用于运行用于探测测量气体中的微粒的传感器的方法与流程

用于运行用于探测测量气体中的微粒的传感器的方法


背景技术：

1.从现有技术中已知用于探测微粒(teilchen)、如烟灰颗粒或者灰尘颗粒的多种方法和设备。
2.下面，在不限制另外的实施方式和应用的情况下，尤其参照用于探测微粒、尤其是内燃机的废气流中的烟灰颗粒的传感器，来描述本发明。
3.由实践已知，借助布置在陶瓷上的两个电极测量废气中的微粒(诸如烟灰颗粒或者灰尘颗粒)的浓度。这可以例如通过测量分隔这两个电极的陶瓷材料的电阻来实现。更准确地说，测量在将电压施加到电极上时在所述电极之间流过的电流。烟灰颗粒由于静电力沉积在电极之间并且随着时间推移形成电极之间的导电的桥。存在越多所述桥，所测量的电流增大得越多。因此，形成电极的增加的短路。传感器元件周期性地再生，其方式是，通过集成的加热元件将该传感器元件带到至少700℃，由此烧掉烟灰沉积物。
4.因此，这种类型的传感器根据对在较长测量时间段内累积在传感器元件上的烟灰质量进行阻抗式测量的原理来工作。这种类型的传感器例如在内燃机、例如柴油机结构形式的燃烧发动机的排气系中使用。通常，所述传感器处在排气阀或烟灰颗粒过滤器的下游，并且用于监控该烟灰颗粒过滤器。
5.然而，除了颗粒质量排放之外，还需要检测颗粒数量发射。现在，颗粒数量发射被视为借助凝聚颗粒计数器(condensation particle counter，cpc)所测量的值，该值是根据颗粒测量程序(particle measurement program，pmp)的预先规定求取的。这尤其意味着，在颗粒尺寸方面预规定灵敏度曲线以及定义仍然需要考虑的最小的和最大的颗粒尺寸。
6.变得更严格的废气法规越来越多地也要求将颗粒过滤器用于汽油发动机，所述颗粒过滤器已经在市场上使用。与柴油发动机不同，对遵守发射限制而言决定性的不是烟灰质量，而是颗粒数量，因为汽油发动机典型地排放明显较高数量的小烟灰颗粒。
7.由于目前可用的烟灰质量传感器由于原理的原因不适用于对烟灰颗粒进行计数，因此，存在用于基于光学传感器检测颗粒数量发射的可能性，该光学传感器可以完成该任务并且在未来也可以用于在汽油应用中诊断颗粒过滤器。原则上，也能够考虑在柴油车辆中的使用。
8.在此，所谓的激光诱导白炽光(lii)方法是一种可能的技术方案。该方法能够实现对废气中的单个的颗粒进行证实。lii方法提供如下可能性：基于信号强度和在时间上的信号变化过程来求取每个单个的所测量的颗粒的颗粒尺寸。因此，除了颗粒数量发射之外，还可以确定颗粒尺寸分布和颗粒质量。
9.尽管由现有技术已知的用于探测微粒的设备具有大量优点，但是，这些设备仍然具有改进潜力。因此，lii传感器在最小的能够证实的颗粒尺寸方面具有分辨率极限，因为lii信号随着颗粒尺寸减小。此外，能够假设，最小的能够证实的颗粒尺寸不会保持恒定，并且取决于多个因素，例如老化(窗口的污染，激光器和探测器的老化)或者环境温度等外部影响(信号-噪声行为被影响)。


技术实现要素：

10.因此，提出一种用于运行用于探测微粒、尤其是烟灰颗粒的传感器的方法，该方法至少在很大程度上避免已知的运行方法的缺陷，并且该方法尤其实现借助lii传感器测量的颗粒数量发射值与适用的测量系统尤其(例如pmp)的尽可能好的匹配。这尤其包括待测量的最小的和最大的颗粒尺寸以及在所述极限范围中所要求的灵敏度。
11.在本发明的第一方面中，提出一种用于运行用于探测测量气体中的、尤其是内燃机的废气中的微粒、尤其是烟灰颗粒的传感器的方法。该传感器包括传感器元件和分析处理单元。该传感器元件是激光诱导白炽光传感器元件。
12.在本发明的意义上的微粒应理解为颗粒、尤其是能导电的微粒，例如烟灰颗粒或者灰尘颗粒。
13.该方法包括：借助激光诱导白炽光传感器元件检测微粒。
14.术语“激光诱导白炽光”，如在此所使用的那样，是广义术语，应赋予该术语本领域技术人员所理解的、普通且常见的含义。该术语不局限于特定的或者匹配的含义。该术语可以在不受限制的情况下尤其指基于激光的用于在燃烧过程中的微粒诊断并且尤其烟灰诊断的方法，借助所述方法可以确定烟灰浓度、烟灰颗粒尺寸分布、烟灰结构等。激光诱导白炽光(lii)，或者激光诱导“发光”(gl
ü
hen)，提供如下可能性：确定烟灰颗粒的尺寸以及映射浓度分布。除此之外，该方法能够转移到由别的材料构成的颗粒上。激光诱导白炽光基于下文描述的原理。
15.根据普朗克辐射定律，热的颗粒发射光，能够例如通过产生烟的火焰的橘色来识别，所述火焰可以达到直到2000k的温度。在激光诱导白炽光的情况下，颗粒通过高能量的激光束进一步加热，在烟灰的情况下直至大约4000k的蒸发温度。所述“发光”的颗粒的发射行为与未经加热的颗粒的区别如此大(更密集的辐射、蓝移的发射最大值、不同的时间特性)，使得借助灵敏的探测器和摄像机能够进行选择性的证实。lii信号与烟灰体积浓度成比例。因此，该方法可以提供在所观察的火焰中的烟灰浓度的二维映射。除此之外，可以执行时间分辨的测量，以便做出关于颗粒尺寸的陈述(时间分辨的lii、tr-lii)。在通过激光束加热之后，烟灰颗粒缓慢地再次冷却，并且在此改变其发射特性。由于较大的颗粒冷却得比较小的颗粒慢，因此，可以通过测量发射根据在激励之后的时间来求取烟灰颗粒尺寸分布。相应地，激光诱导白炽光传感器元件包括至少一个激光源、探测器和摄像机，该激光源用于将激光发射到微粒上，该摄像机检测借助激光照射的微粒的发射行为。
16.另外，该方法包括：借助分析处理单元基于激光诱导白炽光传感器元件的说明检测到的微粒的测量信号来求取颗粒尺寸分布。
17.术语“颗粒尺寸分布”，如在此所使用的那样，是广义术语，应赋予该术语本领域技术人员所理解的、普通且常见的含义。该术语不局限于特定的或者匹配的含义。该术语可以在不受限制的情况下尤其指颗粒尺寸的频率的图形分布。在周围的介质(连续相)内的颗粒(分散相)，即晶粒、液滴、或者气泡，借助待测量的等效直径来区分并且根据其尺寸划分到所选择的类别中。为了示出颗粒尺寸分布，确定相应的颗粒类别在该分散相中的量份额。使用不同的量类型。如果对颗粒进行计数，则该量类型是数量。
18.另外，该方法包括：借助分析处理单元确定在微粒尺寸方面的测量下极限。
19.术语“测量极限”，如在此所使用的那样，是广义术语，应赋予该术语本领域技术人
员所理解的、普通且常见的含义。该术语不局限于特定的或者匹配的含义。该术语可以在不受限制的情况下尤其指测量仪器可以测量的物理参量。相应地，测量上极限指测量仪器可以测量的最大的物理参量，测量下极限指测量仪器可以测量的最小的物理参量。
20.另外，该方法包括：借助分析处理单元外推在测量下极限下方的颗粒尺寸分布。
21.术语“外推(extrapolieren或者extrapolation)”，如在此所使用的那样，是广义术语，应赋予该术语本领域技术人员所理解的、普通且常见的含义。该术语不局限于特定的或者匹配的含义。该术语可以在不受限制的情况下尤其指对超出安全范围的(通常数学方面的)行为的确定。
22.根据本发明的方法允许，从能够借助lii传感器测量的颗粒尺寸范围和在该范围中确定的颗粒尺寸分布出发，来近似该颗粒尺寸分布的不能够测量的范围，并且此外使该范围匹配于所要求的或所力争达到的灵敏度曲线。这具有如下优点：颗粒尺寸分布只需要在边缘区域中近似，然而与其他测量方法不同，大部分实际上是可以测量的。因此，能够以相对较高的精度求取颗粒数量以及颗粒质量。对颗粒数量的检测是相关的，因为汽油发动机典型地排放明显较高数量的小烟灰颗粒。这些小烟灰颗粒由于其较高的肺通过性而在毒理学上被认为是更安全关键的。
23.该外推可以作为在测量下极限下方的颗粒尺寸分布的曲线匹配来进行。这样的曲线匹配是一种近似方法，该近似方法也被称为曲线拟合。
24.另外，该方法可以包括：基于传感器元件特性、尤其是传感器特性曲线族来校正颗粒尺寸分布，并且借助分析处理单元外推在测量下极限下方的经校正的颗粒尺寸分布。
25.可以基于对特征性参量的确定或者基于产生颗粒的系统的事先所求取的特征性分布或者基于通过应用(applikativ)求取的颗粒尺寸分布，来执行颗粒尺寸分布的外推，所述特征性参量尤其是该分布的位置、宽度和/或类型。
26.所述外推可以包括数学外推方法。
27.另外，该方法可以包括：使所外推的颗粒尺寸分布匹配于目标灵敏度曲线。
28.使所外推的颗粒尺寸分布匹配于目标灵敏度曲线，可以包括所外推的颗粒尺寸分布与归一到值范围上的目标灵敏度曲线的相乘。
29.另外，该方法可以包括：修剪所外推的颗粒尺寸分布的边缘区域。
30.另外，该方法可以包括：基于所外推的颗粒尺寸分布确定微粒总数。
31.另外提出一种计算机程序，该计算机程序设置成用于执行根据本发明的方法的每个步骤。
32.另外提出一种电子存储介质，在该电子存储介质上存储有这样的计算机程序。
33.另外提出一种电子控制器，该电子控制器包括这样的电子存储介质。
附图说明
34.本发明的其他可选细节和特征由下面对对附图中示意性示出的优选实施例的描述得知。
35.附图示出：
36.图1示出根据本发明的实施方式的用于探测微粒的传感器的示意图，
37.图2示出根据本发明的实施方式的用于运行用于探测微粒的传感器的方法的步
骤，
38.图3示出用于运行用于探测微粒的传感器的方法的、根据图2的步骤的更详细的例子，
39.图4示出用于运行用于探测微粒的传感器的方法的、根据图2的步骤的另一更详细的例子，
40.图5示出用于运行用于探测微粒的传感器的方法的另一步骤。
具体实施方式
41.图1示出根据本发明的实施方式的用于探测测量气体中的微粒12的传感器10的示意图。传感器10尤其构造用于探测内燃机的气体流、例如废气流中的烟灰颗粒并且构造用于安装在机动车的排气系中。传感器10例如构造为烟灰传感器并且能够布置在具有柴油内燃机的机动车的烟灰颗粒过滤器的下游或者上游。然后，明确强调，传感器10可以布置在具有汽油发动机的机动车的排气系中。在示出的例子中，测量气体是内燃机的废气。传感器10包括传感器元件14。传感器元件14是激光诱导白炽光传感器元件。相应地，传感器元件14具有激光源16、探测器18和摄像机20，所述激光源用于将激光发射到微粒12上，使得所述颗粒可以加热到其蒸发温度，所述探测器和摄像机用于检测经加热的微粒12的发射辐射。探测器18和摄像机20在此可以集成在一个单元中。另外，传感器10包括分析处理单元22。传感器10可以与控制器100无线地或者有线地通信。
42.下面，描述根据本发明的用于运行传感器10的方法。借助传感器元件14检测微粒12。借助分析处理单元22，基于传感器元件12的说明检测到的微粒12的测量信号来求取颗粒尺寸分布。
43.图2示出根据本发明的实施方式的用于运行用于探测微粒的传感器10的方法的步骤。图2示出所求取的颗粒尺寸分布24的例子。在x轴26上相应地绘制颗粒尺寸，在y轴28上相应地绘制颗粒尺寸的相对频率。在此，曲线24示出所测量的颗粒尺寸分布的走向。
44.在借助传感器10测量废气中的颗粒含量的情况下，对于在测量时间点时存在的条件，例如废气温度和环境温度(包括其在先的走向在内)、传感器10的老化状态等，确定在此给定的传感器特性以及在颗粒尺寸方面的测量下极限30以及可选地确定在颗粒尺寸方面的测量上极限。这例如根据传感器10的自我诊断功能是可能的，并且对于本领域技术人员而言本身是已知的。因此，传感器特性以及在颗粒尺寸方面的可用的颗粒尺寸分布的测量下极限和测量上极限，对于该方法的运行而言可以被认为是已知的。另外，在图2中绘入所要求的或所力争达到的测量极限32。
45.借助分析处理单元22，来外推在测量下极限30下方的颗粒尺寸分布24。在图2中在测量下极限30下方示出可用的颗粒尺寸分布24的借助外推近似的范围34。该外推可以尤其作为在测量下极限30下方的颗粒尺寸分布24的曲线匹配来进行。
46.图3示出用于运行用于探测微粒的传感器的方法的、根据图2的步骤的更详细的例子。下面仅描述与图2的区别，相同或者类似的特征设有相同的附图标记。对于所测量的颗粒尺寸分布24，现在可以执行对关于颗粒尺寸的走向的分析(参见图2)。为此，首先关于已知的传感器特性来校正所测量的信号，以便在测量范围中正确地再现实际的颗粒尺寸分布。首先也不修剪边缘区域，以便不丢失关于该分布的信息。
47.在存在如图3所示的单模颗粒尺寸分布24的情况下，可以例如确定特征性的参量，例如该分布的位置和宽度以及必要时类型。替代地，可以直接基于产生颗粒的系统(马达)的事先所求取的特征性分布、例如内燃机的原理性燃烧方法或者通过应用求取的颗粒尺寸分布，来针对分布的可用范围执行与所测量的分布的曲线匹配(曲线拟合)。对于所提出的两种方案，在执行所描述的计算步骤之后，直接产生下述可能性：外推颗粒尺寸分布的由于传感器的物理极限而不可用的、缺少的范围。在两种方案中，在近似时隐含地考虑物理关联，并且通过这种方式相对于例如在不考虑物理关联的情况下的线性外推将近似误差最小化。另外，能够将数学标准方法用于外推，然而，其可能具有较大的能够预期的近似误差。
48.图4示出用于运行用于探测微粒的传感器的方法的、根据图2的步骤的更详细的例子。下面仅描述与图2的区别，相同或者类似的特征设有相同的附图标记。类似地，也可以为非单模颗粒尺寸分布执行该近似，如图4所示。图4尤其示出第一颗粒尺寸分布36、第二颗粒尺寸分布38以及由此得到的总颗粒尺寸分布40。另外，图4示出测量下极限30、所要求的或所力争达到的测量极限32和总颗粒尺寸分布40的借助外推近似的范围34。
49.如果在应用内燃机时已经识别这种类型的分布并且求取所述走向，并且所述分布和走向作为用于传感器10的测量数据的近似的函数或者例如特性曲线或者特性曲线族被提供作为所存储的数据基础，则所描述的近似是有意义的。类似地，也可以基于常见的数学分布来辨认重叠的分布36、38，并且基于如此确定的参数来执行所测量的颗粒尺寸分布36、38的缺少的范围的近似。
50.图5示出用于运行用于探测微粒的传感器10的方法的另一步骤。在此，根据图2的示意图的方法步骤用作起始点。在图5中在上方示出目标灵敏度曲线42的走向。在此，在图5的上部区域中在x轴44上绘制颗粒尺寸，在y轴46上绘制相对频率。在借助外推执行颗粒尺寸分布24的近似之后，可选地，还可以执行与目标灵敏度曲线42的匹配。例如，在控制器100的pmp(particle measurement program，颗粒测量程序)的预先规定中，根据颗粒尺寸要求传感器10的定义的灵敏度曲线。所述匹配可以例如通过所测量的和随后所外推的颗粒尺寸分布48与归一到值范围[0
…
1]上的灵敏度曲线42的相乘来进行。该处理方式在图5中示出。为此，图5示例性地在每个子步骤中示出对颗粒尺寸分布48的影响。因此，在图5中在下部区域中示出所外推的颗粒尺寸分布48。在此，在图5的下部区域中在x轴50上绘制颗粒尺寸，在y轴上绘制相对频率。另外，在图5中在颗粒尺寸的下部测量范围中示出所外推的颗粒尺寸分布48的经这样匹配的第一范围52，并且在颗粒尺寸的上部测量范围中示出所外推的颗粒尺寸分布48的经这样匹配的第二范围54。
[0051]
通过考虑灵敏度曲线42，可以匹配于在所求取的灵敏度方面的任意要求。此外，也能够考虑可能不需要观察的浓度范围。例如，不同的测量方法具有在颗粒浓度方面的测量下极限。该行为在借助激光诱导白炽光传感器元件的情况下不存在。然而，可以简单地模拟传感器10的相应的行为，与用于灵敏度曲线的处理类似。
[0052]
另外，在该方法中，可以修剪边缘区域，用于避免噪声影响和/或用于确定微粒总数。
[0053]
根据本发明的方法能够通过传感器的软件的源代码来证实。另一种可能性在于，产生在传感器的技术探测极限以下/以上的非常小的/非常大的颗粒。如果虽然颗粒尺寸处在传感器的所说明的分辨率范围中，但是传感器没有显示测量信号，则这充分说明颗粒尺
寸分布的外推方法。此外，能够在颗粒检查站上进行传感器行为的辨认，“系统辨认”，借助该颗粒检查站可以证实本发明的使用。

技术特征：
1.一种用于运行用于探测测量气体中的、尤其是内燃机的废气中的微粒、尤其是烟灰颗粒的传感器(10)的方法，所述传感器包括传感器元件(12)和分析处理单元(22)，其中，所述传感器元件(12)是激光诱导白炽光传感器元件，其中，所述方法包括：借助所述传感器元件(12)检测微粒，借助所述分析处理单元(22)基于所述传感器元件(12)的说明检测到的微粒的测量信号来求取颗粒尺寸分布(24)，借助所述分析处理单元(22)确定在微粒尺寸方面的测量下极限(30)，借助所述分析处理单元(22)外推在所述测量下极限(30)下方的颗粒尺寸分布(24)。2.根据上述权利要求所述的方法，其中，所述外推实现为在所述测量下极限(30)下方的颗粒尺寸分布(24)的曲线匹配。3.根据上述权利要求中任一项所述的方法，所述方法另外包括，基于传感器元件特性、尤其是传感器特性曲线族来校正所述颗粒尺寸分布(24)，并且借助所述分析处理单元(22)外推在所述测量下极限(30)下方的经校正的颗粒尺寸分布。4.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中，基于对特征性参量的确定、或基于产生颗粒的系统的事先所求取的特征性分布、或基于通过应用求取的颗粒尺寸分布，执行所述颗粒尺寸分布(24)的外推，所述特征性参量尤其是所述分布的位置、宽度和/或类型。5.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述外推包括数学外推方法。6.根据上述权利要求中任一项所述的方法，所述方法另外包括，使所所外推的颗粒尺寸分布(48)匹配于目标灵敏度曲线(42)。7.根据上述权利要求所述的方法，其中，使所述颗粒尺寸分布(24)匹配于目标灵敏度曲线(42)包括：将所外推的颗粒尺寸分布(48)与归一到值范围上的目标灵敏度曲线(42)相乘。8.根据上述权利要求中任一项所述的方法，所述方法另外包括，修剪所外推的颗粒尺寸分布(48)的边缘区域。9.根据上述权利要求中任一项所述的方法，所述方法另外包括，基于所外推的颗粒尺寸分布(48)确定微粒总数。10.一种计算机程序，所述计算机程序设置用于执行根据上述权利要求中任一项所述的方法的每个步骤。11.一种电子存储介质，在所述电子存储介质上存储有根据权利要求10所述的计算机程序。12.一种电子控制器，所述电子控制器包括根据权利要求11所述的电子存储介质。

技术总结
提出一种用于运行用于探测测量气体中的、尤其是内燃机的废气中的颗粒、尤其是烟灰颗粒的传感器(10)的方法。所述传感器(10)包括传感器元件(12)和分析处理单元(22)，其中，所述传感器元件(12)是激光诱导白炽光传感器元件。所述方法包括：借助所述传感器元件(12)检测微粒，借助所述分析处理单元(22)基于所述传感器元件(12)的说明检测到的微粒的测量信号来求取颗粒尺寸分布(24)，借助所述分析处理单元(22)确定在颗粒尺寸方面的测量下极限(30)，借助所述分析处理单元(22)外推在所述测量下极限(30)下方的颗粒尺寸分布(24)。限(30)下方的颗粒尺寸分布(24)。限(30)下方的颗粒尺寸分布(24)。


技术研发人员：E
受保护的技术使用者：罗伯特
技术研发日：2021.10.11
技术公布日：2023/8/31