DE102017210510A1

DE102017210510A1 - Particle sensor unit with a Gasstromvariationsvorrichtung

Info

Publication number: DE102017210510A1
Application number: DE102017210510.0A
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: 2017-05-15
Filing date: 2017-06-22
Publication date: 2018-11-15

Abstract

Vorgestellt wird eine Partikelsensoreinheit mit einer Messkammer (12) und einer Steuereinheit. In der Messkammer (12) sind zwei Elektroden (22, 24) angeordnet und an eine Spannungsquelle angeschlossen. Eine Steuereinheit weist eine Strommessvorrichtung auf, die einen zwischen den beiden Elektroden (22, 24) fließenden elektrischen Strom misst. Die Partikelsensoreinheit zeichnet sich dadurch aus, dass sie eine Gasstromvariationsvorrichtung (60) aufweist, mit der ein zwischen den Elektroden (22, 24) fließender Gasstrom variierbar ist.A particle sensor unit with a measuring chamber (12) and a control unit is presented. In the measuring chamber (12) two electrodes (22, 24) are arranged and connected to a voltage source. A control unit has a current measuring device which measures an electric current flowing between the two electrodes (22, 24). The particle sensor unit is characterized in that it has a gas flow variation device (60) with which a gas flow flowing between the electrodes (22, 24) can be varied.

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 Messkammer und eine Steuereinheit auf, wobei die Messkammer eine Messgaseinlassöffnung und eine Messgasauslassöffnung aufweist. In der Messkammer ist 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 Spannungsquelle und eine Strommessvorrichtung auf. Die Spannungsquelle erzeugt zwischen den beiden Elektroden eine bevorzugt, aber nicht zwingend konstante elektrische Spannung, und die Strommessvorrichtung misst einen zwischen den beiden Elektroden fließenden elektrischen Strom.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 measuring chamber and a control unit, wherein the measuring chamber has a Meßgaseinlassöffnung and a Meßgasauslassöffnung. In the measuring chamber, a pair of electrodes having electrode pair is arranged. 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 voltage source connected to the electrodes and a current measuring device. The voltage source generates a preferred but not necessarily constant electrical voltage between the two electrodes, and the current measuring device measures an electric current flowing between the two electrodes.

Partikelsensoren werden zunehmend zur On-Board Diagnostik (OBD) von Partikelfiltern (DPF) von Kraftfahrzeugen, insbesondere in Verbindung mit Verbrennungsmotoren eingesetzt. Dabei hat sich bisher ein resistives Prinzip zur Messung der Partikelkonzentration gemäß DE 10 2006 029 215 A1 durchgesetzt. 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. Bisher bekannte resistive Prinzipien sind aufgrund ihrer Auslegung in ihrem Messbereich limitiert, insbesondere hinsichtlich der erforderlichen Messempfindlichkeit. Schwankungen von Umgebungsparametern wie dem Druck, der Temperatur und der Messgasgeschwindigkeit im Abgasrohr beeinträchtigen die Messgenauigkeit.Particle sensors are increasingly used for on-board diagnostics (OBD) of particle filters (DPF) of motor vehicles, especially in connection with internal combustion engines. In this case, a resistive principle for measuring the particle concentration according to DE 10 2006 029 215 A1 enforced. 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. Previously known resistive principles are limited due to their design in their measuring range, in particular with regard to the required measuring sensitivity. Fluctuations in environmental parameters such as pressure, temperature and gas velocity in the exhaust pipe affect the accuracy of measurement.

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 Abgas als 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 wachsen Rußdendriten bevorzugt entlang der Feldlinien. Die Dendriten ragen bei fortschreitendem Wachstum immer weiter in das vorbeiströmende Abgas hinein und erfahren dadurch eine fluiddynamische Kraft. Gleichzeitig erfahren sie eine mit zunehmender Länge steigende elektrische Anziehungskraft, die zur Gegenelektrode gerichtet ist und die 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 Abreißlänge betrachten kann, hängt bei konstanter Rußkonzentration u. a. von der elektrischen Feldstärke und der Strömungsgeschwindigkeit des Abgases 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 constructed in such a way that exhaust gas laden with soot flows past at least one electrode as the measurement gas. In this case, soot deposits preferentially on the potential electrode. Due to the electric field existing between the two electrodes, soot dendrites preferably grow along the field lines. As the growth proceeds, the dendrites protrude ever further into the exhaust 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 to the counter electrode and resulting 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 considered as the critical length or tear-off length, depends on the electric field strength and the flow velocity of the exhaust 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 Abgasgeschwindigkeit 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 with respect to the exhaust gas velocity or the temperature.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Die erfindungsgemäße Partikelsensoreinheit unterscheidet sich von diesem Stand der Technik dadurch, dass die Partikelsensoreinheit eine Gasstromvariationsvorrichtung aufweist, mit der ein zwischen den Elektroden fließender Gasstrom variierbar ist.The particle sensor unit according to the invention differs from this prior art in that the particle sensor unit has a gas flow variation device with which a gas flow flowing between the electrodes can be varied.

Im Gegensatz zum bekannten resistiven Sensor lassen die abgelagerten Partikel bei der Erfindung keine leitfähigen Pfade zwischen den Elektroden entstehen, die wieder abgebrannt werden müssen, um die Sensorfunktion zu erhalten. Bei der Erfindung kann der Vorgang des Abbrennens entfallen, da sich die in Form von Dendriten agglomerierten Partikel selbstständig wieder ablösen.In contrast to the known resistive sensor, the deposited particles in the invention do not cause conductive paths between the electrodes, which must be burned off again to obtain the sensor function. In the invention, the process of burning off can be dispensed with, since the particles agglomerated in the form of dendrites spontaneously detach again.

Mit der Gasstromvariationsvorrichtung lassen sich Gaspulse in Form von Schwankungen des Druckes und/oder der Strömungsgeschwindigkeit erzeugen, mit denen ein Abreißen der Dendriten von den Elektroden gezielt ausgelöst werden kann. Damit lässt sich die kritische Länge der Dendriten (Abreißlänge), unabhängig von der angelegten Hochspannung und vom Basiswert der Strömungsgeschwindigkeit steuern. Letztere ist z.B. im echten Fahrzeugbetrieb mit Verbrennungsmotorabgas als Messgas sehr unregelmäßig und begrenzt damit die Empfindlichkeit des Sensors. Neben der Reduktion dieses Nachteils können die Gaspulse auch zeitlich alternierend eingesetzt werden, was zu einer zeitlichen Variation der Ablösung der Dendriten und damit des Elektrodenstromes führt. Unter Anwendung von Korrelationstechniken (z.B. Lock-In) zwischen den beiden Größen (Gaspuls und Elektrodenstrom) kann das Signal to Noise Ratio verbessert werden. The gas flow variation device can be used to generate gas pulses in the form of fluctuations in the pressure and / or the flow velocity with which tearing off of the dendrites by the electrodes can be triggered in a targeted manner. This allows the critical length of the dendrites (tear-off length) to be controlled independently of the applied high voltage and the basic value of the flow velocity. The latter is very irregular, for example, in real vehicle operation with engine exhaust gas as the measuring gas and thus limits the sensitivity of the sensor. In addition to the reduction of this disadvantage, the gas pulses can also be used alternately over time, which leads to a temporal variation of the detachment of the dendrites and thus of the electrode current. Using correlation techniques (eg lock-in) between the two quantities (gas pulse and electrode current) the signal to noise ratio can be improved.

Weiter ist bevorzugt, dass wenigstens eine der beiden Elektroden einen gasführenden Kanal aufweist, der in wenigstens einer ersten Teilfläche der Elektrode Öffnungen zum zwischen den beiden einander gegenüberliegenden Elektroden liegenden Zwischenraum aufweist. Durch diese Öffnungen lässt sich Gas in den Zwischenraum zwischen den Elektroden einblasen, um ein Abreißen von Dendriten auszulösen.It is further preferred for at least one of the two electrodes to have a gas-carrying channel which has openings in at least one first partial area of the electrode for the intermediate space lying between the two electrodes located opposite one another. Through these openings, gas can be blown into the space between the electrodes to trigger a rupture of dendrites.

Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass beide Elektroden jeweils einen gasführenden Kanal aufweisen, der Öffnungen zum zwischen den beiden einander gegenüberliegenden Elektroden liegenden Zwischenraum aufweist. Diese Ausgestaltung ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn sich die Dendriten an jeder der beiden Elektroden des Elektrodenpaars anhaftend anlagern.A further preferred refinement is characterized in that both electrodes each have a gas-conducting channel which has openings for the intermediate space located between the two mutually opposite electrodes. This embodiment is particularly advantageous if the dendrites adhere to each of the two electrodes of the electrode pair adhering.

Bevorzugt ist auch, dass der gasführende Kanal über ein steuerbares Pneumatikventil an eine Quelle für unter Druck stehendes Gas angeschlossen ist.It is also preferred that the gas-carrying channel is connected via a controllable pneumatic valve to a source of pressurized gas.

Weiter ist bevorzugt, dass die Steuereinheit über eine Steuerleitung mit dem Pneumatikventil verbunden ist, und dazu eingerichtet ist, den Öffnungszustand des Pneumatikventils zu steuern.It is further preferred that the control unit is connected via a control line to the pneumatic valve, and is adapted to control the opening state of the pneumatic valve.

Durch ein gesteuert erfolgendes Öffnen und Schließen des Pneumatikventils lässt sich insbesondere eine gute Korrelation zwischen dem Steuersignal und dem Messignal erzeugen, was insbesondere für eine mit Hilfe von Signalkorrelationsverfahren erfolgende Signalverarbeitung von Vorteil ist.In particular, a good correlation between the control signal and the measurement signal can be generated by controlled opening and closing of the pneumatic valve, which is advantageous in particular for signal processing using signal correlation methods.

Bevorzugt ist auch, dass das Gas verdichtete Frischluft oder verdichtetes Messgas ist.It is also preferred that the gas is compressed fresh air or compressed measuring gas.

Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass die Gasstromvariationsvorrichtung ein Flatterventil ist, das im Messgasstrom zwischen den Elektroden und dem Messgaseinlass angeordnet ist.A further preferred embodiment is characterized in that the gas flow variation device is a flutter valve, which is arranged in the measuring gas flow between the electrodes and the sample gas inlet.

Ein solches Flatterventil kann in eine Messgasfluss-Führung in einem Schutzrohr des Sensors eingesetzt werden. Es verursacht eine variierende Luftströmung, was das Ablösungsverhalten der Dendriten und damit die Genauigkeit des Sensors verbessert. Eine solche Lösung kann gegenüber einer Lösung mit einem zusätzlichen Luftkanal in den Elektroden einen Kostenvorteil haben. Such a flutter valve can be inserted into a sample gas flow guide in a protective tube of the sensor. It causes a varying air flow, which improves the detachment behavior of the dendrites and thus the accuracy of the sensor. Such a solution may have a cost advantage over a solution with an additional air channel in the electrodes.

Bevorzugt ist auch, dass wenigstens eine der beiden Elektroden auf ihrer der anderen Elektrode 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 gegenüberliegenden Fläche.It is also preferred that at least one of the two electrodes is structured on its surface opposite to the other electrode such that it has at least one first partial surface which has a greater curvature than remaining surfaces of the opposite surface to the other electrode.

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 entgegenwachsende 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 Abreißlänge, was zu einem größeren Messsignal führt, so dass sich insgesamt ein gleichmäßigeres 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 tear-off length decreases, which leads to a larger measurement signal, so that the overall result is a more uniform and 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 bereits bei kleineren kritischen Längen. 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 with higher flow rates. A higher flow rate promotes detachment of the dendrites even 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, ie accuracy.

Bevorzugt ist auch, dass wenigstens eine Teilfläche, die eine stärkere Krümmung aufweist, eine Spitze oder eine Kante aufweist.It is also preferred that at least one partial surface which has a greater curvature has a tip or an edge.

Bei dem Ausführungsbeispiel mit den gelochten Elektroden befinden sich die Öffnungen bevorzugt am Ort der Spitzen. Damit wird das Gas gerade dort eingeblasen, wo sich die Dendriten aufgrund der Spitzenwirkung bevorzugt anlagern.In the embodiment with the perforated electrodes, the openings are preferably at the location of the tips. Thus, the gas is injected precisely where the dendrites preferentially accumulate due to the peak effect.

Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass die Steuereinheit dazu eingerichtet ist, die Gasstromvariationsvorrichtung so zu steuern, dass sich eine Variation des zwischen den Elektroden fließenden elektrischen Stroms ergibt.A further preferred refinement is characterized in that the control unit is set up to control the gas flow variation device in such a way that a variation of the electric current flowing between the electrodes results.

Bevorzugt ist auch, dass die Steuereinheit dazu eingerichtet ist, den durch Messung ermittelten, zwischen den Elektroden fließenden elektrischen Strom mit der Variation des Gasstroms zu korrelieren.It is also preferred that the control unit is set up to correlate the electrical current, determined by measurement, between the electrodes with the variation of the gas flow.

Weiter ist bevorzugt, dass die beiden Elektroden parallel oder radial-symmetrisch zueinander mit in Strömungsrichtung des Messgases gleichbleibendem mittleren Abstand zueinander angeordnet sind. Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass eine Höhe der Spitzen oder Kanten, mit der die Spitzen oder Kanten aus den Restflächen herausragen, maximal so groß ist, das es noch nicht zu elektrischen Überschlägen kommt. Bevorzugt beträgt eine Höhe der Spitzen oder Kanten, mit der die Spitzen oder Kanten aus den Restflächen herausragen, zwischen einem Fünftel und einem Hundertstel des Abstands der beiden Elektroden. Bevorzugt ist auch, dass die Steuereinheit einen zur Aufrechterhaltung einer vorgegebenen Spannung zwischen jeweils beiden Elektroden eines Elektrodenpaars erforderlichen Messstrom an die Elektroden ausgibt und ein den Messstrom als Maß für die Partikelkonzentration im Messgas abbildendes Messsignal bildet. Ferner ist bevorzugt, dass die Steuereinheit das Messsignal in Abhängigkeit von dem Steuersignal bildet. Bevorzugt ist auch, dass die Elektroden aus Stahl oder aus einer metallisch, bzw. leitfähig beschichteten Keramik bestehen.It is further preferred that the two electrodes are arranged parallel or radially symmetrical to each other with a constant in the flow direction of the measuring gas average distance to each other. A further preferred embodiment is characterized in that a height of the tips or edges, with which protrude the tips or edges of the remaining surfaces, is at most so great that it does not come to electric flashovers. Preferably, a height of the peaks or edges with which the tips or edges protrude from the remaining surfaces, between one fifth and one hundredth of the distance between the two electrodes. It is also preferable that the control unit outputs a measuring current required for maintaining a predetermined voltage between in each case two electrodes of a pair of electrodes to the electrodes and forms a measuring signal representing the measuring current as a measure of the particle concentration in the measuring gas. It is further preferred that the control unit forms the measurement signal in dependence on the control signal. It is also preferred that the electrodes are made of steel or of a metallic or conductive coated ceramic.

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 eine Anordnung einer Partikelsensoreinheit in einem Messgasstrom;
2 einen Querschnitt einer mit einem Messgas durchströmten Elektrodenanordnung einer Partikelsensoreinheit mit Baugruppen einer Steuereinheit der Partikelsensoreinheit;
3 Gaskanäle aufweisende Elektroden mit einer Ausgestaltung einer Strukturierung gelochter und nicht gelochter Elektroden;
4 Gaskanäle aufweisende Elektroden mit einer alternativen Ausgestaltung der Elektroden;
5 zeitliche Verläufe elektrischer Größen für eine Partikelsensoreinheit mit Gaskanäle aufweisenden Elektroden mit und ohne Gaszufuhr zu den Gaskanälen;
6 eine Korrelation eines Elektrodenstroms mit einer Gaszufuhr für eine Partikelsensoreinheit mit Gaskanäle aufweisenden Elektroden;
7 einen Querschnitt einer Elektrodenanordnung mit einer Vorrichtung zur Variation der Messgaszufuhr; und
8 einen Querschnitt einer Elektrodenanordnung mit einer Vorrichtung zur Variation der Messgaszufuhr und einem äußeren Schutzrohr.

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 arrangement of a particle sensor unit in a sample gas stream;
2 a cross section of a flowed through by a sample gas electrode assembly of a particle sensor unit with components of a control unit of the particle sensor unit;
3 Gas channels having electrodes with a configuration of structuring perforated and not punched electrodes;
4 Gas channels having electrodes with an alternative embodiment of the electrodes;
5 time profiles of electrical quantities for a particle sensor unit with gas channels having electrodes with and without gas supply to the gas channels;
6 a correlation of an electrode current with a gas supply for a particle sensor unit with gas channels having electrodes;
7 a cross section of an electrode assembly with a device for varying the sample gas supply; and
8th a cross section of an electrode assembly with a device for varying the sample gas supply and an outer protective tube.

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.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.

1 zeigt im Einzelnen eine Rußpartikelsensoreinheit 10 mit einer Messkammer 12, einem Sensor 13 und einer Steuereinheit 14, wobei die Messkammer 12 wenigstens eine Messgaseinlassöffnung 16 und eine Messgasauslassöffnung 18 aufweist. Die Messkammer ragt in ein Abgasrohr 19 hinein, das von Abgas eines Verbrennungsprozesses als Messgas 20 durchströmt wird. Der Verbrennungsprozess findet zum Beispiel in Brennräumen eines Verbrennungsmotors statt. Das Messgas 20 ist mit bei dem Verbrennungsprozess entstehenden Rußpartikeln beladen. 1 shows in detail a soot particle sensor unit 10 with a measuring chamber 12 , a sensor 13 and a control unit 14 , where the measuring chamber 12 at least one sample gas inlet opening 16 and a Meßgasauslassöffnung 18 having. The measuring chamber protrudes into an exhaust pipe 19 into it, the exhaust of a combustion process as a measuring gas 20 is flowed through. The combustion process takes place, for example, in combustion chambers of an internal combustion engine. The measuring gas 20 is loaded with resulting in the combustion process soot particles.

2 zeigt ein in der Messkammer 12 angeordnetes und wenigstens zwei Elektroden 22, 24 aufweisendes Elektrodenpaar des Sensors 13, wobei die zwei Elektroden 22, 24 einander gegenüberliegend so angeordnet sind, dass in die Messgaseinlassöffnung 16 einströmendes und mit Rußpartikeln 23 beladenes Messgas 20 zwischen beiden Elektroden 22, 24 hindurch und an den beiden Elektroden 22, 24 entlang zur Messgasauslassöffnung 18 strömt. Die Elektroden 22, 24 sind hier in einem konstanten Absatnd A1 zueinander angeordnet. 2 shows one in the measuring chamber 12 arranged and at least two electrodes 22 . 24 having electrode pair of the sensor 13 where the two electrodes 22 . 24 are arranged opposite each other so that in the sample gas inlet opening 16 incoming and with soot particles 23 loaded sample gas 20 between both electrodes 22 . 24 through and on the two electrodes 22 . 24 along the sample gas outlet 18 flows. The electrodes 22 . 24 are here in a constant Absatnd A1 arranged to each other.

Die Steuereinheit 14 weist eine an die Elektroden 22, 24 angeschlossene Hochspannungsquelle 26 auf, die eine zwischen den beiden Elektroden 22, 24 herrschende elektrische Spannung U erzeugt. Im dargestellten Beispiel wird die Elektrode 24 auf ein Potenzial im Kilovolt Bereich gesetzt. Die Gegenelektrode 22 liegt auf Masse und kann isoliert gegenüber dem äußeren Gehäuse der Messkammer 12 ausgeführt sein. Die Hochspannung U und der Abstand zwischen den Elektroden 22, 24 sind so dimensioniert, dass kein direkter elektrischer Überschlag erfolgt. Es ist auch möglich, dass beide Elektroden jeweils einzeln auf ein von Masse verschiedenes Potenzial aufgeladen werden, wobei die Aufladung so erfolgt, dass sich zwischen beiden Elektroden die Hochspannung einstellt.The control unit 14 has one to the electrodes 22 . 24 connected high voltage source 26 on, one between the two electrodes 22 . 24 prevailing electrical voltage U generated. In the example shown, the electrode 24 set to a potential in the kilovolt range. The counter electrode 22 is grounded and can be isolated from the outer casing of the measuring chamber 12 be executed. The high voltage U and the distance between the electrodes 22 . 24 are dimensioned so that no direct electrical flashover occurs. It is also possible for each of the two electrodes to be individually charged to a potential different from ground, the charging taking place in such a way that the high voltage is established between the two electrodes.

Die Steuereinheit 14 weist auch eine Strommessvorrichtung 28 auf, die einen zwischen den beiden Elektroden 22, 24 fließenden elektrischen Strom misst, und sie weist eine Steuerelektronik 30 auf, welche Signale der Strommessvorrichtung 28 verarbeitet und die Spannungsquelle 26 steuert oder zumindest einschaltet und ausschaltet. Die Steuerelektronik weist dazu einen Mikroprozessor und einen Speicher (vergleiche 3) auf, in dem die zur Steuerung der Spannungsquelle 26 und zur Auswertung der Signale der Strommessvorrichtung 28 von dem Mikroprozessor verwendeten Programme gespeichert sind.The control unit 14 also has a current measuring device 28 on, one between the two electrodes 22 . 24 flowing electrical current, and it has control electronics 30 on which signals of the current measuring device 28 processed and the voltage source 26 controls or at least turns on and off. The control electronics has a microprocessor and a memory (see 3 ), in which the for controlling the voltage source 26 and for evaluating the signals of the current measuring device 28 stored programs used by the microprocessor.

Die Steuereinheit 14 kann zusammen mit der Messkammer 12 in einem Gehäuse angeordnet sein. Bevorzugt ist jedoch eine baulich getrennte Realisierung von Messkammer 12 und Steuereinheit 14, wobei diese beiden Komponenten dann mit elektrischen Leitungen verbunden sind. Um den Einsatz in rauen Umgebungsbedingungen zu ermöglichen, sollte eine Messkammer 12 aus z.B. keramischen Materialien mittels z. B. Keramikspritzguss hergestellt werden. Die Elektroden 22, 24 können können z.B. aus Metall (z.B. Platin oder Edelstahllegierungen oder andere Metall-Legierungen) oder als Kombination aus metallischen Elektroden (z. B. Platin) mit einem keramischen Trägermaterial realisiert sein. Die Messkammer ist bevorzugt in einem Schutzrohr angeordnet, das weiter unten noch erläutert wird.The control unit 14 can work together with the measuring chamber 12 be arranged in a housing. However, a structurally separate realization of the measuring chamber is preferred 12 and control unit 14 These two components are then connected to electrical lines. To allow use in harsh environmental conditions, a measuring chamber should be used 12 from eg ceramic materials by means of z. B. ceramic injection molding. The electrodes 22 . 24 For example, they may be made of metal (eg platinum or stainless steel alloys or other metal alloys) or a combination of metallic electrodes (eg platinum) with a ceramic carrier material. The measuring chamber is preferably arranged in a protective tube, which will be explained below.

Die in der 1 dargestellte Einbauweise stellt nur ein Beispiel dar. Auch andere Einbauarten sind möglich. Das einzige notwendig zu erfüllende Kriterium ist, dass die in der Messkammer 12 angeordneten Elektroden 22, 24 auf eine Art und Weise mit dem Messgas 20 angeströmt werden, die eine dendritische Rußablagerung zur Folge hat. Die Elektroden 22, 24 können zum Beispiel in einer planaren oder auch radial-symmetrischen Anordnung zueinander mit gleichbleibendem Abstand angeordnet sein.The in the 1 shown installation is only an example. Other types of installation are possible. The only criterion that needs to be fulfilled is that in the measuring chamber 12 arranged electrodes 22 . 24 in a way with the sample gas 20 be flowed, which has a dendritic soot deposition result. The electrodes 22 . 24 For example, they can be arranged in a planar or even radially-symmetrical arrangement with a constant spacing from one another.

Die dargestellte Struktur arbeitet wie folgt: Mit Rußpartikeln 23 beladenes Messgas 20 tritt in das elektrische Feld ein, das zwischen den beiden hier parallel zueinander und parallel zur Messgasströmungsrichtung ausgerichteten Elektroden 22, 24 besteht. Anschließend erfolgt eine Rußablagerung an wenigstens einer der beiden Elektroden 22 oder 24. Dabei agglomerieren die Rußpartikel 23 typischerweise und bilden sich zu länglichen Dendriten 32 aus, die an einer der Elektroden, hier der positiv geladenen Elektrode 24 anhaftend entlang der elektrischen Feldlinien solange wachsen, bis sie sich bei einer kritischen Länge auf Grund der elektrostatischen und fluiddynamischen Kräfte ablösen. Da die Dendriten beim Ablagern auf der Elektrode, hier der Elektrode 24, deren Polarität annehmen und Ladung aufnehmen, entziehen sie dieser Elektrode diese Ladung beim Ablösen. Um die eingestellte Hochspannung aufrecht zu erhalten, muss die verloren gegangene Ladung durch einen elektrischen Strom nachgeführt werden, was von der Strommessvorrichtung 28 als Messsignal der Rußpartikelsensoreinheit 10 erfasst wird.The structure shown works as follows: With soot particles 23 loaded sample gas 20 enters the electric field between the two electrodes aligned parallel to each other and parallel to the gas flow direction 22 . 24 consists. This is followed by soot deposition on at least one of the two electrodes 22 or 24 , The soot particles agglomerate 23 typically and form into elongated dendrites 32 off, on one of the electrodes, here the positively charged electrode 24 grow adherently along the electric field lines until they detach at a critical length due to the electrostatic and fluid dynamic forces. As the dendrites deposit on the electrode, here the electrode 24 , assume their polarity and charge, they withdraw this charge this electrode when peeling. In order to maintain the set high voltage, the lost charge must be tracked by an electric current, which is the current measuring device 28 as a measuring signal of the soot particle sensor unit 10 is detected.

In einer speziellen Ausführung kann das Sensor-Element in ein spezielles Gehäuse/Schutzrohr eingebaut sein, welches das Messgas aktiv (z.B. Pumpe) oder passiv (z.B. Venturi-Effekt) auf eine definierte Art und Weise zum Sensor-Element führt.In a specific embodiment, the sensor element may be incorporated in a special housing / protective tube which carries the sample gas actively (e.g., pump) or passive (e.g., Venturi effect) in a defined manner to the sensor element.

3 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Merkmale der Erfindung aufweisenden Elektrodenanordnung einer Rußpartikelsensoreinheit 10. Die Elektroden zeichnen sich dadurch aus, dass wenigstens eine der beiden Elektroden 22, 24 auf ihrer der anderen Elektrode 24, 22 gegenüberliegenden Fläche so strukturiert ist, dass sie wenigstens eine erste Teilfläche 34 aufweist, die eine stärkere Krümmung aufweist als von der ersten Teilfläche 34 verschiedene Restflächen 36 der der anderen Elektrode 24 gegenüberliegenden Fläche. Die stärkere Krümmung zeigt sich in den Figuren dadurch, dass die Teilflächen 34 jeweils eine Spitze aufweisen. Eine solche Spitze stellt ein Beispiel einer starken Krümmung dar. Im unmittelbaren Bereich der Spitze ist die Teilfläche 34 stark konvex gekrümmt. Die Restflächen 36 weisen eine im Vergleich zu der starken konvexen Krümmung schwächere konkave Krümmung auf. 3 shows an embodiment of a features of the invention having electrode assembly of a soot particle sensor unit 10 , The electrodes are characterized in that at least one of the two electrodes 22 . 24 on her the other electrode 24 . 22 opposite surface is structured such that it has at least a first partial surface 34 has, which has a greater curvature than from the first partial surface 34 different residual surfaces 36 that of the other electrode 24 opposite surface. The stronger curvature is shown in the figures in that the subareas 34 each have a peak. Such a peak represents an example of a strong curvature. In the immediate area of the peak is the subarea 34 strongly convex curved. The remaining areas 36 have a weaker compared to the strong convex curvature concave curvature.

Die Elektrodenanordnung nach der 3 zeichnet sich dadurch aus, dass die andere Elektrode 24 ebenfalls wenigstens eine erste Teilfläche 34 aufweist, die eine stärkere Krümmung aufweist als von der ersten Teilfläche 34 verschiedene Restflächen 36 der Elektrode 24. Die wenigstens eine Teilfläche 34 weist bevorzugt eine Spitze oder eine Kante auf. Eine Kante ergibt sich zum Beispiel durch senkrecht zur Zeichnungsebene erfolgendes Extrudieren der Spitze. Die beiden Elektroden 22, 24 sind beim Gegenstand der 3 parallel oder radial-symmetrisch zueinander mit in Strömungsrichtung des Messgases 20 im Mittel gleichbleibendem Abstand zueinander angeordnet. Eine Höhe d1 der Spitzen oder Kanten, mit der die Spitzen oder Kanten aus den Restflächen 36 herausragen, ist maximal so groß, dass noch keine elektrischen Überschläge auftreten. 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 Elektroden erfolgt 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 den Elektroden erfolgen kann.The electrode assembly according to the 3 is characterized by the fact that the other electrode 24 also at least a first partial area 34 has, which has a greater curvature than from the first partial surface 34 different residual surfaces 36 the electrode 24 , The at least one partial area 34 preferably has a tip or an edge. An edge results, for example, from extruding the tip perpendicular to the plane of the drawing. The two electrodes 22 . 24 are at the subject of 3 parallel or radially-symmetrical to each other with in the flow direction of the sample gas 20 arranged at a constant constant distance from each other. A height d1 the tops or edges that make up the tops or edges of the remaining surfaces 36 protrude, is so large that no electrical flashovers occur yet. 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 electrodes takes place in a manner in which results in an inlet and an outlet for the sample gas flowing past the electrodes, so that a dendritic deposition of soot on the electrodes can take place.

Auf diese Weise strukturierte Elektroden 22, 24 begünstigen eine Rußablagerung in Form von Dendriten 32 und ein Wachstum der Dendriten 32. Dadurch, dass die Strukturierungselemente in Form der Teilflächen 34 in Bezug zum mittleren Elektrodenabstand signifikante Ausmaße annehmen, z.B. 1/10 des mittleren Abstandes A1 zwischen den Elektroden, beeinflussen sie die Gasströmung zwischen den Elektroden 22, 24 gezielt. Damit lässt sich zum Beispiel lokal eine Normalkomponente (in Bezug auf die Längserstreckung der Elektrode) der Messgasströmung und/oder eine Erhöhung der Messgasgeschwindigkeit in der Umgebung der Teilflächen 34 in Verbindung mit der elektrischen Spitzenwirkung erzielen. Damit kann das Wachstum und das Ablöseverhalten der Dendriten 32 gezielt beeinflusst werden.Electrodes structured in this way 22 . 24 favor soot deposition in the form of dendrites 32 and a growth of dendrites 32 , Characterized in that the structuring elements in the form of the part surfaces 34 assume significant proportions in relation to the mean electrode spacing, eg 1/10 of the mean distance A1 between the electrodes, they influence the gas flow between the electrodes 22 . 24 specifically. This allows, for example, locally a normal component (with respect to the longitudinal extent of the electrode) of the sample gas flow and / or an increase in the sample gas velocity in the vicinity of the partial surfaces 34 in conjunction with the electrical tip effect. Thus, the growth and the detachment behavior of the dendrites 32 be specifically influenced.

Beim Gegenstand der 3 ist nur eine Elektrode 22, hier die Gegenelektrode (Masseelektrode) von zwei Elektroden 22, 24 hohlwandig und damit einen Gaskanal 44 aufweisend ausgeführt. 4 zeigt eine Variante, bei der beide Elektroden 22, 24 hohlwandig und damit jeweils einen Gaskanal 44 aufweisend ausgeführt sind. Diese Elektroden zeichnen einen Sensor aus, bei dem wenigstens eine Elektrode 22 oder 24 von beiden Elektroden eines Elektrodenpaars einen gasführenden Gaskanal 44 aufweist, der in wenigstens einer ersten Teilfläche 34 der Elektrode zum zwischen den beiden einander gegenüberliegenden Elektroden 22, 24 liegenden Zwischenraum offen ist. Der gasführende Gaskanal 44 ist jeweils über ein steuerbares Pneumatikventil 45 an eine Quelle für unter Druck stehendes Gas angeschlossen. Der Druck wird bevorzugt von einer mechanisch oder elektrisch angetriebenen Pumpe 46 des Kraftfahrzeugs erzeugt. Das Gas ist bevorzugt von der Pumpe 46 verdichtetes Messgas oder verdichtete Frischluft. Die hohlwandigen, Öffnungen zum mit Messgas erfüllten Zwischenraum aufweisenden Elektroden stellen in Verbindung mit den Pneumatikventilen und den Quellen für unter Druck stehendes Gas ein erstes Ausführungsbeispiel einer Gasstromvariationsvorrichtung einer erfindungsgemäßen Partikelsensoreinheit dar.At the subject of 3 is only one electrode 22 , here the counter electrode (ground electrode) of two electrodes 22 . 24 hollow-walled and thus a gas channel 44 having executed. 4 shows a variant in which both electrodes 22 . 24 hollow-walled and thus each a gas channel 44 are carried out. These electrodes characterize a sensor in which at least one electrode 22 or 24 from both electrodes of a pair of electrodes, a gas-carrying gas channel 44 having, in at least a first partial area 34 the electrode to between the two opposing electrodes 22 . 24 lying gap is open. The gas-carrying gas channel 44 is in each case via a controllable pneumatic valve 45 connected to a source of pressurized gas. The pressure is preferably from a mechanically or electrically driven pump 46 of the motor vehicle generated. The gas is preferably from the pump 46 compressed sample gas or compressed fresh air. The hollow-walled, openings to the sample gas-filled gap having electrodes in conjunction with the pneumatic valves and the sources of pressurized gas, a first embodiment of a gas flow varying device of a particle sensor unit according to the invention.

Die Steuerelektronik 30 steuert einen Öffnungszustand des steuerbaren Pneumatikventils 45 mit einem Steuersignal. Mit dieser Ausgestaltung kann die Ablösung der Rußdendriten 32 von den Elektroden 22, 24 gesteuert beeinflusst werden. Als vorteilhafte Folge ergibt sich eine Steigerung der Messgenauigkeit. Die gesteuerte Ablösung der Dendrite 32 wird durch Gaspulse ausgelöst, die durch die hohlwandige, löchrige Elektrode 22 und/oder 24 ausgestoßen werden und eine Kraft auf die Dendrite 32 ausüben und diese abreißen lassen. Die Öffnungen des gasführenden Kanals sind bevorzugt in Bezug auf die Anordnung von Spitzen und Kanten der Elektroden so platziert, dass das Gas an, bzw. aus den Spitzen oder Kanten, beziehungsweise aus den Bereichen ausströmt, in denen die der jeweils anderen Elektrode zugewandte Elektrodenfläche die stärkste Krümmung aufweist. Die Öffnungen des gasführenden Kanals sind also insbesondere bevorzugt so platziert, dass das Gas an, bzw. aus den ersten Teilflächen 34 ausströmt.The control electronics 30 controls an opening state of the controllable pneumatic valve 45 with a control signal. With this embodiment, the separation of the carbon black dendrites 32 from the electrodes 22 . 24 controlled influenced. As an advantageous consequence, there is an increase in the accuracy of measurement. The controlled replacement of the dendrites 32 is triggered by gas pulses passing through the hollow-walled, holey electrode 22 and or 24 be ejected and a force on the dendrite 32 exercise and tear them down. The openings of the gas-carrying channel are preferably placed with respect to the arrangement of tips and edges of the electrodes so that the gas flows out of the tips or edges, or from the areas in which the electrode surface facing the respective other electrode strongest curvature. The openings of the gas-conducting channel are thus particularly preferably placed so that the gas on, or from the first partial surfaces 34 flows.

Alternativ kann auch der Druck bzw. die Strömungsgeschwindigkeit des Messgases in dem durch die Elektroden gebildeten Strömungskanal variiert werden, so dass eine schnellere oder gezieltere Ablösung auch ohne Extra-Gaszufuhr realisiert werden kann. Dies wird weiter unten noch näher erläutert.Alternatively, the pressure or the flow velocity of the measurement gas can be varied in the flow channel formed by the electrodes, so that a faster or more targeted detachment can be realized without extra gas supply. This will be explained in more detail below.

Die 3 und 4 zeigen auch, dass sich der an den Elektroden vorbeifliegende Ruß zunächst in Form von Dendriten 32 auf einer der Elektroden 22, 24 ablagert, sich löst und eine elektrische Ladung zur gegenüberliegenden Elektrode transportiert, was zu dem Elektrodenstrom führt. Dies ist das zur Rußkonzentration bzw. zum Rußfluss proportionale Messsignal. An der hohlwandigen, mit Spitzen versehenen Elektrode bilden sich die Dendriten 32 aufgrund der dort lokal größeren elektrischen Feldstärke vorzugsweise an den Spitzen, beziehungsweise an den am stärksten gekrümmten Teilflächen aus. Um die Ablösung der Dendriten 32 schon bei einer Länge zu initiieren, welche unterhalb der für die angelegte Hochspannung und die aktuelle Messgasströmungsgeschwindigkeit kritischen Länge liegt, wird Gas pulsatil durch die hohlwandigen Elektrode(n) und deren bevorzugt in den Teilflächen 34 (Spitzen) lokalisierten Öffnungen in den felderfüllten Raum zwischen den Elektroden geblasen. Mit diesen Gaspulsen werden die Dendriten 32 abgerissen. Die Gaspulse werden zum Beispiel dadurch ausgelöst, dass ein Pneumatikventil 45, an dem von außen ein definierter Druck p anliegt und das pneumatisch an den gasführenden Kanal einer hohlwandigen Elektrode angeschlossen ist, durch eine öffnende Ansteuerimpulsbreite für eine definierte Zeit geöffnet wird.The 3 and 4 also show that the soot passing by the electrodes initially in the form of dendrites 32 on one of the electrodes 22 . 24 deposits, dissolves and carries an electrical charge to the opposite electrode, resulting in the electrode current. This is the measurement signal proportional to the soot concentration or to the soot flow. The dendrites form on the hollow-walled tip electrode 32 due to the locally higher electric field strength preferably at the tips, or at the most curved part surfaces. To the detachment of the dendrites 32 Even at a length to initiate, which is below the critical for the applied high voltage and the current measurement gas flow rate length, gas is pulsatile through the hollow-walled electrode (s) and their preferred in the sub-areas 34 (Tips) localized openings in the field-filled space between the electrodes blown. With these gas pulses are the dendrites 32 tore off. The gas pulses are triggered, for example, by a pneumatic valve 45 , on which a defined pressure p is applied from the outside and which is pneumatically connected to the gas-conducting channel of a hollow-walled electrode, is opened by an opening drive pulse width for a defined time.

Die Steuerelektronik 30 der Steuereinheit 14 ist dabei bevorzugt dazu eingerichtet, die Dauer und Wiederholrate der Gaspulse zu steuern. Optional weist die Steuerelektronik 30 zusätzlich noch eine Einrichtung auf, welche über eine Korrelation des Elektrodenstromes mit dem gepulsten Gas das Signal to Noise Ratio verbessert. Die Steuerelektronik 30 weist dazu einen Mikroprozessor 31 auf, der das gemessene Stromsignal durch Ausführen eines im Speicher 33 der Steuereinrichtung 30 gespeicherten Programms auswertet. Die Steuerelektronik 30 verarbeitet Signale der Strommessvorrichtung 28 und steuert die Hochspannungsquelle 26 und jedes ggf. vorhandene Pneumatikventil 45. Die Steuerelektronik 30 weist dazu einen Mikroprozessor 31 und einen Speicher 33 auf, in dem die zur Steuerung der Hochspannungsquelle 26, des ggf. vorhandenen Pneumatikventils 45 (eines oder mehrere) und zur Auswertung der Signale der Strommessvorrichtung 28 von dem Mikroprozessor 31 verwendeten Programme gespeichert sind. Dazu weist der Speicher 33 ggf. wenigstens einen Speicherbereich auf, in dem die zur Steuerung jedes ggf. vorhandenen Pneumatikventils verwendeten Programmteile und Daten gespeichert sind. Weiter weist der Speicher 33 wenigstens einen Speicherbereich auf, in dem die zur Auswertung der Signale der Strommessvorrichtung 28 verwendeten Programmteile und Daten gespeichert sind. Diese Programmteile umfassen bevorzugt auch Programmteile, mit denen Signale der Strommessvorrichtung 28 mit Steuersignalen für jedes Pneumatikventil oder mit Signalen oder der Eigenfrequenz eines den Gasstrom variierenden Flatterventils korreliert werden, z.B. durch Lock-In oder andere, dem Fachmann bekannte Signalkorrelationsverfahren. Ein Ausgang 35 dient zur Bereitstellung eines aufbereiteten Messsignals, in dem sich die Partikelkonzentration abbildet.The control electronics 30 the control unit 14 is preferably configured to control the duration and repetition rate of the gas pulses. Optionally, the control electronics 30 In addition, a device which improves the signal to noise ratio via a correlation of the electrode current with the pulsed gas. The control electronics 30 has a microprocessor 31 which measures the measured current signal by running one in memory 33 the control device 30 stored program evaluates. The control electronics 30 processes signals from the current measuring device 28 and controls the high voltage source 26 and any pneumatic valve 45 , The control electronics 30 has a microprocessor 31 and a memory 33 in which the to control the high voltage source 26 , the possibly existing pneumatic valve 45 (one or more) and to evaluate the signals of the current measuring device 28 from the microprocessor 31 used programs are stored. This is indicated by the memory 33 if necessary, at least one storage area in which the program parts and data used to control any pneumatic valve present are stored. Next points the memory 33 at least one memory area in which the for evaluation of the signals of the current measuring device 28 used program parts and data are stored. These program parts preferably also comprise program parts with which signals of the current measuring device 28 be correlated with control signals for each pneumatic valve or with signals or the natural frequency of the gas flow varying flutter valve, for example by lock-in or other, known in the art signal correlation method. An exit 35 serves to provide a prepared measurement signal in which the particle concentration is reflected.

3 zeigt eine Variante, bei der nur diejenige Elektrode 22 der beiden Elektroden 22, 24 hohlwandig ausgeführt ist, an der sich die Dendriten bevorzugt bilden. Eine solche Bevorzugung des Dendritenwachstums auf einer der beiden Elektroden 22, 24 kann durch eine gezielte Ionisation des Rußes, die vor dem Eintritt der Rußpartikel 23 in den felderfüllten Raum zwischen den Elektroden 22, 24 erfolgt, gesteuert werden. 3 shows a variant in which only that electrode 22 the two electrodes 22 . 24 is executed hollow-walled, at which the dendrites are preferably formed. Such a preference for dendrite growth on one of the two electrodes 22 . 24 can be achieved by a targeted ionization of the soot, which occurs before the soot particles 23 into the field-filled space between the electrodes 22 . 24 is done, controlled.

4 zeigt eine Variante, bei der beide Elektroden 22, 24 hohlwandig ausgeführt sind und jede separat mit Gaspulsen beaufschlagt werden kann. In einer bevorzugten Ausgestaltung sind die an den Pneumatikventilen 45 beider Elektroden 22, 24 anliegenden Gasdrücke gleich groß, und werden von derselben Pumpe erzeugt, und die Pneumatikventile 45 werden zur gleichen Zeit und gleich lang geöffnet. Denkbar sind aber auch beliebige Varianten mit unterschiedlichen Drücken und verschiedenen Zeiten des Öffnens und der Öffnungsdauer. 4 shows a variant in which both electrodes 22 . 24 hollow walls are executed and each can be acted upon separately with gas pulses. In a preferred embodiment, the at the pneumatic valves 45 both electrodes 22 . 24 adjacent gas pressures are equal, and are generated by the same pump, and the pneumatic valves 45 are opened at the same time and the same amount of time. Also conceivable are any variants with different pressures and different times of opening and the opening duration.

5 zeigt zeitliche Verläufe elektrischer Größen für einen Rußpartikelsensor nach 4 mit Gaskanäle aufweisenden Elektroden mit und ohne Gaszufuhr zu den Gaskanälen. Im Einzelnen zeigt 5 einen zeitlichen Verlauf 50 der Hochspannung, einen zeitlichen Verlauf 52 der Öffnung der Pneumatikventile 45, einen zeitlichen Verlauf 54 des Elektrodenstromes ohne Gaseinblasung und einen zeitlichen Verlauf 56 des Elektrodenstroms mit Gaseinblasung. Zu Beginn (Zeitpunkt t0) fließt noch kein Elektrodenstrom, weil die Dendriten ihre kritische Länge noch nicht erreicht haben. Betrachtet wird zunächst der zeitliche Verlauf 54 des Elektrodenstroms ohne Gaseinblasung. Zum Zeitpunkt t1 beginnt ein Elektrodenstrom zu fließen, der etwa zum Zeitpunkt t2 einen Sättigungswert erreicht. Ab dem Zeitpunkt t2 reißen im Mittel gleich viele Dendriten ab, wie nachwachsen. Die Zeitspanne zwischen t0 und t1 kann auch als Totzeit betrachtet werden. Der Zeitpunkt t1 für das Einsetzen der Ablösung hängt dann stark von der Messgasgeschwindigkeit ab, so dass man bei gleicher Rußkonzentration eine Totzeit variabler Länge t1 - t0 für das Einsetzen des Elektrodenstromes hat, was die Sensorgenauigkeit reduziert. 5 shows time curves of electrical quantities for a soot particle sensor 4 Gas channels with and without gas supply to the gas channels. In detail shows 5 a time course 50 the high voltage, a time course 52 the opening of the pneumatic valves 45 , a time course 54 the electrode current without gas injection and a time course 56 the electrode current with gas injection. At the beginning (time t0) no electrode current flows, because the dendrites have not yet reached their critical length. First of all the temporal course is considered 54 the electrode current without gas injection. At the time t1 An electrode current begins to flow at about the time t2 reaches a saturation value. From the moment t2 Tear an average of the same number of dendrites as regrow. The time span between t0 and t1 can also be regarded as dead time. Point of time t1 for the onset of the separation then depends strongly on the sample gas velocity, so that at the same soot concentration a dead time of variable length t1 - t0 for the insertion of the electrode current, which reduces the sensor accuracy.

Für den Fall des Einsatzes der Gaspulse 52 durch die Löcher in den Spitzen der hohlwandigen Elektroden kann ein Ablösen der Dendriten schon vor der Erreichung der kritischen Länge, nämlich zum Zeitpunkt t3 ausgelöst werden, wodurch die Querempfindlichkeit der Rußpartikelsensoreinheit 10 insbesondere in Bezug auf die Messgasgeschwindigkeit reduziert wird. Da die gasdruckinduzierte Ablösung hier während der kurzen Gaspulse 52 stattfindet, ergibt sich während der kurzen Gaspulse 52 ein hoher Elektrodenstrompuls im Verlauf 56 des Elektrodenstroms, dessen Spitzenwert höher ist als der Spitzenwert, der ohne Gaseinblasung auftritt. Damit ergibt sich ein verbessertes Signal to Noise Ratio und eine Unabhängigkeit oder zumindest verringerte Abhängigkeit der Signale von der Messgasströmungsgeschwindigkeit. Darüber hinaus bietet die gesteuerte Auslösung die Möglichkeit, den Zeitpunkt der Auslösung des Gaspulses 52 mit der erwarteten Erhöhung des Elektrodenstromes in Beziehung zu setzen und Störsignale damit (zeitlich) auszufiltern. Damit erhöht sich die Sensorgenauigkeit weiter.In the case of using the gas pulses 52 Through the holes in the tips of the hollow-walled electrodes, a detachment of the dendrites even before reaching the critical length, namely at the time t3 triggered, whereby the cross-sensitivity of the soot particle sensor unit 10 especially with respect to the measuring gas velocity is reduced. Since the gas pressure-induced separation here during the short gas pulses 52 takes place during the short gas pulses 52 a high electrode current pulse in the course 56 of the electrode current whose peak value is higher than the peak value that occurs without gas injection. This results in an improved signal to noise ratio and an independence or at least reduced dependence of the signals on the sample gas flow rate. In addition, the controlled tripping the possibility of the timing of the triggering of the gas pulse 52 to correlate with the expected increase of the electrode current and to filter out interference signals (temporally). This further increases the sensor accuracy.

Die oben beschriebene Auswertung der zeitlichen Korrelation von Elektrodenstrom und Gaspulsauslösung kann auf eine (Pseudo-)Periodizität erweitert werden, wie sie in 6 schematisch dargestellt ist. Die Abscisse ist ein Zeitachse. Entlang der Ordinate sind Gaspulse (zum Beispiel Öffnungsimpulsbreiten eines oder mehrerer Pneumatikventile 45) und der dazu korrelierende Strom zwischen den Elektroden aufgetragen. Für den Fall periodisch auftretender Gaspulse 52 folgt der Elektrodenstrom 56 jedem Gaspuls 52 mit einer gewissen Verzögerung. In den Phasen ohne Gaspuls (für den Fall dass ein Pneumatikventil 45 verwendet wird, in den Phasen mit geschlossenem Pneumatikventil 45) findet das Wachstum der Dendriten statt. In den Phasen mit Gaspuls (geöffnetem Pneumatikventil 45) findet die Ablösung der Dendriten statt, und der Elektrodenstrom steigt. Damit lässt sich eine (periodische) Oszillation im Stromverlauf 56 erzeugen. Diese Signalcharakteristik ermöglicht den Einsatz von Lock-In oder anderen Korrelationsverfahren, was eine starke Verbesserung des Signal to Noise Ratio erlaubt. Entsprechende Korrelationsverfahren sind dem Fachmann bekannt und können durch eine dazu eingerichtete Steuerelektronik 30 ausgeführt werden. Die Steuerelektronik 30 weist dazu einen Mikroprozessor 31 auf, der die Lufteinblasung steuert und das gemessene Stromsignal durch Ausführen eines im Speicher 33 der Steuereinrichtung 30 gespeicherten Programms auswertet. Ein auf der Auswertung basierendes Partikel-Konzentrationssignal wird an einem Ausgang 35 der Steuerelektronik 30, der gleichzeitig ein Ausgang der Steuereinheit 14 sein kann, bereitgestellt. Dieser Aufbau gilt für sämtliche Ausführungsbeispiele.The above-described evaluation of the temporal correlation of electrode current and gas pulse triggering can be extended to a (pseudo) periodicity as described in US Pat 6 is shown schematically. The abscissa is a timeline. Along the ordinate are gas pulses (for example opening pulse widths of one or more pneumatic valves 45 ) and the correlated current between the electrodes. In the case of periodically occurring gas pulses 52 follows the electrode current 56 every gas pulse 52 with a certain delay. In the phases without gas pulse (in the event that a pneumatic valve 45 is used in the phases with closed pneumatic valve 45 ) the growth of dendrites takes place. In phases with gas pulse (open pneumatic valve 45 ), the detachment of the dendrites takes place, and the electrode current increases. This allows a (periodic) oscillation in the current curve 56 produce. This signal characteristic allows the use of lock-in or other correlation methods, which allows a strong improvement of the Signal to Noise Ratio. Corresponding correlation methods are known to the person skilled in the art and can be achieved by an electronic control unit 30 be executed. The control electronics 30 has a microprocessor 31 which controls the air injection and the measured current signal by executing one in the memory 33 the control device 30 stored program evaluates. An evaluation-based particle concentration signal is output 35 the control electronics 30 , which is at the same time an output of the control unit 14 can be provided. This structure applies to all embodiments.

Die hier erläuterte Methode zum Erzeugen einer gepulsten Ablösung der angelagerten Dendriten durch Gaspulse ist nur beispielhaft und kann auch unter Verwendung anderer Methoden erzeugt werden.The method explained here for producing a pulsed detachment of the deposited dendrites by gas pulses is only an example and can also be produced using other methods.

Alternativ zu den aktiv gesteuerten Pneumatikventilen 45, welche mit von außen zur Verfügung gestellter Frisch-Druckluft oder verdichtetem Messgas arbeiten, ist auch der Einsatz von aktiven oder passiven Ventilen denkbar, welche die Messgasströmungsgeschwindigkeit steuern. Damit lassen sich auch zeitlich begrenzte Geschwindigkeitspulse erzeugen, welche analog zu den bisherigen Ausführungen auch zu einem gesteuerten Ablösen der Dendriten führen können. Die in den 5 und 6 dargestellten Vorgänge lassen sich auch mit dieser zeitlich variierten Messgasströmungsgeschwindigkeit realisieren, so dass insbesondere der Einsatz von Korrelationsverfahren (z.B. Lock-In) denkbar ist. Dabei wird dann eine Korrelation zwischen Elektrodenstrom und Messgasströmungsgeschwindigkeit ausgewertet.Alternative to the actively controlled pneumatic valves 45 , which work with fresh compressed air or compressed measuring gas provided from the outside, it is also conceivable to use active or passive valves which control the measuring gas flow rate. Thus, it is also possible to generate time-limited velocity pulses which, analogously to the previous embodiments, can also lead to a controlled detachment of the dendrites. The in the 5 and 6 Operations shown can also be realized with this temporally varied measuring gas flow rate, so that in particular the use of correlation methods (eg lock-in) is conceivable. In this case, a correlation between electrode current and sample gas flow rate is then evaluated.

7 zeigt einen Querschnitt eines mit Messgas durchströmten Elektrodenpaars 22, 24 eines Rußpartikelsensors. Der Gegenstand der 7 unterscheidet sich vom Gegenstand der 2 durch eine in Strömungsrichtung des Messgases stromaufwärts des Elektrodenpaars angeordnete Messgasstromvariationsvorrichtung 60, die einen zwischen den Elektroden 22, 24 fließenden Messgasstrom 20 variiert. Die Messgasstromvariationsvorrichtung 60 ist bevorzugt ein Flatterventil 62, das im Messgasstrom 20 zwischen den Elektroden 22, 24 und dem Messgaseinlass 16 der Messkammer 12 angeordnet ist und das durch das Messgas 20 selbst zur Oszillation angeregt wird. Dadurch wird der Massenstrom des Messgases 20 zeitlich variiert. 7 shows a cross section of a flowed through with sample gas electrode pair 22 . 24 a soot particulate sensor. The object of 7 differs from the subject of 2 by a measuring gas flow variation device arranged upstream of the electrode pair in the flow direction of the measuring gas 60 putting one between the electrodes 22 . 24 flowing sample gas flow 20 varied. The sample gas flow variation device 60 is preferably a flutter valve 62 that in the sample gas stream 20 between the electrodes 22 . 24 and the sample gas inlet 16 the measuring chamber 12 is arranged and that by the measuring gas 20 itself is excited to oscillation. This will cause the mass flow of the sample gas 20 varies over time.

8 zeigt einen Querschnitt einer Anordnung von Elektroden 22, 24 mit einer Messgasstromvariationsvorrichtung 60 und einem äußeren Schutzrohr 62. Das Schutzrohr 62 ist bei dieser Vorrichtung in das Schutzrohr, beziehungsweise die Wand der Messkammer 12 der Rußpartikelsensoreinheit 10 integriert. Das innere Schutzrohr 66 ist in mindestens zwei Elemente (Elektroden) unterteilt, so dass bei Anlegen einer Hochspannung die oben beschriebene Funktion der Auswertung eines von Dendriten getragenen Messstroms entsteht. Das innere Schutzrohr besteht zum Beispiel aus einem dielektrischen Material, das teilweise mit zwei elektrisch voneinander getrennten Elektroden 22, 24 beschichtet ist. Das äußere Schutzrohr 64 dient hauptsächlich dazu, Messgas 20 in den zwischen den Elektroden 22, 24 liegenden Raum umzulenken. 8th shows a cross section of an array of electrodes 22 . 24 with a measuring gas flow varying device 60 and an outer protective tube 62 , The protective tube 62 is in this device in the protective tube, or the wall of the measuring chamber 12 the soot particle sensor unit 10 integrated. The inner protective tube 66 is subdivided into at least two elements (electrodes) so that, when a high voltage is applied, the above-described function of the evaluation of a measurement current carried by dendrites arises. The inner protective tube is made, for example, of a dielectric material, partly with two electrically separated electrodes 22 . 24 is coated. The outer protective tube 64 mainly serves as a measuring gas 20 in between the electrodes 22 . 24 to divert the lying room.

In der Messgasströmung ist mindestens eine Messgasstromvariationsvorrichtung 60, zum Beispiel ein Flatterventil, platziert, welches die Messgasströmungsgeschwindigkeit passiv (ohne aktive Steuerung) periodisch variiert. Ein solches Flatterventil ist im Vergleich zu aktiv gesteuerten Lösungen kostengünstiger. Als Flatterventil kann insbesondere ein flexibles Element (z.B. ein dünnes Metallplättchen) dienen, welches den Messgasfluss (zum Teil) versperrt. Durch seine Flexibilität wird es aber durch den Messgasdruck immer wieder so verformt, dass ein höherer Messgasfluss möglich ist. Anschließend verformt es sich wieder so, dass der Messgasfluss reduziert wird. Es entsteht eine periodische Variation der Messgasströmung. Das Flatterventil stellt ein erstes Ausführungsbeispiel einer Gasstromvariationsvorrichtung einer erfindungsgemäßen Partikelsensoreinheit dar. Bei der Auswertung wird bei diesem Ausführungsbeispiel an Stelle der Frequenz des hier nicht vorhandenen Signals 52 z.B. eine Eigenfrequenz des Flatterventils verwendet.In the sample gas flow is at least one Meßgasstromvariationsvorrichtung 60 , for example a flutter valve, placed which periodically varies the sample gas flow rate (without active control). Such a flutter valve is less expensive compared to actively controlled solutions. In particular, a flexible element (eg a thin metal plate) serving as a flutter valve can block (partially) the sample gas flow. Due to its flexibility, however, it is repeatedly deformed by the sample gas pressure in such a way that a higher sample gas flow is possible. Then it deforms again so that the sample gas flow is reduced. The result is a periodic variation of the sample gas flow. The flutter valve represents a first embodiment of a gas flow variation device of a particle sensor unit according to the invention. In the evaluation, in this embodiment, instead of the frequency of the signal not present here 52 For example, a natural frequency of the fluttering valve used.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

US 8713991 B2 [0001, 0003]
DE 102006029215 A1 [0002]

Claims

Particle sensor unit (10) having a measuring chamber (12) and a control unit (14), the measuring chamber (12) having a measuring gas inlet opening (16) and a measuring gas outlet opening (18) and wherein in the measuring chamber (12) a two electrodes (22, 24 ), the two electrodes (22, 24) being arranged opposite one another such that measuring gas (20) flowing into the measuring gas inlet opening (16) passes between both electrodes (22, 24) and at the two electrodes (22, 24) flows along the sample gas outlet opening (18), and wherein the control unit (14) has a voltage source (26) connected to the electrodes (22, 24) which generates an electrical voltage between the two electrodes (22, 24), and wherein the control unit (14) comprises a current measuring device (28) which measures an electric current flowing between the two electrodes (22, 24), characterized in that the particle sensor unit (10) a gas flow varying device (44, 45; 60), with which a gas flow flowing between the electrodes (22, 24) is variable.

Particle sensor unit (10) after Claim 1 , characterized in that at least one of the two electrodes (22, 24) has a gas-carrying gas channel (44) in at least a first part surface (34) of the electrode (22, 24) openings for between the two opposing electrodes (22, 24) lying intermediate space.

Particle sensor unit (10) after Claim 2 , characterized in that both electrodes each have a gas-carrying gas channel (44) having openings for between the two opposing electrodes (22, 24) lying intermediate space.

Particle sensor unit (10) after Claim 2 or 3 , characterized in that the gas-carrying channel via a controllable pneumatic valve (45) is connected to a source of pressurized gas.

Particle sensor unit (10) after Claim 4 , characterized in that the control unit (14) is connected via a control line to the pneumatic valve (45), and is adapted to control the opening state of the pneumatic valve (45).

Particle sensor unit (10) according to one of Claims 2 to 5 , characterized in that the gas is compressed fresh air or compressed measuring gas.

Particle sensor unit (10) after Claim 1 , characterized in that the Gasstromvariationsvorrichtung (60) is a flutter valve (62) which is arranged in the sample gas flow (20) between the electrodes (22, 24) and the sample gas inlet (16).

Particle sensor unit (10) according to any one of the preceding claims, characterized in that at least one of the two electrodes (22, 24) on its the other electrode (24, 22) opposite surface is structured so that it has at least a first part surface (34) that has a greater curvature than different residual surfaces (36) of the surface opposite the other electrode (24, 22) from the first part surface (34).

Particle sensor unit (10) according to any one of the preceding claims, characterized in that the control unit (14) outputs a required for maintaining a predetermined voltage between each two electrodes (22, 24) of a pair of electrodes measuring current to the electrodes (22, 24) and a Measuring current as a measure of the particle concentration in the sample gas (20) forms an imaging measurement signal.

Particle sensor unit (10) after Claim 9 , characterized in that the control unit (14) forms the measurement signal in response to the control signal.

The particle sensor unit (10) according to any one of the preceding claims, characterized in that the control unit (14) is arranged to control the gas flow variation device (44, 45) to give a variation of the electric current flowing between the electrodes 22, 24.

Particle sensor unit (10) according to any one of the preceding claims, characterized in that the control unit (14) is adapted to correlate the determined by measurement, between the electrodes (22, 24) flowing electrical current with the variation of the gas flow.