AT527385A1 - Sensoreinheit und Messsystem zum Detektieren von Partikeln - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Sensoreinheit (2) zum Detektieren von Partikeln in einem Gasstrom, insbesondere von Rußpartikeln in Abgasen von Verbrennungsmotoren. Die Sensoreinheit weist dabei zumindest einen Einlassbereich (3) zum Einleiten des partikelhaltigen Gasstroms und eine Auslassbereich (5) zum Ableiten des partikelhaltigen Gasstroms auf. Weiterhin ist ein Messbereich (7) mit einer Elektrodenanordnung (8, 9) vorgesehen, welche sich entlang einer Längsachse (M) der Sensoreinheit (2) über den Messbereich (7) erstreckt. Die Elektrodenanordnung (8, 9) weist eine erste Elektrode (8) auf, an welche eine Spannung einer Gleichspannungsquelle (10) angelegt ist, und eine der ersten Elektrode (8) gegenüber- liegend angeordnete zweite Elektrode (9), welche mit einem Bezugspotential verbunden ist, sodass sich in einem Bereich (11) zwischen den Elektroden (8, 9) ein elektrisches Feld ausbildet, wobei bei bestimmungsgemäßer Verwendung der Sensoreinheit (2) eine Strömungs- richtung (A) des Gasstroms vom Einlassbereich (3) zum Auslassbereich (5) verläuft. Der Bereich (11) zwischen der ersten und der zweiten Elektrode (8, 9) bildet einen Strömungskanal (11) für den partikelhaltigen Gasstrom, welcher den Einlassbereich (3) mit dem Auslassbe- reich (5) verbindet. Die Elektrodenanordnung (8, 9) ist derart ausgestaltet, dass das elektri- sche Feld entlang des Strömungskanals (11) eine in der Strömungsrichtung (A) des Gasstroms variierbare elektrische Feldstärke aufweist. Weiterhin betrifft die Erfindung ein zugehöriges Messsystem (1) zum Detektieren von Partikeln in einem Gasstrom.

Description

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Sensoreinheit und Messsystem zum Detektieren von Partikeln

Die gegenständliche Erfindung betrifft eine Sensoreinheit zum Detektieren von Partikeln in einem Gasstrom, insbesondere von Rußpartikeln in Abgasen von Verbrennungsmotoren. Die Sensoreinheit weist dabei zumindest einen Einlassbereich zum Einleiten des partikelhaltigen Gasstroms und eine Auslassbereich zum Ableiten des partikelhaltigen Gasstroms auf. Weiterhin ist ein Messbereich mit einer Elektrodenanordnung vorgesehen, welche sich entlang einer Längsachse der Sensoreinheit über den Messbereich erstreckt. Die Elektrodenanordnung weist eine erste Elektrode auf, an welche eine Spannung einer Gleichspannungsquelle angelegt ist, und eine der ersten Elektrode gegenüberliegend angeordnete, zweite Elektrode, welche mit einem Bezugspotential verbunden ist, sodass sich in einem Bereich zwischen den Elektroden ein elektrisches Feld ausbildet, wobei bei bestimmungsgemäßer Verwendung der Sensoreinheit eine Strömungsrichtung des Gasstroms vom Einlassbereich zum Auslassbereich verläuft. Weiterhin betrifft die Erfindung ein zugehöriges Messsystem zum

Detektieren von Partikeln in einem Gasstrom. Stand der Technik

Verbrennungsmotoren von Fahrzeugen, wie z.B. Dieselmotoren, erzeugen typischerweise einen Abgasstrom, welcher eine unterschiedliche Menge an Feinstaubpartikeln enthalten kann. Dabei handelt es sich um kleine Feststoffpartikel, wie z.B. Rußpartikel, Aschepartikel, metallische Abriebpartikel, etc., welche in den Abgasen enthalten sind. Da die Umweltbelastung durch Feinstaub von Verbrennungsmotoren, insbesondere von Kraftfahrzeugen, seit langem bekannt ist, unterliegt eine Konzentration der Partikel im Abgas eines Verbrennungsmotors strengen Vorschriften, deren Einhaltung durch entsprechende Messungen nachzuweisen ist. Mit wachsenden Anforderungen an die Umweltverträglichkeit von Verbrennungskraftmaschinen wird daher eine Verringerung von Abgasemissionen bei Verbrennungsmotoren bei der Entwicklung neuer Kraftfahrzeuge sowie eine zuverlässige Messung der Partikelkonzentration im Abgasstrom eines Verbrennungsmotors bzw. eines Kraftfahrzeugs ein im-

mer wichtigeres Ziel.

Es besteht daher die Notwendigkeit, Sensoren sowie Messsysteme zur Verfügung zu stellen, mit welchen Abgasmessungen durchgeführt und eine Masse und/oder Konzentration von Partikeln, insbesondere Rußpartikeln, im Abgas ermittelt werden können. Derartige Messungen können beispielsweise mit entsprechenden Messsystemen und Sensoren beispielsweise stationär auf Prüfständen oder in Werkstätten — z.B. im Rahmen wiederkehrender Begutachtungen von Kraftfahrzeugen oder im Zuge der Entwicklung von Kraftfahrzeugen — durchgeführt werden. Neben der stationären Messung besteht auch die Möglichkeit Messungen der

Partikelkonzentration im Abgasstrom mobil mit einem mobilen Messsystem zu messen. Bei

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einem mobilen Einsatz kann das Messsystem in oder an einem Fahrzeug angebracht sein,

wodurch eine Partikelmessung in aktuellen Fahrsituationen erfolgen kann.

Aus dem Stand der Technik sich verschiedene Ansätze zur Detektion von Ruß und Partikeln in einem Abgasstrom bekannt, welche grundsätzlich zur Messung der Partikelkonzentration in Abgasen einsetzbar sind. An Prüfständen wird beispielsweise ein Messverfahren eingesetzt, bei welchem ein so genanntes Schwärzungszahl-Messgerät (Smoke Meter) verwendet wird. Dabei wird eine bestimmte Menge des Abgasstroms durch ein Filterpapier geleitet und dann eine Schwärzung des Papiers durch die im Abgas enthaltenen Rußpartikel mittels eines Fotosensors ausgewertet. Dieses Verfahren ist allerdings sehr zeitintensiv, da ein Messwert nur einer gewissen Zeitspanne vorliegt. Weiterhin ist das Verfahren aufgrund der auf-

wendigen und empfindlichen Messanordnung nur für einen stationären Einsatz geeignet.

Weiterhin können auch optischen Sensoren bzw. Messgeräte mit optischen Sensoren, wie z.B. Streulichtmessgeräte oder Opazimeter, zur Messung einer Partikelkonzentration eingesetzt werden. Dabei werden mittels des optischen Sensors entweder eine Opazität der im Abgas enthaltenen Partikel, das von den Partikeln im Lichtweg gestreute oder reflektierte Licht, etc. gemessen. Allen diesen Verfahren ist allerdings gemeinsam, dass sie ebenfalls eine recht aufwendige Messapparatur benötigen. Weiterhin wirken sich vor allem Rußablagerungen auf Teilen des Sensors nachteilig auf die Sensorleistung und damit auf die Mes-

Sung aus.

Einen weiteren Ansatz, um eine Partikelkonzentration in einem Abgas — vor allem an oder in Fahrzeug — zu ermitteln, bietet beispielsweise der Einsatz von elektrostatischen Sensoren. Mit elektrostatischen Sensoren können beispielsweise geladene Partikel, wie z.B. Rußpartikel, in einem Abgasstrom detektiert und ihre Konzentration im Abgas gemessen werden. Weiterhin weisen diese Sensoren den Vorteil auf, dass sie leichter in einer rauen Umgebung (z.B. bei hoher Temperatur, hohen Abgasgeschwindigkeiten, kontaminierenden Substanzen, etc.) als z.B. optische Sensoren, etc. einsetzbar sind. Auch können diese Sensoren eine relativ kleine Baugröße aufweisen, was sie für einen Einsatz direkt am oder im Fahrzeug bzw. für einen Einsatz in einem mobilen Messsystem, wie z.B. einem mobilen Emissionsmessgerät oder PEMS (kurz für „Portable Emission Measurement System“), interessant macht, welches direkt am Fahrzeug (z.B. im Kofferraum oder am Heck des Fahrzeugs) montiert wird, wobei für die Messung bzw. Analyse direkt Abgas aus dem Auspuff des Fahrzeugs entnom-

men wird.

Aus der Veröffentlichung „Performance Characteristics of a new on-board engine exhaust particulate matter sensor“ von A. Warey, et al; SAE Paper, 2005-01-3792, 2005, ist beispiels-

weise der Einsatz eines elektrostatischen Sensors mit sogenannte dendritischer

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Signalverstärkung für Abgasmessungen in bzw. an einem Fahrzeug bekannt. Bei diesem Sensor wird das mit Partikeln beladene Abgas in einen Bereich mit einem hohen elektrischen Feld befördert, wobei sich die geladenen Partikel an den Elektroden anlagern und dendritische Strukturen bilden. Stark geladene Fragmente brechen von den dendritischen Strukturen ab und wandern zur jeweiligen Gegenelektrode, wodurch ein verstärktes Stromsignal induziert wird, welches zumindest mit einer Partikelmasse korreliert. Allerdings ist dieser elektrostatische Sensor nur für Partikelmessungen in Abgasen mit sehr hohen Partikelkonzentrationen geeignet. Für die Messung einer Partikelkonzentration bei modernen Verbrennungskraftfahrzeuge, insbesondere Dieselkraftfahrzeugen, welche üblicherweise einen Partikelfilter aufweisen, ist dieser Sensor nicht geeignet, da die geringe emittierte Partikelkonzentration

im Abgas unter der Nachweisgrenze dieses Sensors liegen würde.

Aus der US 8,713,991 B?2 ist beispielsweise einen Sensor zur Feinstaubmessung bekannt. Der Sensor weist eine zylinderförmige Sensorelektrode, welche mit einer Spanungsquelle gekoppelt ist, auf. Die zylinderförmige Sensorelektrode ist in einem zylinderförmigen, geerdeten Masseteil angeordnet und zwischen der Sensorelektrode und dem Masseteil bildet sich ein elektrisches Feld aus. Der Sensor wird von einem gerichteten und gesteuerten Abgasstrom durchflossen, um die Partikelagglomeration zu Partikelansammlungen bzw. Dendriten zu erleichtern. Wenn Fragmente der angelagerten dendritischen Strukturen abbrechen, werden Teile der Ladung von der Sensorelektrode auf den Masseteil übertragen. Diese Ladungsübertragungen können als Stromimpulse erfasst und ausgewertet werden. Allerdings weist dieser Sensor den Nachteil auf, dass sich die Sensorempfindlichkeit mit Veränderungen der Abgasdurchflussrate verändern kann, da z.B. ein Fluss von Dendritenfragmenten auf den Masseteil mit der Abgasdurchflussrate schwanken kann, wodurch es zu Fehlern bei der

Messung und Auswertung der Partikelkonzentration kommen kann.

Weiterhin ist aus der US 2017/0130636 A1 ein Feinstaubsensor bekannt, welcher beispielsweise stromabwärts von einem Dieselpartikelfilter (kurz DPF) senkrecht zur Richtung des Abgasflusses in einem Auspufftrakt eines Fahrzeugs angeordnet sein kann. Der Feinstaubsensor weist zwei in einem Abstand voneinander angeordnete zylinderförmige Elektrodenpaare auf, wobei an das erste Elektrodenpaar eine wesentlich höhere Spannung als an das zweite Elektrodenpaar angelegt wird, um die Auswirkungen der Abgasdurchflussrate zu verringern und die Empfindlichkeit des Feinstaubsensors zu verbessern. Der Feinstaubsensor weist eine Vielzahl an Öffnungen für den Durchfluss von Abgas auf, wobei das Abgas innerhalb des Feinstaubsensors über Kanäle so geleitet werden, dass es zuerst durch das erste Elektrodenpaar strömt. Das zwischen dem ersten Elektrodenpaar ausgebildete, elektrische Feld dient zum Ansammeln von im Abgasstrom befindlichen Feinstaubpartikeln in Form von

dendritischen Strukturen. Wenn diese dendritischen Strukturen bzw. Dendritenfragmente

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vom ersten Elektrodenpaar wegbrechen, werde sie vom zweiten Elektrodenpaar eingefangen, wo dann mittels einer mit dem zweiten Elektrodenpaar verbundenen Messvorrichtung eine Partikellast des Feinstaubsensors ermittelt werden kann. Da auch im ersten Elektrodenpaar Stromimpulse — ausgelöst durch abbrechende Dendritenstrukturen — auftreten können, die Messung allerdings nur im zweiten Elektrodenpaar vorgenommen wird, kann es zu Mess-

fehlern kommen.

Weiterhin weisen die oben genannten Sensoren den Nachteil auf, dass sie bei der Messung den Schwerpunkt insbesondere auf die Partikelkonzentration und/oder Partikelmasse im Abgasstrom legen. Eine weitere, detailliertere Auswertung und Analyse der Partikel (z.B. Partikelgröße, Verteilung unterschiedlicher Partikelgrößen, etc.) kann mit diesen Sensoren nicht

durchgeführt werden. Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Sensoreinheit sowie ein zugehöriges Messsystem anzugeben, welche neben einer genauen Messung einer Partikelmassekonzentration in einem Abgas auch eine Auswertung vorhandener Partikelgrößen der im Abgas

vorhandenen Partikel ermöglichen.

Diese und weitere Aufgaben werden durch eine Vorrichtung gemäß dem unabhängigen Anspruch gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den ab-

hängigen Ansprüchen beschrieben.

Erfindungsgemäß erfolgt die Lösung der Aufgabe durch eine Sensoreinheit der eingangs angegebenen Art, bei welcher der Bereich zwischen der ersten und zweiten Elektrode einen Strömungskanal für den partikelhaltigen Gasstrom bildet, welcher den Einlassbereich mit dem Auslassbereich verbindet, und bei welcher die Elektrodenanordnung derart ausgestaltet ist, dass das elektrische Feld entlang des Strömungskanals eine in der Strömungsrichtung

des Gasstroms varlierbare elektrische Feldstärke aufweist.

Der Hauptaspekt der vorgeschlagenen Lösung besteht darin, dass die elektrische Feldstärke des elektrischen Feldes aufgrund der jeweiligen Ausgestaltung der Elektrodenanordnung entlang des Strömungskanals in Strömungsrichtung des Gasstroms unterschiedlich variiert werden kann. Durch entsprechende Elektrodenausgestaltung kann die elektrische Feldstärke z.B. in Strömungsrichtung des partikelhaltigen Gasstroms zunehmen oder abnehmen. Die elektrische Feldstärke kann beispielsweise auch — aufgrund einer entsprechenden Elektrodenausgestaltung — in Strömungsrichtung abschnittsweise zunehmen und dann abschnittsweise abnehmen, sodass beliebige Variante denkbar sind. Dadurch kann auf einfache Weise

die Effizienz der Partikelabscheidung gesteigert und z.B. eine Ablagerung entsprechend

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unterschiedlichen Partikelgrößen erreicht werden. Das unterschiedliche Abscheideverhalten der Partikel kann dazu genutzt werden, mehr Informationen über z.B. eine Anzahl von Partikeln mit bestimmten Partikelgrößen zu erhalten. Die Sensoreinheit ermöglicht damit auf effi-

ziente Weise eine Auswertung der im Gasstrom enthaltenden Partikel nach Partikelgrößen.

Damit ist eine Messung von Abgasemissionen, insbesondere von Partikeln, von Fahrzeugen mit Verbrennungsmotoren z.B. in Werkstätten, auf Prüfständen oder in mobilen Anwendungen während des Normalbetriebs möglich. Dabei kann es sich um PKW, Nutzfahrzeuge, aber auch Großmotoren und Marine- bzw. Flugzeuganwendungen handeln. Zusätzlich kann die erfindungsgemäße Lösung auch vorteilhaft eingesetzt werden im Umweltbereich und in der Prozessindustrie, wo sie eine billige Alternativiösung zu bestehenden Streulichttechnologien darstellt. Es besteht auch die Möglichkeit, die erfindungsgemäße Lösung als Zusatz-

komponente in bestehenden Messgeräten einzusetzen.

Es ist dabei vorteilhaft, wenn ein Abstand zwischen der ersten und zweiten Elektrode der Elektrodenanordnung in Richtung der Längsachse der Sensoreinheit zunimmt oder abnimmt, wodurch sich ein Querschnitt des Strömungskanals entlang der Strömungsrichtung des partikelhaltigen Gasstroms vergrößert oder verkleinert. Durch die Veränderung des Abstands zwischen den Elektroden und eine daraus folgende Veränderung des Querschnitts des Strömungskanals in Strömungsrichtung des Gasstroms kann auf einfache Weise die Feldstärke des elektrischen Feldes im Strömungskanal verändert werden. Je nachdem ob der Abstand zwischen den Elektroden der Elektrodenanordnung zunimmt oder abnimmt, nimmt auch die

Feldstärke des elektrischen Feldes im Strömungskanal zu oder ab.

Alternativ oder zusätzlich ist es günstig, wenn die erste Elektrode und die zweite Elektrode der Elektrodenanordnung jeweils in zumindest zwei in Richtung der Längsachse der Sensoreinheit voneinander beabstandete Elektrodensegmente unterteilt sind, wobei die Spannung, welche an ein jeweiliges Elektrodensegment der mit der Gleichspannungsquelle in Verbindung stehenden, ersten Elektrode angelegt ist, jeweils eine unterschiedliche Spannungshöhe aufweist. Durch die Segmentierung der Elektroden kann auf sehr einfache Weise an jedes Elektrodensegment der ersten Elektrode eine Spannung mit unterschiedlicher Spannungshöhe angelegt werden, wodurch sich zwischen der ersten und der zweiten Elektrode ein elektrisches Feld ausbildet, dessen Feldstärke sich entlang des Strömungskanals in

Strömungsrichtung des Gasstroms verändert.

Dabei kann idealerweise die Spannungshöhe der Spannung, welche an das jeweilige Elektrodensegment der mit der Gleichspannungsquelle in Verbindung stehenden, ersten Elektrode angelegt ist, gegenüber der Spannungshöhe der Spannung, welche an das jeweils in

Strömungsrichtung unmittelbar nachfolgende Elektrodensegment der mit der

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Gleichspannungsquelle in Verbindung stehenden, ersten Elektrode angelegt ist, vergrößert oder verkleinert sein. Die Spannungshöhe der an einem in Strömungsrichtung unmittelbar nachfolgende Elektrodensegment der ersten Elektrode kann dabei gegenüber der Spannungshöhe der an einem unmittelbar vorhergehenden Elektrodensegment der ersten Elekt-

rode beispielsweise um einen beliebig gewählten Wert erhöht oder reduziert sein.

Eine spezielle Ausführungsvariante der Sensoreinheit kann aber auch vorsehen, dass die Spannungshöhe der Spannung, welche an das jeweilige Elektrodensegment der mit der Gleichspannungsquelle in Verbindung stehenden, ersten Elektrode angelegt ist, um jeweils einen vorgegebenen Wert größer oder kleiner ist, als die Spannungshöhe der Spannung, welche an das jeweils in Strömungsrichtung unmittelbar nachfolgende Elektrodensegment

der mit der Gleichspannungsquelle in Verbindung stehenden, ersten Elektrode angelegt ist.

Es ist auch zweckmäßig, wenn zwischen den in Richtung der Längsachse der Sensoreinheit voneinander beabstandeten Elektrodensegmenten der ersten Elektrode und/oder zwischen den in Richtung der Längsachse der Sensoreinheit voneinander beabstandeten Elektrodensegmenten der zweiten Elektrode zumindest teilweise eine Isolierung angebracht ist. Vorzugsweise können benachbarte Elektrodensegmente der ersten Elektrode bzw. der zweiten Elektrode auch vollständig voneinander isoliert sein. Durch die zumindest teilweise oder vollständige Isolierung kann auf einfache Weise ein Kurzschließen bzw. eine leitende Verbin-

dung zwischen den Elektrodensegmenten zu verhindern.

Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die Sensoreinheit ein Gehäuse aus isolierendem Material

aufweist.

Es ist auch günstig, wenn der Einlassbereich und/oder der Auslassbereich der Sensoreinheit trichterförmig ausgestaltet sind. Dadurch kann der partikelhaltige Gasstrom auf sehr einfache Weise aus z.B. einer rohrförmigen Leitung in die Sensoreinheit eingeleitet bzw. aus der Sen-

soreinheit in eine rohrförmige Leitung abgeleitet werden.

Die angeführte Aufgabe wird weiterhin auch durch ein Messsystem zum Detektieren von Partikeln in einem Gasstrom, insbesondere zum Detektieren von Rußpartikeln in Abgasen eines Verbrennungsmotors gelöst, welches zumindest die erfindungsgemäße Sensoreinheit, eine Gleichspannungsquelle, welche eine Spannung mit zumindest einer Spannungshöhe zum Anlegen an die Sensoreinheit zur Verfügung stellt, und eine Messeinheit zum Erfassen

eines von der Sensoreinheit gelieferten Messignals aufweist.

Idealerweise weist das Messsystem auch eine Auswerteeinheit zum Auswerten des Messsignals der Sensoreinheit auf, in welcher dann beispielsweise neben einer Gesamtpartikel-

konzentration im Gasstrom anhand des durch das unterschiedliche Abscheideverhalten der

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Partikel an der Messelektrode bzw. an deren Elektrodensegmenten entstehende Messsignal mittels eines mathematischen Models ausgewertet wird, um Informationen über eine Anzahl

der Partikel in bestimmten Größenbereichen zu ermitteln. Kurzbeschreibung der Figuren

Die gegenständliche Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren 1 bis 4 näher erläutert, die beispielhaft, schematisch und nicht einschränkend vorteilhafte Ausgestal-

tungen der Erfindung zeigen. Dabei zeigt Fig. 1a ein Messsystem mit der erfindungsgemäßen Sensoreinheit;

Fig. 19 eine Schnittansicht der erfindungsgemäßen Sensoreinheit normal zu deren

Mittelachse der Sensoreinheit entlang der Schnittlinie A-A in Fig. 1a;

Fig. 2 einen Längsschnitt durch eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen

Sensoreinheit;

Fig. 3 einen Längsschnitt durch eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemä-

ßen Sensoreinheit; und

Fig. 4 einen Längsschnitt durch eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemä-

Ren Sensoreinheit.

Ausführung der Erfindung

Figur 1a zeigt schematisch ein beispielhaftes Messsystem 1, in welchem eine erfindungsgemäße Sensoreinheit 2 zum Detektieren von Partikeln unterschiedlicher Größen in einem Gasstrom bzw. zum Messen einer Partikelkonzentration im Gasstrom verwendet wird. Dabei ist die Sensoreinheit 2 aus Gründen der besseren Übersichtlichkeit im Längsschnitt dargestellt. Das Messsystem 1 sowie die Sensoreinheit 2 sind beispielsweise in einem Emissionsmessgerät einsetzbar, mit welchen auf einem Prüfstand, in einer Werkstatt und/oder an oder in einem Kraftfahrzeug, insbesondere Dieselkraftfahrzeug, Emissionsmessungen bzw. Messungen einer Partikelkonzentration im Abgas vorgenommen werden. Besonders geeignet ist das Messsystem 1 und die Sensoreinheit 2 für einen Einsatz in einem mobilen Emissionsmessgerät, welches auch als PEMS (kurz für „Portable Emission Measurement System“) bezeichnet wird, da das Messsystem 1 und die Sensoreinheit 2 eine relativ geringe Baugröße

aufweisen und leicht zu realisieren sind.

Die Sensoreinheit 2 weist einen Einlassbereich 3 mit einem Einlass 4 auf. Am Einlass 4 ist

beispielsweise eine Zuleitung anbringbar, über welche der Gasstrom bzw. das Abgas,

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welches die zu detektierenden Partikel enthält, in die Sensoreinheit 2 einleitbar ist. Der partikelhaltige Gasstrom wird dabei in einer Strömungsrichtung A in den Einlassbereich 3 über den Einlass 4 eingeleitet. Weiterhin weist die Sensoreinheit 2 einen Auslassbereich 5 mit einem Auslass 6 auf, über welchen der Gasstrom nach Durchströmen eines Messbereichs 7 in Strömungsrichtung A aus der Sensoreinheit 2 abgeleitet wird. Am Auslass 6 ist beispielsweise eine Ableitung anbringbar, über welche der partikelhaltige Gasstrom in Strömungsrich-

tung A die Sensoreinheit verlassen kann.

Zwischen dem Einlassbereich 3 und dem Auslassbereich 5 weist die Sensoreinheit 2 den Messbereich 7 auf. Der Messbereich 7 weist eine Elektrodenanordnung auf, welche sich entlang einer Längsachse M der Sensoreinheit 2 über den Messbereich 7 erstreckt. Dabei steht beispielsweise eine erste Elektrode 8 mit einer Gleichspannungsquelle 10 in Verbindung. Die Gleichspannungsquelle 10 stellt eine Spannung zur Verfügung, welche an die erste Elektrode 8 angelegt ist. Eine zweite Elektrode 9 der Elektrodenanordnung ist mit einem Bezugspotential (z.B. Masse) verbunden, sodass sich in einem Bereich 11 zwischen erster und zweiter Elektrode 8, 9 ein elektrisches Feld ausbildet. Der Bereich 11 zwischen der ersten und zweiten Elektrode 8, 9 der Elektrodenanordnung bildet einen Strömungskanal 11, wel-

cher den Einlassbereich 3 mit dem Auslassbereich 5 verbindet.

Weiterhin ist die Elektrodenanordnung derart ausgestaltet, dass das elektrische Feld, welches sich zwischen den Elektroden 8, 9 der Elektrodenanordnung ausbildet, entlang des Strömungskanals 11 eine in Strömungsrichtung A des partikelhaltigen Gasstroms variierbare elektrische Feldstärke aufweist. Mögliche Ausgestaltungen der Sensoreinheit 2, insbesondere der Elektrodenanordnung, sind in den Figuren 2, 3 und 4 beispielhaft und schematisch

dargestellt und werden in der Folge noch beschrieben.

Der in den Einlassbereich 3 in die Sensoreinheit 2 eingeleitete partikelhaltige Gasstrom strömt in Strömungsrichtung A durch den Strömungskanal 11 über den Messbereich 7 zum Auslassbereich 5. Dadurch werden die im Gasstrom enthaltenen Partikel (z.B. Rußpartikel), von welche ca. 60 bis 70% geladen sind, in Strömungsrichtung A durch das im Strömungskanal 11 bestehende elektrische Feld bewegt. Die im Gasstrom enthaltenen Partikel lagern sich entsprechend ihrer Ladung z.B. an der mit der Gleichspannungsquelle 10 in Verbindung stehenden, ersten Elektrode 8 ab und bilden dendritische Strukturen. Dabei nehmen die Partikel dieselbe Oberflächenladung an wie die erste Elektrode 8, an der sie sich anlagern. Aufgrund von gegenseitiger Abstoßung zwischen den angelagerten Partikeln und einer im Strömungskanal 11 wirkenden Strömungskraft brechen aus Partikeln bestehende Fragmente von den dendritischen Strukturen ab. Diese Fragmente werden vom der zweiten Elektrode 9 angezogen, welche beispielsweise als Messelektrode 9 fungiert. Eine Ladung der Fragmente

wird auf der zweiten Elektrode 9 ausgeglichen und ein dazu nötiger Stromfluss kann über

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eine Messeinheit 12 des Messsystems 1 als Messsignal detektiert werden. Die Messeinheit 12 steht dazu mit der zweiten Elektrode 9 in Verbindung. Das mit der Messeinheit 12 erfasste Messsignal kann beispielweise mit einer Partikelmasse oder der Partikelanzahl im Gasstrom korrelieren bzw. ist proportional zu einer Partikelkonzentration im eingeleiteten,

partikelhaltigen Gasstrom.

Da das im Messbereich 7 im Strömungskanal 11 zwischen den Elektroden 8, 9 ausgebildete elektrische Feld eine in Strömungsrichtung A variierbare Feldstärke aufweist, wird die Partikelabscheidung z.B. in Abhängigkeit von einer Größe der Partikel beeinflusst. Das bedeutet, dass sich beispielsweise Partikel unterschiedlicher Größe bevorzugt — d.h. je nach elektrischer Feldstärke des elektrischen Feldes im Strömungskanal 11 bzw. elektrischer Anziehungskraft — an unterschiedlichen Bereichen der Elektrodenanordnung im Messbereich 7 anlagern und damit unterschiedlich zum mittels der Messeinheit 12 erfassten Messsignal beitragen. So wirkt sich z.B. die elektrische Anziehungskraft im Vergleich zur Strömungswiderstandskraft umso stärker aus je kleiner ein Partikel ist. Durch das elektrische Feld mit variierbarer Feldstärke, welche beispielsweise — je nach Ausgestaltung der Elektrodenanordnung — im Strömungskanal 11 in Strömungsrichtung A beliebig variiert werden kann (z.B. in Strömungsrichtung A zunehmende Feldstärke, in Strömungsrichtung A abnehmende Feldstärke, eine Feldstärke, welche in Strömungsrichtung z.B. ab- und zunimmt, usw.), kann die Effizienz der Partikelabscheidung gesteigert und z.B. eine Ablagerung entsprechend unterschiedlichen Partikelgrößen erreicht werden. Dieses unterschiedliche Abscheideverhalten der Partikel kann dann genutzt werden, um beispielsweise mehr Informationen über eine Anzahl von Partikeln in bestimmten PartikelgröRßenbereichen zu erhalten. Dazu kann das Messsystem 1 z.B. eine Auswerteeinheit 13 aufweisen, in welcher das von der Messeinheit 12 erfasste

Messsignal der Sensoreinheit 2 ausgewertet wird.

Die Auswerteeinheit 13 kann beispielsweise aus dem Messsignal der Sensoreinheit 2 neben einer Gesamtpartikelkonzentration im Gasstrom anhand eines mathematischen Modells in bestimmten Bereichen der Elektrodenanordnung abgeschiedene Partikel einem PartikelgrößBenbereich zuordnen und daraus Informationen über die Anzahl der Partikel eines bestimmten Größenbereichs ermitteln. Weiterhin kann die Auswerteeinheit 13 dazu eingerichtet sein, die aus dem Messsignal abgeleiteten Auswerteergebnisse (z.B. Gesamtpartikelkonzentration über einen vorgebbaren Messzeitraum, Partikelkonzentration nach z.B. Größenbereichen

über einen vorgebbaren Messzeitraum, etc.) auszugeben.

Die in Figur 1a beispielhaft dargestellte Sensoreinheit 2 weist weiterhin ein Gehäuse 14 auf, welches aus isolierendem Material bestehen kann. Das Gehäuse 14 kann im Einlassbereich 3 und im Auslassbereich 5 z.B. trichterförmig ausgestaltet sein, wobei sowohl im Ein-

lassbereich 3 als auch im Auslassbereich 5 der Strömungskanal 11 für den partikelhaltigen

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Gasstrom durch eine Innenseite des Gehäuses 14 sowie eine Außenseite eines kegelförmigen Endes eines Hohlkörpers 15 gebildet wird, welcher z.B. wie das Gehäuse 14 aus isolie-

rendem Material sein kann.

Im Messbereich 7 der Sensoreinheit 2, in welchem die Elektrodenanordnung angebracht ist, kann das Gehäuse 14 beispielsweise zylinderförmig ausgestaltet sein, aber auch andere Ausgestaltungen, wie z.B. konisch, etc., sind denkbar. Die Elektroden 8, 9 können daher ebenfalls zylinderförmig oder zumindest derart ausgestaltet sein, dass sie einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen (z.B. konisch) und konzentrisch in Bezug auf die Längsachse M der Sensoreinheit 2 angeordnet sein. Dazu kann — wie in Figur 1a beispielhaft dargestellt — die erste Elektrode 8 einen kleineren Durchmesser als die zweite Elektrode 9 aufweisen und innerhalb der zweiten Elektrode 9 angeordnet sein. Dabei kann beispielsweise die erste Elektrode 8 auf dem innerhalb der Sensoreinheit 2 befindlichen Hohlkörper 15 angeordnet sein, welcher z.B. im Messbereich 7 in seiner Ausgestaltung an die erste Elektrode 8 (z.B. zylinderförmig, konisch, etc.) angepasst sein kann. Die zweite Elektrode 9 kann dann z.B. an der Innenseite des Gehäuses 14 angeordnet sein, sodass die zweite Elektrode 9 der ersten Elektrode 8 gegenüberliegend angeordnet ist, wenn ein Querschnitt der Sensoreinheit 2 betrachtet wird. Die Elektroden 8, 9 können typischerweise aus Metallen wie z.B. Kupfer, Platin, Gold, Osmium, Rhodium, Iridium, Aluminium, Titan, Zirkonium oder dergleichen hergestellt

sein.

Figur 1b zeigt eine Schnittansicht der erfindungsgemäßen Sensoreinheit 2 entlang der Schnittlinie A-A in Figur 1a. Darin ist erkennbar, dass die Elektroden 8, 9 im Bereich des innerhalb der Sensoreinheit 2 befindlichen Hohlkörpers 15 im Wesentlichen zylinderförmig ausgeführt sind, wobei die erste Elektrode 8 einen kleineren Durchmesser hat als die zweite Elektrode 9. Die erste Elektrode 8 und die zweite Elektrode 9 sind also zylinderförmig ausgeführt mit unterschiedlichem Durchmesser und konzentrisch angeordnet, ihre Längsachsen fallen also zusammen. Der sich dadurch zwischen den Elektroden 8, 9 ergebende Strömungskanal 11 hat einen im Wesentlichen ringförmigen Querschnitt. Dieser ringförmige Querschnitt beginnt anschließend an den Einlass 4 und reicht bis zum Auslass 6. Mit anderen Worten ist der Strömungskanal 11 im Bereich des Einlasses 4 rohrförmig bzw. mit rundem Querschnitt ausgebildet, wird im sich trichterförmig erweiternden Einlassbereich 3 zu einem ringförmigen Querschnitt, der über den Messbereich 7 und den sich trichterförmig verengenden Auslassbereich 5 bestehen bleibt und sich im Auslass 6 wieder zu einem rohrför-

migen Verlauf bzw. rundem Querschnitt verengt.

Die Elektroden 8, 9 sind also als konzentrisch angeordnete Zylinder unterschiedlichen

Durchmessers ausgeführt, so dass der Strömungskanal 11 zumindest im Messbereich 7 mit

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einem ringförmigen Querschnitt zwischen der inneren, ersten Elektrode 8 und der äußeren,

zweiten Elektrode 9 ausgebildet ist.

Während die Elektroden 8, 9 bzw. der Hohlkörper 15 im dargestellten Ausführungsbeispiel zylinderförmig dargestellt sind, können auch andere Formen -oval, polygonal oder anders —

gewählt werden.

Figur 2 zeigt beispielhaft eine erste Ausführungsform der Sensoreinheit 2 im Längsschnitt. Die Sensoreinheit 2 weist ein Gehäuse 14 z.B. aus isolierendem Material auf. Dabei sind der Einlassbereich 3 und der Auslassbereich 5 wieder trichterförmig ausgestaltet. Über den Einlassbereich 3 und den Einlass 4 wird partikelhaltige Gasstrom in Strömungsrichtung A in die Sensoreinheit 2 eingeleitet, durchströmt den Messbereich 7 und wird durch den Auslassbe-

reich 5 und den Auslass 6 in Strömungsrichtung A abgeleitet.

Im Messbereich 7 ist wieder die Elektrodenanordnung der Sensoreinheit 2 angebracht, welche sich in Richtung der Längsachse der Sensoreinheit 2 erstreckt und wieder zwei Elektroden 8, 9 aufweist. Die erste Elektrode 8 der Elektrodenanordnung steht wieder in Verbindung mit der Gleichspannungsquelle 10, um eine Spannung an die erste Elektrode 8 anlegen zu können. Die zweite Elektrode 9 der Elektrodenanordnung ist wieder mit einem Bezugspotential (z.B. Masse) verbunden und fungiert als Messelektrode 9. Weiterhin weist die Messelektrode 9 eine Verbindung zur Messeinheit 12 auf. Das Gehäuse im Messbereich 7 und die Elektrodenanordnung sind beispielsweise zylindrisch ausgestaltet, wobei z.B. die erste Elektrode 8 innerhalb der zweiten Elektrode 9 angeordnet ist. Es sind aber auch andere Ausgestaltungen der Elektroden 8, 9 — z.B. konisch — denkbar. Der Bereich 11 zwischen der ersten und der zweiten Elektrode 8, 9 bildet den Strömungskanal 11 für den partikelhaltigen Gasstrom. Im Strömungskanal 11 bildet sich aufgrund der Spannungsdifferenz zwischen der

ersten und zweiten Elektrode 8, 9 ein elektrisches Feld auf.

Um die Feldstärke des elektrischen Felds in Strömungsrichtung A des Gasstroms im Messbereich 7 zu variieren, sind sowohl die erste Elektrode 8 als auch die zweite Elektrode 9 in zumindest zwei Elektrodensegmente 81, 82, 83, 84, 85, 86, 91, 92, 93, 93, 94, 95, 96 unterteilt. Die zumindest zwei Elektrodensegmente 81, 82, 83, 84, 85, 86, 91, 92, 93, 93, 94, 95, 96 sind von einander — insbesondere entlang der Längsachse der Sensoreinheit 2 bzw. in Strömungsrichtung A des Gasstroms — beabstandet, wobei die zumindest zwei Elektrodensegmente 81, 82, 83, 84, 85, 86 der ersten Elektrode 8 mit den zumindest zwei Elektrodensegmenten 91, 92, 93, 93, 94, 95, 96 der zweiten Elektrode 9 bzw. Messelektrode 9 jeweils Elektrodensegmentpaare 81, 91; 82, 92; 83, 93; 84, 94; 85, 95; 86, 96 bilden. Dabei fungieren die zumindest zwei Elektrodensegmente 81, 82, 83, 84, 85, 86 der ersten Elektrode 8 je-

weils als Spannungselektrode und die zumindest zwei Elektrodensegmente 91, 92, 93, 93,

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94, 95, 96 der zweiten Elektrode 9 jeweils als Messelektrode. Im gezeigten Beispiel sind die beiden Elektroden 8, 9 beispielsweise in jeweils sechs Elektrodensegmente 81, 82, 83, 84, 85, 86, 91, 92, 93, 93, 94, 95, 96 unterteilt. Die Elektroden 8, 9 können jedoch für eine bessere Feinabstimmung des elektrischen Felds bzw. für eine entlang des Messbereichs 7 in Strömungsrichtung A besser variierbare Feldstärke in beliebig viele Elektrodensegmente 81, 82, 83, 84, 85, 86, 91, 92, 93, 93, 94, 95, 96 unterteilt werden.

Um einen elektrischen Durchbruch zwischen den Elektrodensegmenten 81, 82, 83, 84, 85, 86, 91, 92, 93, 93, 94, 95, 96 der Elektroden 8, 9 zu vermeiden, muss zwischen den Elektrodensegmente 81, 82, 83, 84, 85, 86, 91, 92, 93, 93, 94, 95, 96 der Elektroden 8,9 jeweils ein genügend großer Abstand 16 vorgesehen sein. In diesem Abstand 16 kann eine Isolierung 16 angebracht sein, welche die Elektrodensegmente 81, 82, 83, 84, 85, 86, 91, 92, 93, 93,

94, 95, 96 voneinander elektrisch trennt bzw. isoliert.

Weiterhin ist an jedes Elektrodensegmente 81, 82, 83, 84, 85, 86der ersten Elektrode 8, welche mit der Gleichspannungsquelle 10 in Verbindung steht, eine Spannung angelegt, wobei die an das jeweilige Elektrodensegment 81, 82, 83, 84, 85, 86der ersten Elektrode 8 angelegte Spannung jeweils unterschiedlich ist bzw. eine unterschiedliche Spannungshöhe aufweist. Um die unterschiedlichen Spannungshöhen für die Elektrodensegmente 81, 82, 83, 84, 85, 86 der ersten Elektrode zu erzeugen, kann beispielsweise eine z.B. steuerbare Spannungsteilereinheit (nicht in Figur 2 dargestellt) im Messsystem 1 vorgesehen sein, welche z.B. in der Verbindung der Gleichspannungsquelle 10 zur ersten Elektrode 8 vorgesehen oder in die Gleichspannungsquelle 10 integriert sein kann. Die jeweiligen Elektrodensegmente 91, 92, 93, 93, 94, 95, 96 der zweiten Elektrode 9 bzw. der Messelektrode 9 sind mit dem Bezugspotential (z.B. Masse) verbunden. Dadurch dass an jedes Elektrodensegment 81, 82, 83, 84, 85, 86 der ersten Elektrode 8 jeweils eine unterschiedliche Spannung bzw. eine Spannung mit einer unterschiedlichen Spannungshöhe angelegt ist, bildet sich zwischen der ersten Elektrode 8 und der zweiten Elektrode 9 bzw. den jeweiligen Elektrodensegmentpaaren 81, 91; 82, 92; 83, 93; 84, 94; 85, 95; 86, 96 ein elektrisches Feld aus, dessen Feldstärke entlang des Strömungskanals 11 in Strömungsrichtung A des partikelhaltigen

Gasstroms variiert.

Der partikelhaltige Gasstrom strömt im Strömungskanal 11 in Strömungsrichtung A vom Einlass 4 und dem Einlassbereich 3 über den Messbereich 7 zum Auslassbereich 5 und Auslass 6. Dabei werden die im Gasstrom enthaltenen, meist geladenen Partikel (z.B. Rußpartikel) im Messbereich 7 in Strömungsrichtung A durch das elektrische Feld bewegt, welches zwischen den Elektroden 8, 9 aufgrund der Segmentierung in Elektrodensegmentpaare 81, 91; 82, 92; 83, 93; 84, 94; 85, 95; 86, 96 und aufgrund der an das jeweilige Elektrodensegmentpaar 81, 91; 82, 92; 83, 93; 84, 94; 85, 95; 86, 96 angelegten Spannung mit

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unterschiedlicher Spannungshöhe eine unterschiedliche Feldstärke aufweist. Je höher die Spannung ist, welche an das jeweilige Elektrodensegment 81, 82, 83, 84, 85, 86 der ersten Elektrode 8 des jeweiligen Elektrodensegmentpaar 81, 91; 82, 92; 83, 93; 84, 94; 85, 95; 86, 96 angelegt ist, desto effizienter werden in diesem Elektrodensegmentpaar 81, 91; 82, 92; 83, 93; 84, 94; 85, 95; 86, 96 Partikel abgeschieden.

Um beispielsweise eine genauere Trennung der Partikel nach Partikelgrößen zu erreichen, kann die Spannungshöhe der Spannung, welche an ein jeweiliges Elektrodensegment 81, 82, 83, 84, 85, 86 der ersten Elektrode 8 angelegt wird, jeweils um einen vorgegebenen Wert größer oder kleiner sein als die Spannungshöhe der Spannung, welche an ein in Strömungsrichtung A unmittelbar nachfolgendes Elektrodensegment 81, 82, 83, 84, 85, 86 der ersten Elektrode 8 angelegt wird. Das bedeutet, die an die der Elektrodensegmente 81, 82, 83, 84, 85, 86 der ersten Elektrode 8 angelegte Spannung erhöht oder reduziert sich von einem Eingang des Strömungskanals 11 bzw. von einem Übergang des Einlassbereichs 3 zum Messbereich 7 zu einem Ausgang des Strömungskanals 11 bzw. von einem Übergang des Mess-

bereichs 7 zum Auslassbereich 5 um einen vorgegebenen Spannungswert.

Bei der in Figur 2 beispielhaft dargestellten Sensoreinheit 2 heißt das, dass z.B. an ein Elektrodensegment 81 der ersten Elektrode 8 eines ersten Elektrodensegmentpaars 81, 91, welches z.B. unmittelbar nach dem Übergang vom Einlassbereich 3 zum Messbereich 7 angeordnet ist, z.B. eine Spannung mit einer ersten Spannungshöhe angelegt ist. An ein Elektrodensegment 82 der ersten Elektrode 8 eines zweiten Elektrodensegmentpaars 82, 92, welches in Strömungsrichtung A dem ersten Elektrodenpaar 81, 91 unmittelbar nachfolgt, wird dann z.B. eine Spannung mit einer zweiten Spannungshöhe angelegt, welche gegenüber der ersten Spannungshöhe der am Elektrodensegment 81 der ersten Elektrode 8 eines ersten Elektrodensegmentpaars 81, 91 angelegten Spannung erhöht oder reduziert ist. Bei einem Elektrodensegment 83 der ersten Elektrode 8 eines dritten Elektrodensegmentpaars 83, 93, welches unmittelbar in Strömungsrichtung A dem zweiten Elektrodensegmentpaar 82, 92 nachfolgt, ist die Spannungshöhe der angelegten Spannung wieder gegenüber der zweiten Spannungshöhe der am Elektrodensegment 82 der ersten Elektrode 8 eines zweiten Elektrodensegmentpaars 82, 92 angelegten Spannung erhöht bzw. reduziert, usw. Dabei kann die Spannungshöhe der am jeweiligen Elektrodensegment 81, 82, 83, 84, 85, 86 der ersten Elektrode 8 angelegten Spannung beispielsweise gegenüber der an einem unmittelbar in Strömungsrichtung A vorhergehenden Elektrodensegment 81, 82, 83, 84, 85, 86 der ersten Elektrode 8 angelegten Spannung beliebig oder um einen vorgegebenen Wert (z.B. 100 V, 200 V, etc. — auch andere, insbesondere kleinere Spannungswerte können gewählt werden) erhöht oder reduziert werden. Weiterhin kann zum Einstellen des vorgegebenen Werts zum

Erhöhen oder Reduzieren der Spannung auch eine Sensorgeometrie und der Abstand

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zwischen den Elektroden 8, 9 bzw. den jeweiligen Elektrodensegmentpaaren 81, 91; 82, 92; 83, 93; 84, 94; 85, 95; 86, 96 berücksichtigt werden.

So kann an das Elektrodensegment 81 der ersten Elektrode 8 des ersten Elektrodensegmentpaars 81, 91 z.B. eine Spannung von 600 V, an das Elektrodensegment 82 der ersten Elektrode 8 des in Strömungsrichtung A unmittelbar dem ersten Elektrodensegmentpaar 81, 91 nachfolgenden, zweiten Elektrodensegmentpaars 82, 92 eine beliebig erhöhte Spannung (z.B. 800 V) oder eine um einen vorgegebenen Wert von z.B. 100V erhöhte Spannung von z.B. 700 V angelegt werden. An das Elektrodensegment 83 der ersten Elektrode 8 des in Strömungsrichtung A unmittelbar dem zweiten Elektrodensegmentpaars 82, 92 nachfolgenden, dritten Elektrodensegmentpaars 83, 93 kann eine ebenfalls eine beliebig erhöhte Spannung (z.B. 900 V) oder eine um den vorgegebenen Wert von z.B. 100V erhöhte Spannung

von z.B. 800 V, usw. angelegt sein.

Alternativ kann an das Elektrodensegment 81 der ersten Elektrode 8 des ersten Elektrodensegmentpaars 81, 91 z.B. eine Spannung von 1000 V, an das das Elektrodensegment 82 der ersten Elektrode 8 des in Strömungsrichtung A unmittelbar dem ersten Elektrodensegmentpaar 81, 91 nachfolgenden, zweiten Elektrodensegmentpaars 82, 92 eine beliebig reduzierte Spannung (z.B. 750 V) oder eine um den vorgegebenen Wert (z.B. 200 V) reduzierte Spannung von z.B. 800 V und an das Elektrodensegment 83 der ersten Elektrode 8 des in Strömungsrichtung A unmittelbar dem zweiten Elektrodensegmentpaar 82, 92 nachfolgenden, dritten Elektrodensegmentpaars 83, 93 eine ebenfalls beliebig reduzierte Spannung (z.B.

550 V) oder eine um den vorgegebenen Wert von z.B. 200V reduzierte Spannung von z.B.

600 V, usw. angelegt sein.

Es kann an das Elektrodensegment 81 der ersten Elektrode 8 des ersten Elektrodensegmentpaars 81, 91 z.B. eine Spannung von 800 V und an das Elektrodensegment 82 der ersten Elektrode 8 des in Strömungsrichtung A unmittelbar dem ersten Elektrodensegmentpaar 81, 91 nachfolgenden, zweiten Elektrodensegmentpaars 82, 92 beispielsweise eine beliebig erhöhte oder reduzierte Spannung (z.B. 950 V oder 750 V) oder eine um den vorgegebenen Wert (z.B. 100 V) erhöhte oder reduzierte Spannung (z.B. 900 V oder 700 V) angelegt werden. An das Elektrodensegment 83 der ersten Elektrode 8 des in Strömungsrichtung A unmittelbar dem zweiten Elektrodensegmentpaar 82, 92 nachfolgenden, dritten Elektrodensegmentpaars 83, 93 kann dann z.B. eine beliebig reduzierte oder erhöhte Spannung oder eine um den vorgegebenen Wert (z.B. 100V) reduzierte oder erhöhte Spannung angelegt sein. An das Elektrodensegment 84 der ersten Elektrode eines in Strömungsrichtung A unmittelbar dem dritten Elektrodenpaar 83, 93 nachfolgenden vierten Elektrodenpaars 84, 94 kann dann z.B. wieder eine beliebig erhöhte oder eine beliebig reduzierte Spannung oder eine um einen

vorgegebenen Wert (z.B. 100 V) erhöhte oder reduzierte Spannung angelegt sein, usw. Auf

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diese Weise kann die Feldstärke im Strömungskanal 11 in Strömungsrichtung A beliebig va-

riiert werden.

Die Elektrodensegmente 91, 92, 93, 94, 95, 96 der zweiten Elektrode 9 bzw. der Messelektrode 9 liefern jeweils ein Messsignal an die Messeinheit 12. Mit der Information, welche Spannungshöhe an das jeweils zugehörige Elektrodensegment 81, 82, 83, 84, 85, 86 der ersten Elektrode 8 angelegt ist, kann das Messsignal des jeweiligen Elektrodensegments 91, 92, 93, 94, 95, 96 der zweiten Elektrode 9 beispielsweise bei der Auswertung in der Auswerteeinheit 13 einer bestimmten PartikelgröRe oder einem bestimmten Partikeldurchmesser, zumindest einem Partikelgrößen- oder Partikeldurchmesserbereich, zugeordnet werden. Daraus können dann in der Auswerteeinheit 13 beispielsweise mittels eines mathematischen Modells die im jeweiligen Elektrodensegmentpaar 81, 91; 82, 92; 83, 93; 84, 94; 85, 95; 86, 96 abgeschiedenen Partikel einem Partikelgrößenbereich zugeordnet werden. Damit kann in der Auswerteeinheit 13 z.B. aus den von der Sensoreinheit 2 übermittelten Messsignalen Informationen über die Anzahl der Partikel in einem bestimmten Größenbereich und aus einem Gesamtsignal aller Elektrodensegmente 91, 92, 93, 94, 95, 96 der zweiten Elektrode 9 ein

Gesamtkonzentration der Partikel im Gasstrom ermittelt werden.

In Figur 3 ist eine zweite, beispielhafte Ausführungsform der Sensoreinheit 2 im Längsschnitt dargestellt. Die Sensoreinheit 2 weist wieder einen Einlassbereich 3 mit einem Einlass 4 zum Einleiten des partikelhaltigen Gasstroms sowie einen Auslassbereich 5 mit einem Auslass 6 zum Ableiten des partikelhaltigen Gasstroms auf. Der Einlassbereich 3 sowie der Auslassbereich 5 sind beispielsweise wieder trichterförmig ausgestaltet. Zwischen dem Einlassbereich 3 und dem Auslassbereich 5 befindet sich wieder der Messbereich 7, in welchem die Elektrodenanordnung angebracht ist. Die Elektrodenanordnung besteht auch bei dieser Ausführungsvariante der Sensoreinheit 2 aus einer ersten Elektrode 8, welche mit einer Gleichspannungsquelle 10 (in Figur 3 nicht dargestellt) in Verbindung steht und an welche eine Spannung der Gleichspannungsquelle 10 angelegt ist, und aus einer zweiten Elektrode 9, welche mit einem Bezugspotential (z.B. Masse) verbunden ist. Der Bereich 11 zwischen der ersten und zweiten Elektrode 8, 9 bildet wieder den Strömungskanal 11, durch welchen sich der partikelhaltige Gaststrom in Strömungsrichtung A bewegt. Zwischen der ersten und zwei-

ten Elektrode 8, 9 — d.h. im Strömungskanal 11 — bildet sich wieder ein elektrisches Feld aus.

Bei der in Figur 3 dargestellten Sensoreinheit 2 wird ein Abstand zwischen der ersten und der zweiten Elektrode 8, 9 in Richtung der Längsachse M der Sensoreinheit 2 über den Messbereich verändert, wodurch sich auch ein Querschnitt des Strömungskanals 11 verändert, da dieser von den Elektroden 8, 9 gebildet wird. Bei der gezeigten Ausführungsvariante der Sensoreinheit 2 nimmt z.B. der Abstand zwischen der ersten und der zweiten Elektrode

8, 9 in Richtung der Längsachse M der Sensoreinheit 2 über den Messbereich 7

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kontinuierlich zu. Dadurch wird der Querschnitt des Strömungskanals 11 in Strömungsrichtung A im Messbereich 7 vergrößert. Alternativ kann der Abstand zwischen der ersten Elektrode 8 und der zweiten Elektrode 9 in Richtung der Längsachse M der Sensoreinheit 2 kontinuierlich reduziert werden. Damit würde sich der Querschnitt des Strömungskanals 11 in Strömungsrichtung A im Messbereich 7 verringern. Es sind aber auch beliebig andere Veränderungen des Abstands zwischen der ersten Elektrode 8 und der zweiten Elektrode 9 im

Messbereich 7 denkbar.

Durch die Veränderung des Abstands zwischen der ersten Elektrode 8 und zweiten Elektrode 9 und der daraus folgenden Veränderung des Querschnitts des Strömungskanals 11 im Messbereich 7 ändert sich auch die Feldstärke des elektrischen Felds im Strömungska-

nal 11. D.h., die Feldstärke nimmt z.B. mit einem steigenden Abstand zwischen den Elektroden 8, 9 ab oder die Feldstärke nimmt z.B. mit einem sinkenden Abstand zwischen den Elektroden 8, 9 zu. Weiterhin kann durch die in axialer Richtung M erfolgende Veränderung des Querschnitts des Strömungskanals 11 im Messbereich 7 auch ein Strömungsprofil des durch den Strömungskanal 11 strömenden, partikelhaltigen Gasstroms beeinflusst werden. Damit können durch die Veränderung einer Geometrie des Strömungskanals 11 im Messbereich 7 das Strömungsprofil des partikelhaltigen Gasstroms und die Feldstärke des elektrischen Feldes beeinflusst werden, wodurch eine Reaktion der Sensoreinheit 2 auf Partikel

unterschiedlicher Größe abgestimmt werden kann.

In einer sehr einfachen Ausführungsform, welche z.B. in Figur 2 gezeigt ist, ist der Querschnitt des Strömungskanals 11 im Messbereich 7 beispielsweise konisch zunehmend ausgestaltet. Dazu kann z.B. die erste Elektrode 8 der Elektrodenanordnung konisch ausgestaltet oder an einem konisch ausgestalteten Hohlkörper 15 als Trägereinheit angebracht sein, wobei ein Querschnitt der ersten Elektrode 8 beim Übergang zwischen dem Einlassbereich 3 zum Messbereich 7 größer ist als ein Querschnitt der ersten Elektrode 8 beim Übergang zwischen dem Messbereich 7 zum Auslassbereich 5. Die zweite Elektrode 9 der Elektrodenanordnung kann z.B. zylindrisch ausgestaltet sein und die erste Elektrode 8 beispielsweise iInnerhalb der zweiten Elektrode 9 angeordnet. Alternativ könnte auch die erste Elektrode 8 zylindrisch und die zweite Elektrode 9 konisch ausgeführt sein, wobei ein Querschnitt der zweiten Elektrode 9 beim Übergang zwischen dem Einlassbereich 3 zum Messbereich 7 kleiner ist als ein Querschnitt der zweiten Elektrode 9 beim Übergang zwischen dem Messbereich 7 zum Auslassbereich 5. In einer weiteren, nicht dargestellten Variante sind z.B. beide Elektroden 8, 9 konisch ausgeführt. Auch dabei kann der Abstand der Elektroden 8, 9 variiert werden, indem z.B. die beiden konische ausgeführten Elektroden 8, 9 unterschiedliche Öffnungswinkel aufweisen. Dadurch wird wieder der Abstand zwischen den Elektroden 8, 9

bzw. der Querschnitt des Strömungskanals 11 in Strömungsrichtung A im Messbereich 7 und

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in der Folge die Feldstärke des elektrischen Felds im Strömungskanal 11 in Strömungsrich-

tung A verändert.

In einer weiteren, nicht dargestellten Variante ist der Querschnitt des Strömungskanals 11 im Messbereich z.B. konisch abnehmend ausgestaltet. Dazu kann z.B. die zweite Elektrode 9 der Elektrodenanordnung zylinderförmig ausgestaltet sein und die innerhalb der zweiten Elektrode 9 angeordnete erste Elektrode 8 der Elektrodenanordnung konisch, wobei ein Querschnitt der ersten Elektrode 8 beim Übergang zwischen dem Einlassbereich 3 zum Messbereich 7 kleiner ist als ein Querschnitt der ersten Elektrode 8 beim Übergang zwischen dem Messbereich 7 zum Auslassbereich 5. Alternativ könnte auch die zweite Elektrode 9 konisch ausgeführt sein — mit einem Querschnitt, welcher beim Übergang zwischen dem Einlassbereich 3 zum Messbereich 7 größer ist als ein Querschnitt beim Übergang zwischen dem Messbereich 7 zum Auslassbereich 5. Die innerhalb der zweiten Elektrode 9 angeordnete, erste Elektrode 8 könnte dann z.B. zylindrisch oder ebenfalls konisch ausgestaltet sein. Sind beide Elektroden 8, 9 konisch ausgeführt, so kann der Abstand der Elektroden 8, 9 und damit die die Feldstärke des elektrischen Felds im Strömungskanal 11 in Strömungsrichtung A im Messbereich variiert werden, indem z.B. die beiden konische ausgeführten Elektroden

8, 9 unterschiedliche Öffnungswinkel aufweisen.

Figur 4 zeigt einen weitere Ausführungsform der Sensoreinheit 2 im Längsschnitt. Diese Ausführungsform stellt eine Kombination der in den Figuren 2 und 3 gezeigten Ausführungsformen der Sensoreinheit 2 dar. Die Sensoreinheit 2 weist wieder einen Einlassbereich 3 mit einem Einlass 4, einen Messbereich 7 und einen Auslassbereich 5 mit einem Auslass 6 auf. Über den Messbereich 7 erstreckt sich die Elektrodenanordnung in Richtung der Längsachse M der Sensoreinheit 2 mit der ersten Elektrode 8, die mit der Gleichspannungsquelle 10 in Verbindung steht, und der Elektrode 9, die mit einem Bezugspotential (z.B. Masse) verbunden ist. Beide Elektroden 8, 9 sind zumindest in jeweils zwei voneinander beabstandete Elektrodensegmente 81, 82, 83, 84, 85, 86; 91, 92, 93, 94, 95, 96 unterteilt. In den Abständen 16 zwischen den Elektrodensegmenten 81, 82, 83, 84, 85, 86; 91, 92, 93, 94, 95, 96 ist eine Isolierung 16 angebracht. An die Elektrodensegmente 81, 82, 83, 84, 85, 86der ersten Elektrode 8 werden wieder Spannungen mit unterschiedlicher Spannungshöhe angelegt. Insbesondere wird darüber hinaus der Querschnitt des von den Elektroden 8, 9 gebildeten Strömungskanals 11 im Messbereich 7 verändert — in Figur 4 nimmt der Querschnitt des Strömungskanals 11 z.B. im Messbereich 7 entlang der Strömungsrichtung A zu. Dadurch werden sowohl das Strömungsprofil des partikelhaltigen Gasstroms im Strömungskanal 11 als auch die Feldstärke des im Strömungskanal 11 im Messbereich 7 ausgebildeten, elektrischen Feldes beeinflusst und die Antwort bzw. das Messsignal der Sensoreinheit 2 kann

noch genauer z.B. auf Partikel unterschiedlicher Größen im Gasstrom abgestimmt werden.

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Bezugszeichenliste

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1 Messsystem

2 Sensoreinheit

3 Einlassbereich

4 Einlass

5 Auslassbereich

6 Auslass

7 Messbereich

8 erste Elektrode der Elektrodenanordnung

9 zweite Elektrode der Elektrodenanordnung (Messelektrode) 10 Gleichspannungsquelle

11 Bereich zwischen den Elektroden bzw. Strömungskanal 12 Messeinheit

13 Auswerteeinheit

14 Gehäuse

15 Hohlkörper

16 Isolierung

81, 82, 83, 84, 85, 86 91, 92, 93, 94, 95, 96

Elektrodensegmente der ersten Elektrode

Elektrodensegmente der zweiten Elektrode (Messelektrode)

A Strömungsrichtung des Gasstroms bzw. der Abgase

M Längsachse der Sensoreinheit

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Claims (1)

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Patentansprüche

Sensoreinheit (2) zum Detektieren von Partikeln in einem Gasstrom, insbesondere zum Detektieren von Rußpartikeln in Abgasen eines Verbrennungsmotors, zumindest aufweisend:

- einen Einlassbereich (3) zum Einleiten des partikelhaltigen Gasstroms;

- einen Auslassbereich (5) zum Ableiten des partikelhaltigen Gasstroms; und

- einen Messbereich (7) mit einer Elektrodenanordnung (8, 9), welche sich entlang einer Längsachse (M) der Sensoreinheit (2) über den Messbereich (7) erstreckt, und welche eine erste Elektrode (8), an welche eine Spannung einer Gleichspannungsquelle (10) angelegt ist, und eine der ersten Elektrode (8) gegenüberliegend angeordnete zweite Elektrode (9), welche mit einem Bezugspotential verbunden ist, aufweist, sodass sich in einem Bereich (11) zwischen der ersten und zweiten Elektrode (8, 9) ein elektrisches Feld ausbildet, wobei bei bestimmungsgemäßer Verwendung der Sensoreinheit (2) eine Strömungsrichtung (A) des Gasstroms vom Einlassbereich (3) zum Auslassbereich (5) verläuft, dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich (11) zwischen der ersten und zweiten Elektrode (8, 9) einen Strömungskanal (11) für den partikelhaltigen Gasstrom bildet, welcher den Einlassbereich (3) mit dem Auslassbereich (5) verbindet, und dass die Elektrodenanordnung (8, 9) derart ausgestaltet ist, dass das elektrische Feld entlang des Strömungskanals (11) eine in der Strömungsrichtung (A) des Gasstroms variierbare elektri-

sche Feldstärke aufweist.

Sensoreinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abstand zwischen der ersten und zweiten Elektrode (8, 9) der Elektrodenanordnung in Richtung der Längsachse (M) der Sensoreinheit (2) zunimmt oder abnimmt, wodurch sich ein Querschnitt des Strömungskanals (11) entlang der Strömungsrichtung (A) des partikelhaltigen

Gasstroms vergrößert oder verkleinert.

Sensoreinheit nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Elektrode (8, 9) der Elektrodenanordnung jeweils in zumindest zwei in Richtung der Längsachse (M) der Sensoreinheit (2) voneinander beabstandete Elektrodensegmente (81, 82, 83, 84, 85, 86; 91, 92, 93, 94, 95, 96) unterteilt sind, und dass die Spannung, welche an ein jeweiliges Elektrodensegment (81, 82, 83, 84, 85, 86) der mit der Gleichspannungsquelle (10) in Verbindung stehenden, ersten Elektrode (8) ange-

legt ist, jeweils eine unterschiedliche Spannungshöhe aufweist.

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Sensoreinheit nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungshöhe der Spannung, welche an das jeweilige Elektrodensegment (81, 82, 83, 84, 85, 86) der mit der Gleichspannungsquelle (10) in Verbindung stehenden, ersten Elektrode (8) angelegt ist, gegenüber der Spannungshöhe der Spannung, welche an das jeweils in Strömungsrichtung (A) unmittelbar nachfolgende Elektrodensegment (81, 82, 83, 84, 85, 86) der mit der Gleichspannungsquelle (10) in Verbindung stehenden, ersten Elektrode (8)

angelegt ist, vergrößert oder verkleinert ist.

Sensoreinheit nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungshöhe der Spannung, welche an das jeweilige Elektrodensegment (81, 82, 83, 84, 85, 86) der mit der Gleichspannungsquelle (10) in Verbindung stehenden, ersten Elektrode (8) angelegt ist, um einen vorgegebenen Wert größer oder kleiner ist, als die Spannungshöhe der Spannung, welche an das jeweils in Strömungsrichtung (A) unmittelbar nachfolgende Elektrodensegment (81, 82, 83, 84, 85, 86) der mit der Gleichspannungsquelle (10) in

Verbindung stehenden, ersten Elektrode (8) angelegt ist.

Sensoreinheit nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den in Richtung der Längsachse (M) der Sensoreinheit (2) voneinander beabstandeten Elektrodensegmenten (81, 82, 83, 84, 85, 86) der ersten Elektrode (8) und/oder zwischen den in Richtung der Längsachse (M) der Sensoreinheit (2) voneinander beabstandeten Elektrodensegmenten (91, 92, 93, 94, 95, 96) der zweiten Elektrode (9) zumin-

dest teilweise eine Isolierung (16) angebracht ist.

Sensoreinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

dass die Sensoreinheit (2) ein Gehäuse (14) aus isolierendem Material aufweist.

Sensoreinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlassbereich (3) und/oder der Auslassbereich (5) der Sensoreinheit (2) trich-

terförmig ausgestaltet sind.

Messsystem (1) zum Detektieren von Partikeln in einem Gasstrom, insbesondere zum Detektieren von Rußpartikeln in Abgasen eines Verbrennungsmotors, dadurch gekennzeichnet, dass das Messsystem (1) zumindest aufweist:

- eine Sensoreinheit (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 8;

- eine Gleichspannungsquelle (10), welche eine Spannung mit zumindest einer Spannungshöhe zum Anlegen an die Sensoreinheit (2) zur Verfügung stellt; und

- eine Messeinheit (12) zum Erfassen eines von der Sensoreinheit (2) gelieferten Messig-

nals.

10. Messsystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass weiterhin eine Auswer-

teeinheit (13) zum Auswerten des Messsignals der Sensoreinheit (2) vorgesehen ist.

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