DE19817402C1 - Sensoranordnung zur quantitativen Bestimmung von in einem Gasstrom enthaltenen Partikeln - Google Patents
Sensoranordnung zur quantitativen Bestimmung von in einem Gasstrom enthaltenen PartikelnInfo
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Abstract
Bei einer Sensoranordnung zur quantitativen Bestimmung von in einem Gasstrom enthaltenen elektrisch leitenden und/oder elektrisch geladenen Partikeln, insbesondere Rußpartikeln im Abgasstrom eines Dieselmotors, mit einer vom Gasstrom in einer Abgasleitung (18) umströmten Elektrodenanordnung (7), der eine Spannung einer Spannungsquelle (21) über wenigstens eine durch eine Wand (17) der Abgasleitung (18) hindurchragende Leiteranordnung (1) zuführbar ist, und mit einer Strommeßeinrichtung (22, 23) zur Messung eines von der Spannungsquelle (21) zur Elektrodenanordnung (7) fließenden Stroms, wird die Ausbildung einer gegebenenfalls einen Kurzschluß verursachenden durchgehenden Partikelschicht dadurch verhindert, daß wenigstens ein Abschnitt der Oberfläche der in die Abgasleitung (18) ragenden Leiteranordnung (1) auf eine die Partikel thermisch zerstörende Temperatur aufheizbar ist.
Description
Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung zur quantitativen
Bestimmung von in einem Gasstrom enthaltenen elektrisch lei
tenden und/oder elektrisch geladenen Partikeln, insbesondere
von Rußpartikeln im Abgasstrom eines Dieselmotors, mit einer
vom Gasstrom in einer Abgasleitung umströmten Elektrodenanord
nung, der eine Spannung einer Spannungsquelle über wenigstens
eine durch eine Wand der Abgasleitung hindurchragende Leiter
anordnung zuführbar ist, und mit einer Strommeßeinrichtung zur
Messung eines von der Spannungsquelle zur Elektrodenanordnung
fließenden Stroms.
Eine derartige Sensoranordnung ist durch die DE 195 36 705 A1
bekannt. Das Meßprinzip der Sensoranordnung beruht darauf, daß
das von der Elektrodenanordnung innerhalb der Abgasleitung
erzeugte elektrische Feld gestört wird, sobald das elektrische
Feld von einem Gasstrom mit elektrisch leitenden oder gelade
nen Partikeln durchströmt wird. Die Elektrodenanordnung bildet
einen Kondensator, aus dem durch die Aufladung der Partikel
elektrische Energie abtransportiert wird. Bei konstanter Span
nung muß zur Wiederherstellung der ursprünglichen Feldstärke
ein Ladestrom fließen, der ein Maß für die Menge der durch die
Partikel abtransportierten Ladung, also für die Partikelbela
stung des Abgasstroms, darstellt. Bei der vorbekannten Sensor
anordnung wird eine Gleichspannung von 2000 bis 3000 Volt zur
Erzeugung des elektrischen Felds verwendet. Die Messung des
Ladestroms erfolgt über einen hochohmigen Arbeitswiderstand,
der zwischen die beiden Elektroden des Kondensators geschaltet
ist. Die beiden Elektroden sind durch eine Mantelelektrode und
eine Innenelektrode gebildet, wobei ein Problem bei dem Leiter
zur Innenelektrode besteht. Setzen sich auf diesem Leiter lei
tende Partikel ab, können Sie eine geschlossene Partikel
schicht bilden und somit zu einem Kurzschluß zwischen Mantel
elektrode und Innenelektrode führen. Es ist vorgeschlagen wor
den, den Leiter abzudecken, um einen Kontakt mit dem Gasstrom
zu vermeiden. Eine weitere Lösungsmöglichkeit besteht darin,
den Leiter mit Frischluft zu beströmen, um zumindest einen
Teil des Leiters partikelfrei zu halten und eine Ausbildung
einer geschlossenen, leitenden Partikelschicht zu verhindern.
Die Nachteile dieser Maßnahme bestehen darin, daß eine erheb
liche Störung des Abgasstromes bewirkt wird, die die Meßergeb
nisse verfälschen kann.
Durch die DE 38 39 348 A1 ist eine Vorrichtung zur Messung der
Partikelbelastung im Rauch- oder Abgas eines Verbrennungspro
zesses bekannt, die auf einem optischen Meßprinzip beruht.
Hierfür ist das Abgasrohr mit zueinander diametral gegenüber
liegenden Lichtdurchtrittsöffnungen versehen. Radial außen von
den beiden Lichtdurchtrittsöffnungen sind optische Bauelemente
zur Ausbildung eines optischen Strahlenganges angeordnet. Hin
ter der einen Lichtdurchtrittsöffnung öffnet sich ein
optischer Sender und Empfänger, während sich hinter der ande
ren Lichtdurchtrittsöffnung ein optischer Reflektor befindet,
so daß das von dem optischen Sender ausgesandte Licht zweimal
den Durchmesser des Abgasrohres durchläuft und vom optischen
Empfänger detektiert wird. Durch die Belastung des Abgasstro
mes mit lichtstreuenden Partikeln wird das empfangene Signal
beeinträchtigt. Außerhalb des Abgasrohres befinden sich hinter
den Lichtdurchtrittsöffnungen optisch durchlässige Schutz
scheiben, beispielsweise Saphirscheiben, die über eine Spül
luftleitung mit Spülluft angeblasen werden, um die Saphir
scheiben von Rußpartikeln freizuhalten. Zusätzlich werden die
Saphirscheiben mit Platinheizwendeln auf eine Temperatur auf
geheizt, die oberhalb der Rußabbrenntemperatur liegt, so daß
sich an den Saphirscheiben kein Ruß mehr niederschlägt und
damit die Lichtdurchlässigkeit der Saphirscheiben gewährlei
stet bleibt. Eine Sensoranordnung mit in den Abgasstrom hin
einragenden Leiteranordnungen ist daher durch diese Druck
schrift nicht offenbart.
Die Erfindung geht von der Problemstellung aus, eine Sensor
anordnung der eingangs erwähnten Art so auszubilden, daß die
quantitative Bestimmung der Partikelbelastung des Abgasstroms
ohne die Gefahr der Ausbildung von Kurzschlüssen und ohne Be
einträchtigung des Abgasstromes erreicht wird.
Ausgehend von dieser Problemstellung ist eine Sensoranordnung
der eingangs erwähnten Art erfindungsgemäß dadurch gekenn
zeichnet, daß wenigstens ein Abschnitt der Oberfläche der in
die Abgasleitung ragenden Leiteranordnung auf eine die Parti
kel thermisch zerstörende Temperatur aufheizbar ist.
Die Ausbildung einer gegebenenfalls einen Kurzschluß verur
sachenden geschlossenen Partikelschicht wird erfindungsgemäß
dadurch verhindert, daß auf die Leiteranordnung treffende Par
tikel sofort an der Oberfläche verbrannt und daher unschädlich
gemacht werden.
Die erfindungsgemäße Aufheizung der Leiteranordnung erfolgt
für Rußpartikel auf eine Temperatur auf über 500°C, vorzugs
weise auf etwa 600°C bis 800°C. Bei dieser Temperatur werden
Rußpartikel im Abgasstrom eines Dieselmotors sicher verbrannt.
Da für die vorliegende Erfindung vorzugsweise eine Hochspan
nungs-Gleichspannungsquelle für die Ausbildung des elek
trischen Feldes benötigt wird, ist es zweckmäßig, die Aufhei
zung der Oberfläche der Leiteranordnung elektrisch durchzufüh
ren. Hierzu kann die Oberfläche der Leiteranordnung mit einer
Drahtwendel ausgebildet sein, über die Aufheizung erfolgt.
Wenn die Drahtwendel auf die erforderlichen Glühtemperaturen
aufgeheizt wird, entstehen an der Oberfläche der Drahtwendel
freie Elektronen, die im elektrischen Meßfeld zu einer der
Elektroden der Elektrodenanordnung gezogen werden und so das
Meßergebnis durch temperaturabhängige Effekte verfälschen. Zur
Vermeidung etwaiger Kompensationsmaßnahmen ist es daher bevor
zugt, wenn die Drahtwendel innerhalb einer isolierenden Man
telschicht der Leiteranordnung angeordnet ist. Die Mantel
schicht hat die Aufgabe, das Austreten von freien Elektronen
aus der Leiteranordnung zu verhindern.
Für die Durchführung der erfindungsgemäßen Messung hat es sich
als zweckmäßig erwiesen, wenn die Elektrodenanordnung mit
einer Gleichspannungsquelle verbunden ist, die für Ausgangs
spannungen von wenigstens 1000 Volt, vorzugsweise von ca. 3000
bis 5000 Volt, ausgelegt ist. Die Gleichspannung wird dabei
möglichst hoch gewählt, ohne daß es zu Korona- oder Funkentla
dungen kommt.
Die hohe Gleichspannung wird für den Einsatz in einem Kraft
fahrzeug aus einer Bord-Gleichspannung mit Hilfe eines getak
teten Gleichspannungswandlers gewonnen. Vorzugsweise wird die
Taktfrequenz des Gleichspannungswandlers so gelegt, daß sie
weit oberhalb der Grenzfrequenz für den Meßbereich der Sensor
anordnung liegt. Diese Grenzfrequenz liegt größenordnungsmäßig
bei 10 kHz, so daß die Taktfrequenz vorzugsweise über 100 kHz,
vorzugsweise bei etwa 200 kHz, liegt.
Die Erfindung soll im folgenden anhand eines in der Zeichnung
dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Es
zeigen:
Fig. 1 - einen Längsschnitt durch eine Leiteranordnung,
die mit einer Elektrode in einer Abgasleitung
verbunden ist
Fig. 2 - eine Prinzip-Schaltungsanordnung für die erfin
dungsgemäße Sensoranordnung
Fig. 3 - einen Längsschnitt durch eine Leiteranordnung
gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der
Erfindung.
Die in Fig. 1 dargestellte Leiteranordnung 1 umfaßt einen
stabförmigen Leiter 2 aus einem leitenden Metall, der sich
durch eine Durchgangsverschraubung 3 hindurch erstreckt und an
seinem Ende eine axiale Gewindebohrung 4 aufweist, in die eine
Schraube 5 mit einem Sechskant-Schraubenkopf 6 eingeschraubt
ist. Mit dem Schraubenkopf 6 ist eine flächige, beispielsweise
kreisförmige Elektrode 7 verbunden.
Der stabförmige Leiter 2 ist mit einem inneren Glasrohr 8 über
nahezu seine gesamte Länge umgeben, das mit einem Ende an dem
Schraubenkopf 6 anliegt. An diesem Ende ist das innere Glas
rohr 8 mit einem kürzeren, äußeren Glasrohr 9 zusammenge
schmolzen, das das innere Glasrohr 8 mit Abstand umgibt. In
dem Zwischenraum zwischen dem inneren Glasrohr 8 und dem äuße
ren Glasrohr 9 ist eine Drahtwendel 10 im Bereich des zum
Schraubenkopf 6 zeigenden Endes der Glasrohre 8, 9 angeordnet
und mit aus dem äußeren Glasrohr 9 herausgeführten Anschluß
drähten 11 anschließbar. Das äußere Glasrohr 9 wird durch eine
auf das innere Glasrohr 8 geschobene isolierende Scheibe 12
mit Hilfe einer das innere Glasrohr 8 übergreifenden Spiralfe
der 13 gegen den Schraubenkopf 6 gedrückt. Hierzu stützt sich
die Spiralfeder 13 mit ihrem anderen Ende an einer isolieren
den Scheibe 14 ab, die von einer auf ein Außengewinde des
stabförmigen Leiters 2 aufgeschraubten Mutter 15 an Ort und
Stelle gehalten wird.
In die Durchgangsverschraubung 3 ist ein O-Ring 16 eingesetzt,
der auf den äußeren Mantel des äußeren Glasrohres 9 drückt und
dadurch die Leiteranordnung 1 mit einer vibrationsdämpfenden
Wirkung in der (in Fig. 1 nicht dargestellten) Wand einer
Abgasleitung hält.
Fig. 2 läßt schematisch eine Wand 17 eines Abgasrohres erken
nen, durch die an diametral gegenüberliegenden Positionen je
weils eine Leiteranordnung 1 zu jeweils einer Elektrode 7 füh
rend hindurchgeführt ist. Aus den Leiteranordnungen 1 sind die
Anschlußdrähte 11 herausgeführt, die mit den beiden Polen +,-
einer Heizspannungsquelle 19 verbunden sind. Ein parallel
zwischen den beiden Polen +,- der Heizspannungsquelle 19 lie
gendes Potentiometer 20, dessen Abgriff an Masse liegt, dient
der Kompensation einer Nullpunktdrift, die durch eine Elektro
nenemission an der Drahtwendel 10 und die damit verursachten
kapazitiven Einflüsse auf das Feld zwischen den Elektroden 7
verursacht wird. Die Heizspannungsquelle 19 ist zwischen 0 und
13 V einstellbar und sorgt für eine Temperatur an der Ober
fläche des äußeren Glasrohres 9 von etwa 600°C. Die Drahtwen
del 10, die die Heizung bewirkt, ist in dem in das Abgasrohr
18 ragenden Ende der Leiteranordnung 1 angeordnet und verhin
dert eine Ablagerung von Rußpartikeln auf der Oberfläche des
äußeren Glasrohres 9 der Leiteranordnung 1, indem die Rußpar
tikel sofort im Kontakt mit der Oberfläche des äußeren Glas
rohres 9 verbrannt werden.
Eine der Elektroden 7 ist über die zugehörige Leiteranordnung
1 mit einem Hochspannung führenden Pol + einer Hochspannungs-
Gleichspannungsquelle 21 verbunden. Der andere Pol - der
Gleichspannungsquelle 21 liegt an Masse. Die andere Elektrode
7 liegt über die zugehörige Leiteranordnung 1 und einen hoch
ohmigen Meßwiderstand 22 (z. B. 10 MΩ) an Masse. Ein zur Auf
rechterhaltung der Spannung zwischen den Elektroden 7 benötig
ter Ladestrom führt zu einem Spannungsabfall über dem Meßwi
derstand 22, der in einem Operationsverstärker 23 verstärkt
wird, so daß am Ausgang des Operationsverstärkers 23 ein Meß
signal an einer Meßsignalklemme 24 abnehmbar ist. Der inver
tierende Eingang - des Operationsverstärkers 23 liegt über
einen Spannungsteilerwiderstand 25 an Masse, der zusammen mit
einem Rückkopplungswiderstand 26 des Operationsverstärkers 23
zur Einstellung des Verstärkungsfaktors des Operationsverstär
kers 23 dient.
Parallel zum Meßwiderstand 22 sind zwei antiparallel geschal
tete Dioden 27 geschaltet, die dem Schutz des Operationsver
stärkers 23 vor etwaigen Überspannungen durch Ableitung der
Überspannungen dienen. Ferner liegt parallel zum Meßwiderstand
22 ein Kondensator 28, dessen Kapazität groß gegen die Lei
tungskapazität der Verbindungsleitungen ist, um die Grenzfre
quenz des Meßsignalbereichs von der Leitungslänge unabhängig
zu machen.
Fig. 2 läßt erkennen, daß zwei zueinander parallele flächige
Elektrodenplatten 7 zur Ausbildung eines Meßsensors dienen.
Selbstverständlich ist die vorliegende Erfindung auch mit an
deren Elektrodenanordnungen realisierbar, beispielsweise mit
zwei zueinander konzentrischen Elektroden. Ferner ist es nicht
erforderlich, daß die beiden Elektroden 7 jeweils mit einer
eigenen Leiteranordnung 1 versorgt werden. In gleicher Weise
ist es denkbar, daß die beiden Elektroden 7' mit einer gemein
samen Leiteranordnung 1', in der zwei stabförmige Leiter 2'
isoliert voneinander geführt sind, an die benötigten Potentia
le angeschlossen werden, wie dies Fig. 3 verdeutlicht. Dabei
wird ebenfalls die Aufheizung mit der Drahtwendel 10 in dem
Bereich der Leiteranordnung 1' vorgenommen, der in die Abgas
leitung 18 hineinragt.
Anstelle der dargestellten Anordnung mit einem inneren Glas
rohr 8 und einem äußeren Glasrohr 9 kann auch eine ent
sprechende Keramikkonfiguration oder eine Konfiguration aus
einem sonstigen hitzebeständigen und elektronennichtdurchläs
sigen Material verwendet werden.
Claims (9)
1. Sensoranordnung zur quantitativen Bestimmung von in einem
Gasstrom enthaltenen elektrisch leitenden und/oder elek
trisch geladenen Partikeln, insbesondere Rußpartikeln im
Abgasstrom eines Dieselmotors, mit einer vom Gasstrom in
einer Abgasleitung (18) umströmten Elektrodenanordnung
(7), der eine Spannung einer Spannungsquelle (21) über
wenigstens eine durch eine Wand (17) der Abgasleitung
(18) hindurchragende Leiteranordnung (1) zuführbar ist,
und mit einer Strommeßeinrichtung (22, 23) zur Messung
eines von der Spannungsquelle (21) zur Elektrodenanord
nung (7) fließenden Stroms, dadurch gekennzeichnet, daß
wenigstens ein Abschnitt der Oberfläche der in die Abgas
leitung (18) ragenden Leiteranordnung (1) auf eine die
Partikel thermisch zerstörende Temperatur aufheizbar ist.
2. Sensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der Abschnitt der Oberfläche der Leiteranordnung (1)
elektrisch mit einer Drahtwendel (10) aufheizbar ist.
3. Sensoranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Drahtwendel (10) innerhalb einer isolierenden
Mantelschicht (10) der Leiteranordnung (1) angeordnet
ist.
4. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß die Oberfläche der Leiteranordnung
(1) auf wenigstens 500°C aufheizbar ist.
5. Sensoranordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
daß die Oberfläche der Leiteranordnung (1) auf etwa
600°C bis 800°C aufheizbar ist.
6. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, daß die Elektrodenanordnung (7) mit einer
Gleichspannungsquelle (21) verbunden ist, die für Aus
gangsspannungen von wenigstens 1000 V ausgelegt ist.
7. Sensoranordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,
daß die Gleichspannungsquelle (21) für Ausgangsspannungen
von ca. 3000 V bis 5000 V ausgelegt ist.
8. Sensoranordnung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Gleichspannungsquelle (21) einen getak
teten Gleichspannungswandler aufweist, dessen Taktfre
quenz weit oberhalb der Grenzfrequenz für den Meßbereich
der Sensoranordnung liegt.
9. Sensoranordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,
daß die Taktfrequenz über 100 kHz liegt.
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