DE102017214785A1

DE102017214785A1 - Partikelsensoreinheit mit einem mehrere Messfühler aufweisenden Partikelsensor und Betriebsverfahren der Partikelsensoreinheit

Info

Publication number: DE102017214785A1
Application number: DE102017214785.7A
Authority: DE
Inventors: Simon Genter; Uwe Glanz; Enno Baars; Radoslav Rusanov; Andy Tiefenbach; Henrik Schittenhelm
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2017-08-23
Filing date: 2017-08-23
Publication date: 2019-02-28
Also published as: WO2019038012A1

Abstract

Vorgestellt wird eine Partikelsensoreinheit (10) mit einem Partikelsensor, der eine Korona-Entladungs-Elektrode (32), eine Masse-Elektrode und einen ersten Messfühler (34) aufweist, der wenigstens eine Elektrode (34.5) aufweist, und mit einem Steuergerät (14), das Stromstärken von über eine Elektrode (34.5) des Messfühlers (34) fließenden Strömen erfasst und in Abhängigkeit von den erfassten Stromstärken eine Konzentration von Partikeln (44) bestimmt. Die Partikelsensoreinheit zeichnet sich dadurch aus, dass der Partikelsensor einen zweiten Messfühler (36) aufweist, der wenigstens eine Elektrode (36.5) aufweist, und dass das Steuergerät (14) eine Elektrode (34.5) des ersten Messfühlers (34) auf ein erstes Potenzial und eine Elektrode (36.5) des zweiten Messfühlers (36) auf ein zweites, höheres Potenzial auflädt und Stromstärken von über eine Elektrode (34.5) des ersten Messfühlers (34) fließenden Strömen und von einer über eine Elektrode (36.5) des zweiten Messfühlers (36) fließenden Strömen erfasst und eine Konzentration von mit dem Messgas (22) transportierten Partikeln (44) einer durch die Potenziale bestimmten Größenklasse in Abhängigkeit von der Stromstärke von über die eine Elektrode (36.5) des zweiten Messfühlers (36) ermittelt.

Description

Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Partikelsensoreinheit nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Verfahren nach dem unabhängigen Verfahrensanspruch.
Eine solche Partikelsensoreinheit und ein solches Verfahren sind aus der EP 2 824 453 A1 ( WO 2013/125181 A1 ) bekannt.
Die bekannte Partikelsensoreinheit weist einen Partikelsensor und ein Steuergerät auf. Der Partikelsensor weist einen Messgaseinlass, einen Messgasauslass, einen sich zwischen dem Messgaseinlass und dem Messgasauslass erstreckenden Messgasströmungspfad, eine Korona-Entladungs-Elektrode, eine Masse-Elektrode und einen ersten Messfühler auf, der wenigstens eine in dem Messgasströmungspfad angeordnete Elektrode aufweist. Das Steuergerät ist dazu eingerichtet, Stromstärken von über eine Elektrode des Messfühlers fließenden Strömen zu erfassen und in Abhängigkeit von den erfassten Stromstärken eine im Messgasströmungspfad herrschende Konzentration von Partikeln zu bestimmen.
Bei dem bekannten Verfahren zum Betreiben einer solchen Partikelsensoreinheit werden über eine Elektrode des ersten Messfühlers fließende elektrische Ströme erfasst und in Abhängigkeit von den erfassten Stromstärken wird eine im Messgasströmungspfad herrschende Konzentration von Partikeln bestimmt.
In Bezug auf den Zustand von Partikelfiltern von Kraftfahrzeugen werden zunehmend Partikelsensoren für Zwecke der On-Board Diagnostik eingesetzt.
Dabei hat ein nach einem resistiven Prinzip arbeitender Partikelsensor eine sehr starke Position auf dem Markt. Die Funktionsweise dieses Sensors basiert auf der Ausbildung von leitfähigen Rußpfaden zwischen zwei Interdigital-Elektroden und einer Auswertung einer Anstiegszeit des Stromes bei angelegter Spannung als Maß für die Rußkonzentration. Es wird die Massenkonzentration (mg/m³) gemessen. Die Berechnung der Anzahlkonzentration ist bei diesem Sensorkonzept aus vielfältigen Gründen sehr schwer bis unmöglich. Der Sensor wird periodisch regeneriert, in dem er durch ein integriertes Heizelement auf mindestens 700°C gebracht wird, wodurch die Rußablagerungen wegbrennen.
In der Wissenschaft wird seit längerem diskutiert, ob die Gesamtmasse (in mg/m³) oder die Anzahl der Partikel (Partikel/m³) in Bezug auf eine Gesundheitsgefährdung kritischer sind. Dabei ist insbesondere zu beachten, dass gerade kleine Partikel, welche aufgrund ihrer sehr kleinen Masse (m∼r³) einen nur geringen Anteil an der Gesamtmasse haben, besonders kritisch sein können, weil sie aufgrund ihrer kleinen Größe tief in den menschlichen Körper eindringen können. Es ist absehbar, dass die Gesetzgebung eine Verwendung von zur Messung der Anzahlkonzentration geeigneten Partikelsensoren vorschreiben wird, sobald von ihrer Detektionsleistung und von ihrem Preis her akzeptable Partikelsensoren auf dem Markt verfügbar sind.
Der aus der eingangs genannten EP 2 824 453 A1 ( WO 2013/125181 A1 ) bekannte Partikelsensor verwendet ein Ladungsmessungsprinzip zur Erfassung der Partikelkonzentration. Dabei werden die (Ruß-)Partikel über eine Korona-Entladung aufgeladen.
Eine Korona-Entladung ist eine elektrische Entladung in einem zunächst nichtleitendem Medium, bei der freie Ladungsträger durch eine Ionisation von Bestandteilen des Mediums erzeugt werden. Die Aufladung der Partikel erfolgt durch Anhaften von Ionen. Anschließend wird die elektrische Ladung dieser Partikel bzw. der elektrische Strom gemessen, der mit dem Transport der geladenen Partikel durch den Abgasstrom einhergeht. Bei dem bekannten Hochspannungspartikelsensor erfolgt eine Messung dieses auch als „escaping current“ bezeichneten Stroms. Die Korona-Entladung findet dort in einer „ion generation section“ statt. Die dabei erzeugten Ionen werden über eine Düse mit unter Druck stehender Luft in eine „electric charge section“ eingeblasen, der über einen weiteren Einlass Messgas zugeführt wird. Die Korona-Entladung findet bei dem bekannten Sensor damit räumlich getrennt von dem Messgas statt, dessen Beladung mit Partikeln gemessen werden soll. Die Messgaseinlassöffnung liegt hinter (im Strom der Ionen: stromabwärts) der Korona-Entladungs-Elektrode.
Offenbarung der Erfindung
Von dem eingangs genannten Stand der Technik nach der EP 2 824 453 A1 unterscheidet sich die vorliegende Erfindung in Bezug auf ihre Vorrichtungsaspekte durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 und in Bezug auf ihre Verfahrensaspekte durch die kennzeichnenden Merkmale des unabhängigen Verfahrensanspruchs.
Die erfindungsgemäße Partikelsensoreinheit zeichnet sich dadurch aus, dass der Partikelsensor einen zweiten Messfühler aufweist, der wenigstens eine Elektrode aufweist, und der in dem Messgasströmungspfad stromabwärts von dem ersten Messfühler angeordnet ist, und dass das Steuergerät dazu eingerichtet ist, eine Elektrode des ersten Messfühlers auf ein erstes Potenzial und eine Elektrode des zweiten Messfühlers auf ein zweites, höheres Potenzial aufzuladen, und dass das Steuergerät dazu eingerichtet ist, Stromstärken von über eine Elektrode des ersten Messfühlers fließenden Strömen und Stromstärken von über eine Elektrode des zweiten Messfühlers fließenden Strömen zu erfassen, und eine Konzentration von mit dem Messgas transportierten Partikeln einer durch die Potenziale bestimmten Größenklasse in Abhängigkeit von der Stromstärke von über die eine Elektrode des zweiten Messfühlers fließenden Strömen zu ermitteln.
Das erfindungsgemäße Betriebsverfahren zeichnet sich dadurch aus, dass eine Elektrode des ersten Messfühlers auf ein erstes Potenzial aufgeladen wird und eine Elektrode eines zweiten Messfühlers, der in dem Messgasströmungspfad stromabwärts von dem ersten Messfühler angeordnet ist, auf eine zweites, höheres Potenzial aufgeladen wird, Stromstärken von über eine Elektrode des ersten Messfühlers fließenden Strömen und von über eine Elektrode des zweiten Messfühlers fließenden Strömen erfasst werden, und eine Konzentration von mit dem Messgas transportierten Partikeln einer durch die Potenziale bestimmten Größenklasse in Abhängigkeit von der Stromstärke eines über die eine Elektrode des zweiten Messfühlers fließenden Stroms ermittelt wird.
Für die folgenden Betrachtungen wird vereinfachend angenommen, dass die elektrische Ladung der Partikel nicht von ihrer Größe abhängt und dass sich die Partikel mit der Strömungsgeschwindigkeit des Messgases bewegen.
Dadurch, dass eine Elektrode des ersten Messfühlers auf das erste Potenzial aufgeladen wird, saugt diese Elektrode leichte geladene Partikel aus dem Strom der geladenen Partikel ab, während schwerere geladene Partikel aufgrund ihrer Trägheit nicht abgesaugt werden. Dadurch, dass eine Elektrode des zweiten Messfühlers, der in dem Messgasströmungspfad stromabwärts von dem ersten Messfühler angeordnet ist, auf ein zweites, höheres Potenzial aufgeladen wird, saugt diese Elektrode auch noch schwerere Partikel aus dem Strom der geladenen Partikel ab. Die Stromstärke der abgesaugten Partikel und/oder die Stromstärke der an der jeweiligen Elektrode vorbeifliegenden geladenen Partikel erlaubt damit Aussagen über die Konzentration verschieden großer Partikel in dem Messgas, beziehungsweise über eine Verteilung der verschieden großen mit dem Messgas transportierten Partikel auf verschiedene Partikelgrößenklassen, deren Grenze jeweils von den eingestellten Potenzialen abhängig ist .
Im Vergleich mit dem bekannten resistiven Partikelsensor, der auf einer Messung von durch Ruß fließendem Strom basiert, wird mit der erfindungsgemäßen Partikelsensoreinheit eine sehr viel höhere Empfindlichkeit (minimal messbare Rußkonzentration) erreicht. Auch die viel höhere Messgeschwindigkeit (mind. 1 Messung pro Sekunde im Vergleich zu mehrere Minuten pro Messung) und die Möglichkeit der Partikelanzahl-Messung stellen einen großen Vorteil des Sensors dar. Dadurch wird auch der Einsatz in Benzinfahrzeugen zur Partikel-Überwachung möglich.
Eine bevorzugte Ausgestaltung der Partikelsensoreinheit zeichnet sich dadurch aus, dass der erste Messfühler ein erstes Elektrodenpaar aus einer ersten Ladungsfänger-Elektrode und einer ersten von der ersten Ladungsfänger-Elektrode verschiedenen Ladungsdetektions-Elektrode aufweist und dass der zweite Messfühler ein zweites Elektrodenpaar aus einer zweiten Ladungsfänger-Elektrode und einer zweiten von der zweiten Ladungsfänger-Elektrode verschiedenen Ladungsdetektions-Elektrode aufweist.
Bei dieser Ausgestaltung werden die Funktion des Absaugens der geladenen Partikel und der Messung der Stromstärke von nicht abgesaugten Partikeln auf zwei verschiedene Elektroden verteilt. Dies kann Vorteile für die Genauigkeit der Messung haben, da sich elektrische Eigenschaften der Ladungsfänger-Elektrode aufgrund ihrer anziehenden Wirkung auf die geladenen Partikel und der sich daraus ergebenden Ablagerung von Partikeln ändern können. Dieser Effekt tritt bei den Ladungsempfänger-Elektroden nicht auf.
Bevorzugt ist auch, dass die erste Ladungsdetektions-Elektrode im Messgasströmungspfad stromabwärts von der ersten Ladungsfänger-Elektrode in dem Messgasströmungspfad angeordnet ist, und dass die zweite Ladungsdetektions-Elektrode im Messgasströmungspfad stromabwärts von der zweiten Ladungsfänger-Elektrode angeordnet ist, wobei die zweite Ladungsfänger-Elektrode zwischen der ersten Ladungsdetektions-Elektrode und der zweiten Ladungsdetektions-Elektrode angeordnet ist.
Als Folge dieser Anordnung tritt die erwünschte Wirkung ein, dass die erste Ladungsdetektions-Elektrode die an der ersten Ladungsfänger-Elektrode vorbeifliegenden geladenen Partikel misst, die größer als eine durch das Potenzial der ersten Ladungsfänger-Elektrode definierte erste Mindestgröße sind. Dies gilt analog für die die zweite Ladungsdetektions-Elektrode und die zweite Ladungsfänger-Elektrode, die bevorzugt Partikel vorbeifliegen lässt, die größer als eine zweite Mindestgröße sind, wobei die zweite Mindestgröße größer als die erste Mindestgröße ist, so dass die erste Ladungsdetektions-Elektrode und die zweite Ladungsdetektions-Elektrode größenselektiv messen.
Weiter ist bevorzugt, dass das Steuergerät dazu eingerichtet ist, eine Differenz der über die Ladungsdetektions-Elektroden fließenden Ströme zu bilden und der Differenz eine Konzentration von Partikeln einer bestimmten Partikelgröße zuzuordnen, wobei die Partikelgröße von den Potenzialen der ersten Ladungsfänger-Elektrode und der zweiten Ladungsfänger-Elektrode abhängig ist.
Diese Ausgestaltung erlaubt eine Messung der Konzentration von Partikeln deren Größe in einer von den Potenzialen abhängigen Größenklasse liegt.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass der erste Messfühler aus einer ersten Einzelelektrode besteht, und dass der zweite Messfühler aus einer zweiten Einzelelektrode besteht.
Diese Ausgestaltung den Vorteil eines einfacheren Aufbaus, die Einzelelektroeden hier sowohl die Funktion der Ladungsfänger-Elektrode als auch die Funktion der Ladungsdetektions-Elektrode erfüllt.
Bevorzugt ist auch, dass das Steuergerät dazu eingerichtet ist, einer Stromstärke von über die eine Elektrode des zweiten Messfühlers fließenden Strömen eine Konzentration von Partikeln einer bestimmten Partikelgröße zuzuordnen, wobei die Partikelgröße von den Potenzialen der ersten Einzelelektrode und der zweiten Einzelelektrode abhängig ist.
Ähnlich wie die Messfühler mit separater Ladungsfänger-Elektrode und Ladungsdetektions-Elektrode erlaubt auch diese Ausgestaltung eine Messung der Konzentration von Partikeln deren Größe in einer von den Potenzialen abhängigen Größenklasse liegt.
Für die Verfahrensmerkmale ergeben sich die gleichen Vorteile, die sich bei den jeweils analogen Vorrichtungsaspekten ergeben.
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 das technische Umfeld der Erfindung in Form einer Partikelsensoreinheit, die einen Partikelsensor und ein Steuergerät aufweist;
2 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Partikelsensoreinheit;
3 eine Folge von treppenförmig ansteigenden Potenzialen von Elektroden eines Partikelsensors einer erfindungsgemäßen Partikelsensoreinheit;
4 Messsignale von Elektroden von Messwertfühlern von Elektroden eines Partikelsensors einer erfindungsgemäßen Partikelsensoreinheit;
5 ein Histogramm zur Darstellung der Größenverteilung von Partikelanzahlen über Partikelgrößenklassen;
6 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Partikelsensoreinheit;
7 ein optionales Heizer-Element; und
8 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens in Form eines Flussdiagramms.

Im Einzelnen zeigt die 1 eine Partikelsensoreinheit 10, die einen Partikelsensor 12 und ein Steuergerät 14 aufweist, das mit einem Kabelbaum 16 an dem Partikelsensor 12 angeschlossen ist.
Der Partikelsensor 12 weist eine Schutzrohranordnung auf, die ein inneres metallisches Rohr 18 und ein äußeres metallisches Rohr 20 sowie ein erstes Ende 24 und ein zweites Ende 26 aufweist. Bei einer bestimmungsgemäßen Verwendung des Partikelsensors 12 ragt die Schutzrohranordnung mit ihrem ersten Ende 24 quer in eine durch ein Rohr geführte Strömung von Messgas 22 hinein. Das zweite Ende 26 der Schutzrohranordnung liegt dem ersten Ende 24 in Richtung der Längsachse der metallischen Rohre 18, 20 gegenüber. An dem zweiten Ende 26 der Schutzrohranordnung ist das äußere metallische Rohr 20 optional verschlossen. Alternativ kann das äußere metallische Rohr 20 an dem zweiten Ende 26 der Schutzrohranordnung eine Öffnung zur Einblasung von Frischluft 28 aufweisen. Das äußere metallische Rohr 20 ist bevorzugt an Masse angeschlossen, wobei das Massepotenzial ein lokales Potenzial (z.B. eines Abgasrohrs) oder ein Steuergeräte-Massepotenzial sein kann.
Das innere metallische Rohr 18 ist an den beiden Enden 24, 26 der Schutzrohranordnung offen, und es ist konzentrisch im äußeren metallischen Rohr 20 angeordnet. Es ragt mit seinem zum ersten Ende 24 der Schutzrohranordnung gehörenden Ende über das ebenfalls zum ersten Ende 24 der Schutzrohranordnung gehörende Ende des äußeren metallischen Rohrs 20 hinaus. Der äußere Durchmesser des inneren metallischen Rohrs 18 ist so viel kleiner als der innere Durchmesser des äußeren metallischen Rohrs 20, das sich zwischen den beiden metallischen Rohren ein ringförmiger Strömungskanal ergibt, über den zunächst quer zur Schutzrohranordnung strömendes Messgas in die Schutzrohranordnung eintreten kann. An zum ersten Ende 24 der Schutzrohranordnung gehörenden Ende des äußeren metallischen Rohrs 20, ergibt sich ein Messgaseinlass mit kreisringförmigem Strömungsquerschnitt. An dem ebenfalls zum ersten Ende 24 der Schutzrohranordnung gehörenden Ende des inneren metallischen Rohrs 18 ergibt sich ein Messgasauslass, der die lichte Weite des inneren metallischen Rohrs 18 besitzt. Das quer über den Messgasauslass strömende Messgas erzeugt einen Sog an der Messgasauslassöffnung, der dafür sorgt, dass Messgas über den Messgaseinlass in die Schutzrohranordnung eintritt und über den kreisringförmigen Strömungskanal und das Innere des inneren metallischen Rohrs 18 zum Messgasauslass strömt. Aufgrund dieser Geometrie stellt sich im Inneren des inneren metallischen Rohrs 18 eine laminare Messgasströmung ein.
Im Inneren des inneren metallischen Rohres 18 befindet sich ein von einem Trägerelement gehaltenes Sensorelement 30 des Partikelsensors 12. Das Sensorelement 30 ist über den Kabelbaum 16 mit dem Steuergerät 14 verbunden.
2 zeigt das Sensorelement 30 zusammen mit einem Wandabschnitt 18.1 des inneren metallischen Rohres 18 und Elementen des Steuergeräts 14. Der Kabelbaum ist hier die Summe aller Verbindungen zwischen Steuergerät 14 und Sensorelement 30. Der Messgasströmungspfad führt von links nach rechts und füllt den zwischen dem Sensorelement 30 und dem Wandabschnitt 18.1 liegenden Raum aus.
Das Sensorelement 30 weist eine Korona-Entladungs-Elektrode 32 auf. Das innere metallische Rohr, von dem in der 2 der Wandabschnitt 18.1 zu sehen ist, dient im darstellten Ausführungsbeispiel als Masse-Elektrode. Darüber hinaus weist das Sensorelement 30 mehrere Messfühler auf, die in Strömungsrichtung des Messgases stromabwärts von der Korona-Entladungs-Elektrode 32 angeordnet sind.
Im dargestellten Beispiel weist das Sensorelement 30 n = 5 Messfühler auf, von denen jeder ein Elektrodenpaar aufweist. Der erste Messfühler 34 weist ein erstes Elektrodenpaar aus einer ersten Ladungsfänger-Elektrode 34.1 und einer Ladungsdetektions-Elektrode 34. 2 auf. Jeder weitere Messfühler weist im dargestellten Ausführungsbeispiel eine Elektrodenpaar aus einer Ladungsfänger-Elektrode und einer Ladungsdetektions-Elektrode auf. Der zweite Messfühler 36 weist zum Beispiel ein zweites Elektrodenpaar aus einer zweiten Ladungsfänger-Elektrode 36.1 und einer zweiten Ladungsdetektions-Elektrode 36.2 auf, und der n-te Messfühler weist ein n-tes Elektrodenpaar aus einer n-ten Ladungsfänger-Elektrode und einer n-ten Ladungsdetektions-Elektrode auf.
Die erste Ladungsdetektions-Elektrode 34.2 ist im Messgasströmungspfad stromabwärts von der ersten Ladungsfänger-Elektrode 34.1 in dem Messgasströmungspfad angeordnet, und die zweite Ladungsdetektions-Elektrode 36.2 ist im Messgasströmungspfad stromabwärts von der zweiten Ladungsfänger-Elektrode 36.1 angeordnet. Dabei ist die zweite Ladungsfänger-Elektrode 36.1 zwischen der ersten Ladungsdetektions-Elektrode 34.2 und der zweiten Ladungsdetektions-Elektrode 36.2 angeordnet.
Die n - 2 weiteren Messfühler sind optional vorhanden und jeweils so aufgebaut wie der erste Messfühler 34 und der zweite Messfühler 36. Darüber hinaus sind sie auch in der Strömungsrichtung des Messgases hintereinander und hinter dem zweiten Messfühler 36 angeordnet.
Abgesehen von der durch das innere metallische Rohr realisierten Masse-Elektrode sind die genannten Elektroden auf einem dielektrischen Trägerelement 38 des Sensorelements 30 elektrisch voneinander isoliert angeordnet. Das Trägerelement besteht zum Beispiel aus einem Keramikmaterial und weist optional ein eingebettetes oder auf einer Oberfläche des Trägerelements aufliegendes Heizer-Element 39 auf.
Das Steuergerät 14 weist eine Hochspannungsquelle 40 auf, die an die Korona-Entladungs-Elektrode 32 angeschlossen ist. Die von der Hochspannungsquelle 40 erzeugte Spannung ist so hoch, dass eine Korona-Entladung ausgelöst wird, mit der freie Ionen 42 erzeugt werden. Durch den mit Messgas 22 von der Korona-Entladung erfüllten Raumbereich strömende Partikel 44 werden durch freie Ionen 42 aufgeladen, indem diese an den Partikeln anhaften.
Jeweils eine Spannungsquelle ist an jede Ladungsfänger-Elektrode angeschlossen. Diese Spannungsquellen laden die an sie angeschlossene Ladungsfänger-Elektrode jeweils auf ein vorbestimmtes Potenzial auf, wobei sich diese Potenziale von Ladungsfänger-Elektrode zu Ladungsfänger-Elektrode unterscheiden und in Strömungsrichtung des Messgases 22 ansteigen. Die Spannungsquellen werden von einem Mikroprozessor 46 des Steuergeräts 14 gesteuert, zumindest aber eingeschaltet und ausgeschaltet.
Jeweils eine Strommessvorrichtung ist an jede Ladungsdetektions-Elektrode angeschlossen und übergibt ihr Messsignal an den Mikroprozessor 46 des Steuergeräts 14. Dies ist in 2 für die Strommessvorrichtungen 34.4, 36.4 und deren Ladungsdetektions-Elektroden 34.2, 36.2 dargestellt Dabei ist jede Ladungsdetektions-Elektrode so an eine Strommessvorrichtung angeschlossen, dass diese Strommessvorrichtung nur den über diese Ladungsdetektions-Elektrode fließenden Strom misst. Es ist daher bevorzugt für jede Einzelelektrode eine eigene Strommessvorrichtung vorhanden, so dass die über die Einzelelektroden fließenden Ströme zeitgleich gemessen werden. Es ist aber auch denkbar, die Einzelelektroden mit einem Schalterarray sequentiell in schneller Folge mit einer einzigen Strommessvorrichtung abzutasten. Der Mikroprozessor 46 verarbeitet die verschiedenen Messsignale der verschiedenen Messfühler nach einem im Speicher 48 des Steuergeräts 14 abgelegten Programm und gegebenenfalls unter Benutzung von im Speicher 48 abgelegten Daten zu einem Ausgangssignal der Partikelsensoreinheit 10 und stellt dieses Ausgangssignal an einem Ausgang 50 des Steuergeräts bereit.
Die von den Spannungsquellen an den Ladungsfänger-Elektroden erzeugten Spannungen sind jeweils so groß, dass an diesen Elektroden vorbeifliegende geladene Partikel z.B. anziehende Kräfte erfahren, die geladene Partikel aus dem Messgasstrom absaugen. Aufgrund der unterschiedlich hohen Spannungen ergeben sich unterschiedlich hohe Kräfte. Dies führt dazu, dass die Masse einzelner geladener Partikel, die gerade noch an einer bestimmten Ladungsfänger-Elektrode vorbeifliegen, in der Messgasströmungsrichtung ansteigt. Partikel, die leichter sind, werden gegebenenfalls von einer stromaufwärts von dieser bestimmten Ladungsfänger-Elektrode oder der am weitesten stromaufwärts angeordneten ersten Ladungsfänger-Elektrode abgesaugt. Dies wird in der 2 durch die von links nach rechts anwachsende Größe von geladenen Partikeln verdeutlicht, die als abgesaugte Partikel jeweils einer Ladungsfänger-Elektrode anhaften (Vergleiche Elektrode 36.1 und die deren übernächste Elektrode sowie deren übernächste und deren übernächste Elektrode) Das von der ersten Spannungsquelle 34.3 erzeugte Potenzial der ersten Ladungsfänger-Elektrode 34.1 ist idealerweise und bevorzugt so groß, dass sie sämtliche freie Ionen 42, aber noch keine durch anhaftende Ionen aufgeladenen Partikel absaugt.
Die an der ersten Ladungsfänger-Elektrode 34.1 vorbeifliegenden geladenen Partikel stellen damit den gesamten Strom geladener Partikel ohne freie Ionen 42 dar. Beim Vorbeifliegen an der ersten Ladungsdetektions-Elektrode 34.2 laden sie diese durch Influenz auf. Der dafür benötigte erste Stromfluss wird von der ersten Strommessvorrichtung 34.4 gemessen und ist ein Maß für die gesamte Konzentration von Partikeln im Messgasstrom.
Die nächste Ladungsfänger-Elektrode, zunächst also die zweite Ladungsfänger-Elektrode 36.1 des zweiten Messfühlers 36 ist durch die zweite Spannungsquelle 36.3 auf ein Potenzial aufgeladen, bei dem sie leichte Partikel aus dem Strom des Messgases 22 absaugt. Die ihr zugeordnete Ladungsdetektions-Elektrode 36.2 des zweiten Messfühlers 36 misst dann einen durch die vorbeifliegenden Partikel getragenen zweiten Stromfluss. Durch Bilden der Differenz von erstem Stromfluss und zweitem Stromfluss ermittelt das Steuergerät den Anteil der von der zweiten Ladungsfänger-Elektrode 36.1 abgesaugten geladenen Partikel am gesamten Strom geladener Partikel. Auf diese Weise ermittelt das Steuergerät 14 die Konzentration von leichten Partikeln im Messgas 22, deren Masse dadurch definiert ist, dass sie zwischen Grenzen liegt, die durch das Potenzial der ersten Ladungsfänger-Elektrode 34.1 und das Potenzial der zweiten Ladungsfänger-Elektrode 36.1 festgelegt sind.
Jeder folgende Messfühler liefert einen Stromwert, der ein Maß für die Menge der an seiner Ladungsfänger-Elektrode vorbeifliegenden geladenen Partikel ist. Da die Masse der Partikel, die gerade noch an dieser Ladungsfänger-Elektrode vorbeifliegen, von Messfühler zu Messfühler zunimmt, ergibt sich insgesamt eine Reihe von Messwerten, von denen jeder ein Maß für eine Konzentration von Partikeln einer bestimmten Größe im Messgas ist. Diese Messwerte werden als Komponenten eines Messwertvektors zusammengefasst und in dieser Form als Ausgangssignal der Partikelsensoreinheit 10 an dem Ausgang 50 des Steuergeräts 14 bereitgestellt. Bei n Messfühlern ergibt sich so ein Messwertvektor, der Werte einer Gesamtkonzentration und Konzentrationswerte für n - 1 verschiedene Partikelgrößenklassen, insgesamt also n Werte, aufweist.
3 zeigt qualitativ eine Folge von im Strömungspfad treppenförmig von Ladungsfänger-Elektrode zu Ladungsfänger-Elektrode ansteigenden Potenzialen der Ladungsfänger-Elektroden. Die Reihenfolge und Nummerierung der Potenziale entspricht der Reihenfolge und Nummerierung der Messwertfühler.
4 zeigt qualitativ Messsignale von Ladungsfänger-Elektroden von Messwertfühlern für das oben beschriebene Ausführungsbeispiel über der Partikelgröße. Die Reihenfolge und Nummerierung der Messsignale entspricht der Reihenfolge und Nummerierung der Messwertfühler im Strömungspfad. Zu jedem Potenzial aus der 3 ergibt sich ein Messsignal. Die Messsignale werden mit zunehmendem Potenzial und damit von Messfühler zu Messfühler kleiner, weil jeder Messfühler geladene Partikel aus dem Strom absaugt, so dass sich der übrig bleibende Strom geladener Teilchen von Messfühler zu Messfühler verringert.
5 zeigt qualitativ ein Histogramm zur Darstellung der Größenverteilung von Partikelanzahlen über Partikelgrößenklassen, wie sie sich in Abhängigkeit von den gemessenen und in 4 aufgetragenen Signalen berechnen lassen. Jeder Balken entspricht qualitativ einer Differenz von zwei einander benachbarten Messsignalen aus der 4. Eine Ausnahme bildet das am weitesten rechts liegende Messsignal, zu dem kein weiter rechts liegendes Messsignal existiert, das subtrahiert werden könnte.
6 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel, das sich von dem Ausführungsbeispiel gemäß der 2 darin unterscheidet, dass die Messfühler 34 und 36 (und die übrigen Messfühler) an Stelle eines Elektrodenpaars nur eine Einzelelektrode 34.5, 36.5 aufweisen. Damit besteht insbesondere der erste Messfühler 34 aus einer ersten Einzelelektrode 34.5, und der zweite Messfühler 36 besteht aus einer zweiten Einzelelektrode 36.5. Jede Einzelelektrode (zum Beispiel die Einzelelektrode 34.5) ist so an eine Strommessvorrichtung (in diesem Fall die Strommessvorrichtung 34.4) angeschlossen, dass die Strommessvorrichtung nur den über die Einzelelektrode fließenden Strom misst. Es ist daher bevorzugt für jede Einzelelektrode eine eigene Strommessvorrichtung vorhanden, so dass die über die Einzelelektroden fließenden Ströme zeitgleich gemessen werden.
Jede Strommessvorrichtung ist dann bevorzugt in Reihe mit einer die Einzelelektrode auf ihr Potenzial aufladenden Spannungsquelle geschaltet. Es ist aber auch denkbar, die Einzelelektroden sequentiell in schneller Folge mit einer einzigen Strommessvorrichtung abzutasten. Wesentlich ist, dass im Unterschied zu der beim ersten Ausführungsbeispiel erfolgenden Messung der über die Ladungsdetektions-Elektroden fließenden Ströme beim zweiten Ausführungsbeispiel eine Messung der über die Ladungsfänger-Elektroden fließenden Ströme erfolgt. Der über eine i-te Ladungsfänger-Elektrode fließende Strom ist ein Maß für die Konzentration von Partikeln einer Größenklasse, die durch das Potenzial dieser Ladungsfänger-Elektrode und durch das Potenzial der stromaufwärts im Messgasstrom unmittelbar benachbarten (i - 1)-ten Ladungsfänger-Elektrode definiert wird. Geladene Partikel, die kleiner als die untere Grenze dieser Größenklasse sind, werden durch die weiter (i - 1)- te Ladungsfänger-Elektrode abgefangen. Geladene Partikel, die größer als die obere Grenze dieser Größenklasse sind, fliegen an der i - ten Ladungsfänger-Elektrode vorbei.
Durch Erfassen der über die Einzelelektroden fließenden Ströme, die durch die Ladungen der eingefangenen Partikel getragen werden, ergibt sich bereits ohne Differenzbildung die in der 5 dargestellte Verteilung von Partikelanzahlen über der Partikelgröße.
7 zeigt eine schematische Darstellung eines optionalen Heizer-Elements 39, welches in die dielektrische Keramik des Trägerelements eingebettet oder auf eine Oberfläche einer oder mehrerer Seiten des Trägerelements aufgebracht sein kann. Bei einer Anordnung auf einer Oberfläche wird das Heizer-Element 39 bevorzugt mittels Siebdruck oder einem anderen Druckverfahren von Metallschichten aufgebracht. erfolgen. Das Heizer-Element 39 kann einerseits zur Erhöhung der Temperatur des Sensorelements 30 verwendet werden, z.B. um Rußablagerungen, welche zu einem Kurzschluss zwischen den Elektroden führen können, zu reduzieren oder zu verhindern. Alternativ kann auch die Temperatur des Sensorelements mit dem Heizer-Element 39 auf über 650°C-700°C erhöht werden um Rußablagerungen zu verbrennen. Das Heizer-Element 39 weist eine mäanderförmige Widerstandsheizung 39. 1 auf, die über Kontaktflächen 39.2 und den Kabelbaum mit dem Steuergerät 14 verbindbar ist. Diese Funktion kann insbesondere zum Freibrennen der als Ladungsfänger-Elektroden wirkenden Elektroden notwendig sein. Wegen deren anziehender Wirkung auf geladene Partikel ist an ihnen ein hohes Maß an Verrußung zu erwarten.
8 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens in Form eines vom Steuergerät abgearbeiteten Programms.
In einem ersten Schritt 52 wird eine Elektrode des ersten Messfühlers auf ein erstes Potenzial aufgeladen, und wird eine Elektrode eines zweiten Messfühlers, der in dem Messgasströmungspfad stromabwärts von dem ersten Messfühler angeordnet ist, auf eine zweites, höheres Potenzial aufgeladen.
In einem zweiten Schritt 54 werden Stromstärken von über eine Elektrode des ersten Messfühlers fließenden Strömen und von über eine Elektrode des zweiten Messfühlers fließenden Strömen erfasst.
In einem dritten Schritt 56 wird eine Konzentration von mit dem Messgas transportierten Partikeln einer durch die Potenziale bestimmten Größenklasse in Abhängigkeit von der Stromstärke eines über die eine Elektrode des zweiten Messfühlers fließenden Stroms bestimmt.
Dabei wird eine Konzentration von mit dem Messgas transportierten Partikeln einer durch die Potenziale bestimmten Größenklasse in Abhängigkeit von je zwei für voneinander verschiedene Potenziale erfassten Stromstärken ermittelt.
Dazu werden die erfassten Stromstärken voneinander subtrahiert, und dem Ergebnis einer Subtraktion wird eine Konzentration von Partikeln im Messgas zugeordnet.
Alternativ dazu wird dann, wenn die Messfühler des Partikelsensors aus Einzelelektroden bestehen eine Konzentration von Partikeln einer bestimmten Partikelgröße zugeordnet, wobei die Partikelgröße von den Potenzialen der ersten Einzelelektrode und der zweiten Einzelelektrode abhängig ist.
In einem vierten Schritt 58 werden die partikelgrößen-abhängig ermittelten Partikelanzahlen oder Partikelkonzentrationen als Komponenten eines Messwertvektors zusammengefasst und in dieser Form als Ausgangssignal der Partikelsensoreinheit 10 an einem Ausgang des Steuergeräts bereitgestellt. Dieses Ausgangssignal wird ständiges Wiederholen des Verfahrens ständig aktualisiert.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2824453 A1 [0002, 0008, 0010]
WO 2013/125181 A1 [0002, 0008]

Claims

Partikelsensoreinheit (10) mit einem Partikelsensor (12), der einen Messgaseinlass, einen Messgasauslass, einen sich zwischen dem Messgaseinlass und dem Messgasauslass erstreckenden Messgasströmungspfad, eine Korona-Entladungs-Elektrode (32), eine Masse-Elektrode und einen ersten Messfühler (34) aufweist, der wenigstens eine in dem Messgasströmungspfad angeordnete Elektrode (34.1, 34.2; 34.5) aufweist, und mit einem Steuergerät (14), das dazu eingerichtet ist, Stromstärken von über eine Elektrode (34.2; 34.5) des Messfühlers (34) fließenden Strömen zu erfassen und in Abhängigkeit von den erfassten Stromstärken eine im Messgasströmungspfad herrschende Konzentration von Partikeln (44) zu bestimmen, dadurch gekennzeichnet, dass der Partikelsensor (12) einen zweiten Messfühler (36) aufweist, der wenigstens eine Elektrode (36.1, 36.2; 36.5) aufweist, und der in dem Messgasströmungspfad stromabwärts von dem ersten Messfühler (34) angeordnet ist, und dass das Steuergerät (14) dazu eingerichtet ist, eine Elektrode (34.1; 34.5) des ersten Messfühlers (34) auf ein erstes Potenzial und eine Elektrode (36.1; 36.5) des zweiten Messfühlers (36) auf ein zweites, höheres Potenzial aufzuladen, und dass das Steuergerät (14) dazu eingerichtet ist, Stromstärken von über eine Elektrode (34.2; 34.5) des ersten Messfühlers (34) fließenden Strömen und von einer über eine Elektrode (36.2; 36.5) des zweiten Messfühlers (36) fließenden Strömen zu erfassen, und eine Konzentration von mit dem Messgas (22) transportierten Partikeln (44) einer durch die Potenziale bestimmten Größenklasse in Abhängigkeit von der Stromstärke von über die eine Elektrode (36.2; 36.5) des zweiten Messfühlers (36) fließenden Strömen zu ermitteln.
Partikelsensoreinheit (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Messfühler (34) ein erstes Elektrodenpaar aus einer ersten Ladungsfänger-Elektrode (34.1) und einer ersten von der ersten Ladungsfänger-Elektrode (34.1) verschiedenen Ladungsdetektions-Elektrode (34.2) aufweist und dass der zweite Messfühler (36) ein zweites Elektrodenpaar aus einer zweiten Ladungsfänger-Elektrode (36.1) und einer zweiten von der zweiten Ladungsfänger-Elektrode (36.1) verschiedenen Ladungsdetektions-Elektrode (36.2) aufweist.
Partikelsensoreinheit (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Ladungsdetektions-Elektrode (34.2) im Messgasströmungspfad stromabwärts von der ersten Ladungsfänger-Elektrode (34.1) in dem Messgasströmungspfad angeordnet ist, und dass die zweite Ladungsdetektions-Elektrode (36.2) im Messgasströmungspfad stromabwärts von der zweiten Ladungsfänger-Elektrode (36.1) angeordnet ist, wobei die zweite Ladungsfänger-Elektrode (36.1) zwischen der ersten Ladungsdetektions-Elektrode (34.2) und der zweiten Ladungsdetektions-Elektrode (36.2) angeordnet ist.
Partikelsensoreinheit (10) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (14) dazu eingerichtet ist, eine Differenz der über die Ladungsdetektions-Elektroden (34.2, 36.2) fließenden Ströme zu bilden und der Differenz eine Konzentration von Partikeln einer bestimmten Partikelgröße zuzuordnen, wobei die Partikelgröße von den Potenzialen der ersten Ladungsfänger-Elektrode (34.1) und der zweiten Ladungsfänger-Elektrode (36.1) abhängig ist.
Partikelsensoreinheit (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Messfühler (34) aus einer ersten Einzelelektrode (34.5) besteht und dass der zweite Messfühler (36) aus einer zweiten Einzelelektrode (36.5) besteht.
Partikelsensoreinheit (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (14) dazu eingerichtet ist, einer Stromstärke von über die Einzelelektrode (36.5) des zweiten Messfühlers (36) fließenden Strömen eine Konzentration von Partikeln einer bestimmten Partikelgröße zuzuordnen, wobei die Partikelgröße von den Potenzialen der ersten Einzelelektrode (34.5) und der zweiten Einzelelektrode (36.5) abhängig ist.
Verfahren zum Betreiben einer Partikelsensoreinheit (10), die einen Partikelsensor (12) aufweist, der einen Messgaseinlass, einen Messgasauslass, einen sich zwischen Messgaseinlass und Messgasauslass erstreckenden Messgasströmungspfad, eine Korona-Entladungs-Elektrode (32), eine Masse-Elektrode und einen ersten Messfühler (34) aufweist, der wenigstens eine in dem Messgasströmungspfad angeordnete Elektrode (34.1, 34.2; 34.5) aufweist, wobei die Partikelsensoreinheit (10) ein Steuergerät (14) aufweist, wobei über eine Elektrode (34.2; 34.5) des ersten Messfühlers (34) fließende elektrische Ströme erfasst werden und in Abhängigkeit von den erfassten Stromstärken eine im Messgasströmungspfad herrschende Konzentration von Partikeln bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine Elektrode (34.1; 34.5) des ersten Messfühlers (34) auf ein erstes Potenzial aufgeladen wird und eine Elektrode (36.1, 36.5) eines zweiten Messfühlers (36), der in dem Messgasströmungspfad stromabwärts von dem ersten Messfühler (34) angeordnet ist, auf eine zweites, höheres Potenzial aufgeladen wird, Stromstärken von über eine Elektrode (34.2; 34.5) des ersten Messfühlers (34) fließenden Strömen und von über eine Elektrode (36.2; 36.5) des zweiten Messfühlers (36) fließenden Strömen erfasst werden, eine Konzentration von mit dem Messgas (22) transportierten Partikeln einer durch die Potenziale bestimmten Größenklasse in Abhängigkeit von der Stromstärke eines über die eine Elektrode (36.2; 36.5) des zweiten Messfühlers (36) fließenden Stroms ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei der erste Messfühler (34) ein erstes Elektrodenpaar aus einer ersten Ladungsfänger-Elektrode (34.1) und einer ersten von der ersten Ladungsfänger-Elektrode (34.1) verschiedenen ersten Ladungsdetektions-Elektrode (34.2) aufweist und wobei der zweite Messfühler (36) eine zweite Ladungsfänger-Elektrode (36.1) und eine von der zweiten Ladungsfänger-Elektrode (36.1) verschiedene zweite Ladungsdetektions-Elektrode (36.2) aufweist, und wobei die erste Ladungsdetektions-Elektrode (34.2) im Messgasströmungspfad stromabwärts von der ersten Ladungsfänger-Elektrode (34.1) in dem Messgasströmungspfad angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Ladungsdetektions-Elektrode (36.2) im Messgasströmungspfad stromabwärts von der zweiten Ladungsfänger-Elektrode (36.1) angeordnet ist, wobei die zweite Ladungsfänger-Elektrode (36.1) zwischen der ersten Ladungsdetektions-Elektrode (34.2) und der zweiten Ladungsdetektions-Elektrode (36.2) angeordnet ist und wobei eine Differenz der über die Ladungsdetektions-Elektroden (34.2, 36.2) fließenden Ströme gebildet wird und der Differenz eine Konzentration von Partikeln einer bestimmten Partikelgröße zugeordnet wird, wobei die Partikelgröße von den Potenzialen der ersten Ladungsfänger-Elektrode (34.1) und der zweiten Ladungsfänger-Elektrode (36.1) abhängig ist.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei der erste Messfühler (34) aus einer ersten Einzelelektrode (34.5) besteht, die sowohl als Ladungsfänger-Elektrode als auch als Ladungsdetektions-Elektrode dient und wobei der zweite Messfühler (36) aus einer zweiten Einzelelektrode (36.5) besteht, die sowohl als zweite Ladungsfänger-Elektrode als auch als zweite Ladungsdetektions-Elektrode dient, dadurch gekennzeichnet, dass Stromstärken von elektrischen Strömen erfasst werden, die über die zweite Einzelelektrode (36.5) fließen und dass einer Stromstärke von über die Einzelelektrode (36.5) des zweiten Messfühlers (36) fließenden Strömen eine Konzentration von Partikeln einer bestimmten Partikelgröße zugeordnet wird, wobei die Partikelgröße von den Potenzialen der ersten Einzelelektrode (34.5) und der zweiten Einzelelektrode (36.5) abhängig ist.