Titel

SENSOR ZUR ERFASSUNG MINDESTENS EINER EIGENSCHAFT EINES MESSGASES

UND VERFAHREN ZUM BETREIBEN EINES SENSORS

Stand der Technik

Aus dem Stand der Technik ist eine Vielzahl von Sensorelementen zur Erfassung von Partikeln eines Messgases in einem Messgasraum bekannt. Beispielsweise kann es sich bei dem Messgas um ein Abgas einer Brennkraftmaschine handeln. Insbesondere kann es sich bei den Partikeln um Ruß- oder Staubpartikel handeln. Die Erfindung wird im Folgenden, ohne Beschränkung weiterer Ausführungsformen und Anwendungen, insbesondere unter Bezugnahme auf Sensorelemente zur Detektion von Rußpartikeln beschrieben.

Es ist aus der Praxis bekannt, mittels zwei Elektroden, die auf einem Substrat, wie beispielsweiser einer Keramik, angeordnet sind, eine Konzentration von Teilchen, wie beispielsweise Ruß- oder Staubpartikeln, in einem Abgas zu messen. Dies kann beispielsweise durch eine Messung des elektrischen Widerstands des die beiden Elektroden trennenden keramischen Werkstoffs erfolgen. Genauer wird der elektrische Strom gemessen, der beim Anlegen einer elektrischen Spannung an die Elektroden zwischen diesen fließt. Die Rußpartikel lagern sich aufgrund elektrostatischer Kräfte zwischen den Elektroden ab und bilden mit der Zeit elektrisch leitfähige Brücken zwischen den Elektroden. Je mehr dieser Brücken vorhanden sind, umso mehr steigt der gemessene Strom.

Es bildet sich somit ein zunehmender Kurzschluss der Elektroden. Das Sensorelement wird periodisch regeneriert, in dem er durch ein integriertes Heizelement auf mindestens 700°C gebracht wird, wodurch die Rußablagerungen wegbrennen. Derartige Sensoren werden beispielsweise in einem Abgasstrang einer Brennkraftmaschine, wie beispielsweise einem Verbrennungsmotor der Dieselbauart eingesetzt. Üblicherweise befinden sich diese Sensoren stromabwärts des Auslassventils bzw. des Rußpartikelfilters.

Die DE 102010030 634 Al beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben eines Partikelsensors.

Trotz der zahlreichen Vorteile der aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen und verfahren beinhalten diese noch Verbesserungspotenzial. So sind keramische Sensorelemente, die in der Abgastechnik oder ähnlichen Umweltbedingungen eingesetzt werden, meist Feuchte in Form von flüssigem Wasser bzw. Kondensat ausgesetzt, was den Einsatzzeitpunkt einschränkt oder gar den Sensor schädigen kann, wenn das Wasser zum falschen Zeitpunkt mit dem Sensorelement in Kontakt kommt. Daher wird der Partikelsensor zum Schutz vor einer notwendigen Sensorregeneration im Schutzheizen betrieben, um vorhandenes Wasser auf dem Sensorelement zu verdampfen. Die Regeneration beginnt erst nach der Freigabe des Taupunktes durch das Motorsteuergerät. Bei der Taupunktfreigabe handelt es sich um eine modellierte Größe und man geht davon aus, dass der Abgasstrang trocken geheizt wurde und sich kein flüssiges Wasser mehr an und vor der relevanten Stelle im Abgasstrang befindet. Jedoch hat sich gezeigt, dass diese Taupunktfreigabe in der Serie nicht immer korrekt appliziert wurde und als Folge die Sensoren im Feld wegen Thermoschock, d.h. plötzliches Auftreffen von flüssigem Wasser auf ein heißes Sensorelement mit der Folge von Schäden an der Sensorelementkeramik, ausfallen. Befindet sich nach der Taupunktfreigabe also zum Beginn der Regeneration noch Wasser auf dem Sensorelement, so kann es infolge der daraus resultierenden lokal hohen Temperaturgradienten in der Keramik zur Schädigung des Sensorelementes kommen und somit zum Ausfall des Sensors.

Offenbarung der Erfindung

In einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird daher ein Sensor zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases, insbesondere zur Detektion von Teilchen, wie beispielsweise Rußpartikeln, eines Messgases in einem Messgasraum, vorgeschlagen, welcher die Nachteile bekannter Sensoren zumindest weitgehend vermeidet und der ausgebildet ist, flüssiges Wasser auf der Sensorelementoberfläche im Bereich der Elektroden-Struktur mittels elektronischer Messung zu erkennen und infolge dessen die Schutzheizdauer zu verlängern, um das Wasser zu verdampfen, oder bei bereits laufender Sensorregeneration diese zu unterbrechen und in den Schutzheizmodus zurückzukehren, um das Wasser bei geringen Temperaturen zu verdampfen. Der Sensor kann insbesondere zur Erfassung von Rußpartikeln in einem Abgas einer Brennkraftmaschine eingesetzt werden. Ohne Einschränkung weiterer möglicher Einsatzgebiete, wird die Erfindung nachfolgend im Hinblick auf einen Sensor zur Erfassung von Partikeln eines Messgases in einem Messgasraum beschrieben. Alternativ kann der Sensor jedoch auch beispielsweise als Gassensor ausgestaltet sein, insbesondere als resistiver Gassensor, beispielsweise als Gassensor auf Basis halbleitender Metalloxide wie beispielsweise Sn0 ₂ . So kann allgemein die mindestens eine Eigenschaft des Messgases beispielsweise eine chemische und/oder physikalische Eigenschaft sein, insbesondere eine Eigenschaft, welche sich mittels eines resistiven Sensors erfassen lässt. Beispielsweise kann es sich hierbei um eine Konzentration mindestens einer Kraftkomponente in dem Messgasraum oder einer feuchte des Messgases handeln.

Der Sensor umfasst mindestens ein Sensorelement, wobei das Sensorelement ein als Träger dienendes Substrat, mindestens eine erste Elektrode und mindestens eine zweite Elektrode aufweist, wobei die erste Elektrode und die zweite Elektrode auf dem Substrat angeordnet sind, wobei der Sensor weiterhin mindestens eine Steuerung aufweist, wobei die Steuerung eine Messvorrichtung aufweist, wobei die Messvorrichtung mit der ersten Elektrode und/oder der zweiten Elektrode verbunden ist und zum Erfassen mindestens eines elektrischen Signals eingerichtet ist, wobei die Steuerung weiterhin mindestens eine Spannungsquelle aufweist, wobei die Spannungsquelle mit der ersten Elektrode und/oder der zweiten Elektrode verbunden ist und zum Beaufschlagen der ersten Elektrode und/oder der zweiten Elektrode mit einer variablen elektrischen Spannung eingerichtet ist. Unter einem Sensor wird allgemein im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung verstanden, welche eingerichtet ist, um eine Messgröße zu erfassen, beispielsweise mindestens eine Messgröße, welche einen Zustand und/oder eine Eigenschaft charakterisiert. Unter einem Sensorelement wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine beliebige Vorrichtung verstanden, welche geeignet ist, die mindestens eine Eigenschaft des Messgases qualitativ und/oder quantitativ zu erfassen. Beispielsweise kann das Sensorelement eingerichtet sein, um eine Konzentration und/oder Anzahl von Partikeln zu erfassen. Das Sensorelement kann beispielsweise mit Hilfe einer geeigneten Ansteuereinheit und geeignet ausgestalteten Elektroden ein elektrisches Messsignal entsprechend der erfassten Partikel erzeugen. Allgemein kann das Sensorelement mindestens ein elektrisches Messsignal erzeugen, beispielsweise eine Spannung oder einen Strom. Hierbei können DC-Signale und/oder AC- Signale verwendet werden. Des Weiteren kann beispielsweise zur Signalauswertung aus der Impedanz ein resistiver Anteil und/oder ein kapazitiver Anteil verwendet werden. Bei den erfassten Partikeln kann es sich insbesondere um Rußpartikel und/oder Staubpartikel handeln. Bezüglich möglicher Ausgestaltungen des Sensorelements kann beispielsweise auf den oben genannten Stand der Technik verwiesen werden. Auch andere Ausgestaltungen sind jedoch möglich.

Das Sensorelement kann insbesondere zum Einsatz in einem Kraftfahrzeug eingerichtet sein. Insbesondere kann es sich bei dem Messgas um ein Abgas des Kraftfahrzeugs handeln. Auch andere Gase und Gasgemische sind grundsätzlich möglich. Bei dem Messgasraum kann es sich grundsätzlich um einen beliebigen, offenen oder geschlossenen Raum handeln, in welchem das Messgas aufgenommen ist und/oder welcher von dem Messgas durchströmt wird. Beispielsweise kann es sich bei dem Messgasraum um einen Abgastrakt einer Brennkraftmaschine, beispielsweise eines Verbrennungsmotors, handeln.

Das elektrische Signal ist vorzugsweise durch die mindestens eine Eigenschaft des Messgases, welche zu erfassen ist, insbesondere durch eine Partikelbeladung der Elektroden, beeinflussbar. Die Elektroden können insbesondere auf einer Oberfläche des Substrats angeordnet sein oder von einer Oberfläche des Substrats her für das Messgas zugänglich sein. Die Elektroden können insbesondere mindestens eine Interdigitalelektrode bilden, also eine Struktur von zwei ineinandergreifenden Messelektroden, welche jeweils ineinandergreifende Elektrodenfinger aufweisen. Auch eine andere Anordnung der Elektroden ist jedoch grundsätzlich möglich, beispielsweise, wie unten noch näher beschrieben wird, eine Struktur, bei welcher zwei Messelektroden zumindest abschnittsweise parallel geführt werden und gemeinsam ein Mäandermuster bilden.

Die Elektroden können insbesondere Platin umfassen und/oder ganz oder teilweise aus Platin bestehen. Auch eine Legierung ist grundsätzlich möglich. Alternativ oder zusätzlich zur Verwendung von Platin können auch andere Metalle zum Einsatz kommen.

Unter einem Substrat wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich ein beliebiges Substrat verstanden, welches geeignet ist, die Elektroden zu tragen und/oder auf welches die Elektroden aufgebracht werden können. Das Substrat kann einschichtig oder auch mehrschichtig aufgebaut sein. Das Substrat kann als Trägermaterial insbesondere mindestens ein keramisches Material umfassen. Insbesondere kann das Substrat eine oxidische Keramik, vorzugsweise Aluminiumoxid, insbesondere AI ₂ O ₃ , umfassen. Weitere Oxide, beispielsweise Zirkoniumoxid, sind jedoch möglich. Weiterhin kann das Substrat mindestens ein elektrisch isolierendes Material umfassen. Das Substrat kann eine Substratoberfläche aufweisen. Unter einer Substratoberfläche wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich eine beliebige Schicht verstanden, welche das Substrat von seiner Umgebung abgrenzt, und auf welche die Elektroden aufgebracht sind.

Unter einer Elektrode wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich ein beliebiger elektrischer Leiter verstanden, der für eine Strommessung und/oder eine Spannungsmessung geeignet ist, und/oder welcher mindestens ein mit den Elektrodeneinrichtungen in Kontakt stehendes Element mit einer Spannung und/oder einem Strom beaufschlagen kann. Allgemein ist darauf hinzuweisen, dass im Rahmen der vorliegenden Erfindung die Begriffe „erste“, „zweite“ oder „dritte“, sowie entsprechende Abwandlungen davon, als reine Bezeichnungen und Namensgebung verwendet werden, ohne eine Nummerierung zu bezwecken. So können beispielsweise ein erstes Element und ein drittes Element vorhanden sein, ohne dass ein zweites Element zwingend erforderlich ist, oder es kann ein zweites Element vorhanden sein, ohne dass ein erstes Element vorhanden ist, oder es kann ein erstes Element vorhanden sein, ohne dass ein zweites Element oder ein drittes Element vorhanden sind.

Unter einer Steuerung ist dabei allgemein im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung zu verstehen, welche eingerichtet ist, um einen oder mehrere Vorgänge in einer anderen Vorrichtung zu starten, zu beenden, zu steuern oder zu regeln. Die Steuerung kann beispielsweise mindestens einen Mikrocontroller umfassen. Alternativ oder zusätzlich kann die Steuerung jedoch auch andere Hardware umfassen, beispielsweise mindestens eine Hardwarekomponente ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: einem Komparator, einer Stromquelle, einer Spannungsquelle, einer Strommessvorrichtung, einer Spannungsmessvorrichtung, einer Widerstandsmessvorrichtung.

Unter einer Messvorrichtung ist dabei allgemein im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung zu verstehen, welche mindestens ein Messsignal erzeugen kann, aus welchem auf mindestens eine Eigenschaft des Messgases geschlossen werden kann. Die Messvorrichtung kann insbesondere als Partikelmessvorrichtung ausgestaltet sein und kann dementsprechend eingerichtet sein, um mindestens ein Messsignal zu erzeugen, aus welchem auf eine Partikelbeladung, insbesondere eine Partikelkonzentration in dem Messgas, geschlossen werden kann. Bezüglich möglicher Ausgestaltungen der Partikelmessvorrichtung kann beispielsweise auf den oben genannten Stand der Technik verwiesen werden. Insbesondere kann die Messvorrichtung, insbesondere die Partikelmessvorrichtung, mindestens eine Strommessvorrichtung umfassen, wobei mittels der Spannungsquelle der Steuerung beispielsweise die Elektroden mit einer Spannung beaufschlagt werden kann und wobei mittels der Strommessvorrichtung hierbei ein Strom gemessen werden kann. Beispielsweise können die Elektroden jeweils mit einem ersten Ende und einem zweiten Ende ausgebildet sein, wobei ein Pol der Spannungsquelle mit einem ersten der beiden ersten Enden und ein anderer Pol der Spannungsquelle mit einem zweiten der beiden ersten Enden verbunden sein kann und wobei die Strommessvorrichtung beispielsweise mit einem der beiden ersten Enden verbunden sein kann. Aus einer Stärke des Stroms kann dann beispielsweise auf die mindestens eine Eigenschaft, insbesondere auf eine Partikelbeladung der Elektroden, geschlossen werden, und/oder aus einer zeitlichen Veränderung des Stroms kann auf die Eigenschaft, beispielsweise eine Konzentration der Partikel in dem Messgas, geschlossen werden.

Unter einem Ende einer Elektrode wird dabei allgemein ein Punkt oder Bereich innerhalb der Elektrode verstanden, über welchen die Elektrode elektrisch kontaktiert werden kann. Hierbei kann es sich, muss es sich jedoch nicht notwendigerweise um ein äußerstes Ende der Elektrode handeln, beispielsweise ein Ende einer Leiterschleife eines geraden oder gekrümmten Leiters.

Zur Erfassung des mindestens einen elektrischen Signals, auch als Messsignal bezeichnet, kann die Steuerung die mindestens eine Messvorrichtung umfassen, wie unten noch näher ausgeführt wird, beispielsweise eine Strommessvorrichtung und/oder eine Spannungsmessvorrichtung. Insbesondere kann es sich hierbei um eine Strommessvorrichtung handeln, da Partikelbeladungen üblicherweise in Form von Strömen erfasst werden.

Unter einer Spannungsquelle ist dabei allgemein im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung zu verstehen, welche mindestens einen Anschluss mit einem variablen elektrischen Potenzial aufweist. So kann die Potenzialquelle beispielsweise eine fixe oder eine regelbare Spannungsquelle aufweisen, wobei mindestens ein Pol der Spannungsquelle den Anschluss bildet. Unter einer variablen elektrischen Spannung ist allgemein eine elektrische Spannung zu verstehen, welche mindestens zwei Werte annehmen kann. Beispielsweise kann die Spannungsquelle eingerichtet sein, um die elektrische Spannung zwischen mindestens einem ersten Wert und mindestens einem zweiten Wert in einer Stufe, in mehreren Stufen oder stufenlos zu verändern. Entsprechend kann die Spannungsquelle zum Beaufschlagen der ersten Elektrode und/oder der zweiten Elektrode mit mindestens einer ersten elektrischen Spannung und einer zweiten elektrischen Spannung eingerichtet sein, wobei sich die zweite elektrische Spannung von der ersten elektrischen Spannung unterscheidet.

Das elektrische Signal kann ein Widerstandswert eines elektrischen Messwiderstands und/oder ein elektrischer Strom sein.

Die Steuerung kann zum Variieren der elektrischen Spannung in Abhängigkeit von einer Temperatur des Sensorelements ausgebildet sein.

Die Steuerung kann zum Variieren der elektrischen Spannung mindestens einen Spannungsteiler aufweisen. Alternativ kann die Spannungsquelle regelbar sein.

Die erste Elektrode und die zweite Elektrode können als Interdigitalelektroden oder mäanderförmig auf dem Substrat angeordnet sein.

Die Spannungsquelle kann zum Beaufschlagen der ersten Elektrode und/oder der zweiten Elektrode mit einer elektrischen Messspannung zum Detektieren von Teilchen eingerichtet sein, wobei die variable elektrische Spannung kleiner als die Messspannung ist.

Der Sensor kann weiterhin mindestens einen Heizer zur Beheizung des Sensorelements aufweisen. Unter einem Heizer wird dabei allgemein eine Vorrichtung verstanden, welche eingerichtet ist, um mindestens ein Element zu beheizen, beispielsweise in diesem Fall den Sensor. Der Heizer kann insbesondere eine elektrische Heizer sein. Der Heizer kann beispielsweise, wie unten noch näher erläutert wird, mindestens eine elektrische Energiequelle, auch als eine Versorgung oder elektrische Versorgung des Heizers bezeichnet, und mindestens einen mit der elektrischen Energiequelle verbundenen Heizwiderstand aufweisen, welcher beispielsweise als Heizmäander ausgestaltet sein kann. Der Sensor kann weiterhin mindestens einen Temperaturfühler aufweisen, beispielsweise mindestens einen temperaturabhängigen Widerstand, beispielsweise einen Temperaturmessmäander. In diesem Fall kann die Spannungsquelle auch ganz oder teilweise bauteilidentisch mit dem mindestens einen Temperaturfühler sein und/oder elektrisch mit dem mindestens einen Temperaturfühler verbunden sein.

In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Betreiben eines Sensors zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases, insbesondere zur Detektion von Teilchen, insbesondere von Rußpartikeln, eines Messgases in einem Messgasraum, vorgeschlagen. Bei dem Sensor kann es sich insbesondere um einen erfindungsgemäßen Sensor handeln, beispielsweise gemäß einer der oben beschriebenen Ausgestaltungen oder gemäß einer der nachfolgend noch näher beschriebenen Ausgestaltungen. Der Sensor umfasst mindestens ein Sensorelement, wobei das Sensorelement ein als Träger dienendes Substrat, mindestens eine erste Elektrode und mindestens eine zweite Elektrode aufweist, wobei die erste Elektrode und die zweite Elektrode auf dem Substrat angeordnet sind, wobei der Sensor weiterhin mindestens eine Steuerung aufweist, wobei die Steuerung eine Messvorrichtung aufweist, wobei die Messvorrichtung mit der ersten Elektrode und/oder der zweiten Elektrode verbunden ist und zum Erfassen mindestens eines elektrischen Signals eingerichtet ist, wobei die Steuerung weiterhin mindestens eine Spannungsquelle aufweist, wobei die Spannungsquelle mit der ersten Elektrode und/oder der zweiten Elektrode verbunden ist und zum Beaufschlagen der ersten Elektrode und/oder der zweiten Elektrode mit einer variablen elektrischen Spannung eingerichtet ist.

Das Verfahren umfasst Beaufschlagen der ersten Elektrode und/oder der zweiten Elektrode mit einer variierenden elektrischen Spannung und Erfassen eines elektrischen Signals umfasst.

Das Verfahren kann weiterhin Beaufschlagen der ersten Elektrode und/oder der zweiten Elektrode mit mindestens einer ersten elektrischen Spannung und Erfassen eines ersten elektrischen Signals, und Beaufschlagen der ersten Elektrode und/oder der zweiten Elektrode mit mindestens einer zweiten elektrischen Spannung und Erfassen eines zweiten elektrischen Signals umfassen, wobei sich die zweite elektrische Spannung von der ersten elektrischen Spannung unterscheidet.

Das Verfahren kann weiterhin Erfassen von Flüssigkeit, insbesondere Wasser, auf dem Sensorelement, sofern ein nicht-linearer Zusammenhang zwischen dem erfassten elektrischen Signal und der variierenden elektrischen Spannung erfasst wird, umfassen.

Das Verfahren kann weiterhin Definieren eines Schwellwerts für eine Anzahl von Ereignissen von erfasster Flüssigkeit auf dem Sensorelement und Erfassen eines Veränderung eines qualitativen Zustands der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode bei Überschreiten des Schwellwerts umfassen.

Das Verfahren kann während eines Schutzheizens des Sensors, während einer Regeneration des Sensors und/oder während einer Messphase des Sensors durchgeführt werden.

Vorteile der Erfindung

Der vorgeschlagene Sensor und das vorgeschlagene Verfahren weisen gegenüber bekannten Sensoren und Verfahren der genannten Art zahlreiche Vorteile auf. Allgemein lässt sich die Idee der vorliegenden Erfindung auf zahlreiche Sensorkonzepte anwenden. Es wird eine zuverlässige Detektion von Wasser auf der Elektrodenstruktur vor Regeneration und somit Vermeidung bzw. Reduktion von Thermoschockausfällen ermöglicht. Es wird eine Detektion von Wasser auf der Elektrodenstruktur vor einer Messphase und somit eine Vermeidung von starker Elektrolyse beim Anlegen der Messspannung von ca. 45 V ermöglicht. Als Folge der Elektrolyse kommt es ansonsten zum Messbereichsanschlag des Strommesssignals, was zur Defektmeldung des Sensors führt. Es wird eine Erhöhung der Sensorlebensdauer ermöglicht. Weiterhin wird eine Reduktion von Kundenreklamationen ermöglicht.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen Weitere optionale Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind.

Es zeigen:

Figur 1 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Sensors;

Figur 2 einen zeitlichen Verlauf von elektrischer Spannung und elektrischen Strom bei Vorliegen von Wasser;

Figur 3 einen zeitlichen Verlauf der elektrischen Spannung bei einem ersten Wert;

Figur 4 einen zeitlichen Verlauf der elektrischen Spannung bei einem zweiten Wert und ohne Vorhandensein von Wasser;

Figur 5 einen zeitlichen Verlauf der elektrischen Spannung bei einem zweiten Wert und Vorhandensein von Wasser;

Figur 6 ein Ablaufdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens vor einer Messung oder während eines Schutzheizens;

Figur 7 ein Ablaufdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens während einer Regeneration; und

Figur 8 ein Ablaufdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens vor einer Messphase.

Ausführungsformen der Erfindung

In Figur 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Sensors 10 zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines Messgases in einem Messgasraum dargestellt. Bei dem Messgas kann es sich insbesondere um ein Abgas einer Brennkraftmaschine handeln, und bei dem Messgasraum dementsprechend insbesondere um einen Abgastrakt der Brennkraftmaschine. Der Sensor 10 ist insbesondere zur Detektion von Teilchen ausgebildet. Die Teilchen können in dem Messgas in dem Messgasraum vorliegen. Bei den Teilchen kann es sich beispielsweise um Rußpartikel handeln. Es wird jedoch explizit betont, dass es sich bei dem Sensor 10 um einen Sensor zur Erfassung von Feuchte handeln kann.

Der Sensor 10 umfasst in diesem Ausführungsbeispiel ein Sensorelement 12 mit einem Substrat 14 und, in diesem Ausführungsbeispiel exemplarisch, zwei direkt oder indirekt auf dem Substrat 14 aufgebrachten und dem Messgas aussetzbaren Elektroden 16, 18. Die Elektroden 16, 18 werden nachstehend auch als erste Elektrode 16 und zweite Elektrode 18 bezeichnet. Die erste Elektrode 16 und die zweite Elektrode 18 sind als Interdigitalelektroden auf dem Substrat 14 angeordnet. Die erste Elektrode 16 wird beispielhaft als positive Elektrode verwendet und die zweite Elektrode 18 wird als negative Elektrode verwendet.

Der Sensor 10 weist weiterhin mindestens eine Steuerung 20 auf. Bei der Steuerung 20 handelt es sich um ein Sensorsteuergerät. Es kann sich aber auch um ein Motorsteuergerät der Brennkraftmaschine handeln. Die Steuerung 20 weist eine Messvorrichtung 22 auf. Die Messvorrichtung 22 ist mit der ersten Elektrode 16 und/oder der zweiten Elektrode 18 verbunden und ist zum Erfassen mindestens eines elektrischen Signals eingerichtet. Beispielsweise ist die Messvorrichtung 22 mit der zweiten Elektrode 18 über eine Messleitung 24 verbunden und kann über einen Messwiderstand 26 das elektrische Signal abgreifen. Das elektrische Signal kann ein Widerstandswert des elektrischen Messwiderstands 26 und/oder ein elektrischer Strom sein. Beispielsweise kann es sich bei dem elektrischen Signal um einen elektrischen Strom handeln, der basierend auf einem Spannungsabfall über den Messwiderstand 26 und dessen Widerstandswert ermittelt wird.

Die Steuerung 20 weist weiterhin mindestens eine Spannungsquelle 28 auf. Die Spannungsquelle 28 ist mit der ersten Elektrode 16 und/oder der zweiten Elektrode 18 verbunden und ist zum Beaufschlagen der ersten Elektrode 16 und/oder der zweiten Elektrode 18 mit einer variablen elektrischen Spannung eingerichtet. Beispielsweise ist die Spannungsquelle 28 mittels einer ersten Leitung 30 mit der ersten Elektrode 16 verbunden. Insbesondere ist die Spannungsquelle 28 zum Beaufschlagen der ersten Elektrode 16 und der zweiten Elektrode 18 mit mindestens einer ersten elektrischen Spannung und einer zweiten elektrischen Spannung eingerichtet, wobei sich die zweite elektrische Spannung von der ersten elektrischen Spannung unterscheidet. Die Spannungsquelle 28 ist zum Beaufschlagen der ersten Elektrode 16 und der zweiten Elektrode 18 mit einer elektrischen Messspannung zum Detektieren von Teilchen eingerichtet, wobei die variable elektrische Spannung kleiner als die Messspannung ist. Zum Variieren der elektrischen Spannung ist die Spannungsquelle 28 regelbar. Die Spannungsquelle 28 ist beispielsweise eingerichtet, mittels Pulsweitenmodulation ein Signal zu erzeugen und mittels eines nicht näher gezeigten, nachgeschalteten Tiefpassfilters zu einem Gleichspannungssignal zu glätten. Alternativ kann die Spannung auch mittels eines Digital-zu-Analog-Wandlers erzeugt werden. Mit der ersten Leitung 30 sind weiterhin ein erster Widerstand 32 und ein zweiter Widerstand 34 in Reihe verbunden. Zwischen dem ersten Widerstand 32 und dem zweiten Widerstand 34 zweigt eine zweite Leitung 36 zu einer Spannungsrückmessvorrichtung 38 ab, mittels derer eine Spannungsrückmessung an der ersten Elektrode 16 erfolgen kann.

Zur Erkennung von Wasser auf dem Sensorelement 12 wird erfindungsgemäß folgendes Verfahren vorgeschlagen. Anlegen einer elektrischen Spannung an die erste Elektrode 16 des Sensorelementes 12 und Messen des elektrischen Stroms an dem Messwiderstand 26, der infolge der angelegten Spannung fließt. Um zwischen Wasser und Feststoffnebenschlüssen wie beispielsweise Ruß zu unterscheiden, wird vorgeschlagen die Spannung zu variieren, um die stark nichtlineare Kennlinie von Wasser bei der einsetzenden Elektrolyse zu erkennen, während bei einem Feststoffnebenschluss eine (weitestgehend) lineare Kennlinie zu erwarten ist.

Figur 2 zeigt einen zeitlichen Verlauf von elektrischer Spannung und elektrischen Strom bei Vorliegen von Wasser. Auf der X-Achse 40 ist die Zeit aufgetragen.

Auf der linken Y-Achse 42 ist der Strom in mA aufgetragen. Auf der rechten Y- Achse 44 ist die elektrische Spannung in V aufgetragen. Zum Funktionsnachweis wurde ein Sensorelement 12 auf der ersten Elektrode 16 und der zweiten Elektrode 18 mit Wasser benetzt. Die elektrische Spannung an den Elektroden 16, 18 wurde linear von 0 bis 2 V hochgefahren und der Strom mittels eines Keysight 34465A Multimeter aufgezeichnet. Die Erhöhung der Spannung erfolgte dabei im Sekundenbereich. Es wird explizit betont, dass der genaue Zeitdauer für die Erhöhung der Spannung auf das Ergebnis keinen signifikanten Einfluss hat, so dass in Figur 2 die genaue Zeitangaben auf der X-Achse 40 nicht angegeben wurden. Die Kurve 46 gibt den Verlauf der elektrischen Spannung an. Die Kurve 48 gibt den Verlauf des Stroms an. Die Messdaten wurden ausgewertet und im Stromverlauf 48 ist bereits ein zu höheren Spannungen 46 stark zunehmender Verlauf zu erkennen. Hinsichtlich eines Verlaufs einer Widerstandskennlinie über die elektrische Spannung ist festzustellen, dass sich der stark zunehmende Verlauf des Stroms zu höheren Spannungen hin auch in der Widerstandskennlinie niederschlägt.

Somit erlaubt das Verfahren das Erfassen von Flüssigkeit, insbesondere Wasser, auf dem Sensorelement 12, sofern ein nicht-linearer Zusammenhang zwischen dem erfassten elektrischen Signal und der variierenden elektrischen Spannung erfasst wird. Um die Trennschärfe zu erhöhen, kann die elektrische Spannung in Abhängigkeit der Temperatur des Sensorelements 12 angepasst werden, um die Temperaturabhängigkeit bei der Elektrolyse zu berücksichtigen. Da eine Elektrolyse auf dem Sensorelement 12 prinzipiell die Sensorelementlebensdauer reduziert, jedoch nicht schlagartig zerstört, wie es beim zu erkennenden flüssigem Wasser auf der Sensorelementoberfläche die Folge ist, kann das Verfahren nur nach bereits erfolgter Taupunktfreigabe anzuwenden, da davor ohnehin potentiell mit Wasser auf dem Sensorelement 12 zu rechnen ist, und die Messzeit für die Wassererkennung möglichst kurz zu halten. Beim Erkennen von Wasser ist die Messspannung sofort abzuschalten und vor dem Wiederaufnehmen der Messung sind die weiter unten beschriebenen Maßnahmen (Schutzheizen für eine Mindestdauer) durchzuführen. Es ist auch möglich einen Schwellwert für eine Anzahl von Ereignissen von erfasster Flüssigkeit auf dem Sensorelement 12 zu definieren und somit eine Veränderung eines qualitativen Zustands der ersten Elektrode 16 und der zweiten Elektrode 18 bei Überschreiten des Schwellwerts zu erfassen. So kann beispielsweise ein Schwellwert als Obergrenze für die Anzahl der erkannten Feuchtevorkommnissen definiert werden, ab dem eine weitere Elektrolysebelastung zu einer zu starken Degradation der Elektroden 16, 18 führen würde. Es kann auch die Anzahl der Fälle, in denen Wasser vorkommt, im Fehlerspeicher zu protokollieren, um Erkenntnisse aus dem Feld zu gewinnen.

Grundsätzlich kann der Sensor 10 mittels eines statischen Verfahrens betrieben werden. So kann die variable elektrische Spannung mittels mindestens eines Spannungsteilers realisiert werden. Beispielseise werden zwei fixe Spannungen zur Auswertung verwendet, die z.B. über zwei Spannungsteiler, ggf. mit nachgeschalteter Impedanzwandlung, zur Verfügung gestellt werden können.

Nachstehend wird das Verfahren anhand der Figuren 3 bis 5 ausführlicher beschrieben. Figur 3 zeigt einen zeitlichen Verlauf der elektrischen Spannung bei einem ersten Wert. Figur 4 zeigt einen zeitlichen Verlauf der elektrischen Spannung bei einem zweiten Wert und ohne Vorhandensein von Wasser. Figur 5 zeigt einen zeitlichen Verlauf der elektrischen Spannung bei einem zweiten Wert und Vorhandensein von Wasser. In den Figuren 3 bis 5 ist jeweils auf der X- Achse 56 die Zeit in ms aufgetragen. In den Figuren 3 bis 5 ist jeweils auf der Y- Achse 58 die elektrische Spannung in mV aufgetragen. In den Figuren 3 bis 5 gibt die Kurve 60 jeweils die Differenzspannung zwischen der ersten Elektrode 16 und der zweiten Elektrode 18 an. In den Figuren 3 bis 5 gibt die Kurve 62 jeweils die elektrische Spannung an der ersten Elektrode 16 an. In den Figuren 3 bis 5 gibt die Kurve 64 jeweils die elektrische Spannung an zweiten Elektrode an. Bei dem Verfahren erfolgt eine Ausgabe einer einstellbaren differentiellen Messspannung an den Elektroden 16, 18 mittels eines pulsweitenmodulierten Signals über die die erste Elektrode 16 aus einer nominell höheren Spannung von beispielsweise 5 V bis 8 V in der Steuerung 20.

Figur 3 zeigt einen ersten Messpunkt. Bei dem ersten Messpunkt erfolgt eine Differenzmessung mit einer Differenzspannung zwischen erster Elektrode 16 und zweiter Elektrode 18 von 0,5 V, die parametrierbar und sicher unterhalb der Elektrolyseschwelle ist. Weiterhin wird als elektrisches Signal der Strom zwischen erster Elektrode 16 und zweiter Elektrode 18 durch die Messvorrichtung 22 am Messwiderstand 26 bei dieser Spannungsdifferenz ermittelt. Die Spannung an der zweiten Elektrode 18 kann über den bekannten Messwiderstand 26 in einen Strom umgerechnet werden.

Die Figur 4 zeigt einen zweiten Messpunkt ohne Wasser auf dem Sensorelement 12. Die Figur 5 zeigt einen zweiten Messpunkt bei Vorhandensein von Wasser auf dem Sensorelement 12. Bei dem zweiten Messpunkt erfolgt eine Differenzmessung mit einer Differenzspannung zwischen erster Elektrode 16 und zweiter Elektrode 18 von 2 V, die parametrierbar und sicher oberhalb der Elektrolyseschwelle ist. Weiterhin wird als elektrisches Signal der Strom zwischen erster Elektrode 16 und zweiter Elektrode 18 durch die Messvorrichtung 22 am Messwiderstand 26 bei dieser Spannungsdifferenz ermittelt. Die Spannung an der zweiten Elektrode 18 kann über den bekannten Messwiderstand 26 in einen Strom umgerechnet werden.

Ergibt sich ein linearer bzw. nahezu linearer Zusammenhang zwischen Strom, rückgerechnet aus der Spannung an der zweiten Elektrode 18 und dem bekannten Messwiderstand 26, und der Differenzspannung zwischen erster Elektrode 16 und zweiter Elektrode 18 heraus, wie in Figur 4 gezeigt, so liegt ein elektrischer Nebenschluss vor. Ergibt sich jedoch ein nicht-linearer Zusammenhang bedingt durch einsetzende Elektrolyse in der Form eines starken Anstieges des gemessenen Stromes bei 2 V Differenzspannung zwischen erster Elektrode 16 und zweiter Elektrode 18, so kann auf Wasser geschlossen werden und es können Gegenmaßnahmen ergriffen werden.

Nachstehend werden beispielhaft einige Anwendungsfälle für das erfindungsgemäße Verfahren beschrieben.

Figur 6 zeigt ein Ablaufdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens vor einer Messung oder während eines Schutzheizens. Bei Schritt S10 beginnt eine Feuchtprüfung während eines Schutzheizens. Bei einem nachfolgenden Schritt S12 wird an die Elektroden 16, 18 eine erste elektrische Spannung angelegt. Bei einem nachfolgenden Schritt S14 wird ein erster Messwert des elektrischen Signals bei der angelegten ersten elektrischen Spannung erfasst. Bei einem nachfolgenden Schritt S16 wird an die Elektroden 16, 18 eine zweite elektrische Spannung angelegt, die sich von der ersten elektrischen Spannung unterscheidet. Bei einem nachfolgenden Schritt S18 wird ein zweiter Messwert des elektrischen Signals bei der angelegten zweiten elektrischen Spannung erfasst. Bei einem nachfolgenden Schritt S20 erfolgt die eigentliche Überprüfung, ob Feuchte auf dem Sensorelement 12 vorliegt. Die Überprüfung erfolgt gemäß dem Verfahren oben bezüglich der Figuren 2 bis 5 beschrieben. Wird in Schritt S20 ermittelt, dass Feuchte vorliegt, schreitet das Verfahren zu Schritt S22 fort.

In Schritt S22 erfolgt bei Erkennung von Feuchte eine Verlängerung der Schutzheizdauer um eine Mindestdauer und ggf. eine Anwendung einer angepassten Schutzheizstrategie mit Reduktion der Heizleistung, um Ablagerung zu minimieren. Nach Ablauf der Mindestdauer im Schutzheizen erfolgt eine erneute Prüfung und das Verfahren kehrt zu Schritt S10 zurück. Wird in Schritt S20 keine Feuchte ermittelt, schreitet das Verfahren zu Schritt S24 fort und es kann eine Regeneration des Sensors 10 bzw. Sensorelements 12 erfolgen.

Figur 7 zeigt ein Ablaufdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens während einer Regeneration. Bei Schritt S30 beginnt eine Feuchtprüfung während einer Regeneration. Bei einem nachfolgenden Schritt S32 wird an die Elektroden 16,

18 eine erste elektrische Spannung angelegt. Bei einem nachfolgenden Schritt S34 wird ein erster Messwert des elektrischen Signals bei der angelegten ersten elektrischen Spannung erfasst. Bei einem nachfolgenden Schritt S36 wird an die Elektroden 16, 18 eine zweite elektrische Spannung angelegt, die sich von der ersten elektrischen Spannung unterscheidet. Bei einem nachfolgenden Schritt S38 wird ein zweiter Messwert des elektrischen Signals bei der angelegten zweiten elektrischen Spannung erfasst. Bei einem nachfolgenden Schritt S40 erfolgt die eigentliche Überprüfung, ob Feuchte auf dem Sensorelement 12 vorliegt. Die Überprüfung erfolgt gemäß dem Verfahren oben bezüglich der Figuren 2 bis 5 beschrieben. Wird in Schritt S40 ermittelt, dass Feuchte vorliegt, schreitet das Verfahren zu Schritt S42 fort. In Schritt S42 erfolgt bei Erkennung von Feuchte ein Abbruch der Regeneration und eine Rückkehr zum Schutzheizen für eine Mindestdauer und ggf. Anwendung einer angepassten Schutzheizstrategie mit Reduktion der Heizleistung, um Ablagerung zu minimieren. Nach Ablauf der Mindestdauer im Schutzheizen erfolgt eine erneute Prüfung und das Verfahren kehrt zu Schritt S30 zurück. Wird in Schritt S40 keine Feuchte ermittelt, schreitet das Verfahren zu Schritt S44 fort und es kann die Regeneration des Sensors 10 bzw. Sensorelements 12 fortgesetzt werden. Figur 8 zeigt ein Ablaufdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens vor einer Messphase. Bei Schritt S50 beginnt eine Feuchtprüfung vor einer Messphase, d.h. vor Anlegen der Messspannung und speziell beim direkten Messen. Bei einem nachfolgenden Schritt S52 wird an die Elektroden 16, 18 eine erste elektrische Spannung angelegt. Bei einem nachfolgenden Schritt S54 wird ein erster Messwert des elektrischen Signals bei der angelegten ersten elektrischen Spannung erfasst. Bei einem nachfolgenden Schritt S56 wird an die Elektroden 16, 18 eine zweite elektrische Spannung angelegt, die sich von der ersten elektrischen Spannung unterscheidet. Bei einem nachfolgenden Schritt S58 wird ein zweiter Messwert des elektrischen Signals bei der angelegten zweiten elektrischen Spannung erfasst. Bei einem nachfolgenden Schritt S60 erfolgt die eigentliche Überprüfung, ob Feuchte auf dem Sensorelement 12 vorliegt. Die Überprüfung erfolgt gemäß dem Verfahren oben bezüglich der Figuren 2 bis 5 beschrieben. Wird in Schritt S60 ermittelt, dass Feuchte vorliegt, schreitet das Verfahren zu Schritt S62 fort. In Schritt S62 beginnt bei Erkennung von Feuchte vor einem Anlegen der Messspannung mit der beschriebenen Methode ein neuer Messzyklus mit Schutzheizen und anschließender Regeneration. Anschließend kehrt das Verfahren zu Schritt S50 zurück. Wird in Schritt S60 keine Feuchte ermittelt, schreitet das Verfahren zu Schritt S64 fort und es kann die Messphase begonnen werden.

Die Erfindung ist nachweisbar durch Einbringen von Wasser auf der Elektrodenstruktur eines Sensorelements und Messung an den Elektroden- Sondenleitungen und Überprüfung, ob sich die Betriebsstrategie im Vergleich zum Sensor ohne Wasser ändert.