-
Stand der Technik
-
Die Erfindung betrifft einen Partikelsensor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
-
Vom Markt her ist es bekannt, zur Messung von Partikeln im Abgasstrom einer Brennkraftmaschine eine Koronaelektrode zu verwenden. Hierdurch werden in dem Gasstrom vorhandene Partikel elektrisch aufgeladen, und die Ladung, welche auf den Partikeln aus dem Partikelsensor getragen wird, kann gemessen werden. Die Aufladung der Partikel geschieht in einem lonenstrom, der durch eine Koronaentladung mittels der Koronaelektrode erzeugt wird.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird durch einen Partikelsensor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in Unteransprüchen angegeben.
-
Ein Vorteil der Erfindung besteht in einer besonders hohen Empfindlichkeit des Partikelsensors und einer vergrößerten Unabhängigkeit der Sensibilität des Partikelsensors von seiner Einbaulage. Außerdem kann der erfindungsgemäße Partikelsensor sehr einfach und preiswert hergestellt werden, und er ist im Betrieb robust und daher langlebig.
-
Erreicht wird dies durch einen Partikelsensor mit einer Partikelaufladeeinrichtung zum Aufladen von Partikeln in einem Fluidstrom, wobei die Partikelaufladeeinrichtung mindestens eine Koronaelektrode zur Erzeugung einer Koronaentladung aufweist. Die Koronaelektrode ist in einer einseitig oder beidseitig offenen (in dem letztgenannten Fall also durchgehenden) fensterartigen Aussparung eines Trägerelements angeordnet. Aufgrund der fensterartigen Aussparung ist ein sehr guter und breiter „Sichtkontakt“ von der Koronaelektrode zu einer Gegenelektrode möglich, wodurch eine direkte Aufladung eines großen Anteils der in den Bereich der Koronaelektrode hinein fliegen Partikel möglich wird. Besonders bei einer beidseitig offenen Aussparung hat die Koronaelektrode einen praktisch vollständigen „Sichtkontakt“ zu einer Gegenelektrode mit einem sehr großen „Öffnungswinkel“. Damit driften die an der Koronaelektrode entstehenden Ionen entlang der elektrischen Feldlinien von der Koronaelektrode zu der Gegenelektrode auf mindestens zwei Pfaden, und es wird quasi das komplette an dem Bereich der Koronaelektrode vorbeiströmende Fluid „beschossen“. Die Koronaelektrode kann aus einem Drahtmaterial mit einem Durchmesser im Bereich von 30 µm-130 µm, vorzugsweise im Bereich von 50 µm-80 µm hergestellt sein. Der erfindungsgemäße Partikelsensor kann dabei nicht nur beispielsweise zur Detektion von Partikeln im Abgas einer Verbrennungsanlage, beispielsweise einer Brennkraftmaschine, eingesetzt werden, sondern ganz allgemein zur Detektion von Partikeln und Aerosolen in einer Fluidströmung, beispielsweise auch zur Messung der Raumluftqualität, oder ähnlichem.
-
Bei einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Koronaelektrode von einem Rand der Aussparung zu einem anderen Rand der Aussparung reicht. Auf diese Weise wird eine radiale Entladung erreicht. Die Koronaelektrode kann beispielsweise durch einen Draht realisiert sein, der zwischen den beiden Rändern der Aussparung gespannt ist. Ein Vorteil dieser Ausführung besteht darin, dass eine Energieentladung auf einer größeren Fläche den Verschleiß verringert, wodurch die Lebensdauer erhöht wird. Allerdings ist der Ort der Zündung nicht genau bestimmt, und die Bedingungen zur Zündung sind erschwert. Dabei hat für die Zündung einer Korona der Formfaktor „Krümmungsradius“ und die somit resultierende Bildung des elektrischen Feldes eine Bedeutung.
-
Bei einer alternativen Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Koronaelektrode von einem Rand der Aussparung abragt und vor einem anderen Rand der Aussparung endet („Nadelelektrode“). In diesem Fall wird eine punktförmige Entladung an der abragenden Spitze der Koronaelektrode erzeugt. Ein Vorteil dieser Ausführungsvariante besteht darin, dass der Ort der Zündung genau definiert ist. Ferner sind die Bedingungen für die Koronazündung deutlich erleichtert. Auch hier spielt der Formfaktor Krümmungsradius eine Rolle. Allerdings erhöht die Energieentladung auf engster Fläche den Verschleiß, wodurch die Lebensdauer verringert wird.
-
Bei einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass der Partikelsensor auf oder in dem Trägerelement mindestens eine weitere Elektrode, insbesondere eine Trapelektrode zum Ablenken geladener Teilchen des Fluidstroms und/oder eine Sensierelektrode aufweist. Eine solche Trapelektrode dient zum Ablenken von geladenen Teilchen (insbesondere Ionen) des Fluidstroms, und sie fängt die übrigen Ionen ein. Durch die Integration einer weiteren Elektrode wird ein sehr kompakter und einfach zu installierender Partikelsensor geschaffen.
-
Bei einer Weiterbildung hierzu ist vorgesehen, dass die weitere Elektrode beidseitig außen und vorzugsweise symmetrisch auf dem Trägerelement angeordnet ist. Hierdurch arbeitet die weitere Elektrode besonders effizient. Dies gilt insbesondere dann, wenn die weitere Elektrode eine Trapelektrode und/oder eine Sensierelektrode ist. Auf diese Weise können in einem besonders großen Umfang freie Ladungen „abgesaugt“ werden, und die Partikelladungen können besonders exakt erfasst werden.
-
Bei einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass das Trägerelement wenigstens bereichsweise radial innerhalb von einem Schutzrohr angeordnet ist, wobei das Schutzrohr vorzugsweise eine Gegenelektrode umfasst oder als solche ausgebildet ist. Ein solches Schutzrohr wird üblicherweise quer zu dem eigentlichen Fluidstrom angeordnet, und es dient dazu, in seinem Inneren eine definierte, gleichmäßige und vorzugsweise laminare Strömung für den Partikelsensor bereitzustellen. Hierdurch wird die Aussagekraft des vom Partikelsensor bereitgestellten Ausgangssignal verbessert. Wenn das Schutzrohr als Gegenelektrode ausgebildet ist, wird ein besonders großer Koronabereich geschaffen.
-
Bei einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass der Partikelsensor dazu ausgebildet ist, das Sensorsignal nach dem Influenzprinzip oder dem escaping-current-Prinzip zu ermitteln. Beim Influenzprinzip kann die Sensoreinrichtung wenigstens eine optionale Sensierelektrode aufweisen, in die ein elektrisches Signal, insbesondere eine Spannung, induziert wird, wenn ein oder mehrere elektrisch geladene Partikel sich an der Sensierelektrode vorbeibewegen. In diesem Fall kann die induzierte Spannung beispielsweise das Sensorsignal repräsentieren. Beim escaping-current-Prinzip ist eine ansonsten notwendige Sensierelektrode entbehrlich. Zur Verwendung des „escaping current“ - Prinzips zur Messung eines Ladungsstroms der geladenen Partikel kann bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen das komplette, den Partikelsensor enthaltende, System nach außen isoliert werden (insbesondere wird hierdurch eine optionale Gegenelektrode einer Koronaelektrode „virtuell“, beispielsweise eine virtuelle Masseelektrode), und es wird ein elektrischer Strom gemessen, welchen die geladenen Partikel in Form ihrer elektrischen Aufladung aus dem ansonsten elektrisch isolierten und daher geschlossenen System heraustragen. Beispielsweise fließt der betrachtete elektrische Strom von der Koronaelektrode durch die Koronaentladung in die Gegenelektrode, und eine bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen optional vorhandene Trapelektrode zum Ablenken von geladenen Teilchen (insbesondere Ionen) des Fluidstroms fängt die übrigen Ionen ein. Der Strom, welcher von den geladenen Partikeln erzeugt wird, muss der Gegenelektrode wieder hinzugefügt werde, damit ihr elektrisches Potential konstant bleibt. Er wird als „escaping current“ bezeichnet und ist ein Maß für die Konzentration von aufgeladenen Partikeln.
-
Bei einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Koronaelektrode auf einer Oberfläche des Trägerelements befestigt ist. Dies ist fertigungstechnisch besonders einfach und daher preiswert. Außenliegende Leiterbahnen sind vorzugsweise mit isolierenden Abdeckschichten, bevorzugt mit Al2O3, bevorzugt in einer Schichtdicke von 10µm bis 60µm, stärker bevorzugt ca. 20µm bis 40µm, bevorzugt als lochfreie dichte Isolationsschicht, abgedeckt.
-
Bei einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass das Trägerelement aus mindestens zwei Schichten hergestellt ist, und dass die Koronaelektrode zwischen den beiden Schichten befestigt ist. Der Begriff „Schicht“ ist dabei vorliegend weit und nicht nur im Sinne eines im Vergleich zu seiner Breite und Länge sehr dünnen Elements zu verstehen, sondern bezeichnet vorliegend auch Elemente mit einer maßgeblichen Dicke. Ein solcher Partikelsensor ist besonders robust. Außerdem kann der Aufbau des Partikelsensors im Hinblick auf seine Funktion durch eine entsprechende Anzahl von Schichten und deren Dicke optimal auf das Einsatzszenario ausgerichtet werden. Möglich ist, dass die Schichten aus einer elektrisch hochisolierenden Keramik hergestellt sind, beispielsweise aus Al2O3.
-
Besonders bevorzugt ist dabei ein Aufbau aus 4, 5 oder 6 Schichten oder aus noch mehr Schichten. Die Dicken der einzelnen Schichten können beispielsweise im Bereich von 200 µm bis 600 µm liegen.
-
Bei einer Weiterbildung hierzu ist vorgesehen, dass die Koronaelektrode mittig oder außermittig, bezogen auf eine Dickenrichtung des Trägerelements, in diesem angeordnet ist. Auf diese Weise kann der Koronabereich spezifisch ausgebildet werden.
-
Bei einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass der Partikelsensor mindestens zwei Koronaelektroden aufweist, die in einer Dickenrichtung gesehen vorzugsweise symmetrisch zu einer Mittelebene des Trägerelements außermittig zu dieser angeordnet sind. Hierdurch wird eine sehr hohe Empfindlichkeit geschaffen, da ein besonders großer Anteil der in den Sensor hinein- bzw. an diesem vorbeifliegenden Partikel aufgeladen werden kann.
-
Bei einer Weiterbildung hierzu ist vorgesehen, dass wenigstens Bereiche von Zuleitungen zu der Koronaelektrode in einer (in Dickenrichtung gesehen) anderen Ebene des Trägerelements angeordnet sind als Zuleitungen zu mindestens einer weiteren Elektrode, insbesondere einer Trapelektrode und/oder oder einer Sensierelektrode, wobei vorzugsweise zwischen der Ebene der Zuleitungen zu der Koronaelektrode und der Ebene der Zuleitungen zu der weiteren Elektrode eine Abschirmschicht angeordnet ist. Die elektrische Durchschlagsfestigkeit wird hierdurch erhöht, ebenso die Isolationsqualität, und Leckströme werden vermindert.
-
Bei einer Weiterbildung hierzu ist vorgesehen, dass mindestens zwei Schichten mittels eines keramischen Klebers miteinander verbunden sind. Beispielsweise ist es möglich, die beiden Schichten in Form von „Halbschalen“ auszubilden. Der keramische Kleber kann beispielsweise ein Al2O3-Material umfassen, und beispielsweise als Paste auf die zu fügenden Flächen aufgebracht, beispielsweise gedruckt werden. Besonders vorteilhaft ist hier ein Siebdruckverfahren. Die beiden Schichten können dann mit den zu fügenden Flächen gegeneinander gefügt und bei einer hohen Temperatur gemeinsam gesintert werden.
-
In einem Schritt nach einem Sintern („postfiring-Schritt“) kann bei einem Partikelsensor mit einer zwischen gegenüberliegenden Rändern befestigten Koronaelektrode das (zunächst) lose Drahtende in einer kanalartigen Aussparung mit einer Glaspaste fixiert werden.
-
Bei einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass das Trägerelement ein Keramikmaterial umfasst oder aus einem solchen hergestellt ist, insbesondere wenigstens auch durch Ceramic Injection Moulding oder als Keramik-Pressteil hergestellt ist. Dies gestattet eine präzise und gleichwohl preiswerte Herstellung.
-
Bei einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass die fensterartige Aussparung während eines Spritzvorgangs, während eines Pressvorgangs, oder durch Stanzen oder Fräsen hergestellt ist. Dies sind sehr effiziente und preiswerte Verfahren, um die fensterartige Aussparung herzustellen.
-
Bei einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass wenigstens ein Bereich einer Zuleitung zu der Koronaelektrode und/oder einer weiteren Elektrode und/oder die weitere Elektrode selbst auf das Trägerelement aufgedruckt ist. Dies schließt ein, dass der Bereich, bei einem Trägerelement, welches mehrere Schichten umfasst, auf eine der Schichten aufgedruckt ist. Dies gestattet eine sehr einfache und preiswerte Erzeugung der Zuleitungen. Besonders geeignet ist ein Siebdruckverfahren. Dabei kann auch eine Passivierung der Zuleitung als Siebdruckelement realisiert werden. Möglich ist auch, dass die Zuleitungen bzw. Leiterbahnen aus einem hochtemperaturfesten Pt- und/oder Pt-Cermet- Material hergestellt sind.
-
Bei einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Koronaelektrode mit einem Ende lose in dem Trägerelement angeordnet ist. Hierdurch wird eine sichere Lagerung bereitgestellt, bei gleichzeitiger Vermeidung von ungewollten Spannungen. Möglich ist, dass das lose Ende in Richtung der Strömung des Fluids gesehen stromabwärts angeordnet ist, also zu einer, sofern vorhanden, Trapelektrode und/oder Sensierelektrode hin. Möglich ist, dass in das Trägerelement, insbesondere in eine Schicht des Trägerelements, eine Kanal eingebracht ist, beispielsweise eingefräst ist, in dem das besagte lose Ende liegt oder dass das lose Ende später eingeschoben wird. Grundsätzlich denkbar ist aber auch, wie bereits oben angedeutet wurde, dass das besagte Ende nur zunächst lose ist und später, beispielsweise in einem postfiring-Schritt, mechanisch gespannt fixiert wird, beispielsweise mittels Glas. Ein solches Glas kann hochtemperaturfest sein, bevorzugt ist es für Temperaturen von größer 1000 °C ausgelegt. Ferner ist das Glas vorzugsweise an die Eigenschaften beispielsweise von Al2O3 im Hinblick auf die Wärmeausdehnung angepasst.
-
Bei einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass wenigstens ein Bereich einer Zuleitung zu der Koronaelektrode in einen gefrästen Kanal des Trägerelements eingelegt ist, vorzugsweise eingesintert ist. Dies gestattet die Realisierung vergleichsweise großer Leitungsquerschnitte. Möglich ist auch, dass die Koronaelektrode zur mechanischen Spannungsreduzierung während eines Sintervorgangs des Trägerelements in einem ausgefrästen Kanal auf eine Zuleitung einseitig elektrisch kontaktierend eingelegt ist und auf diese Weise in das Trägerelement eingesintert wird. Dabei kann die Koronaelektrode, die beispielsweise aus Pt oder Ptlr hergestellt ist, mechanisch spannungsfrei im cofiring mitsintern.
-
Bei einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass das Trägerelement wenigstens bereichsweise im Wesentlichen eben oder im wesentlichen rotationssymmetrisch ist. Das Trägerelement kann somit beispielsweise als planares längliches Teil in der Art einer Platte, insbesondere einer eckigen Platte, mit einem beispielsweise flachen rechteckigen Querschnitt ausgebildet sein, oder als im Querschnitt rundes oder ovales Teil in der Art eines Rundstabs. Grundsätzlich denkbar ist auch ein 5-eckiger, 6-eckiger, x-eckiger oder quadratischer Querschnitt.
-
Bei einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass der Partikelsensor eine Gegenelektrode umfasst, die in Richtung einer Abgasströmung gesehen stromabwärts von der Koronaelektrode angeordnet ist. Hierdurch arbeitet der Partikelsensor besonders effizient. Somit kann ein vergleichsweise großer Abstand realisiert werden, was das Risiko für einen Durchschlag reduziert. Auch wird hierdurch der Bereich für Wechselwirkungen zwischen Ionen/Koronaentladung sowie Partikel/Fluidstrom größer. Ferner treibt eine Koronaentladung in Richtung Fluidstrom diesen an (Impulsübertragung durch Koronawind), wodurch Änderungen in der Strömungsgeschwindigkeit vergleichmäßigt werden können. Grundsätzlich denkbar und ebenfalls spezifische Vorteile aufweisend ist es, wenn die Gegenelektrode auf gleicher Höhe wie die Koronaelektrode angeordnet ist, diese beispielsweise umschließt. Wichtig ist in beiden Fällen, dass ein „direkter Sichtkontakt“ zwischen der Koronaelektrode und der Gegenelektrode besteht. Die optionale Trap- und die nachgeschaltete, optionale Sensierelektrode können sich in einem stirnseitigen Endbereich des Trägerelements befinden. Ebenso wie die Koronaelektrode können sie von außen über übliche Durchkontaktierungen im Stile beispielsweise eines Vias und über eine „vergrabene“, also im Inneren des Trägerelements angeordnete Zuleitung elektrisch kontaktiert werden. Ein elektrischer Anschluss (Kontaktierungsabschnitt) des Partikelsensors befindet sich für die Koronaelektrode und eventuell vorhandene weitere Elektroden beispielsweise in einem hinteren Endbereich (stromaufwärts von der Koronaelektrode) außen liegend auf der Oberfläche, er kann aber auch innen liegend in einer Aussparung oder auch mit eingesinterten Drähten entsprechend kontaktiert ausgeführt werden.
-
Bei einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass der Partikelsensor eine Ansteuereinrichtung umfasst, die so ausgebildet und eingerichtet ist, dass eine gepulste Korona erzeugt wird. Es wird also keine konstante Gleichspannung angelegt. Dies hat Vorteile dann, wenn der Partikelsensor nach dem Influenzprinzip arbeitet.
-
Bei einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass der Partikelsensor eine Heizeinrichtung umfasst. Die Heizeinrichtung kann außen auf einer Oberfläche oder im Inneren des Trägerelements des Partikelsensors angeordnet sein. Wenn es außen angeordnet ist, ist es vorzugsweise mit AI203 flächig abgedeckt. Wenn die Heizeinrichtung im Inneren des Trägerelements angeordnet ist, kann sie die Heizleistung besser und homogener in das Trägerelement abgeben. Durch die Heizeinrichtung wird eine Heiz- und/oder Schutzheizfunktion geschaffen, durch welche am Partikelsensor angelagerte Partikel abgebrannt und so eine Anlagerung von solchen Partikeln reduziert bzw. verhindert werden kann.
-
Nachfolgend werden Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigen:
- 1 eine stark schematisierte Seitenansicht eines Partikelsensors mit einer Koronaelektrode zur Erläuterung des grundsätzlichen Funktionsprinzips;
- 2 schematisch die Anordnung des Partikelsensors von 1 in einem Zielsystem;
- 3 eine schematisierte Draufsicht auf eine erste Ausführungsform des Partikelsensors im Zielsystem;
- 4 eine perspektivische Darstellung des Partikelsensors von 3;
- 5 eine perspektivische Darstellung einer weiteren Ausführungsform des Partikelsensors;
- 6 eine perspektivische Darstellung einer weiteren Ausführungsform des Partikelsensors;
- 7 eine perspektivische Explosionsdarstellung einer weiteren Ausführungsform des Partikelsensors;
- 8 eine perspektivische und teilweise geschnittene Darstellung einer weiteren Ausführungsform des Partikelsensors in einem Zielsystem;
- 9 einen Längsschnitt durch eine weitere Ausführungsform des Partikelsensors;
- 10 eine perspektivische und teilweise geschnittene Darstellung einer weiteren Ausführungsform des Partikelsensors;
- 11 eine perspektivische und teilweise geschnittene Darstellung einer weiteren Ausführungsform des Partikelsensors;
- 12 eine perspektivische und teilweise geschnittene Darstellung einer weiteren Ausführungsform des Partikelsensors;
- 13 eine perspektivische und teilweise geschnittene Darstellung einer weiteren Ausführungsform des Partikelsensors;
- 14 eine Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform des Partikelsensors;
- 15 eine Seitenansicht des Partikelsensors von 14;
- 16 eine Rückseitenansicht des Partikelsensors der 14 und 15;
- 17 und 18 perspektivische Darstellungen von zwei Hälften einer weiteren Ausführungsform des Partikelsensors;
- 19 und 20 perspektivische Darstellungen von zwei Hälften einer weiteren Ausführungsform des Partikelsensors;
- 21 eine Schnittdarstellung einer weiteren Ausführungsform des Partikelsensors; und
- 22 eine Schnittdarstellung einer weiteren Ausführungsform des Partikelsensors.
-
Funktionsäquivalente Bereiche und Elemente tragen in den nachfolgenden Figuren auch in unterschiedlichen Ausführungsformen die gleichen Bezugszeichen. Sie werden nicht immer nochmals im Detail erläutert. Außerdem sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass Merkmale einzelner Ausführungsformen auch mit Merkmalen anderer Ausführungsformen kombiniert werden können, soweit dies sinnvoll ist, ohne dass hierauf nochmals explizit hingewiesen wird.
-
1 zeigt schematisch eine Seitenansicht eines Partikelsensors 10 gemäß bevorzugten Ausführungsformen. Der Partikelsensor 10 weist eine Partikelaufladeeinrichtung 12 zum elektrischen Aufladen von Partikeln 14 in einem Fluidstrom 16 auf, wodurch aufgeladene Partikel 14' erhalten werden.
-
Beispielsweise kann es sich bei dem Fluidstrom 16 um einen Abgasstrom einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs handeln. Beispielsweise kann es sich bei den Partikeln 14 um Rußpartikel handeln, wie sie im Rahmen einer Verbrennung von Kraftstoff durch eine Brennkraftmaschine entstehen. Das Prinzip gemäß den Ausführungsformen kann aber auch zur Sensierung von z.B. flüssigen Partikeln (z.B. Aerosol) verwendet werden.
-
Die Partikelaufladeeinrichtung 12 umfasst vorliegend beispielhaft eine Koronaelektrode 18 zur Erzeugung einer Koronaentladung 20 („Koronabereich“) aufweist. Hierdurch können insbesondere im Bereich der Koronaentladung 20 Ionen erzeugt werden, mittels denen die Partikel 14 des Fluidstroms 16 elektrisch aufgeladen werden, wodurch die elektrisch geladenen Partikel 14' erhalten werden.
-
Der Partikelsensor 10 weist ferner eine Sensoreinrichtung 22 zur Erfassung eines zeitlichen Verlaufs eines Sensorsignals 24, 24' auf, das Informationen über aufgeladene Partikel 14' in dem Fluidstrom 16 aufweist. Bei der beispielhaft dargestellten Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Koronaelektrode 18 eine Gegenelektrode 26, z.B. eine Masseelektrode 26, zugeordnet ist.
-
Der Partikelsensor 10 kann dazu ausgebildet sein, das Sensorsignal 24 nach dem Influenzprinzip zu ermitteln. Beispielsweise kann die Sensoreinrichtung 22 wenigstens eine optionale Sensierelektrode 28 aufweisen, in die ein elektrisches Signal, insbesondere eine Spannung, induziert wird, wenn ein oder mehrere elektrisch geladene Partikel 14' sich entlang der in 1 horizontalen Koordinate x an der Sensierelektrode 28 vorbeibewegen. In diesem Fall kann die induzierte Spannung beispielsweise das Sensorsignal 24 repräsentieren.
-
Der Partikelsensor 10 kann auch dazu ausgebildet sein, das Sensorsignal 24' nach dem escaping-current-Prinzip zu ermitteln. In diesem Falle wäre die vorstehend beschriebene Sensierelektrode 28 entbehrlich. Zur Verwendung des „escaping current“ - Prinzips zur Messung eines Ladungsstroms der geladenen Partikel 14' kann bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen das komplette, den Partikelsensor 10 enthaltende, System nach außen isoliert werden (insbesondere wird hierdurch eine optionale Gegenelektrode einer Koronaelektrode „virtuell“, beispielsweise eine virtuelle Masseelektrode), und es wird ein elektrischer Strom gemessen, welchen die geladenen Partikel 14' in Form ihrer elektrischen Aufladung aus dem ansonsten elektrisch isolierten und daher geschlossenen System heraustragen. Beispielsweise fließt der betrachtete elektrische Strom von der Koronaelektrode 18 durch die Koronaentladung 20 in die Gegenelektrode 26, und eine optional vorhandene Trapelektrode 30 zum Ablenken von geladenen Teilchen (insbesondere Ionen) des Fluidstroms 16 fängt die übrigen Ionen ein. Der Strom, welcher von den geladenen Partikeln 14' erzeugt wird, muss der Gegenelektrode 26 wieder hinzugefügt werden, damit ihr elektrisches Potential konstant bleibt. Er wird als „escaping current“ bezeichnet, entspricht vorliegend dem Signal 24', und ist ein Maß für die Konzentration der aufgeladenen Partikel 14'.
-
Zu dem Partikelsensor 10 gehört ferner ein elektrisch nicht leitendes Trägerelement 32 (z.B. Keramiksubstrat, beispielsweise i.w. planar ausgebildet, vgl. 1), wobei z.B. mehrere der genannten Elemente auf einer ersten Oberfläche 34 des Trägerelements 32 angeordnet sind. Wie aus 1 ersichtlich ist, ist bezüglich einer Strömungsrichtung x des Fluidstroms 16 stromaufwärts die Koronaelektrode 18 angeordnet, stromabwärts hiervon kann bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen ggf. die optionale Trapelektrode 30 vorgesehen sein, die zum Ablenken geladener Teilchen (z.B. Ionen) der Fluidströmung 16 vorgesehen ist. Stromabwärts der optionalen Trapelektrode 30 ist wie aus 1 ersichtlich die Sensierelektrode 28 angeordnet. Konkrete mögliche Topologien des Partikelsensors 10 werden weiter unten noch stärker im Detail erläutert werden.
-
2 zeigt schematisch die Anordnung des Partikelsensors 10 gemäß 1 in einem Zielsystem 36, bei dem es sich vorliegend und lediglich beispielhaft um einen Abgastrakt einer Brennkraftmaschine beispielsweise eines Kraftfahrzeugs handelt. Eine Abgasströmung in einem Abgasrohr (nicht dargestellt) ist vorliegend mit dem Bezugszeichen 38 bezeichnet. Ebenfalls abgebildet ist eine Schutzrohranordnung 40 aus zwei zueinander konzentrisch angeordneten Rohren 42 und 44, wobei der Partikelsensor 10 so in dem inneren Rohr 42 angeordnet ist, dass seine erste Oberfläche 34 im Wesentlichen parallel zu einer Längsachse 46 des inneren Rohres 42 verläuft. Aufgrund der unterschiedlichen Längen und der Anordnung der Rohre 42, 44 relativ zueinander ergibt sich bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen durch den Venturi-Effekt ein Sog, bei dem die Strömung des Abgases 38 eine Fluidströmung 16 aus dem inneren Rohr 42 heraus in 2 in vertikaler Richtung nach oben bewirkt. Die weiteren Pfeile deuten die Fortsetzung dieser durch den Venturi-Effekt bewirkten Fluidströmung durch einen Zwischenraum zwischen den beiden Rohren 42, 44 hindurch zur Umgebung der Schutzrohranordnung 40 hin an. Insgesamt wird durch die in 2 abgebildete Anordnung eine vergleichsweise gleichmäßige, im Idealfall sogar laminare Überströmung des Partikelsensors 10 bewirkt, was eine effiziente Erfassung von in der Fluidströmung 16 befindlichen Partikeln 14 ermöglicht. Darüber hinaus wird der Partikelsensor 10 vor einem direkten Kontakt mit dem Haupt-Abgasstrom 38 geschützt.
-
Das Bezugszeichen 48 deutet eine optionale elektrische Verbindung des inneren Rohres 42 mit einem Bezugspotenzial wie beispielsweise dem Massepotenzial an, sodass das Rohr 42 vorteilhaft gleichzeitig zu seiner fluidischen Leitfunktion als elektrische Gegenelektrode 26 beispielsweise für die Koronaelektrode 18 und/oder die optionale Trapelektrode 30, vergleiche 1, verwendbar sind.
-
Der Blockpfeil 50 in 2 symbolisiert eine optionale Frischgasversorgung, insbesondere Frischluftversorgung, die in manchen Ausführungsformen erwünscht sein kann, bei besonders bevorzugten Ausführungsformen jedoch nicht vorgesehen ist.
-
Bei der in den 3 und 4 gezeigten Ausführungsform eines Partikelsensors 10 ist das Trägerelement 32 als planares, also ebenes Stabelement ausgebildet, welches einen in etwa rechteckigen Querschnitt aufweist. Das Trägerelement 32 weist in einem in Richtung des Fluidstroms 16 gesehen stromabwärtigen Bereich eine durchgehende, also nach oben und nach unten und insoweit beidseitig offene fensterartige Aussparung 52 auf, die vorliegend in der Draufsicht in etwa elliptisch bzw. oval ist. Alternativ könnte die Aussparung auch rechteckig, vorzugsweise mit verrundeten Ecken bzw. Kanten sein. Die Koronaelektrode 18 reicht von einem Rand 54 der Aussparung 52 zu einem anderen Rand 56, der dem Rand 54 gegenüberliegt. Dabei kann die Koronaelektrode 18 hier und auch in den nachfolgenden Ausführungsformen beispielsweise als ein Draht aus einem Pt- oder Ptlr oder einem anderen hochtemperaturbeständigen Material sein. Ein nochmals stromabwärts von der Aussparung 52 angeordneter Bereich 58 des Trägerelements 32 kann, wie weiter unten noch ausgeführt werden wird, zur Anordnung der oben erwähnten Trapelektrode 30 und/oder auch zur Anordnung der oben erwähnten Sensierelektrode 28 verwendet werden. Das Trägerelement 32 ist vorzugsweise aus einem keramischen Material hergestellt, beispielsweise aus Al2O3.
-
Wie aus 4 hervorgeht, kann die Koronaelektrode 18 im Bereich der Ränder 54 und 56 in Bereichen 60 mit dem Trägerelement 32 verklebt sein. Als Kleber kommt beispielsweise ein keramischer Kleber, beispielsweise aus Al2O3, infrage, der bei einem anschließenden Sintervorgang gesintert wird. Man erkennt ferner aus 4, dass vorliegend beispielhaft die Koronaelektrode 18 auf der ersten Oberfläche 34 des Trägerelements 32 befestigt ist, und dass dort auch eine Zuleitung 62 für die Koronaelektrode 18 aufgebracht ist, beispielsweise insbesondere mittels Siebdruck aufgedruckt ist. Die Zuleitung 62 kann beispielsweise aus einem Pt-Material sein.
-
Die Ausführungsform von 5 unterscheidet sich von jener der 4 dadurch, dass die Koronaelektrode 18 sich nicht über die gesamte Weite der Aussparung 52 vom einen Rand 54 zum anderen Rand 56 erstreckt, sondern dass die Koronaelektrode 18 vom Rand 54 abragt, aber vor dem anderen Rand 56, also in einem Abstand zu diesem, endet („Nadelelektrode“). Während bei einer Koronaelektrode 18 entsprechend jener der 3 und 4 eine radiale Koronaentladung 20 geschaffen wird, wird bei der Koronaelektrode 18 der 5 eine punktförmige Koronaentladung 20 an einer Spitze 64 der Koronaelektrode 18 geschaffen.
-
Die Ausführungsform von 6 unterscheidet sich von jener der 4 dadurch, dass die Koronaelektrode 18 nicht auf der Oberfläche 34 des Trägerelements 32 angeordnet ist. Stattdessen umfasst das Trägerelement 32 zwei Schichten 66. Die Koronaelektrode 18 ist in einer Mittelebene (ohne Bezugszeichen), die durch die beiden Fügeflächen 70 gebildet wird, angeordnet.
-
Die Ausführungsform von 7 ist ähnlich zu jener von 6, allerdings sind vorliegend beispielhaft die beiden Schichten 66 als zwei Hälften eines im wesentlichen rotationssymmetrischen und insoweit kreisförmigen Querschnitt aufweisenden Trägerelements 32 anzusehen, die jeweils eine zur anderen Hälfte 66 weisende Fügefläche 70 aufweisen. Man erkennt ferner eine weitere Elektrode, nämlich vorliegend beispielhaft eine Trapelektrode 30, die ähnlich einem umlaufenden Band auf eine äußere Mantelfläche der beiden Hälften 66 aufgebracht ist. Eine Zuleitung 72 für die weitere Elektrode 30 ist auf die in 7 sichtbare Fügefläche 70 aufgebracht, beispielsweise im Siebdruck aufgedruckt. Die beiden Hälften 66 können beispielsweise mittels eines als Paste (nicht gezeichnet) auf eine Fügefläche 70 aufgetragenen keramischen Klebers miteinander verbunden werden, indem nach dem Fügen der Gesamtverbund gesintert wird. Die Aussparung 52 ist vorliegend beispielhaft nicht elliptisch oder oval, sondern rechteckig.
-
In 8 ist eine Ausführungsform eines Partikelsensors 10 gezeigt, dessen Trägerelement 32 nicht nur aus zwei, sondern aus drei Schichten 66 besteht, wobei das Trägerelement 32 einen insgesamt rechteckigen Querschnitt aufweist. Grundsätzlich denkbar sind weitere Ausführungsformen mit mehr als drei Schichten, beispielsweise fünf oder sechs Schichten. Derartige Schichten 66 können auch als „Tapes“ bezeichnet werden. Die Dicken dieser Schichten 66 können angepasst sein und können beispielsweise in einem Bereich von 200 µm-600 µm liegen. Als Material für diese Schichten 66 kommt ein elektrisch hochisolierendes Keramikmaterial infrage, beispielsweise umfassend oder bestehend aus Al2O3. Man erkennt bei der Ausführungsform von 8, dass die Koronaelektrode 18 vorliegend als Nadelelektrode mit einer abragenden Spitze 64 ausgeführt ist. Auf der in 8 sichtbaren Oberfläche 34 des Trägerelements 32 sind ferner, in Richtung des Fluidstroms 16 gesehen, weitere Elektroden angeordnet, nämlich zunächst eine Trapelektrode 30 und danach eine Sensierelektrode 28. Es versteht sich, dass entsprechende weitere Elektroden auch auf der in 8 nicht sichtbaren Rückseite des Trägerelements angeordnet sein können. Die Gegenelektrode 26 ist vorliegend beispielhaft als ringförmiges Element auf der Innenseite des inneren Rohres 42 ausgebildet.
-
In 9 ist ein Partikelsensor 10 mit einem Trägerelement 32 dargestellt, welches aus vier Schichten 66 aufgebaut ist. Man erkennt Kontaktierungsabschnitte 74 für die elektrische Kontaktierung zur Koronaelektrode 18, zur Sensierelektrode 28 und zur Trapelektrode 30.
-
Bei der Ausführungsform von 10 ist eine mögliche Halterung der Koronaelektrode 18 am Trägerelement 32 gezeigt: eine Zuleitung 62 reicht bis kurz vor die Aussparung 52. Dort wird die Zuleitung 62 von der durch einen Draht gebildeten Koronaelektrode 18 kontaktiert. Die Koronaelektrode 18 ist mit ihren beiden abragenden Enden 76 in Aussparungen 78 im Trägerelement 32 eingelegt. Während das in 10 untere Ende 76 der Koronaelektrode 18 an der Zuleitung 62 gehalten ist, ist das in 10 obere Ende 76 in der Aussparung 78 durch Glas 80 mechanisch fixiert. Die Aussparungen 78 können beispielsweise durch Fräsen hergestellt sein und die Form von Langlöchern aufweisen. Hergestellt kann dies beispielsweise dadurch werden, dass das untere Ende 76 während des Sinterprozesses des Trägerelements 32 mit versintert wird und das obere Ende 76 nachfolgend verglast wird. Dadurch ist das Element 18 während des Sinterprozesses nur einseitig gehalten und wird bei unterschiedlicher Wärmeausdehnung von Trägerelement 32 und Draht nicht mechanisch belastet. Es wird also ein Fest- und ein Loslager gebildet. Es sind aber auch ganz andere Verfahren möglich, um ein Fest- und ein Loslager für die Koronaelektrode 18 bereitzustellen.
-
Die Ausführungsform von 11 ist ähnlich wie die von 10, jedoch mit einer als Nadelelektrode ausgebildeten Koronaelektrode 18.
-
Es versteht sich, dass auch bei den Ausführungsformen der 10 und 11 die Koronaelektrode 18 außen, beispielsweise in der Ebene der ersten Oberfläche 34, des Trägerelements 32 angeordnet sein kann, jedoch auch im Inneren, beispielsweise bei einem Aufbau des Trägerelements 32 aus mehreren Schichten 66, angeordnet sein kann. Eine Anbringung außen auf der ersten Oberfläche 34 ist nochmals deutlich in 12 gezeigt, wobei dort auch ein sich quer zur Ebene des Trägerelements 32 erstreckender Leitungspfad 82 gestrichelt angedeutet ist, der die Zuleitung 62 mit einem in 12 jedoch nicht gezeichneten auf der Unterseite angeordneten Koronaelektrode verbinden könnte. In diesem Fall würde der Partikelsensor 10 also zwei Koronaelektroden aufweisen.
-
13 zeigt eine Ausführungsform ähnlich zu jener der 10, jedoch mit der Koronaelektrode 18 im Inneren des Trägerelements 32. Die in 13 obere Aussparung 78 kann für die Aufnahme und Befestigung beispielsweise mit Glas des oberen Endes 76 der Koronaelektrode 18 verwendet werden (gestrichelt dargestellt), sie kann aber auch frei bleiben, wenn eine Nadelelektrode als Koronaelektrode 18 eingesetzt wird (mit durchgezogenen Linien gezeichnet). Die Kontaktierung zwischen dem unteren Ende 76 der Koronaelektrode 18 und der beispielsweise gedruckten Zuleitung 62 kann mittels einer Pt- oder Pt-Cermet-Paste 81 erfolgen. Man erkennt aus 13 auch, dass im Falle einer Nadelelektrode die abragende Spitze 64 konisch zugespitzt sein kann.
-
Der in den 14-16 zum Teil transparent gezeigte Partikelsensor umfasst ein Trägerelement 32 mit insgesamt beispielhaft vier Schichten 66 aus einem Al2O3-Werkstoff und, wiederum höchst beispielhaft, einer als Nadelektrode ausgebildeten Koronaelektrode 18. Man erkennt vor allem aus 15, dass wenigstens Bereiche der Zuleitung 62 zu der Koronaelektrode 18 außen auf der ersten Oberfläche 34 und somit in einer anderen Ebene des Trägerelements 32 angeordnet sind als im Inneren vorliegend beispielhaft zwischen den beiden äußersten linken Schichten 66 liegende Zuleitungen 72 zu der Trapelektrode 30 und der Sensierelektrode 28. Nicht gezeigt, aber möglicherweise vorhanden ist mindestens eine zwischen der Ebene der Zuleitung 62 zu der Koronaelektrode 18 und der Ebene der Zuleitungen 72 zu den weiteren Elektroden 28 und 30 angeordnete elektrisch abschirmende Schicht.
-
In 14 ist links unten der Kontaktierungsabschnitt 74 für die Sensierelektrode 28 und rechts unten der Kontaktierungsabschnitt 74 für die Trapelektrode 30 auf der dort sichtbaren ersten Oberfläche 34 des Trägerelements 32 sichtbar. Eine Duchkontaktierung 83 zu den im Inneren des Trägerelements 32 liegenden Zuleitungen 72 erfolgt nach dem Via-Prinzip (15).
-
Der Partikelsensor 10 kann, wie beispielhaft in den 14-16 gezeichnet ist, außerdem eine Heizeinrichtung 84 aufweisen, die vorliegend beispielhaft auf der in 16 sichtbaren Rückseite 85 des Trägerelements 32 angeordnet ist. Bei einer nicht gezeigten Ausführungsform kann die Heizeinrichtung aber auch im Inneren des Trägerelements angeordnet sein. Außerdem kann der Partikelsensor 10 eine Guard-Elektrode 86 aufweisen, die um die Sensierelektrode 28 herum angeordnet ist und über eine im Inneren des Trägerelements 32 angeordnete Zuleitung 72 mit einem auf der Rückseite 85 angeordneten Kontaktierungsabschnitt 74 verbunden ist. Möglich ist auch, die Zuleitung beispielsweise aufzudrucken.
-
Aus der Darstellung von 15 ist ersichtlich, dass die Koronaelektrode 18, bezogen auf eine Dickenrichtung 88 des Trägerelements 32, mittig angeordnet ist, und dass die weiteren Elektroden 28, 30 und 86 sowohl auf der ersten Oberfläche 34 (Vorderseite) als auch auf der Rückseite 85 vorhanden sind, wobei hierfür die entsprechenden in Dickenrichtung 88 verlaufenden Durchkontaktierungen 83 vorgesehen sind.
-
Die Ausführungsformen der 17-20 sind ähnlich zu jener der 7. Die beiden Hälften 66 können beispielsweise mittels eines als Paste (nicht gezeichnet) auf eine Fügefläche 70 beispielsweise im Siebdruck aufgetragenen keramischen Klebers (beispielsweise umfassend Al2O3) miteinander verbunden werden, indem nach dem Fügen der Gesamtverbund gesintert wird. Während die 17 und 18 ein Trägerelement 32 mit insgesamt kreisförmigem Querschnitt zeigen, ist in den 19 und 20 ein Trägerelement 32 mit einem rechteckigen Querschnitt gezeichnet.
-
Die 21 und 22 zeigen den Bereich der Aussparung 52 für einen Ceramic-Injection-Moulding-Prozess. Wieder erkennt man die Ausführung der Koronaelektrode 18 als Nadelelektrode (21) oder als durchgehende, also durch einen gespannten Draht gebildete Elektrode (22).
-
Grundsätzlich kann das Trägerelement 32 aber auch beispielsweise als Keramik-Pressteil hergestellt sein. Die fensterartige Aussparung 52 kann während eines Spritzvorgangs, während eines Pressvorgangs, oder durch Stanzen oder Fräsen hergestellt sein. Sie kann außerdem bei allen Ausführungsformen von der ersten Oberfläche 34 (Vorderseite) bis zur Rückseite 85 durchgehend im Sinne eines durchgehenden Lochs sein, oder aber auch nur einseitig offen im Sinne einer einfachen Vertiefung oder Senke sein.
