WO2018219606A1 - Elektrostatische partikelsensoreinheit mit haupt- und hilfselektroden - Google Patents

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WO2018219606A1
WO2018219606A1 PCT/EP2018/061911 EP2018061911W WO2018219606A1 WO 2018219606 A1 WO2018219606 A1 WO 2018219606A1 EP 2018061911 W EP2018061911 W EP 2018061911W WO 2018219606 A1 WO2018219606 A1 WO 2018219606A1
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WO
WIPO (PCT)
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electrode
sensor unit
main
electrodes
polarity
Prior art date
Application number
PCT/EP2018/061911
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English (en)
French (fr)
Inventor
Radoslav Rusanov
Niels Bode
Simon Genter
Imke Heeren
Andy Tiefenbach
Henrik Schittenhelm
Franziska Rohlfing
Daniel Krebs
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
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
    • G01N15/06—Investigating concentration of particle suspensions
    • G01N15/0656—Investigating concentration of particle suspensions using electric, e.g. electrostatic methods or magnetic methods
    • 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
    • G01N2015/0042—Investigating dispersion of solids
    • G01N2015/0046—Investigating dispersion of solids in gas, e.g. smoke

Definitions

  • Such a particle sensor unit is known from US 8,713,991 B2 and has a sensor unit and a control unit.
  • the sensor unit has at least one first main electrode which can be connected to a high-voltage source via a first current path and has a first polarity in the connected state.
  • the sensor unit also has a main electrode of a second polarity opposite to the first polarity.
  • the known particle sensor unit has a measuring chamber and a measuring chamber
  • At least one electrode pair having two electrodes is arranged in the measuring chamber.
  • the two electrodes are arranged opposite one another such that measuring gas flowing into the measuring gas inlet opening passes between both electrodes and along the two electrodes
  • the control unit has a high-voltage source connected to the electrodes, which generates an electrical voltage prevailing between the two electrodes.
  • the control unit has a current measuring device which measures an electric current flowing between the two electrodes and carried by charged particles or dendrites of particles.
  • Particle sensors are increasingly used for on-board diagnostics (OBD) of particle filters (DPF) of motor vehicles, especially in connection with internal combustion engines.
  • OBD on-board diagnostics
  • DPF particle filters
  • From DE 10 2006 029 215 A1 are working on a resistive principle sensors for measuring the Particle concentration known.
  • the resistive principle is based on the formation of conductive paths between two interdigital electrodes
  • the electrode current increases with a charge dependent on the soot charge
  • the rise time is used as a measure of the soot concentration.
  • the sensor is periodically regenerated by being brought to at least 700 ° C by an integral heating element which causes the soot deposits to burn.
  • the particle sensor known from US Pat. No. 8,713,991 B2 works according to an electrostatic principle with an arrangement of two electrodes. One of the two electrodes is at a high electrical potential (several kV), and the second electrode is grounded.
  • the sensor is designed so that sample gas laden with soot will bypass at least one electrode. In this case, soot deposits preferentially on the potential electrode. Due to the existing between the two electrodes electric field arise
  • Carbon black dendrites which preferentially grow along the field lines. As the growth progresses, the dendrites protrude ever further into the sample gas flowing past and thus undergo a fluid-dynamic force. At the same time, they experience an increasing electrical attraction force with increasing length, which is directed towards the counterelectrode and results from the potential difference between the two electrodes. If the sum of these forces reaches a critical value, the dendrites detach from the electrode. The then reached length of the dendrites, which can be regarded as critical length or tear length, depends on constant soot concentration u. a. from the electric field strength and the flow velocity of the measurement gas in the particle sensor.
  • Particle sensor units are used in particular for soot mass determination in the exhaust gas tract for monitoring diesel particle filters (DPF).
  • DPF diesel particle filters
  • a resistive principle particle sensor is used in series.
  • the sensor consists of a ceramic sensor element and a protective tube.
  • the ceramic sensor element has an electrode system which serves to measure the soot on the basis of its electrical conductivity.
  • a disadvantage of this measurement principle is that it is a collecting principle that does not allow real-time measurement with sufficient accuracy.
  • the sensor unit has at least one first auxiliary electrode, which via a second current path with a
  • High voltage source is connected and has the first polarity in the connected state, and that the sensor unit has at least a first auxiliary electrode of the second polarity.
  • the auxiliary electrodes allow a targeted control of the tearing off of the soot dendrites during the measuring phases of electrostatic
  • Particle sensor units by targeted switching on and off at least one additional electric field.
  • the operation takes place only with an orthogonal to the flow direction of the soot particles aligned electric field.
  • the soot particles are deflected depending on their polarity to the electrodes and grow there to dendrites.
  • These electrodes are referred to as main electrodes in this application.
  • an electric field is additionally applied in the flow direction in order to deliberately provoke the rupture.
  • Auxiliary electrodes are called. Here can for the main and
  • Auxiliary electrodes in each case both DC voltages and AC voltages are used to generate the electric fields.
  • the main electrodes may also be turned off during operation of the auxiliary electrodes.
  • the times for switching on the second electric field by means of the auxiliary electrodes may be periodic or event-driven, e.g. depending on specific operating conditions. This can be a controlled demolition of growing soot dendrites achieve.
  • the critical length of the dendrites, in which they detach from the electrode can be better controlled.
  • the control can be independent of the value of the applied current
  • the particle sensor unit is also suitable for use in exhaust systems of internal combustion engines of motor vehicles, in which in real vehicle operation very irregular fluctuations of
  • High voltage source an auxiliary high voltage source or the
  • Auxiliary electrodes (voltage in the kV range also depends on the distance between the two electrodes, for example 1 kV) can be used to generate the existing between the main electrodes high voltage (voltage in the kV range depending on the distance between the two electrodes, for example, 1 kV) existing main high voltage source be, if necessary with
  • an additional auxiliary high voltage source may be used to generate the high voltage between the auxiliary electrodes.
  • the signal evaluation is preferably done with a lock-in amplifier or other correlation method (between applied AC high voltage and the current signal between the electrodes) to achieve a better signal to noise ratio. This is done in particular after the connection of the electric field generated with the auxiliary electrodes. Combining with AC operation of the main and / or auxiliary electrodes may also be beneficial.
  • the at least one first auxiliary electrode which has the first polarity in the connected state, and the at least one first auxiliary electrode of the second polarity, are arranged between the two main electrodes.
  • each first auxiliary electrode having the first polarity in the connected state is located closer to the main electrode of the second polarity than the distance of the two main electrodes from each other at the main electrode, which is connectable via the first current path with the main voltage source.
  • each first auxiliary electrode of the second polarity be closer to each other with respect to the distance of the two main electrodes from each other
  • Main electrode which is connectable via the first current path with the main voltage source, as disposed on the main electrode of the second polarity.
  • the main electrode adjoining an auxiliary electrode has a polarity opposite to the polarity of the auxiliary electrode.
  • both first auxiliary electrodes in a prevailing in the operation of the particle sensor unit between the main electrodes
  • Flow direction of a sample gas are arranged at the same height.
  • Peak effect ie a locally compared to less strongly curved residual surfaces of the electrode greater electric field strength.
  • the electrical attraction which exerts the thus structured electrode on her counter-growing dendrites, locally increases. This improves the reproducibility of the tear events with which the Detach dendrites from the electrode to which they attach.
  • the tearing length decreases, resulting in a larger measurement signal, so that overall a larger and more accurate measurement signal for the entire
  • the locally higher field strengths favor the growth of the dendrites at exactly these positions.
  • the growth of the dendrites with respect to their location and number can be controlled, resulting in increased reproducibility of the sensor function.
  • Growth-promoting positions can also reduce the time it takes for a dendrite to grow. Use of any seed layers becomes obsolete. Furthermore, by structuring the
  • Electrode surface and the tearing mechanism of the dendrites are better controlled.
  • the dendrites growing thereon protrude into areas of higher flow velocities.
  • a higher flow velocity promotes the detachment of the dendrites, so that this already occurs at smaller critical lengths. This can increase the frequency with which measurement signals can be recorded. This also has a positive effect on the achievable sensitivity, i. Accuracy, off.
  • a preferred embodiment is characterized in that the other electrode likewise has at least one first partial area which has a greater curvature than remaining areas of the surface opposite the other electrode that are different from the first partial area.
  • Figure 1 shows an embodiment of a known particle sensor unit
  • FIG. 2 shows a more detailed embodiment of a particle sensor unit according to the invention, comprising main and first auxiliary electrodes;
  • FIG. 3 shows an embodiment of a further sensor electrode having particle sensor unit based on the subject matter of FIG. 2; and FIG. 4 shows an advantageous embodiment of main electrodes of a
  • Embodiment of a particle sensor unit according to the invention Embodiment of a particle sensor unit according to the invention.
  • Embodiments of the present invention will be described below with reference to a particulate sensor unit used as a particulate matter sensor unit.
  • the measuring gas is exhaust gas laden with soot particles in this use
  • the invention can also be used generally for measuring particle concentrations (not necessarily soot particles) in sample gases (not necessarily exhaust gas), for example for detecting dust concentrations.
  • sample gases not necessarily exhaust gas
  • FIG. 1 shows an exemplary embodiment of a particle sensor unit 10, which has a hollow-cylindrical outer electrode 12 and a hollow-cylindrical inner electrode 14. As far as shown in the figure 1, the
  • Particle sensor unit 10 is assumed to be known. The in the figure 1
  • the two hollow cylindrical electrodes 12, 14 are arranged concentrically to one another. Their dimensions are chosen so that a clear width between the outer electrode 12 and the Inner electrode 14 results.
  • Particle concentration in a flowing sample gas 16 is the
  • Particle sensor unit 10 is arranged so that the axes of the hollow cylindrical electrodes 12, 14 are aligned transversely to the flow direction of the measuring gas 16.
  • a measuring gas 16 facing away from the second end 22 of the outer electrode 12 projects beyond a measuring gas 16 facing the second end 24 of the inner electrode 14 also.
  • the sample gas 16 loaded with particles 43 enters the space 20 between the two electrodes 12, 14 at the first end 20 of the outer electrode 12, flows to the second end 24 of the inner electrode 14, and reverses Flow direction into the interior of the hollow cylindrical inner electrode 14 and via the first end 18 of the inner electrode 14 from the interior out in the at the first end 18 of the inner electrode 14 passing sample gas 16 a.
  • the electrodes 12, 14 are optionally in a not shown in the figure 1
  • Measuring chamber is provided, which is provided with holes, can enter the measuring gas in the measuring chamber and escape again.
  • a control unit 26 charges one of the two electrodes 12, 14, here the
  • Internal electrode 14 to a high electrical potential in the kV range.
  • the potential difference with respect to ground is in the range of 300V to 5 kV, in particular depending on the distance between the two electrodes, and is typically 1 kV, for example.
  • the other electrode, here the outer electrode 12 is electrically grounded.
  • the gap between the inner electrode 14 and the outer electrode 12 through which the measurement gas 16 flows is therefore filled by an electric field. From the positively charged inner electrode 12
  • the flow direction of the between the inner electrode 14 and the outer electrode 12 to flow Measuring gases 16 define an x-direction of a right-handed coordinate system. Then, y-directions of this coordinate system are respectively directed radially outward, and z-directions of this coordinate system are tangentially aligned. This direction can be used for an understanding of
  • Embodiments are also based on the other figures, without the invention being limited to such rotationally symmetrical embodiments.
  • FIG. 2 shows a more detailed exemplary embodiment of a particle sensor unit 10 having main and first auxiliary electrodes according to the invention
  • Particle sensor unit 10 has a sensor unit 28 and a control unit 30.
  • the two units 28, 30 are preferably electrically interconnected by a wiring harness 32, so that the control unit 30 may also be arranged spatially separated from the sensor unit 28.
  • the measurement gas 16 is exhaust gas of an internal combustion engine of a road vehicle.
  • the sensor unit 28 is then laterally projecting into an exhaust-carrying part of an exhaust line of the internal combustion engine, while the sensitive control unit 30 is arranged at a protected position of the motor vehicle.
  • the sensor unit 28 has at least one main electrode 34 of a first polarity and a main electrode 36 of a second polarity.
  • the second polarity is the opposite polarity to the first polarity. It is therefore negative if the first polarity is positive and vice versa.
  • the distribution of the polarities on the main electrodes 34, 36 may be static, so that the sensor unit 28 is operated with direct current (DC).
  • the polarity can also change, so that the sensor unit 28 is operated with alternating current (AC).
  • the positive main electrode 34 corresponds in one embodiment of the
  • Inner electrode 14 of Figure 1 and the negative main electrode 36 corresponds to This embodiment of the outer electrode 12 of Figure 1.
  • an electric field aligned transversely to the flow direction x of the measuring gas 16 prevailing between the main electrodes 34, 36 is established between the two main electrodes 34, 36.
  • the sensor unit 30 furthermore has at least one first auxiliary auxiliary electrode 38 and at least one first negative auxiliary electrode 40.
  • the exemplary embodiment illustrated in FIG. 2 has two first auxiliary positive electrodes 38 and two first negative auxiliary electrodes 40, without the invention being based on these
  • the number of the first positive auxiliary electrodes 38 thus corresponds to the number of the first negative auxiliary electrodes 40.
  • the number of the first positive auxiliary electrodes 38 may, however, also deviate from the number of the first negative auxiliary electrodes 40.
  • the at least one first auxiliary auxiliary electrode 38 and the at least one first negative auxiliary electrode 40 are arranged between the two main electrodes 34, 36.
  • the arrangement is characterized in that both
  • Auxiliary electrodes 38, 40 are arranged in the prevailing between the main electrodes 34, 36 flow direction x of the sample gas 16 at the same height, ie at the same first x-direction coordinate.
  • Each first auxiliary positive electrode 38 is located closer to the negative main electrode 36 than the positive main electrode 34 with respect to the distance of the two main electrodes 34, 36 from each other, that is, in the y direction.
  • Each first negative auxiliary electrode 40 is located closer to the positive main electrode 34 than the negative main electrode 36 with respect to the distance of the two main electrodes 34, 36 from each other, that is, in the y direction.
  • the arrangement is further preferably characterized in that the smallest distance of an auxiliary electrode (e.g., 38) from its closest one
  • Main electrode (eg 36) is smaller than its distance to the next adjacent auxiliary electrode (in this example 40) of opposite polarity.
  • the main electrode next to an auxiliary electrode (eg 38) (in this example: 36) has a polarity opposite to that of this auxiliary electrode.
  • Growth direction acting force can be increased and decreased by turning on and off the other electric field.
  • This effect is preferably used to selectively control a detachment of the dendrites 42 from the main electrodes 34, 36 by switching on and off the further electric field.
  • This correlation advantageously permits a conditioning of the current signal by lock in amplification or other signal correlation methods known to the person skilled in the art.
  • the control unit 30 shown in FIG. 2 has a
  • Main high voltage source 44 and an auxiliary high voltage source 46 a current measuring device 48, for example, an electrometer 48.1 and / or a measuring amplifier 48.2 high gain, an electronic
  • Control device 50 and various switches S1, S2, S3, which are actuated by the electronic control device 50.
  • switches S1, S2, S3, which are actuated by the electronic control device 50 One of the
  • Current measuring device 48 detected measurement signal is processed by the electronic control device 50 and provided at an output 52 of the control unit 30 as an output signal of the particle sensor unit 10.
  • the electronic control device 50 has a microprocessor 54 and a memory. In a first portion 56 of the memory program parts are stored, which are processed by the microprocessor 54 for controlling the switches S1, S2, S3. In a second portion 58 of the memory program parts are stored, which are processed by the microprocessor 54 for conditioning of the current signal by Lock In amplification or other signal correlation techniques.
  • the main high voltage source 44 is disposed between ground and the at least one positive main electrode 34 and connected via a first current path 60 to the at least one positive main electrode 34.
  • the current measuring device 48 and a first switch S1 are arranged, which is controlled by the microprocessor 54 and with which the first current path 60 for turning off the particle sensor unit 10 can be interrupted.
  • the first switch S1 is permanently closed. Notwithstanding illustration in FIG. 2, the current measuring device 48 is preferably between ground and the
  • High voltage source 44 is arranged.
  • a second switch S2 is arranged, which is controlled by the microprocessor 54 and with which the first current path 60 can be interrupted for switching off.
  • the negative main electrode 36 is permanently connected to ground.
  • the auxiliary high voltage source 46 is arranged between ground and the at least one positive auxiliary electrode 38 and connected via a second current path 62 to the at least one positive auxiliary electrode 38.
  • a third switch S3 is arranged, which is controlled by the microprocessor 54 and with which the second current path 62 to the positive auxiliary voltage electrode 38 can be closed and interrupted.
  • the third switch S3 is used to turn on and off the further electric field.
  • a first negative auxiliary electrode 40 is permanently connected to ground.
  • control unit 30 is configured to switch off the electric field generated via the main electrodes 34, 36 when the additional electric field is switched on.
  • the second switch S2 is preferably actuated and closed at the same time as the third switch S3, when the third switch S3 is opened, and opened when the third switch S3 is closed.
  • Control unit 30 configured to maintain the electric field generated via the main electrodes 34, 36 when the additional electric field is turned on. In this case, can be dispensed with the second switch S2.
  • the auxiliary electrodes 38, 40 are preferably realized as straight or curved rods running equidistant from the main electrodes 34, 36 or as closed rings.
  • Figure 3 shows a based on the subject of Figure 2
  • the sensor unit has at least one further positive auxiliary electrode 64 and at least one further negative auxiliary electrode 66 via the first positive auxiliary electrode 38 and first negative auxiliary electrode 40 already described in conjunction with FIG.
  • the exemplary embodiment illustrated in FIG. 3 has, in particular, two further positive auxiliary electrodes 64 and two further negative auxiliary electrodes 66, without the invention being fixed to this number.
  • the number of further positive auxiliary electrodes 64 thus corresponds to the number of further negative auxiliary electrodes 66.
  • the number of further positive auxiliary electrodes 64 can also deviate from the number of further negative auxiliary electrodes 66.
  • the further auxiliary electrodes 64, 66 are preferably realized as straight or curved rods running equidistant from the main electrodes 34, 36 or as closed rings.
  • Auxiliary electrode 64 and at least one further negative auxiliary electrode 66 are disposed between the two main electrodes 34 and 36.
  • the arrangement is characterized in that the further auxiliary electrodes 64, 66 in the flow direction x of the measurement gas 16 prevailing between the main electrodes 34, 36 are at the same height, ie at the same further x-direction coordinate at a distance in the x-direction to the first
  • Each additional positive auxiliary electrode 64 is located closer to the positive main electrode 34 than to the negative main electrode 36 with respect to the distance of the two main electrodes 34, 36 from each other, that is, in the y direction.
  • Each additional negative auxiliary electrode 66 is closer to the negative one relative to the distance of the two main electrodes 34, 36 from each other, ie in the y-direction
  • Main electrode 36 as disposed on the positive main electrode 34.
  • the arrangement is preferably further characterized in that the smallest distance between a further auxiliary electrode 64, 66 from the main electrode 34, 36 closest to it is smaller than its distance to the next adjacent auxiliary electrode 66, 64 of opposite polarity.
  • Sample gas next nearest first auxiliary electrode (in this example: 40) has the opposite polarity as the other auxiliary electrode (in this
  • Example 64 As a result, when the electrodes are switched on, a further electric field is formed between these auxiliary electrodes (in this example: 64, 40) whose field lines also have field line sections running parallel to the flow direction x of the measurement gas 16. This allows the in
  • an electric field which pulls the dendrites 42 counter to the flow direction x of the measurement gas 16
  • the strength of this fluid dynamic forces at least partially compensating field can be dynamically adapted to the current measurement gas flow velocity, which is known in the case of exhaust gas of an internal combustion engine of a motor vehicle as a measuring gas by other sensors arranged in the exhaust gas.
  • FIG. 4 shows an advantageous embodiment of main electrodes 34, 36 of an exemplary embodiment of a particle sensor unit according to the invention.
  • Main electrodes 34, 36 are characterized in that at least one of the two main electrodes 34, 36, in this case both main electrodes 34, 36, on its opposite the other main electrode 36, 34 facing surface is structured so that it has at least a first partial surface 68 which has a greater curvature than 68 different from the first part surface
  • the partial surface 68 is curved strongly convex.
  • the residual surfaces 70 have a weaker compared to the strong convex curvature concave curvature.
  • the two electrodes 34, 36 are arranged in the object of Figure 4 planar or radially-symmetrical to one another in the flow direction of the measuring gas in the middle constant distance A1 to each other.
  • a height d1 of the peaks or edges, with which the tips or edges protrude from the remaining surfaces 70, is only so large that between the two main electrodes
  • the structures can also be surface-shaped and projecting in the electric field, having a sharp edge structures on at least one electrode.
  • the arrangement of the main electrodes takes place in one at each
  • Embodiment in a manner in which results in an inlet and an outlet for the measuring gas flowing past the electrodes, so that a dendritic deposition of soot can take place on at least one of the main electrodes.
  • Main electrodes 34, 36 structured in this way favor one
  • soot in the form of dendrites 42 and growth of the dendrites 42 Due to the fact that the structuring elements in the form of the partial surfaces 68 take on significant dimensions with respect to the mean electrode spacing, e.g. 1/10 of the mean distance A1 between the main electrodes 34, 36, they influence the gas flow between the main electrodes 34, 36 targeted.
  • a normal component (with respect to the longitudinal extension of the main electrodes) of the sample gas flow and / or an increase in the measurement gas velocity in the vicinity of the partial surfaces in conjunction with the electrical peak effect can be achieved locally. This can be the growth and the
  • compound dendrites 42 are specifically influenced.
  • Electrode pair which is structured on its opposite surface facing the respective other electrode so that it has at least a first partial surface which has a greater curvature than the first surface different surface areas of the other electrode facing opposite surface, with each of the in this Registration featured number and arrangement of auxiliary electrodes are combined.

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Abstract

Vorgestellt wird eine Partikelsensoreinheit (10) mit einer Sensoreinheit (28) und einer Steuereinheit (30), wobei die die Sensoreinheit (28) wenigstens eine erste Hauptelektrode (34) aufweist, die über einen ersten Strompfad (60) mit einer Haupthochspannungsquelle (44) verbindbar ist und im verbundenen Zustand eine erste Polarität besitzt und wobei die Sensoreinheit (28) eine Hauptelektrode (36) einer zweiten Polarität aufweist, die zur ersten Polarität entgegengesetzt ist. Die Partikelsensoreinheit (10) zeichnet sich dadurch aus, dass die Sensoreinheit (28) wenigstens eine erste Hilfselektrode (38) aufweist, die über einen zweiten Strompfad (62) mit einer Hochspannungsquelle (46) verbindbar ist und im verbundenen Zustand die erste Polarität besitzt, und dass die Sensoreinheit (28) wenigstens eine erste Hilfselektrode (40) der zweiten Polarität aufweist.

Description

Beschreibung Titel
Elektrostatische Partikelsensoreinheit mit Haupt- und Hilfselektroden Stand der Technik Die vorliegende Erfindung betrifft eine Partikelsensoreinheit nach dem
Oberbegriff des Anspruchs 1. Eine solche Partikelsensoreinheit ist aus der US 8,713,991 B2 bekannt und weist eine Sensoreinheit und eine Steuereinheit auf. Die Sensoreinheit weist wenigstens eine erste Hauptelektrode auf, die über einen ersten Strompfad mit einer Hochspannungsquelle verbindbar ist und im verbundenen Zustand eine erste Polarität besitzt. Die Sensoreinheit weist auch eine Hauptelektrode einer zweiten Polarität auf, die zur ersten Polarität entgegengesetzt ist.
Die bekannte Partikelsensoreinheit weist eine Messkammer und eine
Steuereinheit auf, wobei die Messkammer wenigstens eine
Messgaseinlassöffnung und eine Messgasauslassöffnung aufweist. In der Messkammer ist wenigstens ein zwei Elektroden aufweisendes Elektrodenpaar angeordnet. Die zwei Elektroden sind einander gegenüberliegend so angeordnet, dass in die Messgaseinlassöffnung einströmendes Messgas zwischen beiden Elektroden hindurch und an den beiden Elektroden entlang zur
Messgasauslassöffnung strömt. Die Steuereinheit weist eine an die Elektroden angeschlossene Hochspannungsquelle auf, die eine zwischen den beiden Elektroden herrschende elektrische Spannung erzeugt. Die Steuereinheit weist eine Strommessvorrichtung auf, die einen zwischen den beiden Elektroden fließenden, durch geladene Partikel oder Dendriten aus Partikeln getragenen elektrischen Strom misst.
Partikelsensoren werden zunehmend zur On-Board Diagnostik (OBD) von Partikelfiltern (DPF) von Kraftfahrzeugen, insbesondere in Verbindung mit Verbrennungsmotoren eingesetzt. Aus der DE 10 2006 029 215 A1 sind nach einem resistiven Prinzip arbeitende Sensoren zur Messung der Partikelkonzentration bekannt. Das resistive Prinzip basiert auf der Entstehung von leitfähigen Pfaden aus sich zwischen zwei Interdigital-Elektroden
ablagernden Rußpartikeln. Beim Anlegen einer Spannung an die Elektroden steigt der Elektrodenstrom mit einer von der Rußbeladung abhängigen
Anstiegszeit bis zu einem Schwellenwert an. Die Anstiegszeit wird als Maß für die Rußkonzentration verwendet. Der Sensor wird periodisch regeneriert, in dem er durch ein integriertes Heizelement auf mindestens 700°C gebracht wird, wodurch die Rußablagerungen verbrennen.
Der aus der US 8,713,991 B2 bekannte Partikelsensor arbeitet nach einem elektrostatischen Prinzip mit einer Anordnung von zwei Elektroden. Eine der beiden Elektroden liegt auf einem hohen elektrischen Potenzial (mehrere kV), und die zweite Elektrode liegt auf Masse. Der Sensor ist so konstruiert, dass mit Ruß beladenes Messgas an wenigstens einer Elektrode vorbeifließt. Dabei lagert sich Ruß bevorzugt an der potenzialbehafteten Elektrode ab. Auf Grund des zwischen beiden Elektroden bestehenden elektrischen Feldes entstehen
Rußdendriten, die bevorzugt entlang der Feldlinien wachsen. Die Dendriten ragen bei fortschreitendem Wachstum immer weiter in das vorbeiströmende Messgas hinein und erfahren dadurch eine fluiddynamische Kraft. Gleichzeitig erfahren sie eine mit zunehmender Länge steigende elektrische Anziehungskraft, die zur Gegenelektrode gerichtet ist und sich aus der Potenzialdifferenz zwischen beiden Elektroden ergibt. Erreicht die Summe dieser Kräfte einen kritischen Wert, lösen sich die Dendriten von der Elektrode ab. Die dann erreichte Länge der Dendriten, die man auch als kritische Länge oder Abrisslänge betrachten kann, hängt bei konstanter Rußkonzentration u. a. von der elektrischen Feldstärke und der Strömungsgeschwindigkeit des Messgases in dem Partikelsensor ab.
Auf Grund der statischen Ladung der Rußpartikel, die sich durch ihren Kontakt mit der potenzialbehafteten Elektrode ergibt, fließt mit abreißendem Rußdendrit elektrische Ladung von der Elektrode ab. Um die zwischen den Elektroden herrschende Spannung konstant zu halten muss die abfließende Ladung in Form eines elektrischen Stroms zur Elektrode ersetzt werden. Dieser Strom dient als Messsignal. Auf Grund der sehr kleinen Stromstärken kommen empfindliche Geräte wie zum Beispiel ein Elektrometer oder ein Verstärker mit sehr hohem Verstärkungsfaktor zur Erfassung des Messsignals zum Einsatz. Nachteilig an diesem Prinzip ist, dass das Wachstum und insbesondere das Abreißen der Dendriten häufig in unregelmäßiger und undefinierter weise auftreten. Dieses Verhalten führt insbesondere bei den in der Regel instationären Betriebsbedingungen von Verbrennungsmotoren für Kraftfahrzeuge zu einer deutlichen Abnahme der Messgenauigkeit. Darüber hinaus wird die
Messgenauigkeit durch Querempfindlichkeiten z.B. gegenüber der
Messgasgeschwindigkeit oder der Temperatur weiter verschlechtert.
Partikelsensoreinheiten dienen insbesondere der Rußmassenbestimmung im Abgastrakt zur Überwachung von Diesel-Partikelfiltern (DPF). Ein nach einem resistiven Prinzip arbeitender Partikelsensor wird in Serie verwendet. Der Sensor besteht aus einem keramischen Sensorelement und einem Schutzrohr. Das keramische Sensorelement weist ein Elektrodensystem auf, das zur Messung des Rußes auf Basis von dessen elektrischer Leitfähigkeit dient. Nachteilig an diesem Messprinzip ist, dass es sich um ein sammelndes Prinzip handelt, das keine Echtzeitmessung mit hinreichender Genauigkeit erlaubt.
Offenbarung der Erfindung Die erfindungsgemäße Partikelsensoreinheit unterscheidet sich von diesem
Stand der Technik dadurch, dass die Sensoreinheit wenigstens eine erste Hilfselektrode aufweist, die über einen zweiten Strompfad mit einer
Hochspannungsquelle verbindbar ist und im verbundenen Zustand die erste Polarität besitzt, und dass die Sensoreinheit wenigstens eine erste Hilfselektrode der zweiten Polarität aufweist.
Die Hilfselektroden ermöglichen eine gezielte Steuerung des Abreißens der Rußdendriten während der Messphasen von elektrostatischen
Partikelsensoreinheiten durch gezieltes Einschalten und Ausschalten wenigstens eines zusätzlichen elektrischen Feldes. Zunächst erfolgt der Betrieb nur mit einem orthogonal zur Strömungsrichtung der Rußpartikel ausgerichteten elektrischen Feld. Somit werden die Rußpartikel abhängig von ihrer Polarität zu den Elektroden abgelenkt und wachsen dort zu Dendriten. Diese Elektroden werden in dieser Anmeldung als Hauptelektroden bezeichnet. Zu bestimmten Zeitpunkten wird zusätzlich ein elektrisches Feld in Strömungsrichtung angelegt, um gezielt das Abreißen zu provozieren. Hierbei kommen weitere, geeignet platzierte Elektroden/-paare zum Einsatz, die in dieser Anmeldung als
Hilfselektroden bezeichnet werden. Hierbei können für die Haupt- und
Hilfselektroden jeweils sowohl DC-Spannungen als auch AC-Spannungen zur Erzeugung der elektrischen Felder verwendet werden. Die Hauptelektroden können während des Betriebs der Hilfselektroden auch abgeschaltet werden. Die Zeitpunkte zum Einschalten des zweiten elektrischen Feldes mit Hilfe der Hilfselektroden können periodisch erfolgen oder ereignisgesteuert, z.B. abhängig von bestimmten Betriebsbedingungen. Damit lässt sich ein kontrolliertes Abreißen der wachsenden Ruß-Dendriten erzielen. Es ergibt sich weiter die Möglichkeit, die Signale nur bei bestimmten Zuständen, insbesondere nach dem Einschalten der Hilfselektroden mittels Lock-in-Verstärkung oder anderen Signalkorrelationsverfahren auszuwerten. Als Vorteil ergibt sich eine höhere Genauigkeit bei hoher zeitlicher Auflösung. Das erlaubt eine Signalauswertung im Echtzeitbetrieb, die eine nur kurze Integrationszeit erfordert, um eine bestimmte Genauigkeit zu erreichen
Durch die Verwendung der Hilfselektroden kann zum einen die kritische Länge der Dendriten, bei der sie sich von der Elektrode lösen, besser gesteuert werden Die Steuerung kann zum Beispiel unabhängig vom Wert der angelegten
Hochspannung und von der Strömungsgeschwindigkeit des Messgases sein. Daher ist die Partikelsensoreinheit auch für den Einsatz in Abgasanlagen von Verbrennungsmotoren von Kraftfahrzeugen geeignet, bei denen im realen Fahrzeugbetrieb sehr unregelmäßige Schwankungen der
Strömungsgeschwindigkeit des Messgases, hier des Abgases des
Verbrennungsmotors, auftreten.
Eine bevorzugte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass die
Hochspannungsquelle eine Hilfshochspannungsquelle oder die
Haupthochspannungsquelle ist.
Das gezielte Zuschalten eines weiteren, elektrischen Feldes mit einer ausreichend hohen Feldstärke in oder gegen die Strömungsrichtung zu bestimmten Zeitpunkten und für eine bestimmte Zeitdauer erlaubt eine gezielte Beeinflussung und Veränderung der stark von den dynamischen
Strömungsbedingungen im Messgas abhängigen Kräfte in Strömungsrichtung durch das zusätzliche, mit den Hilfselektroden generierte elektrische Feld, was beim Stand der Technik nicht möglich ist. Insbesondere lässt sich so das Abreißen der Dendriten gezielt steuern. Dies wirkt sich direkt auf die
Signalbildung und somit auf die Genauigkeit des Sensors aus, die sich so deutlich verbessern lässt.
Für die Bereitstellung der erforderlichen Hochspannung zwischen den
Hilfselektroden (Spannung im kV-Bereich abhängig auch vom Abstand der beiden Elektroden, beispielsweise 1 kV) kann die zur Erzeugung der zwischen den Hauptelektroden herrschenden Hochspannung (Spannung im kV-Bereich abhängig auch vom Abstand der beiden Elektroden, beispielsweise 1 kV) vorhandene Haupthochspannungsquelle verwendet werden, ggf. mit
zusätzlicher, nachgelagerter Signalbeeinflussung. Alternativ kann eine zusätzliche Hilfshochspannungsquelle zur Erzeugung der Hochspannung zwischen den Hilfselektroden verwendet werden.
Die Signalauswertung erfolgt vorzugsweise mit einem Lock-in-Verstärker oder anderen Korrelationsverfahren (zwischen angelegter AC-Hochspannung und dem Stromsignal zwischen den Elektroden), um ein besseres Signal to Noise Ratio zu erzielen. Dies erfolgt insbesondere nach dem Zuschalten des mit den Hilfselektroden generierten elektrischen Feldes. Eine Kombination mit AC-Betrieb der Haupt- und /oder Hilfselektrodenkann sich ebenfalls vorteilhaft auswirken.
Bevorzugt ist auch, dass die wenigstens eine erste Hilfselektrode, die im verbundenen Zustand die erste Polarität besitzt, und die wenigstens eine erste Hilfselektrode der zweiten Polarität zwischen den beiden Hauptelektroden angeordnet sind.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass beide erste Hilfselektroden in einer im Betrieb der Partikelsensoreinheit zwischen den Hauptelektroden herrschenden Strömungsrichtung eines Messgases auf gleicher
Höhe angeordnet sind.
Bevorzugt ist auch, dass jede erste Hilfselektrode, die im verbundenen Zustand die erste Polarität besitzt, in Bezug auf den Abstand der beiden Hauptelektroden voneinander näher an der Hauptelektrode der zweiten Polarität angeordnet ist als an der Hauptelektrode, die über den ersten Strompfad mit der Hauptspannungsquelle verbindbar ist.
Weiter ist bevorzugt, dass jede erste Hilfselektrode der zweiten Polarität in Bezug auf den Abstand der beiden Hauptelektroden voneinander näher an der
Hauptelektrode, die über den ersten Strompfad mit der Hauptspannungsquelle verbindbar ist, als an der Hauptelektrode der zweiten Polarität angeordnet ist.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass der kleinste Abstand einer Hilfselektrode von der ihr nächstliegenden Hauptelektrode kleiner ist als ihr Abstand zur nächstbenachbarten Hilfselektrode
entgegengesetzter Polarität.
Bevorzugt ist auch, dass die einer Hilfselektrode nächstbenachbarte Haupt- elektrode eine der Polarität der Hilfselektrode entgegengesetzte Polarität besitzt.
Weiter ist bevorzugt, dass beide erste Hilfselektroden in einer im Betrieb der Partikelsensoreinheit zwischen den Hauptelektroden herrschenden
Strömungsrichtung eines Messgases auf gleicher Höhe angeordnet sind.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass wenigstens eine der beiden Hauptelektroden eines Elektrodenpaars auf ihrer der jeweils anderen Elektrode zugewandt gegenüberliegenden Fläche so strukturiert ist, dass sie wenigstens eine erste Teilfläche aufweist, die eine stärkere
Krümmung aufweist als von der ersten Teilfläche verschiedene Restflächen der der anderen Elektrode zugewandt gegenüberliegenden Fläche.
Durch die lokal stärkere Krümmung, die als Spitze oder Kante in Erscheinung treten kann (beides kann mathematisch durch kleine Radien, d.h. starke
Krümmung beschrieben werden), ergibt sich dort der an sich bekannte Effekt der
Spitzenwirkung, also einer lokal im Vergleich zu weniger stark gekrümmten Restflächen der Elektrode größeren elektrischen Feldstärke.
Dadurch steigt auch die elektrische Anziehungskraft, die die so strukturierte Elektrode auf ihr entgegen wachsende Dendriten ausübt, lokal an. Dadurch verbessert sich die Reproduzierbarkeit der Abreissereignisse, mit denen sich die Dendriten von der Elektrode, an der sie anhaften, lösen. Außerdem verringert sich die Abrisslänge, was zu einem größeren Messsignal führt, so dass sich insgesamt ein größeres und genaueres Messsignal für das gesamte
Betriebskennfeld des Verbrennungsmotors ergibt.
Die lokal höheren Feldstärken begünstigen das Wachstum der Dendriten an genau diesen Positionen. Somit kann durch die Anzahl von Spitzen und Kanten und deren Positionierung das Wachstum der Dendriten in Bezug auf deren Ort und Anzahl gesteuert werden, was eine gesteigerte Reproduzierbarkeit der Sensorfunktion mit sich bringt. Durch die sich ergebenden
wachstumsbegünstigenden Positionen kann zudem die Zeit, bis ein Dendrit zu wachsen beginnt, verkürzt werden. Eine Verwendung von etwaigen Seed-Layern wird damit obsolet. Des Weiteren kann durch die Strukturierung der
Elektrodenoberfläche auch der Abreißmechanismus der Dendriten besser gesteuert werden. Abhängig von den Abmessungen der stärker gekrümmten ersten Teilflächen ragen die darauf wachsenden Dendriten in Bereiche mit höheren Strömungsgeschwindigkeiten. Eine höhere Strömungsgeschwindigkeit begünstigt das Ablösen der Dendriten, so dass dieses bereits bei kleineren kritischen Längen auftritt. Dadurch kann die Frequenz, mit der Messsignale aufgenommen werden können, gesteigert werden. Dies wirkt sich auch positiv auf die erreichbare Empfindlichkeit, d.h. Genauigkeit, aus.
Eine bevorzugte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass die andere Elektrode ebenfalls wenigstens eine erste Teilfläche aufweist, die eine stärkere Krümmung aufweist als von der ersten Teilfläche verschiedene Restflächen der der anderen Elektrode gegenüberliegende Fläche.
Weitere Vorteile ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der
Beschreibung und den beigefügten Figuren.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Dabei bezeichnen gleiche Bezugszeichen in verschiedenen Figuren jeweils gleiche oder zumindest ihrer Funktion nach vergleichbare Elemente. Es zeigen, jeweils in schematischer Form:
Figur 1 ein Ausführungsbeispiel einer bekannten Partikelsensoreinheit;
Figur 2 ein detaillierteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen, Haupt- und erste Hilfselektroden aufweisenden Partikelsensoreinheit;
Figur 3 ein auf dem Gegenstand der Figur 2 basierendes Ausführungsbeispiel einer weitere Hilfselektroden aufweisenden Partikelsensoreinheit; und Figur 4 eine vorteilhafte Ausgestaltung von Hauptelektroden eines
Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Partikelsensoreinheit.
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezug auf eine als Rußpartikelsensoreinheit verwendete Partikelsensoreinheit beschrieben. Das Messgas ist bei dieser Verwendung mit Rußpartikeln beladenes Abgas eines
Verbrennungsprozesses. Die Erfindung ist aber auch allgemein zur Messung von Partikelkonzentrationen (nicht notwendigerweise Rußpartikel) in Messgasen (nicht notwendigerweise Abgas) verwendbar, zum Beispiel zur Erfassung von Staubkonzentrationen. Bei der Beschreibung einzelner Figuren wird ggf. auch auf Elemente aus anderen Figuren Bezug genommen.
Figur 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Partikelsensoreinheit 10, die eine hohlzylindrische Außenelektrode 12 und eine hohlzylindrische Innenelektrode 14 aufweist. Soweit wie sie in der Figur 1 dargestellt ist, wird die
Partikelsensoreinheit 10 als bekannt vorausgesetzt. Die in der Figur 1
dargestellten Merkmale sind aber auch bei bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung verwirklicht, so dass die Beschreibung der Figur 1 in Verbindung mit der Beschreibung der übrigen Figuren auch als Beschreibung von Teilen von Ausführungsbeispielen zu sehen ist. Die beiden hohlzylindrischen Elektroden 12, 14 sind konzentrisch zueinander angeordnet. Ihre Abmessungen sind so gewählt, dass sich eine lichte Weite zwischen der Außenelektrode 12 und der Innenelektrode 14 ergibt. Bei der Verwendung zur Messung der
Partikelkonzentration in einem strömenden Messgas 16 wird die
Partikelsensoreinheit 10 so angeordnet, dass die Achsen der hohlzylindrischen Elektroden 12, 14 quer zur Strömungsrichtung des Messgases 16 ausgerichtet sind. Ein dem vorbeiströmenden Messgas 16 zugewandtes erstes Ende 18 der Innenelektrode 14 ragt über ein dem vorbeiströmenden Messgas 16
zugewandtes erstes Ende 20 der Außenelektrode 12 hinaus. Ein dem Messgas 16 abgewandtes zweites Ende 22 der Außenelektrode 12 ragt über ein dem Messgas 16 zugewandtes zweites Ende 24 der Innenelektrode 14 hinaus.
Bei dieser Anordnung tritt das mit Partikeln 43 beladene Messgas 16 am ersten Ende 20 der Außenelektrode 12 in den sich durch die lichte Weite ergebenden Zwischenraum zwischen den beiden Elektroden 12, 14 ein, strömt zum zweiten Ende 24 der Innenelektrode 14, tritt dort unter Umkehr seiner Strömungsrichtung in den Innenraum der hohlzylindrischen Innenelektrode 14 ein und über das erste Ende 18 der Innenelektrode 14 aus dem Innenraum heraus in das am ersten Ende 18 der Innenelektrode 14 vorbeiströmende Messgas 16 ein. Die Elektroden 12, 14 sind gegebenenfalls in einer in der Figur 1 nicht dargestellten
Messkammer angeordnet, die mit Löchern versehen ist, über die Messgas in die Messkammer eintreten und wieder austreten kann.
Eine Steuereinheit 26 lädt eine der beiden Elektroden 12, 14, hier die
Innenelektrode 14, auf ein hohes elektrisches Potenzial im kV-Bereich auf. Der Potenzialunterschied zu Masse liegt im Bereich 300V bis 5kV abhängig insbesondere vom Abstand der beiden Elektroden, und beträgt zum Beispiel typischerweise 1 kV. Die andere Elektrode, hier die Außenelektrode 12, liegt elektrisch auf Masse. Der von dem Messgas 16 durchströmte Zwischenraum zwischen der Innenelektrode 14 und der Außenelektrode 12 ist daher von einem elektrischen Feld erfüllt. Von der positiv geladenen Innenelektrode 12
abreißende, positiv geladene Dendriten transportieren elektrische Ladung zur auf
Masse liegenden Außenelektrode 12. Der sich dadurch zwischen den Elektroden 12, 14 einstellende elektrische Strom bildet die Rußpartikelkonzentration im Messgas 16 ab.
Für die in der Figur 1 dargestellte Anordnung soll die Strömungsrichtung des zwischen der Innenelektrode 14 und der Außenelektrode 12 strömenden Messgases 16 eine x-Richtung eines rechtshändigen Koordinatensystems definieren. Dann sind y-Richtungen dieses Koordinatensystems jeweils radial auswärts gerichtet, und z-Richtungen dieses Koordinatensystems sind tangential ausgerichtet. Diese Richtungsübereinkunft kann für ein Verständnis der
Ausführungsbeispiele auch den anderen Figuren zu Grunde gelegt werden, ohne dass die Erfindung auf solche rotationsymmetrische Ausgestaltungen beschränkt ist.
Figur 2 zeigt ein detaillierteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen, Haupt- und erste Hilfselektroden aufweisenden Partikelsensoreinheit 10. Die
Partikelsensoreinheit 10 weist eine Sensoreinheit 28 und eine Steuereinheit 30 auf. Die beiden Einheiten 28, 30 sind bevorzugt durch einen Kabelbaum 32 elektrisch miteinander verbunden, so dass die Steuereinheit 30 auch räumlich getrennt von der Sensoreinheit 28 angeordnet sein kann. Bei einer bevorzugten Anwendung der Erfindung ist das Messgas 16 Abgas eines Verbrennungsmotors eines Straßenkraftfahrzeuges. Die Sensoreinheit 28 ist dann seitlich in einen abgasführenden Teil eines Abgasstrangs des Verbrennungsmotors hineinragend angeordnet, während die empfindlichere Steuereinheit 30 an einer geschützteren Stelle des Kraftfahrzeuges angeordnet ist.
Im Betrieb der Sensoreinheit 28 weist diese wenigstens eine Hauptelektrode 34 einer ersten Polarität und eine Hauptelektrode 36 einer zweiten Polarität auf. Die zweite Polarität ist die zur ersten Polarität entgegengesetzte Polarität. Sie ist also negativ, wenn die erste Polarität positiv ist, und umgekehrt.
Die Verteilung der Polaritäten auf die Hauptelektroden 34, 36 kann statisch sein, so dass die Sensoreinheit 28 mit Gleichstrom (DC) betrieben wird. Die Polarität kann auch wechseln, so dass die Sensoreinheit 28 mit Wechselstrom (AC) betrieben wird.
In der folgenden Beschreibung wird die erste Polarität aus Gründen der
Lesbarkeit mit der elektrisch positiven Polarität gleichgesetzt. Dies ist aber nicht als Beschränkung auf die aus dieser Gleichsetzung resultierende Polarität zu verstehen. Die Polarität der Elektroden kann auch jeweils umgekehrt sein.
Die positive Hauptelektrode 34 entspricht in einem Ausführungsbeispiel der
Innenelektrode 14 der Figur 1 , und die negative Hauptelektrode 36 entspricht in diesem Ausführungsbeispiel der Außenelektrode 12 der Figur 1 . Durch Erzeugen einer elektrischen Spannung zwischen diesen beiden Hauptelektroden 34, 36 stellt sich zwischen den beiden Hauptelektroden 34, 36 ein quer zur zwischen den Hauptelektroden 34, 36 herrschenden Strömungsrichtung x des Messgases 16 ausgerichtetes elektrisches Feld ein.
Die Sensoreinheit 30 weist ferner wenigstens eine erste positive Hilfselektrode 38 und wenigstens eine erste negative Hilfselektrode 40 auf. Das in der Figur 2 dargestellte Ausführungsbeispiel weist zwei erste positive Hilfselektroden 38 und zwei erste negative Hilfselektroden 40 auf, ohne dass die Erfindung auf diese
Anzahlen festgelegt ist. Die Zahl der ersten positiven Hilfselektroden 38 entspricht damit der Zahl der ersten negativen Hilfselektroden 40. Die Zahl der ersten positiven Hilfselektroden 38 kann aber auch von der Zahl der ersten negativen Hilfselektroden 40 abweichen.
Die wenigstens eine erste positive Hilfselektrode 38 und die wenigstens eine erste negative Hilfselektrode 40 sind zwischen den beiden Hauptelektroden 34, 36 angeordnet. Die Anordnung zeichnet sich dadurch aus, dass beide
Hilfselektroden 38, 40 in der zwischen den Hauptelektroden 34, 36 herrschenden Strömungsrichtung x des Messgases 16 auf gleicher Höhe, also bei der gleichen ersten x-Richtungskoordinate angeordnet sind.
Jede erste positive Hilfselektrode 38 ist in Bezug auf den Abstand der beiden Hauptelektroden 34, 36 voneinander, also in y-Richtung, näher an der negativen Hauptelektrode 36 als an der positiven Hauptelektrode 34 angeordnet.
Jede erste negative Hilfselektrode 40 ist in Bezug auf den Abstand der beiden Hauptelektroden 34, 36 voneinander, also in y-Richtung, näher an der positiven Hauptelektrode 34 als an der negativen Hauptelektrode 36 angeordnet.
Die Anordnung zeichnet sich bevorzugt weiter dadurch aus, dass der kleinste Abstand einer Hilfselektrode (z.B. 38) von der ihr nächstliegenden
Hauptelektrode (z.B. 36) kleiner ist als ihr Abstand zur nächstbenachbarten Hilfselektrode (in diesem Beispiel 40) entgegengesetzter Polarität. Die einer Hilfselektrode (z.B. 38) nächstbenachbarte Hauptelektrode (in diesem Beispiel: 36) besitzt eine der Polarität der dieser Hilfselektrode entgegengesetzte Polarität. Als Folge bildet sich bei eingeschalteten Elektroden zwischen dieser Hilfselektrode und dieser Hauptelektrode ein weiteres elektrisches Feld aus, dessen Feldlinien auch zur Strömungsrichtung x des Messgases parallel verlaufende Feldlinienabschnitte aufweisen. Dadurch kann die in
Strömungsrichtung x des Messgases 16 auf die geladenen und an den
Hauptelektroden 34, 36 anhaftenden Dendriten 42 quer zu ihrer
Wachstumsrichtung wirkende Kraft durch Einschalten und Ausschalten des weiteren elektrischen Feldes vergrößert und verkleinert werden.
Dieser Effekt wird bevorzugt dazu verwendet, eine Ablösung der Dendriten 42 von den Hauptelektroden 34, 36 durch das Einschalten und Ausschalten des weiteren elektrischen Feldes gezielt zu steuern. Dadurch ergibt sich eine Korrelation zwischen Signalen, die das Einschalten und Ausschalten des weiteren elektrischen Feldes steuern, und dem durch das Ablösen der Dendriten 42 erzeugten Stromsignal. Diese Korrelation erlaubt vorteilhafterweise eine Aufbereitung des Stromsignals durch Lock In Verstärkung oder andere, dem Fachmann bekannte Signalkorrelationsverfahren.
Die in der Figur 2 dargestellte Steuereinheit 30 weist eine
Haupthochspannungsquelle 44 und eine Hilfshochspannungsquelle 46, eine Strommessvorrichtung 48, beispielsweise ein Elektrometer 48.1 und/oder einen Messverstärker 48.2 mit hohem Verstärkungsfaktor, eine elektronische
Steuereinrichtung 50 und verschiedene Schalter S1 , S2, S3 auf, die von der elektronischen Steuereinrichtung 50 betätigt werden. Ein von der
Strommesseinrichtung 48 erfasstes Messsignal wird von der elektronischen Steuereinrichtung 50 aufbereitet und an einem Ausgang 52 der Steuereinheit 30 als Ausgangssignal der Partikelsensoreinheit 10 bereitgestellt.
Die elektronische Steuereinrichtung 50 weist einen Mikroprozessor 54 und einen Speicher auf. In einem ersten Teilbereich 56 des Speichers sind Programmteile gespeichert, die vom Mikroprozessor 54 zur Steuerung der Schalter S1 , S2, S3 abgearbeitet werden. In einem zweiten Teilbereich 58 des Speichers sind Programmteile gespeichert, die vom Mikroprozessor 54 zur Aufbereitung des Stromsignals durch Lock In Verstärkung oder andere Signalkorrelationstechniken abgearbeitet werden.
Die Haupthochspannungsquelle 44 ist zwischen Masse und der wenigstens einen positiven Hauptelektrode 34 angeordnet und über einen ersten Strompfad 60 mit der wenigstens einen positiven Hauptelektrode 34 verbunden. In dem ersten Strompfad 60 sind die Strommessvorrichtung 48 und ein erster Schalter S1 angeordnet, der von dem Mikroprozessor 54 gesteuert wird und mit dem der erste Strompfad 60 zum Ausschalten der Partikelsensoreinheit 10 unterbrochen werden kann. Während des Betriebs der Partikelsensoreinheit 10 ist der erste Schalter S1 permanent geschlossen. Abweichend von Darstellung in Fig. 2 ist die Strommessvorichtung 48 bevorzugt zwischen Masse und der
Hochspannungsquelle 44 angeordnet.
Als Option ist in dem ersten Strompfad 60 ein zweiter Schalter S2 angeordnet, der von dem Mikroprozessor 54 gesteuert wird und mit dem der erste Strompfad 60 zum Ausschalten unterbrochen werden kann. Die negative Hauptelektrode 36 ist permanent mit Masse verbunden.
Die Hilfshochspannungsquelle 46 ist zwischen Masse und der wenigstens einen positiven Hilfselektrode 38 angeordnet und über einen zweiten Strompfad 62 mit der wenigstens einen positiven Hilfselektrode 38 verbunden.
In dem zweiten Strompfad 62 ist ein dritter Schalter S3 angeordnet, der von dem Mikroprozessor 54 gesteuert wird und mit dem der zweite Strompfad 62 zur positiven Hilfsspannungselektrode 38 geschlossen und unterbrochen werden kann. Der dritte Schalter S3 dient zum Einschalten und Ausschalten des weiteren elektrischen Feldes. Eine erste negative Hilfselektrode 40 ist permanent mit Masse verbunden.
In einer Ausgestaltung des Gegenstands der Figur 2 ist die Steuereinheit 30 dazu eingerichtet, das über die Hauptelektroden 34, 36 erzeugte elektrische Feld abzuschalten, wenn das weitere elektrische Feld eingeschaltet wird. Die
Abschaltung erfolgt mit dem zweiten Schalter S2. Dabei wird der zweite Schalter S2 bevorzugt zeitgleich mit dem dritten Schalter S3 betätigt und geschlossen, wenn der dritte Schalter S3 geöffnet wird, und geöffnet, wenn der dritte Schalter S3 geschlossen wird.
In einer weiteren Ausgestaltung des Gegenstands der Figur 2 ist die
Steuereinheit 30 dazu eingerichtet, das über die Hauptelektroden 34, 36 erzeugte elektrische Feld aufrechtzuerhalten, wenn das weitere elektrische Feld eingeschaltet wird. In diesem Fall kann auf den zweiten Schalter S2 verzichtet werden. Die Hilfselektroden 38, 40 sind bevorzugt als äquidistant zu den Hauptelektroden 34, 36 verlaufende gerade oder gekrümmte Stäbe oder als geschlossene Ringe verwirklicht.
Figur 3 zeigt ein auf dem Gegenstand der Figur 2 basierendes
Ausführungsbeispiel einer weitere Hilfselektroden aufweisenden
Partikelsensoreinheit. Dabei weist die Sensoreinheit über die bereits in der Verbindung mit der Figur 2 beschriebene erste positive Hilfselektrode 38 und erste negative Hilfselektrode 40 hinaus wenigstens eine weitere positive Hilfselektrode 64 und wenigstens eine weitere negative Hilfselektrode 66 auf. Das in der Figur 3 dargestellte Ausführungsbeispiel weist insbesondere zwei weitere positive Hilfselektroden 64 und zwei weitere negative Hilfselektroden 66 auf, ohne dass die Erfindung auf diese Anzahl festgelegt ist. Die Zahl der weiteren positiven Hilfselektroden 64 entspricht damit der Zahl der weiteren negativen Hilfselektroden 66. Die Zahl der weiteren positiven Hilfselektroden 64 kann aber auch von der Zahl der weiteren negativen Hilfselektroden 66 abweichen.
Die weiteren Hilfselektroden 64, 66 sind bevorzugt als äquidistant zu den Hauptelektroden 34, 36 verlaufende gerade oder gekrümmte Stäbe oder als geschlossene Ringe verwirklicht. Die wenigstens eine weitere positive
Hilfselektrode 64 und wenigstens eine weitere negative Hilfselektrode 66 sind zwischen den beiden Hauptelektroden 34 und 36 angeordnet. Die Anordnung zeichnet sich dadurch aus, dass die weiteren Hilfselektroden 64, 66 in der zwischen den Hauptelektroden 34, 36 herrschenden Strömungsrichtung x des Messgases 16 auf gleicher Höhe, also bei der gleichen weiteren x- Richtungskoordinate in einem Abstand in x-Richtung zu den ersten
Hilfselektroden 38, 40 angeordnet sind. Jede weitere positive Hilfselektrode 64 ist in Bezug auf den Abstand der beiden Hauptelektroden 34, 36 voneinander, also in y-Richtung, näher an der positiven Hauptelektrode 34 als an der negativen Hauptelektrode 36 angeordnet. Jede weitere negative Hilfselektrode 66 ist in Bezug auf den Abstand der beiden Hauptelektroden 34, 36 voneinander, also in y-Richtung, näher an der negativen
Hauptelektrode 36 als an der positiven Hauptelektrode 34 angeordnet.
Die Anordnung zeichnet sich bevorzugt weiter dadurch aus, dass der kleinste Abstand einer weiteren Hilfselektrode 64, 66 von der ihr nächstliegenden Hauptelektrode 34, 36 kleiner ist als ihr Abstand zur nächstbenachbarten weiteren Hilfselektrode 66, 64 entgegengesetzter Polarität.
Die einer weiteren Hilfselektrode (z.B. 64) in Strömungsrichtung x des
Messgases nächstbenachbarte erste Hilfselektrode (in diesem Beispiel: 40) besitzt die entgegengesetzte Polarität wie die weitere Hilfselektrode (in diesem
Beispiel 64). Als Folge bildet sich bei eingeschalteten Elektroden zwischen diesen Hilfselektroden (in diesem Beispiel: 64, 40) ein weiteres elektrisches Feld aus, dessen Feldlinien auch zur Strömungsrichtung x des Messgases 16 parallel verlaufende Feldlinienabschnitte aufweisen. Dadurch kann die in
Strömungsrichtung x des Messgases 16 auf die geladenen und an den
Hauptelektroden 34, 36 anhaftenden Dendriten 42 quer zu deren
Wachstumsrichtung wirkende Kraft durch Einschalten und Ausschalten des weiteren elektrischen Feldes vergrößert und verkleinert werden. Dieser Effekt erlaubt eine gezielte Steuerung der Ablösung von Dendriten 42 von den Hauptelektroden 34, 36 durch das Einschalten und Ausschalten des weiteren elektrischen Feldes. Wie bereits erwähnt, ergibt sich dadurch eine Korrelation zwischen Signalen, die das Einschalten und Ausschalten des weiteren elektrischen Feldes steuern, und dem durch das Ablösen der Dendriten 42 erzeugten Stromsignal. Diese Korrelation erlaubt vorteilhafterweise eine
Aufbereitung des Stromsignals durch Lock In Verstärkung oder andere, dem Fachmann bekannte Signalkorrelationsverfahren.
Gegenüber dem Ausführungsbeispiel nach Figur 2, bei dem keine weiteren positiven Hilfselektroden und weiteren negativen Hilfselektroden vorhanden sind, ergibt sich beim Ausführungsbeispiel nach der Figur 3 bei eingeschalteten Hilfselektroden eine größere Feldstärke in der zwischen den Hauptelektroden 34, 36 herrschenden Strömungsrichtung x des Messgases, was die gezielt gesteuerte Ablösung durch erhöhte elektrostatische Kräfte begünstigt und damit eine weitere Verbesserung der Reproduzierbarkeit des Messsignals und eine weitere Verbesserung des Signal to Noise Ratio erlaubt.
In einer weiteren Ausführung kann durch Hilfselektroden, wie sie in der Figur 3 angeordnet sind, aber mit veränderter Polarität gepolt sind, ein elektrisches Feld erzeugt werden, das die Dendriten 42 entgegen der Strömungsrichtung x des Messgases 16 zieht. Die Stärke dieses die fluiddynamischen Kräfte zumindest teilweise kompensierenden Feldes kann dynamisch an die aktuelle Messgas- Strömungsgeschwindigkeit angepasst werden, die für den Fall von Abgas eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs als Messgas durch andere im Abgas angeordnete Sensoren bekannt ist. Damit lässt sich der Einfluss der Strömung auf das Abreißen der Dendriten 42 zeitweise reduzieren bzw. eliminieren. Durch dieses Verfahren lässt sich der Abreißzeitpunkt der Dendriten 42 noch besser steuern.
Figur 4 zeigt eine vorteilhafte Ausgestaltung von Hauptelektroden 34, 36 eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Partikelsensoreinheit. Die
Hauptelektroden 34, 36 zeichnen sich dadurch aus, dass wenigstens eine der beiden Hauptelektroden 34, 36, hier beide Hauptelektroden 34, 36, auf ihrer der jeweils anderen Hauptelektrode 36, 34 zugewandt gegenüberliegenden Fläche so strukturiert ist, dass sie wenigstens eine erste Teilfläche 68 aufweist, die eine stärkere Krümmung aufweist als von der ersten Teilfläche 68 verschiedene
Restflächen 70 der der anderen Hauptelektrode zugewandt gegenüberliegenden Fläche. Die stärkere Krümmung zeigt sich in der Figur 4 darin, dass die ersten Teilflächen 68 jeweils eine Spitze oder eine Kante aufweisen. Eine solche Spitze stellt ein Beispiel einer starken konvexen Krümmung dar (Spitzen sind mathematisch als konvexe Krümmungen mit kleinen Krümmungsradien beschreibbar. Eine Kante ergibt sich zum Beispiel durch senkrecht zur
Zeichnungsebene erfolgendes Extrudieren der Spitze. Im unmittelbaren Bereich der Spitze ist die Teilfläche 68 stark konvex gekrümmt. Die Restflächen 70 weisen eine im Vergleich zu der starken konvexen Krümmung schwächere konkave Krümmung auf. Die beiden Elektroden 34, 36 sind beim Gegenstand der Figur 4 planar oder radial-symmetrisch zueinander mit in Strömungsrichtung des Messgases im Mittel gleichbleibendem Abstand A1 zueinander angeordnet. Eine Höhe d1 der Spitzen oder Kanten, mit der die Spitzen oder Kanten aus den Restflächen 70 herausragen, ist nur so groß, dass sich bei der zwischen beiden Hauptelektroden
34, 36 liegenden elektrischen Spannung keine elektrischen Überschläge ergeben. Alternativ zur Strukturierung der Elektrodenoberfläche(n) in Form von Spitzen können die Strukturen auch flächig ausgeprägte und in das elektrische Feld ragende, eine scharfe Kante aufweisende Strukturen auf wenigstens einer Elektrode sein. Die Anordnung der Hauptelektroden erfolgt in einer bei jedem
Ausführungsbeispiel in einer Art und Weise, bei der sich ein Einlass und ein Auslass für das an den Elektroden vorbeiströmende Messgas ergibt, sodass eine dendritische Ablagerung von Ruß auf wenigstens einer der Hauptelektroden erfolgen kann.
Auf diese Weise strukturierte Hauptelektroden 34, 36 begünstigen eine
Rußablagerung in Form von Dendriten 42 und ein Wachstum der Dendriten 42. Dadurch, dass die Strukturierungselemente in Form der Teilflächen 68 in Bezug zum mittleren Elektrodenabstand signifikante Ausmaße annehmen, z.B. 1/10 des mittleren Abstandes A1 zwischen den Hauptelektroden 34, 36, beeinflussen sie die Gasströmung zwischen den Hauptelektroden 34, 36 gezielt. Damit lässt sich zum Beispiel lokal eine Normalkomponente (in Bezug auf die Längserstreckung der Hauptelektroden) der Messgasströmung und/oder eine Erhöhung der Messgasgeschwindigkeit in der Umgebung der Teilflächen in Verbindung mit der elektrischen Spitzenwirkung erzielen. Damit kann das Wachstum und das
Ablöseverhalten der aus Partikeln, insbesondere Rußpartikeln 43
zusammengesetzten Dendriten 42 gezielt beeinflusst werden.
Eine Hauptelektrode 34 oder 36 oder auch beide Hauptelektroden eines
Elektrodenpaars, die auf ihrer der jeweils anderen Elektrode zugewandt gegenüberliegenden Fläche so strukturiert ist, dass sie wenigstens eine erste Teilfläche aufweist, die eine stärkere Krümmung aufweist als von der ersten Teilfläche verschiedene Restflächen der der anderen Elektrode zugewandt gegenüberliegenden Fläche, können mit jeder der in dieser Anmeldung vorgestellten Zahl und Anordnung von Hilfselektroden kombiniert werden.

Claims

Ansprüche
1 . Partikelsensoreinheit (10) mit einer Sensoreinheit (28) und einer
Steuereinheit (30), wobei die Sensoreinheit (28) wenigstens eine erste Hauptelektrode (34) aufweist, die über einen ersten Strompfad (60) mit einer Haupthochspannungsquelle (44) verbindbar ist und im verbundenen Zustand eine erste Polarität besitzt und wobei die Sensoreinheit (28) eine
Hauptelektrode (36) einer zweiten Polarität aufweist, die zur ersten Polarität entgegengesetzt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinheit (28) wenigstens eine erste Hilfselektrode (38) aufweist, die über einen zweiten Strompfad (62) mit einer Hochspannungsquelle (46) verbindbar ist und im verbundenen Zustand die erste Polarität besitzt, und dass die Sensoreinheit (28) wenigstens eine erste Hilfselektrode (40) der zweiten Polarität aufweist.
2. Partikelsensoreinheit (10) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Hochspannungsquelle eine Hilfshochspannungsquelle (46) oder die Haupthochspannungsquelle (44) ist.
3. Partikelsensoreinheit (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine erste Hilfselektrode (38), die im verbundenen Zustand die erste Polarität besitzt, und die wenigstens eine erste Hilfselektrode (40) der zweiten Polarität zwischen den beiden Hauptelektroden (34, 36) angeordnet sind.
4. Partikelsensoreinheit (10) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass beide erste Hilfselektroden (38, 40) in einer im Betrieb der
Partikelsensoreinheit (10) zwischen den Hauptelektroden (34, 36) herrschenden Strömungsrichtung (x) eines Messgases (26) auf gleicher Höhe angeordnet sind.
5. Partikelsensoreinheit (10) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass jede erste Hilfselektrode (38), die im verbundenen Zustand die erste Polarität besitzt, in Bezug auf den Abstand der beiden Hauptelektroden (34, 36) voneinander näher an der Hauptelektrode (36) der zweiten Polarität angeordnet ist als an der Hauptelektrode (34), die über den ersten
Strompfad (60) mit der Haupthochspannungsquelle (44) verbindbar ist.
6. Partikelsensoreinheit (10) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass jede erste Hilfselektrode (40) der zweiten Polarität in Bezug auf den Abstand der beiden Hauptelektroden (34, 36) voneinander näher an der Hauptelektrode (34), die über den ersten Strompfad (60) mit der Hauptspannungsquelle (44) verbindbar ist, als an der Hauptelektrode
(36) der zweiten Polarität angeordnet ist.
7. Partikelsensoreinheit (10) nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, dass der kleinste Abstand einer Hilfselektrode (38, 40, 64, 66) von der ihr nächstliegenden Hauptelektrode (36, 38) kleiner ist als ihr
Abstand zur nächstbenachbarten Hilfselektrode (40, 38, 66, 64)
entgegengesetzter Polarität.
8. Partikelsensoreinheit (10) nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, dass die einer ersten Hilfselektrode (38) nächstbenachbarte
Hauptelektrode (36) eine der Polarität der ersten Hilfselektrode (38) entgegengesetzte Polarität besitzt.
9. Partikelsensoreinheit (10) nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch
gekennzeichnet, dass beide erste Hilfselektroden (38, 40) in einer im Betrieb der Partikelsensoreinheit (10) zwischen den Hauptelektroden (34, 36) herrschenden Strömungsrichtung (x) eines Messgases (16) auf gleicher Höhe angeordnet sind. 10. Partikelsensoreinheit (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der beiden Hauptelektroden (34, 36) eines Elektrodenpaars auf ihrer der jeweils anderen Elektrode (36, 34) zugewandt gegenüberliegenden Fläche so strukturiert ist, dass sie wenigstens eine erste Teilfläche (68) aufweist, die eine stärkere Krümmung aufweist als von der ersten Teilfläche (68) verschiedene Restflächen (70) der der anderen Elektrode zugewandt gegenüberliegenden Fläche.
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