat transfer occurs due to a temperature difference in the direction of a location with a lower temperature. For example, the heat transfer can take place from one point of the measuring chamber to another point of the measuring chamber.
Wie oben ausgeführt, ist die Heizvorrichtung eingerichtet, um zumindest das Messkammerteilvolumen der Messkammer zu heizen. Der Begriff „Messkammerteilvolumen“ bezeichnet grundsätzlich einen Teil oder einen Anteil des Messkammervolumens der Messkammer bezogen aus ein Gesamtvolumen der Messkammer. Insbesondere kann das Sensorelement ein elektrisches Messprinzip aufweisen und die Heizvorrichtung kann eingerichtet sein, das Messkammerteilvolumen permanent oder zeitweise, insbesondere von Zeit zu Zeit, zu heizen. Insbesondere kann die Heizvorrichtung eingerichtet sein, das Messkammerteilvolumen an Zeitpunkten zu heizen, an denen sich Kriechströme ausbilden können, welche das elektrische Messsignal beeinflussen können, wie beispielsweise über Isolatoren zwischen Elektroden. Insbesondere kann die Gegenelektrode der Aufladungsvorrichtung als ein Teil des Strömungsrohrs elektrisch isoliert sein. Weiterhin kann die Gegenelektrode gegenüber einen Sensorgehäuse des Sensorelements elektrisch isoliert sein. Insbesondere kann ein Isolationswiderstand einen elektrischen Widerstand von 100 MΩ bis 100 TΩ über eine Lebensdauer der Vorrichtung aufweisen. Insbesondere kann die Heizvorrichtung eingerichtet sein, Oberflächen der Messkammer, insbesondere kritische Oberflächen der Messkammer, zu heizen. Der Begriff „kritische Oberfläche“ bezeichnet insbesondere eine Oberfläche in einem Innenraum der Messkammer, welche eingerichtet sind für die Detektion der Partikel in dem Gas, insbesondere Oberflächen, welche Teil des Sensorelements sind. Beispielsweise kann das Sensorelement ein optisches Sensorelement sein und die Heizvorrichtung kann eingerichtet sein, mindestens ein optisches Fenster und/oder mindestens eine optischen Spiegel, zu heizen. Auch andere Ausführungsformen sind grundsätzlich denkbar. Weiterhin kann die Heizvorrichtung eingerichtet sein, um eine Umgebung der Aufladungsvorrichtung zu heizen.As stated above, the heating device is arranged to heat at least the measuring chamber partial volume of the measuring chamber. The term "measuring chamber partial volume" basically refers to a part or a portion of the measuring chamber volume of the measuring chamber, based on a total volume of the measuring chamber. In particular, the sensor element can have an electrical measuring principle and the heating device can be set up to heat the measuring chamber partial volume permanently or temporarily, in particular from time to time. In particular, the heating device can be set up to heat the measuring chamber partial volume at times at which creepage currents can form, which can influence the electrical measuring signal, for example via insulators between electrodes. In particular, the counter electrode of the charging device may be electrically insulated as a part of the flow tube. Furthermore, the counter electrode can be electrically insulated from a sensor housing of the sensor element. In particular, an insulation resistance may have an electrical resistance of 100 MΩ to 100 TΩ over a lifetime of the device. In particular, the heating device can be set up to heat surfaces of the measuring chamber, in particular critical surfaces of the measuring chamber. The term "critical surface" refers in particular to a surface in an interior of the measuring chamber, which are set up for the detection of the particles in the gas, in particular surfaces which are part of the sensor element. For example, the sensor element can be an optical sensor element and the heating device can be set up to heat at least one optical window and / or at least one optical mirror. Other embodiments are conceivable in principle. Furthermore, the heating device may be configured to heat an environment of the charging device.
Die Heizvorrichtung kann zumindest teilweise, also ganz oder teilweise, in die Messkammer hineinragen. Die Heizvorrichtung weiterhin zumindest teilweise innerhalb der Messkammer angeordnet sein. Insbesondere kann die Heizvorrichtung freitragend ausgestaltet sein. Der Begriff „freitragend“ bezeichnet grundsätzlich im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Eigenschaft eines beliebigen Elements ohne weitere äußere Elemente für eine Lastenaufnahme auszukommen. Die Heizvorrichtung kann beispielsweise über ein Ende der Heizvorrichtung an einer Messkammerwand der Messkammer befestigt sein und in die Messkammer hineinragen. Weiterhin kann die Heizvorrichtung durch eine Öffnung der Messkammerwand geführt sein. Ein Teil der Heizvorrichtung kann in die Messkammer hineinragen und ein weiterer Teil der Heizvorrichtung kann sich außerhalb der Messkammer befinden. Auch andere Ausgestaltungen sind grundsätzlich denkbar. The heating device can protrude into the measuring chamber at least partially, in other words completely or partially. The heating device may furthermore be arranged at least partially within the measuring chamber. In particular, the heating device can be configured cantilevered. The term "cantilever" basically refers in the context of the present invention, a property of any element without other external elements to get along for a load. The heating device can be fastened, for example, via one end of the heating device to a measuring chamber wall of the measuring chamber and project into the measuring chamber. Furthermore, the heating device can be guided through an opening of the measuring chamber wall. A part of the heating device may protrude into the measuring chamber and a further part of the heating device may be located outside the measuring chamber. Other embodiments are conceivable in principle.
Die Heizvorrichtung kann derart in der Messkammer angeordnet sein, dass sich die Heizvorrichtung parallel zu einer Längsachse der Messkammer erstreckt. Der Begriff „Längsachse“ bezeichnet grundsätzlich eine Achse eines beliebigen Elements, welche einer Richtung einer größten Ausdehnung des Elements entspricht. Insbesondere kann die Heizvorrichtung einen Heizvorrichtungsteil aufweisen, welcher in der Messkammer angeordnet ist. Das Heizvorrichtungsteil kann eine Heizvorrichtungsteillänge aufweisen, welche mindestens 40%, vorzugsweise mindestens 50 %, vorzugsweise mindestens 60% und besonders bevorzugt mindestens 70%, einer Messkammerlänge der Messkammer entspricht. Die Heizvorrichtung kann insbesondere so angeordnet sein, dass die Oberflächen oder Bereiche, welche Teil des Sensorelements sind, insbesondere Oberflächen welche zu einer Signalbildung beitragen, in der Messkammer freigebrannt werden können. Insbesondere kann die Heizvorrichtung eingerichtet sein, die Oberflächen, welche Teil des Sensorelements sind, freizubrennen, insbesondere Kondensat auf den Oberflächen zu reduzieren oder zu entfernen. Insbesondere können die Oberflächen oder die Bereiche Isolatoren umfassen, welche elektrisch leitende Bereiche mit einem unterschiedlichen elektrischen Potential voneinander trennen. Weiterhin kann das Sensorelement ein optisches Sensorelement sein und die Oberflächen oder die Bereiche können optisch aktive Flächen, beispielsweise Fenster und/oder Spiegel umfassen. Je nach Ausführung des Messkammer und/oder des Sensorelements kann das Messkammerteilvolumen einen Teilbereich des Messkammer, beispielsweise 5% bis 60% der Messkammer, vorzugsweise 10% bis 50%, besonders bevorzugt 20% bis 30% der Messkammer, oder einen Großteil der Messkammer, beispielsweise 70% bis 95% der Messkammer, vorzugsweise 80% bis 90% umfassen. Weiterhin kann das Messkammerteilvolumen 100% des Volumens der Messkammer umfassen.The heating device may be arranged in the measuring chamber such that the heating device extends parallel to a longitudinal axis of the measuring chamber. The term "longitudinal axis" basically refers to an axis of any element which corresponds to a direction of greatest extension of the element. In particular, the heating device may have a heater part, which is arranged in the measuring chamber. The heating device part may have a heater part length which corresponds to at least 40%, preferably at least 50%, preferably at least 60% and particularly preferably at least 70%, of a measuring chamber length of the measuring chamber. In particular, the heating device can be arranged such that the surfaces or regions which are part of the sensor element, in particular surfaces which contribute to a signal formation, can be burned free in the measuring chamber. In particular, the heating device can be set up to free the surfaces which are part of the sensor element, in particular to reduce or remove condensate on the surfaces. In particular, the surfaces or the regions may comprise insulators which separate electrically conductive regions with a different electrical potential from each other. Furthermore, the sensor element can be an optical sensor element and the surfaces or the regions can comprise optically active surfaces, for example windows and / or mirrors. Depending on the design of the measuring chamber and / or the sensor element, the measuring chamber partial volume may comprise a partial area of the measuring chamber, for example 5% to 60% of the measuring chamber, preferably 10% to 50%, particularly preferably 20% to 30% of the measuring chamber, or a large part of the measuring chamber, For example, 70% to 95% of the measuring chamber, preferably 80% to 90%. Furthermore, the measuring chamber partial volume may comprise 100% of the volume of the measuring chamber.
Weiterhin kann die Heizvorrichtung zumindest teilweise auf einem Heizvorrichtungsträgerelement angeordnet sein. Der Begriff „Trägerelement“ bezeichnet grundsätzlich ein beliebiges Element welches eingerichtet ist, um ein weiteres Element mechanisch zu unterstützen, beispielsweise zu halten. Der Begriff „halten“ kann umfassen, dass das Trägerelement getrennt von dem weiteren Element ausgebildet sein kann und dass das weitere Element auf dem Trägerelement aufliegen und in einer Vorrichtung gehalten werden kann, und/oder dass das weitere Element ganz oder teilweise in dem Trägerelement integriert sein kann. Beispielsweise kann das Trägerelement als separates Bauteil ausgestaltet sein, unabhängig von dem weiteren Element. Alternativ kann das Trägerelement jedoch auch das weitere Element ganz oder teilweise umfassen, beispielsweise als integralen Bestandteil.Furthermore, the heating device can be arranged at least partially on a heating element carrier element. The term "carrier element" basically refers to any element which is designed to mechanically support, for example to hold, another element. The term "hold" may include that the carrier element can be formed separately from the further element and that the further element rest on the carrier element and can be held in one device, and / or that the further element is integrated wholly or partly in the carrier element can be. For example, the carrier element can be configured as a separate component, regardless of the further element. Alternatively, however, the carrier element may also comprise the further element in whole or in part, for example as an integral component.
Das Heizvorrichtungsträgerelement kann zumindest teilweise aus einem elektrisch isolierenden Material hergestellt sein. Unter einem elektrisch isolierenden Material ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich ein beliebiges Material zu verstehen, welches geeignet ist, einen Stromfluss zumindest weitgehend zu verhindern, beispielsweise ein Material mit einer spezifischen elektrischen Leitfähigkeit von mindestens 108 Ωm, vorzugsweise mindestens 1010 Ωm. Eine elektrische Isolierung des Heizvorrichtungsträgerelements kann auch bei erhöhten Temperaturen erfüllt sein, die im Abgas auftreten können, beispielsweise bei 400 °C. Das elektrisch isolierende Material kann insbesondere ein keramisches Material umfassen, beispielsweise Aluminiumoxid. Auch andere Materialien sind grundsätzlich denkbar. Das Heizvorrichtungsträgerelement kann zumindest teilweise als Rohr, insbesondere als zylindrisches Rohr, ausgebildet sein. Das Rohr kann sich entlang einer Längsachse der Messkammer erstrecken. Die Heizvorrichtung kann mindestens zwei Heizvorrichtungszuleitungen umfassen. Beispielsweise können die Heizvorrichtungszuleitungen zumindest teilweise innerhalb des Heizvorrichtungsträgerelements und/oder zumindest teilweise außerhalb des Heizvorrichtungsträgerelements angebracht sein. Das Heizvorrichtungsträgerelement kann insbesondere eingerichtet sein, um die Heizvorrichtungszuleitungen elektrisch gegen eine lonenfallenelektrode einer Ionenfallenvorrichtung, welche im Folgenden noch beschrieben wird, elektrisch zu isolieren, beispielsweise mittels einer Zwischenwand.The heater support member may be at least partially made of an electrically insulating material. In the context of the present invention, an electrically insulating material is basically to be understood as meaning any material which is suitable for at least substantially preventing a flow of current, for example a material having a specific electrical conductivity of at least 10 8 Ωm, preferably at least 10 10 Ωm. Electrical insulation of the heater support member may also be accomplished at elevated temperatures that may occur in the exhaust, for example at 400 ° C. The electrically insulating material may in particular comprise a ceramic material, for example aluminum oxide. Other materials are also conceivable. The heater support member may be at least partially formed as a tube, in particular as a cylindrical tube. The tube may extend along a longitudinal axis of the measuring chamber. The heater may include at least two heater leads. For example, the heater feeders may be at least partially mounted within the heater support member and / or at least partially external to the heater support member. The heating element carrier element may in particular be designed to electrically insulate the heater supply lines against an ion trap electrode of an ion trap device, which will be described below, for example by means of an intermediate wall.
Weiterhin kann die Heizvorrichtung mindestens einen Heizwiderstand umfassen. Die Heizvorrichtung kann insbesondere ein elektrisch leitfähiges Material umfassen. Beispielsweise kann die Heizvorrichtung mindestens ein metallisches Material aufweisen. Insbesondere kann das metallische Material mindestens ein Element aufweisen ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Platin, Rhodium, Palladium. Auch andere Elemente sind grundsätzlich denkbar. Weiterhin kann als elektrisch leitfähige Material mindestens eine metallische Legierung aufweisen. Die metallische Legierung kann mindestens ein Element aufweisen ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Platin, Rhodium, Palladium. Auch andere Elemente sind grundsätzlich denkbar. Unedlere Metallverbindungen, insbesondere Heizleiterlegierungen, beispielsweise ausgewählt aus der aus der Gruppe bestehend aus Nickel, Kupfer, Chrom, Aluminium und Eisen sind ebenfalls denkbar.Furthermore, the heating device may comprise at least one heating resistor. The heating device may in particular comprise an electrically conductive material. For example, the heater may be at least one metallic material exhibit. In particular, the metallic material may comprise at least one element selected from the group consisting of: platinum, rhodium, palladium. Other elements are also conceivable. Furthermore, as the electrically conductive material, at least one metallic alloy can be used. The metallic alloy may comprise at least one element selected from the group consisting of: platinum, rhodium, palladium. Other elements are also conceivable. Unedilere metal compounds, in particular Heizleiterlegierungen, for example, selected from the group consisting of nickel, copper, chromium, aluminum and iron are also conceivable.
Das Heizelement kann eine längliche Form aufweisen. Andere Ausführungsformen sind jedoch grundsätzlich denkbar. Insbesondere kann die Heizvorrichtung mindestens einen Heizwendel umfassen. Der Begriff „Wendel“ bezeichnet grundsätzlich Helix oder eine zylindrische Spirale, welche sich mit zumindest weitgehend konstanter Steigung um eine Mantel eines imaginären Zylinders windet. Der Heizwendel kann beispielsweise auf dem Heizvorrichtungsträgerelement angeordnet sein. Insbesondere kann das Heizvorrichtungsträgerelement innerhalb des Heizwendels angeordnet sein und der Heizwendel kann das Heizvorrichtungsträgerelement zumindest teilweise umschließen.The heating element may have an elongated shape. However, other embodiments are conceivable in principle. In particular, the heating device may comprise at least one heating coil. The term "helix" basically refers to helix or a cylindrical spiral which winds around at least a largely constant pitch around a mantle of an imaginary cylinder. The heating coil can be arranged, for example, on the Heizvorrichtungsträgerelement. In particular, the heating element carrier element can be arranged within the heating coil and the heating coil can at least partially enclose the heating element carrier element.
Darüber hinaus kann die Heizvorrichtung an mindestens einer Messkammerwand der Messkammer angeordnet sein. Beispielsweise kann die Heizvorrichtung in Form einer freitragenden Konstruktion angeordnet sein, welche in einem geringen Abstand, beispielsweise in einem Abstand von 0,5 mm bis 5 mm, vorzugsweise in einem Abstand von 0,75 mm bis 2 mm und besonders bevorzugt in einem Abstand von 1 mm, von den Oberflächen, welche Teil des Sensorelements sind, insbesondere von den Oberflächen, welche zu einer Signalbildung beitragen, insbesondere von den kritischen Oberflächen, angeordnet sind. Die Heizvorrichtung kann angeordnet sein, um die kritischen Oberflächen insbesondere mit wenig Heizleistung freizubrennen und das Kondensat auf den kritischen Oberflächen zu reduzieren oder zu entfernen. Weiterhin kann die Heizvorrichtung auf mindestens einen keramischen Träger angebracht sein, welcher direkt an der Messkammerwand der Messkammer anliegt. Alternativ oder zusätzlich kann die Heizvorrichtung auf einer isolierenden Fläche der Messkammerwand angebracht sein. Auch andere Ausführungsformen sind grundsätzlich denkbar.In addition, the heating device can be arranged on at least one measuring chamber wall of the measuring chamber. For example, the heating device may be arranged in the form of a cantilever construction, which is at a small distance, for example at a distance of 0.5 mm to 5 mm, preferably at a distance of 0.75 mm to 2 mm, and particularly preferably at a distance of 1 mm, of the surfaces which are part of the sensor element, in particular of the surfaces which contribute to signal formation, in particular of the critical surfaces. The heater may be arranged to burn free the critical surfaces, particularly with low heat output, and to reduce or remove the condensate on the critical surfaces. Furthermore, the heating device can be mounted on at least one ceramic carrier, which bears directly against the measuring chamber wall of the measuring chamber. Alternatively or additionally, the heating device may be mounted on an insulating surface of the measuring chamber wall. Other embodiments are conceivable in principle.
Die Messkammer kann fluidisch mit mindestens einem von dem Gas durchströmbaren Strömungsrohr verbunden sein. Unter einem „Strömungsrohr“ im Sinne der vorliegenden Erfindung ist grundsätzlich ein beliebiger, von einem fluiden Medium durchströmbarer Hohlkörper zu verstehen. Insbesondere kann es sich um einen länglichen Hohlkörper handeln. Das Strömungsrohr kann beispielsweise ganz oder teilweise aus einem starren Material oder auch ganz oder teilweise aus einem flexiblen Material hergestellt sein, beispielsweise einem Metall und/oder einer Keramik. Das Strömungsrohr kann grundsätzlich einen beliebigen Querschnitt aufweisen, beispielsweise einen runden, einen ovalen oder einen polygonalen Querschnitt. Das Strömungsrohr kann beispielsweise in ein Abgassystem einer Verbrennungsmaschine eingesetzt werden. Die Strömung des Abgases in dem Strömungsrohr kann beispielsweise laminar oder auch turbulent ausgestaltet sein und kann beispielsweise auch von Lastzuständen der Verbrennungsmaschine abhängig sein.The measuring chamber may be fluidly connected to at least one flow tube through which the gas can flow. A "flow tube" in the sense of the present invention is basically to be understood as meaning any hollow body through which a fluid medium can flow. In particular, it may be an elongated hollow body. The flow tube may for example be wholly or partly made of a rigid material or even wholly or partly made of a flexible material, such as a metal and / or ceramic. The flow tube may in principle have any desired cross section, for example a round, an oval or a polygonal cross section. The flow tube can be used for example in an exhaust system of an internal combustion engine. The flow of the exhaust gas in the flow tube may be designed, for example, laminar or turbulent and may for example also be dependent on load conditions of the internal combustion engine.
Insbesondere kann die Vorrichtung weiterhin mindestens eine Gasaustauschvorrichtung zur Führung des Gases von einer äußeren Umgebung der Messkammer in die Messkammer hinein und von der Messkammer in die äußere Umgebung hinaus aufweisen. Der Begriff „Gasaustauschvorrichtung“ bezeichnet grundsätzlich eine beliebige Vorrichtung, welche eingerichtet ist, ein beliebiges Gas zwischen mindestens zwei Kompartimenten räumlich zu verteilen. In particular, the apparatus may further comprise at least one gas exchange device for guiding the gas from an external environment of the measuring chamber into the measuring chamber and out of the measuring chamber into the external environment. The term "gas exchange device" basically refers to any device that is configured to spatially distribute any gas between at least two compartments.
Insbesondere kann die Gasaustauchvorrichtung mit der Messkammer mittels mindestens einer Einströmöffnung und mittels mindestens einer Ausströmöffnung verbunden sind. Die Einströmöffnung kann eingerichtet sein, um das Gas von der äußeren Umgebung der Messkammer, in die Messkammer hinein zu transportieren. Weiterhin kann dies Ausströmöffnung eingerichtet sein, um das Gas von einem Inneren der Messkammer hinaus, insbesondere in die äußere Umgebung der Messkammer, zu transportieren. Beispielsweise kann die Messkammer mittels der Gasaustauschvorrichtung fluidisch mit dem Strömungsrohr verbunden sein, wie es bereits beschrieben wurde oder im Folgenden noch beschrieben wird.In particular, the gas exchange device can be connected to the measuring chamber by means of at least one inflow opening and by means of at least one outflow opening. The inflow opening may be configured to transport the gas from the external environment of the measurement chamber into the measurement chamber. Furthermore, this outflow opening can be designed to transport the gas from an interior of the measuring chamber, in particular into the external environment of the measuring chamber. For example, the measuring chamber may be fluidly connected to the flow tube by means of the gas exchange device, as has already been described or will be described below.
Weiterhin kann die Messkammer mindestens eine Verdichtungsvorrichtung zur Verdichtung der elektrisch geladenen Partikel umfassen. Der Begriff „Verdichtungsvorrichtung“ bezeichnet im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich eine beliebige Vorrichtung, welche eingerichtet ist, beliebige Partikel in einem Gas Komprimierung von Partikeln innerhalb eines ersten Volumens auf ein zweites Volumen zu verdichten, wobei das zweite Volumen kleiner ist als das erste Volumen. Durch die Verdichtungsvorrichtung können die Partikel weiterhin gebündelt werden. Unter einer „Bündelung“ ist allgemein eine Ablenkung oder Kollimierung von strömenden Partikeln zu verstehen, wobei eine Flugbahn der Partikel derart zusammengeführt wird, dass eine Partikeldichte in einem Volumen erhöht wird. Die geladenen Partikel können insbesondere einem Verlauf einer Strömung durch die Verdichtungsvorrichtung gebündelt werden und dadurch in einem Zentrum der Strömung gehalten werden. Auf diesem Weg ist es möglich, eine Partikelanlagerung an den begrenzenden Wänden eines durchströmten Köpers, insbesondere der Messkammer, zu verhindern. Die Verdichtungsvorrichtung kann zumindest teilweise innerhalb des Messkammerteilvolumens angeordnet sein. Die Verdichtungsvorrichtung beispielsweise mindestens zwei Vorsprünge aufweisen. Die zwei Vorsprünge können insbesondere an zueinander gegenüberliegenden Messkammerwänden der Messkammer angeordnet sein und in die Messkammer hineinragen. Die zwei Vorsprünge können einen Kanal bilden, durch welche die elektrisch geladenen Partikel strömen. Der Kanal kann insbesondere eingerichtet sein, um die elektrisch geladenen Partikel in einem Verlauf einer Strömung durch den Kanal zu bündeln und dadurch in einem Zentrum der Strömung gehalten zu werden. Beispielsweise kann der Kanal derart angeordnet sein, dass eine Spitze der Aufladungsvorrichtung in den Kanal zeigt. Auch andere Ausführungsformen sind jedoch denkbar. Beispielsweise kann eine Verdichtung und/oder eine Bündelung der Partikel durch ein von außen angelegtes elektrisches Feld unterschützt werden.Furthermore, the measuring chamber may comprise at least one compression device for compressing the electrically charged particles. The term "compression device" in the context of the present invention basically designates any device that is configured to compress any particles in a gas compression of particles within a first volume to a second volume, wherein the second volume is smaller than the first volume. By the compression device, the particles can be further bundled. A "bundling" is generally understood to mean a deflection or collimation of flowing particles, whereby a trajectory of the particles is brought together in such a way that a particle density in a volume is increased. The In particular, charged particles can be bundled up with a course of a flow through the compression device and thereby held in a center of the flow. In this way it is possible to prevent particle accumulation on the delimiting walls of a body through which flows, in particular the measuring chamber. The compression device may be arranged at least partially within the measuring chamber partial volume. The compacting device, for example, have at least two projections. The two projections may in particular be arranged on mutually opposite measuring chamber walls of the measuring chamber and project into the measuring chamber. The two protrusions may form a channel through which the electrically charged particles flow. In particular, the channel may be configured to concentrate the electrically charged particles in a course of flow through the channel and thereby to be held in a center of the flow. For example, the channel may be arranged such that a tip of the charging device points into the channel. However, other embodiments are conceivable. For example, compaction and / or bundling of the particles can be protected by an externally applied electric field.
Die Messkammer kann weiterhin mindestens eine lonenfallenvorrichtung aufweisen. Der Begriff „Ionenfallenvorrichtung“ bezeichnet im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich eine beliebige Vorrichtung, welche eingerichtet ist, elektrisch geladene Teilchen, insbesondere elektrisch geladene Atome oder Moleküle, mittels elektrischer und/oder magnetischer Felder abzulenken und/oder festzuhalten und/oder zu speichern. Abhängig von einer Art und/oder eine Stärke der elektrischen und/oder magnetischen Felder können gezielt Ionen einer bestimmten Masse festgehalten werden. Eine Speicherung der Ionen kann insbesondere in einem Vakuum und ohne Kontakt zu einer Oberfläche erfolgen. Beispielsweise kann ein zeitlich veränderliches elektromagnetisches Feld verwenden werden, um Ionen festzuhalten. Weiterhin kann ein zeitlich konstantes elektrisches Feld und ein zeitlich konstantes Magnetfeld eingesetzt werden. Weitere Ausführungsformen sind denkbar. Die lonenfallenvorrichtung kann mindestens eine lonenfallenelektrode aufweisen. Insbesondere kann die lonenfallenelektrode eingerichtet sein, um freie Ionen zumindest weitgehend von den elektrisch geladenen Partikeln zu entfernen. Die lonenfallenelektrode kann insbesondere eine längliche Form aufweisen. Weiterhin kann die lonenfallenelektrode gegenüberliegend zu der Aufladungsvorrichtung angeordnet sein. Darüber hinaus kann die lonenfallenelektrode derart angeordnet sein, dass eine Spitze der lonenfallenelektrode auf den Kanal der Verdichtungsvorrichtung zeigt.The measuring chamber may further comprise at least one ion trap device. In the context of the present invention, the term "ion trap device" fundamentally refers to any device which is set up to deflect and / or hold and / or store electrically charged particles, in particular electrically charged atoms or molecules, by means of electric and / or magnetic fields. Depending on a type and / or a strength of the electrical and / or magnetic fields, it is possible to selectively hold ions of a certain mass. A storage of the ions can be carried out in particular in a vacuum and without contact with a surface. For example, a time-varying electromagnetic field may be used to trap ions. Furthermore, a temporally constant electric field and a time-constant magnetic field can be used. Other embodiments are conceivable. The ion trap device may comprise at least one ion trap electrode. In particular, the ion trap electrode may be configured to at least substantially remove free ions from the electrically charged particles. The ion trap electrode may in particular have an elongated shape. Furthermore, the ion trap electrode may be disposed opposite to the charging device. In addition, the ion trap electrode may be arranged such that a tip of the ion trap electrode faces the channel of the compacting apparatus.
Die lonenfallenelektrode kann mindestens eine Isolationsvorrichtung umfassen. Insbesondere kann die lonenfallenelektrode teilweise in der Isolationsvorrichtung aufgenommen sein und teilweise aus der Isolationsvorrichtung hinausragen. Beispielsweise kann die Isolationsvorrichtung ein zylindrisches Rohr umfassen und die lonenfallenelektrode kann zumindest teilweise in dem zylindrischen Rohr aufgenommen sein. Das zylindrische Rohr kann sich entlang der Längsachse der Messkammer erstrecken. Weiterhin kann das zylindrische Rohr von einer Messkammerwand in die Messkammer hineinragen. Der Teil der Ionenfallenelektrode, welcher aus der Isolationsvorrichtung herausragt, kann zu einem Bogen geformt sein, insbesondere derart, dass die Spitze der lonenfallenelektrode der Aufladungsvorrichtung und/oder der Verdichtungsvorrichtung zugewandt ist. Die Isolationsvorrichtung kann weiterhin als Trägerelement für die Heizvorrichtung eingerichtet sein. Beispielsweise kann Heizvorrichtungsträgerelement, wie es bereits oben beschrieben wurde oder im Folgenden noch beschrieben wird, identisch zu der Isolationsvorrichtung der lonenfallenelektrode sein. Auch andere Ausgestaltungen sind jedoch denkbar.The ion trap electrode may include at least one isolation device. In particular, the ion trap electrode may be partially received in the isolation device and partially protrude from the isolation device. For example, the isolation device may comprise a cylindrical tube and the ion trap electrode may be at least partially received in the cylindrical tube. The cylindrical tube may extend along the longitudinal axis of the measuring chamber. Furthermore, the cylindrical tube can project from a measuring chamber wall into the measuring chamber. The part of the ion trap electrode which protrudes from the isolation device may be formed into an arc, in particular such that the tip of the ion trap electrode faces the charging device and / or the compacting device. The isolation device can furthermore be designed as a carrier element for the heating device. For example, heating element carrier element, as has already been described above or will be described below, be identical to the isolation device of the ion trap electrode. However, other embodiments are conceivable.
In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Detektion von Partikeln in einem Gas, insbesondere in einem Abgas einer Verbrennungsmaschine, vorgeschlagen. Die genannten Verfahrensschritte können insbesondere in der genannten Reihenfolge durchgeführt werden, wobei jedoch auch eine andere Reihenfolge möglich ist. Weiterhin können zwei oder mehrere oder auch alle der genannten Verfahrensschritte zeitlich überlappend oder gleichzeitig durchgeführt werden. Weiterhin können einer, mehrere oder auch alle der genannten Verfahrensschritte einmalig, wiederholt oder auch permanent durchgeführt werden. Das Verfahren kann weiterhin einen oder mehrere zusätzliche, nicht genannte Verfahrensschritte umfassen. Für weitere Einzelheiten des Verfahrens kann grundsätzlich auf die obige Beschreibung der Vorrichtung verwiesen werden, da das Verfahren insbesondere unter Verwendung der vorgeschlagenen Vorrichtung durchgeführt werden kann.In a further aspect of the present invention, a method for the detection of particles in a gas, in particular in an exhaust gas of an internal combustion engine, is proposed. The said method steps can be carried out in particular in the order mentioned, but also a different order is possible. Furthermore, two or more or all of the mentioned method steps can be performed overlapping in time or simultaneously. Furthermore, one, several or all of the mentioned method steps can be performed once, repeatedly or permanently. The method may further comprise one or more additional, unmentioned method steps. For further details of the method, reference can be made in principle to the above description of the device, since the method can be carried out in particular using the proposed device.
Das Verfahren zur Detektion von Partikeln in einem Gas umfasst die folgenden Schritte:
- a) Bereitstellen des Gases in mindestens einer Messkammer;
- b) elektrostatisches Aufladen zumindest eines Teils von Partikeln in dem Gas und Erzeugen elektrisch geladener Partikel;
- c) Nachweisen der elektrisch geladenen Partikel mittels mindestens eines Sensorelements, insbesondere in einem Nachweisbereich;
- a) providing the gas in at least one measuring chamber;
- b) electrostatically charging at least a portion of particles in the gas and producing electrically charged particles;
- c) detecting the electrically charged particles by means of at least one sensor element, in particular in a detection area;
Die vorgeschlagene Vorrichtung und das Verfahren weisen gegenüber bekannten Vorrichtungen und Verfahren zahlreiche Vorteile auf. Bekannte Vorrichtungen und Verfahren können im Allgemeinen bedingen, dass eine Ladung einer vergleichsweisen geringen Anzahl an Partikeln gemessen wird, was im Allgemeinen sehr kleine Messströme zur Folge hat und somit hohe Isolationsanforderungen an den Sensor im Hinblick auf eine Lebensdauer des Sensors stellt. Weiterhinkönnen Rußpartikel und/oder andere leitfähige Partikel und/oder halbleitende Partikel oder Ionen auf Wänden innerhalb einer Messkammer der Vorrichtung temporär oder permanent verbleiben. Weiterhin kann nach einem Kaltstart Kondensat innerhalb der Messkammer vorhanden sein, was zu einer längeren Betriebszeit führen kann.The proposed device and method have numerous advantages over known devices and methods. Known devices and methods may generally require that a charge of a comparatively small number of particles be measured, which generally results in very small measurement currents and thus places high isolation requirements on the sensor with respect to sensor life. Furthermore, soot particles and / or other conductive particles and / or semiconducting particles or ions may remain temporarily or permanently on walls within a measuring chamber of the device. Furthermore, after a cold start condensate may be present within the measuring chamber, which may lead to a longer operating time.
Durch die Vorrichtung im Sinne der vorliegenden Erfindung kann eine Alterungsbeständigkeit der Vorrichtung erhöht werden. Insbesondere kann mittels der Heizvorrichtung die Alterungsbeständigkeit der Vorrichtung erhöht werden und eine Umsetzung der Vorrichtung als robusten Abgassensor in Kraftfahrzeugen mit Verbrennungsmotor ermöglicht werden. Weiterhin kann eine Sensorsignalverfügbarkeit erhöht werden. Die Heizvorrichtung kann mit einem minimalen Aufwand an zusätzlichen Bauteilen auskommen. In bestimmten Betriebsphasen kann die Messkammer beheizt werden, insbesondere um Rußpartikel sowie andere Partikel von den inneren Messkammerwänden fernzuhalten, beispielsweise durch Thermophorese oder durch Entfernen durch Freibrennen. Die Heizvorrichtung kann auch dafür genutzt werden, nach einem Kaltstart typischerweise vorhandenes Wasser und/oder Kondensat in der Messkammer schnell zu verdampfen und somit eine deutlich frühere Messbereitschaft zu erzielen.By the device according to the present invention, an aging resistance of the device can be increased. In particular, the aging resistance of the device can be increased by means of the heating device and an implementation of the device as a robust exhaust gas sensor in motor vehicles with an internal combustion engine can be made possible. Furthermore, a sensor signal availability can be increased. The heater can get along with a minimum of additional components. In certain operating phases, the measuring chamber can be heated, in particular to keep soot particles and other particles from the inner measuring chamber walls, for example by thermophoresis or by removal by burnout. The heater can also be used to quickly evaporate after a cold start typically existing water and / or condensate in the measuring chamber and thus to achieve a much earlier readiness for measurement.
Beispielsweise kann eine bereits vorhandene keramische Isolation für die lonenfallenelektrode als Trägerelement für die Heizvorrichtung genutzt werden. Das Isolationselement mit der Heizvorrichtung kann vorzugsweise möglichst mittig innerhalb der Messkammer angebracht werden, insbesondere um eine möglichst homogene Ausheizung der Messkammerwände zu ermöglichen. Weiterhin kann auch eine Anbringung vorteilhaft sein, welche verstärkt Teilbereiche der Messkammer ausheizt, die zu einer höheren, unerwünschten Anlagerung von Partikeln neigen.For example, an existing ceramic insulation for the ion trap electrode can be used as a carrier element for the heating device. The insulating element with the heating device can preferably be mounted as centrally as possible within the measuring chamber, in particular in order to allow as homogeneous as possible heating of the measuring chamber walls. Furthermore, an attachment may be advantageous, which increasingly heats portions of the measuring chamber, which tend to higher, unwanted attachment of particles.
Insbesondere können mittels der Heizvorrichtung besonders stark betroffene Bereich der Messkammerwände möglichst schnell und vollständig beheizt werden. Weiterhin können etwaige Senken in der Messkammer, in denen sich bevorzugt das Wasser und/oder das Kondensat ansammeln können, leicht ausheizbar sein. Die Heizvorrichtungszuleitungen können jeweils innerhalb des Trägerelements und/oder außerhalb des Trägerelements angebracht werden. Die lonenfallenelektrode und die Heizvorrichtungszuleitungen können elektrisch gegeneinander isoliert sein. Beispielsweise kann das keramische, zylindrische Rohr innen die Zwischenwand aufweisen, die die Heizvorrichtungszuleitungen voneinander trennt. Weiterhin kann auch die Heizvorrichtung mit Hilfe eines eigenen Trägerelements umgesetzt werden ohne auf das Isolationselement der lonenfalle zurückzugreifen. Hierbei könnte beispielsweise auch ein keramisches Rohr oder ein Stäbchen zum Einsatz kommen. Weiterhin kann das Heizelement auch nahe an einer oder mehreren inneren Messkammerwänden angebracht werden. Eine frei tragende Konstruktion der Heizvorrichtung mit Hilfe der Zuleitungen und ohne Trägerelement ist auch denkbar. In diesem Fall kann eine Isolation nur in einem kleinen Bereich erforderlich sein, insbesondere an einer Stelle, an welcher die Zuleitungen in die Messkammer geführt werden. Weiterhin kann ein für die Aufladung der Partikel verwendeter Gasstrom beheizt werden.In particular, the region of the measuring chamber walls that is particularly affected by the heating device can be heated as quickly and completely as possible. Furthermore, any depressions in the measuring chamber, in which preferably the water and / or the condensate can accumulate, can be easily bakeable. The heater leads may be mounted within the support member and / or outside the support member, respectively. The ion trap electrode and the heater leads can be electrically isolated from each other. For example, the ceramic cylindrical tube inside may have the intermediate wall separating the heater leads from each other. Furthermore, the heating device can be implemented by means of its own support element without resorting to the insulating element of the ion trap. In this case, for example, a ceramic tube or a rod could be used. Furthermore, the heating element can also be mounted close to one or more inner measuring chamber walls. A free-bearing construction of the heater by means of the leads and without a carrier element is also conceivable. In this case, insulation may be required only in a small area, in particular at a point at which the supply lines are guided into the measuring chamber. Furthermore, a gas stream used for charging the particles can be heated.
Die Heizvorrichtung kann beispielsweise als Heizwendel aus Heizleiterlegierungen oder Widerstandslegierungen ausgeführt werden, die resistent gegenüber Oxidation an Luftsauerstoff sind und außerdem beständig für Temperaturen beispielsweise bis 800°C. Alternativ kann eine Umsetzung aus Platin erfolgen, welche beispielsweise mittels einer Dickschichttechnik auf einer Al203-Keramik aufgebracht wird, erfolgen.The heating device may for example be designed as a heating coil of Heizleiterlegierungen or resistance alloys that are resistant to oxidation of atmospheric oxygen and also resistant to temperatures, for example up to 800 ° C. Alternatively, a reaction can be carried out from platinum, which is applied for example by means of a thick-film technique on an Al 2 0 3 ceramic carried out.
Figurenlistelist of figures
Weitere optionale Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind.Further optional details and features of the invention will become apparent from the following description of preferred embodiments, which are shown schematically in the figures.
Es zeigen:
-
1 eine Schnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer Schnittebene parallel zu einer Längsachse der Vorrichtung; und -
2 eine Schnittdarstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer Schnittebene parallel zu einer Längsachse der Vorrichtung.
-
1 a sectional view of an embodiment of a device according to the invention in a sectional plane parallel to a longitudinal axis of the device; and -
2 a sectional view of another embodiment of a device according to the invention in a sectional plane parallel to a longitudinal axis of the device.
Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention
Die Vorrichtung
Die Messkammer
Weiterhin kann die Vorrichtung
Darüber hinaus weist die Vorrichtung
Die Heizvorrichtung
Weiterhin kann die Vorrichtung
Das Sensorelement
In der Vorrichtung
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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