KR20230008808A - 측정 가스의 적어도 하나의 특성을 검출하는 센서 및 센서 작동 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 측정 가스의 적어도 하나의 특성을 검출하기 위한, 특히 측정 가스 챔버에서 측정 가스의 입자를 검출하기 위한 센서(10)에 관한 것이다. 센서(10)는 센서 요소(12)를 포함하고, 상기 센서 요소(12)는 기판(14), 적어도 하나의 제 1 전극(16) 및 적어도 하나의 제 2 전극(18)을 가지며, 상기 제 1 전극(16) 및 상기 제 2 전극(18)은 기판(14) 상에 배열된다. 센서(10)는 적어도 하나의 컨트롤러(20)를 더 포함하고, 상기 컨트롤러(20)는 측정 장치(22)를 갖고, 상기 측정 장치(22)는 제 1 전극(16) 및/또는 제 2 전극(18)에 연결되며 적어도 하나의 전기 신호를 검출하도록 설계된다. 컨트롤러(20)는 추가로 적어도 하나의 전압 소스(28)를 갖고, 상기 전압 소스(28)는 제 1 전극(16) 및/또는 제 2 전극(18)에 연결되며 가변 전압을 제 1 전극(16) 및/또는 제 2 전극(18)에 인가하도록 설계된다.
Description
본 발명은 측정 가스의 적어도 하나의 특성을 검출하는 센서 및 센서 작동 방법에 관한 것이다.
측정 가스 챔버 내의 측정 가스의 입자를 검출하는 다수의 센서 요소는 선행 기술로부터 알려져 있다. 예를 들어, 측정 가스는 내연 기관의 배기 가스일 수 있다. 특히, 입자는 그을음 입자 또는 먼지 입자일 수 있다. 본 발명은 이하에서 특히 그을음 입자를 검출하는 센서 요소를 참조하여 설명되지만, 다른 실시예 및 응용도 가능하다.
세라믹과 같은 기판 상에 배열된 2개의 전극에 의해, 배기 가스 내의 그을음 입자 또는 먼지 입자와 같은 입자의 농도를 측정하는 것은 실제로 알려져 있다. 이는 예를 들어 두 전극을 분리하는 세라믹 재료의 전기 저항을 측정하여 수행될 수 있다. 더 정확하게는 전압을 전극들에 인가할 때 상기 전극들 사이에 흐르는 전류가 측정된다. 그을음 입자는 정전기력으로 인해 전극들 사이에 침착되고 시간이 지남에 따라 전극들 사이에 전기 전도성 브리지들을 형성한다. 이러한 브리지들이 많을수록 측정된 전류가 더 많이 증가한다. 따라서 전극의 단락이 증가한다. 센서 요소는 그을음 침착물을 태워 없애는 통합 가열 요소에 의해 적어도 700℃로 가열되는 방식으로 주기적으로 재생된다.
이러한 센서들은 예를 들어 디젤 유형의 연소 기관과 같은 내연 기관의 배기 시스템에 사용된다. 이러한 센서들은 일반적으로 배기 밸브 또는 그을음 입자 필터의 하류에 위치한다.
DE 10 2010 030 634 A1은 입자 센서를 작동하기 위한 방법 및 장치를 설명한다.
선행 기술로부터 알려진 장치 및 방법의 수많은 장점에도 이들은 여전히 개선의 여지가 있다. 배기 가스 기술 또는 이와 유사한 환경 조건에서 사용되는 세라믹 센서 요소들은 대부분 액체 물 또는 응축수 형태의 습기에 노출되고, 이는 사용 시간을 제한하거나, 물이 잘못된 시간에 센서 요소와 접촉하는 경우 센서를 손상시킬 수도 있다. 이러한 이유로 입자 센서는 센서 요소에 존재하는 물을 증발시키기 위해 필요한 센서 재생을 방지하기 위해 보호 가열 상태에서 작동된다. 재생은 엔진 제어 장치에 의해 이슬점이 해제될 때까지 시작되지 않는다. 이슬점 해제는 모델링된 변수이며, 배기 시스템이 건조하게 가열되었고 배기 시스템의 관련 지점과 그 앞에 더 이상 액체 물이 없다는 것이 가정된다. 그러나 이 이슬점 해제가 시리즈에서 항상 올바르게 적용되지 않았으며 그 결과 열 충격으로 인해 현장의 센서가 고장난 것으로 나타났다. 즉, 액체 물이 갑자기 뜨거운 센서 요소에 부딪혀 센서 요소 세라믹이 손상되었다. 이슬점 해제 후, 즉 재생 시작 시점에 센서 요소에 여전히 물이 있으면, 세라믹의 높은 국부적 온도 구배로 인해 센서 요소가 손상되어 센서가 고장날 수 있다.
따라서 본 발명의 제 1 양태는, 알려진 센서들의 단점들을 적어도 대부분 피하고, 전자 측정을 통해 전극 구조 영역의 센서 요소 표면에서 액체 상태의 물을 검출하고 결과적으로 물을 증발시키기 위해 보호 가열 지속 시간을 연장하도록, 또는 이미 진행 중인 센서 재생을 중단하고 저온에서 물을 증발시키기 위해 보호 가열 모드로 돌아가도록 설계된, 측정 가스의 적어도 하나의 특성을 검출하는 센서, 특히 측정 가스 챔버 내의 측정 가스의 입자, 예를 들어 그을음 입자를 검출하는 센서를 제안한다. 센서는 특히 내연 기관의 배기 가스 중의 그을음 입자를 검출하는데 사용될 수 있다. 본 발명은 이하에서 측정 가스 챔버 내의 측정 가스의 입자를 검출하는 센서와 관련해서 설명되지만, 가능한 다른 사용 분야를 제한하지는 않는다. 대안적으로 센서는 가스 센서, 특히 저항성 가스 센서, 예를 들어 SnO2와 같은 반도체 금속 산화물에 기초한 가스 센서로 설계될 수도 있다. 일반적으로, 측정 가스의 적어도 하나의 특성은 화학적 및/또는 물리적 특성, 특히 저항성 센서를 사용하여 검출될 수 있는 특성일 수 있다. 이것은 예를 들어 측정 가스 챔버 내의 적어도 하나의 힘 성분의 농도 또는 측정 가스의 수분 함량일 수 있다.
센서는 적어도 하나의 센서 요소를 포함하고, 상기 센서 요소는 캐리어 역할을 하는 기판, 적어도 하나의 제 1 전극 및 적어도 하나의 제 2 전극을 갖고, 상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극은 기판 상에 배열되고, 센서는 적어도 하나의 컨트롤러를 더 포함하고, 상기 컨트롤러는 측정 장치를 갖고, 상기 측정 장치는 제 1 전극 및/또는 제 2 전극에 연결되며 적어도 하나의 전기 신호를 검출하도록 설계되고, 상기 컨트롤러는 또한 적어도 하나의 전압 소스를 갖고, 상기 전압 소스는 제 1 전극 및/또는 제 2 전극에 연결되며 가변 전압을 제 1 전극 및/또는 제 2 전극에 인가하도록 설계된다.
본 발명의 범위 내에서, 센서는 일반적으로 측정 변수, 예를 들어 상태 및/또는 특성을 특징짓는 적어도 하나의 측정 변수를 검출하도록 설계된 장치를 의미하는 것으로 이해된다. 본 발명의 범위 내에서, 센서 요소는 측정 가스의 적어도 하나의 특성을 정성적으로 및/또는 정량적으로 검출하기에 적합한 임의의 장치를 의미하는 것으로 이해된다. 예를 들어, 센서 요소는 입자의 농도 및/또는 수를 검출하도록 설계될 수 있다. 센서 요소는 예를 들어 적절한 제어 유닛 및 적절하게 구성된 전극의 도움으로 검출된 입자에 해당하는 전기 측정 신호를 생성할 수 있다. 일반적으로 센서 요소는 예를 들어 전압 또는 전류와 같은 적어도 하나의 전기 측정 신호를 생성할 수 있다. 여기서, DC 신호 및/또는 AC 신호가 사용될 수 있다. 또한, 예를 들어 저항 성분 및/또는 용량 성분이 임피던스로부터의 신호 평가에 사용될 수 있다. 검출된 입자는 특히 그을음 입자 및/또는 먼지 입자일 수 있다. 센서 요소의 가능한 구성과 관련하여, 예를 들어 위에서 언급한 선행 기술이 참조될 수 있다. 그러나 다른 구성도 가능하다.
센서 요소는 특히 자동차에서 사용하기 위해 설계될 수 있다. 특히, 측정 가스는 자동차의 배기 가스일 수 있다. 원칙적으로 다른 가스 및 가스 혼합물도 가능하다. 측정 가스 챔버는 원칙적으로 측정 가스가 수용되는 및/또는 측정 가스가 흐르는 개방 또는 폐쇄 챔버일 수 있다. 예를 들어, 측정 가스 챔버는 연소 기관과 같은 내연 기관의 배기관일 수 있다.
전기 신호는 바람직하게는 검출될 측정 가스의 적어도 하나의 특성, 특히 전극의 입자 부하에 의해 영향을 받을 수 있다.
전극들은 특히 기판의 표면 상에 배열될 수 있거나 기판의 표면으로부터 측정 가스에 접근 가능하다. 전극들은 특히 적어도 하나의 인터디지털 전극, 즉 서로 맞물리는 전극 핑거를 각각 갖는 2개의 서로 맞물리는 측정 전극의 구조를 형성할 수 있다. 그러나, 전극의 다른 배열도 기본적으로 가능하며, 예를 들어, 아래에서 더 자세히 설명되는 바와 같이, 2개의 측정 전극이 적어도 부분적으로 병렬로 안내되고 함께 미앤더(meander) 패턴을 형성하는 구조도 가능하다.
전극들은 특히 백금을 포함할 수 있고 및/또는 백금으로 완전히 또는 부분적으로 구성될 수 있다. 원칙적으로 합금도 가능하다. 백금 사용에 대안적으로 또는 추가적으로 다른 금속들도 사용될 수 있다.
본 발명의 범위 내에서, 기판은 기본적으로 전극들을 지지하기에 적합하고 및/또는 전극들이 적용될 수 있는 임의의 기판을 의미하는 것으로 이해된다. 기판은 단층 또는 다층 구조를 가질 수 있다. 기판은 캐리어 재료로서 특히 적어도 하나의 세라믹 재료를 포함할 수 있다. 특히, 기판은 산화 세라믹, 바람직하게는 산화알루미늄, 특히 Al2O3를 포함할 수 있다. 그러나 산화지르코늄과 같은 다른 산화물도 가능하다. 또한, 기판은 적어도 하나의 전기 절연 재료를 포함할 수 있다. 기판은 기판 표면을 가질 수 있다. 본 발명의 범위 내에서, 기판 표면은 원칙적으로 전극들이 적용되고 주변으로부터 기판을 구분하는 임의의 층을 의미하는 것으로 이해된다.
본 발명의 범위 내에서, 전극은 기본적으로 전류 및/또는 전압을 측정하기에 적합하고, 및/또는 전극 장치와 접촉하는 적어도 하나의 요소에 전압 및/또는 전류를 인가하는 임의의 전기 도체를 의미하는 것으로 이해된다.
일반적으로, 본 발명의 범위 내에서 용어 "제 1", "제 2" 또는 "제 3" 및 이들의 상응하는 변형은 번호 매기기의 목적 없이 순수한 명칭 및 명명으로 사용된다는 점을 지적해야 한다. 예를 들어, 제 2 요소가 반드시 필요하지 않으면서 제 1 요소와 제 3 요소가 존재할 수 있거나, 또는 제 1 요소 없이 제 2 요소가 존재할 수 있거나, 또는 제 2 요소 또는 제 3 요소 없이 제 1 요소가 존재할 수 있다.
본 발명의 범위 내에서, 컨트롤러는 일반적으로 다른 장치에서 하나 이상의 프로세스를 시작, 종료, 제어 또는 조절하도록 설계된 장치를 의미하는 것으로 이해되어야 한다. 컨트롤러는 예를 들어 적어도 하나의 마이크로컨트롤러를 포함할 수 있다. 그러나 대안적으로 또는 추가적으로 컨트롤러는 다른 하드웨어, 예를 들어 비교기, 전류 소스, 전압 소스, 전류 측정 장치, 전압 측정 장치, 저항 측정 장치로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 하드웨어 부품을 포함할 수 있다.
측정 장치는 본 발명의 범위 내에서 일반적으로 측정 가스의 적어도 하나의 특성이 추정될 수 있는 적어도 하나의 측정 신호를 생성할 수 있는 장치를 의미하는 것으로 이해되어야 한다. 측정 장치는 특히 입자 측정 장치로서 설계될 수 있고, 입자 부하, 특히 측정 가스 중의 입자 농도가 추정될 수 있는 적어도 하나의 측정 신호를 생성하도록 설계될 수 있다. 입자 측정 장치의 가능한 구성과 관련하여, 예를 들어 위에서 언급한 선행 기술이 참조될 수 있다. 측정 장치, 특히 입자 측정 장치는 적어도 하나의 전류 측정 장치를 포함할 수 있으며, 컨트롤러의 전압 소스는 예를 들어 전압을 전극에 인가하는데 사용될 수 있고, 전류 측정 장치는 전류를 측정하는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 전극들은 각각 제 1 단부 및 제 2 단부를 가질 수 있고, 전압 소스의 한 극은 2개의 제 1 단부들 중 하나의 제 1 단부에 연결될 수 있고 전압 소스의 다른 극은 2개의 제 1 단부들 중 제 2 단부에 연결될 수 있고, 전류 측정 장치는 예를 들어 2개의 제 1 단부들 중 하나에 연결될 수 있다. 적어도 하나의 특성, 특히 전극의 입자 부하는 예를 들어 전류의 강도로부터 추정될 수 있고, 및/또는 특성, 예를 들어 측정 가스 중의 입자의 농도는 전류의 시간적 변화로부터 추정될 수 있다.
전극의 일 단부는 일반적으로 전극이 전기적으로 접촉될 수 있는 전극 내의 지점 또는 영역을 의미하는 것으로 이해된다. 이는 전극의 최외측 단부, 예를 들어 직선 또는 곡선 도체의 도체 루프의 단부일 수 있지만 반드시 그럴 필요는 없다.
측정 신호라고도 하는 적어도 하나의 전기 신호를 검출하기 위해, 컨트롤러는 아래에서 더 상세히 설명되는 바와 같이 적어도 하나의 측정 장치, 예를 들어 전류 측정 장치 및/또는 전압 측정 장치를 포함할 수 있다. 특히 입자 부하가 일반적으로 전류의 형태로 검출되기 때문에 이것은 전류 측정 장치일 수 있다.
전압 소스는 본 발명의 범위 내에서, 일반적으로 가변 전위와의 적어도 하나의 연결부를 갖는 장치를 의미하는 것으로 이해되어야 한다. 전위 소스는 예를 들어 고정 또는 조정 가능한 전압 소스를 가질 수 있고, 상기 전압 소스의 적어도 하나의 극은 연결부를 형성한다. 가변 전압은 일반적으로 적어도 2개의 값을 가질 수 있는 전압을 의미하는 것으로 이해된다. 예를 들어, 전압 소스는 적어도 하나의 제 1 값과 적어도 하나의 제 2 값 사이에서 전압을 한 단계로, 여러 단계로 또는 무단계로 변경하도록 설계될 수 있다.
따라서, 전압 소스는 적어도 하나의 제 1 전압 및 제 2 전압을 제 1 전극 및/또는 제 2 전극에 인가하도록 설계될 수 있으며, 상기 제 2 전압은 상기 제 1 전압과 상이하다.
전기 신호는 전기 측정 저항의 저항값 및/또는 전류일 수 있다.
컨트롤러는 센서 요소의 온도에 따라 전압을 변경하도록 설계될 수 있다.
컨트롤러는 전기 전압을 변경하기 위해 적어도 하나의 분압기를 가질 수 있다. 대안으로서, 전압 소스가 조정될 수 있다.
제 1 전극 및 제 2 전극은 인터디지털 전극으로서 또는 미앤더(meander) 형태로 기판에 배열될 수 있다.
전압 소스는 입자를 검출하기 위해 전기 측정 전압을 제 1 전극 및/또는 제 2 전극에 인가하도록 설계될 수 있으며, 가변 전압은 측정 전압보다 낮다.
센서는 또한 센서 요소를 가열하기 위한 적어도 하나의 히터를 가질 수 있다. 히터는 일반적으로 적어도 하나의 요소, 예를 들어 이 경우 센서를 가열하도록 설계된 장치를 의미하는 것으로 이해된다. 히터는 특히 전기 히터일 수 있다. 이하에서 더 상세히 설명되는 바와 같이, 히터는 예를 들어 히터의 공급원 또는 전기 공급원이라고도 하는 적어도 하나의 전기 에너지원, 및 상기 전기 에너지원에 연결된 적어도 하나의 가열 저항을 가질 수 있고, 상기 가열 저항은 예를 들어 가열 미앤더(meander)로 설계될 수 있다.
센서는 또한 적어도 하나의 온도 센서, 예를 들어 적어도 하나의 온도 의존 저항, 예를 들어 온도 측정 미앤더(meander)를 가질 수 있다. 이 경우, 전압 소스는 구성요소 면에서 적어도 하나의 온도 센서와 완전히 또는 부분적으로 동일할 수 있고 및/또는 적어도 하나의 온도 센서에 전기적으로 연결될 수 있다.
본 발명의 다른 양태는 측정 가스의 적어도 하나의 특성을 검출하는, 특히 측정 가스 챔버 내의 측정 가스의 입자, 특히 그을음 입자를 검출하는 센서의 작동 방법을 제안한다. 센서는 특히 본 발명에 따른 센서, 예를 들어 위에서 설명된 구성들 중 하나에 따르거나 아래에서 더 자세히 설명되는 구성들 중 하나에 따르는 센서일 수 있다. 센서는 적어도 하나의 센서 요소를 포함하고, 상기 센서 요소는 캐리어 역할을 하는 기판, 적어도 하나의 제 1 전극 및 적어도 하나의 제 2 전극을 갖고, 상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극은 기판 상에 배열되고, 상기 센서는 적어도 하나의 컨트롤러를 더 포함하고, 상기 컨트롤러는 측정 장치를 갖고, 상기 측정 장치는 제 1 전극 및/또는 제 2 전극에 연결되며 적어도 하나의 전기 신호를 검출하도록 설계되고, 상기 컨트롤러는 또한 적어도 하나의 전압 소스를 갖고, 상기 전압 소스는 제 1 전극 및/또는 제 2 전극에 연결되며 가변 전압을 제 1 전극 및/또는 제 2 전극에 인가하도록 설계된다.
이 방법은 가변 전압을 제 1 전극 및/또는 제 2 전극에 인가하고 전기 신호를 검출하는 단계를 포함한다.
이 방법은 또한 적어도 하나의 제 1 전압을 제 1 전극 및/또는 제 2 전극에 인가하고 제 1 전기 신호를 검출하는 단계, 및 적어도 하나의 제 2 전압을 제 1 전극 및/또는 제 2 전극에 인가하고 제 2 전기 신호를 검출하는 단계를 포함할 수 있고, 상기 제 2 전압은 상기 제 1 전압과 상이하다.
이 방법은 또한 검출된 전기 신호와 변동 전압 사이의 비선형 관계가 검출되면 센서 요소에서 액체, 특히 물을 검출하는 단계를 포함할 수 있다.
이 방법은 센서 요소에서 검출된 액체의 이벤트 횟수에 대한 임계값을 정의하고 임계값을 초과할 때 제 1 전극 및 제 2 전극의 질적 상태의 변화를 검출하는 단계를 더 포함할 수 있다.
이 방법은 센서의 보호 가열 동안, 센서 재생 동안 및/또는 센서의 측정 단계 동안 수행될 수 있다.
제안된 센서 및 제안된 방법은 언급된 유형의 알려진 센서 및 방법에 비해 많은 장점을 갖는다. 일반적으로 본 발명의 사상은 많은 센서 개념에 적용될 수 있다. 재생 전에 전극 구조에서 물이 확실하게 검출되어 열 충격 고장이 방지되거나 감소될 수 있다. 측정 단계 전에 전극 구조에서 물이 검출되어 약 45 V의 측정 전압이 인가될 때 강한 전기 분해가 방지된다. 그렇지 않으면 전기 분해로 인해 전류 측정 신호의 측정 범위가 정지되어 센서의 결함 메시지를 야기한다. 센서 수명의 증가가 가능하다. 또한 고객 불만이 감소될 수 있다.
본 발명의 추가의 선택적 세부사항들 및 특징들은 도면에 개략적으로 도시된 바람직한 실시예의 하기 설명에 나타난다.
도 1은 본 발명에 따른 센서의 일 실시예를 도시한다.
도 2는 물이 있을 때 전압 및 전류의 시간 프로파일을 도시한다.
도 3은 제 1 값에서 전압의 시간 프로파일을 도시한다.
도 4는 물이 없을 때 제 2 값에서 전압의 시간 프로파일을 도시한다.
도 5는 물이 있을 때 제 2 값에서 전압의 시간 프로파일을 도시한다.
도 6은 측정 전 또는 보호 가열 동안 본 발명에 따른 방법의 흐름도를 도시한다.
도 7은 재생 동안 본 발명에 따른 방법의 흐름도를 도시한다.
도 8은 측정 단계 전에 본 발명에 따른 방법의 흐름도를 도시한다.
도 2는 물이 있을 때 전압 및 전류의 시간 프로파일을 도시한다.
도 3은 제 1 값에서 전압의 시간 프로파일을 도시한다.
도 4는 물이 없을 때 제 2 값에서 전압의 시간 프로파일을 도시한다.
도 5는 물이 있을 때 제 2 값에서 전압의 시간 프로파일을 도시한다.
도 6은 측정 전 또는 보호 가열 동안 본 발명에 따른 방법의 흐름도를 도시한다.
도 7은 재생 동안 본 발명에 따른 방법의 흐름도를 도시한다.
도 8은 측정 단계 전에 본 발명에 따른 방법의 흐름도를 도시한다.
도 1은 측정 가스 챔버 내의 측정 가스의 적어도 하나의 특성을 검출하기 위한 본 발명에 따른 센서(10)의 제 1 실시예를 도시한다. 측정 가스는 특히 내연 기관의 배기 가스일 수 있고, 따라서 측정 가스 챔버는 특히 내연 기관의 배기관일 수 있다. 센서(10)는 특히 입자를 검출하도록 설계된다. 입자는 측정 가스 챔버 내의 측정 가스에 존재할 수 있다. 입자는 예를 들어 그을음 입자(soot particles)일 수 있다. 다만, 센서(10)는 수분을 검출하는 센서일 수 있음이 명시적으로 강조된다.
센서(10)는 이 실시예에서 센서 요소(12)를 포함하고, 상기 센서 요소(12)는 기판, 및 이 실시예에서 예로서, 상기 기판(14)에 직접 또는 간접적으로 제공되며 측정 가스에 노출될 수 있는 2개의 전극(16, 18)을 포함한다. 상기 전극들(16, 18)은 이하에서 제 1 전극(16) 및 제 2 전극(18)이라고도 한다. 제 1 전극(16) 및 제 2 전극(18)은 인터디지털 전극으로서 기판(14) 상에 배열된다. 제 1 전극(16)은 예를 들어 포지티브 전극으로서 사용되고, 제 2 전극(18)은 네거티브 전극으로서 사용된다.
센서(10)는 또한 적어도 하나의 컨트롤러(20)를 갖는다. 컨트롤러(20)는 센서 제어 장치이다. 그러나 내연 기관의 엔진 제어 장치일 수도 있다. 컨트롤러(20)는 측정 장치(22)를 갖는다. 측정 장치(22)는 제 1 전극(16) 및/또는 제 2 전극(18)에 연결되고 적어도 하나의 전기 신호를 검출하도록 설계된다. 예를 들어, 측정 장치(22)는 측정 라인(24)을 통해 제 2 전극(18)에 연결되고 측정 저항(26)을 통해 전기 신호를 픽업할 수 있다. 전기 신호는 전기 측정 저항(26)의 저항값 및/또는 전류일 수 있다. 예를 들어, 전기 신호는 측정 저항(26) 양단의 전압 강하 및 그 저항값에 기초하여 결정되는 전류일 수 있다.
컨트롤러(20)는 또한 적어도 하나의 전압 소스(28)를 갖는다. 전압 소스(28)는 제 1 전극(16) 및/또는 제 2 전극(18)에 연결되고, 가변 전압을 제 1 전극(16) 및/또는 제 2 전극(18)에 인가하도록 설계된다. 예를 들어, 전압 소스(28)는 제 1 라인(30)에 의해 제 1 전극(16)에 연결된다. 특히, 전압 소스(28)는 적어도 하나의 제 1 전압 및 제 2 전압을 제 1 전극(16) 및 제 2 전극(18)에 인가하도록 설계되며, 상기 제 2 전압은 상기 제 1 전압과 상이하다. 전압 소스(28)는 입자를 검출하기 위해 전기 측정 전압을 제 1 전극(16) 및 제 2 전극(18)에 인가하도록 설계되며, 상기 가변 전압은 상기 측정 전압보다 작다. 전압 소스(28)는 전압을 변경하기 위해 조절될 수 있다. 전압 소스(28)는 예를 들어 펄스 폭 변조에 의해 신호를 생성하고 상세히 도시되지 않은, 하류에 연결된 저역 통과 필터에 의해 DC 전압 신호로 평활화하도록 설계된다. 대안으로서, 디지털/아날로그 변환기를 사용하여 전압이 생성될 수도 있다. 제 1 저항(32) 및 제 2 저항(34)은 제 1 라인(30)에 직렬로 연결된다. 제 2 라인(36)은 제 1 저항(32)과 제 2 저항(34) 사이에서 전압 피드백 측정 장치(38)로 분기되며, 이 전압 피드백 측정 장치(38)에 의해 제 1 전극(16)에서의 전압 피드백 측정이 수행될 수 있다.
본 발명에 따라 센서 요소(12) 상의 물을 검출하기 위한 다음 방법이 제안된다. 전압을 센서 요소(12)의 제 1 전극(16)에 인가하고, 인가된 전압으로 인해 흐르는 측정 저항(26)의 전류를 측정한다. 그을음과 같은 고체 션트와 물을 구별하기 위해, 고체 션트에서는 (거의) 선형 특성 곡선을 예상하는 한편, 전기 분해가 시작되는 동안 물의 강한 비선형 특성 곡선을 인식하기 위해 전압을 변경하는 것이 제안된다.
도 2는 물이 있을 때 전압 및 전류의 시간 프로파일을 도시한다. 시간은 X-축(40)에 표시된다. ㎂ 단위의 전류는 왼쪽 Y-축(42)에 표시된다. V 단위의 전압은 오른쪽 Y-축(44)에 표시된다. 기능 확인을 위해, 제 1 전극(16) 및 제 2 전극(18) 상의 센서 요소(12)는 물로 적셔졌다. 전극들(16, 18)에서의 전압은 0으로부터 2V까지 선형으로 증가되었고 전류는 Keysight 34465A 멀티미터를 사용하여 기록되었다. 몇 초 안에 전압이 증가했다. 전압을 증가시키는 정확한 지속 시간은 결과에 큰 영향을 미치지 않기 때문에, 도 2에는 X-축(40) 상의 정확한 시간 표시가 제시되지 않았음을 명시적으로 강조한다. 곡선(46)은 전압의 프로파일을 나타낸다. 곡선(48)은 전류의 프로파일을 나타낸다. 측정 데이터가 평가되었고, 전류 프로파일(48)에서 더 높은 전압(46)을 향해 급격하게 증가하는 프로파일이 이미 나타난다. 전압에 대한 저항 특성 곡선의 프로파일과 관련하여, 더 높은 전압으로 급격히 증가하는 전류 프로파일이 저항 특성 곡선에 반영됨을 알 수 있다.
따라서 이 방법은 검출된 전기 신호와 변동 전압 사이의 비선형 관계가 검출되면 센서 요소(12) 상의 액체, 특히 물의 검출을 허용한다. 선택도를 증가시키기 위해, 전압이 센서 요소(12)의 온도에 따라 조정되면, 전기 분해 동안 온도 의존성이 고려될 수 있다. 센서 요소(12)에서의 전기 분해는 원칙적으로 센서 요소 수명을 단축시키지만 센서 요소 표면에서 감지되는 액체 물의 경우처럼 센서 요소를 갑자기 파괴하지는 않으므로, 이 방법은 이슬점 해제 후에만 적용될 수 있고 물 검출을 위한 측정 시간이 가능한 한 짧게 유지될 수 있다. 왜냐하면 이슬점 해제 전에는 어쨋든 잠재적으로 센서 요소(12)에 물이 있을 것으로 예상되기 때문이다. 물이 검출되면 측정 전압을 즉시 끄고 측정을 다시 시작하기 전에 아래에 설명된 조치(최소 지속 시간 동안 보호 가열)를 수행해야 한다. 센서 요소(12)에서 검출된 액체 이벤트의 수에 대한 임계값을 정의하고 임계값을 초과할 때 제 1 전극(16) 및 제 2 전극(18)의 질적 상태의 변화를 검출하는 것도 가능하다. 예를 들어, 임계값은 검출된 수분 이벤트의 수에 대한 상한값으로 정의될 수 있으며, 그 이상에서 추가적인 전기분해 스트레스는 전극(16, 18)의 과도한 열화를 초래할 수 있을 것이다. 물이 발생하는 경우의 수는 현장에서 통찰력을 얻기 위해 에러 메모리에 로깅(logging)될 수 있다.
원칙적으로 센서(10)는 정적 방법을 사용하여 작동될 수 있다. 따라서 가변 전압은 적어도 하나의 분압기에 의해 구현될 수 있다. 예를 들어, 필요한 경우 하류에 연결된 임피던스 변환을 갖는 2개의 분압기를 통해 제공될 수 있는 2개의 고정 전압이 평가에 사용된다.
이 방법은 이하에서 도 3 내지 도 5를 참조하여 더 상세히 설명된다. 도 3은 제 1 값에서 전압의 시간 프로파일을 도시한다. 도 4는 물이 없을 때 제 2 값에서 전압의 시간 프로파일을 도시한다. 도 5는 물이 있을 때 제 2 값에서 전압의 시간 프로파일을 도시한다. 도 3 내지 도 5에서, ms 단위의 시간은 각각 X-축(56)에 표시된다. 도 3 내지 도 5에서, mV 단위의 전압은 각각 Y-축(58)에 표시된다. 도 3 내지 도 5에서, 곡선(60)은 각각 제 1 전극(16)과 제 2 전극(18) 사이의 차동 전압을 나타낸다. 도 3 내지 도 5에서, 곡선(62)은 각각 제 1 전극(16)에서의 전압을 나타낸다. 도 3 내지 도 5에서, 곡선(64)은 각각 제 2 전극에서의 전압을 나타낸다. 이 방법에서, 조정 가능한 차동 측정 전압은 컨트롤러(20)에서 예를 들어 5V 내지 8V의 공칭적으로 더 높은 전압으로부터 제 1 전극(16)을 통해 펄스 폭 변조된 신호에 의해 전극(16, 18)에 출력된다.
도 3은 제 1 측정점을 도시한다. 제 1 측정점에서, 차동 측정은 0.5 V의 제 1 전극(16)과 제 2 전극(18) 사이의 차동 전압으로 이루어지며, 상기 차동 전압은 파라미터화될 수 있고 확실하게 전기분해 임계값 미만이다. 또한, 제 1 전극(16)과 제 2 전극(18) 사이의 전류는 이 전압 차가 주어진 측정 저항(26)에서 측정 장치(22)에 의해 전기 신호로서 결정된다. 제 2 전극(18)에서의 전압은 알려진 측정 저항(26)을 사용하여 전류로 변환될 수 있다.
도 4는 센서 요소(12)에 물이 없을 때 제 2 측정점을 도시한다. 도 5는 센서 요소(12)에 물이 있을 때 제 2 측정점을 도시한다. 제 2 측정점에서, 차동 측정은 2 V의 제 1 전극(16)과 제 2 전극(18) 사이의 차동 전압으로 이루어지며, 상기 차동 전압은 파라미터화될 수 있고 확실하게 전기분해 임계값보다 높다. 또한, 제 1 전극(16)과 제 2 전극(18) 사이의 전류는 이 전압 차가 주어진 측정 저항(26)에서 측정 장치(22)에 의해 전기 신호로서 결정된다. 제 2 전극(18)에서의 전압은 알려진 측정 저항(26)을 사용하여 전류로 변환될 수 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, 제 2 전극(18) 및 알려진 측정 저항(26)에서의 전압으로부터 다시 계산된 전류와, 제 1 전극(16)과 제 2 전극(18) 사이의 차동 전압 사이에 선형 또는 거의 선형 관계가 있는 경우, 전기 션트가 있다. 그러나 제 1 전극(16)과 제 2 전극(18) 사이의 2 V 차동 전압에서 측정된 전류가 급격히 상승하는 형태의 전기분해 개시로 인한 비선형 관계가 있는 경우, 물이 추정될 수 있고 대책이 취해질 수 있다.
이하에서, 본 발명에 따른 방법에 대한 일부 적용 사례가 예로서 설명된다.
도 6은 측정 전 또는 보호 가열 동안 본 발명에 따른 방법의 흐름도를 도시한다. 단계 S10에서 보호 가열 동안 수분 검사가 시작된다. 후속 단계 S12에서, 제 1 전압이 전극(16, 18)에 인가된다. 후속 단계 S14에서, 제 1 전압이 인가될 때 전기 신호의 제 1 측정값이 검출된다. 후속 단계 S16에서, 제 1 전압과 상이한 제 2 전압이 전극(16, 18)에 인가된다. 후속 단계 S18에서, 제 2 전압이 인가될 때 전기 신호의 제 2 측정값이 검출된다. 후속 단계 S20에서, 센서 요소(12)에 수분이 있는지 여부에 대한 실제 검사가 수행된다. 상기 검사는 도 2 내지 도 5를 참조하여 전술한 방법에 따라 수행된다. 단계 S20에서 수분이 있는 것으로 판단되면, 방법은 단계 S22로 진행한다. 단계 S22에서, 수분이 검출되면 보호 가열 지속 시간이 최소 지속 시간만큼 연장되고, 필요한 경우 침착물을 최소화하기 위해 가열 출력 감소와 함께 조정된 보호 가열 전략이 적용된다. 보호 가열의 최소 지속 시간이 경과한 후, 새로운 검사가 수행되고 방법은 단계 S10으로 돌아간다. 단계 S20에서 수분이 검출되지 않으면, 방법은 단계 S24로 진행하고 센서(10) 또는 센서 요소(12)의 재생이 수행될 수 있다.
도 7은 재생 동안 본 발명에 따른 방법의 흐름도를 도시한다. 단계 S30에서, 재생 동안 수분 검사가 시작된다. 후속 단계 S32에서, 제 1 전압이 전극(16, 18)에 인가된다. 후속 단계 S34에서, 제 1 전압이 인가될 때 전기 신호의 제 1 측정값이 검출된다. 후속 단계 S36에서, 제 1 전압과 상이한 제 2 전압이 전극(16, 18)에 인가된다. 후속 단계 S38에서, 제 2 전압이 인가될 때 전기 신호의 제 2 측정값이 검출된다. 후속 단계 S40에서, 센서 요소(12)에 수분이 있는지 여부에 대한 실제 검사가 수행된다. 상기 검사는 도 2 내지 도 5를 참조하여 전술한 방법에 따라 수행된다. 단계 S40에서 수분이 있는 것으로 판단되면, 방법은 단계 S42로 진행한다. 단계 S42에서, 수분이 검출되면, 재생이 중단되고 최소 지속 시간 동안 보호 가열로의 복귀가 수행되며, 필요한 경우 침착물을 최소화하기 위해 가열 출력 감소와 함께 조정된 보호 가열 전략이 적용된다. 보호 가열의 최소 지속 시간이 경과한 후, 새로운 검사가 수행되고 방법은 단계 S30으로 돌아간다. 단계 S40에서 수분이 검출되지 않으면, 방법은 단계 S44로 진행하고 센서(10) 또는 센서 요소(12)의 재생이 계속될 수 있다.
도 8은 측정 단계 전에 본 발명에 따른 방법의 흐름도를 도시한다. 단계 S50에서, 수분 검사는 측정 단계 전, 즉 측정 전압의 인가 전, 특히 직접 측정할 때 시작된다. 후속 단계 S52에서 제 1 전압이 전극(16, 18)에 인가된다. 후속 단계 S54에서, 제 1 전압이 인가될 때 전기 신호의 제 1 측정값이 검출된다. 후속 단계 S56에서, 제 1 전압과 상이한 제 2 전압이 전극(16, 18)에 인가된다. 후속 단계 S58에서, 제 2 전압이 인가될 때 전기 신호의 제 2 측정값이 검출된다. 후속 단계 S60에서, 센서 요소(12)에 수분이 있는지 여부에 대한 실제 검사가 수행된다. 상기 검사는 도 2 내지 도 5를 참조하여 전술한 방법에 따라 수행된다. 단계 S60에서 수분이 있는 것으로 판단되면, 방법은 단계 S62로 진행한다. 단계 S62에서, 측정 전압이 인가되기 전에 수분이 검출되면, 보호 가열 및 후속 재생을 갖는 새로운 측정 사이클이 설명된 방법을 사용하여 시작된다. 그 후, 방법은 단계 S50으로 돌아간다. 단계 S60에서 수분이 검출되지 않으면, 방법은 단계 S64로 진행하고 측정 단계가 시작될 수 있다.
본 발명은 센서 요소의 전극 구조에 물을 도입하고 전극 프로브 라인에서 측정하고 물이 없는 센서와 비교하여 작동 전략이 변경되는지 여부를 검사함으로써 입증될 수 있다.
10: 센서
12: 센서 요소
14: 기판
16, 18: 전극
20: 컨트롤러
22: 측정 장치
26: 측정 저항
28: 전압 소스
12: 센서 요소
14: 기판
16, 18: 전극
20: 컨트롤러
22: 측정 장치
26: 측정 저항
28: 전압 소스
Claims (12)
- 측정 가스의 적어도 하나의 특성을 검출하기 위한, 특히 측정 가스 챔버 내의 측정 가스의 입자를 검출하기 위한 센서(10)로서, 센서 요소(12)를 포함하고, 상기 센서 요소(12)는 기판(14), 적어도 하나의 제 1 전극(16) 및 적어도 하나의 제 2 전극(18)을 갖고, 상기 제 1 전극(16) 및 상기 제 2 전극(18)은 상기 기판(14) 상에 배열되고, 상기 센서(10)는 적어도 하나의 컨트롤러(20)를 더 포함하고, 상기 컨트롤러(20)는 측정 장치(22)를 갖고, 상기 측정 장치(22)는 상기 제 1 전극(16) 및/또는 상기 제 2 전극(18)에 연결되며 적어도 하나의 전기 신호를 검출하도록 설계되고, 상기 컨트롤러(20)는 적어도 하나의 전압 소스(28)를 더 포함하고, 상기 전압 소스(28)는 상기 제 1 전극(16) 및/또는 상기 제 2 전극(18)에 연결되며 가변 전압을 상기 제 1 전극(16) 및/또는 상기 제 2 전극(18)에 인가하도록 설계되는, 센서(10).
- 제 1 항에 있어서, 상기 전압 소스(28)는 적어도 하나의 제 1 전압 및 제 2 전압을 상기 제 1 전극(16) 및/또는 상기 제 2 전극(18)에 인가하도록 설계되고, 상기 제 2 전압은 상기 제 1 전압과 상이한, 센서(10).
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 전기 신호는 전기 측정 저항(26)의 저항값 및/또는 전류인, 센서(10).
- 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 컨트롤러(20)는 상기 센서 요소(12)의 온도에 따라 전압을 변경하도록 설계된, 센서(10).
- 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 컨트롤러(20)는 전압을 변경하기 위해 적어도 하나의 분압기를 갖거나 상기 전압 소스(28)가 조절될 수 있는, 센서(10).
- 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 1 전극(16) 및 상기 제 2 전극(18)은 상기 기판(14) 상에 인터디지털 전극으로서 또는 미앤더(meander) 형태로 배열되는, 센서(10).
- 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전압 소스(28)는 입자를 검출하기 위해 전기 측정 전압을 상기 제 1 전극(16) 및 상기 제 2 전극(18)에 인가하도록 설계되고, 상기 가변 전압은 상기 측정 전압보다 낮은, 센서(10).
- 측정 가스의 적어도 하나의 특성을 검출하기 위한, 특히 측정 가스 챔버 내의 측정 가스의 입자를 검출하기 위한 센서(10)의 작동 방법으로서, 상기 센서(10)는 센서 요소(12)를 갖고, 상기 센서 요소(12)는 기판(14), 적어도 하나의 제 1 전극(16) 및 적어도 하나의 제 2 전극(18)을 갖고, 상기 제 1 전극(16) 및 상기 제 2 전극(18)은 상기 기판(14) 상에 배열되고, 상기 센서(10)는 적어도 하나의 컨트롤러(20)를 더 포함하고, 상기 컨트롤러(20)는 측정 장치(22)를 갖고, 상기 측정 장치(22)는 상기 제 1 전극(16) 및/또는 상기 제 2 전극(18)에 연결되며 적어도 하나의 전기 신호를 검출하도록 설계되고, 상기 컨트롤러(20)는 적어도 하나의 전압 소스(28)를 더 포함하고, 상기 전압 소스(28)는 상기 제 1 전극(16) 및/또는 상기 제 2 전극(18)에 연결되며 가변 전압을 상기 제 1 전극(16) 및/또는 상기 제 2 전극(18)에 인가하도록 설계되고, 상기 방법은 변동 전압을 상기 제 1 전극(16) 및/또는 상기 제 2 전극(18)에 인가하고 전기 신호를 검출하는 단계를 포함하는, 센서 작동 방법.
- 제 8 항에 있어서, 적어도 하나의 제 1 전압을 상기 제 1 전극(16) 및 상기 제 2 전극(18)에 인가하고 제 1 전기 신호를 검출하는 단계, 및 적어도 하나의 제 2 전압을 상기 제 1 전극(16) 및/또는 상기 제 2 전극(18)에 인가하고 제 2 전기 신호를 검출하는 단계를 추가로 포함하고, 상기 제 2 전압은 상기 제 1 전압과 상이한, 센서 작동 방법.
- 제 8 항 또는 제 9 항에 있어서, 검출된 전기 신호와 변동 전압 사이의 비선형 관계가 검출되면, 상기 센서 요소(12)에서 액체, 특히 물을 검출하는 단계를 더 포함하는, 센서 작동 방법.
- 제 10 항에 있어서, 상기 센서 요소(12)에서 검출된 액체의 이벤트의 수에 대한 임계값을 정의하고 임계값을 초과할 때 상기 제 1 전극(16) 및 상기 제 2 전극(18)의 질적 상태의 변화를 검출하는 단계를 더 포함하는, 센서 작동 방법.
- 제 8 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 방법은 상기 센서(10)의 보호 가열 동안, 상기 센서(10)의 재생 동안 및/또는 상기 센서(10)의 측정 단계 동안 수행되는, 센서 작동 방법.
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