DE3005928A1

DE3005928A1 - Beheizte ionenstromsonde fuer hohe zemperaturen

Info

Publication number: DE3005928A1
Application number: DE19803005928
Authority: DE
Inventors: Ernst Dipl.-Phys. 7830 Mühlacker Linder; Helmut 7141 Schwieberdingen Maurer; Klaus Dr. 7146 Tamm Müller
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1980-02-16
Filing date: 1980-02-16
Publication date: 1981-09-10
Also published as: DE3005928C2; US4389373A; JPS56129849A

Description

31.1.1980 Fd/Hm

Robert Bosch GmbH, 7000 Stuttgart 1 Beheizte Ionenstromsonde für hohe Temperaturen Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Geber zur Aufnahme von Ionenströmen nach der Gattung des Hauptanspruchs, Aus der US-PS 3 999 9^7 ist es bereits bekannt, zur Messung von Kohlenwasserstoffgemischen auf einem
Träger zwei Elektroden und ein Heizelement aufzubringen. Die. Elektroden sind in weitem Abstand voneinander angeordnet und mit einem gasempfindlichen
Element bedeckt, das die Kohlenwasserstoffe in Ionen und Elektronen spaltet. Die gasempfindliche Schicht ist jedoch kompliziert herzustellen und nur im niedrigen Temperaturbereich zu verwenden. Bei hohen
Temperaturen treten in der gasempfindlichen Schicht chemische Vorgänge auf, die diese zerstören und die Elektroden verkleben. Solche Geber sind bei hohen
Temperaturen nicht zu verwenden.

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Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße Geber mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß er auch bei hohen Temperaturen, wie sie in Gas- und ölbrenner^ im Brennraum von Brennkraftmaschinen oder in Meßgeräten mit Flammenionisationsdetektor auftreten, zu verwenden ist. Als weiterer Vorteil ist anzusehen, daß die Herstellung des Gebers wesentlich vereinfacht ist, da die gasempfindlichen Schichten nicht benötigt werden.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen Gebers möglich. So ist es günstig, Heizleiter und Meßelektroden auf der gleichen Seite der isolierten Trägerplatte aufzubringen. Dadurch sind beide Schichten gleichzeitig aufzubringen, d.h. der Träger braucht nicht gewendet zu werden oder auf der Vorder- und Rückseite bearbeitet zu werden. Am günstigsten erwies sich ein Aufdampfen oder Aufdrucken des Heizleiters und der Meßelektroden. In besonderen Anwendungsfällen erwies es sich auch als vorteilhaft, auf beiden Seiten des Trägers Meßelektroden aufzubringen. Hierdurch erhält man zwei Geber, von denen der eine als Referenzgeber verwendet werden kann oder aber beide Geber weisen unterschiedliche Empfindlichkeit auf, so daß der Meßbereich zu erweitern ist. Zur Erzielung bestimmter Meßeffekte ist es günstig, auf einer oder auf beiden Seiten auf die Meßelektroden eine Kanalanordnung aus Stützen und Stegen oder durchgehenden Stegen aufzubringen. Hierdurch kann die Empfindlichkeit der Meßelektroden geändert werden oder aber druckwellen-

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förmig auftretende Kohlenwasserstoffe, wie sie beim Klopfen von Brennkraftmaschinen entstehen, können besser erfaßt werden. Dieser Effekt kann dadurch verstärkt werden, indem man die Stege bzw. Stützen mit einer Deckplatte abdeckt. Wird die Gasströmung aus einer bestimmten Richtung erwartet, ist es günstig, zur Steigerung der Empfindlichkeit des Gebers die Stege bzw. Stützen asymmetrisch zu den Elektroden anzuordnen. Bei strömendem Gas ist zur Erzielung bestimmter Effekte auch die Spannung an der Meßelektrode wesentlich, die der Strömung zugewandt ist. Wird eine positive Spannung an diese Meßelektrode angelegt, wird ionisiertes Gas negativer Polarität durch die Elektrode angezogen, was eine Erhöhung der Empfindlichkeit bedeutet.Kommt die negative Elektrode zuerst an das ionisierte Gas negativer Polarität, so wird dadurch eine Abstossung bewirkt, die jedoch durch Druckschwankungen, die durch das Klopfen eines Verbrennungsmotors ausgelöst werden, überwunden werden, so daß man einen druckempfindlichen Geber für den Ionenstrom erhält.

Zeichnung

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Pig. I bis Pig. 3 verschiedene Ausführungsbeispxele eines Ionenstromgebers nach der Erfindung.

Beschreibung der Erfindung

Der in der Fig. 1 dargestellte Geber hat eine rechteckige Trägerplatte 1, die aus temperaturbeständigem Material hergestellt ist. Als solches Material eignet

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sich beispielsweise Keramik. Es ist jedoch günstig, 'gut wärmeleitende Materialien, wie beispielsweise Aluminium oder Stahl zu verwenden_s wobei jedoch eine zusätzliche Isolationsschicht, wie Aluminiumoxid, notwendig ist, die beispielsweise im Plasmaspritz- oder im Siebdruckverfahren aufgebracht werden kann. Auf der Unterseite des Trägerplättchens 1 ist eine Leiterbahn 2 aufgewalzt, die im Bereich der Elektroden mäanderförmige Schleifen bildet und zur Beheizung des Plättchens 1 dient. Auf der Oberseite des Trägerplättchens 1 sind zwei Elektroden 3 und 4 aufgebracht·, die als Meßelektroden dienen. An diese Elektroden wird die Meßspannung angelegt. Als Elektroden- bzw. Leiterbahnwerkstoff kann im Prinzip jeder elektrische Leiter verwendet werden. Für Messungen bei hohen Temperaturen empfiehlt es sich jedoch, Edelmetalle, wie beispielsweise Platin, Gold oder Palladium, zu verwenden. Die Elektroden 3 und 4 und die Leiterbahn 2 sind aufgedruckt, aufgewalzt oder aufgedampft. Die Elektroden 4 und 5 können in dem Bereich, der nicht dem Gas ausgesetzt ist, mit einer Isolierschicht 5 überzogen werden.

Bei hohen Temperaturen treten Kohlenwasserstoffe bereits ionisiert auf. Wird daher der Geber in den Brennraum einer Gas- oder ölheizung oder in den Brennraum einer Brennkraftmaschine gebracht, so löst das ionisierte Gas zwischen den Elektroden 4 und 5 einen Ionenstrom aus, der abhängig ist von der Menge des vorhandenen ionisierten Gases. An einem in den Stromkreis geschalteten Meßwiderstand ist dann eine Spannung abgreifbar, deren Höhe der Stärke des Ionenstroms und damit dem ionisierten Gas proportional ist. Der Ionenstrom sowie der Ionenstromverlauf geben daher Aufschluß über die Art der Verbrennung des

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Brennstoff-Luftgemisches. Weiterhin kann erkannt werden, ob eine intensive oder eine schleppende Verbrennung vorliegt.

Durch die Beheizung des Ionenstromgebers wird erreicht, daß die Elektroden nicht verrußen können, da der Ruß durch die Hitze der Heizung sofort verbrannt wird. Des weiteren wird erreicht, daß die Elektroden ^J und thermostatisiert sind, also ein Meßfehler durch Temperaturschwankungen in dem zu messenden Medium nicht auftreten kann. Durch die Heizung wird der Geber so aufgeheizt, daß die Gastemperatur die Gebertemperatur nicht erreichen kann. Im Brennraum von Brennkraftmaschinen beträgt diese Temperatur an der Meßstelle bis zu 1000 ⁰C.. Dadurch wird auch erreicht, daß das Gas im Bereich der Meßstelle nicht abkühlt und dadurch Pehlmessungen verursacht werden.

In dem weiteren Ausführungsbeispiel in Fig. 2 sind der Heizleiter 6 und die Elektroden 7 und 8 auf der gleichen Seite eines Trägerplättchens 9 aufgebracht. Im Meßbereich 10 ist der Heizleiter .6 wiederum mäanderförmig ausgebildet. Um durch sein elektrisches Feld die Meßelektroden 7 und 8 nicht zu beeinflussen, ist der Heizleiter 6 im Elektrodenmeßbereich 10 zweckmäßigerweise durch eine hier nicht gezeichnete Isolationsschicht abzudecken. Im Meßbereich 10 sind asymmetrisch zur Strömungsrichtung eines Gases 21 Stege 11 angebracht, die das Gas zu den Elektroden leiten. Im Bereich der Elektroden selbst sind Stützen 12 angebracht. Die Stege 11, die auch durchgehend sein können und die Stützen 12 sind ebenfalls auf das Trägerplättehen 9 aufgedampft oder aufgedruckt. Beispielsweise haben sich Höhen von 30 bis 50 ,um als ausreichend erwiesen.

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Durch die so entstehenden Kanäle 13 strömt das zu messende Gas 21. Die Kanäle 13 haben beispielsweise eine Breite von 0,2 bis 1 mm.

Die endgültige Festlegung der Kanalabmessung erfolgt unter dem Gesichtspunkt der Pertigungsmöglichkeit und der Empfindlichkeit des Gebers. Pur eine Analyse des Ionenstromverlaufs zur Bestimmung der Verbrennungsruhe oder zur Erkennung des Klopfens einer Verbrennungsmaschine, ist es möglich, Kanäle so auszubilden, daß sie wie ein Resonanzkörper wirken. Die Länge der Kanäle wird dann auf ein Viertel oder ein ungerades Vielfaches der Wellenlänge der zu messenden Frequenz ausgedehnt oder beschränkt. Das Resonatorvolumen bildet dann einen Helmholtzresonator. Soll der Geber beispielsweise zum Messen des Klopfens in einer Verbrennungsmaschine verwendet werden, so ist der Resonator etwa in einem Bereich von 5 bis 10 kH abzustimmen, da bekannterweise das Klopfen in diesem Bereich auftritt, wobei die genaue Frequenz von der Art der Brennkraftmaschine abhängt. Dadurch wird der druch das Gas 21 verursachte Ionenstrom erhöht, wenn das Gas 21 Druckschwankungen im Resonanzbereich ausgesetzt ist.

Durch die Anbringung der Stege 11 kann jedoch auch ein anderer Effekt erzielt werden. Da das strömende Gas 21 in den Kanälen einen gewissen Widerstand überwinden muß, kann durch die Breite der Kanäle 13 auch die Empfindlichkeit der Meßelektroden 7, 8 verändert werden. Schmale Kanäle 13 und breite Stege 11 verringern die Empfindlichkeit der Meßelektroden.6, 7.

Durch die Wahl der Polarität der Elektroden in Bezug zum strömenden Gas 21 ist der Geber für verschiedene Anwendungsgebiete optimierbar. Soll der Geber beispielsweise auf ionisiertes Gas empfindlich sein, das bei Druckschwankungen auftritt, so empfiehlt es sich, die

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Elektrode 7 mit der negativen Spannung zu beaufschlagen. Ionisiertes Gas negativer Polarität wird dann durch die Elektrode 7 abgestossen und kann nicht in den Kanalhals gelangen. Sind jedoch die Druckschwankungen in ihrer Amplitude gr<->ß genug, dringt Gas 21 in die Kanäle 13 ein und gelangt in das Feld zwischen den Elektroden 7 und 8j was zu Ionenstromschwankungen führt. Ein solcherart gestalteter Geber eignet sich besonders für Klopfmessungen. Der gegenteilige Effekt wird erzielt, wenn die Elektrode 7 positiv geladen ist. In diesem Fall wird das negativ ionisierte Gas von der positiven Elektrode angezogen, es gelangt also leichter in die Kanäle und löst an den Elektroden einen Ionenstrom aus. Der Geber ist dann empfindlicher.

Wird die Rückseite des Trägerplättchens 9 ebenfalls mit einem Elektrodenpaar versehen, sind auch Kombinationsmessungen möglich. Beispielsweise kann mit dem einen Elektrodenpaar der Ionenstromverlauf im ionsierten Gas gemessen werden, während das andere Elektrodenpaar nur auf Klopfen reagiert, andererseits kann die Empfindlichkeit der beiden Elektrodenpaare so zueinander abgestimmt werden, daß ein möglichst großer Meßbereich besteht. Treten aufgrund eines hohen Ionenanteils des Gases 21 hohe Ionenströme auf,· so können die Elektroden 7, 8 überlastet werden, so daß die Anzeige nicht mehr linear mit wachsendem oder abnehmendem Ionenanteil erfolgt. Ordnet man nun auf einer Elektrodenseite Kanäle 13 an, welche ein Dxffussionshemmung verursachen, so stellen sie bezüglich des Gases ein 21 Vorwiderstand dar, der den Ionenzufluß zu den Elektroden vermindert und die Elektroden der einen Seite unempfindlicher macht.

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In einem weiteren Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 1st auf einem Trägerplättchen 14 ebenfalls ein Heizleiter 15 aufgebracht, der im Meßbereich der Elektroden mäanderförmig ausgebildet ist. In der Mitte des Plättchens 14 liegen die Elektroden 16 und 17, deren Meßbereich durch eine Platte 18 abgedeckt· ist, die auf durchgehenden Stegen 19 ruht. Die Stege 19 und die Platte 18 sind asymmetrisch zu den Elektroden 16 und 17 angeordnet, so daß das strömende Gas 21 bereits in Kanälen 20 kanalisiert ist, wenn es zu den Elektroden 16 und 17 gelangt.

Die Platte 18 hat die Aufgabe, einerseits die Elektroden 16, 17 und die Stege 19 bzw. die Stützen vor einer Beschädigung durch grobe Verunreinigungen des Gases zu schützen, andererseits wird dadurch der Resonatoreffekt, der beispielsweise bei Klopfmessungen erwünscht ist, verstärkt. Der Geber nach Fig. 3 unterscheidet sich ansonsten nicht von der Wirkungsweise des zuvor beschriebenen Gebers nach Fig. 2.

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Beheizte Ionenstromsonde für hohe Temperaturen Zusammenfassung

Es wird eine Ionenstromsonde vorgeschlagen, die zwei Elektroden aufweist, die auf einem Träger aufgebracht sind, der gleichzeitig beheizt ist. Zur Messungen von impulsförmig auftretenden ionisierten Kohlenwasserstoffen sind über den Elektroden Kanäle angebracht .

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Claims

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Ansprüche

,' 1.) Geber zur Aufnahme von Ionenströmen in Kohlenwasser stoff gemischen, dadurch gekennzeichnet, daß für hohe Temperaturen in an sich bekannter Weise auf einem isolierten Träger(1, 9, 1*0 hoher Temperaturfestigkeit ein Heizleiter (2, 6, 15) und mindestens zwei Meßelektroden (3, 4, 7, 8, 16, 17) aufgebracht sind.
2. Geber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Heizleiter (6, 15) und die Meßelektroden (7, 8, 16, 17) auf einer Seite des isolierten Trägers (9, I²O aufgebracht sind.
3. Geber nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Heizleiter (6, 15) mindestens teilweise durch eine Isolationsschicht abgedeckt ist.
4. Geber nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizleiter (2, 6, 15) und

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die Meßelektroden (3, 4, 7, 8, 16, 17) aufgedampft oder aufgedruckt sind.
5. Geber nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß auf beiden Seiten des Gebers Meßelektroden (3, 4, 7, 8, 16, 17) angebracht sind.
6. Geber nach einem der Ansprüche 1 bis 5_S dadurch gekennzeichnet, daß auf mindestens einer Seite auf die Meßelektroden (7, 8, 16, 17) eine Kanalanordnung aus Stützen (12) und Stegen (11) aufgebracht ist.
7. Geber nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß auf mindestens einer Seite der Meßelektroden (16, 17) durchgehende Stege (19) aufgebracht sind.
8. Geber nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Stege (11, 19) bzw. Stützen (12) durch eine Decke (18) abgedeckt sind.

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9. Geber nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Stege (11, 19) bzw. Stützen (12) asymmetrisch zu den Meßelektroden (7, 8, 16, 17) angebracht sind.
10. Geber nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die der Gasströmung zugewandte Meßelektrode (7, 16) die positive Spannung führt.
11. Geber nach einem der Ansprüche 1 bis 9» dadurch gekennzeichnet, daß die der Gasströmung zugewandte Meßelektrode (7, 16) die negative Spannung führt.

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