DE102017209299A1

DE102017209299A1 - Electrostatic particle sensor unit with main and auxiliary electrodes

Info

Publication number: DE102017209299A1
Application number: DE102017209299.8A
Authority: DE
Inventors: Simon Genter; Franziska Rohlfing; Daniel Krebs; Radoslav Rusanov; Imke Heeren; Andy Tiefenbach; Niels Bode; Henrik Schittenhelm
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2017-06-01
Filing date: 2017-06-01
Publication date: 2018-12-06
Also published as: WO2018219606A1

Abstract

Vorgestellt wird eine Partikelsensoreinheit (10) mit einer Sensoreinheit (28) und einer Steuereinheit (30), wobei die die Sensoreinheit (28) wenigstens eine erste Hauptelektrode (34) aufweist, die über einen ersten Strompfad (60) mit einer Haupthochspannungsquelle (44) verbindbar ist und im verbundenen Zustand eine erste Polarität besitzt und wobei die Sensoreinheit (28) eine Hauptelektrode (36) einer zweiten Polarität aufweist, die zur ersten Polarität entgegengesetzt ist. Die Partikelsensoreinheit (10) zeichnet sich dadurch aus, dass die Sensoreinheit (28) wenigstens eine erste Hilfselektrode (38) aufweist, die über einen zweiten Strompfad (62) mit einer Hochspannungsquelle (46) verbindbar ist und im verbundenen Zustand die erste Polarität besitzt, und dass die Sensoreinheit (28) wenigstens eine erste Hilfselektrode (40) der zweiten Polarität aufweist.A particle sensor unit (10) is provided with a sensor unit (28) and a control unit (30), wherein the sensor unit (28) has at least one first main electrode (34) which is connected to a main high-voltage source (44) via a first current path (60). is connectable and in the connected state has a first polarity and wherein the sensor unit (28) has a main electrode (36) of a second polarity, which is opposite to the first polarity. The particle sensor unit (10) is characterized in that the sensor unit (28) has at least one first auxiliary electrode (38) which can be connected to a high-voltage source (46) via a second current path (62) and has the first polarity in the connected state, and that the sensor unit (28) has at least one first auxiliary electrode (40) of the second polarity.

Description

Stand der TechnikState of the art

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Partikelsensoreinheit nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Eine solche Partikelsensoreinheit ist aus der US 8,713,991 B2 bekannt und weist eine Sensoreinheit und eine Steuereinheit auf. Die Sensoreinheit weist wenigstens eine erste Hauptelektrode auf, die über einen ersten Strompfad mit einer Hochspannungsquelle verbindbar ist und im verbundenen Zustand eine erste Polarität besitzt. Die Sensoreinheit weist auch eine Hauptelektrode einer zweiten Polarität auf, die zur ersten Polarität entgegengesetzt ist.The present invention relates to a particle sensor unit according to the preamble of claim 1. Such a particle sensor unit is known from US 8,713,991 B2 known and has a sensor unit and a control unit. The sensor unit has at least one first main electrode which can be connected to a high-voltage source via a first current path and has a first polarity in the connected state. The sensor unit also has a main electrode of a second polarity opposite to the first polarity.

Die bekannte Partikelsensoreinheit weist eine Messkammer und eine Steuereinheit auf, wobei die Messkammer wenigstens eine Messgaseinlassöffnung und eine Messgasauslassöffnung aufweist. In der Messkammer ist wenigstens ein zwei Elektroden aufweisendes Elektrodenpaar angeordnet. Die zwei Elektroden sind einander gegenüberliegend so angeordnet, dass in die Messgaseinlassöffnung einströmendes Messgas zwischen beiden Elektroden hindurch und an den beiden Elektroden entlang zur Messgasauslassöffnung strömt. Die Steuereinheit weist eine an die Elektroden angeschlossene Hochspannungsquelle auf, die eine zwischen den beiden Elektroden herrschende elektrische Spannung erzeugt. Die Steuereinheit weist eine Strommessvorrichtung auf, die einen zwischen den beiden Elektroden fließenden, durch geladene Partikel oder Dendriten aus Partikeln getragenen elektrischen Strom misst.The known particle sensor unit has a measuring chamber and a control unit, wherein the measuring chamber has at least one measuring gas inlet opening and one measuring gas outlet opening. At least one electrode pair having two electrodes is arranged in the measuring chamber. The two electrodes are arranged opposite one another such that measuring gas flowing into the measuring gas inlet opening flows between both electrodes and along the two electrodes to the measuring gas outlet opening. The control unit has a high-voltage source connected to the electrodes, which generates an electrical voltage prevailing between the two electrodes. The control unit has a current measuring device which measures an electric current flowing between the two electrodes and carried by charged particles or dendrites of particles.

Partikelsensoren werden zunehmend zur On-Board Diagnostik (OBD) von Partikelfiltern (DPF) von Kraftfahrzeugen, insbesondere in Verbindung mit Verbrennungsmotoren eingesetzt. Aus der DE 10 2006 029 215 A1 sind nach einem resistiven Prinzip arbeitende Sensoren zur Messung der Partikelkonzentration bekannt. Das resistive Prinzip basiert auf der Entstehung von leitfähigen Pfaden aus sich zwischen zwei Interdigital-Elektroden ablagernden Rußpartikeln. Beim Anlegen einer Spannung an die Elektroden steigt der Elektrodenstrom mit einer von der Rußbeladung abhängigen Anstiegszeit bis zu einem Schwellenwert an. Die Anstiegszeit wird als Maß für die Rußkonzentration verwendet. Der Sensor wird periodisch regeneriert, in dem er durch ein integriertes Heizelement auf mindestens 700°C gebracht wird, wodurch die Rußablagerungen verbrennen.Particle sensors are increasingly used for on-board diagnostics (OBD) of particle filters (DPF) of motor vehicles, especially in connection with internal combustion engines. From the DE 10 2006 029 215 A1 are known according to a resistive principle sensors for measuring the particle concentration. The resistive principle is based on the formation of conductive paths of soot particles deposited between two interdigital electrodes. When a voltage is applied to the electrodes, the electrode current increases to a threshold value with a rise time dependent on the soot charge. The rise time is used as a measure of the soot concentration. The sensor is periodically regenerated by being brought to at least 700 ° C by an integral heating element which causes the soot deposits to burn.

Der aus der US 8,713,991 B2 bekannte Partikelsensor arbeitet nach einem elektrostatischen Prinzip mit einer Anordnung von zwei Elektroden. Eine der beiden Elektroden liegt auf einem hohen elektrischen Potenzial (mehrere kV), und die zweite Elektrode liegt auf Masse. Der Sensor ist so konstruiert, dass mit Ruß beladenes Messgas an wenigstens einer Elektrode vorbeifließt. Dabei lagert sich Ruß bevorzugt an der potenzialbehafteten Elektrode ab. Auf Grund des zwischen beiden Elektroden bestehenden elektrischen Feldes entstehen Rußdendriten, die bevorzugt entlang der Feldlinien wachsen. Die Dendriten ragen bei fortschreitendem Wachstum immer weiter in das vorbeiströmende Messgas hinein und erfahren dadurch eine fluiddynamische Kraft. Gleichzeitig erfahren sie eine mit zunehmender Länge steigende elektrische Anziehungskraft, die zur Gegenelektrode gerichtet ist und sich aus der Potenzialdifferenz zwischen beiden Elektroden ergibt. Erreicht die Summe dieser Kräfte einen kritischen Wert, lösen sich die Dendriten von der Elektrode ab. Die dann erreichte Länge der Dendriten, die man auch als kritische Länge oder Abrisslänge betrachten kann, hängt bei konstanter Rußkonzentration u. a. von der elektrischen Feldstärke und der Strömungsgeschwindigkeit des Messgases in dem Partikelsensor ab.The from the US 8,713,991 B2 Known particle sensor operates on an electrostatic principle with an array of two electrodes. One of the two electrodes is at a high electrical potential (several kV), and the second electrode is grounded. The sensor is designed so that sample gas laden with soot will bypass at least one electrode. In this case, soot deposits preferentially on the potential electrode. Due to the electric field existing between the two electrodes, soot dendrites develop, which preferably grow along the field lines. As the growth progresses, the dendrites protrude ever further into the sample gas flowing past and thus undergo a fluid-dynamic force. At the same time, they experience an increasing electrical attraction force with increasing length, which is directed towards the counterelectrode and results from the potential difference between the two electrodes. If the sum of these forces reaches a critical value, the dendrites detach from the electrode. The length of the dendrites then reached, which can also be regarded as the critical length or tear-off length, depends on the electric field strength and the flow velocity of the measurement gas in the particle sensor at a constant soot concentration.

Auf Grund der statischen Ladung der Rußpartikel, die sich durch ihren Kontakt mit der potenzialbehafteten Elektrode ergibt, fließt mit abreißendem Rußdendrit elektrische Ladung von der Elektrode ab. Um die zwischen den Elektroden herrschende Spannung konstant zu halten muss die abfließende Ladung in Form eines elektrischen Stroms zur Elektrode ersetzt werden. Dieser Strom dient als Messsignal. Auf Grund der sehr kleinen Stromstärken kommen empfindliche Geräte wie zum Beispiel ein Elektrometer oder ein Verstärker mit sehr hohem Verstärkungsfaktor zur Erfassung des Messsignals zum Einsatz.Due to the static charge of the soot particles, which results from their contact with the potential electrode, electrical charge flows away from the electrode with dissipating soot dendrite. In order to keep the voltage between the electrodes constant, the outgoing charge must be replaced in the form of an electric current to the electrode. This current serves as a measuring signal. Due to the very low current levels, sensitive devices such as an electrometer or a very high gain amplifier are used to acquire the measurement signal.

Nachteilig an diesem Prinzip ist, dass das Wachstum und insbesondere das Abreißen der Dendriten häufig in unregelmäßiger und undefinierter Weise auftreten. Dieses Verhalten führt insbesondere bei den in der Regel instationären Betriebsbedingungen von Verbrennungsmotoren für Kraftfahrzeuge zu einer deutlichen Abnahme der Messgenauigkeit. Darüber hinaus wird die Messgenauigkeit durch Querempfindlichkeiten z.B. gegenüber der Messgasgeschwindigkeit oder der Temperatur weiter verschlechtert.A disadvantage of this principle is that the growth and in particular the rupture of the dendrites often occur in an irregular and undefined manner. This behavior leads to a significant decrease in the measurement accuracy, in particular in the normally unsteady operating conditions of internal combustion engines for motor vehicles. In addition, the measurement accuracy is limited by cross sensitivities, e.g. further deteriorated compared to the sample gas velocity or the temperature.

Partikelsensoreinheiten dienen insbesondere der Rußmassenbestimmung im Abgastrakt zur Überwachung von Diesel-Partikelfiltern (DPF). Ein nach einem resistiven Prinzip arbeitender Partikelsensor wird in Serie verwendet. Der Sensor besteht aus einem keramischen Sensorelement und einem Schutzrohr. Das keramische Sensorelement weist ein Elektrodensystem auf, das zur Messung des Rußes auf Basis von dessen elektrischer Leitfähigkeit dient. Nachteilig an diesem Messprinzip ist, dass es sich um ein sammelndes Prinzip handelt, das keine Echtzeitmessung mit hinreichender Genauigkeit erlaubt.Particle sensor units are used in particular for soot mass determination in the exhaust gas tract for monitoring diesel particle filters (DPF). A resistive principle particle sensor is used in series. The sensor consists of a ceramic sensor element and a protective tube. The ceramic sensor element has an electrode system which serves to measure the soot on the basis of its electrical conductivity. A disadvantage of this measurement principle is that it is a collecting principle that does not allow real-time measurement with sufficient accuracy.

Offenbarung der Erfindung Disclosure of the invention

Die erfindungsgemäße Partikelsensoreinheit unterscheidet sich von diesem Stand der Technik dadurch, dass die Sensoreinheit wenigstens eine erste Hilfselektrode aufweist, die über einen zweiten Strompfad mit einer Hochspannungsquelle verbindbar ist und im verbundenen Zustand die erste Polarität besitzt, und dass die Sensoreinheit wenigstens eine erste Hilfselektrode der zweiten Polarität aufweist.The particle sensor unit according to the invention differs from this prior art in that the sensor unit has at least one first auxiliary electrode which can be connected to a high-voltage source via a second current path and has the first polarity in the connected state, and the sensor unit has at least one first auxiliary electrode of the second Having polarity.

Die Hilfselektroden ermöglichen eine gezielte Steuerung des Abreißens der Rußdendriten während der Messphasen von elektrostatischen Partikelsensoreinheiten durch gezieltes Einschalten und Ausschalten wenigstens eines zusätzlichen elektrischen Feldes. Zunächst erfolgt der Betrieb nur mit einem orthogonal zur Strömungsrichtung der Rußpartikel ausgerichteten elektrischen Feld. Somit werden die Rußpartikel abhängig von ihrer Polarität zu den Elektroden abgelenkt und wachsen dort zu Dendriten. Diese Elektroden werden in dieser Anmeldung als Hauptelektroden bezeichnet. Zu bestimmten Zeitpunkten wird zusätzlich ein elektrisches Feld in Strömungsrichtung angelegt, um gezielt das Abreißen zu provozieren. Hierbei kommen weitere, geeignet platzierte Elektroden/-paare zum Einsatz, die in dieser Anmeldung als Hilfselektroden bezeichnet werden. Hierbei können für die Haupt- und Hilfselektroden jeweils sowohl DC-Spannungen als auch AC-Spannungen zur Erzeugung der elektrischen Felder verwendet werden. Die Hauptelektroden können während des Betriebs der Hilfselektroden auch abgeschaltet werden. Die Zeitpunkte zum Einschalten des zweiten elektrischen Feldes mit Hilfe der Hilfselektroden können periodisch erfolgen oder ereignisgesteuert, z.B. abhängig von bestimmten Betriebsbedingungen. Damit lässt sich ein kontrolliertes Abreißen der wachsenden Ruß-Dendriten erzielen. Es ergibt sich weiter die Möglichkeit, die Signale nur bei bestimmten Zuständen, insbesondere nach dem Einschalten der Hilfselektroden mittels Lock-in-Verstärkung oder anderen Signalkorrelationsverfahren auszuwerten. Als Vorteil ergibt sich eine höhere Genauigkeit bei hoher zeitlicher Auflösung. Das erlaubt eine Signalauswertung im Echtzeitbetrieb, die eine nur kurze Integrationszeit erfordert, um eine bestimmte Genauigkeit zu erreichenThe auxiliary electrodes allow targeted control of the tearing off of the soot dendrites during the measuring phases of electrostatic particle sensor units by selectively switching on and off at least one additional electric field. First, the operation takes place only with an orthogonal to the flow direction of the soot particles aligned electric field. Thus, the soot particles are deflected depending on their polarity to the electrodes and grow there to dendrites. These electrodes are referred to as main electrodes in this application. At certain times, an electric field is additionally applied in the flow direction in order to deliberately provoke the rupture. Here are further, suitably placed electrodes / pairs are used, which are referred to in this application as auxiliary electrodes. In this case, both DC voltages and AC voltages for generating the electric fields can be used for the main and auxiliary electrodes. The main electrodes may also be turned off during operation of the auxiliary electrodes. The times for switching on the second electric field by means of the auxiliary electrodes may be periodic or event-driven, e.g. depending on specific operating conditions. This can be a controlled demolition of growing soot dendrites achieve. There is also the possibility of evaluating the signals only in certain states, in particular after switching on the auxiliary electrodes by means of lock-in amplification or other signal correlation methods. The advantage is a higher accuracy with high temporal resolution. This allows signal evaluation in real time, which requires only a short integration time to achieve a certain accuracy

Durch die Verwendung der Hilfselektroden kann zum einen die kritische Länge der Dendriten, bei der sie sich von der Elektrode lösen, besser gesteuert werden. Die Steuerung kann zum Beispiel unabhängig vom Wert der angelegten Hochspannung und von der Strömungsgeschwindigkeit des Messgases sein. Daher ist die Partikelsensoreinheit auch für den Einsatz in Abgasanlagen von Verbrennungsmotoren von Kraftfahrzeugen geeignet, bei denen im realen Fahrzeugbetrieb sehr unregelmäßige Schwankungen der Strömungsgeschwindigkeit des Messgases, hier des Abgases des Verbrennungsmotors, auftreten.By using the auxiliary electrodes, on the one hand, the critical length of the dendrites, in which they detach from the electrode, can be better controlled. For example, the controller may be independent of the value of the applied high voltage and the flow rate of the sample gas. Therefore, the particle sensor unit is also suitable for use in exhaust systems of internal combustion engines of motor vehicles, in which occur in real vehicle operation very irregular fluctuations in the flow velocity of the measuring gas, here the exhaust gas of the internal combustion engine.

Eine bevorzugte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass die Hochspannungsquelle eine Hilfshochspannungsquelle oder die Haupthochspannungsquelle ist.A preferred embodiment is characterized in that the high voltage source is an auxiliary high voltage source or the main high voltage source.

Das gezielte Zuschalten eines weiteren, elektrischen Feldes mit einer ausreichend hohen Feldstärke in oder gegen die Strömungsrichtung zu bestimmten Zeitpunkten und für eine bestimmte Zeitdauer erlaubt eine gezielte Beeinflussung und Veränderung der stark von den dynamischen Strömungsbedingungen im Messgas abhängigen Kräfte in Strömungsrichtung durch das zusätzliche, mit den Hilfselektroden generierte elektrische Feld, was beim Stand der Technik nicht möglich ist. Insbesondere lässt sich so das Abreißen der Dendriten gezielt steuern. Dies wirkt sich direkt auf die Signalbildung und somit auf die Genauigkeit des Sensors aus, die sich so deutlich verbessern lässt.The selective connection of a further, electric field with a sufficiently high field strength in or against the flow direction at certain times and for a certain period of time allows targeted influencing and changing the strongly dependent on the dynamic flow conditions in the measuring gas forces in the flow direction through the additional, with the Auxiliary electrodes generated electric field, which is not possible in the prior art. In particular, the tearing off of the dendrites can thus be controlled in a targeted manner. This has a direct effect on the signal formation and thus on the accuracy of the sensor, which can be significantly improved.

Für die Bereitstellung der erforderlichen Hochspannung zwischen den Hilfselektroden (Spannung im kV-Bereich abhängig auch vom Abstand der beiden Elektroden, beispielsweise 1kV) kann die zur Erzeugung der zwischen den Hauptelektroden herrschenden Hochspannung (Spannung im kV-Bereich abhängig auch vom Abstand der beiden Elektroden, beispielsweise 1kV) vorhandene Haupthochspannungsquelle verwendet werden, ggf. mit zusätzlicher, nachgelagerter Signalbeeinflussung. Alternativ kann eine zusätzliche Hilfshochspannungsquelle zur Erzeugung der Hochspannung zwischen den Hilfselektroden verwendet werden.For the provision of the required high voltage between the auxiliary electrodes (voltage in the kV range also depends on the distance between the two electrodes, for example, 1 kV), the high voltage prevailing between the main electrodes (voltage in the kV range depending on the distance between the two electrodes, For example, 1kV) existing main high voltage source can be used, possibly with additional, downstream signal influencing. Alternatively, an additional auxiliary high voltage source may be used to generate the high voltage between the auxiliary electrodes.

Die Signalauswertung erfolgt vorzugsweise mit einem Lock-in-Verstärker oder anderen Korrelationsverfahren (zwischen angelegter AC-Hochspannung und dem Stromsignal zwischen den Elektroden), um ein besseres Signal to Noise Ratio zu erzielen. Dies erfolgt insbesondere nach dem Zuschalten des mit den Hilfselektroden generierten elektrischen Feldes. Eine Kombination mit AC-Betrieb der Haupt- und /oder Hilfselektrodenkann sich ebenfalls vorteilhaft auswirken.The signal evaluation is preferably done with a lock-in amplifier or other correlation method (between applied AC high voltage and the current signal between the electrodes) to achieve a better signal to noise ratio. This is done in particular after the connection of the electric field generated with the auxiliary electrodes. Combining with AC operation of the main and / or auxiliary electrodes may also be beneficial.

Bevorzugt ist auch, dass die wenigstens eine erste Hilfselektrode, die im verbundenen Zustand die erste Polarität besitzt, und die wenigstens eine erste Hilfselektrode der zweiten Polarität zwischen den beiden Hauptelektroden angeordnet sind.It is also preferred that the at least one first auxiliary electrode, which has the first polarity in the connected state, and the at least one first auxiliary electrode of the second polarity, are arranged between the two main electrodes.

Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass beide erste Hilfselektroden in einer im Betrieb der Partikelsensoreinheit zwischen den Hauptelektroden herrschenden Strömungsrichtung eines Messgases auf gleicher Höhe angeordnet sind.A further preferred refinement is characterized in that both first auxiliary electrodes are arranged at the same height in a flow direction of a measurement gas prevailing between the main electrodes during operation of the particle sensor unit.

Bevorzugt ist auch, dass jede erste Hilfselektrode, die im verbundenen Zustand die erste Polarität besitzt, in Bezug auf den Abstand der beiden Hauptelektroden voneinander näher an der Hauptelektrode der zweiten Polarität angeordnet ist als an der Hauptelektrode, die über den ersten Strompfad mit der Hauptspannungsquelle verbindbar ist. It is also preferable that each first auxiliary electrode having the first polarity in the connected state is located closer to the main electrode of the second polarity than the main electrode connected to the main power source via the first current path with respect to the distance of the two main electrodes is.

Weiter ist bevorzugt, dass jede erste Hilfselektrode der zweiten Polarität in Bezug auf den Abstand der beiden Hauptelektroden voneinander näher an der Hauptelektrode, die über den ersten Strompfad mit der Hauptspannungsquelle verbindbar ist, als an der Hauptelektrode der zweiten Polarität angeordnet ist.Further, it is preferable that each first auxiliary electrode of the second polarity is arranged closer to the main electrode connectable to the main power source via the first current path than to the main electrode of the second polarity with respect to the distance of the two main electrodes from each other.

Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass der kleinste Abstand einer Hilfselektrode von der ihr nächstliegenden Hauptelektrode kleiner ist als ihr Abstand zur nächstbenachbarten Hilfselektrode entgegengesetzter Polarität.A further preferred embodiment is characterized in that the smallest distance between an auxiliary electrode and its closest main electrode is smaller than its distance from the next adjacent auxiliary electrode of opposite polarity.

Bevorzugt ist auch, dass die einer Hilfselektrode nächstbenachbarte Hauptelektrode eine der Polarität der Hilfselektrode entgegengesetzte Polarität besitzt.It is also preferred that the main electrode next to an auxiliary electrode has a polarity opposite to the polarity of the auxiliary electrode.

Weiter ist bevorzugt, dass beide erste Hilfselektroden in einer im Betrieb der Partikelsensoreinheit zwischen den Hauptelektroden herrschenden Strömungsrichtung eines Messgases auf gleicher Höhe angeordnet sind.It is further preferred that both first auxiliary electrodes are arranged at the same height in a flow direction of a measuring gas prevailing between the main electrodes during operation of the particle sensor unit.

Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass wenigstens eine der beiden Hauptelektroden eines Elektrodenpaars auf ihrer der jeweils anderen Elektrode zugewandt gegenüberliegenden Fläche so strukturiert ist, dass sie wenigstens eine erste Teilfläche aufweist, die eine stärkere Krümmung aufweist als von der ersten Teilfläche verschiedene Restflächen der der anderen Elektrode zugewandt gegenüberliegenden Fläche.A further preferred refinement is characterized in that at least one of the two main electrodes of an electrode pair is structured on its opposite surface facing the respective other electrode such that it has at least one first partial surface which has a greater curvature than remaining surfaces different from the first partial surface the other electrode facing the opposite surface.

Durch die lokal stärkere Krümmung, die als Spitze oder Kante in Erscheinung treten kann (beides kann mathematisch durch kleine Radien, d.h. starke Krümmung beschrieben werden), ergibt sich dort der an sich bekannte Effekt der Spitzenwirkung, also einer lokal im Vergleich zu weniger stark gekrümmten Restflächen der Elektrode größeren elektrischen Feldstärke.Due to the locally stronger curvature, which can appear as a tip or edge (both can be described mathematically by small radii, ie strong curvature), there is the per se known effect of the peak effect, ie a locally compared to less curved Remaining areas of the electrode greater electric field strength.

Dadurch steigt auch die elektrische Anziehungskraft, die die so strukturierte Elektrode auf ihr entgegen wachsende Dendriten ausübt, lokal an. Dadurch verbessert sich die Reproduzierbarkeit der Abreissereignisse, mit denen sich die Dendriten von der Elektrode, an der sie anhaften, lösen. Außerdem verringert sich die Abrisslänge, was zu einem größeren Messsignal führt, so dass sich insgesamt ein größeres und genaueres Messsignal für das gesamte Betriebskennfeld des Verbrennungsmotors ergibt.As a result, the electrical attraction, which exerts the thus structured electrode on her counter-growing dendrites, locally increases. This improves the reproducibility of the tearing events with which the dendrites detach from the electrode to which they adhere. In addition, the demolition length is reduced, which leads to a larger measurement signal, so that the overall result is a larger and more accurate measurement signal for the entire operating map of the internal combustion engine.

Die lokal höheren Feldstärken begünstigen das Wachstum der Dendriten an genau diesen Positionen. Somit kann durch die Anzahl von Spitzen und Kanten und deren Positionierung das Wachstum der Dendriten in Bezug auf deren Ort und Anzahl gesteuert werden, was eine gesteigerte Reproduzierbarkeit der Sensorfunktion mit sich bringt. Durch die sich ergebenden wachstumsbegünstigenden Positionen kann zudem die Zeit, bis ein Dendrit zu wachsen beginnt, verkürzt werden. Eine Verwendung von etwaigen Seed-Layern wird damit obsolet. Des Weiteren kann durch die Strukturierung der Elektrodenoberfläche auch der Abreißmechanismus der Dendriten besser gesteuert werden. Abhängig von den Abmessungen der stärker gekrümmten ersten Teilflächen ragen die darauf wachsenden Dendriten in Bereiche mit höheren Strömungsgeschwindigkeiten. Eine höhere Strömungsgeschwindigkeit begünstigt das Ablösen der Dendriten, so dass dieses bereits bei kleineren kritischen Längen auftritt. Dadurch kann die Frequenz, mit der Messsignale aufgenommen werden können, gesteigert werden. Dies wirkt sich auch positiv auf die erreichbare Empfindlichkeit, d.h. Genauigkeit, aus.The locally higher field strengths favor the growth of the dendrites at exactly these positions. Thus, by the number of peaks and edges and their positioning, the growth of the dendrites with respect to their location and number can be controlled, resulting in increased reproducibility of the sensor function. The resulting growth-promoting positions can also reduce the time it takes for a dendrite to grow. Use of any seed layers becomes obsolete. Furthermore, the structuring of the electrode surface can also better control the tear-off mechanism of the dendrites. Depending on the dimensions of the more curved first faces, the dendrites growing thereon protrude into areas of higher flow velocities. A higher flow velocity promotes the detachment of the dendrites, so that this already occurs at smaller critical lengths. This can increase the frequency with which measurement signals can be recorded. This also has a positive effect on the achievable sensitivity, i. Accuracy, off.

Eine bevorzugte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass die andere Elektrode ebenfalls wenigstens eine erste Teilfläche aufweist, die eine stärkere Krümmung aufweist als von der ersten Teilfläche verschiedene Restflächen der der anderen Elektrode gegenüberliegende Fläche.A preferred embodiment is characterized in that the other electrode likewise has at least one first partial area which has a greater curvature than remaining areas of the surface opposite the other electrode that are different from the first partial area.

Weitere Vorteile ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den beigefügten Figuren.Further advantages will be apparent from the dependent claims, the description and the attached figures.

Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen. It is understood that the features mentioned above and those yet to be explained below can be used not only in the particular combination given, but also in other combinations or in isolation, without departing from the scope of the present invention.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Dabei bezeichnen gleiche Bezugszeichen in verschiedenen Figuren jeweils gleiche oder zumindest ihrer Funktion nach vergleichbare Elemente. Es zeigen, jeweils in schematischer Form:

1 ein Ausführungsbeispiel einer bekannten Partikelsensoreinheit;
2 ein detaillierteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen, Haupt- und erste Hilfselektroden aufweisenden Partikelsensoreinheit;
3 ein auf dem Gegenstand der 2 basierendes Ausführungsbeispiel einer weitere Hilfselektroden aufweisenden Partikelsensoreinheit; und
4 eine vorteilhafte Ausgestaltung von Hauptelektroden eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Partikelsensoreinheit.

Embodiments of the invention are illustrated in the drawings and are explained in more detail in the following description. In this case, the same reference numerals in different figures denote the same or at least functionally comparable elements. In each case, in schematic form:

1 an embodiment of a known particle sensor unit;
2 a more detailed embodiment of an inventive, main and first auxiliary electrodes having particle sensor unit;
3 one on the object of 2 based embodiment of a further auxiliary electrode having particle sensor unit; and
4 an advantageous embodiment of main electrodes of an embodiment of a particle sensor unit according to the invention.

Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezug auf eine als Rußpartikelsensoreinheit verwendete Partikelsensoreinheit beschrieben. Das Messgas ist bei dieser Verwendung mit Rußpartikeln beladenes Abgas eines Verbrennungsprozesses. Die Erfindung ist aber auch allgemein zur Messung von Partikelkonzentrationen (nicht notwendigerweise Rußpartikel) in Messgasen (nicht notwendigerweise Abgas) verwendbar, zum Beispiel zur Erfassung von Staubkonzentrationen. Bei der Beschreibung einzelner Figuren wird ggf. auch auf Elemente aus anderen Figuren Bezug genommen.Embodiments of the present invention will be described below with reference to a particulate sensor unit used as a particulate matter sensor unit. The measuring gas is in this use with soot particles laden exhaust gas of a combustion process. However, the invention can also be used generally for measuring particle concentrations (not necessarily soot particles) in sample gases (not necessarily exhaust gas), for example for detecting dust concentrations. When describing individual figures, reference may also be made to elements from other figures.

1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Partikelsensoreinheit 10, die eine hohlzylindrische Außenelektrode 12 und eine hohlzylindrische Innenelektrode 14 aufweist. Soweit wie sie in der 1 dargestellt ist, wird die Partikelsensoreinheit 10 als bekannt vorausgesetzt. Die in der 1 dargestellten Merkmale sind aber auch bei bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung verwirklicht, so dass die Beschreibung der 1 in Verbindung mit der Beschreibung der übrigen Figuren auch als Beschreibung von Teilen von Ausführungsbeispielen zu sehen ist. Die beiden hohlzylindrischen Elektroden 12, 14 sind konzentrisch zueinander angeordnet. Ihre Abmessungen sind so gewählt, dass sich eine lichte Weite zwischen der Außenelektrode 12 und der Innenelektrode 14 ergibt. Bei der Verwendung zur Messung der Partikelkonzentration in einem strömenden Messgas 16 wird die Partikelsensoreinheit 10 so angeordnet, dass die Achsen der hohlzylindrischen Elektroden 12, 14 quer zur Strömungsrichtung des Messgases 16 ausgerichtet sind. Ein dem vorbeiströmenden Messgas 16 zugewandtes erstes Ende 18 der Innenelektrode 14 ragt über ein dem vorbeiströmenden Messgas 16 zugewandtes erstes Ende 20 der Außenelektrode 12 hinaus. Ein dem Messgas 16 abgewandtes zweites Ende 22 der Außenelektrode 12 ragt über ein dem Messgas 16 zugewandtes zweites Ende 24 der Innenelektrode 14 hinaus. 1 shows an embodiment of a particle sensor unit 10 , which is a hollow cylindrical outer electrode 12 and a hollow cylindrical inner electrode 14 having. As far as they are in the 1 is shown, the particle sensor unit 10 assumed to be known. The in the 1 However, illustrated features are also realized in preferred embodiments of the invention, so that the description of the 1 in conjunction with the description of the remaining figures also as a description of parts of embodiments can be seen. The two hollow cylindrical electrodes 12 . 14 are arranged concentrically to each other. Their dimensions are chosen so that there is a clear width between the outer electrode 12 and the inner electrode 14 results. When used to measure particle concentration in a flowing sample gas 16 becomes the particle sensor unit 10 arranged so that the axes of the hollow cylindrical electrodes 12 . 14 transverse to the flow direction of the sample gas 16 are aligned. A gas flowing past it 16 facing first end 18 the inner electrode 14 protrudes over a passing sample gas 16 facing first end 20 the outer electrode 12 out. A the measuring gas 16 remote second end 22 the outer electrode 12 protrudes above the measuring gas 16 facing second end 24 the inner electrode 14 out.

Bei dieser Anordnung tritt das mit Partikeln 43 beladene Messgas 16 am ersten Ende 20 der Außenelektrode 12 in den sich durch die lichte Weite ergebenden Zwischenraum zwischen den beiden Elektroden 12, 14 ein, strömt zum zweiten Ende 24 der Innenelektrode 14, tritt dort unter Umkehr seiner Strömungsrichtung in den Innenraum der hohlzylindrischen Innenelektrode 14 ein und über das erste Ende 18 der Innenelektrode 14 aus dem Innenraum heraus in das am ersten Ende 18 der Innenelektrode 14 vorbeiströmende Messgas 16 ein. Die Elektroden 12, 14 sind gegebenenfalls in einer in der 1 nicht dargestellten Messkammer angeordnet, die mit Löchern versehen ist, über die Messgas in die Messkammer eintreten und wieder austreten kann.In this arrangement, this occurs with particles 43 loaded sample gas 16 at the first end 20 the outer electrode 12 in the space between the two electrodes resulting from the clearance 12 . 14 A, flows to the second end 24 the inner electrode 14 , occurs there reversing its direction of flow into the interior of the hollow cylindrical inner electrode 14 in and over the first end 18 the inner electrode 14 out of the interior into the one at the first end 18 the inner electrode 14 passing sample gas 16 one. The electrodes 12 . 14 are possibly in one in the 1 Arranged measuring chamber, not shown, which is provided with holes through which sample gas entering the measuring chamber and can escape again.

Eine Steuereinheit 26 lädt eine der beiden Elektroden 12, 14, hier die Innenelektrode 14, auf ein hohes elektrisches Potenzial im kV-Bereich auf. Der Potenzialunterschied zu Masse liegt im Bereich 300V bis 5kV abhängig insbesondere vom Abstand der beiden Elektroden, und beträgt zum Beispiel typischerweise 1kV. Die andere Elektrode, hier die Außenelektrode 12, liegt elektrisch auf Masse. Der von dem Messgas 16 durchströmte Zwischenraum zwischen der Innenelektrode 14 und der Außenelektrode 12 ist daher von einem elektrischen Feld erfüllt. Von der positiv geladenen Innenelektrode 12 abreißende, positiv geladene Dendriten transportieren elektrische Ladung zur auf Masse liegenden Außenelektrode 12. Der sich dadurch zwischen den Elektroden 12, 14 einstellende elektrische Strom bildet die Rußpartikelkonzentration im Messgas 16 ab.A control unit 26 charges one of the two electrodes 12 . 14 , here the inner electrode 14 , to a high electrical potential in the kV range. The potential difference to ground is in the range of 300V to 5 kV depending in particular on the distance between the two electrodes, and is typically 1 kV, for example. The other electrode, here the outer electrode 12 , is electrically grounded. The of the sample gas 16 flowed through gap between the inner electrode 14 and the outer electrode 12 is therefore met by an electric field. From the positively charged inner electrode 12 Tearing, positively charged dendrites carry electrical charge to the outer electrode grounded 12 , The thereby between the electrodes 12 . 14 adjusting electrical current forms the soot particle concentration in the sample gas 16 from.

Für die in der 1 dargestellte Anordnung soll die Strömungsrichtung des zwischen der Innenelektrode 14 und der Außenelektrode 12 strömenden Messgases 16 eine x-Richtung eines rechtshändigen Koordinatensystems definieren. Dann sind y-Richtungen dieses Koordinatensystems jeweils radial auswärts gerichtet, und z-Richtungen dieses Koordinatensystems sind tangential ausgerichtet. Diese Richtungsübereinkunft kann für ein Verständnis der Ausführungsbeispiele auch den anderen Figuren zu Grunde gelegt werden, ohne dass die Erfindung auf solche rotationsymmetrische Ausgestaltungen beschränkt ist.For those in the 1 The arrangement shown is intended to the flow direction of between the inner electrode 14 and the outer electrode 12 flowing measuring gas 16 define an x-direction of a right-handed coordinate system. Then, y-directions of this coordinate system are respectively directed radially outward, and z-directions of this coordinate system are tangentially aligned. This direction agreement can also be used for an understanding of the embodiments of the other figures, without the invention being restricted to such rotationally symmetrical embodiments.

2 zeigt ein detaillierteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen, Haupt- und erste Hilfselektroden aufweisenden Partikelsensoreinheit 10. Die Partikelsensoreinheit 10 weist eine Sensoreinheit 28 und eine Steuereinheit 30 auf. Die beiden Einheiten 28, 30 sind bevorzugt durch einen Kabelbaum 32 elektrisch miteinander verbunden, so dass die Steuereinheit 30 auch räumlich getrennt von der Sensoreinheit 28 angeordnet sein kann. Bei einer bevorzugten Anwendung der Erfindung ist das Messgas 16 Abgas eines Verbrennungsmotors eines Straßenkraftfahrzeuges. Die Sensoreinheit 28 ist dann seitlich in einen abgasführenden Teil eines Abgasstrangs des Verbrennungsmotors hineinragend angeordnet, während die empfindlichere Steuereinheit 30 an einer geschützteren Stelle des Kraftfahrzeuges angeordnet ist. 2 shows a more detailed embodiment of an inventive, main and first auxiliary electrodes having particle sensor unit 10 , The particle sensor unit 10 has a sensor unit 28 and a control unit 30 on. The two units 28 . 30 are preferred by a wiring harness 32 electrically connected together so that the control unit 30 also spatially separated from the sensor unit 28 can be arranged. In a preferred application of the invention, the measurement gas is 16 Exhaust gas of an internal combustion engine of a road vehicle. The sensor unit 28 is then laterally projecting into an exhaust-carrying part of an exhaust line of the internal combustion engine, while the more sensitive control unit 30 is arranged at a protected position of the motor vehicle.

Im Betrieb der Sensoreinheit 28 weist diese wenigstens eine Hauptelektrode 34 einer ersten Polarität und eine Hauptelektrode 36 einer zweiten Polarität auf. Die zweite Polarität ist die zur ersten Polarität entgegengesetzte Polarität. Sie ist also negativ, wenn die erste Polarität positiv ist, und umgekehrt.During operation of the sensor unit 28 this has at least one main electrode 34 a first polarity and a main electrode 36 a second polarity. The second polarity is the first one Polarity opposite polarity. It is therefore negative if the first polarity is positive and vice versa.

Die Verteilung der Polaritäten auf die Hauptelektroden 34, 36 kann statisch sein, so dass die Sensoreinheit 28 mit Gleichstrom (DC) betrieben wird. Die Polarität kann auch wechseln, so dass die Sensoreinheit 28 mit Wechselstrom (AC) betrieben wird.The distribution of polarities on the main electrodes 34 . 36 can be static, so the sensor unit 28 operated with direct current (DC). The polarity can also change so that the sensor unit 28 operated with alternating current (AC).

In der folgenden Beschreibung wird die erste Polarität aus Gründen der Lesbarkeit mit der elektrisch positiven Polarität gleichgesetzt. Dies ist aber nicht als Beschränkung auf die aus dieser Gleichsetzung resultierende Polarität zu verstehen. Die Polarität der Elektroden kann auch jeweils umgekehrt sein. Die positive Hauptelektrode 34 entspricht in einem Ausführungsbeispiel der Innenelektrode 14 der 1, und die negative Hauptelektrode 36 entspricht in diesem Ausführungsbeispiel der Außenelektrode 12 der 1. Durch Erzeugen einer elektrischen Spannung zwischen diesen beiden Hauptelektroden 34, 36 stellt sich zwischen den beiden Hauptelektroden 34, 36 ein quer zur zwischen den Hauptelektroden 34, 36 herrschenden Strömungsrichtung x des Messgases 16 ausgerichtetes elektrisches Feld ein.In the following description, the first polarity is equated with the electrically positive polarity for readability. However, this is not to be understood as a restriction to the polarity resulting from this equation. The polarity of the electrodes can also be reversed in each case. The positive main electrode 34 corresponds in one embodiment of the inner electrode 14 of the 1 , and the negative main electrode 36 corresponds in this embodiment, the outer electrode 12 of the 1 , By generating an electrical voltage between these two main electrodes 34 . 36 arises between the two main electrodes 34 . 36 a transverse to between the main electrodes 34 . 36 prevailing flow direction x of the sample gas 16 aligned electric field.

Die Sensoreinheit 30 weist ferner wenigstens eine erste positive Hilfselektrode 38 und wenigstens eine erste negative Hilfselektrode 40 auf. Das in der 2 dargestellte Ausführungsbeispiel weist zwei erste positive Hilfselektroden 38 und zwei erste negative Hilfselektroden 40 auf, ohne dass die Erfindung auf diese Anzahlen festgelegt ist. Die Zahl der ersten positiven Hilfselektroden 38 entspricht damit der Zahl der ersten negativen Hilfselektroden 40. Die Zahl der ersten positiven Hilfselektroden 38 kann aber auch von der Zahl der ersten negativen Hilfselektroden 40 abweichen.The sensor unit 30 further comprises at least a first positive auxiliary electrode 38 and at least one first negative auxiliary electrode 40 on. That in the 2 illustrated embodiment has two first auxiliary positive electrodes 38 and two first negative auxiliary electrodes 40 without the invention being fixed to these numbers. The number of first positive auxiliary electrodes 38 thus corresponds to the number of first negative auxiliary electrodes 40 , The number of first positive auxiliary electrodes 38 but it can also depend on the number of first negative auxiliary electrodes 40 differ.

Die wenigstens eine erste positive Hilfselektrode 38 und die wenigstens eine erste negative Hilfselektrode 40 sind zwischen den beiden Hauptelektroden 34, 36 angeordnet. Die Anordnung zeichnet sich dadurch aus, dass beide Hilfselektroden 38, 40 in der zwischen den Hauptelektroden 34, 36 herrschenden Strömungsrichtung x des Messgases 16 auf gleicher Höhe, also bei der gleichen ersten x-Richtungskoordinate angeordnet sind.The at least one first auxiliary positive electrode 38 and the at least one first negative auxiliary electrode 40 are between the two main electrodes 34 . 36 arranged. The arrangement is characterized in that both auxiliary electrodes 38 . 40 in between the main electrodes 34 . 36 prevailing flow direction x of the sample gas 16 at the same height, ie at the same first x Directional coordinate are arranged.

Jede erste positive Hilfselektrode 38 ist in Bezug auf den Abstand der beiden Hauptelektroden 34, 36 voneinander, also in y-Richtung, näher an der negativen Hauptelektrode 36 als an der positiven Hauptelektrode 34 angeordnet.Every first positive auxiliary electrode 38 is in relation to the distance between the two main electrodes 34 . 36 from each other, ie in y Direction, closer to the negative main electrode 36 as at the positive main electrode 34 arranged.

Jede erste negative Hilfselektrode 40 ist in Bezug auf den Abstand der beiden Hauptelektroden 34, 36 voneinander, also in y-Richtung, näher an der positiven Hauptelektrode 34 als an der negativen Hauptelektrode 36 angeordnet.Every first negative auxiliary electrode 40 is in relation to the distance between the two main electrodes 34 . 36 from each other, ie in y Direction, closer to the positive main electrode 34 as at the negative main electrode 36 arranged.

Die Anordnung zeichnet sich bevorzugt weiter dadurch aus, dass der kleinste Abstand einer Hilfselektrode (z.B. 38) von der ihr nächstliegenden Hauptelektrode (z.B. 36) kleiner ist als ihr Abstand zur nächstbenachbarten Hilfselektrode (in diesem Beispiel 40) entgegengesetzter Polarität.The arrangement is further preferably characterized in that the smallest distance of an auxiliary electrode (e.g., 38) from its nearest main electrode (e.g., 36) is less than its distance to the next adjacent auxiliary electrode (in this example 40) of opposite polarity.

Die einer Hilfselektrode (z.B. 38) nächstbenachbarte Hauptelektrode (in diesem Beispiel: 36) besitzt eine der Polarität der dieser Hilfselektrode entgegengesetzte Polarität. Als Folge bildet sich bei eingeschalteten Elektroden zwischen dieser Hilfselektrode und dieser Hauptelektrode ein weiteres elektrisches Feld aus, dessen Feldlinien auch zur Strömungsrichtung x des Messgases parallel verlaufende Feldlinienabschnitte aufweisen. Dadurch kann die in Strömungsrichtung x des Messgases 16 auf die geladenen und an den Hauptelektroden 34, 36 anhaftenden Dendriten 42 quer zu ihrer Wachstumsrichtung wirkende Kraft durch Einschalten und Ausschalten des weiteren elektrischen Feldes vergrößert und verkleinert werden.The main electrode next to an auxiliary electrode (eg 38) (in this example: 36) has a polarity opposite to that of this auxiliary electrode. As a result, when the electrodes are switched on, a further electric field is formed between this auxiliary electrode and this main electrode, whose field lines also extend to the flow direction x have the measuring gas parallel extending field line sections. This allows the flow direction x of the sample gas 16 on the charged and on the main electrodes 34 . 36 adherent dendrites 42 force acting transversely to its growth direction can be increased and decreased by switching on and off the further electric field.

Dieser Effekt wird bevorzugt dazu verwendet, eine Ablösung der Dendriten 42 von den Hauptelektroden 34, 36 durch das Einschalten und Ausschalten des weiteren elektrischen Feldes gezielt zu steuern. Dadurch ergibt sich eine Korrelation zwischen Signalen, die das Einschalten und Ausschalten des weiteren elektrischen Feldes steuern, und dem durch das Ablösen der Dendriten 42 erzeugten Stromsignal. Diese Korrelation erlaubt vorteilhafterweise eine Aufbereitung des Stromsignals durch Lock In Verstärkung oder andere, dem Fachmann bekannte Signalkorrelationsverfahren.This effect is preferably used to replace the dendrites 42 from the main electrodes 34 . 36 to be controlled by switching on and off the other electric field targeted. This results in a correlation between signals that control the switching on and off of the additional electric field, and by the detachment of the dendrites 42 generated current signal. This correlation advantageously permits a conditioning of the current signal by lock in amplification or other signal correlation methods known to the person skilled in the art.

Die in der 2 dargestellte Steuereinheit 30 weist eine Haupthochspannungsquelle 44 und eine Hilfshochspannungsquelle 46, eine Strommessvorrichtung 48, beispielsweise ein Elektrometer 48.1 und/oder einen Messverstärker 48.2 mit hohem Verstärkungsfaktor, eine elektronische Steuereinrichtung 50 und verschiedene Schalter S1, S2, S3 auf, die von der elektronischen Steuereinrichtung 50 betätigt werden. Ein von der Strommesseinrichtung 48 erfasstes Messsignal wird von der elektronischen Steuereinrichtung 50 aufbereitet und an einem Ausgang 52 der Steuereinheit 30 als Ausgangssignal der Partikelsensoreinheit 10 bereitgestellt.The in the 2 shown control unit 30 has a main high voltage source 44 and an auxiliary high voltage source 46 , a current measuring device 48 , for example, an electrometer 48.1 and / or a measuring amplifier 48.2 high gain, an electronic control device 50 and various switches S1, S2, S3 received from the electronic control device 50 be operated. One of the current measuring device 48 detected measurement signal is from the electronic control device 50 prepared and at an exit 52 the control unit 30 as an output signal of the particle sensor unit 10 provided.

Die elektronische Steuereinrichtung 50 weist einen Mikroprozessor 54 und einen Speicher auf. In einem ersten Teilbereich 56 des Speichers sind Programmteile gespeichert, die vom Mikroprozessor 54 zur Steuerung der Schalter S1, S2, S3 abgearbeitet werden.The electronic control device 50 has a microprocessor 54 and a memory on. In a first section 56 of the memory are program parts stored by the microprocessor 54 to control the switches S1, S2, S3 are processed.

In einem zweiten Teilbereich 58 des Speichers sind Programmteile gespeichert, die vom Mikroprozessor 54 zur Aufbereitung des Stromsignals durch Lock In Verstärkung oder andere Signalkorrelationstechniken abgearbeitet werden.In a second subarea 58 of the memory are program parts stored by the microprocessor 54 for conditioning the current signal be processed by lock in amplification or other signal correlation techniques.

Die Haupthochspannungsquelle 44 ist zwischen Masse und der wenigstens einen positiven Hauptelektrode 34 angeordnet und über einen ersten Strompfad 60 mit der wenigstens einen positiven Hauptelektrode 34 verbunden. In dem ersten Strompfad 60 sind die Strommessvorrichtung 48 und ein erster Schalter S1 angeordnet, der von dem Mikroprozessor 54 gesteuert wird und mit dem der erste Strompfad 60 zum Ausschalten der Partikelsensoreinheit 10 unterbrochen werden kann. Während des Betriebs der Partikelsensoreinheit 10 ist der erste Schalter S1 permanent geschlossen. Abweichend von Darstellung in 2 ist die Strommessvorichtung 48 bevorzugt zwischen Masse und der Hochspannungsquelle 44 angeordnet.The main high voltage source 44 is between ground and the at least one positive main electrode 34 arranged and over a first current path 60 with the at least one positive main electrode 34 connected. In the first rung 60 are the current measuring device 48 and a first switch S1 arranged by the microprocessor 54 is controlled and with which the first current path 60 to turn off the particle sensor unit 10 can be interrupted. During operation of the particle sensor unit 10 the first switch S1 is permanently closed. Deviating from illustration in 2 is the current measuring device 48 preferably between ground and the high voltage source 44 arranged.

Als Option ist in dem ersten Strompfad 60 ein zweiter Schalter S2 angeordnet, der von dem Mikroprozessor 54 gesteuert wird und mit dem der erste Strompfad 60 zum Ausschalten unterbrochen werden kann. Die negative Hauptelektrode 36 ist permanent mit Masse verbunden.As an option, in the first rung 60 a second switch S2 arranged by the microprocessor 54 is controlled and with which the first current path 60 can be interrupted to turn off. The negative main electrode 36 is permanently connected to ground.

Die Hilfshochspannungsquelle 46 ist zwischen Masse und der wenigstens einen positiven Hilfselektrode 38 angeordnet und über einen zweiten Strompfad 62 mit der wenigstens einen positiven Hilfselektrode 38 verbunden.The auxiliary high voltage source 46 is between ground and the at least one positive auxiliary electrode 38 arranged and over a second current path 62 with the at least one positive auxiliary electrode 38 connected.

In dem zweiten Strompfad 62 ist ein dritter Schalter S3 angeordnet, der von dem Mikroprozessor 54 gesteuert wird und mit dem der zweite Strompfad 62 zur positiven Hilfsspannungselektrode 38 geschlossen und unterbrochen werden kann. Der dritte Schalter S3 dient zum Einschalten und Ausschalten des weiteren elektrischen Feldes. Eine erste negative Hilfselektrode 40 ist permanent mit Masse verbunden.In the second rung 62 a third switch S3 is arranged by the microprocessor 54 is controlled and with the second current path 62 to the positive auxiliary voltage electrode 38 closed and can be interrupted. The third switch S3 is used to turn on and off the further electric field. A first negative auxiliary electrode 40 is permanently connected to ground.

In einer Ausgestaltung des Gegenstands der 2 ist die Steuereinheit 30 dazu eingerichtet, das über die Hauptelektroden 34, 36 erzeugte elektrische Feld abzuschalten, wenn das weitere elektrische Feld eingeschaltet wird. Die Abschaltung erfolgt mit dem zweiten Schalter S2. Dabei wird der zweite Schalter S2 bevorzugt zeitgleich mit dem dritten Schalter S3 betätigt und geschlossen, wenn der dritte Schalter S3 geöffnet wird, und geöffnet, wenn der dritte Schalter S3 geschlossen wird.In one embodiment of the subject matter of 2 is the control unit 30 set up that via the main electrodes 34 . 36 to turn off the electric field generated when the further electric field is turned on. The shutdown takes place with the second switch S2. In this case, the second switch S2 is preferably actuated and closed simultaneously with the third switch S3 when the third switch S3 is opened, and opened when the third switch S3 is closed.

In einer weiteren Ausgestaltung des Gegenstands der 2 ist die Steuereinheit 30 dazu eingerichtet, das über die Hauptelektroden 34, 36 erzeugte elektrische Feld aufrechtzuerhalten, wenn das weitere elektrische Feld eingeschaltet wird. In diesem Fall kann auf den zweiten Schalter S2 verzichtet werden. Die Hilfselektroden 38, 40 sind bevorzugt als äquidistant zu den Hauptelektroden 34, 36 verlaufende gerade oder gekrümmte Stäbe oder als geschlossene Ringe verwirklicht.In a further embodiment of the subject matter of 2 is the control unit 30 set up that via the main electrodes 34 . 36 maintained electric field when the other electric field is turned on. In this case, can be dispensed with the second switch S2. The auxiliary electrodes 38 . 40 are preferred as equidistant to the main electrodes 34 . 36 running straight or curved rods or realized as closed rings.

3 zeigt ein auf dem Gegenstand der 2 basierendes Ausführungsbeispiel einer weitere Hilfselektroden aufweisenden Partikelsensoreinheit. Dabei weist die Sensoreinheit über die bereits in der Verbindung mit der 2 beschriebene erste positive Hilfselektrode 38 und erste negative Hilfselektrode 40 hinaus wenigstens eine weitere positive Hilfselektrode 64 und wenigstens eine weitere negative Hilfselektrode 66 auf. Das in der 3 dargestellte Ausführungsbeispiel weist insbesondere zwei weitere positive Hilfselektroden 64 und zwei weitere negative Hilfselektroden 66 auf, ohne dass die Erfindung auf diese Anzahl festgelegt ist. Die Zahl der weiteren positiven Hilfselektroden 64 entspricht damit der Zahl der weiteren negativen Hilfselektroden 66. Die Zahl der weiteren positiven Hilfselektroden 64 kann aber auch von der Zahl der weiteren negativen Hilfselektroden 66 abweichen. 3 shows one on the object of the 2 based embodiment of a further auxiliary electrode having particle sensor unit. In this case, the sensor unit via the already in connection with the 2 described first positive auxiliary electrode 38 and first negative auxiliary electrode 40 In addition, at least one further positive auxiliary electrode 64 and at least one further negative auxiliary electrode 66 on. That in the 3 illustrated embodiment, in particular, two further positive auxiliary electrodes 64 and two more negative auxiliary electrodes 66 on, without the invention is set to this number. The number of additional positive auxiliary electrodes 64 thus corresponds to the number of other negative auxiliary electrodes 66 , The number of additional positive auxiliary electrodes 64 but also by the number of other negative auxiliary electrodes 66 differ.

Die weiteren Hilfselektroden 64, 66 sind bevorzugt als äquidistant zu den Hauptelektroden 34, 36 verlaufende gerade oder gekrümmte Stäbe oder als geschlossene Ringe verwirklicht. Die wenigstens eine weitere positive Hilfselektrode 64 und wenigstens eine weitere negative Hilfselektrode 66 sind zwischen den beiden Hauptelektroden 34 und 36 angeordnet. Die Anordnung zeichnet sich dadurch aus, dass die weiteren Hilfselektroden 64, 66 in der zwischen den Hauptelektroden 34, 36 herrschenden Strömungsrichtung x des Messgases 16 auf gleicher Höhe, also bei der gleichen weiteren x-Richtungskoordinate in einem Abstand in x-Richtung zu den ersten Hilfselektroden 38, 40 angeordnet sind.The other auxiliary electrodes 64 . 66 are preferred as equidistant to the main electrodes 34 . 36 running straight or curved rods or realized as closed rings. The at least one further positive auxiliary electrode 64 and at least one further negative auxiliary electrode 66 are between the two main electrodes 34 and 36 arranged. The arrangement is characterized in that the further auxiliary electrodes 64 . 66 in between the main electrodes 34 . 36 prevailing flow direction x of the sample gas 16 at the same height, ie at the same further x-direction coordinate at a distance in x Direction to the first auxiliary electrodes 38 . 40 are arranged.

Jede weitere positive Hilfselektrode 64 ist in Bezug auf den Abstand der beiden Hauptelektroden 34, 36 voneinander, also in y-Richtung, näher an der positiven Hauptelektrode 34 als an der negativen Hauptelektrode 36 angeordnet. Jede weitere negative Hilfselektrode 66 ist in Bezug auf den Abstand der beiden Hauptelektroden 34, 36 voneinander, also in y-Richtung, näher an der negativen Hauptelektrode 36 als an der positiven Hauptelektrode 34 angeordnet.Each additional positive auxiliary electrode 64 is in relation to the distance between the two main electrodes 34 . 36 from each other, ie in y Direction, closer to the positive main electrode 34 as at the negative main electrode 36 arranged. Each additional negative auxiliary electrode 66 is in relation to the distance between the two main electrodes 34 . 36 from each other, ie in y Direction, closer to the negative main electrode 36 as at the positive main electrode 34 arranged.

Die Anordnung zeichnet sich bevorzugt weiter dadurch aus, dass der kleinste Abstand einer weiteren Hilfselektrode 64, 66 von der ihr nächstliegenden Hauptelektrode 34, 36 kleiner ist als ihr Abstand zur nächstbenachbarten weiteren Hilfselektrode 66, 64 entgegengesetzter Polarität.The arrangement is preferably further characterized in that the smallest distance of a further auxiliary electrode 64 . 66 from the nearest main electrode 34 . 36 is smaller than their distance to the next adjacent auxiliary electrode 66 . 64 opposite polarity.

Die einer weiteren Hilfselektrode (z.B. 64) in Strömungsrichtung x des Messgases nächstbenachbarte erste Hilfselektrode (in diesem Beispiel: 40) besitzt die entgegengesetzte Polarität wie die weitere Hilfselektrode (in diesem Beispiel 64). Als Folge bildet sich bei eingeschalteten Elektroden zwischen diesen Hilfselektroden (in diesem Beispiel: 64, 40) ein weiteres elektrisches Feld aus, dessen Feldlinien auch zur Strömungsrichtung x des Messgases 16 parallel verlaufende Feldlinienabschnitte aufweisen. Dadurch kann die in Strömungsrichtung x des Messgases 16 auf die geladenen und an den Hauptelektroden 34, 36 anhaftenden Dendriten 42 quer zu deren Wachstumsrichtung wirkende Kraft durch Einschalten und Ausschalten des weiteren elektrischen Feldes vergrößert und verkleinert werden.That of another auxiliary electrode (eg 64) in the flow direction x The next adjacent auxiliary electrode (in this example: 40) of the measuring gas has the opposite polarity as the other one Auxiliary electrode (64 in this example). As a consequence, when the electrodes are switched on, a further electric field is formed between these auxiliary electrodes (in this example: 64, 40), whose field lines also correspond to the flow direction x of the sample gas 16 have parallel field line sections. This allows the flow direction x of the sample gas 16 on the charged and on the main electrodes 34 . 36 adherent dendrites 42 force acting transversely to their growth direction can be increased and decreased by switching on and off the further electric field.

Dieser Effekt erlaubt eine gezielte Steuerung der Ablösung von Dendriten 42 von den Hauptelektroden 34, 36 durch das Einschalten und Ausschalten des weiteren elektrischen Feldes. Wie bereits erwähnt, ergibt sich dadurch eine Korrelation zwischen Signalen, die das Einschalten und Ausschalten des weiteren elektrischen Feldes steuern, und dem durch das Ablösen der Dendriten 42 erzeugten Stromsignal. Diese Korrelation erlaubt vorteilhafterweise eine Aufbereitung des Stromsignals durch Lock In Verstärkung oder andere, dem Fachmann bekannte Signalkorrelationsverfahren.This effect allows a targeted control of the detachment of dendrites 42 from the main electrodes 34 . 36 by switching on and off the further electric field. As already mentioned, this results in a correlation between signals which control the switching on and off of the further electric field, and by the detachment of the dendrites 42 generated current signal. This correlation advantageously permits a conditioning of the current signal by lock in amplification or other signal correlation methods known to the person skilled in the art.

Gegenüber dem Ausführungsbeispiel nach 2, bei dem keine weiteren positiven Hilfselektroden und weiteren negativen Hilfselektroden vorhanden sind, ergibt sich beim Ausführungsbeispiel nach der 3 bei eingeschalteten Hilfselektroden eine größere Feldstärke in der zwischen den Hauptelektroden 34, 36 herrschenden Strömungsrichtung x des Messgases, was die gezielt gesteuerte Ablösung durch erhöhte elektrostatische Kräfte begünstigt und damit eine weitere Verbesserung der Reproduzierbarkeit des Messsignals und eine weitere Verbesserung des Signal to Noise Ratio erlaubt.According to the embodiment according to 2 , in which no further positive auxiliary electrodes and further negative auxiliary electrodes are present, results in the embodiment according to the 3 when the auxiliary electrodes are switched on a larger field strength in the between the main electrodes 34 . 36 prevailing flow direction x of the measurement gas, which favors the targeted controlled detachment by increased electrostatic forces and thus allows a further improvement of the reproducibility of the measurement signal and a further improvement of the signal to noise ratio.

In einer weiteren Ausführung kann durch Hilfselektroden, wie sie in der 3 angeordnet sind, aber mit veränderter Polarität gepolt sind, ein elektrisches Feld erzeugt werden, das die Dendriten 42 entgegen der Strömungsrichtung x des Messgases 16 zieht. Die Stärke dieses die fluiddynamischen Kräfte zumindest teilweise kompensierenden Feldes kann dynamisch an die aktuelle Messgas-Strömungsgeschwindigkeit angepasst werden, die für den Fall von Abgas eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs als Messgas durch andere im Abgas angeordnete Sensoren bekannt ist. Damit lässt sich der Einfluss der Strömung auf das Abreißen der Dendriten 42 zeitweise reduzieren bzw. eliminieren. Durch dieses Verfahren lässt sich der Abreißzeitpunkt der Dendriten 42 noch besser steuern.In a further embodiment, by auxiliary electrodes, as shown in the 3 are arranged, but poled with altered polarity, an electric field can be generated that the dendrites 42 against the flow direction x of the sample gas 16 draws. The strength of this field, which at least partially compensates for the fluid-dynamic forces, can be adapted dynamically to the current measuring gas flow velocity, which is known as the measuring gas by other sensors arranged in the exhaust gas in the case of exhaust gas of an internal combustion engine of a motor vehicle. This allows the influence of the flow on the rupture of the dendrites 42 reduce or eliminate temporarily. By this method, the tear time of the dendrites can be 42 even better control.

4 zeigt eine vorteilhafte Ausgestaltung von Hauptelektroden 34, 36 eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Partikelsensoreinheit. Die Hauptelektroden 34, 36 zeichnen sich dadurch aus, dass wenigstens eine der beiden Hauptelektroden 34, 36, hier beide Hauptelektroden 34, 36, auf ihrer der jeweils anderen Hauptelektrode 36, 34 zugewandt gegenüberliegenden Fläche so strukturiert ist, dass sie wenigstens eine erste Teilfläche 68 aufweist, die eine stärkere Krümmung aufweist als von der ersten Teilfläche 68 verschiedene Restflächen 70 der der anderen Hauptelektrode zugewandt gegenüberliegenden Fläche. Die stärkere Krümmung zeigt sich in der 4 darin, dass die ersten Teilflächen 68 jeweils eine Spitze oder eine Kante aufweisen. Eine solche Spitze stellt ein Beispiel einer starken konvexen Krümmung dar (Spitzen sind mathematisch als konvexe Krümmungen mit kleinen Krümmungsradien beschreibbar. Eine Kante ergibt sich zum Beispiel durch senkrecht zur Zeichnungsebene erfolgendes Extrudieren der Spitze. Im unmittelbaren Bereich der Spitze ist die Teilfläche 68 stark konvex gekrümmt. Die Restflächen 70 weisen eine im Vergleich zu der starken konvexen Krümmung schwächere konkave Krümmung auf. 4 shows an advantageous embodiment of main electrodes 34 . 36 an embodiment of a particle sensor unit according to the invention. The main electrodes 34 . 36 are characterized in that at least one of the two main electrodes 34 . 36 , here both main electrodes 34 . 36 , on their respective other main electrode 36 . 34 facing opposite surface is structured so that it has at least a first partial surface 68 has, which has a greater curvature than from the first partial surface 68 different residual surfaces 70 the opposite of the other main electrode facing surface. The stronger curvature is evident in the 4 in that the first faces 68 each have a tip or an edge. Such an apex is an example of a strong convex curvature (peaks are mathematically described as convex curvatures with small radii of curvature.) An edge results, for example, from extruding the tip perpendicular to the plane of the drawing 68 strongly convex curved. The remaining areas 70 have a weaker compared to the strong convex curvature concave curvature.

Die beiden Elektroden 34, 36 sind beim Gegenstand der 4 planar oder radial-symmetrisch zueinander mit in Strömungsrichtung des Messgases im Mittel gleichbleibendem Abstand A1 zueinander angeordnet. Eine Höhe d1 der Spitzen oder Kanten, mit der die Spitzen oder Kanten aus den Restflächen 70 herausragen, ist nur so groß, dass sich bei der zwischen beiden Hauptelektroden 34, 36 liegenden elektrischen Spannung keine elektrischen Überschläge ergeben. Alternativ zur Strukturierung der Elektrodenoberfläche(n) in Form von Spitzen können die Strukturen auch flächig ausgeprägte und in das elektrische Feld ragende, eine scharfe Kante aufweisende Strukturen auf wenigstens einer Elektrode sein. Die Anordnung der Hauptelektroden erfolgt in einer bei jedem Ausführungsbeispiel in einer Art und Weise, bei der sich ein Einlass und ein Auslass für das an den Elektroden vorbeiströmende Messgas ergibt, sodass eine dendritische Ablagerung von Ruß auf wenigstens einer der Hauptelektroden erfolgen kann.The two electrodes 34 . 36 are at the subject of 4 planar or radial-symmetrical with each other in the flow direction of the sample gas in the middle constant distance A1 arranged to each other. A height d1 the tops or edges that make up the tops or edges of the remaining surfaces 70 sticking out is just so big that is between the two main electrodes 34 . 36 lying electrical voltage no electrical flashovers result. As an alternative to structuring the electrode surface (s) in the form of tips, the structures can also be surface-shaped and projecting in the electric field, having a sharp edge structures on at least one electrode. The arrangement of the main electrodes is done in a manner in each embodiment in which an inlet and an outlet for the sample gas flowing past the electrodes result, so that a dendritic deposition of soot on at least one of the main electrodes can take place.

Auf diese Weise strukturierte Hauptelektroden 34, 36 begünstigen eine Rußablagerung in Form von Dendriten 42 und ein Wachstum der Dendriten 42. Dadurch, dass die Strukturierungselemente in Form der Teilflächen 68 in Bezug zum mittleren Elektrodenabstand signifikante Ausmaße annehmen, z.B. 1/10 des mittleren Abstandes A1 zwischen den Hauptelektroden 34, 36, beeinflussen sie die Gasströmung zwischen den Hauptelektroden 34, 36 gezielt. Damit lässt sich zum Beispiel lokal eine Normalkomponente (in Bezug auf die Längserstreckung der Hauptelektroden) der Messgasströmung und/oder eine Erhöhung der Messgasgeschwindigkeit in der Umgebung der Teilflächen in Verbindung mit der elektrischen Spitzenwirkung erzielen. Damit kann das Wachstum und das Ablöseverhalten der aus Partikeln, insbesondere Rußpartikeln 43 zusammengesetzten Dendriten 42 gezielt beeinflusst werden.Main electrodes structured in this way 34 . 36 favor soot deposition in the form of dendrites 42 and a growth of dendrites 42 , Characterized in that the structuring elements in the form of the part surfaces 68 assume significant proportions in relation to the mean electrode spacing, eg 1/10 of the mean distance A1 between the main electrodes 34 . 36 , they influence the gas flow between the main electrodes 34 . 36 specifically. Thus, for example, a normal component (with respect to the longitudinal extension of the main electrodes) of the sample gas flow and / or an increase in the measurement gas velocity in the vicinity of the partial surfaces in conjunction with the electrical peak effect can be achieved locally. Thus, the growth and the detachment behavior of particles, in particular soot particles 43 compound dendrites 42 be specifically influenced.

Eine Hauptelektrode 34 oder 36 oder auch beide Hauptelektroden eines Elektrodenpaars, die auf ihrer der jeweils anderen Elektrode zugewandt gegenüberliegenden Fläche so strukturiert ist, dass sie wenigstens eine erste Teilfläche aufweist, die eine stärkere Krümmung aufweist als von der ersten Teilfläche verschiedene Restflächen der der anderen Elektrode zugewandt gegenüberliegenden Fläche, können mit jeder der in dieser Anmeldung vorgestellten Zahl und Anordnung von Hilfselektroden kombiniert werden.A main electrode 34 or 36 or both main electrodes of a pair of electrodes, which is structured on its opposite surface facing the respective other electrode so that it has at least a first partial surface, which has a greater curvature than the first partial surface different residual surfaces of the other electrode facing opposite surface, can are combined with each of the number and arrangement of auxiliary electrodes presented in this application.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

US 8713991 B2 [0001, 0004]
DE 102006029215 A1 [0003]

Claims

Particle sensor unit (10) having a sensor unit (28) and a control unit (30), wherein the sensor unit (28) has at least one first main electrode (34) which is connectable via a first current path (60) to a main high voltage source (44) and in connected state has a first polarity, and wherein the sensor unit (28) has a main electrode (36) of a second polarity opposite to the first polarity, characterized in that the sensor unit (28) has at least one first auxiliary electrode (38) over a second current path (62) is connectable to a high voltage source (46) and in the connected state has the first polarity, and that the sensor unit (28) has at least one first auxiliary electrode (40) of the second polarity.

Particle sensor unit (10) after Claim 1 , characterized in that the high voltage source is an auxiliary high voltage source (46) or the main high voltage source (44).

The particle sensor unit (10) according to any one of the preceding claims, characterized in that the at least one first auxiliary electrode (38) having the first polarity in the connected state and the at least one first auxiliary electrode (40) of the second polarity between the two main electrodes (34 , 36) are arranged.

Particle sensor unit (10) after Claim 3 , characterized in that both first auxiliary electrodes (38, 40) are arranged at the same height in a flow direction (x) of a measuring gas (26) prevailing during operation of the particle sensor unit (10) between the main electrodes (34, 36).

Particle sensor unit (10) after Claim 3 or 4 characterized in that each first auxiliary electrode (38) having the first polarity in the connected state is located closer to the main electrode (36) of the second polarity than the one of the two main electrodes (34, 36) Main electrode (34) which is connectable via the first current path (60) with the main high voltage source (44).

Particle sensor unit (10) according to one of Claims 3 to 5 characterized in that each first auxiliary electrode (40) of the second polarity is closer to the main electrode (34) with respect to the distance of the two main electrodes (34, 36) from each other via the first current path (60) to the main voltage source (44). is connectable than is arranged on the main electrode (36) of the second polarity.

Particle sensor unit (10) according to one of Claims 3 to 6 , characterized in that the smallest distance of an auxiliary electrode (38, 40, 64, 66) from its nearest main electrode (36, 38) is smaller than its distance to the next adjacent auxiliary electrode (40, 38, 66, 64) of opposite polarity.

Particle sensor unit (10) according to one of Claims 3 to 7 , characterized in that a main electrode (36) next to a first auxiliary electrode (38) has a polarity opposite to the polarity of the first auxiliary electrode (38).

Particle sensor unit (10) according to one of Claims 3 to 8th , characterized in that both first auxiliary electrodes (38, 40) are arranged at the same height in a flow direction (x) of a measuring gas (16) prevailing during operation of the particle sensor unit (10) between the main electrodes (34, 36).

Particle sensor unit (10) according to any one of the preceding claims, characterized in that at least one of the two main electrodes (34, 36) of an electrode pair on its the other electrode (36, 34) facing opposite surface is structured so that it at least a first partial surface (68), which has a greater curvature than the rest of the first surface (68) different residual surfaces (70) facing the other electrode opposite surface.