用于求取流体流在颗粒传感器区域中的速度的方法和设备与流程

本公开涉及一种用于求取流体流在颗粒传感器区域中的速度的方法。

本公开还涉及一种用于求取流体流在颗粒传感器区域中的速度的设备。

技术实现要素：

优选的实施方式涉及一种用于求取流体流在颗粒传感器区域中的速度的方法，其中，该流体流沿着流动路径运动，其中，该颗粒传感器具有布置在该流动路径的第一位置处的颗粒充电装置以及布置在该流动路径的第二位置处的测量装置，该第二位置相对于第一位置位于下游，该颗粒充电装置用于对流体流中的颗粒进行充电，该测量装置用于求取流体流的至少一个电参量，其中，该方法具有以下步骤：求取第一时间变化曲线，该第一时间变化曲线表征颗粒充电装置的电参量，借助测量装置求取第二时间变化曲线，该第二时间变化曲线表征流体流的至少一个电参量，相对于第一时间变化曲线分析处理第二时间变化曲线。由该分析处理可以有利地推断出流体流在颗粒传感器的区域中的速度。

流体流例如可以是内燃机(例如机动车)的废气流。颗粒例如可以是炭黑颗粒，所述炭黑颗粒例如在燃料燃烧的框架下通过内燃机产生。特别有利地，在其他优选的实施方式中，可以在了解流体流在颗粒传感器区域中的速度(例如废气速度)的情况下求取颗粒传感器的区域中的、尤其颗粒传感器内的废气体积流。

在其他优选的实施方式中设置，分析处理包括对第一时间变化曲线和第二时间变化曲线进行时间上的相关。由此使得能够特别精准地求取流体流的速度。

在其他优选的实施方式中设置，颗粒充电装置具有电晕电极，其中，第一时间变化曲线表征流过该电晕电极的电晕电流。

在其他优选的实施方式中设置，测量装置具有测量电极，其中，第二时间变化曲线表征流过该测量电极的测量电流。

在其他优选的实施方式中设置，改变施加在电晕电极上的电晕电压，尤其借助能够预规定的调制信号进行调制。由此可以有针对性地影响流体流中离子的产生，这使得能够特别简单地分析处理第一和第二时间变化曲线。

在其他优选的实施方式中设置，测量装置具有离子阱和/或感测电极，其中，第二时间变化曲线尤其表征在感测电极处探测到的电荷。优选地，可以将已经存在于颗粒传感器中的离子阱和/或感测电极用作测量装置(的一部分)。

在其他优选的实施方式中设置，根据第一时间变化曲线与第二时间变化曲线之间的时间偏差来求取流体流的速度。根据申请人的研究，时间偏差对于流体流的速度是表征性的，并且，如果第一位置与第二位置沿流动路径的间距通常是已知且恒定的，则允许直接求取流体流的速度。

在其他优选的实施方式中设置，根据流体流的速度来求取流体流中的颗粒浓度。

其他优选的实施方式涉及一种用于求取流体流在颗粒传感器区域中的速度的设备，其中，该流体流沿着流动路径运动，其中，该颗粒传感器具有布置在该流动路径的第一位置处的颗粒充电装置以及布置在该流动路径的第二位置处的测量装置，该第二位置相对于第一位置位于下游，该颗粒充电装置用于对流体流中的颗粒进行充电，该测量装置用于求取流体流的至少一个电参量，其中，该设备构造为用于实施以下步骤：求取第一时间变化曲线，该第一时间变化曲线表征颗粒充电装置的电参量，借助测量装置求取第二时间变化曲线，该第二时间变化曲线表征流体流的至少一个电参量，相对于第一时间变化曲线分析处理第二时间变化曲线。

在其他优选的实施方式中设置，该设备构造为用于实施根据实施方式的方法。

其他优选的实施方式涉及一种具有至少一个根据实施方式的设备的颗粒传感器。

其他优选的实施方式涉及对根据实施方式的方法和/或根据实施方式的设备和/或根据实施方式的颗粒传感器的应用，用于求取尤其颗粒传感器的区域中的废气速度。特别有利地，可以将根据实施方式的方法和/或根据实施方式的设备和/或根据实施方式的颗粒传感器例如用在内燃机的废气系统中。

附图说明

本发明的其他特征、应用可能性和优点从本发明的在附图的图中示出的实施例的以下描述中得出。在此，所描述的或所示出的所有特征都单独地或以任何组合的形式形成本发明的主题，而与其在权利要求书中的概述或引用关系以及其在说明书或附图中的表述或表示无关。

在附图中示出：

图1示意性地示出根据优选的实施方式的颗粒传感器的侧视图，

图2示意性地示出根据优选的实施方式的方法的简化流程图，

图3示意性地示出根据其他优选的实施方式的方法的简化流程图，

图4、5、6分别示意性地示出根据其他优选的实施方式的运行场景，

图7示意性地示出根据其他优选的实施方式的颗粒传感器的简化框图，

图8示意性地示出根据其他优选的实施方式的设备的简化框图。

具体实施方式

图1示意性地示出根据优选实施方式的用于颗粒的颗粒传感器100的侧视图，在该颗粒传感器的区域中存在沿着流动路径102运动的流体流a1。流体流a1例如是尤其机动车的内燃机的废气流。颗粒例如可以是炭黑颗粒，所述炭黑颗粒例如在燃料燃烧时由内燃机产生。例如可以通过保护管r和/或用于引导流体流a1的其他装置预规定流动路径102。颗粒传感器100例如可以布置在内燃机的排气管的区域中，其中，保护管r与排气管如此连接，使得产生所提及的废气流a1。

颗粒传感器100具有用于对包含在流体流a1中的颗粒(例如炭黑颗粒)进行(电)充装的颗粒充电装置104，该颗粒充电装置位于流动路径102的第一位置p1处。在本文中，出于说明目的在图1中示出水平坐标轴x，该水平坐标轴表征沿流动路径102的不同地点。

颗粒传感器100还具有用于求取流体流a1的至少一个电参量的测量装置106，该测量装置位于流动路径102的第二位置p2处、尤其位于第一位置p1的下游。

为了求取流体流或废气流a1在颗粒传感器100的区域中的速度，设置有设备300，该设备构造为用于实施下面参考图2的流程图所描述的方法。该方法具有以下步骤：求取200第一时间变化曲线v1(图1)，该第一时间变化曲线表征颗粒充电装置104的电参量，借助测量装置106(图1)求取202(图2)第二时间变化曲线v2，该第二时间变化曲线表征流体流a1的至少一个电参量，相对于第一时间变化曲线v1分析处理204第二时间变化曲线v2。由该分析处理204可以有利地推断出流体流a1在颗粒传感器100的区域中的速度。在其他优选的实施方式中设置，根据第一时间变化曲线v1与第二时间变化曲线v2之间的时间偏差来求取流体流a1的速度。根据申请人的研究，时间偏差对于流体流a1的速度是表征性的，并且，在通常已知第一位置p1与第二位置p2沿流动路径102的间距的情况下，允许直接求取流体流a1的速度。

特别有利地，在其他优选的实施方式中，在了解流体流a1在颗粒传感器区域中的速度(例如废气速度)的情况下，可以求取颗粒传感器100的区域中的、尤其颗粒传感器100内的或者说保护管r内的废气体积流。

在其他优选的实施方式中设置，分析处理204(图2)包括对第一时间变化曲线v1(图1)和第二时间变化曲线v2进行时间上的相关204a。由此使得能够特别精准地求取流体流的速度。

在其他优选的实施方式中设置，颗粒充电装置104具有电晕电极104a(图1)，其中，第一时间变化曲线v1表征流过该电晕电极104a的电晕电流。

在其他优选的实施方式中设置，测量装置106具有测量电极106a，其中，第二时间变化曲线v2表征流过该测量电极106a的测量电流。

在其他优选的实施方式中设置，改变施加在电晕电极104a上的电晕电压，尤其借助能够预规定的调制信号进行调制。由此可以有针对性地影响流体流a1中离子的产生，这使得能够特别简单地分析处理第一和第二时间变化曲线v1、v2，尤其是基于已知的调制信号。这通过根据图3的流程图示出。首先，在步骤198中，借助已知的调制信号来调制施加在电晕电极104a(图1)上的电晕电压，这引起流体流a1中的相应地随时间变化的离子浓度，时间偏差能够通过测量装置106根据由第二位置p2与第一位置p1之间的路程和流体沿流动路径102的有限传播速度引起的相应时间偏差求取所述离子浓度，并且能够通过根据图3的步骤200、202、204分析处理所述离子浓度，所述步骤对应于根据图2的步骤200、202、204。

替代或补充所述调制，在其他优选的实施方式中，可以充分利用在颗粒充电装置104的区域中在离子生成时的(自然)波动，以便利用对时间变化曲线v1、v2的分析处理204来求取废气速度。在这些实施方式中，电晕电压的专门调制是不必要的。

在其他优选的实施方式中设置，测量装置106具有离子阱、尤其是具有所谓的陷阱电极的离子阱，和/或具有感测电极。因此，可以有利地在充分利用颗粒传感器100的可能已经存在的部件的情况下提供测量装置106。

其他优选的实施方式涉及一种具有根据实施方式的至少一个设备300(图1)的颗粒传感器100。

图4示意性地示出根据其他优选的实施方式的运行场景。在此示例性地设置基本上圆柱状的流动路径102，废气流a1可以从图4中的左端部102a流入到该流动路径中，并且废气流a1可以从图4中的右端部102b从该流动路径中流出。在其他实施方式中，流动路径102或者说例如颗粒传感器100a的包围该流动路径的部件不限于在此示例性示出的圆柱体形状或空心圆柱体形状。在其他实施方式(未示出)中，颗粒传感器100a尤其也可以具有基本上平面的配置。

在当前情况下，颗粒传感器100a(在位置p1处)具有电晕针104a‘作为电晕电极并且(在位置p2处)具有离子阱107，该电晕针和该离子阱以(沿着流动路径102)彼此隔开间距i的形式安装在废气流a1中。在优选的实施方式中，离子阱107可以是带电电极，然而，在其他优选的实施方式中，离子阱107也可以是施加有陷阱电压utrap的电极和对电极(未示出)的组合。例如，通过确定由借助电晕针104a‘充电的颗粒从传感器100a中携带出的电荷，或者借助通过感应电极(influenzelektrode)(未示出)探测带电颗粒，可以通过根据图4的颗粒传感器100a测量颗粒浓度。

电晕针104a‘由电压源108供给电晕电压ucor，由此产生通过电晕针104a‘的电晕电流icor。优选地，电晕电流icor随时间改变。在其他优选的实施方式中，电晕电流icor随时间的变化有意地发生，尤其是通过对电晕电压ucor的调制，或者，电晕电流由于废气流a1中在离子生成时的自然波动而变化。废气流a1的借助出现在电晕针104a‘的尖端处的电晕放电c而生成的离子以离子速度vion向离子阱107运动。在此，离子速度vion由介质a1中离子的漂移和扩散速度与传感器100a中的废气速度vexhaust的叠加给定。通过带电离子对离子阱107的撞击产生电流itrap，该电流与电晕电流icor在时间上偏差一个时间偏差τ地成比例：ityap(t)～icor(t-τ)(等式1)。

时间偏差τ由在颗粒传感器100a中在距离i上的传播时间得出，并且该时间偏差使得能够确定离子速度，vion＝i/τ(等式2)。

废气速度vexhaust是离子速度vion以及必要时还有影响离子在周围介质中的扩散和漂移的其他因素的函数，这些其他因素例如是温度和所施加的电压，vexhaust＝f(vion)(等式3)。为了确定时间偏差τ，在其他优选的实施方式中，可以测量电晕c处的电流(icor，对应于例如第一时间变化曲线v1)和离子阱107处的电流(itrap，图4，对应于例如第二时间变化曲线v2)，并将所述两个电流在时间上相关。在其他优选的实施方式中，借助(例如先前的)校准由离子速度计算废气速度。

图5示意性地示出根据其他优选的实施方式的运行场景。在图5示出的配置100b中，感测电极109位于离子阱107的后面，该感测电极测量在其紧邻处的颗粒的电荷。该感测电极109例如可以是用于确定颗粒传感器100b的颗粒浓度的真正测量电极。在该变型方案中，相对于感测电极109布置在上游的离子阱107首先对来自废气流a1的离子进行筛分，而下游的感测电极109通过静电感应来探测处于其环境中的电荷qsens。这些电荷多数位于通过电晕离子充电的颗粒上。类似于图4中的实施方式，例如借助相关性来求取电晕电流icor与感测到的电荷qsens之间的时间偏差τ，并且通过电晕尖端104a‘与感测电极109之间的已知长度i1来确定离子速度和废气速度。

在其他实施方式中，可以省去作为单独构件的离子阱107，因为离子在流过传感器或者说感测电极109时已经被捕获。这一点不仅可以通过离子飞行轨迹的设计来实现，而且可以通过不同构件的电势来实现，还可以通过二者的组合来实现。

图6示意性地示出根据其他优选的实施方式的运行场景。感测电极109a在离子阱107前面布置在上游，该感测电极通过感应来探测位于附近环境中的电荷qsens,ion。根据基本测量原理，用于颗粒电荷的另一感测电极(未示出)位于离子阱107之后。在其他实施方式中，类似于图5，此处也可以省去作为单独构件的离子阱107。由感测电极109a探测到的电荷多数位于离子上，但是也可能已经部分地转移到了废气流a1的颗粒、尤其炭黑颗粒上。电晕尖端104a‘与感测电极109a之间的间距为i2。类似于以上参考图1至图5所描述的实施方式，在根据图6的实施方式100c中，分析处理感测电极109a上的时间信号(对应于第二时间变化曲线v2)，并且例如求出该时间信号相对于电晕信号(对应于第一时间变化曲线v1)的时间相关性。距离i2除以得出的时间间距得出离子速度，并由此推导出废气速度。

在其他优选的实施方式中设置，分析处理颗粒传感器100、100a、100b、100c的空间上彼此相继的(尤其关于流动路径102依次存在的)任何元件的信号(例如电流和/或电压的时间变化曲线)。这样的元件可以是例如：用于离子或用于带电颗粒的感测电极109、109a，离子阱107，或者这些元件中的多个。如果已知相应的空间间距，则可以由信号的相应的时间偏差τ(例如通过所涉及的信号在所观察元件的区域中的相关性来求取该时间偏差)计算出流体流a1在该区段中的速度。

图7示意性地示出根据其他优选的实施方式的颗粒传感器100d的简化框图。有利地，颗粒传感器100d附加地具有用于求取流体流a1在颗粒传感器100d的区域中的速度的设备300，该颗粒传感器例如至少部分地对应于在图1至图6示出的配置中的至少一个或者说具有这些配置中的至少一个。例如，可以将电晕电流icor和陷阱电流itrap的时间变化曲线v1、v2提供给设备300，并且设备300可以在应用根据实施方式的原理的情况下由此求取流体流a1的速度。

图8示意性地示出根据其他优选的实施方式的设备300a的简化框图。例如，根据图1、7的设备300可以具有根据图8的配置300a。

设备300a具有计算单元302(例如微处理器和/或微控制器和/或可编程的逻辑模块、尤其fpga，和/或专用集成电路asic，和/或数字信号处理器dsp，和/或上述的组合)和存储单元304。存储单元304具有易失性存储器304a、尤其工作存储器(ram)，并且具有非易失性存储器304b、例如闪存eeprom)。在非易失性存储器304b中存储有计算单元302的至少一个计算机程序prg1，该计算机程序控制根据实施方式的方法的实施和/或设备300、300a的其他运行。可选地，计算机程序prg1(或另一计算机程序)也可以例如通过以下方式控制对颗粒浓度的求取：对借助感测电极109、109a获得的信号进行分析处理。

可选地，设置接口单元306，该接口单元用于接收第一时间变化曲线v1和/或第二时间变化曲线v2或接收表征这些时间变化曲线的参量。计算单元302例如可以构造为微控制器，并且接口单元306可以代表优选地集成在微控制器302中的模数转换器(adc)，可以将例如代表电晕电流icor的电压和代表陷阱电流itrap的电压提供给该模数转换器。

此外，可选地设置调制器单元308，该调制器单元构造为用于调制电晕电压ucor。由此可以有针对性地影响离子在流体流a1(图1)中的产生，这使得能够特别简单地分析处理第一和第二时间变化曲线v1、v2。

根据实施方式的原理使得能够精准地求取流体流a1、尤其废气流a1在颗粒传感器100、100a、100b、100c、100d的区域中的速度，并且借此例如确定颗粒传感器内的废气体积流。由此可以特别精准地求取废气中的例如炭黑颗粒的颗粒浓度。

特别有利的是例如在没有受控的废气输送、例如没有压缩空气喷射泵的颗粒传感器中使用根据实施方式的原理，因为颗粒传感器中的废气体积流在这种情况下取决于外部参数，例如曲柄角度、发动机转速、负载、颗粒过滤器的占用率或温度。相应地，流体流a1随时间可变并且遭受强烈的波动。

此外，有利地，根据实施方式的原理使得能够在颗粒浓度测量中考虑与速度相关的效应，尤其使得能够消除这些效应。这些效应基本上是：从颗粒传感器中携带的电荷与颗粒传感器中的废气体积流的相关性，颗粒电荷与充电时间的相关性并且因此与颗粒传感器中的废气速度的相关性。

此外，有利地，根据实施方式的原理使得能够精确地确定颗粒浓度，尤其是在不精确地了解废气系统的主线路中的废气速度的情况下，以及在没有附加的泵机制的情况下。此外，有利地，使得能够实现在时间上高分辨率的颗粒浓度测量，并且根据实施方式的原理的应用是成本有利的，因为除了现有的颗粒传感器之外不需要任何附加硬件或最多需要低比例的附加硬件。