WO2009010471A1 - SENSOR, VERFAHREN SOWIE DEREN VERWENDUNG ZUR DETEKTION DER GRÖßENVERTEILUNG VON TEILCHEN IN EINEM GASSTROM - Google Patents

SENSOR, VERFAHREN SOWIE DEREN VERWENDUNG ZUR DETEKTION DER GRÖßENVERTEILUNG VON TEILCHEN IN EINEM GASSTROM Download PDF

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WO2009010471A1
WO2009010471A1 PCT/EP2008/059107 EP2008059107W WO2009010471A1 WO 2009010471 A1 WO2009010471 A1 WO 2009010471A1 EP 2008059107 W EP2008059107 W EP 2008059107W WO 2009010471 A1 WO2009010471 A1 WO 2009010471A1
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WO
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electrode
electrodes
pair
pairs
voltage
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Application number
PCT/EP2008/059107
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English (en)
French (fr)
Inventor
Peter Bartscherer
Ralf Schmidt
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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Filing date
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Application filed by Robert Bosch Gmbh filed Critical Robert Bosch Gmbh
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials
    • G01N15/02—Investigating particle size or size distribution
    • G01N15/0266—Investigating particle size or size distribution with electrical classification
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N2560/00—Exhaust systems with means for detecting or measuring exhaust gas components or characteristics
    • F01N2560/05—Exhaust systems with means for detecting or measuring exhaust gas components or characteristics the means being a particulate sensor
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N2560/00—Exhaust systems with means for detecting or measuring exhaust gas components or characteristics
    • F01N2560/12—Other sensor principles, e.g. using electro conductivity of substrate or radio frequency

Definitions

  • the present invention relates to a sensor and a method and the use thereof for detecting the size distribution of particles in a gas stream.
  • diesel particulate filter In the near future, the particulate emissions, especially of vehicles during driving, after passing through an engine or diesel particulate filter (DPF) must be monitored by law (On Board Diagnosis, OBD). In addition, a diesel particulate filter regeneration control load forecast is required to ensure high system safety with few efficient, fuel-efficient regeneration cycles, and to use cost-effective filter materials, such as cordierite.
  • resistive particle sensors draw on the detection of particle ejection caused by particle deposition resistance change of an electrode system with two or more comb-like interdigitated electrodes (interdigital electrode system) zoom.
  • resistive particle sensors arrange themselves according to the collecting principles. Such sensors are described by DE 101 493 33 A1 and WO 2003006976 A2.
  • resistive particle sensors especially particle sensors, are conductive
  • Particles are known in which two or more metallic, comb-like into one another gripping electrodes (interdigital electrodes) are formed, wherein the accumulating under the action of an electrical measuring voltage particles, in particular soot particles, the electrodes short and so with increasing particle concentration on the sensor surface a decreasing resistance (or an increasing current at a constant applied voltage) between the electrodes becomes measurable. After reaching a threshold value, a changing sensor current can be measured, which can be correlated with the increase of the particle mass on the sensor surface. To regenerate the sensor after particle deposition, the sensor must be burned free using an integrated heater.
  • PM standard Particulate Matter Standard
  • EPA US Environmental Protection Agency
  • PMio Particulate Matter Standard
  • a sensor for detecting the size distribution of particles in a gas stream, comprising an electrode system having at least three in-plane electrodes, at least one power supply device and at least one voltage measuring and / or current measuring device, characterized in that in each case two electrodes in the electrode system form a pair of electrodes of different polarity, wherein the electrode pairs are arranged along a lying in the plane of the electrodes fictitious beam, that the beam in each case between the two electrodes of a pair of electrodes, the arranged along the beam pairs of electrodes in such a way at least one voltage measurement and / or current measuring device are connected, that the voltage and / or the current flow between each pair of electrodes can be determined individually, has the advantage that different size fractions of accumulating particles dissolved un d can be measured, whereby size fractions of ultrafine particles / particles with an aerodynamic diameter of less than 300 nm can still be resolved and measured.
  • the division of the size fractions can be determined on the one hand by the configuration of the electrode system. On the other hand, the division of the size fractions can be adjusted by adapting the voltages applied to the electrode pairs during operation.
  • electrode systems according to the invention are also very small and inexpensive to implement and have the potential to be used in motor vehicles.
  • FIG. 1a shows a schematic representation of a first embodiment of a sensor according to the invention with an electrode system in which
  • Electrode pairs are arranged along a beam, wherein each electrode pair is connected to its own voltage measuring and / or current measuring device, wherein all pairs of electrodes are connected to a common power supply device and wherein each pair of electrodes has its own variable resistor, which makes it possible at the different pairs of electrodes apply different voltages;
  • FIG. 1 b shows a schematic representation of a second embodiment of a sensor according to the invention with an electrode system in which pairs of electrodes are arranged along a jet, each of them
  • Electrode pair is connected to its own voltage measuring and / or current measuring device and to its own power supply device;
  • FIG. 1c shows a schematic illustration of a third embodiment of a sensor according to the invention, which differs from the second one shown in FIG.
  • Embodiment differs in that between adjacent electrodes belonging to different electrode pairs, in each case a further voltage measuring and / or current measuring device is connected, whereby an improved measurement is made possible with a voltage polarity changing from electrode pair to electrode pair;
  • FIG. 1 d shows a schematic representation of a fourth embodiment of a sensor according to the invention, which differs from the first embodiment shown in FIG. 1 a mainly in that the electrode pair gap distance A between the two electrodes of a pair of electrodes increases continuously from pair of electrodes to pair of electrodes. wherein the arrangement of the electrodes is asymmetrical with respect to the beam passing through the pair of electrode gaps;
  • FIG. 1 e shows a schematic representation of a fifth embodiment of a sensor according to the invention, which differs from the fourth embodiment shown in FIG. 1 d in that the arrangement of the electrodes is symmetrical with respect to the beam passing through the electrode pair gap;
  • FIG. 1f shows a schematic representation of a sixth embodiment of a sensor according to the invention, which differs from the first embodiment shown in FIG. 1a primarily in that the
  • Electrode pair gap distances of the individual pairs of electrodes are optimized with respect to a Gaussian distribution-based particle size distribution
  • FIG. 1 g shows a schematic illustration of a seventh embodiment of a sensor according to the invention, which differs from the sixth embodiment shown in FIG.
  • FIG. 1h shows a schematic representation of an eighth embodiment of a sensor according to the invention, which differs from the first one shown in FIG.
  • Embodiment differs in that arranged on one side of the beam electrodes of four adjacent pairs of electrodes are formed as an electrode, wherein arranged on the other side of the beam electrodes are spaced from each other and thereby with the one, located on the other side of the beam electrode four
  • FIG. 2a shows a schematic representation of a ninth embodiment of a sensor according to the invention with an electrode system are arranged in the pair of electrodes along radial beams;
  • FIG. 2b serves to illustrate a stagnation flow of the electrode system shown in FIG. 2a with a gas flow;
  • FIG. 2c shows a schematic representation of a tenth embodiment of a sensor according to the invention with an electrode system in which electrode pairs are arranged along six radial beams, wherein the polarity of the electrodes alternately changes from one radial row of electrodes to the adjacent rows of radial electrodes, and furthermore illustrates that those pairs of electrodes which are arranged on an electrode circuit can be connected to a (common) further voltage measuring and / or current measuring device;
  • Figure 2d shows a schematic representation of an eleventh embodiment of a sensor according to the invention with an electrode system in the Electrode pairs are arranged along six radial beams, wherein the polarity of the electrodes alternately changes both from a row of radial electrodes to the adjacent rows of radial electrodes, and from electrode to electrode within a row of radial electrodes;
  • FIG. 2c shows a schematic representation of a tenth embodiment of a sensor according to the invention with an electrode system in which electrode pairs are arranged along six radial beams
  • FIG. 2 e shows a schematic illustration of a twelfth embodiment of a sensor according to the invention, which differs from the tenth embodiment shown in FIG. 2 c mainly in that the electrodes of four adjacent electrode pairs arranged on one side of a beam are each formed as one electrode arranged on the other side of the beam electrodes are spaced from each other and thereby each form four pairs of electrodes with one, located on the other side of the beam electrode;
  • FIG. 2f shows a schematic representation of a thirteenth embodiment of a sensor according to the invention, which differs from the ninth, tenth and eleventh embodiments shown in FIGS. 2a, 2c and 2d mainly in that the radial beams have a different number of electrode pairs arranged thereon;
  • Figure 2g shows a schematic representation of a fourteenth embodiment of a sensor according to the invention, which differs from the ninth, tenth, eleventh and thirteenth embodiment shown in Fig. 2a, 2c, 2d and 2f mainly characterized in that arranged on the radial beam electrodes via two opposite circular cutouts extend, with electrode-free circular cutouts being located between these circular cutouts; and
  • Figure 2h shows a schematic representation of a fifteenth embodiment of a sensor according to the invention, which differs from the ninth, tenth, eleventh, thirteenth and fourteenth embodiment shown in Fig. 2a, 2c, 2d, 2f and 2g mainly characterized in that the number and configuration of arranged on two opposite circular cut-away electrodes are different from each other.
  • FIG. 1a shows a schematic representation of a first embodiment of a sensor according to the invention with an electrode system in which lies in a plane
  • Electrode pairs 11; 12; 13; 14 along a in the plane of the electrode pairs 11; 12;
  • the electrodes 1, 1 '; 2, 2 '; 3, 3 '; 4, 4 'of a pair of electrodes 11; 12; 13; 14 according to the invention have a different
  • Polarity are arranged on different sides of the beam Sl.
  • These and some other embodiments of the present invention are all pairs of electrodes 11; 12; 13; 14 connected via lines 101, 101 'to a common power supply device 201.
  • each pair of electrodes 11; 12; 13; 14 via its own, variable, known in the series resistor 401; 402; 403; 404th
  • the electrode pairs 11 arranged along the beam X1 are; 12; 13; 14 such at least one voltage measuring and / or current measuring device 301;
  • each pair of electrodes 11; 12; 13; 14 to a separate voltage measuring and / or current measuring device 301; 302; 303; 304 is connected.
  • a voltage measuring and / or current measuring device 301 may be, for example, a series-connected current measuring device. However, it may also be a voltage meter, which act in parallel to a resistor.
  • the at least one series resistor may have the function of a voltage measuring and / or current measuring device and a series resistor combined.
  • a voltage measuring and / or current measuring device may have the function of a voltage measuring and / or current measuring device and a series resistor combined.
  • a voltmeter can be connected in parallel, which from a
  • Particle deposition resulting voltage drop across the respective series resistor measures can be used at a known voltage as a measure of accumulated particles.
  • the electrode pairs 11; 12; 13; 14 are arranged along the beam Sl, that the beam Sl in each case between the two electrodes 1, 1 '; 2, 2 '; 3, 3 '; 4, 4 'of a pair of electrodes 11; 12; 13; 14 runs. Between the electrodes 1, 1 '; 2, 2 '; 3, 3 '; 4, 4 'is therefore an electrode pair gap 6 before.
  • the electrodes 1; 2; 3; 4 on one side of the beam Sl mirror-symmetrical to the electrodes 1 '; 2 '; 3 '; 4 'on the other side of the beam Sl designed and arranged.
  • the beam Sl can therefore be referred to in the mirror-symmetrical embodiment / s as a symmetry beam Sl.
  • a "symmetry beam” (denoted by the reference symbol S) in the sense of the present invention, apart from being a ray, that is to say a fictitious line, straight, on one side, for example from the point P, and not a straight line, the same properties as an axis of symmetry, that is, to one
  • Point Y or object one electrode of a pair of electrodes
  • point Y 'or object' partner electrode
  • the two points Y and Y 'or objects at the same distance from the beam and are arranged such that a connecting distance between the points Y and Y' or
  • a gas stream 5 comprising particles is moved parallel to the symmetry beam S1, in particular parallel to that between the electrodes 1, 1 '; 2, 2 '; 3, 3 '; 4, 4 'of the electrode pairs 11; 12; 13; 14 lying electrode pair gap 6, as well as parallel to the plane of the electrodes 1, 1 ', 2, 2% 3, 3', 4, 4 'passed or flowed over the electrode system.
  • Series resistors 401; 402; 403; 404 are applied to the electrode pairs 11; 12; 13; 14 different voltages applied.
  • the amount of each of a pair of electrodes 11; 12; 13; 14 applied voltages is thereby at each pair of electrodes 11; 12; 13; 14 adapted individually to the expected particle size distribution and / or the gas flow rate.
  • the expected particle size distribution is suitably determined by previously performed adjustment measurements.
  • the magnitude of the gas flow rate is known in most applications of a sensor according to the invention.
  • the gas flow velocity can be calculated via a signal from an engine or plant control device in accordance with an onflow transfer function.
  • the gas flow rate is not known, can in a inventive
  • Sensor an additional device for measuring the gas flow velocity can be integrated. On the basis of the data thus obtained on the expected particle size distribution and / or the gas flow velocity, individual voltages are applied to the individual electrode pairs by a control device.
  • the particles in the gas stream 5 flow at a certain gas velocity from one side of the electrode system parallel to the paired electrode gap 6 to the opposite side of the electrode pair gap 6, the particles are separated by electrophoretic forces consisting of the electrode pairs 11; 12; 13; 14 applied voltages, as well as by thermophoresis and diffusion on the
  • the short circuit of the individual electrode pairs 11 takes place; 12; 13;
  • each pair of electrodes 11; 12; 13; 14 via its own voltage measuring and / or current measuring device 301; 302; 303; 304, the short circuits between the individual electrode pairs 11; 12; 13; 14 of the electrode system according to the invention are determined independently and output as a measure of the particle size distribution.
  • both an evaluation over the tripping time that is, the period of time that elapses until the electrode pair shows a predetermined resistance due to a particle bridge, as well as an evaluation of the change over time of the voltage, the current and / or the resistance is possible.
  • This measurement principle according to the invention is applicable both to a gas flow 5 with a constant gas flow velocity and to a gas flow 5 with a variable gas flow velocity.
  • gas streams 5 with constant gas flow rate can be used, for example, with constant applied voltages.
  • the attachment of the respective size fraction may shift from one pair of electrodes to an adjacent pair of electrodes. This can be corrected according to the invention by including the gas flow rate in the evaluation of the measurement.
  • the measurement at a variable gas velocity becomes constant at the electrode pairs 11; 12; 13; 14 applied voltages carried out and measured the change over time of the resistance and evaluated in dependence on the gas velocity.
  • the measurement at a variable gas velocity becomes constant at the electrode pairs 11; 12; 13; 14 applied voltages carried out and measured the change over time of the resistance and evaluated in dependence on the gas velocity.
  • a gas velocity change by adjusting the on the electrode pairs 11; 12; 13; 14 applied voltages are corrected.
  • the particles deposit again at the electrode pairs determined for the respective particle size and not, as would be the case without correction, at electrode pairs adjacent thereto.
  • the amounts of the at the electrode pairs 11; 12; 13; 14 applied voltages adjusted such that in the expected particle size distribution all electrode pairs 11; 12; 13; 14 in the same time range deliver results and / or must be regenerated.
  • the respectively on the electrode pairs 11; 12; 13; 14 applied voltages independently of each other to the course of the distribution, for example, to the maximum / maximum and / or the / the minimum / minimum of the distribution adjusted.
  • the voltages applied to the electrode pairs are adjusted such that a lower voltage is applied to the electrode pair (s) at which the maximum / maximum distribution is expected than at the other electrode pairs.
  • Pair of electrodes to the last pair of electrodes steadily increase the voltages applied to the pairs of electrodes.
  • the amount of voltage from the first electrode pair to the middle electrode pair of an electrode pair row arranged on a beam may steadily decrease and steadily increase from the middle electrode pair to the last electrode pair of an electrode pair row arranged on a beam.
  • the voltages can be applied to the respective electrode pairs 11; 12; 13; 14 are applied, that the voltage applied to the electrode pairs continuously change from pair of electrodes to pair of electrodes, that is steadily increase or decrease.
  • Figure Ib shows a schematic representation of a second embodiment of a sensor according to the invention with an electrode system in the electrode pair 11; 12; 13; 14 are arranged along a beam Sl.
  • the second embodiment shown in FIG. 1b differs from the first embodiment shown in FIG. 1a in that each pair of electrodes 11; 12; 13; 14 to its own
  • Power supply device 201; 202; 203; 204 is connected. These power supply devices 201; 202; 203; 204 allow the application of different voltages to the different electrode pairs 11; 12; 13; 14. Therefore, in the context of this embodiment, it is possible to use resistors 401; 402; 403; 404 are waived for adjusting different voltages.
  • resistors 401; 402; 403; 404 are waived for adjusting different voltages.
  • Electrode pairs 11; 12; 13; 14 to the respective own power supply device 201; 202; 203; 204 takes place in the context of the second embodiment via two lines 101, 101 '; 102, 102 '; 103, 103 '; 104, 104 '.
  • the different voltages are applied to the electrode pairs 11; 12; 13; 14 applied that those electrodes 1; 2; 3; 4; 1'; 2 '; 3 '; 4 'which are on the same side of the beam Sl, have the same polarity.
  • electrophoretic forces between adjacent electrode pairs for example, 1 'and 2' are avoided.
  • those electrodes 1; 2; 3; 4; 1'; 2 '; 3 '; 4 ' which are on the same side of the beam S / X, have a different polarity.
  • Such a circuit with one or more polarity changes for example with one of electrode pair too
  • Electrode pair along the beam of alternating polarity has proved to be advantageous in the context of the present invention, as this additional information about the amount of positively charged and negatively charged particles contained in the gas stream can be determined.
  • the particle addition is not only between the
  • Electrodes 1, 1 '; 2, 2 '; 3, 3 '; 4, 4 'of a pair of electrodes 11; 12; 13; 14 (that is, in the electrode pair gap 6), but also between two adjacent electrodes 1, 2; 2, 3; 3, 4; 1 ', 2'; 2 ', 3'; 3 ', 4', which are located on the same side of the beam S / X, have a different polarity and thereby different electrode pairs 11; 12; 13; 14 belong.
  • Figure Ic illustrates such a third embodiment of a sensor according to the invention with one of electrode pair 11; 12; 13; 14 to electrode pair 11; 12; 13; 14 along a beam Sl of alternating polarity.
  • Electrodes of a pair of electrodes 11; 12; 13; 14 or a neighboring electrode pair 1001; 1002; 1003; 1001 '; 1002 '; 1003 ' represent potential particle paths resulting from particle attachment.
  • To prevent particle attachment between a neighboring electrode pair 1001; 1002; 1003; 1001 '; 1002 '; 1003 ' it is necessary that between the electrodes 1, 2; 2, 3; 3, 4; 1%
  • the sensor according to the invention therefore comprises, in addition to the voltage measuring and / or current measuring devices 301; 302; 303; 304 of the electrode pairs 11; 12; 13; 14 additional voltage measuring and / or current measuring devices 501, 501 '; 502, 502 '; 503, 503 'for the adjacent electrode pairs 1001; 1002; 1003; 1001 '; 1002 '; 1003 '.
  • some parameters A, B, C, D, E of the configuration of the electrode system illustrated in FIG. 1 d can be varied in order to determine the size distribution of particles in one
  • the distance between the electrodes 1, 1 '; 2, 2 '; 3, 3 '; 4, 4 'of a pair of electrodes 11; 12; 13; 14 (electrode pair gap distance) A, the electrode width B, the distance between adjacent electrode pairs C and / or the electrode length D are varied independently from one electrode pair to the next electrode pair.
  • the length of the entire electrode system E and the number of electrodes n for example from 1 to n, can be varied.
  • FIG. 1 d shows a schematic illustration of a fourth embodiment of a sensor according to the invention, which differs from the first one in FIG.
  • Figure 1a mainly distinguished by the fact that between the two electrodes 1, 1 '; 2, 2 '; 3, 3 '; 4, 4 'of a pair of electrodes 11; 12; 13; 14 electrode pair gap distance A from electrode pair to electrode pair steadily increased. Alone by this change in the electrode pair gap distance A is an inventive determination of the size distribution of particles in one
  • the third embodiment shown in FIG. 1 d do not necessarily each include a variable series resistor 401; 402; 403; 404 for each pair of electrodes 11; 12; 13; 14 or each a power supply device 201;
  • the electrode pairs 11; 12; 13; 14 are connected such that on all pairs of electrodes 11; 12; 13; 14 the same voltage is applied.
  • Particle size for the particle charge of a particle the sooner the particle is deposited on the last of the gas flow overflowed electrode pairs 13, 14 at.
  • the electrode system according to the invention can be designed such that the electrode pair gap distance A, the electrode width B, the distance between adjacent electrode pairs C and / or the electrode length D of Electrode pair to electrode pair along a beam Xl / Sl increased or decreased, for example, steadily increased or steadily reduced.
  • a variation of the design parameters electrode pair gap distance A, the electrode width B, the distance between adjacent electrode pairs C and / or the electrode length D of the electrode system can be performed mirror-symmetrically or asymmetrically with respect to the beam S / X passing through the electrode pair gaps.
  • 1d shows, for example, a fourth embodiment according to the invention of a sensor according to the invention with asymmetrically arranged electrode pairs 11 with respect to a beam X1 passing through the pair of electrode gaps 6; 12; 13; 14 or electrodes 1, 1 '; 2, 2 '; 3, 3 '; 4, 4 '.
  • FIG. 1 e shows a schematic representation of a fifth embodiment of a sensor according to the invention, which differs from the fourth embodiment shown in FIG. 1 d in that the arrangement of the electrode pairs 11; 12; 13; 14 or electrodes 1, 1 '; 2, 2 '; 3, 3 '; 4, 4 'is symmetrical with respect to the beam Sl passing through the pair of electrodes 6.
  • the fourth embodiment shown in FIG. 1 d and the fifth embodiment according to the invention shown in FIG. 1 e as well as in other embodiments according to the invention have the design parameters A, B, C and / or D of the electrode pairs can be varied, each pair of electrodes 11; 12; 13, 14 to a separate power supply device 201; 202; 203; 204 and / or to a separate variable resistor 401; 402; 403; 404 can be connected.
  • the electrode system according to the invention can be designed such that the electrode pair gap distance A, the electrode width B, the distance between adjacent electrode pairs C and / or the electrode length D of the individual electrode pairs 11; 12; 13; 14 along a beam Xl / Sl individually on the Maximum and the minima of the Gaussian distribution is adjusted.
  • FIG. 1 f is a schematic representation of a sixth embodiment of a sensor according to the invention.
  • the electrode system according to the invention can be designed such that the electrode pair gap distance A, the electrode width
  • the distance between adjacent pairs of electrodes C and / or the electrode length D of the individual pairs of electrodes along a beam Xl / Sl is adjusted individually to the maxima and the minimum / minimum of the bimodal or multimodal distribution, whereby a more accurate resolution of the relevant areas of a bimodal or multimodal size distribution is possible.
  • FIG. 1 g is a schematic representation of a seventh embodiment of a sensor according to the invention.
  • Figure 1h shows a schematic representation of an eighth embodiment of a sensor according to the invention, which differs from the first, shown in Fig. Ia, the first embodiment differs in that arranged on one side of the beam Xl electrodes of four adjacent pairs of electrodes 11; 12; 13; 14 as one
  • Electrode formed 1 are.
  • the spaced-apart electrodes 1 '; 2 '; 3 '; 4 ' is a different polarity than the arranged on the other side of the beam Xl electrode 1 and thus each form an inventive electrode pair 11; 12; 13; 14 with the electrode 1 located on the other side of the beam Xl.
  • Figure 2a shows a schematic representation of a ninth embodiment of a sensor according to the invention with an electrode system in the electrode pair along radial rays, in particular along eight rays, Sl; S2; S3; S4; S5; S6; S7; S8 are arranged.
  • beam is understood to mean only those imaginary straight lines which are bounded on one side by the point P and extend on the other side to infinity, which extend between electrodes having a different polarity All other notional straight lines, which are bounded on one side by the point P and on the other side into the., and have on a common voltage measuring and / or current measuring device
  • Figure 2a shows that the beam Sl; S2; S3; S4; S5; S6; S7; S8 lie in the plane of the electrode / electrode pairs and extend radially from a common point P such that all adjacent beams Sl; S2; S3; S4; S5; S6; S7; S8 include the same angle.
  • each of the eight streams Sl; S2; S3; S4; S5; S6; S7; S8 are each four electrode pairs 11, 12, 13, 14 to 81, 82, 83, 84 arranged such that the respective beam (for example, Sl) in each case between the two electrodes (for example, 1, 1 ', 2, 2'; 3 ', 4, 4') of the electrode pairs arranged on it (for example 11, 12, 13, 14).
  • the electrodes (for example 1, 1 ', 2, 2', 3 ', 3', 4 ', 4') arranged to the two sides of a beam (for example S 1) are mirror-symmetrical to one another, the beam (for example S 1) being the axis of symmetry represents.
  • FIG. 2 a shows that at all the beams S 1; S2; S3; S4; S5; S6; S7; S8 the same number of electrode pairs n is arranged.
  • FIG. 2a shows that the electrode pairs 11; 21; 31; 41; 51; 61; 71; 81, which on the respective symmetry beams Sl; S2; S3; S4; S5; S6; S7; S8 represent the first pair of electrodes counted outwards from the point P, that is, which form the innermost electrode pair circle, have the same configuration and the same distance with respect to the point P.
  • the second 12; 22; 32; 42; 52; 62; 72; 82 third 13; 23; 33; 43; 53; 63; 73; 83 and fourth 14; 24; 34; 44;
  • radial electrode system with several, in particular eight, beams Sl; S2; S3; S4; S5; S6; S7; S8 is based on the same construction and measuring principle as the electrode systems explained in FIGS. 1a to 1h with only one jet S1 / X1. If, for example, only the electrode pairs 11 are considered; 12; 13, 14 and the symmetry beam Sl and fades the remaining seven symmetry beam S2; S3; S4; S5; S6; S7; S8 and the electrode pairs 21, 22, 23, 24 to 81, 82, 83, 84 arranged thereon, the result is an electrode arrangement which is analogous to that in FIGS
  • Ia to Ih is shown electrode arrangement.
  • the parameters (A, B, C, D, E, n, voltage) explained in connection with FIGS. 1a to 1h can therefore also be varied analogously in the case of a radial electrode system according to the invention.
  • Such a radial electrode system according to the invention is suitable for a
  • Stagnation point flow is understood to mean the flow of an electrode system perpendicular to the plane of the electrode system, as shown in Figure 2a, for a stagnation point inflow the electrode pair gaps must be arranged essentially radially symmetrically around the stagnation point Therefore, when flowing through a radial electrode system shown in FIG. 2 a, the gas flow should be oriented so that the stagnation point of the gas flow is at the point P.
  • FIG. 2b serves to illustrate a stagnation flow of the gas flow shown in FIG. 2a according to the invention, radial electrode system.
  • the gas flow striking the point P of the electrode system is deflected by the electrode system and / or the surface on which the electrode system is arranged in such a way that it flows radially outward from the point P and at the same time substantially parallel to the electrode system plane. Since the pairs of electrodes are radially aligned on the respective beams, the gas flow also flows parallel to the
  • FIG. 2c shows a schematic representation of a tenth embodiment of a sensor according to the invention with an electrode system in which electrode pairs are arranged along radial beams S1, S2, S3, S4, S5, S6.
  • the electrode system shown in Fig. 2c differs from the electrode system shown in Fig. 2a mainly in that the electrode polarity of an electrode row formed radially outward from the point P (for example, 1 ', 2', 3% 4 ') to the adjacent from the point P radially outwardly formed electrode rows
  • beams S1, S2, S3, S4, S5, S6 run within the meaning of the present invention, on which pairs of electrodes according to the invention are arranged, between which particles can accumulate, and shows by way of example the wiring of the outer
  • Electrodes In order to be able to detect the particle attachment, it is necessary that in each case between all adjacent electrodes of an electrode circuit, a voltage and / or current measurement is possible. This can be realized, on the one hand, by connecting all adjacent electrodes of an electrode circuit in pairs to a separate voltage measuring and / or current measuring device, which, however, results in a large number of voltage measuring and / or current measuring devices and thus a complicated and expensive construction.
  • this can be realized by interconnecting all the electrodes of an electrode circuit with negative polarity and in each case all electrodes of an electrode circuit with positive polarity and to a common voltage measuring and / or current measuring device (301, 302, 303 not shown for clarity) 304 are connected.
  • a common voltage measuring and / or current measuring device 301, 302, 303 not shown for clarity
  • the beams S1, S2, S3, S4, S5, S6 extend in a manner analogous to the ninth embodiment shown in FIG. 2a in such a way radially from a common point P that all adjacent beams S1; S2; S3; S4; S5; S6 enclose the same angle.
  • Sl; S2; S3; S4; S5; S6 are each four electrode pairs 11, 12,
  • one electrode is a component of two electrode pairs. That is, an electrode disposed between a first and a second beam forms a first electrode pair with an electrode of the same electrode circuit arranged on the other side of the first beam and a second electrode pair with an electrode of the same electrode circuit arranged on the other side of the second beam.
  • the electrode V forms both a pair of electrodes 11 with the electrode 1 and a pair of electrodes 41 with the electrode Ia.
  • the voltage measuring and / or current measuring devices 304 the voltage measuring and / or current measuring devices, power supply device (s) and / or series resistors and electrical
  • Figure 2d shows a schematic representation of an eleventh embodiment of a sensor according to the invention with an electrode system are arranged in the pair of electrodes along six radial beams.
  • Electrodes correspond to those in FIG. 2 c, but are not repeated in FIG. 2 d for reasons of clarity.
  • the electrode system shown in Fig. 2d differs from the electrode system shown in Fig. 2c mainly in that in addition to the alternating
  • Voltage measuring and / or current measuring device (not shown) is connected.
  • the sensor according to the invention therefore comprises, in addition to the voltage measuring and / or current measuring device of the electrode pairs according to the invention (for example
  • additional voltage measuring and / or current measuring device for the adjacent electrode pairs according to the invention (for example 1001, 1002, 1003).
  • all the electrodes of a negative polarity electrode circuit and all electrodes of a positive polarity electrode circuit can be interconnected and connected to a common voltage measuring and / or current measuring device.
  • each of the six streams Sl; S2; S3; S4; S5; S6 are each four electrode pairs 11, 12, 13, 14 to 61, 62, 63, 64 arranged such that the respective beam (for example, Sl) in each case between the two electrodes (for example, 1, 1 ';
  • one electrode is part of two electrode pairs and one or two adjacent electrode pairs.
  • an electrode disposed between a first and a second beam forms the same with an electrode disposed on the other side of the first beam Electrode circuit, a first pair of electrodes, with an arranged on the other side of the second beam electrode of the same electrode circuit, a second pair of electrodes and with an arranged on the same side of the first beam electrode of an adjacent electrode circle, a first adjacent electrode pair and / or with one on the same side of the first beam disposed electrode of the other adjacent
  • the electrode 2 ' forms a pair of electrodes 12 with the electrode 2, a pair of electrodes 42 with the electrode 2a, a neighboring electrode pair 1001' with the electrode 1 and a neighboring electrode pair 1002 'with the electrode 3.
  • FIG. 2e shows a schematic representation of a twelfth embodiment of a sensor according to the invention, which differs from the tenth embodiment shown in FIG. 2c mainly in that each of the electrodes arranged on one side of a beam (for example X1) consists of four adjacent (for example 11; 12, 13, 14) electrode pairs are formed as one electrode (for example 1).
  • the electrodes arranged on the other side of the beam for example 1 ', 2', 3 ', 4'
  • the spaced-apart electrodes for example 1 ', 2', 3 ', 4'
  • overlap have separate voltage measuring and / or current measuring device.
  • all electrodes for example 1 ', 1a', 1b ', 1c'
  • a common voltage measuring and / or current measuring device arranged electrodes (for example, 1 ', 2', 3 ', 4') also have a different polarity than the electrode located on the other side of the respective beam (for example Xl)
  • each form an electrode pair according to the invention for example 11, 12, 13, 14
  • the electrode for example 1 located on the other side of the respective beam (for example X1).
  • Figure 2f shows a schematic representation of a thirteenth embodiment of a sensor according to the invention, extending from the ninth, tenth and eleventh, in Fig. 2a, 2c and 2d differs mainly in that the radial beams have a different number of pairs of electrodes arranged thereon.
  • Such an embodiment of the electrode system according to the invention has proven to be advantageous in that way as the area required for the electrode system can be optimally utilized.
  • Figure 2g shows a schematic representation of a fourteenth embodiment of a sensor according to the invention, which differs from the ninth, tenth, eleventh and thirteenth embodiment shown in Fig. 2a, 2c, 2d and 2f mainly differs in that arranged on the radial beams via electrodes two opposite sections of the circle 2001; 2002, between these circular cut-off electrode-free circular cutouts 3001; 3002 lie.
  • this also allows the electrode system to be adapted to the available area.
  • such an arrangement of circular sections 2001; 2002 with respect to the production proved to be advantageous, since the use of screen printing process, the production of narrow structures which are arranged perpendicular to the Siebdruckrackraum, difficult.
  • Figure 2h shows a schematic representation of a fifteenth embodiment of a sensor according to the invention, which differs from the ninth, tenth, eleventh, thirteenth and fourteenth embodiment shown in Fig. 2a, 2c, 2d, 2f and 2g mainly characterized in that the number and configuration of on two opposite sections of the circle 2001; 2002 arranged electrodes differ from each other.
  • such a configuration is due to an optimization of the electrode system surface as well as due to the
  • the present invention relates to a sensor for detecting the size distribution of particles in a gas stream, comprising - an electrode system having at least three in-plane electrodes,
  • At least one power supply device and - At least one voltage measuring and / or current measuring device characterized in that
  • two electrodes of different polarity form a pair of electrodes in the electrode system, the pairs of electrodes being arranged along a notional jet lying in the plane of the electrodes such that the beam extends in each case between the two electrodes of an electrode pair,
  • the electrode pairs arranged along the beam are connected to at least one voltage measuring and / or current measuring device such that the voltage and / or the current flow between each electrode pair can be determined individually.
  • the pairs of electrodes arranged along the beam can be connected to at least one voltage measuring and / or current measuring device such that the voltage and / or the current flow between each individual electrode pair can be determined by each pair of electrodes arranged along the beam being connected to a separate voltage measuring and / or measuring device. or current measuring device is connected; and / or a plurality of electrode pairs arranged along the beam are connected via a switch to a common voltage measuring and / or current measuring device, wherein the switch is switched between the individual electrode pairs in order to determine the voltage and / or the current flow of each individual pair of electrodes.
  • such a switch may be a relay.
  • the term "beam” is understood to mean a geometric beam, that is to say a fictitious straight line, which is bounded on one side, for example from the point P, and extends on the other side to infinity
  • the term “beam” is understood to mean only those geometrical beams which extend between electrodes having a different polarity and via a common beam Have voltage measuring and / or current measuring device and thereby represent an inventive electrode pair.
  • a different polarity of the two electrodes of an electrode pair is understood to mean that a potential difference exists between the two electrodes of an electrode pair.
  • the potential difference between the two electrodes of a pair of electrodes may, for example, be zero to plus, plus to minus, minus to zero, plus to higher plus or minus to stronger minus.
  • particles is understood as meaning solid and / or liquid conductive particles, for example conductive particles and / or droplets, in particular carbon black particles, for example semiconducting carbon.
  • the invention is based on the principle that the location of the attachment of particles to the electrodes depends on the size, mass and charge of the particles and the particles in the gas stream at
  • An electrode system may have at least two beams lying in the plane of the electrodes, which extend radially from a common point P and along which pairs of electrodes are arranged such that the respective beam extends in each case between the two electrodes of the electrode pairs arranged on it.
  • the at least two beams can be radial in such a way from the common point P that all adjacent beams are approximately the same
  • angular deviation can be up to 30%, for example up to 20%, in particular up to 15%.
  • the at least two beams lying in the plane of the electrodes can extend radially from a common point P in such a way that the electrodes arranged thereon extend over two, for example opposite, cutouts of one extend substantially round surface, wherein between these cutouts are electrode-free faces.
  • the electrode system according to the invention has at least two beams which extend radially from a common point P, those have
  • Electrode pairs along the respective beams are the first, second, ... or n-th pairs of electrodes, each having substantially the same configuration and / or the same distance with respect to the point P, wherein the numbering of the electrode pairs from the point P starting radially away.
  • the electrode pairs which are arranged along the respective beams extending radially from a common point P as respective first, second, third,... N-th pairs of electrodes, are also used as electrode pairs of the first, second, third , ... n-th electrode circuit called. Therefore, those electrode pairs based on the same invention
  • Electrode circuit are arranged, each having substantially the same configuration and / or the same distance with respect to the point P.
  • essentially deviations from the absolute symmetry or parallelism may amount to up to 30%, for example up to 20%, in particular up to 15%.
  • those electrode pairs which are the first, second,... Or n-th electrode pairs along the respective beams can be used in the context of the present invention are each connected to a common voltage measuring and / or current measuring device and / or power supply device, wherein the numbering of the electrode pairs takes place starting from the point P radially outward.
  • the same number of electrode pairs n can be arranged along all the beams in the context of the present invention.
  • the two electrodes of a pair of electrodes arranged along a beam can each be designed and / or arranged substantially mirror-symmetrically to one another, wherein the beam extending between the two electrodes of an electrode pair forms the mirror axis.
  • the mutually facing surfaces of the electrodes of a pair of electrodes are arranged substantially parallel to each other.
  • Electrode pairs arranged along a beam are preferably arranged substantially parallel to one another along the symmetry beam.
  • the electrodes of the electrode pairs are preferably designed such that those surfaces of the electrodes, which face the adjacent electrode pairs, extend substantially parallel to the surfaces of the adjacent electrode pairs. That is, preferably, the mutually facing surfaces of the electrodes of a neighboring electrode pair are arranged substantially parallel to each other.
  • two or more electrodes disposed on one side of a beam may be formed as one electrode, and the electrodes disposed on the other side of the beam are spaced apart from each other, a polarity other than the electrode disposed on the one side of the beam exhibit.
  • the electrodes arranged on the other side of the beam form in each case a pair of electrodes with the electrode arranged on one side of the beam, the pairs of electrodes arranged along the beam being connected to at least one voltage measuring and / or current measuring device such that the voltage and / or or the current flow between each electrode pair can be determined individually.
  • each electrode pair arranged along the beam in particular each of the electrodes arranged at a distance from one another on the other side of the beam, can be connected to a separate voltage measuring and / or current measuring device; and / or a plurality of electrode pairs arranged along the beam, in particular a plurality of electrodes arranged at a distance from one another on the other side of the beam, can be connected via a switch to a common voltage measuring and / or current measuring device, the switch being switched between the individual electrode pairs determine the voltage and / or current flow of each pair of electrodes.
  • This manner of designing an electrode system according to the invention can be carried out both in a single-beam electrode system according to the invention and in a multi-beam electrode system according to the invention.
  • An electrode system according to the invention may comprise at least four, for example at least five, six, seven, eight, nine or ten in-plane electrodes.
  • At least three, for example at least four or at least five, in particular at least six or at least seven pairs of electrodes may be arranged along a beam according to the invention. That is to say, if the electrode system according to the invention has a beam lying in the plane of the electrodes, then at least three, for example at least four or five, in particular at least six or seven pairs of electrodes can be arranged along this beam such that the beam respectively between the two electrodes of a Pair of electrodes runs.
  • the electrode system according to the invention has a plurality of beams extending in the plane of the electrodes and extending from a common point P, at least three, for example at least four or five, in particular at least six or seven pairs of electrodes can be arranged along these beams such that the respective one Beam in each case between the two electrodes of the electrode pairs arranged on it runs.
  • an electrode system according to the invention may, for example, have at least three, for example at least four or five or six or seven or eight beams lying in the plane of the electrodes and extending from a common point P.
  • the electrode pair gap distance (distance between the two electrodes of an electrode pair) may be the same for each electrode pair, or the electrode pair gap distance may vary for each electrode pair of a beam. Since large particles bridge a distance with the same number of particles faster than small particles and the exceeding of a threshold by a pair of electrodes the regeneration of the entire electrode system result, it has been found in the present invention to design the electrode pair gap distance at each pair of electrodes such that in the case of the expected particle size distribution, all electrode pairs deliver and / or regenerate measurement results in the same time range.
  • the electrode pair gap distance of each pair of electrodes will be individually related to the distribution, such as peak / maximum and / or peak Minimum / minimum of distribution adjusted.
  • the electrode pair gap distance of each pair of electrodes will be individually related to the distribution, such as peak / maximum and / or peak Minimum / minimum of distribution adjusted.
  • Electrode pair gap distance in each pair of electrodes are selected such that this at the / n pair of electrodes / s where the maximum / maximum of the distribution is expected to have a greater distance than the other electrode pairs.
  • the electrode pair gap distance from the first electrode pair to the electrode pair at which the particle size fraction is detected which corresponds to the maximum of the Gaussian distribution, of an electrode pair row arranged on a beam increases continuously and from this the Gaussian distribution maximum corresponding electrode pair to the last electrode pair of a pair of electrodes arranged on a beam continuously reduced.
  • the electrode pair gap distance from the first electrode pair to the middle electrode pair of an electrode pair row arranged on a beam can steadily increase and steadily decrease from the middle electrode pair to the last electrode pair of an electrode pair row arranged on a beam.
  • the electrode system according to the invention can be configured in such a way that the electrode pair gap distance increases or decreases continuously along a beam.
  • the electrodes may have a uniform electrode width, or the electrode width may vary with each electrode pair of a beam.
  • a large electrode width advantageously leads to a stronger signal, but is accompanied by a broader spectrum of the accumulating particles and thus with a smaller size resolution.
  • the distance between the electrode pairs may be equidistant in a sensor according to the invention or may be different between each pair of adjacent electrode pairs of a beam.
  • the electrodes may have a uniform electrode length or the electrode length can vary with each electrode pair of a beam.
  • the electrode widths and / or electrode lengths and / or the distances between the electrode pairs are adapted to the expected particle size distribution and / or flow rate. That is, the electrode widths and / or electrode lengths of the individual electrode pairs and / or the
  • Distances between the electrode pairs are adjusted individually to the course of the expected particle size distribution, for example to the maximum / maximum and / or the minimum / minimum of the particle size distribution.
  • the power supply can in the context of the present invention on two different
  • Electrode system can be guaranteed.
  • it is advantageous to regulate the division of the size fractions by adapting the voltages applied to the electrode pairs during operation and to be able to adapt the measurement to the gas flow velocity.
  • the application of different and adaptable voltages can be effected according to the invention by connecting two or more electrode pairs to their own power supply device and / or by connecting two or more pairs of electrodes to a common power supply device, wherein the electrode pairs each have their own series resistor
  • this combination of a series resistor and a voltage measuring device connected in parallel serves both as a voltage measuring and / or current measuring device according to the invention and as a series resistor according to the invention, since from a voltage drop measurement on a known series resistor advantageously the electrical resistance, the current flow through the particle paths can be calculated.
  • Each electrode of the electrode system preferably has its own line for connection to the voltage supply, voltage measuring and / or current measuring device common to at least the electrode pair partner.
  • Electrodes are placed on a common potential. Such a connection has the advantage that thereby the number of lines can be reduced.
  • the two electrodes of an electrode pair of the electrode system are respectively connected to the voltage supply device in such a way that they have a different polarity relative to one another.
  • the voltage supply device (s) can be connected to the respective electrode pairs in such a way that a potential of the same polarity is applied to the electrodes which are arranged on the same side of a beam.
  • the electrode system according to the invention is an inventive radial electrode system
  • Power supply device (s) may be connected to the pairs of electrodes of the respective beams such that all adjacent electrodes arranged on different beams have the same polarity.
  • the Voltage supply device (s), however, also be connected to the pairs of electrodes of the respective beams such that the polarity of a row of electrodes radially outwardly from the point P alternates with the adjacent electrode rows formed radially outward from the point P.
  • those electrodes which are arranged on the same side of a beam may have a different polarity.
  • the polarity of the electrode pairs may alternate along the beam.
  • the particle deposition takes place not only between the electrodes of a pair of electrodes, but also between two adjacent, arranged on the same side of a beam electrodes of different polarity, which are referred to in the context of the present invention as a neighboring electrode pair.
  • each neighboring electrode pair is connected to at least one voltage measuring and / or current measuring device such that the voltage and / or the current flow between each adjacent electrode pair can be determined individually a neighbor electrode pair is a pair of two adjacent electrodes of different polarity arranged on the same side of a beam.
  • a neighbor electrode pair is a pair of two adjacent electrodes of different polarity arranged on the same side of a beam.
  • each adjacent electrode pair may be connected to its own voltage measuring and / or current measuring device; and / or a plurality of neighboring electrode pairs can be connected via a switch to a common voltage measuring and / or current measuring device, wherein the switch is switched between the individual neighboring electrode pairs in order to determine the voltage and / or the current flow of each individual neighboring electrode pair.
  • an evaluation device is connected to the voltage and / or current measuring devices.
  • a sensor according to the invention may comprise a control device for controlling the voltage supply device (s) and / or variable series resistors, which can be used to apply individual voltages to the individual electrode pairs on the basis of data on the expected particle size distribution and / or the
  • a sensor according to the invention may comprise a heating device and / or a temperature measuring device.
  • the electrodes according to the invention may comprise a metal such as platinum, copper, silver, gold, iron,
  • the electrodes comprise platinum.
  • a sensor according to the invention may further comprise at least one protective tube which directs the gas flow parallel to the plane of the electrode system and parallel to the symmetry beam (s).
  • Another object of the present invention is a method for detecting the size distribution of particles in a gas stream with a sensor according to the invention by a voltage is applied to the electrode pairs of the electrode system or to the electrode pairs of the electrode system in each case independent voltages are applied, wherein accumulate particles in that the change in the voltage and / or the current and / or the electrical resistance between the two electrodes of a pair of electrodes at each pair of electrodes resulting from particle accumulation is measured individually and the size distribution of the particles and / or the particle concentration and / or the particle mass flow are evaluated by evaluating the Changes in the voltage and / or the current and / or the electrical resistance of the respective pairs of electrodes is determined.
  • each of the electrode pairs of the electrode system has the advantage that the division of the attached to the respective electrode pairs particle size fractions can be easily, quickly and selectively adjusted by targeted adjustment of the respective voltages. Therefore, in the context of the inventive method to the electrode pairs of the electrode system in each case independent voltages can be applied so that each voltage applied to a pair of electrodes for each pair of electrodes is individually adapted to the expected particle size distribution and / or the gas flow rate.
  • Electrode pairs applied voltages adjusted so that deliver all the electrode pairs in the same time range measurement results and / or regenerated at the expected particle size distribution.
  • the voltages applied respectively to the electrode pairs become independent of each other in the course of the distribution, for example to the maximum / maximum and / or adjusted the minimum / minimum of the distribution.
  • the voltages applied to the electrode pairs are adjusted so that on the / the one
  • Electrode pair / s where the maximum / maximum of the distribution is expected, a lower voltage is applied than at the other electrode pairs.
  • Pair of electrodes to the middle electrode pair of a pair of electrodes arranged on a beam steadily sink and steadily rise from the middle pair of electrodes to the last pair of electrodes of a pair of electrodes arranged on a beam.
  • the voltages applied respectively to the electrode pairs are adjusted in such a way that the voltage applied to the electrode pairs continuously changes from electrode pair to electrode pair, that is, increases continuously or shrink.
  • Electrode pairs of a beam are applied so that arranged on the same side of a beam electrodes have the same polarity. In the context of the method according to the invention, however, voltages can also be applied to the electrode pairs of a beam in such a way that the polarity of the electrode pairs alternates along the beam.
  • voltages may be applied to the electrode pairs of two or more beams so that all the adjacent electrodes arranged on different beams have the same polarity.
  • the voltages may also be applied to the electrode pairs of two or more beams such that the polarity of an electrode row formed radially outward from the point P alternates with the adjacent rows of electrodes formed radially outward from the point P.
  • voltages may be applied to the electrode pairs of a beam such that the polarity of the electrode pairs alternate along a beam.
  • the setting of mutually independent voltages on the electrode pairs can, as already explained, be carried out by each arranged along a beam
  • Electrode pair has its own power supply device or its own variable resistor.
  • the change of the voltage and / or the current and / or the electrical resistance between the two electrodes of a pair of electrodes in
  • the method of the invention has the advantage of allowing detection of the size distribution of particles in a gas stream in both a constant velocity gas stream and a variable velocity gas stream.
  • the voltage (s) at the electrode pairs of the electrode system are preferably applied constant.
  • each size fraction may shift from one pair of electrodes to an adjacent pair of electrodes.
  • the measurement can be performed with voltages applied constantly to the electrode pairs, and the change in gas velocity can be included as a correction factor in the evaluation, or the voltages applied to the electrode pairs of the electrode system, in particular directly, adapted to the change in gas velocity.
  • the adaptation of the voltages applied to the electrode pairs of the electrode system has the advantage that a displacement of the size fractions is avoided.
  • Another object of the present invention is the use of a sensor according to the invention and / or a method according to the invention in a workshop measuring device for emission analysis or in a measuring device for controlling the air quality or in soot-particle sensors, in particular soot-particle sensors for "on board diagnosis "(OBD), and / or to monitor the operation of a
  • Internal combustion engine such as a diesel engine, or an incinerator, such as an oil heater or a furnace, and / or to monitor the functioning of a particulate filter and / or monitoring the load condition of a particulate filter, such as a diesel particulate filter (DPF), or for monitoring of chemical manufacturing processes, exhaust air systems and / or exhaust aftertreatment systems.
  • a particulate filter such as a diesel particulate filter (DPF)
  • DPF diesel particulate filter

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Sensor zur Detektion der Größenverteilung von Teilchen in einem Gasstrom, umfassend ein Elektrodensystem mit mindestens drei in einer Ebene liegenden Elektroden (1, 1'; 2, 2'; 3, 3'; 4, 4'), mindestens eine Spannungsversorgungsvorrichtung (201; 202; 203; 204) und mindestens eine Spannungsmess- und/oder Strommessvorrichtung (301; 302; 303; 304), der dadurch gekennzeichnet ist, dass in dem Elektrodensystem jeweils zwei Elektroden unterschiedlicher Polarität (1, 1'; 2, 2'; 3, 3'; 4, 4') ein Elektrodenpaar (11; 12; 13; 14) bilden, wobei die Elektrodenpaare (11; 12; 13; 14) derart entlang eines in der Ebene der Elektroden liegenden fiktiven Strahls (X1, S1) angeordnet sind, dass der Strahl (X1, S1) jeweils zwischen den beiden Elektroden (1, 1'; 2, 2'; 3, 3'; 4, 4') eines Elektrodenpaares (11; 12; 13; 14) verläuft, wobei die entlang des Strahls (X1; S1) angeordneten Elektrodenpaare (11; 12; 13; 14) derart an mindestens eine Spannungsmess- und/oder Strommessvorrichtung (301; 302; 303; 304) angeschlossen sind, dass die Spannung und/oder der Stromfluss zwischen jedem Elektrodenpaar (11; 12; 13; 14) einzeln bestimmt werden kann, ein Verfahren sowie deren Verwendung.

Description

Titel
Sensor, Verfahren sowie deren Verwendung zur Detektion der Größenverteilung von
Teilchen in einem Gasstrom
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Sensor und ein Verfahren sowie deren Verwendung zur Detektion der Größenverteilung von Teilchen in einem Gasstrom.
Stand der Technik
In naher Zukunft muss der Partikelausstoß, insbesondere von Fahrzeugen während des Fahrbetriebes, nach dem Durchlaufen eines Motors bzw. Dieselpartikelfilters (DPF) per gesetzlicher Vorschrift überwacht werden (On Board Diagnose, OBD). Darüber hinaus ist eine Beladungsprognose von Dieselpartikelfiltern zur Regenerationskontrolle notwendig, um eine hohe Systemsicherheit bei wenigen effizienten, kraftstoffsparenden Regenerationszyklen zu gewährleisten und kostengünstige Filtermaterialien, beispielsweise Cordierit, einsetzen zu können.
Eine Möglichkeit hierzu bieten aus dem Stand der Technik bekannte resistive Teilchensensoren, insbesondere resistive Partikelsensoren. Resistive Teilchensensoren ziehen zur Detektion des Teilchenausstoßes eine durch Teilchenanlagerung hervorgerufene Widerstandsänderung eines Elektrodensystems mit zwei oder mehr kammartig ineinander greifenden Elektroden (interdigitales Elektrodensystem) heran.
Aufgrund ihrer Funktionsweise ordnen sich resistive Teilchensensoren bei den sammelnden Prinzipien ein. Derartige Sensoren werden von der DE 101 493 33 Al sowie der WO 2003006976 A2 beschrieben.
Derzeit sind resistive Teilchensensoren, insbesondere Partikelsensoren, für leitfähige
Teilchen bekannt, bei denen zwei oder mehrere metallische, kammartig ineinander greifende Elektroden (Interdigitalelektroden) ausgebildet sind, wobei die sich unter Einwirkung einer elektrischen Messspannung anlagernden Teilchen, insbesondere Rußpartikel, die Elektroden kurzschließen und so mit steigender Teilchenkonzentration auf der Sensorfläche ein abnehmender Widerstand (bzw. ein zunehmender Strom bei konstanter angelegter Spannung) zwischen den Elektroden messbar wird. Nach Erreichen eines Schwellwertes kann ein sich ändernder Sensorstrom gemessen werden, der mit der Zunahme der Teilchenmasse auf der Sensoroberfläche korreliert werden kann. Zur Regeneration des Sensors nach der Teilchenanlagerung muss der Sensor mit Hilfe einer integrierten Heizvorrichtung freigebrannt werden.
Derartige Sensoren reagieren jedoch auf alle sich an den Elektroden anlagernde Teilchen, unabhängig von deren Teilchengröße. Daher können herkömmliche Sensoren an sich nur die Teilchenmasse pro Gasvolumen (Teilchenmasse pro Kubikzentimeter Luft) ermitteln.
Dem Umstand, dass kleine Teilchen von den Schleimhäuten im Nasen-/Rachenraum bzw. den Härchen im Nasenbereich nur bedingt ausgefiltert werden und somit eine Belastung der Atemwege zur Folge haben, während größere Teilchen ausgefiltert werden und damit keine Belastung der Atemwege darstellen, wird mit einer Bestimmung der Teilchenmasse pro Kubikzentimeter Luft nicht Rechnung getragen.
Daher wurde von der US-amerikanischen Umweltschutzbehörde EPA der Particulate- Matter- Standard (PM- Standard) eingeführt, bei dem die Teilchenimmission in Abhängigkeit von der Teilchengröße gewichtet wird. Dieser PM-Standard wurde auch in der Europäischen Union eingeführt. Seit Anfang 2005 ist in der Europäischen Union der Grenzwert PMio einzuhalten. Dabei bedeutet PMio, dass alle Teilchen mit einem aerodynamischen Durchmesser von kleiner 10 μm in die Gewichtung eingehen. Obwohl ultrafeine Teilchen/Partikel mit einem aerodynamischen Durchmesser von weniger als 100 nm als besonders gesundheitsbedenklich angesehen werden, werden diese bei einer PMio Gewichtung untergewichtet.
Zur Bestimmung des PMio-Wertes werden herkömmliche Sensoren mit größenselektiven Einlassen ausgestattet. Bei diesen größenselektiven Einlassen werden größere Teilchen durch eine der Größenklasse angepasste Umlenkung der teilchenbehafteten Gasströmung ausgeblendet. Durch derartige Umlenkung können jedoch nur Teilchen, die einen aerodynamischen Durchmesser von etwa > 300 nm aufweisen und sich ballistisch verhalten, ausgeblendet werden. Die Größenverteilung von gesundheitsbedenklichen, ultrafeinen Teilchen/Partikel mit einem aerodynamischen Durchmesser von weniger als 300 tun, die sich nach den Gesetzen der Diffusion verhalten, kann daher durch größenselektive Einlasse nicht bestimmt werden.
Offenbarung der Erfindung
Vorteile der Erfindung
Ein erfindungsgemäßer Sensor zur Detektion der Größenverteilung von Teilchen in einem Gasstrom, umfassend ein Elektrodensystem mit mindestens drei in einer Ebene liegenden Elektroden, mindestens eine Spannungsversorgungsvorrichtung und mindestens eine Spannungsmess- und/oder Strommessvorrichtung, der dadurch gekennzeichnet ist, dass in dem Elektrodensystem jeweils zwei Elektroden unterschiedlicher Polarität ein Elektrodenpaar bilden, wobei die Elektrodenpaare derart entlang eines in der Ebene der Elektroden liegenden fiktiven Strahls angeordnet sind, dass der Strahl jeweils zwischen den beiden Elektroden eines Elektrodenpaares verläuft, wobei die entlang des Strahls angeordneten Elektrodenpaare derart an mindestens eine Spannungsmess- und/oder Strommessvorrichtung angeschlossen sind, dass die Spannung und/oder der Stromfluss zwischen jedem Elektrodenpaar einzeln bestimmt werden kann, hat den Vorteil, dass verschiedene Größenfraktionen von sich anlagernden Teilchen aufgelöst und gemessen werden können, wobei auch Größenfraktionen von ultrafeinen Teilchen/Partikel mit einem aerodynamischen Durchmesser von weniger als 300 nm noch aufgelöst und gemessen werden können. Die Aufteilung der Größenfraktionen kann dabei einerseits durch die Ausgestaltung des Elektrodensystems bestimmt werden. Andererseits kann die Aufteilung der Größenfraktionen durch Adaption der an den Elektrodenpaaren angelegten Spannungen während des Betriebs eingeregelt werden. Vorteilhafterweise sind erfindungsgemäße Elektrodensysteme darüber hinaus sehr klein und kostengünstig zu realisieren und haben das Potential in Kraftfahrzeugen eingesetzt zu werden.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Gegenstandes sind der Beschreibung, der Zeichnung und den Patentansprüchen zu entnehmen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen - A -
Ausführangsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Figur 1 a zeigt eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensors mit einem Elektrodensystem, in dem
Elektrodenpaare entlang eines Strahls angeordneten sind, wobei jedes Elektrodenpaar an eine eigene Spannungsmess- und/oder Strommessvorrichtung angeschlossen ist, wobei alle Elektrodenpaare an eine gemeinsame Spannungsversorgungsvorrichtung angeschlossen sind und wobei jedes Elektrodenpaar über einen eigenen, variablen Vorwiderstand verfügt, der es ermöglicht an den unterschiedlichen Elektrodenpaaren unterschiedlich hohe Spannungen anzulegen;
Figur Ib zeigt eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensors mit einem Elektrodensystem, in dem Elektrodenpaare entlang eines Strahls angeordneten sind, wobei jedes
Elektrodenpaar an eine eigene Spannungsmess- und/oder Strommessvorrichtung und an eine eigene Spannungsversorgungsvorrichtung angeschlossen ist; Figur Ic zeigt eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensors, die sich von der zweiten, in Fig. Ib gezeigten
Ausführungsform dadurch unterscheidet, dass zwischen benachbarten Elektroden, die zu unterschiedlichen Elektrodenpaaren gehören, jeweils eine weitere Spannungsmess- und/oder Strommessvorrichtung angeschlossen ist, wodurch eine verbesserte Messung mit einer von Elektrodenpaar zu Elektrodenpaar wechselnden Spannungspolarität ermöglicht wird;
Figur 1 d zeigt eine schematische Darstellung einer vierten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensors, die sich von der ersten, in Fig. 1 a gezeigten Ausführungsform hauptsächlich dadurch unterscheidet, dass sich der zwischen den beiden Elektroden eines Elektrodenpaares befindliche Elektrodenpaarlückenabstand A von Elektrodenpaar zu Elektrodenpaar stetig vergrößert, wobei die Anordnung der Elektroden bezüglich des durch die Elektrodenpaarlücke verlaufenden Strahls asymmetrisch ist;
Figur 1 e zeigt eine schematische Darstellung einer fünften Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensors, die sich von der vierten, in Fig. 1 d gezeigten Ausführungsform dadurch unterscheidet, dass die Anordnung der Elektroden bezüglich des durch die Elektrodenpaarlücke verlaufenden Strahls symmetrisch ist;
Figur If zeigt eine schematische Darstellung einer sechsten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensors, die sich von der ersten, in Fig. 1 a gezeigten Ausführungsform hauptsächlich dadurch unterscheidet, dass die
Elektrodenpaarlückenabstände der einzelnen Elektrodenpaare hinsichtlich einer auf einer Gaußverteilung basierenden Teilchengrößenverteilung optimiert sind;
Figur Ig zeigt eine schematische Darstellung einer siebten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensors, die sich von der sechsten, in Fig. If gezeigten Ausführungsform dadurch unterscheidet, dass die
Elektrodenpaarlückenabstände der einzelnen Elektrodenpaare hinsichtlich einer auf einer bimodalen Verteilung basierenden Teilchengrößenverteilung optimiert sind;
Figur Ih zeigt eine schematische Darstellung einer achten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensors, die sich von der ersten, in Fig. Ia gezeigten
Ausführungsform dadurch unterscheidet, dass die auf einer Seite des Strahls angeordneten Elektroden von vier benachbarten Elektrodenpaaren als eine Elektrode ausgebildet sind, wobei die auf der anderen Seite des Strahls angeordneten Elektroden voneinander beabstandet angeordnet sind und dadurch mit der einen, auf anderen Seite des Strahls befindlichen Elektrode vier
Elektrodenpaare bildenden;
Figur 2a zeigt eine schematische Darstellung einer neunten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensors mit einem Elektrodensystem in dem Elektrodenpaare entlang radialen Strahlen angeordneten sind; Figur 2b dient der Veranschaulichung einer Staupunkbeströmung des in Fig. 2a gezeigten Elektrodensystems mit einem Gasstrom;
Figur 2c zeigt eine schematische Darstellung einer zehnten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensors mit einem Elektrodensystem in dem Elektrodenpaare entlang von sechs radialen Strahlen angeordneten sind, wobei die Polarität der Elektroden von einer radialen Elektrodenreihe zu den benachbarten radialen Elektrodenreihen alternierend wechselt und veranschaulicht darüber hinaus, dass diejenigen Elektrodenpaare, die auf einem Elektrodenkreis angeordnet sind an eine (gemeinsame) weitere Spannungsmess- und/oder Strommessvorrichtung angeschlossen werden können; Figur 2d zeigt eine schematische Darstellung einer elften Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensors mit einem Elektrodensystem in dem Elektrodenpaare entlang von sechs radialen Strahlen angeordneten sind, wobei die Polarität der Elektroden sowohl von einer radialen Elektrodenreihe zu den benachbarten radialen Elektrodenreihen, als auch von Elektrode zu Elektrode innerhalb einer radialen Elektrodenreihe alternierend wechselt; Figur 2e zeigt eine schematische Darstellung einer zwölften Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensors, die sich von der zehnten, in Fig. 2c gezeigten Ausführungsform hauptsächlich dadurch unterscheidet, dass jeweils die auf einer Seite eines Strahls angeordneten Elektroden von vier benachbarten Elektrodenpaaren als eine Elektrode ausgebildet sind, wobei die auf der anderen Seite des Strahls angeordneten Elektroden voneinander beabstandet angeordnet sind und dadurch jeweils mit der einen, auf anderen Seite des Strahls befindlichen Elektrode vier Elektrodenpaare bilden;
Figur 2f zeigt eine schematische Darstellung einer dreizehnten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensors, die sich von der neunten, zehnten und elften, in Fig. 2a, 2c und 2d gezeigten Ausführungsform hauptsächlich dadurch unterscheidet, dass die radialen Strahlen eine unterschiedliche Anzahl von daran angeordneten Elektrodenpaaren aufweisen;
Figur 2g zeigt eine schematische Darstellung einer vierzehnten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensors, die sich von der neunten, zehnten, elften und dreizehnten in Fig. 2a, 2c, 2d und 2f gezeigten Ausführungsform hauptsächlich dadurch unterscheidet, dass sich die an den radialen Strahlen angeordneten Elektroden über zwei gegenüberliegende Kreisausschnitte erstrecken, wobei zwischen diesen Kreisausschnitten elektrodenfreie Kreisausschnitte liegen; und
Figur 2h zeigt eine schematische Darstellung einer fünfzehnte Ausführungsform eines erfmdungsgemäßen Sensors, die sich von der neunten, zehnten, elften, dreizehnten und vierzehnten in Fig. 2a, 2c, 2d, 2f und 2g gezeigten Ausführungsform hauptsächlich dadurch unterscheidet, dass die Anzahl und Ausgestaltung der auf zwei gegenüberliegende Kreisausschnitte angeordneten Elektroden sich voneinander unterscheidet.
Figur 1 a zeigt eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensors mit einem Elektrodensystem, in dem in einer Ebene liegende
Elektrodenpaaren 11; 12; 13; 14 entlang eines in der Ebene der Elektrodenpaare 11; 12;
13; 14 liegenden Strahls Sl angeordneten sind. Die Elektroden 1, 1'; 2, 2'; 3, 3'; 4, 4' eines Elektrodenpaares 11; 12; 13; 14 weisen erfindungsgemäß eine unterschiedliche
Polarität auf, sind auf unterschiedlichen Seiten des Strahls Sl angeordnet. Im Rahmen dieser und einiger weiterer Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind alle Elektrodenpaare 11; 12; 13; 14 über Leitungen 101, 101' an eine gemeinsame Spannungsversorgungsvorrichtung 201 angeschlossen. Um das Anlegen von unterschiedlichen Spannungen an die unterschiedlichen Elektrodenpaare 11; 12; 13; 14 zum erfindungsgemäßen Auflösen der Größenverteilung von Teilchen in einem Gasstrom zu ermöglichen, verfügt jedes Elektrodenpaar 11; 12; 13; 14 über einen eigenen, variablen, in der Größe bekannten Vorwiderstand 401; 402; 403; 404.
Erfindungsgemäß sind die entlang des Strahls Xl angeordneten Elektrodenpaare 11; 12; 13; 14 derart an mindestens eine Spannungsmess- und/oder Strommessvorrichtung 301;
302; 303; 304 angeschlossen, dass die Spannung und/oder der Stromfluss zwischen jedem Elektrodenpaar einzeln bestimmt werden kann. Im Rahmen der in Figur Ia gezeigten Ausführungsform wird dies dadurch gewährleistet, dass jedes Elektrodenpaar 11; 12; 13; 14 an eine eigene Spannungsmess- und/oder Strommessvorrichtung 301; 302; 303; 304 angeschlossen ist. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist es jedoch ebenso möglich mehrere entlang des Strahls angeordnete Elektrodenpaar über einen Schalter an eine (gemeinsame) Spannungsmess- und/oder Strommessvorrichtung anzuschließen, wobei der Schalter zwischen den einzelnen Elektrodenpaaren umgeschaltet wird, um die Spannung und/oder den Stromfluss jedes einzelnen Elektrodenpaares zu bestimmen.
Bei einer erfindungsgemäßen Spannungsmess- und/oder Strommessvorrichtung 301; 302; 303; 304 kann es sich beispielsweise um ein in Reihe geschaltetes Strommessgerät handeln. Es kann sich jedoch auch um ein Spannungsmessgerät, welches einem Widerstand parallel geschaltetes handeln.
Vorteilhafterweise kann im Rahmen derjenigen erfindungsgemäßen Ausführungsformen die mindestens einen Vorwiderstand aufweisen, die Funktion einer Spannungsmess- und/oder Strommessvorrichtung und eines Vorwiderstandes kombiniert werden. Beispielsweise kann jedem in der Größe bekannten Vorwiderstand ein Spannungsmessgerät parallel geschaltet werden, welches den aus einer
Teilchenanlagerung resultierenden Spannungsabfall an dem jeweiligen Vorwiderstand misst. Vorteilhafterweise kann ein solcher Spannungsabfall bei einer bekanten Spannung als Maß für angelagerte Teilchen herangezogen werden kann.
Zweckmäßigerweise wird man sich zwischen der direkten Strommessung über die dargestellten Strommessvorrichtungen 301; 302; 303; 304 und der hier nicht dargestellten indirekten Messung über den Spannungsabfall an den bekannten Vorwiderständen 401; 402; 403; 404 entscheiden. Handelt es sich bei den Vorwiderständen um elektronisch regelbare Widerstände, so ist eine hier nicht dargestellte separate Schaltung zur Ansteuerung und/oder zum Regeln des jeweiligen Vorwiderstandes 401; 402; 403; 404 notwendig.
Die Elektrodenpaare 11; 12; 13; 14 sind derart entlang des Strahls Sl angeordnet, dass der Strahl Sl jeweils zwischen den beiden Elektroden 1, 1'; 2, 2'; 3, 3'; 4, 4' eines Elektrodenpaares 11; 12; 13; 14 verläuft. Zwischen den Elektroden 1, 1'; 2, 2'; 3, 3'; 4, 4' liegt daher eine Elektrodenpaarlücke 6 vor. Im Rahmen dieser Ausführungsform und einiger weiterer Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind die Elektroden 1; 2; 3; 4 auf der einen Seite des Strahls Sl spiegelsymmetrisch zu den Elektroden 1'; 2'; 3'; 4' auf der anderen Seite des Strahls Sl ausgestaltet und angeordnet. Der Strahl Sl kann daher im Rahmen der spiegelsymmetrischen Ausführungsform/en als Symmetriestrahl Sl bezeichnet werden.
Ein „Symmetriestrahl" (gekennzeichnet mit dem Bezugszeichen S) im Sinn der vorliegenden Erfindung weist abgesehen davon, dass es ein Strahl, das heißt eine fiktive, gerade, auf einer Seite, beispielsweise von dem Punkt P, begrenzte Linie; und keine Gerade ist, die gleichen Eigenschaften wie eine Symmetrieachse auf. Das heißt, zu einem
Punkt Y oder Gegenstand (eine Elektrode eines Elektrodenpaars) auf der einen Seite des Strahls, gibt es einen weiteren, insbesondere spiegelsymmetrischen, Punkt Y' oder Gegenstand' (Partnerelektrode) auf der anderen Seite des Strahls. Dabei weisen die beiden Punkte Y und Y' oder Gegenstände den gleichen Abstand zum Strahl auf und sind derart angeordnet, dass eine Verbindungsstrecke zwischen den Punkten Y und Y' oder
Gegenständen von dem Strahl rechtwinklig halbiert wird. Ein Strahl, der durch eine Elektrodenpaarlücke verläuft und zu dem die Elektroden der daran angeordneten Elektrodenpaare asymmetrisch angeordnet sind, wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung hingegen mit dem Bezugszeichen X gekennzeichnet.
Zur Detektion der Größenverteilung von Teilchen in einem Gasstrom wird ein Teilchen umfassender Gasstrom 5 parallel zu dem Symmetriestrahl Sl, insbesondere parallel zu der zwischen den Elektroden 1, 1'; 2, 2'; 3, 3'; 4, 4' der Elektrodenpaare 11; 12; 13; 14 liegenden Elektrodenpaarlücke 6, sowie parallel zu der Ebene der Elektroden 1, 1', 2, 2% 3, 3', 4, 4' über das Elektrodensystem geleitet bzw. geströmt. Durch die variablen
Vorwiderstände 401; 402; 403; 404 werden an den Elektrodenpaaren 11; 12; 13; 14 unterschiedliche Spannungen angelegt. Der Betrag der jeweils an einem Elektrodenpaar 11; 12; 13; 14 angelegten Spannungen wird dadurch bei jedem Elektrodenpaar 11; 12; 13; 14 individuell auf die zu erwartenden Teilchengrößenverteilung und/oder die Gasströmungsgeschwindigkeit angepasst. Die zu erwartende Teilchengrößenverteilung wird zweckmäßigerweise durch zuvor durchgeführte Einstellungsmessungen bestimmt.
Die Höhe der Gasströmungsgeschwindigkeit ist in den meisten Anwendungsbereichen eines erfindungsgemäßen Sensors bekannt. Beispielsweise lässt sich die Gasströmungsgeschwindigkeit über ein Signal eines Motor- oder Anlagen- Steuergeräts entsprechend einer Anström-Übertragungsfunktion berechnen. In den Fällen in denen die Gasströmungsgeschwindigkeit nicht bekannt ist, kann in einen erfindungsgemäßen
Sensor eine zusätzliche Vorrichtung zum Messen der Gasströmungsgeschwindigkeit integriert werden. Anhand der so erhaltenen Daten über die zu erwartenden Teilchengrößenverteilung und/oder die Gasströmungsgeschwindigkeit werden durch eine Steuervorrichtung individuelle Spannungen an den einzelnen Elektrodenpaaren angelegt.
Wenn die Teilchen in dem Gasstrom 5 mit einer bestimmten Gasgeschwindigkeit von der einen Seite des Elektrodensystems parallel zur Elektrodenpaarlücke 6 zur gegenüberliegenden Seite der Elektrodenpaarlücke 6 strömen, werden die Teilchen durch elektrophoretische Kräfte, welche aus den an den Elektrodenpaaren 11; 12; 13; 14 angelegten Spannungen resultieren, sowie durch Thermophorese und Diffusion auf die
Oberfläche des Elektrodensystems gezogen/geleitet und lagern sich zwischen und/oder an den Elektroden 1, 1', 2, 2', 3, 3% 4, 4' an. Der Ort der Anlagerung der Teilchen hängt dabei von der Größe, Masse und Ladung der Teilchen ab, da sich die Teilchen in der Gasströmung einerseits den Gesetzen der Diffusion und Ballistik, andererseits den Gesetzen der Elektrophorese entsprechend verhalten.
Aufgrund des aus den angelegten Spannungen resultierenden elektrischen Feldes, werden die Teilchen in der Elektrodenpaarlücke 6 zwischen den Elektroden 1, 1'; 2, 2'; 3, 3'; 4, 4' ausgerichtet und bilden dendritische Strukturen, welche jeweils von der einen Elektrode 1; 2; 3; 4 eines Elektrodenpaares 11; 12; 13; 14 zu der anderen Elektrode 1';
2'; 3'; 4' eines Elektrodenpaares 11; 12; 13; 14 wachsen. Die Dendrit- Wachstumsgeschwindigkeit, das heißt die gewachsene Strecke pro Zeiteinheit, ist dabei bei größeren Teilchen höher als bei kleineren. Dies liegt zum einen darin begründet, dass eine geringere Anzahl an größeren Teilchen zum Überbrücken der gleichen Strecke benötigt wird als bei kleinen Teilchen. Zum anderen können sich größere Teilchen durch das elektrische Feld stärker strecken als kleinere Teilchen. Mit fortschreitender Teilchenanlagerung bilden sich jeweils zwischen den Elektroden 1, 1'; 2, 2'; 3, 3'; 4, 4' eines Elektrodenpaares 11; 12; 13; 14
Teilchenbrücken/Teilchenpfade, welche das jeweilige Elektrodenpaar 11; 12; 13; 14 kurzschließen. Dabei erfolgt der Kurzschluss der einzelnen Elektrodenpaare 11; 12; 13;
14 in Abhängigkeit von der im Gasstrom vorliegenden Größenverteilung der Teilchen zu unterschiedlichen Zeitpunkten. Da jedes Elektrodenpaar 11; 12; 13; 14 über eine eigene Spannungsmess- und/oder Strommessvorrichtung 301; 302; 303; 304 verfügt, können die Kurzschlüsse zwischen den einzelnen Elektrodenpaaren 11; 12; 13; 14 des erfindungsgemäßen Elektrodensystems unabhängig voneinander bestimmt und als Maß für die Teilchengrößenverteilung ausgegeben werden. Dabei ist sowohl eine Auswertung über die Auslösezeit, das heißt der Zeitraum, der vergeht bis das Elektrodenpaar einen vorher festgelegten Widerstand infolge einer Teilchenbrücke zeigt, als auch eine Auswertung der zeitlichen Änderung der Spannung, des Stroms und/oder des Widerstandes möglich.
Dieses erfindungsgemäße Messprinzip ist sowohl bei einem Gasstrom 5 mit konstanter Gasströmungsgeschwindigkeit als auch bei einem Gasstrom 5 mit variabler Gasströmungsgeschwindigkeit anwendbar. Bei Gasströmen 5 mit konstanter Gasströmungsgeschwindigkeit kann beispielsweise mit konstant angelegten Spannungen gearbeitet werden. Bei Gasströmen 5 mit variabler Gasströmungsgeschwindigkeit kann sich die Anlagerung der jeweiligen Größenfraktion jedoch von einem Elektrodenpaar zu einem benachbarten Elektrodenpaar verschieben. Dies kann erfindungsgemäß korrigiert werden indem die Gasströmungsgeschwindigkeit in die Auswertung der Messung einbezogen wird.
Beispielswiese wird die Messung bei einer variablen Gasgeschwindigkeit mit konstant an den Elektrodenpaaren 11; 12; 13; 14 angelegten Spannungen durchgeführt und die zeitliche Änderung des Widerstandes gemessen und in Abhängigkeit von der Gasgeschwindigkeit ausgewertet. Alternativ dazu kann im Rahmen der vorliegenden
Erfindung eine Gasgeschwindigkeitsänderung durch Anpassen der an den Elektrodenpaaren 11; 12; 13; 14 angelegten Spannungen korrigiert werden. Durch eine derartige Sofortkorrektur erfolgt die Anlagerung der Teilchen wieder an den für die jeweilige Teilchengröße bestimmten Elektrodenpaaren und nicht, wie es ohne Korrektur der Fall wäre, an dazu benachbarten Elektrodenpaaren. Vorzugsweise werden die Beträge der an den Elektrodenpaaren 11; 12; 13; 14 angelegten Spannungen derart eingestellt, dass bei der zu erwartenden Teilchengrößenverteilung alle Elektrodenpaare 11; 12; 13; 14 im gleichen Zeitbereich Messergebnisse liefern und/oder regeneriert werden müssen.
Das heißt, wenn die Größenverteilung der zu detektierenden Teilchen , beispielsweise einer Gauß'schen, bimodalen oder multimodalen Verteilung entspricht, werden die jeweils an den Elektrodenpaaren 11; 12; 13; 14 angelegten Spannungen voneinander unabhängig an den Verlauf der Verteilung, beispielsweise auf das/die Maximum/Maxima und/oder das/die Minimum/Minima der Verteilung angepasst. Beispielsweise werden die an den Elektrodenpaaren angelegten Spannungen derart eingestellt, dass an dem/denjenigen Elektrodenpaar/en, bei denen das/die Maximum/Maxima der Verteilung erwartet wird, eine niedrigere Spannung angelegt wird als an den übrigen Elektrodenpaaren.
Für den Spezialfall einer auf einer Gaußverteilung basierenden Teilchengrößenverteilung hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn vom ersten Elektrodenpaar zu dem Elektrodenpaar, an dem die Teilchengrößenfraktion detektiert wird, welche dem Maximum der Gaußverteilung entspricht, die an den Elektrodenpaaren angelegten Spannungen stetig sinken und von dem Gaußverteilungsmaximum entsprechenden
Elektrodenpaar zum letzten Elektrodenpaar die an den Elektrodenpaaren angelegten Spannungen stetig steigen. Beispielsweise kann der Betrag der Spannung vom ersten Elektrodenpaar zum mittleren Elektrodenpaar einer an einem Strahl angeordneten Elektrodenpaarreihe stetig sinken und von dem mittleren Elektrodenpaar zum letzten Elektrodenpaar einer an einem Strahl angeordneten Elektrodenpaarreihe stetig steigen.
Für den weiteren Spezialfall, dass die Größenverteilung der zu detektierenden Teilchen einer kontinuierlich steigenden oder abfallenden Verteilung entspricht, können die Spannungen derart an den jeweiligen Elektrodenpaaren 11; 12; 13; 14 angelegten werden, dass sich die an den Elektrodenpaaren angelegte Spannung von Elektrodenpaar zu Elektrodenpaar stetig verändern, das heißt stetig vergrößern oder verkleinern.
Darüber hinaus ist es möglich, die an jedem Elektrodenpaar angelegte Spannung wie bereits erläutert in Abhängigkeit von der Betriebsweise des mit dem erfindungsgemäßen Sensor untersuchten Verbrennungsmotors und/oder der Anlage individuell anzupassen. Figur Ib zeigt eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensors mit einem Elektrodensystem in dem Elektrodenpaare 11; 12; 13; 14 entlang eines Strahls Sl angeordneten sind. Die in Figur Ib gezeigte, zweite Ausführungsform unterscheidet sich dadurch von der in Figur 1 a gezeigten, ersten Ausführungsform, dass jedes Elektrodenpaar 11; 12; 13; 14 an eine eigene
Spannungsversorgungsvorrichtung 201; 202; 203; 204 angeschlossen ist. Diese Spannungsversorgungsvorrichtungen 201; 202; 203; 204 ermöglichen das Anlegen von unterschiedlichen Spannungen an die unterschiedlichen Elektrodenpaare 11; 12; 13; 14. Daher kann im Rahmen dieser Ausführungsform auf Vorwiderstände 401; 402; 403; 404 zum Einregeln unterschiedlicher Spannungen verzichtet werden. Der Anschluss der
Elektrodenpaare 11; 12; 13; 14 an die jeweilige eigene Spannungsversorgungs- vorrichtung 201; 202; 203; 204 erfolgt im Rahmen der zweiten Ausführungsform über jeweils zwei Leitungen 101, 101'; 102, 102'; 103, 103'; 104, 104'.
Im Rahmen der ersten und zweiten, in Figur Ia und Ib gezeigten Ausführungsform werden die unterschiedlichen Spannungen derart an den Elektrodenpaaren 11; 12; 13; 14 angelegt, dass diejenigen Elektroden 1; 2; 3; 4; 1'; 2'; 3'; 4' die sich auf der gleichen Seite des Strahls Sl befinden, die gleiche Polarität aufweisen. Dadurch werden elektrophoretische Kräfte zwischen benachbarten Elektrodenpaaren, bspw. 1 ' und 2' vermieden.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist es jedoch ebenso möglich, dass diejenigen Elektroden 1; 2; 3; 4; 1'; 2'; 3'; 4' die sich auf der gleichen Seite des Strahls S/X befinden, eine unterschiedliche Polarität aufweisen. Eine derartige Beschaltung mit einem oder mehreren Polaritätswechseln, beispielsweise mit einer von Elektrodenpaar zu
Elektrodenpaar entlang des Strahls alternierender Polarität, hat sich im Rahmen der vorliegenden Erfindung als vorteilhaft erwiesen, da hierdurch zusätzliche Informationen über die im Gasstrom enthaltene Menge an positiv geladenen und negativ geladenen Teilchen ermittelt werden können. Bei einer Beschaltung mit mindestens einem Polaritätswechsel erfolgt die Teilchenanlagerung jedoch nicht nur zwischen den
Elektroden 1, 1'; 2, 2'; 3, 3'; 4, 4' eines Elektrodenpaares 11; 12; 13; 14 (das heißt in der Elektrodenpaarlücke 6), sondern auch zwischen zwei benachbarten Elektroden 1, 2; 2, 3; 3, 4; 1', 2'; 2', 3'; 3', 4', die sich auf der gleichen Seite des Strahls S/X befinden, eine unterschiedliche Polarität aufweisen und dabei zu unterschiedlichen Elektrodenpaaren 11; 12; 13; 14 gehören. Eine derartige Kombination aus zwei benachbarten Elektroden 1, 2;
2, 3; 3, 4; 1', 2'; 2', 3'; 3', 4', die sich auf der gleichen Seite eines Strahls S/X befinden, eine unterschiedliche Polarität aufweisen und dabei zu unterschiedlichen Elektrodenpaaren 11; 12; 13; 14 gehören, wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung als „Nachbarelektrodenpaar" 1001; 1002; 1003; 1001'; 1002'; 1003' bezeichnet, um „Nachbarelektrodenpaare" 1001; 1002; 1003; 1001'; 1002'; 1003' von den „Elektrodenpaaren" 11; 12; 13; 14, bei denen die Elektroden 1, 1'; 2, 2'; 3, 3'; 4, 4' auf unterschiedlichen Seiten eines Strahls S/X angeordnet sind, zu unterscheiden.
Figur Ic veranschaulicht eine derartige dritte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensors mit einer von Elektrodenpaar 11; 12; 13; 14 zu Elektrodenpaar 11; 12; 13; 14 entlang eines Strahls Sl alternierender Polarität. Die in Fig. Ic gezeigten, schraffierten
Flächen zwischen den Elektroden eines Elektrodenpaares 11; 12; 13; 14 bzw. eines Nachbarelektrodenpaares 1001; 1002; 1003; 1001'; 1002'; 1003' stellen potentielle, durch Teilchenanlagerung entstehende, Teilchenpfade dar. Um die Teilchenanlagerung zwischen einem Nachbarelektrodenpaar 1001; 1002; 1003; 1001'; 1002'; 1003' detektieren zu können, ist es notwendig, dass zwischen den Elektroden 1, 2; 2, 3; 3, 4; 1%
2'; 2', 3'; 3', 4' eines Nachbarelektrodenpaares 1001; 1002; 1003; 1001'; 1002'; 1003' eine Spannungs- und/oder Strommessung möglicht ist. Dies kann dadurch realisiert werden, dass jedes Nachbarelektrodenpaar 1001; 1002; 1003; 1001'; 1002'; 1003' an eine eigene Spannungsmess- und/oder Strommessvorrichtung 501, 501'; 502, 502'; 503, 503' angeschlossen ist. Im Rahmen der dritten, in Fig. Ic gezeigten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensors, umfasst der erfindungsgemäße Sensor daher neben den Spannungsmess- und/oder Strommessvorrichtungen 301; 302; 303; 304 der Elektrodenpaare 11; 12; 13; 14 zusätzliche Spannungsmess- und/oder Strommessvorrichtungen 501, 501'; 502, 502'; 503, 503' für die Nachbarelektrodenpaare 1001; 1002; 1003; 1001'; 1002'; 1003'.
Anstelle oder zusätzlich zu dem Anlegen von unterschiedlichen Spannungen an die unterschiedlichen Elektrodenpaare 11; 12; 13; 14 können erfindungsgemäß einige, in Figur Id veranschaulichte Parameter A, B, C, D, E der Ausgestaltung des Elektrodensystems variiert werden, um die Größenverteilung von Teilchen in einem
Gasstrom aufzulösen bzw. zu messen. Beispielsweise kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung der Abstand zwischen den Elektroden 1, 1'; 2, 2'; 3, 3'; 4, 4' eines Elektrodenpaares 11; 12; 13; 14 (Elektrodenpaarlückenabstand) A, die Elektrodenbreite B, der Abstand zwischen benachbarten Elektrodenpaaren C und/oder die Elektrodenlänge D unabhängig voneinander von Elektrodenpaar zu Elektrodenpaar variiert werden. Darüber hinaus kann erfindungsgemäß die Länge des gesamten Elektrodensystems E sowie die Anzahl der Elektroden n, beispielsweise von 1 bis n, variiert werden.
Insbesondere wird in Figur 1 d eine schematische Darstellung einer vierten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensors gezeigt, die sich von der ersten, in
Figur 1 a gezeigten Ausführungsform hauptsächlich dadurch unterscheidet, dass sich der zwischen den beiden Elektroden 1, 1'; 2, 2'; 3, 3'; 4, 4' eines Elektrodenpaares 11; 12; 13; 14 befindliche Elektrodenpaarlückenabstand A von Elektrodenpaar zu Elektrodenpaar stetig vergrößert. Schon allein durch diese Änderung des Elektrodenpaarlückenabstands A ist eine erfindungsgemäße Bestimmung der Größenverteilung von Teilchen in einem
Gasstrom möglich. Daher umfasst die in Figur 1 d dargestellte dritte Ausführungsform, sowie andere erfindungsgemäße Ausführungsformen in denen die Ausgestaltungsparameter A, B, C und/oder D der Elektrodenpaare variiert werden, nicht zwangsläufig jeweils einen variablen Vorwiderstand 401; 402; 403; 404 für jedes Elektrodenpaar 11; 12; 13; 14 oder jeweils eine Spannungsversorgungsvorrichtung 201;
202; 203; 204 für jedes Elektrodenpaar 11; 12; 13; 14. Das heißt, bei der in Figur Id gezeigten dritte Ausführungsform, sowie andere erfindungsgemäße Ausführungsformen in denen die Ausgestaltungsparameter A, B, C und/oder D der Elektrodenpaare variiert werden, können die Elektrodenpaare 11; 12; 13; 14 derart beschaltet werden, dass an allen Elektrodenpaaren 11; 12; 13; 14 die gleiche Spannung anliegt.
Im Allgemeinen gilt für den Fall, dass an allen Elektrodenpaaren 11; 12; 13; 14 die gleiche Spannung anliegt: Je kleiner das Verhältnis der Teilchengröße zur Teilchenladung eines Teilchens ist, desto eher lagert sich das Teilchen auf den zuerst von dem Gasstrom überströmten Elektrodenpaaren 11, 12 an. Umgekehrt gilt: Je größer das Verhältnis der
Teilchengröße zur Teilchenladung eines Teilchens ist, desto eher lagert sich das Teilchen auf den zuletzt von dem Gasstrom überströmten Elektrodenpaaren 13, 14 an.
Für den Fall, dass die Größenverteilung der zu detektierenden Teilchen einer kontinuierlich steigenden oder abfallenden Verteilung entspricht, kann das erfindungemäße Elektrodensystem derart ausgestaltet werden, dass sich der Elektrodenpaarlückenabstand A, die Elektrodenbreite B, der Abstand zwischen benachbarten Elektrodenpaaren C und/oder die Elektrodenlänge D von Elektrodenpaar zu Elektrodenpaar entlang eines Strahls Xl/Sl vergrößert oder verkleinert, beispielsweise stetig vergrößert oder stetig verkleinert. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann eine Variation der Ausgestaltungsparameter Elektrodenpaarlückenabstand A, die Elektrodenbreite B, der Abstand zwischen benachbarten Elektrodenpaaren C und/oder die Elektrodenlänge D des Elektrodensystems spiegelsymmetrisch oder asymmetrisch zu dem durch die Elektrodenpaarlücken verlaufende Strahl S/X vorgenommen werden. Figur 1 d zeigt beispielsweise eine vierte erfindungsgemäße Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensors mit, bezüglich eines durch die Elektrodenpaarlücke 6 verlaufenden Strahls Xl, asymmetrisch angeordnete Elektrodenpaare 11; 12; 13; 14 bzw. Elektroden 1, 1'; 2, 2'; 3, 3'; 4, 4'.
Fig. 1 e zeigt hingegen eine schematische Darstellung einer fünften Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensors, die sich von der vierten, in Fig. 1 d gezeigten Ausführungsform dadurch unterscheidet, dass die Anordnung der Elektrodenpaare 11; 12; 13; 14 bzw. Elektroden 1, 1'; 2, 2'; 3, 3'; 4, 4' bezüglich des durch die Elektrodenpaarlücke 6 verlaufenden Strahls Sl symmetrisch ist.
Um die Auflösung des Sensors während des Betriebs individuell anpassen zu können, ist es jedoch von Vorteil, an den Elektrodenpaaren 11; 12; 13; 14 individuelle Spannungen anlegen zu können. Daher wird hiermit explizit darauf hingewiesen, dass auch in einem Sensor der in Figur 1 d gezeigten vierten und der in Figur 1 e gezeigten fünften erfindungsgemäßen Ausführungsform, sowie in anderen erfindungsgemäßen Ausführungsformen in denen die Ausgestaltungsparameter A, B, C und/oder D der Elektrodenpaare variiert werden, jedes Elektrodenpaar 11; 12; 13; 14 an eine eigene Spannungsversorgungsvorrichtung 201; 202; 203; 204 und/oder an einen eigenen variablen Vorwiderstand 401; 402; 403; 404 angeschlossen sein kann. Dabei ist jedoch darauf zu achten, dass nicht alle erläuterten Parameter (A, B, C, D, Spannung) voneinander unabhängig sind. So kann beispielsweise ein bestimmtes Verhältnis der Elektrodenbreiten B der Elektrodenpaare 11; 12; 13; 14 entlang eines Strahls Xl/Sl zueinander durch ein bestimmtes Potentialprofil der Elektrodenpaare entlang des Strahls Xl/Sl mit dem gleichen Effekt der Anlagerung dargestellt werden.
Für den Fall, dass die Größenverteilung der zu detektierenden Teilchen einer Gaußverteilung entspricht, kann das erfindungemäße Elektrodensystem derart ausgestaltet werden, dass der Elektrodenpaarlückenabstand A, die Elektrodenbreite B, der Abstand zwischen benachbarten Elektrodenpaaren C und/oder die Elektrodenlänge D der einzelnen Elektrodenpaare 11; 12; 13; 14 entlang eines Strahls Xl/Sl individuell auf das Maximum und die Minima der Gaußverteilung angepasst wird. Beispielsweise hat es sich hierbei als vorteilhaft herausgestellt, wenn sich der Elektrodenpaarlückenabstand A vom ersten Elektrodenpaar zu dem Elektrodenpaar, an dem diejenige Teilchengrößenfraktion detektiert wird, welche dem Maximum der Gaußverteilung entspricht, stetig vergrößert und von diesem dem Gaußverteilungsmaximum entsprechenden Elektrodenpaar zum letzten Elektrodenpaar einer an einem Strahl angeordneten Elektrodenpaarreihe stetig verkleinert. Eine derartige Ausgestaltung des Elektrodensystems, in der die Elektrodenpaarlückenabstände A der einzelnen Elektrodenpaare 11; 12; 13; 14 hinsichtlich einer auf einer Gaußverteilung basierenden Teilchengrößenverteilung optimiert sind, wird in Figur 1 f gezeigt, welche eine schematische Darstellung einer sechsten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensors darstellt.
Für den Fall, dass die Größenverteilung der zu detektierenden Teilchen einer bimodalen oder multimodalen Verteilung entspricht, kann das erfmdungemäße Elektrodensystem derart ausgestaltet werden, dass der Elektrodenpaarlückenabstand A, die Elektrodenbreite
B, der Abstand zwischen benachbarten Elektrodenpaaren C und/oder die Elektrodenlänge D der einzelnen Elektrodenpaare entlang eines Strahls Xl/Sl individuell auf die Maxima und das/die Minimum/Minima der bimodalen oder multimodalen Verteilung angepasst wird, wodurch eine genauere Auflösung der relevanten Bereiche einer bimodalen oder multimodalen Größenverteilung möglich ist. Eine derartige Ausgestaltung des
Elektrodensystems, in der die Elektrodenpaarlückenabstände A der einzelnen Elektrodenpaare 11; 12; 13; 14 hinsichtlich einer auf einer bimodalen Verteilung basierenden Teilchengrößenverteilung optimiert sind, wird in Figur Ig gezeigt, welche eine schematische Darstellung einer siebten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensors darstellt.
Figur Ih zeigt eine schematische Darstellung einer achten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensors, die sich von der ersten, in Fig. Ia gezeigten, ersten Ausführungsform dadurch unterscheidet, dass die auf einer Seite des Strahls Xl angeordneten Elektroden von vier benachbarten Elektrodenpaaren 11; 12; 13; 14 als eine
Elektrode ausgebildet 1 sind. Dabei sind die auf der anderen Seite des Strahls Xl angeordneten Elektroden 1'; 2'; 3'; 4' voneinander beabstandet angeordnet und verfügen jeweils über eine eigene Spannungsmess- und/oder Strommessvorrichtung 301; 302; 303; 304. Zudem weisen die beabstandet angeordneten Elektroden 1'; 2'; 3'; 4' eine andere Polarität als die auf der anderen Seite des Strahls Xl angeordnete Elektrode 1 auf und bilden somit jeweils ein erfindungsgemäßes Elektrodenpaar 11; 12; 13; 14 mit der auf anderen Seite des Strahls Xl befindlichen Elektrode 1.
Figur 2a zeigt eine schematische Darstellung einer neunten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensors mit einem Elektrodensystem in dem Elektrodenpaare entlang radialen Strahlen, insbesondere entlang von acht Strahlen, Sl; S2; S3; S4; S5; S6; S7; S8 angeordneten sind.
Dabei werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung unter dem Begriff „Strahl" nur diejenigen fiktiven gerade Linien verstanden, die auf einer Seite von dem Punkt P begrenzt sind und sich auf der anderen Seite ins Unendliche erstrecken, die sich zwischen Elektroden erstrecken, die eine unterschiedliche Polarität aufweisen und über eine gemeinsame Spannungsmess- und/oder Strommessvorrichtung verfügen und dadurch ein erfindungsgemäßes Elektrodenpaar darstellen. Alle weiteren fiktiven geraden Linien, die auf einer Seite von dem Punkt P begrenzt sind und sich auf der anderen Seite ins
Unendliche erstrecken, stellen keine „Strahle" im Sinn der vorliegenden Erfindung dar. Im Bezug auf Figur 2a bedeutet dies, dass diejenigen Elektroden, die entlang einer, nicht durch einen gestrichelte Linie Sl; S2; S3; S4; S5; S6; S7; S8 gekennzeichneten, vom Punkt P radial auswärts verlaufenden Elektrodenlücke angeordnet sind, über keine gemeinsame Spannungsmess- und/oder Strommessvorrichtung verfügen. Dies ist bei einer in Fig. 2a gezeigten Beschaltung auch nicht notwendig.
Figur 2a zeigt, dass die Strahle Sl; S2; S3; S4; S5; S6; S7; S8 in der Ebene der Elektroden/Elektrodenpaare liegen und sich derart radial von einem gemeinsamen Punkt P aus erstrecken, dass alle benachbarten Strahlen Sl; S2; S3; S4; S5; S6; S7; S8 den gleichen Winkel einschließen. Entlang jedem der acht Strahle Sl; S2; S3; S4; S5; S6; S7; S8 sind jeweils vier Elektrodenpaare 11, 12, 13, 14 bis 81, 82, 83, 84 derart angeordnet, dass der jeweilige Strahl (beispielsweise Sl) jeweils zwischen den beiden Elektroden (beispielsweise 1, 1'; 2, 2'; 3, 3', 4, 4') der an ihm angeordneten Elektrodenpaare (beispielsweise 11; 12; 13, 14) verläuft. Darüber hinaus sind die zu den beiden Seiten eines Strahls (beispielsweise Sl) angeordneten Elektroden (beispielsweise 1, 1'; 2, 2'; 3, 3', 4, 4') spiegelsymmetrisch zueinander, wobei der Strahl (beispielsweise Sl) die Symmetrieachse darstellt. Die Strahle Sl; S2; S3; S4; S5; S6; S7; S8 sind somit im Rahmen dieser Ausführungsform Symmetriestrahle. Figur 2a zeigt, dass an allen Strahlen Sl; S2; S3; S4; S5; S6; S7; S8 die gleiche Anzahl von Elektrodenpaaren n angeordnet ist. Darüber hinaus zeigt Figur 2a, dass die Elektrodenpaare 11; 21; 31; 41; 51; 61; 71; 81, welche auf den jeweiligen Symmetriestrahlen Sl; S2; S3; S4; S5; S6; S7; S8 die vom Punkt P aus auswärts gezählt ersten Elektrodenpaare darstellen, dass heißt welche den innersten Elektrodenpaarkreis bilden, die gleiche Ausgestaltung und den gleichen Abstand bezüglich des Punktes P aufweisen. Ebenso weisen die zweiten 12; 22; 32; 42; 52; 62; 72; 82, dritten 13; 23; 33; 43; 53; 63; 73; 83 und vierten 14; 24; 34; 44;
54; 64; 74; 84 Elektrodenpaare der Symmetriestrahle Sl; S2; S3; S4; S5; S6; S7; S8, das heißt die Elektrodenpaare welche den zweiten, dritten und vierten Elektrodenpaarkreis bilden, jeweils die gleiche Ausgestaltung und den gleichen Abstand bezüglich des Punktes P auf. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind die Spannungsmess- und/oder Strommessvorrichtungen, Spannungsversorgungsvorrichtung/en und/oder
Vorwiderstände und elektrischen Leitungen der Elektroden 1, V bis 4g, 4g' nicht in Figur 2a dargestellt.
Dem in Figur 2a dargestellten, radialen Elektrodensystem mit mehreren, insbesondere acht, Strahlen Sl; S2; S3; S4; S5; S6; S7; S8 liegt das gleiche Aufbau- und Messprinzip wie den in den Figuren Ia bis Ih erläuterten Elektrodensystemen mit nur einem Strahl Sl/Xl zugrunde. Betrachtet man beispielsweise nur die Elektrodenpaare 11; 12; 13, 14 sowie den Symmetriestrahl Sl und blendet die übrigen sieben Symmetriestrahle S2; S3; S4; S5; S6; S7; S8 und die daran angeordnete Elektrodenpaare 21, 22, 23, 24 bis 81, 82, 83, 84 aus, so ergibt sich eine Elektrodenanordnung, welche analog zu der in den Figuren
Ia bis Ih gezeigten Elektrodenanordnung ist. Die im Zusammenhang mit den Figuren Ia bis Ih erläuterten Parameter (A, B, C, D, E, n, Spannung) können daher auch bei einem erfindungsgemäßen radialen Elektrodensystem analog variiert werden.
Ein derartiges erfindungsgemäßes radiales Elektrodensystem ist für eine
Staupunktanströmung geeignet. Dabei wird unter dem Begriff „Staupunktströmung" im Rahmen der vorliegend Erfindung das, insbesondere mittige, Anströmung eines Elektrodensystems senkrecht zur Ebene des Elektrodensystems verstanden. Wie Figur 2a zeigt, müssen für eine Staupunktanströmung die Elektrodenpaarlücken im Wesentlichen radialsymmetrisch um den Staupunkt herum angeordnet sein. Vorteilhafterweise sollte daher beim Beströmen eines in Figur 2a gezeigten, radialen Elektrodensystems der Gasstrom so ausgerichtet werden, dass der Staupunkt der Gasströmung auf dem Punkt P liegt.
Figur 2b dient der Veranschaulichung einer Staupunkbeströmung des in Fig. 2a gezeigten, erfindungsgemäßen, radialen Elektrodensystems mit einem Gasstrom. Der senkrecht auf den Punkt P des Elektrodensystems auftreffende Gasstrom wird durch das Elektrodensystem und/oder die Fläche auf der das Elektrodensystem angeordnet ist derart abgelenkt, dass er ausgehend vom Punkt P radial nach Außen und gleichzeitig im Wesentlichen parallel zur Elektrodensystemebene strömt. Da die Elektrodenpaare auf den jeweiligen Strahlen radial ausgerichtet sind, strömt der Gasstrom auch parallel zu den
Strahlen und den Elektrodenpaarlücken.
Figur 2c zeigt eine schematische Darstellung einer zehnten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensors mit einem Elektrodensystem in dem Elektrodenpaare entlang von radialen Strahlen Sl, S2, S3, S4, S5, S6 angeordneten sind.
Das in Fig. 2c gezeigte Elektrodensystem unterscheidet sich von dem in Fig. 2a gezeigten Elektrodensystem hauptsächlich darin, dass die Elektrodenpolarität von einer vom Punkt P radial auswärts ausgebildeten Elektrodenreihe (beispielsweise 1', 2', 3% 4') zu den benachbarten vom Punkt P radial auswärts ausgebildeten Elektrodenreihen
(beispielsweise 1, 2, 3, 4 und Ia, 2a, 3a, 4a) alternierend wechselt. Dies hat zur Folge, dass durch alle zwischen den Elektrodenreihen radial auswärts verlaufende Elektrodenlücken Strahle Sl, S2, S3, S4, S5, S6 im Sinn der vorliegenden Erfindung verlaufen, an denen erfindungsgemäße Elektrodenpaare angeordnet sind, zwischen denen sich Teilchen anlagern können und zeigt beispielhaft die Beschaltung der äußeren
Elektroden. Um die Teilchenanlagerung detektieren zu können, ist es notwendig, dass jeweils zwischen allen benachbarten Elektroden eines Elektrodenkreises, eine Spannungs- und/oder Strommessung möglicht ist. Dies kann zum einen dadurch realisiert werden, dass allen benachbarten Elektroden eines Elektrodenkreises paarweise an eine eigene Spannungsmess- und/oder Strommessvorrichtung angeschlossen werden, was jedoch eine Vielzahl von Spannungsmess- und/oder Strommessvorrichtungen und damit einen komplizierten und kostenintensiven Aufbau zur Folge hat. Zum anderen kann dies, aufgrund der Symmetrie des gezeigten Elektrodensystems, dadurch realisiert werden, dass jeweils alle Elektroden eines Elektrodenkreises mit negativer Polarität und jeweils alle Elektroden eines Elektrodenkreises mit positiver Polarität zusammengeschaltet und an eine gemeinsame Spannungsmess- und/oder Strommessvorrichtung (301, 302, 303 aus Übersichtlichkeitsgründen nicht dargestellt) 304 angeschlossen werden. Ein derartiges Zusammenschalten der negativen und positiven Elektroden eines Kreises hat sich im Rahmen der vorliegenden Erfindung als besonders Vorteilhaft erwiesen, da hierdurch die Anzahl der Spannungsmess- und/oder Strommessvorrichtungen und elektrischen
Leitungen verringert und die Messfläche / das Messsignal vergrößert werden kann. Die Strahle Sl, S2, S3, S4, S5, S6 erstrecken sich analog zur neunten, in Figur 2a gezeigten Ausführungsform, derart radial von einem gemeinsamen Punkt P aus, dass alle benachbarte Strahle Sl; S2; S3; S4; S5; S6 den gleichen Winkel einschließen. Entlang jedem der sechs Strahle Sl; S2; S3; S4; S5; S6 sind jeweils vier Elektrodenpaare 11, 12,
13, 14 bis 61, 62, 63, 64 derart angeordnet, dass der jeweilige Strahl (beispielsweise Sl) jeweils zwischen den beiden Elektroden (beispielsweise 1, 1'; 2, 2'; 3, 3', 4, 4') der an ihm angeordneten Elektrodenpaare (beispielsweise 11; 12; 13, 14) verläuft. Im Gegensatz zu der in Fig. 2a gezeigten, neunten Ausführungsform, ist dabei im Rahmen dieser Ausführungsform jeweils eine Elektrode Bestandteil von zwei Elektrodenpaaren. Das heißt eine zwischen einem ersten und einem zweiten Strahl angeordnete Elektrode bildet mit einer auf der anderen Seite des ersten Strahls angeordneten Elektrode desselben Elektrodenkreises ein erstes Elektrodenpaar und mit einer auf der anderen Seite des zweiten Strahls angeordneten Elektrode desselben Elektrodenkreises ein zweites Elektrodenpaar. Beispielsweise bildet die Elektrode V sowohl ein Elektrodenpaar 11 mit der Elektrode 1 als auch ein Elektrodenpaar 41 mit der Elektrode Ia.
Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind mit Ausnahme der Spannungsmess- und/oder Strommessvorrichtungen 304, die Spannungsmess- und/oder Strommessvorrichtungen, Spannungsversorgungsvorrichtung/en und/oder Vorwiderstände und elektrischen
Leitungen der Elektroden 1, V bis 4b, 4b' nicht in Figur 2c dargestellt.
Figur 2d zeigt eine schematische Darstellung einer elften Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensors mit einem Elektrodensystem in dem Elektrodenpaare entlang von sechs radialen Strahlen angeordneten sind. Die Bezugszeichen für die einzelnen
Elektroden entsprechen denen in Figur 2c, werden jedoch aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht in Figur 2d wiederholt.
Das in Fig. 2d gezeigte Elektrodensystem unterscheidet sich von dem in Fig. 2c gezeigten Elektrodensystem hauptsächlich darin, dass zusätzlich zu dem alternierenden
Polaritätswechsel der vom Punkt P radial auswärts ausgebildeten Elektrodenreihen auch die Polarität der Elektroden innerhalb einer vom Punkt P radial auswärts ausgebildeten Elektrodenreihe alternierend wechselt.
Dies hat zur Folge, dass, in Analogie zu dem im Rahmen von Figur Ic beschriebenen
Mechanismus, auch zwischen Nachbarelektrodenpaaren (zwei benachbarten Elektroden, die sich auf der gleichen Seite eines Strahls S/X befinden, eine unterschiedliche Polarität aufweisen und dabei zu unterschiedlichen, durch eine kreisähnliche Elektrodenlücke getrennte, Elektrodenpaare gehören) (beispielsweise 1001, 1002, 1003) einer vom Punkt P radial auswärts ausgebildeten Elektrodenreihen (beispielsweise 1, 2, 3, 4) eine Teilchenanlagerung stattfindet. Um die Teilchenanlagerung zwischen einem
Nachbarelektrodenpaar (beispielsweise 1001; 1002; 1003) detektieren zu können, ist es notwendig, dass zwischen den Elektroden (beispielsweise 1, 2; 2, 3; 3, 4) eines Nachbarelektrodenpaares (beispielsweise 1001; 1002; 1003) eine Spannungs- und/oder Strommessung möglicht ist. Dies kann dadurch realisiert werden, dass jedes Nachbarelektrodenpaar (beispielsweise 1001; 1002; 1003) an eine eigene
Spannungsmess- und/oder Strommessvorrichtung (nicht dargestellt) angeschlossen ist.
Im Rahmen der elften, in Fig. 2d gezeigten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensors, umfasst der erfindungsgemäße Sensor daher neben den Spannungsmess- und/oder Strommessvorrichtung der erfindungsgemäßen Elektrodenpaare (beispielsweise
1, 2, 3, 4) zusätzliche Spannungsmess- und/oder Strommessvorrichtung für die erfindungsgemäßen Nachbarelektrodenpaare (beispielsweise 1001; 1002; 1003).
Wie im Zusammenhang mit der zehnten Ausführungsform erläutert, können aufgrund der Symmetrie des Elektrodensystems auch bei der elften Ausführungsform alle Elektroden eines Elektrodenkreises mit negativer Polarität und jeweils alle Elektroden eines Elektrodenkreises mit positiver Polarität zusammengeschaltet und an eine gemeinsame Spannungsmess- und/oder Strommessvorrichtung angeschlossen werden.
Die Strahle Sl, S2, S3, S4, S5, S6 erstrecken sich analog zur neunten und zehnten, in
Figur 2a und 2c gezeigten Ausführungsform, derart radial von einem gemeinsamen Punkt P aus, dass alle benachbarte Strahle Sl; S2; S3; S4; S5; S6 den gleichen Winkel einschließen. Entlang jedem der sechs Strahle Sl; S2; S3; S4; S5; S6 sind jeweils vier Elektrodenpaare 11, 12, 13, 14 bis 61, 62, 63, 64 derart angeordnet, dass der jeweilige Strahl (beispielsweise Sl) jeweils zwischen den beiden Elektroden (beispielsweise 1, 1';
2, 2'; 3, 3', 4, 4') der an ihm angeordneten Elektrodenpaare (beispielsweise 11; 12; 13, 14) verläuft. Im Gegensatz zu der in Fig. 2a und 2c gezeigten, neunten und zehnten Ausführungsform, ist dabei im Rahmen dieser Ausführungsform jeweils eine Elektrode Bestandteil von zwei Elektrodenpaaren und einem oder zwei Nachbarelektrodenpaaren. Das heißt eine zwischen einem ersten und einem zweiten Strahl angeordnete Elektrode bildet mit einer auf der anderen Seite des ersten Strahls angeordneten Elektrode desselben Elektrodenkreises ein erstes Elektrodenpaar, mit einer auf der anderen Seite des zweiten Strahls angeordneten Elektrode desselben Elektrodenkreises ein zweites Elektrodenpaar und mit einer auf der gleichen Seite des ersten Strahls angeordneten Elektrode des einen benachbarten Elektrodekreises ein erste Nachbarelektrodenpaar und/oder mit einer auf der gleichen Seite des ersten Strahls angeordneten Elektrode des anderen benachbarten
Elektrodekreises ein zweites Nachbarelektrodenpaar. Beispielsweise bildet die Elektrode 2' ein Elektrodenpaar 12 mit der Elektrode 2, ein Elektrodenpaar 42 mit der Elektrode 2a, ein Nachbarelektrodenpaar 1001' mit der Elektrode 1 und ein Nachbarelektrodenpaar 1002' mit der Elektrode 3.
Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind die Spannungsmess- und/oder Strommessvorrichtungen, Spannungsversorgungsvorrichtung/en und/oder Vorwiderstände und elektrischen Leitungen der Elektroden 1, 1' bis 4b, 4b' nicht in Figur 2d dargestellt.
Figur 2e zeigt eine schematische Darstellung einer zwölften Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensors, die sich von der zehnten, in Fig. 2c gezeigten Ausführungsform hauptsächlich dadurch unterscheidet, dass jeweils die auf einer Seite eines Strahls (beispielsweise Xl) angeordneten Elektroden von vier benachbarten (beispielsweise 11; 12; 13; 14) Elektrodenpaaren als eine Elektrode (beispielsweise 1) ausgebildet sind. Dabei sind jeweils die auf der anderen Seite des Strahls angeordneten Elektroden (beispielsweise 1'; 2'; 3'; 4') voneinander beabstandet angeordnet, wobei die beabstandet angeordneten Elektroden (beispielsweise 1'; 2'; 3'; 4') über voneinander getrennte Spannungsmess- und/oder Strommessvorrichtung verfügen. Wie im Zusammenhang mit der zehnten und elften Ausführungsform erläutert, können dabei alle auf einem Elektrodenkreis beabstandet angeordneten Elektroden (beispielsweise 1', Ia', Ib', lc'zusammengeschaltet und an eine gemeinsame Spannungsmess- und/oder Strommessvorrichtung angeschlossen werden. Die voneinander beabstandet angeordneten Elektroden (beispielsweise 1'; 2'; 3'; 4') weisen zudem eine andere Polarität als die auf anderen Seite des jeweiligen Strahls (beispielsweise Xl) befindlichen Elektrode
(beispielsweise 1) auf und bilden somit jeweils mit der auf der anderen Seite des jeweiligen Strahls (beispielsweise Xl) befindlichen Elektrode (beispielsweise 1) ein erfindungsgemäßes Elektrodenpaar (beispielsweise 11; 12; 13; 14).
Figur 2f zeigt eine schematische Darstellung einer dreizehnten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensors, die sich von der neunten, zehnten und elften, in Fig. 2a, 2c und 2d gezeigten Ausführangsform hauptsächlich dadurch unterscheidet, dass die radialen Strahlen eine unterschiedliche Anzahl von daran angeordneten Elektrodenpaaren aufweisen. Eine derartige Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Elektrodensystems hat sich dahingehend als vorteilhaft erwiesen, weil so die für das Elektrodensystem benötigte Fläche optimal genutzt werden kann.
Figur 2g zeigt eine schematische Darstellung einer vierzehnten Ausfuhrungsform eines erfindungsgemäßen Sensors, die sich von der neunten, zehnten, elften und dreizehnten in Fig. 2a, 2c, 2d und 2f gezeigten Ausführungsform hauptsächlich dadurch unterscheidet, dass sich die an den radialen Strahlen angeordneten Elektroden über zwei gegenüberliegende Kreisausschnitte 2001; 2002 erstrecken, wobei zwischen diesen Kreisausschnitten elektrodenfreie Kreisausschnitte 3001; 3002 liegen. Vorteilhafterweise kann hierdurch auch das Elektrodensystem an die zur Verfügung stehende Fläche angepasst werden. Darüber hinaus hat sich eine derartige Anordnung von Kreisausschnitten 2001; 2002 bezüglich der Herstellung als vorteilhaft erwiesen, da bei der Verwendung von Siebdruckverfahren die Herstellung von schmalen Strukturen welche senkrecht zur Siebdruckrakelrichtung angeordnet sind, erschwert ist.
Figur 2h zeigt eine schematische Darstellung einer fünfzehnte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensors, die sich von der neunten, zehnten, elften, dreizehnten und vierzehnten in Fig. 2a, 2c, 2d, 2f und 2g gezeigten Ausführungsform hauptsächlich dadurch unterscheidet, dass die Anzahl und Ausgestaltung der auf zwei gegenüberliegenden Kreisausschnitten 2001; 2002 angeordneten Elektroden sich voneinander unterscheidet. Wie bereits erläutert, ist eine derartige Ausgestaltung auf Grund einer Optimierung der Elektrodensystemfläche sowie auf Grund des
Herstellungsverfahrens vorteilhaft. Darüber hinaus hat sich eine derartige Ausgestaltung des erfϊndungsgemäßen Elektrodensystems als vorteilhaft erwiesen, wenn der Gasstrom auf Grund der Geometrie des Sensors bevorzugt in eine bestimmte Richtung (beispielsweise in Richtung des Strahls S2 mit der höheren Anzahl an Elektrodenpaaren) abströmt.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Sensor zur Detektion der Größenverteilung von Teilchen in einem Gasstrom, umfassend - ein Elektrodensystem mit mindestens drei in einer Ebene liegenden Elektroden,
- mindestens eine Spannungsversorgungsvorrichtung und - mindestens eine Spannungsmess- und/oder Strommessvorrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass
- in dem Elektrodensystem jeweils zwei Elektroden unterschiedlicher Polarität ein Elektrodenpaar bilden, wobei die Elektrodenpaare derart entlang eines in der Ebene der Elektroden liegenden, fiktiven Strahls angeordnet sind, dass der Strahl jeweils zwischen den beiden Elektroden eines Elektrodenpaares verläuft,
- wobei die entlang des Strahls angeordneten Elektrodenpaare derart an mindestens eine Spannungsmess- und/oder Strommessvorrichtung angeschlossen sind, dass die Spannung und/oder der Stromfluss zwischen jedem Elektrodenpaar einzeln bestimmt werden kann.
Die entlang des Strahls angeordneten Elektrodenpaare können derart an mindestens eine Spannungsmess- und/oder Strommessvorrichtung angeschlossen sein, dass die Spannung und/oder der Stromfluss zwischen jedem einzelnen Elektrodenpaar bestimmt werden kann, indem jedes entlang des Strahls angeordnete Elektrodenpaar an eine eigene Spannungsmess- und/oder Strommessvorrichtung angeschlossen ist; und/oder mehrere entlang des Strahls angeordnete Elektrodenpaare über einen Schalter an eine gemeinsame Spannungsmess- und/oder Strommessvorrichtung angeschlossen sind, wobei der Schalter zwischen den einzelnen Elektrodenpaaren umgeschaltet wird, um die Spannung und/oder den Stromfluss jedes einzelnen Elektrodenpaars zu bestimmen.
Beispielsweise kann es sich bei einem solchen Schalter um ein Relais handeln.
Vorteilhafterweise ist es mit einem derartigen erfindungsgemäßen Sensor sowie dem erfindungsgemäßen Verfahren möglich, sowohl die Auflösung verschiedener Größenfraktionen der sich anlagernden Teilchen sowie die Konzentration in einem Gasstrom befindlicher Teilchen pro Größenfraktion zu bestimmen.
Dabei wird unter dem Begriff „Strahl" im Sinn der vorliegenden Erfindung ein geometrischer Strahl, das heißt eine fiktive gerade Linie verstanden, die auf einer Seite, beispielsweise von dem Punkt P, begrenzt ist und sich auf der anderen Seite ins Unendliche erstreckt. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung werden unter dem Begriff „Strahl" nur diejenigen geometrischen Strahlen verstanden, die sich zwischen Elektroden erstrecken, die eine unterschiedliche Polarität aufweisen und über eine gemeinsame Spannungsmess- und/oder Strommessvorrichtung verfügen und dadurch ein erfindungsgemäßes Elektrodenpaar darstellen. Dabei wird im Sinn der vorliegenden Erfindung unter einer unterschiedlichen Polarität der beiden Elektroden eines Elektrodenpaares verstanden, dass zwischen den beiden Elektroden eines Elektrodenpaares ein Potentialunterschied vorliegt. Der Potentialunterschied zwischen den beiden Elektroden eines Elektrodenpaares kann dabei beispielsweise null zu plus, plus zu minus, minus zu null, plus zu höher plus oder minus zu stärker minus sein.
Unter dem Begriff „Teilchen" werden im Sinn der vorliegenden Erfindung feste und/oder flüssige leitfähige Teilchen, beispielsweise leitfähige Partikel und/oder Tröpfchen, insbesondere Rußpartikel, beispielsweise halbleitender Kohlenstoff, verstanden.
Wie im Zusammenhang mit den Figuren detailliert erläutert, beruht die Erfindung auf dem Prinzip, dass der Ort der Anlagerung von Teilchen an den Elektroden von der Größe, Masse und Ladung der Teilchen abhängt und sich die Teilchen in dem Gasstrom beim
Überströmen eines erfindungsgemäßen Elektrodensystems einerseits den Gesetzen der Diffusion und Ballistik, andererseits den Gesetzen der Elektrophorese entsprechend verhalten. Durch geschickte Ausnutzung dieser Gesetzmäßigkeiten und entsprechende Dimensionierung der Elektroden und daran angelegten Spannungen können somit mit Hilfe eines erfindungsgemäßen Elektrodensystems nicht nur Teilchen als solches, sondern auch die Größenverteilung der Teilchen, detektiert werden.
Ein erfindungsgemäßes Elektrodensystem kann mindestens zwei in der Ebene der Elektroden liegende Strahle aufweisen, die sich von einem gemeinsamen Punkt P aus radial erstrecken und entlang denen Elektrodenpaare derart angeordnet sind, dass der jeweilige Strahl jeweils zwischen den beiden Elektroden der an ihm angeordneten Elektrodenpaare verläuft.
Die mindestens zwei Strahlen können sich erfindungsgemäß, derart von dem gemeinsamen Punkt P aus radial, dass alle benachbarten Strahlen in etwa den gleichen
Winkel einschließen. Dabei bedeutet in etwa, dass die Winkelabweichung bis zu 30 %, beispielsweise bis zu 20 %, insbesondere bis zu 15 %, betragen kann.
Darüber hinaus können sich die mindestens zwei in der Ebene der Elektroden liegende Strahlen von einem gemeinsamen Punkt P aus derart radial erstrecken, dass sich die daran angeordneten Elektroden über zwei, beispielsweise gegenüberliegende, Ausschnitte einer im wesentlichen runden Fläche erstrecken, wobei zwischen diesen Ausschnitten elektrodenfreie Teilflächen liegen.
Wenn das erfindungsgemäße Elektrodensystem mindestens zwei, sich von einem gemeinsamen Punkt P radial erstreckende Strahlen aufweist, weisen diejenigen
Elektrodenpaare, die entlang den jeweiligen Strahlen die ersten, zweiten, ... oder n-ten Elektrodenpaare sind, jeweils im wesentlichen die gleiche Ausgestaltung und/oder den gleichen Abstand bezüglich des Punktes P auf, wobei die Nummerierung der Elektrodenpaare vom Punkt P ausgehend radial auswärts erfolgt.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung werden die Elektrodenpaare, die entlang den jeweiligen, sich von einem gemeinsamen Punkt P radial erstreckenden Strahlen als jeweils erste, zweite, dritte, ... n-te Elektrodenpaare angeordnet sind, auch als Elektrodenpaar des ersten, zweiten, dritten, ... n-ten Elektrodenkreises bezeichnet. Daher können diejenigen Elektrodenpaare, die auf dem gleichen erfindungsgemäßen
Elektrodenkreis angeordnet sind, jeweils im Wesentlichen die gleiche Ausgestaltung und/oder den gleichen Abstand bezüglich des Punktes P aufweisen. Dabei bedeutet im Wesentlichen im Rahmen der vorliegenden Erfindung, dass Abweichungen von der absoluten Symmetrie bzw. Parallelität bis zu 30 %, beispielsweise bis zu 20 %, insbesondere bis zu 15 %, betragen kann.
Insofern es sich bei dem Elektrodensystem um ein derartig symmetrisches, radiales Elektrodensystems mit mindestens zwei sich von einem gemeinsamen Punkt P radial erstreckenden Strahlen handelt, können diejenigen Elektrodenpaare, die entlang den jeweiligen Strahlen die ersten, zweiten, ... oder n-ten Elektrodenpaare sind, im Rahmen der vorliegenden Erfindung jeweils an eine gemeinsame Spannungsmess- und/oder Strommessvorrichtung und/oder Spannungsversorgungsvorrichtung angeschlossen werden, wobei die Nummerierung der Elektrodenpaare vom Punkt P ausgehend radial auswärts erfolgt.
Wenn das erfindungsgemäße Elektrodensystem mindestens zwei, sich von einem gemeinsamen Punkt P radial erstreckende Strahlen aufweist, kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung entlang allen Strahlen die gleiche Anzahl von Elektrodenpaaren n angeordnet sein. Die beiden Elektroden eines entlang eines Strahls angeordneten Elektrodenpaares können jeweils im wesentlichen spiegelsymmetrisch zueinander ausgebildet und/oder angeordnet sein, wobei der zwischen den beiden Elektroden eines Elektrodenpaares verlaufende Strahl die Spiegelachse bildet. Vorzugsweise sind die einander zugewandten Flächen der Elektroden eines Elektrodenpaars im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet.
Entlang eines Strahls angeordnete Elektrodenpaare werden vorzugsweise im Wesentlichen parallel zueinander entlang des Symmetriestrahls angeordnet. Die Elektroden der Elektrodenpaare werden dabei vorzugsweise derart ausgestaltet, dass diejenigen Flächen der Elektroden, welche den benachbarten Elektrodenpaaren zugewandt sind, im Wesentlichen parallel zu den Flächen der benachbarten Elektrodenpaare verlaufen. Das heißt, vorzugsweise sind die einander zugewandten Flächen der Elektroden eines Nachbarelektrodenpaars im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung können zwei oder mehr auf einer Seite eines Strahls angeordnete Elektroden als eine Elektrode ausgebildet sein, wobei die auf der anderen Seite des Strahls angeordneten Elektroden voneinander beabstandet angeordnet sind, eine andere Polarität als die auf der einen Seite des Strahls angeordnete Elektrode aufweisen. Die auf der anderen Seite des Strahls angeordneten Elektroden bilden mit der auf der einen Seite des Strahls angeordneten Elektrode jeweils ein Elektrodenpaar aus, wobei die entlang des Strahls angeordneten Elektrodenpaare derart an mindestens eine Spannungsmess- und/oder Strommessvorrichtung angeschlossen sind, dass die Spannung und/oder der Stromfluss zwischen jedem Elektrodenpaar einzeln bestimmt werden kann. Beispielsweise kann dafür jedes entlang des Strahls angeordnete Elektrodenpaar, insbesondere jede der auf der anderen Seite des Strahls voneinander beabstandet angeordneten Elektroden, an eine eigene Spannungsmess- und/oder Strommessvorrichtung angeschlossen sein; und/oder mehrere entlang des Strahls angeordnete Elektrodenpaare, insbesondere mehrere auf der anderen Seite des Strahls voneinander beabstandet angeordneten Elektroden, können über einen Schalter an eine gemeinsame Spannungsmess- und/oder Strommessvorrichtung angeschlossen sein, wobei der Schalter zwischen den einzelnen Elektrodenpaaren umgeschaltet wird, um die Spannung und/oder den Stromfluss jedes einzelnen Elektrodenpaars zu bestimmen. Diese Art und Weise der Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Elektrodensystems kann sowohl bei einem erfindungsgemäßen einstrahligen Elektrodensystem als auch bei einem erfindungsgemäßen mehrstrahligen Elektrodensystem vorgenommen werden. Ein erfindungsgemäßes Elektrodensystem kann mindestens vier, beispielsweise mindestens fünf, sechs, sieben, acht, neun oder zehn in einer Ebene liegende Elektroden umfassen.
Entlang eines erfindungsgemäßen Strahls können mindestens drei, beispielsweise mindestens vier oder mindestens fünf, insbesondere mindestens sechs oder mindestens sieben Elektrodenpaare angeordnet sein. Das heißt, wenn das erfindungsgemäße Elektrodensystem einen in der Ebene der Elektroden liegende Strahl aufweist, so können entlang dieses Strahls mindestens drei, beispielsweise mindestens vier oder fünf, insbesondere mindestens sechs oder sieben Elektrodenpaare derart angeordnet sein, dass der Strahl jeweils zwischen den beiden Elektroden eines Elektrodenpaares verläuft. Wenn das erfindungsgemäße Elektrodensystem mehrere in der Ebene der Elektroden liegende, sich von einem gemeinsamen Punkt P erstreckende Strahlen aufweist, so können entlang dieser Strahlen jeweils mindestens drei, beispielsweise mindestens vier oder fünf, insbesondere mindestens sechs oder sieben Elektrodenpaare derart angeordnet sein, dass der jeweilige Strahl jeweils zwischen den beiden Elektroden der an ihm angeordneten Elektrodenpaare verläuft.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann ein erfindungsgemäßes Elektrodensystem beispielsweise mindestens drei, beispielsweise mindestens vier oder fünf oder sechs oder sieben oder acht in der Ebene der Elektroden liegende, sich von einem gemeinsamen Punkt P erstreckende Strahlen aufweisen.
Bei einem erfindungsgemäßen Sensor kann der Elektrodenpaarlückenabstand (Abstand zwischen den beiden Elektroden eines Elektrodenpaares) bei jedem Elektrodenpaar gleich groß sein oder der Elektrodenpaarlückenabstand kann bei jedem Elektrodenpaar eines Strahls variieren. Da große Teilchen eine Strecke bei gleicher Teilchenanzahl schneller überbrücken als kleine Teilchen und das Überschreiten eines Schwellwertes durch ein Elektrodenpaar die Regeneration des gesamten Elektrodensystems zur Folge, hat es sich im Rahmen der vorliegenden Erfindung als vorteilhaft herausgestellt, den Elektrodenpaarlückenabstand bei jedem Elektrodenpaar derart auszugestalten, dass bei der zu erwartenden Teilchengrößenverteilung alle Elektrodenpaare im gleichen Zeitbereich Messergebnisse liefern und/oder regeneriert werden. Das heißt, wenn die Größenverteilung der zu detektierenden Teilchen, beispielsweise einer Gauß'schen, bimodalen oder multimodalen Verteilung entspricht, wird der Elektrodenpaarlückenabstand eines jeden Elektrodenpaares individuell auf den Verlauf der Verteilung, beispielsweise auf das/die Maximum/Maxima und/oder das/die Minimum/Minima der Verteilung angepasst. Beispielsweise kann der
Elektrodenpaarlückenabstand bei jedem Elektrodenpaar derart ausgewählt werden, dass dieser bei dem/n Elektrodenpaar/en bei denen das/die Maximum/Maxima der Verteilung erwartet wird einen größeren Abstand aufweist als bei den übrigen Elektrodenpaaren.
Für den Spezialfall einer auf einer Gaußverteilung basierenden Teilchengrößenverteilung hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn sich der Elektrodenpaarlückenabstand vom ersten Elektrodenpaar zu dem Elektrodenpaar, bei dem die Teilchengrößenfraktion detektiert wird, welche dem Maximum der Gaußverteilung entspricht, einer an einem Strahl angeordneten Elektrodenpaarreihe stetig vergrößert und von diesem dem Gaußverteilungsmaximum entsprechenden Elektrodenpaar zum letzten Elektrodenpaar einer an einem Strahl angeordneten Elektrodenpaarreihe stetig verkleinert. Beispielsweise kann sich der Elektrodenpaarlückenabstand vom ersten Elektrodenpaar zum mittleren Elektrodenpaar einer an einem Strahl angeordneten Elektrodenpaarreihe stetig vergrößern und von dem mittleren Elektrodenpaar zum letzten Elektrodenpaar einer an einem Strahl angeordneten Elektrodenpaarreihe stetig verkleinern.
Für den Fall, dass die Größenverteilung der zu detektierenden Teilchen einer kontinuierlich steigenden oder abfallenden Verteilung entspricht, kann das erfmdungemäße Elektrodensystem derart ausgestaltet werden, dass sich der Elektrodenpaarlückenabstand entlang eines Strahls stetig vergrößert oder stetig verkleinert.
Darüber hinaus können bei einem erfindungsgemäßen Sensor die Elektroden eine einheitliche Elektrodenbreite aufweisen oder die Elektrodenbreite kann bei jedem Elektrodenpaar eines Strahls variieren. Eine große Elektrodenbreite führt vorteilhafterweise zu einem stärkeren Signal, geht jedoch mit einem breiteren Spektrum der sich anlagernden Teilchen und damit mit einer geringeren Größenauflösung einher. Der Abstand zwischen den Elektrodenpaaren kann bei einem erfindungsgemäßen Sensor äquidistant sein oder kann zwischen jedem Paar von benachbarten Elektrodenpaaren eines Strahls unterschiedlich sein. Ferner können bei einem erfindungsgemäßen Sensor die Elektroden eine einheitliche Elektrodenlänge aufweisen oder die Elektrodenlänge kann bei jedem Elektrodenpaar eines Strahls variieren. Vorzugsweise werden in einem erfindungsgemäßen Sensor die Elektrodenbreiten und/oder Elektrodenlängen und/oder die Abstände zwischen den Elektrodenpaaren auf die zu erwartende Teilchengrößenverteilung und/oder Strömungsgeschwindigkeit angepasst. Das heißt, die Elektrodenbreiten und/oder Elektrodenlängen der einzelnen Elektrodenpaare und/oder die
Abstände zwischen den Elektrodenpaaren werden individuell auf den Verlauf der zu erwartenden Teilchengrößenverteilung, beispielsweise auf das/die Maximum/Maxima und/oder das/die Minimum/Minima der Teilchengrößenverteilung angepasst.
Die Spannungsversorgung kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung auf zweierlei
Weise erfolgen. Einerseits kann es bei einem Elektrodensystem, bei dem die Elektrodenpaare unterschiedlich ausgestaltet und/oder angeordnet sind, genügen an mehrere oder alle Elektrodenarme die gleiche Spannung durch eine Spannungsversorgungsvorrichtung anzulegen, da die Bestimmung der Größenverteilung von Teilchen in diesem Fall allein durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des
Elektrodensystems gewährleistet werden kann. Andererseits ist es, wie bereits erläutert, von Vorteil, die Aufteilung der Größenfraktionen durch Adaption der an den Elektrodenpaaren angelegten Spannungen während des Betriebs einzuregeln und die Messung an die Gasströmgeschwindigkeit anpassen zu können.
Das Anlegen unterschiedlicher und anpassbarer Spannungen kann erfindungsgemäß dadurch erfolgen, dass zwei oder mehr Elektrodenpaare jeweils an eine eigene Spannungsversorgungsvorrichtung angeschlossen werden und/oder zwei oder mehr Elektrodenpaare an eine gemeinsame Spannungsversorgungsvorrichtung angeschlossen werden, wobei die Elektrodenpaare jeweils über einen eigenen Vorwiderstand zum
Einstellen einer individuellen Spannung verfügen. Dass zwei oder mehr Elektrodenpaare an eine gemeinsame Spannungsversorgungsvorrichtung angeschlossen werden, wobei die Elektrodenpaare jeweils über einen eigenen Vorwiderstand zum Einstellen einer individuellen Spannung verfügen, hat den Vorteil, dass die Zahl der Spannungsversorgungsvorrichtungen gesenkt werden. Vorzugsweise wird jedem
Vorwiderstand ein Spannungsmessgerät parallel geschaltet. Vorteilhafterweise dient diese Kombination aus einem Vorwiderstand und einem parallel geschalteten Spannungsmessgerät sowohl als erfindungsgemäße Spannungsmess- und/oder Strommessvorrichtung als auch als erfindungsgemäßer Vorwiderstand, da aus einer Spannungsabfallsmessung an einem bekannten Vorwiderstand vorteilhafterweise der der elektrische Widerstand der / der Stromfluss durch die Teilchenpfade berechnet werden kann.
Der Anschluss der Elektroden des Elektrodensystems an Spannungsmess- und/oder Strommessvorrichtungen, Spannungsversorgungsvorrichtungen und/oder Vorwiderstände erfolgt über Leitungen. Vorzugsweise verfügt jede Elektrode des Elektrodensystems über eine eigene Leitung zum Anschluss an die, zumindest mit dem Elektrodenpaarpartner gemeinsame, Spannungsversorgungs-, Spannungsmess- und/oder Strommessvorrichtung.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist es jedoch ebenso möglich, Elektroden verschiedener Elektrodenpaare über Leitungen miteinander zu verbinden. Im Rahmen einer Ausführungsform der Erfindung verfügt daher in dem Elektrodensystem nur jeweils eine Elektrode eines jeden Elektrodenpaares über eine eigene Leitung zum Anschluss an die Spannungsmess- und/oder Strommessvorrichtung und/oder die Spannungsversorgungsvorrichtung und/oder den Vorwiderstand, wobei die verbleibenden
Elektroden (Elektrodenpaarpartner) auf ein gemeinsames Potential gelegt werden. Ein derartiger Anschluss weist den Vorteil auf, dass dadurch die Zahl der Leitungen herabgesetzt werden kann.
Die beiden Elektroden eines Elektrodenpaares des Elektrodensystems werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung jeweils derart an die Spannungsversorgungsvorrichtung angeschlossen, dass sie zueinander eine unterschiedliche Polarität aufweisen.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindungen kann/können die Spannungsversorgungsvorrichtung/en an den jeweiligen Elektrodenpaaren derart angeschlossen werden, dass an den Elektroden, die auf der gleichen Seite eines Strahls angeordnet sind, ein Potential gleicher Polarität anliegt.
Wenn es sich bei dem erfindungsgemäßen Elektrodensystem um ein erfmdungsgemäßes, radiales Elektrodensystem handelt, kann/können die
Spannungsversorgungsvorrichtung/en derart an den Elektrodenpaaren der jeweiligen Strahlen angeschlossen sein, dass alle benachbarten Elektroden, die an unterschiedlichen Strahlen angeordnet sind, die gleiche Polarität aufweisen.
Wenn es sich bei dem erfindungsgemäßen Elektrodensystem um ein erfindungsgemäßes, radiales Elektrodensystem handelt, kann/können die Spannungsversorgungsvorrichtung/en jedoch auch derart an den Elektrodenpaaren der jeweiligen Strahlen angeschlossen sein, dass die Polarität einer vom Punkt P radial auswärts ausgebildeten Elektrodenreihen zu den benachbarten vom Punkt P radial auswärts ausgebildeten Elektrodenreihen alterniert.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist es darüber hinaus möglich, dass diejenigen Elektroden die auf der gleichen Seite eines Strahls angeordnet sind, eine unterschiedliche Polarität aufweisen. Beispielsweise kann die Polarität der Elektrodenpaare entlang des Strahls alternieren. Bei einer Beschaltung mit mindestens einem Polaritätswechsel erfolgt die Teilchenanlagerung nicht nur zwischen den Elektroden eines Elektrodenpaares, sondern auch zwischen zwei benachbarten, auf der gleichen Seite eines Strahls angeordneten Elektroden unterschiedlicher Polarität, die im Rahmen der vorliegenden Erfindung als Nachbarelektrodenpaar bezeichnet werden. Um das aus dieser Teilchenanlagerung resultierende Signal messen zu können, ist im Rahmen einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung jedes Nachbarelektrodenpaar derart an mindestens eine Spannungsmess- und/oder Strommessvorrichtung angeschlossen, dass die Spannung und/oder der Stromfluss zwischen jedem Nachbarelektrodenpaar einzeln bestimmt werden kann, wobei ein Nachbarelektrodenpaar ein Paar aus zwei benachbarten, auf der gleichen Seite eines Strahls angeordneten Elektroden unterschiedlicher Polarität ist. Beispielsweise kann dafür jedes Nachbarelektrodenpaar an eine eigene Spannungsmess- und/oder Strommessvorrichtung angeschlossen sein; und/oder mehrere Nachbarelektrodenpaare können über einen Schalter an eine gemeinsame Spannungsmess- und/oder Strommessvorrichtung angeschlossen sein, wobei der Schalter zwischen den einzelnen Nachbarelektrodenpaaren umgeschaltet wird, um die Spannung und/oder den Stromfluss jedes einzelnen Nachbarelektrodenpaars zu bestimmen.
Zweckmäßigerweise ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Auswertungsvorrichtung an die Spannungs- und/oder Strommessvorrichtungen angeschlossen.
Darüber hinaus kann ein erfindungsgemäßer Sensor ein Steuergerät zum Ansteuern der Spannungsversorgungsvorrichtung/en und/oder variablen Vorwiderstände umfassen, welches das Anlegen von individuellen Spannungen an den einzelnen Elektrodenpaaren anhand von Daten über die zu erwartenden Teilchengrößenverteilung und/oder die
Gasströmungsgeschwindigkeit steuert. Ferner kann ein erfindungsgemäßer Sensor eine Heizvorrichtung und/oder eine Temperaturmessvorrichtung umfassen.
Die erfindungsgemäßen Elektroden können ein Metall, wie Platin, Kupfer, Silber, Gold, Eisen,
Cobalt, Nickel, Palladium, Ruthenium, Iridium oder Rhodium, oder eine Metalllegierung, insbesondere einer Metalllegierung umfassend Platin, Kupfer, Silber, Gold, Eisen, Cobalt, Nickel, Palladium, Ruthenium, Iridium und/oder Rhodium, umfassen. Vorzugsweise umfassen die Elektroden Platin.
Darüber hinaus kann ein erfindungsgemäßer Sensor weiterhin mindestens ein Schutzrohr umfassen, welches den Gasstrom parallel zu der Ebene des Elektrodensystems und parallel zu dem/den Symmetriestrahl/en leitet.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Detektion der Größenverteilung von Teilchen in einem Gasstrom mit einem erfindungsgemäßen Sensor, indem an die Elektrodenpaare des Elektrodensystems eine Spannung angelegt wird oder an die Elektrodenpaare des Elektrodensystems jeweils voneinander unabhängige Spannungen angelegt werden, wobei sich Teilchen anlagern, die aus der Teilchenanlagerung resultierende Änderung der Spannung und/oder des Stroms und/oder des elektrischen Widerstandes zwischen den beiden Elektroden eines Elektrodenpaares an jedem Elektrodenpaar einzeln gemessen wird und die Größenverteilung der Teilchen und/oder die Teilchenkonzentration und/oder der Teilchenmassenstrom durch Auswerten der Änderungen der Spannung und/oder des Stromes und/oder des elektrischen Widerstandes der jeweiligen Elektrodenpaare bestimmt wird.
Das Anlegen von jeweils voneinander unabhängigen Spannungen an die Elektrodenpaare des Elektrodensystems hat den Vorteil, dass die Aufteilung der sich an den jeweiligen Elektrodenpaaren anlagernden Teilchengrößenfraktionen durch gezieltes Einstellen der jeweiligen Spannungen einfach, schnell und gezielt eingestellt werden kann. Daher können im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens an die Elektrodenpaare des Elektrodensystems derart jeweils voneinander unabhängige Spannungen angelegt werden, dass die jeweils an einem Elektrodenpaar angelegte Spannung bei jedem Elektrodenpaar individuell auf die zu erwartenden Teilchengrößenverteilung und/oder die Gasströmungsgeschwindigkeit angepasst ist. Vorzugsweise werden die jeweils an den
Elektrodenpaaren angelegten Spannungen derart eingestellt, dass bei der zu erwartenden Teilchengrößenverteilung alle Elektrodenpaare im gleichen Zeitbereich Messergebnisse liefern und/oder regeneriert werden.
Das heißt, wenn die Größenverteilung der zu detektierenden Teilchen , beispielsweise einer Gauß'schen, bimodalen oder multimodalen Verteilung entspricht, werden die jeweils an den Elektrodenpaaren angelegten Spannungen voneinander unabhängig an den Verlauf der Verteilung, beispielsweise auf das/die Maximum/Maxima und/oder das/die Minimum/Minima der Verteilung angepasst. Beispielsweise werden die an den Elektrodenpaaren angelegten Spannungen derart eingestellt, dass an dem/denjenigen
Elektrodenpaar/en, bei denen das/die Maximum/Maxima der Verteilung erwartet wird, eine niedrigere Spannung angelegt wird als an den übrigen Elektrodenpaaren.
Für den Spezialfall einer auf einer Gaußverteilung basierenden Teilchengrößenverteilung hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn vom ersten Elektrodenpaar zu dem
Elektrodenpaar, an dem diejenige Teilchengrößenfraktion detektiert wird, welche dem Maximum der Gaußverteilung entspricht, die an den Elektrodenpaaren angelegten Spannungen stetig sinken und von dem Gaußverteilungsmaximum entsprechenden Elektrodenpaar zum letzten Elektrodenpaar die an den Elektrodenpaaren angelegten Spannungen stetig steigen. Beispielsweise kann der Betrag der Spannung vom ersten
Elektrodenpaar zum mittleren Elektrodenpaar einer an einem Strahl angeordneten Elektrodenpaarreihe stetig sinken und von dem mittleren Elektrodenpaar zum letzten Elektrodenpaar einer an einem Strahl angeordneten Elektrodenpaarreihe stetig steigen.
Für den weiteren Spezialfall, dass die Größenverteilung der zu detektierenden Teilchen einer kontinuierlich steigenden oder abfallenden Verteilung entspricht, werden die jeweils an den Elektrodenpaaren angelegten Spannungen derart eingestellt, dass sich die an den Elektrodenpaaren angelegte Spannung von Elektrodenpaar zu Elektrodenpaar stetig verändern, das heißt stetig vergrößern oder verkleinern. Darüber hinaus ist es möglich, die an jedem Elektrodenpaar angelegte Spannung wie bereits erläutert in Abhängigkeit von der Betriebsweise des mit dem erfindungsgemäßen Sensor untersuchten Verbrennungsmotors und/oder der Anlage individuell anzupassen.
Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens können Spannungen an die
Elektrodenpaare eines Strahls derart angelegt werden, dass auf der gleichen Seite eines Strahls angeordnete Elektroden die gleiche Polarität aufweisen. Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens können Spannungen jedoch auch derart an die Elektrodenpaare eines Strahls angelegt werden, dass die Polarität der Elektrodenpaare entlang des Strahls alterniert.
Beispielsweise können Spannungen an die Elektrodenpaare von zwei oder mehr Strahlen derart angelegt werden, dass alle benachbarten Elektroden, die an unterschiedlichen Strahlen angeordnet sind, die gleiche Polarität aufweisen.
Die Spannungen können jedoch auch derart an die Elektrodenpaare von zwei oder mehr Strahlen angelegt werden, dass die Polarität einer vom Punkt P radial auswärts ausgebildeten Elektrodenreihen zu den benachbarten vom Punkt P radial auswärts ausgebildeten Elektrodenreihen alterniert.
Darüber hinaus können Spannungen an die Elektrodenpaare eines Strahls derart angelegt werden, dass die Polarität der Elektrodenpaare entlang eines Strahls alterniert.
Das Einstellen von voneinander unabhängigen Spannungen an den Elektrodenpaaren kann, wie bereits erläutert dadurch erfolgen, dass jedes entlang eines Strahls angeordnete
Elektrodenpaar über eine eigene Spannungsversorgungsvorrichtung oder über einen eigenen variablen Vorwiderstand verfügt.
Vorzugsweise wird die Änderung der Spannung und/oder des Stroms und/oder des elektrischen Widerstandes zwischen den beiden Elektroden eines Elektrodenpaares in
Abhängigkeit von der Zeit gemessen.
Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, dass es eine Detektion der Größenverteilung von Teilchen in einem Gasstrom sowohl bei einem Gasstrom mit konstanter Geschwindigkeit als auch bei einem Gasstrom mit variabler Geschwindigkeit erlaubt. Wenn ein Gasstrom mit einer konstanten Geschwindigkeit vorliegt, wird/werden die Spannung/en an den Elektrodenpaaren des Elektrodensystems vorzugsweise konstant angelegt.
Bei Gasströmen mit variabler Gasgeschwindigkeit kann sich die Anlagerung der jeweiligen Größenfraktion jedoch von einem Elektrodenpaar zu einem benachbarten Elektrodenpaar verschieben.
Daher kann, wenn ein Gasstrom mit einer variablen Geschwindigkeit vorliegt, die Messung mit konstant an den Elektrodenpaaren angelegten Spannungen durchgeführt werden und die Änderung der Gasgeschwindigkeit als Korrekturfaktor in die Auswertung mit einbezogen werden oder die an den Elektrodenpaaren des Elektrodensystems angelegten Spannungen können, insbesondere direkt, an die Änderung der Gasgeschwindigkeit angepasst werden.
Dabei hat das Anpassen der an den Elektrodenpaaren des Elektrodensystems angelegten Spannungen den Vorteil, dass eine Verschiebung der Größenfraktionen vermieden wird.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist die Verwendung eines erfindungsgemäßen Sensors und/oder eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einem Werkstattmessgerät zur Abgasuntersuchung oder in einem Messgerät zur Kontrolle der Luftqualität oder in Ruß-Partikel-Sensoren, insbesondere Ruß-Partikel-Sensoren für „on board diagnosis" (OBD), und/oder zur Überwachung der Betriebsweise eines
Verbrennungsmotors, beispielsweise eines Dieselmotors, oder einer Verbrennungsanlage, beispielsweise einer Ölheizung oder eines Ofens, und/oder zur Überwachung der Funktionsfähigkeit eines Partikelfilters und/oder zur Überwachung des Beladungszustandes eines Partikelfilters, beispielsweise eines Diesel-Partikel-Filters (DPF), oder zur Überwachung von chemischen Herstellungsprozessen, Abluftanlagen und/oder Abluftnachbehandlungsanlagen.

Claims

Ansprüche
1. Sensor zur Detektion der Größenverteilung von Teilchen in einem Gasstrom, umfassend
- ein Elektrodensystem mit mindestens drei in einer Ebene liegenden Elektroden (1, 1 '; 2, 2'; 3, 3'; 4, 4'),
- mindestens eine Spannungsversorgungsvorrichtung (201; 202; 203; 204) und
- mindestens eine Spannungsmess- und/oder Strommessvorrichtung (301; 302; 303; 304), dadurch gekennzeichnet, dass
- in dem Elektrodensystem jeweils zwei Elektroden unterschiedlicher Polarität (1, 1 '; 2, 2'; 3, 3'; 4, 4') ein Elektrodenpaar (11; 12; 13; 14) bilden, wobei die Elektrodenpaare (11; 12; 13; 14) derart entlang eines in der Ebene der Elektroden liegenden, fiktiven Strahls (Xl, Sl) angeordnet sind, dass der Strahl (Xl, Sl) jeweils zwischen den beiden Elektroden (1, 1 '; 2, 2'; 3, 3'; 4, 4') eines Elektrodenpaares (11; 12; 13; 14) verläuft,
- wobei die entlang des Strahls (Xl; Sl) angeordneten Elektrodenpaare (11; 12; 13; 14) derart an mindestens eine Spannungsmess- und/oder Strommessvorrichtung (301; 302; 303; 304) angeschlossen sind, dass die Spannung und/oder der
Stromfluss zwischen jedem Elektrodenpaar (11; 12; 13; 14) einzeln bestimmt werden kann.
2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass - jedes entlang des Strahls (Xl; Sl) angeordnete Elektrodenpaar (11; 12; 13; 14) an eine eigene Spannungsmess- und/oder Strommessvorrichtung (301; 302; 303; 304) angeschlossen ist; und/oder
- mehrere entlang des Strahls (Xl; Sl) angeordnete Elektrodenpaare (11; 12; 13; 14) über einen Schalter an eine gemeinsame Spannungsmess- und/oder Strommessvorrichtung angeschlossen sind, wobei der Schalter zwischen den einzelnen Elektrodenpaaren (11; 12; 13; 14) umgeschaltet wird, um die Spannung und/oder den Stromfluss jedes einzelnen Elektrodenpaars (11; 12; 13; 14) zu bestimmen.
3. Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Elektrodensystem mindestens zwei in der Ebene der Elektroden liegende Strahlen (Xl; X2; X3; Sl; S2; S3; S4; S5; S6; S7; S8) aufweist, die sich von einem gemeinsamen Punkt P aus radial erstrecken und entlang denen Elektrodenpaare (11, 12, 13, 14 bis 81, 82, 83, 84) derart angeordnet sind, dass der jeweilige Strahl jeweils zwischen den beiden Elektroden (1, 1 ' bis 4g, 4g') der an ihm angeordneten Elektrodenpaare (11, 12, 13, 14 bis 81, 82, 83, 84) verläuft.
4. Sensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich die mindestens zwei Strahlen (Xl; X2; X3; X4; Sl; S2; S3; S4; S5; S6; S7; S8) derart von dem gemeinsamen Punkt P aus radial erstrecken, dass alle benachbarten Strahlen (Xl; X2; X3; X4; Sl; S2; S3; S4; S5; S6; S7; S8) in etwa den gleichen Winkel einschließen.
5. Sensor nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich die mindestens zwei in der Ebene der Elektroden liegende Strahlen (Xl; X2; X3; X4; Sl; S2; S3; S4; S5; S6; S7; S8) von einem gemeinsamen Punkt P aus derart radial erstrecken, dass sich die daran angeordneten Elektroden über zwei Ausschnitte (2001; 2002) einer im wesentlichen runden Fläche erstrecken, wobei zwischen diesen Ausschnitten elektrodenfreie Teilflächen (3001, 3002) liegen.
6. Sensor nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass diejenigen
Elektrodenpaare (11 bis 81; 12 bis 82; 13 bis 83; 14 bis 84), die auf den jeweiligen Strahlen (Sl; S2; S3; S4; S5; S6; S7; S8) die ersten, zweiten, ... oder n-ten Elektrodenpaare sind, jeweils im wesentlichen die gleiche Ausgestaltung und/oder den gleichen Abstand bezüglich des Punktes P aufweisen, wobei die Nummerierung der Elektrodenpaare (11 bis 81; 12 bis 82; 13 bis 83; 14 bis 84) vom Punkt P ausgehend radial auswärts erfolgt.
7. Sensor nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass diejenigen Elektrodenpaare (11 bis 81; 12 bis 82; 13 bis 83; 14 bis 84), die auf den jeweiligen Strahlen die ersten, zweiten, ... oder n-ten Elektrodenpaare sind, jeweils an eine gemeinsame Spannungsmess- und/oder Strommessvorrichtung (301; 302; 303; 304) und/oder Spannungsversorgungsvorrichtung (201; 202; 203; 204) angeschlossen sind, wobei die Nummerierung der Elektrodenpaare (11 bis 81; 12 bis 82; 13 bis 83; 14 bis 84) vom Punkt P ausgehend radial auswärts erfolgt.
8. Sensor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils die beiden Elektroden (1, 1' bis 4g, 4g') eines entlang eines Strahls (Sl; S2; S3; S4; S5; S6; S7; S8) angeordneten Elektrodenpaares (11 bis 84) im wesentlichen spiegelsymmetrisch zueinander ausgebildet und/oder angeordnet sind, wobei der zwischen den beiden Elektroden eines Elektrodenpaares verlaufende Strahl (S 1 ; S2;
S3; S4; S5; S6; S7; S8) die Spiegelachse bildet.
9. Sensor nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwei oder mehr auf einer Seite eines Strahls (Xl; X2; X3; X4) angeordneten Elektroden als eine Elektrode (1; Ia; Ib; Ic) ausgebildet sind, wobei die auf der anderen Seite des
Strahls (Xl; X2; X3; X4) angeordneten Elektroden (1 ', 2', 3', 4'; Ia', 2a', 3a', 4a'; Ib', 2b', 3b', 4b'; Ic', 2c', 3c', 4c') voneinander beabstandet angeordnet sind, eine andere Polarität als die auf der einen Seite des Strahls (Xl; X2; X3; X4) angeordnete Elektrode (1; Ia; Ib; Ic) aufweisen und mit der auf der einen Seite des Strahls (Xl; X2; X3; X4) angeordneten Elektrode (1; Ia; Ib; Ic) jeweils ein Elektrodenpaar (11;
12; 13; 14) ausbilden, wobei die entlang des Strahls (Xl; Sl) angeordneten Elektrodenpaare (11; 12; 13; 14) derart an mindestens eine Spannungsmess- und/oder Strommessvorrichtung (301; 302; 303; 304) angeschlossen sind, dass die Spannung und/oder der Stromfluss zwischen jedem Elektrodenpaar (11; 12; 13; 14) einzeln bestimmt werden kann.
10. Sensor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass entlang eines Strahls (Xl; Sl) mindestens drei Elektrodenpaare (11; 12; 13; 14) angeordnet sind.
11. Sensor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrodenpaarlückenabstand A bei jedem Elektrodenpaar (11; 12; 13; 14; 15; 16; 17) derart ausgestaltet wird, dass bei der zu erwartenden Teilchengrößenverteilung alle Elektrodenpaare (11; 12; 13; 14; 15; 16; 17) im gleichen Zeitbereich Messergebnisse liefern und/oder regeneriert werden.
12. Sensor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenbreiten B und/oder Elektrodenlängen D und/oder die Abstände zwischen den Elektrodenpaaren C auf die zu erwartende Teilchengrößenverteilung und/oder Strömungsgeschwindigkeit angepasst sind.
13. Sensor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
- zwei oder mehr Elektrodenpaare (11; 12; 13; 14) jeweils an eine eigene Spannungsversorgungsvorrichtung (201; 202; 203; 204) angeschlossen sind; und/oder - zwei oder mehr Elektrodenpaare (11; 12; 13; 14) an eine gemeinsame
Spannungsversorgungsvorrichtung (201) angeschlossen sind, wobei die Elektrodenpaare (11; 12; 13; 14) jeweils über einen eigenen Vorwiderstand (401; 402; 403; 404) zum Einstellen einer individuellen Spannung verfügen.
14. Sensor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jedes
Nachbarelektrodenpaar (1001; 1002; 1003; 1001'; 1002'; 1003') derart an mindestens eine Spannungsmess- und/oder Strommessvorrichtung (501; 501 '; 502; 502'; 503; 503') angeschlossen ist, dass die Spannung und/oder der Stromfluss zwischen jedem Nachbarelektrodenpaar (1001; 1002; 1003; 1001 '; 1002'; 1003') einzeln bestimmt werden kann, wobei ein Nachbarelektrodenpaar (1001; 1002;
1003; 1001 '; 1002'; 1003') ein Paar aus zwei benachbarten, auf der gleichen Seite eines Strahls (Xl; X2; X3; X4; Sl; S2; S3; S4; S5; S6; S7; S8) angeordneten Elektroden (1; 2; 3; 4; 1 '; 2'; 3'; 4') unterschiedlicher Polarität ist.
15. Verfahren zur Detektion der Größenverteilung von Teilchen in einem Gasstrom mit einem Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 14, indem
- an die Elektrodenpaare (11; 12; 13; 14 bis 81; 82; 83; 84) des Elektrodensystems eine Spannung angelegt wird oder an die Elektrodenpaare (11; 12; 13; 14 bis 81; 82; 83; 84) des Elektrodensystems jeweils voneinander unabhängige Spannungen angelegt werden, wobei sich Teilchen anlagern,
- die aus der Teilchenanlagerung resultierende Änderung der Spannung und/oder des Stroms und/oder des elektrischen Widerstandes zwischen den beiden Elektroden eines Elektrodenpaares (11; 12; 13; 14 bis 81; 82; 83; 84) an jedem Elektrodenpaar (11; 12; 13; 14 bis 81; 82; 83; 84) einzeln gemessen wird und - die Größenverteilung der Teilchen und/oder die Teilchenkonzentration und/oder der Teilchenmassenstrom durch Auswerten der Änderungen der Spannung und/oder des Stromes und/oder des elektrischen Widerstandes der jeweiligen Elektrodenpaare (11; 12; 13; 14 bis 81; 82; 83; 84) bestimmt wird.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweils an den
Elektrodenpaaren (11; 12; 13; 14 bis 81; 82; 83; 84) angelegten Spannungen derart eingestellt sind, dass bei der zu erwartenden Teilchengrößenverteilung alle Elektrodenpaare im gleichen Zeitbereich Messergebnisse liefern und/oder regeneriert werden.
17. Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass
- wenn ein Gasstrom mit einer konstanten Geschwindigkeit vorliegt, die Spannung/en an den Elektrodenpaaren (11; 12; 13; 14 bis 81; 82; 83; 84) des Elektrodensystems konstant angelegt wird/werden oder
- wenn ein Gasstrom mit einer variablen Geschwindigkeit vorliegt, - die Messung mit konstant an den Elektrodenpaaren (11; 12; 13; 14 bis 81; 82;
83; 84) angelegten Spannungen durchgeführt und die Änderung der
Gasgeschwindigkeit als Korrekturfaktor in die Auswertung mit einbezogen wird oder
- die an den Elektrodenpaaren (11; 12; 13; 14 bis 81; 82; 83; 84) des Elektrodensystems angelegten Spannungen an die Änderung der
Gasgeschwindigkeit angepasst werden.
18. Verwendung eines erfindungsgemäßen Sensors nach einem der Ansprüche 1 bis 14 und/oder eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 15 bis 17 in einem Werkstattmessgerät zur Abgasuntersuchung oder in einem Messgerät zur Kontrolle der Luftqualität oder in Ruß-Partikel-Sensoren und/oder zur Überwachung der Betriebsweise eines Verbrennungsmotors oder einer Verbrennungsanlage und/oder zur Überwachung der Funktionsfähigkeit eines Partikelfilters und/oder zur Überwachung des Beladungszustandes eines Partikelfilters oder zur Überwachung von chemischen Herstellungsprozessen, Abluftanlagen und/oder
Abluftnachbehandlungsanlagen.
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